CN101455018A - 使用具有成对正交关系的光学信道的光通信系统和方法 - Google Patents

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CN101455018A CNA2007800192917A CN200780019291A CN101455018A CN 101455018 A CN101455018 A CN 101455018A CN A2007800192917 A CNA2007800192917 A CN A2007800192917A CN 200780019291 A CN200780019291 A CN 200780019291A CN 101455018 A CN101455018 A CN 101455018A
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Abstract

本发明涉及光通信系统和方法，其可被配置用以利用具有减小的信道间隔的光学信号来操作。该系统可在具有成对正交关系的多个光学信道上传输光学信号，使得第一信道子集具有第一偏振状态和第二信道子集具有第二偏振状态。所述信道可被间隔以便在每一个偏振状态中与信道相关联的调制边带不重叠。当接收光学信号时，与所选择的感兴趣信道相邻的正交信道可以被调零。

Description

使用具有成对正交关系的光学信道的光通信系统和方法
技术领域
本申请主要涉及使用波分复用(WDM)技术的光通信系统，尤其是，涉及使用具有成对正交关系的光学信道的光通信系统和方法。
背景技术
诸如“海底”或“潜艇”系统的长距离光通信系统的信号容量，在过去十年已经大规模增加。例如，一些长距离光学放大海底通信系统能够以每秒10吉比特(Gbps)或更大的速度传输信息。然而，长距离通信系统在假设信号传播所必须经过的较长距离(例如，一般600-12000公里)情况下特别容易受到噪声和脉冲失真的影响。由于这些长的距离，这些系统需要沿着传输路径周期性放大。为了最大化光纤网络的传输容量，单个光纤利用公知为波分复用(WDM(wavelength division multiplexing))的技术可承载多个光学信道。例如，单个光纤可以在相应的波长承载32个独立的光学信号，在光纤的低损耗窗口中传播，例如，介于约1540和1564.8纳米之间(例如，在0.8纳米中心上的信道中传播)。然而，发射到传输媒介中的信号经受光纤非线性、环境因素、偏振模色散(polarization mode dispersion)，其导致脉冲变宽、信道重叠、失真和噪声累积，这有助于降低信噪比。
对于长距离传输，高光学信号功率被使用，其由于这些光纤非线性而导致光学信号的相移。所导致的相移对应于施加于光学信号的波长调制。当光学信号的不同部分具有不同的波长时，由于光纤媒体中所固有的色散特性，这些不同的部分可能以不同的速度沿传输光纤传播。在传播一段距离之后，较快的部分可能会超越并添加到较慢的部分而造成振幅失真。此外，四波混频(“4WM(four wave mixing)”)是非线性效应，其导致多个波相互作用，并以特定的频率产生新的波。当这个新产生的波干扰WDM信道中的其他信道时，这个新产生的波可能会导致串扰。
Q因子是在通信系统中的接收电路处的电学信噪比(SNR)的度量，其描述了该系统的误比特率(BER(bit error rate))性能。Q因子是反相关于当比特流通过传输路径传播时所发生的BER。BER在低信噪比(SNR)时增加，而在高SNR时降低。低于指定率的BER可通过设计提供大于预定率的SNR的传输系统来获得。预定的SNR基于最大指定的BER。为了获得低BER，SNR必须要高，这可能需要信号功率处于由于光纤非线性而引起不期望的相位失真的水平。
电信号处理，如纠错和检测技术可用于通信系统中用以改善BER性能。前向纠错(FEC(Forward Error Correction))是使用在发射机端处被计算和插入到数据流中的冗余代码的一种纠错类型。在接收机端，数据流被处理，用以纠正比特误差。虽然与数据一起传输FEC代码的需求由于提高所传输的比特率而对物理传输信道的传输容量有消极影响，但利用FEC技术使传输系统的净性能得到提高。
为了应对与光纤非线性相关的高信号功率的所诱发的相移效应，比特同步正弦相位调制(bit synchronous sinusoidal phase modulation)有时在发射机处被给予光学信号用以提供啁啾调制格式(chirped modulation format)。一种啁啾调制格式被称为啁啾RZ(CRZ)。CRZ波形的固有频带扩展对相邻的WDM信道可能间隔多近以及随后对在特定频谱带(spectral band)中信道的数目施加限制。
鉴于这些限制，为了增加所述频谱带中信道的数目，交替的光学信道可以以正交偏振(orthogonal polarization)关系的形式被传输。这降低了信道之间的相互作用(例如，四波混频)和因此降低损害。这项技术已被用来证明大频谱效率。然而，为了进一步提高WDM系统中的频谱效率，光学信道被设置得更加紧密，从而对如何发射信号以及如何检测信号以维持足够的信噪比提出了严格的要求。
附图说明
因此，以上述本发明特征可以被详细地理解的方式，如上简单概述的对发明更具体的说明可以通过参考实施例的方式来进行，其中一些实施例通过附图来说明。然而要注意的是，附图仅仅图解说明了本发明的典型实施例，因此不应被视为限制其范围，对于发明还可允许其他具有同等效力的实施例。
图1是符合本发明的一个示例性实施例的发射机的示意图；
图2是符合本发明的一个实施例的具有成对正交偏振的光学信道的图形表示；
图3是符合本发明的实施例的包括用于调零(nulling)相邻正交信道的接收机的示意图；
图4是用于调零相邻正交信道的系统的另一实施例的示意图；以及
图5是相邻光学信道被调零的光学信道的相对强度的图形表示。
具体实施方式
光通信系统的容量可以通过发射具有成对正交关系的WDM信道而提高。通过在信道之间选择信道间隔和偏振状态，频谱效率可以被提高从而提供更大的系统容量。当接收光学信道时，信道选择性可以通过对与所选择的感兴趣的信道邻近的正交信道调零而得以提高。
参照图1，示出了符合本发明的发射机140的一个实施例。所示出的典型实施例包括激光器或光源142、开关数据调制器(on-off data modulator)144、振幅调制器146和相位调制器148。激光器或光源142提供相干光信号150至开关数据调制器144，该开关数据调制器144提供光学开关数据信号152至振幅调制器146。振幅调制器146提供调幅(AM)的光学信号154至相位调制器148。相位调制器148通过波长复用器132提供输出光学信号134到传输路径106(如光纤)。
激光源142可以以发射机140的标称波长提供光学信号150(或根据调制器144、146和148的具体实施提供与之的某一恒定偏移)。振幅调制器146可被配置用以整形(shape)光学信号152的功率包络，以便提供经整形的光学信号154。振幅调制器146可包括整形电路，该整形电路把时钟信号输入转换为驱动振幅调制器146以实现所期望的经整形的光信号154的信号。相位调制器148可响应时钟信号输入，用以产生“啁啾”输出光学信号134。相位调制器148可给予随时间变化的光学相位角，从而向输出光学信号134给予频移(和相应的波长移位)。输出光学信号134可以被复用器132接收，与不同波长的其他输出光学信号复用，并通过传输路径106被传输。
发射机140可被配置用以在具有成对正交偏振关系的多个光学信道(例如，在传输路径106)上发射输出光学信号，如在图2中所示的。例如，具有波长λ1的光学信道1相对于具有波长λ2的光学信道2正交偏振。由于成对正交偏振关系，第一信道子集(即奇数信道1，3，...Nodd)和第二信道子集(即偶数信道2，4，...Neven)在单独的偏振轴X和Y中各自具有第一和第二偏振状态。为了发射具有成对正交关系的信道，发射机140可包括本领域技术人员所熟知的商用偏振波束组合器(未示出)。
作为同步光学处理(例如，振幅和/或相位调制)的结果，傅立叶分量或调制边带(modulation sideband)可能在每一个光学信道的波长附近被产生。每个信道可包括上调制边带和下调制边带。例如，波长λ1的信道1具有高于波长λ1的上边带202-1和低于波长λ1的下边带204-1。同样，波长λ2的信道2具有高于波长λ2的上边带202-2和低于波长λ2的下边带204-2。由于调制边带，每个信道均可能与波长的范围或带相关。
根据一个实施例，信道间隔可以被选择以便所述调制边带在同一偏振轴上不重叠。在具有第一偏振状态的所述第一信道子集内，例如，相邻光学信道的边带不重叠。例如，与信道1相关联的上边带202-1不和与信道3相关联的下边带204-3重叠。同样，在具有第二偏振状态的第二信道子集内相邻光学信道的边带也不重叠。例如，与信道2相关联的上边带202-2不和与信道4相关联的下边带204-4重叠。
为了确保在每个偏振轴内调制边带不重叠，(例如，信道1，2，3，4，...N的)信道间隔Δf可以基于1/2 B步或增量的奇数，其中B是以每秒吉比特(Gb/s)
/2为单位的线速率(line rate)。例如，在10Gb/s(9.9533Gb/s)系统中，前向纠错(FEC)编码可用于提供12.3Gb/s的线速率。在这样的系统中，信道间隔可以被计算为Δf＝1.5(12.3GHz)＝18.45GHz。这导致频谱效率约为(9.9533Gb/s)/18.45GHz＝0.54(bits/s)/Hz。在频谱效率约为0.54(bits/s)/Hz时，128个光学信道(每个承载10Gb/s)可以在19nm带宽被传输；或256个信道(每个承载10Gb/s)可以在38nm带宽内被传输，该两者均落在掺铒C带(Erbium C-band)内。因此，在这个例子中，可以通过选择11/2倍线速率B的信道间隔Δf来增加频谱效率。
根据总功率(即与偏振无关)，相邻光学信道的调制边带可能重叠。例如，与信道2相关联的下边带204-2可能和与与信道1相关联的上边带202-1重叠。同样，与信道3相关联的下边带204-3可能和与信道2相关联的上边带202-2重叠。由于这种重叠，所述传输的具有成对正交关系的信道在接收机处使用典型的不会造成接收损伤的过滤技术可能无法完全分离。
参照图3，根据本发明的一个实施例的示例性光学接收机300包括偏振控制，用于当发射具有成对正交关系的光学信道时改善信道选择性，如上所述的。接收机300可以包括从多个信道中选择至少一个感兴趣信道的滤波器310和用于最小化正交偏振(即与所选的信道相邻和正交的信道或信道的一部分)中的功率的偏振控制回路312。该滤波器310可以是光学带通滤波器，允许至少与感兴趣信道相关联的带通过，而防止其他波长通过，从而丢弃其他信道。接收机300还可以包括色散补偿级314用于在偏振控制回路312之前在所选择的信道的(多个)波长处提供色散补偿(dispersion compensation)。
偏振控制回路312可包括偏振控制器322(例如波片(waveplate)或电光偏振控制器)、偏振分束器324、光电转换器326、以及控制电路328。在由滤波器310选择的信道上所接收的光学信号302被传递给偏振控制器322，该偏振控制器在偏振分束器324之前旋转所述光学信号。该分束器324将所述光学信号分为具有不同偏振状态的第一和第二光学分量304、306。该偏振控制器322应定向(orient)所接收到的光学信号302以便所述第一光学分量304具有与所选的信道的偏振状态通常一致或相符合的偏振状态，所述第二光学分量306具有与正交于所选的信道的相邻信道的偏振状态通常一致或相符合的偏振状态。
所述第一光学分量304包括所选的信道，并被传递到光电(O/E(optical-to-electrical))转换器330用以将在所选信道上接收的光学信号转换为数据路径308上的电信号。在O/E转换器330之后，电信号可以被耦合至常规的检测和解码电路(未显示)，如同本领域技术人员所熟知的。所述第二光学分量306由O/E转换器326转化为电信号，并被传递到控制电路328。响应于电信号，控制电路328控制所述偏振控制器322以便所述第二光学分量306的功率被最大化，从而最小化在包括所选信道的第一光学分量304内的正交偏振的功率。通过最小化在第一光学分量304内的正交偏振的功率，所述偏振控制回路312最大化至数据路径的吞吐量，因为所选信道已经有效地与重叠的相邻频道相分离。因此，偏振控制回路312实际上“调零”与所选信道相邻的(多个)正交信道。如这里所使用的，术语“调零(null)”指的是最小化相邻正交信道中的功率，但并不一定要求所述功率最小化到零。
虽然示例性光学接收机300被配置用以选取一个信道，类似于光接收机300的其他接收机可被配置用以在多个多WDM信道内选择每个信道。本领域技术人员也可以认识到，接收机300的其他实施方式也是可能的。所述滤波器310例如可以作为解复用器的一部分来实现。所述色散补偿可以在接收机内部或接收机外部的其他位置被执行。本领域技术人员也将认识到，控制电路328可通过硬件、软件、固件或其任何组合得以实施。
参照图4，描述了用于调零相邻正交光学信道的系统400的另一实施例。该系统400可包括偏振选择单元420、至少一对信道滤波器440、442、至少一对光电转换器450、452和控制电路428。该系统400可以多个波长(λ1，λ2，...λN)处的光学信道上接收多路复用的光学信号402，所述多个光学信道在成对正交关系的情况下被发射，如上文所述。
所述偏振选择单元420被配置用以将所述光学信号402分离成正交信道的偏振状态。偏振选择单元420可包括偏振控制器422和偏振分束器424。该偏振控制器422根据从控制电路428接收到的控制信号旋转或定向光学信号402的偏振。所述偏振分束器424将所述光学信号分成具有不同偏振状态的第一和第二光学分量460、462。光学滤波器440、442分别接收所述第一和第二光学分量460、462，并在各自的光学分量460、462中选择相邻的信道(例如，位于波长λ1的信道和位于波长λ2的信道)。
所述滤波器440可以是例如干扰滤波器、光纤光栅(fiber Bragg grating)或具有与同一个信道(例如，位于波长λ1的信道1)相关联的特定波长或波长带相关的高传输特性以及具有与其他波长相关联的高反射特性的其他滤波器。同样，所述滤波器442可以是例如干扰滤波器、光纤光栅或具有与同相邻信道(例如，位于波长λ2的信道2)相关联的特定波长或波带相关的高传输特性以及具有与其他波长相关联的高反射特性的其他光学滤波器。
虽然一对滤波器440、442可用于两个相邻信道(例如，在波长λ1和λ2)，多对滤波器(未显示)可用于多对相邻信道(例如λ1和λ2，λ3和λ4，λ5和λ6，...)。系统400可包括IxN个耦合器430、432用于向与多对相邻信道相关的多对滤波器(未显示)分别提供第一和第二光学分量460、462。
该系统400可包括光学分接头(optical tap)470、472用于分接与所选择的相邻信道(例如，位于波长λ1和λ2的信道)相关联的相应经过滤的光学分量480、482的一部分(例如，约5-10％)。与相邻信道相关联的经滤波的光学分量480、482的其余部分被继续传递用于检测和解码。经滤波的光学分量480、482的所分接的部分被供应至相应的光电(O/E)转换器450、452。所述O/E转换器450、452(例如，光学探伤仪(photodector))将经滤波的光学分量480、482转换为对应的电信号490、492。来自O/E转换器450、452的电信号490、492被供应给控制电路428。所述控制电路428可包括例如差分放大器电路(differenceamplifier circuit)，用于接收电信号490、492以及生成误差信号494来控制偏振控制器422以便两个相邻信道(例如，位于波长λ1的信道和位于波长λ2的信道)的所检测的功率被最大化。
所述误差信号494会因此导致偏振控制器422被定向以便来自分束器424的光学分量460、462具有在成对正交关系下所发射的信道的所述第一和第二偏振状态一致的偏振状态。当所述两个相邻信道的所检测的功率最大化时，例如，分束器424生成具有与在图2所示的Y轴上的奇数信道的偏振状态相一致的偏振状态的第一光学分量460以及具有与在图2所示的X轴上的偶数信道的偏振状态相一致的偏振状态的第二光学分量462。因此，相邻正交信道(包括重叠调制边带)已经在每一个光学分量460、462中被有效地“调零”。由于每一个偏振状态内的相邻信道不重叠(例如，在图2中所示)，滤波器440、442可以选择所期望的感兴趣信道而不考虑相邻正交信道(例如，信道1，2，3，...N)之间的谱重叠。
图5显示了在信道1，2...N上的光学信号的相对强度，例如如同在滤波器440的输入侧的光学频谱分析仪(OSA)上所看到的一样。当所述相邻信道(例如，信道1和2之间)之间的相对强度差Δ被最大化时，相邻正交信道(例如，偶数信道)可能会被调零。在一个例子中，当Δ≌30dB时相对强度差可能被最大化。
根据可替代的实施例，用于调零相邻正交光学信道的系统可以控制偏振控制器而不把(多个)光学分量转换成电信号。(多个)光学分量中的相邻信道(如，信道1和2)的波长可以被检测(例如，利用OSA)以及相邻信道间的强度差可以被确定。所述偏振控制器可被旋转或控制(例如，使用硬件或软件)以便相邻信道间的强度差可以被最大化。
因此，根据本发明一个方面的光通信系统包括光发射机，其被配置用以生成具有成对正交关系的多个光学信道，以便第一光学信道子集具有第一偏振状态和第二光学信道子集具有与所述第一偏振状态正交的第二偏振状态。所述光发射机被配置用以生成位于不同波长的光学信道，所述光学信道具有信道间隔以便相邻光学信道的调制边带在所述第一和第二光学信道子集中的每一个内不重叠，以及以便相邻光学信道的调制边带在所述多个光学信道内重叠。所述光通信系统还包括光接收机，其被配置用以接收具有成对正交关系的多个光学信道中的至少一些，选择至少一个感兴趣信道，并检测感兴趣信道上的光学信号。光学传输路径可以耦合在发射机和接收机之间。
根据本发明的另一个方面，系统包括偏振控制器，其被配置用以在具有波长带的至少一个所选择的信道上接收光学信号，以及被配置用以定向所述光学信号的偏振状态。偏振分束器可以被耦合至偏振控制器并被配置用于将所述光学信号分为具有不同偏振状态的第一和第二光学分量。控制电路可以被耦合至偏振控制器和被配置用来控制偏振控制器以便在光学分量之一中与所选择的信道相邻的正交信道的功率被最小化。
根据本发明的又一个方面，方法包括：接收具有多个相关波长的多个光学信道，所述光学信道在成对正交关系情况下被产生；从多个光学信道中选择至少有一个感兴趣信道；最小化与至少一个感兴趣信道相邻和正交的信道的功率；和检测在所述至少一个感兴趣信道上的光学信号。
虽然上述是针对本发明的实施例，但其他以及进一步的实施例也可以不背离本发明的基本范围的情况下被设计，以及本发明的范围由以下权利要求确定。

Claims (20)

1.一种光通信系统，包括：
光发射机，其被配置用于生成具有成对正交关系的多个光学信道，使得第一光学信道子集具有第一偏振状态和第二光学信道子集具有与所述第一偏振状态正交的第二偏振状态，其中所述光发射机被配置用于在不同波长处以及以信道间隔产生所述光学信道使得相邻光学信道的调制边带在每一个所述第一和第二光学信道子集内不重叠，以及使得相邻光学信道的调制边带在所述多个光学信道内重叠；
光接收机，其被配置用以接收具有所述成对正交关系的所述多个光学信道中的至少一些，选择至少一个感兴趣信道，和检测在所述感兴趣信道上的光信号；以及
光学传输路径，其耦合在所述发射机和所述接收机之间。
2.如权利要求1所述的光通信系统，其中在所述多个光学信道内的光学信道之间的所述信道间隔是1/2 B步的奇数，其中B是所述发射机的线速率。
3.如权利要求1所述的光通信系统，其中在所述多个光学信道内的光学信道之间的所述信道间隔是1.5B，其中B是所述发射机的线速率。
4.如权利要求1所述的光通信系统，其中所述接收机包括偏振控制回路，其被配置用于在检测所述感兴趣信道上的所述光学信号之前调零与所述感兴趣信道相邻的正交信道。
5.如权利要求1所述的光通信系统，其中所述接收机包括：
偏振控制器，其被配置用于定向具有所述成对正交关系的所接收的光学信道的偏振；
偏振分束器，其耦合至所述偏振控制器以及被配置用于将所述接收到的光学信道分为具有不同偏振状态的第一和第二光学分量；以及
偏振控制电路，其被配置用于控制所述偏振控制器的定向，使得所述光学分量的所述偏振状态与所述第一和第二信道子集的所述第一和第二偏振状态相一致。
6.如权利要求5所述的光通信系统，其中所述接收机进一步包括至少一个滤波器，其被配置用于选择所述至少一个感兴趣信道。
7.如权利要求5所述的光通信系统，其中所述第一光学分量包括所述感兴趣信道，其中所述接收机进一步包括至少一个光电转换器，其被配置用于将至少所述第二光学分量转换成电信号，以及其中所述控制电路被配置用于响应于所述电信号提供控制信号使得所述第二光学分量的功率被最大化。
8.如权利要求5所述的光通信系统，其中所述接收机进一步包括一对滤波器，其被配置用于相应地接收和滤波所述第一和第二光学分量使得相应的相邻正交信道被选择。
9.如权利要求8所述的光通信系统，进一步包括一对光电转换器，其被配置用于从所述对的滤波器接收相应的经滤波的第一和第二光学分量，以及将所述经滤波的光学分量转换为对应的第一和第二电信号，其中所述控制电路被配置用于接收所述第一和第二电信号以及提供误差信号用以控制所述偏振控制器，使得在每个所述电信号中的所检测的功率被最大化。
10.如权利要求1所述的光通信系统，其中所述发射机进一步包括：
光源；
数据调制器，其光学耦合至所述光源；
振幅调制器，其光学耦合至所述数据调制器；
相位调制器，其光学耦合至所述振幅调制器。
11.一种系统包括：
偏振控制器，其被配置用于接收在具有波长带的至少一个所选择的信道上的光学信号，以及被配置用以定向所述光学信号的偏振；
偏振分束器，其耦合到偏振控制器并被配置用以将所述光学信号分为具有不同偏振状态的第一和第二光学分量；和
控制电路，其耦合到偏振控制器并被配置用以控制所述偏振控制器，使得与所述光学分量之一中的所述所选择的信道相邻的正交信道的功率最小化。
12.如权利要求11所述的系统，进一步包括滤波器，其被配置用于从多个信道中选择所述所选择的信道。
13.如权利要求11所述的系统，进一步包括至少光电转换器，其被配置用于将至少所述第二光学分量转换为电信号，以及其中所述控制电路被配置用于响应于所述电信号提供控制信号使得所述第二光学分量的功率被最大化。
14.如权利要求11所述的系统，进一步包括一对滤波器，其被配置用于相应地接收和滤波所述第一和第二光学分量，使得相应的相邻信道被选择。
15.如权利要求14所述的系统，进一步包括一对光电转换器，其被配置用于从该对滤波器接收相应的经滤波的第一和第二光学分量，以及将所述经滤波的光学分量转换为对应的第一和第二电信号，其中所述控制电路被配置用于接收所述第一和第二电信号以及提供误差信号用于控制所述偏振控制器，使得在每个所述电信号中的所检测的功率被最大化。
16.一种方法，包括：
接收具有多个相关波长的多个光学信道，所述光学信道在成对正交关系情况下被产生；
从所述多个光学信道中选择至少一个感兴趣信道；
最小化与所述至少一个感兴趣信道相邻和正交的所述信道的功率；以及
检测在所述至少一个感兴趣信道上的光学信号。
17.如权利要求16所述的方法，其中第一光学信道子集具有第一偏振状态和第二光学信道子集具有与所述第一偏振状态正交的第二偏振状态，其中所述光学信道在不同波长处并以信道间隔产生，使得在每一个所述第一和第二光学信道子集内相邻光学信道的调制边带不重叠，以及所述多个光学信道的相邻光学信道的调制边带重叠。
18.如权利要求16所述的方法，其中最小化与所述感兴趣信道相邻和正交的所述信道的功率包括：
定向所述感兴趣信道上的所述光学信号的偏振；
将所述感兴趣信道上的所述光学信号分为具有不同偏振状态的第一和第二光学分量；
控制所述光学信号的所述偏振的定向，使得所述不同偏振状态与具有所述成对正交关系的所述信道的第一和第二偏振状态相对准。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括滤波所述第一和第二光学分量用以选择相应的相邻信道。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括将经滤波的所述第一和第二光学分量转换为电信号，以及其中所述偏振的定向通过响应于所述电信号提供误差信号而被控制，使得偏振状态被定向用以最大化所述电信号的功率。
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