CN1722646A - 带宽受限的频移键控调制格式 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种用于处理光信号的方法，能够体现对高比特率、长距离的光信号传输的真正改善，而且不会带来高成本。通过使用基于频率调制信号生成的新调制格式(BL－FSK)，可以达到此目的。通过用1比特延迟预编码信号(或其它差分预编码)，以和生成DPSK相似的方式，驱动电光调制器(例如，LiNbO3)，可以达到此目的。不过与用于DPSK不同，其有利地利用了电和电光器件的带宽受限性，将带宽选择为接近于比特率(B)的一半。生成一种斜坡电信号来产生FSK调制。作为这种调制的直接结果，可以获得更高的频谱效率和更低的发射机建造成本。

Description

带宽受限的频移键控调制格式
技术领域
本发明涉及一种用于处理光信号的方法，该光信号将使用具有频移键控格式的光脉冲流通过光传输线路进行传输。本发明基于优先申请EP 04291830.0，这里，将其通过参考引入本申请。
背景技术
对于长距离光信号传输，将要传输的信息调制到光载波信号上，并在光纤链路上传输。由于光纤中的色散和其它物理效应，已调光信号会产生失真，失真会限制数据速率以及信号不经过信号再生所能通过的跨度距离。
当前，正在开发所用比特率在40Gbit/s范围内，特别是42.6Gbit/s的下一代传输系统。但是，具有成本效益的43Gbit/s传输系统的开发需要关于系统性能和容忍度的调制格式的全面评估。光信噪比(OSNR)灵敏度，一阶偏振模式色散(PMD)引起的差分群时延(DGD)和剩余色度色散(CD)代价是系统设计主要关心的。
主要使用两种二进制调制方案，即强度调制，也称为幅移键控(ASK)和相位调制，也称为相移键控(PSK)，最普遍的实现是差分相移键控(DPSK)。ASK本质上是对载波信号的简单开/关调制。另一方面，DPSK是一种载波信号的相位不连续地变化的调制。数据由两个信号元素的相位差表示，而DPSK调制信号的幅度通常是固定不变的。这种DPSK方案称为不归零DPSK(NRZ-DPSK)。
频移键控(FSK)是另一种具有吸引力的调制格式。对要在色散光波导中传输的数字信号进行频率调制。由此，具有不同波长λ0和λ1的波列进入到光波导中。由于光波导的色度色散，具有较长波长λ0的光传播通过光纤链路所需的时间大于具有较短波长λ1的光所需的时间。因此，存在一个时间段Δτ，在Δτ期间，例如，波长λ0的第一波列的最后部分与波长λ1的波列的第一部分会产生重叠。该时间段Δτ称为“传播时差”，并由如下公式给出：
Δτ＝Δλ*D*L
其中
Δλ＝λ0和λ1之间的差值
D＝光波导的色度色散
L＝光纤链路的长度。
由于上述重叠，在光纤链路末端接收到一个强度调制信号。为了从这个信号中恢复数字信号，提供有结合有判决电路的积分器或低通滤波器。
通常，大多数FSK发射机由分布式反馈(DFB)激光器直接调制实现。例如，参见B.Wedding等人在ECOC’03上的“10.7Gbit/sFSK Transmission with 61dB power budget”，以及J.Zhang等人在2003年7月在IEEE Photon.Techn.Lett.，15，7上发表的名为“An optical FSK transmitter based on an integrated DFBLaser-EA modulator and its application on optical labeling”的文章，使用电吸收调制器，以补偿由直接调制激光器生成的FSK信号的有害强度调制。
在JP2000056279中，描述了用电FSK调制信号驱动马赫-曾德调制器。在发表于IEEE Photon.Techn.Lett.5，8，1993的文章“ASubcarrier-multiplexed coherent FSK system using aMach-Zehnder modulator with automatic bias control”中，也论述了“FSK”格式以及“调制器”。不过这涉及副载波复用(SCM)技术。
最近，已经提出了新的调制格式，以实现具有经济效益的43Gbit/s传输系统。除了历史悠久的ASK(幅移键控)调制格式，DPSK(差分相移键控)调制格式由于其较高的灵敏度能够延长最大传输距离(参见J.X.Cai等人(Tyco电信)在OFC’03 PD22上的“ADWDM demonstration of 3.73 Tb/s over 11000km using 373 RZ-DPSKChannels at 10Gb/s”)，已经变得很具吸引力。接下来是另一种使用BL-PSBT(带宽受限的相位整形二进制传输)调制格式寻求高频谱效率(0.8bit/s/Hz)的方法(参见G.Charlet等人在OFC’03，PD25上的“Cost-optimized 6.3Tbit/s-capacity terestrial linkover 17×100km using Phase-Shaped binary Transmission in aconventional all-EDFA SMF-based system”)。
不过，光传输系统所需要的调制格式应具有高系统性能(低接收功率上的低误比特率)、尽可能大的对CD(剩余色度色散)、PMD(偏振模式色散)的容忍度和下降的非线性恶化，以及高频谱效率(以bit/s/Hz衡量)。最后，由于电信产业的减速，所有这些要求必须首先以一种真正具有成本效益的方式来得到满足，以有机会使陆地WDM光网络的运营商乐于使用这种方法来升级其网络。
发明内容
考虑到上述原因，本发明的一个目的在于提供一种用于处理光信号的方法，能够体现对高比特率、长距离的这些光信号传输的真正改善，而且不会带来高成本。
根据本发明，通过使用一种基于频率调制信号生成的新调制格式(BL-FSK)，可实现此目的。通过用1比特延迟预编码信号(或其它差分预编码)，以和生成DPSK相似的方式，驱动电光调制器(例如LiNbO3)，可以实现此目的。不过，与用于DPSK不同，其有利地利用了电和电光器件的带宽受限性，将带宽选择为接近于比特率(B)的一半。以这种方式生成产生FSK调制的斜坡电信号。作为这种调制的直接结果，能够获得更高的频谱效率和更低的发射机建造成本。
本发明的有利发展在从属权利要求书、下列描述和附图中进行描述。
附图说明
下面参照附图进一步说明本发明示例性实施方式，其中：
图1是使用Z-切向电光马赫-曾德调制器来产生BL-FSK光数据信号的结构的示意图；
图2a，2b示出了截止带宽为40GHz(a)和20GHz(b)时，所生成的两个ASK光眼图；
图3示出了根据本发明的ASK光眼图；
图4a，4b分别示出了Δf为100GHz的NRZ BL-FSK光信号的频率调制和频谱；
图5a，5b分别示出了Δf为25GHz的NRZ BL-FSK光信号的频率调制和频谱；
图6示出了根据本发明的接收机的一种实施方式；
图7a-7d示出了根据本发明，从NRZ BL-FSK光信号得到的不同的电眼图；
图8示出了NRZ-DPSK和NRZ-BL-FSK调制格式的相对灵敏度的比较；
图9a，9b示出了从RZ 50％ BL-FSK光信号得到的电眼图；
图10示出了NRZ-DPSK、NRZ-BL-FSK和RZ50-BL-FSK调制格式的相对灵敏度的比较；
图11示出了从RZ 50％ BL-FSK光信号得到的差分眼图。
具体实施方式
本发明基于使用带宽受限的差分预编码数据信号，以驱动相位调制器(例如，推推式马赫-曾德调制器，两个电极具有相同的数据信号)。电和光电器件(调制器驱动器和调制器)的受限的电带宽产生斜坡信号，而不是阶梯数据信号。对于为比特率一半的电带宽(电带宽为B/2)，斜坡信号是最大的。这种斜坡数据信号用于调制激光器的CW发射。结果是对光载波的频率调制，使得，两个比特状态之中的一个(这里是“0”状态)具有和载波相同的频率，而另一个状态(这里是“1”状态)具有±Δf的频率偏差。可以通过改变应用于调制器的电数据信号的幅度，灵活地改变频率偏差Δf。
“0”和“1”的光谱受限于B(比特率带宽)，并且允许高频谱效率(典型地是通常的两倍)。用于“0”和“1”的不同频率允许使用平衡接收机技术，以获得高灵敏度。可以通过光马赫-曾德或窄滤波器来进行FSK/ASK转换。而且，用于“0”和“1”的不同频率允许更高的色度色散容忍度。
非常应该注意到，由于FSK调制格式的带宽受限的实现，使得可以使用指定用于20Gb/s的驱动器和电光调制器，来构造40Gb/s发射机，随之可达到成本下降。也可以使用指定用于12Gb/s的调制器(会引起灵敏度代价)。
可以用占空比为33％、50％和66％的RZ(归零)分割来实现NRZBL-FSK格式。从而，与NRZ-BL-FSK相比，RZ-BL-FSK格式能够提高灵敏度以及提高对于PMD和非线性恶化的容忍度。不用对发射机进行重大的改进，就能够实现这种RZ-BL-FSK调制，这是因为，可以使用单一马赫-曾德调制器，以和在以前阿尔卡特专利申请(EP03292707.1)中所提出的、使用单一MZ调制器实现RZ-DPSK生成相同的方式，实现RZ分割和BL-FSK数据调制。
图1示出了根据本发明的方法的实现图。差分(1比特延迟)编码器产生差分数据(例如，输入数据中有符号“1”和“0”之间转换时，给出“1”，一个符号被相同的符号跟随时，就给出“0”)。在图1的实施方式中使用了差分编码器，其具有EXOR门电路和1比特延迟反馈抽头。这样的差分编码器(或者不带反馈抽头的相似的实现)对于DPSK或PSBT发射机的实现也是必要的，而且对于BL-FSK，与DPSK或PSBT相比，这并不代表会有成本上的劣势。在图1中，插入的NRZ编码器只用于仿真，以将“逻辑”信号(“0”和“1”)转换为0V至1V之间的电信号。
相位调制器是用于实现BL-FSK发射机的基本器件。可以用多个光器件来实现这样的相位调制器，其只是一个能够完成相位调制信号的设备。对于我们的仿真，使用了Z-切向LiNbO3调制器。使用X-切向调制器的可供选择的实现将在稍后说明。CW激光器提供了光载波。高斯带宽限制器置于调制器驱动器之后，以模拟对驱动器+调制器的带宽限制。
这种新的调制格式称为带宽受限的(BL)，这是因为，驱动器+调制器的截止频率在BL-FSK光信号的生成中起了决定性的作用。对于仿真，带宽限制器的3dB截止频率设置为B/2，其中B是信号的比特率。然后，可以使用指定用于B/2比特率的调制器驱动器和调制器，以产生具有相应成本下降的B比特率信号。
为了说明本发明的基本思想，图2示出了两个40Gb/s ASK的光眼图。第一个眼图(图2a)是驱动器+调制器的带宽限制为40GHz时得到的。对于第二个眼图(图2b)，带宽限制为20GHz。可以看出，带宽的下降引起ASK眼图的恶化。
图3示出了BL-FSK调制格式的基本思想的略图。这个眼图定义在通常ASK眼图的半比特延迟，基本思想是将幅度斜率转变为产生载波频率调制的相位斜率。
描述FSK调制格式的一个重要参数是“频率偏差”Δf＝Δω/2π。也将其称为“音调间隔(tone spacing)”，代表1和0比特之间的频率间隔。它与上述的传播时差成反比。在当前BL-FSK调制格式的情况下，可以用电驱动信号幅度的变化来调谐频率调制。当然，也可以通过使用具有更宽带宽的调制器或调制器驱动器来增大频率偏差，不过这会产生不期望的更宽的光谱以及发射机成本的增加。
为了说明改变频率偏差的可能性，图4和图5示出了图1中的器件所生成的40Gb/s光信号的频率调制(以线性调频脉冲表示)和光谱，以两个频率偏差值为例：100GHz和25GHz。未示出信号的幅度，因为经过检验，信号幅度是固定不变的。
对于图4的调制信号，Δf值选为100GHz，以表示对应于“0”(中间主瓣)和“1”(两边主瓣)的频率成分。该信号的频谱是很宽的。
为了获得频谱更加紧凑的调制格式，图5表示Δf为25GHz的频率调制和频谱。这样的频谱比NRZ-DPSK调制格式的窄(对于DPSK，在-20dB时为75GHz，对于BL-FSK为70GHz)，而且在这种情况下，“0”和“1”的频率成分重叠。通过减少频率偏差还可以获得更窄的频谱。
主要用两种不同的光滤波技术完成FSK到ASK信号的转换，再由直接检波接收机进行检波。第一种技术使用无源马赫-曾德干涉仪。以这样一种方式，可以将BL-FSK调制格式看作广义的DPSK调制格式，这是因为，它使用了相同的器件：差分编码器、相位调制器和光MZ解调器，不过有更大范围内的参数可用，例如：相位调制的幅度以及相应的MZ解调器时延。然而，我们将看到，BL-FSK具有由于频移键控而不是相移键控的特定特征。
第二种FSK/ASK转换方案能够使用窄带滤波器来完成。此类接收机的实施方式的例子在图6中示出。这种解决方法的优势在于：a)它同样消除了大量光噪声，以及b)可以直接用解复用器完成这种滤波，从而不再需要其它额外的光器件。
NRZ-BL-FSK
为了举例说明BL-FSK调制格式的性能，图7a至7d示出了图4a、4b中NRZ BL-FSK信号的Δf为100GHz时所得到的电眼图。使用了这两种解调技术。在带有5ps时延(0.2比特时间)的马赫-曾德解调器以及典型PIN二极管之后可得到图7a、7b中所示的眼图。使用三个中心波长差为100GHz的高斯光滤波器可得到图7c、7d中所示的眼图。图7a、7c的眼图分别对应于MZ解调器的相消干涉和以±Δf为中心的高斯光滤波器。图7b、7d的眼图分别对应于相长干涉和以载波频率为中心的光滤波器。
可以观察出图7中各眼图质量的最小差别。为了提供对两种解调技术的性能的更加简单的比较，在图8中计算出对OSNR的BER曲线。同样也对NRZ-DPSK调制格式(MZ解复用)计算出BER曲线，以作为参考。这里使用了高斯滤波。
从图8的BER曲线可看出，对于NRZ-BL-FSK，窄滤波解调技术要稍微优于MZ解调。滤波解调不产生相长或相消干涉。相反地，其对具有±Δf频率的信号进行滤波，然后将这些信号与那些仍然具有载波频率的信号分离。
RZ-BL-FSK
可以通过分割发射信号来增强BL-FSK调制。例如，对于我们的仿真，使用了具有50％占空比的RZ分割。已经测试出，滤波解调要优于MZ。
图9a/b示出了对于用滤波解调(Δf为100GHz)的50％RZ-BL-FSK调制格式，使用三个中心波长差为100GHz的高斯滤波器进行光滤波之后，再经过PIN光电二极管得到的电眼图。图9a表示在±Δf频率上得到的信号。它们对应于使用MZ解调、作为相消干涉所得到的信号。相似地，图9b表示接近于载波频率的信号，这个信号对应于MZ解调的相长干涉。
在图10中可以看出，与NRZ-BL-FSK相比，RZ-BL-FSK的灵敏度有所改善。在这种情况下，BL-FSK和NRZ-DPSK的性能是同样好的。
平衡接收机
通过使用如图6中所示的平衡接收机，并且通过相减来自两个接收机的电信号，也可以生成差分眼图。图11示出了在经过使用三个中心波长差为100GHz的高斯滤波器进行高斯滤波，并使用两个PIN光电二极管的平衡检波器之后，所得到的RZ50％BL-FSK光信号(ΔF为100GHz)的差分眼图。使用平衡接收机，BL-FSK调制的灵敏度能够取得OSNR的3dB的增益，与DPSK情况下一样。
还要提到的是，由于BL-FSK调制格式所提供的灵活性和很多其它可能性，需要对很多参数进行优化，以达到这种调制格式的最佳性能。而且，可以通过对这种调制格式的频率偏差进行连续的变化来达到关于灵敏度或频谱紧凑性或这两者之间的特定比值的不同优化。
这种新的BL-FSK调制格式可以实现：可以使用指定用于较低比特率传输的电器件和电光器件获得较高的比特率(成本下降)，更高频谱效率(更高的bit/s/Hz值)，增强了对CD(剩余色度色散)、PMD(偏振模式色散)和非线性传输恶化的容忍度，以及由平衡检波所带来的更好的接收机性能(在低接收功率上更低的误比特率)。

Claims (4)

1.一种用于处理光信号的方法，该光信号将使用具有频移键控格式的光脉冲流通过光传输线路进行传输，其中该方法使用受限的带宽为比特率一半的光调制器生成该格式，用于驱动光载波信号的相位。
2.根据权利要求1所述的用于处理光信号的方法，其中用电滤波器或者电和光电器件的固有截止频率来限定该受限的带宽。
3.根据权利要求1或2所述的用于处理光信号的方法，其中使用相位调制器作为光调制器。
4.根据权利要求1所述的用于处理光信号的方法，其中在接收机端提取在载波频率的光信号的两种比特状态中的一种，以及在频率偏差或音调间隔的另一种状态。
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