CN101170364B - 对偏振模色散和色度色散具有降低灵敏度的光转发器 - Google Patents

对偏振模色散和色度色散具有降低灵敏度的光转发器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了对偏振模色散和色度色散具有降低灵敏度的光转发器。在一个实施例中，光转发器包括：集成在光转发器内并与光转发器的光输入端口以光学方式耦接的微分群延迟(DGD)缓和器；集成在光转发器内并与DGD缓和器以光学方式耦接以及与转发器的电输出端口耦接的光接收器；和，集成在光转发器内的多级发射器，其中，该多级发射器与转发器的电输入端口以电气方式耦接，并与转发器的光输出端口以光学方式耦接。在另一实施例中，提供了一种方法，包括步骤：使用集成在光转发器内的DGD缓和器对光输入信号进行接收和处理；接收电输入信号、使电输入信号的频谱变窄、将电输入信号转换成光输出信号、以及发射光输出信号。

Description

对偏振模色散和色度色散具有降低灵敏度的光转发器
相关申请的交叉参考 
本申请与同时申请且共同转让的、题为“SYSTEMS AND METHODS FOR POLARIZATION MODE DISPERSION MITIGATION”的美国专利申请序列号No.11/585,651有关，该申请的内容在此通过引用结合到本申请中。 
技术领域
本发明一般涉及光学系统，具体而言，涉及光转发器。 
背景技术
在现代光学网络中，通常将信号传输上百甚至上千公里。在长距离和超长距离光纤上传播的光信号会遇到多种不同的阻碍，包括，例如，衰减，色度色散(CD，chromatic dispersion)和偏振模色散(PMD，polarization mode dispersion)。尽管通过使用放大器(例如，掺铒光纤放大器)已经成功地解决了衰减问题，但CD和PMD问题变得更加难以处理。 
CD是因通过光纤的光脉冲在传输接收端处加宽而导致数据丢失的一种现象。该问题的一种解决方案涉及使用色散补偿光纤(DCF)，DCF具有较大负色散系数。然而，为了消除给定系统的CD，DCF的长度必须非常精确。也就是，由于DCF的CD非常大，任何多余的光纤长度都可导致更坏而不是变得良好。而且，DCF除了成本高外，设计出用于缓和系统CD未知的情况下的色散的合适DCF会非常困难。此外，在可变网络中，精确的CD消除是一件非常复杂的任务。从而，本发明人认识到需使用对CD较不敏感的设备和元件。 
在PMD情形中，该问题甚至更加严重。当在光纤内光的不同面(即，偏振面)以稍不同的速度(例如，由于光纤的随机缺陷和不对称性)传播时，出现PMD，从而使得难以以高速率可靠传输数据。一般而言，给定系统的PMD不能以单个参数(例如，其长度)来表征，而是必须通过表示沿通信线路全部历程的一系列参数来表征。遗憾的是，大多数网络在其需要相对较低位速率时的地下安装中使用质量较差的光纤构建，还没有意识到PMD是潜在的问题。而且，现在这些结构必须支持40Gb/s以及更 高的位速率，对网络升级而言，PMD带来极大障碍。 
发明内容
本发明涉及例如用于在光网络上便利数据通信的光转发器的系统和方法。本发明的目的在于，提供能够减少色度色散(CD)效应以及校正长距离光纤固有的偏振模色散(PMD)的集成光转发器。同样，根据本发明的各方面的集成光转发器可用于都市和地区性网络中。本发明的另一目的在于提供一种集成到转发器中的小型低成本的微分群延迟(DGD)缓和设备。本发明的某些实施例包括具有集成了DGD缓和设备的双二进制发射器(或能够减小色散效应的另一转发器)的光转发器。此处所述的集成光转发器的一个优点是，发射器可补偿DGD缓和器(mitigator)带来的缺陷，反之亦然。此外，此处所述的集成还允许元件共享某些相同的电子基础设施，从而缩减设计和制造成本。 
在一个示例性实施例中，光转发器包括：微分群延迟(DGD)缓和器，集成在光转发器内并被配置成接收来自该光转发器的光输入端口的光输入信号，其中，DGD缓和器具有偏振模色散PMD测量和控制部件，该偏振模色散PMD测量和控制部件测量光输入信号的一阶PMD，并且控制第一双折射晶体与第一和第二λ/2波片，以便校正或减少光信号的DGD；光接收器，集成在光转发器内，其中，该光接收器被配置成接收来自DCG缓和器的光输入信号、将光输入信号转换成电输出信号、并且将电输出信号输出到光转发器的电输出端口，其中，电输出信号实质上携带与光输入信号相同的信息并且用作光转发器的输出信号；和集成在光转发器内的多级发射器(multi-level transmitter)，其中，多级发射器被配置成接收来自电输入端口的电输入信号、将电输入信号转换成光输出信号、并且将光输出信号输出到光转发器的光输出端口，其中，光输出信号实质上携带与电输入信号相同的信息并且用作光转发器的输出信号。 
在另一示例性实施例中，一种方法包括：使用集成在光转发器内的微分群延迟(DGD)缓和器对光输入信号进行接收和处理，其中，DGD缓和器具有偏振模色散PMD测量和控制部件，该偏振模色散PMD测量和控制部件测量光输入信号的一阶PMD，并且控制第一双折射晶体与第一和第二λ/2波片，以便校正或减少光信号的DGD；使用集成在光转发器内的光接收器将经处理的光输入信号转换成电输出信号，其中，电输出信号实质上携带与DGD光信号相同的信息并且用作光转发器的输出信号；接收电输入信号、使电输入信号的频谱变窄、将电输入信号转换成光输出信号、以及使用集成在光转发器内的发射器发射光输出信号，其中，光输出信号实质上携带与电输入信号相同的信息并且用作光转发器的输出信号。 
以上内容较宽泛地概括了本发明的特征和技术优点，以便能够更好地理解后面对本发明的详细描述。此后，将描述形成本发明权利要求的的主题的其他发明特征和优点。本领域普通技术人员应该理解，所披露的原理和具体实施例容易被用作修改或设计其他实现本发明相同目的的结构的基础。本领域技术人员还应当意识到，这种等同结构并没有偏离所附权利要求中给出的本发明的精神和范围。由下面结合附图进行考虑时的描述，将能够更好地理解对于其组织和操作方法两者来说被认为是本发明特征的新颖特征，以及其他目的和优点。不过，应当清楚地理解，每幅附图仅仅是为了说明和描述的目的而提供的，并非意在定义出对于本发明的限制。 
附图说明
结合附图，通过后面的描述，将更全面地理解本发明，在附图中： 
图1为根据本发明一个示例性实施例的集成光转发器的框图； 
图2为根据本发明另一示例性实施例的DGD缓和器的框图； 
图3为根据本发明又一示例性实施例的反射式结构的DGD缓和器的框图； 
图4为根据本发明一个示例性实施例的接收器的框图；以及 
图5为根据本发明另一示例性实施例的发射器的框图。 
具体实施方式
在下面的描述中，将参照构成说明书的一部分的附图，附图中示意性显示出可实现本发明的具体实施例。对这些实施例的描述足够详细，以使本领域普通技术人员能够实现本发明，应该理解，在不偏离本发明范围的条件下，可实现其他实施例，并可进行结构、逻辑、光学和电学方面的变化。因此，以下描述并非意在具有限定意义，本发明的范围是由所附权利要求进行限定。 
本发明人意识到需要一种对色度色散(CD)较不敏感同时又能够减小在可变网络中偏振模色散(PMD)的光转发器。因此，本发明的一个示例性实施例集成了两个互补设备：多级发射器(例如，双二进制发射器)和一阶PMD或DGD缓和器。一般而言，双二进制发射器对一阶PMD(即，微分群延迟或DGD)较为敏感。然而，由于其频谱更窄，双二进制发射器对第二以及更高阶PMD的较不敏感。同时，PMD缓和器可被设计为主要减小一阶PMD或DGD。从而，双二进制发射器与DGD缓和器的集成可提供性能提高、成本降低的光转发器。 
现在参照图1，示出根据本发明一个示例性实施例的集成光转发器100。一般而言，“光转发器”是能够发射和接收光信号的设备。在该实施例中，转发器100将DGD缓和器110和发射器130集成到单个设备中。DGD缓和器110的输入与光输入端口111以光学方式耦接。接收器120的输入与DGD缓和器110的输出以光学方式耦接，接收器120的输出与电输出端口121耦接。发射器130与电输入端口129耦接，并与光输出端口131耦接。在一个实施例中，发射器130、接收器120和DGD缓和器115可共享内部控制器125。在另一实施例中，转发器100可用作为光中继器，电输出端口121可与电输入端口129耦接。 
在操作中，光输入信号通过光输入端口111进入转发器100内的PMD缓和器110，由此校正或减少光输入信号的任何偏振模色散。然后，DGD缓和器110将DGD缓和信号115提供给接收器120，接收器120将DGD缓和信号115转换成数字信号，并通过电输出端口121发送该数字信号。同时，发射器130通过输入端口129接收电输入信号，将电信号转换成光信号，并通过输出端口131将光信号发射。在一个示例性实施例中，发射器130可为双二进制发射器，由于其信号频谱较窄，所以较少受到色度色散的影响。然而，在其他实施例中，可使用其他类型的多级发射器(即，能够以作为数据速率一部分的“符号速率”进行发射的任何其他设备，但其中每个符号用于传递通常在多个位中传递的信息)。同时，发射器130通过电输入端口129接收电输入信号，并通过光输出端口131输出光信号。如先前所述，在转发器100用作为中继器的应用中，可将来自接收器120的电输出信号直接馈送到发射器130的电输入端口129。 
图2显示出DGD转发器缓和器110，它可集成到如图1所示的根据本发明一个示例性实施例的转发器100中。DGD缓和器110包括以级联结构设置的多个自由空间光学元件，其能够在光信号的两个主要偏振模的每一个上操作。可将输入光信号105分成两个部分，其中，一部分到达第一准直器205，另一部分到达光检测器245。到达第一准直器205的输入光信号105的部分通过偏振控制器210、第一双折射晶体215、第一可调λ/2波片220、第二双折射晶体225、第二可调λ/2波片230、第三双折射晶体235和第二准直器240(它们都彼此以光学方式耦接)，从而，生成DGD缓和信号115。 
光检测器245对光输入信号105的一部分进行检测，并将电信号发送到PMD测量和控制部件250。PMD测量和控制部件250对输入光信号 105的一阶PMD(即，DGD)进行测量，并对第一双折射晶体215与第一和第二可调λ/2波片220和230进行控制，以便校正或减少光信号的DGD。在一个示例性实施例中，可按照题为“SYSTEMS AND METHODSFOR POLARIZATION MODE DISPERSION MITIGATION”的美国专利申请序列No.11/585,651中的描述，设计PMD测量和控制部件250，该文献在此通过引用结合到本文中。 
在光转发器100内集成有DGD缓和器110使得光转发器100能够在长距离光学链路上校正偏振模色散。DGD缓和器110优于现有技术的一个优点是，它使用双折射晶体215，225和235，而非光纤，从而简化其设计。DGD缓和器110优于现有技术的另一优点是，它通过可调波片220和230提供离散、二进制调节集，这与更复杂和易于出错的连续调节不同。如本领域普通技术人员应易于理解的，可将DGD缓和器110集成在如图1所示光转发器100内，从而生成高性能、低成本且小型的设备。此外，当被用在集成光转发器100内时，DGD缓和器110可减少一阶PMD，而多级发射器可缓和更高阶PMD(由于其频谱更窄)。 
仍参照图2，DGD缓和器110是可调设备。此外，有利的是，DGD缓和器110在两个主要线偏振态之间操作，从而提供相对可调的光延迟线路(optical delay line)。偏振控制器210设置在前面的晶体215，225和235中，以便主要偏振态沿晶体215，225和235的晶轴取向。然后，晶体215，225和235将DGD固定在两个主要线偏振态之间。 
现在参照图3，根据本发明一个示例性实施例，在反射式结构300中的另一DGD缓和器可代替如图1所示集成转发器100内的DGD缓和器110。该特定实施例是有利的，这是由于它允许DGD缓和器300完全集成在转发器100中而不必增大其壳体，从而可生成小型设备。具体而言，该实施例允许晶体215，225和235具有在图2中所示其对应物一半的大小。在此情形中，输入光信号通过光纤环形器305进入DGD缓和器300，光纤环行器305可设置在转发器100壳体内部的任何地方。反射镜310可采用在晶体235上的高反射覆层形式。例如，在钒酸钇Yttrium Vanadate(YVO4)晶体的情形中，DGD缓和器300被设计为缓和30±5ps，晶体215，225和235的长度可分别为11.25mm、7.5mm和3.75mm，这意味着整个DGD缓和器300可制作得比40mm更小。 
参照图4，根据本发明的一个示例性实施例，可将接收器120集成在如图1所示转发器100中。DGD缓和信号115可离开DGD缓和器110(或 300)，并到达接收器120的光检测器405。光检测器405将DGD缓和信号115转换成电信号，然后，该电信号由射频(RF)放大器410放大和由限幅放大器415进行处理。最后，接收器120通过输出端口121生成电输出信号。 
图5显示出发射器130，根据本发明的一个示例性实施例，可将发射器130集成在如图1所示的转发器100中。尽管此处将发射器130示为双二进制发射器，但也可使用其他类型的多级发射器。在该实施例中，输入数字信号通过输入端口129接收，并分别由不归零(NRZ)格式器505、预编码器510和电子低通RF滤波器515进行处理。低通滤波器515的输出被馈送到马赫-曾德尔(MZ)调制器525，该调制器对激光器520的输出进行调制，从而通过光输出端口131输出光信号。 
当发射器130为双二进制发射器时，并非发射原始数字信号(例如，1001110)，而是提供两个相邻位之和(例如，101221)。根据该滤波器，与原始NRZ信号相比，双二进制发射信号的半幅值全宽(FWHM)频谱更窄。此外，由于使用低通滤波器515导致减少高频，这可能部分地由于双二进制信号的频谱窄，因此这样的滤波对其造成的影响较小。此外，可将MZ调制器525和预编码器510按照发送信号的强度(而并非是场(field))与通过端口129的输入数字信号强度相同的方式设置，从而允许基于NRZ格式的更简化的操作。由于其具有更窄的频谱，与其他发射器相比，双二进制发射器130受色度色散的影响非常小，在应对CD问题方面更具强健性。此外，由于其相对简单和对CD效应的不敏感性，在完美的CD消除非常复杂的可变网络中，双二进制发射器130特别有益。而且，尽管双二进制发射器130容易受到DGD的影响，但对更高阶PMD较不敏感，因此，诸如图2或3所示之类的DGD缓和设备能够显著地提高诸如图1所示转发器100之类的光转发器的性能。 
尽管以上详细描述了本发明的某些示例性实施例以及其优点，应该理解，在不偏离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的条件下，可进行多种变化、替换和改变。此外，本发明的范围并不意在限制于此处所述关于过程、机器、制造、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员，通过该披露内容，易于想到现在或将来能够开发出的、执行与此处所述相应实施例基本相同的功能或者实现与此处所述相应实施例基本相同的结果的其他过程、机器、制造、装置、方法和步骤根据本发明也是可利用的。因此，所附权利要求意在在其范围内包含这样的过程、机器、 制造、装置、方法和步骤。 

Claims (20)

1.一种光转发器，包括：
微分群延迟DGD缓和器，集成在光转发器内并被配置成接收来自该光转发器的光输入端口的光输入信号，其中，所述DGD缓和器具有偏振模色散PMD测量和控制部件，所述偏振模色散PMD测量和控制部件测量所述光输入信号的一阶PMD，并且控制第一双折射晶体与第一和第二λ/2波片，以便校正或减少光信号的DGD，并且，所述偏振模色散PMD测量和控制部件控制偏振控制器以便所述光输入信号的主要偏振态沿第一双折射晶体的晶轴取向；
光接收器，集成在光转发器内，其中，该光接收器被配置成接收来自DCG缓和器的光输入信号、将光输入信号转换成电输出信号、并且将电输出信号输出到光转发器的电输出端口，其中，电输出信号携带与光输入信号相同的信息并且用作光转发器的输出信号；和
集成在光转发器内的多级发射器，其中，该多级发射器被配置成接收来自电输入端口的电输入信号、将电输入信号转换成光输出信号、并且将光输出信号输出到光转发器的光输出端口，其中，光输出信号携带与电输入信号相同的信息并且用作光转发器的输出信号。
2.根据权利要求1的光转发器，其中，DGD缓和器被操作用于执行对光信号的二进制调节。
3.根据权利要求1的光转发器，其中，DGD缓和器包括以级联结构设置的多个自由空间光学元件。
4.根据权利要求3的光转发器，其中，所述多个自由空间光学元件中至少之一为所述双折射晶体。
5.根据权利要求3的光转发器，其中，还将所述多个自由空间光元件以反射式结构设置。
6.根据权利要求1的光转发器，其中，DGD缓和器在光信号的两个主要偏振模的每个上运行。
7.根据权利要求1的光转发器，其中，所述多级发射器包括双二进制发射器。
8.根据权利要求1的光转发器，其中，多级发射器对可变光线路的色度色散CD效应不敏感。
9.根据权利要求1的光转发器，其中，电输出端口与电输入端口耦接，从而形成中继器。
10.一种光转发器，包括：
集成在光转发器内用于接收光输入信号、减少微分群延迟DGD效应以及提供减小的DGD光信号的装置，所述装置包括偏振模色散PMD测量和控制部件，所述偏振模色散PMD测量和控制部件测量所述光输入信号的一阶PMD，并且控制第一双折射晶体与第一和第二λ/2波片，以便校正或减少光信号的DGD，所述装置还包括偏振控制器，由所述偏振模色散PMD测量和控制部件控制所述偏振控制器以便所述光输入信号的主要偏振态沿第一双折射晶体的晶轴取向；
集成在光转发器内用于将减小的DGD光信号转换成电输出信号的装置，其中，电输出信号携带与DGD光信号相同的信息并且用作光转发器的输出信号；和
集成在光转发器内用于接收电输入信号、使电输入信号的频谱变窄、将电输入信号转换成光输出信号以及发射该光输出信号的装置，其中，光输出信号携带与电输入信号相同的信息并且用作光转发器的输出信号。
11.根据权利要求10的光转发器，其中，用于减小光信号的DGD效应的装置包括DGD缓和器。
12.根据权利要求10的光转发器，其中，用于使电输入信号的频谱变窄的装置包括多级光发射器。
13.根据权利要求12的光转发器，其中，所述多级光发射器包括双二进制发射器。
14.一种用于发射光信号的方法，包括：
使用集成在光转发器内的微分群延迟DGD缓和器对光输入信号进行接收和处理，其中，所述DGD缓和器具有偏振模色散PMD测量和控制部件，所述偏振模色散PMD测量和控制部件测量所述光输入信号的一阶PMD，并且控制第一双折射晶体与第一和第二λ/2波片，以便校正或减少光信号的DGD，并且，所述偏振模色散PMD测量和控制部件控制偏振控制器以便所述光输入信号的主要偏振态沿第一双折射晶体的晶轴取向；
使用集成在光转发器内的光接收器将经处理的光输入信号转换成电输出信号，其中，电输出信号携带与DGD光信号相同的信息并且用作光转发器的输出信号；以及
接收电输入信号、使电输入信号的频谱变窄、将电输入信号转换成光输出信号、以及使用集成在光转发器内的发射器来发射该光输出信号，其中，光输出信号携带与电输入信号相同的信息并且用作光转发器的输出信号。
15.根据权利要求14的方法，还包括减小光线路的DGD效应。
16.根据权利要求14的方法，还包括将电输入信号转换成不归零NRZ信号。
17.根据权利要求14的方法，还包括将电输入信号预编码。
18.根据权利要求14的方法，还包括对电输入信号进行低通滤波。
19.根据权利要求18的方法，还包括使用经低通滤波的电输入信号将激光器的输出调制成调制光信号。
20.根据权利要求19的方法，还包括发射所述调制光信号。
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