一种频率准同步光网络架构的无DSP短距相干接收系统及方法

技术领域

本发明涉及短距高速相干光通信技术领域，尤其是涉及一种频率准同步光网络架构的无DSP短距相干接收系统及方法。

背景技术

随着互联网、大数据和人工智能的飞速发展，全球互联网数据流量增长非常迅速。其中，大部分高速数据流量通过短距光互连进出数据中心，数据中心互联(DCI)将承载约80％的全球互联网流量。面对不断增长的流量需求，DCI作为通信网中最骨干的部分承受着巨大的升级演化压力。例如，DCI需要更高阶的调制格式和接收灵敏度更高级的检测技术以应对DCI接口速度向1.6Tb/s升级的要求。短距高速相干光通信技术也因此成为了各国学者研究的热点。

目前，基于强度调制直接检测(IMDD)技术的4级脉冲幅度调制(4-PAM)光链路被广泛应用于短距场景的通信互联。然而，IMDD技术受通信速率扩展能力的限制，未来将会被具有更高频谱效率的调制格式所取代。相干检测技术具有高频谱效率以及高接收灵敏度，通过高阶调制格式和极化复用的相干链路有助于实现更高的通信速率和容量。然而，相干检测技术不仅需要高速、高精度的模数转换器(ADC)来接收信号，还需要高速数字信号处理(DSP)来克服光纤信道带来的损害。此外，相干检测方案结构复杂，功耗与成本高，阻碍了其向短距高速光通信场景应用的发展。相干检测技术从长距下沉至短距光纤传输系统，是世界各地的科研团队争相竞争的重点领域。

目前，主要有以下几种无DSP短距相干接收系统及方法：

如基于模拟信号处理的零差相干探测技术“PERIN J K,SHASTRI A,KAHN JM.Coherent data center links[J].Journal of Lightwave Technology,2020,39(3):730-741.”和自零差相干探测(SHCD)技术“MORSY-OSMAN M,SOWAILEM M,EL-FIKY E,etal.DSP-free‘coherent-lite’transceiver for next generation single wavelengthoptical intra-datacenter interconnects[J].Opt Express,2018,26(7):8890-8903.”，以应对传统相干检测系统中来自光电器件的高成本及DSP芯片对功耗需求提升的挑战。其中，零差相干探测技术在光域或电域采用锁相环结构，使用模拟混频器、异或门(XORs)等高速模拟电路来替代ADC+DSP，通过控制相位调制器或正交压控振荡器(QVCO)在模拟域上实现载波恢复过程；自零差相干探测(SHCD)技术则在接收端使用来自发射端激光器输出的光信号作为本振光(LO)，具有同源特性的本振光和信号光历经与之匹配的光纤链路后会引入相同的相位噪声，在进行相干探测时信号的频率偏移和相位噪声会被抵消，从而简化了传统相干检测中DSP过程，在光域上实现载波恢复。

然而，零差相干探测技术仍需要高速模拟电路作为支撑，难以扩展到高阶调制格式，且高速模拟集成电路的尺寸与功耗也并未体现出绝对优势；自零差相干探测(SHCD)技术需要建立发射端至接收端的双向传输链路，这会带来信号光和本振光之间路径延迟难以匹配的问题。此外，自零差相干探测(SHCD)技术实地环境应用中存在延迟失配的情况，也会导致信号解调的失败。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提出一种频率准同步光网络架构的无DSP短距相干接收系统及方法，既能继承传统相干检测技术高灵敏、高频谱效率特点，又能最大程度地减少其系统复杂度和功耗，从而满足下一大容量短距高速相干光通信的需求，具有十分重要的研究价值和应用前景。

一种频率准同步光网络架构的无DSP短距相干接收系统，包括发射端频率准同步模块、光调制发射模块、光偏振控制模块、光锁相环模块、接收端频率准同步模块和光接收解调模块；

所述的发射端频率准同步模块与光调制发射模块相连，用于为光调制发射模块提供相干光源；

所述的光调制发射模块通过短光纤链路与光偏振控制模块相连，用于将发射端频率准同步模块输出的相干光进行调制，并将调制后的信号光输出至光偏振控制模块；

所述的光偏振控制模块与光锁相环模块相连，用于接收经光纤链路传输来的信号光，维持信号光恒定的偏振态并输入到光锁相环模块；

所述的光锁相环模块、接收端频率准同步模块均与光接收解调模块相连；其中，光锁相环模块补偿信号光中的相位噪声，接收端频率准同步模块输出的本振光与光锁相环模块输出的信号光通过光接收解调模块后实现调制信号的接收与解调。

进一步地，所述的发射端频率准同步模块使用光放大器和光分束器将来自于窄线宽激光器的光进行放大和分束，其中一路作为发射端的相干光源；所述的接收端频率准同步模块使用光放大器和光分束器将来自于同一窄线宽激光器的光进行放大和分束，其中一路作为接收端的本振光。

可选择地，所述的光调制发射模块支持双偏振调制和高阶信号调制格式。

所述光调制发射模块对相干光进行调制后的信号光中心频率与接收频率准同步模块输入光接收解调模块的频率准同步；并在I路或Q路信号中加入导频。

优选地，所述的光锁相环模块包括鉴频鉴相器、压控振荡器和频率致动器；

其中，光偏振控制模块输出的信号光输入频率致动器；光接收解调模块输出的信号经光电探测器之后输入鉴频鉴相器，并通过输出电压控制压控振荡器，改变频率致动器的驱动频率，实现对输入频率致动器的信号光的相位噪声补偿。

所述的光接收解调模块将接收端频率准同步模块输出的本振光与光锁相环模块输出的信号光进行相干接收与解调，经光锁相环模块对信号光中的相位噪声进行补偿后输出解调后的IQ信号。

一种无DSP短距相干接收方法，采用上述频率准同步光网络架构的无DSP短距相干接收系统，包括以下步骤：

在发射端，发射端频率准同步模块输出的激光经光调制发射模块调制后产生带有双偏振IQ调制的光信号作为信号光传递到接收端；在信号调制过程中在I路或Q路上增加了导频信号作为标记频率，并对调制信号的频谱整体搬移，调制后的信号光经光纤链路传递到光偏振控制模块以确保输入光锁相环模块的光信号保持恒定的偏振态；

在接收端，光锁相环模块和接收端频率准同步模块的输出端与光接收解调模块的输入端相连并输出相干接收信号，由于本振光与信号光均来自于同一激光源，频率准同步；光接收解调模块将带有导频信号的Q路或I路信号输入到光锁相环模块中的鉴频鉴相器中，由鉴频鉴相器的输出实时控制压控振荡器来改变频率致动器的移频频率，使Q路或I路信号中导频信号的功率保持在最小值，实现无DSP的短距相干接收。

进一步地，在信号调制过程中在I路或Q路上增加了导频信号作为标记频率的方法为：当进行信号相位调制时，在原始I路或Q路调制信号中加入一个cos(x)的正弦信号。

进一步地，对调制信号的频谱整体搬移的方法为：当进行信号调制时，在原始调制信号中乘以一个e^ix的复数。

进一步地，所述的鉴频鉴相器接收光接收解调模块输出的信号，并通过接收信号中导频的功率值对信号光中的相位进行鉴频鉴相；所述的频率致动器是受压控振荡器驱动的移频或移相器，并直接作用于信号光频率或相位；

带有导频信号的Q路或I路信号输入光锁相环模块中的鉴频鉴相器后，通过对Q路或I路信号中导频信号功率的变化控制压控振荡器来改变频率致动器的移频频率，使Q路或I路信号中导频信号的功率实时保持在最小值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、频率准同步光网络架构。本发明结合短距光通信的链路特点，在短距相干光通信场景使用同源的窄线宽激光器提供信号光与本振光，降低了窄线宽激光器的使用数量和成本，避免了传统相干检测方案接收端激光器对温度控制的需求。

2、无高精度高速ADC模块与DSP过程。本发明使用光锁相环技术(OPLL)，在光域上对信号光中引入的相位噪声进行补偿。相较于传统的相干检测方案，无需高速高精度ADC模块对接收到的模拟信号进行数字采样，也无需高速DSP芯片对数字信号进行运算与处理，降低了相干检测系统接收端对庞大计算资源的需求，简化了接收端电路的复杂程度，减少了系统的功耗。

3、通信容量大，速率高。本发明基于相干检测技术，相较于数据中心内常用的PAM4技术，它支持的调制格式更高，允许的通信速率更快，支持偏振复用技术且具有更高的接收灵敏度，可提升现有数据中心内光通信的容量与速率。

附图说明

图1是本发明中频率准同步光网络架构示意图；

图2是本发明实施例中一种频率准同步光网络架构的无DSP短距相干接收系统的结构框图；

图3是本发明实施例中光调制发射模块的结构框图；

图4是本发明实施例中光锁相环模块的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本发明提出的频率准同步光网络架构(FSON)旨在尽可能的将短距高速相干光通信系统发射端和接收端激光器之间的频率对准，如图1所示。短距高速相干光通信系统之间的光纤链路距离相对较短，一般在几百米以内。如果使用超稳窄线宽激光器作为激光源并将其分布到短距高速相干光通信系统内的多个发射机(Tx)和接收机(Rx)上，则该系统内所有发射机和接收机的激光频率可视为准同步(约kHz量级)。例如，可以使用一个线宽小于1kHz的窄线宽激光器，通过分束器和光放大器将其输出的激光分成多路并分布到短距高速相干光通信系统内所有的发射端和接收端。当接收端信号光与本振光之间的频率准同步时，传输过程中剩余的相位噪声仅来自光纤链路。然后，使用光锁相环(OPLL)来补偿信号光相较于本振光的频率偏移和相位噪声，从而实现无DSP的短距相干光通信方案。

如图2所示，一种频率准同步光网络架构的无DSP短距相干接收系统，包括发射端频率准同步模块1、光调制发射模块2、光偏振控制模块3、光锁相环模块4、接收端频率准同步模块5和光接收解调模块6。

发射端频率准同步模块1用于从同一窄线宽激光器中获取频率准同步的相干光源，并与光调制发射模块2相连。发射端频率准同步模块1包含光放大器11和光分束器12。

如图3所示，光调制发射模块2用于对发射端频率准同步模块1输出光信号进行双偏振IQ调制，在I路(Q路)信号中加入导频信号，且能对调制的信号进行整体频谱搬移，并将调制后的光信号输出。

光偏振控制模块3用于接收经光纤链路传输来的信号光并维持信号光的偏振态，以保证输入到光锁相环模块4的信号光具有正确的偏振方向。

光锁相环模块4用于对信号光中引入的相位噪声进行检测和补偿，光偏振控制模块3输出的带有恒定偏振的信号光经光锁相环模块4的频率致动器43后与接收端频率准同步模块5输出的本振光信号输入进光接收解调模块6，经相干解调之后使用光电探测器对输出的Q路(I路)信号中相位噪声进行测量，并通过输出电压控制压控振荡器42，改变频率致动器43的驱动频率，实现对信号光相位噪声的补偿。

如图4所示，光锁相环模块4包含鉴频鉴相器41、压控振荡器42(VCO)和频率致动器43。光锁相环模块4对接收端输出的Q路(I路)信号中相位噪声进行测量的方法是：光接收解调模块6输出的Q路(I路)信号中包含光调制发射模块2在对光信号调制时加入的导频信号，使用功率检测模块对接收端输出的Q路(I路)信号中导频信号的功率进行测量和判决，功率检测模块的输出结果以输出电压的方式控制压控振荡器42，改变频率致动器43的驱动频率，实现对信号光相位噪声的补偿。

接收端频率准同步模块5用于从同一窄线宽激光器中获取频率准同步的相干光源，并与光接收解调模块6相连。

光接收解调模块6用于将收端频率准同步模块5输出的本振光与光锁相环模块4输出的信号光进行相干接收，并结合光锁相环模块4对信号光中的相位噪声进行补偿后输出IQ解调信号。

发射端频率准同步模块1输出的相干光经光调制发射模块2的DP-IQ调制后将I路带有导频的信号光经光纤链路传递到接收端，光偏振控制模块3控制信号光保持恒定的偏振态并输入光锁相环模块4，光锁相环模块4输出的信号光与接收端频率准同步模块5输出的本振光进入光相干解调模块6后，每条接收支路(Ix、Qx、Iy、Qy)中的导频信号经低通滤波后送入光锁相环模块4以实时监测各路中导频信号功率的波动(反映信号光与本振光之间的相位波动)，通过控制压控振荡器42(VCO)将Q路中的导频信号功率始终保持在最小值。不需要高速高精度ADC和载波恢复DSP，从光域上就能补偿接收端信号光与本振光之间的相位噪声，在没有高速专用集成电路芯片的情况下实现I/Q解调。

基于以上频率准同步光网络架构的无DSP短距相干接收系统，本发明提供了一种无DSP短距相干接收方法，包括：

在发射端，发射端频率准同步模块输出的激光经光调制发射模块调制后产生带有双偏振IQ调制的光信号作为信号光传递到接收端；在信号调制过程中在I路或Q路上增加了导频信号作为标记频率，并对调制信号的频谱整体搬移，调制后的信号光经光纤链路传递到光偏振控制模块以确保输入光锁相环模块的光信号保持恒定的偏振态；

在接收端，光锁相环模块和接收端频率准同步模块的输出端与光接收解调模块的输入端相连并输出相干接收信号，由于本振光与信号光均来自于同一激光源，频率准同步；光接收解调模块将带有导频信号的Q路或I路信号输入到光锁相环模块中的鉴频鉴相器中，由鉴频鉴相器的输出实时控制压控振荡器来改变频率致动器的移频频率，使Q路或I路信号中导频信号的功率保持在最小值，实现无DSP的短距相干接收。

其中，光调制发射模块2对光信号进行调制方法如下：

如图3所示，信号光中I路(Q路)会被加入一个导频信来辅助判断信号光中引入的相位噪声，并通过整体移频的方式来抵消光锁相环模块中频率致动器移频对IQ解调结果的影响。

为了在发射端I路信号中加入导频信号，需要将原始的IQ调制信号进行分离，仅在I路调制信号中加入一个cos(x)的正弦信号作为导频信号。为了使调制信号频谱的整体搬移，需要将带有导频信号的I路调制信号与Q路调制信号重新组合成复数形式并与e^ix相乘，并分别取其实部和虚部作为新的IQ调制信号，实现调制信号频谱的整的上(下)搬移。

基于光锁相环模块4的相位噪声补偿方法如下：

如图4所示，光锁相环模块4包含一个光学器件频率致动器43，其受压控振荡器42(VCO)的控制。光锁相环模块4输出的信号光与接收端频率准同步模块5输出的本振光通过光接收解调模块6进行相干接收。

为了实时监测信号光与本振光之间的相位波动，在发射端使用IQ调制器在I路数据信号中加入一个低频的导频。当信号光传递到接收端时，这个导频会受到光纤链路中相位噪声的影响。因此，导频将同时存在于接收端I路和Q路数据信号中，并且它们的功率随相位波动而变化，通过对接收端Q路信号中导频信号功率值的监控与反馈实现对信号光的鉴频鉴相功能，最终通过控制压控振荡器42(VCO)，改变频率致动器43的驱动频率，实现对信号光相位噪声的补偿。光接收解调模块此时在无需DSP芯片的情况下，实现IQ信号的解调与输出。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。