CN102158285B - 多路相干光载波产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路相干光载波产生方法及装置，涉及光通信领域，方法包括步骤：将连续波激光器输出的波长稳定的特定波长激光，送入光频梳中产生若干根频率梳线，再经带通光滤波器得到N₁根频率梳线，N₁为大于1的正整数；将N₁根频率梳线分成n路信号，n为大于1的正整数，对第2路至第n路信号分别进行移频，第1路信号和移频后的第2路至第n路信号，共同构成所需的多路相干光载波。本发明既能降低OFC对射频放大器、调制器等器件的要求，又能产生所需的光载波数量，并且保证较好的平坦度和OSNR，从而提升OFDM系统的实用化程度。

Description

多路相干光载波产生方法及装置

技术领域

本发明涉及光通信领域，特别是涉及一种多路相干光载波产生方法及装置。

背景技术

随着Internet流量的持续强劲增长，底层的光传输需要不断提升传输容量，以满足巨大的带宽需求。光传输容量主要取决于光纤中可用的波道数目和每波道的传输速率。超密集波分复用系统可以有效增加波道数目，如果每个波道配备一个独立的光源，意味着光源数量可能达到几百个。目前商用系统的波道速率已达40Gbps，实验室系统则达到400Gbps、甚至1Tbps速率。对于波道速率超过100Gbps的系统，业界基本形成共识，即必须采用多载波技术和相干光接收技术，而它们都意味着光源数量的极大增长。

因此，由一个光源(通常称为种子光源)的输出光生成多个光载波的技术，成为光通信系统向前演进的重要支撑技术之一。尤其对于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)光通信系统，受制于DAC(Digital-Analog Converter，数字-模拟转换器)等电域器件的商用化水平，需要数量众多的光子载波。

目前，光通信中需要的这种多光载波发生器，主要有OFC(OpticalFrequency Comb，光频梳)和RFS(Re-circulate Frequency Shifter，循环移频器)两种技术。

OFC技术可以分成以下两种类型：

第一种基于锁模激光器，其产生的光梳覆盖带宽大，频率精准，但梳线不平坦，梳线中心频率和梳线频率间隔难以调整，多用于光谱和测量领域。

第二种基于强E/O(电/光)调制，参见图1所示，可以产生较平坦的梳线，梳线中心频率和梳线间隔易于调整，适合通信中使用。多篇文章记载有将第二种OFC应用于OFDM系统的信息，其能产生32个光子载波，光子载波间的最大功率差异近5dB。(下文中涉及到的OFC，都是特指这种基于强E/O调制的OFC，不再特殊指出)第二种OFC的最大缺点在于其需要很高的射频电压(超过24V)作驱动，可以认为射频电压越高，产生的符合一定功率平坦度要求的梳线数目越多。一方面，该缺点导致很难找到合适的低成本商用的射频放大器；另一方面，过高的射频电压容易损坏调制器。

RFS技术不需要高电压的射频驱动，参见图2所示，RFS产生的光载波平坦度好，但环路中光放大器的多次循环放大引入较高的ASE(Amplified Spontaneous Emission，自发放大辐射)噪声，使得所产生的光子载波的OSNR(Optical Signal Noise Ratio，光信噪比)不如OFC技术。因此，采用RFS技术的系统，其传输性能受到很大限制。

可见，随着光通信系统传输容量的提升，需要一种合适的多路光载波产生装置，既能降低对所用器件(射频放大器、调制器等)的性能要求，又能提供数量较多(超过20)且平坦度较好(小于3dB)的光载波，以满足OFDM等大容量传输系统对光载波的需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种多路相干光载波产生方法及装置，既能够降低OFC对射频放大器、调制器等器件的要求，又能够产生所需的光载波数量，并且保证较好的平坦度和OSNR，从而提升OFDM系统的实用化程度。

本发明提供的多路相干光载波产生方法，包括以下步骤：A、将连续波激光器输出的波长稳定的特定波长激光，送入光频梳中，产生若干根频率梳线，再经带通光滤波器，得到N₁根频率梳线，N₁为大于1的正整数；B、将所述N₁根频率梳线分成n路信号，n为大于1的正整数，对其中的第2路至第n路信号分别进行移频，其中的第1路信号和移频后的第2路至第n路信号，共同构成所需的多路相干光载波。

在上述技术方案中，所述N₁根频率梳线由分光器分成n路信号，其中的第2路至第n路信号分别通过与各路信号对应的移频器进行移频，所述分光器的分光比＝分到第n路的光功率∶分到第1路的光功率＝10^α/10∶1，α是所述移频器总的光损耗，单位为dBm。

在上述技术方案中，所述移频器基于IQ调制器或者幅度调制器实现。

在上述技术方案中，所述光频梳和移频器由正弦波发生器提供的正弦射频信号驱动，调节所述正弦射频信号的频率，使得到的多路相干光载波在频域上的间隔相同。

在上述技术方案中，所述光频梳基于强E/O调制实现，其调制器为双驱动MZ调制器或者强度调制器加上相位调制器。

本发明提供的多路相干光载波产生装置，包括连续波激光器、光频梳、带通光滤波器、分光器、正弦波发生器和n-1个移频器，n为大于1的正整数，所述连续波激光器、光频梳、带通光滤波器、分光器顺次相连，分光器与移频器相连，正弦波发生器分别与光频梳和移频器相连；所述连续波激光器输出波长稳定的特定波长激光，送入光频梳中，产生若干根频率梳线，再经带通光滤波器，得到N₁根频率梳线，N₁为大于1的正整数；带通光滤波器输出的N₁根频率梳线，进入分光器分成n路信号输出，其中的第2路至第n路信号经过与各路信号对应的移频器进行移频，分光器的第1路输出信号和n-1个移频器的输出信号，共同构成所需的多路相干光载波。

在上述技术方案中，所述分光器的分光比＝分到第n路的光功率∶分到第1路的光功率＝10^α/10∶1，α是所述移频器总的光损耗，单位为dBm。

在上述技术方案中，所述移频器基于IQ调制器或者幅度调制器实现。

在上述技术方案中，所述光频梳基于强E/O调制实现，其调制器为双驱动MZ调制器或者强度调制器加上相位调制器。

在上述技术方案中，所述正弦波发生器输出正弦射频信号，驱动光频梳和移频器，通过调节所述正弦射频信号的频率，使得到的多路相干光载波在频域上的间隔相同。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)能够降低OFC对射频放大器、调制器等器件的要求，实现更加容易，成本也降低了。

(2)进入调制器的电压降低了，可以延长调制器的使用寿命，避免被过高电压损坏。

(3)本发明利用OFC技术和调制器移频技术，可以提供OFDM等光通信系统所需的光载波，显著减少系统所需的光源数量。

(4)能够保证较好的平坦度和OSNR，提升OFDM系统的实用化程度。

(5)本发明产生的多路光载波，具有良好的相干性，有利于简化OFDM系统相干接收时的相位估计。

附图说明

图1是现有技术中基于强E/O调制的OFC的结构框图；

图2是现有技术中RFS的结构框图；

图3是本发明实施例中多路相干光载波产生装置的结构框图；

图4是本发明实施例中所提供装置在n＝2时的结构框图；

图5是本发明实施例中OFC的一个实施例的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例提供的多路相干光载波产生方法，包括以下步骤：

A、将连续波激光器输出的波长稳定的特定波长激光，送入光频梳中，产生若干根频率梳线，再经带通光滤波器，得到N₁根频率梳线，N₁为大于1的正整数；

B、将所述N₁根频率梳线分成n路信号，n为大于1的正整数，对其中的第2路至第n路信号分别进行移频，其中的第1路信号和移频后的第2路至第n路信号，共同构成所需的多路相干光载波。

步骤B中N₁根频率梳线由分光器分成n路信号，其中的第2路至第n路信号分别通过与各路信号对应的移频器进行移频，所述分光器的分光比＝分到第n路的光功率∶分到第1路的光功率＝10^α/10∶1，α是所述移频器总的光损耗，单位为dBm。

移频器基于IQ调制器或者幅度调制器实现。光频梳基于强E/O调制实现，其调制器为双驱动MZ调制器或者强度调制器加上相位调制器。光频梳和移频器由正弦波发生器提供的正弦射频信号驱动，调节所述正弦射频信号的频率，使得到的多路相干光载波在频域上的间隔相同。

参见图3所示，本发明实施例提供的多路相干光载波产生装置包括：连续波激光器、光频梳、带通光滤波器、分光器、正弦波发生器和n-1个移频器，n为大于1的正整数，所述连续波激光器、光频梳、带通光滤波器、分光器顺次相连，分光器与移频器相连，正弦波发生器分别与光频梳和移频器相连。

连续波激光器输出波长稳定的特定波长激光，送入光频梳中，产生若干根频率梳线，再经带通光滤波器，得到N₁根频率梳线，N₁为大于1的正整数；带通光滤波器输出的N₁根频率梳线，进入分光器分成n路信号(G₁、G₂……G_n)输出，其中的第2路信号G₂至第n路信号G_n经过与各路信号对应的移频器进行移频，分光器的第1路输出信号G₁和n-1个移频器的输出信号G₂至G_n，共同构成所需的多路相干光载波。正弦波发生器输出正弦射频信号，驱动光频梳和移频器，通过调节所述正弦射频信号的频率，使得到的多路相干光载波在频域上的间隔相同。

分光器的分光比＝分到第n路的光功率∶分到第1路的光功率＝10^α/10∶1，α是所述移频器总的光损耗，单位为dBm。移频器基于IQ调制器或者幅度调制器实现。光频梳基于强E/O调制实现，其调制器为双驱动MZ调制器或者强度调制器加上相位调制器。

下面以n＝2为例，对多路相干光载波产生装置进行详细说明。

参见图4所示，CW(连续波)激光器输出中心频率为f₀的特定波长激光(E_in)，送入OFC(光频梳)，形成以f₁为间隔并以f₀为中心的频率梳线，其中f₁是正弦波信号发生器输出的用以驱动OFC的射频信号频率。经过带通光滤波器，选取N₁根以f₀为中心的平坦频率梳线，并由分光器分成两路：为便于描述，称第一路N₁根频率梳线信号为G₁；第二路经过一个移频器，得到另一组频率梳线信号，称为G₂。相对于G₁、G₂的频率梳线是将G₁的频率梳线在频率轴上平移f₂得到，其中f₂是正弦波信号发生器输出的用以驱动移频器的射频信号频率。移频器的功能是进行频率搬移。该移频器可以用IQ调制器实现，也可以用幅度调制器实现。

下面以IQ调制器为例对移频器的工作原理进行说明。

OFC输出的N₁根频率间隔为f₁的频率梳线，进入IQ调制器受到频率为f_n的射频信号的调制。根据信号傅里叶变换的性质

$\mathrm{FT}\left[e^{\±j{\mathrm{\ω}}_{n}t}x\left(t\right)\right]=X\left(\mathrm{\ω}{\stackrel{\‾}{+}\mathrm{\ω}}_n\right)---\left(1\right)$

可知：当输入光信号在时域受到角频率为ω_n(2πf_n)的单频正弦信号调制时，等价于将其频谱搬移了ω_n。IQ调制器可工作在上边带调制、下边带调制或双边带调制方式，从而可对输入的频率梳线进行三种相应形式的频率搬移：上移频、下移频、双边移频。假设输入频率是f_in，驱动IQ调制器的射频频率是f_rf，移频器的输出频率为f_out。那么，上移频时，f_out＝f_in+f_rf；下移频时，f_out＝f_in-f_rf；双边移频时，f_out＝f_in±f_rf。

以IQ调制器工作在上移频方式为例，如果把G₁和G₂组合起来，所得到的频率梳线将如图4中的E_out所示，频率梳线数量为N＝2N₁。一般而言，我们需要的光载波总是等频率间隔的，可以设置f₁＝2f₂，则E_out就是频率间隔为f₂的N根频率梳线(图4的E_out梳线中，实线表示G₁，虚线表示G₂)。通过合理设置分光器的分光比，可以保证G₁和G₂的频率梳线功率相等，即：如果IQ调制器总的光损耗(包括插损和频率搬移引起的功率损失)是αdBm，则分光比＝分到第二路的光功率∶分到第一路的光功率＝10^α/10∶1。

当IQ调制器工作在下移频方式时，只是移频方向与上移频方式相反，其它保持一致，不再赘述。

当IQ调制器工作在双边移频方式时，G₂中频率梳线数目成为2N₁，则G₁和G₂的全部频率梳线数量为N＝3N₁。为保证N根频率梳线等间隔，可设置f₁＝3f₂。其它与上移频、下移频方式一致。

上面的实施例可以得到N＝2N₁(上移频、下移频方式)或N＝3N₁(双边移频方式)根频率梳线，此时对应图3中n＝2时情形。显然，对其稍加变形，即可得到图3所示产生N＝nN₁(上移频、下移频方式)或N＝(2n-1)N₁(双边移频方式)根频率梳线的多路相干光载波产生装置。这时，OFC的输出由分光器分成n路，其中，n-1路(第2路至第n路)经过各自的移频器移频。通过安排驱动移频器的射频f₂……f_n，就能得到所期望的频率间隔的梳线。例如，在上移频(或下移频)方式时，希望得到N＝nN₁根频率间隔为f₁/n的频率梳线，则各射频频率安排为：f₁-f₂＝f₂-f₃＝……＝f_n-f_n-1＝f₁/n；在双边移频方式时，希望得到N＝(2n-1)N₁根频率间隔为f₁/(2n-1)的频率梳线，则各射频频率安排为：f₁-f₂＝f₂-f₃＝……＝f_n-f_n-1＝f₁/(2n-1)。

本发明装置实施例中的OFC基于强E/O调制实现，其调制器可以是一个双驱动MZ调制器；也可以是一个IM(强度调制器)+一个PM(相位调制器)。

本发明装置实施例中的OFC与普通OFC的区别在于：所需要的射频驱动电压相对较小。该区别带来两个好处：一是降低对射频放大器的要求，从而使之易实现、成本降低；二是进入调制器的电压降低，可以延长调制器的使用寿命，避免被过高电压损坏。

下面以OFC的双驱动MZ调制器实施例进行说明。

参见图5所示，正弦信号发生器输出的频率为f₁的射频信号，分成两路经各自的射频放大器进行放大后，得到RF₁和RF₂两路射频去驱动双驱动MZ调制器的两个电极，设它们所引起的相移分别是s₁(t)＝A₁sin(ωt)和s₂(t)＝A₂sin(ωt)，则MZ调制器输出光的电场是：

$E=\frac{1}{2}{E}_{\mathrm{in}}\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[J_k\left(A_1\right)e^{j(\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\θ}}_1)}+J_k\left(A_2\right)e^{j(\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(2\right)$

其中，J_k(.)代表第k阶Bessel函数，A₁、A₂为峰值驱动电压，θ₁和θ₂是两个电极上直流偏置分别引起的相移。定义

ΔA＝(A₁-A₂)/2，Δθ＝(θ₁-θ₂)/2，注意上述各值都是用相移表示的，其所代表的电压值可直接通过调制器的半波电压换算得到。在峰值驱动电压A₁、A₂较大的情况下，调制器输出中各次谐波相对于输入的CW光E_in的功率转换效率为：

${\mathrm{\η}}_k=\frac{P_k}{P_{\mathrm{in}}}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{A}}\{1+\cos \left(2\mathrm{\Δ\θ}\right)\cos \left(2\mathrm{\ΔA}\right)+[\cos \left(2\mathrm{\Δ\θ}\right)+\cos \left(2\mathrm{\ΔA}\right)\left]\cos (2\stackrel{\‾}{A}-\frac{2k+1}{2}\mathrm{\π})\right\}---\left(3\right)$

显然，各η_k如果相等，则意味着输出的各频率梳线平坦。由式(3)推导出各梳线平坦的条件为：

ΔA±Δθ＝π/2(4)

该条件下，功率转换效率为

可进一步得到其极大值为：

${\mathrm{\η}}_{k,\max }=1/\left(2\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{A}\right),$ whenΔA＝Δθ＝π/4(5)

输出频率梳线的数目近似为：

$N_1=\frac{{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{OUT}}}{{\mathrm{\η}}_k{P}_{\mathrm{in}}}=2\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{A}\frac{1-\cos \left(2\mathrm{\ΔA}\right)J_0\left(2\mathrm{\ΔA}\right)}{1-\cos \left(4\mathrm{\ΔA}\right)}---\left(6\right)$

$\≈\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{A}\left(\mathrm{forsmall\ΔA}\right)$

可见，如果

较小，则得到的频率梳线的数目较少。普通OFC在使用时，为了得到尽可能多的频率梳线，总是尽可能地增大

而的增大，就是驱动电压峰值的增大，往往要求达到30V甚至更高，满足此条件的射频放大器非常昂贵，而且射频驱动电压过高也容易损坏MZ调制器。由于本发明装置实施例可以通过移频器倍增OFC所输出的频率梳线数目，所以本发明装置实施例中的OFC，并不需要刻意追求大的OFC输出梳线数目，因此可合理降低输入到MZ调制器的射频驱动电压，从而带来前述的两个好处。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种多路相干光载波产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将连续波激光器输出的波长稳定的特定波长激光，送入光频梳中，产生若干根频率梳线，再经带通光滤波器，得到N₁根频率梳线，N₁为大于1的正整数；

B、分光器将所述N₁根频率梳线分成n路信号，n为大于1的正整数，其中的第2路至第n路信号分别通过与各路信号对应的移频器进行移频，其中的第1路信号和移频后的第2路至第n路信号，共同构成所需的多路相干光载波；所述分光器的分光比＝分到第n路的光功率：分到第1路的光功率＝10^α/10：1，α是所述移频器总的光损耗，单位为dBm；所述光频梳和移频器由正弦波发生器提供的正弦射频信号驱动，调节所述正弦射频信号的频率，使得到的多路相干光载波在频域上的间隔相同。

2.如权利要求1所述的多路相干光载波产生方法，其特征在于：所述移频器基于IQ调制器或者幅度调制器实现。

3.如权利要求1或2所述的多路相干光载波产生方法，其特征在于：所述光频梳基于强E/O调制实现，其调制器为双驱动MZ调制器或者强度调制器加上相位调制器。

4.一种多路相干光载波产生装置，其特征在于：包括连续波激光器、光频梳、带通光滤波器、分光器、正弦波发生器和n-1个移频器，n为大于1的正整数，所述连续波激光器、光频梳、带通光滤波器、分光器顺次相连，分光器与移频器相连，正弦波发生器分别与光频梳和移频器相连；

所述连续波激光器输出波长稳定的特定波长激光，送入光频梳中，产生若干根频率梳线，再经带通光滤波器，得到N₁根频率梳线，N₁为大于1的正整数；带通光滤波器输出的N₁根频率梳线，进入分光器分成n路信号输出，其中的第2路至第n路信号经过与各路信号对应的移频器进行移频；所述正弦波发生器输出正弦射频信号，驱动光频梳和移频器，通过调节所述正弦射频信号的频率，使得到的多路相干光载波在频域上的间隔相同，分光器的第1路输出信号和n-1个移频器的输出信号，共同构成所需的多路相干光载波。

5.如权利要求4所述的多路相干光载波产生装置，其特征在于：所述分光器的分光比＝分到第n路的光功率：分到第1路的光功率＝10^α/10：1，α是所述移频器总的光损耗，单位为dBm。

6.如权利要求4所述的多路相干光载波产生装置，其特征在于：所述移频器基于IQ调制器或者幅度调制器实现。

7.如权利要求4所述的多路相干光载波产生装置，其特征在于：所述光频梳基于强E/O调制实现，其调制器为双驱动MZ调制器或者强度调制器加上相位调制器。

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