CN108476070A - 多通道多波束的强度调制直接检测 - Google Patents

多通道多波束的强度调制直接检测 Download PDF

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Abstract

公开了使用相干组合的光束的光通信***和方法。代表性***包括第一数据源，用于以第一光束的第一频率向第一孔并且以第二光束的第二频率向第二孔发送第一数据。该***还包括第二数据源，用于以第三光束的第三频率向第一孔并且以第四光束的第四频率向第二孔发送第二数据。该***还包括：第一孔的第一交错器，被配置为交错具有第一频率的第一数据和具有第三频率的第二数据；以及第二孔的第二交错器，被配置为交错具有第二频率的第一数据和具有第四频率的第二数据。

Description

多通道多波束的强度调制直接检测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年12月30日提交的美国专利申请号14/984,173的权益，其全部内容通过引证结合于此。
技术领域
所公开的实施方式总体上涉及光通信领域，并且更具体地，涉及将来自多个数据源的光束传输到一个或多个孔中。在一些实施方式中，通过大气以不同频率(即，使用非相干传输)传输光束，以减少或消除由大气湍流引起的信号衰减的影响。
背景技术
光学传输的数据中的误差是由许多不同因素引起的，包括空中光学信号的失真。在通过空气传播光信号的自由空间光通信***中，湍流可能是信道损伤的重要来源。例如，光束的异常折射(例如，闪烁)可能是由于沿着光束路径的温度或压力梯度所导致的空气密度的小尺度波动而引起的。这些大气波动可能导致光束的功率中的频率非选择性衰减。衰减过程具有通常比光束中的典型符号的持续时间长得多的相关时间，因此降低了数据流的信噪比。
为了减少光束衰减的影响，一些传统技术在物理层应用信道均衡和前向纠错(FEC)编码。信道均衡用于减少由接收机或信道中的频带限制引起的符号间干扰。在物理层的前向纠错引入了传输符号序列上的结构冗余，可以在接收机处利用这种冗余来纠正在由于信道损伤而恢复传输数据时的误差。然而，与用FEC码编码和解码物理层相关联的复杂性随着码字的长度而增加。例如，在高数据速率***中，码字应跨越多个信道相干时间，以使能恢复由于光束衰减而丢失的符号。然而，在许多实际情况下，这样的码字将非常复杂以至于无法处理。
利用其他传统技术，丢失的数据可以在检测到数据丢失(例如，丢失的数据帧)时从发射机重传到接收机。然而，在许多情况下，由重传请求引起的额外往返延迟以及对额外反馈信道的需求使得这些技术不切实际或不期望。
减轻衰减的另一种传统方法依赖于空间分集。由于湍流具有横向相关长度r0，因此如果两个光源光束相隔距离D，则当D>>r0时，它们的衰减将在统计上是独立的。因此，光束中的湍流引起的误差(例如，闪烁)对于充分间隔开的光束是足够不相关的。利用空间分集来减轻湍流的传统技术被称为多波束。多波束技术包括沿着相隔D的不同路径发送相同的符号，其中，D>>r0，使得不同路径经历统计独立的衰减和相位偏移。在这种情况下，总的接收信号强度是几个独立光束的总和，每个独立光束的特征是独立的衰减过程。结果，总的接收信号将因此具有较小的光束衰减。然而，这种方法只在通过强度编码信息时适合，但在光学相位携带信息时不适用。因此，仍然需要用于以高数据速率传输光学数据和数据传输的低延迟的改进技术。
附图说明
图1是示出根据各种实施方式的用于通过大气传输光学数据传输的***的示意图；
图2是示出根据各种实施方式的通过在接收机(RX)处进行解交错来传输光学数据的***的示意图；
图3是根据各种实施方式的用于在RX处转换光学数据的***的示意图；
图4是根据各种实施方式的用于补偿在发射机(TX)处的延迟的***的示意图。
具体实施方式
实施方式针对由多个数据源发射并由多个传输(TX)孔接收的非相干组合光束。由于光束具有不同的波长、频率、相位或偏振角，所以接收的携带数据的光束可以在其相应的TX孔处非相干地组合。组合的光束可以通过大气发送到接收(RX)孔。因为组合的光束沿着具有统计上不相关的湍流的路径到达RX孔，所以光束也可以具有统计上不相关的信号衰减，因此，提高了在RX孔处重构的光束的信噪比。在一些实施方式中，可以使用光多路复用器(MUX)和密集波分复用(DWDM)来组合在各个TX孔处的光束，从而提高从TX孔到RX孔的数据吞吐量。
简而言之，各种实施方式使用用于将光束从多个(例如，两个或更多个)TX孔非相干地发送到一个或多个RX孔的布置。例如，第一数据源可以通过光纤或大气将具有不同频率、波长、相位或偏振角的多个光束发送到对应的TX孔。由第一数据源发射的多个光束可以携带相同的数据。第二数据源也可以使用具有另一组频率、波长、相位或偏振角的多个光束将数据发送到同一组TX孔。例如，可以类似地采用更多的数据源以将数据源的数量与TX孔的数量相匹配。因此，在一些实施方式中，每个TX孔将来自具有不同频率的几个数据源的输入数据组合，并将数据发送到接收(RX)孔。在一些实施方式中，光束在相对长距离(例如，千米级)上通过大气从TX孔传播到RX孔，并因此暴露于湍流的闪烁效应。然而，在至少一些实施方式中，源自不同TX孔的光束可以在空间上足够分离，以暴露于统计上不相关的光学衰减效应。因此，将携带来自不同TX孔的相同数据的光束沿着不同路径组合，可以减小光衰减效应(例如，符号丢失)。
在一些实施方式中，TX孔处的交错器(多路复用器或MUX)可以基于例如先进先出(FIFO)方法来交错从多个数据源到达的光束。在一些实施方式中，由于例如光束的不同路径，所以将数据从多个数据源路由到多个TX孔，可能在到达TX孔的光束之间或者在TX孔之间产生定时不准确性。因此，在至少一些实施方式中，可以使用FIFO(例如，用于粗调)和锁相环(PLL)(例如，用于微调)来同步数据速率。TX孔可以组合与数据源发送的光的频率对应的光的几个频率。在一些实施方式中，TX孔可以使用密集波分复用(DWDM)来组合光束并以更高的数据速率将数据发送到RX孔。
图1是示出根据各种实施方式的通过大气的光学数据传输的示意图。在所示的***1000中，TX孔201-204组合来自四个数据源101-104的数据，并且将光束通过大气250发送到RX孔300。在一些实施方式中，四个数据源101-104中的每一个将携带数据的光束150发送到TX孔201-204。例如，TX孔203接收具有来自数据源101的波长λ13、来自数据源102的波长λ23、来自数据源103的波长λ33和来自数据源104的波长λ43的光束。在所示的示例中，每个TX孔接收来自四个数据源的数据，但是数据源和TX孔的其他组合也是可能的。例如，TX孔的数量可以大于用于额外减少由湍流引起的数据衰减的数据源的数量。在至少一些实施方式中，光束150可以由激光器或发光二极管(LED)生成，并且可以通过大气或光纤传送到TX孔201-204。在一些实施方式中，光束150从数据源101-104在相对短距离(例如，小于几米)上传播到TX孔201-204。
在一些实施方式中，在通过大气250发送多路复用光束221-224之前，光束150在TX孔201-204处多路复用。例如，TX孔202可以多路复用具有来自数据源101的波长λ12、来自数据源102的波长λ22、来自数据源103的波长λ32和来自数据源104的波长λ42的光束，并然后，通过大气250将具有波长λ12-λ42的组合光束222发送到RX孔300。用于数据源和孔的样本组合的一组光束频率(以THz为单位)的示例如下表1所示。
表1：
对于表1中所示的实施方式，由相同数据源发射的光束的频率相隔50MHz。例如，数据源1(例如，图1中的数据源101)可以发射193.8-194.4THz范围内的四个光束，相邻频率之间的差值为0.2THz或200MHz。如上所述，在至少一些实施方式中，数据源101在四个光束上发送相同的数据(例如，发送到TX孔201的波形111的波长λ11)。在表1所示的实施方式中，孔2可以接收具有194.2THz的来自数据源1、具有194.15THz的来自数据源2、具有194.1THz的来自数据源3以及具有194.05THz的来自数据源4的数据。因此，由孔2接收的四个光束的频率相隔0.05THz或50MHz。在至少一些实施方式中，光束的不同频率使得能够在将组合光束从任何TX孔发送到RX孔之前使用例如DWDM来组合光束(以及嵌入光束中的符号)。对于表1所示的示例，对于任何孔的DWDM的频率偏移是50MHz(即，对于每个孔分配的200MHz的总频谱，偏移50MHz的四个光束)。孔和数据源的数量及其对应的频率的其他组合是可能的。
TX孔201-204可以将其对应的光束221-224发送到RX孔300。如上所述，每个光束221-224可以包括被波分复用的并且沿着相同的路径发送到RX孔300的具有不同波长的多个光束(例如，从TX孔201发送的波形211中的一组波长λ11、λ21、λ31和λ41)。例如，孔4可以从四个数据源101-104接收的光束中发射组合了四个波长λ14、λ24、λ34和λ44的光束224。使用表1所示的示例，数据源4将发射包括频率为193.8THz、193.75THz、193.7THz和193.65THz的波分复用光束。在至少一些实施方式中，光束221-224可以充分隔开，使得它们经历统计上不相关的波束衰减。结果，由于波束衰减引起的符号丢失的发生率可以被降低。在一些实施方式中，RX孔与TX孔之间的距离可以是数百米或数千米。
在一些实施方式中，RX孔300通过例如光纤将接收到的光束221-224发送到解交错器(deMUX)350。在一些实施方式中，解交错器350可将光束221-224解交错回到或接近于由数据源101-104发送的光束150的频率/波长(例如，λ11-λ44)。解交错器350可以通过光纤或大气将解交错的光束路由到数据接收器401-404。例如，在一个实施方式中，解交错器350可以使用波形361中的一组波长λ11、λ12、λ13和λ14将光束发送到数据接收器401。另外，解交错器350可以将光束以波长λ31、λ32、λ33和λ34发送到数据接收器403。结果，在示出的实施方式中，数据接收器403接收从数据源103发送的数据。如上所述，如果光束221-224充分间隔开以经历统计上不相关的衰减，则由数据接收器403接收的波长为λ31、λ32、λ33和λ34的光束可以相加(或以其他方式组合)，以减少或消除由光束衰减引起的符号丢失。类似地，数据接收器401、402和404可以分别接收由数据源101、102和104发送的光束。下面参考图2，更详细地描述deMUX 350中的光束的解交错。
图2是示出根据各种实施方式的在接收机(RX)处进行解交错的光学数据的示意图。在示出的实施方式中，TX孔201-204将组合光束221-224发送到RX孔300。在一些实施方式中，可以使用对从数据源接收的光束应用DWDM的MUX来生成每个光束221-224。RX孔300可以将接收到的组合光束221-224发送到解交错器(deMUX)350。在一些实施方式中，解交错器350可以包括多级，例如，第一级中的解交错器350a和第二级中的解交错器350b和350c。例如，解交错器350可以将输入光束解交错为两个光束：包括从数据源101和102发送的光束的光束351以及包括从数据源103和104发送的光束的光束352。在一些实施方式中，光束351由在第二级中的解交错器350b接收，并且进一步解交错成两个光束：包括从数据源1发送的具有波长λ11、λ12、λ13和λ14的光束的光束353以及包括从数据源2发送的具有波长λ21、λ22、λ23和λ24的光束的光束354。类似地，光束352可以被解交错成包括从数据源3发送的具有波长λ31、λ32、λ33和λ34的光束的光束355以及包括从数据源4发送的具有波长λ41、λ42、λ43和λ44的光束的光束356。对输入光束解交错的其他组合也是可能的。例如，在一些实施方式中，可以使用单个解交错器。在其他实施方式中，可以使用三级或更多级解交错。
图3是根据各种实施方式的示出在RX处的光学数据转换的示意图。在一些实施方式中，解交错器350可将输入光束解交错成四个光束353-356，每个光束分别包括来自数据源101-104中的一个的光束。例如，光束353可以包括由数据源101发送并由数据接收器401接收的具有波长λ11、λ12、λ13和λ14的四个光束。光束353可以在转换器411(例如，光电二极管)中转换为电信号。对于至少一些DWDM方案，所得到的电信号(例如，对应于光束中的符号)可以被重构为：
S(λ1(t))＝S(λ11(t))+S(λ12(t-τ2))+S(λ13(t-τ3))+S(λ14(t-τ4))(等式1)
其中，S(λ1(t))是来自数据源101的与时间t对应的重构信号，S(λ11(t))是数据源101在时间t使用波长λ11发送的信号，S(λ12(t-τ2))是数据源101在时间t使用波长λ12发送的信号，等等。通常，可以选择时间偏移τ2、τ3和τ4，以考虑DWDM方案的交错时间偏移。此外，光束(例如，具有不同波长的光束)的非相干性使得能够在接收机处传输和求和光束。在至少一些实施方式中，光束的足够的空间分离导致光束衰减中的统计相干性较低，这改善了当使用等式1组合光束时的符号恢复。在至少一些实施方式中，数字均衡器412可以调整信号S的幅度。
图4是示出根据各种实施方式的在发射机(TX)处的延迟补偿的示意图。在一些实施方式中，将光束从数据源路由到不同的TX孔，可能导致TX孔处的不均匀到达时间。例如，一个光束可以行进较长的距离并因此相对于另一光束延迟。在至少一些实施方式中，光束的延迟可以对应于波特(每秒符号)的一部分，因此难以调整来使用例如光纤接续。在至少一些实施方式中，可以使用电子补偿来减少或消除光束之间的延迟。在所示的***4000中，数据源101将光束发送到FIFO 211-214。在至少一些实施方式中，每个FIFO可以从额外数据源(例如，从数据源102-104)接收光束。在一些实施方式中，FIFO可以连接到公共数据时钟205，用于同步FIFO的操作。例如，公共数据时钟205可以将来自数据源的数据计时到FIFO，因此，至少提供光束到达的粗略同步。在一些实施方式中，PLL221-224可以通过独立地调整交错到子波特级的光束的相位来提供光束到达的精细同步。可以将来自数据源(仅示出一个数据源)的同步交错光束发送到TX 201a-204a和孔201b-204b。在至少一些实施方式中，粗略和精细同步(调整)的组合提高了RX孔处的信噪比。在一些实施方式中，可以使用粗略同步，而不使用精细同步。
从上文中可以理解，为了说明的目的，本文已经描述了本发明的具体实施方式，但是可以在不偏离本发明的范围的情况下进行各种修改。例如，在一些实施方式中，光束可以通过真空或空气和真空的组合传播。在一些实施方式中，光束可以具有不可见的频率，例如，比可见光的频率高的频率。在一些实施方式中，可以使用多个RX孔。例如，一个RX孔可以从TX孔的子集接收光束，而由另一RX孔接收其余光束。因此，除了所附权利要求之外，本发明不受限制。

Claims (20)

1.一种光通信***，包括：
第一数据源，被配置为
以第一光束的第一频率向第一孔发送第一数据，并且
以第二光束的第二频率向第二孔发送第一数据；
第二数据源，被配置为
以第三光束的第三频率向所述第一孔发送第二数据，并且
以第四光束的第四频率向所述第二孔发送第二数据；
所述第一孔的第一交错器，被配置为交错具有所述第一频率的所述第一数据和具有所述第三频率的所述第二数据；以及
所述第二孔的第二交错器，被配置为交错具有所述第二频率的所述第一数据和具有所述第四频率的所述第二数据。
2.根据权利要求1所述的***，其中：
所述第一数据源还被配置为
以第五光束的第五频率向第三孔发送所述第一数据，并且
以第六光束的第六频率向第四孔发送所述第一数据；
所述第二数据源还被配置为
以第七光束的第七频率向所述第三孔发送所述第二数据，并且
以第八光束的第八频率向所述第四孔发送所述第二数据；
所述光学***还包括：
第三数据源，被配置为
以第九光束的第九频率向所述第一孔发送第三数据，
以第十光束的第十频率向所述第二孔发送第三数据，
以第十一光束的第十一频率向所述第三孔发送第三数据，
并且
以第十二光束的第十二频率向所述第四孔发送第三数据；
第四数据源，被配置为
以第十三光束的第十三频率向所述第一孔发送第四数据，
以第十四光束的第十四频率向所述第二孔发送第四数据，
以第十五光束的第十五频率向所述第三孔发送第四数据，
并且
以第十六光束的第十六频率向所述第四孔发送第四数据；
所述第三孔的第三交错器，被配置为交错具有所述第五频率的所述第一数据、具有所述第七频率的所述第二数据、具有所述第十一频率的所述第三数据和具有所述第十五频率的所述第四数据；以及
所述第四孔的第四交错器，被配置为交错具有所述第六频率的所述第一数据、具有所述第八频率的所述第二数据、具有所述第十二频率的所述第三数据和具有所述第十六频率的所述第四数据。
3.根据权利要求1所述的***，其中，光束的相邻频率以恒差偏移。
4.根据权利要求2所述的***，还包括：
在所述第一数据源和所述第一孔之间的第一先进先出(FIFO)元件；
在所述第一数据源和所述第二孔之间的第二FIFO元件；
在所述第二数据源和所述第一孔之间的第三FIFO元件；以及
在所述第二数据源和所述第二孔之间的第四FIFO元件，
其中，每个FIFO被配置为按照接收所接收的数据的顺序来输出所接收的数据。
5.根据权利要求4所述的***，还包括用于同步这些FIFO的公共数据时钟。
6.根据权利要求5所述的***，还包括：
连接到第一FIFO的第一锁相环(PLL)；
连接到第二FIFO的第二PLL；
连接到第三FIFO的第三PLL；以及
连接到第四FIFO的第四PLL，
其中，这些PLL连接到用于同步这些FIFO的公共数据时钟。
7.根据权利要求1所述的***，还包括接收(RX)孔，所述接收孔被配置为接收具有所述第一频率和所述第二频率的所述第一数据以及具有所述第三频率和所述第四频率的所述第二数据。
8.根据权利要求7所述的***，还包括解交错器，所述解交错器被配置为：
从所述接收孔接收具有所述第一频率和所述第二频率的所述第一数据，并从所述接收孔接收具有所述第三频率和所述第四频率的所述第二数据；
将具有所述第一频率和所述第二频率的所述第一数据发送到第一数据接收器；并且
将具有所述第三频率和所述第四频率的所述第二数据发送到第二数据接收器。
9.根据权利要求2所述的***，还包括：
接收(RX)孔，被配置为接收所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据；
第一解交错器，被配置为从所述RX孔接收所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据；
第二解交错器，被配置为
从所述第一解交错器接收所述第一数据和所述第二数据，将所述第一数据发送到第一数据接收器，并且
将所述第二数据发送到第二数据接收器；以及
第三解交错器，被配置为
从所述第一解交错器接收所述第三数据和所述第四数据，将所述第三数据发送到第三数据接收器，并且
将所述第二数据发送到第四数据接收器。
10.根据权利要求9所述的***，其中，所述第一数据接收器包括：
光电转换单元；
模数转换(ADC)单元；以及
数字均衡器。
11.一种用于光通信的方法，包括：
从第一数据源
以第一光束的第一频率向第一孔发送第一数据，并且
以第二光束的第二频率向第二孔发送第一数据；
从第二数据源
以第三光束的第三频率向所述第一孔发送第二数据，并且
以第四光束的第四频率向所述第二孔发送第二数据；
使用所述第一孔的第一交错器交错具有所述第一光束的第一频率的所述第一数据和具有所述第三光束的第三频率的所述第二数据，以生成第一交错数据；
使用所述第二孔的第二交错器交错具有所述第二光束的第二频率的所述第一数据和具有所述第四光束的第四频率的所述第二数据；
使用第一传输波束从所述第一孔向接收机(RX)孔发送所述第一交错数据；并且
使用第二传输波束从所述第二孔向所述RX孔发送第二交错数据。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
从所述第一数据源
以第五光束的第五频率向第三孔发送所述第一数据，并且
以第六光束的第六频率向第四孔发送所述第一数据；
从所述第二数据源
以第七光束的第七频率向所述第三孔发送所述第二数据，并且
以第八光束的第八频率向所述第四孔发送所述第二数据；从第三数据源
以第九光束的第九频率向所述第一孔发送第三数据，
以第十光束的第十频率向所述第二孔发送第三数据，
以第十一光束的第十一频率向所述第三孔发送第三数据，并且
以第十二光束的第十二频率向所述第四孔发送第三数据；从第四数据源
以第十三光束的第十三频率向所述第一孔发送第四数据，
以第十四光束的第十四频率向所述第二孔发送第四数据，
以第十五光束的第十五频率向所述第三孔发送第四数据，
并且
以第十六光束的第十六频率向所述第四孔发送第四数据；
使用所述第一孔的所述第一交错器交错具有所述第九光束的第九频率的所述第三数据和具有所述第十三光束的第十三频率的所述第四数据；
使用所述第二孔的所述第二交错器交错具有所述第十光束的第十频率的所述第三数据和具有所述第十四光束的第十四频率的所述第二数据；
使用所述第三孔的第三交错器交错具有所述第一光束的第五频率的所述第一数据、具有所述第七光束的第七频率的所述第二数据、具有所述第十一光束的第十一频率的所述第三数据、以及具有所述第十五光束的第十五频率的所述第四数据；并且
使用所述第四孔的第四交错器交错具有所述第六光束的第六频率的所述第一数据、具有所述第八光束的第八频率的所述第二数据、具有所述第十二光束的第十二频率的所述第三数据、以及具有所述第十六光束的第十六频率的所述第四数据；并且
使用所述第一孔的所述第一传输波束、所述第二孔的所述第二传输波束、所述第三孔的第三传输波束和所述第四孔的第四传输波束向所述RX发送交错的数据。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，光束的相邻频率以恒差偏移。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述恒差是第一恒差，并且其中，传输波束的相邻频率以第二恒差偏移。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
由第一先进先出(FIFO)元件接收具有所述第一光束的第一频率的所述第一数据；
由第二FIFO元件接收具有所述第三光束的第三频率的所述第二数据；
使用公共数据时钟同步所述第一FIFO元件和所述第二FIFO元件。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括：
由第一先进先出(FIFO)元件接收具有所述第一光束的第一频率的所述第一数据；
由第二FIFO元件接收具有所述第三光束的第三频率的所述第二数据；
由第三FIFO元件接收具有所述第九光束的第九频率的所述第三数据；
由第四FIFO元件接收具有所述第十三光束的第十三频率的所述第四数据；
使用公共数据时钟同步所述第一FIFO元件、所述第二FIFO元件和所述第四FIFO元件。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
使用连接到所述公共数据时钟的第一锁相环(PLL)同步第一FIFO；
使用连接到所述公共数据时钟的第二PLL同步第二FIFO；
使用连接到所述公共数据时钟的第三PLL同步第三FIFO；并且
使用连接到所述公共数据时钟的第四PLL同步第四FIFO。
18.根据权利要求11所述的方法，还包括由接收(RX)孔接收具有所述第一频率和所述第二频率的所述第一数据以及具有所述第三频率和所述第四频率的所述第二数据。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
由解交错器从所述RX孔接收所述第一数据和所述第二数据；
解交错所述第一数据和所述第二数据；
将具有所述第一频率和所述第二频率的所述第一数据发送到第一数据接收器；并且
将具有所述第三频率和所述第四频率的所述第二数据发送到第二数据接收器。
20.根据权利要求9所述的方法，还包括：
将所述第一数据和所述第二数据从光信号转换为模拟电信号；
将所述模拟电信号转换为数字电信号；并且
对所述数字电信号进行均衡化。
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