CN103516430A - 用于线性光纤系统的可调谐色散补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于双边带调制的线性光纤通信系统的可调谐色散补偿方法，它针对微波/毫米波副载波光纤通信系统中存在色散导致检测输出副载波功率随光纤传输距离周期性衰落的问题，提出一种基于非线性啁啾光纤光栅、具有现场调谐色散补偿能力的线性光学系统方案，该方法基于数据直接调制和载波外调制实现双边带调制，采用光纤光栅制作具有非线性群时延特性的色散补偿器，通过调谐发送激光器的中心波长实现不同传输距离的双边带信号色散补偿，通过外调制器加载微波副载波频率，经过光纤传输到达接收端，经过光电探测器恢复加载数据调制的微波载波信号。

Description

用于线性光纤系统的可调谐色散补偿方法

技术领域

本发明涉及一种光纤系统的色散补偿方法，它针对微波/毫米波副载波光纤通信系统中存在色散导致检测输出副载波功率随光纤传输距离周期性衰落的问题，提出一种基于非线性啁啾光纤光栅、具有现场调谐色散补偿能力的线性光学系统方案，该方案能够适应不同传输距离需要，又无需对光栅波长进行调谐，属于光纤通信的技术领域。

背景技术

由于色散的作用，检测出的副载波信号幅度会随着光纤传输距离的变化而变化[1]。原因是微波副载波对光波进行双边带调制会形成上下两个边频，它们在光纤色散的作用下产生相对相位差异，因此在传输后检测出的信号实际为上下边频分别与光载波拍频信号之和。能够得出，在调制深度较小的线性光纤系统情况下，检测出的副载波功率可近似用如下公式表示

$P={\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\πD}{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{Lf}}^2}{c}\right)---\left(1\right)$

其中D为色散系数，L为光纤长度，f为调制信号的频率，c为光速。由上式可见，对于给定频率的副载波信号，检测出的副载波功率P会发生随光纤传输距离L变化而生的周期性衰落。对于高频副载波光纤系统，只有当距离较小（L<<c/πDλ²f²）时，色散对传输距离的选择性衰落可以忽略。色散影响了线性光纤系统的传输距离。

为了克服光纤色散对传输距离的限制，1998年日本NNT提出了一种可变色散补偿器方案[1]，该补偿器有多段色散补偿光纤、标准单模光纤与开关阵列组成，配合收发双方的监控信道与色散均衡算法，实现了10Gb/s的1000km传输自动色散补偿；啁啾光纤光栅实现色散补偿具有插入损耗低、体积小的特点，一般采用啁啾光纤光栅实现固定传输距离的色散补偿，2002年南加州大学提出了采用机械拉伸啁啾FBG中心波长的方法实现了40Gb/s数字通信系统的色散补偿[3]；2006年清华大学提出温控实现可调谐色散补偿[2]，通过金属薄膜加电控制光栅温度，实现～200ps/nm的可调谐色散补偿。

前一种方案需要复杂的色散矩阵，且调谐精度较低。后2种方法需要调谐光纤光栅的中心波长，通过机械拉伸或温度控制在改变光纤光栅的工作波长的同时也会影响其啁啾特性，其波长调谐的精确性和稳定性难以满足工程需要。现有的可调谐色散补偿方案均针对高速数字光纤通信系统[4]，难以满足对色散敏感的线性光纤系统的可调谐补偿需要。文献[5]给出了一种针对光生点频微波信号的动态色散补偿方法，本发明采样的基本方法与之相近，但是却能够对承载数据的线性光纤系统进行可调谐色散补偿。

参考文献：

[1]H.Schmuck,″Comparison of optical millimetre-wave system concepts with regard to chromatic dispersion″,IEEElectronic Letters,Vol.31,No.21,Pp.1848-1849.

[2]Jie Sun,Yitang Dai,Xiangfei Chen,Yejin Zhang and Shizhong Xie,″Thermally tunable dispersion compensatorin40-Gb/s system using FBG fabricated with linearly chirped phase mask″,OSA Optics Express,Vol.14,No.1,.

[3]Z.Pan,Y.W.Song,C.Yu,Y.Wang,Q.Yu,J.Popelek,H.Li,Y.Li,and Alan Eli Willner,“Tunable ChromaticDispersion Compensation in40-Gb/s Systems Using Nonlinearly Chirped Fiber Bragg Gratings”,IEEE J-LT,Vol.20,No.12,Pp.2239,2002.

[4]MasahitoTomizawa,AkihideSano,Yoshiaki Yamabayashi,and Kazuo Hagimoto,“Automatic DispersionEqualization for Installing High-Speed Optical Transmission Systems”，IEEE J-LT,Vol.16,No.2,Pp.184-191.

[5]刘双，蒲涛，钱祖平,等“光生光传微波信号中的一种动态色散补偿新方法”，光电子激光，第23卷，第12期，2316-2320，2012

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对微波/毫米波副载波的线性光纤系统存在色散引起的检测输出功率随传输距离周期性变化的问题，提出一种用于线性光纤系统的可调谐色散补偿方法，该方法仅需加入一段啁啾光纤光栅，配合发送端光源波长的微调就可以实现精确补偿不同传输长度光纤的色散，与已有可调谐色散补偿方法相比无需对光纤光栅进行拉伸或温控调谐，具有调谐精度高和一致性好的特点。

技术方案：本发明为用于线性光纤系统的可调谐色散补偿方法：该色散补偿方法是对半导体激光器进行数据双边带直接调制，通过外调制器加载微波副载波频率，经过光纤传输到达接收端，经过光电探测器恢复加载数据调制的微波载波信号，针对线性系统的可调谐色散补偿方法具体如下：

1.)在发送端，采用带制冷的半导体激光器作为发射机光源提供波长可调谐光载波；

2.）采用射频调制器实现数据信号对射频载波的调制；

3.）采用马赫曾德尔外调制器实现微波射频载波对光载波的双边带调制，产生加载了数据的光载微波信号；

4.）制作具有非线性群时延特性的具有如下三阶函数群时延特性的光纤光栅滤波器，

$\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=D_1(\mathrm{\&lambda;}-{\mathrm{\&lambda;}}_0)+\frac{1}{2}{D}_2{(\mathrm{\&lambda;}-{\mathrm{\&lambda;}}_0)}^2---\left(1\right)$

其中τ（λ）为随波长变化的群时延函数，D₁、D₂分别为一阶与二阶色散系数，λ₀为常数表示滤波器的中心波长，

5.）将发送端光载微波信号传输至接收端，首先经过步骤4）所设计的光纤光栅滤波器，然后送至光电探测器转换为微波信号，

6.）通过改变发送端半导体激光器的制冷温度，调谐控制光载微波信号的中心波长，观测接收端探测器输出微波信号的功率达到极大值，此时即可补偿传输色散对线性光纤传输系统性能的影响，

7.）将光电探测器输出的信号经过步骤2）对应的解调恢复数据，最终实现信息传送。微波

有益效果：采用非线性群时延的色散补偿器可以通过改变光源中心波长改变上下边频之间的相对时延量，从而实现可调谐色散补偿功能。

（1）采用色散补偿前的性能

当射频载波的频率为20GHz时，探测器输出的射频信号功率随传输光纤长度的变化情况如图3所示。当光纤长度从0km增加到20km时，在10km附近出现接收功率谷底，严重影响射频信号在光纤中的传输。

对于确定的光纤长度（以10km为例），探测器输出的射频信号随点频射频信号频率的变化情况如图4所示。从图4中可以看出：对于一定的光纤链路长度，一些特定的点频射频信号在传输后有可能无法在接收端还原射频信号。

（2）采用色散补偿方法后的性能

可采用超结构光纤光栅制作如图2所示非线性色散特性的光学器件，其群时延随波长的函数关系如下公式（2）所示：

$\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=D_1(\mathrm{\&lambda;}-{\mathrm{\&lambda;}}_0)+\frac{1}{2}{D}_2{(\mathrm{\&lambda;}-{\mathrm{\&lambda;}}_0)}^2---\left(2\right)$

其一阶与二阶色散系数分别为：D1=-720ps/nm；D2=1440ps/nm2，反射特性的滤波带宽为1nm，非线性啁啾光栅的通带中心波长λ0为1551nm。结果如图5所示。

所设计的光纤光栅带宽内色散从-1440ps/nm变化到0，因此理论上当光载波频率在通带内扫描时可补偿的色散值相当于0km～90km范围。考虑到光纤光栅的群时延曲线在通带边缘处可能会不理想，因此最佳状态是让光载波工作在其通带中心范围之内。进一步仿真可发现其色散补偿的最佳范围应在30km～60km之间。

图6表明，针对10G微波副载波的线性光纤传输系统，此方案能够实现对30km、45km和60km光纤传输的色散补偿，只需调谐LD光载波所在的中心波长分别位于1552.26nm、1552.1nm和1551.99nm。

（3）特点与优势

相对于固定色散补偿系统方案，可调谐色散补偿系统无需配置不同长度的色散补偿器，减小了色散器件的库存品种，同一套系统设备可以应用于不同距离的工程应用，仅通过现场调谐激光器目标温度就实现不同传输距离的色散补偿。

对啁啾光栅进行温度或应力调谐的可调谐色散补偿方案，在改变光纤光栅的工作波长的同时也会影响其啁啾特性，其波长调谐的精确性和稳定性难以满足工程需要。而本申请所提出的方法由于无需调谐啁啾光栅的波长，大大降低了色散补偿啁啾光栅温控封装的难度，可以确保工程应用所需的波长稳定度；本发明是通过改变半导体激光器波长实现色散补偿量的可调谐，由于半导体激光器温控封装工艺与波长调谐技术成熟，从而确保了色散补偿调谐的精准度和稳定性。

附图说明

图1是具有可调谐色散补偿能力的线性光纤系统方法示意图，

图2是啁啾光栅色散补偿器的频谱特性示意图，

图3输出的射频信号功率随传输光纤长度的变化曲线，

图4输出的射频信号功率随其频率的变化曲线，

图5非线性啁啾光栅的反射谱和群时延谱（D2=1440ps/nm2，D1=-720ps/nm），

图6不同光纤长度下，输出的射频信号功率与光载波波长的关系曲线。

具体实施方式

基于非线性啁啾光纤光栅和波长可调谐激光器的可调谐色散补偿线性光纤系统实现方案如图1所示。

信号源1，速率约为1Gbps的数据信号；带致冷半导体激光器2，其波长决定于致冷电路的目标温度；微波调制器3，实现数据信号对微波载波的加载；光电外调制器4，实现微波/毫米波信号对光载波的加载；微波载波源5；线性光放大器6，用于延长传输距离，对于较短距离可省略；传输光纤7；非线性色散补偿器8，可采用光纤光栅制作；光电探测器9，其带宽要覆盖微波载波频率，输出为加载了数据调制的微波信号。

非线性色散补偿器具有如图2所示的三阶非线性群时延特性。

设计如图2所示的具有非线性群时延特性的色散补偿器，通过改变温度调谐半导体激光器的波长，由于调制边频（图2中两个箭头）之间的间距不变，所以两者之间的延迟量（图2中2个箭头所指波长位置处群时延值的相对差异）随着激光器中心波长变化而变化。

该方案主要分为两个步骤：

1）搭建如图1所示的线性光纤系统，其中有速率1M～1Gbps的信号源1，带制冷半导体激光器2。信号源1产生的数据通过微波调制器3实现对微波载波源5的数字调制，实现10～40GHz微波/毫米波信号的加载。微波调制器3输出的调制信号在光电外调制器4中实现对激光器输出的双边带调制，将携带数据的微波射频信号直接加载到1550nm波长窗口的光载波上，至此实现了光载微波副载波信号的数据与载波调制。

调制后的光载微波副载波信号经过5～20km的传输光纤到达接收端，由于光纤的色散造成副载波信号的功率衰落，从而导致误码率在7km、11.6km处的误码率劣化（以10GHz微波副载波为例）。

2）为了解决线性光纤系统在特定副载波频率（10GHz）、特定传输距离（7km）上的误码率劣化问题，在接收端采用图1所示的非线性色散补偿器8。非线性色散补偿器8具有如图5所示的非线性群时延特性，即改变进入该器件双边带调制光信号的中心波长，可以使得上下边带的相对群时延发生变化。基于此原理可以通过调谐发送端的激光中心波长，实现补偿不同传输距离的相对群时延差。

Claims (1)

1.一种用于线性光纤系统的可调谐色散补偿方法，其特征为：该色散补偿方法是对半导体激光器进行数据双边带直接调制，通过外调制器加载微波副载波频率，经过光纤传输到达接收端，经过光电探测器恢复加载数据调制的微波载波信号，针对线性系统的可调谐色散补偿方法具体如下：

1.)在发送端，采用带制冷的半导体激光器作为发射机光源提供波长可调谐光载波；

2.）采用射频调制器实现数据信号对射频载波的调制；

3.）采用马赫曾德尔外调制器实现微波射频载波对光载波的双边带调制，产生加载了数据的光载微波信号；

4.）制作具有非线性群时延特性的具有如下三阶函数群时延特性的光纤光栅滤波器，

$\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=D_1(\mathrm{\&lambda;}-{\mathrm{\&lambda;}}_0)+\frac{1}{2}{D}_2{(\mathrm{\&lambda;}-{\mathrm{\&lambda;}}_0)}^2---\left(1\right)$

其中τ（λ）为随波长变化的群时延函数，D₁、D₂分别为一阶与二阶色散系数，λ₀为常数表示滤波器的中心波长，

5.）将发送端光载微波信号传输至接收端，首先经过步骤4）所设计的光纤光栅滤波器，然后送至光电探测器转换为微波信号，

6.）通过改变发送端半导体激光器的制冷温度，调谐控制光载微波信号的中心波长，观测接收端探测器输出微波信号的功率达到极大值，此时即可补偿传输色散对线性光纤传输系统性能的影响，

7.）将光电探测器输出的微波信号经过步骤2）对应的解调恢复数据，最终实现信息传送。

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