CN101043273A - 具有相位调制的直接调制激光光传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学发射器，其用于产生一经调制的光学信号以供用于在一光纤链路上传输到一远程接收器，所述光学发射器包括一激光器；一调制器，其用于以一模拟RF信号对所述激光器进行直接调幅以产生一包括一经调幅的含有信息的成分和一经相位调制的成分的光学信号；和一相位调制器，其耦合到所述激光器的输出以减少在所述远程接收器处所接收到的光学信号中存在的失真。

Description

具有相位调制的直接调制激光光传输系统
相关申请案的参考
本申请案是2005年3月15日申请的序列号为11/080,721的美国专利申请案的部分接续申请案。
本申请案还涉及2004年9月21申请的序列号为10/946,056的美国专利申请案，且转让给共同受让人。
技术领域
本发明涉及一种用于模拟信号的光传输系统，且明确地说涉及一种直接调制的固态激光器。更明确地说，本发明涉及取消由半导体激光器中的线性调频脉冲而引起的经相位调制的成分，所述半导体激光器的输出由于激光器中的固有非线性的缘故而从其经直接调制的输入失真。
背景技术
用电信号来直接调制发光二极管(LED)或半导体激光器的模拟强度被认为是此项技术中已知的用于在光纤上传输模拟信号(例如声音和视频信号)的最简单的方法之一。尽管此类模拟传输技术与数字传输(例如数字脉冲编码调制或模拟或脉冲频率调制)相比，具有实质上更小带宽要求的优势，但是调幅的使用可能遭受噪声和光源的非线性。
因为所述原因，直接调制技术已经结合1310nm激光器而使用，其中所述应用在于缩短利用具有零色散的光纤链路的传输链路。对于地铁和长距光纤传输链路中的应用来说，链路的群速色散要求使用经外部调制的1550nm激光器，但此类外部调制技术复杂且昂贵。因此本发明解决了为1550nm的激光器的直接调制提供简单且低成本的系统的问题，使得可在使用模拟传输的地铁和长距光网络中使用模拟光输出同时避免色散的不良效应。
已知激光器的直流调制用在例如密集波长分复用(DWDM)系统的数字光传输系统中。例如参见Kartalopoulos，DWDM Networks，Devices，and Technology(IEEE Press，2003)第154页。
设计1550nm的模拟系统的困难之一在于以1550nm使用的合适低线性调频脉冲线性激光器在现有技术中是未知的。一种类型的低线性调频脉冲激光器为外腔式激光器，其用于数字光传输系统中，且是商业上可购得的产品。
除1550nm的模拟光传输系统所需要的低线性调频脉冲特性外，系统必须为高度线性。某些模拟发射器中固有的失真防止线性电调制信号线性地转换成光学信号，且替代地导致信号变得失真。这些效应对多信道视频传输尤其有害，多信道视频传输需要极好的线性以防止信道互相干扰。高度线性化的模拟光学系统在例如广播TV传输、CATV、交互TV和视频电话传输的商业模拟系统中具有广泛应用。
光学和其它非线性发射器的线性化已经被研究了一段时间，但所提出的解决方案在实践上存在劣势。上文所论述的大多数应用具有对于很多实践实施方案来说太大的带宽。前馈技术需要复杂的系统组件，例如光学功率组合器(optical power combiner)和多个光源。准光学前馈技术遭受类似的复杂性问题且进一步需要匹配得极好的零件。
如上文所述，在现有技术中，已知外部调制器用在光传输系统中。第5,699,179号美国专利描述一种外部调制的前馈线性化模拟光学发射器，其用于减少光纤引发的复合二次(CSO)失真成分。
在本发明之前，尚未为了取消由外腔式激光器中的线性调频脉冲而引起的经相位调制的成分而应用耦合到直接(电流)调制的激光器的外部调制器。
发明内容
1.本发明的目的
本发明的一个目的是提供一种使用经直接调制的激光器的改进的光传输系统。
本发明的另一目的是补偿在1550nm模拟光传输系统中使用的激光器中的线性调频脉冲。
本发明的又一目的是提供一种相位调制器，其用在1550nm模拟光传输系统中以改进噪声减少。
本发明的又一目的是提供一种低线性调频脉冲的高度线性的模拟光传输系统，其适合于使用以相位调制器直接调制的激光器的长距色散光纤媒介。
本发明的又一目的是提供一种移相电路，其用于调制适合于长距色散光纤媒介的模拟光传输系统中的低线性调频脉冲激光器。
本发明的又一目的是在宽带模拟光传输系统中提供直接调制和相位失真补偿过程。
2.本发明的特征
简要地且一般地说，本发明提供：光学发射器，其用于产生经调制的光学信号以在色散光纤链路上传输到具有用于接收宽带模拟射频信号输入的输入的远端接收器；半导体激光器，其用于产生光学信号；和调制电路，其用于以模拟信号直接调制激光器，所述调制电路包括光学相位调制器，所述光学相位调制器用于减少由于相位调制成分的缘故而出现在光纤链路的接收器端处的信号中的失真。
另一方面，本发明提供：用于在色散光纤链路上使用的光传输系统，其包括具有模拟信号输入的光学发射器；低线性调频脉冲激光器；调制电路，其用于直接调制激光器；和衰减与移相电路，其用于取消由半导体激光器产生的光学信号的相位调制成分。
另一方面，本发明进一步提供低成本直接调制技术，其优选包括用于控制光学相位调制器的电路，所述光学相位调制器减少由例如激光器的非线性装置产生的第二和更高偶数次的失真产物。
本发明的另一方面，本发明提供低线性调频脉冲激光器作为在“C波段”中在1530nm到1570nm范围内与外部相位调制器一起操作的外腔式激光器。
本发明的另一方面，提供用于减少模拟信号的传输中的失真的线性调频脉冲取消电路，其将输入RF调制信号划分成两个电路径：一个初级电路径和一个次级电路径。非线性装置在振幅和相位方面调节相位调制取消信号以匹配线性调频脉冲的频率或相位相依性。在所述电路径中的一者中延迟或相位调节元件使信号的相位同步。接着，光学相位调制器重新组合初级和次级信号以产生仅具有调幅的单个调制信号。因此，相位调制器通过取消非线性传输装置中固有的相位成分失真来使光学信号的传输线性化，从而使模拟信号适合于在色散光纤链路上传输。我们将此配置和技术称为后相位校正(postphase correction，PPC)。
所属领域的技术人员将从本揭示案中(包括以下详细描述内容)且通过实践本发明，明了本发明的额外目的、优势和新颖特征。虽然下文参考优选实施例描述本发明，但应了解，本发明并非限于此。已经阅读本文教示的所属领域的技术人员将认识到在其它领域中的额外应用、修改和实施例，这些在本文所揭示并主张的本发明的范围内且就这些而论，本发明可为显著有效的。
附图说明
通过结合附图考虑，参考以下详细描述内容将更好地理解且更全面地了解本发明的这些和其它特征及优势，附图中：
图1(a)是现有技术中已知的经外部调制的光传输系统的高度简化方框图；
图1(b)是现有技术中已知的经直接调制的光传输系统的高度简化方框图；
图2是根据本发明的光传输系统的高度简化方框图；
图3是描绘自相位调制线性调频脉冲的效应作为光纤长度的函数的曲线图；
图4是描绘某些测试条件下CSO的量比衰减的曲线图；
图5是描绘某些测试条件下CSO的量比相位的曲线图。
所附权利要求书中陈述本发明的新颖特征和特性。然而，将通过结合附图阅读，参考特定实施例的详细描述来更好地理解本发明本身以及本发明的其它特征和优势。
具体实施方式
现将描述本发明的细节，包括本发明的示范性方面和实施例。
参看附图和以下描述，相似参考数字用于标识相似或功能上类似的元件，且希望以高度简化的图解方式来说明示范性实施例的主要特征。此外，不希望附图描绘实际实施例的每一特征或所描绘的元件的相对尺寸，且附图并非按比例绘制。
图1(a)是如美国专利第5,699,179中所表示的利用外部调制器的现有技术光学发射器的方框图。一般以10展示的发射器在光纤路径30上将光学信号传输给接收器60。发射器10包括半导体激光器12，其产生连续波(CW)输出。此类激光器的典型实例是分布反馈(DFB)激光器或珐布里-珀罗激光器(Fabry-Perot laser)，其以1,550nm的波长产生输出光束。来自激光器的未经调制的光学信号通过光纤14耦合到调制器16。调制器16可为单调制器(例如马赫-曾德调制器(Mach-Zehnder modulator))、级联MZ调制器或多于一个调制器(例如在前馈线性化电路中)。调制器16还经由端子18和线路20来接收宽带RF信号，例如经调幅的残余旁带(AM-SDB)电缆电视(CATV)或视频信号。此外，当使用前馈线性化电路时，经由端子22和线路24将消偏振信号提供给调制器16。消偏振信号用于将光学输入消偏振到调制器16中的误差校正调制器(未图示)。
载运视频数据的经调制的光学信号由光纤链路26耦合到放大器28。放大器28通常为掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier，EDFA)。经放大的光学信号耦合到通至接收器60的光纤传输线路30。光纤传输线路30可为延伸超过几千米的长距离链路。在此情况下，可沿线路以隔开的间隔提供例如EDFA 28的线路放大器，以便将信号升压到所需电平。在接收器60处，也可提供放大器(未图示)以升压传入的光学信号。接着，将经升压的信号施加到光电检测器并在接收器60处解调成电信号，其表示线路50处的原始视频或数据信号。
图1(b)是利用激光器的直流调制的现有技术光学发射器的方框图。宽带RF模拟信号被直接施加到激光器12。来自激光器12的经调制的光学信号由光纤链路26耦合到放大器28，例如EDFA。经放大的光学信号耦合到通至接收器60的光纤传输线路30。在接收器处，光学信号被转换成电信号，其表示线路50处的原始视频或数据信号。
图2是根据本发明的光传输系统100的高度简化的方框图。其展示模拟RF信号输入源101，例如包括复数个含有不同信息的通信信号或信道的宽带信号。本发明中的激光器102的调制电路可为AM-VSB调制器或正交调幅器。将RF输入划分成两个部分：一个部分施加到激光器102以直接对其进行调制；另一部分施加到RF调整电路103。RF调整电路103的输出被施加到相位调制器。光纤输出113为色散光纤链路。
尽管也可使用珐布里-珀罗(FP)激光器，但图2的系统中所使用的边发射半导体激光器优选为分布前馈激光器(DFB)。
在优选实施例中，激光器为在1530nm到1570nm的范围内在激光器的光输出的波长内的外腔式激光器。此外，宽带模拟信号输入具有大于一个倍频程(octave)的带宽，且包括复数个载运不同信息的信道。
信号调整电路103由对输入RF信号执行不同操作的串联电路序列组成。将RF信号施加到衰减器104以适当地调节信号的振幅，使其与由激光器102的线性调频脉冲特性所引入的经移相的成分的振幅相称。如现有技术中已知为了修改施加到激光器的RF信号以补偿激光器的影响远程接收器处的信号的非线性响应，通过使用预失真电路105来适当地使施加到激光器102的RF信号预失真。此外，尽管本发明的改进将由于由光纤引入的色散而导致的失真最小化到色散光纤链路113仍将一些失真引入到接收器114处所接收到的信号中的程度，但可在预失真电路105中使用额外信号修改电路以引入小补偿信号来取消仍出现于接收器114处的任何此类失真。
明确地说，在RF信号的整个频率范围上的经相位调制的信号的振幅可取决于线性调频脉冲的性质而变化作为RF频率的逆的函数。因此，补偿倾斜电路106将增加施加到相位调制器的RF信号的增益作为RF频率的逆的函数，以便补偿激光器的相位调制的非线性响应。此特定途径将适用于激光器的线性调频脉冲为“绝热”的情况。绝热线性调频脉冲意味着激光器的FM响应与AM响应同相且相对于调制频率为恒定的。据此可推断，相位调制响应将随调制频率的逆而变化(由于频率调制相当于相位调制的导函数)。
接着，衰减器104的输出连接到倾斜电路106。放大器的频率响应在宽带RF信号的整个频率范围上不是恒定的。此增益变化(有时称为“倾斜”)可由补偿倾斜电路106来补偿。
提供音调产生器108以出于受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering，SBS)抑制目的而在经调制的光学信号中产生恒定音调。音调产生器108的输出与相位延迟电路107的输出组合，且将经组合的RF信号施加到相位调制器109。此RF组合必须以不在线性调频脉冲取消路径中引入不需要的相位延迟或振幅倾斜的方式来完成。经组合的信号导致从光纤连接器110施加到调制器109的光学信号的相位调制，且更明确地说导致由激光器102引入的不需要的相位调制成分的取消。
调制器109的输出在光纤111上耦合到放大器112，放大器112接着连接到光学链路110。在远端处，光学链路113连接到接收器114，接收器114将接收到的光学信号转换成RF信号115。
本发明的相位调制器109补偿激光器102的非线性响应，且/或补偿如接收器端处所确定的由通过色散光纤链路的经频率调制的光学信号的传输所产生的失真。调整电路103可选择性地调节以取决于链路的长度来补偿色散光纤链路产生的失真，或可在工厂设定为预定值以取决于链路的长度来补偿色散光纤链路产生的失真。长度相依色散效应的一个此类实例将为自相位调制(SPF)。
图3是描绘自相位调制引发的线性调频脉冲效应(标准化为50mA)作为光纤长度的函数的曲线图。各条曲线表示输出功率的不同值。曲线图指示高功率信号在光纤长度上引发的线性调频脉冲中呈现最大变化。
图4是描绘某些测试条件下PPC(后相位校正)配置中65km光纤情况下的CSO的量比衰减的曲线图，其中用图2中所示的元件104来调节所述衰减。明确地说，该测试条件为以17dBm光学起动功率和0dBm接收功率在65km SMF-28光纤上在范围从115.25MHz到547.875MHz的72个NTSC信道的PPC(后相位校正)配置中测试CSO。从图中所呈现的实验数据注意到，CSO在设定为等于6dB的衰减处最大化。因此，调节相位延迟电路使相位移位所述量是适当的，因而使CSO最大化。
图5是描绘测试条件下500MHz时的(光纤长度为65km)CSO的量比相位的曲线图，其中用图2中所示的元件107来调节所述相位。明确地说，该测试条件为以17dBm光学起动功率和0dBm接收功率在65kmSMF-28光纤上在范围从115.25MHz到547.875MHz的72个NTSC信道的PPC(后相位校正)配置中测试CSO。从图中所呈现的实验数据注意到，CSO在设定在0与-10度之间的相位处最大化。因此，调节相位延迟电路使相位移位所述量是适当的，因而使CSO最大化。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所属领域的技术人员将明了许多变化和修改。举例来说，尽管在TV信号调制的情境中描述并说明了激光器或发光二极管，但例如放大器的其它非线性装置的固有失真可通过此项技术而在很大程度上被取消。在所说明的实施例中，初级和次级路径中的信号的相对相位的微调是在次级路径中，但也可在初级路径中进行粗调。次级路径是优选的，因为初级路径中的此类延迟可对此路径的具有不适当的阻抗。
本发明用光电二极管来监视激光器的输出，将信号转换成控制信号，控制信号耦合到激光器输出监视控制电路，包括耦合到用于响应于激光器的输出而调节激光器的温度的温度控制器的负反馈控制电路。
可在数字电路或在计算机硬件、固件、软件或它其的组合中建构本发明的技术和装置的各个方面。可在确实地实施于机器可读存储装置中以供由可编程处理器执行的计算机产品中或在位于可自动或根据需要下载到计算机产品的网络节点或网站处的软件上建构本发明的电路。以上技术可由(例如)以下各项执行：单个中央处理器、多处理器、一个或一个以上数字信号处理器、逻辑门的门阵列，或用于执行信号或指令程序序列以通过对输入数据进行操作并产生输出来执行本发明的功能的硬连线逻辑电路。可在一个或一个以上计算机程序中有利地建构所述方法，所述一个或一个以上计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行，所述至少一个可编程处理器经耦合以从数据存储系统、至少一个入/出装置和至少一个输出装置接收数据和指令，且将数据和指令传输到数据存储系统、至少一个入/出装置和至少一个输出装置。每个计算机程序可以面向程序或对象的高级编程语言或在需要的情况下以组合或机器语言来建构；且在任何情况下，所述语言可为经编译的或经解译的语言。合适的处理器包括(举例来说)通用和专用微处理器两者。一般来说，处理器将从只读存储器和/或随机存取存储器接收指令和数据。适合于确实地实施计算机程序指令和数据的存储装置包括所有形式的非易失性存储器，包括(举例来说)：半导体装置，例如EPROM、EEPROM和快闪存储器装置；磁盘，例如内部硬盘和可换式磁盘(removable disk)；磁光盘；和CD-ROM盘。以上任何一者都可由特别设计的专用集成电路(ASICS)来补充或并入到其中。
将了解，上文所述的元件中的每一者，或两个或两个以上一起也可有效地应用于不同于上文所述的类型的其它类型的结构中。
虽然已经将本发明说明并描述为在光传输系统中实施，但不希望限于所示的细节，因为可在不以任何方式脱离本发明的精神的情况下作出各种修改和结构变化。
不再作进一步分析，前述内容将全面地揭示本发明的要点，使得其他人可通过应用当前知识在不忽略某些特征的情况下容易地使本发明适应各种应用，所述特征从现有技术的观点来看，清楚地构成了本发明的一般或特定方面的本质特性，且因此此类适应应该且希望在所附权利要求书的均等物的意义和范围内加以理解。

Claims (10)

1.一种用于产生一经调制的光学信号以供在一光纤链路上传输到一远程接收器的光学发射器，其包含：
一激光器；
一调制器，其用于以一模拟RF信号对所述激光器进行直接调幅以产生一光学信号，所述光学信号包括一经调幅的含有信息的成分和一经相位调制的成分；和
一相位调制器，其耦合到所述激光器的输出以减少在所述远程接收器处所接收到的光学信号中存在的失真。
2.根据权利要求1所述的发射器，其中所述相位调制器取消所述激光器的输出信号中的所述经相位调制的成分。
3.根据权利要求1所述的发射器，其中所述相位调制器增加所述远程接收器处所述接收到的光学信号的SBS阈值。
4.根据权利要求1所述的发射器，其进一步包含一延迟电路，所述延迟电路具有一连接到所述模拟RF信号的输入和一连接到所述相位调制器的输出，使得所述调制电信号与所述经调制的光学信号同步，从而发生有效的相位调制取消。
5.根据权利要求1所述的发射器，其中所述激光器是一外腔式激光器。
6.根据权利要求1所述的发射器，其中所述激光器的光输出的波长在1530nm到1570nm范围内。
7.根据权利要求1所述的发射器，其中所述宽带模拟信号输入具有一大于一个倍频程的带宽且包括复数个运载不同信息的信道。
8.根据权利要求1所述的发射器，其进一步包含一预失真电路，所述预失真电路用于修改施加到所述激光器的所述RF信号以补偿所述激光器的影响所述远程接收器处的所述信号的非线性响应。
9.根据权利要求1所述的发射器，其中所述相位调制可选择性地调节以取决于所述色散光纤链路的长度来补偿由所述链路产生的失真。
10.根据权利要求1所述的发射器，其中所述延迟电路进一步包括一低频信号调制器以增加所述色散光纤链路的受激布里渊散射阈值。
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