CN1534903A - 色散补偿控制系统 - Google Patents

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高原智夫
己
大井宽己
二
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Abstract

本发明的色散监测设备通过执行如下步骤来检测系统中所发生的色散变化：使用一数据触发器来执行对一已接收信号的判决过程，在该数据触发器中设有所需的判决相位和判决阈值；使用一积分电路来对数据触发器的输出信号进行平均；以及，根据积分电路的输出信号的电平变化，确定一已接收的波形。在另一优选实施例中，将信号输入给色散变化符号监测器。如果正确地设置了啁啾参数，则当一已接收信号的峰值较大时残余色散向负方向变化，而当一已接收信号的峰值较小时残余色散向正方向变化。根据这一事实可以进行最佳的色散补偿。

Description

色散补偿控制系统
技术领域
本发明涉及光通信系统中的色散补偿控制系统。
背景技术
随着近来通信量快速的增长，对更大的网络容量提出了要求。当前，每个信道的传输容量为10Gb/s(吉比特/秒)的波分复用(WDM)传输系统已投入实际应用。然而，未来将需要更大的传输容量，并且，如果考虑频率的使用效率、设备成本等，期望实现每个信道的传输容量为40Gb/s或更高的超高速光通信系统。
然而，由于在这样的超高速光通信系统中，由色散、偏振模色散等引起的波形劣化对通信质量影响的加剧，光信号的传输距离受到限制，这是问题的所在。因此，为了实现超高速光通信系统，需要一个自动色散补偿系统，用于检测色散及偏振模色散的变化，并对其进行高精度的补偿。
通常，例如，如图1所示，造成光通信系统中的通信质量下降的因数可大致分为两类：光信噪比(OSNR)的降低以及波形本身形状的劣化，其中，光信噪比的降低是由于信号功率的衰减或者噪声功率的增加而引起的。此外，作为导致波形劣化的因数，又存在色散、偏振模色散(PMD)、非线性效应等。
在这里，将对色散进行详细的说明。在传输速率为10Gb/s或更高的光通信系统中，色散容限是非常微小的。例如，在NZR光信号传输速率为40Gb/s的系统中，色散容限是100ps/nm或更小。通常，在一个光通信系统中，中继器跨距的距离不是恒定的。这样，例如，对于一个使用1.3μm零色散单模光纤(SMF)的系统(色散值为17ps/nm/km)，即使中继器跨距的长度存在几千米的差异，上述的色散容限也会发生偏移。
然而，由于不能准确地知道每个中继器跨距的距离以及通信载波所占的光纤传输线的色散值，因此在很多情况下，很难通过使用色散补偿光纤(DCF)的固定色散补偿方法来高精度地实现色散补偿。此外，色散值会在光纤的温度、压力等的影响下随时间发生变化，因此，不仅在运行开始时，而且在系统运行期间，都必须通过精确地测量色散来对色散值进行最佳的校准。
例如，一条使用DCF作为光纤、长500km的传输线，当温度变化100℃时，其色散值如下：
(色散)＝(零色散波长的温度依赖性)×(传输线的温度变化)×(传输线的色散斜率)×(传输距离)
＝0.03nm/℃×100℃×0.07ps/nm2/km×500km
＝105ps/nm
上述色散值与传输40Gb/s NZR光信号时所获得的色散容限几乎相同。因此，无论在使用SMF作为传输线的系统中，还是在使用1.55μm零色散位移光纤或非零色散位移光纤(NZ-DSF)作为传输线的系统中，用于通过始终监测传输线的色散特性来对色散补偿量进行控制的自动色散补偿系统都是必不可少的。
接下来详细说明偏振模色散。偏振模色散是由光信号的偏振分量(例如，两个轴，一个称为慢轴，另一个称为快轴)之间的传播延迟时间差造成的，这种现象可以在所有光纤中发生。通常情况下，光信号的传输速率越高，其传输距离越远，偏振模色散的影响也越大，这种情况是不可忽视的。
在构成日本国外所铺设的早期光传输线的光纤中，存在偏振模色散值大于1ps/km1/2(皮秒/公里1/2)每单位长度的光纤。举例而言，如果使用这种光纤进行50km的短距离传输，在所传输的光的两个偏振分量之间产生的延迟差Δτ将是7ps或更多，尽管40Gb/s NZR光信号的一对一时隙是25ps。因此，如同前面所述的色散情况一样，传输距离也受到偏振模色散的限制。实际上，由于在光通信系统的传输线中必须使用诸如光放大器、色散补偿器等引起偏振模色散的装置，所以光信号的传输线就可能受到更多的限制。此外，由于偏振模色散表示由于施加给光纤的应力或温度改变而导致的随时间的变化，所以，不仅在安装时，而且在传输线运行期间，都必须对传输线的偏振模色散进行监测，并且必须对其进行动态补偿。
由上所述，色散和偏振模色散都是限制光通信系统性能的主要因数，为了改进光通信系统的性能，需要一种用于对这些色散部分进行动态补偿的系统，即，自动色散补偿系统。用于实现自动色散补偿的三项关键技术概括如下：
(a)可变色散补偿器的实现；
(b)对传输线色散值监测的实现；
(c)用于通过可变色散补偿器最佳化补偿量的反馈控制方法的实现。
关于(a)项中提及的可变色散补偿器，有：非专利文献1中公开的虚镜像相控阵列(virtually imaged phased array)(VIPA)，非专利文献2中公开的可调环形谐振器，以及非专利文献3中公开的光纤布拉格光栅(FBG)，所有这些文献都作为现有技术的参考文献在后面列出。
至于偏振模色散补偿器，迄今为止，在非专利文献4中公开了一种偏振模色散补偿器。该偏振模色散补偿器具有一位于光信号的发送端的偏振控制器(PC)，用于将传输特性从接收端反馈回来并进行控制，以使光强的分光率γ变为两个偏振模式0或1。非专利文献5中也公开了一种偏振模色散补偿器，该偏振模色散补偿器在光信号的接收端具有一偏振控制器和一偏振保持光纤(PMF)，用于给传输线提供一在两个偏振模间符号相反的延迟差。此外，非专利文献6中公开了一种偏振模色散补偿器，该偏振模色散补偿器具有：一偏振控制器；一偏振分光器(PBS)；多个光电二极管，每个光电二极管都用于接收由该偏振分光器所分出的两种光信号分量之一；以及，一可变延迟元件，用于给出由这些光电二极管所获得的两种电信号之间的延迟差，该偏振模色散补偿器用于对所述偏振控制器和所述可变延迟元件进行控制。
至于上面(b)项中所述的对色散值的监测，作为色散值的常规测量方法，提出了脉冲法和相位法。在脉冲法和相位法中，输入各具有不同波长的多个光段，并且分别测量多个输出光段之间的群延迟以及相位差。然而，为了在系统操作过程中始终使用这些方法对色散进行测量而不降低通信质量，必须为每个中继器跨距提供一组色散测量设备，并且波长与数据信号的波长不同的测量信道必须是波分复用的，这是问题所在。因此，从经济性以及设备尺寸方面来看，这些测量方法并不实用。
关于色散监测方法，非专利文献7中公开了一种利用接收到的基带信号中的一特定频率分量的强度来监测色散的方法，以解决这些问题。该方法利用了接收到的基带信号的性质，即，特定频率分量的光强依据波形失真而改变。专利文献1和文献2中也公开了一种用于监测色散的方法，该方法基于由光接收器等检测到的比特误差率。此外，在非专利文献8中公开了一种方法，除用于执行主信号的判决过程的DEC(DFF)之外，还提供比较DEC，并且检测色散的变化。
关于偏振模色散的监测方法，已知的例如有消光法(Senarmone法)、旋转分析仪法、旋转移相器法、以及相位调制法。关于偏振态的表示(表达)方法，已经提出了使用庞加莱球、琼斯矢量、斯托克斯矢量等的方法(例如，参见非专利文献9)。具体来说，非专利文献3中公开了使用琼斯矢量的偏振模色散测量方法及其测量设备。
下面简介与本发明相关的现有技术技术文献。
专利文献1：日本专利公报No.2001-77756
专利文献2：日本专利公报No.9-326755
专利文献3：日本专利公报No.9-72827
非专利文献1：M.Shirasaki et al.，”Variable DispersionCompensator using the Virtually Imaged Phased Array(VIPA)for 40Gbit/s WDM transmission System”，ECOC2000，PD Topic 2，2.3
非专利文献2：F.Horst et al.，“Tunable Ring ResonatorDispersion Compensator realized in High Refractive-index ContrastTechnology”，ECOC2000，PD Topic 2，2.2
非专利文献3：J.A.J.Fells et al.，“Twin Fiber GratingAdjustable Dispersion Compensator for 40Gbit/s”，ECOC2000，PDTopic 2，2.4
非专利文献4：T.Ono et al.，“10Gbit/s PMD Compensation FieldExperiment over 452km using Principal State transmission Method”，OFC2000，PD 44
非专利文献5：Takahashi et al.，“Automatic CompensationTechnique for Timewise Fluctuating Polarization mode Dispersionin In-line Amplifier System”，Electro.Lett.，Vol.3，No.4(1994)，pp.348-349
非专利文献6：Takahashi et al.，“Polarization Control Methodfor Suppressing Polarization Mode Dispersion Influence in OpticaiTransmission Systems”，J of Lightwave Tecnol.，Vol.12，No.5(1994)，pp.891-898
非专利文献7：Y.Akiyama et al.，“Automatic DispersionEqualization in 40Gbit/s Transmission by Seamless-switchingbetween Multiple Signal Wavelengths”，ECOC’99，pp.I-150-151
非专利文献8：S.Kuwabara et al.，“Study on DispersionFluctuation Monitoring Method applied to Adapted DispersionEqualization”，Journal of Comprehensive Meeting of The Instuituteof Electronic Information and Communications Engineers，B-10-152(1997)
非专利文献9：”Representat ion Method and Measuring Method ofPolarized State”，OPTRONICS(1997)，No.5，pp.109-117
然而，上述传统色散监测技术具有下面的问题。具体来说，如图2所示，非专利文献7等中公开了一种所谓的时钟监测法，这是一种用于检测接收到的基带信号中的特定频率分量的强度并且监测色散的方法。该方法包括一宽频带光电二级管(PD)和一对应于40GHz频带的时钟放大器等，并且该方法需要与主信号系统光接收器单元(O/E)相近的配置。特别是为了对WDM系统中的各信道独立地进行色散补偿，所以需要一与每个信道对应的时钟监控器，从而造成了成本和尺寸的增加，这是一个问题。解决这个问题的有效措施是主信号系统与监测系统的集成。但是，由于在集成电路中很难实现一个用于从接收到的基带信号中提取出时钟频率分量的高精度带通滤波器(BSP)，所以这一措施并不实用，这又是一个问题。
对于SONET/SDH信号，可以通过利用包括在开销(overhead)部分中的管理字节(如B1字节等)来实现色散监测，而对于采用前向纠错的系统，可以利用FEC-IC的修正信息来实现色散监测。在这两种情况下，都不向现有系统增加新的配置，因此，专利文献1和2中所公开的利用指示传输质量(如差错率、Q因数等)的参数的色散监测方法在成本和尺寸方面都具有很大的优势。但是，如图1所示，由于这些参数(如差错率等)是受波形劣化和OSNR衰减共同影响的，所以要精确地检测出导致波形劣化的因数(如色散)的变化是很困难的，这也是一个问题。
此外，非专利文献8等中公开的使用DEC(DFF)来检测色散变化的方法需要一与主信号系统电路一样快速的高速电路来作为监测系统电路，而问题在于，要实现这样的电路，并确保希望的监测特性是有困难的。具体而言，如图3所示，在一个采用了上述监测方法的系统中，除主信号DEC100之外，还增加了检测色散变化的比较DEC101和102，并将比较DEC101和102的判决电压分别设为从最佳判决阈值Vth偏移到标记信号(mark signal)侧的Vm(＝Vth+ΔV)和从最佳判决阈值Vth偏移到空标记信号(space mark signal)侧的Vs(＝Vth-ΔV)。在系统运行过程中检测色散变化时，首先，接收到的主信号经过光/电转换后被放大，并被发送到已经设置了各判决电压的各DEC。然后，由异或器103对主信号DEC100和比较DEC101各自的数据输出进行异或运算，并且由异或器104对主信号DEC100和比较DEC102各自的数据输出进行异或运算。如果两个输入数据不一致，异或器103和104将产生脉冲输出。计数器105和106分别对异或器103和104的脉冲输出进行计数，并且通过由控制器107对所计数的数进行监测，来检测出色散变化的方向。因此，所有的电路，包括比较DEC101和102、异或器103和104以及计数器105和106，都需要与主信号电路一样快的高速电路，这就造成了前述问题。
当前波分复用系统中的每种波的典型传输速度是10Gb/s。不过，正在努力实现每种波40Gb/s的传输速度以进一步增加通信容量。在对每种波的通信速度为40Gb/s的波分复用光通信系统的开发过程中发现，要实现该每种波的通信速度为40Gb/s的波分复用光通信系统，对色散的管理必须控制得比以往更加严格。
迄今为止，已提出了利用传输质量信息(如差错率、Q因数等)来进行可变色散补偿器的反馈控制的方法。尤其是，利用与差错率类似的信息的方法在节省成本方面具有优势。
图4显示了利用差错率作为色散检测器的的配置，该配置是常规配置的一个示例。图5显示了其操作。
在图4所示的常规色散补偿控制系统中，从发射器100发出的光信号通过传输线110传输，由光放大器120放大，然后被输入到可变色散补偿器130。该光信号的色散由可变色散补偿器130补偿。然后，该光信号由光/电转换器140转换为电信号，然后被接收器150接收。在接收器150中，计算出所接收到的信号的差错率或类似信息，并将其传输到可变色散补偿器130的控制电路160。控制电路160根据该差错率或类似信息来控制可变色散补偿器130的色散补偿量等。在此情况下，接收器150的差错信息检测功能充当了色散监测器。
由于没有装置用来确定色散补偿量是过量还是不足，如果色散由于某些条件的改变而发生变化，所述常规色散监测器就要使用一种算法(如抖动算法或下降算法(down-hill algorithm))来寻找最佳色散补偿点。要了解抖动算法请参看专利文献4，要了解下降算法请参看非专利文献10。
例如，如果利用下降算法从图5所示的起点(O：点2)开始搜索最佳点，便无法确定选择点1和点3中的哪一个作为接下来的补偿量。因此，选取了点1，结果就有可能导致较大的恶化(penalty)。因此，为了降低差错率，将点1的差错率确定为过高，而重新选定点3。这样就逐步搜索到最佳点了。
其次，可变色散补偿器的可变色散补偿量越大，最佳化色散补偿量所需要的时间就越短(在图6中，改变单位)。但是，随着改变单位的增加，因将色散补偿量错误地确定为过量或不足而导致的不良后果也会加大。因此，为了高度精确地进行色散补偿，通常将变化单位设定为一个很小的值。所以，现有技术在高精度地跟踪低速变化(即，小幅变化)方面具有优势，但并不适用于对高速变化(即，大幅变化)进行高速跟踪。
下面考虑需要对光波色散补偿器进行高速控制的情况及其所需要的速度。在这里考虑了两个变化：(1)随着路线或波长的切换而产生的传输线色散值的变化；(2)伴随高阶PMD(偏振模色散)的变化，由PCD(偏振相关色散)变化而引起的传输线色散值的变化。在上述情况(1)下，通常，50毫秒的保护时间是所需的基准控制速度。具体来说，处理过程如下：
故障发生→故障检测→故障通告(＝Tp≌20毫秒)→路线切换(Ts≌几毫秒)→主信号传输延迟(＝Td)→完成恢复
并且必须满足：
Tp+Ts+Td＜50毫秒
由此可见，分配给主信号传输延迟的时间(Td)是20-30毫秒，而且这一时间中必须包括可变色散补偿器的控制时间，以及EDFA的控制时间。因此，可充许的控制时间的最大值约为20毫秒，这其中包括EDFA的控制时间和可变色散补偿器的控制时间。至于上面的情况(2)，由于没有系统限制，控制时间必须为最大值20毫秒。
接下来考虑可变色散补偿器所需的色散补偿量的可调色散范围。自动色散补偿系统还对随时间流逝而产生的传输线色散进行补偿。但是，由于时间上造成变化的主要因数是安装环境周围温度的变化，其变化速度缓慢的，所以在这里忽略了对随时间流逝而产生的传输线色散的补偿。
下面对伴随路线或波长的切换而产生的传输线色散变化进行说明
对于每一跨距都使用DCF(色散补偿光纤)对色散进行补偿，并且可变色散补偿器的主要目的是对接收端处的色散斜率的影响进行补偿。如果假设系统条件如下：
单个跨距：100km
色散斜率：0.08ps/nm2/km
所用波长宽度：35nm
并且色散斜率的残余影响是20％，则可变色散补偿器所处理的色散值的变化宽度Dv的最大值如下：
Dv＝0.2×0.8×35×100
＝56ps/nm
下面由高阶PMD变化中伴随的PCD变化所引起的传输线色散变化进行说明。
PCD是高阶PMD的一个要素，由于它的变化依赖于输入偏振，所以PCD变化是传输线色散变化的一种现象。通常认为PCD的高速变化是由光纤接触造成的(用手接触或吹动光纤使光纤产生了应力)。这种变化的速度通常以千赫计量，因此补偿必须在几毫秒内完成。
图6显示了一系统中的最佳色散量变化的实验结果，该系统的总平均PMD为8ps(即，0.33ps/ )，并具有6段100km的跨距(100km×6)(#1至#7表示不同的偏振状态)。由图6可看出，最佳色散补偿量最大变化了50ps/nm。已经报道了现有SMF(单模光纤)的典型PMD值是0.2ps/ 并且一阶PMD的影响越显著，高阶PMD的影响就越显著(参看非专利文献11)。因此，通常认为普通系统中的PCD的最大影响约为50ps/nm。
专利文献4：日本专利公报No.2002-33701
非专利文献10：M.Nagaoka，“Knowledge and Predicition”，Iwanami seminar，Software science 14，Iwanami Bookstore(1988)，pp.114-120
非专利文献11：G.Shtengel，E.Ibragimov，M.Rivera，S.suh，“Statistical Dependance between First and Second-order PMD”，No.3，OCF 2001
作为结果，规定以下几点：
控制速度要求：几毫秒或更短
控制范围要求：最多达60ps/nm
此外，如果假设色散补偿器的可允许的恶化为0.5dB，并且一系统具有图6所示的色散容限特性，那么规定其调节精度如下：
±10ps/nm
该色散补偿器的控制方法必须具有这样一个色散监测器，即，该色散检测器可以确定色散的增大或减小，并且还可以粗略地计算色散量，而非如在下降法中那样通过反复确定色散的增大或减小来进行最佳化。该色散补偿器的控制方法还具备随色散变化发生而立即控制色散补偿量的功能。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于容易地对光通信系统的色散特性中的变化进行高精度且同时的监测的设备和方法，以提供一种使用该设备和方法的自动色散补偿系统。
本发明的另一目的是提供一种用于高速控制色散补偿量的色散控制系统。
为了实现上述目的，本发明的色散监测设备对光通信系统的色散特性进行监测。该色散监测设备包括：数据触发器，当输入对通过光通信系统传输的光信号进行光电转换所获得的接收信号时，该数据触发器通过设定一判决相位和一判决阈值来确定输入信号处于高电平还是低电平，并且输出一逻辑值作为判决结果；积分电路，用于对从该数据触发器输出多个逻辑值进行平均；以及，色散检测单元，用于对光通信系统中所发生的色散变化进行检测。
在具有这种配置的色散监测设备中，数据触发器确定一接收信号的电平是高于还是低于定时上与所述相位同步的阈值，并将表示该判决结果的逻辑值输出给积分电路。该积分电路按时间对来自数据触发器的逻辑值进行积分，并将该结果输出到色散检测单元。色散检测单元根据积分电路输出信号的电平变化确定一接收波形的变化，并且检测在光通信系统中所发生的色散变化。因此，可以将一色散检测设备配置得使用速度低于光信号传输速率的电路，从而以高精度检测光通信系统中所发生的色散变化。
自动色散补偿系统采用了上述色散监测设备。该自动色散补偿系统包括：可变色散补偿器，设置在传输线上；和控制电路，用于根据设置在接收侧的位于可变色散补偿器之前的色散监测设备所检测到的色散变化，通过对可变色散补偿器的色散补偿量进行反馈控制，自动补偿通过传输线传输的光信号中所产生的色散，以减小所述变化。
根据具有这种配置的自动色散补偿系统，可以基于由前述色散监测设备所高精度地监测的色散变化，通过对可变色散补偿器的色散补偿量进行反馈控制，来自动并且确定地对通过传输线传输的光信号中发生的色散进行补偿。
本发明的色散补偿控制系统用于对通过传输线传输光信号时所发生的色散进行补偿。该色散补偿控制系统包括：峰值检测单元，用于检测一接收信号的峰值；和控制单元，用于通过对所述峰值与一预定阈值进行比较，来确定一光信号中所发生的色散是否在正向或负向上超出限度，并将一控制信号提供给可变色散补偿器。
根据该色散补偿控制系统，可以高速检测所接收的光信号中发生的过量色散的符号是正还是负，因此可以跟随并补偿高速改变的色散的影响。
附图说明
图1显示了导致通常的光通信系统传输质量下降的因数；
图2显示了采用常规时钟监测法的40Gb/s光通信系统的配置；
图3显示了一光通信系统的配置，该光通信系统采用了一使用常规DEC(DFF)来检测色散变化的监测方法；
图4显示了使用常规差错率作为色散监测器的配置；
图5显示了一常规操作；
图6显示了一系统中的光学色散量变化的实验结果，该系统的总平均PMD为8ps(即，0.33ps/ )，并且该系统有六段100km的跨距；
图7显示了本发明的自动色散补偿系统的第一优选实施例的配置；
图8显示了色散是如何导致波形失真的，并且显示了色散值为0ps/nm时所获得的已接收波形的模拟结果；
图9显示了色散是如何导致波形失真的，并且显示了色散值为-10ps/nm时所获得的已接收波形的模拟结果；
图10显示了色散是如何导致波形失真的，并且显示了色散值为-20ps/nm时所获得的已接收波形的模拟结果；
图11显示了图9中所示的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第一优选实施例的DFF中；
图12显示了图10中所示的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第一优选实施例的DFF中；
图13显示了本发明的自动色散补偿系统的第二优选实施例的操作；
图14显示了色散值为+30ps/nm的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第二优选实施例的DFF中；
图15显示了色散值为+50ps/nm的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第二优选实施例的DFF中；
图16显示了本发明的自动色散补偿系统的第三优选实施例的操作；
图17显示了色散值为0ps/nm的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第三优选实施例的DFF中；
图18显示了色散值为-10ps/nm的已接收波形的判决阈值和判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第三优选实施例的DFF中；
图19显示了色散值为-30ps/nm的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第三优选实施例的DFF中；
图20显示了色散值为-50ps/nm的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第三优选实施例的DFF中；
图21是显示在第三优选实施例中用于监测色散的算法的流程图；
图22显示了本发明的自动色散补偿系统的第四优选实施例的操作；
图23显示了色散值为0ps/nm的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第四优选实施例的DFF中；
图24显示了色散值为-10ps/nm的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第四优选实施例的DFF中；
图25显示了色散值为-30ps/nm的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第四优选实施例的DFF中；
图26显示了色散值为-50ps/nm的已接收波形的判决阈值与判决相位之间的关系，所述判决阈值和所述判决相位设置在第四优选实施例的DFF中；
图27是显示在第四优选实施例中用于监测色散的算法的流程图；
图28显示了第一至第四优选实施例中的整个光通信系统的基本配置；
图29显示了与图28相关的用于在发送端执行自动色散补偿的配置；
图30显示了与图28相关的用于在中继器跨距中执行自动色散补偿的配置；
图31显示了与图28相关的当把自动色散补偿系统的第四优选实施例应用于一WDM光通信系统时所获得的配置；
图32显示了与图31有关的其他配置；
图33显示了本发明的自动色散补偿系统的第五优选实施例的配置；
图34显示了第五优选实施例中的可变色散补偿器的初始设置操作；
图35显示了色散值为1,700ps/nm的已接收波形的模拟结果；
图36显示了根据本发明优选实施例的色散补偿控制系统的基本配置；
图37显示了根据本发明优选实施例的色散变化符号监测器的基本原理；
图38显示了本发明优选实施例的主要部分的基本配置；
图39显示了根据本发明优选实施例的接收单元的配置；
图40显示了根据本发明优选实施例的接收单元的另一配置；
图41显示了根据本发明优选实施例的接收单元的又一配置；
图42显示了根据本发明优选实施例的色散补偿监测器的另一配置；
图43显示了使用可变色散补偿器对43.02Gb/s NRZ调制系统中的每个接收OSNR(信噪比)的色散容限的测量；
图44与图43相对应，其中使用Q因数作为纵轴；
图45显示了根据本发明优选实施例的色散补偿控制系统的另一配置(No.1)；
图46显示了根据本发明优选实施例的色散补偿控制系统的另一配置(No.2)；
图47是根据本发明优选实施例的色散补偿控制系统的基本操作的流程图(no.1)；
图48是根据本发明优选实施例的色散补偿控制系统的基本操作的流程图(no.2)；
图49显示了峰值检测电路的结构；
图50显示了本发明的色散补偿控制系统的另一优选实施例的配置(No.1)；
图51显示了本发明的色散补偿控制系统的又一优选实施例的配置(No.2)；
图52显示了用于证实本发明的色散补偿控制系统的优选实施例的效果的模拟(No.1)；
图53显示了用于证明本发明的色散补偿控制系统的优选实施例的效果的模拟(No.2)；
图54显示了用于证明本发明的色散补偿控制系统的优选实施例的效果的模拟(No.3)；
图55显示了用于证明本发明的色散补偿控制系统的优选实施例的效果的模拟(No.4)；以及
图56显示了用于证明本发明的色散补偿控制系统的优选实施例的效果的模拟(No.5)。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的优选实施例进行说明。
图7显示了本发明的自动色散补偿系统的第一优选实施例的操作。
在图7的自动色散补偿系统中，光接收器单元具有一公知的可变色散补偿器2，该可变色散补偿器2位于传输线1与光电二极管3之间，用于产生与传输线1中所发生的色散相反的色散，并且当对色散进行补偿时，由采用本发明的色散监测技术的监测系统对可变色散补偿器2中的补偿量进行反馈控制。
例如，该监测系统包括：多路信号分解器10、数据触发器(DFF)11、判决阈值设置电路12、延迟电路13、积分电路14和控制电路15。多路信号分解器10提取出从光电二极管3传输到均衡放大器4的电信号的一部分，并将该电信号的一部分作为监测信号发送给DFF 11。DFF 11将来自多路信号分解器10的监测信号的电平与一判决阈值进行比较，并将作为比较结果的一逻辑值输出至积分电路14，其中，所述判决阈值由判决阈值设置电路12来设置，该判决阈值设置电路12的定时与一通过延迟电路13从时钟恢复电路7接收到的时钟信号同步。积分电路14通过将从DFF 11输出的多个逻辑值对时间进行积分，从而对该多个逻辑值进行平均，并且将结果输出至控制电路15。控制电路15根据稍后所述的积分电路14的输出信号的电平来检测传输线1中发生的色散变化，并且对可变色散补偿器2的色散补偿量进行反馈控制，以通过减小所述变化使所述色散值接近0。在该情况下，上述控制电路15具有色散检测单元和控制单元的功能。
在上述光接收器单元中，均衡放大器4由一前置放大器4a和一放大器4b串联组成。由均衡放大器4放大的接收信号的一部分由多路信号分解器5进行信号分解并被发送至时钟恢复电路7。然后，判决电路6根据由时钟恢复电路7提取的时钟信号，来执行所述接收数据的数据判决过程。然而，本发明适用的光接收器单元的配置不限于上述一种。例如，虽然将可变色散补偿器2置于传输线1与光电二级管3之间，但监测系统也可以通过如下方法来对可变色散补偿器的补偿量进行反馈控制，即，将一补偿量固定的色散补偿器与一补偿量可精细地调整的可变色散补偿器相组合。
下面将说明自动色散补偿系统的操作。
首先，参照图8至10所示的接收波形的模拟结果，来详细说明根据本发明的色散监测方法的基本原理。图8至10所示的模拟结果显示了按不同方法所获得的相应的接收波形，例如，通过在光信号传输速率为40Gb/s和负参数α(α＝-1)的条件下将色散值改变为0ps/nm、-10ps/nm和-20ps/nm。在该模拟中，没有考虑非线性效应和偏振模色散。
从图8至图10分别所示的各波形中可以看出，随着负的色散的降低(色散的绝对值增加)，相应的波形展开了。这种色散监测方法通过利用如上所述接收波形随色散值改变的性质来检测色散变化。具体来说，在接收波形中，尤其是在其位串中，所关注的是模式0、1、0……中的电平“1”。已知的是，接收波形中对应于该“1”的高水平没有完全上升和下降。因此，这种色散监测方法可以通过使用图7中所示的DFF 11和积分电路14来检测已接收波形中的这种变化来做出确定。
图11和12显示了图9和图10中所示的已接收波形的判决阈值Vth与判决相位T之间的关系，该判决阈值Vth和判决相位T在图7所示的DFF 11中进行设置。如果根据图11和12所示的判决阈值Vth与判决相位T之间的关系进行已接收波形的判决过程，那么当该已接收波形的色散值是-10ps/nm时(图11)，该已接收波形被确定为“高”，而当该已接收波形的色散值是-20ps/nm时(图12)，该已接收波形被确定为“低”。因此，随着色散值从-10ps/nm变为-20ps/nm，积分电路14的通过对从DFF 11输出的逻辑值在时间上进行积分所获得的输出电平也相应地降低了。由于积分电路14的输出电平根据色散的变化而变化，所以控制电路15可以根据积分电路14的输出电平的变化来确定传输线1中所发生的色散变化。通过对可变色散补偿器2中的色散补偿量进行反馈控制来减小所述变化，从而使由控制电路15所确定的色散值接近于0，就可以自动并且确定地对传输的光信号中所发生的色散进行补偿。
如上所述，根据所述自动色散补偿系统的第一优选实施例，通过使用DFF 11和积分电路141来检测由于色散变化而引起的已接收波形的变化，可以使用一比主信号系统速度低的电路来容易地配置一监测系统，从而通过由这种监测系统检测传输线色散特性的变化并对可变色散补偿器2进行反馈控制，来自动并且确定地对色散进行补偿。
下面将对本发明的第二自动色散补偿系统进行说明。
图13显示了第二优选实施例中的自动色散补偿系统的配置。在图13中，使用相同的标号来表示与图7所示的第一优选实施例中相同的组件。这对于后面将要描述的其他优选实施例同样适用。
第二优选实施例中的自动色散补偿系统与第一优选实施例在配置上的唯一不同之处在于：在该自动色散补偿系统中，色散是由两个并行设置的监测系统来检测的。其余配置与第一优选实施例的完全相同。
具体来说，由多路信号分解器10分解后的监测信号又进一步被多路信号分解器10’分解为两路，并且这两路分解后的信号分别被送至DFF11和DFF 11’。DFF 11根据一判决阈值Vth1和一判决相位T1来执行来自多路信号分解器10’的监测信号的判决过程，并且向积分电路14输出一表示该结果的逻辑值，其中，所述判决阈值Vth1由判决阈值设置电路12设置，所述判决相位T1与从时钟恢复电路7发出并通过延迟电路13时钟传输的时钟信号同步。DFF 11’根据一判决阈值Vth2(≠Vth1)和一判决相位T2(≠T1)来执行对来自多路信号分解器10’的监测信号的判决过程，并向积分电路14’输出一表示该结果的逻辑值，其中，所述判决阈值Vth2由判决阈值设置电路12’设置，所述判决相位T2与从时钟恢复电路7发出并经延迟电路13’传输的时钟信号同步。积分电路14和14’分别将从DFF 11和11’输出的逻辑值对时间进行积分，并将积分结果输出至控制电路15。控制电路15根据积分电路14和14’的输出信号的电平来确定传输线1所发生的色散变化，并且如后所述，对可变色散补偿器2的补偿量进行反馈控制，从而通过减小所述变化来使所述色散值接近于0。
在具有上述配置的自动色散补偿系统中，可以检测传输线1中所发生的色散的减小/增加，并且可以对色散进行自动补偿。具体来说，如在前面提到的第一优选实施例中那样，在其中由一组监测系统执行判决过程的配置中，如果波形由一负参数α和一负色散值的组合展开，则可以检测到色散值的减小。不过，例如，如图14和15所示的已接收波形，如果波形由一负参数α和一正色散值的组合压缩，则不能检测出色散的增加。
因此，在这个优选实施例中的自动色散补偿系统中，提供了两组监测系统，并且在一组监测系统中设置了判决阈值Vth1与判决相位T1之间的关系，在另一组监测系统中设置了判决阈值Vth2与判决相位T2之间的关系，如图14、15中的粗线所示，这样，就可以在波形被压缩时检测到色散的增加。具体来说，按第一实施例中的方式来设置判决阈值Vth1和判决相位T1，而按如下方式来设置判决阈值Vth2和判决相位T2，即，例如使得可以在一脉冲的上升部分(位串…0、1…中的电平“1”)来进行电平判决。在这种情况下，即使色散值是+30ps/nm(图14)或+50ps/nm(图15)，在由判决阈值Vth1和判决相位T1的组合所得的判决结果中没有变化，而在由判决阈值Vth2和判决相位T2的组合所得的判决结果中却有差异。因此，就可以检测出波形被压缩时色散值的增加。如果波形被展开，如在第一优选实施例中那样，根据由判决阈值Vth1和判决相位T1的组合所得的判决结果，可以检测出色散值的减少。
如上所述，根据第二优选实施例的自动色散补偿系统，通过使用过两组DFF 11及11′和积分电路13及13′来检测监测信号的波形变化，传输线1中所发生的色散的减小和增加都可以被高精度地检测到，从而实现了更大范围色散的自动补偿。
在上述第二优选实施例中，通过提供两组DFF和积分电路来监测色散。不过，通过增加数据触发器和积分电路的组合数，可以多级检测色散的增加/减小，并且可以进一步改进色散的检测精度。
下面对本发明的自动色散补偿系统的第三优选实施例进行说明。
图16显示了第三优选实施例中的自动色散补偿系统的配置。
图16所示的第三优选实施例中的自动色散补偿系统与图7中的第一优选实施例在配置上的不同之处仅在于：在该自动色散补偿系统中，可以根据控制电路15输出的控制信号来改变和控制由判决阈值设置电路12所设置的判决阈值的电平，第三优选实施例的其余配置与第一优选实施例的相同。在这种情况下，控制电路15具有阈值控制单元的功能。
在具有这种配置的自动色散补偿系统中，例如，如图17至20所示，通过随具有固定的判决相位T的定时逐渐改变判决阈值来执行DFF 11中的监测信号的判决过程，并且根据该判决的结果来确定传输线1中所发生的色散。
图21是第三优选实施例中的用于监测色散的算法的流程图。这里，对如下情况进行详细说明，假定通过分四步改变判决阈值(Vth1到Vth4)进行判决过程检测出的色散值为0、-10、-30、-50ps/nm或更小。
首先，在图21的步骤1中(在图中标为S1，下同)，将由判决阈值设置电路12提供给DFF 11的判决阈值设为初始值Vth1(图17至20)。然后，在步骤2中，在判决相位T的定时下，将监测信号的电平“1”与判决阈值Vth1进行比较，并且确定判决结果是高(HIGH；DEC＝1)还是低(LOW；DEC＝0)。具体来说，如果相对判决阈值Vth1的判决结果是高，如图17所示，则过程将进行至步骤3，检测到色散值为0ps/nm。如果相对判决阈值Vth1的判决结果是低，如图18至20所示，则过程将进行至步骤4，将判决阈值的设置修改为Vth2(＜Vth1)。
接着，如在步骤2中那样，在步骤5中确定监测信号相对判决阈值Vth2的判决结果。在这种情况下，如果相对判决阈值Vth2的判决结果是高，如图18所示，则过程将进行至步骤6，检测到色散值为-10ps/nm。如果相对判决阈值Vth2的判决结果是低，如图19和20所示，则过程将进行步骤7，将判决阈值的设置修改为Vth3(＜Vth2)。
进一步，在步骤8中，确定监测信号相对判决阈值Vth3的判决结果。如果判决结果是高(图19)，则在步骤9中检测到色散值为-30ps/nm。如果判决结果是低(图20)，则在步骤10中将判决阈值的设置修改为Vth4(＜Vth3)。最后，在步骤11中确定监测信号相对判决阈值Vth4的判决结果。如果判决结果是高(图20)，则在步骤12中检测到色散值为-50ps/nm。如果判决结果是低，则在步骤13中检测到色散值为-50ps/nm或更小。
在下面的表1中集中地表述了在一算法中的色散值、判决阈值及其判决结果之间的相应关系。
表1
                   判决阈值
  Vth1   Vth2   Vth3   Vth4
波长色散值(ps/nm)   0   HIGH   HIGH   HIGH   HIGH
  -10   LOW   HIGH   HIGH   HIGH
  -30   LOW   LOW   HIGH   HIGH
  -50   LOW   LOW   LOW   HIGH
如上所述，根据第三优选实施例中的自动色散补偿系统，通过根据监测信号的判决结果来分多步改变设在DFF 11中的判决阈值，可以以更高的精度来检测色散的变化。由此可以简化监测系统的配置，并且可以确保执行色散的自动补偿。
虽然在上述第三优选实施例中是通过分四步改变判决阈值来检测色散的，但是根据所需要的色散检测精度，可以分任意多步来设置要提供给DFF 11的判决阈值。前面已经描述了当波形被展开时通过逐渐减小判决阈值来检测色散减小的情况。而当波形被压缩时，可以通过逐渐增大判决阈值来精确地检测色散的增加。
下面对本发明的自动色散补偿系统的第四优选实施例进行说明。
图22显示了第四优选实施例中的自动色散补偿系统的配置。
图22所示的第四优选实施例中的自动色散补偿系统与图7中的第一优选实施例在配置上的不同之处仅在于：在该自动色散补偿系统中，可以根据从控制电路15输出的控制信号来改变和控制延迟电路13中的时钟信号的延迟量，而第四优选实施例的其余配置与第一优选实施例的相同。在这种情况下，控制电路15具有相位控制单元的功能。
在具有这种配置的自动色散补偿系统中，例如，如图23至26所示，通过相对于一固定的判决阈值Vth而逐渐改变判决相位来在DFF 11中执行监测信号的判决过程，并且根据该判决的结果来确定传输线1中所发生的色散。
图27是显示在第四优选实施例中用于监测色散的算法的流程图。这里，对如下情况进行详细说明，假定通过分四步改变判决相位(T1到T4)来执行判决过程，检测出的色散值为0、-10、-30、或-50ps/nm或更小。
首先，在图27的步骤21中，将要提供给DFF 11并与由所述延迟电路延迟后的时钟信号同步的判决相位设为初始值T1(图23至26)。然后，在步骤22中，在判决相位T1的定时下，对监测信号的电平“1”与判决阈值Vth进行比较，并且确定判决结果是高(HIGH；DEC＝1)还是低(LOW；DEC＝0)。具体来说，由于在图23至26所示的各已接收波形中，判决结果是高，所以过程将进行至步骤24，修改延迟电路13中的延迟量，以便把判决相位设为T2(＜T1)。如果在判决相位T1的定时下判决结果是低，则在步骤23中检测到色散值为-50ps/nm或更小。
然后，与步骤22中相同，在步骤25中，在判决相位T2的定时下确定监测信号的判决结果。在这种情况下，如果判决结果是低，如图26所示，则过程进入步骤26，检测到色散值为-50ps/nm。然而，如果判决结果是高，如图23至25所示，则过程将进行至步骤27，修改延迟电路13中的延迟量，以将判决相位设为T3(＜T2)。
进一步，在步骤28中，在判决相位T3的定时下确定监测信号的判决结果。如果判决结果是低(图25)，则在步骤29中检测到色散值为-30ps/nm。如果判决结果是高(图23和24)，则在步骤30中修改延迟电路13中的延迟量，从而将判决相位设为T4(＜T3)。最后，在步骤31中，在判决相位为T4的定时下确定监测信号的判决结果。如果判决结果是低(图24)，则在步骤32中检测到色散值为-10ps/nm。如果判决结果是高(图23)，则在步骤33中检测到色散值为0ps/nm。
通过下面的表2集中地表述了上面所述的一算法中的色散值、判决相位及其判决结果之间的相应关系。
表2
                   判决脉冲
  T1   T2   T3   T4
波长色散值(ps/nm)   0   HIGH   HIGH   HIGH   HIGH
  -10   HIGH   HIGH   HIGH   LOW
  -30   HIGH   HIGH   LOW   LOW
  -50   HIGH   LOW   LOW   LOW
如上所述，根据第四优选实施例的自动色散补偿系统，还可以通过根据监测信号的判决结果分多步改变设置在DFF 11中的判决相位，以更高的精确度来检测色散的变化。由此可以简化监测系统的配置，并且可以确保执行色散的自动补偿。
虽然，在上述第四优选实施例中，通过分四步改变判决相位来检测色散，但实际上可以根据所需要的色散检测精度而分任意多步来设置要提供给DFF 11的判决相位。前面已经描述了当波形展开时，通过逐渐改变判决相位来检测负色散增加的情况。而当波形被压缩时，也可以通过适当控制判决相位的设置来高精度地检测色散的变化。
虽然，在上述第一至第四优选实施例中，如图28的基本系统配置所示，从光传输单元30经传输线1传输的光信号中所发生的色散在接收端被自动地补偿，但是本发明的自动色散补偿系统的配置不限于此。图28所示的波形变化检测单元21是包括已在上述第一至第四优选实施例中描述过的DFF 11、判决阈值设置电路12、延迟电路13和积分电路14的功能块。接收器20是包括已在上述第一至第四优选实施例中描述过的均衡放大器4、多路信号分解器5、判决电路6和时钟恢复电路7的功能块。
具体来说，在与第一至第四优选实施例中的自动色散补偿系统有关的另一配置中，例如，如图29，也可以通过将一可变色散补偿器2置于光传输单元30与传输线1的发送端之间，并且基于在接收端监测的色散对可变色散补偿器2进行反馈控制，来在发送端对色散进行自动补偿。例如，如图30所示，如果利用中继器31通过传输线1来中继并传输光信号，则可以通过在中继器跨距中间设置一可变色散补偿器2，并且基于在接收端的监测的色散对可变色散补偿器2进行反馈控制，来对中继器跨距中的色散进行自动补偿。
此外，如图31所示，例如，对于波分复用并传输波长各不相同的多个信道光波(图31中，N个信道光波)的WDM光通信系统来说，通过与多个信道光波Ch.1-Ch.N相对应地设置多个可变色散补偿器21-2N、多个波形变化检测单元211-21N和多个控制电路151-15N，可以为各信道光波进行自动的色散补偿，其中，所述多个信道光波Ch.1-Ch.N是由所述光接收器单元的多路信号分解器22对各波长进行信号分解得到的。例如，如图32所示，还可以通过在光接收器单元的多路信号分解器22前设置一可变色散补偿器2来对与多个波长对应的多个色散段进行自动补偿。
下面说明本发明的自动色散补偿系统的第五优选实施例。对于第五优选实施例，将说明一应用程序，在该应用程序中，即使在系统工作时不知道整个系统中发生的色散，也可以确保执行对一可变色散补偿器的反馈控制。
图33显示了本发明第五优选实施例中的自动色散补偿系统的配置。
图33所示的系统配置的特征在于，例如，可变色散补偿器2的初始设置是利用从接收器20输出的非同步告警信号来执行的。具体来说，如果当执行主信号的数据判决过程时接收器20进入一非同步状态，那么就向控制电路15提供一非同步告警信号。控制电路15在系统运行期间在可变色散补偿器2的部分或整个可变范围内扫描其色散补偿量，并在一至少在反馈控制(采用跟踪模式)时可以建立同步的范围内设置色散补偿量的初始值。具体来说，例如，如图34所示，如果在色散补偿量A与B之间的范围内没有检测到非同步告警信号，则计算出该范围的中点，并将其指定为色散补偿量的初始设置值。
通过利用非同步告警信号来执行可变色散补偿器2的初始设置操作，即使在系统运行时发生的色散与色散容限有很大偏差、已接收波形的失真显著增大(例如，参看图35所示的当色散为-1,700ps/nm时获得的已接收波形的模拟结果)、以及已接收信号与时钟信号之间不能建立同步的情况下，也可以自动地把可变色散补偿器2的色散补偿量初始设置在一可能建立同步的范围之内。这样，DFF 11假定已接收信号与时钟信号之间建立了同步，使用该DFF 11就可以确保监测到色散，从而自动并且稳定地补偿传输线1中所发生的色散。
虽然在上述第五优选实施例中，可变色散补偿器2的初始设置操作是利用接收器20输出的非同步告警信号来执行的，但是，例如，也可以利用诸如差错率、Q因数、B1字节(在SONET/SDH信号的情况下)等传输质量信息代替非同步告警信号来将可变色散补偿器2的色散补偿量设置在一可能建立同步的范围之内。
尽管在上述第一至五优选实施例中，使用本发明的监测技术来监测传输线1中所发生的色散变化，但是同样也可以对偏振模色散(PMD)的变化进行监测。在这种情况下，可以通过根据监测到的偏振模色散补偿量对公知的偏振模色散中的补偿量进行反馈控制，来自动并且动态地对传输线中所发生的偏振模色散进行补偿。本发明也可用作色散和偏振模色散同时被自动补偿的系统中的色散监测器。
如上所述，根据本发明的色散监测设备及方法，通过利用一数据触发器和一积分电路的组合来检测已接收波形的电平变化，并且监测光通信系统中所发生的色散变化，可以由一简单配置来高精度地检测系统的色散特性，其中，该简单的配置所用电路的速度低于光信号的传输速率。根据采用本发明的这种色散监测技术的自动色散补偿系统，可以基于监测到的色散变化来对可变色散补偿器的色散补偿量进行反馈控制。从而，可以自动并确定地对通过传输线传输的光信号中所发生的色散进行补偿。
图36显示了根据本发明的优选实施例的一色散补偿控制系统的基本配置。
通过传输线11来传输从发射器10发出的光信号，并将其输入至可变色散补偿器13。可变色散补偿器13对该光信号的色散进行补偿，并且该光信号由光电转换器14转换为一电信号。转换后的电信号被输入至色散变化符号监测器21和接收器15。在接收器15接收到该信号之后，色散变化量监测器20对色散变化量进行检测。从色散变化符号监测器21向控制单元16输入一表示色散变化方向的符号，从色散变化量监测器20向控制单元16输入色散的变化量。控制单元16根据这些数据段来控制可变色散补偿器13，以计算最佳色散补偿量。
在本发明的该优选实施例中，如果必要，可以将一色散补偿量固定的固定色散补偿器与一可变色散补偿器一起使用。如果必要，也可以在传输线的发送端或在可变色散补偿器之前配置一光放大器。
在本发明的该优选实施例中，通过将一色散变化量监测器与一色散变化符号监测器相组合，当有色散变化时，既可以检测到传输线色散的增/减，也可以检测到传输线色散量，其中，所述色散变化量监测器用于检测由传输线质量(如差错率等)的变化所造成的色散变化量的绝对值。由此，可以实现对可变色散补偿器的高速控制。
图37显示了根据本发明优选实施例的一色散变化符号监测器的基本原理。
图37是眼图，显示了残余色散变化时所引起的波形变化。在图37中，所有箭头标记部分的信号电平都相同。图37显示了在α＝1(啁啾参数α为正)的40Gb/s NZR调制系统中当残余色散变化±50ps/nm时所获得的已接收波形的模拟结果。如图37所示，如果残余色散减小，并且波形被压缩，则超过一特殊高电平的过冲量(overshoot)将增加。相反，如果波形展宽，则过冲量将减小。因此，通过检测该变化，即，波形的峰值，就可以检测出色散的增/减。换句话说，如果将啁啾参数设为正值，通过观察一波形的峰值，就可以知道残余色散的增/减。
图38显示了本发明优选实施例的主要部分的基本配置。图39显示了其接收单元的配置。
图37所示的模拟，通过如图38所示在一PD(光/电转换器140)前设置一光放大器25，来实现恒定输出功率控制(ALC控制)。结果，使高/低电平得到稳定，并且在图37的模拟中，在所有残余色散中，高电平几乎是760μ(a.u.(任意单位))，低电平几乎为0(a.u.)。峰值电压如下：
在色散量为-80ps/nm的情况下：1150μ(a.u.)
在色散量为-30ps/nm的情况下：980μ(a.u.)
在色散量为+20ps/nm的情况下：900μ(a.u.)
如果使用残余色散量＝-30ps/nm作为基准，则可以通过峰值电压的增加而检测到残余色散量的减小。相反地，可以通过峰值电压的减小而检测到残余色散量的增加。
在图39所示的接收单元的配置中，可变色散补偿器130的输出信号由PD 140转换为电信号，该电信号由前置放大器250放大，放大后的电信号被输入至峰值检测电路280和均衡器260。均衡器260的输出被输入至一用于恢复时钟和数据的时钟/数据恢复单元，并且对该输出进行数据恢复。然后，所述输出进入后面的信号处理过程。峰值检测电路280根据峰值的高度来检测信号的峰值，并将该峰值通知控制电路160。控制电路160根据该峰值来确定残余色散是增加还是减小了，并通过控制可变色散补偿器130来最佳化补偿值。
图40显示了根据本发明的该优选实施例的接收单元的另一配置。
如图40所示配置，其中峰值检测电路280连接到前置放大器250的输入端。由于这样也可以计算已接收信号的波形，所以可以检测到峰值。因此，可以向一控制电路通知残余色散的增/减。
图41显示了根据本发明的该优选实施例的接收单元的又一配置。
如图41所示，在信号在均衡器中被放大后，限幅器电压限制了该信号的上/下限。如果在所述限制之前的线性操作范围内保留了足够的已接收波形信息，那么就可以把峰值检测电路设置在接收单元中的任何位置处。
图42显示了根据本发明的该优选实施例的接收单元的再一配置。图43显示了使用可变色散补偿器对一个43.02Gb/s NRZ调制系统中的各已接收OSNR的色散容限的一次测量。图44与图43对应，不同的是以Q因数作纵轴。
在图42中，接收器150包括一峰值检测电路280和一用于计算差错率信息的FEC单元300。FEC(前向纠错)是一使用纠错代码的纠错模块，并且具有该功能的FEC-IC通常具有用来计算类似于差错率(如纠错数量等)的功能。峰值检测电路280检测到的峰值和FEC单元300检测测到的差错率信息被输入到监测电路310，用于产生控制一可变色散补偿器的控制信号，图42中没有示出该可变色散补偿器。
从图43和44中可以清楚地看到，即使OSNR改变，色散容限曲线的形状也不会发生变化。因此，可以用类似的方法利用差错率从其最佳点的变化量(Q因数恶化幅度)来计算最佳色散值的变化量。换句话说，如果色散容限曲线的形状变化了，则要被改变的色散量随OSNR的变化而变化，甚至抵消相同的差错率变化量。然而在此情况下，并没有这样的情况发生。例如，通过在系统初始设置时扫描一可变色散补偿器的色散可变范围，可以获得所述色散容限曲线，并且如果传输线色散和传输质量发生变化，则可以通过所产生的恶化来计算出变化量。
图42所示的配置采用了使用FEC的系统，并且使用由FEC单元300检测出的差错率信息。然而，如果是有关传输质量的信息，例如SONET/SDH信号中的B1字节等，则可以使用本发明的该优选实施例作为色散监测器。
图45和46显示了根据本发明的该优选实施例的接收单元的其它配置。
图45显示了一使用FEC的系统，该系统利用了由FEC单元300检测出的差错率信息。图46显示了一使用SONET/SDH信号的B1字节的系统。在图46中，接收器150处理SONET/SDH信号的开销，提取出B1字节信息并将该信息传输至控制单元160。此外，如果是关于传输质量的信息，例如Q因数等，可以使用本发明的该优选实施例作为色散监测器。
图47和48是示出色散补偿控制系统的基本操作的流程图。
图47是示出这样的色散补偿控制系统的基本操作的流程图，即，在该色散补偿控制系统中，使用差错率作为检测最佳色散补偿量的变化量的装置；图48是示出这样的色散补偿控制系统的基本操作的流程图，即，在该色散补偿控制系统中，使用了根据本发明的该优选实施例的峰值电压。
例如，由于随着传输线安装环境温度变化而产生的传输线色散每单位时间的变化非常小，所以优选地利用现有技术对其进行高精度的色散控制。因此，在此情况下，应使用图47所示的过程。
必须高速地跟随由于高阶PMD的影响而造成的最佳色散补偿量每单位时间的突然变化。因此，在此情况下，应使用图48所示的过程。
从图43和44所示的色散容限曲线可以清楚地看出，如果在单位时间内最佳色散补偿量出现快速变化，传输质量(如差错率等)的劣化就比较大。因此，可以通过传输质量(如差错率等)的单位时间内的变化来检测出最佳色散补偿量的变化宽度的大/小。
因此，如果色散的单位时间变化量等于或小于一特定阈值，那么使用下降法等来进行高精度最佳值搜索。如果色散的单位时间变化量超过了所述特定阈值，如上所述，则通过利用峰值变化的大/小来检测最佳色散补偿变化量的增/减，并且计算并设置在初始设置时获得的色度容限特性和色散补偿量偏离检测到的恶化的偏差，来高速地控制最佳的色散补偿量；并且在把该最佳的色散补偿量抑制到等于或小于一可允许恶化的水平后，过程转换至普通高精度控制模式。
在图47中，首先，在步骤S10中进行初始设置。具体来说，设置了一恶化阈值Pth。在步骤S11中，设置最佳补偿量。在步骤S12中，测量差错率。在步骤S13中，设置基准差错率BERs。在步骤S14中，测量峰值电压。在步骤S15中，设置基准峰值电压。在步骤S16中，过程等待一等待时间T1。在步骤S17中，测量差错率BER1。在步骤S18中，确定其恶化是否小于Pth。在此情况下，如果假设规定BERs的一Q因数和对应于BER1的Q因数分别为Qs和Q1，则恶化的计算如下：
恶化＝Qs-Q1
如果步骤S18中的判断结果为是，则在步骤S19中以正常模式进行最佳值搜索。该正常模式使用利用下降法或抖动法的最佳值搜索，所述下降法和抖动法已在背景技术部分进行了说明。在步骤S19之后，过程返回至步骤S11。如果步骤S18中的判断结果为否，则过程进行至步骤S20，测量峰值电压。在步骤S21中，确定所述变化的增/减，并在步骤S22中计算变化量。即，计算补偿量。在步骤S23中，设置补偿量，然后过程返回到步骤S17。
如图48所示，在步骤S30中进行初始设置。具体来说，扫描可变色散补偿器的部分补偿范围或整个补偿范围，并且进行最佳补偿量搜索。同时计算出图43和44所示的色散容限特性。然后，将峰值电压阈值差的压缩和展宽量分别设为Vth1和Vth2。在步骤S31中设置最佳补偿量，并且在步骤S32中测量差错率。在步骤S33中设置基准差错率BERs。然后，在步骤S34中测量峰值电压，并且在步骤S35中设置基准峰值电压Pst。然后，在步骤S36过程等待一等待时间T1，并且在步骤S37中测量峰值电压Pm。在步骤S38中，确定Pm-Pst是否小于Vth1或大于Vth2。
如果在步骤S38中的确定结果为是，则过程进行至步骤S39，以正常模式进行最佳值搜索(现有技术)。然后，过程返回至步骤S31。如果在步骤S38中的确定结果为否，则在步骤S40中确定变化的增/减，并且在步骤S41中，测量差错率BER1。在步骤S42中，计算出变化量(补偿量)。然后，在步骤S43中设置补偿量，并且在步骤S44中，在正常模式下进行最佳值搜索。然后，过程返回步骤S31。
图49显示了所述峰值检测电路的配置。
对于该电路，使用了一D触发器。数据、判决阈值以及由延迟电路调整过的时钟信号被输入至该D触发器。该D触发器存储并输出通过对所述数据与所述判决阈值进行比较而获得的差。一积分电路对该D触发器的输出进行积分，并输出它们的平均值。
图50和51A至C显示了所述色散补偿控制系统的其它配置。
在图50中，配备有一平均输出功率监测器350。在前述的优选实施例中，通过对光放大器250进行ALC-控制来保持光信号高电平中的输出功率恒定。这样，就检测到了该光信号的峰值，并且通过对该峰值与一预定阈值进行比较，可以确定残余色散的增/减。在该优选实施例中，假设已接收光信号的调制方法、标记比率(mark ratio)、占空比等都没有发生变化，通过监测光放大器的平均输出，并且根据变化控制所述阈值，可以判断残余色散的增/减，类似于对光放大器进行ALC-控制的情况。
首先，在进行初始设置时(图51B)，把平均输出设为基准值。然后，如果该平均输出下降到一半(图51A)，则与该平均输出的变化成比例地把所述判决阈值减到一半，在图51A所示的情况下，该判决阈值被设为2.25×10-3a.u.(任意单位)。如果所述平均输出变为两倍(图51C)，则与该平均输出成比例地把所述判决阈值加倍，将该判决阈值设为9.0×10-3a.u.。色散变化符号监测器210利用如此设置的判决阈值来确定残余色散变化的方向。
图52至56显示了证实本发明的该优选实施例的效果的模拟结果。
图53和54显示了使用图52所示的模拟模型并且采用光放大器的NF(噪声指数)和带限滤波器的传输频带作参数计算出的在α＝1的情况下伴随色散变化的峰值电压变化的结果。图53是当带限滤波器的传输频带是30GHz、光放大器的噪声指数为0dB或30dB时所建立的残余色散与峰值电压之间的关系图。图54是当带限滤波器的传输频带是30GHz或40GHz、光放大器的噪声指数为30dB时所建立的残余色散与峰值电压之间的关系图。
如图53和54所示，当色散值在40ps/nm附近时，OSNR和滤波频带的恶化都最小，除去此处，如果色散变化很大，则可以利用峰值电压的增/减来检测色散的增/减。
图55显示了各色散值的模拟波形。下列平均输出是在各波形(每个128位)的阈值为0.0045(a.u.)时获得的：
-100ps/nm＝0.198(a.u.)
-50ps/nm＝0.119(a.u.)
0ps/nm＝0(a.u.)
通过对比该平均值与该阈值，可以判断传输线中的色散的增/减。
图56显示了当阈值在0.0042(a.u.)与0.0045(a.u.)之间时所获得的平均输出的图。
由于本发明的该优选实施例中的色散变化符号监测器的目的在于判断变化的符号，所以当阈值为0.0042并且色散偏离作为最佳色散补偿量的～40ps/nm时，平均输出中没有差别。因此，监测器失去了作为监测器的功能。如果阈值在0.0043与0.0045之间，那么当色散降低时，平均输出明显增加。因此，利用平均输出增加的存在与否，就可以检测到传输线中色散的增/减。特别是，在阈值为0.0044的情况下，当色散从最佳色散补偿量-40ps/nm变化±10ps/nm时，平均输出变化很大，这是最优选的状况。
作为示例，考虑如下情况：在使用图45或46所示的差错率作为色散监测器的系统中，OSNR＝22dB，并且色散容限特性曲线如图45或46所示。
在传输线中的每单位时间的色散低于所述阈值的正常操作状态下，最佳点搜索算法(如下降法等)将高精度地跟随并控制最佳的色散补偿量。例如，将阈值设为±10ps/nm。在图45和46所示的示例中，色散补偿量被控制到大约-30ps/nm，并且差错率变为3.5×10-8。在这种情况下，如果传输线中的色散由于某些原因发生变化，并且作为色散监测器而测量的差错率快速下降至1.0×10-8，就可以使用本发明的该优选实施例中的色散变化符号监测器来对色散补偿量进行速度优先的控制。然后，通过利用图43所示的在初始设置时获得的特性曲线，就可以计算出由于差错率变化量而导致的传输线色散的+15ps/nm或-15ps/nm的变化。此外，由于可以利用峰值检测电路的信息来判断色散的增/减，所以可以通过一次操作将色散补偿量控制在一可允许恶化(容限)内。
根据本发明，可以实现一色散补偿控制系统，该色散补偿控制系统可以偿跟踪高速变化的色散并对色散进行补偿。

Claims (27)

1.一种用于对光通信系统的色散特性进行监测的色散监测设备，包括：
数据触发器，用于通过输入一接收信号并且设置一判决相位和一判决阈值来确定一输入信号处于高电平还是低电平，并且输出一逻辑值作为判决结果，其中，所述接收信号是通过对通过光通信系统传输的光信号进行光/电转换所获得的；
积分电路，用于对从数据触发器所输出的多个逻辑值进行平均；以及
色散检测单元，用于检测光通信系统中所发生的色散的变化。
2.根据权利要求1所述的色散监测设备，包括：
多个数据触发器，该多个数据触发器的判决相位和判决阈值中的至少一个被设置得互不相同；和
多个积分电路，与所述多个数据触发器相对应，其中
所述色散检测单元基于各积分电路所输出的信号的电平，来检测光通信系统中所发生的色散变化。
3.根据权利要求1所述的色散监测设备，包括：
阈值控制单元，用于改变和控制由数据触发器所设的判决阈值，其中
所述色散检测单元基于各积分电路所输出的信号的电平，来检测光通信系统中所发生的色散变化。
4.根据权利要求1所述的色散监测设备，包括：
相位控制单元，用于改变并控制由数据触发器所设的判决相位，其中
所述色散检测单元基于与各不同判决相位对应的各积分电路所输出的信号的电平，来检测光通信系统中所发生的色散变化。
5.根据权利要求1所述的色散监测设备，其中
所述色散检测单元对光通信系统中所发生的色散的变化进行检测。
6.根据权利要求1所述的色散监测设备，其中
所述色散检测单元对光通信系统中所发生的偏振模色散的变化进行检测。
7.一种用于对光通信系统的色散特性进行监测的色散监测方法，包括如下步骤：
对通过光通信系统传输的光信号进行光/电转换，将经光/电转换所获得的接收信号输入数据触发器，使用该数据触发器确定输入信号是处在高电平还是处在低电平，从而完成通过光通信系统传输的光信号的接收波形的判决过程；
由一积分电路对从数据触发器所输出的多个逻辑值进行平均；以及
基于从积分电路所输出的信号的电平变化，检测光通信系统中所发生的色散变化。
8.根据权利要求7所述的色散监测方法，其中
针对多个不同的判决阈值使用所述数据触发器来执行所述判决过程。
9.根据权利要求7所述的色散监测方法，其中
针对多个不同的判决相位使用所述数据触发器来执行所述判决过程。
10.一种使用根据权利要求1所述的色散监测设备的自动色散补偿系统，包括：
可变色散补偿器，被设置在传输线上；和
控制电路，用于基于由设置在接收侧的位于可变色散补偿器之前的色散监测设备所检测到的色散变化，通过对可变色散补偿器的补偿量进行反馈控制以减小所述变化，来自动地对通过传输线传输的光信号中所发生的色散进行补偿。
11.根据权利要求10所述的自动色散补偿系统，其中
所述可变色散补偿器设置在传输线的接收端。
12.根据权利要求10所述的自动色散补偿系统，其中
所述可变色散补偿器设置在传输线的发送端。
13.根据权利要求10所述的自动色散补偿系统，其中
所述可变色散补偿器设置在传输线的中继器跨距之内。
14.根据权利要求10所述的自动色散补偿系统，其中
当通过传输线传输包括波长各不相同的多个信道光波的波分复用光信号时，与具有波分复用光信号中的各波长的信道光相对应地设置所述色散监测设备。
15.根据权利要求10所述的自动色散补偿系统，其中
所述控制电路利用传输质量信息来执行一设置操作，以便可以把可变色散补偿器的色散补偿量的初始值置于一可反馈控制的范围之内。
16.一种色散补偿控制系统，用于对通过传输线传输光信号时所发生的色散进行补偿，该色散补偿控制系统包括：
峰值检测单元，用于检测一接收信号的峰值；和
控制单元，用于通过对所述峰值与一预定阈值进行比较来确定一光信号中所发生的色散是否在正向上或在负向上过量了，并且为一可变色散补偿器提供一控制信号。
17.根据权利要求16所述的色散补偿控制系统，还包括：
传输质量检测单元，用于检测一接收信号的传输质量信息，其中
所述控制单元使用过量色散的正/负号和要补偿的色散量的绝对值来为可变色散补偿器提供一控制信号，其中，所述过量色散的正/负号是通过检测一峰值来获得的，所述绝对值是根据传输质量信息来获得的。
18.根据权利要求17所述的色散补偿控制系统，其中
所述控制单元设置了一最优色散补偿变化量的阈值；并且，如果一观测到的变化量等于或小于该阈值，则利用下降法或抖动法来高精度地控制所述色散补偿；如果所述变化量超出所述预定的阈值，则使用残余色散的正/负号和要被补偿的色散量的绝对值对所述色散高速地进行控制，其中，所述残余色散的正/负号是根据一峰值得到的。
19.根据权利要求17所述的色散补偿控制系统，其中
所述传输质量检测单元使用FEC功能来检测一接收信号的差错率。
20.根据权利要求17所述的色散补偿控制系统，其中
如果所接收信号是SONET/SDH信号，则所述传输质量检测单元使用开销的B1字节来检测该所接收信号的差错率。
21.根据权利要求16所述的色散补偿控制系统，其中
所述峰值检测单元包括一D触发器，该D触发器用于输入数据、判决阈值和定时调整时钟，并且存储和输出对数据与一判决阈值进行比较的结果。
22.一种色散补偿控制方法，用于对通过传输线传输光信号时所发生的色散进行补偿，该色散补偿控制方法包括如下步骤：
检测一接收信号的峰值；和
通过将所述峰值与一预定阈值进行比较，来确定一光信号中所发生的色散是否在正向或在负向上过量，并且为一可变色散补偿器提供一控制信号。
23.根据权利要求22所述的色散补偿控制方法，其中
在所述确定步骤中，使用过量色散的正/负号和要被补偿的色散补偿量的绝对值来为所述可变色散补偿器提供一控制信号，其中，所述过量色散的正/负号是通过检测一峰值而获得的，所述绝对值是根据所述传输质量信息而获得的。
24.根据权利要求23所述的色散补偿控制方法，其中
在所述确定步骤中，设置了一最优色散补偿变化量的阈值；并且，如果一观测到的变化量等于或小于该阈值，则使用下降法或抖动法来高精度地控制色散补偿；如果所述变化量超出所述预定阈值，则使用残余色散的正/负号和要被补偿的色散量的绝对值来高速地对色散进行控制，其中所述残余色散的正/负号是根据一峰值而获得的。
25.根据权利要求23所述的色散补偿控制方法，其中
使用FEC功能来检测接收信号的差错率。
26.根据权利要求23所述的色散补偿控制方法，其中
如果一接收信号是SONET/SDH信号，则使用开销的B1字节来检测所述接收信号的差错率。
27.根据权利要求23所述的色散补偿控制方法，其中
在所述峰值检测步骤中，使用了一D触发器，该D触发器用于输入数据、判决阈值和定时调整时钟，以及存储和输出对数据与一判决阈值进行比较的结果。
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