CN1716826A - 用于色散动态补偿的光全通滤波器及其动态调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光全通滤波器，用于高速率WDM光通信系统中光信号的色散补偿。该光全通滤波器，由满足单位酉(矩)阵条件的马赫—曾德尔干涉仪(MZI)和全通滤波器构成的反馈回路组成，其中MZI的一个输出端口通过反馈回路连接MZI的一个输入端口。本发明还公开了对所述光全通滤波器进行动态调节的方法，是将光全通滤波器的传输函数转化成零—极点的形式，在光全通滤波器的零—极点图中，通过调整零—极点的位置来逼近理想的频谱响应，从而优化光滤波器的性能。本发明的光全通滤波器理论上可以补偿任何阶的色散，并且具有器件体积小、易于实现集成、成本较低、损耗较小的特点，通过调节参数，能够对高速率光信号的色散实现动态补偿。

Description

用于色散动态补偿的光全通滤波器及其动态调节方法

技术领域

本发明涉及一种基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和反馈回路的光全通滤波器，用于高速率WDM光通信系统中光信号色散的动态补偿。

背景技术

典型的光通信系统的简化结构如图1，包括：(1)发射端的光源；(2)由光纤组成的传输链路以及连接在其中的光调制器、光放大器和光滤波器等；(3)接收端的光电检测器。光源产生光信号，光纤作为光传输线用于传输光信号，光调制器用于调制光信号，光放大器和滤波器沿着光纤链路分布用于改善信号的传输质量。光电检测器用于检测信号和解调光信号承载的信息。

在光纤通信系统中，特别是高速WDM系统中，色度色散是影响信号传输质量的重要因素之一。在光纤传输媒质中，其折射率与信号波长(频率)有关。色度色散使得不同波长的信号分量产生不同的相移，使光信号的波形发生展宽，产生传输误差。这里所说的色度色散(或简称为色散)是指光信号群延迟的一阶和高阶微分。

在色散补偿研究的领域中，已经提出并且比较广泛应用的色散补偿技术有色散补偿光纤、啁啾光纤光栅、虚拟相位阵列(VIPA)技术等。色散补偿光纤是目前最普遍、最实用化的一种在线色散补偿技术，其技术成熟，具有宽带补偿能力，性能稳定，不足之处是损耗比较严重。VIPA技术虽然可以补偿多个信道的色散，但是具有大的群延迟波纹和比较严重的插入损耗。光纤光栅的制造技术已经十分成熟，而且具有较高的品质因数，插入损耗低，体积小，其不足之处是补偿带宽窄，多用于单信道的色散补偿。

近几年，随着光通信向着大容量、长距离、高速度方向的发展，动态色散补偿成为研究的热点。美国的OFS、法国的Highwave公司，日本的三菱电子(Mitsubishi Electric&Electronics)公司，加拿大的Teraxion公司都成功研制了基于布拉格光栅的动态色散补偿设备。在提高动态补偿范围和可调性等方面取得了很大的进展。据报道新加坡南洋理工大学利用10cm长的啁啾光纤光栅，其可调范围达到178ps/nm～2126ps/nm。美国的Avanex公司新推出的FDS技术是市场上十分先进的基于标准具的色散补偿方案。基于MEMS技术的可调色散补偿技术也有很大的发展，日本的SEI公司(Sumitomo Electric Industries Ltd)在2003年推出了基于MEMS微镜的多信道可调色散补偿器。另外，基于非线性光纤的色散补偿技术也有所发展。但是，随着传输数率的提高和传输距离的增加，如何实现一种更为理想的色散补偿技术仍然是目前研究的热点问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光全通滤波器，用于高速率WDM光通信系统中光信号的色散补偿。

本发明的技术方案如下：

一种光全通滤波器，由满足单位酉(矩)阵条件的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和全通滤波器构成的反馈回路组成，其中MZI的一个输出端口通过反馈回路连接MZI的一个输入端口。

上述的光全通滤波器，所述的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)可以由两个3dB定向耦合器和连接它们的长度相差ΔL的两个波导组成，也可以由两个多模干涉仪(MMI)和连接它们的长度相差ΔL的两个波导组成。

上述的光全通滤波器，所述的反馈回路包含由两个级联的环谐振器和直波导组成的全通滤波器，或者由光延迟线、标准具或基于环谐振器的其它结构的全通滤波器构成。

本发明的另一个目的在于提供一种对光全通滤波器进行动态调节的直观的方法，将光全通滤波器的传输函数转化成零-极点的形式，在光全通滤波器的零-极点图中，通过调整零-极点的位置来逼近理想的频谱响应，从而优化光滤波器的性能，实现对高速率光信号色散的动态补偿。

与现有的色散补偿技术相比，基于这种光全通滤波器的色散补偿技术理论上可以补偿任何阶的色散。本发明的色散补偿滤波器具有器件体积小、易于实现集成、成本较低、损耗较小的特点，通过调节参数，能够对高速率光信号的色散实现动态补偿。

附图说明

图1是光通信系统的简要示意图，包括光发射端，、接收端以及连接发射端和接收端的光纤传输链路

图2是本发明的光全通滤波器的简化结构框图，一个2×2的四端口网络，其中的一个输出端通过反馈回路连接到其中的一个输入端。

图3是本发明的光全通滤波器的具体结构，四端口网络由MZI实现，反馈回路的传输函数为h(ω)。

图4是图3的反馈回路中传输函数为h(ω)的子全通滤波器的具体结构。

具体实施方式

1.简化的结构框图

本发明提出的光全通滤波器的简化结构框图如图2所示。其中，M是2×2的四端口网络的传输矩阵，该网络具有两个输入端口E_i1、E_i2和两个输出端口E_o1、E_o2，其中一个输出端口E_o1通过反馈路径反馈到一个输入端口E_i1，反馈路径的传输函数用h(ω)表示。为了得到全通滤波器，要求该四端口网络的传输矩阵满足单位酉(矩)阵的条件，即要求det(M)＝1。

输入输出的关系可表示为：

$\left(\begin{array}{cc}{M}_{11}& M_{12}\\ M_{21}& M_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_{i1}\\ E_{i2}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{E}_{o1}\\ E_{o2}\end{array}\right)---\left(1\right)$

从图2还可以很容易的得到：

E_o1＝h(ω)E_i1               (2)

由(1)、(2)两式可以得到图2所示结构的传输函数为：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{E_{o2}}{E_{i2}}=\frac{h\left(\mathrm{\ω}\right)\det M-M_{22}}{h\left(\mathrm{\ω}\right)M_{11}-1}=\frac{h\left(\mathrm{\ω}\right)-M_{22}}{h\left(\mathrm{\ω}\right)M_{11}-1}$ (∵det(M)＝1)        (3)

图2所示的反馈路径可以由最简单的反馈回路结构——光延迟线组成，此时反馈回路的传输函数h(ω)＝e^jωT。光延迟线也是最简单的全通滤波器。反馈路径还可以由更为复杂的全通滤波器组成，从而形成类似递归式的结构的光全通滤波器。本发明的具体结构方案就是采用这种递归式的结构来设计的。

通过类似上面的分析，如果M是N×N的散射矩阵，而且满足M是单位酉(矩)阵(即det(M)＝1)的条件，将N-1个输出端口通过反馈路径连接到N-1个输入端口，形成N-1个反馈回路，其中每个反馈回路都可以由光延迟线或其它全通滤波器构成，这样就可以得到N-1阶的光全通滤波器。通过增加光全通滤波器的阶数，可以实现更为理想的相位响应，从而达到更好的色散补偿效果。

2.具体的结构方案

在光滤波器的设计中，马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和环谐振器是构建光滤波器的基本模块。本发明优选MZI和平面波导环谐振器来构建光全通滤波器。这样的光全通滤波器可用于高速率WDM(如40Gb/s)光纤通信系统多信道的色散补偿。

本发明的色散补偿光全通滤波器中优选的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的结构如图3所示，它是一个2×2的四端口器件，E_i1、E_i2、E_o1、E_o2，分别是MZI的输入端口和输出端口，输出端口E_o2通过反馈回路反馈到输入端口E_i2。马赫-曾德尔干涉仪(MZI)由三部分组成，包括两个3dB定向耦合器(功率耦合系数分别为c₁和c₂)和连接它们的长度相差ΔL的两个波导。本发明所使用的两个波导具有相同的折射率，即n₁＝n₂＝n_eff(波导中的有效折射率)。当两个波导臂的信号来自同一个光源时，两个波导的相位差为：

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}{n}_1}{\mathrm{\λ}}(L+\mathrm{\ΔL})-\frac{2\mathrm{\π}{n}_2}{\mathrm{\λ}}L=\frac{2\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔL}$

令 $k=\frac{2\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}},$

则相位差：ΔΦ＝kΔL。             (4)

3dB定向耦合器的传输矩阵为：

$M_{\mathrm{coupler}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{cc}1& j\\ j& 1\end{array}\right)---\left(5\right)$

相位差为ΔΦ的散射矩阵为：

$M_{\mathrm{\Δ\Φ}}=\left(\begin{array}{cc}\exp (\mathrm{jk\ΔL}/2)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{jk\ΔL}/2)\end{array}\right)---\left(6\right)$

由(5)、(6)两式得到马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的传输矩阵为

M＝M_coupler·M_ΔΦ·M_coupler

$=j\left(\begin{array}{cc}\mathrm{Sin}(\mathrm{k\ΔL}/2)& \cos (\mathrm{k\ΔL}/2)\\ \cos (\mathrm{k\ΔL}/2)& -\sin (\mathrm{k\ΔL}/2)\end{array}\right)---\left(7\right)$

由(7)可以得到det(M)＝1，满足前面分析的条件，即马赫-曾德尔MZI的散射矩阵满足单位酉(矩)阵的条件。

为了更好的减小偏振模色散对光全通滤波器性能的影响，构成MZI的两个3dB耦合器还可以由多模干涉仪(MMI)来代替，但这种多模干涉仪对光信号的偏振和波长特性不够灵敏。考虑到与光纤通信系统中其它器件的兼容性，在具体应用中，材料的选择最好采用全光纤的MZI，这样易于与其它光器件耦合。

在光滤波器设计中，环谐振器结构简单，制造成本低，而且具有多信道工作的能力，可调范围宽，因此获得了广泛的研究和应用。本发明优选使用两个级联的环谐振器和一个直波导组成子全通滤波器作为反馈路径，其具体结构如图4所示。单个环谐振器的传输函数为：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{e^{-\mathrm{j\φ}}[{\mathrm{\ρe}}^{\mathrm{j\φ}}-e^{-\mathrm{j\ωT}}]}{1-{\mathrm{\ρe}}^{-\mathrm{j\ω}}{e}^{-\mathrm{j\ωT}}}---\left(8\right)$

其中 $\mathrm{\ρ}=\sqrt{1-k},$ k是环谐振器与直波导的功率耦合系数，φ是环谐振器中移相器的相位，T是环反馈路径的时间延迟 $(T=\frac{c}{n_g}L),$ 在本发明中，两个环谐振器的半径相等。级联的两个环谐振器总的传输函数为：

$h\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n=1}{\overset{2}{\mathrm{\Π}}}\frac{e^{-j{\mathrm{\φ}}_n}[{\mathrm{\ρ}}_n{e}^{j{\mathrm{\φ}}_n}-e^{-\mathrm{j\ωT}}]}{1-{\mathrm{\ρ}}_n{e}^{-j{\mathrm{\φ}}_n}{e}^{-\mathrm{j\ωT}}}---\left(9\right)$

环谐振器上的移相器是热-光移相器，由加热器控制移相器的相位偏移，通过改变环谐振器的相对相位，能够实现较为理想的光全通滤波器响应。

将得到的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的传输矩阵表达式(7)和反馈回路子全通滤波器的传输函数表达式(9)，带入(3)式中，可以得到本发明光全通滤波器的传输函数：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{h\left(\mathrm{\ω}\right)+j\sin (\mathrm{k\ΔL}/2)}{j\sin (\mathrm{k\ΛL}/2)*h\left(\mathrm{\ω}\right)-1}---\left(10\right)$

其中h(ω)的表达式如(9)式。通过控制环谐振器与直波导的功率耦合系数k和环谐振器中热-光移相器的相位φ，实现系统的优化配置。

除了上述由两个环谐振器级联组成的子全通滤波器以外，其它类型的全通滤波器，比如光延迟线、标准具或者基于环谐振器的其它结构的全通滤波器都可以作为本发明的反馈回路。

3.零-极点图解方法

在具体调节光全通滤波器的参数以实现最优性能的过程中，本发明结合得到的传输函数，引入零-极点图解的方法来逼近理想的频率响应，实现光全通滤波器性能的优化。

所谓的零-极点图是指在Z平面利用图解表示零-极点的位置。在数字滤波器和模拟滤波器的设计中，零-极点图是一种广泛采用的方法。在光滤波器的设计中，使用零-极点图这种图解技术可以实现滤波器的性能优化。

下面首先给出零-极点图方法以及零-极点图和滤波器频谱响应之间的关系。在线性和时不变的前提下，滤波器的时间响应可以用离散脉冲响应函数来表征，表示为h(n)，其中n是离散时间变量。这种滤波器的频率响应可以从Z变换中得到，Z变换是广义的傅立叶变换用于离散时间系统的情形。在数字信号处理中我们知道，Z变换将离散的时间信号变换成复变量频率信号。其定义为：

$H\left(z\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}h\left(n\right)z^{-n}---\left(11\right)$

这是一个以z为变量的函数，z是复变量，等式中的每个指数项代表一个延迟，其中z^-1对应单位延迟，z^-2对应二倍的单位延迟，依此类推。对于一个线性离散系统，输入信号是x，输出信号为：

y(n)＝b₀x(n)+b₁x(n-1)+…+b_Mx(n-M)-a₁y(n-1)-…-a_Ny(n-N).    (12)

由(11)和(12)利用Z变换得到滤波器的传输函数为：

$\left(z\right)=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_m{z}^{-m}}{1+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{z}^{-n}}---\left(13\right)$

将(13)式表示成零-极点的形式为：

$H\left(z\right)=\frac{\mathrm{\Γ}{z}^{N-M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(z-z_m)}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}(z-p_n)}---\left(14\right)$

用z＝e^jω带入(4)式，得到滤波器的频率响应为：

其中： $\left|H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|=\left|\mathrm{\Γ}\right|\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}|e^{\mathrm{j\ω}}-z_m|}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\left|(e^{\mathrm{j\ω}}-p_n\right|}---\left(16\right)$

$\arg \left|H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|=\arg \left(\mathrm{\Γ}\right)+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\arg (e^{\mathrm{j\ω}}-z_m)-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\arg (e^{\mathrm{j\ω}}-p_n)+(N-M)\mathrm{\ω}---\left(17\right)$

群延迟：

$\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\frac{d}{\mathrm{d\ω}}\left(\arg H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right)$

$=-[\frac{d}{\mathrm{d\ω}}\arg \left(\mathrm{\Γ}\right)+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{d}{\mathrm{d\ω}}\arg (e^{\mathrm{j\ω}}-z_m)-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{d}{\mathrm{d\ω}}\arg (e^{\mathrm{j\ω}}-p_n)+(N-M)]---\left(18\right)$

从(16)、(17)、(18)式中可以看出，频谱响应与零-极点的位置密切相关。在Z平面的零-极点图中，利用直观的几何方法，通过适当的改变零点、极点的位置，就能调节滤波器的频率响应特性。在本发明调节滤波器的参数以逼近最理想的频率响应过程中，将光全通滤波器的传输函数(10)式改写成如(14)式零-极点的形式，引入了零-极点图这种图解的方法，通过调整光全通滤波器传输函数的零-极点的位置来逼近理想的频谱响应，从而优化光滤波器的性能，实现对高速率光信号色散的动态补偿。

在本发明的优选技术方案中，光滤波器性能的动态调节可以通过改变反馈回路中由环谐振器组成的子全通滤波器的参数(环谐振器移相器的相位、功率耦合系数)来实现，也可以通过调节MZI两个臂的长度差或者耦合器的耦合率来实现。

以上为本发明的实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见的想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种光全通滤波器，由满足单位酉(矩)阵条件的马赫—曾德尔干涉仪(MZI)和全通滤波器构成的反馈回路组成，其中MZI的一个输出端口通过反馈回路连接MZI的一个输入端口。

2.如权利要求1所述的光全通滤波器，其特征在于所述的马赫—曾德尔干涉仪(MZI)由两个3dB定向耦合器和连接它们的长度相差ΔL的两个波导组成。

3.如权利要求1所述的光全通滤波器，其特征在于所述的马赫—曾德尔干涉仪(MZI)由两个多模干涉仪(MMI)和连接它们的长度相差ΔL的两个波导组成。

4.如权利要求1或2或3所述的光全通滤波器，其特征在于所述构成反馈回路的全通滤波器为光延迟线，或者标准具，或者基于环谐振器的全通滤波器。

5.如权利要求4所述的光全通滤波器，其特征在于所述构成反馈回路的全通滤波器由两个级联的环谐振器和直波导组成。

6.一种光全通滤波器性能的动态调节方法，将光全通滤波器的传输函数转化成零—极点的形式，在光全通滤波器的零—极点图中，通过调整传输函数的零—极点的位置来逼近理想的频谱响应。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的方法是通过调节MZI两个波导的长度差ΔL或者耦合器的耦合率来实现。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的方法是通过改变反馈回路中由环谐振器组成的全通滤波器的参数来实现。

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