產生光的單邊帶信號的裝置和方法

2023-04-23 03:19:16 3

專利名稱：產生光的單邊帶信號的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及光的單邊帶(OSSB)傳輸，更具體而言涉及波分復用(WDM)信號。
信號單邊帶(SSB)提供一些高於常規的雙邊帶傳輸令人信服的優點。在常規的光調製格式中，發射兩個信息邊帶，通常稱為光的雙邊帶(ODSB)傳輸。與之不同，光單邊帶(OSBB)抑制一個邊帶，以降低發射的信號的頻率佔用。
這種情況可以通過把圖1A的信號單邊帶與圖1B的雙邊帶傳輸相比較很好地理解。如可以看到，圖1A中的SSB信號102需要圖1B中的雙邊帶信號104的帶寬的一半。換言之，在SSB的情況下，SSB信號的頻譜佔用有效地減半，因此與常規系統比較加倍了可供使用的發送信道的數量。
不容易從這些圖中看出的另一個使用SSB的原因是，OSSB信號對光導纖維引入的色散具有較高的寬容性。另外，由於在光信號檢波後的相位守恆使得OSSB信號在接收機方提供了有效的電均衡。出於這些原因就可以容易的解釋為什麼SSB是主要的傳輸方法。
不足為奇，這導致了產生OSSB信號領域的發展。在此涉及兩種不同的技術方案。第一種方案是使用一種光的配置和產生所述希望的光信號的電信號。第二種方案是使用有一個失諧的中心頻率的光濾波器。在第一種情況下，需要一個完整的光發射機，所述光發射機包含一個光源和一個外部的調製器裝置。然而如果不是不切實際地提供一個完整的光發射機和調製器也需要相當高的成本。在第二種情況下，由於在光域中抑制了不需要的光邊帶的事實，所述光信號由一個第三方或者遠程的設備產生。然而，如在下文中將看到的那樣，不那麼容易實現抑制邊帶而在光域中沒有失真。
而且當準備SSB信號的時候必須認識到可能會通過波長劃分復用(WDM)發射所述信號。WDM通過把輸入的光信號配屬到一定頻帶內的光的特定頻率(波長，或者說λ)來增加物理媒體(纖維)的承載容量。在一個WDM系統中，把每個波長發送進纖維，並且在接收終端對所述信號進行解復用。而且，每個WDM都有其自己專用的帶寬，意味著所有的信號都在同時抵達，而不是分解開並且在時隙中承載。
如果已經可以用SSB信號節省帶寬，顯然對通過WDM傳輸SSB信號有利。然而，為了做到此點，在復用前所述光信號就必須具有SSB特性(或者至少由於復用處理而具有SSB特性)。為此目的提出了三種公知的技術。例如，有人提出在發射機設備處以光的方式產生有SSB特性的信號。另一位提出WDM設備把輸入的光信號轉換到電域，並且使用一個完整的光發射機產生有SSB特性的光信號。最後，有人提出相對於每個光信道的中心波長使光多路復用器失諧。
上述的第一種技術要求使用特別為該目的設計的WDM專用發射機裝備。第二種技術因為要加倍所需要的光發射機數量性價比較低。第二種技術是高性價比的，然而SSB信號的特性，也就是不希望的邊帶抑制量強烈地取決於所使用的光纖的特性。
第三種技術的問題將參照圖2A和圖2B闡述。在這兩個圖中，使用一個失諧濾波特性204濾波光的輸入信號202。眾所周知，在濾波器失諧時，濾波特性有較好的機會跟蹤輸入光信號。然而，可以看到，在所述特性中的畸變引起濾波了的信號，即得出的SSB信號206，會被不正確地濾波。結果導致實際上不適當的一種SSB信號。
Henmi，在美國專利5,227,908中，公開了一種裝置，在本文中複製於圖3中，以使用一個光濾波器抑制邊帶中的一個。更加具體而言，Henmi的發射方300負責SSB抑制並且正是該部分形成當前討論的焦點。簡而言之，一個半導體雷射器301通過一個直流偏置源302發出的注入電流以一個載波光頻率振蕩。一個輸出光304由一個受由一個終端303輸入的一種發送信號驅動的外部調製器305調製。並且在傳送過一個光濾波器307以後光306變成一個發送信號光308，所述光濾波器起抑制邊帶信號成分的作用。
然而，事實還證明在提供準確代表輸入光信號中信息的SSB信號方面Henmi的裝置是不完善的。有人提出，其原因在該Henmi裝置，即部分300，產生光域中的信號。如Henmi所提出，光濾波器不能夠不使光載波衰減而實現邊帶的良好抑制。NEC提出的該技術的性能高度地取決於濾波器特性，也就是取決於衰減率。
這可以通過圖4A-4C清楚地闡述。在圖4A中，大量的信道402共享一個光纖到各個信號重疊產生串擾的程度。當用一個寬帶光復用器聚集光信號時這例如可以發生在一個信道密集的WDM系統中，例如有50GHz頻率間隔的40Gb/s的WDM系統中。當發生串擾404時，不可能對結合信道進行濾波。這可以從圖4B中看出，在該圖中濾波器406與相鄰信道相交。這導致圖4C中所示的復用信號408，這限制了總的性能。
諸如Henmi所提出的系統有這樣的後果。這種方案存在的一個問題是對光復用器要求的精確性以及復用器失諧頻率與信道光載波頻率之間可能存在的差別(由於溫度穩定性等原因)。
提供一個準確代表輸入光信號的OSSB會是有利的。在現有技術中沒有提供一種準確地抑制輸入光信號的一個邊帶的濾波器。因此，沒有提供把由於在一個復用的信號中結合數個信號而出現串擾考慮在內準確地單邊帶濾波一個輸入光信號的手段。

發明內容
從一個輸入光信號(502)產生一個單邊帶信號(504)。一個光的相位調製器(508)依據一個控制信號(520)在輸入光信號(502)上進行光的相位調製以產生所述單邊帶信號(504)。一個變換器(512)把輸入光信號(520變換成一個對應的電信號。一個控制信號發生器(514、516)響應所述輸入光信號(502)的光信號脈衝形狀產生控制信號(520)。
通過變換輸入光信號的一個部分並且把該部分變換成一種電信號從輸入光信號中產生一個單邊帶信號。該電信號用於在輸入信號的光信號脈衝形狀的基礎上產生一種控制信號。最後基於所述控制信號施加輸入光信號的一種光相位調製。
本發明的目的是提供一種適當濾波的波分復用OSSB信號。
在本發明的一個特定的方面，利用一種相移變換，譬如希爾伯特變換，來產生所述控制信號。
該方法和裝置的一個優點是，基於在電域中發生的一種控制信號來調製光信號。換言之，不用把光信號「完全地」變換成電形式調製的光信號。這使得能夠把光的雙邊帶信號變換成單邊帶信號，而不用把原信號變換到電域中，把原信號變換到電域中會使信號畸變。
本發明的濾波器有利地適應輸入光信號的形狀。應當理解在此闡述的示例性濾波器特別適用於強度調製的信號。這是因為，所選取的濾波器濾波在數學上以方程中的平方根式項表達的功率信號。這在實踐中應當是沒有問題的，因為一般地多數信號都是強度調製的。無論如何，可以按本發明的基本構思採用其它的濾波器，從而為任何信號形狀而得到上述優點。這意味著對有任何光帶寬和頻譜形狀的光信號證實了所述抑制。用固定的光濾波器，所述邊帶之一中被抑制的功率根據所用的脈衝形狀而發生改變。然而在所提出的濾波器的情況下，得到原脈衝形狀在電域中的複製品，並且本發明從中產生一種電信號以依據原脈衝形狀抑制邊帶。以此方式，可以說本發明適用於光脈衝形狀。
另一個優點是當採用直接檢波系統時在光信號中不會引入幅度畸變。
本發明的另一個優點是光的帶寬降低到一半，加倍了WDM系統的信道數量。
另外，所述OSSB信號對光纖中引起的色散更加寬容並且允許電的色散補償。對於色散效應的充分理解可以參閱M.Siben等的文章「Optical single sidebandtransmission at 10Gb/s using only electrical dispersion(只使用電色散補償的10Gb/s光單邊帶傳輸)」，IEEE Journal of Lightwave Technology，第17卷，n°10，1999年10月期，1742-1749頁。


以下附圖示出本發明的至少一個實施例。
圖1A和圖1B分別示出了SSB和DSB；圖2A和圖2B示出失諧的濾波；圖3示出一個過時的SSB濾波器；圖4A-圖4C示出串擾的效果；圖5A和圖5B示出本發明；而圖6A和圖6B示出使用本發明濾波的一個例子。
具體實施例方式
在圖5A中示出所提出的本發明的自適應光濾波器500的配置，用於轉換輸入光信號502以得到OSSB信號504。該輸入信號502被饋送到一個分離器，譬如光分接頭506，所述分離器分流所述輸入光信號功率的一部分。不分流的部分通過一個光相位調製器508調製到光域中。可以供選擇地插入一個延遲線510以考慮到電處理的元件延遲。
繼續地，一個光探測器512把由光分接頭506分流的部分功率轉換成一個電信號。所述光探測器512例如可以是一個光電二極體。使用該光電二極體，電信號跟蹤輸入光信號的載波信號，從而產生所述光信號的包絡，或者說所述光信號的信息信號。
然後用經轉換的電信號產生一個濾波控制信號，所述濾波控制信號跟蹤要求得到輸入光信號單邊帶的邊帶形狀。在此情況下，本發明採用一個相移型變換。在本發明的一個方面，發現希爾伯特變換具有提供良好地跟蹤光信號形狀的優越特性。一個增益控制件516基於光相位調製器的輸入要求設定正確的偏置和調製電壓。在本發明的一個變例中，還設有一個電的處理單元518，所述電處理單元用於對轉換了的電信號重新整形。
本發明可以考慮具有兩個分開的部分或者說域。光域522處理光域中的那個部分的輸入光信號，而電域524處理在電域中轉換成電信號的那個部分信號。
儘管不是本發明的主要部分，本發明的一個目標是準備WDM處理用的OSSB信號。
為此目的，並且出於完整性，圖中示出一個WDM復用所述OSSB信號504的WDM部件526。
現在已經說明了圖5A的物理布局，下面參照圖示的元件說明本發明的工作情況。光輸入信號502被光分接頭506分成兩個部分。在一個方面轉向了功率譜的一部分。把這兩個功率部分之一送到光相位調製器508。另一個部分發送到光探測器512。
由Eout(t)表達的光相位調製器的輸出電場可以用下式表示Eout(t)＝Ein(t)·exp[j·g(t)] (1)式中t為時間，而g(t)是電的驅動信號。Ein(t)是光相位調製器中的電輸入信號。光相位調製器當前可以在市場上購到，其特性在本文中不作說明。
使用對特定的電部件調整的光延遲線510可以造成電域524中可能的延遲。該光的延遲把現實世界中不完善的非理想部件考慮在內以把光信號與電信號對齊。
光探測器512把光信號轉換到電域中。該電信號代表輸入光信號的信息信號。這可以用跟蹤輸入光信號包絡的一個光電二極體完成。
如前已述，經轉換的電信號可能需要重新整形。例如，如果所述轉換器是非線性的，它就會改變信號的形狀。為了得到所希望的信號形狀，設有一個電的模擬處理器518。一般地，所希望的信號是對數的，並且，從而電的處理器518利用一種對數函數。這可以用以下面的對數函數f(x)給出f(x)＝0.5·log(x)(2)式中x是光探測器輸入處的電信號。該響應可以通過一個非線性電放大器得到。在本文中進一步示出兩個交替的電模擬處理器。
在電處理以後，對轉換了的電信號施加所述相移變換函數。在該優選的實施方式中，所述變換是一種電的希爾伯特濾波器(514)。就公式(2)而言，採用該希爾伯特濾波器得到f(x)的希爾伯特變換。本發明的響應是自適應的，因為圖5A中所示完整配置的響應取決於光信號脈衝形狀。
然後增益控制方框516校正偏置和應施加到光相位調製器上經濾波的電信號的調製電壓。因為這些基於光相位調製器的特定物理要求，這留給本領域一般技術人員根據產品文獻確定。
更加詳細地，為本發明選擇的變換是相移類型的。基本上，有三個方法抑制功率。它們是相移方法、失諧濾波和公知的Weaver氏方法。本發明認為相移方法對其它方法有優勢。對此的一個原因是希爾伯特變換抑制頻譜成分。
希爾伯特變換的優點可以參考K.Power的文章「The compatibility problem insingle-sideband transmission(單邊帶傳輸中的兼容性問題)」(Proc.IRE48卷1431-1435頁，1960年8月)較好地理解，該文說明引入的相位調製如何抑制一個邊帶。與本發明不同的是，Power沒有認識到使用希爾伯特變換抑制光邊帶的潛力。顯然，Power沒有說明一個希爾伯特變換可以如何應用於光的領域。
基本上，Power揭示了無法使用常規包絡探測器達到「標準」SSB信號的無畸變的檢波。儘管Power詳細地討論了什麼引起畸變，我們在本文中不鑽研數學分析而是因循引述的文字。
考慮α(t)是用信息信號調製的電場包絡，在此t是時間。為了解決相同的問題，Power提出通過對α(t)引入一種相位調製實現邊帶抑制的理論。Power根據下面的表達式(3)對此加以數字表述(t)=(t)exp[i-logt-d]---(3)]]>以上表達式表明，可以沒有畸變地從作為指數函數形式的調製函數的一個因子的信號α(t)中傳輸的信息檢出包絡φ(t)。換言之，光的相位調製按照指數進行。以此為基礎Power假設可以使用一種平方律探測器得到無畸變檢波包絡。與α(t)對數正交的信號由α(t)對數的希爾伯特變形提供。α(t)的對數的希爾伯特變換由括號內的表達式代表，去掉i(i只用於得到一種相位調製)。信號x(t)的希爾伯特變換，即HT[x(t)]由下式給出HT[x(t)]=1-xt-d---(4)]]>
在表達式(4)中，積分階是μ。使用該積分和項1/[π·(t-μ)]與希爾伯特變換相關。X(μ)是要通過希爾伯特變換器變換的信號。
如前所述，可以應用兩個可供選擇的電模擬處理器使用相位調製得到邊帶抑制。這兩個電模擬處理器都基於由Villard提出的一種相位調製[參見H.Hahn的「Hilbert transforms in signal processing(信號處理中的希爾伯特變換)」(Artech HousePublisher，Boston，1996)。用這樣的相位調製得到的包絡Ψ(t)由下式給出ψ(t)＝α(t)·exp[i·HT(α(t))] (5)在此情況下，不能夠得到完全的邊帶抑制，因為表達式(5)基於泰勒展開的數學近似。第一個可供選擇的處理器利用由下式給出的非線性函數f(x)f(x)=xx---(6)]]>其中，x是x的平均值。通過正確設定所述增益控制方框得到由式(5)說明的包絡。第二個可供選擇的處理器利用α(t)的平方具有與α(t)相似的形狀的假設。例如一個幅度為1的方波脈衝的平方還是一個幅度為1的方波脈衝。在該假設的條件下，第三個可供選擇處理器利用由下式給出的函數f(x)f(x)=xx---(7)]]>本發明不盲目地遵從Power的理論或者本發明可以供選擇地使用的一些理論，譬如Villard理論，而是根據本發明的特定安排改變了其理論。在本發明的情況下，α(t)是用存在於所提出的裝置的輸入中的信息調製的電場包絡。本發明的輸入處存在的功率的部分被提取到電的控制電路。在所述電的控制電路的輸入處，平方律探測器把所提出的裝置的輸入處的總功率的一部分的電場進行平方運算。為了說明其原因我們使用由式(2)給出的函數f(x)取電信號的平方根。
本發明中的一個可供選擇的配置示於圖5B中。在此情況下，圖5B類似於圖5A中的情況。在此，相位調製由帶有兩個並聯的馬赫-策恩德爾幹涉器528a、b的結構進行。在輸出處的光場由下式給出
Eout(t)＝Ein(t)·exp[j·g(t)]＝Ein(t)·{cos[g(t)]+jsin[g(t)]} (8)項cos[g(t)]可以在上馬赫-策恩德爾幹涉器(Mach-ZehnderMZ)的輸出處得到，並且項j.sin[g(t)]可以在下MZ的輸出處得到。儘管這可以容易在數學上實施，但是與圖5A中所示的配置相比在該圖中所示的配置較為複雜。
利用以上所描述的本發明，可以沒有畸變地得到一種OSSB信號。從以上說明，特別是參照圖5A和圖5B，可以理解，得到光SSB信號而不用把完整的輸入光信號轉換到電域。這使得能夠把光的雙邊帶信號轉換成單邊帶信號而不用把原信號轉換到電域。
而且在使用直接檢波系統時在光信號中不引入任何幅度失真。這可以通過向電的輸出信號上施加平方律檢波證實，在此由式(9)給出|Eout(t)|2＝|Ein(t)·exp[j·g(t)]|2＝|Ein(t)|2(9)如前所述，由於採用SSB的本發明，光的帶寬降低到一半，加倍了WDM系統中的信道數量。還指出過，OSSB信號更加寬容由於光纖中傳輸引起的色散並且允許電的色散補償。
所提出的濾波器適用於輸入光信號的形狀，特別是對屬於強度調製的信號得到上述的優點。這意味著對於任意帶寬和頻譜形狀的光的信號，特別是對於強度調製的光信號，證實了抑制。
從以上說明還可以理解，本發明適用於不同的輸入光信號形狀。可以使用截然不同的脈衝形狀把信息調製進光載波。調製的光信號所佔據的帶寬依據這些脈衝形狀而改變。
另外，本發明解決了前述的串擾問題。在示出在圖6A和圖6B中，其中如總體上用標號602所指代，本發明應用於本發明的各個信道(1-n)。如從圖中可見，復用的輸出信號(f1-f4)640被準確地SSB濾波。本發明可以在緻密WDM設備的輸入處應用於各個光信道上並且可以無畸變地使用一個寬帶復用器聚集信道。
儘管以上參照具體的實施方式說明了本發明，應當理解可以在本發明構思與範疇內修改本發明。
權利要求
1.用於從一個輸入光信號(502)產生一個單邊帶信號(504)的裝置(500)，其特徵在於，一個光的相位調製器(508)依據一個控制信號(520)在輸入光信號(502)上進行光的相位調製以產生所述單邊帶信號(504)，一個變換器(512)，所述變換器把輸入光信號(520)的一部分變換成一個對應的電信號，和一個控制信號發生器(514、516)，所述控制信號發生器(514、516)響應被表示在所述輸入光信號(502)的該部分中的光信號脈衝形狀來產生控制信號(520)，該輸入光信號被轉換成電信號。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，採用以下的表達式實施所述電的模擬處理器f(x)＝0.5.log(x)式中，x代表轉換了的電信號。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，採用以下的表達式實施所述電的模擬處理器f(x)=xx]]>式中，x代表轉換了的電信號，而x代表x的平均值。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，採用以下的表達式實施所述電的模擬處理器f(x)=xx]]>式中，x代表轉換了的電信號，而x代表x的平均值。
5.如以上權利要求之一所述的裝置，其特徵在於，波長劃分復用器(526)對單邊帶信號(504)進行波長劃分復用。
6.如以上權利要求之一所述的裝置，其特徵在於，光的相位調製器(508)在輸入光信號(502)上進行光的相位調製，在輸入光信號(502)的至少一個邊帶上抑制光功率。
7.如以上權利要求之一所述的裝置，其特徵在於，控制信號發生器(514)採用一種相移變換函數。
8.如以上權利要求之一所述的裝置，其特徵在於，控制信號發生器(514)採用一種希爾伯特變換函數(514)。
9.如以上權利要求之一所述的裝置，其特徵在於，控制信號發生器(514)包括一個電的模擬處理器，所述電的模擬處理器把電的信號重新整形成為一種控制信號發生器所期望的形狀。
10.如以上權利要求之一所述的裝置，其特徵在於，在光相位調製器之前引入一個延遲(510)，所述延遲計入了由於電部件延遲而引起的在電信號中的延遲。
11.如以上權利要求之一所述的裝置，其特徵在於，一種光分接頭(506)把輸入光信號(502)功率的一部分轉向到所述轉換器。
12.用於從一個輸入光信號(502)產生一個單邊帶信號(504)的方法，其特徵在於，把輸入光信號(520)的一部分分成一個對應於該輸入光信號的電信號，和基於被表示在輸入光信號的部分中的光信號脈衝形狀來產生一個控制信號，所述輸入光信號被轉換成電信號，以及基於所述控制信號對所述輸入光信號進行光相位調製。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，產生的步驟利用一個希爾伯特變換跟蹤所述輸入光信號的形狀。
14.如權利要求12-13之一所述的方法，其特徵在於，把該輸入光信號(502)的功率信號分出一部分。
15.如權利要求12-14之一所述的方法，其特徵在於，通過所述光相位調製的步驟來對所調製的光信號進行波長劃分復用。
16.如權利要求12-15之一所述的方法，其特徵在於，使該光相位調製器相對於輸入光信號的中心頻率失諧。
全文摘要
從一個輸入光信號(502)產生一個單邊帶信號(504)。一個光相位調製器(508)根據一個控制信號(520)在輸入光信號(502)上進行光的相位調製以產生所述單邊帶信號(504)。一個變換器(512)把輸入光信號(520)的一部分變換成一個對應的電信號。一個控制信號發生器(514、516)響應被表示在轉換成電信號的輸入光信號的部分中的所述輸入光信號(502)的光脈衝形狀產生控制信號(520)。
文檔編號H04B10/508GK1943148SQ200680000102
公開日2007年4月4日 申請日期2006年1月4日 優先權日2005年1月20日
發明者D·方塞卡, A·卡塔索, P·蒙泰羅 申請人:西門子公司