[0002] 本发明涉及2n正交幅度调制(QAM)光调制器、2n正交幅度调制的方法及包括n2-QAM光调制器的光信号传输设备。

[0003] 带有16个电平的正交幅度调制(16-QAM)是用于到光纤中每秒100千兆比特(Gbit/s)传输的候选调制格式之一。它在十六个点的星座上将四个比特编码，传送的信号的同相和正交分量均带有四个不同幅度值。在考虑用于100 Gbit/s的传输的偏振分集16-QAM格式时，传送器所需的符号率为12.5 Gbaud。甚至在此降低的符号率，多电平驱动信号的生成可能是复杂的。进一步的复杂产生于必需在光调制前将差分数字编码应用到光信号，以解决QAM星座的π/2相位模糊度，否则在接收器处估计载波相位时将产生该相位模糊度。

[0004] 有如下四个已知16-QAM传送器/调制器方案。第一个方案包括常规同相/正交(I-Q)调制器，其中，每个同相和正交分量是能够通过使用四电平驱动电压获得的四电平信号。不管光方案的简单性如何，生成四电平驱动电压的要求使得该传送器对于实现100 Gbit/s系统不具吸引力。

[0005] 如在K.-P. Ho和H. -W. Cuei所著“使用一个双驱动调制器的任意正交信号的 生 成”("Generation of arbitrary quadrature signals using one dual-drive modulator," J. Lightwave Technol., vol. 23, no. 2, pp. 764-770, Feb. 2005)中报告的一样，第二个方案包括单个双驱动Mach Zehnder调制器(MZM)。输出信号能够通过为两个MZM适当选择驱动电压而在复平面中采用任何值。此方案以最简单的光组件为特色，然而，16-QAM星座的生成要求带有多达16电平信号的极其复杂的驱动电压方案。 [0006] 已在M. Seimetz所著“用于相干光M-PSK和M-QAM传输的多格式传送器”( "Multi-format transmitters for coherent optical M-PSK and M-QAM transmission", in Proc. ICTON'05, 2005, pp. 225-229, paper Th.B1.5)中报告包括相位和幅度I-Q调制器的第三个16-QAM传送器结构，其只要求双电平驱动电压。基本结构类似于常规I-Q调制器，但每个分支也包括相位调制器。在每个分部，MZM生成双幅度电平{1/3, 1}，并且相位调制器(PM)将相位设为零或π，以在星座图的每个象限中获得所需的四电平信号。 [0007] 如J. M. Kahn和E. Ip所著“用于每符号3和4比特光传输的载波同步”("Carrier synchronization for 3- and 4-bit-per-symbol optical transmission", J. Lightwave Technol., vol. 23, no. 12, pp. 4110-4114, Dec. 2005)中报告的一样，第四个16-QAM传送器结构包括嵌套在具有80:20输出合并比的Mach-Zehnder干涉仪内的两个四相相移键控(QPSK)调制器。此方案通过为每个QPSK调制器使用二进制驱动信号来实现16-QAM调制。然而，它仍需要输入比特序列的电处理以应用象限差分编码。 [0008] 诸如四相幅度调制(4-QAM)和64-QAM等较低和较高阶QAM对于数字数据编码也n是已知的，并且将在本文中统称为2-QAM。

[0052] 参照图1到4，本发明的第一实施例提供16-QAM光调制器10形式的2n-正交幅度调制(QAM)光调制器，其中包括光输入端11、第一光调制设备12及第二光调制设备20。在此实施例中，要调制的光信号由光输入端11接收，并且耦合到第一光调制设备12，该设备将四相幅度调制方案应用到光信号，从而生成中间光信号。中间光信号随后输送到第二光调制设备20，该设备配置为选择性地旋转中间光信号的相位。16-QAM调制的光信号由此从光调制器10输出，其具有如图4所示的方形星座图19，包括在星座图的4个象限上分布的16个星座点16。

[0053] 第一光调制设备12包括同相/正交(I-Q)光调制器22，同相/正交(I-Q)光调制器22包括配置为接收要调制的光信号的光输入端24、同相分支26及正交分支30。同相分支26包括由第一驱动器单元（未示出）驱动的Mach-Zehnder调制器(MZM) 28形式的第一光调制器。正交分支包括由第二驱动器单元（未示出）驱动的第二Mach-Zehnder调制器32形式的第二光调制器和π移相器34。同相分支26和正交分支30在其输出末端耦合以形成I-Q调制器22的光输出端36。

[0054] 第一Mach-Zehnder调制器28通过大约0.39 Vπ和零伏的二进制驱动电压(Vx1)驱动，其中，Vπ是Mach-Zehnder调制器28的开断电压。第二Mach-Zehnder调制器32类似地通过相同二进制电压电平(Vy1)驱动。Mach-Zehnder调制器28、32由此生成1/3和1的输出信号幅度电平，从而为I-Q光调制器22提供如图2所示在同相轴(x1)和正交轴(y1)位置在象限I中具有4个星座点16的输出信号符号星座14：1/3，1/3；1，1/3；1/3，1；以及1，1。

[0055] 在此实施例中，第二光调制设备20包括第二I-Q光调制器38，第二I-Q光调制器38包括光输入端40、同相分支42和正交分支46。同相分支包括第三Mach-Zehnder调制器44。正交分支46包括第四Mach-Zehnder调制器48和第二π/2移相器50。同相和正交分支42、46的光输出末端耦合在一起以形成第二I-Q调制器38的输出端52，而第二I-Q调制器38的输出端52形成了16-QAM光调制器10的输出端。

[0056] 第三Mach-Zehnder调制器44通过Vπ和零伏的二进制电驱动电压(Vx2)驱动，并且第四Mach-Zehnder调制器48类似地通过Vπ和零伏的二进制电驱动信号(Vy2)驱动。第三和第四Mach-Zehnder调制器因此通过与到第一和第二Mach-Zehnder调制器28、32不同的电压驱动。应用的二进制电驱动信号为第二I-Q调制器38提供具有大致等幅和90°分相的4个调制电平的四相相移键控(QPSK)调制方案。第二I-Q调制器38因此应用具有如图3所示其中包括位于每个象限中的星座点16的方形星座图39的调制方案。

[0057] 图5中示出已知差分光传送器的通用方案。由于4重(4-fold)旋转对称的原因，QAM格式在载波相位的估计中受到4重相位模糊度（π/2的倍数）的影响。通过最小编码n代价解决QAM中相位模糊度问题的最佳编码是象限差分编码。给定2-QAM格式，n为偶数，n
则每个符号由2 个比特表示。前两个比特被差分编码，如在差分QPSK格式中一样，并且表示象限的更改，而其余比特在每个象限中被格雷编码。

[0058] 在已知相位和幅度I-Q及嵌套QPSK调制器中，两个驱动电压确定象限，而其它两个确定象限内的点。因此，通过借助为DQPSK提供的相同逻辑运算以差分方式将前两个比特编码，能够实现编码器。

[0059] 这些调制器的每个象限中的四个点分别通过象限I中点的反折(reflection)或平移(translation)获得。象限差分编码要求在每个象限中对最后两个比特进行格雷编码，带有根据象限本身旋转的模式。关于相位和幅度I-Q调制器，通过注意从象限I到象限III的双反折相当于旋转，反折能够转换成旋转，而通过简单地交换两个比特，到象限II或IV的反折能转换成旋转。对应的逻辑运算是：关于嵌套QPSK调制器，通过根据所选象限旋转两个比特，平移能够转换成旋转。对于DQPSK执行了类似的操作，其中，在前面的编码比特b1,k-1和b2,k-1根据实际信息比特a1,k和a2,k旋转。因此，此调制器所需的逻辑运算能够通过以下等式获得：
在此实施例的16-QAM光调制器10中，根据上述逻辑运算，通过应用到第一和第二Mach-Zehnder调制器28、32的驱动电压（Vx1，Vy1），将差分编码应用到前两个比特（b1，b2）。
然而，通过第二I-Q调制器38的QPSK调制方案，星座图点16从第一I-Q调制器22的星座图14的象限I 18的有效旋转相当于四象限差分编码。16-QAM光调制器10由此应用四象限差分编码，而无需在光信号上执行任何附加运算，即：
在使用中，如图6的流程图中所示，使用16-QAM光调制器10实现根据本发明的第二实施例的16-QAM调制的方法。要调制的光信号由16-QAM光调制器10的光输入端11接收，并且耦合到第一I-Q调制器22的光输入端24，第一I-Q调制器22应用具有图2所示星座图14的四相幅度调制方案(4-QAM)。利用应用到第一和第二Mach-Zehnder调制器28、32的驱动电压（Vx1，Vy1），差分编码被应用到前两个比特。从第一I-Q调制器22输出的所得到中间光信号耦合到第二I-Q调制器38的输入端40，第二I-Q调制器38应用具有如图3所示星座图39的QPSK调制。中间光信号的相位由此被选择性地旋转，促使如图2所示中间光信号的星座点被选择性地旋转到其余4个象限的每个象限中，因此如图4所示产生具有星座图19的16-QAM调制的输出光信号。

[0060] 两个I-Q调制器22、38的级联由此产生具有星座图19的光调制方案，星座图19相当于第一I-Q调制器22的星座图14和第二I-Q调制器38的星座图39的乘积。第一I-Q调制器22生成位于象限I 18中的小方形点14，而第二I-Q调制器38生成大方形点39，这些大方形点除不相关的总体π/4相位旋转外，对应于在象限II、III或IV中获得其余16-QAM星座点所需的相位旋转。包括π/4相位旋转，输出信号的低通等效式(equivalent)是：
其中，为简化记法而忽略了信号的时间相关性。

[0061] 参照图7，本发明的第三实施例提供16-QAM光调制器60，该调制器与图1的16-QAM光调制器10大致相同，但带有以下修改。相同的标号保留用于对应的特征。 [0062] 在此实施例中，第二光调制设备20包括相位调制器62，相位调制器62可操作用于选择性地将0°、90°、180°或270°的相位旋转应用到从第一I-Q光调制器22输出的中间光信号。相位调制器62提供的相位旋转类似地固有地将四象限差分编码应用到调制的光信号。

[0063] 本发明的第四实施例提供一种使用图7的16-QAM光调制器实现并在图8的流程图中示出的16-QAM的方法。此实施例的方法大致与图6所示的方法相同，修改之处是通过相位调制器62而不是通过第二I-Q光调制器38实现的QPSK应用相位旋转。

[0064] 参照图9，本发明的第五实施例提供一种光信号传输设备70，该设备包括第一实施例的16-QAM光调制器10和可操作用于生成光信号数据流74的激光二极管72形式的数据信号源，该数据信号源耦合到第一I-Q光调制器22的光输入端24。16-QAM光调制器10如上所述操作用于对光数据信号实现在图6的流程图中示出的方法。

[0065] 如下所示，在不脱离本发明范围的情况下，可对所述实施例进行各种修改。第一实施例的I-Q光调制器可颠倒，以便首先将QPSK光调制应用到光信号，之后是4-QAM光调制，对于第五实施例的光信号传输设备也是类似。本发明的第三实施例的I-Q调制器22和相位调制器62可类似地颠倒，以便相位调制器首先将相位调制应用到光信号，之后是I-Q调制器应用4-QAM光调制。将理解的是，I-Q光调制器可替代为可操作用于应用具有如图2所示星座图的所需4-QAM光调制方案的不同类型的光调制器。

[0066] 虽然所述实施例涉及16-QAM光调制器和16-QAM光调制的方法，但将理解的是，第一光调制设备可替代为可操作用于应用诸如64-QAM光调制器和调制的方法等不同2n-QAM光调制方案的光调制设备。到Mach-Zehnder调制器的电驱动信号将相应地更改，例如在64-QAM光调制示例中更改为4电平驱动信号。

[0067] 16-QAM在用于到光纤中100 Gb/s传输的调制格式候选之中。它是多电平信号，并且使用常规光调制器生成并不容易。此外，象限差分编码有助于解决在接收器的π/2相位n模糊度，但需要传送的比特序列的高速数字处理。本发明的2-QAM光调制器允许提供只需要双电平电驱动信号的16-QAM调制器，从而提供优于由于调制器的非线性和带宽限制原n
因而可能严重畸变的多电平驱动信号的优点。另外，2-QAM光调制器不需要比特序列的附加处理以应用象限差分编码，象限差分编码由本发明的调制器和方法自动实现。