技术领域
[0001] 本
发明涉及模拟域载波恢复方法，尤其涉及一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法。
背景技术
[0002] 近几年来，随着
云服务、宽带视频、文件共享等新型互联网业务的发展，以及无线终端的大规模普及，导致
覆盖数据中心网络、接入网以及城域网的中短距离(10-100km)光信息流量爆发式增长。因此，急需提出新型中短距光纤通信方案满足未来流量需求，且尽可能保持较低的实现成本及系统复杂度。在这之中，相干光接收通过
相位分集、偏振分集接收以及平衡探测的方式，可以实现光
信号的线性接收，从而实现光场四维度信号的解调，极大提升了系统
频谱效率。此外，通过增大LO光功率，可以提升接收机灵敏度，使接收机灵敏度逼近于量子极限。然而受限于相干光接收机复杂度以及相应DSP高功耗问题，传统相干光接收方案在中短距离光互联应用非常有限。相关研究人员着眼于简化相干光接收机，通过合理的光链路设计，结合适当的光
控制器件以及模拟电域计算，可以降低相干光接收相应
算法的复杂度，甚至完全将其完全消除，实现DSP-free的相干光通信。这在降低其实现成本同时仍能保持传统相干光接收方案的优势，使得相干光接收方案应用于中短距离光互联成为可能。而在这之中，如何以模拟的方式消除载波
相位噪声是其中的难点之一。
[0003] 目前在模拟域实现载波恢复的方案主要基于光
锁相环或电
锁相环。基于光锁相环的载波恢复方案通过生成的
频率纠正信号调节
本振激光器，因此，这要求本振激光器存在宽带调频响应。另一方面，光锁相环的环路包含本振激光、90度
混频器、光电探测器以及用于载波恢复的
电子器件，因此，环路延时是光锁相环的主要挑战。基于电锁相环的载波恢复方案消除了光锁相环对本振光以及环路延时的要求，但仍需复杂的模拟
电路实现载波恢复。基于此，如何提供一种更低复杂度的载波恢复方案，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
发明内容
[0004] 为了解决
现有技术中的问题，本发明提供了一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法。
[0005] 本发明提供了一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法，使用经相干接收而得的I、Q
电信号驱动
调制器，依据调制器的输出曲线，设置信号峰峰值及偏置
电压，不同的幅度分布经调制后输出
光信号平均强度也不一致，由低速PD探测调制器的输出光信号平均强度，即可确定信号I、Q分量幅度分布，在本振光链路中插入可调光延时线，由低速PD输出反馈控制可调光延时线，即可实现模拟域载波恢复。
[0006] 作为本发明的进一步改进，包括以下步骤：
[0007] S1、激光
光源发出的光束经
耦合器分为两束，其中一束作为信号调制载波，另一束作为本振光；
[0008] S2、由IQ调制器对信号调制载波进行调制，加载信号，形成信号光；
[0009] S3、经调制后的信号光与本振光分别沿两路光纤传输到达接收端，通过一个功率可调的噪声源产生自发
辐射噪声，并且将其和调制的信号光通过光耦合，来设置光
信噪比；
[0010] S4、本振光在接收机前插入一可调光延时线，通过施加控制电压，可以调节本振光的相位，可调光延时线由现场可编程
门阵列控制；
[0011] S5、信号光与本振光分别经混频器后由平衡探测器探测，输出I分量及Q分量的两路光
电流；
[0012] S6、两路光电流分别分出部分用于反馈补偿相位偏移，其余部分用于信号接收，在相位补偿完成后可直接进行
采样和判决；
[0013] S7、用于反馈补偿相位偏移的光电流经低通
滤波器后由电
放大器放大至设定峰峰值，作为调制器的驱动信号调制输入载波，信号调制为外调制或者内调制；
[0014] S8、使用低速PD探测调制器调制后的光信号，经低速PD探测而得电信号输入至所述
现场可编程门阵列；
[0015] S9、所述现场可编程门阵列接收并处理一个测试周期Ts内输入电信号，通过爬坡法找到最小电信号所对应得控制电压；
[0016] S10、将该控制电压施压于可调光延时线，即可实现载波相位补偿。
[0017] 作为本发明的进一步改进，激光光源的工作
波长为1310nm，即光纤的 0色散波长。
[0018] 作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，所述现场可编程门阵列中预存一系列
测试电压，这些测试电压引入的相位偏移在-50°-50°范围内，且均匀分布，将这些测试电压在一个测试周期Ts内依次施加于所述可调光延时线。
[0019] 作为本发明的进一步改进，在步骤S7中，信号调制采用
马赫-曾德尔调制器进行外调制，或者采用直接调制激光器进行内调制。
[0020] 本发明还提供了一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法，包括以下步骤：
[0021] 1)、激光光源发出的光束经耦合器分为两束，其中一束作为信号调制载波，另一束作为本振光，激光光源的工作波长为1310nm，即光纤的0 色散波长；
[0022] 2)、任意
波形发生器种生成28GS/s QPSK电平信号，然后输入到IQ 调制器调制信号载波；
[0023] 3)、经调制后的信号光与本振光分别沿两路光纤传输到达接收端，通过一个功率可调的噪声源产生自发辐射噪声，并且将其和调制的光信号通过光耦合，
光信噪比设置为20dB；
[0024] 4)、本振光路在接收机前插入一可调光延时线，通过施加控制电压，可以调节本振光的相位，可调光延时线由现场可编程门阵列控制，现场可编程门阵列中预存21个测试电压，这些测试电压可以引入得相位偏移在-50°-50°范围内，且均匀分布，将这些测试电压在一个测试周期Ts内依次施加于可调光延时线；
[0025] 5)、信号光与本振光经混频器后由平衡探测器探测，输出I分量及Q 分量的光电流；
[0026] 6)、两路光电流分出小部分用于反馈补偿相位偏移，其余部分用于信号接收，在相位补偿完成后可直接进行采样和判决；
[0027] 7)、用于反馈补偿相位偏移的光电流经
低通滤波器后由电放大器放大至设定峰峰值，作为马赫-曾德尔调制器的驱动信号调制输入载波，马赫-曾德尔调制器偏置电压设为0，输入载波由接收端的激光器提供；
[0028] 8)、使用低速PD探测马赫-曾德尔调制器调制后的光信号，经低速PD 探测而得电信号输入至现场可编程门阵列；
[0029] 9)、现场可编程门阵列接收并处理一个测试周期Ts内输入电信号，通过爬坡法找到最小电信号所对应得控制电压；
[0030] 10)、将该控制电压施压于可调光延时线，即可实现载波相位补偿。
[0031] 本发明还提供了一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法，包括以下步骤：
[0032] 1)、激光光源发出的光束经耦合器分为两束，其中一束作为信号调制载波，另一束作为本振光，激光光源的工作波长为1310nm，即光纤的0 色散波长；
[0033] 2)、任意波形发生器种生成28GS/s QPSK电平信号，然后输入到IQ 调制器调制信号载波；
[0034] 3)、经调制后的信号光与本振光分别沿两路光纤传输到达接收端，通过一个功率可调的噪声源产生自发辐射噪声，并且将其和调制的光信号通过光耦合，光信噪比设置为20dB；
[0035] 4)、本振光路在接收机前插入一可调光延时线，通过施加控制电压，可以调节本振光的相位，可调光延时线由现场可编程门阵列控制，现场可编程门阵列中预存21个测试电压，这些测试电压可以引入得相位偏移在-50°-50°范围内，且均匀分布，将这些测试电压在一个测试周期Ts内依次施加于可调光延时线；
[0036] 5)、信号光与本振光经混频器后由平衡探测器探测，输出I分量及Q 分量的光电流；
[0037] 6)、两路光电流分出小部分用于反馈补偿相位偏移，其余部分用于信号接收，在相位补偿完成后可直接进行采样和判决；
[0038] 7)、用于反馈补偿相位偏移的光电流经低通滤波器后由电放大器放大至设定峰峰值，作为直接调制激光器的驱动信号；
[0039] 8)、使用低速PD探测直接调制激光器调制后的光信号，经低速PD探测而得电信号输入至现场可编程门阵列；
[0040] 9)、现场可编程门阵列接收并处理一个测试周期Ts内输入电信号，通过爬坡法找到最小电信号所对应得控制电压；
[0041] 10)、将该控制电压施压于可调光延时线，即可实现载波相位补偿。
[0042] 本发明的有益效果是：提供了一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法，较好的降低了复杂度，较容易实现，降低了实现成本及功耗。
附图说明
[0043] 图1是本发明一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法的不同偏振旋转
角度小
星座图及其I分量幅度分布图。
[0044] 图2是本发明一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法的MZM传输曲线图。
[0045] 图3是本发明一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法的不同相位偏移下PD输出光电流曲线图。
[0046] 图4是本发明一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法的
实施例一流程
框图。
[0047] 图5是本发明一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法的仿真扫描不同相位偏移值下低速PD输出功率曲线图。
[0048] 图6是本发明一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法的实施例二流程框图。
[0049] 图7是本发明一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法的仿真扫描不同相位偏移值下低速PD输出功率曲线图。
具体实施方式
[0050] 下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0051] 如图1至图7所示，一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法，主要适用于数据中心内部或数据中心间采用全双工光纤通信的系统。在这种情形下，发射端的激光器经耦合器分为两束，其中一束作为信号调制载波，另一束作为本振光，分别沿两路光纤传输。这种传输方案虽然存在一定的本振光功率代价，但可以消除接收端对本振激光器的需求，而且由于信号载波与本振光源于同一激光器，因此不存在
频率偏差，故而无需频率估计模
块，可以进一步降低实现成本及功耗。此外，数据中心间通信距离较短，全双工通信也很容易实现。采用上述方案可以实现本振光与信号光的频率锁定，但由于本振光与信号光经不同的光纤传输，因此必然会存在相位偏差，且该相位偏差会随着外界环境变化发生缓慢飘移。本发明提出一种基于光电协同的方式消除该相位噪声，在这种情形下，可以完全避免
数字信号处理模块，实现DSP-free的相干光通信。
[0052] 基本原理可描述如下：相位偏移表现在星座点中是使信号星座点发生一定角度的旋转，在本振光与信号光间不存在频率偏差的情形下，可以认为在相当长的持续时间内，各符号点的相位偏移是相同的。如图1(a)、(b)、 (c)所示分别为0°、20°以及45°相位偏移情形下的星座图，统计分析不同旋转角度下信号I、Q分量的幅度分布，如图1(d)、(e)、(f)所示为分别为0°、20°以及45°相位偏移下I分量的幅度分布频率图，可以发现，不同相位旋转角下I分量的幅度分布频率存在很大的区别。有一个非常明显的特点，I分量的幅度分布在0附近的频率随相位旋转角的增大而增大，0°时最小，45°时最大，即信号相位旋转角度与I分量的幅度分布存在一一对应的关系；此外信号相位旋转角度越大，I分量的幅度分布范围越大(Q分量幅度分布特点与I分量一致)。因此可以通过一定的方式统计信号I分量或Q分量的幅度分布确定相位旋转角度的大小。
[0053] 基于上述原理，可以使用经相干接收而得的I、Q电信号驱动调制器，依据调制器的输出曲线，合理设置信号峰峰值及偏置电压。不同的幅度分布经调制后输出光信号平均强度也不一致，由低速PD探测调制器的输出光信号平均强度，即可确定信号I、Q分量幅度分布。例如使用传输曲线如图 2所示的MZM调制器，将偏置电压设置为零，信号峰峰值设置在半波电压附近，此时，I、Q分量幅度分布在零附近的概率越小，低速PD的输出功率也越小。通过仿真扫描不同相位旋转角度下低速PD的光电流输出，得如图3 所示结果，当相位偏转为0°时，低速PD输出光电流最小。因此，可在本振光链路中插入可调光延时线(VODL)，由低速PD输出反馈控制VODL，即可实现模拟域载波恢复。
[0054] 具体过程如下：
[0055] 1、激光光源发出的光束经耦合器分为两束，其中一束作为信号调制载波，另一束作为本振光，激光光源的工作波长为1310nm，即光纤的0色散波长。
[0056] 2、由IQ调制器(IQM)对信号载波进行调制，加载信号。
[0057] 3、经调制后的信号光与本振光分别沿两路光纤传输到达接收端，通过一个功率可调的噪声源产生自发辐射噪声(ASE)，并且将其和调制的光信号通过光耦合，来设置光信噪比(OSNR)。
[0058] 4、本振光路在接收机前存在一可调光延时线(VODL)，通过施加控制电压，可以调节本振光的相位。可调光延时线由现场可编程门阵列控制 (FPGA)，FPGA中预存一系列测试电压，这些测试电压可以引入得相位偏移在-50°-50°范围内，且均匀分布。将这些测试电压在一个测试周期 Ts内依次施加于VODL。
[0059] 5、信号光与本振光经混频器后由平衡探测器(BPD)探测，输出I分量及Q分量的光电流。
[0060] 6、两路光电流分出小部分用于反馈补偿相位偏移，其余部分用于信号接收，在相位补偿完成后可直接进行采样和判决。
[0061] 7、用于反馈补偿相位偏移的光电流经低通滤波器(LPF)后由电放大器放大至设定峰峰值，作为调制器的驱动信号调制输入载波，信号调制可以是外调制(马赫-曾德尔调制器(MZM))，也可以是内调制(例如使用直接调制激光器(DML)，垂直腔面发射激光器(VCSEL))。
[0062] 8、使用低速PD探测经调制后的光信号，经低速PD探测而得电信号输入至FPGA。
[0063] 9、FPGA接收并处理一个测试周期Ts内输入电信号，通过爬坡法找到最小电信号所对应得控制电压。
[0064] 10、将该控制电压施压于VODL，即可实现载波相位补偿。
[0065] 本发明提供的一种基于光电协同的模拟域载波恢复方法，可以实现模拟域载波恢复，进一步的，可以实现DSP-free的相干接收。
[0066] 实施例一
[0067] 图4为本发明实施例1提供的一个
流程图框图，具体如下：
[0068] 激光光源发出的光束经耦合器分为两束，其中一束作为信号调制载波，另一束作为本振光，分别沿两路光纤传输。任意波形发生器种生成28GS/s QPSK电平信号，然后输入到IQ调制器进行调制信号载波。接下来，通过一个功率可变的噪声源产生高斯白噪声，并且将其和调制的光信号通过光耦合器进行耦合。经混频器后由平衡探测器探测，输出的光电流分出小部分用于反馈补偿相位偏移。该光电流经低通滤波器后由电放大器放大至设定峰峰值，作为MZM驱动信号调制输入载波，MZM偏置电压设为0。MZM输出的光信号经PD探测后输入至FPGA，反馈控制可调光延时线，实现载波相位恢复。
[0069] 具体过程如下：
[0070] 1、激光光源发出的光束经耦合器分为两束，其中一束作为信号调制载波，另一束作为本振光，激光光源的工作波长为1310nm，即光纤的0色散波长。
[0071] 2、任意波形发生器种生成28GS/s QPSK电平信号，然后输入到IQ调制器调制信号载波。
[0072] 3、经调制后的信号光与本振光分别沿两路光纤传输到达接收端，通过一个功率可调的噪声源产生自发辐射噪声(ASE)，并且将其和调制的光信号通过光耦合，OSNR设置为20dB。
[0073] 4、本振光路在接收机前存在一可调光延时线，通过施加控制电压，可以调节本振光的相位。可调光延时线由现场可编程门阵列控制(FPGA)，FPGA 中预存21个测试电压，这些测试电压可以引入得相位偏移在-50°-50°范围内，且均匀分布。将这些测试电压在一个测试周期Ts内依次施加于VODL。
[0074] 5、信号光与本振光经混频器后由平衡探测器探测，输出I分量及Q分量的光电流。
[0075] 6、两路光电流分出小部分用于反馈补偿相位偏移，其余部分用于信号接收，在相位补偿完成后可直接进行采样和判决。
[0076] 7、用于反馈补偿相位偏移的光电流经低通滤波器(LPF)后由电放大器放大至设定峰峰值，作为MZM调制器的驱动信号调制输入载波，MZM偏置电压设为0。输入载波由接收端的激光器提供。
[0077] 8、使用低速PD探测经调制后的光信号，经低速PD探测而得电信号输入至FPGA。
[0078] 9、FPGA接收并处理一个测试周期Ts内输入电信号，通过爬坡法找到最小电信号所对应得控制电压。
[0079] 10、将该控制电压施压于VODL，即可实现载波相位补偿。
[0080] 图5所示本实施例由VIP仿真扫描不同相位偏移值下低速PD输出功率曲线。从图中可以看出，当相位偏移为零时，输出功率最小。因此可由FPGA 生成测试电压，低速PD输出的电流由FPGA通过爬坡法确定PD最小输出功率所对应的控制电压，由该控制电压控制VODL，即可实现载波相位补偿。
[0081] 实施例二
[0082] 实施例一利用MZM的传输曲线特性统计I、Q分量分布在0附近的频率特性，从而确定信号的相位偏移量。不同相位旋转角下I、Q分量的幅度分布频率另一个明显特点是信号相位旋转角度越大，I、Q分量的幅度分布范围越大。这一特性可以利用直接调制激光器(DML)进行检测。图7中的(a) 所示为一DML的传输曲线，其截止电压为28mV，通过设置放大器增益，使得当相位偏移为0时，经放大后信号平均幅度在截止电压附近。此时，只要信号存在相位偏移，经DML调制输出的平均光功率将随之增大。因此，可以通过DML的平均输出光功率反应I、Q分量的幅度分布范围大小，进一步反应信号的相依大小。利用DML实现载波相位恢复的实施例流程如图6 所示，过程与实施例一基本一致，只是用DML替换MZM。
[0083] 具体过程如下：
[0084] 1、激光光源发出的光束经耦合器分为两束，其中一束作为信号调制载波，另一束作为本振光，激光光源的工作波长为1310nm，即光纤的0色散波长。
[0085] 2、任意波形发生器种生成28GS/s QPSK电平信号，然后输入到IQ调制器调制信号载波。
[0086] 3、经调制后的信号光与本振光分别沿两路光纤传输到达接收端，通过一个功率可调的噪声源产生自发辐射噪声(ASE)，并且将其和调制的光信号通过光耦合，OSNR设置为20dB。
[0087] 4、本振光路在接收机前存在一可调光延时线，通过施加控制电压，可以调节本振光的相位。可调光延时线由现场可编程门阵列控制(FPGA)，FPGA 中预存21个测试电压，这些测试电压可以引入得相位偏移在-50°-50°范围内，且均匀分布。将这些测试电压在一个测试周期Ts内依次施加于VODL。
[0088] 5、信号光与本振光经混频器后由平衡探测器探测，输出I分量及Q分量的光电流。
[0089] 6、两路光电流分出小部分用于反馈补偿相位偏移，其余部分用于信号接收，在相位补偿完成后可直接进行采样和判决。
[0090] 7、用于反馈补偿相位偏移的光电流经低通滤波器(LPF)后由电放大器放大至设定峰峰值，作为DML的驱动信号。
[0091] 8、使用低速PD探测经调制后的光信号，经低速PD探测而得电信号输入至FPGA。
[0092] 9、FPGA接收并处理一个测试周期Ts内输入电信号，通过爬坡法找到最小电信号所对应得控制电压。
[0093] 10、将该控制电压施压于VODL，即可实现载波相位补偿。
[0094] 图7中的(a)为DML传输曲线，(b)为实施例二仿真扫描不同相位偏移值下低速PD输出功率曲线。从图中可以看出，当相位偏移为零时，输出功率最小。因此，采用与实施例一类似的方法，由FPGA生成测试电压，低速PD输出的电流由FPGA通过爬坡法确定低速PD最小输出功率所对应的控制电压，由该控制电压控制VODL，即可实现载波相位补偿。
[0095] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
