专利名称：一种光频域光纤传输系统的制作方法
技术领域：
本发明属于高速光纤通信装置，具体涉及一种采用全光连续傅立叶变换和反变换的来实现传输速率大于40Gbit/s的高速频域光纤传输系 统。
背景技术：
目前光纤通信系统中，光信号脉冲在光纤中的传输是在时域上进行 的，其时域的波形、相位等都会随着传输距离的改变而改变。其传输的 速度B和距离L满足下述公式521<(16|"2|)-1，其中A为光纤传播参数；随着多媒体通信需求的急剧增长，对于骨干光传输网络中超长距离、 超大容量和超高速光纤通信系统及其技术需求越来越迫切。但是，光纤 特有的线性和非线性损伤却大大限制了超高速、超宽带的光纤通信系统 和网络的应用。为了提高系统传输的容量和性能，目前比较成熟和可靠的技术主要集中在对于放大器产生的自发辐射噪声ASE，可以采用拉曼分布式光纤放大 器或者低噪声系数的掺铒光纤放大器EDFA，同时通过合理配置光纤传输 段来减少。对于二阶色散，可以采用色散补偿光纤/模块等技术来分段补 偿，但是，由于光纤的色散斜率导致补偿并不完全，同时，这些色散补 偿模块会带来损耗，就需要增加EDFA，也增加了ASE噪声；同时大大增 加了系统的成本。对于三阶色散，即色散斜率，目前的补偿技术不完全， 有的波长欠补、有的补过；同时，这些补偿会导致非线性限制中的交叉 相位调制XPM、自相位调制SPM的相位噪声向强度噪声的积累，不利于强度调制直接检测系统IM-DD的应用。对于40Gbit/s以上系统，需要补偿 偏振模色散PMD，增加系统传输成本。对于像XPM、 SPM这类的非线性噪 声主要表现在将不匹配的相位噪声变成强度噪声，在采用EDFA和色散补 偿不完全的情况下变成强度噪声的积累，直接降低传输Q值和信噪比SNR。 对于四波混频F丽这类的非线性噪声，主要表现在相位不匹配上，可以 通过合理配置信道，增加信道之间的频间隔来减少。但是，在超高速、 超宽带的网络中，由于EDFA的增益平坦谱的限制，导致可使用的波长数 目和波长间隔被限制。可以看到，现有的提高传输性能(SNR和Q值)的方式是采用直接补 偿光纤传输的损伤，由于大量使用光学器件而导致成本的高涨。同时，人们还提出从发射端采用新的调制和编码技术来提高系统传 输的容量，目前比较成熟的技术是采用载波功率较低的载波抑制-归零码 来减少光脉冲在光纤中传输的光功率，从而减少非线性效应，减少相位 和强度噪声。已经得到应用。但是，需要两级外调制器，增加了系统的 成本。采用脉冲宽度更窄、频谱更窄和抗躁声性能更好的相位调制和归零 编码技术，比如0DB码、PSK码和QPSK码等来提高系统的容量，同时 也减少对于光复用和解复用器等的技术要求，但至少需要两级外调制器， 增加了成本。上述这些技术都必须采用外调制技术，有的需要二级外调制器，比 如需要两个马赫-曾德干涉仪，增加了技术复杂和系统的成本。同时，人们在发射端还可以采用前向纠错编码方式FEC来提高系统 的SNR，这种方式需要电信号处理，成本不高，但是，其提高系统的性能 是有限的。综上所述，现有技术方案各有优缺点，各有利弊，不能从根本上解 决所有光纤损伤带来的信号传输限制。发明内容本发明提供一种光频域光纤传输系统，目的在于方便、低成本地解 决目前光纤的固有损耗对于高速光脉冲传输的影响和限制。本发明的一种光频域光纤传输系统，光传输链路上顺序包括发送机、 第一掺铒光纤放大器、单模传输光纤、第二掺铒光纤放大器和接收机， 其特征在于-所述发送机和第一掺铒光纤放大器之间光路连接周期全光傅立叶反变换器；所述第二掺铒光纤放大器和接收机之间光路连接周期全光傅立 叶变换器；所述发送机对原始的电数据比特流进行电光转换，再通过强度调制 成为光信号脉冲序列送入周期全光傅立叶反变换器；周期全光傅立叶反变换器对输入的光信号脉冲序列进行傅立叶反变 换，输出光信号时域波形，光信号时域波形的频谱包络为输入的光信号 脉冲序列的时域波形；该光信号时域波形经过第一掺铒光纤放大器放大 后发射进入单模传输光纤中进行长距离高速传输；经过单模传输光纤传输后，对变形的光信号时域波形经过第二掺铒 光纤放大器放大后，输入到周期全光傅立叶变换器进行傅立叶变换；周期全光傅立叶变换器输出光信号脉冲序列，该光信号脉冲序列和 发送机输出的相同，送入接收机，在接收机内实现原始电信号的恢复、 再生和判别。所述的一种光频域光纤传输系统，其特征在于所述周期全光傅立叶反变换器由两个负向周期平方相位调制器通过 色散补偿光纤光路连接组成，两个负向周期平方相位调制器具有相同的周期和相同的调制参数，负向周期平方相位调制器的表达式为 Wxp(/丄,2)承i外-m。
其中A和"。"'分别为负向周期平方相位调制器的输入时域波形和输 出时域波形；Z和A分别表示色散补偿光纤的长度和色散参数；WC为冲
击函数；^为负向周期平方相位调制器的周期，t为时间，m为整数，负
向周期平方相位调制器所需的同步信号由发送机的时钟提供。
所述的一种光频域光纤传输系统，其特征在于
所述周期全光傅立叶变换器由两个正向周期平方相位调制器通过色 散光纤光路连接组成，两个正向周期平方相位调制器具有相同的周期和 相同的调制参数，正向周期平方相位调制器的表达式为
其中和^'。"'分别为正向周期平方相位调制器的输入时域波形和输 出时域波形；Z'和A'分别表示色散光纤的长度和色散参数；^G为冲击 函数；^'为正向周期平方相位调制器的周期，t为时间，m为整数，正向 周期平方相位调制器的所需的同步信号由时钟恢复模块从单模传输光纤 上提取的时钟提供；
所述色散光纤与所述周期全光傅立叶反变换器的色散补偿光纤的长 度与色散参数满足关系
丄"2=-丄'"2'，丄A取值范围23ps2 200ps2;
正向周期平方相位调制器与负向周期平方相位调制器的周期相同
rw' = rw， rw取值范围100ps 200ps 。 本发明的系统中
原始的电数据比特流在发送机经过由电光转换和强度调制后，被调
制成光信号脉冲序列，表示为<formula>formula see original document page 8</formula>式中4(0为调制后的光信号脉冲序列，T是光信号脉冲的时间周期， k是正整数，g(O是单个脉冲的表达式，WO为冲击函数；
上述光信号脉冲序列中每n个光脉冲为一组输入周期全光傅立叶反 变换器中，转换为一个光信号时域波形，而n个光脉冲的周期长度是以 傅立叶变换中的周期作为长度单位，傅立叶反变换的变换公式为
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中^,一。 ,(0表示变换后的光信号时域波形，i^表示傅立叶反变换 的算术符号，a'是常数，与周期全光傅立叶反变换器的参数相关，^为光 脉冲频率，傅立叶反变换所需的同步信号由发送机的时钟提供。
变换后的光信号时域波形的时域表达式是/^[4X^，W]，频域表达式
为<formula>formula see original document page 8</formula>
该光信号时域波形的频域表达式与公式(1)表示的输入的光信号脉 冲序列的时间波形一致。
经过周期全光傅立叶反变换后的光信号时域波形以i^[4X^，的]的 形式，经过第一掺铒光纤放大器送入单模传输光纤中进行传输，经过一 段传输后，该光信号时域波形将会被光纤衰减和变形。然后，送入到第 二掺铒光纤放大器进行放大，再送入周期全光傅立叶变换器，该周期全 光傅立叶变换器对光信号符号进行傅立叶变换，而傅立叶变换所需要的 时钟信号需要通过时钟恢复模块从单模传输光纤中提取。经过传输的光信号符号，其时域波形会受到光纤偏振模色散、色散 和高阶色散等的影响，叠加了噪声而变形，但是，其频域波形不变，仍
然是
把光纤频域中传输的光信号符号送入周期全光傅立叶变换器，经过 傅立叶变换 (4) 得到g(0*^"^-^0，也就是公式(1)输入的光信号脉冲序列；
A:=l
式中，F表示傅立叶变化的算术符号。
本发明利用光脉冲的频谱包络在光纤中传输时不会受到光纤中诸如 色度色散，偏振模色散，时间抖动等线性扰动的影响，光脉冲的频谱包 络在光脉冲传输过程中不会发生改变这一基本现象。
假设傅立叶变换的周期是原始输入的光信号脉冲序列的时间周期的 N倍，那么经过周期性的全光傅立叶反变换器后N个相邻的比特的原始 光脉冲将扩展到一个相同的光信号时域波形的时间段里面，并且该光信 号时域波形的时间可以通过设置周期全光傅立叶反变换器的参数来确 定。变换后光信号时域波形的时间长度相对于原始的单个光脉冲将展宽 N/2到N倍，从而降低了传输速率，提高了系统对于群速度色散、偏振 模色散、时间抖动等线性扰动的抗干扰性能。
另外，由于输入到周期全光傅立叶反变换器中的脉冲的时域波形是 变换后光脉冲符号的频谱包络，所以不论输入的初始脉冲采用何种码型， 只要其反傅立叶变换的时间周期没有变，当傅立叶反变换器的参数确定 后，变换所产生光信号时域波形的频谱宽度就不会变。于是当输入的脉 冲序列为采用归零码调制的脉冲时，可通过分析得到，光纤中实际传输 的通过反傅立叶变换后的光信号时域波形在频带利用率方面要高于原来的强度调制归零码。而接近于采用非归零码的频带利用率。
将从本发明系统中提取的时钟信号作为接收端的定时时钟信号，就 可以恢复原始的光信号脉冲序列。在整个系统中，原始的光信号脉冲序 列波形将不会受到光通信系统中光纤群速度色散、偏振模色散、时间抖
动等固有的线性扰动的影响。可以实现40Gbit/s以上速率的高速光信号传输。
通过合理设计傅立叶和傅立叶反变换器的参数，包括选取变换时间
周期的 ;长度，色散光纤的长度与色散参数丄、a，以及色散补偿光纤的
长度及色散参数Z'、 可以得到传输速率高于40Gbit/s的无任何色散 和偏振模色散补偿的光脉冲长距离传输。
图l是本发明的系统结构示意图，图中标记为发送机l，周期全光
傅立叶反变换器2，第一掺铒光纤放大器3，单模传输光纤4，第二掺铒 光纤放大器5，周期全光傅立叶变换器6，接收机7，时钟恢复模块8。 图2为本发明周期全光傅立叶反变换器结构示意图，图中标记为 负向周期平方相位调制器9，色散补偿光纤10;
图3为本发明周期全光傅立叶变换器结构示意图，图中标记为正
向周期平方相位调制器ll，色散光纤12。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明进一步说明
如图1所示，本发明包括发送机l，周期全光傅立叶反变换器2，第 一掺铒光纤放大器3，单模传输光纤4，第二掺铒光纤放大器5，周期全 光傅立叶变换器6，接收机7，时钟恢复模块8。首先由发送机l发出一 串经由强度调制(归零码或者非归零码)的脉冲序列输入到周期全光傅立叶反变换器2中。然后以傅立叶变换周期z;-AT为长度单位的整数个
(N个)相邻脉冲经过变换转换为一个新的脉冲符号，并进行传输。该周 期全光傅立叶反变换器的同步信号由发送机的时钟提供。变换后原来的N 个脉冲序列就作为新脉冲符号的频谱包络。由于从发送端出来进入到反 傅立叶变换系统的脉冲序列是一个实时的，连续的过程。于是变换后这 个新的脉冲符号的重复周期将是原来变换前脉冲序列脉冲重复周期的N
倍。通过设置周期全光傅立叶反变换器的参数丄A可以使传输符号的时间 长度控制在傅立叶变换周期之内。
在传输周期全光傅立叶变换器处，为了能将原始的信号通过傅立叶 变换恢复出来，必须使得传输脉冲符号的时间长度控制在周期全光傅立 叶变换器的一个周期之内。所以需要对传输脉冲符号进行同步，同步所 需要的时钟信号需要通过时钟恢复模块从单模传输光纤中提取，这个时 钟信号就是传输脉冲符号的周期，该时钟周期相对于反傅立叶变换之前
的脉冲序列时钟周期延长了 N倍。时钟提取之后就可以控制周期全光傅
立叶变换器使傅立叶变换周期和符号周期相重合。这样原来的脉冲序列 就能准确无误的恢复出来。整个系统不需要考虑诸如色散、偏振模色散 和时间抖动的影响。
图2所示为本发明周期全光傅立叶反变换器的结构示意图，由两个
负向周期平方相位调制器通过色散补偿光纤光路连接组成，两个负向周 期平方相位调制器具有相同的周期和相同的调制参数，且调制参数为色 散补偿光纤的长度与色散参数乘积的倒数。调制器可以采用铌酸锂
(LiNb03)波导和作为其驱动的射频产生器构成。负向周期平方相位调 制器的同步信号由发送机的时钟提供。
图3所示为本发明周期全光傅立叶变换器的结构示意图，由两个正 向周期平方相位调制器通过色散光纤光路连接组成，两个正向周期平方 相位调制器具有相同的周期和相同的调制参数，且调制参数为色散光纤的长度与色散参数乘积的倒数。正向周期平方相位调制器可以采用铌酸 锂(LiNb03)波导和作为其驱动的射频产生器构成。正向周期平方相位
调制器的同步信号由采用时钟恢复模块从单模传输光纤上提取的时钟提
供，时钟恢复模块可采用型号CDR-0125的时钟恢复模块。
所述色散光纤与所述周期全光傅立叶反变换器的色散补偿光纤的长
度与色散参数满足关系
Z〃2=-Z'A'，作为一个实施例，丄A取值为37.7ps2，
其中P0.4km; "2=94.3ps2/km; Z'=8km;々2'=-4.7 ps2/km
正向周期平方相位调制器与负向周期平方相位调制器的周期相同
rw' = :rw ，实施例中，7;取l00ps。
得到传输速率为100Gbit/s的无任何色散和偏振模色散补偿的光脉冲 长距离传输。
权利要求
1. 一种光频域光纤传输系统，光传输链路上顺序包括发送机、第一掺铒光纤放大器、单模传输光纤、第二掺铒光纤放大器和接收机，其特征在于所述发送机和第一掺铒光纤放大器之间光路连接周期全光傅立叶反变换器；所述第二掺铒光纤放大器和接收机之间光路连接周期全光傅立叶变换器；所述发送机对原始的电数据比特流进行电光转换，再通过强度调制成为光信号脉冲序列送入周期全光傅立叶反变换器；周期全光傅立叶反变换器对输入的光信号脉冲序列进行傅立叶反变换，输出光信号时域波形，光信号时域波形的频谱包络为输入的光信号脉冲序列的时域波形；该光信号时域波形经过第一掺铒光纤放大器放大后发射进入单模传输光纤中进行长距离高速传输；经过单模传输光纤传输后，对变形的光信号时域波形经过第二掺铒光纤放大器放大后，输入到周期全光傅立叶变换器进行傅立叶变换；周期全光傅立叶变换器输出光信号脉冲序列，该光信号脉冲序列和发送机输出的相同，送入接收机，在接收机内实现原始电信号的恢复、再生和判别。
2.如权利要求1所述的一种光频域光纤传输系统，其特征在于 所述周期全光傅立叶反变换器由两个负向周期平方相位调制器通过 色散补偿光纤光路连接组成，两个负向周期平方相位调制器具有相同的 周期和相同的调制参数，负向周期平方相位调制器的表达式为-其中A和l分别为负向周期平方相位调制器的输入时域波形和输出时域波形；1和A分别表示色散补偿光纤的长度和色散参数；"^为冲 击函数；^为负向周期平方相位调制器的周期，t为时间，m为整数，负 向周期平方相位调制器所需的同步信号由发送机的时钟提供。
3.如权利要求1或2所述的一种光频域光纤传输系统，其特征在于: 所述周期全光傅立叶变换器由两个正向周期平方相位调制器通过色 散光纤光路连接组成，两个正向周期平方相位调制器具有相同的周期和 相同的调制参数，正向周期平方相位调制器的表达式为<formula>formula see original document page 3</formula>其中^"和^。w分别为正向周期平方相位调制器的输入时域波形和输出时域波形；Z'和A'分别表示色散光纤的长度和色散参数；WO为冲击 函数；^'为正向周期平方相位调制器的周期，t为时间，m为整数，正向 周期平方相位调制器的所需的同步信号由时钟恢复模块从单模传输光纤 上提取的时钟提供；所述色散光纤与所述周期全光傅立叶反变换器的色散补偿光纤的长 度与色散参数满足关系 '<formula>formula see original document page 3</formula> ，丄爲取值范围23ps2 200ps2;正向周期平方相位调制器与负向周期平方相位调制器的周期相同<formula>formula see original document page 3</formula> ， 7;取值范围100ps 200ps。
全文摘要
一种光频域光纤传输系统，属于高速光纤通信装置，目的在于方便、低成本地解决目前光纤的固有损耗对于高速光脉冲传输的影响和限制。本发明在光传输链路上顺序包括发送机、周期全光傅立叶反变换器、第一掺铒光纤放大器、单模传输光纤、第二掺铒光纤放大器、周期全光傅立叶变换器和接收机。采用本发明，原始的光信号脉冲序列波形将不会受到光通信系统中光纤群速度色散、偏振模色散、时间抖动等固有的线性扰动的影响。可以实现40Gbit/s以上速率的高速光信号传输。
文档编号H04B10/12GK101286801SQ20081004766
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月12日 优先权日2008年5月12日
发明者欢 张, 蔚 李, 梅君瑶, 韩庆生 申请人:华中科技大学