CN100353691C - 光信号传输的设备及其方法 - Google Patents

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一种用于传输多个数据信号(data-1至data-n)的光信号传输设备，包括：多个输入装置(1)，用于接收一个相应的数据信号(data-1)，并在受控的数据速率下以受控的相位传输这一相应的数据信号；光载波发生装置(4)，用于产生具有不同波长(λ1至λ2)的多个光载波信号；多个第一调制装置(3)，其每一个用于利用一个相应的数据信号来调制一个相应的光载波以便提供一个第一调制的光载波信号；以及一个具有多个输入端口(15a至15n)的光信号路由器(15)，每个输入端口用于接收一个相应的第一调制的光载波信号，并将其传送到该设备的输出端口。该设备进一步包括：进一步调制装置(13，14)，能够根据时钟(9)进一步调制每一个第一调制的光载波信号，产生多个进一步调制的光载波信号；一个包括光信号路由器(15)的反馈装置(17，16，15，8)，用于根据进一步调制而将每一个进一步调制的光载波信号的一部分反馈给一个相应的输入装置(1b)来控制当输入装置传送数据信号至第一调制装置时的相位和速率，从而使每一个输入数据信号与时钟同步。光信号路由器沿着由信号波长决定的路径将每一个加到其输出端的进一步调制的信号传送至一个相应的输入装置。

Description

光信号传输的设备及其方法
本发明涉及光信号传输，更具体地涉及一种用于传输多个数据信号(通信信道)的设备和方法。本发明尤其是涉及在密集波分复用(DWDM)光电信网中应用的光信号传输。
众所周知，在DWDM光电信网中，多个(通常为40，80，160或者更多个)通信信道的传输是通过调制一个相应的具有离散波段的光载波，然后沿一芯光纤传输这些经过调制的多个光载波(WDM辐射)来实现的。通常地，每一个被调制过的光载波是通过对采用相应光调制器(如马赫-泽德尔光调制器)的相应激光器产生的连续波形(cw)光载波进行振幅(强度)调制而生成的。此外还包括另一种相应的光调制器，在将每一个经过调制的光载波合并(复用)起来产生用于传输的WDM辐射之前，对这些光载波进行调制(例如相位调制或脉冲整形)。这种传输设备的控制是相当复杂的，因为它包含大量的光调制器，特别是对于包含80个或者更多个信道的网络更是如此。此外，由于光调制器的数量巨大，所以设备的价格非常昂贵。
提出本发明是为了提供一种改善的光传输设备，它至少部分地克服了目前已知设备的局限性。
根据本发明，这里提供了一种用于传输多个数据信号的光信号传输设备，包括：多个输入装置，用于接收一个相应的数据信号，并在受控的数据速率下以受控的相位传送这一相应的数据信号；光载波发生装置，用于产生具有不同波长的多个光载波信号；多个第一调制装置，其每一个都用于利用一个相应的数据信号调制一个相应的光载波以便提供一个第一调制的光载波信号；以及一个具有多个输入端口的光信号路由器，每个端口用于接收一个相应的第一调制的光载波信号，并将其传送到该设备的输出端口。该设备的特征在于：进一步调制装置，用于根据时钟进一步调制每一个第一调制的光载波信号，产生多个进一步调制的光载波信号；和一个包括光信号路由器的反馈装置，用于根据进一步调制将每一个进一步调制的光载波信号的一部分反馈给一个相应的输入装置来控制当输入装置传送数据信号至第一调制装置时的相位和速率，从而使每一个输入数据信号与时钟同步，并且其中光信号路由器沿着由信号波长决定的路径将每一个加到输出的进一步调制的信号传送至一个相应的输入装置。
本发明的优点是每一个数据信号能够只与最少的附加元件同步，也就是说一个单独的进一步光调制器和光信号路由器就能为每一个输入装置提供一个相应的反馈路径。每个数据信号同步的优点是它能够使调制发生在每一个数据信号的中间比特窗中，从而利用一个单独的进一步调制器对所有经过调制的载波进行脉冲整形。与人们熟知的传输设备形成对比的是，这里应用了一个相应的进一步调制器对在多个经过调制的光载波中相应的光载波进行脉冲整形。
优选地，该设备还包括：多个第一光定向耦合器，被连接成将多个第一调制的光载波信号传送到光信号路由器的输入端口，并将反馈装置传来的信号从光信号路由器的输入端口传送到多个输入装置；以及一个第二光定向耦合器，被连用于传送从光信号路由器的输出端口输出的多个第一调制的载波信号，并且将反馈装置传来的信号传送至光信号路由器的输出端口。
为了方便起见，光定向耦合器是偏振相关耦合器，它既可以在一个方向上作为分束器，又可以在相反方向上作为合束器。具有这种耦合器的设备还包括：在进一步调制装置和第二光定向耦合器之间的反馈路径上的装置，它用于使在反馈路径上传输的信号的偏振旋转90°。优选地，这样一个反馈路径包含其中引入了90°旋转的保偏光纤。
作为选择方案，第一和第二光定向耦合器可以是光循环器，在这种情况下，反馈路径不需要使反馈路径上传送的信号的偏振旋转90°。
优选地，光信号路由器包含一个阵列波导路由器。
在一种配置中，进一步调制装置包含一个脉冲整形调制器。
在一种替换配置中，进一步调制装置包含一个相位调制器。
在另一个替换配置中，进一步调制装置可以包含一个与相位调制器串联的脉冲整形调制器。
优选地，输入装置包括一个缓冲存储器，它能够存储输入信号数据，并且在受控的速率下传输这些信号数据。
本发明还提供了一种传输多个数据信号的方法，包括：在受控的速率下以受控的相位传送多个数据信号；用该数据信号调制多个不同波长的光载波信号；传送不同波长的多个经过调制的光载波信号至光信号路由器的各个输入端口；通过光信号路由器传递多个不同波长的经过调制的光载波信号，所述光信号路由器将经过调制的光载波信号沿着该光信号路由器中的、由光载波信号波长决定的各个路径传送到输出端口，使得不同波长的经过调制的光载波信号以一个设定速率进行进一步调制；在进一步调制之后，发射不同波长的经过调制的光载波信号；并依照进一步调制的相位和速率来控制多个数据信号的传送的相位和速率。
现在将仅以参考附图为例来进行描述依照本发明的光信号传输设备。附图是WDM(波分复用)光信号传输设备的框图表示，用于发射多个电数据信号以产生一个相应的WDM光输出辐射。
参照附图，WDM光信号传输设备包括多个(n个)数据输入端口，即i/p-1至i/p-n，用于接收各个电数据输入信号，即data-1至data-n。每一个数据输入端口i/p-1至i/p-n与相应的第一调制电路块100a至100n相关联。
现在将描述与输入信号data-1相连接的第一调制电路块100a的组成和互连。
数据输入端口i/p-1由前向纠错(FEC)电路1的信号输入端口来提供，FEC电路具有一个控制输入端口1b，FEC电路1通过该控制输入端口1b与外部控制信号/时钟同步。FEC电路1的输出端口与放大器2的信号输入端口相连，放大器2的输出端口与光调制器3(例如马赫-泽德尔光调制器)的调制的信号输入端口相连，光调制器3包括一个光载波信号输入端口，该光载波信号输入端口通过可变光衰减器(VOA)5与波长锁定分布式反馈激光器(DFB)4相连接。光调制器3的输出端口与路径分集控制电路6的信号输入端口相连，路径分集控制电路6的输出端口连接到第一偏振分束器/合束器(PBS)8的第一端口。PBS 8包括构成第一调制电路块100a的光输出端的第一输出端口和通过锁相环(PLL)元件7与FEC1的控制输入端口1b相连的第二输出端口。
每一个第一调制电路块的光输出端连接到光多路复用器15的各个输入端口15a至15n。光多路复用器15的输出端口连接到第二偏振分束器/合束器(PBS)16的第一端口，PBS 16的第二端口与光脉冲整形调制器13的信号输入端口相连，脉冲整形调制器13的光信号输出端口连接到光相位调制器14的信号输入端口，光相位调制器14的输出端口作为该传输设备的输出端口。控制时钟振荡器9的输出端口通过放大器11连接到脉冲整形调制器13的电控制端口。控制时钟振荡器9的输出端口通过倍频电路10和放大器12连接到相位调制器14的控制端口。光反馈路径17从相位调制器14的输出端口连接到第二PBS 16的第三端口上。光反馈路径17在通过该路径的光信号的偏振平面上引入90°的旋转。优选地，反馈路径17包含其中引入了90°旋转的保偏光纤。
如所描述的，光多路复用器15具有多个信号输入端口15a，15b，15c...15n，每一个端口都与一个相应的第一调制器电路块100a，100b...100n相连。该多路复用器15无源地合并(复用)多个被加到信号输入端口15a，15b，15c...15n的、具有不同波长的光输入信号，并将合并的WDM信号传输到它的单独输出端口。相反地，被加到多路复用器15的单独输出端口的光信号沿着由光信号波长所决定的路径传送并到达与光信号波长相对应的输入端口。因此光多路复用器15在相反方向上可以作为解多路复用器。
如所描述的，FEC电路1，PLL电路7，放大器2，光调制器3，波长锁定DFB激光器4，VOA 5，路径分集控制电路6和PBS 8构成了一个第一调制电路块100a，如点划线范围内所示，由点划线包围的区域100n代表其他的第一调制电路块，它们与光多路复用器15的其它信号输入端口15b，15c...15n相连。第一调制电路块100a...100n彼此独立，并且能够根据需要来增加。第一调制电路块优选地被制成这样的电路板，它具有电输入端口和能够连接多路复用器15各个光输入端口的光输出端口。其他的第一调制电路块100n不需要占用与多路复用器15的输入端口15b...15n有关的连续位置。
光多路复用器/解复用器15优选地是一个无源的、包括相当数量(通常为几百个)输入端口的阵列波导(AWG)路由器，这个AWG路由器的自身特征在于：光通过它时采用的路径取决于光波长，其结果是，这种设备的输入是波长特定的。对本发明非常重要的是：被加到多路复用器15输出端口的光信号传播到由光信号波长决定的输入端口。AWG路由器可以是用玻璃制造的。
FEC电路1包括能够存储(缓冲)输入数据元的多个缓冲电路，在被加到FEC电路1控制输入端口1b的时钟信号的控制下，被存储的数据元被传送到FEC电路1的输出端口。FEC电路1能够把相位和频率在标准速率(例如，STM-64或OC-192的数据速率)上下漂移的输入数据流data-1至data-n转换到一个共同的时钟速率。虽然FEC电路1既能完成前向纠错功能又能完成速率转换功能，但是这些功能可以被分开完成，前向纠错可以通过一个不用调整数据速率的电路完成，速率转换可以通过一个没有纠错功能的电路完成。如果采用分离电路，那么这两个功能的完成顺序是不重要的。
该设备可以采用DFB激光器4的固定功率输出电平，其结果是：VOA5并不是必要的。
该设备可以只包括一个脉冲整形调制器或只包括一个相位调制器。可选择地，脉冲整形调制器13和相位调制器14都可以用一个振幅/相位调制器来替代。
路径分集电路6对设备来说也不是必要的，因为当在主光纤路径上发生错误情况时，它能起到有效地从主光纤路径切换到另一个光纤路径的安全作用。PBS 8的作用是将它第一端口的输入信号传递至它的第二端口(作为一个输出端口)，同时，把它第二端口(作为一个输入端口)的输入信号传递至它的第三端口(作为一个输出端口)。PBS 16的作用与PBS 8的作用基本相同，将它第一端口的信号传递至第二端口，同时将它的作为输入端口的第二端口的输入信号传递至它的第三端口。PBS 8、16根据偏振状态来为光信号选择路由。
为了使PBS 8和PBS 16能够从前进能量中分离出向后的能量，通过PBS 8和PBS 16后，与前进相反方向上的光能量的偏振平面会发生90°的旋转。
PBS 8和PBS 16能够用光信号循环器代替，在这种情况下，光反馈路径17不需要对设备输出的反馈信号的偏振状态提供90°旋转。
现在参考被加到输入端口i/p-1的一个数据信号来描述这种光传输设备的操作。电数据信号data-1以9.953Gb/s的速率到达信号输入端口i/p-1，并且接收到额外的比特用于在FEC电路1中进行前向纠错，在控制时钟振荡器9的定时下，通过反馈连接到达FEC电路1的控制输入端口1b时获得的数据速率为10.66Gb/s。这个电数据信号由放大器2进行放大，并用这个放大信号来控制光调制器3。具有选定波长λ1的光载波信号由波长锁定DFB激光器4产生，在光载波信号进入光调制器3被10.66Gb/s速率的数据信号进行振幅调制前，光载波信号的电平由VOA 5进行校准。从调制器3输出的调制光载波传递到路径分集控制电路6，然后经过PBS 8到达多路复用器15的相应输入端口15a。调制后的光载波沿着如上所述由它的波长所决定的光路径传送到多路复用器15的单独输出端口。
从多路复用器15输出端口中输出的光信号通过PBS 16，并且该信号波形受到脉冲整形调制器13的脉冲整形。信号离开脉冲整形调制器13后接着受到某种形式的相位调制，例如，调制效应频率啁啾，在相位调制器14中对通过传输光纤的WDM辐射在随后传输中的色散进行预补偿。控制时钟振荡器9通过放大器11与脉冲整形调制器13的控制端口相连接，从而实现脉冲整形调制器13与时钟振荡器9的同步。控制时钟振荡器9通过倍频电路10和放大器12与相位调制器14的控制端口相连接，信号的相位被调整到控制时钟振荡器9的相位。
通过反馈电路从相位调制器14的输出信号中恢复得到FEC1的时钟信号，其中该反馈电路包括光反馈路径17，PBS 16，多路复用器15，PBS 8和PLL 7。通过这个时钟信号，FEC 1的相位和速率被调整到使得每一个第一调制电路块与控制时钟振荡器9同步，并保证对每一个电数据输入信号来说，调制都发生在比特窗的中间。
反馈电路在本质上是一个全光学反馈电路。反馈元件17，PBS 16，光多路复用器15，PBS 8都是光学元件，并且反馈电路是小型化的，它仅需要光反馈元件17和PLL 7作为附加元件。当然PLL 7包括一些光电转换器，用于将反馈的光信号转变为电信号，从电信号中可得到时钟信号。
多路复用器/解复用器15的特征在于：在从它的单独输出端口到它的输入端口15a...15n传送信号时能够分离不同波长的信号。它的这个特点避免了在PBS 16和相应偏振分束器/合束器(如PBS 8)之间对于分散信号连接(反馈路径)的需要。
控制时钟振荡器9使用的5.33GHz频率表示设备可采用的一种可能时钟频率。其它的时钟频率也可以使用，通常将时钟频率的选择成使得脉冲整形调制器13和相位调制器14在线路速率上协作，这个线路速率由设备所属系统的特定配置来确定。
相位调制器14的输出光纤包括一个抽头，通过这个抽头，WDM输出信号的一部分由反馈路径17反馈回来。反馈路径引入的偏振的90°旋转允许通过使用PBS 16和PBS 8来区分前向传播的信号和反馈信号。使用偏振分束器(PBS)根据光信号的偏振状态来为光信号选择路由，从而能够实现返回信号的低损失耦合。
多路复用器15既可以使用作为多路复用器，也可以使用作为解多路复用器，它采用最少的附加元件来同时适应于前向和返回信号。如上面所说明的，PBS 8和PBS 16可以由光信号循环器来代替，在这种情况下，反馈路径17不需要引入90°的偏振旋转。
与上述情况相似，出现在多路复用器15的第一信号输入端口15a处的信号，以及出现在多路复用器15的第二，第三...第n个信号输入端口15b，15c...15n处的更多的相应信号(包含前向的和后向的信号)沿着根据信号自身波长决定的路径，从多路复用器15的输入端口传送到单独的输出端口。
反馈路径17优选地采用现有的光纤补片/背平面，因此不要求新的板到板连接。
如上面所说明的，元件1，2，3，4，5，6，7和8可提供在一个单元中，这个单元包括针对特定信道的第一调制电路块，并且只有当设备中包含特殊信道时才被提供。这些元件可以组装成第一单元，而设备剩下部分可以组装成第二单元。第二单元包括多路复用器15，PBS16，脉冲整形调制器13，相位调制器14，反馈元件17和时钟组件9，10，11及12，第一单元和第二单元通过与多路复用器15的输入端口相对应的多个光链路互连在一起。
这种光信号传输设备特别适合于在高速密集波分复用网络中包含复零(R-Z)数据发生的传输情况，但是在所示的例子中，出现在输入端口i/p-1的输入电数据信号是一个非复零(NRZ)数据信号。对调制器3驱动信号的相位进行校准的作用是为了保证对每一个信道来说调制都发生在比特窗的中间。在设备中，脉冲整形调制器13被各个信道共用，它由固定的控制时钟振荡器9来驱动，数据信道通过去往FEC1的光反馈路径与脉冲整形调制器13校准。
在这种光信号传输设备中能够容纳160个波长信道(即n＝160)，每一个信道都要求有一个光调制器3。至于脉冲整形调制器13和相位调制器14，在上述设备的基础上有一种优化的配置，每一个调制器可以容纳40个通信信道，也就是说，多路复用器15有40个输入端口，就需要4个脉冲整形调制器和4个相位调制器来满足全部160个通信信道。
已知的光信号调制器要实现与本发明提出的传输设备相同的作用就需要为每个通信信道提供一个调制器、一个脉冲整形调制器和一个相位调制器，也就是说，按照传统的要求要实现160个通信信道通信，需要160个数据调制器，160个脉冲整形调制器和160个相位调制器。表示一个相应WDM通信信道的调制光载波被复用在一起以便提供WDM输出。
本发明的光信号传输设备特别适合作为光纤传输系统的发射机，多个的发射机与接口设备在共同起到能够多次传输多个数据信号的转发器的作用。

Claims (12)

1.一种用于传输n个数据信号(data-1至data-n)的光信号传输设备，包括：n个输入装置(1)，分别用于接收一个相应的数据信号，并在受控的数据速率下以受控的相位传送所述相应的数据信号；n个光载波发生装置(4)，用于产生具有不同波长(λ1至λn)的n个光载波信号；n个第一调制装置(3)，每一个第一调制装置用于利用相应的数据信号来调制一个相应的光载波以便提供第一调制的光载波信号；以及具有n个输入端口(15a至15n)和一个输出端口的光信号路由器(15)，每个输入端口接收一个相应的第一调制的光载波信号，并将其传送到该路由器的输出端口，该光信号传输设备的特征在于：进一步的调制装置(13，14)，用于根据时钟(9)进一步调制每一个来自光信号路由器(15)的输出端口的第一调制的光载波信号以便提供n个进一步调制的光载波信号；以及包括光信号路由器(15)的反馈装置(17，16，15，8)，用于根据进一步调制而将每一个进一步调制的光载波信号的一个按比例部分反馈给相应的输入装置(1)，用以控制输入装置传送数据信号至第一调制装置所用的相位和速率，从而使每一个输入数据信号(data-1至data-n)与时钟(9)同步，并且其中光信号路由器(15)沿着由所述每一个进一步调制的光载波信号的波长(λ1至λn)决定的路径将每一个加到其输出端的进一步调制的光载波信号的所述按比例部分传送至相应的输入端口，从而每个输入装置被反馈具有这样波长的进一步调制的光载波信号的一个按比例部分，该波长与通过所述输入装置(1)传送的数据信号进行第一调制的载波的波长相对应。
2.如权利要求1所述的设备，进一步包括：n个第一光定向耦合器(8)，每一个都被连接用于将一个相应的第一调制的光载波信号传送到光信号路由器(15)的相应输入端口(15a至15n)，并用于将由反馈装置传送的信号从光信号路由器的输入端口传送到相应的输入装置(1)；以及第二光定向耦合器(16)，被连接用于从光信号路由器的输出端口向进一步的调制装置(13，14)传送该n个第一调制的光载波信号，并且用于将由反馈装置(17，16，15，8)传送的信号传送至光信号路由器的输出端口。
3.如权利要求2或权利要求3所述的设备，其中第一和第二光定向耦合器(8，16)是偏振相关耦合器，所述偏振相关耦合器可以在一个方向上被用作分束器，也可以在相反方向上被用作合束器。
4.如权利要求3所述的设备，进一步包括位于进一步调制装置(13，14)和第二光定向耦合器(16)之间的反馈路径(17)中的、用于使在反馈路径(17)上传输的信号的偏振旋转90°的装置。
5.如权利要求4所述的设备，其中反馈路径(17)包含其中引入了90°旋转的保偏光纤。
6.如权利要求2所述的设备，其中第一和第二光定向耦合器可以是光循环器。
7.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其中该光信号路由器(15)包含阵列波导(AWG)路由器。
8.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其中进一步调制装置包含脉冲整形调制器(13)。
9.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其中进一步调制装置包含相位调制器(14)。
10.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其中进一步调制装置包含与相位调制器(14)串联的脉冲整形调制器(13)。
11.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其中输入装置(1)包括能够存储输入信号数据并且在受控的速率下传送这些信号数据的缓冲存储器。
12.一种传输n个数据信号(data-1至data-n)的方法，包括：使用相应的输入装置(1)修改该n个数据信号(data-1至data-n)中的每一个的相位和速率，以便在受控的速率下以受控的相位传送该n个数据信号中的每一个；产生n个不同波长(λ1至λn)的光载波信号；用一个相应的数据信号(data-1至data-n)调制(3)该n个光载波信号中的每一个以便提供n个第一调制的光载波信号；传送该n个第一调制的光载波信号中的每一个至光信号路由器的相应输入端口(15a至15n)；通过光信号路由器传递该n个第一调制的光载波信号到其输出端口，其特征在于：在设定的时钟(9)速率进一步调制(13，14)该n个第一调制的光载波信号中的每一个；传输该进一步调制的光载波信号；使用光信号路由器(15)将每一个进一步调制的光载波信号的一个按比例部分反馈(17，16，15，8)到相应的输入装置(1)，其中光信号路由器(15)沿着由所述进一步调制的光载波信号的波长(λ1至λn)决定的路径将每一个加到其输出端的进一步调制的光载波信号的按比例部分传送至相应的输入端口(15a至15n)，从而每个输入装置被反馈具有这样载波波长的进一步调制的光载波信号的一个按比例部分，该载波波长与通过所述输入装置传送的数据信号进行第一调制的载波的波长相对应；根据该进一步的调制来控制输入装置传送数据信号所用的相位和速率，从而使每一个输入数据信号与时钟同步。
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