CN101841368A - 一种基于光参量放大器的全光色散监测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光参量放大器的全光色散监测器，包括半导体激光器、耦合器、光参量放大器、输出光滤波器、光功率计，所述半导体激光器发出低功率的连续探测光，所述连续探测光与所述信号光经所述耦合器合波后注入所述光参量放大器，所述光参量放大器基于一阶四波混频效应，该效应导致能量由信号光转移到探测波和闲散波，并输出指数型增益的探测波和闲散波，探测波和闲散波经过所述输出光滤波器后被所述光功率计测量。本发明具有响应速度快，灵敏度高，工作波段宽，对信号速率和调制格式透明的优点，可以应用于单信道速率100Gb/s以上WDM系统的色散监测，测量中无需高速的光电器件和信号处理电路，降低了器件成本。

Description

一种基于光参量放大器的全光色散监测器

技术领域

本发明涉及全光网络和超高速，超远距离和超大容量光网络技术领域。

背景技术

近年来为了满足不断增长的带宽需求，光纤通信网络发展迅速。单信道40Gb/s的WDM系统已经实现商用，而100Gb/s以上WDM系统的部署也势在必行。传输速率的提升使得色度色散（CD）取代损耗成为阻碍高速WDM系统发展的重要因素。以往采用的基于色散补偿光纤（DCF）的静态色散补偿方式已经很难满足高速光传输系统的发展。以NRZ编码的40G系统为例，典型的色散容限为60ps/nm/km，在如此小的色散容限下，环境温度变化造成的光纤链路色散变化和DCF色散补偿斜率误差都会导致系统接收端的残余色散值超出最佳范围，影响系统的接收性能。在动态可重构光网络中由于光分插复用（ROADM）器引起光路的重构，不同信道的链路积累色散值也会发生突变。因此即使采用DCF进行完善色散和色散斜率补偿也难以保证系统的性能。因此，对于朝着高速率、长距离和动态化发展的WDM系统而言，动态自适应色散补偿技术的研究及开发显得尤为必要。

为了实现自适应色散补偿必须对光信号色散进行准确的监测，从而为色散的补偿提供依据。目前已经提出了许多色散监测方法。这些色散监测方法可以分为三大类：一大类是基于光信号的电域分析；第二大类基于插入探测信号的分析；第三大类是全光色散监测法；第一大类以电信号的处理为主，例如信号射频频谱分析法，异步直方图评估法，电色散均衡法等等。一般需要首先对信号进行需要光电转换，再进行时钟提取，射频频谱分析，或者高速模数转换，其系统较为复杂，对于信道速率40Gb/s以上的高速WDM系统存在电子器件速率瓶颈限制的问题。第二大类是通过在信号发射端插入用于色散监测的信号，如幅度或相位调制的副载波，或者幅度调制的宽带自发辐射波，或者一不同于信号波长的连续探测波，通过在接收端监测这些附加信号的变化，实现对链路色散的监测。这类方法需要修改发射机的设计，因此与现有系统的兼容性较差。此外某些监测信号，如宽带自发辐射探测波的插入对光信号本身的传输也会造成影响。第三大类基于光信号波形的分析，以光域内的信号处理为主，因此称为全光色散监测技术。全光信色散监测技术相对于前两类技术，具有结构简单，成本低，兼容性好，不影响信号传输和无速率限制的优点。目前提出的全光色散监测技术一般基于光纤中的自相位调制（SPM），交叉相位调制(XPM)和级联四波混频（FWM）效应，以及半导体光探测器中的交叉相位调制和双光子吸收效应等等。这类非线性效应具有超快的响应时间，可以克服电子器件速率瓶颈的问题，仅需要低成本的低速光探测器和简单的信号处理就可以实现对高速光信号链路色散的监测，大大降低了器件成本。但是目前的全光色散监测方法也存在一些缺陷，如基于半导体双光子吸收的对于光信号色散的变化不够敏感，输出信号对比度低；基于级联FWM效应的需要较高的信号功率或者较长的介质光纤，造成系统功耗和体积较大；基于SPM和XPM效应的则需要窄带光滤波器，并针对不同的信号速率调整光滤波器中心波长，因此对信号速率不透明。为解决以上问题需要开发一种输出信号对比度高，功耗低，体积小，对信号速率和调整格式透明的全光色散监测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种全光色散监测器。它除了具备一般全光色散监测器的优点，还具有对信号速率和调制格式透明，工作波段宽，灵敏度高，输出信号对比度大，功率低和体积小的优点。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于光参量放大器的全光色散监测器，从主光路获得部分功率的信号光，包括半导体激光器、耦合器、光参量放大器、输出光滤波器、光功率计，其特征在于：所述半导体激光器发出低功率的连续探测光，所述连续探测光与所述信号光经所述耦合器合波后注入所述光参量放大器，所述光参量放大器基于一阶四波混频效应，该效应导致能量由信号光转移到探测波和闲散波，并输出指数型增益的探测波和闲散波，探测波和闲散波经过所述输出光滤波器后被所述光功率计测量。这样色散导致的信号峰值功率的变化将会以指数函数形式传输并体现在探测波和闲散波峰值功率上。因此当链路色散导致信号波峰值功率发生变化时，光参量放大器的增益也会发生指数型变化。具体来说当信号峰值功率较高时探测波和闲散波具有较高峰值功率和平均功率，而信号峰值功率较低时探测波和闲散波具有较低的峰值功率和平均功率。由于这种变化在一定色散区域内保持单调性，因此通过测量光参量放大器输出端探测波或闲散波的平均功率就可以实现对输入信号波色散的监测。

由于光参量放大器输入光的功率与介质非线性系数的乘积影响光参量放大器指数型增益效应，因此，提高光参量放大器输入光的功率可以增加光参量放大器指数型增益效应。作为改进，所述的全光色散监测器还包括光放大器，所述光放大器用于将所述信号光放大成泵浦光，所述泵浦光与所述连续探测光经所述耦合器合波后注入所述光参量放大器。

进一步改进的，所述的全光色散监测器还包括输入可调谐光滤波器，所述信号光首先进入所述输入可调谐光滤波器，所述输入可调谐光滤波器通过调节中心波长使得不同波长的信号光分别进入所述全光色散监测器。对应各种不同速率的输入信号，输出光滤波器中心波长始终对准探测波或闲散波中心波长，无需调整，因此色散监测系统满足对信号速率透明的要求。

为扩展色散监测的工作带宽，即对一定波段

内所有信道的链路色散进行监测，必须保证在输入信号波波长变化时，OPA的增益特性不会由于相位失配而偏离指数增益。所述光参量放大器满足如下特殊的规则优化相位匹配条件:

对于四阶色散系数较小因而可以忽略的介质波导，探测波的角频率为

Hz，其中,

为输入所述光参量放大器的信号光功率，为介质波导的零色散点角频率,

为三阶色散系数,为非线性系数。此时，本发明适用于对工作角频率带宽最大值为

Hz的主光路的色散检测。

对于四阶色散系数不能忽略的介质波导，探测波的角频率为

Hz，其中

为介质波导四阶色散系数，所述信号光经所述光放大器放大后的功率应满足

。此时，本发明适用于对工作角频率带宽最大值为

Hz的主光路的色散检测。

对于具有两个零色散点的介质波导，探测波的角频率为

Hz，其中

和

为这两个零色散点的角频率，所述信号光经所述光放大器信号放大后的功率应满足

，其中

为介质波导二阶色散系数。此时，本发明适用于对工作角频率带宽最大值为

Hz主光路的色散检测。

所述光参量放大器基于Kerr介质中的FWM效应，其工作介质可以是高非线性光纤、光子晶体光纤，三五族化合物波导或硅基波导等等高非线性介质。

基于上述特点，本发明具有对信号速率和调制格式透明，工作波段宽，灵敏度高，输出信号对比度大，功率低和体积小的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明具体实施的色散监测系统结构示意图。

图2为光参量放大器输入端和输出端光信号在频率轴上的分布示意图。

图3为色散监测器输入端和输出端光信号在时间轴上的分布示意图。

图4为针对信号码型为NRZ码，信号速率为40Gb/s的输入光信号仿真计算获得的输出光信号功率（单位为微瓦）随色散（单位为10ps/nm）的变化曲线图。

图5为针对信号码型为RZ码，信号速率为40Gb/s的输入光信号仿真计算获得的输出光信号功率（单位为微瓦）随色散（单位为10ps/nm）的变化曲线图。

具体实施方式

如图1所示的全光色散监测器包括：输入可调谐光滤波器TF，光放大器为掺铒光纤放大器EDFA，光放大器也可以采用SOA或其它光放大器，如半导体光放大器，在所需信号功率较低时光放大器也可省略；提供连续探测波的半导体激光器LD，光参量放大器OPA，输出光滤波器Filter和光功率计。波分复用WDM光信号通过光耦合器Coupler后，大部分光功率沿原路传输，一小部分光功率进入虚线框所示的全光色散监测器。TF控制输入色散监测系统的WDM信号波长，通过调节TF中心波长可以使得WDM信道逐一进入色散监测系统，并逐一进行色散测量。EDFA对进入的信号波进行放大，放大后的信号波和LD输出的连续探测波由光耦合器合波后进入OPA。根据上述规则选择具有合适色散特性的Kerr工作介质和探测波波长可以优化OPA的相位匹配条件，使得OPA获得指数型增益。这样色散导致的信号峰值功率变化将会以指数函数形式传输并体现在探测波和闲散波峰值功率上。在OPA的输出端采用输出光滤波器Filter滤出探测波或FWM产生的闲散波，并采用光功率计测量探测波或闲散波的功率，并根据色散与功率间的对应关系即可以测得信号波色散大小。

下面进一步描述本具体实施方式的信号光色散检测工作流程如下：

1)          光信号放大器EDFA或SOA，LD和PM启动并处于工作状态，外部控制系统控制TF中心波长，使得WDM系统信道i进入色散监控系统。

2)          信道i光信号经信号波放大器放大，作为OPA泵浦光和LD产生的连续探测光经由光耦合器合波后进入OPA。

3)          在OPA工作介质中泵浦光和探测光间发生FWM，泵浦光能量转移至探测光并产生新的闲散光。探测光和闲散光因此得到增益。OPA输出端探测光和闲散光功率由OPA增益大小决定。

4)          在OPA输出端，采用光滤波器滤出探测光或闲散光。

5)          用光功率计测量探测光或闲散光平均功率值大小，即可根据对应关系测得信道i光信号的色散大小。

6)          外部控制系统控制TF中心波长，使得下一个WDM系统信道进入色散监控系统。重复上述过程测量每个信道色散大小，直至所有信道色散测量完毕。

如图2所示，输入端2-(a)为经过光放大器放大的后信号波和探测波，输出端2-(b)为经过光参量放大器OPA得到指数放大的探测波，并产生的新频率的闲散波。

由图3可以看到由于OPA具有指数型增益，平均功率相同而峰值功率不同的信号波所对应的输出端探测波、闲散波的平均功率是不同的，其中3-(a)和3-(c)分别为不同色散条件下光信号的波形，其平均功率相同而峰值功率不同。3-(b)和3-(d)分别为输出端探测波、闲散波的波形，不同色散条件下不仅其峰值功率发生改变，其平均功率也不相同。探测波、闲散波的波形灰色区域面积代表平均功率大小。

如图4、图5所示为针对信号速率为40Gb/s、信号码型为分别为NRZ码、RZ码的输入光信号，仿真计算获得的单位为微瓦的输出光信号平均功率随色散单位为10ps/nm的色散变化曲线。在CD<40ps/nm的色散区域内这种变化呈现单调递增或递减趋势。因此，仅仅采用光功率计测量输出端光信号功率就可以测得输入信号色散的大小。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于光参量放大器的全光色散监测器，从主光路获得部分功率的信号光，包括半导体激光器、耦合器、光参量放大器、输出光滤波器、光功率计，其特征在于，所述半导体激光器发出低功率的连续探测光，所述连续探测光与所述信号光经所述耦合器合波后注入所述光参量放大器，所述光参量放大器基于一阶四波混频效应，该效应导致能量由信号光转移到探测波和闲散波，并输出指数型增益的探测波和闲散波，探测波和闲散波经过所述输出光滤波器后被所述光功率计测量。

2.根据权利要求1所述的基于光参量放大器的全光色散监测器，其特征在于，还包括光放大器，所述光放大器用于将所述信号光放大成泵浦光，所述泵浦光与所述连续探测光经所述耦合器合波后注入所述光参量放大器。

3.根据权利要求1所述的基于光参量放大器的全光色散监测器，其特征在于，还包括输入可调谐光滤波器，所述信号光首先进入所述输入可调谐光滤波器，所述输入可调谐光滤波器通过调节中心波长使得不同波长的信号光分别进入所述全光色散监测器。

4.根据权利要求2所述的基于光参量放大器的全光色散监测器，其特征在于，还包括输入可调谐光滤波器，所述信号光首先进入所述可调谐光滤波器，所述输入可调谐光滤波器通过调节中心波长使得不同波长的信号光分别进入所述全光色散监测器。

5.根据权利要求1至4之一所述的基于光参量放大器的全光色散监测器，其特征在于，所述光参量放大器满足如下特殊的规则优化相位匹配条件:

对于四阶色散系数较小因而可以忽略的介质波导，探测波的角频率为

Hz，其中,为输入所述光参量放大器的信号光功率，

为介质波导的零色散点角频率,

为三阶色散系数,

为非线性系数。

6.根据权利要求1至4之一所述的基于光参量放大器的全光色散监测器，其特征在于，所述光参量放大器满足如下特殊的规则优化相位匹配条件:

对于四阶色散系数不能忽略的介质波导，探测波的角频率为

Hz，其中

为介质波导四阶色散系数，所述信号光经所述光放大器放大后的功率应满足

。

7.根据权利要求1至4之一所述的基于光参量放大器的全光色散监测器，其特征在于，所述光参量放大器满足如下特殊的规则优化相位匹配条件:

对于具有两个零色散点的介质波导，探测波的角频率为Hz，其中和

为这两个零色散点的角频率，所述信号光经所述光放大器信号放大后的功率应满足，其中

为介质波导二阶色散系数。

Images