CN1815928A - 用于调制光信号的方法和光发射机 - Google Patents

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Abstract

一种用于对光信号进行调制的方法，包括以下步骤：以非归零比特信号对光信号的强度进行调制，并且以每两个、三个或更多的连续比特进行一次交替的π相移的周期相移信号来对光信号的相位进行调制。本发明还提供一种用于执行上述方法的光发射机，包括：第一调制器(2)，其以非归零比特信号对光信号的强度进行调制；以及第二调制器(3)，其以每两个、三个或更多的连续比特进行一次交替的π相移的周期相移信号来对光信号的相位进行调制。

Description

用于调制光信号的方法和光发射机
相关申请的交叉引用
本发明基于欧洲优先申请EP 05290227.7，在此通过引用的方式包含内容。
技术领域
本发明涉及一种用于对光信号进行调制的方法和用于执行这种方法的光发射机。
背景技术
现有技术中已知有若干种用于对光传输信号进行调制的方法。最著名的一种方法是图2中所示的非归零(NRZ)调制技术。在NRZ方法中，用脉冲宽度等于完整比特周期T＝1/B的脉冲来发送每个逻辑比特(逻辑“1”脉冲)，其中B是这些待发送脉冲的比特率(单位为bit/s)。
图2a示出了具有三对连续的“1”比特脉冲的16个连续比特的比特信号的典型NRZ调制光信号的强度(实线)和相位(虚线)的示图。每对脉冲的两个连续“1”脉冲之间的光信号强度保持不变并且不归零。图2b示出了图2a的NRZ光信号的光谱。
图2c示出了产生NRZ光信号的最常规的方法的示意图：激光源1生成连续波光信号(载波信号)，在后面的第一Mach-Zehnder调制器2中用比特率为B的非归零比特电信号对该连续波光信号进行调制。调制器2将该比特电信号转换为该光信号的强度调制，以便生成NRZ型的光输出信号。
图3示出了作为对光信号进行调制的一种备选的可能方法的归零(RZ)调制方法。参考图3a，在RZ方法中，两个相继的“1”脉冲之间的光信号强度回归到零。因此，脉冲宽度不再等于完整的比特周期T。图3b中所示的RZ光信号的光谱宽度宽于图2b的NRZ光信号的光谱宽度。图3c中示出了生成RZ信号的最常规的方法。首先，以图2c中示出的方法生成NRZ信号，然后将该NRZ信号输入应用了正弦电信号的第二Mach-Zehnder调制器3，由此生成具有对应于比特率B(单位为bit/s)的信息频率(单位为Hz)的NRZ信号的正弦强度调制。作为结果，将第二调制器3的NRZ输入信号转换为RZ输出信号。
大量研究已经表明，在40Gb/s的信道速率下，放弃上述常规调制技术而只依赖于强度调制是一种抑制传播损失并从而增大系统裕度的有力手段。在这些损失中，信道速率为40Gb/s时信道内的非线性效应被公认为是代价最大的。
当通过光纤链路时(具有固有色散)，给定波分复用(WDM)信道中的任何光脉冲都将变宽，并且如果该光脉冲由相邻脉冲所包围，则该光脉冲往往会与这些脉冲重叠。作为结果，将会发生与模式相关的交互作用。由于这些交互是非线性的，因此不能通过将脉冲压缩到色散补偿光纤中来完全消除这些交互作用。这些交互作用通常称为非线性的信道内效应。
当与传统的强度调制的归零(RZ)和非归零(NRZ)的格式相比时，几种调制格式已经因其卓越的抗非线性效应能力而受到赞誉。对抗信道内效应的一种基本的解决方案是抑制由于色散而引起的脉冲变宽，这种解决方案可以通过结合强度调制和相位调制来实现。
为此目的，提出了图4中所示的载波抑制归零(CSRZ)格式。在这种格式中，使RZ信号的每个比特的相位旋转π，参见图4a(虚线)。图4b中示出了这种CSRZ信号的光谱。
类似于图3c中示出的方法，在图4c中示出了用于生成CSRZ信号的传统设备。与图3c相对比，驱动该调制器的正弦信号具有二分之一的信息频率，以便同时改变来自于第一调制器2的NRZ输入信号的频率和相位。另外，第二Mach-Zehnder调制器3优选地是双路(dual-arm)调制器，但并非一定是双路调制器。在这种双路配置中，将具有对应于比特率B的频率的二分之一的同一正弦信号应用于两个支路中。尽管CSRZ方案比RZ方案更好，但是CSRZ方案不能非常有效地对抗信道内非线性效应。
另一种解决方案包括将正弦相位应用到RZ信号上，以得到线性调频的RZ(chirped RZ，CRZ)，但是CRZ会伴随超过40Gb/s WDM应用所能接受的增加的信道频谱带宽。用于减轻信道内非线性效应的又一种方法是图5所示的成对交替相位归零(PAPRZ)方法，这种方法基本上类似于CSRZ，但每两个比特进行一次π相位旋转而不是每一个比特进行一次π相位旋转，参见图5a中的相位旋转以及图5b中的光谱。图5c中示出了用于生成PAPRZ信号的传统装置。这种方案包括步骤：生成图3c中示出的RZ信号，接着由第三调制器4在每两个比特上对RZ信号进行一次相移，将频率等于四分之一信息频率B的方波时钟信号应用于该RZ信号。PAPRZ方案在对抗信道内效应方面比CSRZ有效得多，但其缺点是需要使用三个调制器2、3、4。
存在用于以更随机(与模式相关)的方式对光信号的相位进行旋转的其他方法，例如差分相移键控(DPSK)类方法，即归零DPSK或非归零DPSK(NPR-DPSK)。DPSK类调制技术的缺点是需要电预编码器、恒温Mach-Zehnder差分解码器以及均衡接收机。进行与模式相关的相移的另一种方法是所谓的相位整形二进制传输(PSBT)，这种方法的应用需要电预编码器和对RF(射频)信号链进行精细控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种特别有效地对抗非线性信道内效应的调制方法和一种执行该方法的光发射机。
这一目的通过如上所述的方法来实现，其中以非归零比特信号对光信号的强度进行调制，并且以每两个、三个或更多连续比特进行一次交替的π相移的周期相移信号来对光信号的相位进行调制。
上述所有解决方案都不能如本发明一样执行或者需要比本发明更昂贵的生成技术。本发明方法最大限度地将PAPRZ方法卓越的抗信道内效应能力与CSRZ方法的相对简便性相结合。
对本领域的普通技术人员来说显而易见的是，本发明方法的步骤的次序可以颠倒，即本发明还可以执行为：首先通过每两个比特、三个比特、......进行一次π相移来对光信号的相位进行调制，并且然后以非归零比特信号对光信号的强度进行调制。
在一种优选的变型中，相移信号每两个连续比特进行一次交替的π相移，从而生成成对交替相位非归零(PAPNRZ)光信号。PAPNRZ调制方案的特别有利之处在于，PAPNRZ生成方案的复杂度与RZ格式和CSRZ格式的复杂度相似，但是却低于PAPRZ格式的复杂度。PAPNRZ的频谱几乎与NRZ的频谱一样窄，这表明可以实现高谱密度应用(大于0.4bit/s/Hz，上限待定)。PAPNRZ光信号的波形的强度介于NRZ信号与RZ信号的强度之间。
本发明还实现于一种用于执行上述方法的光发射机中，该光发射机包括：第一调制器，用于以非归零比特信号对光信号的强度进行调制；以及第二调制器，用于以每两个、三个或更多的连续比特进行一次交替的π相移的周期相移信号来对光信号的相位进行调制。
只用两个级联的调制器即可执行这种调制。第一调制器从连续光信号中生成NRZ光信号，并且第二调制器对该信号的连续比特进行交替的π相移。该光信号可以首先通过第一调制器并且然后通过第二调制器或者反之亦然。
在一个特别优选的实施例中，第二调制器以每两连续比特进行一次交替的π相移的相移信号来对光信号的相位进行调制。以这种方式生成的PAPNRZ调制信号具有上述有利特性。
在另一个实施例中，向第一调制器馈送比特率为B的非归零比特电信号。如果包括了最常用的前向纠错(FEC)开销，则信息数据的40Gbit/s传输的比特率B为43Gbit/s。
在又一个优选的实施例中，以至少一个具有四分之一信息频率的方波相移信号为第二调制器定时。对于40Gbit/s传输，相移信号的信息频率为40GHz/4＝10GHz(不包括FEC)。
在另一个实施例中，由连续光源，特别是激光源来提供光信号。激光源生成作为载波信号的连续波光信号。
在又一个优选的实施例中，第一调制器和/或第二调制器是Mach-Zehnder类型的调制器，这是一种有利地用于高比特率应用中的类型。
在一个特别优选的实施例中，第二调制器是双路Mach-Zehnder调制器。该双路Mach-Zehnder调制器具有与单路调制器基本上相同的转移函数，但是所需的电压摆动却只有单路调制器的电压摆动的二分之一那么小(因为将电压摆动分为了两半)。在电子装置没有完善到足以提供具有优良特性的足够高的电压时，例如在目前的约40Gb/s的比特率下，双路方法是最有用的。
根据说明书和附图可以提取出更多的优点。可以根据本发明单独地或以任意组合的形式共同地使用上述特征和下述特征。所述实施例不应理解为穷尽的列举，而应理解为具有用于描述本发明的示例性特征。
附图说明
附图中示出了本发明，其中：
图1a-图1c示出了根据本发明方法的一个变型生成的成对交替相位非归零(PAPNRZ)光信号的典型的16比特强度/相位波形(图1a)和光谱(图1b)，以及根据本发明的光发射机的实施例的示意图(图1c)；
图2a-图2c示出了非归零(NRZ)光信号的模拟表示；
图3a-图3c示出了归零(RZ)光信号的模拟表示；
图4a-图4c示出了载波抑制归零(CSRZ)光信号的模拟表示；
图5a-图5c示出了成对交替相位归零(PAPRZ)光信号的模拟表示；
图6示出了随以PAPNRZ、NRZ、RZ和CSRZ调制方法生成的光信号的输入功率而变化的四条Q因子曲线。
具体实施方式
图1c示出了一个光发射机，包括激光源1，后接第一Mach-Zehnder调制器2和第二Mach-Zehnder调制器3。激光源1生成连续波光信号，在第一Mach-Zehnder调制器2中以具有对应于随后的传输线路(未示出)的比特率的比特率B＝40Gbit/s(不包括FEC)的非归零(NRZ)比特电信号对该连续波光信号的强度进行调制。第一调制器2的输出信号是图2a中示出的NRZ光信号。NRZ光信号用作第二双路Mach-Zehnder调制器3的输入。第二调制器3通过每两个连续比特对NRZ光信号进行一次交替的π相移来对该NRZ光信号的相位进行调制。在连续的比特对之间执行±π相位跳变，以使连续的比特对显示出交替的相位序列：0、π、0、π等。通过以频率等于信息频率B的四分之一(即40/4＝10GHz，不包括FEC)的时钟信号为第二Mach-Zehnder调制器3的两个支路进行定时来进行相移。因此，在第二Mach-Zehnder调制器3中生成的输出信号是成对交替相位非归零(PAPNRZ)光信号。
假定图1c的第一Mach-Zehnder调制器是无线性调频的(chirp-free)调制器。无论实际的Mach-Zehnder设计如何(单路配置或双路配置)，图1c的第二Mach-Zehnder调制器3都是具有总驱动电压2Vπ的双路调制器。当然，图1c中示出的PAPNRZ信号生成方案只是这种格式的若干可能生成方案中的一种生成方案。作为备选，还可以每三个、四个之类的连续比特执行一次π相移。
图1a和图1b示出了以上述方法生成的PAPNRZ信号的特性。PAPNRZ光信号波形的强度介于NRZ信号的强度和RZ信号的强度之间。PAPNRZ频谱几乎和NRZ频谱一样窄，这表明可以实现高谱密度应用。
在图6中将PAPNRZ方案的性能与其他方案的性能进行了比较，示出了PAPNRZ光信号、NRZ光信号、RZ光信号以及CSRZ光信号(已对预先补偿和后期补偿进行优化，线路内每跨距补偿比例＝97％)在单模光纤(SMF)上传送1500km之后所计算的Q因子(单位为dB)根据光纤输入端的功率(单位为dBm)的变化关系(噪声和非线性效应均已计入)。
可以看到，PAPNRZ信号的最佳功率比NRZ信号、RZ信号和CSRZ信号的最佳功率高大约2dB，这说明了PAPNRZ格式卓越的抗非线性效应能力。这一特征可以转换为：相对于RZ格式和CSRZ格式，Q因子裕度提高了1dB以上，并且相对于NRZ格式，Q因子裕度提高了1.5dB以上。
在每种情况下，图6中只对WDM信号的单一信道的传播进行了仿真。然而，大量研究已经表明，在40Gb/s的比特率下，可以忽略WDM的非线性串扰，这就得出一个结论，即图6的曲线可以很容易地应用于WDM环境。

Claims (9)

1.一种用于对光信号进行调制的方法，包括以下步骤：
以非归零比特信号对所述光信号的强度进行调制；以及
通过使用周期相移信号每两个、三个或更多的连续比特进行一次交替的π相移来对所述光信号的相位进行调制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过每两个连续比特进行一次交替的π相移来对所述光信号的相位进行调制。
3.一种用于对光信号进行调制的光发射机，包括：
第一调制器，其以非归零比特信号来对所述光信号的强度进行调制；以及
第二调制器，其通过使用周期相移信号每两个、三个或更多的连续比特进行一次交替的π相移来对所述光信号的相位进行调制。
4.根据权利要求3所述的发射机，其中所述第二调制器通过每两个连续比特进行一次交替的π相移来对所述光信号的相位进行调制。
5.根据权利要求3所述的发射机，其中向所述第一调制器馈送具有信息频率的非归零比特电信号。
6.根据权利要求3所述的发射机，其中以至少一个具有四分之一信息频率的方波相移信号为所述第二调制器定时。
7.根据权利要求3所述的发射机，其中由连续光源，特别是激光源提供光信号。
8.根据权利要求3所述的发射机，其中第一调制器和/或第二调制器是Mach-Zehnder类型的调制器。
9.根据权利要求8所述的发射机，其中第二调制器是双路Mach-Zehnder调制器。
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