CN1219366C - 自适应色散补偿器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光通信网络中光信号的集成色散补偿器，包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，其特征在于，至少一个分流设备(7)安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环(8、15)，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备(7)之前的光色散器件的至少一级中。本发明提出了一种紧凑的色散补偿器，这种色散补偿器能够动态适配变化的色散情况，并且能同时补偿多个数据信道的色散。

Description

自适应色散补偿器
技术领域
本发明涉及光通信网络中光信号的集成色散补偿器，包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件级。
背景技术
这种类型的集成色散补偿器在K.Takiguchi，S.Kawanashi，H.Takara，A.Himeno和K.Hattori的J.Lightwave Technol.Vol.16，No.9，1998，第1647-1656页中描述。
因为大量数据通过长距离传输，尤其是通过互联网传输的需求越来越普遍，光通信网络的重要性在不断增加。
通过光通信网络的数字数据传输基于中心频率在195THz左右的电磁波，它所承载的调制包含了需要传送的数据。在40Gbit/s DWDM(波分复用)系统中，这种调制的典型带宽约40GHz。光波通过波导，例如玻璃光纤传输。
但是，标准波导的有效折射率因材料色散和波导色散而与频率相关。这意味着电磁波的高频部分和低频部分在波导中以不同速度(群速度)传播。这种效果称为色散，导致同一数据信道中不同部分之间的时间差。在上面的例子中，100公里的传输距离会导致已调电磁波低频部分和高频部分之间产生约240ps的时间差。因为一个信息位的长度只有约25ps，所以色散可能会破坏数据信道中包含的信息。
为了解决这个问题，光通信网络配备有色散补偿器。其目的是抵消色散效果。
一种类型的色散补偿器基于Technical Digest of the Optical FiberCommunication Conference and Exhibit，March 17-22，2002，Anaheim，California，page 577ff；T.Sugihara等人的Paper ThAA2中描述的线性调频光纤布拉格栅(CFBG)。电磁波被发送到光纤核心区写有折射率栅(refractive index grating)的光纤。光纤的栅格周期沿光纤减小(或增加)。光波的特定频率部分的反射(布拉格反射)位置取决于所述栅格周期。低频部分反射得较迟(或较早)，而高频部分发射得较早(或较迟)，必须通过终端光纤传播较长时间。通过利用镜面之间材料的热膨胀的Peltier元件，CFBG补偿器可以调整用于特定的光色散情况。这涉及1或2个温度参数的优化。但是，CFBG补偿器只能用于一个数据信道。因此，通常传送多个数据信道(典型情况是相隔100GHz的32个信道)的波导的色散补偿需要将这些信道划分成不同的光纤，一个CFBG补偿器部件作用于一个信道。这意味着过程和构造的成本非常高昂，尤其是因为一个CFBG补偿器部件的尺寸较大，中心交换局需要大量的放置空间。
第二类型的色散补偿器是构造在平面光波电路上的集成光色散补偿器(均衡器)；参见K.Takiguchi等人的论文。它包括网格格式光滤波器设计的级联的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪(MZI)。一般说来，一个MZL包括两个3分贝耦合器，通过两个波导臂相连，一个包含一个光热移相器，一个包含一根延迟线。一般说来，第一耦合器在两个波导臂上分配到来的电磁波，其频谱在两个臂上是不同的。延迟线导致相应臂上的电磁波部分出现时延，而移相器决定了下一耦合器的干扰情况。集成光色散补偿器基于光频率传送特性的重复，通常适用于一次性补偿多个数据信道的色散。但是，在现有技术中，还没有什么方法可以将集成光色散补偿器进行调整后用于不同程度的色散。
色散补偿器必须能够根据进入到，例如波导中的电磁波的色散程度进行调整。在长度如在100公里量级的波导终端处的色散情况不是固定的，而是会随时间变化。这种变化的最重要的原因是波导材料的折射率跟温度有关。在上述例子中，800公里长的波导中30摄氏度的温度变化会导致约50ps/nm的时差。在将色散补偿器用于不同类型，尤其是不同长度和材料的波导时，会出现其它问题。所以，在安装时需要对色散补偿器进行微调，但出于经济原因，通常难以达到令人满意的精确度。
因此，不能动态适配变化的色散情况的色散补偿器只能完成粗糙的补偿，而残余的色散仍然没有补偿，并且光数据传输处理的误码率(BER)不断增加。
发明内容
本发明的目的是提出一种紧凑的色散补偿器，这种色散补偿器能够动态适配变化的色散情况，并且能同时补偿多个数据信道的色散。
前述目的通过本申请开头提到的集成光色散补偿器来实现，其特征在于，至少一个分流设备安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备之前的光色散器件的至少一级中。
在本发明中，用于适配的中间(“级间”)光信号从集成色散补偿器(ICDC)中分离。因此，不是只有ICDC芯片输出端口的信号才能用于补偿。
可以使用发明的ICDC作为补偿波导色散的唯一色散补偿设备，但也可以用作支持固定色散补偿器的附加设备，消除所述固定色散补偿器的残余色散。为此，ICDC也可以称为残余色散补偿器(RCDC)。
构造反馈环的设备比较便宜。分流的信号一般只用于调整一个移相器，通常调整到分流信号的光功率的最大值。分离的反馈环所控制的移相器的相位的优化可以通过低速电子设备和光电二极管的简单高频振动算法来完成。
在最简单的情况下，分析分流设备信号的反馈环所控制的级是分流设备的直接前驱级。这可以避免不同反馈环之间的不希望出现的关联。但也可以控制与分流设备相距较远的级，尤其是在被控级和分流设备之间的中间级稳定操作的情况下。
按照本发明，ICDC的完整构造被集成到一个芯片中，从而被视为一个单独的设备。这使得处理极其简单，安装过程也非常快捷。
在本发明的一种优选实施方式中，集成的色散补偿器包括多个分流设备，这些设备安置在分流级间信号的光色散器件的若干级之间。这意味着色散补偿的参数数量有所增加，但是另一方面，适当参数的数量增加使得主要色散得到了更为准确的补偿。
在ICDC包含多级的情况下，还需要调整多个参数(尤其是移相器的相位)。这带来了一定风险，即只评价输出信号的单个适配控制无法处理的多个本地最小值和最大值。此外，在调整只基于输出信号来完成的情况下，适配时间随着适配参数数量成指数增长，所以调整处理可能会相当复杂，并且耗时很长。利用各个重要参数自己的反馈环来进行调整，就可以避免以下情况，即ICDC的调整处理被本地捕获，而不是同时调整所有参数的一个单独的全局反馈环的全局最小值或最大值。实现了本发明之后，调整时间只是线性依赖于参数的数量。按照本发明，也可以将参数分成多个组进行调整，一个反馈环调整一组参数，通常多个参数组的调整独立进行。
在一个优选的实施方式中，集成色散补偿器的特征在于，光色散器件的级包括可调移相器，尤其是电子和/或热可调移相器。这些移相器是控制来自移相器之后的耦合器的两个波导臂的电磁波干扰的简单装置。这种干扰会影响下一耦合器中频谱的划分，从而影响色散补偿。在本发明的一种典型设计中，移相器只包括网格滤波器结构的动态可适配部件，尤其是延迟线和耦合器稳定操作。
在该实施方式的一种扩展中，每个反馈环只控制一个移相器，最好是与延迟器件并行或串行放置的移相器。与延迟线并行或串行放置的移相器(注意移相器的效果在这两种情况下相同)对色散补偿尤为重要，所以最好所有与延迟线并行或串行放置的移相器都受控于单独的反馈环。在只控制一个移相器的情况下，反馈环不会被本地最小值或最大值捕获，前述本地最小值或最大值不同于其反馈参数的绝对(全局)最小值或最大值。
本发明的色散补偿器的一个有利实施方式的特征在于，一个分流网格滤波器结构的输出信号的另外的分流设备，将分流的输出信号送入附加的反馈环，将附加反馈环得到的适配参数送入该另外的分流设备之前的光色散器件的至少一级中。这意味着，除了级间分流设备之外，还可以在ICDC信号输出端放置一个另外的分流设备，首先是用于控制ICDC信号输出的直接前驱级，因为如果不这样，该级就需要稳定操作。因此，色散补偿器对主要色散的适配会更好。
在集成色散补偿器的一个优选实施方式中，一个或多个光色散器件的级联级包括马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。ICDC可以完全由级联的MZI构造，但也可以包括定义较少的结构。MZI是平面光波电路上的标准结构，容易得到并且以标准方式进行生产。
本发明还包括一种操作集成色散补偿器的方法，该集成色散补偿器包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，至少一个分流设备安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备之前的光色散器件的至少一级中，一个分流网格滤波器结构的输出信号的另外的分流设备，将分流的输出信号送入附加的反馈环，将附加反馈环得到的适配参数送入该另外的分流设备之前的光色散器件的至少一级中，调整附加的反馈环，使得网格滤波器结构的输出信号的平均光功率最大。这是连接到另外的分流设备的附加反馈环的最为简单的装配例程。高的光输出功率确保了输出信号的高信躁比。
本发明还包括一种操作集成色散补偿器的方法，该集成色散补偿器包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，至少一个分流设备安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备之前的光色散器件的至少一级中，选择适配参数，使得相应的分流的级间信号的平均光功率最大或最小，或者将分流的级间信号设置成预先选定的值。这些容易处理的装配过程足以使本发明的优点得以实现。
本发明还包括一种操作集成色散补偿器的方法，该集成色散补偿器包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，至少一个分流设备安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备之前的光色散器件的至少一级中，从网格滤波器结构的不同并行波导分流光色散器件的两个相邻级之间的两个级间信号，使得所述两个分流的级间信号的平均光功率差或者最大或者最小，或者设置成预先选定的值。这种方法使得光功率在网格滤波器结构的两个并行的波导之间，尤其是在MZI的两个波导臂之间进行准确的分配。这样，可以对到来信号的不同频率部分进行延时。
本发明还包括一种操作集成色散补偿器的方法，该集成色散补偿器包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，至少一个分流设备安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备之前的光色散器件的至少一级中，由附加的适配控制设备控制不由反馈环控制的光色散器件的级，优化从网格滤波器结构的输出信号得到的质量信号。质量信号一般包括电眼监控器(也就是眼图的垂直宽度)，误码率，FEC差错统计(前向纠错)，检测到的信号的光谱线，以及检测到的信号的中心频率，带宽和平均光功率。附加适配控制设备所控制的级一般并行调谐，这样适配过程会比较简单。但是，如果进一步减小残余失真是主要目标的话，也可以应用控制设备(也就是移相器)的连续高频振动。这种并行调谐产生了适当的色散补偿。调谐本身以反馈高频振动算法形式执行。此外，附加适配控制设备所控制的级包括移相器，但最好不包括延迟线。
本发明还包括一种操作集成色散补偿器的方法，该集成色散补偿器包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，至少一个分流设备安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备之前的光色散器件的至少一级中，由附属控制设备控制不由反馈环控制的光色散器件的级，由色散分析器确定使网格滤波器结构的输入信号失真的色散量，以及由色散分析器所确定的数据由附属控制设备评估，用以控制不由反馈环控制的光色散器件的级。不由反馈环控制的这些级(一般是移相器)的调谐产生了实际的色散补偿，例如基于读出某张表。这种前向反馈调谐过程可以不通过高频振动算法实现，因此非常快。
通过下面的详细描述，并结合附图，可以得出更多的优点。前述和后面的属性可以按照本发明单独使用，或者以任何组合形式共同使用。提到的实施方式不应理解成穷尽了所有可能，而应视为为了说明本发明而给出的示例。
附图说明
本发明在附图中示出。
图1示出了按照本发明的集成光残余色散补偿器的连接方案，该集成光残余色散补偿器具有用于后向反馈的附加适配控制设备；
图2示出了按照本发明的集成光残余色散补偿器的连接方案，该集成光残余色散补偿器具有用于前向反馈的附属适配控制设备。
在由DCF模块(色散补偿光纤)补偿的40Gb/s DWDM系统中(在160Gb/s系统中也是)，一些或者所有波长信道都会因未补偿的残余色散而遭受损失，这些残余色散可能因以下原因引起：
-长链路上传输光纤(波导)的温度变化；
-传输光纤色散斜率和DCF色散斜率的不匹配；
-DCF的经济安装可能使待安装DCF无法进行微调。
在所有这些情况下，使用动态适配残余色散补偿器(RCDC)都是有利的。集成光电路(例如平面光波电路：PLC)因为能够将许多补偿器实现在一个芯片上而可能成为减轻色散的经济性方案。光热可调谐RCDC的应用在过去几年中作了论证，参见K.Takiguchi，K.Okamoto，K.Moriwaki；J.Lightwave Technol.Vol.14，No.9，1996，p.2003-2011。一种典型的级联Mach-Zehner干涉仪结构在图1中以带有标号1的框示出。
这些结构需要调整到实际的色散，也需要调整到待发送的频谱。许多参数必须同时调整，例如电可调谐移相器6、9、12、14、18。这带来了许多相对最优值难以由仅仅验证输出信号的单个适配控制来处理的风险。
按照本发明，从RCDC芯片分流出“中间”光信号，用于适配，而不仅仅是芯片输出端口的信号。通过这些分流的信号可以形成不同的单个(低成本)反馈环，只调整一个移相器(这里实现平均光功率的最大调整)。避免了许多本地最大值。
对下面给出的自适应RCDC的特定结构而言，我们有：
移相器6、12、18分别调谐到最大平均光功率，这可以通过低速(也就是成本低)电子设备和光电二极管实现的简单高频振动算法实现。
移相器9、14并行调谐以生成适当的色散。这通过观察RCDC输出端的补偿信号并使得反馈信号测得的质量最大来实现。它也可以通过适配控制中实现的高频振动算法来实现。反馈信号可以是电眼监控器、FEC差错统计、检测到的信号的光谱线等等。PMD(极化方式色散)补偿中已知的反馈信号大多也可以应用。
具体实施方式
图1所示的发明的集成残余色散补偿器包括级联的马赫-曾德尔干涉仪结构，包含在标号1所指示的框中。马赫-曾德尔干涉仪本身在本领域中众所周知。
发明的ICDC还包括一个信道波长相位锁定结构，包含在参考数字2所指示的框中。
马赫-曾德尔干涉仪结构1是网格滤波器结构的一个例子。网格滤波器结构一般包括两根并行的波导线，由每根波导线中的并行光设备(例如移相器或延迟环路)交替中断，以及交叉位置，在这些交叉位置上这两根波导线可能会承受耦合效应。
在图1所给的例子中，输入信号被送入第一3分贝耦合器3的上输入部分3a。第一3分贝耦合器3和第二3分贝耦合器4，连同延迟时间为τ的延迟线，以及产生相移ΔΦ1的移相器6组成马赫-曾德尔干涉仪。第二3分贝耦合器4的一个信号出口(或者后续光波臂)通过分流设备7分流，将信号特性通过消息送入反馈环8。在反馈环8中，产生移相器6的适配参数，用以优化分流设备7所分流的信号。
在3分贝耦合器4之后，上波导臂上安置了一个移相器9。移相器9不受锁相结构2的反馈环控制。
在上面的例子中，ICDC的中间部分还包括3分贝耦合器10、13、16，与延迟线11并行并受反馈环15控制的移相器12，以及不受反馈环控制的移相器14。
ICDC的最后一级包括与延迟线17和3分别耦合器19并行的移相器18。耦合器19的上输出21交付网格滤波器结构，也就是ICDC的输出信号。上输出21由另外的分流设备20a分流，为附加反馈环20提供必要的数据来控制移相器18。
上输出21还由质量信号线22分流，向质量分析器23提供必要的信号信息。质量分析的结果被送到附加适配控制设备24，从而产生移相器9和14的控制参数。这些操作参数可以用于将ICDC调谐到网格滤波器结构的输入信号的实际色散25。移相器9、14最好并行调谐，从而尽可能降低调谐的复杂程度。调谐25的一种简单方式是通过高频振动操作参数，并分析质量分析器23所分析的质量参数的效果来实现。
在图2中，示出了不由反馈环控制的移相器9、14的一种可选和发明的控制方法。网格滤波器结构的输入信号26通过线27分流。分流位置也可以位于上输入端口3a。色散分析器28确定破坏输入信号26的色散量，将该信息送到附属控制设备29。附属控制设备29将调谐输入信号26的实际色散的参数送给移相器9、14。这些参数可以通过读取存储在附属控制设备29中的某张表来得到，该表列出了为了补偿输入信号26的主要色散，移相器9、14需要设置的操作参数的最有利的值。在最简单的情况下，移相器9、14并行调谐。从附属控制设备中读出一张表比在图1的实施方式中实现高频振动算法要容易得多，并且快捷得多。

Claims (10)

1.一种用于光通信网络中光信号的集成色散补偿器，包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，其特征在于，至少一个分流设备(7)安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环(8、15)，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备(7)之前的光色散器件的至少一级中。
2.按照权利要求1的集成色散补偿器，其特征在于，光色散器件的级包括可调移相器(6、9、12、14、18)。
3.按照权利要求2的集成色散补偿器，其特征在于，每个反馈环(8、15)只控制一个移相器(6、12)。
4.按照权利要求1的集成色散补偿器，其特征在于，一个分流网格滤波器结构的输出信号的另外的分流设备(20a)，将分流的输出信号送入附加反馈环(20)，将附加反馈环(20)得到的适配参数送入该另外的分流设备(20a)之前的光色散器件的至少一级中。
5.按照权利要求1的集成色散补偿器，其特征在于，一个或多个光色散器件的级联级包括马赫-曾德尔干涉仪。
6.一种操作集成色散补偿器的方法，该集成色散补偿器包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，至少一个分流设备(7)安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环(8、15)，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备(7)之前的光色散器件的至少一级中，一个分流网格滤波器结构的输出信号的另外的分流设备(20a)，将分流的输出信号送入附加的反馈环(20)，将附加反馈环(20)得到的适配参数送入该另外的分流设备(20a)之前的光色散器件的至少一级中，调整附加的反馈环(20)，使得网格滤波器结构的输出信号的平均光功率最大。
7.一种操作集成色散补偿器的方法，该集成色散补偿器包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，至少一个分流设备(7)安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环(8、15)，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备(7)之前的光色散器件的至少一级中，选择适配参数，使得相应的分流的级间信号的平均光功率最大或最小，或者将分流的级间信号设置成预先选定的值。
8.一种操作集成色散补偿器的方法，该集成色散补偿器包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，至少一个分流设备(7)安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环(8、15)，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备(7)之前的光色散器件的至少一级中，从网格滤波器结构的不同并行波导分流光色散器件的两个相邻级之间的两个级间信号，使得所述两个分流的级间信号的平均光功率差或者最大或者最小，或者设置成预先选定的值。
9.一种操作集成色散补偿器的方法，该集成色散补偿器包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，至少一个分流设备(7)安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环(8、15)，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备(7)之前的光色散器件的至少一级中，由附加的适配控制设备(24)控制不由反馈环(8、15)控制的光色散器件的级，优化从网格滤波器结构的输出信号得到的质量信号。
10.一种操作集成色散补偿器的方法，该集成色散补偿器包括多个以网格滤波器结构形式出现的级联的光色散器件，至少一个分流设备(7)安置在光色散器件的相邻级之间，用于分流级间信号，将每个分流的级间信号送入各自的反馈环(8、15)，这些反馈环将适配参数送给位于相应的级间信号分流设备(7)之前的光色散器件的至少一级中，由附属控制设备(29)控制不由反馈环(8、15)控制的光色散器件的级，由色散分析器(28)确定使网格滤波器结构的输入信号(26)失真的色散量，以及由色散分析器(28)所确定的数据由附属控制设备(29)评估，用以控制不由反馈环(8、15)控制的光色散器件的级。
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