CN1498476A - 波分复用光通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种光通信系统，包括一个或者多个光源，每一个都用于产生频谱不同部分的光；还包括多个光调制器，每一个都用于用输入信号调制一个或者多个光源产生的光；还包括连接在一个或者多个光源和多个光调制器之间的一个光开关，用于将那些或者每一个光源输出的光切换到多个光调制器中选中的不同的一个上。光开关还与多个光调制器连接，用于切换多个光调制器中选中的一个或者多个输出的调制光。

Description

波分复用光通信系统
技术领域
本发明涉及光通信系统领域。
背景技术
波分复用(WDM)直线和环路系统正在成为大容量通信的最佳解决方案。信号被调制在光载波上，每个载波都专门占用一部分频谱。在要发射选定波长光信号的每个地方，这个系统都需要产生这一波长的光载波。产生这种光的发射器卡的成本是这一网络总成本的主要构成部分。
需要具有一种灵活性，从而能够在任意波长上承载任意输入信号，改变载波波长的时候不需要动任何插板或者插头。因此需要一种光信号开关，它能将每个输入信号分配给选定的载波。最好是在共用的光波导(包括光纤)中将信号调制到载波上。因此，与这种开关一起，在某些应用中需要以光多路复用的方式将多个信号复用到一根光纤中去。
已经有了固定波长发射器，它们在光纤上进行多路复用的时候，通常都是利用无源折射光栅阵列，干涉滤光镜或者集成光波导(例如M.K.Smit于1988年3月在电子通信第24卷第7期第385～386页发表的文章“建立在光相控阵基础之上的一种新的聚焦和色散平面元件”；A.R.Vellekoop和M.K.Smit于1991年3月在第9卷第3期光波技术杂志第310～314上发表的文章“具有弱极化依赖性的四通道集成光波长多路分离器”；以及C.Dragone与1991年9月在第3卷第9期光子技术通信第812～815页发表的文章“采用平面布局双星耦合器的一种N×N光多路复用器”)。连接的灵活性可以通过接插板或者电空间开关改变进入光发射器的电路径来实现。但是对于10Gbps这样高速率以及更高速率的时分复用(TDM)，这种电开关就存在问题，在这种高速率情况下要求远处的设备具有开关可重构性。
另一种办法是采用波长可调发射器，用输入电信号来调制它的输出，利用有源路径选择光多路复用器(或者有源WDM合路器)来获得这种灵活性，比如利用转让给Marconi通信公司的欧洲专利申请GB9826108.4所描述的那种多路复用器，在这里将该专利申请引入作为参考(见该申请对应部分中的图3～6)。目前还买不到这种有源WDM合路器，目前获得这种灵活性唯一可行的方法还只有采用无源分路器/合路器，例如固定光纤合路器或者波导合路器。但是，这些分路器/合路器能力有限，它们只能耦合输入功率的1/n(对于理想耦合器)，其中n是合并或者分离出来的路数。对于现在常见的32～100个WDM通道，其损耗是非常大的，一般都需要光放大器来进行补偿。
对于高速光通信，可以用具有纯净光谱的无调制(也就是不能调谐的)激光器与另外一个光调制器结合起来，用输入电信号调制输出，从而获得更好的光信号质量，例如采用DFB二极管激光器加上电吸收调制器或者Mach-Zehnder铌酸盐调制器。
因此，需要能够接受任意输入信号，在任意载波波长上将它发射出去的解决方案。
发明内容
本发明提供一种光通信系统，其中有一个或者多个光源，每一个光源都用于产生不同的频谱的光；有多个光调制器，每一个都用于将输入信号调制在一个或者多个光源产生的光上；还有一个光开关，连接在一个或者多个光源和多个光调制器之间，用于将每个光源的光切换到多个光调制器中选中的那一个上。
下面将参考附图介绍本发明的实施方案。
附图说明
图1～4说明现有技术中的光通信系统；
图5～8说明本发明实施方案中的光通信系统；
图9更加详细地说明图8所示光通信系统的一个方面。
具体实施方式
图1说明与传统光多路复用器Mux结合的固定波长光发射器OT，用于将信号多路复用到一根传输光纤OG上去。灵活性是由一个电开关或者接插板SW实现的，它能够将电信号S1、S2、…、Sn传递到不同的光发射器上去。
图2画出了另一个结构，它利用可调波长发射器，它们的输出用输入电信号Sp、Sq、…、Sr调制，它具有有源路径选择光多路复用器(或者有源WDM合路器Mux)的灵活性。图3说明如何利用无源分路器/合路器，例如固定光纤合路器或者波导合路器，替换图2中的有源路径选择光多路复用器，结合光放大器OA。
图4画出了无调制激光器L1、L2、…、Ln，它们中间的每一个都产生一个谱线纯净的输出λ1、λ2、…、λn给光调制器阵列OM1、OM2、…、OMn中固定的一个，它们的输出用输入电信号Sp、Sq、…、Sr调制。光调制器的输出被送到光多路复用器Mux。
双开关解决方案
如图5中的实例所示，本发明提供一种方式用来避免对输入信号进行电切换。其中每一个都提供不同载波波长λ1、λ2、…、λn的一个光源阵列LS1、LS2、…、LSn分别与第一个N×N光开关X1的不同输入端连接(也就是有n个输入和n个输出端口)。开关X1的输出分别与电光调制器(比如电吸收、Mach-Zehnder干涉仪波导类型或者机电的)阵列EOM1、EOM2、…、EOMn中不同的一个连接。每个电光调制器EOM都接收携带信号也就是S1、S2、…、Sn的一个电输入，将这个信号调制到从第一个光开关X1收到的光载波(也就是λp、λq、…、λr之一)上去。因此，通过控制第一个光开关X1，也就是切换光信号，而不是电信号，就能够将每个输入信号携带的信息传递到所需波长的载波上去。每个电光调制器EOM的调制后光输出被传递给第二个N×N光开关X2多个输入端中不同的一个。将第二个光开关X2的每个输出传递给光多路复用器Cmux不同的输入端。光多路复用器Cmux的输入端对频率很敏感，它们要求将正确频率的光提供给每个输入端才能正确工作。第二个光开关X2给电光调制器EOM的光信号输出选择路径，从而使得光多路复用器Cmux的每个输入端都能够收到正确频率的载波。光多路复用器Cmux的每个输出都被提供给单独一个光波导OG。光多路复用器Cmux能够将所有波长的光合并到单独一根光纤上去。作为光多路复用器Cmux的一种替换，可以使用光合路器(图中没有画出)。
如图6所示，第二个开关也可以用一个无源光分路器/合路器POSC替换，它将输入端的所有光信号合并起来。这些无源光分路器/合路器的输入端对频率不敏感，因此不需要第二个光开关X2。如上所述，可以用POSC输出端连接的光放大器OA补偿光分路器/合路器POSC带来的损耗。
单开关解决方案
图7给出了另一个优选实施方案，其中的光开关和光调制器是反射式的。如图7所示，多个激光器L1、L2、…、Ln产生光。将每个激光器的输出(λ1、λ2、…、λn)传递给多个光环形器C1、C2、…、Cn中不同的一个，光环形器按顺序将光从一个端口传递给下一个端口，但是按照相反的端口顺序就会有很大的衰减(例如大于40分贝)。这样，如图7所示，进入光环形器C1、C2、…、Cn第一个端口1的光以很小的损耗到达环形器的第二个端口2，进入第二个端口的光以很小的损耗到达第三个端口3，进入三个端口的光以很小的损耗到达第一个端口。光环形器C1、C2、…、Cn中的每一个将从相应激光器收到的光传送给N×N光开关X10中一个不同的输入端。
将光开关X10中每个输出端与多个反射式光调制器EO1、EO2、…、EOn(也就是反射调制载波的调制器)不同的一个连接。光开关X10可以将收到的任意波长的光传递给光反射调制器EO1、EO2、…、EOn中的任意一个。每个光反射调制器EO1、EO2、…、EOn都接收携带信号的电输入S1、S2、…、Sn，将信号调制到从光开关X10收到的光载波上去。因此，通过控制光开关X10，可以将每个信号上携带的信息都传递到所需波长的载波上。
由于调制器EO1、EO2、…、EOn是反射型的，因此调制后的载波是在用来从光开关X10接收未调制载波的同一个端口输出的，并且通过用来输出未调制载波的同一个端口被返回光开关X10。光开关X10是双向的，调制载波和未调制载波一样沿着同样的路径通过开关，但是通过的方向相反，会朝着产生这一波长载波的源(L1、L2、…、Ln)的方向返回。
对于现有的光开关X10，调制后的载波通过对应未调制载波的多个光环形器C1、C2、…、Cn的第二个端口进入光环形器。光环形器让调制后的载波进入与光多路复用器Mux的输入端连接的第三个端口3。在这以前，光多路复用器具有对频率敏感的端口，要求在每个输入端上输入的信号都具有正确的频率。上面介绍的反射式结构能够确保调制后的载波这样传播，那就是光多路复用器Mux的每个输入端都能收到频率正确的载波。光多路复用器Mux的单个输入端与单个光波导OG连接，让合路以后的光载波通过。光多路复用器Mux使得每个波长的信号都能够合并到单独一条传输光纤中。
在光波导OG接收端的光多路分离器Demux中分离不同频率的载波，并且将它的每个输出传送给N×N光开关X11的不同输入端。光开关X11的每个输出端都与辅助卡TC1、TC2、…、TCn中不同的一个连接，从而使得从光波导OG收到的每个载波上的信号能够很灵活地传递到任意一个辅助卡。每个辅助卡TC1、TC2、…、TCn通常都有一个光检测器，用来将光调制信号转换成电信号。在接收器中不一定需要反射式路径选择发射器这种结构，因为光检测器能够有效地检测大于100纳米的频带内的信号，也就是足以覆盖典型WDM系统的带宽。
激光器L1、L2、…、Ln可以包括有内置稳频光栅的半导体二极管激光器，比如分布式反馈(DFB)二极管激光器。其它类型的激光器有半导体二极管分布式布拉格反射器(DBR)激光器，用掺杂铒的光纤构成，用二极管激光器泵埠的光纤布拉格激光器或者分布式反馈光纤激光器。可以将这些激光器构造成阵列格式，保持输出端口具有确定的间隔，使得光学对准更加现实可行。
光环形器C1、C2、…、Cn可以是采用方解石光束分路器的那种类型。作为光环形器的另一种选择，可以结合在离开调制器PBS和返回PBS之间旋转光的极化这种结构，采用极化波束分离器(PBS)，例如采用合适的法拉第旋转晶体和磁铁。极化光通过PBS到达端口1，然后从端口2出来进入调制器，接下来将它的极化面改变90度再从端口2再次进入PBS，通过端口3到达多路复用器。激光器一般都是产生极化光，因此能够进行一次处理的PBS或者环形器就足够了。这样一来，它与多极化的光环形器相比结构更加简单，因而能够方便集成多端口环形器的使用。
光开关X1、X2、X10、X11可以建立在热切换波导的基础之上，这种类型的基础是不同交叉点液体的蒸发，也可以建立在交叉点液体的运动基础之上，或者建立在小型镜子或者膜片的机械运动的基础之上。
光环形器EOM1、EOM2、…、EOMn、EO1、EO2、…、EOn可以是电吸收波导或者反射性Fabry-Perot类型的半导体二极管，电光干涉计类型的(比如Mach Zehnder)，也可以是调制半导体光放大器或者微型机械反射式快速开关。电吸收调制器建立在半导体二极管的反向偏置的基础之上，以改变损耗，同时能够用于反射方式。也可以将可调制半导体光放大器用于反射方式。
另外，以上调制器可以包括用硅制作的静电激励的模片反射器。
光多路复用可以用介质镜组合、衍射光栅摄谱仪和阵列波导(AWG)摄谱仪来实现。
具有透射调制器的单开关
有文献说明吸收边缘半导体(反射式)调制器能够以40Gbps以上的速度调制。但是，利用这种调制器，在接近波导核心使用的半导体频带边缘的波长范围内能够获得最好的性能。它正是折射指数随着偏置变化足够大，因而能够进行有效的调制，同时随着偏置变化得足够慢，从而使得调制波长中的调频最弱的范围。在图7中，可以将任意波长的载波传递给任意调制器，因而与上述最佳状态的偏离会影响性能。
根据本发明的其它优选实施方案，采用了透射式调制器(也就是透射调制载波的调制器)，比方说Mach-Zehnder调制器。Mach-Zehnder调制器能够在很大的载波波长范围内工作。Mach-Zehnder调制器可以用于图7所示的反射模式。对于非常高的比特率，行波Mach-Zehnder调制器对于双光端口布局中透射光这样的调制非常有效，而对于反射方式则不那么有效。
图8说明采用行波Mach-Zehnder调制器、光放大器和电吸收半导体类型的透射式“双光端口”调制器的另一个优选实施方案。这里的结构类似于图7。这两个图中相同的部分采用相同的引用数字，因而这里不作详细介绍。
不是象图7中那样直接与光调制器连接，光开关X10的每个输出都与多个光环形器C11、C12、…、C1n中不同的一个连接。每个光环形器C11、C12、…、C1n都将从开关X10中对应输出端口收到的光传送给透射式调制器TEO1、TEO2、…、TEOn中不同的一个。每个透射式调制器TEO1、TEO2、…、TEOn都将收到的用从相应电输入端口S1、S2、…、Sn收到的信号调制过的载波输出到对应光环形器的第三个端口。每个光环形器C11、C12、…、C1n都将从第三个输入端口收到的调制过的载波从它的第一个端口输出，也就是它从光开关X10收到未调制载波的端口。因此，调制后的载波从用于输出未调制载波的同一个端口回到(如图7一样)光开关X10。调制后载波传输到光波导OG是按照上面参考图7所介绍的相同方式实现的。
同样，如果采用单极化光源，环形器就可以是单极化类型的，它没有多极化光环形器那样复杂。
混合集成
在图5～8中，元件数量很大。但是，这些元件中有许多功能相似，因而有集成的可能。可以用半导体激光器阵列来替换单个激光器。它们可以是DFB二极管激光器阵列，或者可以将半导体放大器阵列与衍射光栅一起使用，产生WDM阵列源。可以将一个半导体光放大器(SOA)阵列与二氧化硅或者硅波导装置一起组装，从而形成外腔激光器源阵列。可以通过将布拉格反射式光栅做到波导中来集成波长选择性反射器，通过腐蚀或者UV照射引起化合物扩散。可以采用光纤DFB激光器阵列一这些激光器用硅V槽光具座对准。
还可以将多个环形器集成到单独一个多通道光装置中，就象Marconi通信公司的共同未决申请GB9826108中所介绍的一样。如果光纤激光器相隔250微米，32通道的环形器的宽度就能够小于1厘米。光调制器阵列具有250微米到1000微米的间隔是非常现实的。
图7或者8所示的结构可以是利用光纤和准直透镜和/或自由空间光束的混合集成装置或者一个紧凑的系统。
图9说明连接在光开关X10输出端口p和光透射调制器TEOp之间的光环形器C1p的工作过程。未调制的载波λm从开关X10的端口p输出，从端口1到2通过环形器C1p，到达调制器TEOp，被来自电输入端的信号Sp调制，形成调制后的载波(λm+Sp)。调制后的载波(λm+Sp)从调制器TEOp输出，从端口3到1通过环形器C1p，回到开关X10的端口p。
可以在光源和调制器之间放置放大器，最好是在开关后面，因为开关的损耗很大。放大器可以是SOA或者光纤或者平板波导。

Claims (11)

1.一种光通信系统，包括一个或者多个光源，每个光源都用于在不同的频谱部分产生光；
多个光调制器，每个都用于利用输入信号调制一个或者多个光源产生的光；
连接在一个或者多个光源和多个光调制器之间的一个光开关，用于将这些光源或者它们的每一个输出的光切换到多个光调制器中选中的不同的那一个上。
2.权利要求1所述的光通信系统，其中的光开关与多个光调制器连接，用于切换从多个光调制器中选中的一个或者多个的调制光输出。
3.权利要求1和2中任意一个所述的光通信系统，其中的光开关连接在一个或者多个光源和多个光调制器之间，用于让那些或者一个光源的光输出沿着第一个方向通过选中的路径通过多个光调制器中选中的一个，并且用于让多个光调制器中选中的一个的调制光输出沿着相反方向通过选中的路径通过。
4.以上权利要求中任意一个所述的光通信系统，还有一个或者多个光路径选择装置，其中的那些或者每一个光源都通过一个或者多个光路径选择装置与光开关连接。
5.权利要求4所述的光通信系统，还包括有多个输入端的一个光多路复用器；
其中多个光调制器中选中的一个或者多个中的每一个输出的调制光，通过光开关和至少一个光路径选择装置，与多个光多路复用器输入端中不同的一个连接。
6.权利要求1所述的光通信系统，还有第二个光开关，用于切换选中的光调制器中每一个的调制光输出。
7.权利要求6所述的光通信系统，还包括有多个输入端的一个光多路复用器；
其中多个光调制器中选中的那些的每一个的调制光输出端都通过第二个光开关与光多路复用器输入端中不同的一个连接。
8.以上权利要求中任意一个所述的光通信系统，其中的光调制器是反射型的。
9.从属于权利要求4的权利要求1～7中任意一个所述的光通信系统，其中的光调制器是透射型的；
其中的系统还包括一个或者多个第二光路径选择装置，多个第二光路径选择装置中的每一个都包括第一个端口，用于通过光开关接收那些或者一个光源中的光；
其中的那些或者每个光路径选择装置还包括第二个端口，用于让第一个端口进来的光到达不同的一个光调制器，还有第三个端口，用来从光调制器中相应的一个接收调制光，到达第一个端口输出。
10.权利要求4、5和9中任意一个所述的光通信系统，其中的光路径选择装置和/或第二个光路径选择装置包括一个或者多个光环形器。
11.权利要求4、5和9中任意一个所述的光通信系统，其中的光路径选择装置和/或第二个光路径选择装置包括一个或者多个极化波束分离器。
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