TW406492B - High channel density wavelength division multiplex (WDM) optical transmission system with negligible four-wave mixing (FWM) penalty - Google Patents

Description

經濟部中央標準局員工消費合作社印架 A7 _406492 B7_ 五、發明説明（1 ) 發明範圍 本發明係有關於光傳輸系統。更明確地，本發明係有關 於一雷射源與一光纖的組合，當同時降低混合雜JL的..四汰 長時，其在通道之間允許有較小的浊長間隔。 發明背景 波長劃分多工（wavelength division multiplex, WDM)網路 提供高容量和便利廣泛多樣的結構。然而，有限的系統光 頻帶和頻散（dispersion )效果限制傳遞資料的整體波道數， 而且在波道之間會有較小波長的間隔。不幸地，因為一光 傳輸系統的光傳輸光纖具有一非線性折射率的四波混合 (four-wave mixing, FWM)補贖代價（penalty)，而此四波混 合（FWM )補贖代價也可當作是四光子混合補贖代價。當在 一 WDM網路上介於波道之間的波長間隔較小時，結合鄰波 道的FWM嚴重補贖代價便會相對地增加。此效果限制了允 許傳遞資料波道的波長間隔，因而在一 WDM網路上也限制 了允許波道的數目。 當兩.或更多的光波建立一波動頻率，而其振靈會調變光 纖的折射率。此製程會在鄰波道上產生如雜訊或叉避變產 品（intermodulatjjou products, 的參-波。一光纖的雜訊 率及相位匹。 數個方法已提議用來減少或降低結合相近波道的FWM雜 -4- 本紙乐尺度適用中國國家標準（CMS ) A4規格（210X297公釐） I 訂 \v^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印笨 406492 37 五、發明説明（2 ) 訊。舉例來說，有關於FWM雜訊振幅的相位匹配可藉由使 用一高頻散光纖而降低（舉例來說，已知的51?商用光纖 雖然在一光纖中的高頻散會増加额外的補贖代價，如長距 離上的脈衝失真。 另一方式是，因為FWM笔功率函 數，建議降低每一波道的訊號功率或場振幅。因為由波 i、j、和k ( Pijk )所產的IMP功率是與個別元件功率PiPjPk的 產品成比例，FWM雜訊可藉由減少場振幅而大大地降低。 然而，每一波道的訊號功率，只能減少到如系統訊號雜訊 比（signal-to-noise ratio’SNR)限制所要求的某一最小位準； 如果每一波道巧訊號功率降到低於最小的位準時，與雜訊 功率相比較的訊號功率便無法維持一可接受的最低位元錯 誤率（bit error rate，BER )。對於以"不回到零（n〇n_return_t〇_ zero, NRZ ) ”訊號調變傳統光纖系統和光放大作用而言，每 一波道的訊號功率典型上是無法低到避免掉低波道間距的 FWM補贖代價。因此，傳統的光纖系統藉由增加在波道之 間的波長間隔來避免FWM雜訊。 上述的設計修改全部皆有相同的缺點：當一系統參數調 整為降低FWM雜訊時’其他的系統參孝;會受到補贖代價， 而瓦避免波道和降低FWM雜訊之間同時縮減波長的間隔。 因此，目前的設計技術限制在波道之間的可允許的最小波 長間隔" 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公赛） I I 裝 n 訂 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 406492a7 B7 五、發明説明（） 發明概述 本發明係當在低頻散傳輸光纖中的波道之間允許有非常 小的波長間隔時，要能降低或除去FWM雜訊。本發明係結 合一尖銳的WDM光源與一特殊光纖頻散映射，其可避免通 道相互間的重疊$降低傳輸期間的p波混合雜訊。此設計 可能使一 WDM網路具有可各略WM補贖..代價H甚至在 非常鄰近的間隔通道。 本發明包含一雷射傳送系統、一傳輸光纖、及—補償光 纖。雷射傳送系統在一波長範圍上循序地以時間和波長為 單位而產生鄰波道的"返回到零（return_t〇_zer〇，RZ)'，訊號 脈衝。傳輸光纖係連接至雷射傳送系統，且有一已知的頻 散。補償光纖係連接到傳輸光纖，且有一相反於傳輸光纖 頻散的一不同已知的頻散符號（sign)。補償光纖的補償範 、圍和補償光纖所連接點的傳輸光纖的長度是基於雷射傳送 系統最低波長和雷射傳送系統最高波長之間的一延遲。 本發明包括一連串重複的傳輸光纖和補償光纖，其每一 補償光纖會經由訊號脈衝的行進而週期性地補償早先的傳 輸光纖。 圖示之簡單說明 圖1係根據本發明的一具體實施例而描述一光纖傳輸系 統。 圖2 A和2 B係根據本發明的一具體實施例而描述雷射發 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（uox^7公楚） I 訂 -(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 406492 at -------B7___ 五、發明説明（4 ) ~~'〜--

射器的輸出特性P 圖3係描述一雷射源的建構其會循序以時間和波長為 單位產生鄰波道的返回到零（RZ )訊號脈衝。 圖4係根據本發明的一具體實施例而描述一模式鎖定泰 射的輸出。 β 圖5係描述在一光纖具D * s總頻散之後的波道脈衝的暫 特性。 圖6係描述在一光纖具有2 D、總頻散之後的波道脈衝的 暫時特性。 圖7係描述在一光纖具有至少3 D * s總頻散之後的波道脈 衝的暫時特性。 圖示之詳細銳明 圖1係描述一光纖傳輸系統丨00。舉例來說，光纖傳輸系 統100可在海洋底下配置。光纖傳輸系統丨〇〇會經由一連串 的光纖120和補償光纖130而從一左側終端機1 1 〇傳送波長 劃分多工（WDM )訊號。另一組WDM訊號可從右侧終端機 1 10同時傳送至左侧終端機11 〇。為了方便，下列所要討論 的只會考慮要從右侧終端機11 〇傳送至左侧終端機Η 〇的訊 號’其所要討論也相同適用於訊號從右侧傳送到左側。要 注意的是，光纖傳輸系統100包括其他的裝置，如中繼 器、光搞合器、系_雷射、光放大器等，其並未在圖12顯示 出。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ------：--裝^__一--- -丨訂----„- — — - k (請先閱讀背面之注意事項再嗔跨本頁) 406492 A7 B7 5 五、發明说明（ 終端機"〇包括發射WDM訊號的一雷射發射器，以致於 會插序地以時間和波長為單位而產生鄰波道返回到零（RZ) 訊號脈衝。圖2A和2时、福述本發明所需的終端機11〇之雷 射發射器的輸出特性。圖2A係顯示猶序以時間和波長為： 位而在脈衝之間有固定的間陪祛^ ^ J间^時間所產生RZ訊號脈衝的 輸出脈衝列；圖2B係顯示輸出波長是以重覆i/Bl週期的 時間函數而改變’其中的1是每波道想要的位元率。圖 2B係用以描述波道相對的暫時特性，且並不打算顯示如在 波道上的S回到零格式或實際資料的詳細&容。雖然並未 在圖2B中顯示’脈衝週期能以一間隔時間分開。如在圖 2A中所述，每-波道有位元率。雖然並未在圖 2B中敘述，λη在時間上可先出現且在波長上高於入丨或 另一種情況為λι在時間上可先出現且在波長上高於、。要 注意的是’任何可能的發射器建構數目或發射器建構的組 合能產生在圖2Α和圖2Β中所顯示的暫時和波長特性。此 外，延些個別的波長波道可以是連績的波長脈衝或不連績 的波長脈衝。雖然下列各項討論時常所參考的暫時特性並 未在圖2Β中顯示，而下列各項討論也相等適用於具一不連 績波長腺衝的系統。 圖3係描述可包括在終端機11〇中雷射源的一具體實 知例圖3係顯示尖銳脈衝（chirped pulse ) WDM ( CP-WDM ) 發射器的一特殊製作例，其會形成循序地以時間和波長為 本紙乐尺度適用家標準「CNS) A4規格（21Gx^^ 裝-----^--訂---^--.I- W (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 經濟部中央標準局負工消资合作，杜印製 406492 a7 _______B7_ 五、發明説明（6 ) 單位所產生的鄰波道RZ訊號脈衝。模式鎖定雷射21〇會發 射如圖4所示的脈衝，其具有相對於每一波道bl所需位元 率的一重覆率。波長範圍係相對於可用的雷射頻帶，加上 任何使光譜平坦的濾波處理，及刪除尾端訊號或不想要的 光譜成分。包含在雷射頻帶（bandwidth，BW)内的所有頻率 成分會同時發射。脈衝然後藉由使用插入D*s[ps/nm]總頻 散的尖銳頻散光纖220而在時間上予以變寬《尖銳脈衝然 後會以RMk(BL)的一 RM而藉由高速rz調變器230予以調 變（所需波道的數目）^ 資料處理器2 4 0會將所有波道上的時間多工調變資料傳 送至劃時多工器（time division multiplexer，TDM) 2 5 0。 TDM 250然後會驅動高速112調變器23〇 ,其會從尖銳脈 衝產生波長波道，並也基於資料而執行個別的波道調變。 因此，光源的輸出是在Rm的—序列Rz位元，其每—連續 位兀是由不同的波長範圍（即是不同的波道）所定義，而且 波道順序會以每波道所需要的速率而會重複出現。Κη〇χ d al.於1996年6月1 1日所核准的美國專利案號'κι〗”中係 纣論著雷射源200的建構，而在此列出僅供參考。能接收 到傳輸的左侧終端機丨丨〇可利用一光濾波器或解多工器來 選擇所需要的波道。 另一方式是，雷射源200能包含在另一雷射源内，其也會 循序以時間和波長為單位而產生鄰波道Rz訊號脈衝。舉 (cns )μ規格---- ^IT------'k (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 406492 at B7 五、發明説明（7) 例來說，每一波道波長的調變脈衝雷射源可使用光纖延遲 線而能依需要做同步或延遲處理。結果所產生的輸出然後 會是一所需的連續鄰波道。 一旦終端機1 10的雷射源產生以時間和波長為單位的鄰波 道RZ訊號脈衝序列，而且這些脈衝係基於所要傳送資料 之調變振幅，這些波道脈衝會傳送至傳輸光纖丨2〇。如在 圖2B中所示，存在終端機11〇雷射源的波道脈衝不會顯示 出暫時的重疊。如果當波道脈衝傳送至傳輸光纖12〇而波 道脈衝能夠保持在此頻散的位準時，就不可能會有FWM雜 訊。然而，如果在傳輸光纖丨20中的頻散1>1：[{)5/11111_1(111]是" 非零（non-zero )"時，波道脈衝的暫時展開將會改變。 傳輸光纖120的頻散特性是基於雷射源的特性而選擇。舉 例來說，當使用雷射源200時，傳輸光纖12〇具有與雷射源 200的光纖220相同的信號頻散。當做訊號脈衝傳送至傳輸 光纖120 ’波道脈衝的暫時展開會隨著時間而改樊。一旦 訊號脈衝傳送至傳輸光纖12〇，以致於來自傳輸光纖12〇的 總頻散會等於從圖2 B至圖5之波道變化暫時特性的光纖頻 散D 1 s。在圖5中所示的波道脈衝的暫時特性所變化的傳輸 光纖120長度是光纖頻散d1s [pS/nm]和光纖頻散 D f [ ps/nm-km ]的一函數。如果波道脈衝允許持續傳遞至另 一 D 1 s增量的傳輸光纖120時，波道脈衝的暫時特性便會改 變至如在圖6中所顯示的值。最後，圖7顯示在許多〇15單 --------裝-—^--^--訂---------—W (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 10- 本紙乐尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X297公I ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 406492 Α7 Α7 Β7 五、發明説明（8) 位之後的波道脈衝的暫時特性。 在波道脈衝已行經介於圖2B和圖5(整個是〇'和2D*s) 所表示之間的光纖頻散的一距離之後，脈衝會以時間為單 位而展開，如此兩波長能在相同精確的時間點上重疊。此 波長的重疊如在圖5中所示’其對於在任何的時間上，兩 不同的傳遞波長會在光纖的位置上重疊。然而，尖锋功率 已經減少，以致於FWM效率也將會降低。此外，互相補 贖代價的波形會產生超過系統波長範圍外的I M p ; I M p如 在圖5中所示的"p "。互相補贖代價的波形也會由在圖5中 顯不的△ λ s / 2所開，而其Α λ s係表示全部的光頻帶。因為 一典型的Δλ,值是20 nrn，這表示在撞擊光予之間的一非 常大的間隔，其結果是—低F w Μ效率與可忽略之訊號消 耗。因此’ I Μ P s並不會在波道上增加f W Μ雜訊，而且只 會在波道中有較小的第二訊號消耗的效果。 與其允許訊號脈衝的暫時特性改變至F w Μ雜訊不再可忽 略的點’具有相反於傳輸光纖1 2 〇表示的一頻散的補償光 纖1 3 0能連接至波道脈衝的暫時特性是在圖5中所表示之 點上的傳輸光纖1 2 0。如此當脈衝離開補償光纖丨3 〇時， 波道脈衝的暫時特性便會回到在圖2 Β中的暫時特性。另一 方式是，補償光纖1 3 0能做較強烈地補償，以降低補償所 需的頻率；在如此的一例案中，波道脈衝的暫時特性將會 改變成介於在圖5和圖4所顯示之間的一狀態。它是最好可 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Α4規格（210Χ297公釐） ---------裝-—^----訂----^—丨-4 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 406492 A7 B7 9 五、發明説明（ 避免完全地返回到在圖4中所示的暫時特性。無論如何， 訊號脈衝藉由傳遞經過傳輸光纖12〇透過補償光纖13〇的 週期性補償而被加以補償’而在圖2 B和圖5的極端之間予 以改變成回到囷2 B的情況。 本發明的另一具體實施例中，補償光纖丨3 〇能加以安 排’所以訊號脈衝的補償會在圖5中所示的暫時特性之後 發生。圖6係表示在超過圖5中所示情況的一額外D * s傳遞 之後’便會發生三重疊波長的情況。在如此的一情況中， 所產生的I Μ P降落在波道本身上，假定為線性頻散和相等 間隔波道，而因此一些FWM雜訊的補贖代價將會產生。 然而，對於典型的光源頻帶，這些波道仍保持適度地分 開，而且鄰波道將不會互相補贖代價。除此之外，ΐΜρ的 數是很小，因為只有二個波道會在所給定的位置上互相 補贖代價。此外，脈衝的傳佈會根據puk api^Pk而減少 IMP的功率•因此，FWM效率將會是低的，而且fwm雜 訊將會很小。Λ外，補償光纖13〇能被安排，所以補償甚 至會在訊號脈衝到達在圖6中所示的暫時特性之後發生， 只要補償是在FWM雜訊影響變成明顯之前執行。 圖7係描述沒有補償光纖i 3〇或位於傳輸光纖12〇的總頻 :超過3D、的較少補償情況。圖7係描述一情況，其光纖 傳輸系統1〇〇接近整個相互補贖代價的限制，其中iMp是 波道上’如在分開具nrz調變之單頻率源的 得統朿略情況。 -12- (⑽）Μ 規格（21GX_着 I I I 1 、裝 訂------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央榡準局員工消費合作社印製 406492 Δ7 Α7 Β7 10、 五、發明説明（ 雖然圖2 B、5、6 '和7是基於例證和討論方便的線性頻 散，但是本發明也能運用於非線性的頻散。"非零"的第二 階頻散的效果將在圖2B、5、6、和7中所表示的線性轉換 成二次方程式。舉例來說，如果中央波長延遲係選擇來參 考（即是，具相對於第一階頻散的第二階頻散的零延遲）， 延遲曲線的新終點將會擴展至線性情況的右或左方，係決 定於相對於第一階頻散的第二階頻散的符號。實際上，非 線性頻散能夠使用可忽略雙色調丨M p的補贖代價而設定一 最大的傳輸距離，除非補償在第一階和第二階頻散上執行 過。 表1係描述光纖傳輸系統丨〇 〇的數種可能光纖建構，係已 知的頻散映射。作為本發明的—說明製作，所示的源頻散 是需要兩取樣線率155 MB/s和622 MB/s，假定是一 10 Gb/s的最大RZ TDM率和20 nm的一可用光頻帶。由補 償光纖1 3 0所發生補償之前的所需傳輸光纖丨2 〇長度是利 用Lf=D*s[ps/nm]/Df [ps/nm_km]計算出。這些值是在 兩不確定原因的-因t中而估計ά，如介於頻散脈衝流之 間所潛在需要的一固定頻帶。Lf之所列出的數值是估計為 最小的。數種傳輸光纖的選擇也予以列出，連同提議的光 源光纖類型。這些數值說明以合理的補償距離便可忽略 FWM的補贖代價。標準的補償距離能選擇最大所允許的 距離，雖然最常發生的補償仍可避免_補贖代價。因 為所產生的產品是在頻帶外，匹㈣如此低頻散之所增加 的相位並不是最大的考量。即使如果光纖頻散能允許積聚 --I n I I n I , I I 訂 / 線 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁〕 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 •13- 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 406492 Δ7 Α7 ___________Β7_ 五、發明説明（11) 而直到二色碉產品建立為止，這時就如上所述的F W Μ補 贖代價會是最小。 當然’應了解到當本發明所描述的是有關於會產生在圖 2 Β、5、6、和7中所示特性的系統建構，另一特性能予以 產生。舉例來說’雖然並未在2Α、2Β、和2C中指定，先 導的波道在波長上能高於或低於最後的波道。此外，這些 波道可以是連續或不連續。 表1 :具可忽略FWM的CP-WDM頻散映射 傳輸光纖 [ps/nm-km] 補償光纖 傳輸光纖之長度 註解 622 mb/s 155 mb/s D=-l 5D 42.5 km 170 km Ds*雙色調 IMPs頻帶外之 總頻散 -2 5D 21.25 65 +2 DCF 21.25 65 -.25(DSn 5D 170 680 -1 5D 85 340 2DS*三色調產 品之總頻散 -2 5D 42.5 170 +2 DCF 42.5 170 -.25 5D 340 1360 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I II .1 I n 裝 II 訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. A8 406492 H D8 r、申請專利範圍 1 —種光波長分割多工（WDM)系統，用以在光纖的鄰波 道上傳送資料，包含： 一雷射傳送系統，會循序地以時間和波長為單位而從 第一波長到第二波長來產生鄰波道返回到零（R Z)訊號 脈衝； 一傳輸光纖，係連接至該雷射傳送系統，且具有第一 頻散；及 一補償光纖，係連接至該傳輸光纖，且具相反於該第 一頻散表示的一第二頻散’該補償光纖會補償且具一有 基於介於該雷射傳送系統的該第一波長和該雷射傳送系 統的該第二波長之間延遲的位置。 2 .如申請專利範圍第i項之光波長分割多二^系羞，其中該 雷射傳送系統包括： 一模式鎖定雷射； 一尖銳頻散的光纖，係連接至該模式鎖定雷射；且 一高速度光調變器，係連接至該光銳頻散的光纖。 3 如申請專利範圍第1項之光波長分割多工系統，其中該 雷射傳送系統包括： 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ϋ n nk· nn ^ϋ— · i ^^^1 ^^^1 ^^^1 nn (請先閲讀背面之注意^項再填寫本頁) 多數的脈衝產生雷射源，每一該雷射源會發出不同的 波長；及 多數的光纖延遲線，其該每一光纖延遲線是連接至該 其中之一的脈衝產生雷射源，該每一光纖延遲線的長度 是基於該所連接之脈衝產生雷射源的波長，所以相鄰脈 衝是循序地產生。 4 .如申請專利範圍第1項之光波長分割多工系統其中該 雷射傳送系統的第一波長在時間上早於且在波長上高於 _ 15 本紙張尺度逋用巾ϋϋ家裙準（CNS〉八4祕（21QX297公疫） 406492 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 該傳送系統的第二波長。 5 ·如申請專利範園第1項之光波長j割多工系統」其中該 雷射傳送系統的第二波長在時間上早於且在波長上高於 該傳送系統的第一波長》 6 ·如申请專利範圍第1項之光波長分割多工系統，其中該 雷射傳送系統會產生連續的波長脈衝。 7.如申凊專利範圍第1項之光波長分割多工系統，其中該 雷射傳送系統會產生不連續的波長脈衝。 8 _ 種方法’用以在一光波長分割多工（w D Μ )系統中的 一光纖鄰波道上傳送資料，包含： ⑻產生鄰波道返回到零（RZ )訊號脈衝，係循序地以時 間和波長為單位從第一波長至第二波長而產生； (b) 在具有一第一頻散的—傳輸光纖中傳送脈衝；及 (c) 在一連接至傳輸光纖的補償光纖中補償該等脈衝，且 具有一與該第一頻散相反符號的一第二頻散，補償光 纖有一基於介於第一波長和第二波長之間延遲的一位 置。 9 ·如申請專利範園第_8項之方法二中該第一波長在時間 上早於且在波長上高於第二波長。 10·如申請專利範圍第8項之方法，其中該第二波長在時間 上早於且在波長上高於第一波長。 11.如申請專利範園第8項之方法，其中該所產生的脈衝是 連續的波長脈衝。 1Z如申請專利範圍第$項之方法二其中該所產生的脈衝是 非連續的波長脈衝。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（2丨〇><297公釐） ----------^.袈！------ΪΤ- (請先閲讀背面·^注意事項再填寫本頁)