CN101277154B - 用于产生用于经由光纤链路传输到远程接收器的调制光学信号的光学发射器 - Google Patents

用于产生用于经由光纤链路传输到远程接收器的调制光学信号的光学发射器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于产生调制光学信号以供经由光纤链路传输到远程接收器的光学发射器，其包括：激光器；调制器，其用RF信号对所述光学输出信号进行外部调制以产生包括含有调制信息分量的光学信号；以及相位调制器，其耦合到所述调制器的输出端或直接耦合到所述激光器的输出端以用于降低或消除所述激光器中产生的噪声信号。

Description

用于产生用于经由光纤链路传输到远程接收器的调制光学信号的光学发射器
技术领域
本发明涉及一种用于模拟或数字信号的光学传输***，且明确地说，涉及一种使用外部调制固态激光器的***。此外，本发明涉及消除所述***中由半导体激光器内例如电荷载体的布朗运动等许多可能来源产生的噪声分量(白噪声)或由激光器的偏压电流或热环境中的波动产生的噪声(其与频率相反地变化，且因此通常称为“1/f”噪声)。
背景技术
用电信号直接调制发光二极管(LED)或半导体激光器的模拟强度被认为是此项技术中已知的用于在光纤上传输例如语音和视频信号等模拟信号的最简单方法。尽管此类模拟传输技术的优点在于与例如数字脉冲代码调制或者模拟或脉冲频率调制等数字传输相比具有显著较小的带宽要求，但使用振幅调制通常对发射器的噪声和失真特征提出较为严格的要求。
由于这些原因，在应用于采用具有零散射的光纤链路的短传输链路的情况下，已经结合1310nm激光器使用直接调制技术。对于应用于城域和长距离光纤传输链路，链路低损耗要求使用外部调制的1550nm激光器，通常越过非常长的距离(100km)和高频率(超过900MHz)。此类链路的限制因素可能是来自激光器的残余相位噪声的转换，所述残余相位噪声经由光纤链路中存在的散射而转换成振幅噪声。本发明因此专注于提供用于与激光器的相位噪声相关联的噪声消除的简单且低成本***的问题，使得模拟光学输出可用于城域和长距离光学网络，尤其是用于宽带RF信号的模拟传输。
激光器的直接电流调制还已知用于数字光学传输***，例如密集波分复用(DWDM)***。参看(例如)Kartalopoulos的“DWDM Networks，Devices，and Technology”(IEEEPress，2003，第154页)。
除了对1550nm模拟光学传输***所要求的低噪声特征以外，所述***还必须为高度线性的。特定模拟发射器中所固有的失真阻止线性电调制信号被线性转换为光学信号，而是致使所述信号失真。这些影响对于多信道视频传输特别有害，所述多信道视频传输要求极好的线性以防信道彼此干扰。高度线性化的模拟光学***广泛适用于商用模拟***，例如广播TV传输、CATV、交互式TV和视频电话传输。
作为对直接电流调制的替代方式，已知在现有技术中在光学传输***中使用连续波(CW)激光器的外部调制器。第5,699,179号美国专利描述一种外部调制的前馈线性化模拟光学发射器，其用于降低光纤诱发的复合二次(CSO)失真分量。
对光学和其它非线性发射器的线性化的研究已经有一段时间了，但所提议的解决方案在实践中具有缺点。上文论述的大部分应用所具有的带宽对于许多实际实施方案来说过大。用于线性化的前馈技术需要复杂的***组件，例如光功率组合器和多个光源。准光学前馈技术遭受类似的复杂性问题，且另外需要匹配得极好的零件。然而，如下文论述，用于相位噪声消除的前向技术是可使用许多开发良好的技术来实施的实用技术。
在本发明之前，尚未应用耦合到外部调制激光器的相位调制器以用于消除由激光器的半导体结构中的各种噪声源产生的相位噪声分量的目的。应注意，半导体激光器在其振幅(通常称为相对强度噪声)和其相位两者中展现噪声。这些噪声特性基本上与激光波长无关，但噪声可在单模式光纤传输中在不同波长处以不同方式出现。导致相位和振幅噪声的主要内部机制是激光器的作用区内的自发发射。由于自发发射的光子与经由受激发射产生的那些光子没有特定相位关系，因而所得光场的振幅和相位两者均受到影响。自发发射过程是众所周知的，且已经展示为由布朗运动过程描述，其中噪声频谱在操作频率内基本上是恒定的(白噪声)。在激光器外部，例如微音效应、温度波动和偏压电流噪声等环境影响还可在光场中产生相位噪声。这些事件通常导致光相位噪声，其展现具有“1/f”相关性的噪声频谱。
本发明设法通过前馈消除最小化来自半导体激光器的固有相位噪声而不管噪声的驱动机制如何。
发明内容
1.发明目的
本发明的目的在于提供一种使用外部调制激光器的改进光学传输***。
本发明的另一目的在于补偿用于光学传输***的激光器中的噪声。
本发明的再一目的在于提供一种用于外部调制1550nm模拟光学传输***以改进相位噪声降低的外部相位调制器。
本发明的又一目的在于提供一种适用于远距离色散光纤媒体且使用外部调制激光器连同耦合到光学信号的相位校正电路和相位调制器的高度线性光学传输***。
本发明的又一目的在于提供一种用于在适用于远距离色散光纤媒体的模拟光学传输***中降低来自外部调制激光器的残余相位噪声的相移电路。
本发明的目的还在于提供一种宽带模拟光学传输***中的相位噪声补偿过程。
2.发明特征
简单地说且概括地说，本发明提供一种用于产生调制光学信号以供经由光纤链路传输到远程接收器的光学发射器，其包括：激光器；调制器，其用于用RF信号对所述激光器进行外部调制以产生包括含有调制信息分量的光学信号；以及相位调制器，其耦合到所述调制器的输出端以用于消除所述激光器中产生的噪声信号。
在另一方面，本发明提供一种用于产生调制光学信号以供经由色散光学链路传输到远程接收器的光学发射器，其具有：半导体激光器，其用于产生具有相关联相位噪声的光学信号；噪声消除电路，其耦合到所述激光器的输出端且包括用于降低激光器中产生的相位噪声的光学相位调制器；以及外部调制器，其耦合到所述相位调制器的输出端且用于接收宽带模拟射频信号输入并调制所述光学信号。
在另一方面，本发明提供一种供经由色散光纤链路使用的光学传输***，其包括：具有模拟或数字RF信号输入的光学发射器；半导体激光器；调制电路，其用于外部调制所述激光器；以及用于消除与半导体激光器所产生的噪声相关联的光学相位调制分量的电路。
在本发明的另一方面，提供一种用于在模拟信号传输中降低相位噪声的噪声消除电路，其将来自半导体激光器的外部调制器的输出光学信号***成两个路径，一个通往相位调制器且另一个通往频率鉴别器。在振幅和相位上调整所述相位调制消除信号以匹配激光器产生的相位噪声的频率或相位相依性。所述信号的相位通过所述路径的一者中的延迟或相位调整元件同步。接着通过相位调制器重组主要和次要信号以产生只具有振幅调制的单个光学信号。因此，相位调制器以最小化所得相位噪声的方式调制来自半导体激光器的主要信号，从而使得模拟信号适于经由色散光纤链路传输。
根据此揭示内容(包括以下详细描述在内)以及通过实践本发明，所属领域的技术人员将了解本发明的额外目的、优点和新颖特征。当下文参看优选实施例来描述本发明时，应当了解本发明并不限于此。能够得到本文教示的所属领域的技术人员将认识到其它领域中的额外应用、修改和实施例，所述额外应用、修改和实施例属于在本文中揭示和主张的本发明范围内，且本发明可相对于其具有显著效用。
附图说明
通过结合附图参看以下详细描述，将更好地了解并更全面地理解本发明的这些和其它特征及优点，其中：
图1是现有技术中已知的外部调制光学传输***的高度简化方框图；
图2是根据本发明的光学传输***的第一实施例的高度简化方框图；
图3是根据本发明的光学传输***的第二实施例的高度简化方框图。
在所附权利要求书中陈述本发明的新颖特征和特性。然而，可通过结合附图参看对具体实施例的详细描述来最佳了解本发明本身以及其它特征和优点。
具体实施方式
现将描述本发明的细节，包括其示范性方面和实施例。参看附图和以下描述，相同参考标号用于识别相同或功能相似的元件，且希望以高度简化的图解方式说明示范性实施例的主要特征。此外，不希望附图描绘实际实施例的每个特征或所描绘元件的相对尺寸，且附图不是按比例绘制的。
图1是如第5,699,179号美国专利展现的利用外部调制器的现有技术光学发射器的方框图。所述发射器(通常用10展示)经由光纤路径30向远程接收器60发射光学信号。发射器10包括半导体激光器12，其产生连续波(CW)输出。此类激光器的典型实例是分布式反馈(DFB)激光器和/或Fabry-Perot激光器，其通常以1550nm的波长产生输出光束。来自激光器的未调制光学信号通过光纤14耦合到调制器16。调制器16可以是例如Mach-Zehnder调制器的单个调制器、级联MZ调制器或例如前馈线性化电路中的一个以上调制器。调制器16还经由端子18和线路20接收宽带RF信号，例如振幅调制残留边带(AM-SDB)电缆电视(CATV)或视频信号。此外，当使用前馈线性化电路时，经由端子22和线路24向调制器16提供去偏振信号。所述去偏振信号用于在调制器16中对到达误差校正调制器(未图示)的光学输入进行去偏振。
携载视频数据的经调制光学信号通过光纤链路26耦合到放大器28。放大器28通常是铒掺杂光纤放大器(EDFA)。经放大的光学信号耦合到通往接收器60的光纤传输线路30。所述光纤传输线路30可以是延伸经过几千米的长距离链路。在此情况下，可沿着所述线路在其中以间隔距离提供例如EDFA 28等线路放大器，以便将所述信号升压到所需电平。在接收器60处，还可提供放大器(未图示)以升压传入的光学信号。接着将经升压的信号施加到光电检测器且在接收器60处对其进行解调制以产生电信号，所述电信号代表线路50处的原始视频或数据信号。
图3是根据本发明第一实施例利用外部调制器的光学发射器的方框图。所述发射器(通常用200展示)将光学信号经由光纤路径30传输到远程接收器。发射器200包括半导体激光器101，其产生连续波(CW)输出。此类激光器的典型实例是分布式反馈(DFB)激光器和/或Fabry-Perot激光器，其通常以1550nm的波长产生输出光束。
图3***中所使用的边缘发射半导体激光器优选地是分布式反馈激光器(DFB)，但同样可以使用Fabry-Perot(FP)激光器。DFB激光器是优选途径，因为其光学输出主要包含在单个激光模式中，而FP激光器的光学能量散布在许多模式中间。在优选实施例中，所述激光器是激光器光输出波长在1530到1570nm范围内的外腔激光器。
来自激光器的未调制光学信号***成两个部分；第一部分通过光纤103耦合到调制器102。调制器102可以是例如Mach-Zehnder调制器的单个调制器、级联MZ调制器或例如前馈线性化器中的一个以上调制器。调制器102经由端子104和线路105接收例如振幅调制残留边带(AM-SDB)电缆电视(CATV)或视频信号的宽带RF信号或者数字信号。模拟信号可具有大于一个倍频程的带宽且携载多个信道。此外，当使用前馈线性化器时，类似于图1的配置那样向调制器提供去偏振信号。所述去偏振信号用于在调制器102中对到达误差校正调制器(未图示)的光学输入进行去偏振。
如上文提到的，激光器的光学信号输出***成两个部分：一个部分施加到调制器102；另一部分通过光纤106耦合到频率鉴别器107。
将频率鉴别器107的输出施加到衰减器108以恰当地调整所述信号的振幅，以与激光器101的相位噪声特征所引入的相位调制分量的振幅相称。
衰减器108的输出接着连接到相位偏移电路109。电路109校正施加到电路元件107、108的信号输出的与直接施加到调制器102的所述信号相比的时滞。在所关注的视频传输频带(对于传统CATV***为50MHz-1000MHz)中，半导体激光器101的相位噪声为“白”，即噪声的频谱功率密度与频率无关。在此情况下，相位校正路径106、107、108、109将需要具有恒定(可调整)增益，其延迟正好与主要路径103、102和110的延迟匹配。需要说明的一个方面是频率鉴别器107对信号的作用，具体地说是相位校正路径中的光学到电学转换过程的结果。当光电二极管检测到光学信号时，观测到称为散粒噪声的现象。此噪声是由在光电二极管中吸收光子以产生电子-空穴对的统计过程产生的。此噪声对于所有实践用途来说是不可避免的。因此，散粒噪声将对可实现的相位噪声消除量构成下限。
接着将相位偏移电路109的输出施加到相位调制器110，以进而通过其相位调制将相位校正引入到光学信号中以进而校正或补偿激光器所产生的噪声。
从光电二极管产生的光电流的频谱噪声密度给定为
<in 2>＝2eIp
其中e是电子电荷且Ip是DC光电流。所属领域的技术人员将立即了解到这样的事实：噪声功率对所接收的光学功率具有线性相关性，且因此受散粒噪声支配的过程的信噪比随着所接收功率的增加而得以改进。这代表所提议发明中的基本设计折衷。分接到相位校正路径106、107、108、109……中的较多功率将以发射器的光学输出功率为代价来改进最终相位噪声消除。
相位调制器110的输出经由光纤111耦合到放大器112，所述放大器112接着连接到光纤或链路30。在远端处，光纤或链路30连接到接收器，所述接收器将所接收的光学信号转换为RF信号，类似于图1中所展现的。
图2是根据本发明第二实施例利用外部调制器的光学发射器的方框图。所述发射器(通常用100展示)将光学信号经由光纤路径30传输到远程接收器。发射器100包括半导体激光器101，其产生连续波(CW)输出。此类激光器的典型实例是分布式反馈(DFB)激光器和/或Fabry-Perot激光器，其通常以1550nm的波长产生输出光束。来自激光器的未调制光学信号***成两个部分；一个部分通过光纤103耦合到相位调制器110。相位调制器110将相位校正引入到光学信号中，以进而校正或补偿激光器所产生的噪声。相位调制器110的CW输出耦合到调制器102，以产生含有调制信息的光学信号。
调制器102可以是例如Mach-Zehnder调制器等单个调制器、级联MZ调制器或例如前馈线性化器中的一个以上调制器。调制器102经由端子104和线路105接收例如振幅调制残留边带(AM-SDB)电缆电视(CATV)或视频信号等宽带RF信号或者数字信号。此外，当使用前馈线性化器时，类似于图1的配置那样，向调制器提供去偏振信号。所述去偏振信号用于在调制器102中对到达误差校正调制器(未图示)的光学输入进行去偏振。
如上文所述，激光器的光学信号输出被***成两个部分：一个部分施加到相位调制器110；另一部分通过光纤106耦合到频率鉴别电路107。
将频率鉴别器107的输出施加到衰减器108以恰当地调整所述信号的振幅，以与激光器101的相位噪声特征所引入的相位调制分量的振幅相称。
衰减器108的输出接着连接到相位偏移电路109。电路109校正施加到电路元件107、108的信号输出的与施加到相位调制器110的所述信号相比的时滞。在所关注的视频传输频带(对于传统CATV***为50MHz-1000MHz)中，半导体激光器101的相位噪声为“白”，即噪声的频谱功率密度与频率无关。在此情况下，相位校正路径106、107、108、109将需要具有恒定(可调整)增益，其延迟正好与主要路径103、102和110的延迟匹配。需要说明的一个方面是频率鉴别器107，具体地说是相位校正路径中的光学到电学转换过程。当光电二极管检测到光学信号时，观测到称为散粒噪声的现象。此噪声是由在光电二极管中吸收光子以产生电子-空穴对的统计过程产生的。此噪声实际上是不可避免的。因此，散粒噪声将对可实现的相位噪声消除量施加下限。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所属领域的技术人员将容易了解许多改变和修改。举例来说，尽管在视频或多信道TV信号调制激光器或发光二极管的上下文中进行描述和说明，但例如放大器等其它非线性装置的固有失真可在很大程度上通过此技术来消除。主要和次要路径中的信号的相对相位的精密调整在所说明的实施例中是在次要路径中，但这还可在具有粗略调整的主要路径中。次要路径是优选的，因为主要路径中的此类延迟可能对此路径具有不恰当的阻抗。
本发明的技术和装置的各个方面可在数字电路、或计算机硬件、固件、软件或其组合中实施。本发明的电路可在计算机产品(其有形地实施于机器可读存储装置中以供可编程处理器执行)中实施或在位于网络节点或网站处的软件(其可自动地或根据需要下载到计算机产品)上实施。前述技术可由(例如)单个中央处理器、多处理器、一个或一个以上数字信号处理器、逻辑门的门阵列或硬连线逻辑电路执行，用于执行一序列信号或指令程序以通过对输入数据进行操作且产生输出来执行本发明的功能。所述方法可有利地在可在可编程***上执行的一个或一个以上计算机程序中实施，所述可编程***包括至少一个经耦合以从数据存储***接收数据和指令且向数据存储***发射数据和指令的可编程处理器、至少一个输入/输出装置和至少一个输出装置。每一计算机程序可视需要以高级程序或面向对象的编程语言或以汇编或机器语言实施；且在任何情况下，所述语言可以是编译或翻译语言。举例来说，适宜处理器包括通用微处理器和专用微处理器两者。一股来说，处理器将从只读存储器和/或随机存取存储器接收指令和数据。适合于有形地实施计算机程序指令和数据的存储装置包括所有形式的非易失性存储器，举例来说包括：半导体装置，例如EPROM、EEPROM和快闪存储器装置；磁盘，例如内部硬盘和可移除盘；磁光盘；以及CD-ROM盘。任何前述装置可由特别设计的专用集成电路(ASIC)补充或并入在ASIC中。
将了解，上述元件中的每一者或者两者或两者以上在一起还可有效应用于与上述类型不同的其它类型的构造。
尽管已经将本发明说明并描述为在光学传输***中实施，但不希望其限于所展示的细节，因为可在不以任何方式脱离本发明精神的情况下作出各种修改和结构变化。
在不作进一步分析的情况下，前述内容将如此全面展现本发明的要点，使得其他人可通过应用当前知识来在不省略在现有技术立场上完全构成本发明一股或特定方面的本质特性的特征的情况下容易对其进行调适以用于各种应用，且因此此类调适应当且希望包含在所附权利要求书的等效意思和范围内。

Claims (17)

1.一种用于产生用于经由光纤链路传输到远程接收器的调制光学信号的光学发射器，其包含：
激光器，其用于产生包括频谱上的噪声扩展的基带光学信号；
调制器，其用于用RF信号对所述基带光学信号进行调制以产生含有调制信息的光学信号；
相位调制器，其耦合到所述调制器的输出端以用于接收所述含有调制信息的光学信号及用于通过消除与所述基带光学信号相关联的相位噪声来调整所述含有调制信息的光学信号，且产生与所述光纤链路藕合的输出光学信号；以及
相位校正电路，其耦合到所述激光器和所述相位调制器之间，所述相位校正电路包括具有输入端和输出端的频率鉴别器，所述频率鉴别器的所述输入端耦合以接收所述基带光学信号的一部分，所述频率鉴别器的所述输出端耦合到光电二极管以将与所述基带光学信号相关联的相位噪声转换为调制电信号用以控制所述相位调制器来提供所述相位噪声的前馈消除。
2.根据权利要求1所述的光学发射器，其中所述激光器是半导体激光器，且所述相位调制器消除与所述基带光学信号相关联的相位噪声。
3.根据权利要求1所述的光学发射器，其中所述RF信号是振幅调制残留边带电缆电视或视频信号。
4.根据权利要求1所述的光学发射器，其中所述调制器是Mach-Zehnder调制器。
5.根据权利要求1所述的光学发射器，其中从所述激光器输出的所述基带光学信号的波长范围从1530到1570nm。
6.根据权利要求1所述的光学发射器，其中所述RF信号是宽带模拟信号输入，其具有大于一个倍频程的带宽且包括多个相异信息携载信道。
7.根据权利要求1所述的光学发射器，其中所述相位调制器可依据所述光纤链路的长度而选择性地进行调整以补偿所述光纤链路中的色散所产生的失真。
8.根据权利要求1所述的光学发射器，其中分接到所述相位校正电路中较多功率将以所述发射器的光学输出功率为代价来改进最终相位噪声消除。
9.一种用于产生用于经由光纤链路传输到远程接收器的调制光学信号的光学发射器，所述光学发射器包含：
激光器，其用于产生包括频谱上的噪声扩展的基带光学信号；
相位调制器，其耦合到所述激光器的输出端以用于产生经相位调制的输出光学信号；
相位校正电路，其耦合到所述激光器的所述输出端，以向所述相位调制器提供电输入信号，以用于由所述相位调制器通过消除与所述基带光学信号相关联的相位噪声来调整所述基带光学信号；以及
调制器，其用于用RF信号对所述相位调制器产生的所述经相位调制的输出光学信号进行调制，以产生含有调制信息的光学信号。
10.根据权利要求9所述的光学发射器，其中所述激光器包括半导体激光器，且所述相位调制器在所述基带光学信号中提供相位噪声消除。
11.根据权利要求9所述的光学发射器，其中所述RF信号是数字信号。
12.根据权利要求9所述的光学发射器，其中所述调制器是Mach-Zehnder调制器。
13.根据权利要求9所述的光学发射器，其中所述相位校正电路与所述相位调制器耦合，且包含具有连接到所述激光器的所述输出端的输入端的频率鉴别器和耦合到所述频率鉴别器的光电二极管，以便将所述基带光学信号中的所述相位噪声转换为用以控制所述相位调制器的调制电信号。
14.根据权利要求9所述的光学发射器，其中从所述激光器输出的所述基带光学信号的波长范围从1530到1570nm。
15.根据权利要求9所述的光学发射器，其中所述RF信号是宽带模拟信号输入，其具有大于一个倍频程的带宽且包括多个相异信息携载信道。
16.根据权利要求9所述的光学发射器，其中所述相位调制器可依据所述光纤链路的长度选择性地进行调整以补偿所述光纤链路中的色散所产生的失真。
17.根据权利要求9所述的光学发射器，其中所述相位校正电路用于调整所述基带光学信号的振幅和相位。
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