專利名稱：一種多功能的光信號處理系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及全光網絡和高速，遠距離和大容量光網絡技術領域。
背景技術：
上個世紀70年代出現的光纖通信技術以來，光纖通信系統一直保持著迅猛的發展勢頭。目前，單信道速率已經完成了從2. 5Gb/s向10(ib/S的升級，40(ib/S的系統也在正式部署中，同時100(ib/S也被IEEE接受成為下一代光傳輸及以太網的標準格式。但是傳輸速率的增加導致了信號對在傳輸過程各種損傷容限的下降。在光纖通信系統中傳輸損傷主要包括光纖損耗、色度色散(CD)、偏振模色散(PMD)、放大器的自發輻射噪聲(ASE)及光纖的非線性效應，其聯合作用會導致光信號脈沖的形狀和頻譜發生畸變，造成了接收機誤碼率的提高，甚至導致系統的崩潰。在各種損傷中，ASE噪聲和光纖損耗都會造成的光信號消光比的降低，而色散則會造成嚴重的碼間干擾，這都將導致接收機判決錯誤和誤碼率的上升。。此外在光網絡中由于環境溫度的變化和光分插復用(ROADM)器使用引起的光路重構會造成信道鏈路積累色散值的動態變化。因此需要對色散進行動態監測，以實現自適應的色散補償，保證系統穩定可靠的運轉。在波分復用網絡(DWDM)中為降低波長阻塞的幾率常需要使用波長轉換器改變信號波長。因此，對于高速率、長距離和動態化DWDM系統，研發一種實現信號消光比增強，動態自適應色散補償和波長轉換的系統顯得尤為必要。為了補償信號在傳輸過程中的造成的消光比下降，就必須對信號進行再生。光信號再生技術一般分為電域再生技術和全光再生技術。電域再生技術主要通過電中繼器完成。首先經過高速光電二極管將所需的再生信號轉化為電信號，然后經過寬帶射頻電路對其進行再生，最后通過直接調制或外調制半導體激光器將再生后的信號轉化為光信號發送出去。電域再生結構復雜，需要采用高速光電器件，信號速度也受電子瓶頸限制。全光再生技術是直接在光域對信號進行再生處理，能夠有效的減少傳輸過程中諸如噪聲累積、抖動、 色散這樣的傳輸損傷，不僅克服了電域信號處理速度的限制，網絡的透明性和擴展性也得到了保證，充分保障了光網絡的傳輸質量。目前提出的提高信號消光比的全光再生方案有很多，主要是通過非線性效來實現，諸如基于自相位調制(SPM)效應，交叉相位調制(XPM) 效應，交叉吸收調制(XAM)效應以及四波混頻(FWM)效應等方案都能夠實現對信號消光比的提高。但是以上方案均只是單純的進行消光比增強，無法同時監測信號色散并進行波長轉換。目前也提出了許多的色散監測方法。但是這些方法均也只是單純的進行色散監測。這些色散監測方法可以分為三大類一大類是基于光信號的電域分析；第二大類基于插入探測信號的分析；第三大類是全光色散監測法。第一大類以電信號的處理為主，例如信號射頻頻譜分析法，異步直方圖評估法，電色散均衡法等等。一般需要首先對信號進行需要光電轉換，再進行時鐘提取，射頻頻譜分析，或者高速模數轉換，其系統較為復雜，對于信道速率40(ib/S以上的高速WDM系統存在電子器件速率瓶頸限制的問題。第二大類是通過在信號發射端插入用于色散監測的信號，如幅度或相位調制的副載波，或者幅度調制的寬帶自發輻射波，或者一不同于信號波長的連續探測波，通過在接收端監測這些附加信號的變化， 實現對鏈路色散的監測。這類方法需要修改發射機的設計，因此與現有系統的兼容性較差。 此外某些監測信號，如寬帶自發輻射探測波的插入對光信號本身的傳輸也會造成影響。第三大類基于光信號波形的分析，以光域內的信號處理為主，因此稱為全光色散監測技術。全光信色散監測技術相對于前兩類技術，具有結構簡單，成本低，兼容性好，不影響信號傳輸和無速率限制的優點。目前提出的全光色散監測技術一般基于光纖中的自相位調制(SPM)， 交叉相位調制(XPM)和級聯四波混頻(FWM)效應，以及半導體光探測器中的交叉相位調制和雙光子吸收效應等等。但是以上方法的靈敏度比較低，不適用于高占空比的光信號，而且只是單純的進行色散監測，無法同時實現光信號的再生和波長轉換。波長轉換的方法包括基于半導體光放大器或光纖中的的交叉增益調制(XGM)效應，交叉吸收調制(XAM)效應以及四波混頻(FWM)效應，但是這些方法也無法同時實現色散監測和消光比增強。
發明內容
本發明提出了一種多功能的光信號處理系統，可以同時實現消光比增強，動態色散補償和波長轉換。本發明多功能的光信號處理系統，其特征在于，包括探測光源、第一耦合器、高非線性光纖、光濾波器、光功率計、第二耦合器和可調色散補償器，信號光源光纖連接所述可調色散補償器的一個輸入端，所述可調色散補償器的輸出端連接所述光放大器的輸入端， 所述光放大器的輸出端連接所述第一耦合器的一個輸入端，所述探測光源連接所述第一耦合器的另一個輸入端，所述第一耦合器的輸出端連接所述高非線性光纖的輸入端，所述高非線性光纖的輸出端連接所述光濾波器，所述高非線性光纖內由四波混頻效應產生的閑散光波經所述光濾波器過濾輸出，所述光濾波器連接所述第二耦合器，所述第二耦合器一路輸出連接所述光功率計，所述光功率計的輸出端連接所述可調色散補償器的反饋控制端口，動態調整其色散大小；另一路輸出高消光比和無色散的再生信號光，作為系統的光路輸出；本發明的基本原理是所述探測光源發出低功率的連續探測光，其頻率為《pb， 所述連續探測光與經由所述光放大器放大的所述信號光，設其頻率為《s，經所述耦合器合波后注入所述高非線性光纖，所述高非線性光纖內四波混頻效FWM效應產生一個新的光波——閑散光波，其頻率為Qi = 2cos-copb。閑散光功率Pi = G(I^)Ppb，其中G和Ppb 為四波混頻增益大小和探測光功率，是輸入信號光瞬時功率Ps的函數，因此G構成了 Ps 和間的功率傳輸函數。由于該傳輸函數具有非線性，因此導致當輸入信號脈沖峰值功率比較高時閑散光獲得比較高的增益，反之獲得的增益較小。由于色散會引起輸入信號脈沖峰值功率的變化，因此使得輸入光信號色散信息映射到閑散光平均功率大小之上。該功率傳輸函數同時導致信號光攜帶的數據脈沖信號的映射到閑散光波形之上。上述閑散波經過所述光濾波器和所述光耦合器分成兩路輸出其中一路輸出連接到光功率計，經過所述光功率計測量其平均功率大小，該數值反映輸入信號光的色散大小。利用該測量值對到所述輸入端可調色散補償器進行反饋控制，實現對輸入光信號的動態色散補償。由于閑散光所獲得的增益G與信號光功率的平方或指數函數成正比，因此放大效應導致閑散光信號的消光比相對輸入信號光得到增強。另一路輸出因此產生高消光比和無色散的再生光信號；此外根據公式Qi = 2 s-copb，通過改變探測波波長可以改變輸出閑散光波長，因此該系統可同時對信號進行消光比增強，動態色散補償和可調諧波長轉換。進一步優化的，所述高非線性光纖四波混頻效應產生的Ps和Ppb之間的功率傳輸函數G，根據相位匹配條件可設置為Ps的平方或指數函數。所述高非線性光纖為普通光纖時，其四波混頻效應的相位失配大小Δβ = β 3(cos-coQ) (cos-copb)2，其中ω。，β3分別光纖零色散頻率和三階色散系數；當-4 Y PsS Δ β < O時獲得指數型傳輸函數，而當 Δ β >>4YPs時獲得平方傳輸函數，其中&和γ分別為信號光功率和光纖的非線性系數；所述高非線性光纖為近零平坦色散光纖時，其四波混頻效應FWM的相位失配大小
Δ廣=β3(ωρ-ω^-cosf- )2- )4，其中 β 4 為四階色散系
數。指數函數時色散監測的靈敏度較高，消光比更高，但是所需光功率較高，對信號噪聲影響更為敏感。平方函數時則對信號噪聲不敏感。該系統具有較大的工作帶寬，可以工作在WDM系統中，且其輸入帶寬通過調整 COpb，COci，β 3' β 4' Y和Ps可以覆蓋不同的WDM波段。在指數傳輸函數條件下，為使系統具有最大的輸入帶寬，所述高非線性光纖為普通光纖時，所述探測光頻率設置在Opb = ω 0-3 ( y Ps/β 3)1/3附近；所述高非線性光纖為近零平坦色散光纖時，所述探測光頻率設置在Copb= ω(Γβ3/β4附近。在平方傳輸函數條件下，只需要設置《pb使得I Δ β I >> 4 Y Ps，此條件下系統本身具有較大的輸入帶寬，無需特別優化。所述高非線性光纖亦可使用光子晶體光纖，三五族化合物波導或硅基波導等等高非線性介質進行替代。本發明是一種全光信號處理系統，具有對信號速率和調制格式透明的優點，可以同時完成消光比增強，自適應色散補償和波長轉換三種功能。相較于以往單功能器件，它基于高非線性光纖中四波混頻效應產生的功率傳輸函數同時實現消光比增強，色散監測和波長轉換三種功能，進而利用色散監測信號驅動可調色散補償器，實現信號的動態色散補償。整個系統具有結構簡單，全光透明，成本低的優點，克服了以往由獨立器件搭建而成的系統結構復雜，成本高的缺點，并且適用于不同占空比光信號，以及具有更高的色散監測靈敏度。該系統的獨特優勢使其將在高速率、長距離和動態光網絡中得到廣泛應用。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的技術方案作進一步具體說明。圖1為本發明具體實施的光信號消光比增強，色散補償和波長轉換的系統結構示意圖。圖2為高非線性光纖輸入端和輸出端光信號在頻率軸上的分布示意圖。圖3為系統輸入端和輸出端光信號在時間軸上的分布示意圖。圖4為高非線性光纖工作在平方增益處的功率傳遞函數，為輸入泵浦光功率(單位為dBm)與輸出閑散光功率增益(單位為dB)的變化曲線圖。圖5、6、7為針對信號碼型為33% RZ碼，信號速率為40(ib/S的輸入光信號仿真計算獲得的眼圖。分別對應于無色散的輸入信號光，經由lOOOps/nm色散的輸入信號光及輸出再生光。圖8為針對信號碼型為33% RZ碼，信號速率為40(ib/S的輸入光信號仿真計算獲得的歸一化輸出光信號功率(單位為dB)隨色散(單位為ps/nm)的變化曲線圖。圖9為高非線性光纖工作在指數增益處的功率傳遞函數，為輸入泵浦光功率(單位為dBm)與輸出閑散光功率增益(單位為dB)的變化曲線圖。圖10、11、12為針對信號碼型為NRZ碼，信號速率為40(ib/S的輸入光信號仿真計算獲得的眼圖。分別對應于無色散輸入信號光，經由lOOOps/nm色散的輸入信號光及輸出再生光。圖13為針對信號碼型為NRZ碼，信號速率為40(ib/S的輸入光信號仿真計算獲得的歸一化輸出光信號功率(單位為dB)隨色散(單位為ps/nm)的變化曲線圖。
具體實施例方式如圖1所示的全光色散監測器包括可調色散補償器I(TDC)，光放大器為摻鉺光纖放大器2 (EDFA)，光放大器也可以采用SOA或其它光放大器，如拉曼光放大器，在所需信號功率較低時光放大器也可省略；提供光耦合和光分路的光耦合器3，7 Coupler)，提供連續探測波的半導體激光器4 (LD)，高非線性光纖5 (HNLF)，輸出光濾波器6 (BPF)和光功率計 8 (PM)。首先使用EDFA對經過單模光纖劣化的輸入信號光進行放大，放大后的信號波和LD 輸出的連續探測波由光耦合器合波后進入HNLF。根據相位匹配原則選擇具有合適色散特性的HNLF和探測波波長，在HNLF的輸出端采用BPF濾出探測波或FWM產生的閑散波，并采用 PM測量閑散波的功率，即可得到系統的色散信息，并利用所得到的色散信息調節TDC，實現對輸入信號色散的動態補償，同時在可調色散補償器達到穩態條件下，BPF輸出端可以得到高消光比和無色散的再生光信號。高非線性光纖四波混頻效應產生的閑散光波功率Pi = G(Ps)Ppb，其中G為增益大小，是輸入信號光瞬時功率Ps的函數，Ppb為探測光功率。根據相位匹配條件G(功率傳輸函數)可設置為Ps的平方或指數函數，該傳輸函數當輸入信號脈沖峰值功率比較高時閑散光獲得比較高的增益，反之獲得的增益較小。由于色散會引起輸入信號脈沖峰值功率的變化， 因此使得輸入光信號色散信息映射到閑散光平均功率大小之上，所以通過測量閑散光功率值可對輸入信號色散大小進行在線實時監測；進而利用所獲得的色散監測信號對輸入端的可調色散補償器進行反饋控制，實現動態的自適應色散補償。同時該功率傳輸函數可以使得信號光攜帶的數據信息轉移到輸出閑散光上，同時由于傳輸函數的放大效應使消光比得到增強。根據公式Oi = 2 s-copb，通過改變探測光頻率copb可以調整輸出信號的頻率 Qi,從而在所述系統輸出端得到不同波長的光信號。當高非線性光纖為普通光纖時，其四波混頻效應FWM的相位失配大小Δ β =^3(COs-COci)(COs-COpb)2,其中Otl，β3分別光纖零色散頻率和三階色散系數； 當Δ β彡O時獲得指數型傳輸函數，而當I Δ β I >>4 γ Ps時獲得平方傳輸函數，其中Ps和、分別為信號光功率和光纖的非線性系數；當高非線性光纖為近零平坦色散光纖時，其四波混頻效應FffM的相位失配大小^P = β3(ωρ-ω0)(ωρ-ω^)2- )2- )4，其中 β 4 為四階色散系本系統的輸入帶寬較大，能工作在WDM系統中，且其輸入帶寬通過調整copb，Coci， β 3' β 4' Y和Ps可以覆蓋不同的WDM波段。在指數傳輸函數條件下，為使系統具有最大的輸入帶寬，當高非線性光纖為普通光纖時，探測光頻率設置在《pb= α^^γΡ^β》1/3附近；當高非線性光纖為近零平坦色散光纖時，探測光頻率設置在《pb= ω0-β3/β4Μ·> 在平方傳輸函數條件下，只需要設置《pb使得I Δ β I >>4 γ Ps，此條件下系統本身具有較大的輸入帶寬，無需特別優化。下面進一步描述本具體實施方式
的信號色散監測及信號再生工作流程如下1)光信號放大器EDFA或SOA，TDC, LD和PM啟動并處于工作狀態。2)信號光經信號波放大器放大，作為HNLF的泵浦光和LD產生的連續探測光經由光耦合器合波后進入HNLF。3)在HNLF中泵浦光和探測光間發生FWM，泵浦光能量轉移至探測光并產生新的閑散光，閑散光因此得到增益。HNLF輸出端閑散光功率由HNLF中相位匹配條件決定。4)在HNLF輸出端，采用BPF濾出閑散光。5)用PM測量閑散光平均功率值大小，并將所得的信號信息反饋到TDC。6) TDC根據PM所得色散信息調節系統色散補償值，直至PM得到色散完全補償的信號。如圖2所示，輸入端2_(a)為經過光放大器放大后的信號波和探測波，輸出端 2-(b)為經過高非線性光纖HNLF得到的探測波，并產生的新頻率的閑散波。由于閑散光功率隨信號光功率變化，因此數據信息由信號光復制到閑散光之上。由圖3可以看到，由于HNLF具有非線性增益，平均功率相同而峰值功率不同的信號波所對應的輸出端探測波、閑散波的平均功率是不同的。由于傳輸函數為輸入信號功率的平方或指數傳輸函數，當輸入信號脈沖峰值功率比較高時，閑散光獲得比較高的增益，反之獲得的增益較小。由于色散會引起輸入信號脈沖峰值功率的變化，因此使得輸入光信號色散信息映射到閑散光平均功率大小之上，所以通過測量閑散光功率值可對輸入信號色散大小進行在線實時監測；進而利用所獲得的色散監測信號對輸入端的可調色散補償器進行反饋控制，實現動態的色散補償。如圖4所示的為HNLF所具有的平方型增益函數。當泵浦功率在5dBm至15dBm范圍內變化時，HNLF將具有平方增益特性。如圖5至7所示為針對信號速率為40(ib/S、信號碼型為33% RZ碼的輸入光信號， 仿真計算獲得的零色散輸入光信號、經由lOOOps/nm色散劣化的輸入信號光及輸出再生光的眼圖。如圖所示，圖7的消光比明顯優于圖5、圖6。因此，該系統可以同時獲得良好的信號再生光。如圖8所示的為HNLF所具有的指數型增益函數。當泵浦功率在20dBm至25dBm 范圍內變化時，HNLF將具有指數增益特性。如圖9所示為針對信號速率為40(ib/S、信號碼型為NRZ碼的輸入光信號，仿真計算獲得的閑散光功率與系統色散值的關系曲線。該曲線為反饋機制提供了判決依據。
如圖10-12所示為針對信號速率為40(ib/S、信號碼型為NRZ碼的輸入光信號，仿真計算獲得的零色散輸入光信號、經由lOOOps/nm色散劣化的輸入信號光及輸出再生光的眼圖。如圖所示，圖12的消光比明顯優于圖10、11。因此，該系統可以同時獲得良好的信號再生光。如圖13所示為針對信號速率為40(ib/S、信號碼型為NRZ碼的輸入光信號，仿真計算獲得的閑散光功率與系統色散值的關系曲線。該曲線為反饋機制提供了判決依據。最后所應說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發明的技術方案而非限制， 盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種多功能的光信號處理系統，其特征在于，包括探測光源、第一耦合器、高非線性光纖、光濾波器、光功率計、第二耦合器和可調色散補償器；信號光源經光纖連接所述可調色散補償器的一個輸入端，所述可調色散補償器的輸出端連接所述光放大器的輸入端，所述光放大器的輸出端連接所述第一耦合器的一個輸入端，所述探測光源連接所述第一耦合器的另一個輸入端，所述第一耦合器的輸出端連接所述高非線性光纖的輸入端，所述高非線性光纖的輸出端連接所述光濾波器，所述高非線性光纖內由四波混頻效應產生的閑散光波經所述光濾波器過濾輸出，所述光濾波器連接所述第二耦合器，所述第二耦合器一路輸出連接所述光功率計，所述光功率計的輸出端連接所述可調色散補償器的反饋控制端口， 動態調整其色散補償量大小。另一路作為系統的光路輸出，輸出高消光比和無色散的再生信號光；
2.根據權利要求1所述的多功能光信號處理系統，其特征在于，所述高非線性光纖四波混頻效應產生的閑散光功率Pi = G (Ps) Ppb，其中G和Ppb為四波混頻增益大小和探測光功率；G是輸入信號光瞬時功率Ps的函數，構成Ps和Pi之間的功率傳輸函數。
3.根據權利要求1或者2所述的多功能光信號處理系統，其特征在于，所述高非線性光纖為普通光纖時，其四波混頻效應的相位失配大小Δβ = β3(ω3-ω。)(cos-copb)2，其中 ω0, β3分別光纖零色散頻率和三階色散系數；當-4 Y Ps < Δ β < O時獲得指數型傳輸函數，而當I Δ β I >>4 YPs時獲得平方傳輸函數，其中Ps和γ分別為信號光功率和光纖的非線性系數；所述高非線性光纖為近零平坦色散光纖時，其四波混頻效應FWM的相位失配大小 Δ廣=βΙων-CO^COr-ω^1- )2- )4，其中 β 4 為四階色散系
4.根據權利要求3所述的多功能光信號處理系統，其特征在于，在指數傳輸函數條件下，為使系統具有最大的輸入帶寬，所述高非線性光纖為普通光纖時，所述探測光頻率設置在copb= COtl-S(YPsZ^3)1/3附近；所述高非線性光纖為近零平坦色散光纖時，所述探測光頻率設置在《pb= ω。-β3/β4附近。
全文摘要
本發明涉及一種多功能的光信號處理系統，連續探測光與信號光經第一耦合器合波后注入高非線性光纖，高非線性光纖內四波混頻效效應產生的閑散光波經過光濾波器、光耦合器后分成兩路輸出一路輸出連接到光功率計，光功率計輸出對可調色散補償器進行反饋控制，實現動態色散補償。另一路輸出作為系統輸出信號，產生高消光比和無色散的光信號。同時，通過調整探測光波長能改變輸出光信號波長，實現可調諧的波長轉換。本發明基于HNLF中四波混頻效應產生的功率傳輸函數同時實現色散監測，消光比增強和波長轉換，具有多功能集成，響應速度快，色散監測靈敏度高，工作波段寬，對信號速率和調制格式透明的優點，可應用于信道速率40Gb/s以上光傳輸系統。
文檔編號H04B10/18GK102347797SQ20111034090
公開日2012年2月8日 申請日期2011年11月2日 優先權日2011年11月2日
發明者劉德明, 崔晟 申請人:華中科技大學