CN100384112C - 用于光通信的方法 - Google Patents

Abstract

由一个光通信系统中的非线性效应导致的光学信噪比必要的损失通过特别公开的技术被减小。该通信系统运转于且适合以伪线性方式工作。另外，使用具有合适的色散映射的一个光相位共轭器。这样的组合在由于非线性效应而在光学信噪比必要的损失上获得所需的改进。

Description

用于光通信的方法

技术领域

本发明涉及光通信，并特别涉及有显著非线性光学效应的光通信。

背景技术

在光通信系统中，一个信号1)在光线或光路上发射，2)沿该线路周期性地光放大(离散放大和/或分布式喇曼放大)，3)光整形和/或重定时用于进一步传输以及4)接收并修改成电子形式的信号。(整形被定义为任何这样光学处理，通过该处理，该光信号被转换，在转换后，信号部分中对应于一个代码级(例如，二进制码中的0或1)的振幅偏差被减小。以及重定时被定义为任何这样的处理，在用于检测一个比特的最佳采样时间，减小信号的任何个别编码级的偏差，如此用于这些级别的比特的总比特误差率被最小化)。因此，该线路由这一系列光纤跨段所确定，每个光纤跨段在每一端附加一个设备，即放大器(离散放大器或用于分布式放大器的泵)、发送器、多路复用器、多路分解器、滤光器、波长转换器、色散补偿器、接收器、重定时器，交换机、塞取多工器(add-drop multiplexer)，交叉连接、调制器或整形器。例如，在图1中光纤跨段7有整形器和铒掺杂光纤放大器(EDFA)附加在其端点上；光纤跨段8在其端点具有EDFA；光纤跨段9的端点具有EDFA和喇曼放大器泵；而光纤跨段10的端点具有喇曼泵和发送器。

注入该线路的信号大大地受其沿该线路的传播的影响。线性和非线性两种现象导致该信号的变化。色散对这样的线性效应具有重大作用。换句话说，不同波长的光以不同速度沿该线路传榆。因为没有任何光脉冲是完全单色的，由于波长长的组分沿该线路传输的速度与波长短的组分不同，所有脉冲将因通过该线路而被展宽。因此，一个所注入的窄脉冲将在一个光纤跨段的端部作为一个展宽的脉冲被接收，在所展宽的脉冲中，长波长在一侧，短波长在另一侧。该光纤跨段的特性决定较长的波长传输得快，还是较短的波长传播得快。

非线性效应同样影响所注入的脉冲。对于非线性效应，该信号的强度影响信号的不同部分的传播的速度和/或引起所注入信号不同部分，例如脉冲，之间的交互作用(例如强度的交换)。在单频率信道通信系统中，这种交互作用是显著的并且出现在脉冲之间，而在多个信道通信系统中，在不同波长范围内的多个信号被注入，在频率信道之间以及在一个信号频率信道中的这种交互作用相当显著的。

这些线性和非线性效应的结果是在传播之后的一个脉冲由于展开而与另一个脉冲重叠，和/或通过从一个脉冲到另一个脉冲的能量转移而导致脉冲失真。因此必须利用较慢的比特率(较大的脉冲间隔)或在整形和/或重定时之间的较短的传输距离以防止信息丢失。由于增加了该系统相关的资金成本，减慢比特率或更频繁的放大不是理想的方案。

多种减少这样的线性和非线性现象的结果的手段被开发出来。例如，色散补偿器被插入光学系统以减轻线性效应。当色散由一个光信号通过整个或一部分线路引入之后，该信号通过引入存储在该线路中相反信号色散的一条光纤线圈传送。例如，该线路的一个光纤跨段或系列光纤跨段使得较短波长相对于较长波长被加速(或减慢)，而该线圈使得较短波长相对于较长波长减慢(或加速)。结果，该线路的色散得以补偿，并因而基本上被去除。

其他与非线性效应相关的技术革新减少了信号衰减。在一个特定的重要途径中，该线路中的光纤(称为OFS Fitel，Inc.开发的

)被配置为具有不可忽略的色散，例如5psec/(nm·km)，而不是制造为将这样的色散最小化。当所引入的色散在上述的传播之后被校正时，这有助于减小非线性效应。通过特意在不同信道中引入色散信号脉冲(因此引入不同波长)导致在该线路中以不同速率传输。这些脉冲来自于不同信道，因此，在传播过程中获得不同的相位，在信道上引起相位差减轻四波混合(一种非线性效应)。从而这些脉冲之间的非线性交互作用被限制。

尽管这些改进归功于

光纤，但现在使用的或现在预期增高的高比特率(每个信道大于2.5吉比特)导致遭遇功耗增加的可能(单位时间有更多的脉冲)。因此增加放大器之间跨度的要求被用于所增加的功耗的需求。所增加的功耗无论如何，如上所述，导致包括非线性效应的更显著的问题。

为了解决高比特率的困难，进一步创造性的方法被开发出来。如ISBN80-12-395173-9，纽约，学院出版社，Kaminow，I.，等人(2000)《光纤通信技术》IVB，第六章，第232-304页中讨论的，色散映射就是这样一种方法。在一个实施例中，不是发射窄脉冲，而是处理光信号，使得它们在注入时具有与窄脉冲受到显著的线性色散那样加宽的脉冲。对应于一个特定水平色散，应用于一个窄脉冲的信号的配置在整个线路中被周期性地调整。例如，图2是色散图的一个说明。该图是沿着该线路的位置与在该位置处的信号波形之间的曲线图，当对一个信号应用窄脉冲时，该信号波形由产生这种波形所需的线性效应所产生的累积色散度所表示。因此，图2中6处的图显示在注入信号上-800psec/nm的累积色散。

在图2的例子中，所注入的信号有-800psec/nm的累积色散，这是非常宽的，在零累积色散(图2中的点21)该信号还没有尖脉冲之前迅速地改变配置，并进一步在+800psec/nm(图2中的点22)，该信号再次变得非常宽之前迅速地改变配置。由于迅速地改变配置，所引起的相位改变以一种统一的方式，在整个脉冲之上平均，并因此每个脉冲重要的失真被消除。由于这样的平均处理和强度减轻，上述的非线性效应被减小。所使用的特别的色散图取决于该线路的特殊性质，比特率，以及所注入脉冲的功率。(考虑关于选择一个色散图的讨论见以上的Kaminow所著文献的第6章。)

一种替换的手段被用于继续驱使减少由于非线性效应引入的必需的光学信噪比的损失。(为了本发明的目的，称为必需的OSNR的损失)在这点上，包括一个光相位共轭器(OPC)的特殊系统被描述。(见Brener，I.等人“在长光纤跨度中使用一个LiNbO₃相位补偿器和喇曼放大取消所有克尔非线性效应，”光纤通信研讨会2000年截止的论文PD 33-1)。OPC也具有反转与线性效应相关的信号的累积色散的符号(例如+800psec/nm变成-800psec/nm)和将脉冲较长的波长改变为较短的波长的性质。因此，如图3所示，一个脉冲的较短的波长41，和较长的波长42被交换，如图4所示。由扭曲作用产生并导致失真的场通过OPC被相位共轭(部分在沿该线路的距离上成线性的相位经历一个符号改变)。因为共轭，在该线路一个第二光纤跨段的传播上，这样的失真逐渐被减轻而不是增加。功率分布对减轻的程度有作用(功率分布是对于沿该线路的位置的信号总功率图)。随着一个OPC的不均匀功率分布图被认为并看做不利因素，特别相对于均衡的或近似均衡的(如通过使用分布式喇曼放大产生的)功率分布而言。如上所述，该非线性效应的振幅取决于信号的强度。在OPC周围，沿该线路的强度分布是均衡或近似均衡的情况中，该光纤跨段中在OPC之后由于非线性效应产生的损失与该光纤跨段中OPC之前产生的非线性效应相抵消。

OPC的使用也被用于其他方式以减小失真。特别，在一个孤波发射系统(a soliton transmission system)中，可能安置一个OPC，因此由于噪音引起的定时抖动被减小。(对这样的途径的描述，见Smith，N.J.(1997)“利用周期色散补偿的孤波发射，”光波技术杂志，15(10)，1808)

尽管有了所有的这些改进，但始终追求的目标是进一步减小由一个光纤跨段或一串光纤跨段引入的必需的OSNR损失并因而允许更高的脉冲率和/或更大的信号强度。

发明内容

当通过本发明的实践不完个影响关联线性效应的损失时，关联非线性效应的损失被减小。值得注意的是，在不确保OPC任一边的功率分布图均衡时完成的结果。在OPC的位置周围，该功率分布图可能均衡或是不均衡。特别至少有一个OPC被使用于一串光纤跨段中的某处。然而，该OPC应该与伪线性操作方式中的一个特殊色散映射类型相结合而使用。确保满足三个用于伪线性方式中的操作的标准。第一，对至少一个信道的比特率将为20吉比特/秒或更高。第二，一串光纤跨段中得以改进的某处，在一个脉冲最大值的一半(FWHM)时，暂时总带宽变为2/B其中B是比特率。例如，对40吉比特每秒的比特率，1/B是25psec(皮秒)。第三，在将要改进的一串光纤跨段中，用于至少一个信道的功率有至少20吉比特每秒的比特率，至少达到从该光纤跨段中对该信道的信号源发送器发射的功率的十分之一。所使用的色散映射也是重要的。对于被改进的该串光纤跨段，该色散映射被配置，因此该比特率的绝对值在a)半点的正色散的和与b)半点的负色散的和之间，范围在0.5到2.0，在0.8到1.25之间更好，最好在0.9和1.1之间(对于一个光纤跨段，该半点Zo是沿该光纤跨段的点Zo，其中∫₀ ^Z0Y(z)P(z)dz与∫_Zo ^LY(z)P(z)dz相等。(P(z)是在一个光纤跨段中该信号功率相对位置的功能，L是该光纤跨段的长度，以及Y(x)是该光纤跨段的长度，并且Y(z)是上述Kaminow中，第248页等式6.25定义的一个系数，该等式规定Y等于n₂w₀(cA_eff)，其中n₂是该光纤的克尔非线性索引系数，A是该光纤的有效模式区，w_o是发射光的角频率以及c是真空中的光速)。换句话说，如图5所示，在虚线75左边并且在曲线74，P(z)(假设对这个图，y(x)对所有的z为常量)，下方的面积72与在该曲线下方并且在75右边的面积73相等。该OPC应当安置在即将被改良的光纤跨段或光纤跨段的串中，例如在对应于负色散的半点位置和对应于正色散的半点之间。某些色散映射被配置为提供累计脉冲色散相对于零点的低幅度偏移。在这些映射中，在光纤跨段的半点位置的累积色散保持低于一个预选的最大值。吉比特每秒的比特率上，以皮秒每纳米为单位的所预选的最大值约小于16000到32000乘以吉比特每秒为单位的比特率。在40吉比特每秒的比特率上，所预选的最大值约小于400到800皮秒每纳米。另外，该OPC应当单独或者结合色散补偿器而设置，因此在整形或重定时之前，在该线路的端部存在有该OPC的情况下，调整由线性效应引起的累积色散的量，例如，通过使用一个补偿器获得一个小于等于约250psec/nm的累积色散。

为了避免由于线性效应对色散产生大的影响，可以把该OPC置于该线路中，因此该色散映射不被改变。例如，如果所希望得到的色散映射如图6所示，则在86处的波形可能遭遇一个OPC。该OPC反转该累积色散的符号而不需要色散补偿，并且该信号配置被从点86变为点89。类似地通过将该OPC放置在点82，其中该点由于线性效应引起的色散为零，由一个OPC引起的共轭使该色散映射不改变。

本发明通过使用至少一个适当安置的OPC，而不需要调整沿该线路附近的功率分布，例如分布式喇曼放大，而提供提高比特率和/或提高所注入信号的功率的可能性(但是，不排除把喇曼放大用于本发明的情况)。OPC是一个公知的器件(见费什尔，罗伯特A.(1995)《光相位共轭器》圣地亚哥.学院出版社)，并且不显著地将该系统构造复杂化。另外，不有害于与选择合适的色散映射和色散补偿器相关的积极效果。

附图说明

图1示出一个光通信系统以及它与本发明的关系；

图2到4示出与光通信相关的概念以及它们在本发明中的应用；

图7，8和9涉及半点和色散映射率的概念；

图10表明与光相位共轭器相关的作用；以及

图11说明本发明的系统。

具体实施方式

如上文所述，本发明可以应用于单模和多模光通信系统。为了达到本发明的目的，一个系统包括一个系统部分，即，一个至少有两个相邻光纤跨段的系列。一个光纤跨段的主要元件是光纤波导。其他器件诸如放大器、滤光器、波长转换器，色散补偿器、重定时器、整形器、多路复用器、多路分解器、塞取多工器、交叉连接、接收器、交换机、调制器和发送器限定一个光纤跨段的端点，但不被认为是该光纤跨段的一部分。例如，用于确定在半点的色散率的器件不是光纤跨段的一部分。

如上文所述，本发明作用于以伪线性方式运转的系统部分。以下标准将适合将被考虑以这样方式工作的系统部分：1)对一个信道的脉冲比特率应当为20吉比特/秒或更高，2)在该系统部分中某个地方的一个信号脉冲的FWHM是2/B以及3)在系统部分中，具有大于20吉比特/秒比特率的信号的至少一个信道的功率至少达到该系统部分信道源点的发送器发射功率的十分之一。如果对于这样的光纤跨段系列，三个标准都符合，则该系统部分被作为一个伪线性方式系统部分。在这个关系中，一个光纤跨段系列形成一串相邻的光纤跨段。从而，在图1申，来自于一个光纤跨段系列的光纤跨段12、7，8、9、11与8、9和10、9，8、7一样。类似地，如果在光通路连接光纤跨段中的光纤跨段和器件被配置，则该系统部分被配置为以一个伪线性方式运转，所以可能符合三个必需的标准。所以如图11(a)所示，在一个实施例中，该系统部分涉及在光通路中的一个EDFA134和136、OPC135以及一个整形器/重定时器137与光纤跨段131、132和133，其中器件134、135、136和137被配置为伪线性方式。类似地，图11(b)显示具有用于放大的喇曼泵的系统。

在至少一个系统部分上的伪线性方式中的色散映射将符合某个标准。特别对这样一个区域，其比率的绝对值在1)在半点的正色散之和与2)在半点的负色散之和之间，在0.5和2.0的范围之内(对本发明，该比率的绝对值被称为色散映射率)。从而，例如在图7中，放大发生在点97，其光纤跨段表示为91，92、93和94。该半点是点96。因此该色散映射率是在点103和104的色散和与点101和102的色散和之间比率的绝对值。决定一个有分布式喇曼放大的方式中的色散映射率的过程也一样，只是该功率图可能更像图9所示，其中喇曼泵位于点111，光纤跨段为112，113，114，和115，以及该半点是116。如所公布的过程的描述，通过计算获得在一个喇曼放大器中的信号功率P(z)的演变。特别，该计算被描述于Essiambre，R.-J.等人所著的《产生两倍雷利反向散射的双向预测激发光纤放大器的设计》IEEE光子学技术证书，14(7)，914-916(2002)。适合于进行这样的计算的计算机程序包括VPI系统注册发射套装软件，例如VPI Transmission Maker^TM，(CruzPlaza，943 Holmdel Road，Holmdel，N.J.07733)，和Rsoft公司放大器以及发射软件(Ossining，N.Y.，USA)。用于产生OPC的技术一般重要。典型地，OPC用一个周期性接入镍酸锂的晶体形成，如Fejer，MM.等人在柜EEE量电子学期刊》，28，2631(1992)中所描述。该OPC通常被激发于1500nm到1650nm的波长范围间。其他OPC器件诸如半导体光学放大器之类被描述于Girardin，等人《在1.5mm长半导体光学放大器中的低噪音且非常高效的四波混合》IEEE光子学技术证书，9(6)746(1997)中。

一个OPC也在该OPC的激发源频率的相关频率周围反转一个多信道系统中的信道，(对基于四波混合或层叠三波混合机制运转的器件，其信号频率被反映在激发频率周围。对基于不层叠三波混合机制运转的器件，该信号频率被反映在激发频率的一半周围。对基于层叠三波混合机制运转的器件的描述，见Chou，M.H.等人所著的《基于LiNb03波导中层叠二阶非线性效应的1.5pm带波长转化》IEEE光子学技术证书，11，653(1999))。因此如图10所示，假设用于OPC的泵在频率124，则有通过该OPC之前所示频率的信道121，122，和123在通过该OPC之后将有对应的频率125，126，和127。结果，这些信道的频率顺序被反向并且该信道频率被改变。如果这些改变不能被接受，则可用一个不引起这样的反向的配置。这样的一个配置被描述于由Aref Chowdhury和Rene，Essiambre共同提出的美国专利申请＿＿＿＿__(Chowdhury6-9)，该专利申请的全文通过引用的方式被包含于此。在这样的实施例中包括选择使用的该OPC的激发波长应用的发明，如此所述以消除所讨论的信道反向的结果。

一般将该OPC例如放置在一个光纤跨段的末端点是方便的，因此可以较容易地达到对该线路的访问的目的。通常便于将一个相位共轭器放置在色散映射上这些位置中的其中一个位置。可能使用多于一个的OPC，这样在图6中有该色散映射的位置86和83，继续重复到83的模式。然而如果需要其他光学器件，该OPC应当被配置，这样所希望得到的色散映射不会受损。再次，如图6所示，可能安置一个OPC，因此其在86遭遇该波形，因为该OPC的性质是反转该累积色散的符号。因此一个OPC将提供该色散映射上从点86到点89的改变。结果在这些点的一个色散补偿器不必要达到所希望得到的色散映射。

可能将OPC安置在其他配置中并且仍然不打乱所希望得到的色散映射。例如，如果该OPC放置在点82其中该OPC引起的累积色散为零，不改变累积色散的发生并且该映射也不被打乱。类似地可能将该OPC安置在一个非零累积色散位置并且使用一个色散补偿器将由OPC产生的累积色散的反向返回其原值。因此如果一个OPC被放置在使得-20psec/nm的累积色散的水平被反转为+20psec/nm的位置处，并且需要一个色散补偿器将该水平返回-20psec/nm。

与其他光通信系统相同，该光学元件包括优选的线路，使得累积色散的幅度被补偿，这样在整形和/或重定时之前的信号有一个小于250psec/nm的值。如上文所述，可以使用各种形式的放大。如铒掺杂光纤放大器(EDFA)这样的离散放大器和如分布式喇曼放大这样的连续放大皆可被接受。该系统中所有放大器可以为离散放大器，例如EDFA，为分布式喇曼放大器，或两者的结合。与该OPC位置相关的功率分布图对于本发明来说是不重要的。

Claims (10)

1.一种用于操作光通信系统的方法，其中包括通过包含至少两个光纤跨段和一个相位共轭器的系统部分传播光信号，其特征在于：

1)所述系统部分以对至少一个信道的脉冲比特率为至少20吉比特/秒的方式运作，该系统部分中至少某个地方的脉冲的半最大值宽是2除以所述比特率，以及在该系统部分中，具有大于20吉比特/秒比特率的所述信号的至少一个信道的功率至少达到该系统部分信道源点的发送器发射功率的十分之一，以及

2)该系统部分的色散映射率在0.5至2.0的范围内。

2.根据权利要求1中的方法，其中所述系统包括一个接收器，其包括一个光电信号转换器。

3.根据权利要求1中的方法，其中所述系统包括一个接收器，其包括一个光信号再生器。

4.根据权利要求3中的方法，其中所述光信号再生器对一个光信号重定时并整形。

5.根据权利要求1中的方法，其中所述光纤跨段包括具有2到100psec/(nm·km)范围内的色散的光纤。

6.根据权利要求1中的方法，其中所述色散映射率在0.8至1.25的范围内。

7.根据权利要求1中的方法，其中所述色散映射率在0.9至1.1的范围内。

8.根据权利要求1中的方法，其中所述光相位共轭器包括色散补偿器。

9.根据权利要求1中的方法，其中所述系统部分包括多种光相位共轭器。

10.根据权利要求1中的方法，其中由离散放大产生功率分布图。

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