用於一級偏振模式色散的補償裝置的改進的畸變分析儀的製作方法
2023-09-21 19:47:15 1
專利名稱：用於一級偏振模式色散的補償裝置的改進的畸變分析儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光傳輸系統，並尤其涉及處理在此系統中所謂的偏振模式色散。
作為非對稱內應力導致的纖芯中剩餘雙折射以及由作用到光纖上的外力導致的隨機偏振耦合的結果，在光纖中發生偏振模式色散(PMD)。眾所周知，PMD可以嚴重損耗光纖網絡中信號的傳輸。這在以至少每個傳輸的波長通道10Gb/s的位速率工作的現代數字光波系統中尤其嚴重。
D.A.Fishman等人在1999年7月27日提交的美國專利申請US5,930,414公開了幾種減輕由PMD所致的信號損耗的不同裝置。這種裝置採用一種可變的光學雙折射元件，在傳輸光纖中至少兩個互相垂直的偏振態、即「主要偏振態」(PSP)中引致不同的光學時間延遲。耦接到可變雙折射元件的一個光學畸變分析儀產生對該元件的控制信號。
『414號專利中圖4所示的補償裝置在兩個主要偏振態之間產生一個連續可變的微分群時延(DGD)，以補償傳輸光纖中的第一級PMD。這種配置與『414號專利中
圖1所示時延線的一個差值在於『414號專利中圖4所示裝置裡的可變雙折射元件的PSPs是與頻率有關的。這種頻率相關性(是所謂的二級PMD效應的一個重要方面)可導致光信號的極度畸變，因為光纖中的第一級PMD只能在一定的光波帶上得以補償。而且，PMD甚至可能在光譜的特定部分中增大。
在常規的非歸零(NRZ)和歸零(RZ)數字光信號中由二級PMD效應導致的信號畸變可以在接收到的光信號的電子譜中觀察到，如同與信號位速率相關的特定頻率處的能量譜的窄帶「色調」，特定頻率如對於NRZ信號為10GHz和對於RZ信號為20GHz。
我們實際上通過調整施加到可變雙折射元件上的控制信號、使得光信號遭受最小的二級PMD來實質上減小PMD補償裝置的可變雙折射元件中二級PMD導致的畸變。具體的說，通過從加權形式的控制信號中減去帶通濾波器的輸出信號來修正『414號專利中圖2或8的畸變分析儀產生的控制信號，其中帶通濾波器被調諧到畸變分析儀輸出的窄帶色調。然後把修正的信號Vf提供給可變雙折射元件中的偏振控制器，從而降低前述二級效應導致的畸變水平。更具體地說，修正的Vf導致PMD補償器在傳輸光纖和PMD補償器中整個二級畸變為最小的點處工作。本發明的特點尤其在於補償器的PSPs抵銷傳輸光纖可能產生的任何二級PMD畸變。即從傳輸光纖中減去而不是加上二級效應。
在下列的說明書、附圖和權利要求書中闡述了本發明的各個方面。
圖1是可以實施本發明原理的現有系統框圖；圖2是可用於得出圖1所示PMD補償器的反饋信號的畸變分析儀框圖；圖3是改進的畸變分析儀框圖；和圖4是另一改進的畸變分析儀框圖。
為了清楚和連續，將在美國專利US5,930,414中公開的補償系統的全文中對本發明的特點進行討論，該專利在此引為參考。
在單模光纖中作為纖芯中剩餘雙折射和沿光纖各點耦合的隨機偏振的結果，發生偏振模式色散(PMD)。
眾所周知，對於任何ω=ω0的光學頻率，存在由兩個通常被稱作主要偏振態(PSP)的正交偏振態。如果在兩個PSPs中的其中一個上偏振，則經過光纖傳播的光信號不產生任何顯著量的微分時間延遲。
可以理解，微分群時延τf發生在光纖的兩個PSPs之間。光信號傳過光纖所經歷的微分群時延(DGD)可以通過在光纖的輸出中引入等量但反向的微分時延τc=-τf來補償。利用具有前述專利中公開的偏振特性的光學元件很容易實現這一點。
光纖中的PMD隨時間和/或隨光學頻率的變化而改變。PMD中的改變包括相應PSPs的改變以及DGD、τf的改變，可以通過改變補償器中雙折射的量和取向補償，從而自適應地補償光纖中的DGD。自適應的可變雙折射補償器可以很容易地通過設置一個偏振轉換器、例如F.L.Heismann於1993年5月18日公布的美國專利U.S.5,212,743中描述的偏振轉換器與一個產生可變線性雙折射的元件串聯而實現，其中該專利的內容在此引為參考。這種可變雙折射可以通過把偏振轉換器輸出的信號分成兩個對應於光纖的兩個PSPs的正交線性偏振態、並利用上述專利』414中圖1所示的各個時延線(例如，JDS Fitel Inc生產的PE3型號的偏振模式色散模擬器)延遲兩個偏振態中的一個可變的時間量τc產生。
產生這種雙折射的另一種方法如圖1所示。該實施例包括高雙折射單模光纖435和445的兩個幾乎一致的部分，其中單模光纖435和445分別在沿兩個光纖的慢和快光軸偏振的光信號之間產生固定的微分時間延遲τ1和τ2。(光纖435和445例如可以是具有大約1.4ps/m時間延遲的光纖，如Fujikura Co.生產的SM15-P-8/125型號的光纖)。插在光纖435和445之間的第二偏振轉換器有效地控制光纖435和445快軸之間的夾角。光纖435和445產生的最終的微分時間延遲τc可以表示成c=12+22+212cos(22)]]>它在最小值︱τ1-τ2︱和最大值(τ1+τ2)之間可連續變化。
如果以前述專利』414中的方式正確地調節偏振轉換器430中產生的偏振轉換和光纖435和445以及偏振轉換器440產生的微分時間延遲，則補償器425輸出的信號將沒有傳輸光纖420中發生的微分群時延導致的畸變。
反饋信號用於控制偏振轉換器430中的偏振轉換(即可變雙折射的取向)，以及兩個高雙折射光纖435和445和偏振轉換器440產生的可變微分時間延遲。所需的反饋信號可以通過監控脈衝畸變量而在補償器425的輸出中產生，其中脈衝畸變量是由存在於傳過補償器425之後的光信號中的微分時間延遲所致。
注意到，只需要一個反饋信號471同時調節偏振轉換並調節微分延遲τc來實現信號中的最小畸變，其中該信號是補償器425經常規的信號出口485輸出給光纖接收器490，如圖1所示並如下所述。
具體地說，補償器425輸出的部分信號經光纖出口485供給到延伸至高速光電探測器455的路徑487，高速光電探測器例如可以是Hewlett Packard Co.生產的11982型號的寬帶光波轉換器，具有至少等於光發射器410發生的調製光信號的信息帶寬。其餘的信號提供給延伸到接收器490的路徑486。光電探測區455把調製到光學載波信號上的高速數字信息信號轉換成電信號。然後，該電信號被常規的放大器460放大並耦合到電畸變分析儀470，該分析儀測量放大的光電流中的畸變並把放大的結果轉變成電壓Vf提供給與畸變成比例的路徑471。例如，當光信號沒有一級PMD所致的畸變時，即當光纖420和補償器425的合併的微分時間延遲基本上等於零時，電壓Vf達到最大值。
如果傳輸光纖中的DGD限制到最大值τmax以下，則光信號中的畸變將可以通過簡單地測量具體頻率f≤1(2τmax)的接收電信號的幅值來量化。然後，此電信號的幅值可以用作一個反饋信號，自動調節PMD補償器425中產生的DGD的取向和水平，使得反饋信號最大。
上述對插在傳輸系統中的總DGD的要求τtotal≤τmax可以限制光傳輸光纖中補償的DGD量τf，為τtotal≤2τf。例如，如果在10Gbps的數字傳輸系統中，測得接收的電信號的幅值是5GHz，則τf則總是小於50ps。否則，作為5GHz幅度的成份的函數產生的反饋信號在某種意義上時模糊不清的，它難於判定偏振轉變的量和方向以及微分時間延遲τc，從而獲得例如可能在反饋信號的幅值與τtotal的兩個不同值相同時發生的、並且可能導致PMD補償器425中微分時間延遲的取向和水平的不良調節的τtotal=0。
通過測量包含在傳過光纖的光信息信號中的多種頻率成份的幅值可以產生「模糊」的反饋信號(即τtotal的單值測量信號)，不限制可能施加到DGD的補償水平。如補償器的實施例所述，利用寬帶電功率探測器分析整個接收到的電頻譜的幅度示於圖1。更具體地說，寬帶電功率探測器495，例如可以是Hewlett Packard Co.生產的8474型號的二極體探測器把這些幅值轉變成一個與整個高頻電頻譜的幅值(功率水平)的整數成正比的信號反饋電壓Vf。
如上所述，圖1所示的補償裝置產生一個連續地可變微分群時延(DGD)補償第一級DGD。還如上所述，此補償裝置和前述美國專利US5,930,414的圖1中所示微分時延線的一個差別在於圖1中的高雙折射光纖435和445以及偏振轉器440形成的補償部分在此顯示出光頻變化嚴重的主要偏振態(PSPs)。這種頻率關係(是二級PMD效應的一個方面)可以使補償器中的光學信號畸變，因為只能消除特定光學頻率範圍上的光纖中遭受的DGD。
我們發現，對於常規的強度調製光信號，由於的相應頻率的信號位速率處頻譜能量窄帶「色調」的出現，可以在電疇內觀察到二級PMD效應，其中，信號位速率的相應頻率對於位速率10Gb/s的非歸零(NRZ)格式化數位訊號為10GHz，對於位速率10Gb/s 20G的歸零格式化信號為20GHz。所以，由此二級PMD效應導致的畸變可以利用具有上述美國專利US5,930,414中圖2和圖8所示類型的、修改成在位速率頻率處具有帶通特性的電濾波器的畸變分析儀觀察。
我們還發現，由二級PMD導致的畸變效果可以通過從圖2所示畸變分析儀的輸出信號中加權形式地減去調諧到窄帶色調的帶通濾波器的輸出來處理。然後把所得的修正信號Vf提供給補償器以減小前述二級PMD效應導致發生的畸變水平。更具體地說，修正的Vf致使補償器移到校正DGD的區域和光信號中最大畸變的頻譜區域上PSP對齊的中心點，由此減小二級PMD效應。本發明的改進還使補償器取向成抵銷信號在傳輸光纖中可能遇到的任何二級PMD，其方式是從傳輸光纖中遇到的二級PMD畸變中減去而不是加上補償器中產生的二級PMD畸變。
圖3表示一種產生前述修正的控制信號Vf的修改的畸變分析儀的實施例，其中如上所述，放大器460把放大的電信號提供給畸變分析儀。常規的三路分束器810把放大信號分成三個分別提供給寬帶功率探測器820、低通濾波器825和帶通濾波器840的信號。常規方式的探測器820傳遞一個信號(如與信號的整個頻譜的功率成正比的電壓水平)到達常規相加電路850的加法器埠851，另一方面，低通濾波器825隻允許頻譜低於例如2.5GHz的電信號部分通到探測器830。然後把信號出射探測器830提供到相加電路850的加法器埠852。帶通濾波器840對從三路分束器810接收到的信號濾波並只通過在預定頻段如以10GHz為中心的1GHz波段內的信號。然後經探測器845把信號出射濾波器840提供給相加電路850的負埠853。相加電路850以常規的方式從經埠851和852接收到的信號和中減去經埠853接收到的信號。然後畸變分析儀輸出一個反饋信號Vf，該信號反面加重信號預定頻譜周圍的頻譜，如10GHz周圍的頻譜。根據本發明的一個方面，這種加強致使補償器、如圖1所示的補償器425以高頻振蕩的形式基本上消除二級PMD效應導致發生的頻率色調。
由上述美國專利US5,930,414中的方程(9)表示的反饋電壓Vf以及圖3中畸變分析儀產生的修正的反饋電壓Vf可以由於PMD補償器425中(如偏振轉換器中)產生的與偏振有關的損耗(PDL)的存在而減小。反饋信號Vf可以從兩步平方律檢波中推出，並因此與總的接收到的光信號平方成正比。我們已經認識到，用光電探測器455接收到的平均光功率的平方除反饋電壓實質上減小補償器425中與偏振有關的損耗的反作用，並因此產生較高水平的PMD補償。
根據本發明的一個方面，這種精確度可以通過利用圖4中所示的電路設置達到，其中分頻器1005以常規的方式把高速光電探測器455(也示於圖1)輸出的電信號分成高頻(AC)成份和低頻(DC)成份。在本發明的實施例中，分頻器例如可以有一個或多個常規的互阻抗LC電路。包含與高速數位訊號中的畸變有關的信息的高頻成份在選擇放大後提供給畸變分析儀1010，也可以是例如圖2或3所示的畸變分析儀。具有與接收到的平均光功率成正比的水平的低頻(DC)成份被提供給常規的模擬平方電路1020。(在本發明的實施例中，平方電路例如可以是一個具有兩個輸出端連接在一起的模擬乘法器)。然後，把平方電路1020輸出端的信號提供給常規模擬觸發器1030的分母端D。從畸變分析儀1010得到的反饋電壓Vf0提供給除法器電路1030的分子端(N)。最後的商提供到分發器1030的輸出端成為反饋信號Vf，該信號已被接收到的光功率歸一化，消除了PDL所致的光功率漲落效應。
對PMD補償器425中發生的不希望的偏振-損耗效應的響應的降低以及自動偏振轉換器控制電路的所需動態範圍的減小是從本發明上述特徵取得的優點。
以上僅僅舉例說明了本發明的原理。本領域的技術人員可以作出多種在此沒有明顯表示和描述但仍實施本發明原理的那些處於本發明實質和範圍內的設置。例如，根據前述內容，對於熟練的操作者來說，高級PMD效應僅通過根據需要擴充補償器、如補償器425以包括高雙折射光纖的附加部分和偏振轉換器來處理是顯而易見的。
權利要求
1．一種補償器，用於補償在具有主要偏振態的光傳輸光纖中發生的偏振模式色散效應，補償器包括一個偏振轉換元件，用於對光傳輸光纖上接收到的光信號的主要成份偏振方向重新取向，一種裝置，用於把耦合到偏振轉換元件輸出端的信號分成預定數量的信號，每個信號具有一種垂直於兩個主要偏振態中相應一個的取向的偏振態，該裝置還用於延遲每個分割的信號一個可變的時間量；和分析儀裝置，具有一種把裝置輸出信號的一部分轉變成電信號的光轉換器和用於把轉換的信號分成多個信號並分別把分開的信號提供給第一、第二和第三分析儀部分的裝置，其中第一分析儀部分通過輸出信號的整個頻譜，第二分析儀部分只通過整個頻譜中低於預定頻率的部分，第三分析儀部分通過整個頻譜的預定頻帶，其特徵在於畸變分析儀包括相加第一和第二部分的輸出並從相加的和中減去第三部分的輸出以產生一個畸變指示、並用於把畸變指示提供給偏振轉換元件的設置和所述的裝置，並且其特徵還在於響應於畸變指示的水平變化的偏振轉變元件和裝置分別改變每個偏振態的取向和可變的時間量直到畸變指示達到預定的水平。
2．如權利要求1所述的補償器，其特徵在於第一部分包括一個寬帶電功率探測器，第二部分包括一個與寬帶電功率探測器串聯的低通濾波器，第三部分包括一個與寬帶電功率探測器串聯的帶通濾波器。
3．如權利要求1所述的補償器，其特徵在於補償器還包括接收裝置，用於處理輸出信號的所述部分以產生AC和DC成份，把AC成份提供給分束器以產生多個信號，把DC成份提供給對DC成份的值取平方的信號平方裝置，還包括用平方的信號值除相減所得的值並把相除的商作為畸變指示輸出的裝置。
4．一種補償器，用於補償在具有主要偏振態的光傳輸光纖中發生的偏振模式色散效應，補償器包括一個偏振轉換元件，用於對光傳輸光纖上接收到的光信號的特定成份的偏振重新取向，一種裝置，用於把耦合到偏振轉換元件輸出端的信號分成預定數量的信號，每個信號具有一種垂直於兩個主要偏振態中相應一個的取向的偏振態，該裝置還用於延遲每個分割的信號一個可變的時間量；和接收裝置，具有一個把裝置輸出信號的一部分轉變成預定的信號並由轉換的信號產生AC和DC成份的信號的光轉換器，其中接收器把AC成份的信號提供給畸變分析儀，測量AC成份中至少第一級PMD畸變的水平並輸出一個表示此畸變水平的信號，還把DC成份提供給信號平方裝置，並且其中補償器還包括除法器裝置，用平方了的信號水平除指示所述畸變的信號水平並把所得的商信號作為畸變指示提供給偏振轉換元件和上述的裝置，並且其特徵還在於響應於畸變指示的水平變化的偏振轉變元件和裝置分別改變每個偏振態的取向和可變的時間量直到畸變指示達到預定的水平。
5．如權利要求4所述的補償器，其特徵在於畸變分析儀包括一種裝置，用於把AC成份分成多個信號並把分開的信號分別提供給第一、第二和第三分析儀部分的裝置，其中第一分析儀部分通過輸出信號的整個頻譜，第二分析儀部分只通過整個頻譜中低於預定頻率的部分，第三分析儀部分通過整個頻譜的預定頻帶，並且其中畸變分析儀還包括相加第一和第二部分的輸出並從相加的和中減去第三部分的輸出以產生一個畸變指示、並把相減的結果作為分子提供給除法器裝置。
6．如權利要求5所述的補償器，其特徵在於第一部分包括一個寬帶電功率探測器，第二部分包括一個與寬帶電功率探測器串聯的低通濾波器，第三部分包括一個與寬帶電功率探測器串聯的帶通濾波器。
7．如權利要求4所述的補償器，其特徵在於畸變分析儀包括一種把AC成份分成多個信號並把分開的信號分別提供給第一和第二分析儀部分的裝置，其中第一部分包括一個寬帶電功率探測器，第二部分包括一個與寬帶電功率探測器串聯的低通濾波器，畸變分析儀還包括一個加法器電路，用於合併第一和第二部分的輸出並將和信號提供給除法器裝置。
8．如權利要求4所述的補償器，其特徵在於畸變指示器是一種反饋電壓。
9．一種畸變分析儀，包括轉換裝置，把光學裝置輸出的信號轉換成電信號並把轉換的信號分成多個信號；和第一、第二和第三分析儀部分，用於接收多個信號中的每一個，使得第一分析儀部分通過輸出信號的整個頻譜，第二分析儀部分只通過整個頻譜中低於預定頻率的部分，第三分析儀部分通過整個頻譜的預定頻帶，和一種裝置，用於相加第一和第二部分的輸出並從相加的和中減去第三部分的輸出以產生一個畸變指示、並把畸變指示提供給光纖裝置裝置。
10．一種裝置，包括轉換器裝置，把光學裝置輸出的信號轉換成電信號，一個接收器，用於把電信號轉換成AC和DC成份，把AC成份的信號分成多個信號，把把AC成份的信號提供給畸變分析儀的各個部分，平方裝置，把DC成份的值平方，和除法器裝置，用平方了的信號值除畸變分析儀的輸出，並把所得的商信號作為畸變指示提供給光學裝置，響應於畸變指示的接收的光學裝置改變輸出信號的水平直到畸變指示達到預定的狀態。
全文摘要
光信號在通過光傳輸光纖時遭受的偏振模式色散效應在一個利用雙折射補償器的接收器中得以補償,其中畸變分析儀重複檢查補償器輸出的信號並致使補償器根據檢查的結果減小這種偏振模式的色散效應。
文檔編號H04B10/18GK1309305SQ0013661
公開日2001年8月22日 申請日期2000年12月15日 優先權日1999年12月16日
發明者丹尼爾·A·菲西曼, 弗雷德·L·海斯曼, 戴維·L·威爾遜 申請人:朗迅科技公司