专利名称：单边带调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用单边带(SSB)光调制器作为电可调谐的光移频器来产生(等或不等间距)光基准梳状波，供小信道以间隔高密度波分复用(HDWDM)和以相干为基础的系统使用。采用SSB光调制器可以达到在这类系统中无需使用任何可调谐激光器或减少这类系统中需用的可调谐激光器数目的程度。
美国专利5265112用SSB光调制器产生光基准梳状波，但它没有涉及如何独立地辨别一个基准梳状线与另一个梳状线之间区别的问题。这在信道间极小(一般只有几个千兆赫)的系统中是个重大问题，因为本来就有选错基准线的风险。本发明涉及一种可以使基准梳状波产生得使其各梳状线清晰可辨的方法。
此外，本发明还说明SSB光调制器可用作电可调谐的光移频器来首先产生等或不等间距的光基准梳状波，各基准线清晰可辨，可用来使多信道HDWDM或以相干为基础的系统内各发射机之间的信道间间隔稳定化；其次就是来代替局部化和分布的多信道的以相干为基础的系统中各相干发射机的激光器；再其次就是来代替局部化和分布的多信道的以相干为基础的系统中发射机和本机振荡器各自的激光器。
1993年通用电气有限公司-马克尼材料技术有限公司-卡斯维尔(GEC-Marconi Materials Technology Ltd-Caswell)报道了第一个付诸实施的集成光学单边带(SSB)光调制器，如图1a和图1b所示。这种光调制器用GaAs制造，采用了戴梭米耶(Desormiere)等人在1990年第8期《光波技术杂志》第506至513页上发表的题为“微波频率操作用的集成光频交换器”一文中从理论上说明的基本原理。该设计中的主要元件是Y形馈送电光定向耦合器1，耦合器的电极构件传送行进微波信号。由于耦合器1按Y支路被对称激发，因而在没有调制射频波的情况下光在耦合器输出端的分布也是对称的。若在输出波导中对这个分布的相反两半部进行抽样，再在马赫-策恩德(Mach-Zehnder)干涉仪部分中对不同相相加，则耦合器的光输出应为O。这使这种耦合器具有抑制载波的性能。
调制信号RF加到各电极上时，模式耦合会在对称与不对称模式之间产生。由于输出干涉仪2设定得使其将进来的光分布反相的两对侧相加，因而各反对称分量相加，在输出波导上形成信号。信号频率将等于所加射频信号的频率。由于抑制载波的性能，得出的输出是频率等于偏移等于射频调制信号的载频的单频输出。无论SSB调制器选取真实或图象信号侧，都可构成正或负的光移频器。
本发明涉及这些以SSB为基础的光移频器在多信道光学系统中的应用，着重于其在大幅减少激光器需用量方面的应用。本方法旨在解决与所有多信道相干系统有关的光频率控制问题。
在多信道HDWDM或以相干为基础的OFDM(光频分多路复用)系统中，都要求使各发射机之间的信道间的间隔稳定化，以避免信道间的横向相互干扰。传统上，对由组合各发射机、测定因而控制其信道间间隔形成的波长梳齿的扫描，是用由光频率扫描系统组成的波长管理机构(WMU)进行的。虽然在减少扫描次数方面做了种种努力，但在波长所能达到的稳定程度方面还得统筹兼顾，因为所能达到的稳定性与校正的时间间隔成反比。就是说，扫描的时间间隔越短，达到的频率校正重复性越高，因而光学频率稳定性越高。
此外，在数十或数百个信道组成的多信道系统中，有这样的实际问题如何使这许多信道同时投入使用，如何才能单独识别每个信道，从而如何确定各信道特有的频率校正。通常，这使系统设计人员每次启动一个或两个(在光频率上有充分的间隔以便于单独识别)信道，或采用多个各控制整个系统一部分的WMU。即使在用多个WMU系统的情况下，启动时间也可以在数十分钟至数小时范围内变化。
用相干发射机本身来免除WMU并处理光频率的控制问题看来是理想的解决办法，因为这些发射机都是独立和并行工作的。由于各发射机都是自行控制的，因而无需轮候等待投入工作，从而使启动时间只受“最慢”的发射机(光频率校正，即启动频率校正到其指定信道频率最大的发射机)限制。这会使系统启动时间缩短到不是数分钟或数小时而是数秒钟的时间。
使发射机进入自行频率控制状态的实用方法是把发射机的激光器调到用美国专利5,461,504中所述的将LO(本机振荡器)激光器锁定到相干接收机内其中一个发射机频率上的同一个自动频率控制(AFC)法使之处在所需信道波长中的基准光波长上。这些基准光波长几年来都引起人们的兴趣。目前产生适当有用基准的方法有将其锁定到例如乙炔之类气体的分子吸收线上，或锁定到一种离子气体的发射线上，虽然用这些方法可以产生数十个有用的基准波长，但由于各特征位之间的间隔很大(通常在30～80千兆赫范围)，因而应用面受到限制。其它方法有调制FP激光器，或在循环回路的配置中采用SSB调制器，如美国专利5,265,112中所述的那样。
所有这类梳状波发生器都有共同的问题，即不能单独识别一条基准线与另一条的区别。这增加了将发射机锁定到不正确的基准从而停留在不正确信道上的风险。为防止这种情况，监视系统(可能的话以WMU为基础)需要监控并监视各发射机，核实锁定是否正确。缺点在于，这又延长了启动时间。
本发明提供的光基准频率发生器具有多个单边带光移频器(SSB-OFS)，其中各SSB-OFS成对连接，各对SSB-OFS有一个公共光频率输入端和一个光移频输入端，配置成使各对的一个SSB-OFS的输出的频移为正频移，另一个SSB-OFS输出的频移为负频移。
此外，本发明还提供一种具有上述光基准频率发生器的光基准梳状波发生器，其中各SSB-OFS的输出端接多个中的另一对SSB-OFS的输入端，各另一对SSB-OFS具有各自的光移频输入端。
此外，本发明还提供一种零差检波或外差检波的相干接收机，其中的本机振荡器为上述的光基准频率发生器。
现在参看
本发明的内容，附图中图1a示出了单边带(SSB)调制器的一个实例；图1b示出了图1a中SSB调制器的原理图；图2示出了信道间隔为10千兆赫的32基准线梳状波发生器的原理图；图3a示出了有4个输出端采用6个SSB-OFS和两个半导体光放大器(SOA)的SSB光移频器(SSB-OFS)基本部件；图3b示出了图3a中SSB-OFS基本部件的原理图；图4示出了用图3a和图3b的SSB基本部件构成8线基准梳状波的情况；图5示出了一个标准相干接收机；图6a示出了用SSB-OFS和两个中频级加上一个电多路复用器以选择正或负频移LO信号的相干接收机的原理图；图6b示出了用SSB-OFS和单独一个中频级加上一个光开关以选择正或负频移LO信号的相干接收机的原理图；图7a示出了具有光开关功能、可以选择正或负频移输出端的SSB-OFS方框展开图；图7b示出了可选择SSB-OFS的原理图；图8示出了采用图7a和图7b的可选择SSB-OFS的相干接收机；图9示出了用SSB-OFS的简化相干收发信机的原理图；图9a-9d示出了出现的光信号及其如图9中编号[A]-[D]标识的各频率位置；图10a示出了在客户终端选择发射机信号时采用SSB-OFS产生的发射机梳状波的情况；
图10b示出了选择其中一个基准线给客户提供传输信号时采用SSB-OFS产生的基准梳状波的情况。
这里需要的是间隔均匀、各基准线可以单独区别开来的极其稳定的光基准梳状波。正是以SSB光调制器为基础的光移频器(SSB-OFS)的出现才能产生实用的光频率梳状波。图2重点示出了用多个SSB-OFS产生以32信道“二进制除法树”为基础、信道间间隔为10千兆赫的基准梳状波。如图中所示，光信号是从用分子线锁定进行稳定或任其自然运行的单独一个主激光器3得出的。不控制主激光器3的频率并不致于使系统的性能变坏。随着主激光器3的漂移，光频率梳状波跟着漂移，于是各发射机，接着各接收机，全部跟随主激光器漂移。为了可以单独识别各基准线，SSB-OFS末组的二进制识别码应与射频调制信号混合。此信号由相干发射机检测，相干发射机由一个较低功能的相干接收机组成，这时相干发射机的S激光器起本机振荡器(LO)激光器的作用。
一个给定系统中需用的SSB-OFS数目等于2N+1-2，其中N为需用的级数，且等于log2(信道数)。具有32信道、信道间隔为10千兆赫的系统，其需用的级数为5，调制器的数目为62。由于SSB-OFS本身固有的损失和要求有大的分光度，并由于从一个主激光器提取信号，因而需要使用级间光放大。图3a和3b示出了可用来构成主激光器与各基准输出端之间的损耗为0分贝的完整频率梳状波系统的基本部件。基本部件由6个采用等数量的正负移频器构成的SSB-OFS组成。第一与第二级之间包括一对半导体光放大器(SOA)4，可以将整个光电集成电路(OEIC)的损耗减至0，就是说，各放大器的光增益等于OEIC的总光损耗。
图3a和图3b中，两个射频(f1和f2)确定了产生的四(4)条基准线的间距。两射频(f1和f2)与源自主激光器或子激光器的载频(fc)相加和相减的组合所产生的四条基准线为fc-f1-f2，fc-f1+f2，fc+f1-f2和fc+f1+f2。因此，若1＝100千兆赫，f2＝20千兆赫，则产生的基准线为fc+10千兆赫，fc-10千兆赫和fc+30千兆赫，从而得出信道间隔为20千兆赫的4线基准梳状波。
适当选择射频可以使间隔相等或不相等。
采用这种基本部件，间隔为10千兆赫的32信道系统的光基准梳状波发生器，其三级中配置的分立部件可以减少到11个(图4)。应该指出的是，若可以令两调制频率f1和f2频移或提高其频移，则可以把几个SSB-OFS链接，从而使几个THZ也可以采用数十个以SSB-OFS为基础的基本部件。
制取光移频器时采用SSB光调制器，再加上级间的光放大，可以产生包括几个THZ且光损耗极低级的大型光基准梳状波。在多信道以相干为基础的分配系统中，各相干发射机共同装在中心的头端。实际上，这些相干发射机形成了(通过锁定到基准梳状波)稳定化好的、各“基准线”不是传送ID二进制码而是传送要分配的数据(或视频编码数据)的可单独加以识别的基准梳状波。因此可以推论，由于以SSB-OFS为基础的基准梳状波发生器可以用作相干发射机的梳状波，因而无需提供光基准梳状波和相干发射机。这样，既可大大减小系统的复杂性，又可使这类系统的成本因大部分主要以WMU和有关的控制接口成本为主而大大降低。
综上所述，SSB-OFS用来在局部化的以相干为基础的分配系统中代替各相干发射机。SSB-OFS还可用来制取用在以相干为基础的各接收机中的可调谐的本机振荡器(LO)。
图5中的各相干接收机由于装有在所有信道的整个波长带的可调谐的本机振荡器(LO)激光器，因而实际上是个可调的光基准。图6a和图6b中，LO用一对SSB-OFS代替。目前“可电调频(EFT)”的LO是通过扫除两个馈给SSB调制器的射频信号发挥作用的。主LO激光器这时起公共LO激光器的作用，提供光能并确定中心光频率。LO激光器是以位于头端的主发射激光器同样的方式稳定的。的确，没有理由不能将同一个激光器同时用作发射机和接收机部分的主激光器。这意味着，从理论上讲，一个激光器就可在相干的基础上切换1000个信道，从而节省了选择2000多个(性能封闭的)匹配激光器的开支。
由于SSB-OFS可配置得使其产生正频移或负频移，因而需要采用双SSB-OFS配置方式来全面发挥相干接收机或可电调频率的相干光接收机(EFTCO-Rx)的作用。EFTCO-Rx应该是高度简化了的标准相干接收机。无需自动频率控制(AFC)来使LO保持与所要求的信道联锁(由于各相干发射机有规则间距配置)。此外，可调谐射频源(VCO-压控振荡器)的调谐特性被严格限定，既没有跳模，又没有(因热过冲或下冲引起的)不均匀的频率阶变/跃变，因而EFT-LO调谐算法大大简化，只要简单地查表。查表的重点是信道要求，即指出应加到各VCO以产生所要求的射频调制的电压，也就是馈给SSB调制器的信号。数字信号还可以表示是否要采用从EFTCO-Rx的正侧或负侧回收的信号。
用相干法制取极大的光开关矩阵是人们历来感兴趣的课题，特别是用来产生通常安置在大多数交换局地下室的易于重新配置的总配线架中的那一种(如美国专利5,461,504中所述的)时更是如此。若用上述方法来取消这种以相干为基础的开关矩阵中的各相干发射机，则可获得同样的好处。
因此，用SSB-OFS作为相干发射机的好处如下(i)简化了各相干发射机在其分配的频率上的稳定化过程，且无需使用WMU及其电和/或光控接口。
(ii)由于各光移频过的“相干”发射机(OFSCTx)不是分别控制的，因而系统可设计得使其在理论信道间隔极限值下工作，从而可以最大限度地合并信道。这是因为，由于各OFSCTx是从单一的主激光器获得的，因而这时无需考虑通常要考虑的频率稳定化的不精确性所需要的防护频带。
(iii)启动时间还明显地缩短到几毫秒-这是电射频源稳定化所需要的时间。
若上述简化应用到这种以相干为基础的光开关系统的相干接收机上，系统就会比传统的以相干为基础的开关有更显著的优越性。保持信道之间信道间隔的复杂性消除了。信道转换速度因而开关重配速度可能达到毫微秒级的时间。(相干系统由于偏流在单节和多节激光器中变化时遇到的热下冲/过冲问题而只能达到毫秒级的时间—激光器偏流变化达数秒钟时需要进行热校正从而延长了信道锁定时间)。接收机中的控制算法简单，无需进行任何几何冗长计算机计算为主的计算来确定新的激光器操作条件，因而使信道选择程序能以极快速度精确进行。
即使系统非常大，也可以采用链接的SSB-OFS来扩大EFT LO的调谐范围，因而无需多节激光器。
相干晶体管和接收机共置的分布式相干开关是SSB调制器不能完全压接的一种情况。但这些开关仍然可用以产生相干发射机所需要的光基准梳状波。这是因为在这类相干开关中，各相干收发信机以星形与一个PON(无源光网络)连接。虽然插入主激光器给各收发信机提供光信号是直截了当的作法，但相干收发信机的发射机部分采用它就不行。发射机通常应通过移动主激光器的频率建立，但由于光信号的循环作用，即相干接收机能检测它自己的发射机，且更重要的是，发射机也会查看其余的发射机梳状波，因而尽管循环着的发射机梳状波因PON损耗而处于振幅减小的状态，它还是会对主激光器和梳状波无限地起移频作用。因此，除非用单独的光纤向各发射机传送主激光器信号，否则在全分布式相干开关系统中采用上述取消激光器的作法是不实际的。在此情况下，可以采用与以局部化相干为基础的开关相同的作法，因而同样可达到节约的目的。
图10a和图10b示出了两种不同的使用SSB-OFS的方式。图10a中，采用了一组SSB-OFS来产生直接检测式分配系统的传输信号的梳状波，即即时要求的视频(VoD)。在客户处，用可调谐的滤波器，后面再加一个光放大器，来选择所要求的传输信号，从而可以选择客户的信道。
图10b中，也是用一组SSB-OFS产生梳状波的。这时，梳状波只是“基准梳状波”。在客户终端处，由一个可调谐滤波器后面跟着一个光放大器来选择其中一条基准线，并使此信号通过一个光调制器。这使客户面对头端数据信号。这样就无需在客户终端处设置光源。
权利要求
1.一种光基准频率发生器，具有多个单边带光移频器(SSB-OFS)，其特征在于，所述各SSB-OFS成对连接，各对有一个公共光频率输入端和一个光移频输入端，配置成使各对的一个SSB-OFS输出的频移为正频移，另一个SSB-OFS输出的频移为负频移。
2.一种具有权利要求1所述的光基准频率发生器的光基准梳状波发生器，其特征在于，各SSB-OFS的输出端接多个中的另一对SSB-OFS的输入端，各另一对SSB-OFS具有各自的光移频输入端。
3.如权利要求2所述的光基准梳状波发生器，其特征在于，各对SSB-OFS有一个公共的光移频输入端。
4.如权利要求2或3所述的光基准梳状波发生器，其特征在于，还包括标识产生装置，以将一基准标识加到最后几对SSB-OFS的各光移频输入端。
5.一种相干接收机，具有零差或外差检波部分，其中本机振荡器是权利要求1所述的光基准频率发生器。
6.一种基本上如上述的参看除图5、6a、6b、8、9和9a-9b以外附图所述的光基准频率发生器。
7.一种基本上如上述的参看图1a、1b、2、3a、3b、4、7、7b、10a和10b所述的光基准梳状波发生器。
8.一种基本上如上述的参看图6a、6b、8、9和9a-9d所述的相干接收机。
全文摘要
一种光基准频率发生器,具有多个单边带光移频器(SSB－OFS),其中各SSB－OFS成对连接,各对有一个公共光频率输入端和一个光移频输入端,配置成使各对的一个SSB－OFS输出端的频移为正频移,另一个SSB－OFS输出端的频移为负频移(图1a)。
文档编号H04J14/00GK1191428SQ98104059
公开日1998年8月26日 申请日期1998年1月24日 优先权日1997年1月24日
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