CN1376343A - 在不归零(nrz)波分复用(wdm)系统中减少四波混合(fwm)恶化的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了用于减小光传输网络中四波混合(FWM)恶化的方法和装置。通过以某一调制频率同时并周期性地调制沿长光纤波导传播的光信号的相位,以减小FWM恶化,该频率引起FWM产物的相消干涉,否则FWM产物将沿长光纤波导的长度产生。可以通过在多路复用器和光学放大器之间提供相位调制器,以同时调制沿长光纤波导传播的所有光信号的相位,在光传输网络的光发射机中实现该方法。或者,在每个受调光信号源和多路复用器之间配置相位调制器,以分别调制之后将通过长光纤波导的所有光信号的相位。

Description

在不归零(NRZ)波分复用(WDM)系统中 减小四波混合(FWM)恶化的方法和系统

1.发明领域

本发明一般涉及光传输系统和网络，尤其涉及减小光传输网络中四波混合(FWM)的方法和装置。

2.背景技术

当多个波长(频率)同时通过如波分复用系统(WDM)的光纤传输时，FWM是光纤所显示的非线性效应。尤其，当至少两个不同频率的信号通过光纤传输时，这两个信号将互相干涉并产生不同波长的FWM串扰产物。例如，见图1中的虚线，它表示透射信号和所得的FWM产物。通过光纤传输的光信号越多，产生的FWM串扰产物越多，因为有更多的信号互相干涉。当通过长距离的光纤传输时，通常将光纤分成几个跨距，每两个跨距之间配置线内的光学放大器。例如典型的跨距长度为80km。每当线内光学放大器之一放大了传输信号，那么就放大了FWM产物，并且由于FWM产物和每个调制光信号之间的干涉以及FWM产物之间的干涉，产生了额外的FWM产物。

FWM产物的强度依赖于初始启动频率的功率电平、光纤色散和信道间隔。使用光学放大器获得光纤传输系统中更长的不重复长度导致了较高的功率电平，因此产生较强的FWM产物。此外，当使用色散位移光纤时，因为减小了光纤色散本身提供的相位不匹配，所以增强了FWM。

国际电信联盟(ITU)用于密集波分复用系统的标准进一步加重了该问题。尤其，ITU指定WDM系统在信道之间应该具有某一公差内的相等频率间隔，如200GHz信道间隔的公差为每个信道(ITU栅格)中心频率周围±40GHz。精确相等的间隔导致了许多符合(覆盖)信道频率的FWM产物。因此当达到ITU标准时，也就是每个信号的中心频率都位于ITU标准时，串扰最大。

由于这些因素，所以现在FWM是光纤传输系统中的一个限制非线性过程。文献中已经出现了使用信号信道之间的不相等间隔解决该问题的多种提议。见J-S.Lee和D-H.Lee，OFC Proceedings，FC5，393(1998)；Y.Hamazumi，M.Koga和K.Sato，IEEE Photonics Technol.Lett.，8，718(1996)；F.Forghieri，R.W.Tkach，A.R.Chraplyvy，和D.Marcuse，IEEE Photonics Technol.Lett.，6，754(1994)；以及F.Forghieri，R.W.Tkach，和A.R.Chraplyvy，J.Lightwave Technol.，13，889(1995)。

这些配置信号信道的方案经历了多种不足。首先，它们依赖于大量的数学计算，以确定信道的最佳位置，也就是获得与FWM产物重叠最小的位置。虽然这些算法可以确定FWM恶化最小的最佳位置，但是所得的信道位置在实际中很难实现，因为它们涉及一组彼此间存在复杂关系的信道频率。

第二，这些方案在信道间留下多个无用的狭缝，这使得传输带宽大大地扩张，导致了不理想的结果，因为WDM的总目标是要将尽可能多的信道放入给定的带宽中。

最后，这些方案一般不能产生符合ITU栅格要求的信道位置。因此，虽然它们能减小FWM，但是这种减小是以全球基础的WDM技术标准化为代价。

减小FWM产物的其它方法包括源激光器频率的高频振动。见K.Inoue，“Reduction of Fiber Four-wave Mixing Influence Using Frequency Modulationin Multi-channel IM/DD Transmission”，IEEE Photon.Technol.Lett.，Vol.4，No.11，pp.1301-1304(1992)。频率高频振动要求所有独立WDM激光源的频率调制，这可能导致使系统性能退化的实质上的且剩余的振幅调制。因此，在实际中不使用频率高频振动。

发明内容

本发明的一方面是提供减小FWM而没有上述有害影响的系统。尤其，本发明的一方面是提供减小FWM而不调节信道频率的系统。为了达到这些和其它方面和优点，提供的方法包括，以调制频率调制通过长光纤波导传播的光信号的相位，引起FWM产物的相消干涉，否则FWM产物将沿长光纤波导的长度产生。通过在多路复用器和光学放大器之间提供相位调制器，以同时调制通过长光纤波导传输的所有光信号的相位，可以在光传输网络的发射机中实现该方法。

以下详细描述中将给出本发明的附加特征和优点，通过该描述对于本领域熟练的技术人员是显而易见的，或者通过实施以下说明书、权利要求和附图中所述的发明，而理解本发明。

要知道以上描述只是本发明的实例，它试图提供框架用于理解如权利要求所述本发明的特性和特征。所包括的附图用于提供对本发明进一步的理解，并结合成说明书的一部分。附图说明了本发明的各种特征和实施例，它和描述一起用于解释本发明的原理和操作。

附图说明

在附图中：

图1是显示包括两个波长信道且带有和没有相位调制的波长带上光功率密度的曲线图；

图2是根据本发明第一实施例构造的光传输网络的模块形式的光电路图；

图3是根据本发明方法的图解形式的光电路图，它也显示了对来自激光二极管的光信号的数据调制和相位调制；

图4A是使用没有相位调制的传统传输网络获得的眼图；

图4B是使用根据本发明构造的光传输网络获得的眼图；

图5A是显示对于通过传统光传输网络传输的10个信道，比特误差率的对数作为阈值电压的函数的曲线图；

图5B是显示对于通过根据本发明构造的光传输网络传输的10个信道，比特误差率的对数作为阈值电压的函数的曲线图；

图6是对于三个不同光传输网络的10个不同信道Q比较的曲线图；

图7A是显示相位调制的光谱效应的一系列曲线图；

图7B是显示接收机直接检测到的相位调制效应的一系列曲线图；和

图8是根据本发明第二实施例构造的光传输网络的模块形式的光电路图。

较佳实施例的详细描述

现在将详细引用本发明的较佳实施例，在附图中说明了它的实例。附图中尽可能地用相同的标号指出相同或类似的部分。

图2显示了根据本发明构造的光传输网络。一般，光传输网络10包括通过长光纤波导30耦合在一起的发射机15和接收机20。根据光纤30所需的长度，光纤可以包括几个跨距，其中带有光纤30中周期间隔提供的线内光学放大器36。典型的光传输网络包括光纤上每80km跨距一个的线内光学放大器36。如下所述，光纤越长，所需线内光学放大器的数目就越多，它增加了传输光信号与任何沿光纤30传输路径产生的FWM产物之间相长干涉引起的FWM恶化。

发射机15包括多个激光二极管40₁、40₂…40_n，每个都分别作为具有不同波长λ₁、λ₂…λ_n的激光源。发射机15还包括分别用于每个激光二极管40₁、40₂…40_n的数据调制器42₁、42₂…42_n。数据调制器调制每个激光二极管提供的光的振幅，以产生通过长光纤30发射到接收机20的多个光信号。将n个信道中的每个光信号都提供给光学多路复用器45，其中波分复用这些光信号，并将它们发射到光纤30。通过光纤30发射的所有光信号都具有被相位调制器50同时调制的相位，以下将详细描述。然后，在通过长光纤波导30的第一跨距发射之前，用放大器55放大光信号。

接收机20可以是用于该类型网络的传统接收机，它通常包括光学多路分接器60，它以波长分开通过长光纤30中各种信道传输的每个光信号，使得将分离的光信号提供给各个光电转换器62₁、62₂…62_n。

在上述系统中，激光二极管40、数据调制器42、光学多路复用器45、放大器55、长光纤30、线内放大器36、光学多路分解器60和光电转换器62都是本领域中所熟知的，所以不再进一步描述。相位调制器50可以是任何传统相位调制器，但较佳的是可以从JDS Uniphase of San Jose，California获得的零件号PM-150-080的APE^TM相位调制器。

如以下将要详细描述的，根据光纤色散对相位调制频率和调制深度的仔细选择消除了不归零(NRZ)调制格式的多跨距链路中FWM色调的产生。周期性的相位调制将所关心的特征引入不需要直接检测接收机变化的强度调制和直接检测系统。例如，与强度数据调制同步的相位调制由于相位调制引入的线性调频脉冲增强了眼图张开度。图4A和4B显示了由于相位调制对眼图张开度的效果。图4A显示了不使用相位调制的眼图，而图4B显示了使用相位调制的眼图。从图中可以看出，在限制FWM的WDM系统的该实例中，通过相位调制大大减小了眼图“上部轨”上的噪声分布(较薄的轨)。

在多跨距波分复用传输中，在每个跨距的非线性长度中，独立产生FWM产物。然后，相同波长处的FWM产物根据光纤色散等式所给出的相位关系，相长或相消地相互干涉：

其中E_f和E_f ^k分别表示总FWM场和第k个跨距的个别FWM场。假设对于所有跨距，FWM产生的效率和振幅都相同。等式(1)右侧的指数表示相对于第一跨距各个跨距的FWM相位。独立于相位调制的相位函数φ′作为色散系数D、跨距长度L和信道间隔Δλ的函数被给出：

φ′(Δλ，DL)＝-2τΔω(pq-rf)                 (2)

其中τ是邻近信道之间的群延迟差，它被定义为：

τ＝DLΔλ                                      (3)

Δω是角频率的信道间隔：

Δω＝2πcΔλ/λ²                             (4)所以信道p的光频被定义为ω_p＝ω_o+Δω·p(ω_o是最长波长信道的频率)。信道下标p、q和r对应于FWM泵，下标f对应于产生FWM产物的信道(ω_f＝ω_p+ω_q-ω_r)。要注意到当φ′是2π的倍数时，所有跨距的FWM场共振相加，产生较大的FWM恶化。

当用其值交替等于±1的方波函数sq(Ωt)将周期性相位调制同时应用于所有信道时，相位调制依赖相位功φ″由以下等式给出：

φ″(Ω，Δλ，DL)＝m[sq(Ωt+(p-f)Ωτ)+sq(Ωt+(q-f)Ωτ)-sq(Ωt+(r-f)Ωτ)]  (5)

这里，调制的周期和深度分别是2π/Ω和m。对于FWM场共振相加的波长，该调制依赖相位项改变共振相位条件，因此抑制FWM产物的功率。作为一个最佳的实例，如果选择m＝π/4和Ωτ＝π使得φ″＝±π，那么对于p＝q＝r±1(退化)的情况，连续跨距的FWM产物完全相消地互相干涉。

用双信道、双跨距WDM非零色散位移光纤(NZDSF)传输链路校验以上模型。用方波第一次相位调制1549.85和1550.25nm处(间隔50GHz)的两个连续波激光输出，然后用掺铒光纤放大器(EDFA)55(图2)将它们放大+7dBm。通过Corning公司产生的80km LEAF光纤30的两个跨距和两个跨距之间的另一EDFA 36，传输EDFA 55的输出。保持第二跨距的输入功率与第一跨距的相同。然后，在带有和没有相位调制的光谱分析器(OSA)测量FWM功率。图1显示了光谱数据，它表示FWM产生的大约10dB抑制，调制频率为4GHz，调制深度为-0.17π。在减去背景之后，比较FWM功率。考虑从1530nm和1565nm处测量到色散中估计的色散D＝3.86ps/nm·km，发现Ωτ＝0.998π，因此显示较佳地的合适模型。

将相位调制应用于NRZ传输需要仔细地考虑色散效应，因为当净色散非零时，脉冲调制将引入波形失真。当脉冲调制不与NRZ调制同步时，色散效应就等价于噪声。对于同步的情况，除了数据时钟频率的谐波之外不能选择相位调制频率。但是，该同步相位调制有利于减小FWM恶化，因为(1)仍然减小FWM功率(串扰电平)，并且(2)FWM产物差拍噪声的光谱加宽到适当接收机带宽以外，而信号带宽保持相同。此外，由于色散失真的影响，同步相位调制增加了眼图张开度。

为了示范使用相位调制对FWM恶化的抑制，构造了如图2所述的传输网络，其中包含10个WDM信道。如图3所示，使用具有并列在两个电极66之间电光光波导65的LiNbO₃相位调制器构造相位调制器50，而使用具有并列在两个电极68之间电光光波导67的马赫-曾德耳NRZ强度调制器构造数据调制器42。相位调制器50将相位调制同时引入所有信道。具有27-1字长伪随机二进制序列(PRSB)产生器可用于2.5Gb/s的数据调制，可以将来自PRBS时钟的方波施加于相位调制器50。施加相同的相位调制深度0.35π。在通过80kmLEAF光纤的五个跨距传播之后，仔细选择相位调制的时间延迟(调制相位)，以增强眼图张开度。信道间隔是50GHz(1549.3-1552.9)，每个信道的功率被设置为+7dBm，以产生较强的FWM恶化。

在图5A和5B中，用公知的BER-V曲线画出了系统性能，其中比特误差率(BER)的对数作为阈值电压(mV)的函数被画出。理论上，每个信道的两线之间应该基本分离，使得能够容易地建立阈值电压，以区分二进制高电平和二进制低电平。不使用任何相位调制获得图5A中的曲线图，而使用同步2.5GHz的相位调制获得图5B中的曲线图。以图6中显示的Q参数画出系统性能。Q参数显示了当使用相位调制时相当大的性能增强，尤其是信道3和4。在实验中，因为不施加相位调制时较强的FWM恶化，BER分析器不能与信道3和4上的PRBS图形同步。较强的局部削弱可归因于FWM产生的多跨距共振效应。当施加相位调制时，信道3和4处的FWM串扰电平分别从-17.1和-17.7dB减小到-18.6和-18.7dB。

从以上描述中可以看出，以上的等式可用于确定具有不同色散调制和不同长度的光纤的相位调制频率和调制深度。调制频率和调制深度由施加于相位调制器的方波电信号控制，该方波电信号的频率和振幅分别对应于期望的相位调制频率和调制深度。

即使用异常高的FWM串扰电平，也能获得估计BER小于10^-12的可靠数据传输。这归因于FWM信号差拍噪声的光谱加宽，它允许较少的噪声功率通过接收机带宽。图7A和7B显示了使用相位调制的光谱加宽效果。尤其，图7A显示了FWM产物S_f上的光谱有效相位调制，其中： $S_f={\left|E_f\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2={\mathrm{\η}}_{\mathrm{pqr}}{|E_p^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)\⊗\left(E_q\left(\mathrm{\ω}\right){\⊗E}_r\left(\mathrm{\ω}\right)\right)|}^2--------\left(6\right)$

这里，η_pqr是FWM产生效率的系数，它考虑到光纤非线性、衰减、色散和信道间隔的影响。

图7B显示了相位调制对接收机直接检测的影响，其中FWM差拍噪声的强度I_f＝beat等于：

I_f-beat＝Es(ω)E_f(ω)                                (7)

除了向相位调制器施加自激3GHz方波以外，通过保持所有实验条件不变，研究异步相位调制的效果。在这种情况下，增强1-4信道的Q性能，其中估计BER低于10^-12，而将信道6-10的性能平均削弱-1dB Q恶化。

图8显示了根据本发明第二实施例构造的光传输网络。光传输网络的第二实施例与第一实施例相同，除了相位调制器50由多个相位调制器50₁-50_n代替，相位调制器50₁-50_n位于各个数据调制器42₁-42_n和多路复用器45之间。或者，相位调制器50₁-50_n可以位于激光源40₁-40_n和数据调制器42₁-42_n之间。

对于本领域熟练的技术人员来说，不脱离本发明的精神和范围，对本发明作出各种改变和变化是很明显的。因此本发明试图覆盖该发明各种变化和改变，只要它们落在后附权利要求书及其等效技术范围内。

Claims (10)

1.一种用于光传输网络中的光发射机，所述网络具有长光纤波导，通过所述长光纤波导传输多个波分复用信号，其特征在于，所述发射机包括：

多个受调光信号源，每个都具有不同的波长；

多路复用器，它耦合到所述信号源中的每一个，用于接收受调光信号并通过长光纤波导发射光信号；

相位调制器，用于调制沿长光纤波导传播的光信号的相位；和

光学放大器，当光信号通过长光纤波导传播时，用于放大相位调制光信号。

2.如权利要求1所述的光发射机，其特征在于，所述相位调制器以某一频率调制光信号，该频率引起沿长光纤波导长度产生的四波混合串扰产物的相消干涉。

3.如权利要求1所述的光发射机，其特征在于，所述多个信号源以预定的脉冲调制频率调制光信号，所述相位调制器以基本等于预定脉冲调制频率的频率调制光信号的相位。

4.如权利要求1所述的光发射机，其特征在于，所述相位调制器响应矩形脉冲波形的周期电信号，周期性地调制承载光信号的光的相位。

5.如权利要求1所述的光发射机，其特征在于，所述相位调制器同时调制通过长光纤波导传播的所有光信号的相位。

6.如权利要求1所述的光发射机，其特征在于，所述多个信号源包括多个激光器和多个相应的强度调制器，用于调制相应激光器产生的光。

7.一种光传输网络，其特征在于，它包括：

长光纤波导；

多个受调光信号源，每个具有不同的波长；

多路复用器，它耦合到所述信号源中的每一个，用于接收受调光信号并通过长光纤波导发射光信号；和

相位调制器，用于调制沿长光纤波导传播的光信号的相位。

8.如权利要求7所述的光传输网络，其特征在于，还包括至少一个光学放大器，当光信号通过长光纤波导传播时，用于放大经相位调制的光信号。

9.如权利要求7所述的光传输网络，其特征在于，还包括接收机，它耦合到长波导，用于接收从中传播的光信号。

10.如权利要求7所述的光传输网络，其特征在于，所述相位调制器以某一频率调制光信号，该频率引起沿长光纤波导长度产生的四波混合串扰产物的相消干涉。

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