CN100481824C - 光通信的改进 - Google Patents

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Abstract

一种传输多个n数据流的方法包括利用差分M相移相键控(DMPSK)信令调制光载波，其中M＝2n。所述方法最好包括利用n＝2的差分四相相移键控。本发明方法的特殊优点是：由于数据是以相位变化而不是以绝对相位值进行差分编码的，所以能够用直接检测法使已调制的光载波解调，而不需要锁相的本地光振荡器。本发明特别适用于WDM通信系统。

Description

光通信的改进
本发明涉及光通信，特别涉及调制和解调光载波的方法。更具体地说，本发明是关于把这种调制和解调用于波分多路复用(WDM)光通信系统的方法和装置。
随着光放大密集波分多路复用(DWDM)光链路日益发展成点对点信息传输的骨干，以及加在每个波长上的比特率同时增加且信道.数也同时增加，传统的掺铒光放大器(EDFA)中铒增益窗的有限宽度成为进一步增加容量的严重障碍。传统的EDFA具有35nm的增益带宽，其对应的谱宽度为4.4THz。数个Tbit/s的系统展示已成为现实，以传输的bit/s/Hz值为特征的光谱效率正在成为一个重要的考虑因素。目前，高速光传输采用利用不归零(NRZ)或归零(RZ)信令格式二进制幅度键控，此时数据以具有单一符号电平的光脉冲形式传输。
在WDM中有几个因素限制了二进制幅度信令的最小信道间隔，实际中光谱效率限制在∽0.3bit/s/Hz。虽然增加每信道的比特率可以减少系统设备，但需要解决以高于10Gbit/s的比特率传输的几个问题，这些问题是：
光纤链路的色散管理，随着比特率的增加，此问题越困难；
Figure C01822746D00052
光纤中的偏振模式色散(PMD)导致信号降质加剧；
Figure C01822746D00053
用电子元件实现多路复用、多路分解和调制器驱动日益困难。
曾经提出一种可以改进光谱效率的技术是使用四相相移键控(QPSK)[S.Yamazaki and K.Emura，(1990)“Feasibility study on QPSKoptical heterodyne detection system”，J.Lightwave Technol.，vol.8，pP.1646-1653]。在光QPSK中，由发射机的激光器产生的光的相位或者利用由四级电信号驱动的单相位调制器(PM)进行调制、产生代表四个数据状态的相移0、p/2、p或3p/2、或者利用两个级联的相位调制器进行调制，分别产生0或p/2以及0或3p/2的相移。QPSK的一个具体缺点是在解调器处的解调需要一个本地激光器，对发射机激光器进行光锁相。通常这需要一个载波相位恢复系统。对于WDM系统，每个波长信道都需要一个锁相激光器。这又需要适配偏振控制，再加上相位恢复系统，这就代表着高度的复杂性。而且，需要相干本地激光器的系统对光纤中因光学Kerr非线性引起的交叉相位调制(SPM)很敏感，Kerr非线性严重限制了在高容量DWDM传输上的应用。
也曾提出使用差分二进移相键控(DBPSK)[M.Rohde等(2000)“Robustness of DPSK direct detection transmission format in standardfibre WDM system]，Electron.Lett.，vol.36]。在DBPSK中，数据以相变0或p编码，此时相位值取决于前一符号间隔期间载波的相位。使用一个支路的延时等于符号间隔的Mach-Zehnder干涉仪使光信号解调。虽然DBPSK不需要接收机侧的锁相激光器，但舆传统的幅度NRZ信令相比，它也没有任何明显的优势。
本发明提供用于WDM的一种信令格式，能至少部分克服已知装置的限制。
按照本发明，传输多个n数据流的方法包括利用差分M相相移键(DMPSK)信令来调制光载波，其中M＝2n。最好所述方法包括利用n＝2的差分四相相移键控。本发明方法的特殊优点是：由于数据是以相位变化而不是以绝对相位值进行差分编码，这就能够用直接检测法对调制的光载波解调，而不需要一个锁相的本地光振荡器。
本发明在WDM通信系统中有特殊的应用，而且按照本发明的第二方面，光波分多路复用通信系统具有对光波长信道按上述方法进行调制的特点。为了减少波长信道分隔以改进光谱效率，WDM系统最好还包括滤光装置，用于在多路复用之前对每个DMPSK已调制波长信道进行滤光，以形成一WDM信号，并且可以这样选择滤光装置的特性、使得对于每个符号在取样时使符号之间的干扰减到最小。最好滤光装置具有平方升余弦的特性。最好滤光装置具有以下式给出的传输特性G(f)；
G ( f ) = 1 for 0 ≤ | f - f 0 | ≤ 1 - α 2 T 1 4 ( 1 - sin ( πT α [ | f - f 0 | - 1 2 T ) ] ) 2 for 1 - α 2 T ≤ | f - f 0 | ≤ 1 + α 2 T 0 for | f - f 0 | > 1 + α 2 T
式中T为解调器的取样周期(即1/线符号速率)，a为滤光器的过剩带宽因数，f0为WDM信道的中心频率。
最好滤光器具有的过剩带宽因数在0.2-0.8之间。最好滤光装置包括每个波长信道的各自的滤光器。为便于集成，每个滤光器最好包括一个光纤Bragg光栅。
根据本发明的又一方面，用于与两个数据流相关地利用四相差分移相键控调制光载波的调制器装置包括：两个Mach Zehnder干涉仪，它们可以用来与各自的驱动电压相关地以±p弧度选择性地调制相位；用来加p/2相移的固定移相器；以及用于与两个数据流相关地产生各自的驱动电压的装置，它们使得可以以所述干涉仪产生的相变对所述数据流进行编码。
最好每个干涉仪具有这样的光传输相对于驱动电压的特性曲线：所述特性曲线为周期性的且具有V2p伏的周期，其中调制器可对所述特性曲线的一部分起作用以给出最小传输，并且其中驱动电压值为±Vp。
根据本发明的又一方面，用于与两个数据流相关地利用四相差分移相键控(QPSK)调制光载波的调制器装置包括：相位调制装置，可以用来与两个数据流相关地以0，p/2，p，3p/2弧度的相移选择性地调制光载波相位。最好所述相位调制装置包括：分光装置，用来将光载波分成两个光信号，加在相应的Mach Zehnder调制器上，所述调制器可以用来与各自的驱动电压相关地以±p弧度选择性地调制光信号的相位；用来对所述光信号之一加p/2相移的固定移相器；以及组合所述已调制的光信号产生DQPSK已调制信号的装置。
最好用这种装置时每个Mach Zehnder调制器具有这样的光传输相对于驱动电压的特性曲线：所述特性曲线为周期性的且具有2Vp的周期，其中调制器可对所述特性曲线的一部分起作用以得到最小传输，并且其中驱动电压值为±Vp。
根据本发明的又一方面，用于对四相差分移相键控(DQPSK)已调制光信号进行解调的解调器装置包括：对DQPSK已调制光信号进行分光的分光器；两个不平衡Mach Zehnder干涉仪，其上加有各自的已调制光信号部分；以及连接到每个干涉仪的光输出端的各自的平衡光电变换器；其中，每个Mach Zehnder干涉仪在其各支路之间具有基本上对应于已调制信号的周期的光程差，并且其中一个干涉仪可进一步施加p/2弧度的相对相移。在一个特别优选的装置中，MachZehnder干涉仪可分别施加p/4和-p/4弧度的相移。这种装置确保解调信号为对称的NRZ信号。
可以认为上述滤光的使用本身就具有发明性，舆调制格式无关。因此，根据本发明的又一方面，以所选波长的多个调制光载波的形式发送数据的WDM通信系统的特征在于用于在多路复用之前对每个已调制载波进行滤光以形成WDM信号的滤光装置，并且其中这样选择所述滤光装置的光学特性、以便在对每个符号取样时将符号间的干扰减到最小。
所述滤光装置最好具有上述特性。所述滤光装置最好包括用于每个波长信道的各自的滤光器，最好是光纤Bragg光栅。
为了更好地理解本发明，将参阅附图仅用实例说明按照本发明的调制器和解调器装置。附图包括：
图1为按照本发明的光调制器装置的示意图；
图2示出图1的调制器装置的预编码电路的功能元件；
图3为按照本发明的光解调器装置示意图；
图4为关于图3的解调器装置的一个输出的模拟20Gbit/s“眼”图；
图5为经600km光放大的、色散管理的光纤链路传输的模拟20Gbit/s“眼”图，包含信号-ASE(振幅自发发射)噪声；
图6示出(a)按照本发明的发射机滤光器的光传输特性和(b)按照本发明的接收机滤光器的光传输特性；
图7为图4的并包括按照本发明的滤光的模拟20Gbit/s“眼”图；
图8为图4的并包括传统的(Butterworth响应)滤光的模拟20Gbit/s“眼”图；以及
图9示出幅度调制NRZ数据的模拟20Gbit/s“眼”图，(a)利用传统的(Butterworth响应)滤光，(b)利用本发明的滤光。
参阅图1，图中示出按照本发明的光移相键控调制器装置，用于将两个20Gbit/sNRZ数据流d1(t)、d2(t)编码到单一的光载波上。通常调制器装置用作WDM光通信系统中发射机的一部分，所述系统具有用于每一个WDM波长信道的相应的调制器装置。
所述调制器装置包括单频激光器2，例如对既定波长有稳定光输出的分布反馈(DFB)半导体激光器，用以产生所选波长(通常是WDM波长信道)的未调制光输出。激光器发出的光由分光器4分成两部分，分别加在各自的相位调制器6，8上。相位调制器6，8配置成可根据各自的二进制(双极)NRZ驱动电压V1(T)，VQ(T)选择性地以0或p弧度调制相位。在图1所示的优选装置中，相位调制器6，8各包括由例如砷化镓或铌酸锂制成的Mach-Zehnder电光调制器(MZM)。众所周知，MZM广泛用作光强度调制器，具有周期性的并且一般本质余弦上升的光传输相对于驱动电压的的特性曲线。以驱动电压量度的MZM特性的半周期定义为Vp。在本发明的调制器装置中，要求MZM6，8各作为一个相位调制器工作，且基本上不影响光信号的幅度(强度)。为此，偏置各MZM6，8，使之在没有驱动电压时有最小光传输，并且分别用驱动电压V1(t)，VQ(t)＝±Vp驱动而产生幅度调制最小的突变相移。这两个相位调制器6，8具有匹配的延时(相位特性)。
相位调制器6的光输出通过能加p/2固定相移的固定移相器10，使通过有调制器6的光路的光信号和通过有调制器8的光路的光信号之间的相对相位差为±p/2。从固定移相器10和相位调制器8出来的光信号由光组合器12(例如3dB耦合器)组合，形成光移相键(PSK)输出14。
相位调制器的驱动电压V1(t)，VQ(t)由预编码电路16根据两个二进制数据流d1(t)，d2(t)产生。按照本发明的调制器装置，这两个二进制数据流d1(t)，d2(t)差分编码，使这些数据以相变(变化)而不是绝对相位值编码到光信号14上。于是，可知光信号14是差分四相移相键(DQPSK)编码。使用DQPSK来调制光信号本身就具发明性。
DQPSK光信号14由公式E0exp(i？t+？+？i)表示，式中，？为平均的光角频率，t为时间，θ为载波相位(注意：如下所述这是任意的，因为对于随后对信号的解调，它不必是已知的)，θia依赖于第i个数据符号di的相位调制。一般情况下，di∈{0，1，...M-1}，对于四相移相键控M＝4，即数据符号有四个值。相位调制项由？i＝？i-1+？？i(di)表示，式中，θi-1为前一个数据符号di-1的调制项，△？i是第i-1和第i个数据符号之间的相位变化。QPSK的数据符号di和相移△？i之间的关系列于下表。
 
d<sub>1</sub>(t) d<sub>2</sub>(t) d<sub>i</sub> △？<sub>i</sub>(d<sub>i</sub>)
0011 0101 0123 0p/2p3p/2
表1 DQPSK的数据d1(t)，d2(t)，数据符号di以及相位变化△？i的值
应当指出，所述数据、数据符号和相位变化的映射只是一个实例，也可使用其它映射。预编码电路16(其功能图示于图2)配置成按以下关系根据两个数据流d1(t)，d2(t)产生适当的驱动电压VI(t)，VQ(t)。
V1(i)＝V1(i-1)cosΔθ(di)-VQ(i-1)sinΔθ(di)  公式1
VQ(i)＝V1(i-1)sinΔθ(di)+VQ(i-1)cosΔθ(di)  公式2
图2中具有同样功能的元件具有同样的标号，分别包括变换器18，加法元件20，乘法元件22，减法元件24和延时元件26。延时元件26具有对应于符号周期的延时t，对于20Gsymbol/s的线速，延时t大约为50ps。
参阅图3，图中示出按照本发明的解调器装置。解调器包括分光器28，用于将DQPSK已调制光信号14分成两部分，分别加到不平衡Mach-Zehnder干涉仪(MZI)30，32上。通常MZI由砷化镓或铌酸锂制成。平衡的光电变换器34，36分别连接在MZI 30，32的光输出上。MZI 30，32各自是不平衡的，即：在支路30a，32a中各有一个相对于另一支路30b，32b的时间延时τ，标称等于数据调制速率的符号周期(对于20Gsymbol/s的线速为50ps)。时间延时τ的引入方法是使MZI的支路30a，32a的物理长度大于另一支路30b，32b，该时间延时是通过使所述两个支路的光程不同而引入的并且是为了便于制造。在较短支路30b，32b的电极上加适当的电压，分别设定MZI 30，32以施加p/4和-p/4的相对相移。用平衡检测，变换器34，36的输出电信号x1(t)，y2(t)以下式给出：
x1(t)，y2(t)＝cos(Δ？(di))±sin(Δ？(d1))  公式3
对于DQPSK，其中△θ(di)取可能值{0，p/2，p，3p/2}，因此输出为二进制(双极)信号，以下式给出：
x1(t)＝d1(t)and y2(t)＝d2(t).
设定MZI 30，32以在它们的支路之间施加p/4和-p/4的相对相移的优点在于这样产生的解调信号x1(t)，y2(t)为对称双极NRZ信号。应理解，只要在各MZI之间有p/2的差异，DQPSK的同相和90°相位差成分也可用其它相对相移解调，虽然所得的信号不是对称的双极NRZ信号。因此，一般情况下，MZ I30设为施加相移f，而MZI 32设为施加相移f±p/2。
参阅图4，图中示出在含有图1和3的DQPSK调制器和解调器装置的通信系统中，对于20Gbit/s数据流的一个解调电信号x1(t)或y2(t)的模拟“眼”图。图5示出在同样的系统中在600km光学放大的，色散管理的光纤链路上传输的另一模拟“眼”图，并且还包括信号-ASE(幅度自发辐射)噪声。
本发明信令格式的一个特殊优点是其改进的光谱效率。包括40Gbit/s信道(间隔50GHz)的DWDM光链路的模拟(0.8bit/s/Hz光谱效率)表明这种系统十分可行，不需要偏振多路复用/交织。
舆其它诸如二进制幅度和二进制相移信令等信令格式相比，DQPSK除了提高光谱效率外还有许多优点。光DQPSK对于色度色散和偏振模式色散均可提供较高的容限。还有一个优点是电和光电元件用相当于半线比特率的带宽工作。舆相干QPSK相比，光DQPSK对交叉相位调制(XPM)提供改进的容限，因为信号以连续数据位之间的相位差(变化)编码，而XPM对连续数据位一般是共同的。由于光DQPSK不需要相位相干的本地振荡器作解调，也就不需要适配的偏振控制。由于光DQPSK的调制和解调在功能上都相对直接，故可以用诸如相位调制器，光耦合器，分光器等坚固小型的电光电路实现，且很容易集成为单片波导器件的形式。
最初的模拟表明光DQPSK对于在单光纤上具有tera(1012)bit/s容量的多个40Gb/s通信信道的传输是可行的信令格式。可以设想，舆Raman放大和前向纠错(FEC)相结合，光DQPSK信令提供了在数千公里光纤上作tera(1012)bit/s传输的潜在可能性。
在WDM系统中改进光谱效率的限制因素之一是在多路复用前用已知光纤(Butterworth)对已调制波长信道的紧密滤光会导致符号间干扰(ISI)，从而降低系统性能。为克服此问题，发明人认识到，如果仔细选择滤光特性使之在对数据符号取样时间ts时ISI最小，则用滤光可进一步改进系统性能。对于DQPSK，光谱接近于理想的“正弦”(sinx/x)函数，结果，舆其它信令格式相比，其旁瓣相当高。用光学特性(响应)特制(整形)成在取样时对每个符号的ISI最小的滤光器对每个DQPSK波长信道滤光，就可减少邻近信道的光谱重叠并限制所接收的噪声数量。理想的是：滤光器的响应应满足下式的脉冲形状p：
p ( iT - kT ) = 1 , i - k 0 , i &NotEqual; 0
式中T为取样周期(线符号周期＝1/线速率)。
在符号具有完美脉冲响应的理想系统中，要求滤光器的性能具有线性相位和频率相关的传输特性G(f)，所述特性为下式表示的平方升余弦：
G ( f ) = 1 for 0 &le; | f - f 0 | &le; 1 - &alpha; 2 T 1 4 ( 1 - sin ( &pi;T &alpha; [ | f - f 0 | - 1 2 T ) ] ) 2 for 1 - &alpha; 2 T &le; | f - f 0 | &le; 1 + &alpha; 2 T 0 for | f - f 0 | > 1 + &alpha; 2 T   公式4
式中a为滚降因数或过剩带宽因数，f0是WDM信道的中心频率。通常滤光器选择为使其具有0.2-0.8的过剩带宽因数。模拟RF信令，按照本发明的滤光以下称为Nyquist滤光。
最好Nyquist滤光功能在位于发射机和接收机的Nyquist滤光器之间分开。发射机的滤光器最好连接到调制器装置的输出，使每个波长信道滤光然后再多路复用信道，而接收机滤光器位于WDM光信号多路分解之后，DQPSK信号解调之前。
发射机和接收机的Nyquist滤光器的光学特性示于图6(a)和6(b)。参阅图6(b)，接收机的Nyquist滤光器特性包括一个平方升余弦函数，如方程4所定义，总带宽为30GHz，其中心大约在WDM波长信道(在图6的频率轴上WDM波长信道f0表示为零)，即对于20Gsymbol/s线速率，过剩带宽因数a为0.5。发射机的滤光器特性，图6(a)，主要也包括一个平方升余弦函数，但在带通区域38有改动{0≤|f-f0|≤1-α/2T}以具有1/”sinc”函数，以便将传输符号的有限脉冲宽度考虑在内。最好发射机和接收机的Nyquist滤光器都制成光纤Bragg光栅形式或光波导内定义的光栅结构。
参阅图7，图中示出所得到的关于发射机和接收机的Nyquist滤光器的图4的模拟眼效果。应当指出，滤光器具有在取样时间ts“眼”接近于零ISI的效果。为了比较，图8示出传统的滤光(Butterworth响应)时同样的“眼”。
还发现，使用Nyquist滤光对诸如二进制幅度键控的其它信令格式也可改进系统性能，如图9(a)和(b)所示，它们分别表示用传统的滤光(Butterworth响应)和用本发明的Nyquist滤光对幅度NRZ已调制数据的20Gbit/s“眼”图。使用Nyquist滤光，即使用将其响应选择为使取样时每一个符号的符号间干扰最小的滤光器进行滤光，本身就具发明性，舆调制格式无关。
应当指出，本发明不限于所述具体实施例，而可在本发明范围内进行各种改变。虽然使用光差分四相相移键控(DQPSK)来调制光载波本身就具发明性，也可设想到使用其它多级(M相)DPSK，其中M＝2n，n为整数n＝2，3，...。另外，虽然在调制器装置中使用MZI是特别优选的，但也可使用其它相位调制器来对光载波进行相位调制。这些包括，例如，级联的相位调制器或用多级驱动信号驱动的单一相位调制器。

Claims (15)

1.一种发送多个n数据流的方法，它包括：
(1)利用差分M相移相键控DMPSK信令通过光相位调制器来光调制光载波，以产生差分M相移相键控光相位已调制光信号，其中M＝2n；
(2)发送该光相位已调制光信号；
(3)利用光时间延迟通过光相位解调制器来光解调该光相位已调制光信号；和
(4)通过光检测器直接检测该解调的光信号。
2.按照权利要求1的方法，包括两个所述的光相位调制器，每一个调制一部分光载波，再合成这两部分光载波以产生差分M相移相键控光相位已调制光信号。
3.按照权利要求1或2的方法，包括两个所述的光相位解调器，每一个解调一部分所述差分M相移相键控光相位已调制光信号。
4.按照权利要求3的方法，包括两个光检测器，每一个直接检测一部分由所述的各个光相位解调器已解调的光信号。
5.波分多路复用WDM光通信系统，包括具有至少一个光相位调制器的一个光发送器，所述系统还包括至少一个光相位解调器和至少一个光检测器，其特征在于根据权利要求1的方法调制光波长信道。
6.如权利要求5所述的WDM光通信系统，其特征在于还包括滤光装置，用以对每个DMPSK已调制波长信道进行滤光，然后加以多路复用，形成WDM信号，并且这样选择所述滤光装置的光学特性、使得每个符号在取样时符号间的干扰减到最小。
7.如权利要求6所述的WDM光通信系统，其特征在于：所述滤光装置具有平方升余弦的特性。
8.如权利要求6所述的WDM光通信系统，其特征在于所述滤光装置具有以下式给出的传输特性G(f)；
G ( f ) = 1 for 0 &le; | f - f 0 | &le; 1 - &alpha; 2 T 1 4 ( 1 - sin [ &pi;T &alpha; ( | f - f 0 | - 1 2 T ) ] ) 2 for 1 - &alpha; 2 T &le; | f - f 0 | &le; 1 + &alpha; 2 T 0 for | f - f 0 | > 1 + &alpha; 2 T &le;
式中T为取样周期，α为所述滤光器的过剩带宽因数，而f0为WDM信道的中心频率。
9.如权利要求8所述的WDM光通信系统，其特征在于：所述滤光器具有的过剩带宽因数在0.2和0.8之间。
10.如权利要求6至9中任一项所述的WDM光通信系统，其特征在于：所述滤光装置包括用于每个波长信道的各自的滤光器。
11.如权利要求10所述的WDM光通信系统，其特征在于：所述滤光器包括光纤Bragg光栅。
12.一种用于与两个数据流相关地利用四相差分移相键控(DQPSK)调制光载波的调制器装置，它包括相位调制装置，所述相位调制装置包括分光装置，用来将光载波分成两个光信号，加在各Mach Zehnder调制器上，所述Mach Zehnder调制器可以选择性地用来与各自的驱动电压相关地以±π弧度调制光信号的相位；固定移相器，用来对所述光信号之一加π/2相移；以及组合所述已调制的光信号以产生DQPSK已调制信号的装置，所述相位调制装置用来与两个数据流相关地以0，π/2，π，3π/2弧度的相移调制光载波相位。
13.如权利要求12所述的调制器装置，其特征在于：所述每个Mach Zehnder调制器具有如下的光传输-驱动电压的特性曲线：所述特性曲线是周期性的并且具有2Vπ的周期，其中，所述调制器对所述特性曲线的一部分起作用以给出最小传输，并且其中所述驱动电压值为±Vπ。
14.一种用于对四相差分移相键控DQPSK已调制光信号进行解调的解调器装置，它包括：用于分裂DQPSK已调制光信号的分光器；两个不平衡Mach Zehnder干涉仪，其上加有各自的所述已调制光信号部分；以及连接到每个干涉仪的光输出端的相应的平衡光电变换器；其中，每个Mach Zehnder干涉仪在其各自的支路之间具有光程差，所述光程差对应于所述已调制信号的符号周期，并且其中一个干涉仪用来施加π/2弧度的相对相移。
15.如权利要求14所述的解调器装置，其特征在于：所述MachZehnder干涉仪分别施加π/4和-π/4弧度的相移。
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