背景技术
在光纤通信系统中,根据要沿着电介质光波导被传递和传送到接收机的信息来调制光束。通常,诸如模拟多信道视频的宽带信号内容的传输需要结合低损耗单模式光纤(SMF)来使用窄线宽光源。例如,用于有线TV(CATV)的典型发射机以1550nm的波长进行操作,并且包括使用窄线宽连续波(CW)分布反馈(DFB)激光器和外部调制器。
例如,在光纤中的远距离传输通常需要高光纤发射功率(launchpower)来实现所需要的信噪比。这对于用于混合光纤同轴(HFC)网络以及无源光网络(PON)的模拟传输系统来说是特别需要的,其中高光纤发射功率使得能够实现高信噪比需求,并且允许沿着传输线的较高的分路(split)数。
诸如铒掺杂光纤放大器(EDFA)以及半导体光放大器(SOA)的光放大器的成功应用基本上消除了大多数光纤通信应用中的高发射功率的问题。这是因为这些放大器允许高达超过约23dBm(200mW)的饱和输出功率的1550nm周围的光载波的有效信号放大。这支持更长距离的光纤链路以及在光学上对信号进行分路以服务多个用户的能力。
然而,尽管使用这样的光放大器,但是光纤非线性限制了进入光纤的最大发射功率。具体地,对于单波长系统来说,在其他光纤非线性的影响变得相关之前,受激布里渊散射(SBS)限制了许多通信应用中的最大发射功率。关于SBS影响,通常仅在窄线宽光束在阈值功率水平以上被发射到光纤中时发生SBS。因此,只要SBS线宽内的功率不超过SBS阈值功率水平,SBS就应当保持被充分抑制。不幸地是,例如,对于标准SMF来说,SBS阈值功率水平通常仅处于约6-7dBm(4-5mW)的范围内。因此,在许多应用中期望将SBS阈值提高到6-7dBm(4-5mW)以上,使得可以提高发射功率。
布里渊散射是光子与声量子或振动量子(声子)的相互作用。该相互作用包括产生声子(Stokes过程)或湮灭声子(反Stokes过程)的非弹性散射过程。散射光的能量被略微改变,针对Stokes过程被降低并且针对反Stokes过程被提高。这种偏移,称为布里渊偏移,等于相互作用的能量。对于在非常小内径的光纤中行进的强激光来说,束本身的电场的变化可能经由电致伸缩而在介质中产生声振动。束可能通常在与入射束的相反方向上经历由这些振动所引起的布里渊散射的影响。
SBS影响光通道内的光传输系统,并且由于其窄增益光谱宽度而通常不会导致多个光通道之间的串扰。然而,由于其窄带宽性质,SBS特别不利于具有下述调制方案的光传输系统,该调制方案在大多数光功率都集中在光载波周围的小的频率范围内时生成窄光谱。例如,CATV/HFC系统的调制方案通常是不进行激光削波的残留边带幅度调制(AM-VSB),该残留边带的均方根(RMS)调制指数约为20%至30%。因此,大多数能量集中在光载波周围的小带宽内。因此,SBS在载波噪声比(CNR)和特别是二阶失真CSO的失真方面影响CATV/HFC系统。
在CATV/HFC系统中,与直接调制的模拟系统相比,SBS对外部调制的模拟系统影响更大。对于此的第一个原因在于,外部调制器显现出几乎为零的调制器啁啾声(modulator chirp),并且因此,功率密集地集中在光载波周围。第二个原因在于,由于外部调制器的低啁啾声而对较长距离使用该外部调制器,并且长距离需要更大的发射功率。另一方面,在直接调制的模拟系统中,由于相对较大的激光器啁啾声而导致的加宽的光谱以及光纤色散(fiber dispersion)由于性能劣化而限制了链路长度。为此,对于利用较低的发射功率的较短距离,通常使用直接调制的模拟系统。因此,直接调制的激光器的模拟传输系统不太容易受到SBS的影响。
通常,如果由于每带宽的能量被降低而导致光信号的光谱可能被加宽,则可以降低外部调制的模拟系统中的SBS影响。在外部调制器的情况下,用于对抗SBS的最有效和广泛使用的技术包括使用光相位调制器或使激光器颤振或二者的组合的使用。
因此,可以通过降低SBS的影响来改善具有相对高强度和较窄线宽的光信号的传输质量,这在不生成其他系统劣化的情况下,允许光信号功率水平的增加以及通信链路之间的传播距离的增加。
具体实施方式
为了简单和说明的目的,主要通过参考实施例的示例来描述实施例的原理。在下面的描述中,阐述了很多特定细节,以便于提供对实施例的全面理解。然而,对于本领域普通技术人员显而易见的是,可以没有对这些特定细节的限制的情况下实践该实施例。在一些情况下,没有不详细描述公知方法和结构,以便于不会不必要地混淆实施例。
如上所述,只要传输的SBS线宽内的功率不超过SBS阈值功率水平,SBS就将被充分地抑制。仅为了示例的目的,用于标准SMF的典型SBS阈值通常处于约6-7dBm(4-5mW)的范围内。因此,特别是对于CATV/HFC系统,期望将SBS阈值提高到6-7dBm(4-5mW)以上,使得可以增加进入光纤中的发射功率。
图1和图2中示出了光传输系统的发射机部分。与不采取SBS抑制措施的情况相比,这两种发射机都可以用于将SBS阈值移动到较高水平。图1涉及用于通过直接使用作外部调制系统的光源的激光器进行颤振来降低SBS对外部调制的光传输系统的影响的技术。相反,图2涉及用于利用光相位调制器来降低SBS对外部调制的光传输系统的影响的替代方法。
在图1中,激光器10的输出经由某一长度的光纤或光耦合器/波导被光耦合到外部强度调制器12的输入端口。电压控制振荡器(VCO)14提供几千兆赫兹范围中的高频信号,以对驱动激光器10的电流进行调制。V0是VCO偏置。承载RF模拟调制信号的信号16,例如用于CATV,与DC偏置18耦合,并且被施加到外部调制器12的RF输入端口。从调制器12输出的光通常被耦合到EDFA(未示出),该EDFA将输出光信号发射到光纤段(未示出)中,并且最终被发射到一个或多个接收机(未示出)。
在图2中,激光器20的输出被光耦合到外部相位调制器22的输入端口。电压控制振荡器(VCO)24向相位调制器22提供几千兆赫兹范围中的高频信号,其中V0是VCO偏置。相位调制器22的输出经由某一长度的光纤或光耦合器被耦合到外部强度调制器26的输入。承载RF模拟调制信息的信号28,例如用于CATV,与DC偏置30耦合,并且被施加到外部调制器26的RF输入端口。从调制器26输出的光通常被耦合到EDFA(未示出),该EDFA将输出光信号发射到光纤段(未示出)中,并且最终被发射到一个或多个接收机(未示出)。
图1中示出的激光器10的颤振效应可以被数学地表达如下:
(1)
其中P0是激光器的光功率;mh和mfm相应地分别是颤振信号的幅度和FM调制指数;ωh和φh分别是颤振信号的频率和初始相位;ω0是光载波的频率;Jn是第一类贝塞尔函数;并且u是颤振音调的数目。
类似地,利用图2的相位调制器22进行的SBS抑制可以被数学地表达如下:
(2)
从以上等式(1)和(2)中清楚的是在光载波ω0周围生成的新的频率分量mωh,该新的频率分量mωh在较宽光谱范围中对光功率进行扩展,并且因此降低了原始光载波的频率处的能量。以这样的方式,通过图1和图2中示出的布置,显著地提高了SBS阈值。
为了简化讨论的目的,因为图1中所示的布置的激光器颤振音调或图2中所示的布置的相位调制音调的频率是最高RF调制信号频率的至少两倍,并且由于FM调制和相位调制在数学和光谱上产生类似的结果的事实而导致图1中所示的布置的激光器颤振音调或图2中所示的布置的相位调制音调被称为高频颤振音调。
虽然与不采取SBS抑制措施的情况相比,图1和图2中示出的上述方法能够有助于将SBS阈值移动到较高水平,但是仍然期望对SBS阈值的进一步改进,使得可以为更长的距离和/或更多的分路实现更高的发射功率。
如果颤振音调的调制指数接近100%,或者相位调制接近其最大值,则显然用于进一步改善SBS阈值的空间非常有限。此外,由于FM光谱的不均匀的性质,即使颤振或相位调制接近其最大值,也不能生成有效的SBS抑制。还可以在直接激光器颤振或光相位调制或者直接激光器颤振和光相位调制的组合中采用多个高频音调。在这样的方法中,所有高频及其间隔不应当小于信号带宽的两倍。高频VCO和所需要的驱动电路造成了发射机设计的复杂度和较高成本。因此,期望不仅实现改善的SBS抑制,而且还以相对简单和成本经济的方式,例如经由使用单个高频VCO,来实现改善的SBS抑制。
可以通过使用较低频颤振音调来使颤振VCO偏置电压进行颤振以使得生成的VCO的频率输出在通过其偏置电压V0设置的其平均(标称)值周围变化,来进一步改善根据图1和图2中示出的布置的SBS抑制。在图3和图4中图示了对于直接激光器颤振(图3)的情况以及光相位调制(图4)的情况的这样的改善设置的示例。
多个低颤振音调的使用允许改善的SBS抑制,并且将不期望的寄生音调保持在需要水平以下。对每个低频颤振音调幅度的控制允许将颤振高频颤振音调的光谱中的均匀光谱功率分布。这将在下文进行说明。
与图1类似,图3中的激光器40的输出经由某一长度的光纤或光耦合器/波导被光耦合到外部强度调制器42的输入端口。承载RF模拟调制信息的信号46,例如用于CATV,与DC偏置48耦合,并且被施加到外部调制器42的RF输入端口。从调制器42输出的光通常被耦合到EDFA(未示出),该EDFA将输出光信号发射到光纤段(未示出)中,并且最终被发射到接收机(未示出)。在图1和图3中示出的实施例之间的不同之处在于,对激光器40的驱动电流进行调制的电压控制振荡器(VCO)44具有如下定义的VCO偏置:
类似地,与图2类型,图4中的激光器50的输出被光耦合到外部相位调制器52的输入端口。相位调制器52的输出经由某一长度的光纤或光耦合器/波导被耦合到外部强度调制器56的输入。承载RF模拟调制信息的信号58,例如用于CATV,与DC偏置60耦合,并且被施加到外部调制器56的RF输入端口。从调制器56输出的光通常被耦合到EDFA(未示出),该EDFA将输出光信号发射到光纤段(未示出)中,并且最终被发射到接收机(未示出)。图2和图4中示出的实施例之间的不同之处在于,电压控制振荡器(VCO)54具有如下VCO偏置:
从图3中可以看出,VCO的偏置电压在其平均值周围进行的调制生成频率ωh处的高颤振音调。VCO偏置的调制使VCO的频率进行颤振,并且进一步扩展光谱。激光器二极管的直接颤振的上述方法的数学表达可以如下表达:
其中ml是VCO偏置电压颤振信号的调制指数;ωl和φl分别是VCO偏置电压颤振信号的频率和初始相位;并且k是VCO颤振信号的数目。为了在数学的简化,尽管在实际的实践实现中是不可能的,但是假设VCO颤振信号的频率(ωl)远低于高标称VCO频率(ωh)。
对于光相位调制器的调制音调的直接颤振,图4中图示的方法的数学表达可以被表达如下:
从以上提供的等式(3)和(4)中清楚的是,生成了一些新的频率mωl,其进一步扩展了光谱并且因此进一步改善了SBS抑制。应当指出,对于直接激光器颤振的情况来说,光谱不仅由等式(3)中的指数部分表示的FM调制来决定,而且还由等式(3)中的平方根部分表示的AM调制决定。颤振激光器的实际光谱是FM和AM调制的组合效应。
实际上,ωh和ωl的选择受到应用的限制。对于CATV/HFC的应用来说,ωh应当是信号带宽的至少两倍,以避免拍频(beat-down)干涉。对于ωl来说,受到锁相环(PLL)电路的带宽以及一些其他的现象的限制,因此ωl的频率通常很低。仅通过示例的方式,高频ωh可以超过承载信息的信号的最高频率的至少两倍,例如2至5GHz,并且ωl的低频可以是几千赫兹,例如约1至100KHz的范围内。
等式(1)示出了对于具有有限啁啾声的激光器来说,因为颤振的频率摆动(FM调制带宽)决定了有多少边带光谱分量nωh在扩展光谱中是有效的,所以调制指数mh应当被设置得很高,以便于生成广谱。类似地,在如等式(2)中所示的光相位调制的情况下,因为相位调制和频率调制在生成频率分量方面基本上类似,所以调制指数也应当被设置得很高。由于同样的原因,低VCO颤振频率的调制指数也需要是很大的,以具有如在等式(3)和(4)中示出的宽谱扩展。
使VCO振荡频率(高颤振频率)进行颤振的低颤振频率具有若干优点,该低颤振频率被添加到高颤振频率。首先,如上所述,在直接激光器颤振的情况下,当高频音调的调制指数接近100%时,用于进一步增加其调制幅度的空间非常有限。因此,低颤振音调有助于进一步扩展光谱,并且进而在不需要改变高频颤振信号的调制指数的情况下改善SBS抑制。第二,即使存在用于进一步增加高频颤振或相位调制信号的调制指数的空间,由于在每个不同的光谱分量处的相位改变差异而导致大扩展的光谱将在传输线的末端产生RF信号调制的响应的滚降(roll-off)。滚降的水平由加宽的光谱的轮廓以及沿着传输线的光纤的长度来决定。在不改变高颤振频率音调的调制指数的情况下有助于改善SBS抑制的低频颤振的事实有助于控制RF调制响应的滚降并且提供明确的有点。
与没有VOC偏置调制的情况相比,当施加ωl的单个低频音调时,以与等式(1)和等式(2)类似的方式,可以从等式(3)和等式(4)中容易地看出SBS抑制的改善。类似地,可以通过增加调制音调的调制指数ωl来实现进一步的改善。然而,调制指数的增加实际上受到光纤色散可以将该调制转变成幅度分量(其将出现在HFC信号带的每个信道中)的事实的限制。该分量变成不期望的带内寄生光谱分量。根据载波与寄生分量的比率的需要,该寄生项应当被控制在特定水平以下。控制该寄生水平需要控制低频颤振音调的调制指数,而这将与较宽扩展光谱的需要存在冲突。由于用于典型HFC应用较低要求的光纤发射功率以及光纤色散量的差异而导致在短链路长度情况下的寄生分量的问题不会像长链路长度情况下的情况那样严重。然而,对于PON应用,即使链路长度不是非常长,该问题也不会突出。可以通过应用多个低频颤振音调来解决该问题。
以下可以简单地理解多个低颤振音调的益处。首先,与单个颤振音调相比,低频颤振音调的总幅度更大。例如,对于两个正弦音调来说,颤振信号的总幅度可以被表达如下:
其中假设两个颤振音调ω1和ω2的调制指数相同,并且由m来表示。从等式(5)中可以看出,当ωl1≈ωl2时,等式变为:
mcos(ωl1t)+mcos(ωl2t)≈2mcos(ωl1t)≈2m cos(ωl2t)(6)
在该情况下,颤振音调的总幅度几乎是双倍的,但是载波与寄生分量比仍然由每个单个颤振音调来决定。而且,当ωl1和ωl2彼此不接近时,合并的低频颤振音调的总峰值幅度仍然接近单个音调的幅度的两倍。这可能对用于不同链路长度的传输光纤的SBS抑制带来一些优点。这是因为短光纤不会“看到”由非常低的颤振频率造成的缓慢光谱改变,而较高频率的颤振音调更加有益。同时,与长光纤链路相比,由于较小的色散而导致短光纤可以允许相对较高的调制指数。对于不同链路长度的传输光纤来说,调整独立颤振音调的调制指数可以有助于优化SBS抑制,这是因为其除了增加总颤振幅度之外还平衡了低频分量的幅度系数中的频率幅度,如等式(3)和(4)中所示。
还可以利用不同波长形式来实现多个低频颤振音调。例如,可以使用方波或三角波来支持同一目的。这是因为那些波形可以使用公知的傅里叶变换以多个音调串来表达。调整波形的参数,诸如幅度、形状和占空比等,有助于调整低频颤振信号光谱,这进而有助于调整SBS抑制的效率并且改善SBS抑制。此外,不同波形的使用可以有助于降低设计复杂度。
虽然已经参考示例说明了实施例,但是在不脱离真正精神和范围的情况下,本领域技术人员可以对所述实施例进行各种修改。这里使用的术语和描述仅通过说明的方式来阐述,并且其并意味着进行限制。具体地,虽然已经通过示例描述的该方法,但是方法的步骤可以与说明的不同顺序来执行或同时执行。本领域技术人员将认识到,这些和其他变型都能够在由以下权利要求及其等价物所限定的本发明的精神和范围内。