波分復用城域光纖網的製作方法
2023-04-23 08:04:11
專利名稱：波分復用城域光纖網的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種波分復用(下面稱之為「WDM」)城域光纖網，特別是涉及一種利用負色散光纖及採用直接調製系統的WDM城域光纖網。
背景技術：
目前隨著包括網際網路在內的各種數據服務的迅速增加，網絡傳輸的傳輸容量也需要急劇提升。通過WDM光傳輸系統可以經濟地實現這種需求，WDM光傳輸系統可以多路復用幾種不同波長的光信號並將多路復用的光信號在單一光纖中傳播。目前，這種WDM光傳輸系統被廣泛地用來增加遠程網絡的傳輸容量。並且，該WDM光傳輸系統被廣泛地用於城域網中，例如區域網或區域網。
首先需要考慮的是實現該城域網是否有經濟效益。由此，最重要的是要選擇划算的發射器和光信號調製方案。
圖1表示基於現有光網絡中典型光纖波長的色散值。
如圖1所示，在現有光網絡中使用的典型光纖包括一種波長為1550nm、色散值大約為16ps/nm/km的常規單模光纖(下面稱之為SMF)；一種波長為1550nm、色散值為1.5ps/nm/km到4ps/nm/km的非零色散位移光纖(下面稱之為NZDSF)；和一種波長為1550nm、色散值大約為-7ps/nm/km的MetroCor光纖。
用於光網絡的發送器單元、將電信號轉換成光信號的調製方案通常分為外部調製和直接調製。在外部調製方案中，利用附加的外部調製器將雷射器輸出的光信號轉換成包含多個『1』和『0』的數位訊號。另一方面，在直接調製方案中，雷射器的驅動電流按照輸入信號改變。使用外部調製方案，因為在外部調製中使用了附加調製器，所以在調製的光信號中不會產生chirp。由此，使用外部調製方案可以實現遠距離傳輸。上述術語chirp的意思是指光信號的波長隨輸入的電數位訊號發生瞬時改變的現象。但是，在外部調製系統中使用的調製器需要高驅動電壓，這要求提供額外的高壓電信號放大器。因此，製作外部調製系統需要高額花費。另一方面，直接調製系統具有不需要附加調製器的優點，所以使用直接調製系統的花費相對較低。並且，直接調製系統可以使用其簡單的結構便可保證高輸出光功率。然而，使用上述直接調製系統，光信號的頻率會隨著雷射器內載流子密度的改變而改變，其結果是當光信號通過光纖時會產生chirp，其中時域脈衝的上升沿具有短波成分(藍移)，而時域脈衝的下降沿具有長波成分(紅移)。因此，展寬了信號譜寬，這樣，當信號通過光纖傳輸時會扭曲脈衝。
一些現有的典型光纖，例如SMF和NZDSF，各自具有正色散值。因此，在上述每種光纖所具有的脈衝中，當直接調製雷射器信號時，在產生的chirp中上升沿藍移而下降沿紅移。由於這個原因，在使用SMF或NZDSF傳輸直接調製信號時，加速了脈衝發散(pulse spread)，由此大大限制了傳輸距離。為了解決上述缺點，提出了光相結合或中跨度光譜轉換法用於轉換傳輸系統中間光信號的相位，從而控制脈衝發散，以及利用光濾波消除一部分由chirp產生的波長成分的方法。但是，這些方法都十分複雜，並會減少光纖的可用帶寬。因此，使用上述方法並不能顯著改進傳輸系統的性能。另外，用於控制在光纖中產生脈衝發散的方法，可以通過色散補償光纖(下面稱之為DCF)實現。但是，這種方法的缺點是由於DCF光纖比較昂貴，所以會增加組建網絡的成本，並且需要附加的光放大器來補償DCF光纖本身產生的損耗。為了解決上述問題和有效使用直接調製光信號的chirp特徵，重要的是控制光纖的色散值。特別是，光纖的色散值必須是具有小絕對值的負色散值。如圖1所示，當直接調製光信號通過具有負色散值的MetroCor光纖傳輸時，在反方向產生chirp，從而脈衝發散被有效控制。但是，MetroCor光纖的色散值在波長為1550nm時為-7ps/nm/km，其色散值的絕對值遠遠大於通過常規直接調製產生的chirp。特別是，當光信號的傳輸速度達到10Gb/s時，其通常用於城域網，該信號被直接調製，然後在MetroCor光纖中傳輸直接調製的光信號，最大傳輸距離不超過100km。因此，在組建使用MetroCor光纖的城域網時需要色散補償，考慮到城域網的長度基本上是從100km到200km，需要保護或修復的最大傳輸距離是300km或以上。因此，如上所述，這種色散補償增加了系統的複雜性並減少了系統的經濟效益。
發明內容
因此本發明考慮了上述問題，本發明的一個目的是提供一種經濟型波分復用城域光纖網，其使用的光纖能夠進行超過300km的遠距離傳輸而不需要色散補償或光濾波。
根據本發明，上述及其它目的可以通過使用波分復用城域光纖網實現，該網絡包含具有發送器和多路復用器的發送單元，發送器用於直接將光調製成具有不同波長的數字光信號和輸出被調製的光信號，多路復用器用於多路復用由發送器輸出的光信號和傳輸該多路復用信號；具有多路分離器和接收器的接收單元，多路分離器用於接收來自多路復用器的多路復用信號，將接收到的信號按各自的波長多路分離，然後輸出多路分離信號，接收器用於接收來自多路分離器的多路分離信號；和連接多路復用器和多路分離器的光纖，其中光纖在波長1550nm上具有-1ps/nm/km到-3.3ps/nm/km的負色散值，並有正色散偏差。
優選地，該網絡進一步包含至少一個光放大器設置在多路復用器和多路分離器之間。相鄰光放大器間的距離最好在10km到80km之間。
優選地，光纖零色散波長在1560nm到1595nm之間。
優選地，發送器每信道的傳輸速度為10Gb/s。
通過結合附圖的詳細說明將更加清楚地理解本發明的上述和其他目的、特徵及其他優點，附圖中圖1通過圖表顯示基於現有光網絡中使用的典型光纖的波長的色散值；圖2是示意框圖，說明根據本發明優選實施方式的波分復用(WDM)城域光纖網；圖3是示意框圖，說明使用如圖1所示的現有光纖的光網絡和根據本發明優選實施方式的光網絡的各種特徵測試形式；圖4包括分別說明如圖3所示的各個光網絡測量眼狀圖的圖表；圖5是說明基於如圖3所示光網絡中所用的各個光纖傳輸距離的測量Q值的圖表；圖6是說明光纖最大傳輸距離和相應色散值的圖表，其中在正負色散光纖的色散無補償的情況下傳輸直接調製信號之後，Q值保持在18dB或更大的值；和圖7a到7c是說明根據本發明優選實施方式的光網絡特性的圖表，這些特性使用多路復用在100GHz通路間隔上的16個WDM光信號進行測量。
具體實施例方式
圖2是說明根據本發明優選實施方式的WDM城域光纖網的示意框圖。
如圖2所示，本發明的WDM城域光纖網包含具有發送器和多路復用器的發送單元；具有多路分離器和接收器的接收單元；連接多路復用器和多路分離器的光纖；和設置在多路復用器和多路分離器之間、具有預定間隔的光放大器。
發送器根據輸入信號改變雷射器的驅動電流，以便將光直接調製成具有不同波長的數字光信號。多路復用器用於接收從發送器輸出的光信號，多路復用接收到的信號，並傳輸多路復用信號。
多路分離器用於接收從多路復用器中輸出的多路復用信號，基於各個波長多路分離接收到的信號，並輸出多路分離信號。接收器接收從多路分離器輸出的多路分離信號，將接收到的信號轉化為電信號，並輸出轉換信號。
負色散光纖可以用作連接多路復用器和多路分離器的光纖，該光纖在1560nm到1595nm之間具有零色散波長，在1550nm的波長上具有-1ps/nm/km到-3.3ps/nm/km的負色散值，並具有正色散偏差。當直接調製信號在具有正色散值的現有光纖中傳輸時，會加速脈衝發散。另外，如果負色散光纖的色散值的絕對值過大時會增加光信號的失真。另一方面，如果色散很小則會減少光信號的失真，即失真接近零。但在這種情況下，將會導致四波混頻現象(下面稱之為FWM)，其中不同波長的光信號相互混合產生新的幹擾信號。由此，本發明優選使用上述負色散光纖。
光放大器設置在多路復用器和多路分離器之間，用以補償光纖損耗。優選使用攙鉺光纖放大器(EDFA)。攙鉺光纖放大器用於放大具有1530nm到1565nm之間波長成分的光信號。因此，當系統傳輸放大波長範圍內的光信號時，通過攙鉺光纖放大器能防止由光纖損耗引起的光信號強度的降低以及傳輸距離的降低。在該實施方式中，光放大器以預定間隔設置，例如，兩個相鄰光放大器之間的距離為10km到80km。
如果需要，可以在多路復用器與多路分離器之間設置光上/下路模塊。
參照圖3，比較本發明的光網絡和使用如圖1所示光纖的光網絡。
圖3是示意框圖，說明使用如圖1所示的現有光纖的光網絡和根據本發明優選實施方式的光網絡的各種特徵測試形式。
圖3中的部分(a)表示本發明的光網絡，其中長度為320km的負色散光纖用於傳輸線路。光放大器以80km的間隔設置，用以放大調製信號。但未補償光纖色散。圖3中的部分(b)表示光網絡，其中長度為103km的MetroCor光纖用於傳輸線路。圖3中的部分(c)表示光網絡，其中長度為96km的NZDSF光纖用於傳輸線路。圖3中的部分(d)表示光網絡，其中長度為20km的SMF光纖用於傳輸線路。圖3中的部分(e)表示光網絡，其中長度為320km的SMF光纖用於傳輸線路，並且DCFs以80km的間隔設置用以補償色散。
如圖3所示，通常在每個光網絡的發送單元中設置直接調製雷射器(下面稱之為DML)。以每信道10GB/S的傳輸速度調製雷射器。在25℃時DML的閥值電流和波長分別為21.5mA和1550.12nm。應用在各自光纖的信號光功率是0dBm。在如圖3所示的光網絡中，僅使用一個DML，但可以在發送單元上提供多個具有穩定信道空間的雷射器。
用於本發明光網絡的光纖損耗在波長為1550nm時不超過0.2dB。用於本發明光網絡的光纖的色散值和零色散波長分別不大於-2.5ps/nm/km和1585nm。攙鉺光纖放大器(EDFA)用於光放大器，但在真正的城域網中也可使用光上/下路模塊來替代攙鉺光纖放大器。
在圖3部分(e)中所示的每個DCF光纖每千米的色散約為-80ps/nm，光損耗達到0.5dB甚至更多，從而需要額外的光放大器來補償信號損耗。通常額外使用兩級放大器。
對於圖3中的部分(a)-(e)，設置波導光柵(下面稱之為AWG)用作接收器，用於消除由光放大器放大的自發射噪音(ASE noise)。所用的AWG的3dB帶寬為0.32nm，大於信號的譜寬。所以，信號不會被過濾掉。
圖4的(a′)-(e)分別是表示圖3中所示的每個光網絡測量眼狀圖的圖表。圖4的(a′)表示測量雷射器輸出信號的眼狀圖，圖4的(a)-(e)表示利用如圖3所示的部分(a)-(e)光網絡在光信號被傳輸後所測量的眼狀圖。
該眼狀圖作為測量手段，用於指示光信號的失真程度。隨眼狀圖中眼開幅度的增大光信號的失真減少。
從圖4的(a)-(d)可以看出，對應圖3的部分(a)和(b)，即對於使用的光信號分別具有負色散值的情況，眼開幅度大；而對應圖3的部分(c)和(d)，即對於使用的光信號分別具有正色散值的情況，眼開幅度小。還可以看出，對應於圖3的部分(e)的眼開幅度高於具有正色散值光信號的眼開幅度，這是因為儘管使用的光纖具有正色散值，但色散通過使用的DCF進行了補償。
如上所述，當直接調製光信號經過光纖時會產生chirp，其中脈衝上升沿具有短波成份(藍移)，脈衝下降沿具有長波成份(紅移)。結果，展寬了信號譜寬，從而當傳輸距離增加時脈衝便會失真。但使用具有負色散值光纖時，能產生與上述偏移相反的波長偏移，結果使脈衝得到補償。因此，使用具有負色散值光纖時的眼開幅度要高於使用具有正色散值光纖時的眼開幅度。
圖5表示根據圖3中光網絡所用的各個光纖的傳輸距離進行測量的Q值。傳輸速度為每信道10Gb/s。
Q值是指接收單元中的光信號相對於噪音的比率。該Q值用來評價光傳輸系統的性能。通常，光傳輸系統的Q值必須保持在18dB(BER＜10-15)或更大。Q值越大，比特誤差越低。最終產生很少的錯誤。
從圖5中可以看出，針對圖3部分(d)的情況，即傳輸線路使用SMF，使Q值保持在18dB或更大時，最大傳輸距離不超過20km；針對圖3部分(3)的情況，即傳輸線路使用NZDSF，使Q值保持在18dB或更大時，最大傳輸距離不超過80km。從圖5中還可以看出，針對圖3部分(b)所示的情況，即傳輸線路使用MetroCor光纖，傳輸距離是103km之內時Q值為21.1dB。然而，當傳輸距離超過103km時光纖的色散值增加，從而使得Q值急劇降低。
針對圖3部分(a)的的情況，即對於本發明的光網絡，即使在傳輸距離達到320km甚至更遠時，Q值也能保持在20.2dB或更大並且無色散補償，由此可以看出，與圖3部分(e)中所示的使用了SMF和色散補償的光網絡相比，圖3部分(a)所示的光網絡的傳輸性能更為優異。圖3部分(e)的傳輸性能不如圖3部分(a)的原因在於它使用了額外的光放大器來補償發生在DCFs中的大量的光損失，從而降低了光信號相對於噪音的比率。
因此，可以理解，為了有效利用直接調製雷射器的chirp特性，光纖的色散值必須是具有小絕對值的負色散值，如本發明的光網絡中所用的。
圖6表示在正負色散光纖的色散無補償的情況下傳輸直接調製信號之後，在Q值保持在18dB或更大時的最大傳輸距離和光纖的相應色散值。假設每信道的傳輸速度為10Gb/s。
對於使用現有NZDSF的光網絡，NZDSF的色散值是+4ps/nm/km，在Q值為18dB時的最大傳輸距離約為80km，如圖1和圖5所示。因此，最大累積色散值(通過將Q值為18dB時的距離與光纖的色散值相乘而獲得的產物)為+320ps/nm。在使用本發明的光網絡時，色散值為-2.5ps/nm/km，Q值為18dB時的最大傳輸距離約為400km。因此，最大累積色散值為-1000ps/nm。在色散為正時，光纖的色散值必須小於1.1ps/nm/km，其通過將最大累積色散值320ps/nm除以傳輸距離300km得到，以便在直接調製時能在無色散補償的情況下傳輸光信號。另一方面，在色散為負時，光纖的色散值必須大於-3.3ps/nm/km，其通過將最大累積色散值-1000ps/nm除以傳輸距離300km得到，以便在直接調製時能在無色散補償的情況下傳輸光信號。換句話說，可以理解的是，光纖的色散值是在-3.3ps/nm/km到+1.1ps/nm/km的範圍之內。但是，為了使用光纖的chirp，光纖的色散值必須為負。因此，光纖的色散值優選在-3.3ps/nm/km到+0ps/nm/km的範圍內。另外，光纖的色散值必須是一個WDM光傳輸系統中的確定值或更大的值，在WDM光傳輸系統中幾個信道被多路復用後傳輸，所以不會降低FWM。因此，色散值的絕對值設置為1ps/nm/km左右。由此可以理解，光纖的色散值必須在-3.3ps/nm/km到-1.1ps/nm/km的範圍內，以便可以遠程傳輸10Gb/s的直接調製信號而不會因為光放大器中通常使用的c帶(1530nm-1560nm)範圍內的FWM而造成性能惡化。
因此，當光纖的色散值為-2.5ps/nm/km，波長為1550nm，零色散波長為1585nm時，這作為本發明光網絡中所用光纖的一個例子，眼開(eye opening)幅度最大，從而降低了光信號的失真。另外，Q值很高時會降低比特誤差，從而防止出錯。另外，傳輸距離可以增加到300km以上，因此可以遠距離傳輸信號而不會因為FWM而造成性能惡化。
圖7a到7c表示根據本發明實施方式的光網絡的性能，在100GHz的通路間隔上多路復用16個WDM的光信號來測量。
圖7a表示當16個WDM光信號在從1547.72nm到1559.79nm的波長上被傳輸時光信號的Q值，其中第5信道的光信號被直接調製，其它剩餘信道的光信號通過鈮酸鋰(LiNbO3)調製器外部調製。應注意的是，儘管所有信道的光信號都可以被直接調製，但只有第5信道的光信號被直接調製，這是由於直接調製雷射器被實驗性質所限制。
從圖7a可以看出，即使當傳輸距離達到320km時，每個信道的Q值還是19.5dB或更大，這與單信道信號相比產生的性能惡化可以忽略。
圖7b和7c表示FWM對WDM光傳輸系統造成的影響。如上所述，FWM表示將不同波長的光信號彼此混合以產生新的幹涉信號，作為WDM光傳輸系統中的幹擾信號。因此，FWM是惡化信號信號的重要因素。當傳輸多個信道時，主要在中間信道或光纖色散值最小的信道中產生FWM。但是，當信道在傳輸系統的波長範圍內時，FWM無法檢測。這種情況下，在傳輸時從發送單元中清除信道，以便發現該波段的FWM成份。圖7b表示在清除中間信道，即第8和第9信道的情況下FWM的測量結果。圖7c表示在清除光纖色散值最小的信道，即第15和第16信道的情況下FWM的測量結果。
從圖7b和7c中可以看出，在本發明的光網絡中沒有檢測到FWM成份，所以沒有惡化光信號。
通過以上的描述可以清楚，本發明提供一種波分復用城域光纖網，其可以採用直接調製系統和利用適當調節負色散值的光纖，從而減少了光信號的惡化，防止出錯，遠距離傳輸光信號超過300km且不會由於四波混頻而引起性能惡化。
另外，本發明還提供一種結構簡單的經濟型城域光纖網。
儘管為了說明的目的而公開了本發明的優選實施方式，但在不背離本發明所附的權利要求所公開的範圍和精神條件下，本領域的技術人員可以實施各種修改、添加和替換。
權利要求
1.一種波分復用城域光纖網，包含具有發送器和多路復用器的發送單元，其中發送器用於將光直接調製成不同波長的數字光信號並輸出調製的光信號；多路復用器用於多路復用來自發送器的光信號並發送該多路復用信號；具有多路分離器和接收器的接收單元，其中多路分離器用於接收來自多路復用器的多路復用信號，根據各自的波長多路分離接收到的信號，並輸出多路分離信號；接收器用於接收來自多路分離器的多路分離信號；和連接多路復用器和多路分離器的光纖，其中該光纖在波長為1550nm時具有從-1/ps/nm/km到-3.3/ps/nm/km的負色散值，以及正色散偏差。
2.如權利要求1所述的網絡，進一步包含至少一個光放大器設置在多路復用器與多路分離器之間。
3.如權利要求2所述的網絡，其中兩相鄰光放大器間的距離為10km到80km。
4.如權利要求1所述的網絡，其中光纖的零色散波長為1560nm到1595nm之間。
5.如權利要求1所述的網絡，其中發送器每信道的發送速度為10Gb/s。
全文摘要
本發明公開了一種波分復用城域光纖網。該網絡包含具有直接調製發送器和多路復用器的發送單元，用來多路復用光信號和發送多路復用的信號；具有多路分離器的接收單元，用於接收來自多路復用器的多路復用信號，多路分離接收到的信號並輸出多路分離信號；接收器，用於接收多路分離信號。該網絡還包含連接多路復用器和多路分離器的光纖。該光纖在波長為1550nm時具有從－1/ps/nm/km到－3.3/ps/nm/km的負色散值，以及正色散偏差。該網絡採用直接調製系統並使用光纖，其中光纖具有適當調節的負色散值，因此能降低光信號的失真，防止出錯，遠距離傳輸信號達300km以上且不會因為四波混頻而造成性能惡化。
文檔編號H04J14/00GK1531227SQ20041003953
公開日2004年9月22日 申請日期2004年2月5日 優先權日2003年3月12日
發明者鄭允喆, 鄭煥錫, 鄭允 申請人:韓國科學技術院