CN1242284C - 基于光纤环镜的光标签擦除滤波器 - Google Patents

Abstract

基于光纤环镜的光标签擦除滤波器属于光纤通信技术领域，其特征在于：在Sagnac光纤环镜中加入两段长度比为1∶2的保偏光纤作为双折射元件，它们的正交保偏轴保持一定的角度。输入的光信号为带有副载波调制的标签信息的光分组信号，经环行器进入擦除部件并按50∶50对称分成顺、逆时针方向在光纤环镜中传输。它们的不同的偏振方向经过环镜中的两段保偏光纤，从而在它们之间产生相位差，在耦合处器相位差决定了光纤环镜对不同波长信号的透射率和反射率，从而形成滤波谱，使光标签和数据信号分离。它具有设计简易，滤波后的通带平坦，稳定性好的优点。

Description

基于光纤环镜的光标签擦除滤波器

技术领域

本发明属于光电子技术和光纤通信技术领域。特别涉及在光标签交换网络中光标签的擦除装置。

背景技术

1997年Bellcore(贝尔通信研究所)的S.J.B.Yoo和G.K.Chang等人提出了基于光标签交换(Optical Label Swapping：OLS)技术建立下一代光网络的方案，这是一种在全新的光网络中进行IP业务接入的新机理和新技术，它在充分利用了光波交换技术和标签交换技术的同时也吸收了IP业务的特点，简化了原来数据网络的多层协议栈，提高了处理效率，而且能够低延时交换转发数据包并对数据率和数据格式透明。由于采用标签交换技术，从而简化了路由器入口处处理包头信息和FEC(转发等价类)分配的过程，改善了选路的性能和成本，为实现快速转发奠定了基础，这种方案突破了波长选路中可使用波长数目有限的制约，使得光包不再与波长捆绑，光包可灵活出入上下各节点，全光网络资源的利用潜力增加；它通过对光标签的处理来识别传送路径，完成选路功能，同时，又依据IP数据业务突发性强这个特点，采用标签交换可以充分开发链路资源，大大提高数据传输效率。而这种光标签交换又非“全光”处理，弥补了目前尚未成熟的一些关键网元的功能，比如光缓存器和光信号同步，它不需要像突发交换网络那样提前传送控制信令信息，准确估计信号处理和传输延时，通过标签来简化突发光交换的一些操作。

实现OLS网络的关键技术之一是对光标签的处理，即对光标签的读取、写入和擦除操作，并在此基础上实现光标签交换，在这过程中，基带负载始终保持在光域，无需在电域内进行任何电的读写和刷新操作。光标签处理的三个模块如图1所示，在副载波调制作为光标签的网络中，光标签擦除模块是关键点，目前的光标签擦除方法是使用光学滤波器来擦除标签，常用的有光纤布拉格光栅(FBG)、半导体光放大器(SOA)的低通特性、光学滤波器和Sagnac光纤环境等四种方案，但是还很不完善。其中第一种方案受限于工艺水平，难以实现多波长工作；第二种方案中SOA载流子的响应特性限制了的光分组比特率(不能大于2.5Gbps)；第三种方案需要较复杂的单边带调制技术；而第四种方案中虽然简单方便，不需要单边带调制技术，但Sagnac环镜的余弦平方型传输函数的通带并不“平坦”，使得它将对光分组信号频谱产生不利影响，特别是当通过多个这样的滤波器时，其级连效果很差，信号的误码率将显著提高。因此满足多方面的要求设计一个性能优良的光标签擦除器是光标签交换网络中的一个关键点。

我们设计的擦除标签的滤波器建立在光双折射型光纤环镜的基础上的Lyot-Sagnac型光纤滤波器。它使用双边带技术，克服了复杂的单边带调制技术的缺点，使得光标签的接收和发射模块的设计简单易行；同时优化设计滤波器元件参数可以使得滤波通带平坦，特别是多个滤波器级连后，避免了滤除标签信息后，对光分组信号频谱的不利影响。同时采用全保偏的光纤器件，很好的保证了光纤环境内部的保偏特性，增强了光纤滤波器的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种设计简易、级连滤波后通带平坦、稳定性好的基于光纤环镜的光标签擦除滤波器。

设计方案如图2，Sagnac光纤环镜中加入两段长度比为1∶2的保偏光纤作为双折射元件，它们的正交偏振轴保持一定的角度。输入的光信号同时带有副载波调制(SCM)的标签信息和光分组信号，此光信号经环形器进入擦除模块并按50∶50对称的分为顺时针和逆时针两个方向在光纤环中传输，两路光信号以不同的线偏振方向经过环路中的两段保偏光纤，从而它们之间产生相位差，在耦合器处发生干涉时其相位差决定了光纤环对光信号的透射率和反射率，由于不同光波长经过PM光纤产生的相移差不同，光纤环对不同波长的透射率和反射率也不同，根据这一特性形成光纤滤波器，对于负载信号所在的频谱在其通带内，透明传输，而对于标签信号则反射进入光标签接收机，完成标签的识别。Lyot-Sagnac滤波器的各个琼斯矩阵元如下所示：

图2中所示的保偏光纤的Jones矩阵为，

$J_{\mathrm{\θ}}=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\exp (\mathrm{j\Ψ}/2)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{j\Ψ}/2)\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)$ (ψ为保偏光纤时延)

此时设y、z轴在光纤平面内，θ角即为保偏光纤快轴与x轴的夹角。两段保偏光纤的双折射(快轴和慢轴)时延分别为ψ和2ψ，因此，对于环中的保偏光纤组成的双折射元件的Jones矩阵为，

$J_{\mathrm{com}}=\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\exp \left(\mathrm{j\Ψ}\right)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{j\Ψ})\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& \sin {\mathrm{\θ}}_2\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\exp (\mathrm{j\Ψ}/2)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{j\Ψ}/2)\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right)$

其中θ₁为第一段保偏光纤快轴与耦合器快轴的夹角，θ₂为两段保偏光纤快轴的夹角。当偏振耦合器的耦合比是1∶1时，光纤环镜的传输函数，即透射函数为：

$T=1-\frac{1}{2}({\left|J_{\mathrm{xx}}\right|}^2+1)+({J_{\mathrm{yx}}}^{*}{J}_{\mathrm{xy}}+{J_{\mathrm{xy}}}^{*}{J}_{\mathrm{yx}})$

其中J_xx、J_xy、J_yx、J_yy为矩阵J_com的四个矩阵元。同时考虑到两个正交偏振态通过保偏光纤后的相位相位差与光波波长的关系为 $\mathrm{\ψ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L\left(\right|n_0-n_e\left|\right)=2\mathrm{\π}\frac{L}{L_B},$ 其中L为第二段双折射保偏光纤的长度，|n_o-n_e|为保偏光纤两正交方向折射率差，是由保偏光纤的拍长L_B决定的。由此可以得出不同波长的光具有不同的相位差，不同相位差使得各个琼斯矩阵元不同，因而具有不同的透射率，因此可以达到了波长选择的目的。这样分属在不同波长的光标签和净荷负载将分别反射和透射过擦除模块，实现光标签和净荷负载的剥离。

本发明的特征在于：

包含所述的Sagnac光纤环镜：双折射元件，它是两段长度比为1∶2的保偏光纤，第一段保偏光纤快轴与下述偏振耦合器快轴夹角θ₁、两段保偏光纤快轴夹角θ₂、两段保偏光纤的快轴和慢轴时延ψ和ψ/2要满足下式：

$J_{\mathrm{com}}=\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\exp \left(\mathrm{j\Ψ}\right)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{j\Ψ})\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& \sin {\mathrm{\θ}}_2\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\exp (\mathrm{j\Ψ}/2)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{j\Ψ}/2)\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right),$

J_com为双折射元件的Jones矩阵，

同时，两个正交偏振态分别通过保偏光纤后的相位差要满足下式：

$\mathrm{\ψ}=2\mathrm{\π}\frac{L}{L_B},$ 而 $L_B=\frac{\mathrm{\λ}}{|n_o-n_e|}$

其中：L为第二段双折射保偏光纤的长度，L_B为两段保偏光纤的拍长，

|n_o-n_e|为两段保偏光纤两正交方向的折射率差，

λ为光的波长，

其中：两段保偏光纤快轴夹角θ₂，第一段保偏光纤快轴与耦合器快轴夹角θ₁两个数据的最佳值由数值仿真扫描得到，最佳的θ₁和θ₂使得J_com得到的上述传输函数T的3dB带宽达到最大值。

保偏耦合器，它的耦合比为1∶1，带有标签的光信号进入它的输入端，经过所述滤波器反射后的光标签信号输出端向外连接到一个环行器的一个输出端上；它的一个经过上述滤波器透射后的光数据信号输出端外接到一个光接收机上；它的两个耦合端连接到上述双折射元件的两端。

所述的保偏光纤为藤仓公司生产的1550nm处熊猫型保偏光纤，两段保偏光纤的长度分别为29.45m和58.9m，第一段保偏光纤快轴与保偏耦合器快轴夹角θ₁为1.1弧度，两段保偏光纤快轴夹角θ₂为1.2弧度，为保证J_com的输出信号相对与输入信号的功率衰减小于1dB，θ₁的误差小于20％，θ₂的误差小于10％，两段光纤长度比误差小于1％。

所述的保偏耦合器为藤仓公司生产的3dB拉锥型低损耗保偏耦合器。

实验证明，光信号采用非归零码长为2⁷-1的伪随机码序列，在误码率为10^-10时，与背对背传输情况相比，Lyot-Sagnac滤波器带来的功率代价为0.58dB，明显优于采用普通的光纤环镜滤波器(FLM)的系统性能。

附图说明：

图1光标签交换节点原理框图。

图2本发明所述基于光纤环镜的光标签擦除滤波器示意图。

图3本发明的具体实施方案图：

PC：偏振控制器；MZM：马赫曾德调制器；SCS：副载波源；SMF：单模光纤；circulator：环行器；PM fiber：保偏光纤；10Gb/s data transmitter：10Gb/s数据发生器；10Gb/s data receiver：10Gb/s数据接收器；PD：光探测器。

图4从标签写入模块输出的光信号：

4(a)：波形图；4(b)：频谱图。

图5眼图：

5(a)：10Gbit/s光数据信号眼图；5(b)：10Gbit/s加入光标签的信号眼图。

图6擦除标签后的数据光信号：

6(a)：波形图；6(b)：频谱图。

图7两种滤波器的误码率实验曲线图：

BER：误码率；Signal Power：信号功率；back-to-back：背对背；before erasing：标签擦除前；FLM erased：普通光纤环镜滤波器擦除标签后；Lyot-Sagnac erased：基于Lyot-Sagnac光纤滤波器擦除标签后。

实施方式

具体实施方案如图3所示。包括光标签写入、擦除和读取三个模块，在光标签写入模块中包括10Gbit/s的负载数据源和微波SCS源，通过MZ-铌酸锂电光调制器将副载波调制到10Gbps光基带信号上，这样模块的输出是同时含有数据和标签信息的SCM双边带(DSB)光信号。考虑到光调制器的响应速度和光擦除模块的多波长工作，实验系统中选定副载波频率为12.5GHz。从写入模块输出的信号进入光标签擦模块中，利用我们设计的Lyot-Sagnac光纤滤波器将输入信号中的光标签分量反射而透射数据光分量，使标签与数据分离，实现光标签擦除功能。经光纤滤波器反射后的光标签信号通过环形器进入光标签读取模块，经过光探测器接收，滤波器透射的光数据信号直接进入10Gbit/s的光接收机进行处理。

本实例中采用的装置图如图3所示，其中：

A.10Gb/s的数据发生器和接收器分别使用的是ADVANTEST公司的D3186PULSEPATTERN GENERATOR和D3286ERROR DETECTOR。

B.偏振控制器采用General Photonics公司的PolarRITE。

C.副载波源采用HP公司的83590A微波发生器。

D.MZM调制器采用JDSU H101铌酸锂调制器。

E.环行器采用隆润公司的4-port Circulator。

F.保偏光纤采用藤仓公司生产的1550nm处的熊猫型保偏光纤

G.光探测器采用意欧公司的PD1100。

我们采用的两段保偏光纤的长度分别为29.45m和58.9m，两段保偏光纤快轴夹角θ₂为1.2弧度，第一段保偏光纤快轴与耦合器快轴夹角θ₁为1.1弧度。两组数据只能由数值仿真扫描测得，判断标准为信号功率代价小于1dB。通过仿真表明θ₁误差不能超过20％，θ₂的误差不能超过10％，两端光纤长度比误差不能超过1％。实际使用的保偏光纤为藤仓公司生产的1550nm处的熊猫型保偏光纤，具体参数如表1所示；3dB耦合器采用藤仓公司生产的拉锥型低损耗保偏耦合器，具体参数如表2所示。

表1

光纤编号：SM15-PS-U25A		光纤类型：Panda
				截止波长(μm)	1.39	损耗(dB/km)	0.29
偏振串扰(dB)	-30.7	拍长(mm)	3.8
				芯径(μm)	10.5	涂层外径(μm)	244
外径(μm)	125.1	备注

表2

编号	PTAP-0250-2-B
				耦合比	50％/50％(3dB)	直通插入损耗(1550nm处)(dB)	3.03
串扰(dB)	-23.6	交叉插入损耗(1550nm处)(dB)	3.16

从标签写入模块输出的带有标签的光信号波形和频谱如图4所示。光信号旁的两旁有双边带的低于光信号本身功率的副载波标签信号，标签信息已经载入光信号中，与光信号分属在不同的波长上。光信号本身以及带有标签信息的光信号的眼图显示在图5中。带有标签的光信号进入光标签擦除模块，通过透射谱抑制副载波标签得到光载荷信息，完成光信号和光标签的分离。由于调制到光信号上的标签为双边带信号(从图4b图中可以看出)，所以对擦除器传输函数的透射波长有严格的要求，使基带光信号恰好在其透射峰内，否则由于滤波的偏移将会使信号质量变差。准确的设计滤波器各个参数，使它的传输函数的透射谱与反射谱分别包含基带光信号和副载波标签，这样可以达到完全滤除的效果，在图6给出了经Lyot-Sagnac滤波器擦除光标签后的光信号的波形图和频谱图。从图6中可以看到，偏离中心波长12.5GHz的SCM信号滤去大于20dB，这样完全可以满足多次擦写交换标签的要求。通过测量FLM和Lyot-Sagnac两种滤波器滤除标签后光信号的误码率可以比较两种滤波器作为擦除器的性能好坏。图7给出了三种情况下信号的误码率曲线图。光信号采用非归零(NRZ)码长为2⁷-1的伪随机码序列，在误码率为10^-10时，与背对背相比，Lyot-Sagnac滤波器带来的功率代价为0.58dB，而且从曲线中可以看出明显优于FLM滤波器的系统性能。

Claims (3)

1.基于光纤环镜的光标签擦除滤波器，含有Sagnac光纤环镜，其特征在于所述的Sagnac光纤环镜包含：

双折射元件，它是两段长度比为1∶2的保偏光纤，第一段保偏光纤快轴与下述偏振耦合器快轴夹角θ₁、两段保偏光纤快轴夹角θ₂、两段保偏光纤的快轴和慢轴时延Ψ和Ψ/2要满足下式：

$J_{\mathrm{com}}=\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\exp \left(\mathrm{j\Ψ}\right)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{j\Ψ})\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\θ}}_2& {\sin \mathrm{\θ}}_2\\ {-\sin \mathrm{\θ}}_2& {\cos \mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\θ}}_1& {-\sin \mathrm{\θ}}_1\\ {\sin \mathrm{\θ}}_1& {\cos \mathrm{\θ}}_1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\exp (\mathrm{j\Ψ}/2)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{j\Ψ}/2)\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\θ}}_1& {\sin \mathrm{\θ}}_1\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_1& {\cos \mathrm{\θ}}_1\end{array}\right),$

J_com为双折射元件的Jones矩阵；

同时，两个正交偏振态分别通过保偏光纤后的相位差要满足下式：

$\mathrm{\ψ}=2\mathrm{\π}\frac{L}{L_B},$ 而 $L_B=\frac{\mathrm{\λ}}{|n_o-n_e|}$

其中：L为第二段双折射保偏光纤的长度，

L_B为两段保偏光纤的拍长，

|n_o-n_e|为两段保偏光纤两正交方向的折射率差，

λ为光的波长，

光纤环镜的传输函数，即透射函数为：

$T=1-\frac{1}{2}({\left|J_{\mathrm{xx}}\right|}^2+1)+({J_{\mathrm{yx}}}^{*}{J}_{\mathrm{xy}}+{J_{\mathrm{xy}}}^{*}{J}_{\mathrm{yx}})$

其中J_xx、J_xy、J_yx、J_yy为矩阵J_com的四个矩阵元。

其中：两段保偏光纤快轴夹角θ₂，第一段保偏光纤快轴与耦合器快轴夹角θ₁两个数据的最佳值由数值仿真扫描得到，最佳的θ₁和θ₂使得J_com得到的上述传输函数T的3dB带宽达到最大值；

保偏耦合器，它的耦合比为1∶1，带有标签的光信号进入它的输入端，经过所述滤波器反射后的光标签信号输出端向外连接到一个环行器的一个输出端上；它的一个经过上述滤波器透射后的光数据信号输出端外接到一个光接收机上；它的两个耦合端连接到上述双折射元件的两端。

2.根据权利要求1所述的基于光纤环镜的光标签擦除滤波器，其特征在于：所述的保偏光纤为1550nm处保偏光纤，两段保偏光纤的长度分别为29.45m和58.9m，第一段保偏光纤快轴与保偏耦合器快轴夹角θ₁为1.1弧度，两段保偏光纤快轴夹角θ₂为1.2弧度，为保证J_com的输出信号相对于输入信号的功率衰减小于1dB，θ₁的误差小于20％，θ₂的误差小于10％，两段光纤长度比误差小于1％。

3.根据权利要求1所述的基于光纤环镜的光标签擦除滤波器，其特征在于：所述的保偏耦合器为3dB拉锥型低损耗保偏耦合器。

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