CN1883140A - 用于高比特率传输系统的光信号再生器 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲光信号再生器设备包括在向其施加要再生的信号Si的输入端(14)与可以在该处获得再生信号Sr的输出端(15)之间以级联方式布置的三个光学级。第一级(11)包括零点上的第一噪声抑制器，用于在输入信号脉冲之间的间隔中降低噪声。第二级(12)包括反相变换器，用于将从第一级输出的信号所携带的信息传送至时钟信号(Ck)，并引入该信号的逻辑反相，用于将受到噪声影响的脉冲转换成受到噪声影响的间隔。第三级(13)包括零点上的第二噪声抑制器，用于在从第二级输出的信号脉冲之间的间隔中降低噪声。时钟信号可以是以支流比特率的输入信号，以便还获得解复用器功能。
Description
本发明涉及一种特别适合于甚高比特率光传输系统的全光信号再生器。
高比特率光传输系统的发展与由光纤的非线性、色散和偏振模式引起的信号恶化所造成的限制相冲突。因此在高比特率光系统中，光信号的串联(in-line)再生对提高传输距离来说是必需的。
对于比特率大于40G比特/秒的系统而言，由于电子设备的频带幅度不允许光电转换，因此再生必须在光域中进行。
实质上，全光脉冲再生器是一种功能块，它接收受到抖动、噪声、幅度波动和脉冲加宽影响的脉冲信号，并发送再同步的脉冲信号，该信号是整形的并且无噪声。
在文献中，利用光纤或半导体设备中的非线性效应，已经提出了许多光学再生器方案，但是它们在以高比特率进行工作时都显示出强烈的限制。在高比特率传输系统中实现信号再生所使用最多的已知方法是将来自输入信号的信息传送至在本地生成的脉冲时钟，该脉冲时钟在脉冲波形和幅度、噪声和稳定性方面的特性适于进行传输。
为了避免将信号幅度波动传送至时钟，再生器应当具有类似于理想限幅器的非线性特性。
实际上，当比特率增加时，所有能够用来实现再生器的已知非线性元件都具有严重的限制。半导体材料中的快速现象具有低的效率，而光纤中的克尔效应具有由数据信号和时钟信号的不同传播速度引起的限制。而且，为了获得具有足够效率的非线性效应，高信号峰值功率是必需的，但是峰值信号功率的增加受到所用掺铒光纤放大器(EDFA)的最大饱和功率的限制。这意味着当以甚高比特率例如160G比特/秒进行工作时，不容易达到必需的高峰值功率，而且不能够以足够高的效率来实现非线性效应。
而且，高功率信号通过非线性元件的传播受到在半导体设备的情况下所容许的最大平均光功率的限制，并且受到在光纤中出现的不期望有的非线性效应的限制。
因此，具有真正的高比特率例如160G比特/秒的信号的再生是一个非常困难的工作。
迄今为止，对于比特率仅高达40G比特/秒的信号而言，已经提出了关于全光再生的一些成功的实验结果。关于更高的比特率，迄今为止所提出的设备已经证实是非常不能令人满意的。
本发明的一般目的在于通过使得一种光学再生器可获得来消除上述缺陷，该光学再生器即使对于具有真正的甚高比特率的信号也能够产生令人满意的性能。
鉴于该目的，根据本发明寻求提供一种脉冲光信号再生器设备，该设备包括在向其施加要再生的信号Si的输入端与可以在该处获得再生信号Sr的输出端之间级联的三个光学级，其中第一级包括零点上的第一噪声抑制器，用于在输入信号脉冲之间的间隔(space)中降低噪声；第二级包括反相变换器，用于将从第一级输出的信号所携带的信息传送至时钟信号，并引入该信号的逻辑反相，用于将受到噪声影响的脉冲转换成受到噪声影响的间隔；以及第三级包括零点上的第二噪声抑制器，用于在从第二级输出的信号脉冲之间的间隔中降低噪声。
为了阐明本发明与现有技术相比的创新原理及其优点的解释，以下借助于附图、通过应用所述原理的非限制性实例来描述本发明的可能实施例。在附图中：
图1示出根据本发明的原理实现的再生器的图示，以及
图2示出图1的再生器在不同点的波形曲线图。
参考附图，图1示出一种整个用参考数字10来指示并且根据本发明实现的全光再生器设备。
再生器10通过从噪声消除功能中分离出脉冲整形功能来将再生过程分为三个不同的步骤或阶段。噪声消除再被分为信号脉冲(或“标记”)之间的间隔中的噪声消除以及脉冲上的噪声消除。
如图1中可见，为了实现所有这些，再生器10包括在向其施加要再生的信号Si的输入端14与从该处获取再生信号Sr的输出端15之间以级联方式布置的三个光学级11、12、13。
特别是，在第一级11中降低信号脉冲之间的间隔中的噪声。第二级12将由输入数据信号所携带的信息传送至时钟信号Ck，与此同时引入一个逻辑反相，该逻辑反相将受到噪声影响的脉冲转换成受到噪声影响的间隔。最后，第三级13抑制间隔上的残留噪声。
这样，消隐脉冲电平(pedestal)抑制器可以用作在第一级中零点上的噪声抑制器，波长反相变换器可以用作在第二级中的数据传送块，以及然后在最后一级中可以使用零点上的另一噪声抑制器来消除残留噪声。
该技术的优点在于，能够令人满意地处理超高比特率信号的消隐脉冲电平抑制器和全光波长变换器是现有技术中众所周知的子系统。
而且，仅仅通过使用具有支流(tributary)比特率而不是集合比特率的时钟信号，就可以容易地将所提出的方案用于实现超快速再生解复用器。这种特性能够有助于降低整个传输系统的复杂性。
为了实现在零点上的噪声抑制功能和反相数据传送功能，有利的选择是使用光纤中的非线性效应。实际上，众所周知光纤中的克尔效应是非常快的(几百飞秒)。而且，通过使用干涉仪结构确保了高效率。
在基于光纤的非线性设备当中，在这里发现称作非线性光学环路镜(NOLM)的已知光学元件非常有利于该特定应用。正如所知的，NOLM实际上由连接至光纤耦合器的输出端口的光纤环路构成。因此将输入脉冲分为具有与耦合比率成比例的不同幅度的两个脉冲。脉冲通过所述环路相对传播，并且当它们到达耦合器时重新合并。重新合并的效果取决于这两个相对传播的信号在它们的环路路径上所呈现的特性，例如相位。
特别是，通过在已知DS光纤(色散位移光纤或DSF)中使用基于自相位调制(SPM)的NOLM来实现零点上的噪声抑制器11和13。在这种结构中，用耦合器(16或17)将输入信号(用于级11的S1和用于级13的S2)分为两部分，从而所述两部分在其中由DS光纤充当非线性装置的光纤环路(18或19)中相对传播。沿着光纤的偏振控制器(PC)确保两个信号部分以平行偏振在NOLM出口处重新合并。环路中的损耗元件(20或21)打破信号的相对传播分量之间的平衡，从而每个相对传播分量根据光纤中的光功率和光纤的长度而在DS光纤中尝试不同量的SPM。
当输入光功率为低时，即接近零点电平时，DS光纤在信号两半中的每一半中均不会诱发显著的SPM。在这些条件下，信号的两个相对传播的分量以反相的方式相互作用，于是该环路的作用就像一面镜子，并且信号被完全反射回去。作为替代，当输入功率足够高时，即接近峰值时，DS光纤在信号的两个不平衡部分上诱发不同的相移，从而信号的两个相对传播的分量不会以反相的方式干扰。这有利于良好地起到消隐脉冲电平抑制器的作用，并从而获得在脉冲之间的间隔中的噪声消除。确实众所周知的是，如果所诱发相位之间的不一致在峰值脉冲处近似达到π，那么上述NOLM将能够降低甚至在脉冲上的噪声，这再次多亏了它起到强限制器作用的强烈的非线性特性。然而，为了得到这种条件，必须使用非常高的峰值脉冲功率，因为DS光纤必须保持为短的，以避免由于机械振动所造成的色散和偏振波动而引起的脉冲展宽。利用甚高比特率的脉冲信号(例如160G比特/秒)来工作，不可能达到在该脉冲的受限操作条件下所必需的功率，并且NOLM仅能够抑制间隔中的噪声。
但是由于本发明特别富有创造性的思想，所以有可能使用零点上的噪声抑制器或者消隐脉冲电平抑制器以甚至消除脉冲上的噪声，并且通过中间级12的反相功能使之成为可能。
为了实现中间级12的数据变换块，发现使用基于交叉相位调制(NOLM-XPM)的已知NOLM是有益的。甚至级12的NOLM也包括耦合器22，该耦合器22将输入信号分为两个分量，从而这两个分量在光纤环路23中彼此相对传播，其中DS光纤充当非线性装置，而沿着光纤的偏振控制器(PC)确保该信号的两个部分以平行偏振在NOLM的出口处重新合并。
该操作原理与基于SPM的NOLM的相同，但是在级12中，由以正确的方向在环路中环行的泵浦信号(pump signal)来诱发两个相对传播的信号分量之间的相位差。输入到NOLM的信号不再是待处理的信号，而是由具有适用于高比特率传输特性的适当已知源(未示出)产生的脉冲时钟Ck。来自前一级的数据信号S1充当泵浦，并且由光耦合器28引入到环路中，从而诱发时钟信号的共同传播分量上的相移。以这样的频带来选择位于级12输出端的带通滤波器27，以便仅保留以时钟激光波长的再生信号。
在DS光纤中必须精确地同步数据和时钟，以便能够在数据信号脉冲处精确地诱发相移。允许这种同步的电路是已知的，并且对于本领域技术人员而言容易想象得到。因此将不进一步示出或描述它们。
使数据传送块以反相逻辑工作，以便交换间隔和脉冲。这种条件能够通过调节环路偏振来获得，从而只有当诱发相移时，才异相地添加时钟的这两部分。
以这种方式，从级12输出的信号S2在形状上被再生，并且还适于由级13(还是消隐脉冲电平抑制器)进行处理，以便减少从脉冲转移到间隔中的残留噪声。为了使在所用的三个NOLM的输入端处具有必需的功率，每一级还包括适当的已知光放大器，分别是24、25、26，有利的是EDFA放大器。
图2示意性地示出在经过再生器的信号的质量方面的提高。如图2a中可见，输入到再生器的信号Si发生了变形，并且具有噪声分量。在经过再生器的第一级之后，将信号(S1，图2b)滤除间隔中的噪声分量(抑制低电平噪声)。在第二级12中，数据传送块将信息传送至具有逻辑反相的时钟信号，以便获得整形信号脉冲和获取净化的高电平的双重效果，而电平零点仍然是有噪的(信号S2，图2c)。最后，在第三级13中，零点上的噪声抑制器消除从脉冲移动到间隔的噪声成分，从而结束再生过程并允许获得完整再生的信号Sr(图2d)。
在根据本发明的再生器实现方案中，第一级11用一段1km长的DS光纤来实现。作为随光纤长度而增长的脉冲的不稳定性和加宽与对于更短的光纤需要更多的功率之间的折衷来选择该长度。
对于所选择的值，具有2皮秒的脉冲持续时间的160G比特/秒的信号需要近似23dBm的平均功率，以在NOLM中诱发期望的非线性效应，并且这可以容易地通过使用商用EDFA放大器来得到。
在第二级12中也将DS光纤选择为近似1km长，因为发现利用160G比特/秒信号工作的这个长度的光纤给出在一方面的不稳定性和脉冲加宽与另一方面的所需功率之间的良好折衷。诱发期望相移的数据信号的平均光功率为近似19.4dBm。如上所讨论的，利用光学放大可容易地获得在160G比特/秒给出期望效果的必需功率。
最后，在第三级13中使用1km的DS光纤，同时在160G比特/秒的平均光功率对应于近似27dBm。利用普通的EDFA放大器，即使是该数量的功率也可以毫无问题地获得。假设再生器之后的噪声统计仍然是高斯型的，那么可以在利用根据本发明的再生器进行再生之前和之后，在实验上粗略地测量这些图的品质因数。品质因数的增加证实了信号质量的改善。再生器的性能在某种程度上取决于输入条件，例如在脉冲或间隔或此二者上的高噪声。无论如何，根据本发明的再生器确保了大大改善的品质因数。例如，利用根据本发明实现的采样设备的一些实验性测试澄清，品质因数即使在最不利的使用条件下也从4.8增加到6。在更常见的条件下，该结果显示出品质因数从3.2改善到至少6.3。
即使在存在符号间干扰的情况下，根据本发明的再生器的测试也给出更加令人满意的结果。例如，使用时钟和多路复用的40G比特/秒的信号，输入和输出草图之间的比较显示出，该再生器能够以草图中的显著改善来传送信息，并且以品质因数的可观改善例如从3.2到6.1来完成符号间干扰的抑制。
即使在用作再生器解复用器的情况下，根据本发明的设备也给出更加令人满意的结果。例如，根据本发明实现的再生器解复用器设备在实验上被用来将160G比特/秒的信号在通过10km的DS光纤传播之后再生并解复用为10G比特/秒。在这种情况下，如上所述，具有支流比特率的时钟(10GHz时钟)的使用同时实现再生过程和解复用。即使使用了未相对于数据信号进行完全优化的时钟脉冲(这导致第二振荡的出现)，解复用信道的草图中的改善也证明是非常明显的，其所测量的品质因数从3.0改善到5.9。
现在很显然，通过使得一种再生器可获得已经实现了预定的目的，该再生器即使处理真正的高比特率的信号也允许在噪声降低、信号整形和抖动抑制方面的显著改善，并且具有额外的优点，即所提出的再生器还能够容易地用作具有再生的解复用器。
当然，在此处所要求的独占权的范围内，经由所述原理的非限制性实例给出了应用本发明的创新原理的实施例的以上描述。
例如，尽管发现使用基于XPM和SPM类型的NOLM的非线性元件是有益的，但是具有更高SPM和XPM效率的超快速非线性元件的可用性也可以用来降低功率需求，并且进一步改善再生和解复用器的性能。
Claims (11)
1.一种脉冲光信号再生器设备，包括在向其施加要再生的信号Si的输入端(14)与可以在该处获得再生信号Sr的输出端(15)之间以级联方式布置的三个光学级(11，12，13)，其中第一级(11)包括零点上的第一噪声抑制器，用于在输入信号脉冲之间的间隔中降低噪声；第二级(12)包括反相变换器，用于将从第一级输出的信号所携带的信息传送至时钟信号(Ck)，并引入该信号的逻辑反相，用于将受到噪声影响的脉冲转换成受到噪声影响的间隔；以及第三级(13)包括零点上的第二噪声抑制器，用于在从第二级输出的信号脉冲之间的间隔中降低噪声。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述零点上的噪声抑制器由消隐脉冲电平抑制器组成，所述消隐脉冲电平抑制器包括基于自相位调制(SPM)的NOLM设备。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述NOLM-SPM包括光纤环路(18，19)，在所述光纤环路中使进入该级的信号的两个分量相对传播，并且沿着所述光纤环路存在充当非线性装置和偏振控制器(PC)的DS光纤。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二级的反相变换器包括基于交叉相位调制(XPM)的NOLM设备。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第二级(12)的NOLM包括光纤环路(23)，在所述光纤环路中使两个时钟信号分量相对传播，并且沿着所述光纤环路存在充当非线性装置和偏振控制器(PC)的DS光纤，其中从所述第一级(11)发出的信号作为泵浦信号被馈送到光纤环路(23)中。
6.一种耦合器(22)，其将时钟信号分为两个分量，以便所述两个分量在光纤环路(23)中相对传播，在所述光纤环路中DS型光纤充当非线性装置，而沿着该光纤的偏振控制器(PC)确保所述信号的两部分以期望的偏振在NOLM出口处重新合并。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，使得由第二级的NOLM输出并送往第三级的信号通过具有一个频带的带通滤波器(27)，以便实际上仅保留在第二状态中以时钟信号波长再生的信号。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，每一级均包括EDFA放大器(24，25，26)。
9.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述DS光纤具有大约1km的长度。
10.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述DS光纤具有大约1km的长度。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述时钟信号以输入信号的支流比特率进行同步，以这样的方式以便获得输入信号的解复用功能。
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