专利名称：光传输系统的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域是用于传输数字化数据的光通信系统。本发明尤其涉及利用光纤并/或通过光开关在远程链路上以高比特率传输数字光信号的技术。
背景技术：
光传输系统一般包括通过光链路连接到光通信接收机的光通信发射机，所述光链路可以是单根光纤，或者一系列由光放大器和/或更为复杂的耦合媒质，例如基于光闸、波导和耦合器的光开关，相互连接起来的光纤段。
发射机包括光信号源。光信号源的功能是根据要传输的信息调制光载波。同一个链路可以传输由不同波长的载波携带的多个信号。这样得到的传输系统就是公知的波分复用(WDM，wavelength divisionmultiplex)系统。
目前最为广泛应用的调制技术是幅度调制。通常采用的调制形式是NRZ和RZ形式。这些形式通过在对应于波的消失的低电平和对应于最大光能的高电平之间改变载波能量而编制二进制信息。电平的改变在具有固定周期T的时钟确定的时间发生，所述时钟确定了相继的时间单元，这些时间单元被分配给要传输的二进制数据。传统上，低电平和高电平一般分别表示二进制值0和1。
幅度调制技术通常称为幅移键控法(ASK，amplitude-shiftkeying)，优点是利用可靠的光学部件实施起来比较容易，但缺点是对色散敏感。尽管有用于补偿色散的设备，比如色散补偿纤维(DCF，dispersion compensating fibers)，所获得的补偿往往是不完全的，尤其是在对分布在宽谱带上的WDM信道进行补偿时。
为此，提出了一种新的对色散不那么敏感的调制形式。使用这种形式的光传输方法公知为相位整形二进制传输(PSBT，phase-shapedbinary)。该方法例如在1997年2月17日递交，1997年8月27日公开的欧洲专利申请EP-A-0792036中有过描述。相应的美国专利5920416的授权日为1999年7月6日。
为了进行传输，该方法对载波在每一个对应于逻辑0、在包含逻辑1的单元之前或之后的单元内进行绝对值约为180度的光相移。在接收端，收到的光信号可以用与NRZ形式调制信号相同的方式，即，使用简单的光检测器，转换为电信号。
除了改善抗色散的能力外，PSBT调制还有这样的特性所得到的信号的光谱只有NRZ调制的光谱宽度的一半，这对密集WDM传输是有利的。在密集WDM传输中，WDM信道之间的光谱间隙很窄。
一旦非线性光学现象变得显著，PSBT调制仍然是有限制的。例如，在提升信号的光功率以增大传输距离时，就是这样的情况。在这种情况下会发现，对于链路上给定值的累积色散，接收到的信号的质量会退化到某种程度，该程度强烈地依赖于信号的光载波的波长。因此，系统的抗色散能力降低，这限制了远距离无中间放大地传输分布在宽谱带上的WDM信号的可能性。
另外一种出现这种问题的情形，是通过含有即使在低功率下也非线性工作的部件的光耦合媒质进行传输的情况。所述在低功率下也非线性工作的部件例如是基于半导体光放大器的光闸。这后一种情形通常在装备有使用这样的光闸的开关的网络中遇到。
在提交于1998年7月20日，公开于2000年1月26日的欧洲专利申请EP-A-0975107中，提出来一种对PSBT信号因为克尔效应而退化的问题的解决方案(相位自调制，相位或增益交叉调制)。该解决方案在于使用改进的引入了瞬时线性调频脉冲(transient“chirp”)的PSBT调制，所述线性调频脉冲的正负和最优值尤其取决于链路上的累积色散和非线性效应。但是，生成最优瞬时线性调频脉冲不是一件简单的事情，会进一步产生扩宽光信号频谱的效应，从而使得PSBT调制不太适合密集WDM传输。
另一种遏制某些非线性现象的方式是选用能够保持信号为恒定光功率的调制技术。光相位调制或者光频率调制就是这种情况。频移键控法(FSK，frequency-shift keying)的缺点是得到的信号对色散敏感。然而，相移键控法(PSK，phase-shift keying)对色散不那么敏感，却要求信号的相位完全稳定，以便在接收机一端正确地检测。但是，一种称为差分相移键控法(DPSK，differential phase-shift keying)的变型具有减少所述后一种约束的优点。PSK或者DPSK调制仍然导致信号的谱宽与使用NRZ调制形式时一样，因此对于密集WDM传输来说没有PSBT调制好。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提出一种使用没有瞬时线性调频脉冲的PSBT调制，但能够使传输的信号对色散和克尔效应，尤其是对相位自调制不那么敏感的传输系统。
更确切地说，本发明提供一种传输相位受控光信号的传输系统，所述相位受控光信号按照周期为T的时钟的定时脉冲频率(timingrate)被调制，所述周期确定了相继的时间单元，这些时间单元在信号中限定了光频率为F0的光载波的调制的低电平或者高电平，所述信号在每一个限定低电平并在限定高电平的单元之前或之后的时间单元中有一个光相移，所述系统包括一个适于从一个入口端向一个出口端传输所述相位受控信号，以发送相应的输出信号的光链路，所述系统的特征在于，它包括与所述出口端耦合并/或在所述光链路的一点或多点插入的光学校正装置，所述校正装置在所述出口端和/或所述光链路的所述点对信号进行光学滤波，设置所述滤波，以对所述相位受控信号因为在所述光链路中传输时的相位自调制而可能发生的频谱的加宽加以补偿。
本发明考虑了这种观察结果在非线性媒质上传输的PSBT调制形式的信号，由于其在该媒质中传播时的相位自调制而发生频谱的加宽，通过应用光学滤波而将传输的信号的谱宽恢复到原始PSBT信号的谱宽，可以改善信号的质量。
因此，选择滤波器传递函数来充分地减小谱宽，以消除由于相位自调制而产生的频谱分量，而不会使频谱的中央部分的衰减被放大--这后一种情况会导致信号中所包含的信息的损失，是不希望看到的。一般，选用的滤波器传递函数可视为对频谱加宽的补偿和导致的信号损失之间的折中。
已经进行了特定情形的模拟。从随后的试验验证中，得到了在实践中适合一般情况的滤波特性。另外，已经发现，如果滤波沿着链路分布在产生非线性现象的部件的下游，则对频谱的加宽进行补偿的好处会增加。这个发现具体来说导致了不同形式的滤波——随链路是包括一段还是包括多段而定。
更确切地说，本发明的第一种实施例适合这种情况链路包括单段光纤线路，并且所述光学校正装置包括一个与所述出口端耦合的滤光器，该滤光器的传递函数将其传递系数的变化表示为光频率f的函数，该函数在F0附近大致为高斯型，以F0为中心，半高谱宽为0.5/T到1.25/T，最好基本上等于0.75/T。
本发明的第二种实施例适合这种情况链路包括N段，有N个相应的入口端和N个相应的出口端，以及N个后接N个相应光纤线路的相应光放大器。在该实施例中，所述光学校正装置包括N个分别耦合到所述段的所述N个出口端的滤光器，并使得，所述N个级联滤光器的耦合形成的等效滤光器的传递函数——该函数将等效滤光器的传递系数的变化表示为光频率F的函数——在F0附近大致为高斯型，以F0为中心，半高谱宽为0.5/T到1.25/T，最好基本上等于0.75/T。
根据本发明的另一方面，无论链路类型如何(一段或是多段)，所述或者每一个滤光器(FG)是一种周期性滤光器，具有自由光谱间隔，该间隔按频率表示时大于1/T。
本发明还应用于波分复用PSBT形式的信号的光传输系统。这种系统因此适用于传输由多个相应光载波携带的多个相位受控光信号构成的多路复用信号，所述光载波的相继的光频率具有给定的频移。在这种情况下，根据本发明的另一方面，所述或者每一个滤光器最好是一种周期性滤光器，其自由频谱间隔以频率表示时等于所述频移。因此，单个滤光器足以同时处理构成所述多路复用信号的各种信号。
通过下文结合附图的说明，本发明的其它方面和优点将更加清楚。附图中图1是在光链路由单段构成的情况下，本发明的传输系统的示意图；图2是在光链路由多段构成的情况下，本发明的传输系统的示意图；图3是在传统的传输系统中，发射和接收的PSBT形式的调制信号的频谱的示意图；图4图示了可以用在本发明的传输系统中的滤光器传递函数；图5示出了可以用在本发明的WDM传输系统中的周期性滤光器传递函数；图6和图7分别针对传统的和本发明的传输系统，并针对各种信号光功率值，示意性地图示了在光链路由单段构成的情况下接收机的灵敏度的变化，该变化是色散的函数；图8和图9分别针对传统的和本发明的传输系统，并针对各种信号光功率值，示意性地图示了在光链路由三段构成的情况下接收机的灵敏度的变化，该变化是色散的函数。
具体实施例方式
图1和图2示意性地举例图示了本发明的两种光传输系统。
在图1的情况下，系统包括由发射机TX和接收机RX之间的单段构成的光链路L。作为源信号的函数——所述源信号例如是按照周期为T的时钟的定时脉冲频率调制为NRZ形式的电信号——发射机TX适于发送按照同样的时钟定时脉冲频率调制为PSBT形式的相位受控光信号S，就象前文所引文献中所详细描述的那样。所述接收机主要包括后接光检测器的前置光放大器。
所述链路L具有适于接收所述信号S的入口端A和位于所述接收机RX附近、适于发送相应的输出信号R的出口端B。所述链路L主要由一个光纤线路LF和一个设置在所述发射机TX和所述光纤LF之间的发射端光放大器OA构成。为了提高接收机端的信噪比，还可以在光纤LF的下游另外提供一个接收端前置光放大器OA’。
在传统的系统中，输出信号R直接耦合到接收机RX，或者可能通过一个用来补偿色散的DCF。在接收机的上游，还可以设置一个以信号载波的频率为中心频率的带通滤波器，例如用于在WDM传输的情况下提取一个信道，或者用于使信号频带之外的噪声衰减。在这种情况下，滤波器的作为光频率的函数的传递系数总是具有比信号的调制时钟频率1/T大很多的谱宽。
为了能够增加使用单段时的传输距离，光纤LF的长度必需增加，这样导致衰减也增加，增加的衰减通过提高注入光纤LF的信号的光功率来补偿。在超过特定的功率之后，光线就成为产生显著的非线性光学现象的场所(克尔效应)。
具体来说，在以PSBT形式调制的、在没有非线性效应时对色散相对不敏感的信号的情况下，在链路中观察到，对累积色散的容限降低了。这导致传输容量受限，例如在WDM信号的情况下。
通过更详细地分析这种现象，发现，退化现象与信号在光纤中传播时频谱的加宽有关。图3对此进行了图示。
图3中以实线表示了调制为PSBT形式的传输信号S的频谱的近似曲线。该频谱将归一化频谱密度FT2(S)的变化表示为光频率F的函数，对应于光载波频率为F0、位周期为T的PSBT信号。图3还以虚线表示了曲线FT2(R)，它表示在传统链路中接收到的信号R的频谱。可见，由于信号在链路中传输，其频谱变宽了，这主要归因于信号的相位自调制。
根据本发明，滤光器FG耦合到出口端，因而插在该出口端B和所述接收机RX之间。设置该滤光器，以减小信号R的频谱的宽度，以补偿，甚至是过补偿在光纤中发生的频谱加宽现象。
对于每个特定的链路来说，合适的理想滤光器可通过模拟和试验来确定。在实践中，可能适合的滤光器一般是高斯型(或近似高斯型)滤光器，其传递系数(滤光器的传递系数的变化表示为光频率F的函数)以F0为中心，半高谱宽为0.5/T到1.25/T。
所述半高谱宽最好为约0.75/T。
图4图示了对应于后一种情况的归一化传递函数G(F)的曲线。该传递函数也可以表示为下式G(F)＝exp[-a2.(F-F0)2.T2]因此，如果F和F0以赫兹表示，T以秒表示，则会发现，a2大致等于4.93。
在其它传输系统中，链路由多段构成。图2示出了例如具有三段的链路。
研究表明，滤波操作最好沿着链路分布。因此，在链路由多段构成的情况下，滤波不同于上述第一种情况。
如图2所示，其中的链路由一系列段L1、L2、L3构成。每一段与图1的链路L是相同的。每一段L1-L3有一个入口端A1-A3和一个出口端B1-B3、一个后接光纤线路LF1-LF3的发射端光放大器OA1-OA3、接收端前置光放大器OA’1-OA’3，以及色散补偿器DCF1-DCF2。第一段L1的入口端A1适于从发射机TX(图中未示出)接收信号S，最后一段L3的出口端B3位于接收机RX附近，适于发送相应的输出信号R。
根据本发明，光学校正装置包括一系列耦合到所述段的相应出口端B1、B2和B3，从而除了最后一个之外插在所述出口端B1、B2和下一段的相应入口端A2、A3之间的滤光器FG1、FG2、FG3，最后一个滤光器插在最后一段的出口端B3和接收机RX之间。
如前所述，对于每一种特定的链路，合适的最优滤光器特性可通过模拟和试验确定。
在实践中，最好这样选择所述滤光器FG1、FG2和FG3，使得所述级联滤光器的耦合形成的等效滤光器的传递函数在F0附近大致为高斯型，以F0为中心，半高谱宽为0.5/T到1.25/T。所述半高谱宽最好基本上等于0.75/T。
因此，在有N段的链路的情况下，若采用N个相同的具有传递函数G(F)＝exp[-a2.(F-F0)2.T2]的相同高斯型滤光器，则这些级联的N个滤光器的等效传递函数为Ge(F)＝exp[-N.b2.(F-F0)2.T2]这样，N.b2＝a2，这意味着，对于每一个滤光器，其半高谱宽比仅包括一段的链路所用的滤光器的半高谱宽大N倍。
不管链路的类型如何(即，具有单段或者多段的链路)，每个滤光器都可以是遵守前述标准的周期性滤光器，比如Fabry-Pérot滤光器，条件是以频率表示的自由频谱间隔大于1/T。
上面描述的系统还可以用于PSBT形式的信号的WDM传输。那么，发射机TX可以包括用于进行调制并把多个相应的光载波携带的多个PSBT形式的信号与不同的光频率组合起来的装置(图中未示出)。接下来，所述接收机RX可以包括对接收的信号进行信号分离，以分离出各种频谱成分的装置(图中未示出)。
在这种情况下，一种特别简单的实施本发明的方法是使用这样的周期性滤光器其自由频谱间隔ISL等于所述多路复用信号的光载波的相继光频率之间的频移。
这在图5中简单地进行了图示。该图示出了适用于光频率为F0、F1、F2、F3和F4的载波承载的信道的多路复用传输的周期性滤光器的传递函数G(F)。
为了评估本发明的功效，分别针对传统的传输系统和使用本发明的光学校正的同样的系统，对接收到的信号进行了评估。
图6到图9以灵敏度曲线的形式示出了获得的结果，所述曲线将接收机灵敏度的变化表示为对于不同的传输信号光功率P值的色散的函数。所述色散是所谓的“残余”色散，即链路的所有部件，尤其是光纤线路、色散补偿器以及在适当的情况下的本发明的校正装置(滤光器)，引入的累积色散。
用来评估传输质量的灵敏度在这里定义为施加于接收机而获得设置为10-9的误差率的最小平均光信号功率(以dBm为单位)。
图示的曲线是用这样的链路获得的包括100km的标准光纤，PSBT形式的调制信号的传输速率为10Gbit/s。所用的电光调制器为用被带宽2.8Ghz的贝塞尔滤波器滤波的电信号推挽式控制的Mach-Zehnder调制器。
图6和图7首先涉及的是如图1所示由100km的单段构成的光链路的情况。图6对应于传统系统，即没有滤光器FG的系统。图7对应于本发明的系统，即链路的出口端耦合到一个滤光器FG的系统，该滤光器的半高谱宽等于7.5GHz，或者，对于波长为1.55微米的载波，用波长表示的话，等于0.06nm。
每一附图表示了由发射端放大器OA向光纤LF提供的各种信号功率P的3个灵敏度曲线，所述功率分别为0dBm、6dBm和12dBm。
首先看图6的曲线。注意，在6dBm之外，对于低于+500ps/nm的累积色散，接收到的信号强烈退化。换句话说，对于高的发射光功率，该系统不能容许色散，这限制了无中间放大地远距离传输宽带WDM信号的可能性。
将这些曲线与图7的曲线比较，可注意到，本发明大大改善了抗色散性，即使对于负色散值也是如此。
图8和图9涉及光链路如图2所示由3个100km的段构成的情况。图8对应于传统的系统，即没有滤光器FG1、FG2、FG3的系统。图9对应于本发明的系统，即三个段中每一段的出口端设置有滤光器FG1、FG2、FG3的系统，所述滤光器的半高谱宽等于13GHz，或者，对于波长为1.55微米的载波，用波长表示的话，等于0.10nm。
每一附图表示了向每一光纤LF1、LF2和LF3提供的各种信号功率P的4个灵敏度曲线，所述功率分别为0dBm、6dBm、9dBm和12dBm。
看图8的曲线。注意，从9dBm开始，对于低于+500ps/nm的累积色散值，接收到的信号显著退化，在12dBm，这种退化就非常强烈了。将这些曲线与图9的曲线比较，可见本发明的改善效果是非常明显的。
有趣的是可以注意到，本发明的滤光器的存在不会在低功率的时候引入性能的恶化。
上述曲线还表明了具有正累积色散的链路的好处，正的累积色散通常意味着色散补偿的引入。在这种情况下，如同别处已经证实的那样，补偿最好在构成链路的各段之间分担。
更确切地说，如图2所示，如此，则传输系统包括耦合到各段L1、L2和L3的色散补偿器DCF1、DCF2和DCF3，使得，对于所述相位受控光信号S的光载波的光频率F0，或者，在WDM传输的情况下，对于构成多路复用传输的相位受控光信号的光载波的平均光频率，所述段(L1、L2、L3)、有关的滤光器(FG1、FG2、FG3)和有关的色散补偿器(DCF1、DCF2、DCF3)引入的累积色散为正。
权利要求
1.一种传输相位受控光信号(S)的传输系统，所述相位受控光信号按照周期为T的时钟的定时脉冲频率被调制，所述周期确定了相继的时间单元，这些时间单元在信号(S)中限定了光频率为F0的光载波的调制的低电平或者高电平，所述信号(S)在每一个限定低电平并在限定高电平的单元之前或之后的时间单元中有一个光相移，所述系统包括一个适于从一个入口端(A、A1)向一个出口端(B、B3)传输所述相位受控信号(S)，所述系统的特征在于，它包括与所述出口端(B、B3)耦合并/或在所述光链路(L)的一点或多点(B1、B2)插入的光学校正装置(FG、FG1、FG2、FG3)，所述校正装置在所述出口端(B、B3)和/或所述光链路的所述点(B1、B2)对信号(R)进行光学滤波，设置所述滤波，以对所述相位受控信号(S)因为在所述光链路(L)中传输时的相位自调制而可能发生的频谱的加宽加以补偿。
2.如权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述链路(L)包括单段光纤线路(LF)，并且所述光学校正装置包括一个与所述出口端(B)耦合的滤光器(FG)，该滤光器的传递函数(G(F))将其传递系数的变化表示为光频率f的函数，该函数在F0附近大致为高斯型，以F0为中心，半高谱宽为0.5/T到1.25/T。
3.如权利要求2所述的传输系统，其特征在于，所述半高谱宽基本上等于0.75/T。
4.如权利要求2所述的传输系统，其特征在于，所述滤光器(FG)是一种周期性滤光器，具有自由光谱间隔(ISL)，该间隔按频率表示时大于1/T。
5.如权利要求4所述的传输系统，其特征在于，所述系统适用于传输由多个相应光载波携带的多个相位受控光信号构成的波分多路复用信号，所述光载波的相继的光频率(F0、F1、F2、F3)具有给定的频移，所述自由频谱间隔(ISL)等于所述频移。
6.如权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述链路包括N段(L1、L2、L3)，有N个相应的入口端(A1、A2、A3)和N个相应的出口端(B1、B2、B3)，以及N个后接N个相应光纤线路(LF1、LF2、LF3)的相应光放大器(OA1、OA2、OA3)，所述光学校正装置包括N个分别耦合到所述段的所述N个出口端(B1、B2、B3)的滤光器(FG1、FG2、FG3)，并使得，所述N个级联滤光器(FG1、FG2、FG3)的耦合形成的等效滤光器的传递函数(G(F))在F0附近大致为高斯型，以F0为中心，半高谱宽为0.5/T到1.25/T，该传递函数将等效滤光器的传递系数的变化表示为光频率F的函数。
7.如权利要求6所述的传输系统，其特征在于，所述半高谱宽基本上等于0.75/T。
8.如权利要求6所述的传输系统，其特征在于，每一个所述滤光器(FG1、FG2、FG3)是一种周期性滤光器，其自由光谱间隔(ISL)大于1/T。
9.如权利要求8所述的传输系统，其特征在于，所述系统适用于传输由多个相应光载波携带的多个相位受控光信号构成的波分多路复用信号，所述光载波的相继的光频率(F0-F4)具有给定的频移，所述自由频谱间隔(ISL)等于所述频移。
10.如权利要求6所述的传输系统，其特征在于，该传输系统包括分别耦合到所述N段(L1、L2、L3)的色散补偿器(DCF1、DCF2、DCF3)，使得，对于所述相位受控光信号(S)的光载波的光频率(F0)，或者，在适用的情况下对于构成多路复用传输的相位受控光信号的光载波的平均光频率，所述段(L1、L2、L3)、有关的滤光器(FG1、FG2、FG3)和有关的色散补偿器(DCF1、DCF2、DCF3)引入的累积色散为正。
全文摘要
本发明提供了一种光传输系统，该传输系统适用于这样的幅度调制相位受控光信号(S)在每一个在高电平脉冲之前或之后的低电平脉冲中具有一个光相位。该系统包括一个光链路(L)。为了允许传输高功率，提供了光学校正装置，用来在该链路的出口(B)和/或该链路(L)的一个或多个点对信号R进行光学滤波，以对所述相位受控信号(S)因为在传输时的相位自调制而可能发生的频谱的加宽加以补偿。本发明应用于远程光传输。
文档编号H04B10/255GK1419348SQ0215052
公开日2003年5月21日 申请日期2002年11月11日 优先权日2001年11月12日
发明者汉斯·必塞瑟 申请人:阿尔卡塔尔公司