专利名称：用于高比特率归零传输的光再生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于光信号波形整形的方法和光再生器。
背景技术：
就海底网络而言，在长距离上以超高/高比特率归零(RZ)或RZ/差分相移键控信号(RZ/DSPK)进行的光通信在传输过程中会发生严重的劣化。这种劣化非常重要，在比特率等于或大于40Gbit/s时，它是主要的限制因素之一。事实上，在最近几年已经投入实际使用的光纤通信系统中，通过光放大器，例如掺铒光纤放大器(EDFA)来补偿由传输线性损耗，耦合损耗等导致的信号功率下降。这种光纤放大器是模拟放大器，它对信号进行线性放大。在这类光纤放大器中，与放大相伴生成的放大自发辐射(ASE)噪声导致光信噪比(OSNR)的降低。这意味着相继的中继器的数量受到限制，从而导致了传输的距离受到限制。此外，由于光纤中存在的色散导致的波形劣化以及光纤中的非线性光效应是传输限制的其它因素。为了打破这种限制，需要一个再生中继器来对信号进行数字处理。具体而言，在实现与信号比特率、脉冲形状等无关的透明操作过程中，能够在光层面上执行各种信号处理的全光再生中继器非常重要。
全光再生中继器所需要的功能是幅度恢复或者重放大，波形整形或者重整形，定时恢复或者重定时。这些功能被称为3R功能，更具体地，该第一和第二功能被称为2R功能。可以通过组合波形整形设备和光放大器来提供2R功能，也可以通过具有光放大功能的波形整形设备来提供2R功能。
在这一方面，实践证明，采用光闸的2R光再生能够缓解这些限制(高水平稳定OSNR，限制幅度变化)。这种光闸是基于非线性光纤的设备，它利用了超快科尔(Kerr)效应(飞秒(fs)范围)。最为实用的光闸之一是所谓的Sagnac或光纤回路干涉仪，它形成了非线性光学回路镜(NOLM)。
本质上，NOLM是连接到耦合器/分路器以形成回路的一段光纤。注入该设备的光信号被分成两个反向传播的波。这两个波沿相反方向传播，在传播了某一长度的(科尔)光纤之后，在该分路器重新组合。如果该耦合器是对称的(也就是它的交叉耦合率α＝0.5)，就可以看到该干涉仪完全反射初始信号，因此，就有了镜这个名称。通常情况下，这种NOLM用作两波长NOLM，其中光控制波通过位于回路上，靠近分路器任一分支的耦合器注入。与信号波不同，控制波只在一个方向上传播。通过交叉科尔效应，与控制波一起传播的信号波所经受的非线性相移与反向传播的信号波所经受的非线性相移不同。这种相位差被转换成在NOLM输出端信号强度的变化，从而可以通过控制切换信号。当相差达到π时，信号完全在NOLM输出端发送。NOLM充当光控逻辑与门。
在EP 1 298 485中给出了这种类型的光闸。参看图1，示出的NOLM配置包括第一光耦合器6，其第一和第二光路径2和4直接相互耦合，环光路径8，用于连接该第一和第二光路径2和4，以及第二光耦合器12，其包括直接耦合到环光路径8的第三光路径10。该环光路径8由非线性光介质提供，在图1中通过连接两根色散设置成基本相等，但符号相反的光纤8(#1)和8(#2)得到该非线性光介质。
将探测光输入到其耦合率设置成1∶1的光耦合器6的第一光路径2。这样，探测光被分成了两个具有相同功率的分量。这两个分量在环光路径8中分别沿顺时针和逆时针方向传播，经历完全相同的光路径长度，都受到该非线性光介质导致的相移。之后，它们在光耦合器6被组合，由于它们在功率和相位上都相同，通过这种组合最终得到的光从第一光路径2输出，而不是从第二光路径4输出，就像被镜子反射一样。当一个光信号由光耦合器12从环光路径8中间输入时，该光信号在环光路径8上只沿一个方向传播，这里是顺时针方向，只有在有该光信号的脉冲经过时，非线性光介质NL的非线性折射率才会为沿该方向传播的光改变。因此，在光耦合器6组合探测光的两个分量时，与该光信号没有脉冲期间相同步的那部分探测光的两个分量的相位彼此一致，与该光信号有脉冲期间相同步的那部分探测光的两个分量的相位彼此不同。用Δφ来定义后一情况下的相位差，此时从光耦合器6的第二光路径4得到正比于1-cos(Δφ)的输出。通过设置输入光信号的功率，使相位差为π，就可以执行交换操作，使得在有脉冲经过时组合的两个分量只从第二光路径4输出。这样，就进行了从具有波长λs的光信号到具有波长λc的转换光信号的转换。也就是说，针对光信号上的数据执行波长转换。当设置输入光信号“0”和“1”分别对应相位差Δφ为0和π时，能够抑制与输入光信号相伴的噪声。这是因为，基于1-cos(Δφ)的转换展现了每个脉冲的前沿或峰值附近的饱和特性，这与线性放大转换不同。
NOLM中的非线性NL光介质可以采用光纤。这种NL光纤主要采用色散位移光纤(DSF)。在EP 1 298 485中已经提出了使用具有高非线性色散特性的DSF。通过减小对应于有效核心面积的模场直径，可以实现高非线性色散特性。然而，沿光纤零色散波长本身仍有变化，不同传播波长的群速度变得彼此不同，限制了转换波带和可转换信号速率。因此，转换的波带受到色散限制。如果沿光纤的色散得到了很好的控制，例如，如果制造出了在整个长度上零色散波长一致的光纤，那么针对该一致的零色散波长，对称地分配探测光和该光信号的波长，就能够得到几乎无限的转换波带。但实际上，零色散波长沿着光纤变化，导致相位匹配条件与理想条件相偏离，限制了转换波带。在图1中示出的按照现有技术的环光路径8通过分割两根光纤8(#1)和8(#2)构成，每一根光纤都由高非线性DSF配置成，以得到宽的转换波带。更具体地，如果环光路径8是通过组合两根色散和色散斜率符号相反的光纤得到时，则能够几乎完全补偿信号脉冲和探测脉冲的色散。因此，可以提供走离(walk-off)和脉冲形状劣化降低的NOLM。此外，可以非常有效地生成光学科尔效应或者交叉相位调制。
在现有技术中，前面描述过，大的缺陷在于需要一个额外的激光器来产生用作泵浦(pumping)光的输入信号光。除此之外，必须为该输入信号光提供时钟恢复。对高速率，也就是43Gbit/s或更高速率而言，这种时钟恢复是个实际的限制。
在一篇出现在ECOC 2003，由F.Seguineau等人所著的论文中，提出了色散不对称NOLM(DI-NOLM)。这种DI-NOLM在图2中示出，其中耦合器23连接输入光路径22和输出光路径24，以及第一和第二光路径25、26，第一和第二光路径25、26形成了包含第一和第二光纤的光回路径。该第一光纤由一公里长的HNL光纤构成，其本地色散接近0ps/(nm.km)。该第二光纤26由3.35公里长的标准单模光纤构成，其色散约17ps/(nm.km)。选择这样的耦合器23，其α＝0.5。这样，在输入22处提供的输入光信号Ein(λs)被耦合器23平均地分成两个光信号E1和E2，分别在第一和第二光纤25、26所形成的环光路径上沿顺时针和逆时针方向传播。DI-NOLM中插入有一个图2中未示出的极化控制器，用于选择该干涉仪的适当的极化状态。在DI-NOLM前和后放置有掺铒光纤放大器(也未在图2中示出)和色散补偿光纤29(DCF)，分别用以控制输入功率，补偿残余色散。这种色散不对称NOLM利用HNL光纤中强烈增强的科尔效应，使设备中沿相反方向传播的两个脉冲之间的相位不同。DI-NOLM色散的不对称性使得能够通过对发射的峰值功率的控制，很好地控制相位差量。利用这种DI-NOLM，可以再生速率约为40Gbit/s的超快信号。即使空间电平(space level)重整形效应值大于(至少3分贝)标记电平(mark level)的重整形效应值，暗示着潜在噪声重分配效应，仍然能够清楚看到比特间信号波动抑制。
图2所示的DI-NOLM由两种类型光纤组成，一种是高非线性光纤25，用于生成非线性相位变化长脉冲形状，以及另一种是具有大有效面积的弥散型光纤26。该弥散型光纤26导致光信号在时域上被展宽，从而最终该光信号的峰值功率降低。光场E1是直接进入HNL光纤(以其最大峰值功率)，这与光场E2相反，光场E2首先在弥散型光纤26中被展宽。由于高弥散型光纤导致峰值功率降低，E2在HNL中积累的非线性相位与光场E1在HNL中积累的非线性相位相比很低。这种配置下，只能处理短归零(RZ)脉冲或者归零差分相移键控(RZ/DPSK)脉冲。并且，需要在DI-NOLM之后放置色散补偿光纤29，用以在输出24之后恢复与在DI-NOLM输入22相近的时域脉冲宽度。
发明内容
基于以上描述，本发明的一个目的是提供一种再生光信号的方法，以及一种光信号再生器，它们适于处理超高比特率和不同类型RZ脉冲，甚至在一半处有很大宽度的RZ脉冲，而不需要对该信号进行特定的预处理。
按照本发明，该目的通过一个DI-NOLM来实现，该DI-NOLM包括一个光回路，该光回路由两卷具有大有效面积，但是本地色散符号相反的弥散型光纤，以及其间的一根HLN光纤组成。在按照本发明的配置中，输入光信号最初需要利用附加级或者将该装置放置于色散受控传输线的给定位置上进行啁啾(chirped)。经过该处理之后，进入的脉冲在时域上或者被压缩，或者被加宽，这取决于DI-NOLM的光回路的两个支路中本地色散的符号。之后，因为峰值功率不对称，在HNL中反向传播的光场之间生成非线性相移。方便地，可以处理一半处有很大宽度，甚至占用的比特时间宽度大于65％的RZ或RZ/DSPK。这可以在不改变光再生的情况下实现。此外，利用按照本发明的方法，在该配置下，补偿色散在DI-NOLM内实现，不需要在该干涉仪中加入补偿色散状态。
DI-NOLM传输函数(透射率)可以由以下等式描述T(t)=1-4α(1-α)cos2(Δφ2)]]>其中α是耦合率，Δφ是非线性相移。
由该等式定义的透射率与光功率限制功能(对“1”码元而言)兼容，非线性相移得到的值比π略大时可以得到该光功率限制功能。相反地，对于低非线性相移，得到的DI-NOLM传输函数类似饱和吸收器。
这种饱和吸收器和光功率限制功能可以方便地用于改进RZ-DPSK(也用于RZ开关键控)传输系统。对于RZ-DPSK调制格式，由于数据是相位编码的，在接收机侧需要一个干涉仪(Mach-Zehnder)，用以在幅度域恢复信息。在这种情况下，接收的经过幅度转换的信息的质量很大程度上依赖于RZ-DPSK光数据流的幅度变化，在传输线中采用DI-NOLM时，可以有效地减小上述情况，从而确保系统性能的大幅度提高。
在采用RZ调制格式时，现有技术中示出的标准DI-NOLM要求输入的为短脉冲。短脉冲诱发了高的光峰值功率，以在HNL光纤中产生高的非线性效应，而且以限制因为色散光纤内时域展宽而出现的脉冲间串扰。相反地，按照本发明的配置与50％RZ和50％RZ-DPSK调制格式兼容。
本发明的优选实现在从属权利要求，后面的描述和附图中描述。
下面参考附图，进一步解释本发明的一个示范性实施方式，在附图中图1是按照现有技术的非线性光回路镜的示意图；图2是按照另一现有技术的非线性光回路镜的示意图；图3是按照本发明的色散不对称非线性光回路镜的示意图。
具体实施例方式
在图3中示出了一种根据本发明的色散不对称非线性光回路镜。它包括耦合器23，与该耦合器23相连接的光信号的输入路径22和输出路径24。其中这样选择耦合器23，其α＝0.5，从而使得输入光信号的一半将在连接到耦合器23，并且形成DI-NOLM光回路径的每个第一和第二光路径上传输。根据本发明，该光回路径由第一30和第二32光路径组成，该第一30和第二32光路径包括对传输的光信号而言，具有不同的特性的第一和第二光纤。这些第一和第二光纤具有大的有效面积，其本地色散符号相反。因此，进入具有正色散的第一光路径30的光场E1的脉冲将变陡，变窄。与此相反，进入具有负色散的第二光路径32的另一光场E2的相应脉冲将变宽，变平(如图3所示)。
根据本发明的非线性回路镜还包括至少对应用的光信号而言，具有很高的非线性和几乎没有色散的光纤31。该另一光纤31是光回路的一部分，并且分别直接耦合到所述第一和第二光路径30、32。在那HNL光纤31内，因为光峰值功率不对称，反向传播的光场E1和E2之间产生了非线性相移。
适当设计根据本发明的DI-NOLM(根据传输线中的位置)，可以处理，也就是再生由RZ或RZ/DPSK构成的光信号，甚至是波形的峰值一半处占用的比特时间大于65％，例如66％的光信号。利用根据本发明的方法，可以在不改变光再生的情况下，对那类信号进行处理。
提出的基于DI-NOLM的全光再生器除了别的以外，支持超高比特率的RZ/DPSK再生。此外，因为该设备利用了光纤中的超快科尔效应，其速度操作潜能远远超过100Gbit/s。提出的DI-NOLM的新的实现与50％RZ或者50％RZ-DPSK调制格式兼容，也就是说易于生成脉冲。利用这种配置和方法，不必要在回路镜前使用脉冲压缩级，从而减少了该方案的复杂性和成本。此外，在利用这种实现时，由时域脉冲展宽所诱发的符号间干扰也减少了。所提出的这种DI-NOLM可以在同一设备中同时再生波分复用WDM信道。
权利要求
1.一种再生光信号方法，包括以下步骤提供一个具有光耦合器的非线性光回路镜，前述光耦合器连接到第一和第二光路径，该第一和第二光路径形成包括对传输的光信号而言，具有不同的特性的第一和第二光纤的光回路径；通过该光耦合器将输入光信号送入所述第一和第二光路径，以及从所述耦合器输出光信号；其特征在于，提供色散符号相反的该第一和第二光纤，以及至少对应用的光信号而言，具有高非线性特性和几乎没有色散的另外光纤，所述另外光纤是所述光回路的一部分，并且直接耦合到所述第一和第二光纤。
2.根据权利要求1的再生光信号方法，其特征在于，该方法适用于波形的峰值一半处占用的比特时间大于65％的输入光信号。
3.根据权利要求1或2的再生光信号方法，其特征在于，该方法适用于不同类型的归零光输入信号。
4.根据权利要求1的再生光信号方法，其特征在于，在该输入光信号被送入该非线性光回路镜的耦合器之前，啁啾该输入光信号。
5.一种用于光信号的光再生器，包括具有光耦合器的非线性光回路镜，该非线性光回路镜包括第一和第二光路径，该第一和第二光路径形成包括对传输的光信号而言，具有不同的特性的第一和第二光纤的光回路径，其特征在于，该第一和第二光纤色散符号相反，以及该非线性光回路镜包括至少对应用的光信号而言，具有高非线性和几乎没有色散的另外光纤，所述另外光纤是所述光回路的一部分，直接耦合到所述第一和第二光纤。
6.根据权利要求5的光再生器，其特征在于，它适用于再生波形的峰值一半处占用的比特时间宽度大于65％的光信号。
7.根据权利要求5的光再生器，其特征在于，它适于可以应用在色散受控传输线内。
全文摘要
本发明提出采用一种DI－NOLM，它包括由两卷具有大有效面积，但是本地色散符号相反的弥散型光纤，以及其间的一根HLN光纤组成的光回路。在根据本发明的该配置中，输入光信号最初需要进行啁啾。之后，因为峰值功率不对称，在HNL中，反向传播的光场之间产生了非线性相移。方便地，本发明可以处理相当大波形在一半处，占用甚至超过65％的比特时间的RZ或RZ/DSPK。这可以在不改变光再生的情况下实现。此外，利用根据本发明的方法，在该配置下，补偿色散在DI－NOLM内实现，因此不需要在干涉仪中加入补偿色散状态。
文档编号H04B10/299GK1652006SQ20041010177
公开日2005年8月10日 申请日期2004年12月22日 优先权日2004年2月5日
发明者弗雷德里克·塞吉诺, 奥利维耶·勒克莱尔 申请人:阿尔卡特公司