CN100581086C - 波分复用激光波长控制 - Google Patents

Abstract

发射机(11)发出单波长光学信号，以及通过WDM网络，将该信号作为复合多路复用信号中的波长信道(13)而传输。接收机(12)使用带通滤波器，从复合多路复用信号选择单波长光学信号(21)。波长配合检测器(15)通过将所接收的信号的振幅的变化与通信量密度的变化关联，确定反馈信号。然后，经反向信道(16)，将该反馈信号返回到发射机(11)并用来调整单波长光学信号的波长。

Description

波分复用激光波长控制

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及用于控制波分复用系统中激光的波长的方法和相应装置。

背景技术

光学波分复用系统(WDM)使用不同波长上的多个激光束，同时在公用光纤上传送多个数据信道。在接收端，通过波长滤波器，分开信道。滤波器带通越窄，能放置的信道越多。为了正确操作，特定发射机的激光波长必须适合于接收机端的波长选择器的通带。

激光波长和滤波器通带必须不相互脱离的要求对减少的滤波器带宽提出了挑战。不必说，在现有系统中，没有方法来有效地控制激光器和滤波器间的波长配合。相反，激光器脱机调整到如由ITU(国际电联)波长栅格定义的绝对波长值。在光谱分析仪的控制下，根据温度，脱机调整激光器波长。其后在现场，即在正常操作期间，使所确定的温度设定点保持恒定。

光学脉冲模式的特性不能保证激光器中恒定的光学功率。密集通信量产生高平均功率，稀疏通信量导致低平均功率。通信量密度能以任何时间量级改变，范围从几毫秒到几小时或几年。大部分的光学分组源对具有小的波长偏差的功率改变有反应。从而，滤波器通带必须足够大来吸收剩余公差。此外，关于老化和环境改变，该策略要求激光设备本身及其驱动电路具有高度长期稳定性。

半导体激光器设备原理上是可调整的。然而，现在不能使用激光器的固有可调整性，因为没有关于实际波长的可用简单反馈。温度和激光器电流的间接控制在技术上仅能用于固定设定点。即使(TDMA脉冲模式中所需的)激光器功率的可调整性是关键的，因为激光器功率在恒定温度影响波长。

通常，WDM激光器受热电冷却器(TEC)的温度控制，而该冷却器受热敏电阻控制。然而，在激光器芯片的有效区和底座间仍然存在小的温度差，其在控制环外。即使通过对基座的理想的温度控制，该有效激光区的温度差(从而波长)也与功率相关。如果功率改变，波长也将改变，当然会有一些延迟。图3表示当在0和额定功率间切换时，温度稳定的DFB激光器的测量的热波长瞬变。瞬变在第一微秒内开始，但其仅在几十毫秒后即稳定(对数时间标度)。在转变到上述脉冲模式通信量相关性中，图3的左侧对应于短分组(＜1μs)的稀疏流量。右侧对应于100％占用信道。两个操作条件间的转变能在任何时间发生并持续未确定时间段。现有技术的温度控制器在10的负6或7次幂量级上缓慢补偿该效应。不必说，即使未补偿，波长偏移(0.5nm)为仍然在具有1.6nm信道间隔的200GHz ITU波长栅格范围内。

本发明的目的是在WDM系统中，改善对激光器的波长控制。

发明内容

下面出现的这些和其他目的是通过一种波长配合检测器来实现，通过将所接收信号振幅的变化与所接收信号通信量密度的变化相关联，确定用于发出信号的激光源的反馈信号，确定波分复用系统中，所接收的信号波长是否与波长选择器的预定通带匹配。

特别地，发射机发出单波长光学信号以及通过WDM网络，将此发送为复合多路复用信号中的波长信道。接收机使用带通滤波器，从复合复用信号选择单波长光学信号。波长配合检测器通过将所接收信号振幅的变化与通信量密度的变化相关联，确定反馈信号。然后，经反向信道将反馈信号返回到发射机并用来调整单波长光学信号的波长。如果激光波长短，反馈信号为正；如果激光波长长，则为负。

本发明允许在有关参数的长期稳定性方面无严格要求的廉价WDM源的自动稳定。半导体激光器的固有可调整性可以用于廉价技术实现中。有关波长设定点的长期稳定性的要求是不严格的。粗略设定所需波长，然后根据所提出的发明，自动微调到通带中心，即完成信道调整。

此外，本发明能够向着更密集的WDM信道发展，而不对激光器增加要求。此外，本发明允许使用不稳定的波长滤波器：在WDM应用中，仅使用一个去复用滤波器(在接收机前，例如，在无源光学网络中)，不再要求激光器中心频率的高稳定性，因为激光器能跟踪滤波器漂移。

附图说明

现在，参考附图，描述本发明的优选实施例，其中：

图1表示在WDM传输系统中，使用波长配合检测器的发射机的有效波长控制；

图2表示用在图1的系统中的波长配合检测器；

图3在对数坐标图中示出作为在导通后的时间的函数的波长漂移；

图4a示出检测器输出电压相对于波长偏差的曲线图；以及

图4b示出相应的WDM信道滤波器通带的曲线图。

具体实施方式

有效波长控制的原理如图1所示。包括温度控制的WDM激光器的发射机11传送波长为λ_i的单个波长信号。通过WDM网络，该信号作为特定的WDM信道13传送到接收机12。接收机具有带通滤波器，用于从复合WDM信号选择来自WDM信道13的信号的特定波长。连接到接收机12的波长配合检测器15产生任何类型的在反向信道16上传递的，返回到温度控制器14的反馈信号，该反馈信号调整发射机11的波长以便与接收机12中的波长选择器的通带匹配。

反向信道可用在几乎任何系统中，例如OAM信道。该原理可用于具有直接调制激光或直接包络调制激光的任何脉冲模式WDM系统。

本发明基于这样的认识，即并不需要实际波长的全部信息。相反，所需要的是关于实际波长是否与WDM激光器通带中心相一致的指示，或者，如果不一致，则指示向哪一端分离。本发明的基本原理是通过将脉冲振幅(burst amplitude)的变化与接收机中通信量密度的变化相关联，确定反馈信号。正相关表示波长短，负相关是表示波长长。

通过将脉冲振幅的变化与通信量密度的变化相关联，从而，在接收机中确定用于图1中的有效控制所需的反馈，实现此功能的波长配合检测器在图2中详细表示。

所接收的输入信号21分成两个分支。在上分支中，分组检测器22检测是否存在分组。该信号反映通信量密度(脉宽调制)并与振幅无关。在下分支中，受上分支中的分组检测器22控制的跟踪保持门24检测分组振幅。跟踪保持门24的输出反映分组振幅，其与通信量密度无关，因为在间隔期间，跟踪保持是断开的。

分别通过宽带滤波器23和25，过滤两个输出信号，以便仅通过大约在1kHz至1MHz范围中的光谱分量。这表示可以通过宽带滤波器的仅仅是变化量而不是绝对值。接着，复用器26使滤波信号彼此复用以及将结果传递到低通滤波器27(关联)。输出是所需反馈信号，如果激光波长短，其为正，如果激光波长为长，则为负。

在具有连接到一个脉冲模式接收机的多个发射机的网络中(例如树或总线结构)，分组检测器包含另外的分类装置，根据特定介质存取协议，例如按Tx地址标签，或通过时隙，过滤仅一个特定发射机的分组。该改进思路是从将调整的仅一个特定发射机选择分组。该选择能用各种方法实现，诸如按源地址、按时隙(TDMA)、按码(CDMA)等等。将数据分组分配到发端发射机，因此选择标准取决于在每个情况中使用的介质存取协议。在任何实际应用中，总是可能将分组明确分配到源。然而，在任何单个情况中如何实现这种选择对本发明来说不重要，本领域的技术人员不需要太多尝试即可实现这种选择。

现在，在下文中，进一步研究本发明的工作原理。温度控制的激光器芯片在芯片内具有热梯度。这表示有效区比基座更热。该温度差由有效区中的平均功率消耗而定。在脉冲模式操作中，平均功率由通信量密度而定，即使特定分组是均衡功率。例如，图3中的度量表示在1μs-1ms的时间标度中，0.5nm的低和高通信量密度间的波长偏差。这样，在通信量密度和波长之间具有自然正相关。增加通信量导致增加波长，降低通信量将导致更低波长。

在WDM滤波器中，如果不正确地调整，波长变化将转换成振幅变化。即使波长变化相当小，由于通常相当急剧变化的WDM滤波器曲线，它们也会导致合理的振幅变化。波长和振幅间的相关性由正在操作的滤波器斜率而定：在上升斜率，具有正相关，增加的波长导致增加的振幅，在下降斜率，具有负相关-增加的波长导致减少的振幅。

结合上述的热效应，接收机的输入信号具有通信量密度和振幅之间的自然正或负相关性，这取决于激光波长和WDM信道滤波器间的失调。该相关性能由图2的原理图计算。

在激光和WDM信道间的小波长失配的情况下，与通信量相关的波长调制转换成振幅调制，其用来检测接收机中的失配。假定一个光学脉冲模式系统具有可变脉冲大小及其间的可变间隔。将通信量密度δ(t)定义为在按间隔长度划分的指定间隔中，所有分组的累积长度。δ(t)是平均值D＝E[δ(t)]-平均通信量密度的随机变量，以及方差V_D＝E[(δ(t)-D)²]，其中，E[x]表示x的统计期望值。进一步假定发射机以平均波长λ_N，发射均衡功率P₀的光学分组。实际波长λ(t)是如上所述的通信量密度δ(t)的函数，通过下述方程式给出一阶近似

λ(t)＝λ_N+K·(δ(t)-D)    (1)

其中，k-正常数

WDM信道具有中心频率λ₀附近的窄通带。在λ₀的环境中，作为级数的通带传输函数T(λ)为：

$T\left(\mathrm{\λ}\right)\≅T_0+T_2\·{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)}^2---\left(2\right)$

T₀表示通带中心λ₀中的功率传输，而T₂描述指向通带边界的另外的衰减，T₂＜0。接收机端的分组功率由下式给出

P(λ)＝T(λ)·P₀                (3)

P(λ)＝P₀(T₀+T₂·(λ-λ₀)²)     (4)

从方程式(1)得出λ(t)代入λ，获得作为根据时间的随机函数的分组功率：

P(t)＝P₀(T₀+T₂·(λ_N+K·(δ(t)-D)-λ₀)²)    (5)

从上述方程式，导出接收机端的平均分组功率为：

E[P(t)]＝P₀(T₀+T₂·((λ_N-λ₀)²+K²·V_D))    (6)

以及中心分组功率变化

P(t)-E[P(t)]＝2P₀T₂(K(λ_N-λ₀)(δ(t)-D)+K²((δ(t)-D)²-V_D))    (7)

然后，接收机输入处的分组功率变化和通信量密度变化间的交叉相关性为：

ψ_Pδ＝E[(P(t)-E[P(t)])·(δ(t)-E[δ(t)])]    (8)

考虑方程(5)和(6)，获得

ψ_Pδ＝2P₀T₂KV_D(λ_N-λ₀)(9)

只要信道滤波器的通带传输曲线为凹线，则P₀，K，V_D总是为正，而T₂为负。

换句话说，如果相对于通带的中心波长λ₀，激光器波长λ_N太低(λ_N＜λ₀)，分组功率变化和通信量密度变化间的交叉相关性为正，如果λ_N太高(λ_N＞λ₀)，交叉相关性为负。在λ_N＝λ₀处的平衡条件Ψ_Pδ＝0与其他参数无关。然而，方法的灵敏度取决于实际信号功率P₀、WDM滤波器通带的弯曲度T₂、激光器芯片的热“适应性(flexibility)”K、以及通信量密度的变化V_D。

可以使用方程式(8)和(9)来实现用于激光器波长和WDM信道滤波器间的实际匹配的简单检测器。通过在方程式(8)中，用(短期)平均时间替代统计期望算子E[x]，估计交叉相关性Ψ_Pδ。在严格意义上来说，这仅对遍历信号有效，不用说，在某些条件下，还产生用于其他信号类的可接受估计。图2表示最终检测器的框图。

通过比较器和宽带滤波器，估计通信量密度变化(δ(t)-E[δ(t)])。比较器确定存在或缺少分组，导致一种与通信量密度相关的脉宽调制。带通激光器的低通部分将脉宽调制转换成振幅(～δ(t))。高通部分去除较长期平均分量(～E[δ(t)])。

可以通过采样级和宽带滤波器，估计分组功率电平变化(δ(t)-E[δ(t)])。其采样分组振幅，而低通滤波器部分在间隔期间内插。同样如上，高通分量去除长期平均级。请注意分组功率和信号功率间的区别：信号功率是在间隔期间，分组功率和零间的平均值。它直接由实际通信量密度而定。通过仅采样分组和在间隔期间内插，可以去除直接通信量相关性。

对相关性，将两个信号(通信量密度和功率电平)输入到一个复用器，接着输入到另一低通滤波器。输出信号可为正或负，由激光波长相对于WDM信道滤波器的位置而定。它能被传播回到发射机以便相应地调整激光控制器。

已经通过现有的光学脉冲模式原型测试过检测器原理。光学分组具有10Gbit/s的线路速率。有效负载通信量源是具有适当的封装的千兆位以太网测试器并加速。由于通信量源的低数据速率，10GBit/s信道上的密度仅在0和10％间改变。总之，与恒定的激光器操作相比，光谱分析仪显示出按0.1-0.2nm扩展的期望光谱。检测器与10GBit/s脉冲模式接收机无关。它使用另外的低速光学接收机(＜100MHz)以及少数几个工业标准的模拟部件。两个宽带滤波器的滤波器特性是：下频带极限200Hz，第一阶。上频带极限20kHz，二阶贝塞耳滤波器。相关器低通的频带极限为20Hz。图4a表示测量的相关器输出以，图4b表示作为激光器波长的函数的WDM信道传输。

检测器原理能够在正常操作中，对脉冲模式WDM系统中的激光器-滤波器匹配进行持久控制。消除对激光器波长的寿命稳定性的要求，在滤波器通带范围中的初始粗略设定点就足够。该原理几乎与线路速率无关，最高所需速度低于线路速率的1/100。相对较低的速度要求使得甚至能够利用软件实现，这更有吸引力。

原理扩展针对：(a)考虑发射机功率本身的可能的通信量相关性。(b)为更好灵敏度，有选择地使用具有高方差的周期。(c)补偿通信量变化和波长变化间的相移。(d)在几个发射机将分组发送到一个接收机的情况下另外的源地址滤波器。

理想地，在具有实际脉冲模式和可变通信量的发射机中，所需相关性在这一方面没有更多的干扰。所有努力集中在接收机中。然而，在一些情况下，要求使用特殊的训练模式来启动所需效果(低-高通信量交替)，例如在启动时，或如果激光器的正常操作不是脉冲模式。

图1中的图表操作与基础位速率无关。如果跟踪保持门俘获最短可能分组，则足够快。实际上，对10GBit/s系统，将分组检测器和跟踪保持门限制到100MHz。将相关性本身限制到低于1MHz以及可以移到一些数字控制器或甚至移到软件中。

接收机中的光电二极管不一定是实时线路速率光电二极管，在信道中某处的分接头上的低速监视器光电二极管同样好。要求从接收机到发射机的反馈信道将调整指示符传播回发射机中的激光控制器。通常，这通过正常操作和维护信道(OAM)来完成。该信道的速度限制调整速度，然而，如果涉及热波长调整，不管怎样，通常需要几秒的时间帧。

已经描述了本发明的优选实施例，对本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和原理的情况下，能做出各种改变、替代。例如，通过控制激光器设备中的温度，实现实施例中的激光波长控制。然而，这的确是优选和示例性实施例，很显然用于控制激光波长的任何其他手段，诸如控制激光二极管的偏压，也同样适合于实现本发明。

Claims (13)

1.一种波长配合检测器，用于确定脉冲模式操作的波分复用系统中，所接收的信号波长是否与波长选择器的预定通带匹配；所述检测器包括用于通过将所接收信号振幅的变化与所接收信号通信量密度的变化交叉相关，以确定反馈信号的装置。

2.如权利要求1所述的波长配合检测器，包括分组检测器和受所述分组检测器控制的跟踪保持门，两者均连接到信号输入并通向复用器。

3.如权利要求2所述的波长配合检测器，进一步包括连接到所述复用器的输出的低通滤波器。

4.如权利要求2所述的波长配合检测器，进一步包括分别连接在所述分组检测器和所述复用器间以及所述跟踪保持门和所述复用器间的两个宽带滤波器。

5.如权利要求1所述的波长配合检测器，包括用于选择发自相同发射机的数据分组的装置。

6.一种用于波分复用(WDM)系统的接收机，包括如权利要求1所述的波长配合检测器。

7.一种波分复用系统，包括发射机以及根据权利要求1所述的波长配合检测器，其中所述发射机包括用于发出脉冲模式单波长光学信号的可调整激光源和用于稳定所述激光源发射的波长的控制装置，并且所述发射机从所述波长配合检测器获得反馈信号的输入。

8.如权利要求7所述的波分复用系统，其中所述发射机进一步包括用于确定具有高通信量方差的周期的装置，该装置控制所述控制装置以仅在所述高通信量方差周期期间，调整所述波长。

9.一种用于脉冲模式操作的WDM系统中的波长控制方法，包括步骤：

-在发射机发射单波长光学信号；

-通过所述WDM系统，将所述单波长光学信号发射为复合多路复用信号中的波长信道；

-在接收机端处，从所述复合多路复用信号中选择所述单波长光学信号；

-将所接收信号振幅的变化与所接收单波长光学信号的通信量密度的变化交叉相关以获得反馈信号；

-经反向信道，将所述反馈信号发送到所述发射机；以及

-根据所述反馈信号，调整所述单波长光学信号的波长。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述单波长光学信号包含包括低通信量和高通信量交替的训练模式。

11.如权利要求9所述的方法，其中在所述调整步骤中，还根据发射机功率本身的通信量相关性。

12.如权利要求9所述的方法，其中仅在具有高通信量方差的周期期间，执行所述调整步骤。

13.如权利要求9所述的方法，在从所述复合多路复用信号中选择所述单波长光学信号的步骤之后，进一步包括补偿通信量变化和波长变化间固有延迟的步骤。

Images