CN1871797B - 光电压控制振荡器和使用该光电压控制振荡器的光锁相环 - Google Patents

Abstract

一种光锁相环(1)，包括：光相位检测器(2)，其接收作为输入的要被锁定的光信号(符号I)和已被锁定的光信号(符号II)，并提供作为输出的电误差信号(V_PD)，其指示在要被锁定的光信号(符号I)和已被锁定的光信号(符号II)的之间的相移；电子环路滤波器(3)，接收电误差信号(V_PD)并输出已滤波的电误差信号(V_PDF)，和光电压控制的振荡器(4)，其接收作为输入的已滤波的电误差信号(V_PDF)并输出已被锁定的光信号(符号II)。该光电压控制的振荡器(4)包括电压控制的电子振荡器(8)，其接收作为输入的已滤波的电误差信号(V_PDF)并输出调制电信号(V_EVCO)，和外腔半导体激光源(9)以提供光载波(S_OC)，和Mach-Zehnder光振幅调制器(10)接收作为输入的光载波(S_OC)和调制电信号(V_EVCO)并输出已被锁定的光信号(符号II)，其通过使用调制电信号(V_EVCO)对光载波(S_OC)进行振幅调制而获得。

Description

光电压控制振荡器和使用该光电压控制振荡器的光锁相环

技术领域

本发明涉及一种用于光锁相环的光电压控制振荡器。

背景技术

光锁相环(OPLL)是光通信系统中的频率合成和相干解调中使用的光学设备，用于本地地产生光信号，该光信号的频率和相位跟踪输入光信号的频率和相位。

具体地，OPLL主要由光相位检测器、电子环路滤波器、光电压控制振荡器(OVCO)构成。

具体地，相位检测器接收作为输入的要被锁定的光信号和由OVCO提供的已锁定光信号(即，其频率和相位已经被“锁定”到输入光信号的频率和相位)，并输出电误差信号，该电误差信号指示输入光信号之间存在的相位差。

相位检测器2产生的电误差信号被发送到环路滤波器，该环路滤波器具有低通传输函数并输出已滤波的电误差信号以便输入到OVCO，该OVCO输出上述的已锁定光信号，该光信号的瞬时频率随着滤波电信号的振幅成比例的变化。

OVCO通常通过使用固态可调谐激光器或直接可调制的半导体激光器制成，尽管其在过去的使用中具有以下缺点：其对其插入的OPLL的使用上具有可观的影响。

具体地，虽然它们由于固态激光器的减小的线宽而在频谱效率和功能性方面具有不可怀疑的力量(对非线性影响的不灵敏性)，使用基于固态激光器的OPLL的OVCO是仍然很难应用到光通信系统中，因为很难发现在ITU(国际电信联盟)设置的频率格栅中运行的固态激光器，它们体积大且笨重，它们需要许多功率来运行，并且比使用基于半导体激光器OVCO的OPLL更贵。

然而，虽然后者比使用基于固态激光器的OVCO的OPLL具有少的多的花费，但是它们需要使用分布式反馈(DFB)技术，其又需要使用宽带反馈电子电路，这是因为直接控制的半导体激光器的可观的线宽以及由于这些设备的非理想操作带来的非常高的注入电流。

对不断更高数据传输速度的持续市场需求将引起高频谱效率和对OPLL的非线性效应的不灵敏性，使其成为下一代光通信系统的关键因素。

如果观察当前传输系统中正在进行的发展，明显的就是：基于“非归零”(NRZ)或“归零”(RZ)格式的标准强度调制和直接检测(IM-DD)传输系统在频谱效率和对非线性效应的不灵敏性方面已经非常接近其理论极限。

因此，为了增强光通信系统的性能，目前所能使用的唯一解决方法就是在传输系统的结构中的显著变化，例如在传输中使用相位、频率、振幅调制和以上任何组合，例如PSK(相移键控)，FSK(频移键控)，QAM(正交幅度调制)等等，以及在接收中使用相干零差检测。

例如，具有零差相干检测的二进制PSK传输系统具有的敏感度比具有NRZ格式的标准IM-DD传输系统要好3.5dB.该优势可以用来将每个传输信道所需的平均传输光功率减少大概3.5dB.因此在峰值功率方面，获得大约6.5dB的减小，这急剧减小了光纤非线性效应，即性能下降的根源.

作为另一个例子，4-PSK传输系统的频谱占用相对于具有NRZ格式的标准二进制传输系统来说被减半了。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于OPLL的OVCO，其允许至少部分地克服上述传统OPLL的缺点。

根据本发明的第一方面，提供一种光电压控制振荡器，其特征在于包括：电控制的电子振荡装置，其具有接收电控制信号的输入端和提供调制电信号的输出端，该调制电信号的频率与所述电驱动信号相关；激光源，提供光载波；光振幅调制器装置，具有接收所述光载波的光输入端和接收所述调制电信号的电输入端和提供通过使用所述调制电信号对所述光载波进行振幅调制所获得的已调制光信号的光输出端。

根据本发明的第二方面，提供一种光锁相环，包括：光相位检测器装置，其具有接收要被锁定的光信号的第一光输入端和接收已被锁定的光信号的第二光输入端，和提供电误差信号的电输出端，该电误差信号指示在要被锁定的光信号和已被锁定的光信号之间的相位差；光电压控制振荡器，其具有接收与所述电误差信号相关的电驱动信号的电输入端和提供已锁定光信号的光输出端；其特征在于所述光电压控制振荡器是根据本发明的第一方面的光电压控制振荡器。

附图说明

为了更好的理解本发明，仅仅通过非限制性的实例并参考附图，现在将介绍其优选实施例，其中附图显示了根据本发明的光锁相环的框图。

具体实施方式

具体地，在附图1中，参考标记1在整个说明书中表示根据本发明的OPLL，其主要包括光相位检测器2，电子环路滤波器3，OVCO4和光偏振控制器5。

光相位检测器2包括光耦合器6，接收作为输入的要被锁定的光信号

和OVCO 4提供的已被锁定的光信号并输出耦合光信号

具体地，为了简便起见，假设正在单色信号上工作，由以下公式表示：

其中：

S₁，S₂：是电磁场

和的振幅

ω₁，ω₂：是

和的光角频率

是和

的光相位

是

和

的光偏振

光耦合器6输出的耦合光信号

可以由下面一般的表达式表示：

其中

${{\hat{s}}_1}^{\′}={\hat{s}}_1\·M_1$

${{\hat{s}}_2}^{\′}={\hat{s}}_2\·M_2$

其中：

k₁，k₂是由光耦合器引入的电磁场

和振幅的衰减因子，

是光耦合器引入的相移，

是在光耦合器输出端的和

的光偏振，

M₁，M₂：是在

和上的偏振旋转矩阵(2×2)，以说明耦合器6的偏振效应

光耦合器6的一个实例可以由理想的3dB耦合器表示，其中：

$k_1=k_2=1/\sqrt{2},$ $M_1=M_2=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$

除了标准的2×1或2×2光耦合器，另一个光耦合器6的例子可以由理想90°混合耦合器表示，其是具有两个光输出的2×2光设备，分别提供了由以下一般表达式表示的光信号和光信号

其中：

$k_{1\_\mathrm{out}1}=k_{2\_\mathrm{out}1}=1/\sqrt{2},$

$M_{1\_\mathrm{out}1}=M_{2\_\mathrm{out}1}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$

$k_{1\_\mathrm{out}2}=k_{2\_\mathrm{out}2}=1/\sqrt{2},$

$M_{1\_\mathrm{out}2}=M_{2\_\mathrm{out}2}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$

并且其中：

k_{1_out1}，k_{2_out1}：是由光耦合器在第一输出端引入的电磁场

和的振幅的衰减因子，

k_{1_out2}，k_{2_out2}：是由光耦合器在第二输出端引入的电磁场和

的振幅的衰减因子，

是由光耦合器在第一输出端引入的相移，

是由光耦合器在第二输出端引入的相移，

是在光耦合器的第一输出端的

和的光偏振，

是在光耦合器的第二输出端的

和

的光偏振，

M_{1_out1}，M_{2_out1}：是在光耦合器的第一输出端的和

的光偏振的旋转矩阵(2×2)，以及

M_{1_out2}，M_{2_out2}：是在光耦合器的第二输出端的

和

的光偏振的旋转矩阵(2×2)。

相位检测器2还包括光检测器7，接收作为输入的由光耦合器6产生的耦合光信号并输出电压误差信号V_PD，电压误差信号V_PD指示要被锁定的光信号和已被锁定的光信号

之间存在的相位差。

电误差信号然后作为输入提供到电子环路滤波器3(其是在电子锁相环中一般使用的那种低通滤波器)，并输出滤波的电误差信号V_PDF。

该滤波的电误差信号V_PDF然后作为输入提供到OVCO 4，其输出上述的已锁定光信号

其频率随着已滤波电误差信号V_PDF的振幅成比例的变化。

偏振控制器5被放置在光耦合器6的输入端，在那里要被锁定的光信号被接收，并且以公知的方式(在这里不再详述)修改要被锁定的光信号的光偏振，这样要被锁定的光信号和已被锁定的光信号在光检测器7的输入端互相平行。

根据本发明的一个方面，OVCO 4主要包括电压控制的振荡器8(EVCO)，连续波激光源9，和Mach-Zehnder光振幅调制器10。

EVCO 8是振荡器，该振荡器的自由振荡频率在设计阶段是可定义的，该振荡器的输出由正弦信号构成，该正弦信号的频率相对于自由振荡频率的偏移与在其输入端提供的电信号的振幅成比例。在特殊情况下，EVCO 8接收了由电子环路滤波器3提供的作为输入的已滤波电误差信号V_PDF，并输出调制电信号E_EVCO，该电信号E_EVCO由正弦电压构成，该正弦电压的频率是已滤波电误差信号V_PDF的振幅的函数。

连续波激光源9是由外腔半导体激光源组成，该外腔半导体激光源在市场上是常见的并且使用通常用于DWDM应用的DFB技术构建，并产生光载波S_OC，即，几乎是单色光信号，其具有“几乎理想的”正弦轮廓的光电磁场，和可调的光频率。

Mach-Zehnder光调制器10在光输入端接收由激光源9产生的光载波S_OC，并且在电输入端接收EVCO 8产生的(正弦的)调制电信号V_EVCO(其可以由用于光调制器的驱动器放大)，并在光输出端提供上述的已锁定光信号

，其相位和频率是EVCO 8产生的调制电信号V_EVCO的函数，原因下面将会介绍。

OPLL 1的操作将在下面介绍，从OVCO 4的操作开始，并认为满足以下OVCO 4本身的操作条件：

a)Mach-Zehnder调制器10的休息(即缺乏调制信号)时的工作点被放置在调制器的电光传输函数F(v)(定义为输出光功率和输入施加电压的比率)的其中一个最小值，该函数是已知的，其理想地具有作为施加电压V的函数的平方余弦周期轮廓，该施加电压在最大值和最小值(通常接近0)之间是可变的；正如以下将变得更明显的，由于EVCO 8输出的正弦调制信号(子载波光锁相环-SC-OPLL)，允许OVCO 4在所谓的抑制载波和子载波产生模式中运行；

b)Mach-Zehnder调制器10的消光比ER应该是足够的高(例如ER＞15dB)；所述消光比ER定义如下：

$\mathrm{ER}=10\mathrm{lo}{g}_{10}\frac{\max \left[F\left(V\right)\right]}{\min \left[F\left(V\right)\right]}$

c)提供给Mach-Zehnder调制器10的调制电信号V_EVCO的振幅不大于电压Vπ，该电压Vπ定义为调制器本身的电光传输函数F(V)的最大点和最小点之间在Mach-Zehnder调制器的施加电压V的差值。

将激光源9产生的光载波S_OC的光频率设计为F_LASER，将EVCO 8产生的调制电信号V_EVCO的电频率设计为F_EVCO，那么Mach-Zehnder调制器10的输出信号的功率谱包括：

-在频率F_LASER-F_EVCO和F_LASER+F_EVCO(子载波)处的两个主要谱线。

-在频率F_LASER的伪谱线，相对于两个主要谱线衰减主要由调制器的消光比确定的因子。

-在频率F_LASER-n F_EVCO和F_LASER+n F_EVCO处的另外的伪谱线，其中n是大于1的整数。

这样，在Mach-Zehnder调制器10的输出端，获得了具有主要谱线(子载波)的光信号，该谱线的光频率和相位与EVCO 8的电驱动信号成比例，据此就有了上述的具有抑制载波和子载波产生的光电压控制振荡器的名字。

基于上面的描述，很明显本发明允许使用在市场上通常能获得的组件来获得具有与通过使用可调谐固态或半导体激光器产生的传统OVCO相同的功能的OVCO 4。OVCO 4提供的光信号

具有由两个主要谱线(子载波)构成的光谱，其频率和相位由输入到OVCO 4的已滤波电误差信号V_PDF直接控制，该输入与EVCO 8的输入一致。

OPLL 1的整个操作完全替代地等于使用利用可调谐固态或半导体激光器获得的传统OVCO获得的传统OPLL的操作。

假设光信号

的两个主要谱线的其中一条(以下为了简便起见，称其为锁定线)被选择(即，通过使用光滤波器)，那么相位检测器2所提供的光信号的相位和光信号的锁定线的相位之间的差值表示了误差信号，该误差信号用来控制EVCO 8，EVCO 8输出了其频率与该误差信号成比例的正弦电压V_EVCO。

因此，由于光信号的锁定线的相位对应于Mach-Zehnder调制器10输出的光功率谱中的两个主要谱线之一的相位的这样的事实，并且由于后者是EVCO 8输出的正弦信号V_EVCO的频率F_EVCO的函数，因此OPLL 1的操作状态将以这样的方式发展：抵消在光信号和光信号的锁定线之间存在的相位误差。

假设将Mach-Zehnder调制器10输出的光功率谱中的第二主要谱线(F_LASER+F_EVCO)用作锁定线，并且使用EVCO 8，而在EVCO 8中的正弦输出电压频率与在其输入提供的控制信号成比例，那么如果光信号

的频率(或相位)趋于增加，那么光信号

的频率(或相位)和光信号的锁定线(F_LASER+F_EVCO)的频率(或相位)之间的差值也趋于增加，因此EVCO 8的控制信号的振幅也趋于增加，从而引起EVCO8输出的正弦电压V_EVCO中的频率F_EVCO的增加，从而与光信号的频率(或相位)和光信号的锁定线(F_LASER+F_EVCO)的频率(或相位)之间的差值的增加形成对比。

显然，如果锁定线是Mach-Zehnder调制器10的输出功率谱中的第一主要谱线(F_LASER-F_EVCO)，情况也相似。

根据本发明的另一个方面，选择Mach-Zehnder调制器10的输出功率谱的两个主要谱线的哪一个作为锁定线可以通过调整由外腔半导体激光器9提供的光载波S_OC的光频率F_LASER来作出，使得锁定线的频率尽可能地接近光信号

的频率F_INPUT，即在OPLL 1的锁定频带之内。

假设在将Mach-Zehnder调制器10产生的光信号和光信号耦合之后(即组合在频率F_LASER，F_LASER-n F_EVCO和F_LASER+N F_EVCO(n≥1)处的谱线)，频率F_LASER接近Mach-Zehnder调制器10的输出功率谱的第二主要谱线的频率F_LASER+F_EVCO，那么由光检测引入的在光信号

的频率(即F_INPUT)和光信号的频谱的3个主要频率(即F_LASER，F_LASER-F_EVCO和F_LASER+F_EVCO)之间差动(beat)，将产生一系列在不同频率上的谱线，其中具有基带谱线(如果OPLL 1被锁定的话，正好在0Hz)和位于频率±n＊F_EVCO处的其他伪谱线。通过合适地设计电子环路滤波器3，这些伪谱线将由于它的滤波也可能由于光检测器7引入的滤波而被消除。

因此在电子环路滤波器3引入的滤波之后，在基带中只保留被选作为锁定线的主要谱线和要被锁定的信号之间的差动；该差动表示用来驱动EVCO 8的已滤波电误差信号V_PDF。

根据本发明的SC-OPLL的主要优点如下：

·外部光调制器和EVCO的使用允许获得在光频率合成上非常高的精确性，即其仅由EVCO的特征限制。当前，商用EVCO甚至具有非常高的频率(50-60GHz)和相对宽的可调谐范围(几个GHz)。上述的替换方案(具有固态或半导体激光器的EVCO)在控制直接调制的半导体的偏置电流方面却需要非常精确，这很难获得。

·所建议的OVCO配置能够获得接近理想的频率转化，其作为施加电压的函数的线性仅仅被EVCO的线性限制，而不是由使用的光学组件限制。另一个优点是由于该频率转化不再被任何伪振幅调制所影响，这是因为EVCO的输出信号，其振幅在整个操作范围上都是固定不变的。在基于半导体激光器的直接控制的其他方案中，频率转化总是伴随着伪振幅调制，其必须被专用电子或光学电路补偿。

·所提出的基于EVCO和外部光学调制器的SC-OPLL的设计(其组合等价于OVCO)，可以通过利用在电子PLL方面已知的和长期开发的理论来作出；而其他解决方案则需要基于要被使用的直接调制的激光器的特性的专门设计。

·用作本地振荡器的激光器不被调制(连续波，CW )，因此可以使用外腔半导体激光器，其在波长上可以缓慢调谐。该解决方案提供的优点在于：由于OVCO而在有限的频率范围内具有快速可调性，并且由于在每个商用可调谐激光器上可用的参数的直接控制而在宽范围的波长上具有缓慢的可调谐性。而相比之下，其他方案则特别需要开发非商用激光源。

最后，显然这里所述的SC-OPLL和OVCO可以进行修改和改变，而不背离本发明的范围，如附加权利要求所定义的。

例如，操作条件，即在Mach-Zehnder调制器10的体息时的操作点应该在电光传输函数F(V)的最小值的条件，对于OVCO 4的正确运行来说并不是严格要求的。如果所述的条件不满足，因此在Mach-Zehnder调制器10的休息时的操作点不在调制器的电光传输函数的最小值上，那么Mach-Zehnder调制器10的输出信号的功率谱将包括在频率F_LASER上的谱线，其振幅将相对于所关心的两个谱线(子载波)来说不能忽略；然而，无论如何，该谱线将在电子环路滤波器3所执行的滤波操作中被消除，也可能被光检测器7消除.

此外，偏振控制器5(通过其，要被锁定的以及已经被锁定的光信号的光偏振在光检测器7的输入端保持平行)，不需要被放置在光耦合器6的输入端(在该输入端输入的是要被锁定的光信号)，而是可以放置在OPLL 1的任何点，从而在任何情况下，其可以操作来保持在光检测器7的输入端的要被锁定的以及已经被锁定的光信号的光偏振的平行，例如在光调制器10的输出端。

此外，光调制器不必是Mach-Zehnder调制器，而可以使用任何其他类型的光振幅调制器。

最后，因为EVCO 8的输出信号的频率越大，那么光振幅调制器10的输出功率谱的谱线的频率间隔就越大，光检测引入的差动的频率间隔就越大，OVCO 4的性能就越好，所以可通过将EVCO 8本身的自由振荡频率向更高频率转化来获得EVCO 8的输出信号的更高频率。

可以以使用具有比EVCO 8的自由振荡频率高的多的频率的本地振荡器非常简单的方法获得该转化。具体地，通过例如使用简单放大器，使具有自由振荡频率F_FO的EVCO 8的输出信号和具有频率F_LO的本地振荡器的输出信号之间互相差动，该差动将分别在频率F_LO-F_FO和F_LO+F_FO处创建两个谱线。然后通过合适的带通滤波器滤除较低频率线，将获得比EVCO 8具有更高频率的电信号，该信号然后可以作为输入被提供到光振幅调制器以便调制由外腔半导体激光器提供的光载波。

此外，EVCO 8可以是不同于上述类型的类型，具体地，除了电压控制的电子振荡器，其也可以是电流控制的电子振荡器。因此在后一情况中，OVCO 4将相似地成为电流控制的光振荡器。

最后，激光源9和光调制器10可以是两个分离的设备也可以是单个光设备的一部分。

Claims (11)

1.一种光电压控制振荡器，其特征在于包括：

-电控制的电子振荡装置(8)，其具有接收电驱动信号(V_PDF)的输入端和提供调制电信号(V_EVCO)的输出端，该调制电信号(V_EVCO)的频率(F_EVCO)与所述电驱动信号(V_PDF)相关；

-激光源(9)，提供光载波(S_OC)；

-光振幅调制器装置(10)，具有接收所述光载波(S_OC)的光输入端和接收所述调制电信号(V_EVCO)的电输入端以及提供通过使用所述调制电信号(V_EVCO)对所述光载波(S_OC)进行振幅调制所获得的已调制光信号

的光输出端。

2.如权利要求1所述的光电压控制振荡器，其中所述光振幅调制器装置是Mach-Zehnder光振幅调制器(10)。

3.如权利要求2所述的光电压控制振荡器，其中所述Mach-Zehnder调制器(10)的休息时的操作点位于该Mach-Zehnder调制器(10)本身的电光传输函数的最小值。

4.如权利要求1-3中任一项所述的光电压控制振荡器，其中所述激光源(9)是连续波激光源。

5.如权利要求1所述的光电压控制振荡器，其中所述激光源(9)是外腔半导体激光器。

6.如权利要求1所述的光电压控制振荡器，其中所述已调制光信号

具有功率谱，该功率谱包含在分别与所述光载波(S_OC)的光频率(E_LASER)和所述调制电信号(V_EVCO)的电频率(F_EVCO)的差值和总和相关的频率上的第一子载波和第二子载波。

7.一种光锁相环(1)，包括：

-光相位检测器装置(2)，其具有接收要被锁定的光信号

的第一光输入端和接收已被锁定的光信号

的第二光输入端，和提供电误差信号(V_PD)的电输出端，该电误差信号(V_PD)指示在要被锁定的光信号

和已被锁定的光信号

之间的相位差；

-光电压控制振荡器，其具有接收与所述电误差信号(V_PD)相关的电驱动信号(V_PDF)的电输入端和提供已锁定光信号的光输出端；其特征在于所述光电压控制振荡器是如权利要求1-7中任一项所述的光电压控制振荡器。

8.如权利要求7所述的光锁相环，其中所述光相位检测器装置(2)包括：

-光耦合器装置(6)，具有接收要被锁定的光信号

的第一光输入端和接收所述已被锁定的光信号

的第二光输入端，和提供耦合光信号的光输出端，以及

-光检测器(7)，接收所述耦合先信号并提供所述电误差信号(V_PD)。

9.如权利要求8所述的光锁相环，其中所述光耦合器装置(6)包括3dB的耦合器。

10.如权利要求8所述的光锁相环，其中所述光耦合器装置(6)包括混合90°光耦合器。

11.如权利要求7到10中任何一个所述的光锁相环，还包括：

-环路电子滤波装置(3)，插入在所述光相位检测器装置(2)和所述光电压控制振荡器之间。

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