TWI416184B - 具相位調變之直接調變雷射光學傳輸 - Google Patents

Description

具相位調變之直接調變雷射光學傳輸

本發明係關於一種用於類比信號之光學傳輸系統，且特定言之係關於一種直接調變固態雷射。更特定言之，本發明係關於消除由半導體雷射中之頻擾所產生之相位調變分量，歸因於雷射中之固有非線性，雷射之輸出自其直接調變輸入失真。

以一電信號來直接調變發光二極體(LED)或半導體雷射之類比強度被認為係此項技術中已知的用於經由光纖而傳輸諸如語音及視訊信號之類比信號的最簡單之方法中之一者。儘管此等類比傳輸技術具有相比諸如數位脈衝碼調變或類比或脈衝頻率調變之數位傳輸的實質上較小頻寬要求的優勢，但使用振幅調變可受光源之雜訊及非線性影響。

出於此原因，已結合1310 nm雷射來使用直接調變技術，其中應用為縮短使用具有零色散之光纖鏈路之傳輸鏈路。就都市及長距離光纖傳輸鏈路中之應用而言，鏈路之群速色散需要使用外部調變的1550 nm雷射，但此等外部調變技術係複雜且昂貴的。本發明因此致力於提供用於1550 nm之雷射之直接調變的簡單及低成本系統之問題，使得在避免色散之不利影響的同時類比光學輸出可用於使用類比傳輸之都市及長距離光學網路。

雷射之直流調變在諸如高密度分波長多工(DWDM)系統之數位光學傳輸系統中的使用係已知的。舉例而言，參見Kartalopoulos之DWDM Networks,Devices,and Technology(IEEE Press，2003)，第154頁。

設計1550 nm類比系統之困難之一在於在1550 nm下使用的合適之低頻擾線性雷射在先前技術中自未知的。一類型之低頻擾雷射為外部共振腔雷射，其用於數位光學傳輸系統中，且為市售之產品。

除1550 nm之類比光學傳輸系統所要求之低頻擾特性之外，系統必須為高度線性的。某些類比傳輸器中固有之失真防止線性電調變信號被線性轉換為一光學信號，而是導致信號變得失真。此等影響對多通道視訊傳輸尤其有害，多通道視訊傳輸需要優良線性以防止通道彼此干擾。高度線性化之類比光學系統在商用類比系統中具有廣泛應用，諸如廣播TV傳輸、CATV、互動式TV及視訊電話傳輸。

已研究光學及其他非線性傳輸器之線性化多時，但所提出之解決方法具有實際缺點。上文所論述之大部分應用具有對許多實際實施而言過大之頻寬。前饋技術需要諸如光功率合併器之複雜系統組件及多個光源。准光學前饋技術受類似複雜度問題的影響且進一步需要極良好匹配之部件。

如上文所述，在先前技術中，外部調變器在光學傳輸系統中的使用係已知的。美國專利第5,699,179號描述一種用於減少光纖誘發之二階合成(CSO)失真分量之外部調變、前饋線性化類比光學傳輸器。

在本發明之前，尚未存在為達成消除由外部共振腔雷射中之頻擾產生的相位調變分量之目的之耦接至直接調變雷射外部調變器的應用。

1.本發明之目標

本發明之一目標為提供一種使用一直接調變之雷射的改良之光學傳輸系統。

本發明之另一目標為補償在一1550 nm類比光學傳輸系統中使用之雷射中的頻擾。

本發明之又一目標為提供一種在一1550 nm類比光學傳輸系統中使用以改良雜訊減少之相位調變器。

本發明之又一目標為提供一種低頻擾、高度線性類比光學傳輸系統，其適用於使用以一相位調變器直接調變之雷射的長距離色散光纖媒體。

本發明之又一目標為提供一種用於調變適用於長距離色散光纖媒體之類比光學傳輸系統中之低頻擾雷射的相移電路。

本發明之又一目標為提供一種在一寬頻帶類比光學傳輸系統中之直接調變及相位失真補償方法。

2.本發明之特徵

簡言之，且一般而言，本發明提供一種光學傳輸器，其用於產生一經由色散光纖鏈路而傳輸至一遠端接收器的經調變之光學信號，該光學傳輸器具有：一輸入，其用於接收一寬頻帶類比射頻信號輸入；一半導體雷射，其用於產生一光學信號；及一調變電路，其用於以該類比信號直接調變該雷射，該調變電路包括一光學相位調變器，該光學相位調變器用於減少歸因於相位調變分量的在光纖鏈路之接收器端之信號中存在的失真。

在另一態樣中，本發明提供用於經由色散光纖鏈路而使用的光學傳輸系統，其包括：一具有類比信號輸入之光學傳輸器；一低頻擾雷射；一調變電路，其用於直接調變該雷射；及一衰減及相移電路，其用於消除由半導體雷射產生之光學信號之相位調變分量。

在另一態樣中，本發明進一步提供一低成本直接調變技術，其較佳包括一用於控制一光學相位調變器之電路，該光學相位調變器減少由諸如雷射之非線性設備產生之二次及更高偶數次的失真產物。

在本發明之另一態樣中，本發明將一低頻擾雷射提供為外部共振腔雷射，其藉由外部相位調變器在“C頻帶”中在1530 nm至1570 nm之範圍中來操作。

在本發明之另一態樣中，提供一頻擾消除電路，用於減少類比信號之傳輸中之失真，其將一輸入RF調變信號分為兩個電路徑，一個一次路徑及一個二次路徑。調整相位調變消除信號之振幅及相位以匹配非線性設備之頻擾之頻率或相位相依性。藉由電路徑之一者中的延遲或相位調整元件而使信號之相位同步。接著由光學相位調變器重組一次信號及二次信號以產生僅具有振幅調變之單一調變信號。因此，相位調變器藉由消除非線性傳輸設備中固有之相位分量失真而線性化光學信號之傳輸，從而使類比信號適於經由色散光纖鏈路而傳輸。吾人將此組態及技術稱為後相位校正(PPC)。

熟習此項技術者自本揭示案(包括下文詳細描述)及藉由本發明之實踐將明瞭本發明之額外目標、優勢及新穎特徵。雖然在下文中參考較佳實施例來描述本發明，但應瞭解本發明不限於該等較佳實施例。可理解本文中之教示之熟習此項技術者將認識到其他領域中的額外應用、修改及實施例，該等額外應用、修改及實施例在本文中所揭示並主張之範疇內且關於其本發明可具有明顯實用性。

現將描述本發明之細節，包括例示性態樣及其實施例。

參看圖式及以下描述，相同參考數字用以鑑別相同或功能相似之元件，且意欲以一高度簡化之圖解方式來說明例示性實施例的主要特徵。此外，該等圖式並非意欲描繪實際實施例之每一特徵或描繪所述元件的相對尺寸，且該等圖式並非按比例繪製。

圖1(a)為美國專利第5,699,179號中說明的利用一外部調變器之先前技術光學傳輸器的方塊圖。通常於10處展示之傳輸器經由一光纖路徑30而將一光學信號傳輸至一接收器60。傳輸器10包括一半導體雷射12，其產生一連續波(CW)輸出。此等雷射之典型實例為在1,550 nm之波長下產生輸出光束的分散式回饋(DFB)雷射或法布里－伯羅雷射。來自雷射之未調變之光學信號藉由光纖14耦接至調變器16。調變器16可為諸如馬赫－陳爾德調變器、梯級MZ調變器之單一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16亦經由端子18及線路20接收諸如振幅調變之殘邊帶(AM－SDB)有線電視(CATV)或視訊信號之寬頻帶RF信號。此外，當使用一前饋線性化電路時，經由端子22及線路24將一去極化信號提供至調變器16。去極化信號用以在調變器16中去極化至誤差校正調變器(未圖示)之光學輸入。

承載視訊資料之經調變之光學信號藉由光纖鏈路26耦接至放大器28。放大器28通常為摻鉺光纖放大器(EDFA)。經放大之光學信號耦接至連接至接收器60之光纖傳輸線30。光纖傳輸線30可為延續若干公里之長距離鏈路。在此狀況下，可沿線路以隔開之間隔來提供諸如EDFA 28之線路放大器以便將信號升高至所要的位準。在接收器60處，亦可提供一放大器(未圖示)以升高傳入之光學信號。接著將所升高之信號施加至一光偵測器且在接收器60處解調變為一電信號，其表示線路50處之原始視訊或資料信號。

圖1(b)為使用雷射之直流調變之先前技術光學傳輸器的方塊圖。直接將寬頻帶RF類比信號施加至雷射12。來自雷射12之經調變之光學信號藉由光纖鏈路26耦接至諸如EDFA之放大器28。經放大之光學信號耦接至連接至接收器60之光纖傳輸線30。在接收器處，光學信號被轉換為表示線路50處之原始視訊或資料信號之電信號。

圖2為根據本發明之光學傳輸系統100之高度簡化之方塊圖。展示一類比RF信號輸入源101，諸如包括複數個含有不同資訊之通信信號或通道之寬頻帶信號。本發明中雷射102之調變電路可為一AM－VSB調變器，或一正交振幅調變器。RF輸入分為兩個部分；一部分施加至雷射102以直接對其進行調變；另一部分施加至RF調節電路103。RF調節電路103之輸出施加至一相位調變器。光纖輸出113為色散光纖鏈路。

儘管亦可使用法布里－伯羅(FP)雷射，但圖2之系統中所使用之邊射型半導體雷射較佳為一分散式回饋雷射(DFB)。

在一較佳實施例中，該雷射為一外部共振腔雷射，其中該雷射之光輸出之波長在1530 nm至1570 nm範圍中。此外，寬頻帶類比信號輸入具有大於一個倍頻程之頻寬且包括複數個不同資訊承載通道。

信號調節電路103由對輸入RF信號執行獨特操作之串聯序列之電路組成。RF信號施加至一衰減器104以適當調整信號之振幅以便與由雷射102之頻擾特性所引入的相移分量之振幅相當。施加至雷射112之RF信號藉由使用預失真電路105而適當地預失真，如在先前技術中已知用於修改施加至雷射的RF信號以補償影響遠端接收器處之信號的雷射之非線性回應。此外，儘管本發明具有最小化歸因於由光纖引入之色散之失真的改良，但就色散光纖鏈路113仍將某些失真引入至在接收器114處接收之信號中而言，可在預失真電路105中使用額外的信號修改電路以引入一較小補償信號來消除接收器114處仍存在之任何此失真。

詳言之，在RF信號之整個頻率範圍上相位調變之信號的振幅可視頻擾之性質而作為RF頻率之反數之函數來變化。因此，補償傾斜電路106將增加作為RF頻率之反數之函數的施加至相位調變器之RF信號之增益以便補償雷射之相位調變的非線性回應。將在雷射之頻擾為"絕熱的"之狀況下應用此特定方法。絕熱頻擾意謂雷射之FM回應與AM回應同相且關於調變頻率恆定。自此，可推導相位調變回應將隨調變頻率之反數而變化(因為頻率調變充當相位調變之微分)。

衰減器104之輸出接著連接至傾斜電路106。放大器在寬頻帶RF信號之整個頻率範圍上之頻率回應並不恆定。可藉由一補償傾斜電路106來補償此增益變化(有時稱為"傾斜")。

提供一音頻產生器108以出於SBS(受激布里元散射)抑制之目的在經調變之光學信號中建立一恆定音頻。音頻產生器108之輸出與相位延遲電路107之輸出組合，且所組合的RF信號施加至相位調變器109。必須以一使得不良之相位延遲或振幅傾斜未被引入至頻擾消除路徑中之方式來完成此RF組合。所組合之信號引起自光纖連接器110施加至調變器109之光學信號的相位調變，且更特定言之引起由雷射102引入之不良相位調變分量之消除。

調變器109之輸出經由光纖111而耦接至放大器112，放大器接著連接至光學鏈路113。在遠端，光學鏈路113連接至接收器114，接收器將所接收之光學信號轉換為RF信號115。

本發明之相位調變器109補償雷射102之非線性回應，及/或補償如在接收器端確定的由頻率調變之光學信號經由色散光纖鏈路之傳輸而產生之失真。調節電路103可為可選擇性地調整的以補償由色散光纖鏈路所產生的視鏈路之長度而定之失真，或可經工廠設定為一預定值以補償由色散光纖鏈路所產生的視鏈路之長度而定之失真。視長度而定之色散效應之一個此實例為自相位調變(SPF)。

圖3為描繪作為光纖長度之函數的自相位調變誘發之頻擾之影響的圖表。各種曲線表示輸出功率之不同值。該圖表指示高功率信號呈現在光纖長度上誘發之頻擾之最大變化。

圖4為描繪在某些測試條件下的CSO與衰減之量之圖表，其中衰減以圖2中所示之元件104來調整。詳言之，65 km光纖用於一PPC(後相位校正)組態中，其中72 NTSC通道在115.25 MHz至547.875 MHz之範圍內。自圖中呈現之試驗資料注意到，CSO在等於6 dB之衰減設定處為最大。結果，調整相位延遲電路使得使相位偏移CSO最大化之量係合適的。

圖5為描繪在某些測試條件下的CSO與相位之量之圖表，其中相位以圖2中所示之元件107來調整。詳言之，65 km光纖用於一PPC(後相位校正)組態中，其中72 NTSC通道在115.25 MHz至547.875 MHz之範圍內。自圖中呈現之試驗資料注意到CSO在0與－10度之間的相位設定為最大。結果，調整相位延遲電路使得使相位偏移CSO最大化之量係合適的。

在不背離本發明之精神及範疇之情況下，熟習此項技術者將明瞭許多變化及修改。舉例而言，雖然在調變雷射或發光二極體之TV信號的情形下來描述並說明，但諸如放大器之其他非線性設備可使固有失真藉由此技術而極大地消除。在所說明之實施例中，一次及二次路徑中之信號之相對相位的精細調整在二次路徑中，但此亦可在具有粗略調整之一次路徑中。二次路徑係較佳的，因為一次路徑中之此延遲可能具有此路徑之不當阻抗。

本發明以一光電二極體來監視雷射之輸出，轉換控制信號中之信號，其耦接至雷射輸出監視控制電路，該電路包括一負回饋控制電路，其耦接至用於回應於雷射之輸出而調整雷射之溫度之溫度控制器。

可在數位電路中、或在電腦硬體、韌體、軟體中或在其組合中實施本發明之技術及裝置之各種態樣。可在一用於由可程式化處理器執行的機器可讀儲存設備中明確實施的電腦產品中、或可自動或隨需要下載至電腦產品的位於網路節點或網站處之軟體上實施本發明之電路。舉例而言，可由用於藉由對輸入資料進行操作並產生輸出而執行一序列之信號或程式程式指令以執行本發明之功能的一單一中央處理器、多處理器、一或多個數位信號處理器、邏輯閘之閘陣列或硬線邏輯電路來執行前述技術。該等方法可有利地實施於一或多個電腦程式中，可在一可程式化系統上執行該或該等電腦程式，該可程式化系統包括至少一個可程式化處理器，其經耦接以自一資料儲存系統、至少一輸入/輸出設備及至少一輸出設備接收資料及指令且將資料及指令傳輸至該資料儲存器系統、該至少一輸入/輸出設備及該至少一輸出設備。視需要，可以一高階程序或物件導向程式設計語言或以組合或機器語言來實施每一電腦程式；且在任何狀況下，該語言可為編譯或解釋語言。合適之處理器包括(例如)通用及專用微處理器。通常，一處理器將自唯讀記憶體及/或隨機存取記憶體接收指令及資料。適用於明確實施電腦程式指令及資料之儲存設備包括非揮發性記憶體之所有形式，包括(例如)：諸如EPROM、EEPROM及快閃記憶體設備的半導體設備；諸如內部硬碟及可移式磁碟之磁碟；磁光碟；及CD－ROM光碟。前述儲存設備中之任一者可藉由特定設計之特殊應用積體電路(ASICS)來補充或併入特定設計之特殊應用積體電路(ASICS)中。

應理解，上文所述之元件中之每一者或兩個或兩個以上一起亦可適於應用在不同於上文所述之類型的其他類型之構造中。

雖然已將本發明說明並描述為在一光學傳輸系統中實施，但本發明不意欲限於所展示之細節，因為可在不以任何方式背離本發明之精神的情況下進行各種修改及結構變化。

在不作進一步分析的情況下，前述內容將完全地揭示本發明之要旨使得其他人可藉由應用當前知識易於在未省略(自先前技術之立場)充分地構成本發明之通用或特殊態樣之基本特性之特徵的情況下調適本發明以用於各種應用，且因此，此等調適應且意欲被包括於以下申請專利範圍之涵義及範圍內。

10．．．傳輸器

12．．．雷射

14．．．光纖

16．．．調變器

18．．．端子

20．．．線路

22．．．端子

24．．．線路

26．．．光纖鏈路

28．．．放大器

30．．．光纖傳輸線

50．．．線路

60．．．接收器

100．．．光學傳輸系統

101．．．類比RF信號輸入源

102．．．雷射

103．．．RF調節電路

104．．．衰減器

105．．．預失真電路

106．．．補償傾斜電路

107．．．相位延遲電路

108．．．音調產生器

109．．．相位調變器

110．．．光學鏈路

111．．．光纖

112．．．放大器

113．．．光纖輸出/光學鏈路

114．．．接收器

115．．．RF信號

圖1(a)為先前技術中已知之外部調變之光學傳輸系統的高度簡化之方塊圖；圖1(b)為先前技術中已知之直接調變之光學傳輸系統的高度簡化之方塊圖；圖2為根據本發明之光學傳輸系統之高度簡化之方塊圖；圖3為描繪作為光纖長度之函數的自相位調變頻擾之影響的圖表；圖4為描繪在某些測試條件下的CSO與衰減之量之圖表；圖5為描繪在某些測試條件下的CSO與相位之量之圖表。

在隨附申請專利範圍中闡述本發明之新穎特徵及特性。然而，當結合隨附圖式來閱讀時，將最佳藉由參考[實施方式]來理解本發明及本發明之其他特徵及優勢。

100．．．光學傳輸系統

101．．．類比RF信號輸入源

102．．．雷射

103．．．RF調節電路

104．．．衰減器

105．．．預失真電路

106．．．補償傾斜電路

107．．．相位延遲電路

108．．．音調產生器

109．．．相位調變器

110．．．光學鏈路

111．．．光纖

112．．．放大器

113．．．光纖輸出/光學鏈路

114．．．接收器

115．．．RF信號

Claims (21)

1. 一種光學傳輸器，其用於產生經由一光纖光學鏈路而傳輸至一遠端接收器之一經調變之光學信號，該光學傳輸器包含：一雷射；一輸入，其耦接至該雷射，用於以一類比射頻信號直接振幅調變該雷射以產生一輸出光學信號，該輸出光學信號包括一含有振幅調變資訊之分量及相位雜訊；一相位調變器，其耦接至該雷射之一輸出，用於分別調變輸出自該雷射之該輸出光學信號，使得在該遠端接收器處所接收之一所接收之光學信號中存在的失真減少；及一延遲電路，其具有耦接至該類比射頻信號之一輸入及耦接至該相位調變器之一輸出，以產生與該輸出光學信號同步之一調變電信號，以致使該相位調變器減少在該輸出光學信號內之該相位雜訊。
2. 如請求項1之光學傳輸器，其中該相位調變器增加藉由在該遠端接收器處之該所接收之光學信號所經驗的一受激布里元(Brillouin)散射臨限值。
3. 如請求項1之光學傳輸器，其中該雷射為一半導體外部共振腔雷射。
4. 如請求項1之光學傳輸器，其中該輸出光學信號的波長在1530nm至1570nm之範圍中。
5. 如請求項1之光學傳輸器，其中該類比射頻信號具有一 大於一個倍頻程之頻寬且包括複數個不同資訊承載通道。
6. 如請求項1之光學傳輸器，其進一步包含一預失真電路，該預失真電路用於修改施加至耦接至該雷射之該輸入之該類比射頻信號，以補償影響該遠端接收器處之該所接收之光學信號的該雷射之一非線性回應。
7. 如請求項1之光學傳輸器，其中該雷射之該輸出之該調變為可選擇性地調整的以補償存在在該遠端接收器處之該所接收之光學信號中之失真。
8. 如請求項1之光學傳輸器，其中該延遲電路進一步包括一低頻信號產生器以增加藉由在該遠端接收器處之該所接收之光學信號所經驗的該受激布里元散射臨限值。
9. 如請求項1之光學傳輸器，其進一步包含一色調產生器電路，其中該延遲電路及該色調產生器電路係耦接至該相位調變器以調整藉由該相位調變器施加於該雷射之該輸出之一補償，以消除該所接收之光學信號中之該失真。
10. 一種光學傳輸器，其用於產生經由一光纖光學鏈路而傳輸至一遠端接收器之一經調變之光學信號，該傳輸器包含：一輸入，其用以提供一射頻信號；一雷射，其經耦接以接收該輸入中之該射頻信號且藉由該射頻信號直接被調變以產生一輸出光學信號，該輸出光學信號包括一含有振幅調變資訊之分量及一相位調 變分量；一電光元件，其耦接至該雷射之一輸出以用於減少在該輸出光學信號內之雜訊及產生耦接至該光纖光學鏈路之一經修改之光學信號；及一偏壓電路，其耦接至該輸入以接收該射頻信號，並且耦接至該電光元件以致使該電光元件補償該遠端接收器處之該所接收之光學信號中之失真，其中該偏壓電路包含一適應電路，其包含：一衰減器，以調整在該偏壓電路中傳輸之該射頻信號之一振幅；一傾斜電路，以調整被施加於該偏壓電路中傳輸之該射頻信號之一頻率決定增益；及一相位延遲電路。
11. 如請求項10之光學傳輸器，其中該所接收之光學信號中之該失真起因於藉由該雷射所產生之來自頻擾之該相位調變分量。
12. 如請求項10之光學傳輸器，其中該所接收之光學信號中之該失真起因於由該光纖光學鏈路引起之該輸出光學信號之失真並且該所接收之光學信號中之該失真視該光纖光學鏈路之一長度而定。
13. 如請求項12之光學傳輸器，其中該偏壓電路包含一色調產生器，其耦接至該電光元件以補償藉由在該輸出光學信號上該光纖光學鏈路所引起之失真。
14. 如請求項10之傳輸器，其中該電光元件包含一相位調變器，其經耦接以接收來自該雷射之該輸出，以及選擇性地調整該輸出光學信號。
15. 如請求項10之光學傳輸器，其中該適應電路係選擇性地可調整以補償在該遠端接收器處該所接收之光學信號中之失真。
16. 如請求項10之光學傳輸器，其中該電光元件係選擇性地可調整以補償在該遠端接收器處該所接收之光學信號中之失真。
17. 一種調變一光學信號之方法，該光學信號經由一光纖光學鏈路而傳輸至一遠端接收器，該方法包含：施加一類比射頻信號至一雷射以直接振幅調變該雷射以產生一輸出光學信號，該輸出光學信號包括一含有振幅調變資訊之分量及一相位調變之分量；使用一電光元件來相位調變該輸出光學信號，使得在該遠端接收器處之一所接收之光學信號中存在的失真減少；耦接一相位偏移電路至提供該類比射頻信號之一輸入，並且在該相位偏移電路中調整該類比射頻信號之一所接收部分之一振幅及/或一相位以產生該類比射頻信號之一已調整之所接收的部分；及施加該類比射頻信號之該已調整之所接收部分至該電光元件以用於補償起因於經由該光纖光學鏈路傳輸之該輸出光學信號之在該遠端接收器處之該所接收之光學信 號中之失真，其中在該相位偏移電路中調整該類比射頻信號之該所接收部分之該振幅及/或該相位包含：使用一衰減器以調整該類比射頻信號之該所接收部分之該振幅；使用一傾斜電路以調整被施加於該類比射頻信號之該所接收部分之一頻率決定增益；及使用一相位延遲電路以調整該類比射頻信號之該所接收部分之一相位。
18. 如請求項17之方法，進一步包含調整該類比射頻信號之該所接收部分之該振幅及/或該相位，使得該電光元件藉由消除該相位調變之分量來補償失真。
19. 如請求項17之方法，進一步包含：在該相位偏移電路中產生一低頻率信號；及結合該低頻率信號與該類比射頻信號之該已調整之所接收部分並且施加該結合至該電光元件以補償該失真。
20. 如請求項17之方法，其中該光電元件係一相位調變器。
21. 如請求項17之方法，其中補償在該遠端接收器處該所接收之光學信號中之該失真包含選擇性地調整藉由該電光元件施加至該輸出光學信號之補償之總量。