波分復用激光波長控制的制作方法

專利名稱：波分復用激光波長控制的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，更具體地說，涉及用于控制波分復用系統中激光的波長的方法和相應裝置。
背景技術：
光學波分復用系統(WDM)使用不同波長上的多個激光束，同時在公用光纖上傳送多個數據信道。在接收端，通過波長濾波器，分開信道。濾波器帶通越窄，能放置的信道越多。為了正確操作，特定發射機的激光波長必須適合于接收機端的波長選擇器的通帶。
激光波長和濾波器通帶必須不相互脫離的要求對減少的濾波器帶寬提出了挑戰。不必說，在現有系統中，沒有方法來有效地控制激光器和濾波器間的波長配合。相反，激光器脫機調整到如由ITU(國際電聯)波長柵格定義的絕對波長值。在光譜分析儀的控制下，根據溫度，脫機調整激光器波長。其后在現場，即在正常操作期間，使所確定的溫度設定點保持恒定。
光學脈沖模式的特性不能保證激光器中恒定的光學功率。密集通信量產生高平均功率，稀疏通信量導致低平均功率。通信量密度能以任何時間量級改變，范圍從幾毫秒到幾小時或幾年。大部分的光學分組源對具有小的波長偏差的功率改變有反應。從而，濾波器通帶必須足夠大來吸收剩余公差。此外，關于老化和環境改變，該策略要求激光設備本身及其驅動電路具有高度長期穩定性。
半導體激光器設備原理上是可調整的。然而，現在不能使用激光器的固有可調整性，因為沒有關于實際波長的可用簡單反饋。溫度和激光器電流的間接控制在技術上僅能用于固定設定點。即使(TDMA脈沖模式中所需的)激光器功率的可調整性是關鍵的，因為激光器功率在恒定溫度影響波長。
通常，WDM激光器受熱電冷卻器(TEC)的溫度控制，而該冷卻器受熱敏電阻控制。然而，在激光器芯片的有效區和底座間仍然存在小的溫度差，其在控制環外。即使通過對基座的理想的溫度控制，該有效激光區的溫度差(從而波長)也與功率相關。如果功率改變，波長也將改變，當然會有一些延遲。圖3表示當在0和額定功率間切換時，溫度穩定的DFB激光器的測量的熱波長瞬變。瞬變在第一微秒內開始，但其僅在幾十毫秒后即穩定(對數時間標度)。在轉變到上述脈沖模式通信量相關性中，圖3的左側對應于短分組(＜1μs)的稀疏流量。右側對應于100％占用信道。兩個操作條件間的轉變能在任何時間發生并持續未確定時間段。現有技術的溫度控制器在10的負6或7次冪量級上緩慢補償該效應。不必說，即使未補償，波長偏移(0.5nm)為仍然在具有1.6nm信道間隔的200GHz ITU波長柵格范圍內。
本發明的目的是在WDM系統中，改善對激光器的波長控制。

發明內容
下面出現的這些和其他目的是通過一種波長配合檢測器來實現，通過將所接收信號振幅的變化與所接收信號通信量密度的變化相關聯，確定用于發出信號的激光源的反饋信號，確定波分復用系統中，所接收的信號波長是否與波長選擇器的預定通帶匹配。
特別地，發射機發出單波長光學信號以及通過WDM網絡，將此發送為復合多路復用信號中的波長信道。接收機使用帶通濾波器，從復合復用信號選擇單波長光學信號。波長配合檢測器通過將所接收信號振幅的變化與通信量密度的變化相關聯，確定反饋信號。然后，經反向信道將反饋信號返回到發射機并用來調整單波長光學信號的波長。如果激光波長短，反饋信號為正；如果激光波長長，則為負。
本發明允許在有關參數的長期穩定性方面無嚴格要求的廉價WDM源的自動穩定。半導體激光器的固有可調整性可以用于廉價技術實現中。有關波長設定點的長期穩定性的要求是不嚴格的。粗略設定所需波長，然后根據所提出的發明，自動微調到通帶中心，即完成信道調整。
此外，本發明能夠向著更密集的wDM信道發展，而不對激光器增加要求。此外，本發明允許使用不穩定的波長濾波器在WDM應用中，僅使用一個去復用濾波器(在接收機前，例如，在無源光學網絡中)，不再要求激光器中心頻率的高穩定性，因為激光器能跟蹤濾波器漂移。


現在，參考附圖，描述本發明的優選實施例，其中圖1表示在WDM傳輸系統中，使用波長配合檢測器的發射機的有效波長控制；圖2表示用在圖1的系統中的波長配合檢測器；圖3在對數坐標圖中示出作為在導通后的時間的函數的波長漂移；圖4a示出檢測器輸出電壓相對于波長偏差的曲線圖；以及圖4b示出相應的WDM信道濾波器通帶的曲線圖。
具體實施例方式
有效波長控制的原理如圖1所示。包括溫度控制的WDM激光器的發射機11傳送波長為λi的單個波長信號。通過WDM網絡，該信號作為特定的WDM信道13傳送到接收機12。接收機具有帶通濾波器，用于從復合WDM信號選擇來自WDM信道13的信號的特定波長。連接到接收機12的波長配合檢測器15產生任何類型的在反向信道16上傳遞的，返回到溫度控制器14的反饋信號，該反饋信號調整發射機11的波長以便與接收機12中的波長選擇器的通帶匹配。
反向信道可用在幾乎任何系統中，例如OAM信道。該原理可用于具有直接調制激光或直接包絡調制激光的任何脈沖模式WDM系統。
本發明基于這樣的認識，即并不需要實際波長的全部信息。相反，所需要的是關于實際波長是否與WDM激光器通帶中心相一致的指示，或者，如果不一致，則指示向哪一端分離。本發明的基本原理是通過將脈沖振幅(burst amplitude)的變化與接收機中通信量密度的變化相關聯，確定反饋信號。正相關表示波長短，負相關是表示波長長。
通過將脈沖振幅的變化與通信量密度的變化相關聯，從而，在接收機中確定用于圖1中的有效控制所需的反饋，實現此功能的波長配合檢測器在圖2中詳細表示。
所接收的輸入信號21分成兩個分支。在上分支中，分組檢測器22檢測是否存在分組。該信號反映通信量密度(脈寬調制)并與振幅無關。在下分支中，受上分支中的分組檢測器22控制的跟蹤保持門24檢測分組振幅。跟蹤保持門24的輸出反映分組振幅，其與通信量密度無關，因為在間隔期間，跟蹤保持是斷開的。
分別通過寬帶濾波器23和25，過濾兩個輸出信號，以便僅通過大約在1kHz至1MHz范圍中的光譜分量。這表示可以通過寬帶濾波器的僅僅是變化量而不是絕對值。接著，復用器26使濾波信號彼此復用以及將結果傳遞到低通濾波器27(關聯)。輸出是所需反饋信號，如果激光波長短，其為正，如果激光波長為長，則為負。
在具有連接到一個脈沖模式接收機的多個發射機的網絡中(例如樹或總線結構)，分組檢測器包含另外的分類裝置，根據特定介質存取協議，例如按Tx地址標簽，或通過時隙，過濾僅一個特定發射機的分組。該改進思路是從將調整的僅一個特定發射機選擇分組。該選擇能用各種方法實現，諸如按源地址、按時隙(TDMA)、按碼(CDMA)等等。將數據分組分配到發端發射機，因此選擇標準取決于在每個情況中使用的介質存取協議。在任何實際應用中，總是可能將分組明確分配到源。然而，在任何單個情況中如何實現這種選擇對本發明來說不重要，本領域的技術人員不需要太多嘗試即可實現這種選擇。
現在，在下文中，進一步研究本發明的工作原理。溫度控制的激光器芯片在芯片內具有熱梯度。這表示有效區比基座更熱。該溫度差由有效區中的平均功率消耗而定。在脈沖模式操作中，平均功率由通信量密度而定，即使特定分組是均衡功率。例如，圖3中的度量表示在1μs-1ms的時間標度中，0.5nm的低和高通信量密度間的波長偏差。這樣，在通信量密度和波長之間具有自然正相關。增加通信量導致增加波長，降低通信量將導致更低波長。
在WDM濾波器中，如果不正確地調整，波長變化將轉換成振幅變化。即使波長變化相當小，由于通常相當急劇變化的WDM濾波器曲線，它們也會導致合理的振幅變化。波長和振幅間的相關性由正在操作的濾波器斜率而定在上升斜率，具有正相關，增加的波長導致增加的振幅，在下降斜率，具有負相關-增加的波長導致減少的振幅。
結合上述的熱效應，接收機的輸入信號具有通信量密度和振幅之間的自然正或負相關性，這取決于激光波長和WDM信道濾波器間的失調。該相關性能由圖2的原理圖計算。
在激光和WDM信道間的小波長失配的情況下，與通信量相關的波長調制轉換成振幅調制，其用來檢測接收機中的失配。假定一個光學脈沖模式系統具有可變脈沖大小及其間的可變間隔。將通信量密度δ(t)定義為在按間隔長度劃分的指定間隔中，所有分組的累積長度。δ(t)是平均值D＝E[δ(t)]-平均通信量密度的隨機變量，以及方差VD＝E[(δ(t)-D)2]，其中，E[x]表示x的統計期望值。進一步假定發射機以平均波長λN，發射均衡功率P0的光學分組。實際波長λ(t)是如上所述的通信量密度δ(t)的函數，通過下述方程式給出一階近似λ(t)＝λN+k·(δ(t)-D)(1)其中，k-正常數wDM信道具有中心頻率λ0附近的窄通帶。在λ0的環境中，作為級數的通帶傳輸函數T(λ)為T(λ)≅T0+T2·(λ-λ0)2---(2)]]>
T0表示通帶中心λ0中的功率傳輸，而T2描述指向通帶邊界的另外的衰減，T2＜0。接收機端的分組功率由下式給出P(λ)＝T(λ)·P0(3)P(λ)＝P0(T0+T2·(λ-λ0)2) (4)從方程式(1)得出λ(t)代入λ，獲得作為根據時間的隨機函數的分組功率P(t)＝P0(T0+T2·(λN+K·(δ(t)-D)-λ0)2)(5)從上述方程式，導出接收機端的平均分組功率為E[P(t)]＝P0(T0+T2·((λN-λ0)2+K2·VD)) (6)以及中心分組功率變化P(t)-E[P(t)]＝2P0T2(K(λN-λ0)(δ(t)-D)+k2((δ(t)-D)2-VD)) (7)然后，接收機輸入處的分組功率變化和通信量密度變化間的交叉相關性為ΨPδ＝E[(P(t)-E[P(t)])·(δ(t)-E[δ(t)])] (8)考慮方程(5)和(6)，獲得ΨPδ＝2P0T2KVD(λN-λ0)(9)只要信道濾波器的通帶傳輸曲線為凹線，則P0，K，VD總是為正，而T2為負。
換句話說，如果相對于通帶的中心波長λ0，激光器波長λN太低(λN＜λ0)，分組功率變化和通信量密度變化間的交叉相關性為正，如果λN太高(λN＞λ0)，交叉相關性為負。在λN＝λ0處的平衡條件ΨPδ＝0與其他參數無關。然而，方法的靈敏度取決于實際信號功率P0、WDM濾波器通帶的彎曲度T2、激光器芯片的熱“適應性(flexibility)”K、以及通信量密度的變化VD。
可以使用方程式(8)和(9)來實現用于激光器波長和WDM信道濾波器間的實際匹配的簡單檢測器。通過在方程式(8)中，用(短期)平均時間替代統計期望算子E[x]，估計交叉相關性ΨPδ。在嚴格意義上來說，這僅對遍歷信號有效，不用說，在某些條件下，還產生用于其他信號類的可接受估計。圖2表示最終檢測器的框圖。
通過比較器和寬帶濾波器，估計通信量密度變化(δ(t)-E[δ(t)])。比較器確定存在或缺少分組，導致一種與通信量密度相關的脈寬調制。帶通激光器的低通部分將脈寬調制轉換成振幅(～δ(t))。高通部分去除較長期平均分量(～E[δ(t)])。
可以通過采樣級和寬帶濾波器，估計分組功率電平變化(δ(t)-E[δ(t)])。其采樣分組振幅，而低通濾波器部分在間隔期間內插。同樣如上，高通分量去除長期平均級。請注意分組功率和信號功率間的區別信號功率是在間隔期間，分組功率和零間的平均值。它直接由實際通信量密度而定。通過僅采樣分組和在間隔期間內插，可以去除直接通信量相關性。
對相關性，將兩個信號(通信量密度和功率電平)輸入到一個復用器，接著輸入到另一低通濾波器。輸出信號可為正或負，由激光波長相對于WDM信道濾波器的位置而定。它能被傳播回到發射機以便相應地調整激光控制器。
已經通過現有的光學脈沖模式原型測試過檢測器原理。光學分組具有10Gbit/s的線路速率。有效負載通信量源是具有適當的封裝的千兆位以太網測試器并加速。由于通信量源的低數據速率，10GBit/s信道上的密度僅在0和10％間改變。總之，與恒定的激光器操作相比，光譜分析儀顯示出按0.1-0.2nm擴展的期望光譜。檢測器與10GBit/s脈沖模式接收機無關。它使用另外的低速光學接收機(＜100MHz)以及少數幾個工業標準的模擬部件。兩個寬帶濾波器的濾波器特性是下頻帶極限200Hz，第一階。上頻帶極限20kHz，二階貝塞耳濾波器。相關器低通的頻帶極限為20Hz。圖4a表示測量的相關器輸出以，圖4b表示作為激光器波長的函數的WDM信道傳輸。
檢測器原理能夠在正常操作中，對脈沖模式WDM系統中的激光器-濾波器匹配進行持久控制。消除對激光器波長的壽命穩定性的要求，在濾波器通帶范圍中的初始粗略設定點就足夠。該原理幾乎與線路速率無關，最高所需速度低于線路速率的1/100。相對較低的速度要求使得甚至能夠利用軟件實現，這更有吸引力。
原理擴展針對(a)考慮發射機功率本身的可能的通信量相關性。(b)為更好靈敏度，有選擇地使用具有高方差的周期。(c)補償通信量變化和波長變化間的相移。(d)在幾個發射機將分組發送到一個接收機的情況下另外的源地址濾波器。
理想地，在具有實際脈沖模式和可變通信量的發射機中，所需相關性在這一方面沒有更多的干擾。所有努力集中在接收機中。然而，在一些情況下，要求使用特殊的訓練模式來啟動所需效果(低-高通信量交替)，例如在啟動時，或如果激光器的正常操作不是脈沖模式。
圖1中的圖表操作與基礎位速率無關。如果跟蹤保持門俘獲最短可能分組，則足夠快。實際上，對10GBit/s系統，將分組檢測器和跟蹤保持門限制到100MHz。將相關性本身限制到低于1MHz以及可以移到一些數字控制器或甚至移到軟件中。
接收機中的光電二極管不一定是實時線路速率光電二極管，在信道中某處的分接頭上的低速監視器光電二極管同樣好。要求從接收機到發射機的反饋信道將調整指示符傳播回發射機中的激光控制器。通常，這通過正常操作和維護信道(OAM)來完成。該信道的速度限制調整速度，然而，如果涉及熱波長調整，不管怎樣，通常需要幾秒的時間幀。
已經描述了本發明的優選實施例，對本領域的技術人員來說，在不背離本發明的精神和原理的情況下，能做出各種改變、替代。例如，通過控制激光器設備中的溫度，實現實施例中的激光波長控制。然而，這的確是優選和示例性實施例，很顯然用于控制激光波長的任何其他手段，諸如控制激光二極管的偏壓，也同樣適合于實現本發明。
權利要求
1.一種波長配合檢測器，用于確定波分復用系統中，所接收的信號波長是否與波長選擇器的預定通帶匹配；所述檢測器包括用于通過將所接收信號振幅的變化與所接收信號通信量密度的變化相關聯，以確定反饋信號的裝置。
2.如權利要求1所述的波長配合檢測器，包括分組檢測器和受所述分組檢測器控制的跟蹤保持門，兩者均連接到信號輸入并通向復用器。
3.如權利要求2所述的波長配合檢測器，進一步包括連接到所述復用器的輸出的低通濾波器。
4.如權利要求2所述的波長配合檢測器，進一步包括分別連接在所述分組檢測器和所述復用器間以及所述跟蹤保持門和所述復用器間的兩個寬帶濾波器。
5.如權利要求1所述的波長配合檢測器，包括用于選擇發自相同發射機的數據分組的裝置。
6.一種用于波分復用(WDM)系統的接收機，包括如權利要求1所述的波長配合檢測器。
7.一種用于WDM系統的發射機，包括用于發出脈沖模式單波長光學信號的可調整激光源和用于穩定所述激光源發射的波長的控制裝置，其特征在于，通過將所接收信號振幅的變化與所接收信號通信量密度的變化相關聯的遠程波長配合檢測器，獲得反饋信號的輸入。
8.如權利要求7所述的發射機，進一步包括用于確定具有高通信量方差的周期的裝置，該裝置控制所述控制裝置以僅在所述高通信量方差周期期間，調整所述波長。
9.一種用于WDM系統中的波長控制方法，包括步驟- 在發射機發射單波長光學信號；- 通過所述WDM系統，將所述單波長光學信號發射為復合多路復用信號中的波長信道；- 在接收機端處，從復合復用器信號中選擇所述單波長光學信號；- 將所接收信號振幅的變化與所接收單波長光學信號的通信量密度的變化相關聯以獲得反饋信號；- 經反向信道，將所述反饋信號發送到所述發射機；以及- 根據所述反饋信號，調整所述單波長光學信號的波長。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述單波長光學信號包含包括低通信量和高通信量交替的訓練模式。
11.如權利要求9所述的方法，其中在所述調整步驟中，考慮到發射機功率本身的通信量相關性。
12.如權利要求9所述的方法，其中僅在具有高通信量方差的周期期間，執行所述調整步驟。
13.如權利要求9所述的方法，進一步包括補償通信量變化和波長變化間固有延遲的步驟。
全文摘要
發射機(11)發出單波長光學信號，以及通過WDM網絡，將該信號作為復合多路復用信號中的波長信道(13)而傳輸。接收機(12)使用帶通濾波器，從復合多路復用信號選擇單波長光學信號(21)。波長配合檢測器(15)通過將所接收的信號的振幅的變化與通信量密度的變化關聯，確定反饋信號。然后，經反向信道(16)，將該反饋信號返回到發射機(11)并用來調整單波長光學信號的波長。
文檔編號H04B10/572GK1722649SQ200510084160
公開日2006年1月18日 申請日期2005年7月14日 優先權日2004年7月15日
發明者沃爾弗拉姆·勞藤施拉格爾 申請人:阿爾卡特公司