专利名称：一种多功能的光信号处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及全光网络和高速，远距离和大容量光网络技术领域。
背景技术：
上个世纪70年代出现的光纤通信技术以来，光纤通信系统一直保持着迅猛的发展势头。目前，单信道速率已经完成了从2. 5Gb/s向10(ib/S的升级，40(ib/S的系统也在正式部署中，同时100(ib/S也被IEEE接受成为下一代光传输及以太网的标准格式。但是传输速率的增加导致了信号对在传输过程各种损伤容限的下降。在光纤通信系统中传输损伤主要包括光纤损耗、色度色散(CD)、偏振模色散(PMD)、放大器的自发辐射噪声(ASE)及光纤的非线性效应，其联合作用会导致光信号脉冲的形状和频谱发生畸变，造成了接收机误码率的提高，甚至导致系统的崩溃。在各种损伤中，ASE噪声和光纤损耗都会造成的光信号消光比的降低，而色散则会造成严重的码间干扰，这都将导致接收机判决错误和误码率的上升。。此外在光网络中由于环境温度的变化和光分插复用(ROADM)器使用引起的光路重构会造成信道链路积累色散值的动态变化。因此需要对色散进行动态监测，以实现自适应的色散补偿，保证系统稳定可靠的运转。在波分复用网络(DWDM)中为降低波长阻塞的几率常需要使用波长转换器改变信号波长。因此，对于高速率、长距离和动态化DWDM系统，研发一种实现信号消光比增强，动态自适应色散补偿和波长转换的系统显得尤为必要。为了补偿信号在传输过程中的造成的消光比下降，就必须对信号进行再生。光信号再生技术一般分为电域再生技术和全光再生技术。电域再生技术主要通过电中继器完成。首先经过高速光电二极管将所需的再生信号转化为电信号，然后经过宽带射频电路对其进行再生，最后通过直接调制或外调制半导体激光器将再生后的信号转化为光信号发送出去。电域再生结构复杂，需要采用高速光电器件，信号速度也受电子瓶颈限制。全光再生技术是直接在光域对信号进行再生处理，能够有效的减少传输过程中诸如噪声累积、抖动、 色散这样的传输损伤，不仅克服了电域信号处理速度的限制，网络的透明性和扩展性也得到了保证，充分保障了光网络的传输质量。目前提出的提高信号消光比的全光再生方案有很多，主要是通过非线性效来实现，诸如基于自相位调制(SPM)效应，交叉相位调制(XPM) 效应，交叉吸收调制(XAM)效应以及四波混频(FWM)效应等方案都能够实现对信号消光比的提高。但是以上方案均只是单纯的进行消光比增强，无法同时监测信号色散并进行波长转换。目前也提出了许多的色散监测方法。但是这些方法均也只是单纯的进行色散监测。这些色散监测方法可以分为三大类一大类是基于光信号的电域分析；第二大类基于插入探测信号的分析；第三大类是全光色散监测法。第一大类以电信号的处理为主，例如信号射频频谱分析法，异步直方图评估法，电色散均衡法等等。一般需要首先对信号进行需要光电转换，再进行时钟提取，射频频谱分析，或者高速模数转换，其系统较为复杂，对于信道速率40(ib/S以上的高速WDM系统存在电子器件速率瓶颈限制的问题。第二大类是通过在信号发射端插入用于色散监测的信号，如幅度或相位调制的副载波，或者幅度调制的宽带自发辐射波，或者一不同于信号波长的连续探测波，通过在接收端监测这些附加信号的变化， 实现对链路色散的监测。这类方法需要修改发射机的设计，因此与现有系统的兼容性较差。 此外某些监测信号，如宽带自发辐射探测波的插入对光信号本身的传输也会造成影响。第三大类基于光信号波形的分析，以光域内的信号处理为主，因此称为全光色散监测技术。全光信色散监测技术相对于前两类技术，具有结构简单，成本低，兼容性好，不影响信号传输和无速率限制的优点。目前提出的全光色散监测技术一般基于光纤中的自相位调制(SPM)， 交叉相位调制(XPM)和级联四波混频(FWM)效应，以及半导体光探测器中的交叉相位调制和双光子吸收效应等等。但是以上方法的灵敏度比较低，不适用于高占空比的光信号，而且只是单纯的进行色散监测，无法同时实现光信号的再生和波长转换。波长转换的方法包括基于半导体光放大器或光纤中的的交叉增益调制(XGM)效应，交叉吸收调制(XAM)效应以及四波混频(FWM)效应，但是这些方法也无法同时实现色散监测和消光比增强。
发明内容
本发明提出了一种多功能的光信号处理系统，可以同时实现消光比增强，动态色散补偿和波长转换。本发明多功能的光信号处理系统，其特征在于，包括探测光源、第一耦合器、高非线性光纤、光滤波器、光功率计、第二耦合器和可调色散补偿器，信号光源光纤连接所述可调色散补偿器的一个输入端，所述可调色散补偿器的输出端连接所述光放大器的输入端， 所述光放大器的输出端连接所述第一耦合器的一个输入端，所述探测光源连接所述第一耦合器的另一个输入端，所述第一耦合器的输出端连接所述高非线性光纤的输入端，所述高非线性光纤的输出端连接所述光滤波器，所述高非线性光纤内由四波混频效应产生的闲散光波经所述光滤波器过滤输出，所述光滤波器连接所述第二耦合器，所述第二耦合器一路输出连接所述光功率计，所述光功率计的输出端连接所述可调色散补偿器的反馈控制端口，动态调整其色散大小；另一路输出高消光比和无色散的再生信号光，作为系统的光路输出；本发明的基本原理是所述探测光源发出低功率的连续探测光，其频率为《pb， 所述连续探测光与经由所述光放大器放大的所述信号光，设其频率为《s，经所述耦合器合波后注入所述高非线性光纤，所述高非线性光纤内四波混频效FWM效应产生一个新的光波——闲散光波，其频率为Qi = 2cos-copb。闲散光功率Pi = G(I^)Ppb，其中G和Ppb 为四波混频增益大小和探测光功率，是输入信号光瞬时功率Ps的函数，因此G构成了 Ps 和间的功率传输函数。由于该传输函数具有非线性，因此导致当输入信号脉冲峰值功率比较高时闲散光获得比较高的增益，反之获得的增益较小。由于色散会引起输入信号脉冲峰值功率的变化，因此使得输入光信号色散信息映射到闲散光平均功率大小之上。该功率传输函数同时导致信号光携带的数据脉冲信号的映射到闲散光波形之上。上述闲散波经过所述光滤波器和所述光耦合器分成两路输出其中一路输出连接到光功率计，经过所述光功率计测量其平均功率大小，该数值反映输入信号光的色散大小。利用该测量值对到所述输入端可调色散补偿器进行反馈控制，实现对输入光信号的动态色散补偿。由于闲散光所获得的增益G与信号光功率的平方或指数函数成正比，因此放大效应导致闲散光信号的消光比相对输入信号光得到增强。另一路输出因此产生高消光比和无色散的再生光信号；此外根据公式Qi = 2 s-copb，通过改变探测波波长可以改变输出闲散光波长，因此该系统可同时对信号进行消光比增强，动态色散补偿和可调谐波长转换。进一步优化的，所述高非线性光纤四波混频效应产生的Ps和Ppb之间的功率传输函数G，根据相位匹配条件可设置为Ps的平方或指数函数。所述高非线性光纤为普通光纤时，其四波混频效应的相位失配大小Δβ = β 3(cos-coQ) (cos-copb)2，其中ω。，β3分别光纤零色散频率和三阶色散系数；当-4 Y PsS Δ β < O时获得指数型传输函数，而当 Δ β >>4YPs时获得平方传输函数，其中&和γ分别为信号光功率和光纤的非线性系数；所述高非线性光纤为近零平坦色散光纤时，其四波混频效应FWM的相位失配大小
Δ广=β3(ωρ-ω^-cosf- )2- )4，其中 β 4 为四阶色散系
数。指数函数时色散监测的灵敏度较高，消光比更高，但是所需光功率较高，对信号噪声影响更为敏感。平方函数时则对信号噪声不敏感。该系统具有较大的工作带宽，可以工作在WDM系统中，且其输入带宽通过调整 COpb，COci，β 3' β 4' Y和Ps可以覆盖不同的WDM波段。在指数传输函数条件下，为使系统具有最大的输入带宽，所述高非线性光纤为普通光纤时，所述探测光频率设置在Opb = ω 0-3 ( y Ps/β 3)1/3附近；所述高非线性光纤为近零平坦色散光纤时，所述探测光频率设置在Copb= ω(Γβ3/β4附近。在平方传输函数条件下，只需要设置《pb使得I Δ β I >> 4 Y Ps，此条件下系统本身具有较大的输入带宽，无需特别优化。所述高非线性光纤亦可使用光子晶体光纤，三五族化合物波导或硅基波导等等高非线性介质进行替代。本发明是一种全光信号处理系统，具有对信号速率和调制格式透明的优点，可以同时完成消光比增强，自适应色散补偿和波长转换三种功能。相较于以往单功能器件，它基于高非线性光纤中四波混频效应产生的功率传输函数同时实现消光比增强，色散监测和波长转换三种功能，进而利用色散监测信号驱动可调色散补偿器，实现信号的动态色散补偿。整个系统具有结构简单，全光透明，成本低的优点，克服了以往由独立器件搭建而成的系统结构复杂，成本高的缺点，并且适用于不同占空比光信号，以及具有更高的色散监测灵敏度。该系统的独特优势使其将在高速率、长距离和动态光网络中得到广泛应用。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明的技术方案作进一步具体说明。图1为本发明具体实施的光信号消光比增强，色散补偿和波长转换的系统结构示意图。图2为高非线性光纤输入端和输出端光信号在频率轴上的分布示意图。图3为系统输入端和输出端光信号在时间轴上的分布示意图。图4为高非线性光纤工作在平方增益处的功率传递函数，为输入泵浦光功率(单位为dBm)与输出闲散光功率增益(单位为dB)的变化曲线图。图5、6、7为针对信号码型为33% RZ码，信号速率为40(ib/S的输入光信号仿真计算获得的眼图。分别对应于无色散的输入信号光，经由lOOOps/nm色散的输入信号光及输出再生光。图8为针对信号码型为33% RZ码，信号速率为40(ib/S的输入光信号仿真计算获得的归一化输出光信号功率(单位为dB)随色散(单位为ps/nm)的变化曲线图。图9为高非线性光纤工作在指数增益处的功率传递函数，为输入泵浦光功率(单位为dBm)与输出闲散光功率增益(单位为dB)的变化曲线图。图10、11、12为针对信号码型为NRZ码，信号速率为40(ib/S的输入光信号仿真计算获得的眼图。分别对应于无色散输入信号光，经由lOOOps/nm色散的输入信号光及输出再生光。图13为针对信号码型为NRZ码，信号速率为40(ib/S的输入光信号仿真计算获得的归一化输出光信号功率(单位为dB)随色散(单位为ps/nm)的变化曲线图。
具体实施例方式如图1所示的全光色散监测器包括可调色散补偿器I(TDC)，光放大器为掺铒光纤放大器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，在所需信号功率较低时光放大器也可省略；提供光耦合和光分路的光耦合器3，7 Coupler)，提供连续探测波的半导体激光器4 (LD)，高非线性光纤5 (HNLF)，输出光滤波器6 (BPF)和光功率计 8 (PM)。首先使用EDFA对经过单模光纤劣化的输入信号光进行放大，放大后的信号波和LD 输出的连续探测波由光耦合器合波后进入HNLF。根据相位匹配原则选择具有合适色散特性的HNLF和探测波波长，在HNLF的输出端采用BPF滤出探测波或FWM产生的闲散波，并采用 PM测量闲散波的功率，即可得到系统的色散信息，并利用所得到的色散信息调节TDC，实现对输入信号色散的动态补偿，同时在可调色散补偿器达到稳态条件下，BPF输出端可以得到高消光比和无色散的再生光信号。高非线性光纤四波混频效应产生的闲散光波功率Pi = G(Ps)Ppb，其中G为增益大小，是输入信号光瞬时功率Ps的函数，Ppb为探测光功率。根据相位匹配条件G(功率传输函数)可设置为Ps的平方或指数函数，该传输函数当输入信号脉冲峰值功率比较高时闲散光获得比较高的增益，反之获得的增益较小。由于色散会引起输入信号脉冲峰值功率的变化， 因此使得输入光信号色散信息映射到闲散光平均功率大小之上，所以通过测量闲散光功率值可对输入信号色散大小进行在线实时监测；进而利用所获得的色散监测信号对输入端的可调色散补偿器进行反馈控制，实现动态的自适应色散补偿。同时该功率传输函数可以使得信号光携带的数据信息转移到输出闲散光上，同时由于传输函数的放大效应使消光比得到增强。根据公式Oi = 2 s-copb，通过改变探测光频率copb可以调整输出信号的频率 Qi,从而在所述系统输出端得到不同波长的光信号。当高非线性光纤为普通光纤时，其四波混频效应FWM的相位失配大小Δ β =^3(COs-COci)(COs-COpb)2,其中Otl，β3分别光纤零色散频率和三阶色散系数； 当Δ β彡O时获得指数型传输函数，而当I Δ β I >>4 γ Ps时获得平方传输函数，其中Ps和、分别为信号光功率和光纤的非线性系数；当高非线性光纤为近零平坦色散光纤时，其四波混频效应FffM的相位失配大小^P = β3(ωρ-ω0)(ωρ-ω^)2- )2- )4，其中 β 4 为四阶色散系本系统的输入带宽较大，能工作在WDM系统中，且其输入带宽通过调整copb，Coci， β 3' β 4' Y和Ps可以覆盖不同的WDM波段。在指数传输函数条件下，为使系统具有最大的输入带宽，当高非线性光纤为普通光纤时，探测光频率设置在《pb= α^^γΡ^β》1/3附近；当高非线性光纤为近零平坦色散光纤时，探测光频率设置在《pb= ω0-β3/β4Μ·> 在平方传输函数条件下，只需要设置《pb使得I Δ β I >>4 γ Ps，此条件下系统本身具有较大的输入带宽，无需特别优化。下面进一步描述本具体实施方式
的信号色散监测及信号再生工作流程如下1)光信号放大器EDFA或SOA，TDC, LD和PM启动并处于工作状态。2)信号光经信号波放大器放大，作为HNLF的泵浦光和LD产生的连续探测光经由光耦合器合波后进入HNLF。3)在HNLF中泵浦光和探测光间发生FWM，泵浦光能量转移至探测光并产生新的闲散光，闲散光因此得到增益。HNLF输出端闲散光功率由HNLF中相位匹配条件决定。4)在HNLF输出端，采用BPF滤出闲散光。5)用PM测量闲散光平均功率值大小，并将所得的信号信息反馈到TDC。6) TDC根据PM所得色散信息调节系统色散补偿值，直至PM得到色散完全补偿的信号。如图2所示，输入端2_(a)为经过光放大器放大后的信号波和探测波，输出端 2-(b)为经过高非线性光纤HNLF得到的探测波，并产生的新频率的闲散波。由于闲散光功率随信号光功率变化，因此数据信息由信号光复制到闲散光之上。由图3可以看到，由于HNLF具有非线性增益，平均功率相同而峰值功率不同的信号波所对应的输出端探测波、闲散波的平均功率是不同的。由于传输函数为输入信号功率的平方或指数传输函数，当输入信号脉冲峰值功率比较高时，闲散光获得比较高的增益，反之获得的增益较小。由于色散会引起输入信号脉冲峰值功率的变化，因此使得输入光信号色散信息映射到闲散光平均功率大小之上，所以通过测量闲散光功率值可对输入信号色散大小进行在线实时监测；进而利用所获得的色散监测信号对输入端的可调色散补偿器进行反馈控制，实现动态的色散补偿。如图4所示的为HNLF所具有的平方型增益函数。当泵浦功率在5dBm至15dBm范围内变化时，HNLF将具有平方增益特性。如图5至7所示为针对信号速率为40(ib/S、信号码型为33% RZ码的输入光信号， 仿真计算获得的零色散输入光信号、经由lOOOps/nm色散劣化的输入信号光及输出再生光的眼图。如图所示，图7的消光比明显优于图5、图6。因此，该系统可以同时获得良好的信号再生光。如图8所示的为HNLF所具有的指数型增益函数。当泵浦功率在20dBm至25dBm 范围内变化时，HNLF将具有指数增益特性。如图9所示为针对信号速率为40(ib/S、信号码型为NRZ码的输入光信号，仿真计算获得的闲散光功率与系统色散值的关系曲线。该曲线为反馈机制提供了判决依据。
如图10-12所示为针对信号速率为40(ib/S、信号码型为NRZ码的输入光信号，仿真计算获得的零色散输入光信号、经由lOOOps/nm色散劣化的输入信号光及输出再生光的眼图。如图所示，图12的消光比明显优于图10、11。因此，该系统可以同时获得良好的信号再生光。如图13所示为针对信号速率为40(ib/S、信号码型为NRZ码的输入光信号，仿真计算获得的闲散光功率与系统色散值的关系曲线。该曲线为反馈机制提供了判决依据。最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种多功能的光信号处理系统，其特征在于，包括探测光源、第一耦合器、高非线性光纤、光滤波器、光功率计、第二耦合器和可调色散补偿器；信号光源经光纤连接所述可调色散补偿器的一个输入端，所述可调色散补偿器的输出端连接所述光放大器的输入端，所述光放大器的输出端连接所述第一耦合器的一个输入端，所述探测光源连接所述第一耦合器的另一个输入端，所述第一耦合器的输出端连接所述高非线性光纤的输入端，所述高非线性光纤的输出端连接所述光滤波器，所述高非线性光纤内由四波混频效应产生的闲散光波经所述光滤波器过滤输出，所述光滤波器连接所述第二耦合器，所述第二耦合器一路输出连接所述光功率计，所述光功率计的输出端连接所述可调色散补偿器的反馈控制端口， 动态调整其色散补偿量大小。另一路作为系统的光路输出，输出高消光比和无色散的再生信号光；
2.根据权利要求1所述的多功能光信号处理系统，其特征在于，所述高非线性光纤四波混频效应产生的闲散光功率Pi = G (Ps) Ppb，其中G和Ppb为四波混频增益大小和探测光功率；G是输入信号光瞬时功率Ps的函数，构成Ps和Pi之间的功率传输函数。
3.根据权利要求1或者2所述的多功能光信号处理系统，其特征在于，所述高非线性光纤为普通光纤时，其四波混频效应的相位失配大小Δβ = β3(ω3-ω。)(cos-copb)2，其中 ω0, β3分别光纤零色散频率和三阶色散系数；当-4 Y Ps < Δ β < O时获得指数型传输函数，而当I Δ β I >>4 YPs时获得平方传输函数，其中Ps和γ分别为信号光功率和光纤的非线性系数；所述高非线性光纤为近零平坦色散光纤时，其四波混频效应FWM的相位失配大小 Δ广=βΙων-CO^COr-ω^1- )2- )4，其中 β 4 为四阶色散系
4.根据权利要求3所述的多功能光信号处理系统，其特征在于，在指数传输函数条件下，为使系统具有最大的输入带宽，所述高非线性光纤为普通光纤时，所述探测光频率设置在copb= COtl-S(YPsZ^3)1/3附近；所述高非线性光纤为近零平坦色散光纤时，所述探测光频率设置在《pb= ω。-β3/β4附近。
全文摘要
本发明涉及一种多功能的光信号处理系统，连续探测光与信号光经第一耦合器合波后注入高非线性光纤，高非线性光纤内四波混频效效应产生的闲散光波经过光滤波器、光耦合器后分成两路输出一路输出连接到光功率计，光功率计输出对可调色散补偿器进行反馈控制，实现动态色散补偿。另一路输出作为系统输出信号，产生高消光比和无色散的光信号。同时，通过调整探测光波长能改变输出光信号波长，实现可调谐的波长转换。本发明基于HNLF中四波混频效应产生的功率传输函数同时实现色散监测，消光比增强和波长转换，具有多功能集成，响应速度快，色散监测灵敏度高，工作波段宽，对信号速率和调制格式透明的优点，可应用于信道速率40Gb/s以上光传输系统。
文档编号H04B10/18GK102347797SQ20111034090
公开日2012年2月8日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者刘德明, 崔晟 申请人:华中科技大学