CN101917234B - 发送信息的方法、发送器、接收器以及光传输系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过非线性光通道上发送信息的方法，包括产生信息承载电信号的步骤(152)，所述信息承载电信号优选地是OFDM信号，所述信息承载电信号包括频域中的紧密相间的多个子载波。确定时变相位调制(154)，所述时变相位调制是与所述信息承载电信号相对应的发送光功率的第一函数，并且优选地是线性函数。对光源应用所述信息承载电信号和所述时变相位调制(156)，以便产生基本上具有所述发送光功率特性的对应的发送光信号。选择所述发送光功率的第一函数，以便减轻光通道的非线性对所述发送光信号的影响。

Description

发送信息的方法、发送器、接收器以及光传输系统
本申请是申请日为2007年12月20、申请号为200780050822.9(PCT/AU2007/001973)、发明名称为“光传输中的非线性补偿”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及光通信，具体而言，涉及用于生成、传输、检测和解码光信号以便对在光通道特别是光纤中存在的光非线性效应进行补偿的方法和设备，所述光非线性效应影响以高功率电平和/或在长距离上传输的信号的质量。
背景技术
在现代通信系统中广泛使用光传输，在光传输中，信息信号被调制到光载波上。具体而言，广域通信网络使用利用单模光纤的长距离传输链路来以非常高的比特率、利用一个或更多个光载波或者波长在每条光纤上传输数字信息。在需要某种形式的再生之前，数据可以在单模光纤中传输的距离可能受光衰减和/或各种色散机制限制。实用光放大器的出现基本上消除了损耗限制，特别是对于在约1550nm波长的第三光通信窗口中工作的系统而言，在这种系统中，掺铒光纤放大器是适用的。
此外，可以利用多种线性手段在传输系统中的任何方便点、在原理上以任何期望的精度来补偿线性色散过程，比如色度色散。例如，适用的色散补偿技术包括使用色散补偿光纤(DCF)和/或被选择和配置用以提供与传输光纤相反的色散特性的其他色散光元件。国际专利申请No.PCT/AU2006/001511涉及一种可以利用在光链路的发送和/或接收端的处理而在电域中执行的色散补偿方法，并且具体公开了一种利用数字信息的块编码、单边带光传输和结果产生的接收信号的频域均衡、以便提供在电域中对线性色散进行完全补偿的方法。该后一种手段是特别方便地使用用于电信号的编码和解码的正交频分复用(OFDM)方法来实现的。
虽然在大多数实际传输媒体中、特别是在石英玻璃中存在的光非线性的水平较低，但是在比如单模光纤这样的材料中形成的波导结构的芯中产生的光强度会很高。在长距离光传输系统中尤其如此，在长距离光传输系统中，在峰值光功率(即，在单模光纤芯内的强度)和整体系统成本之间有固有的折衷。具体而言，为了保持高的光信噪比，在系统中的每个光放大器的输入端，传播信号功率必须被保持在足够高的电平。通过将较高的光功率发射到在发送器的输出端的光纤段和每个放大器的光纤段中，可以增大放大器之间的间隔。但是，高发射功率的使用提高了光非线性效应，导致较高的光信号失真，这最终限制了所接收的信号的质量，因此最终限制了在必须检测、恢复和再生所述信号之前可以实现的最大传输距离。因此有益的是，减轻光纤非线性效应，以便可以减少在给定长度的传输链路内使用的光放大器的数量，并且/或者使得能够增大总的未再生传输长度。
补偿非线性传输损害通常比补偿线性过程比如色度色散更困难。尽管分布式线性过程可以被精确地建模为等效的集总组件(lumpedcomponent)，并且利用集总元件被补偿，但是分布式非线性过程通常不能被作为等效的集总组件，或者在系统内的单个点被精确地反转。尽管如此，在适当的情况下，这样的手段提供了有益的一阶近似，使得能够一定程度地减轻光非线性效应。但是，已经证明以前对应用这种思想的尝试是不实用的，在计算上困难的，并且/或者仅仅提供了所接收信号的质量的较小改善。
根据一种现有技术手段，已经提出通过基本上使用由具有负非线性系数的材料构成的集总元件来补偿非线性失真，这是对于使用DCF来补偿线性色度色散的一种模拟手段。遗憾的是，早已证明制造和部署使用具有所要求的非线性属性的材料的部件是不实际的。一种替选的现有技术手段是在电子前置补偿系统中实现等效的负非线性效应。这种手段的困难是最初需要确定有效的负非线性的所需要的特性。假设足够详细地了解了传输系统，包括所有的光纤段的特性和所发送的光功率电平，则有可能原则上计算对应的“反转”光纤模型的属性。计算机模拟技术因此可以用于通过所述反转的系统模型来传播所发送的光信号，由此，所计算的该模型的输出被用作真实系统的输入。这种手段受获得关于实际的传输系统的足够精确的信息过程中所固有的困难限制，并且也受建模所述反转系统的高计算复杂度限制。
因此，提出了对光非线性的预先补偿的简化手段。根据一种这样的手段，使用基带归零(RZ)调制格式来对所发送的光信号的每个比特应用恒定的光相移，其中，所述相移仅仅取决于两个相邻的比特。在另一种建议中，将简化的计算用于反转系统模型，仅仅利用传统的分步光纤传播模型的单个步骤以便表示至多两个光纤段。
其他现有技术的手段在传输系统的接收端使用了光非线性补偿。这些通常是使用非线性反馈系统的较为复杂的手段，或者使用响应于所接收的光功率而工作的光调制器，以便模拟负的非线性系数。
因此，仍然需要用于补偿长距离光传输系统中的非线性效应的其他替选和/或改进的方法和设备。非常期望开发新的技术，其避免需要部署昂贵的、特殊的和/或复杂的附加光部件，并且其使得能够在电域中在计算方面进行有效补偿。因此，本发明的目的是提供这样的方法和设备，或者至少减轻现有技术手段的上述缺陷中的一些。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种用于通过非线性光通道发送信息的方法，包括以下步骤：
产生信息承载电信号，所述信息承载电信号包括频域中的多个紧密相间的子载波；
确定时变相位调制，所述时变相位调制是与所述信息承载电信号相对应的发送光功率特性的第一函数；以及
对光源应用所述信息承载电信号和所述时变相位调制，以产生基本上具有所述发送光功率特性的对应的发送光信号，其中，选择发送光功率的所述第一函数，以便减轻所述光通道的非线性对于发送光信号的影响。
有益的是，由紧密相间的子载波构成的信息承载信号的使用导致频谱包括类似地紧密相间的子载波的对应光信号。可以理解，由于子载波通道的紧密堆积，由光通道的色散导致的在相邻子载波之间的延迟或者光传播速度上的差别基本上是可忽略的。虽然这可能加重在相邻的子载波之间产生的非线性过程效应，但是这也使得能够大大简化系统传播模型。特别是，通过忽略相邻通道之间的线性色散效应，可以仅仅使用通常的分步算法中的单个步骤来近似地对于系统建模。所述单个步骤仅仅对光信号应用相位调制，其中，瞬时相位是瞬时光功率的较为简单的函数。特别是，当“单个步骤”近似变得更精确时(例如在低光色散、小光信号带宽和/或光子载波的极端紧密堆积的条件下)，所述瞬时相位简单地与瞬时光功率成正比。
在最优选的实施例中，要通过非线性光通道发送的信息是数字信息，并且产生信息承载电信号的步骤包括：
将所述数字信息映射成一系列符号值，其中每个符号值对应于被调制到所述多个子载波之一上的数字信息的一个或更多个比特；以及
应用频率/时间变换以产生信号值的对应时间序列。
最为优选的是，根据正交频分复用(OFDM)方法来执行这个步骤。有益的是，用于产生适当的OFDM信号的方法和设备在电子通信领域中是良好地建立的，因此可以容易地用于本发明实施例中的部署。根据传统的OFDM技术，可以使用逆快速傅立叶变换(FFT)来应用所需要的频率/时间变换，由此，FFT的输入由要被调制到对应的多个子载波上的符号构成，并且输出是信号值的时域序列，其频谱包括频域中的多个紧密相间的子载波。
为了产生连续的、时变的、适合于对光源进行调制的信息承载信号，所述方法优选地还包括：执行从频率/时间变换输出的值的并行到串行转换以及所述信号值的串行序列的数字到模拟转换。
使用频率/时间变换比如根据OFDM手段的逆FFT的另外一个优点是，如果期望，则有可能另外包含用于补偿线性色散的频域均衡，所述线性色散比如是在光通道的发送和/或接收端的色度色散。在国际专利申请No.PCT/AU2006/001511中公开了用于执行这样的色散均衡的适当方法和设备，该国际专利申请因此通过引用被整体合并在此。
可以在电域中或者在光域中执行时变相位调制的应用。例如，在本发明的一些实施例中，对光源应用信息承载电信号和时变相位调制的步骤包括：首先，例如使用适当的光调制器来对光源应用信息承载电信号，随后，比如通过使所述光信号通过被应用了时变相位调制驱动信号的光相位调制器，对结果产生的光信号应用时变相位调制。
但是，在替选的和当前优选的实施例中，通过下述方式来执行对光源应用信息承载电信号和时变相位调制的步骤：通过首先对信号值的时间序列应用时变相位调制，并且例如使用适当的光调制器来对所述光源应用结果产生的调相信号。可以理解，可以在并行到串行转换之前，执行对信号值的时间序列应用时变相位调制，从而使得能够并行地并且因此以降低的处理速率来执行该信号处理功能。
在本发明的各个实施例中，可以使用不同的光调制格式。根据特别优选的实施例，所发送的光信号由具有完全被抑制的光载波的单光边带构成，其可以使用相干光检测技术在传输系统的接收端被检测到。可以使用专门的光IQ调制器来直接产生适当的光单边带被抑制的载波(OSS-SC)信号。或者，可以与适当的光滤波一起使用传统的强度调制，以选择用于传输的单边带，并且抑制所述光载波。
根据替选实施例，所述光载波可能未被全部抑制，并且可能完全被保留或者仅仅部分被抑制，使得可以在接收端使用非相干检测技术。如果在所发送的信号中完全或者部分地保留了光载波，则在确定要被应用到所发送的光信号的时变相位调制的过程中，可以可选地考虑光载波对于全部的所发送光功率的影响。此外，相位调制可以仅仅被应用到子载波上(例如在电域中)，或者可以被应用到子载波和光载波上(例如在光域中)。
如在前述段落中所概述的，本发明的实施例提供了一种用于预先补偿光信号以便通过非线性光通道发送的方法。根据本发明的优选实施例，也可以应用后置补偿(即在接收端的补偿)。在这样的实施例中，所述方法还包括以下步骤：
信号发生器，用来产生信息承载电信号，所述信息承载电信号包括频域中的多个紧密相间的子载波；
用于确定时变相位调制的部件，所述时变相位调制是与所述信息承载电信号相对应的发送光功率特性的函数；
光源，用于产生光载波；以及
至少一个调制部件，被布置用于对所述光载波应用信息承载电信号和时变相位调制，以产生基本上具有所述发送光功率特性的对应的发送光信号，
其中，选择所述发送光功率的函数以便减轻所述光通道的非线性对于所述发送光信号的影响。
有益的是，虽然单独的预先补偿或者后置补偿可以由于光传输通道中的光非线性效应的减轻而一定程度地改善接收信号的质量，但是预先补偿和后置补偿的最佳的或者近乎最佳的组合可以使得能够进一步改善接收信号的质量、提高最大放大器间隔和/或总的未再生的传输距离。
根据其中可应用传输系统模型的单个步骤近似的本发明的特别优选的实施例，光功率的第一和/或第二函数是线性函数，由此，所述时变相位调制由与瞬时发送或者接收的光功率成正比的相移构成。可以理解，与现有技术的方法相比，这表示特别简单的且在计算上有效的补偿函数。通过使用光功率的替选函数，比如多项式函数(例如二次函数)、结合存储器或者时延的函数以及滤波器类型的函数(其使得能够应用另外的函数，比如预加重)等，可以实现在光非线性的补偿方面的改善。
通常，非线性光通道由多个级联的光纤段构成，所述多个级联的光纤段之间布置有光放大器，以便提高在每个光纤段内的光信号功率以作为衰减补偿。在这种特定情况下，优选的是，将相移计算为在所有段上的、每个段的输入端的瞬时光功率乘以常数再乘以所述段的有效长度的和，所述常数是构成对应段的光纤的非线性属性的特征。有效长度的概念当应用于非线性传输时是本领域中公知的，并且与光纤损耗和段长度相关。通常，有效长度考虑非线性过程在将近每个段的输入端时更显著的事实，其中，在每个段的输入端中，光功率电平更高。当信号沿着段衰减时，非线性过程变得不那么显著。因此，光纤段的有效长度通常小于段的实际物理长度。
在给定传输链路中的所有段均相同的这种特别简单的情况下，相移可以被计算为所发送的光功率、所有光纤段的非线性属性的单个常数特征、所有光纤段的公共有效长度以及段的数量的乘积。
在任何情况下，不必精确地已知传输链路的实际特性，而是可以根据链路的近似表征来获得初始估计，然后可以通过改变结果值来“调谐”所述链路，直到实现最大接收信号质量。
更具体而言，在采用前置补偿和后置补偿的系统中，可以调整用于表征前置补偿函数(即，所发送的光功率的第一函数)和后置补偿函数(即，光功率的第二函数)的参数，以实现在前置补偿和后置补偿之间的实现了最高接收信号质量的最佳补偿划分。
在另一个方面，本发明提供了一种发送器，用于通过非线性光通道来发送信息，所述发送器包括：
信号发生器，用来产生信息承载信号，所述信息承载信号包括频域中的多个紧密相间的子载波；
用于确定时变相位调制的部件，所述时变相位调制是与所述信息承载信号相对应的发送光功率特性的函数；
光源，用于产生光载波；以及
至少一个调制部件，被布置用于对所述光载波应用信息承载信号和时变相位调制，以产生基本上具有所述发送光功率特性的对应的发送光信号，
其中，选择所述发送光功率的函数以便减轻所述光通道的非线性对于所述发送光信号的影响。
优选的是，所述信息是数字信息，并且所述信号发生器被配置用于将所述数字信息映射到一系列符号值，其中每个符号值对应于被调制到所述多个子载波之一上的数字信息的一个或更多个比特，并且所述信号发生器进一步被配置用于对所述系列的符号值应用频率/时间变换，以产生信号值的时间序列。
根据本发明的优选实施例，所述信号发生器包括数字电子硬件部件，并且也可以包括存储器装置，所述存储器装置包含由数字处理器执行以便实现所述信号发生器的功能的程序指令。具体而言，所述信号发生器可以包括数字信号处理器，所述数字信号处理器耦接到存储器装置，所述存储器装置包括由所述处理器执行的对应软件部件。
在特别优选的实施例中，所述信号发生器被配置用于按照OFDM方法来产生所述信息承载信号。所述信号发生器还优选地包括并行到串行转换器，用于将频率/时间变换器的并行输出转换为信号值的对应串行时间序列。所述信号发生器还优选地包括数模转换器，所述数模转换器被布置用于在其输入端接收信号值的时间序列，并且产生适合于驱动所述调制部件的连续时变的输出信号。
在优选实施例中，所述用于确定时变相位调制的部件包括数字硬件部件和/或包含由对应的处理器执行的软件指令的存储器装置，用于计算与所述信息承载信号对应的发送光功率特性的函数。但是，可以理解，特别是在所述时变相位调制具有简单的函数形式的实施例中，可以使用模拟电子部件和/或模拟和数字部件的组合来完整地或者部分地实现所述功能。
在本发明的特别优选的和在计算上有效的实施例中，所述调制部件包括数字调制部件，比如硬件或软件乘法器，所述数字调制部件被配置用于在数字域中对所产生的信号值的时间序列应用相位调制。这样的数字调制可以被应用到频率/时间变换器的并行输出，因此，在适当的硬件实现方式中，可以在计算上并行地执行调制，从而提高所述数字调制器可能的处理量。
在替选实施例中，所述调制部件可以包括光相位调制器，所述光相位调制器被布置用于在通过所述非线性光通道发送光信号之前，对所述光信号应用相位调制。
在本发明的当前设想的实施例中，所述至少一个调制部件还包括光调制器，所述光调制器被布置用于对光载波应用所述信息承载信号(有或没有预先在数字/电域中应用相位调制)。光通信领域中的技术人员可以理解，各种适当的光调制装置可用于执行这个功能。一种特别简单的布置涉及：将连续时变的电信息承载信号直接地应用到光源，比如激光二极管。但是，这种形式的直接调制通常涉及各种技术问题，包括调制带宽、频率响应以及输出光信号的啁啾(chirp)的限制。因此，在本发明中通常优选的是，采用外部光调制器，比如铌酸锂或者半导体Mach-Zehnder调制器、电吸收调制器或者其他专用类型的调制器，其中一些是特别有益的，如下所述。
特别方便的是，所发送的光信号仅仅包括单信息承载光边带。这可以通过下述方式来实现：使用专门调制器，比如在下面更详细地讨论的IQ调制器，或者通过使用产生双边带输出的光强度调制器，然后使用光滤波器或者类似的部件来滤去一个光边带。
所述调制部件也可以被布置用于全部地或者部分地抑制在所发送的光信号中的光载波。同样，可以使用专门的光调制器比如IQ调制器或者通过使用用于滤去光载波的光滤波器或者类似部件，执行载波抑制。由发明人迄今进行的仿真显示可以通过下述方式来实现非线性补偿方案的最佳性能：通过发送无对应的光载波的信号，并且优化非线性补偿以便产生基本上最佳质量的接收光信号。但是，使用完全被抑制的光载波来发送信号要求在接收端使用相干检测方法，还要求在接收器上提供频率稳定的光本地振荡器(比如另一个激光源)。因为这样的相干检测方案涉及额外的复杂性，在一些实施例中更为实用的是，在所发送的光信号内包括光载波，以便在接收器上不要求相干检测。由发明人迄今进行的模拟已经证明本发明的这样的实施例能够显著改善所接收信号的质量，尽管使用相干检测的优化的实施例可以提供进一步改善的性能。
根据发送器的特别优选的实施例，光调制器是IQ调制器，如上所述。作为“同相/正交”调制器或者“复数”调制器的IQ调制器包括两个电子驱动输入端，传统上分别被标识为I和Q。IQ调制器可以用于同时对光载波应用幅度和相位调制。具体而言，使用与信息承载信号值的复数值序列的实数部分相对应的电信号来驱动I输入端，而使用与信号值的对应虚数部分来驱动Q输入端。因此，在使用IQ光调制器的实施例中，信号发生器是数字信号发生器，所述数字信号发生器使用复数值的数字样本来工作，所述数字信号发生器产生由复数信号值的时间序列构成的输出。所述信号发生器因此可以包括双并行到串行转换器和/或数模转换器，用于独立地产生分别对应于信息承载信号的实部分量和信息承载信号的虚部分量的连续时变波形。所述双连续时变波形然后分别被应用到IQ调制器的I和Q输入端。因此，这样的实施例使得能够对被应用到光载波的幅度和相位调制进行完全的控制。取决于驱动IQ调制器的信号的配置，结果产生的光信号可以是单边带或者双边带的，并且具有或者不具有残余光载波。相位调制优选地被应用到电域中，更优选地被应用到数字域中，最为优选地是并行地被应用，以便最大化发送器的可能通过量。
在另一个方面，本发明提供了一种接收器，用于接收通过非线性光信道发送的信息，所述接收器包括：
光检测器，被布置用于检测与信息承载电信号相对应的接收光信号，所述信息承载电信号包括频域中的多个紧密相间的子载波，所述信息承载电信号已经被调制到光载波上并且通过非线性光通道被发送；
用于确定时变相位调制的部件，所述时变相位调制是与所述接收光信号相对应的接收光功率特性的函数；
至少一个调制部件，被布置用于对所述接收信号应用时变相位调制；以及
信号解码器，用于从结果产生的经相位调制的接收信号中恢复所发送的信息，
其中，选择所述接收光功率的函数，以便减轻光通道的非线性对于所述接收光信号的影响。
光通信领域中的技术人员可以理解，光检测器的最有益形式可以取决于所接收的光信号的特性。所述检测器可以包括例如PIN光电二极管或者雪崩光电检测器(APD)。根据需要，所述检测器可以被并入到直接检测系统、前置放大直接检测系统或者相干检测系统中。具体而言，如果所接收的光信号不包括光载波，则所述检测器必须包括本地光振荡器，比如适当的激光源，以提供接收信号的相干检测。在其他实施例中，如果所接收的光信号是包括双边带和光载波的传统的强度调制信号，则检测器可以要求光滤波器来在检测之前消除光边带之一，以便使得接收器中的在光检测器之后的电部件可以获得光信号的相关光相位信息。适合于对应的光发送器的多种不同实现的另外的检测器布置对于本领域中的技术人员是容易明白的。
根据优选实施例，所述接收器包括耦接到光检测器的输出端的模数转换器，所述模数转换器在其输入端接收连续时变电信号，并且在输出端产生所接收信号值的对应时间序列。所述接收器优选地还包括串行到并行转换器，用于将所接收的信号值的时间序列转换为对应的一系列并行值。所述接收器可以包含数字硬件和/或存储器装置，用于处理所接收的信号值，所述存储器装置包括由与其耦接的数字处理器执行的软件指令。
特别地，在优选实施例中，接收器包括：数字硬件和/或软件，被配置用于计算与所接收的信号相对应的所述光功率特性函数；以及数字调制部件，比如硬件和软件乘法器，被配置用于对所接收的信号值的时间序列应用结果产生的相位调制。有益的是，可以通过并行地对所接收的信号值应用相位调制器来提高接收器信号处理的处理能力和通过量。
优选地也使用接收器的数字硬件和/或软件来实现信号解码器，所述信号解码器优选地包括时间/频率变换器，用于将所接收的经相位调制的信号值转换为频域中的一系列对应的符号值。在优选实施例中，所述符号值的每个与通过非线性光通道所传输的数字信息的一个或更多个比特相对应。通常，所述非线性光通道也将呈现出比如由于色度色散而导致的线性色散特性，因此优选地例如根据在国际申请No.PCT/AU2006/001511中描述的方法和设备来对频域符号值应用对应的色散补偿。
根据接收器的优选实施例，信号解码器还用来在时间/频率变换和/或色散补偿之后恢复一系列经补偿的接收符号值，每个所述经补偿的接收符号值对应于原始发送的数字信息的一个或更多个比特。
在另一个方面，本发明提供了一种系统，所述系统包括根据本发明的前述方面的发送器和接收器，并且具有在它们之间布置的非线性光通道，用于从发送器向接收器传送光信号。在优选实施例中，所述非线性光通道包括多个光纤段，在所述多个光纤段之间布置有光放大器。
在特别优选的实施例中，所述系统包括前置补偿(即，在发送器的补偿)和后置补偿(即，在接收器的补偿)，以便减轻光通道的非线性对于所发送的光信号的影响。特别是，可以执行优化处理，以便识别所需要的要在发送器和接收器上应用的相位调制水平，以便与单独在发送器或者接收器上的补偿相比，提供基本上改善的整体非线性补偿。
但是，可以理解，可以仅仅使用前置补偿或者仅仅使用后置补偿来实现接收信号质量的改善，并且这样的布置也在本发明的范围中。特别是，已经发现前置补偿和后置补偿的相对益处取决于被应用到所发送的光信号的具体光调制格式，并且本发明的一个有益特征是在本发明的各个实施例中，可以使用多种布置来实现通过非线性光通道接收的信号的质量的改善，使得能够相对于信号质量的改善而折衷各种技术因素和成本考虑。
在另一个方面，本发明提供了一种用于通过非线性光通道发送信息的方法，包括以下步骤：产生信息承载信号，所述信息承载信号包括频域中的多个紧密相间的子载波；确定时变相位调制，所述时变相位调制是与所述信息承载信号相对应的发送光功率特性的第一函数；以及对光源应用所述信息承载信号和所述时变相位调制，以产生基本上具有所述发送光功率特性的对应的发送光信号，其中，选择所述发送光功率的第一函数，以便减轻所述光通道的非线性对于所述发送光信号的影响。
优选地，要通过所述非线性光通道发送的信息是数字信息，并且产生所述信息承载信号的步骤包括：将所述数字信息映射成一系列符号值，其中每个符号值对应于被调制到所述多个子载波之一上的所述数字信息的一个或更多个比特；以及应用频率/时间变换以产生信号值的对应时间序列。
优选地，根据正交频分复用(OFDM)方法来执行产生所述信息承载信号的步骤。
优选地，所述方法还包括以下步骤：检测通过所述非线性光通道传播之后的所述发送光信号，以产生对应的接收时变电信号；确定另一个时变相位调制，所述另一个时变相位调制是与所述接收信号相对应的光功率特性的第二函数；对所述接收信号应用所述另一个时变相位调制；以及从结果产生的经调相的接收信号中恢复所发送的信息，其中，选择光功率的所述第二函数，以便进一步减轻所述光通道的非线性对于所述发送光信号的影响。
优选地，所述光功率的第一和/或第二函数是线性函数，由此，所述时变相位调制由与瞬时发送或接收光功率成正比的相移构成。
优选地，执行对所述光源应用所述信息承载信号和所述时变相位调制的步骤，以便产生发送光信号，所述发送光信号基本上仅仅包括单光边带，其中光载波基本上被抑制。
优选地，执行对所述光源应用所述信息承载信号和所述时变相位调制的步骤，以便产生发送光信号，所述发送光信号至少包括光边带和光载波分量。
优选地，对所述光源应用所述信息承载信号和所述时变相位调制的步骤包括：限制所述发送光信号的带宽，以使得所述发送光信号的带宽基本上仅仅由单光边带和光载波分量构成。
优选地，所述方法还包括：对所述发送光信号进行光学滤波，以基本上消除与所述发送光信号的不期望有的光边带相关联的分量。
优选地，所述方法还包括：限制被应用到所述光源的所述时变相位调制的带宽，以便基本上防止不期望有的光边带的产生。
优选地，限制所述时变相位调制的带宽包括：应用模拟或者数字滤波器。
优选地，限制所述时变相位调制的带宽包括：从在确定所述时变相位调制的步骤中采用的所述光功率特性中排除所述光载波的影响。
优选地，执行对所述光源应用所述信息承载信号和所述时变相位调制的步骤，以便产生发送光信号，所述发送光信号至少包括光边带和光载波分量，并且其中检测步骤包括：对所述光信号进行光学滤波，以基本上消除与所述光信号的不期望有的光边带相关联的分量。
本发明的另一方面提供了一种发送器，用于通过非线性光通道来发送信息，所述发送器包括：信号发生器，用于产生信息承载信号，所述信息承载信号包括频域中的多个紧密相间的子载波；用于确定时变相位调制的部件，所述时变相位调制是与所述信息承载信号相对应的发送光功率特性的函数；光源，用于产生光载波；以及至少一个调制部件，被布置用于对所述光载波应用所述信息承载信号和所述时变相位调制，以产生基本上具有所述发送光功率特性的对应的发送光信号，其中，选择所述发送光功率的函数，以便减轻所述光通道的非线性对于所述发送光信号的影响。
优选地，所述用于确定时变相位调制的部件用来计算与瞬时发送光功率成正比的相移。
优选地，所述发送器被布置用于产生发送光信号，所述发送光信号基本上仅包括单光边带，其中所述光载波基本上被抑制。
优选地，所述发送器被布置用于产生发送光信号，所述发送光信号至少包括光边带和光载波分量。
优选地，所述调制部件包括调制器和光滤波器，其中，所述调制器被布置用于产生光信号，所述光信号包括光载波分量和两个光边带，并且所述光滤波器被布置用于基本上消除与不期望有的光边带相关联的分量。
优选地，所述用于确定时变相位调制的部件用来限制时变相位调制的带宽，以便基本上防止不期望有的光边带的产生。
本发明的另一方面提供了一种接收器，用于接收已通过非线性光信道发送的信息，所述接收器包括：光检测器，被布置用于检测与信息承载信号相对应的接收光信号，所述信息承载信号包括频域中的多个紧密相间的子载波，所述信息承载信号已被调制到光载波上，并且通过非线性光通道被发送；用于确定时变相位调制的部件，所述时变相位调制是与所述接收的信息承载光信号相对应的接收光功率特性的函数；至少一个调制部件，被布置用于对所述接收信号应用所述时变相位调制；以及信号解码器，用于从结果产生的经相位调制的接收信号中恢复所发送的信息，其中，选择所述接收光功率的函数，以便减轻光通道的非线性对于所述接收光信号的影响。
优选地，所述光检测器包括光滤波器，所述光滤波器被布置用于基本上消除所述接收光信号的与所述接收光信号的不期望有的光边带相关联的分量。
本发明的另一方面提供了一种光传输系统，包括光接收器和根据本发明的上述方面的发送器，并且具有在所述发送器和所述接收器之间布置的非线性光通道，用于从所述发送器向所述接收器传送光信号。
本发明的另一方面提供了一种光传输系统，包括光发送器和根据本发明的上述方面的接收器，并且具有在所述光发送器和所述接收器之间布置的非线性光通道，用于从所述发送器向所述接收器传送光信号。
优选地，所述接收器包括：光检测器，被布置用于检测与信息承载信号相对应的接收光信号，所述信息承载信号包括频域中的多个紧密相间的子载波，所述信息承载信号已被调制到光载波上并且通过非线性光通道被发送；用于确定时变相位调制的部件，所述时变相位调制是与所述接收的信息承载光信号相对应的接收光功率特性的函数；至少一个调制部件，被布置用于对所述接收信号应用所述时变相位调制；以及信号解码器，用于从结果产生的经相位调制的接收信号中恢复所发送的信息，其中，选择所述接收光功率的函数，以便减轻所述光通道的非线性对于所述接收光信号的影响。
优选地，执行优化处理以便识别要在所述发送器和所述接收器上应用的相位调制的所需要的水平，以便与单独在所述发送器或者所述接收器上的补偿相比，基本上改善整体的非线性补偿。
通过对本发明的优选实施例的以下说明，本发明的其他优选特征和优点将对于本领域中的技术人员变得明显，所述优选实施例不应当被认为是对在前述说明中或者在所附的权利要求中限定的本发明的范围的限制。
附图说明
参考附图来说明本发明的优选实施例，其中：
图1A示意性地图示了根据本发明的实施例的用于通过非线性光通道传递数字信息的系统；
图1B是图示通过图1A的系统实现的、用于通过非线性光通道发送信息的方法的流程图；
图2A和2B示出了与使用和不使用色散补偿的线性传输相对应的示例星座图案；
图3A和3B示出了根据本发明的实施例的与使用和不使用非线性前置补偿的非线性传输相对应的示例星座图案；
图4A、4B和4C是图示根据本发明的实施例的作为前置补偿有效长度参数的函数的接收信号质量的曲线图；
图5A、5B和5C示出了根据本发明的实施例的与具有和不具有非线性前置补偿和后置补偿的不同组合的非线性传输相对应的示例星座图案；
图6是图示根据本发明的实施例的作为前置补偿和后置补偿有效长度参数的函数的接收信号质量的曲线图；
图7是根据本发明的实施例的发送光信号频谱的示意图示；以及
图8是图示本发明的多个替选实施例的性能比较的模拟结果的曲线图。
具体实施方式
首先转向图1A，图1A示意性地示出了根据本发明的优选实施例的用于通过非线性光通道传递数字信息的系统100。虽然在此通过系统100来例示本发明，所述系统100使用正交频分复用(OFDM)来编码和调制数字信号以在光通道上发送，但是应当理解，本发明不限于该特定实施例。而应当是，本发明的实施例通常特征在于：信息承载信号的产生，所述信息承载信号当在频域中表示时包括多个紧密相间的子载波；时变相位调制的应用，所述时变相位调制是与信息承载信号相对应的发送光功率特性的函数；以及信息承载信号和时变相位调制在光源上的应用，以便产生对应的发送光信号，所述对应的发送光信号基本上具有由相位调制函数使用的发送光功率特性。根据本发明的实施例，用于改善接收信号质量的关键是选择发送光功率的函数，以便减轻光通道的非线性对于发送光信号的影响。
类似地，虽然系统100通常包括在发送端的经由相位调制的非线性补偿(即，前置补偿)和在接收端的经由相位调制的非线性补偿(即，后置补偿)，但是本发明的范围涵盖单独的前置补偿和后置补偿以及两者的各种组合，并且认识到在适当的情况下，可以实现前置补偿和和后置补偿的最佳组合。
示例系统100包括发送设备102和接收设备104，为了方便起见，所述发送设备和接收设备在此分别更一般地被称为“发送器”和“接收器”。
发送器102经由光通道106与接收器104通信，光通道106通常呈现出光的非线性和线性光色散，比如色度色散和偏振模色散。虽然在图1A中未示出光通道106的细节，但是设想在典型的实现方式中，光通道106由单模光纤的多个段构成，并且在多对段之间布置了光放大器比如掺铒光纤放大器，以便补偿单模光纤内的信号衰减。
在发送器102上，以串行格式在输入端108应用数字数据。输入的数字数据只是表示数字信息的二进制数字序列，以便经由光通道106发送，所述发送通常具有固定的数据率，例如10Gb/s。输入的数字数据在串行到并行转换器110中从串行转换为并行，所述串行到并行转换器110具有2N个输出端，其中，N是由发送系统100使用的特征块长度。一组映射单元112对并行输入的数据比特进行编码，以提供对应的一组经编码符号值。由映射单元110执行的操作有效地将一个或更多个数据比特“调制”到映射单元112的每个输出端上。在实施例100中，映射单元112具有2N个输入端和N个输出端，其中，数据比特对被映射到对应的4-QAM复数符号值上。也就是说，每个4-QAM符号值是复数，用于表示要被应用到所发送的信号的对应频率载波上的幅度和相位调制。但是，可以理解，可以等同地使用低阶或者高阶QAM映射方案，并且也可以将替选的映射方案用于输入数据的编码，所述替选的映射方案包括但是不限于OOK、ASK、PSK和FSK等。
发送器102还包括频率到时间变换装置114、并行到串行转换器118、双数模转换器120、122和IQ光调制器124。利用逆离散傅立叶变换(IDFT)来实现所述频率到时间变换装置114。如本领域中所公知的，可以利用数字电子硬件或者软件部件或者硬件和软件的组合来容易地提供IDFT，最为方便的是利用快速傅立叶变换(FFT)算法来容易地提供IDFT。
概括而言，所述串行到并行转换器110、映射单元112、IDFT 114、并行到串行转换器118以及数模转换器120、122一起组成信号发生器，所述信号发生器被布置用于产生信息承载信号，所述信息承载信号当在频域中表示时包括多个紧密相间的子载波，并且所述信号发生器可以更具体地被确定为实现OFDM调制方法。所述信号发生器的输出，即双数模转换器120、122的输出，是分别表示信息承载信号的实部和虚部分量(即，同相和正交)的时变波形。这些输出用于驱动IQ调制器114，根据优选实施例100的所述IQ调制器对光源比如用于产生输出光载波的激光器进行调制，以产生具有与所述信号发生器的信息承载输出相对应的同相和正交分量的光信号。
在发送器102中还包括一组非线性前置补偿单元116。可以理解，对前置补偿单元116的输入作为频率时间变换装置114的输出，由在时域中表示的复数信号值序列构成，虽然所述复数信号值序列在时域中以并行格式表示。非线性前置补偿单元116作为调制部件，用于对信号值序列应用相位调制。根据本发明，被应用到每个信号值的相位调制的水平通常是时变的，即可以对于每个单独的信号值不同。具体而言，被应用到特定信号值的相位调制是与所述信号值相对应的预期发送光功率的函数。可以理解，所发送的光功率将确定光通道106的非线性对于所发送信号的影响，因此，本发明的目的是规定相位调制函数的选择，所述相位调制函数当被非线性前置补偿单元116应用到所发送的信号值时，将减轻光通道的非线性对于所发送的光信号的影响，并由此改善由接收器104接收的对应信号的质量。可以理解，在给定IQ调制器114的已知特性、由此调制的光源的输出功率以及在从数模转换器120、122输出的电信号的幅度与输入的数字信号值之间的对应关系的情况下，任何给定信号值与对应的发送光功率之间的关系被完全确定。因此，在实现非线性前置补偿单元116以获得发送光功率的任何期望函数方面没有任何实际困难。
根据本发明的实施例，紧密相间的子载波，比如利用OFDM调制方法而产生的那些子载波，在光纤和其他光媒体中的传输期间，由于色散经历了在相邻通道之间的很小的相对走离。以前，这可能被认为是不利的，因为相邻通道之间的走离对于彼此具有最大的非线性影响，通常被理解为有助于减轻非线性失真。但是，现在认识到，在本发明的环境中，如果可以完全忽视相邻通道之间的走离，则可能至少在一阶上将光通道106近似为无色散，以便计算通道非线性的影响。忽视色散大大地简化了非线性均衡问题，因为对于整个传输段而言，传统上用于对色散非线性通道进行建模的常用分步算法缩小到单个步骤。该单个步骤同样在一阶上对传播信号应用与其瞬时光功率成正比的相位调制。因此，有可能通过非线性光通道106将通过应用相等和相反的(即，负的)相移而进行的理想非线性补偿近似为在传播中所期望的非线性补偿。因此，在本发明的至少优选实施例中，由非线性前置补偿单元116应用的相位调制只是与发送的光功率成正比的相移，所述发送的光功率与被应用了相位调制的信号值相关联。
可以理解，由与光功率成正比的相移构成的相位调制特性对于计算和应用而言是简单和有效的，每个步骤仅仅需要单次相乘。与现有技术的电子补偿技术相比，本发明的实施例大大简化并改善了计算效率，而所述现有技术的电子补偿技术要求完整的色散和非线性传输链路的详细和计算上昂贵的建模。事实上，虽然许多现有技术方法需要大量的前置计算来使得能够进行非线性传播的补偿，但是本发明的实施例容易实现，它们能够在进行中执行所有需要的计算。应用非线性补偿的成本可与应用色散均衡的成本相当，并且比由系统比如频率/时间变换装置114执行的其他操作在计算上廉价得多，其中，可以使用现有技术容易地实现全部所述其他操作。
因此，可以理解，虽然当前优选实施例仅仅使用简单的相移来进行非线性补偿，但是仍然有相当大范围的更复杂的相位调制函数可以应用，同时仍然保持较低的计算复杂度。例如，除了在此描述的光功率的简单线性函数，也可以使用高阶多项式函数比如二次函数，以便改正线性相位调制方法所基于的一阶近似的缺陷。相位调制函数也可以包括滤波函数，用于提供取决于频率的预加重，例如时延，以允许非线性传输系统内的有限时间常数等等。应当理解，所有这样的改进和改善均在本发明的范围内。
如上所述，示例系统100内的发送器102使用IQ调制器124来提供对光源的独立的同相和正交调制。在发送器102内，IQ调制器124被配置用于产生输出光信号，所述输出光信号由单个光边带构成，其中光载波被基本抑制，即，出于所有实用目的考虑，不存在载波。这种信号要求使用相干接收器，这将在以下更详细描述。但是，本发明不限于这种形式的调制，应当理解，在接收器104上最后检测的光信号的重要特性是同相和正交相位信息应当在检测后被保存到电域中。可以利用具有或者不具有光载波或者具有抑制的载波的单边带调制来实现这一点，并且在不发送载波的情况下在接收器要求本地光振荡器。可以像在本实施例中那样使用IQ调制器来产生单边带信号，或者使用其他形式的多电极调制器、或者仅仅通过使用传统的强度调制器与适当的光滤波装置相结合地来产生单边带信号。这样的调制方法的实现和操作容易为光通信领域中的技术人员所获得，并且以下参考图7和8来说明选择不同形式的调制对于本发明实施例的操作的影响的进一步细节。
示例系统100的接收器104包括与本地光振荡器组合的相干检测器126，以检测所接收的光信号并将其解调到电域中的预定频率范围，其中相干检测器126通常包括光电检测器比如PIN光电二极管，所述本地光振荡器比如是与在发送器上提供的激光源类似的激光源。检测设备126可以包括适当的射频(RF)部件，比如振荡器和混频器，用于提取所检测的信号的同相和正交分量。或者，可以通过下述方式来在光域中在检测设备126内执行同相和正交分量的提取：通过使用适当的光学器件(比如集成的波导分束器和合束器)以便将所接收的信号与本地振荡器的对应的同相和正交分量在相应的第一和第二光电检测器上相组合，以产生对应的同相和正交射频分量。
正交时变信号分量被输入到模数转换器128、130，以产生时域中的对应采样信号值序列。串行到并行转换器131将时间样本的串行序列转换为对应的复数值的并行序列。在串行到并行转换之后，在接收器104中可选地包括一组非线性后置补偿单元132，其功能在下面更详细地描述。时间到频率变换装置134作为频率到时间变换装置114的逆，产生频域中的对应的一组接收符号值。所接收的一组符号值被输入到色散均衡单元136，色散均衡单元136对每个符号值应用适当的相移，以便补偿光通道106的依频率而定的色散。在较早的国际申请No.PCT/AU2006/001511中公开了色散均衡方法和设备的操作。去映射单元138将映射单元112的映射功能(即，在优选实施例100中的4-QAM映射)反转，以产生对应的数字信息比特的并行序列。并行到串行转换器140在输出端142将所述比特转换回串行格式。
在系统100的理想的、无错误的操作中，在接收器104的输出端142出现的比特与被应用到发送器102的输入端108的比特相同。可以理解，即使利用了对光通道106的非线性和色散的补偿，在任何实际实现中仍然可能出现信息传输中的错误。例如，在电子和光传输路径中的噪声处理可能最终导致在由去映射单元138实现的判定处理中的错误。另外，非线性补偿和/或色散补偿可能不完全。虽然在图1A中未示出，但是可以理解，在实际的实现方式中，可以应用比如前向纠错(FEC)的技术以便减轻或者完全消除数据传输中的错误。因此，由系统100例示的传输系统不必是完美的，只要实现可接受的错误率，该错误率足够低以便使得FEC方法能够恢复出原始信息。这样的技术在数字通信领域中是公知的，因此在此不再赘述。
非线性后置补偿单元132以与非线性前置补偿单元116类似的方式工作。同样，目的是通过对所接收的信号样本值应用适当的相位调制而减轻在光通道106中的非线性传播效应。所应用的相位调制通常是被发送到传输通道106的每个段中的光功率的函数，其中，在假定已知(在任何实际系统中可以获得)发送器102的特性的情况下，所述光功率可以容易地从对应的信号幅度推断出来。可以根据无色散传输的一阶近似来应用与所接收的光功率成正比的相移(其继而被假定与所发送的光功率成正比)。如果需要，对于发送器102中的前置补偿，可以使用接收光功率的更复杂的函数来确定所应用的相位调制。
具有系统100中所示的形式的发送器102和接收器104表示本发明的一种特别方便和优选的实现方式。具体而言，在电域中，更具体而言在数字域中执行大多数信号处理。因此，可以使用以适当的软件编程的通用数字信号处理硬件和/或用于执行特定操作(比如频率/时间和时间/频率变换)的专用数字部件来提供所需功能中的绝大多数。但是，可以理解，实施例100不是可能的唯一实现方式，本领域中的技术人员将容易明白多种变化。具体而言，可以理解，相位调制被应用到信息承载信号，并且这在时域中有效地进行。因此，例如利用在IQ调制器124之后布置的光相位调制器，可以等同地将相位调制直接应用到在已经向光载波上调制信息承载信号之后的光信号。作为另一个示例，通过将从数模转换器120、122输出的信号与输入到IQ调制器124的适当的相位调制信号组合，可以与信息承载信号同时地应用必要的相位调制。这些替选方式意欲是示例性的，并且可以理解，其他的变化形式也是可能的。
在图1B的流程图150中图示了根据本发明的实施例并且由系统100实现的用于通过非线性光通道发送信息的总体方法。在步骤152，产生信息承载信号，所述信息承载信号优选地是OFDM信号，所述信息承载信号包括频域中的多个紧密相间的子载波。在步骤154，计算时变相位调制(即，前置补偿相位调制)，所述时变相位调制是与信息承载信号相对应的发送光功率特性的第一函数，优选地是线性函数。在步骤S156，OFDM信号和计算出的前置补偿相位调制特性被应用到光载波上，以产生对应的发送光信号，所述发送光信号在步骤158经由非线性光通道比如光纤而被发送。
在步骤160，检测从非线性通道接收的光信号。在步骤162，计算时变相位调制特性，所述时变相位调制特性是与所接收的光信号相对应的光功率特性的第二函数。该另一个时变相位调制特性也被称为后置补偿相位调制，同样优选地是所接收的光功率的线性函数。在步骤164，后置补偿相位调制被应用到所接收的信号。在步骤166，从结果产生的信号恢复所发送的信息。
虽然在流程图150中图示的总体方法包括对所发送的光信号的前置补偿和后置补偿，但是可以理解，在本发明的各个实施例中，可以执行前置补偿、后置补偿或者这两者。因此，在一些实施例中，可以省略前置补偿步骤154或者后置补偿步骤162、164。
已经进行了多次计算机模拟，以便估计示例系统100的有效性。这些模拟已经被应用到建模由多个光纤传输段构成的系统，为了简单，每个光纤传输段被假定为相同，其中，光放大器被布置在相邻段之间，以补偿前一个段的损耗。在每个段的输入端的瞬时时变光功率被指定为P(t)，而每个段的特征在于非线性参数γ以及另一个参数Leff，该非线性参数γ取决于其非线性系数、有效横截面积和工作波长，该参数Leff是段的有效非线性长度。光纤段的总数量被指定为符号S。因此，对于初步近似，要应用的以便补偿光通道106内的非线性传播的相移幅度被给定为γP(t)LeffS。
原理上，有可能从光纤段的测量属性确定常数γ和有效长度Leff的值，但是实际上，这可能是困难的和/或者在计算上效率低的。在至少优选的实施例中，本发明的一个独特优点是这些参数的精确预确定不是必需。相反，根据光纤段的公知属性来对参数γ进行合理估计、然后使用有效长度Leff作为“自由参数”就足够了，所述有效长度Leff可以在任何给定系统中改变以便优化所接收信号的质量。因为光通道106的非线性属性通常不是时变的，并且当然不是快速时变的，因此，在建立传输链路时的单次优化和/或较为不频繁的定期优化足以保持近乎最佳的接收信号质量。在以下更详细地描述的模拟结果说明了这种优化处理的可能的稳定性。
图2A、2B、3A、3B、4A、4B和4C涉及系统100的计算机模拟，其中，仅仅在发送器102中应用了光非线性的前置补偿。在接收器104内不包括对非线性的补偿。但是，在接收器104中提供了对色散的完全补偿。在使用4-QAM的5GHz的光带宽中给定512个OFDM载波，在块长度为124比特的情况下，模拟的数据率是每秒10Gb。光通道106包括50个未补偿的光纤段，每个光纤段的长度为80km，从而提供了4,000km的总传输距离。光纤损耗是0.2dB/km。每个光纤段之间的光放大器补偿16dB的光纤损耗，并且为了更清楚地说明本发明的有效性，假定理想的无噪声放大器。还假定放大器工作在输出功率受控模式中，以便保证对于每个80km光纤段有相同的输入功率。
图2A和2B示出了与无噪声线性传输(即，在模拟中禁止放大器噪声和光纤段的非线性)相对应的示例星座图案。图2A示出了所接收的没有色散补偿的4-QAM星座，其中，已经将QAM符号“涂抹(smear)”到从光纤色散直接向电子相位误差的转换所产生的圆周中。在色散均衡单元136中的适当的相位补偿特性的应用产生图2B中所示的星座图案，图2B图示了色散均衡提供完美恢复所发送的QAM星座的能力。
图3A和3B示出了与非线性传输(即，充分模拟在光纤段内的所有非线性过程)相对应的示例星座图案。在图3A中，示出了在发送器102中没有非线性前置补偿的情况下所接收的QAM星座。在所述星座的每个点上的符号由于非线性传输失真而被分散到相邻的符号区域中。显然，在这种情况下，发送信号的可靠恢复是不可行的。接收电子信号的质量Q是2.47，Q被定义为符号与相关轴的平均距离的平方除以对应的方差。在图3B中，示出与同一系统相对应的实现了非线性前置补偿的星座图案。在这种情况下，在每个QAM星座点上的符号清楚地成簇，并且是可辨别的。已经利用针对每12km的段的有效长度计算出的相移应用了补偿，每12km的段的有效长度被发现对于在模拟中使用的特定输入功率和色散而言最大化了Q。在这种情况下，Q是12.48，其当与FEC组合时足以实现低的误比特率。
图4A、4B和4C是图示了作为前置补偿有效长度参数的函数的接收信号质量的曲线。图4A中的结果对应于具有2ps/nm/km的色度色散的传输光纤。图4B中的结果是针对具有6ps/nm/km的色散的光纤，而图4C中的结果是针对具有16ps/nm/km的色散的光纤(大致等同于标准的单模光纤)。根据在每个图中包括的相应的图例，在每个图中的不同曲线对应于不同的输入功率。在每种情况下的x轴是以公里表示的每段的有效长度，而y轴是接收电子信号质量Q。
可以预期，在每种情况下，对于较低的输入光功率获得优良的接收信号质量，对于较低的输入光功率而言，光非线性的总的影响不重要。但是，在所有情况下，通过应用非线性前置补偿可实现接收信号质量的实质改善。值得注意的是，对于较高的发射光功率而言，有效长度参数的最佳值趋向于较低，推测起来，这反映了下述事实：最强的非线性交互发生在光纤段的输入部分中，在这里总的光功率是最大的。在所有情况下，曲线具有较为平滑的峰值，显示在较宽范围的有效长度参数的值上可以获得近乎最佳的接收信号质量，因此该参数的精确确定和保持不关键。
现在转向图5A、5B、5C和6，它们示出了与第二组模拟相对应的结果，在第二组模拟中，接收器104包含非线性后置补偿单元132。这些另外模拟的参数与如上所述的模拟相同，除了光通道106现在仅仅由25个80km的段构成，总共2,000km。对于图5A、5B和5C中所示的结果，光纤色散是6ps/nm/km，并且每个光纤段的输入功率是-1dBm。对于图6中所示的结果，光纤色散是16ps/nm/km，并且每个光纤段的输入功率是-2dBm。
图5A、5B和5C示出了与具有和不具有非线性前置补偿和后置补偿的不同组合的非线性传输相对应的示例星座图案。具体而言，图5A示出了无补偿(十字)与仅仅前置补偿(圆圈)之间的比较。很清楚，通过应用前置补偿而显著减少了星座的点的分散，并且事实上，当应用前置补偿时，Q的值从1.9dB提高到8.7dB。
图5B示出了在接收器104中当不应用补偿时和当仅仅应用后置补偿时获得的星座的比较。同样，没有补偿的符号值由十字表示，而经补偿的符号值由圆圈表示。单独的后置补偿导致Q的值从1.9dB上升到6.4dB。因此显然，单独的前置补偿优于单独的后置补偿。
图5C示出了当应用前置补偿和后置补偿两者时的对应的未补偿(十字)和经补偿(圆圈)的星座。在这种情况下，Q值从1.9dB提高到14.4dB，因此显然，前置补偿和后置补偿的最佳组合优于单独的前置补偿或者后置补偿。
图6示出了说明标准单模光纤的接收信号质量(Q)的一系列曲线，所述接收信号质量作为前置补偿和后置补偿有效长度参数两者的函数，所述标准单模光纤具有16ps/nm/km的色散，并且每个段的输入功率为-2dBm。图6中的每个曲线表示特定水平的前置补偿，其对应于特定的前置补偿有效长度参数，如在图例602中所示。该图的x轴是后置补偿有效长度参数，而y轴是以dB表示的接收Q值。最低曲线604仅仅针对后置补偿，而通常提供最佳的整体信号质量的最上曲线606对应于10km的前置补偿有效长度参数。对于10km的前置补偿和8km的后置补偿(点608)，在图6的多个曲线中出现图示的前置补偿和后置补偿的最佳组合。但是，可以理解，所述曲线示出了使用2km递增量的有效长度参数，更详细的优化发现，当前置补偿和后置补偿有效长度参数两者均被设置为8.5km时，实现最佳性能。在这种情况下，对应的Q值是10.9dB，相比图6中图示的近似最佳值，其不算是显著改善。同样，模拟结果证明有效长度参数的精确优化对于获得从根据本发明的非线性补偿的使用可获得的大多数益处而言不是必要和关键的。
与如上所述的前置补偿和后置补偿相关的结果涉及在图1A中图示的示例系统100。如先前所述，这个示例系统使用IQ调制器来产生没有光载波的单边带发送信号，并且还在接收器上使用相干检测。在这种情况下，模拟结果显示利用近似相等量的前置补偿和后置补偿实现了最佳性能。但是，不应当假设这个结果适用于使用替选的光调制格式的系统中。由发明人进行的另外的模拟指示，例如，包括单光边带和光载波分量的发送光信号呈现出不同的最佳补偿配置，所述包括单光边带和光载波分量的发送光信号使得能够简化接收器上的光检测。在这样的实施例中，根据光载波中的功率是否被包括在相位调制函数的计算中和是否载波本身与紧密相间的子载波一起被相位调制(即，在光域中)，或者如果仅仅子载波被相位调制(例如在电域中)，可以获得不同的结果。迄今执行的模拟显示在这些实施例的至少一些中，单独的前置补偿优于单独的后置补偿，并且也优于前置补偿和后置补偿的任意组合。因此，重要的是应理解，所有这样的实施例在本发明的范围内，并且对于任何给定的实施例，可以使用在此所述的原理和技术来达到前置补偿、后置补偿和/或前置补偿和后置补偿两者的组合的最佳水平。
而且，可以有益的是，在本发明的那些使用各种替选调制格式的实施例中执行信号的附加处理和/或滤波。具体而言，发送包括发送光载波分量的信号的显著益处是不需要相干接收器(即，包含本地光振荡器比如激光器的接收器)，并且可以使用更简单的直接检测类型的接收器。但是，如现在将参考图7所述，在所发送的信号中包括光载波可以导致产生不期望有的失真分量，可以通过使用另外的处理和/或滤波步骤和部件来减轻所述失真分量的影响。
图7是与具有光载波702的信号和由紧密相间的子载波组成的单边带704相对应的发送光信号频谱700的示意图示。对这样的信号应用相位调制和/或经由非线性通道比如光纤传输信号可以导致产生各种失真分量。
具体而言，图7的频谱700中图示了5组失真分量706、708、710、712、714。第一失真分量706由子载波704之间的非线性混合导致。可以在发送器上的相位调制过程(即，前置补偿)中产生这些分量，在这种情况下，它们理想地在通过非线性光通道的传输过程中基本上被消除。失真分量706是在没有光载波702的情况下存在的唯一分量。
失真分量708(可通过使用频谱700中的开放箭头与子载波704和失真分量706区分开)由载波702和子载波704之间的非线性混合导致。由于失真分量708与子载波704重合，因此在前置补偿和/或后置补偿计算中，可能最初看起来理想的是包括载波，并因此包括失真分量708。在这种情况下，理论上有可能减轻失真分量708对于期望的信息承载子载波704的影响。但是，载波702和子载波704之间的非线性混合还产生失真分量710，失真分量710是在替选的边带中的失真分量708的“像”。如果在被检测的信号中存在像分量710，则像分量710也与载波702混合，以产生在电域中的对于接收子载波704的干扰。但是，由于传输光纤内的色散，在组708的每个失真分量及其在组710内的像之间将存在取决于频率的相移。结果，将存在对应的非线性干扰分量的取决于频率的“衰减”，该衰减不会被正确地补偿。因此，非线性传播和色散的组合使得失真分量710的发送和/或接收不理想。
失真分量712、714是从子载波704与由载波702和子载波704之间的非线性混合产生的主要失真分量708、710之间的混合引起的次要非线性混合产物。因此，显然，功率频谱700的整体带宽取决于在所发送的信号中是否存在载波702。具体而言，如果存在载波702，则所发送的信号的整体带宽基本上更大，因为在没有载波702的情况下，唯一存在的分量是子载波704和失真分量706。
如上所述，由于非线性传播和色散的相互作用，失真“像”分量710的存在被认为是特别不期望的。因此，优选的是，在本发明的一些实施例中避免失真分量710的产生和/或发送，以便最大化整体系统性能。这由图8中所示的曲线图800示出，所述曲线图800包括比较本发明的多个替选实施例的性能的模拟结果，其中，光载波702与信息承载子载波704一起被发送。
曲线图800描述了在采用子载波的系统中的、作为相应子载波频率的函数的每个子载波的信号质量，所述子载波在5-10GHz的范围内。曲线图800的水平轴是以GHz表示的相对于光载波的子载波频率。竖直轴是以dB为单位测量的信号质量Q。轨迹802表示在没有对非线性传播效应的任何补偿的情况下的系统性能。轨迹804表示当执行了前置补偿、但是未采取步骤来消除不期望有的像失真分量710时的系统性能。可以看出，由在传输光纤中的色散引起的取决于频率的相移导致在子载波的范围内的信号质量上的“纹波”。具体而言，由于光纤色散，具有与纹波中的波谷相对应的频率的子载波呈现出特别差的性能。
在各个当前所考虑的实施例中，可以使用不同的技术来减轻光纤色散对于根据本发明的包括前置补偿的系统的性能的影响。根据一种布置，在发送器上使用光滤波器，以便基本上消除与未使用的光边带相关联的像分量710。使用这种手段的对应结果由轨迹806表示，其中，基本上不存在轨迹804中的明显纹波。但是，可以注意到，虽然对于被影响最严重的子载波而言，轨迹806与轨迹804相比显示出改善的性能，但是对于未被色散不良影响的那些子载波，即对应于轨迹804的纹波的“波峰”的那些子载波，在性能降级也是明显的。其原因是在发送器上光学地消除像分量710必然也消除了对于在载波702和由那些像分量表示的子载波704之间的传输期间的非线性相互作用的影响而言，经由前置补偿成功地补偿的可能性。但是，可以理解，如上所述，后置补偿在这一点上可以导致一些另外的改善。
已经注意到，光学滤波限制了对载波702和子载波704之间的非线性相互作用进行补偿的能力。另一种替选手段因此是在计算前置补偿信号过程中不尝试包括载波和子载波之间的相互作用。这可以通过下述方式而实现：通过将光载波从对应于用于计算时变(前置补偿)相位调制的信息承载信号的光功率特性中排除，或者通过将相位调制波形的带宽限制到等同于子载波频带的总带宽。例如可以通过应用适当的数字或者模拟滤波器来实现相位调制波形的带宽限制。曲线图800中的轨迹808图示了使用这些手段中的任何一种的结果。可以看出，在这种情况下的性能类似于通过在发送器上使用光滤波器而实现的性能(轨迹806)，但是具有实现起来基本上更简单的优点，特别是如果在数字域中执行。
最后，曲线图800还以轨迹810图示了通过在接收器上使用光滤波器而实现的性能。在图形800中所比较的实施例中，这种手段具有最佳的性能，这是因为在这种布置中，从在通过非线性光通道的载波和子载波的传播之前的前置补偿的应用获得最大的益处，所述前置补偿解决在载波和子载波之间的非线性相互作用。
总之，曲线图800中的结果图示了对于仅仅使用前置补偿的直接检测系统，通过在接收器上包括光滤波器以便消除所接收的像失真分量710，来实现最佳的结果。这种手段的可能缺点是对应的光滤波器要求精确地位于载波702和不想要的像分量710之间的很陡的截止部分，这在实践中的实现可能困难和/或昂贵。因此，在许多情况下，设想在发送端使用电带宽限制可能更实用和有益，因为相对容易实现。另外，在发送端使用带宽限制减少了数模转换器所需要的带宽和其他电子部件。
本领域中的技术人员也将容易明白，本发明的许多改型是可能的，并且本发明不限于在此所述的具体实施例，而是通过所附的权利要求来限定本发明的范围。

Claims (25)

1.一种用于通过非线性光通道发送信息的方法，包括以下步骤：
接收数字数据输入序列；
产生信息承载电信号，所述信息承载电信号包括频域中的多个紧密相间的子载波，并且所述信息承载电信号对所述数字数据输入序列进行编码；
产生时变非线性前置补偿相位调制，所述时变非线性前置补偿相位调制的瞬时相位调制水平是根据与所述信息承载电信号的光功率特性相对应的发送光功率特性的第一瞬时值的第一函数而确定的；以及
对光源产生的光载波应用所述信息承载电信号和所述时变非线性前置补偿相位调制，以产生基本上具有所述发送光功率特性的前置补偿光信号；以及
通过非线性光通道发送经前置补偿的光信号，
其中，选择所述第一函数，以便减轻所述光通道的非线性对于所述经前置补偿的光信号的影响。
2.根据权利要求1的方法，其中，产生所述信息承载电信号的步骤包括：
将所述数字数据输入序列映射成一系列符号值，其中每个符号值对应于被调制到所述多个子载波之一上的所述数字数据输入序列的一个或更多个比特；以及
应用对一系列符号值的频率/时间变换，以产生信息承载电信号的值的时间序列。
3.根据权利要求1的方法，其中，根据正交频分复用OFDM方法来执行产生所述信息承载电信号的步骤。
4.根据权利要求1或者权利要求2中任意一项的方法，还包括以下步骤：
检测接收光信号，以产生接收时变电信号，所述接收光信号包括通过所述非线性光通道传播之后的所述发送光信号；
产生时变非线性前置补偿相位调制，所述时变非线性前置补偿相位调制的瞬时相位调制水平是根据所述接收光信号的光功率特性的第二瞬时值的第二函数而确定的；
对所述接收光信号应用所述时变非线性前置补偿相位调制，以产生经调相的接收信号；以及
从所述经调相的接收信号中恢复通过所述非线性光通道发送的信息，
其中选择所述第二函数，以便进一步减轻所述光通道的非线性对于所述接收光信号的影响。
5.根据权利要求1的方法，其中，所述光功率的第一函数是线性函数，由此，对应的时变非线性前置补偿相位调制由与第一瞬时值成正比的相移构成。
6.根据权利要求4的方法，其中，所述光功率的第二函数是线性函数，由此，对应的时变非线性前置补偿相位调制由与第二瞬时值成正比的相移构成。
7.根据权利要求1-3中任意一项的方法，其中，执行对所述光载波应用所述信息承载电信号和所述时变非线性前置补偿相位调制的步骤，以便产生发送光信号，所述发送光信号基本上仅仅包括单光边带，其中光载波基本上被抑制。
8.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其中，执行对所述光载波应用所述信息承载电信号和所述时变非线性前置补偿相位调制的步骤，以便产生发送光信号，所述发送光信号至少包括光边带和光载波分量。
9.根据权利要求8的方法，其中，对所述光载波应用所述信息承载电信号和所述时变非线性前置补偿相位调制的步骤包括：限制所述发送光信号的带宽，以使得所述发送光信号的带宽基本上仅仅由单光边带和光载波分量构成。
10.根据权利要求9的方法，所述方法包括：对所述发送光信号进行光学滤波，以基本上仅仅保留单光边带和光载波分量。
11.根据权利要求10的方法，所述方法包括：限制被应用到所述光载波的所述时变非线性前置补偿相位调制的带宽，以便基本上防止不期望有的光边带的产生。
12.根据权利要求11的方法，其中，限制所述时变非线性前置补偿相位调制的带宽包括：应用模拟或者数字滤波器。
13.根据权利要求12的方法，其中，限制所述时变非线性前置补偿相位调制的带宽包括：从在产生所述时变非线性前置补偿相位调制的步骤中采用的所述光功率特性中排除所述光载波功率。
14.根据权利要求4的方法，其中，执行对所述光载波应用所述信息承载电信号和所述时变非线性前置补偿相位调制的步骤，以便产生发送光信号，所述发送光信号至少包括光边带和光载波分量，并且其中检测步骤包括：对所述光信号进行光学滤波，以基本上仅仅保留所述光边带和所述光载波分量。
15.一种发送器，用于通过非线性光通道来发送信息，所述发送器包括：
信号发生器，用于接收数字数据输入序列以及产生信息承载电信号，所述信息承载电信号包括频域中的多个紧密相间的子载波，并且所述信息承载电信号对所述数字数据输入序列进行编码；
用于产生时变非线性前置补偿相位调制的部件，所述时变非线性前置补偿相位调制的瞬时相位调制水平是根据与所述信息承载电信号的光功率特性相对应的发送光功率特性的第一瞬时值的第一函数而确定的；
光调制器；以及
光源，用于产生光载波，所述光源经由所述光调制器耦接到所述非线性光通道；
其中，所述光调制器被布置用于对所述光载波应用所述信息承载电信号和所述时变非线性前置补偿相位调制，以产生基本上具有所述发送光学功率特性的经前置补偿的光信号，
其中，选择所述第一函数，以便减轻所述光通道的非线性对于所述经前置补偿的光信号的影响。
16.根据权利要求15的发送器，其中，所述用于产生时变非线性前置补偿相位调制的部件用来计算与瞬时发送光功率成正比的相移。
17.根据权利要求15或者权利要求16的发送器，所述发送器被布置用于产生发送光信号，所述发送光信号基本上仅包括单光边带，其中所述光载波基本上被抑制。
18.根据权利要求15或者权利要求16的发送器，所述发送器被布置用于产生发送光信号，所述发送光信号至少包括光边带和光载波分量。
19.根据权利要求18的发送器，其中，所述调制部件包括调制器和光滤波器，其中，所述调制器被布置用于产生光信号，所述光信号包括光载波分量和两个光边带，并且所述光滤波器被布置用于基本上消除与不期望有的光边带相关联的分量。
20.根据权利要求18的发送器，其中，所述用于产生时变非线性前置补偿相位调制的部件用来限制所述时变非线性前置补偿相位调制的带宽，以便基本上防止不期望有的光边带的产生。
21.一种接收器，用于接收已通过非线性光信道发送的信息，所述接收器包括：
光检测器，被布置用于检测与信息承载电信号相对应的接收光信号以及用于产生接收时变电信号，所述信息承载电信号包括频域中的多个紧密相间的子载波，其中所述接收光信号已通过非线性光通道被发送；
用于产生时变非线性后置补偿相位调制的部件，所述时变非线性后置补偿相位调制的瞬时相位调制水平是根据与所述接收光信号的光功率特性相对应的接收光功率特性的第一瞬时值的第一函数而确定的；
至少一个调制部件，被布置用于对所述接收时变电信号应用所述时变非线性后置补偿相位调制；以及
信号解码器，用于从经相位调制的接收信号中恢复通过非线性光通道发送的信息，
其中，选择所述第一函数，以便减轻光通道的非线性对于所述接收光信号的影响。
22.根据权利要求21的接收器，其中，所述光检测器包括光滤波器，所述光滤波器被布置用于基本上消除所述接收光信号的与不期望有的光边带相关联的分量。
23.一种光传输系统，包括接收器和根据权利要求15的发送器，并且具有在所述发送器和所述接收器之间布置的非线性光通道，用于从所述发送器向所述接收器传送光信号。
24.一种光传输系统，包括发送器和根据权利要求21的接收器，所述光传输系统具有在所述发送器和所述接收器之间布置的非线性光通道，并且从所述发送器向所述接收器传送光信号。
25.根据权利要求23的光传输系统，其中，所述接收器包括：
光检测器，被布置用于检测与信息承载电信号相对应的接收光信号以及用于产生接收时变电信号，所述信息承载电信号包括频域中的多个紧密相间的子载波，其中所述接收光信号已通过非线性光信道被发送；
用于产生时变非线性后置补偿相位调制的部件，所述时变非线性后置补偿相位调制的瞬时相位调制水平是根据所述接收光信号的接收光功率特性的第二瞬时值的第二函数而确定的；
至少一个调制部件，被布置用于对所述接收时变电信号应用所述时变非线性后置补偿相位调制；以及
信号解码器，用于从经相位调制的接收信号中恢复通过非线性光通道发送的信息，
其中，选择所述第二函数，以便减轻光通道的非线性对于所述接收光信号的影响。
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