專利名稱：用于一級偏振模式色散的補償裝置的改進的畸變分析儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光傳輸系統(tǒng)，并尤其涉及處理在此系統(tǒng)中所謂的偏振模式色散。
作為非對稱內(nèi)應力導致的纖芯中剩余雙折射以及由作用到光纖上的外力導致的隨機偏振耦合的結(jié)果，在光纖中發(fā)生偏振模式色散(PMD)。眾所周知，PMD可以嚴重損耗光纖網(wǎng)絡中信號的傳輸。這在以至少每個傳輸?shù)牟ㄩL通道10Gb/s的位速率工作的現(xiàn)代數(shù)字光波系統(tǒng)中尤其嚴重。
D.A.Fishman等人在1999年7月27日提交的美國專利申請US5,930,414公開了幾種減輕由PMD所致的信號損耗的不同裝置。這種裝置采用一種可變的光學雙折射元件，在傳輸光纖中至少兩個互相垂直的偏振態(tài)、即“主要偏振態(tài)”(PSP)中引致不同的光學時間延遲。耦接到可變雙折射元件的一個光學畸變分析儀產(chǎn)生對該元件的控制信號。
‘414號專利中圖4所示的補償裝置在兩個主要偏振態(tài)之間產(chǎn)生一個連續(xù)可變的微分群時延(DGD)，以補償傳輸光纖中的第一級PMD。這種配置與‘414號專利中

圖1所示時延線的一個差值在于‘414號專利中圖4所示裝置里的可變雙折射元件的PSPs是與頻率有關的。這種頻率相關性(是所謂的二級PMD效應的一個重要方面)可導致光信號的極度畸變，因為光纖中的第一級PMD只能在一定的光波帶上得以補償。而且，PMD甚至可能在光譜的特定部分中增大。
在常規(guī)的非歸零(NRZ)和歸零(RZ)數(shù)字光信號中由二級PMD效應導致的信號畸變可以在接收到的光信號的電子譜中觀察到，如同與信號位速率相關的特定頻率處的能量譜的窄帶“色調(diào)”，特定頻率如對于NRZ信號為10GHz和對于RZ信號為20GHz。
我們實際上通過調(diào)整施加到可變雙折射元件上的控制信號、使得光信號遭受最小的二級PMD來實質(zhì)上減小PMD補償裝置的可變雙折射元件中二級PMD導致的畸變。具體的說，通過從加權(quán)形式的控制信號中減去帶通濾波器的輸出信號來修正‘414號專利中圖2或8的畸變分析儀產(chǎn)生的控制信號，其中帶通濾波器被調(diào)諧到畸變分析儀輸出的窄帶色調(diào)。然后把修正的信號Vf提供給可變雙折射元件中的偏振控制器，從而降低前述二級效應導致的畸變水平。更具體地說，修正的Vf導致PMD補償器在傳輸光纖和PMD補償器中整個二級畸變?yōu)樽钚〉狞c處工作。本發(fā)明的特點尤其在于補償器的PSPs抵銷傳輸光纖可能產(chǎn)生的任何二級PMD畸變。即從傳輸光纖中減去而不是加上二級效應。
在下列的說明書、附圖和權(quán)利要求書中闡述了本發(fā)明的各個方面。
圖1是可以實施本發(fā)明原理的現(xiàn)有系統(tǒng)框圖；圖2是可用于得出圖1所示PMD補償器的反饋信號的畸變分析儀框圖；圖3是改進的畸變分析儀框圖；和圖4是另一改進的畸變分析儀框圖。
為了清楚和連續(xù)，將在美國專利US5,930,414中公開的補償系統(tǒng)的全文中對本發(fā)明的特點進行討論，該專利在此引為參考。
在單模光纖中作為纖芯中剩余雙折射和沿光纖各點耦合的隨機偏振的結(jié)果，發(fā)生偏振模式色散(PMD)。
眾所周知，對于任何ω=ω0的光學頻率，存在由兩個通常被稱作主要偏振態(tài)(PSP)的正交偏振態(tài)。如果在兩個PSPs中的其中一個上偏振，則經(jīng)過光纖傳播的光信號不產(chǎn)生任何顯著量的微分時間延遲。
可以理解，微分群時延τf發(fā)生在光纖的兩個PSPs之間。光信號傳過光纖所經(jīng)歷的微分群時延(DGD)可以通過在光纖的輸出中引入等量但反向的微分時延τc=-τf來補償。利用具有前述專利中公開的偏振特性的光學元件很容易實現(xiàn)這一點。
光纖中的PMD隨時間和/或隨光學頻率的變化而改變。PMD中的改變包括相應PSPs的改變以及DGD、τf的改變，可以通過改變補償器中雙折射的量和取向補償，從而自適應地補償光纖中的DGD。自適應的可變雙折射補償器可以很容易地通過設置一個偏振轉(zhuǎn)換器、例如F.L.Heismann于1993年5月18日公布的美國專利U.S.5,212,743中描述的偏振轉(zhuǎn)換器與一個產(chǎn)生可變線性雙折射的元件串聯(lián)而實現(xiàn)，其中該專利的內(nèi)容在此引為參考。這種可變雙折射可以通過把偏振轉(zhuǎn)換器輸出的信號分成兩個對應于光纖的兩個PSPs的正交線性偏振態(tài)、并利用上述專利’414中圖1所示的各個時延線(例如，JDS Fitel Inc生產(chǎn)的PE3型號的偏振模式色散模擬器)延遲兩個偏振態(tài)中的一個可變的時間量τc產(chǎn)生。
產(chǎn)生這種雙折射的另一種方法如圖1所示。該實施例包括高雙折射單模光纖435和445的兩個幾乎一致的部分，其中單模光纖435和445分別在沿兩個光纖的慢和快光軸偏振的光信號之間產(chǎn)生固定的微分時間延遲τ1和τ2。(光纖435和445例如可以是具有大約1.4ps/m時間延遲的光纖，如Fujikura Co.生產(chǎn)的SM15-P-8/125型號的光纖)。插在光纖435和445之間的第二偏振轉(zhuǎn)換器有效地控制光纖435和445快軸之間的夾角。光纖435和445產(chǎn)生的最終的微分時間延遲τc可以表示成τc=τ12+τ22+2τ1τ2cos(2θ2)]]>它在最小值︱τ1-τ2︱和最大值(τ1+τ2)之間可連續(xù)變化。
如果以前述專利’414中的方式正確地調(diào)節(jié)偏振轉(zhuǎn)換器430中產(chǎn)生的偏振轉(zhuǎn)換和光纖435和445以及偏振轉(zhuǎn)換器440產(chǎn)生的微分時間延遲，則補償器425輸出的信號將沒有傳輸光纖420中發(fā)生的微分群時延導致的畸變。
反饋信號用于控制偏振轉(zhuǎn)換器430中的偏振轉(zhuǎn)換(即可變雙折射的取向)，以及兩個高雙折射光纖435和445和偏振轉(zhuǎn)換器440產(chǎn)生的可變微分時間延遲。所需的反饋信號可以通過監(jiān)控脈沖畸變量而在補償器425的輸出中產(chǎn)生，其中脈沖畸變量是由存在于傳過補償器425之后的光信號中的微分時間延遲所致。
注意到，只需要一個反饋信號471同時調(diào)節(jié)偏振轉(zhuǎn)換并調(diào)節(jié)微分延遲τc來實現(xiàn)信號中的最小畸變，其中該信號是補償器425經(jīng)常規(guī)的信號出口485輸出給光纖接收器490，如圖1所示并如下所述。
具體地說，補償器425輸出的部分信號經(jīng)光纖出口485供給到延伸至高速光電探測器455的路徑487，高速光電探測器例如可以是Hewlett Packard Co.生產(chǎn)的11982型號的寬帶光波轉(zhuǎn)換器，具有至少等于光發(fā)射器410發(fā)生的調(diào)制光信號的信息帶寬。其余的信號提供給延伸到接收器490的路徑486。光電探測區(qū)455把調(diào)制到光學載波信號上的高速數(shù)字信息信號轉(zhuǎn)換成電信號。然后，該電信號被常規(guī)的放大器460放大并耦合到電畸變分析儀470，該分析儀測量放大的光電流中的畸變并把放大的結(jié)果轉(zhuǎn)變成電壓Vf提供給與畸變成比例的路徑471。例如，當光信號沒有一級PMD所致的畸變時，即當光纖420和補償器425的合并的微分時間延遲基本上等于零時，電壓Vf達到最大值。
如果傳輸光纖中的DGD限制到最大值τmax以下，則光信號中的畸變將可以通過簡單地測量具體頻率f≤1(2τmax)的接收電信號的幅值來量化。然后，此電信號的幅值可以用作一個反饋信號，自動調(diào)節(jié)PMD補償器425中產(chǎn)生的DGD的取向和水平，使得反饋信號最大。
上述對插在傳輸系統(tǒng)中的總DGD的要求τtotal≤τmax可以限制光傳輸光纖中補償?shù)腄GD量τf，為τtotal≤2τf。例如，如果在10Gbps的數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，測得接收的電信號的幅值是5GHz，則τf則總是小于50ps。否則，作為5GHz幅度的成份的函數(shù)產(chǎn)生的反饋信號在某種意義上時模糊不清的，它難于判定偏振轉(zhuǎn)變的量和方向以及微分時間延遲τc，從而獲得例如可能在反饋信號的幅值與τtotal的兩個不同值相同時發(fā)生的、并且可能導致PMD補償器425中微分時間延遲的取向和水平的不良調(diào)節(jié)的τtotal=0。
通過測量包含在傳過光纖的光信息信號中的多種頻率成份的幅值可以產(chǎn)生“模糊”的反饋信號(即τtotal的單值測量信號)，不限制可能施加到DGD的補償水平。如補償器的實施例所述，利用寬帶電功率探測器分析整個接收到的電頻譜的幅度示于圖1。更具體地說，寬帶電功率探測器495，例如可以是Hewlett Packard Co.生產(chǎn)的8474型號的二極管探測器把這些幅值轉(zhuǎn)變成一個與整個高頻電頻譜的幅值(功率水平)的整數(shù)成正比的信號反饋電壓Vf。
如上所述，圖1所示的補償裝置產(chǎn)生一個連續(xù)地可變微分群時延(DGD)補償?shù)谝患塂GD。還如上所述，此補償裝置和前述美國專利US5,930,414的圖1中所示微分時延線的一個差別在于圖1中的高雙折射光纖435和445以及偏振轉(zhuǎn)器440形成的補償部分在此顯示出光頻變化嚴重的主要偏振態(tài)(PSPs)。這種頻率關系(是二級PMD效應的一個方面)可以使補償器中的光學信號畸變，因為只能消除特定光學頻率范圍上的光纖中遭受的DGD。
我們發(fā)現(xiàn)，對于常規(guī)的強度調(diào)制光信號，由于的相應頻率的信號位速率處頻譜能量窄帶“色調(diào)”的出現(xiàn)，可以在電疇內(nèi)觀察到二級PMD效應，其中，信號位速率的相應頻率對于位速率10Gb/s的非歸零(NRZ)格式化數(shù)字信號為10GHz，對于位速率10Gb/s 20G的歸零格式化信號為20GHz。所以，由此二級PMD效應導致的畸變可以利用具有上述美國專利US5,930,414中圖2和圖8所示類型的、修改成在位速率頻率處具有帶通特性的電濾波器的畸變分析儀觀察。
我們還發(fā)現(xiàn)，由二級PMD導致的畸變效果可以通過從圖2所示畸變分析儀的輸出信號中加權(quán)形式地減去調(diào)諧到窄帶色調(diào)的帶通濾波器的輸出來處理。然后把所得的修正信號Vf提供給補償器以減小前述二級PMD效應導致發(fā)生的畸變水平。更具體地說，修正的Vf致使補償器移到校正DGD的區(qū)域和光信號中最大畸變的頻譜區(qū)域上PSP對齊的中心點，由此減小二級PMD效應。本發(fā)明的改進還使補償器取向成抵銷信號在傳輸光纖中可能遇到的任何二級PMD，其方式是從傳輸光纖中遇到的二級PMD畸變中減去而不是加上補償器中產(chǎn)生的二級PMD畸變。
圖3表示一種產(chǎn)生前述修正的控制信號Vf的修改的畸變分析儀的實施例，其中如上所述，放大器460把放大的電信號提供給畸變分析儀。常規(guī)的三路分束器810把放大信號分成三個分別提供給寬帶功率探測器820、低通濾波器825和帶通濾波器840的信號。常規(guī)方式的探測器820傳遞一個信號(如與信號的整個頻譜的功率成正比的電壓水平)到達常規(guī)相加電路850的加法器端口851，另一方面，低通濾波器825只允許頻譜低于例如2.5GHz的電信號部分通到探測器830。然后把信號出射探測器830提供到相加電路850的加法器端口852。帶通濾波器840對從三路分束器810接收到的信號濾波并只通過在預定頻段如以10GHz為中心的1GHz波段內(nèi)的信號。然后經(jīng)探測器845把信號出射濾波器840提供給相加電路850的負端口853。相加電路850以常規(guī)的方式從經(jīng)端口851和852接收到的信號和中減去經(jīng)端口853接收到的信號。然后畸變分析儀輸出一個反饋信號Vf，該信號反面加重信號預定頻譜周圍的頻譜，如10GHz周圍的頻譜。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，這種加強致使補償器、如圖1所示的補償器425以高頻振蕩的形式基本上消除二級PMD效應導致發(fā)生的頻率色調(diào)。
由上述美國專利US5,930,414中的方程(9)表示的反饋電壓Vf以及圖3中畸變分析儀產(chǎn)生的修正的反饋電壓Vf可以由于PMD補償器425中(如偏振轉(zhuǎn)換器中)產(chǎn)生的與偏振有關的損耗(PDL)的存在而減小。反饋信號Vf可以從兩步平方律檢波中推出，并因此與總的接收到的光信號平方成正比。我們已經(jīng)認識到，用光電探測器455接收到的平均光功率的平方除反饋電壓實質(zhì)上減小補償器425中與偏振有關的損耗的反作用，并因此產(chǎn)生較高水平的PMD補償。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，這種精確度可以通過利用圖4中所示的電路設置達到，其中分頻器1005以常規(guī)的方式把高速光電探測器455(也示于圖1)輸出的電信號分成高頻(AC)成份和低頻(DC)成份。在本發(fā)明的實施例中，分頻器例如可以有一個或多個常規(guī)的互阻抗LC電路。包含與高速數(shù)字信號中的畸變有關的信息的高頻成份在選擇放大后提供給畸變分析儀1010，也可以是例如圖2或3所示的畸變分析儀。具有與接收到的平均光功率成正比的水平的低頻(DC)成份被提供給常規(guī)的模擬平方電路1020。(在本發(fā)明的實施例中，平方電路例如可以是一個具有兩個輸出端連接在一起的模擬乘法器)。然后，把平方電路1020輸出端的信號提供給常規(guī)模擬觸發(fā)器1030的分母端D。從畸變分析儀1010得到的反饋電壓Vf0提供給除法器電路1030的分子端(N)。最后的商提供到分發(fā)器1030的輸出端成為反饋信號Vf，該信號已被接收到的光功率歸一化，消除了PDL所致的光功率漲落效應。
對PMD補償器425中發(fā)生的不希望的偏振-損耗效應的響應的降低以及自動偏振轉(zhuǎn)換器控制電路的所需動態(tài)范圍的減小是從本發(fā)明上述特征取得的優(yōu)點。
以上僅僅舉例說明了本發(fā)明的原理。本領域的技術人員可以作出多種在此沒有明顯表示和描述但仍實施本發(fā)明原理的那些處于本發(fā)明實質(zhì)和范圍內(nèi)的設置。例如，根據(jù)前述內(nèi)容，對于熟練的操作者來說，高級PMD效應僅通過根據(jù)需要擴充補償器、如補償器425以包括高雙折射光纖的附加部分和偏振轉(zhuǎn)換器來處理是顯而易見的。
權(quán)利要求
1．一種補償器，用于補償在具有主要偏振態(tài)的光傳輸光纖中發(fā)生的偏振模式色散效應，補償器包括一個偏振轉(zhuǎn)換元件，用于對光傳輸光纖上接收到的光信號的主要成份偏振方向重新取向，一種裝置，用于把耦合到偏振轉(zhuǎn)換元件輸出端的信號分成預定數(shù)量的信號，每個信號具有一種垂直于兩個主要偏振態(tài)中相應一個的取向的偏振態(tài)，該裝置還用于延遲每個分割的信號一個可變的時間量；和分析儀裝置，具有一種把裝置輸出信號的一部分轉(zhuǎn)變成電信號的光轉(zhuǎn)換器和用于把轉(zhuǎn)換的信號分成多個信號并分別把分開的信號提供給第一、第二和第三分析儀部分的裝置，其中第一分析儀部分通過輸出信號的整個頻譜，第二分析儀部分只通過整個頻譜中低于預定頻率的部分，第三分析儀部分通過整個頻譜的預定頻帶，其特征在于畸變分析儀包括相加第一和第二部分的輸出并從相加的和中減去第三部分的輸出以產(chǎn)生一個畸變指示、并用于把畸變指示提供給偏振轉(zhuǎn)換元件的設置和所述的裝置，并且其特征還在于響應于畸變指示的水平變化的偏振轉(zhuǎn)變元件和裝置分別改變每個偏振態(tài)的取向和可變的時間量直到畸變指示達到預定的水平。
2．如權(quán)利要求1所述的補償器，其特征在于第一部分包括一個寬帶電功率探測器，第二部分包括一個與寬帶電功率探測器串聯(lián)的低通濾波器，第三部分包括一個與寬帶電功率探測器串聯(lián)的帶通濾波器。
3．如權(quán)利要求1所述的補償器，其特征在于補償器還包括接收裝置，用于處理輸出信號的所述部分以產(chǎn)生AC和DC成份，把AC成份提供給分束器以產(chǎn)生多個信號，把DC成份提供給對DC成份的值取平方的信號平方裝置，還包括用平方的信號值除相減所得的值并把相除的商作為畸變指示輸出的裝置。
4．一種補償器，用于補償在具有主要偏振態(tài)的光傳輸光纖中發(fā)生的偏振模式色散效應，補償器包括一個偏振轉(zhuǎn)換元件，用于對光傳輸光纖上接收到的光信號的特定成份的偏振重新取向，一種裝置，用于把耦合到偏振轉(zhuǎn)換元件輸出端的信號分成預定數(shù)量的信號，每個信號具有一種垂直于兩個主要偏振態(tài)中相應一個的取向的偏振態(tài)，該裝置還用于延遲每個分割的信號一個可變的時間量；和接收裝置，具有一個把裝置輸出信號的一部分轉(zhuǎn)變成預定的信號并由轉(zhuǎn)換的信號產(chǎn)生AC和DC成份的信號的光轉(zhuǎn)換器，其中接收器把AC成份的信號提供給畸變分析儀，測量AC成份中至少第一級PMD畸變的水平并輸出一個表示此畸變水平的信號，還把DC成份提供給信號平方裝置，并且其中補償器還包括除法器裝置，用平方了的信號水平除指示所述畸變的信號水平并把所得的商信號作為畸變指示提供給偏振轉(zhuǎn)換元件和上述的裝置，并且其特征還在于響應于畸變指示的水平變化的偏振轉(zhuǎn)變元件和裝置分別改變每個偏振態(tài)的取向和可變的時間量直到畸變指示達到預定的水平。
5．如權(quán)利要求4所述的補償器，其特征在于畸變分析儀包括一種裝置，用于把AC成份分成多個信號并把分開的信號分別提供給第一、第二和第三分析儀部分的裝置，其中第一分析儀部分通過輸出信號的整個頻譜，第二分析儀部分只通過整個頻譜中低于預定頻率的部分，第三分析儀部分通過整個頻譜的預定頻帶，并且其中畸變分析儀還包括相加第一和第二部分的輸出并從相加的和中減去第三部分的輸出以產(chǎn)生一個畸變指示、并把相減的結(jié)果作為分子提供給除法器裝置。
6．如權(quán)利要求5所述的補償器，其特征在于第一部分包括一個寬帶電功率探測器，第二部分包括一個與寬帶電功率探測器串聯(lián)的低通濾波器，第三部分包括一個與寬帶電功率探測器串聯(lián)的帶通濾波器。
7．如權(quán)利要求4所述的補償器，其特征在于畸變分析儀包括一種把AC成份分成多個信號并把分開的信號分別提供給第一和第二分析儀部分的裝置，其中第一部分包括一個寬帶電功率探測器，第二部分包括一個與寬帶電功率探測器串聯(lián)的低通濾波器，畸變分析儀還包括一個加法器電路，用于合并第一和第二部分的輸出并將和信號提供給除法器裝置。
8．如權(quán)利要求4所述的補償器，其特征在于畸變指示器是一種反饋電壓。
9．一種畸變分析儀，包括轉(zhuǎn)換裝置，把光學裝置輸出的信號轉(zhuǎn)換成電信號并把轉(zhuǎn)換的信號分成多個信號；和第一、第二和第三分析儀部分，用于接收多個信號中的每一個，使得第一分析儀部分通過輸出信號的整個頻譜，第二分析儀部分只通過整個頻譜中低于預定頻率的部分，第三分析儀部分通過整個頻譜的預定頻帶，和一種裝置，用于相加第一和第二部分的輸出并從相加的和中減去第三部分的輸出以產(chǎn)生一個畸變指示、并把畸變指示提供給光纖裝置裝置。
10．一種裝置，包括轉(zhuǎn)換器裝置，把光學裝置輸出的信號轉(zhuǎn)換成電信號，一個接收器，用于把電信號轉(zhuǎn)換成AC和DC成份，把AC成份的信號分成多個信號，把把AC成份的信號提供給畸變分析儀的各個部分，平方裝置，把DC成份的值平方，和除法器裝置，用平方了的信號值除畸變分析儀的輸出，并把所得的商信號作為畸變指示提供給光學裝置，響應于畸變指示的接收的光學裝置改變輸出信號的水平直到畸變指示達到預定的狀態(tài)。
全文摘要
光信號在通過光傳輸光纖時遭受的偏振模式色散效應在一個利用雙折射補償器的接收器中得以補償,其中畸變分析儀重復檢查補償器輸出的信號并致使補償器根據(jù)檢查的結(jié)果減小這種偏振模式的色散效應。
文檔編號H04B10/18GK1309305SQ0013661
公開日2001年8月22日 申請日期2000年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月16日
發(fā)明者丹尼爾·A·菲西曼, 弗雷德·L·海斯曼, 戴維·L·威爾遜 申請人:朗迅科技公司