专利名称：包括光谱加宽纤维的非线性器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及在光纤通信系统中的脉冲成形技术。更具体地说，本发明涉及恢复退化光学脉冲的非线性光学特性的使用。
背景技术：
在高速光纤通信系统中，数字数据以在纤维中传播的光学脉冲的形式传输。理想的脉冲良好地位于一个时间窗口内，并且具有从低背景电平清晰突出的轮廓鲜明的振幅。然而，噪声、色散、及其它影响往往使脉冲发散而使脉冲与背景之间的区别模糊。这些影响能导致把高脉冲电平(例如在二进制中的“一”)误译为低电平(例如在二进制中的“零”)和反之亦然。这双往往抬高系统的位误码率(BER)。
专业人员已经设计了用于光学脉冲的再生器。理想地，光学能量作为具有高噪声级、减小波峰振幅、及扩大宽度的退化脉冲进入再生器，并且以低背景噪声和其原始波峰振幅和恢复的宽度离开再生器。即使它们仅接近这种理想特性，光学再生器在用来抵消脉冲在长传播距离上的退化的通信系统中也是便利的。
对于光学还原的一种具体手段在标题“用于全部光学数据还原的方法和设备(Method and Apparatus For all-Optical DataRegeneration)”下、授予P.V.Mamyshev、发布于2000年10月31日的美国专利No.6,141,129中描述。对于Mamyshev再生器的核心是一种非线性光纤，即一种能通过在纤维材料与同脉冲有关的电磁场之间的非线性耦合改变足够振幅脉冲的光谱成分的光纤。作为这种耦合的结果，给定脉冲的较强部分的光谱变宽；但这种变宽的量对于脉冲的较弱部分急剧减小。光谱改变脉冲然后通过一个其传输持性偏离脉冲原始光谱成分的滤波器。我们把这样一种滤波器称作再生器的“输出滤波器”。输出滤波器显著阻塞脉冲没有光谱变宽的较弱部分，而显著通过包含通过位于滤波器通带内的增强光谱成分的较强部分。因为只有脉冲的最强部分，典型地是中央部分，通过滤波器，所以得到对于脉冲原始形状的近似，并且消除较低的背景噪声。如果需要，通过在非线性纤维之前、或其之后、或两者的放大恢复原始振幅。
典型地，Mamyshev再生器包括一个放置在非线性纤维之前的色散补偿器。色散补偿器事实上是这样一种元件，它具有与脉冲在经系统传播的同时已经经受的相反的符号的色散系数。选择这样一种元件，并且在某些情况下能调谐，以提供至少近似抵消在经系统传播期间累积的色散的足够色散量。
我们已经发现，在一些工况下，Mamyshev再生器的性能对仍然加在光学脉冲上的残余色散影响非常敏感。然而，这些影响的数值预先不总是已知的。为此，尤其需要一种监视在非线性光纤中的脉冲成形有效性的器件。
本发明概述本发明在用来监视在非线性光纤中的脉冲成形有效性的系统中实施。更具体地说，根据本发明的实施例，通过非线性纤维之后的脉冲光谱成分提供一种多么有效还原脉冲的有用指示。因而，根据在宽广方面的本发明，抽出离开非线性纤维的脉冲的一部分，并且在至少一个选择光谱区域中进行脉冲能量的测量。选择光谱区域是一个其中在有效还原正在发生时脉冲往往获得能量的区域。
在本发明的具体实施例中，选择光谱区域由Mamyshev再生器的输出滤波器定义。在这样的实施例中，一种有用的手段是把刚好在输出滤波器之后的脉冲能量与刚好在输出滤波器之前的脉冲能量相比较。在本发明的其它实施例中，把抽出的脉冲能量引导到一个适于测量在至少一个光谱区域，如在选择波长周围的窄带，中的能量的光谱分析器中。
在另一个方面，本发明的实施例包括这样一种光学通信系统，其中反馈与在非线性光纤中的脉冲成形有效性有关的信息，以便动态改变在再生器输入处的残余色散。即使更广义地，上述光谱测量也能导致一个指示系统性能电平、或通过调节操作参数改进系统性能的控制信号。以这种方式可以调节的参数包括位于非线性纤维之前的可调谐色散补偿器的调谐、与再生器有关的或也位于系统中的一个或多个光学放大器的增益、及再生器的输出滤波器的调谐。
附图的简要描述在附图中，
图1是根据本发明实施例的一种光学通信系统的简化、示意图；图2是与在图1的光学通信系统的光谱监视器处接收的数据流叠加在一起的输入光学数据流的曲线图；图3是在图1的光学通信系统中的再生器中的输出滤波器的操作的曲线图，表示进入输出滤波器中的输入光谱和离开输出滤波器的输出光谱；图4是在图1的光学通信系统中的接收器的灵敏度的曲线图；图5是根据本发明一个选择例的一种光学通信系统的简化、示意图；图6是根据本发明一个选择例的一种监视配置的简化、示意图；图7是根据本发明另一个选择例的一种监视配置的简化、示意图；图8是根据本发明又一个选择例的一种监视配置的简化、示意图；及图9是根据本发明再一个选择例的一种监视配置的简化、示意图。
详细描述在如下描述中，附图的描述自始至终类似元件用相同标号指示以简化附图的顺序方面和/或增强本发明的理解。而且，除非这里明确地规定，附图不按比例画出。
尽管下文讨论具体的特征、配置和布置，但应该理解，这样作仅用于说明目的。熟悉相关技术的人员将认识到，其它步骤、配置及布置是有用的，而不脱离本发明的精神和范围。
图1的光学通信系统包括通信光纤10、可调谐色散补偿器15、光学放大器20、再生器25、输出光纤30、及接收器32。再生器25包括光学放大器35、高度非线性纤维40、及输出滤波器45。纤维40的典型特性是2.010km的长度、在1550nm波长下0.81dB/km的衰减、在1550nm下的色散为-0.48ps/nm-km、0.020ps/nm2-km的D斜率、1574nm的零色散波长、4.02微米模式场直径、1190nm的截止波长、及2.5dB的插入损失。
表示种类的再生器在以上引用的Mamyshev专利申请中描述。在至少一些情况下，便利的是以这样一种方式操作放大器35，从而进入高度非线性纤维40的信号具有恒定的平均功率。这是有用的，例如因为否则，如果功率增大，则光谱变宽将增大，即使残余色散恒定也是如此。系统也选择性地包括位于再生器25之前压缩级50。压缩级对于抑制在通信纤维中的受激Brillouin散射(SBS)的影响是有用的。表示在图中的说明性压缩级包括光学放大器55、高度非线性纤维60、及标准单模式(SSM)纤维65。光学压缩例如在G.P.Agrawal的NonlinearFiber OpticsChapter 6，Academic Press 1995(非线性纤维光学第六章，学会出版社1995年)中描述。
如以上提到的那样，色散补偿器可以是固定的或可调谐的。如下面将解释的那样，诸如补偿器15之类的可调谐色散补偿器是便利的，因为它们能调谐以优化光学再生器的性能。可调谐色散补偿器在先有技术中是已知的，并且在例如标题为“带有可变涂层的光栅器件(Optical Grating Device with Variable Coating)”、授予L.E.Adams等、发布于2001年1月30日的美国专利No.6,181,852和在标题为“可调谐色散补偿器和包括它的光学系统(Tunable DispersionCompensator and Optical System Comprising Same)”、授予L.E.Adams等、发布于2000年11月14日的美国专利No.6,148,127中描述。
非常简要地，在以上引用的专利中描述的种类的色散补偿器包括这样一段光纤，其中形成有一个具有随沿纤维的距离单调变化的光栅周期的分布Bragg反射器。光由这样一种结构的反射取决于在入射光与Bragg光栅之间的谐振相互作用。因此，入射光在从反射器反射回之前透入它的有效距离取决于入射光的波长。如果适当地调节光栅周期(即线性调频脉冲)的变化率，则能相对延迟脉冲的前沿光谱分量，并因而通过把把前沿部分布置成比后沿部分更深地透入反射器，使之与脉冲的后沿部分重合。通过控制沿纤维轴线的光栅周期的变化率，能调节，即“调谐”，相对延迟量。举例为电气信号的控制信号能用来实施必需的控制。例如，通过把热梯度施加到其中形成Bragg反射器的纤维、或通过由使用线圈把轴向力施加到附加到纤维上的磁性元件上引起的机械变形，能调节线性调频脉冲。控制信号容易用来控制例如用来施加热梯度的加热器、或用来激励线圈的电流源。
也表示在图1中的是光学抽头70，它把离开高度非线性再生器纤维40的脉冲能量的一部分转引到监视器纤维75中，并且从这里进入光谱监视器80。如下面将解释的那样，由光谱监视器80进行的测量能提供再生器正在多么有效地操作的指示。典型地，标准纤维进入和离开抽头，尽管也可以使用其它类型的纤维，包括非线性再生器纤维。抽头70可以包括例如熔融纤维耦合器、倾斜纤维光栅、或在耦合到散装光学元件上的纤维中以把一些光引导到光谱监视元件中而把一些引导回传输纤维的切口。光谱监视可以借助于任何各种类型的滤波器实现，包括薄膜干涉滤波器、纤维Bragg反射器、长周期纤维光栅滤波器、倾斜纤维光栅及校准器。
叠加在图2中的是由可调谐色散补偿器15从通信纤维10接收的输入光学数据流的波长光谱85、和在光谱监视器80处接收的数据流的长度光谱90。光谱90借助于为完全色散补偿调谐的补偿器15测量。从图2明白，包含在时间方面扩散的脉冲的数据流包含在较窄波长范围内的能量，而其脉冲在时间方面更窄限制的补偿数据流占据显著更宽的光谱范围。也明白的是，补偿数据流的光谱90包含多个边带。这种边带结构是数据流调制的结果，这在该实例中实现以产生40Gb/s的数据速率。
与数据流的光谱加宽有关的输出滤波器45的操作示意表明在图3中。在该图中，光谱95是离开再生器的数据流的光谱。光谱100是输出滤波器45的通带。将理解，再生器中的光谱加宽往往增大也位于通带100内的光谱95的能量量，并因而基本上通过滤波器45。显著地，对于光谱100能规定各种中心频率和/或宽度。能设计滤波器45，并且在一些情况下能调谐，以给与规定的中心频率和/或宽度。滤波器45的精确设计或调谐能影响再生器的性能。因而，便利地选择或控制滤波器45，以便提供最好的可达到性能。
我们已经发现，再生器的性能对于在输入到再生器的光学脉冲中实施的残余色散影响非常敏感。举例说明，当改变色散补偿器15的调谐时，我们已经把在图1的系统的接收器32处的接收器的灵敏度的一系列试验测量画作图4的曲线105。色散影响的最完全抵消发生在补偿器中在约390ps/nm的校正色散处。在图中画出的灵敏度是对其位误码率(BER)不大于10-9的最低接收功率级。由图证实，在色散补偿器的最佳调谐附近在约10ps/nm的范围内得到最优越的接收器灵敏度。当在该范围外和选离其调谐补偿器时，发现接收器灵敏度迅速降低。
我们已经发现在光谱边带的至少一些中的光学功率量与例如由接收器灵敏度测量确定的再生器性能之间的有用关系。举例说明，我们把在与在曲线105中画出的数据点相对应的可调谐色散补偿器的设置值的每一个下的选择边带中的总光学功率画作图4的曲线110。选择边带是在中心波长的长波长侧的第六边带。中心波长是1552.6nm，而第六边带出现在约1554.5nm处。由图1系统的光谱监视器80测量的光谱计算边带功率。对于由曲线110代表的试验，光谱监视器是Hewlett-Packard光谱分析器。
由曲线110与曲线105的比较证实，对于可调谐色散补偿器设置值的、产生接收器灵敏度最有益电平的该范围，边带功率的较高值出现。作为结果，测量的边带功率作为再生器正在多么有效地操作的指示器是有用的。如下面更详细讨论的那样，测量的边带功率也能用在反馈环路中以便自动地调节通信系统的一个或多个操作参数。例如，测量的边带功率，如由其导出的信号，能用来控制可调谐色散补偿器15。作为另外的一个例子，由其导出的相同功率或信号能用来控制诸如放大器35之类的光学放大器的增益。作为又一个例子，相同的功率或导出信号能用来通过例如移动输出滤波器45的中心频率或修改其带宽而控制它。
根据本发明实施例的试验数据已经表明，例如当改变补偿器15的调谐时不是所有边带都行为一致。例如，在图2中表示的试验中，我们观察到两个波长区域。在一个内部区域内，当增大色散补偿量时，在1552.6nm中心波长的每侧延伸到约2nm的具体输入强度处，观察到上升和下降的边带。然而，在离中心波长大于2nm的外部区域中，我们发现，当减小残余色散影响时边带的数值(即总光学功率)一致地增大。借助于增大强度，在内部与外部区域之间的边界远离中心频率。这种观察建议，在至少一些情况下，为了光谱监视目的以及为了适当的再生器性能，便利的是保持在再生器内的功率级恒定。
一种有用的监视方案是监视在单边带中、选择成可靠地位于外部波长区域内的功率。另一种有用的监视方案是测量在比某一量级大的所有边带中的功率、或位于外部区域内的所有边带。这种第二方案是便利的，因为它将典型地提供一个较强的监视器信号，并因而减轻对监视器硬件的要求。然而，我们也观察到，所有高阶边带(即相对于残余色散具有单调性能的边带)之和不会像某些单选择边带那样一致地相对于色散补偿动作。
一种可选择监视方案在图5中描绘。与表示在图1中的类似系统元件相对应表示在图5中的系统元件用类似标号指示。图5的监视方案使用一个滤波器完成用于监视目的的光谱选择。如表明的那样，再生器输出滤波器45也用于这种监视功能。然而，在至少一些情况下，可以最好使用具有清晰特性的分离滤波器完成监视功能。在表示在图中的系统中，刚好在滤波器45之前和刚好在其之后分别放置耦合元件115和120。这些元件的每一个示范地是熔融纤维耦合器或其它宽带抽头，如纤维光栅抽头或大体积光学抽头。元件115和120的每一个把从高度非线性纤维40输出的光的一部分抽到一个测量它接收的光的光学功率的光学探测器中。从元件120接收的功率加入的、相对于从元件115接收的功率的比率，提供在再生器中经受的光谱加宽的有用测量。因而，这样一种功率比率能提供一个有用的控制信号或反馈信号。
使用除还原滤波器之外的滤波器125的监视方案表示在图6-9中。
对于熟悉本专业的技术人员显然，对于这里描述的本发明的实施例能进行多种变更和替代，而不脱离由附属权利要求书定义的本发明的精神和范围及其等效物的完全范围。
权利要求
1.一种光学通信系统，包括一个光学元件，具有对于至少一些输入光学脉冲的非线性响应，导致至少一些这样脉冲的光谱加宽；一个波长选择性探测器，配置成进行指示已经通过非线性元件的光学脉冲的光谱加宽的测量；及一个器件或电路，在对于探测器的接收关系中，配置成在系统操作的过程中响应所述测量提供一个诊断信号或反馈信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中非线性元件是呈现自相位调制的光纤。
3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括一个位于非线性元件上游的可调谐色散补偿器(TDC)，并且其中所述器件或电路配置成提供用来调谐TDC的反馈信号。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括位于非线性元件上游的一个或多个光学放大器，并且其中所述器件或电路配置成向至少一个这样的放大器提供一个反馈信号，由此控制输入到非线性纤维的脉冲输入的振幅。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括位于非线性元件上游的一个或多个光学带通滤波器，并且其中所述器件或电路配置成向至少一个这样的滤波器提供一个反馈信号，由此控制中心波长、带宽、或滤波器的频带形状的至少一个，从而控制输入到非线性元件的脉冲输入的光谱成分。
6.根据权利要求1所述的系统，其中探测器包括一个配置成接收离开非线性元件的光学脉冲的能量的一部分的光谱分析器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中探测器包括一个或多个个别的探测器元件，并且对于其能量分布到中心波长带和多个波长边带中的至少一些脉冲，每个所述元件配置成探测在不包括中心带的各边或边带组中的能量。
8.根据权利要求1所述的系统，其中探测器包括一个元件，配置成探测离开非线性元件的光学脉冲在所述脉冲进入一个光学滤波器之前的能量的一部分；和一个另外的元件，配置成探测所述脉冲在通过光学滤波器之后的能量的一部分。
9.根据权利要求1所述的系统，进一步包括位于非线性元件下游并且具有一个通带的至少一个光学滤波器，其中通带具有一个中心波长、一个带宽、及一个频带形状，并且探测器配置成提供一个有效地用来控制所述中心波长、带宽、及频带形状至少一个的反馈信号。
10.一种光学通信系统，包括一个光学元件，具有对于至少一些输入光学脉冲的非线性响应，导致至少一些这样脉冲的光谱加宽；至少一个光学滤波器，位于非线性元件下游并且具有一个通带，其中通带具有一个中心波长、一个带宽、一个频带形状、及一个色散值，并且所述中心波长、带宽、频带形状、及色散的至少一个是可变的；及一个器件或电路，在系统操作的过程中有效地用来把一个控制信号发送到所述光学滤波器，由此控制所述中心波长、带宽、频带形状、及色散的至少一个。
11.根据权利要求10所述的系统，其中器件或电路配置成响应输入到非线性元件的光学脉冲的光谱成分的变化发送控制信号。
12.根据权利要求10所述的系统，其中器件或电路配置成响应输入到非线性元件的光学脉冲的持续时间的变化发送控制信号。
13.根据权利要求10所述的系统，其中器件或电路配置成响应输入到非线性元件的光学脉冲的位速率的变化发送控制信号。
14.根据权利要求10所述的系统，其中器件或电路配置成响应非线性元件的性能变化发送控制信号。
15.根据权利要求10所述的系统，其中器件或电路配置成响应系统指标性能值的变化发送控制信号。
16.根据权利要求10所述的系统，其中器件或电路配置成响应系统位误码率的变化发送控制信号。
17.根据权利要求10所述的系统，其中光学滤波器包括一个纤维Bragg光栅、一个全息光栅、一个Fabry-Perot滤波器、或一个校准器。
18.根据权利要求10所述的系统，其中光学滤波器是热、机械或光学可调谐的。
19.根据权利要求1所述的系统，进一步包括位于非线性元件上游的一个或多个光学带通滤波器，并且其中所述器件或电路配置成向至少一个这样的滤波器提供一个反馈信号，由此控制滤波器的色散。
全文摘要
本发明的实施例包括用来监视在一种非线性光纤(40)中的脉冲成形的有效性的系统。通过非线性纤维(40)之后的脉冲的光谱成分提供多么有效地还原脉冲的指示。抽出离开非线性纤维的脉冲的一部分，并且在至少一个选择的光谱区域中测量其脉冲能量。选择的光谱区域是一个其中当有效还原发生时脉冲往往获得能量的区域。反馈与在非线性光纤中的脉冲成形有效性有关的信息，以便动态改变在再生器输入处的残余色散。光谱测量也能导致一个指示系统性能电平、或通过调节操作参数改进系统性能的控制信号(48)。
文档编号H04B10/17GK1459157SQ02800685
公开日2003年11月26日 申请日期2002年3月13日 优先权日2001年3月15日
发明者本杰明·J·艾格勒顿, 贺清华, 斯特芬·汉斯奇, 格瑞戈里·雷彭, 约翰·A·罗杰斯, 保罗·S·韦斯特伯克 申请人:菲特尔美国公司