CN1202636A - 啁啾声可控的光调制器及控制光信号调制中啁啾声的方法 - Google Patents

Abstract

通过使光信号经由光调制器内的光信号通道调制光信号。将不同的电场加到第一对平行调相支路两端,以在光信号的各个部分产生不同信号相位调制,并将不同电场加到第二对平行调相支路两端,以在光信号的各个部分产生不同信号相位调制。电场的不同幅值是预定的,以控制啁啾声并改善调制线性度。从光调制器输出的光信号中的啁啾声可以被减小甚至被消除,或者可以被预定以抵消甚至消除传输通道中产生的啁啾声。

Description

啁啾声可控的光调制器及控制光信号调制中啁啾声的方法

本发明涉及啁啾声控制的光调制器和控制光信号调制中啁啾声的方法。本发明尤其适用于但并非仅用于闭路电视(CATV)传送中的光信号调制。

众所周知，在CATV系统中按调幅残留边带光信号的方式，用光纤传输电视信号。还有，利用激光器，例如分布反馈(DFB)半导体激光器作为光信号源，将光信号输出至外部光调制器，例如LiNbO₃马赫-策恩德调制器。

一种两级马赫-策恩德调制器具有一个电-光基片，其上设置一条光信号通道，依次包括输入波导、分束器、第一对平行调相支路、第一耦合器、第二对调相支路、第二耦合器以及输出波导。平行调相支路与调制电极有关，通过其可以将可变电场施加到调制支路的两端，以相应地改变这些支路的电-光材料的折射率，由此调制沿着信号通道传送的光信号。

实验表明，当采用现有技术的外部光调制器时，随着模拟光纤传输系统中光纤长度的增加，将产生显著的合成的二级(CSO)失真。通过实验和理论研究，现已证实失真的起因在于调制器中产生的啁啾声。

已有人建议提供一种低啁啾声的单级光调制器。参见1992年1月出版的<IEEE Photonics Technology Letters>第1期，第41-43页上由Djupsjobacka发表的“集成光调制器中的残余啁啾声”一文，据此，分析和测量马赫-策恩德结构中起因于场交叠非平衡的剩余啁瞅声的分散作用，表明可以同FFT算法一起采用一种简单的光纤模式传播模型计算多吉比特数字分布光纤系统中外部调制器残余啁啾声的影响。

现已发现，既可以达到几乎与现有技术的调制器所提供的不分上下的光学线性化，同时可以控制啁啾声的发生。

根据本发明，提供一种调制光信号的方法，其中，将预定的不同电场施加到光调制器平行调相支路的两端，电场的幅值是预定的以控制啁啾声。

通过相应地预定电极尺寸之差，即，通过沿着光信号通道内光传播的方向相应地预定调制电极的长度，或电极与调相支路间隔的差异，或通过将预定的不同调制信号加到电极，可以产生不同的电场。

从以下参照附图所给出的较佳实施例的描述中可以更容易地理解本发明。

图1表示一个方框图，说明根据本发明的一个光调制器，具有相关的光信号和基准电压源。

图2更详细地表示根据本发明第一实施例的光调制器的元件。

图3表示与图2相应的部分，但作为本发明的第二个实施例。

图4表示一个曲线图，说明采用本发明的光调制器中，强度转移函数与输入电压之间的关系。

图5表示一个曲线图，说明采用本发明的调制器中，啁啾声参数随着输入电压的变化。

图6表示除了对采用本发明的光调制器所作的实验测量以外，采用本发明的光调制器和现有技术的光调制器中，计算的CSO与光纤长度的关系。

图7表示一个方框图，它说明采用本发明的发射机通过传输通道将光信号发送到接收机。

图1表示采用分布反馈半导体激光器10形式的一种光信号源，它将光信号提供给一般由参照号14表示的光调制器的输入波导12。

调制电压源16通过多个输入端k₁…k_n连接到光调制器14，在闭路电视网络中例如可以包括卫星下行线或其它的“输入端”。

调制器14还配置了一般由参照号18表示的偏置控制，它具有相应数量的偏置输入端1…n。这些偏置输入数可以与调制电压输入端k₁…k_n的数量相等或不等。偏置控制18通过检测器22测量从输出波导20获得的调制器的小部分输出信号，并将偏压提供给偏置输入端1…n，这些偏压被不断调节，以在调制器输出端维持其最小的合成二阶(CSO)失真信号。然而，本领域熟练人员将明白，偏置和调制输出也可以利用偏置T形(未图示)组合并馈送到单个输出端，这样就无需分离的偏置输入端和电极。

如本领域所知，偏置控制单元18包括微控制器(未图示)，它通过检测器22检测本机产生的CSO，并接连地调节偏置输入端1…n的偏压，由检测器22产生最小可能输出。采用该方法，偏置控制单元18循环经过所有偏置输入端，以将本机产生的CSO维持至尽可能的小，由此提供调制器最佳可能的线性化。

图2示意性表示图1所示、一般用参照号14a表示的调制器14的一个实施例。

尤其是，图2示出了置于电-光基板24上的光信号通道，该光信号通道包括输入波导12、Y-分束器26、平行调相支路28a和28b、耦合器30、第二对平行调相支路32a和32b、通常用参照号34表示的第二耦合器以及波导输出36a和36b。

第一对平行调相支路28a、28b与连接到导体40的各个调制电极38a和38b相联系，并与连接到导体44的共用中间调制电极42相联系。

尽管为了便于说明，图2中将每个电极38a和38b描述为一片电极，但本领域熟练人员很容易明白，每个电极也可以包括分离的电极部分。然而，为了以下更详细地讨论，须注意电极38a和38b的有效长度互不相同。

同样，平行调相支路32a和32b与各个调制电极46a和46b相联系，后者具有不同的有效长度且每个电极可以采用多个分离电极部分的形式，电极46a和46b连接到共用导体48，共用中间调制电极50位于平行调相支路32a和32b之间并连接到导体52。

第一和第二对调相支路28a、28b、32a和32b还配置偏置电极54a、54b和54c，它们经由导体56连接到图1所示的偏置控制单元18，并按本领域熟练人员所知的方法用于偏置调制器14a，因此不再作更详细的描述。

另外，偏置电极可以与调制电极46a、46b和50组合形成组合的偏置和调制电极，它们按本领域所知的方法执行偏置和调制。在此情况下，可以利用前述的偏置T形组合偏置和调制输入，并馈送到组合的偏置和调制电极。

在本发明的此实施例中，将来自无线电频率信号源16的单一无线电频率信号电压V₁连接到端子40与44以及端子48与52的两端，在第一和第二对调相支路28a、28b、32a和32b的两端提供电场。

图3所示的实施例具有与图2所示相同的电-光材料基片24和光信号通道，因此这里不再作进一步的描述。

然而，在图3所示的实施例中，信号通道的第一和第二对调相支路的每一对都具有成对的调制电极60a，60b；62a，62b；64a，64b和66a，66b，它们如图所示连接，使电压V₁…V₄从输入端k₁…k_n加到其两端。在本发明的此实施例中，输入端k₁…k_n包括具有不同增益的放大器，由此使施加到调制器电极的电压V₁…V_n相应地也不同。因此，4个不同的电场相应地加到4条调相支路28a、28b和32a、32b的两端。

图2和图3所示的调制器通过利用以上参照图2所述的不同长度的电极，或通过以上参照图3所述的用不同幅值的RF信号驱动每条支路，控制调相支路28a、28b和32a、32b的调相效率，使之能实现例如提供低的啁啾声线性调制的啁啾声控制。在每条支路中调节调制效率的另一种可能性是调节调制电极与支路之间的间隔，以相应地相对给定的驱动电压改变出现在各条支路中的电场。

参照图3可以按下述方法计算调制器所需的响应。

根据跟随Y分束器26一点，用矢量描述用于上下调相支路28a、28b的电场矢量E^upper和E^lower： $\left[\begin{array}{c}{E}^{\mathrm{upper}}\\ E^{\mathrm{lower}}\end{array}\right]$

第一相位调制器由一个矩阵模拟： ${\stackrel{-}{M}}_{\mathrm{pm}}^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{expi}(a_1{v}_1+b_1)& 0\\ 0& \mathrm{expi}(a_2{v}_2+b_2)\end{array}\right]$

一个类似的矩阵表示第二相位调制器： ${\stackrel{-}{M}}_{\mathrm{pm}}^{\left(2\right)}=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{expi}(a_3{v}_3+b_3)& 0\\ 0& \mathrm{expi}(a_4{v}_4+b_4)\end{array}\right]$

以下矩阵表示第一定向耦合器30： ${\stackrel{-}{M}}_c^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\&gamma;}}_1& -i\sin {\mathrm{\&gamma;}}_1\\ -i\sin {\mathrm{\&gamma;}}_1& \cos {\mathrm{\&gamma;}}_1\end{array}\right]$

第二定向耦合器34表示如下： ${\stackrel{-}{M}}_c^{\left(2\right)}=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\&gamma;}}_2& -i{\sin \mathrm{\&gamma;}}_2\\ -i\sin {\mathrm{\&gamma;}}_2& \cos {\mathrm{\&gamma;}}_2\end{array}\right]$

从下式可以获得表示波导输出36a、36b两个输出信号的矢量： $\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{out}}^A\\ E_{\mathrm{out}}^B\end{array}\right]={\stackrel{-}{M}}_c^{\left(2\right)}{\stackrel{-}{M}}_{\mathrm{pm}}^{\left(2\right)}{\stackrel{-}{M}}_c^{\left(1\right)}{\stackrel{-}{M}}_{\mathrm{pm}}^{\left(1\right)}\left[\begin{array}{c}1/\sqrt{2}\\ 1/\sqrt{2}\end{array}\right]$

Y分束器后的场幅归一化为 。由下式给出输出36a的强度传递函数： $S^A=\frac{1}{2}|E_{\mathrm{out}}^A{|}^2$

利用下式从电场输出相位重新获得啁啾声： $\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{out}}^A\\ E_{\mathrm{out}}^B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\left|E_{\mathrm{out}}^A\right|\exp \left({\mathrm{i\&phi;}}^A\right)\\ \left|E_{\mathrm{out}}^B\right|\exp \left({\mathrm{i\&phi;}}^B\right)\end{array}\right]$

其中，|E^A _out|和|E^B _out|为两个输出电场的绝对值，φ^A和φ^B为相应的相位。电力传输与相位之间的关系由啁啾声参数表示，对于输出A给出： $a^A=\frac{{\mathrm{d\&phi;}}^A/\mathrm{dt}}{\frac{1}{{2S}^A}\frac{{\mathrm{dS}}^A}{\mathrm{dt}}}$

采用该理论框架，可以为给定的调制器设计确定强度和啁啾声。在图2所示的调制器14B中：

                           v₁＝-v₂

将未放大的射频输入加到第一调制器部分作为电压v₁。

对于第二调制器部分：

                           v₃＝-v₄

并施加一个标定射频输入kv₁＝v₃＝-v₄。

这样就可以对给定一组的调制效率和耦合器角度计算调制器强度传递函数和啁啾声参数。由此，启发性的特征图组合了强度传递函数的倾斜效率，三阶和五阶非线性(它有助于复合三节拍或CTB失真)，并获得啁啾声参数。当偏压1…n为零时，直接在调制器产生CSO的二阶非线性为零。偏置控制电路的唯一功能是补偿所制器件中微小的长度失配以及随时间和温度的偏差。采用所述的特征图，通过调节4种调制效率和2个耦合器角度，实现数字最佳化以发现最佳特征图。

图4和图5表示用于如图2所示一类低啁啾声调制器的强度传递函数和啁啾声参数。图6表示对80条通道的NTSC频率设计所计算的系统CSO，作为如上计算的光纤长度的函数(实线)。作为比较，点划线表示对更差的常规调制器所作的同样计算。如果将65dBc定为性能标准，常规的调制器在50km后就变得极差了，而低啁啾声设计使此规格超过300km。图6的空心圈表示实验结果。小光纤长度的CSO包括因偏置控制电路中的有限误差而产生的成分，以及出现在射频输入放大器内的CSO失真。如果将这些附加到啁啾声产生的计算的CSO，其结果就是图6中的虚线曲线。这与预计的相当一致，其差别归咎于制作过程中的小误差。

实际中已经发现，用高输出的发射机，当信号在光纤传输通道内传播时，在传输通道内产生非线性结果尤其是自动相位调制，它使啁啾声加到信号中。

例如，参见图7，其中表明固定啁啾声发射机70(结合了如以上参照图1至图3所述的光调制器的一种大功率发射机)的输出经由传输光纤72送至接收机74。啁啾声产生于传输光纤72，它对传播的信号的强度有一种依赖关系。

因此，在发射机中可以采用能产生啁啾声的调制器，其幅值和符号已被确定，在经由传输光纤72传播之后，消去来自发射机70的信号在传输通道72中产生的啁啾声。为此，在非线性和色散为低的情况下，采用众所周知的电场包络函数的非线性传播，并通过分步的傅里叶变换定量或定性地求解等式，确定通过自动相位调制在传输光纤72中所产生的啁啾声的幅值和符号。发射机中产生的啁啾声不是尽可能地被减至最小，而是以上述参照图1至图6的方式预定为所需的幅值和符号，以抵消传输光纤72中产生的啁啾声。

Claims (8)

1.一种在光调制器(14)中控制通过光信号通道的光信号调制中啁啾声的方法，所述光信号通道依次包括输入波导(12)、分束器(26)、第一对平行调相支路(28a，28b)、第一耦合器(30)、第二对调相支路(32a，32b)、第二耦合器(34)以及输出波导(36a，36b)，其特征在于包括如下步骤：

将不同的电场加到第一对平行调相支路(28a，28b)两端，以在光信号的各个部分产生不同的信号相位调制；

将不同的电场加到第二对平行调相支路(32a，32b)两端，以在光信号的各个部分产生不同的信号相位调制，并预定电场幅值，以控制光信号中的啁啾声，并通过光调制器改善调制线性度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将不同的电信号加到与平行调相支路(28a，28b和32a，32b)相关的调制电极(38a，38b；46a，46b；60a，60b；62a，62b；64a，64b和66a，66b)，产生不同的电场。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过采用与平行调相支路相关的、分别具有不同有效长度的电极(38a，38b和46a，46b)，产生不同的电场。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，执行预定电场幅值的步骤，以抵消光信号中的啁啾声，并改善光调制器中的调制线性度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定由连接到光调制器的传输通道(74)中的光信号产生的传输通道啁啾声的幅值，以及执行预定电场幅值的步骤，以从光信号的光调制器输出修正的啁啾声，它抵消了传输通道的啁啾声，由此在光信号经由传输通道传播后减小光信号中剩余的啁啾声。

6.一种啁啾声可控的光调制器，包括位于基片上的光信号通道，所述光信号通道依次包括输入波导(12)、分束器(26)、第一对平行调相支路(28a，28b)、第一耦合器(30)、第二对平行调相支路(32a，32b)、第二耦合器(34)以及输出波导(36a，36b)、与平行调相支路(28a，28b和32a，32b)相关的调相电极(38a，38b；46a，46b；60a，60b；62a，62b；64a，64b和66a，66b)、以及连接到调相电极(38a，38b；46a，46b；60a，60b；62a，62b；64a，64b和66a，66b)将电场加到平行调相支路(28a，28b和32a，32b)两端并由此调制光信号各个部分的调制信号源；其特征在于，还包括在各个电场之间产生预定差异的装置，以控制光信号中啁啾声的幅值，并在调制中改善调制线性度。

7.如权利要求6所述的光调制器，其特征在于，在电场之间提供预定差异的装置，包括将不同的电信号加到调制电极(60a，60b；62a，62b；64a，64b和66a，66b)的装置。

8.如权利要求6所述的光调制器，其特征在于，在电场之间产生预定差异的装置包括把具有不同有效长度的电极作为调制电极。

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