200840362 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於類比信號之光學傳輸系統，且特 疋言之係關於一種直接調變或外部調變固態雷射器。此 外，本發明係關於消除由半導體雷射器内諸如電荷載流子 之布朗運動之諸多可能來源產生之白雜訊分量（白雜訊）或 由雷射器之偏壓電流或熱環境中之波動產生之雜訊（其與 頻率相反變化，且因此通常稱為” 1/f”雜訊）。 【先前技術】 認為用電信號直接調變發光二極體（LED)或半導體雷射 态之類比強度為此項技術中已知之用於於光纖上傳輸諸如 語音及視訊信號之類比信號的最簡單方法。儘管此^類比 傳輸技術之優點在於與諸如數位脈衝代碼調變或者類比或 脈衝頻率調變之數位傳輸相比具有顯著較小之頻寬要求<， 但使用振幅調變通常對傳輸器之雜訊及失真特徵提出較為 嚴格之要求。 由於此等原目，在應用於採用$有零散射之光纖鍵路之 短傳輸鏈路之情況下，已經結合1310 nm雷射器使用直接 調變技術。對於應用於城域及長距離光纖傳輸鏈路，鏈路 2損耗要求使用外部調變之1550 nm雷射器，通常越過非 *長之距離（100 km)及高頻率（超過900 MHz)。此類鏈路之 限制因素可能為來自雷射器之殘餘相位雜訊之轉換，該殘 餘相位雜訊經由光纖鏈路中存在之散“轉換成振幅雜 訊。本發明因此專注於提供用於與雷射器之相位雜訊相關 127009.doc 200840362 聯之雜訊消除之簡單且低成本系統的問題，以便類比光學 輸出可用於城域及長距離光學網路，尤其用於寬頻RF信號 之類比傳輸。 雷射器之直接電流調變亦已知用於數位光學傳輸系統， 諸如高密度分波多工（DWDM)系統。參看（例 如）Kartalopoulos 之”DWDM Netw〇rks，Devices，and
TeChn〇l〇gy”（lEEE Press，2003，第 154 頁）。 除對於1550 nm類比光學傳輸系統所要求之低雜訊特徵 以外，该系統必須為高度線性。特定類比傳輸器中固有之 失真阻止將線性電調變信號線性轉換為光學信號，而是致 使該信號變成失真。此等影響對於多通道視訊傳輸特別有 σ "亥夕通道視訊傳輸要求極佳之線性以防通道彼此干 擾。高度線性化之類比光學系統廣泛適用於商用類比系 統，諸如廣播TV傳輸、CATV、互動式…及視訊電話傳 輸。 作為對於直接電流調變之替代方式，已知於先前技術中 =光學傳輸系統中㈣連續波（cw)雷射器之外部調變器。 第5,699，179#u美國專利描述—種外部調變之前饋線性化類 比光學傳輸器’其用於減少光纖誘發之複合二次（cs⑺失 真分量。 對光學及其它非線性傳輪器之線性化之研究已經持續_ 段時間，但所提議之解決方案在實踐中具有缺點。上文論 述之大部分應賴具有之頻寬對於許多實際實施方案^ 過大。用於線性化之前饋技術f要複雜之系統組件，諸如 127009.doc 200840362 光功率組合器及多個光源。準光學前饋技術遭受類似之複 雜性問題，且進而需要匹配極佳之零件。然而，如下文論 述，用於相位雜訊消除之前饋技術為可使用許多開發良好 之技術實施之實用技術。 在本發明之前，尚未應用耦合至外部調變雷射器之相位 調變器以用於消除由雷射器之半導體結構中之各種雜訊源 產生之相位雜汛分量之目的。應注意，半導體雷射器在其 振幅（通常稱為相對強度雜訊）及其相位中均展現雜訊。此 等雜訊特性本質上與雷射波長無關，但雜訊可在單模式光 纖傳輸中在不同波長處以不同方式出現。導致相位及振幅 雜λ之主要内部機制為雷射器之活性區内之自發發射。由 於自發發射之光子與經由受激發射產生之彼等光子無特定 相位關係，因而所得光場之振幅及相位均受影響。自發發 射過耘為热知的，且已經展示為由布朗運動過程描述，其 中雜訊頻譜於操作頻率内本質上恆定（白雜訊）。在雷射器 外部，諸如微音效應、溫度波動及偏壓電流雜訊之環境影 響亦可於光場中產生相位雜訊。此等事件通常導致光相位 雜訊，其展現具有”l/f”相依性之雜訊頻譜。 本發明設法藉由前饋消除最小化來自半導體雷射器之固 有相位雜訊而不論雜訊之驅動機制如何。 【發明内容】 i 發明目的 本發明之目的在於提供一種使用外部調變雷射器之改良 光學傳輸系統。 127009.doc 200840362 本發明之另一目的在於補償用於光學傳輸系統之雷射器 中之雜訊。 本叙明之再一目的在於提供一種用於外部調變丨55〇 nm 類比光學傳輸系統以改良相位雜訊降低之外部相位調變 器。 、 本發明之又一目的在於提供一種適用於遠距離分散光纖 媒體且使用外部調變雷射器連同耦合至光學信號之相位校 (、 正電路及相位調變器之高度線性光學傳輸系統。 本t月之又目的在於提供一種用於在適用於遠距離分 政光纖媒體之類比光學傳輸系統中降低來自外部調變雷射 器之殘餘相位雜訊之相移電路。 本發明之目的亦在於提供一種寬頻類比光學傳輸系統中 之相位雜訊補償過程。 2 · 發明特徵 簡單且概括而言，本發明提供一種用於產生調變光學信 〇 唬以經由光纖鏈路傳輸至遠端接收器之光學傳輸器，其包 括·雷射器；調變器，其用於用RF信號外部調變該雷射 、 器，以產生包括含有調變資訊分量之光學信號；以及相位 凋文器，其耦合至該調變器之輸出端，以用於消除該雷射 • 裔中產生之雜訊信號。 另恶樣中’本發明提供一種用於產生調變光學信號以 經由分散光學鏈路傳輸至遠端接收器之光學傳輸器，其具 有·半導體雷射器，其用於產生具有相關聯相位雜訊之光 子L唬，雜訊消除電路，其耦合至該雷射器之輸出端，且 127009.doc 200840362 :括用於降低雷射器中產生之相位雜訊之光學相位調變 态，以及外部調變1立 ° ，、輕合至該相位調變器之輸出端且 用於=寬頻類比射頻信號輸人且調變該光學信號。 另心樣中，本發明提供一種用於經由分散光纖鏈路使 用之光學傳m其包括：具有類比或數位職號輸入 之光學傳輸器；半導體雷射器；調變電路，其用於外部調
丈該田射…以及用於消除與半導體雷射器所產生之雜訊 相關聯之光學相位調變分量之電路。 本發月之另_悲樣中，提供_種用於在類比信號傳輸中 降低相位雜訊之雜訊消除電路，其將來自半導體雷射器之 外部調變器之輸出光學信號***成兩個路徑，—個通往相 位调變器且另-個通往頻率鑑別器。於振幅及相位上調整 該相位調變消除信號，以匹配雷射器產生之相位雜訊之頻 率或相位相依性。該等信號之相位藉由該等路徑之一者中 之延遲或相位調整元件同步。接著藉由相位調變器重組主 要及次要信號，以產生僅具有振幅調變之單個光學信號。 因此相位调變器以最小化所得相位雜訊之方式調變來自 半導體雷射器之主要信號，從而使得類比信號適於經由分 散光纖鏈路傳輸。 根據此揭示（包括以下詳細描述在内）以及藉由實踐本發 明’熟習此項技術者將易於瞭解本發明之額外目的、優點 及新穎特徵。儘管下文參看較佳實施例描述本發明，但應 瞭解本發明並不限於此。能夠得到本文教示之普通熟習此 項技術者將認識到其它領域内之額外應用、修改及實施 127009.doc 200840362 例，該等額外應用、修改及實施例屬於在本文中揭示及主 張之本發明範圍内，且本發明可相對於其具有顯著效用。 【實施方式】 現將描述本發明之細節，包括其例示㈣樣及實施例。 參看附圖及以下描述，4目同參考標號用於識別相同或功能 相似之元件’且希望以高度簡化之圖解方式說明例示性實 施例之主要特徵。此外，不希望附圖描繪實際實施例之每 個特徵或所描繪元件之相對尺寸，且附圖並非按比例繪 製。 囷為如第5,699，179號美國專利中展現之利用外部調變 為之先則技術光學傳輸器之方塊圖。該傳輸器（通常用ι〇 展不）經由光纖路徑30向遠端接收器6〇發射光學信號。傳 輸：ίο包括半導體雷射器12，其產生連續波(cw)輸出。此 類語射w之典型實例為分布式反饋（dfb)雷射器及/或 雷射11，其通常以1550 nm之波長產生輸出光 束來自雷射器之未調變光學信號藉由光纖14耦合至調變 σσ 16凋變器16可為諸如Mach-Zehnder調變器之單個調變 裔、級聯MZ調變器或諸如前饋線性化電路中之一個以上 凋支裔。调變器16亦經由端子18及線路20接收寬頻rf信 號諸如振幅調變殘留邊帶（am_sd⑴有線電視或
視訊仏唬。此外，當使用前饋線性化電路時，經由端子U 及線路24向調變器16提供去偏振信號。該去偏振信號用於 於凋、文斋16中將到達誤差校正調變器（未圖示）之光學輸入 去偏振。 127009.doc 200840362
攜載視訊資料之經調變光學信號藉由光纖鏈路26耦合至 放大器28。放大器28通常為铒摻雜光纖放大器（EDFA)。經 放大之光學信號耦合至通往接收器60之光纖傳輸線路30。 該光纖傳輸線路3 0可為延伸經過若干千米之長距離鏈路。 在此情況下，可沿著該線路在其中以間隔距離提供諸如 EDFA 28之線路放大器，以便將該信號升壓至所需位準。 在接收器60處，亦可提供放大器（未圖示）以升壓傳入之光 學h號。隨後將經升壓之信號施加至光電偵測器且於接收 器60處解調變以產生電信號，該電信號代表線路5〇處之原 始視訊或資料信號。 圖2為根據本發明第一實施例利用外部調變器之光學傳 輸器之方塊圖。該傳輸器（通常用100展示）將光學信號經由 光纖路徑30傳輸至遠端接收器。傳輸器ι〇〇包括半導體雷 射器101，其產生連續波（CW)輸出。此類雷射器之典型實 例為分布式反饋（DFB)雷射器及/或Fabry-per0t雷射器，其 通常以155〇 nm之波長產生輸出光束。 圖2系統中使用之邊緣發射半導體雷射器較佳為分布式 反饋雷射器（DFB)，但同樣可使用Fabry_Per〇t(Fp)雷射 器。DFB雷射器為較佳途徑，因為其光學輪出主要包含於 單個雷射模式中，而FP雷射器之光學能量於許多模式中散 布。在較佳實施例中，該雷射器為雷射器光輸出波長在 1530至1570 nm範圍内之外腔雷射器。 來自雷射器之未調變光學信號***成兩個部分；第一部 分藉由光纖103耦合至調變器1〇2。調變器 ° Z可為诸如 127009.doc -11 - 200840362
Mach-Zehnder調變器之單個調變器、級聯MZ調變器或諸 如前饋線性化電路中之一個以上調變器。調變器1〇2經由 端子104及線路1〇5接收諸如振幅調變殘留邊帶（AM-SDB) 有線電視（CATV)或視訊信號之寬頻RF信號或者數位信 號。類比信號可具有大於一個倍頻程之頻寬且攜載複數個 通道。此外，當使用前饋線性化電路時，類似於圖丨之配 置向调變器提供去偏振信號。該去偏振信號用於於調變器 102中將到達誤差校正調變器（未圖示）之光學輸入去偏振。 如上文提到的，雷射器之光學信號輸出***成兩個部 分：一個部分施加至調變器102;另一部分藉由光纖1〇6耦 合至頻率鑑別器107。 將頻率鑑別器107之輸出施加至衰減器i 〇8以恰當地調整 該信號之振幅，以與雷射器101之相位雜訊特徵所引入之 相位調變分量之振幅相稱。 衰減器108之輸出隨後連接至相位偏移電路1〇9。電路 109校正施加至電路元件107、1〇8之信號輸出與直接施加 至調變器102之該信號相比之時滯。在所關注之視訊傳輸 頻帶（對於傳統CATV系統為5〇 MHz-1000 MHz)中，半導體 雷射器101之相位雜訊為”白”，即雜訊之頻譜功率密度與 頻率無關。在此情況下，相位校正路徑1〇6、1〇7、1〇8、 1〇9將需要具有恆定（可調整）增益，其延遲恰好與主要路徑 1〇3、102及110之延遲匹配。需要說明之一項態樣為頻率 鑑別器107對信號之作用，具體而言為相位校正路徑中之 光學至電學轉換過程的結果。當光電二極體檢測到光學信 127009.doc •12- 200840362 遽％ ’觀测到稱為散射雜訊之現象。此雜訊由在光電二極 體中吸收光子以產生電子-電洞對之統計過程產生。此雜 汛對於所有實踐用途而言不可避免。因此，散射雜訊將對 可實現之相位雜訊消除量構成下限。 隨後將相位偏移電路109之輸出施加至相位調變器110， 以進而藉由其相位調變將相位校正引入至光學信號中以進 而才父正或補償雷射器所產生之雜訊。 自光電二極體產生之光電流之頻譜雜訊密度給定為 <in2>=2elp 其中e是電子電荷且。是DC光電流。熟習此項技術者將立 即瞭解此事實：雜訊功率對於所接收之光學功率具有線性 相依〖生’且因此受散射雜訊支配之過程之信號雜訊比隨著 所接收功率之增加而得以改良。此代表所提議發明中之基 本設計折衷。分接至相位校正路徑1〇6、ι〇7、ι〇8、ι〇9··. 中之較多功率將以傳輸器之光學輸出功率為代價而改良最 終相位雜訊消除。 相位調變器110之輸出經由光纖U1耦合至放大器112， 該放大器112隨後連接至光纖或鏈路3〇。在遠端處，光纖 或鏈路30連接至接收器，該接收器將所接收之光學信號轉 換為RF信號，類似於圖1中展現的。 圖3為根據本發明第二實施例利用外部調變器之光學傳 輸器之方塊圖。邊傳輸器（通常用2〇〇展示）將光學信號經由 光纖路徑30傳輸至遠端接收器。傳輸器2〇〇包括半導體雷 射器101，其產生連續波（cw)輸出。此類雷射器之典型實 127009.doc -13- 200840362 例為分布式反饋（DFB)雷射器及/或Fabry-Perot雷射器，其 通常以1550 nm之波長產生輸出光束。來自雷射器之未調 變光學信號***成兩個部分；一個部分藉由光纖1 〇3耦合 至相位調變器110。相位調變器11〇將相位校正引入至光學 信號中’以進而校正或補償雷射器所產生之雜訊。相位調 變為110之CW輸出搞合至調變器1〇2，以產生含有調變資 訊之光學信號。 调變器102可為諸如Mach-Zehnder調變器之單個調變 裔、級聯MZ调變器或諸如前饋線性化電路中之一個以上 調變器。調變器102經由端子1〇4及線路105接收諸如振幅 調變殘留邊帶（AM-SDB)有線電視（CATV)或視訊信號之寬 頻RF信號或者數位信號。此外，當使用前饋線性化電路 時，類似於圖1之配置向調變器提供去偏振信號。該去偏 振信號用於對調變器1〇2中之誤差校正調變器（未圖示）之光 學輸入去偏振。 如上文提到的，雷射器之光學信號輸出***成兩個部 分：一個部分施加至相位調變器丨1〇 ;另一部分藉由光纖 106麵合至頻率鑑別電路1〇7。 將頻率鑑別器107之輸出施加至衰減器108以恰當調整該 4吕號之振幅，以與雷射器1 〇 1之相位雜訊特徵所引入之相 位調變分量之振幅相稱。 衰減器108之輸出隨後連接至相位偏移電路1〇9。電路 109校正施加至電路元件1〇7、108之信號輸出與施加至相 位調變器110之該信號相比之時滞。在所關注之視訊傳輸 127009.doc -14- 200840362 頻帶（對於傳統CATV系統為50 MHz-1000 MHz)中，半導體 田射器101之相位雜訊為，,白”，即雜訊之頻譜功率密度與 頻率無關。在此情況下，相位校正路徑1〇6、1〇7、1〇8、 109將需要具有恆定（可調整）增益，其延遲精確匹配於主要 路徑103、102及110之延遲。需要說明之一項態樣為頻率 鑑別器107，具體而言為相位校正路徑中之光學至電學轉 換過程。f光電二極體檢測到光學信號時，觀測到稱為散 射雜訊之現象。此雜訊係由在光電二極體中吸收光子以產 生電子-電洞對之統計過程所產生。此雜訊對於所有實踐 用途而言不可避免。因此，散射雜訊將對可實現之相位雜 訊消除量構成下限。 在不脫離本發明之精神及範圍之情況下，熟習此項技術 者將容易瞭解許多改變及修改。舉例而言，儘管在視訊或 夕通道TV信號調變雷射器或發光二極體之上下文中作出 描述及說明，但諸如放大器之其它非線性裝置之固有失真 可大量藉由此技術消除。主要及次要路徑中之信號之相對 相位之精密調整在所說明之實施例中為在次要路徑中，但 此亦可在具有粗略調整之主要路徑中。次要路徑較佳，因 為主要路徑中之此類延遲可對☆此路徑具有不恰當之阻 抗。 本發明之技術及㈣之各項態樣可在數位電路、或電腦 硬體、㈣、軟體或其組合中實施。本發明之電路可^ 腦產品（其有形地實施於機器可讀存儲裝置中以由可程 化處理器執行)中實施或在位於網路節點或網站處之軟體 127009.doc -15- 200840362 (其可自動或根據需要下載至電腦產品)上實施。前述技術 可由（例如）單個中央處理器、多 ^ ^ w m ^A 、—或多個數位信 執:、邏輯閉之間陣列或硬連線邏輯電路執行，用於 =2!號或指令程式以藉由操作輪入資料且產生輸 出而執仃本發明之功能。該方 ^, ^ y j有利地在可於可程式化 …執…或多個電腦程式中實施，該可程式化系統 個'_合以自資料存儲系統接《料及指令且 向-貝料存儲系統傳輸資料及指令 j %式化處理器、至少 一個輸入/輸出裝置及至少一 ^目不高 滅置。母一電腦程式 了視萬要以高級程序或面向對象 嫌哭&山虫 心柱式化浯g或以組合或 機时彡口吕μ施’·且在任何情況 士五^ 血， 成^ a可為編譯或翻譯 口口 s。舉例而言，適宜處理器 卢g匕括通用微處理器及專用微 处里恣兩者。一般而言，處 德六& 益將自只讀記憶體及/或隨 機存取記憶體接收指令及資料。 斗、此人 ^ σ於有形地實施電腦程 式“及資料之存儲裝置包括所有形式之非揮發性記憶 體，舉例:言包括··半導體褒置，諸如epr〇m、㈣汉⑽ =閃記憶體裝置；磁碟’諸如内部硬碟及抽取式碟；磁 _’·以及CD_R〇_。任何前述裝置可由特別設計之專 用積體電路（ASIC)補充或併入於ASIC中。 將瞭解，上述元件中之每一者或者兩者或兩者以上在一 起亦:有效應用於與上述類型不同之其它類型之構造。 儘管已經將本發明說明日ρ 兄月且七田迷為實施於光學傳輸系統 ’旦不希望其限於所展示之細節，因為可在不以任何方 式脫離本發明精神之情況下作出各種修改及結構變化。 127009.doc •16- 200840362 在不作進一步分析之情二 本發明之^你 則述内容將如此全面展現 4呶Θ之要點，使得其 了精由應用當前知識而在不省 ⑨在先則技術立場上 曾牲& 兀王構成本發明一般或特定態樣之本 夤特〖生之特徵之情況下容 ra L, lL ^ 肝其_適以用於各種應用，且 口此此頒調適應當且希望包 音田 匕3在以下申請專利範圍之均等 w心及乾圍内。 【圖式簡單說明】
圖1為先前技術中已知之外 十 卜4调變光學傳輸系統之高度 簡化方塊圖； 圖2為根據本發明之光學傳輪系統之第—實施例之高度 簡化方塊圖；及 圖3為根據本發明之光學傳輸系統之第二實施例之高度 簡化方塊圖。 在隨附中請專利範圍中陳述本發明之新穎特徵及特性。 然而’可藉由結合附圖參看對具體實施例之詳細描述而最 佳瞭解本發明本身及其其它特徵及優點。 【主要元件符號說明】 10 傳輸器 12 半導體雷射器 14 光纖 16 調變器 18 端子 20 線路 22 端子 127009.doc -17- 200840362 24 26 28 30 30 50 60 100 c 101 102 103 104 105 106 107 ί 1〇8 109 110 111 ' 112 200 線路 光纖鏈路 放大器 光纖傳輸線路 光纖（鍵路） 線路 接收器 傳輸器 半導體雷射器 調變器 光纖 端子 線路 光纖 頻率鑑別器 衰減器 相位偏移電路 相位調變器 光纖 放大器 傳輸器 127009.doc -18 -