專利名稱：具有前饋噪聲消除的直接調(diào)制或外部調(diào)制激光器光學傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于模擬信號的光學傳輸系統(tǒng)，且更明確地說，涉及一種直接調(diào)制 或外部調(diào)制的固態(tài)激光器。此外，本發(fā)明涉及消除由半導體激光器內(nèi)例如電荷載體的布 朗運動等許多可能來源產(chǎn)生的白噪聲分量(白噪聲)或由激光器的偏壓電流或熱環(huán)境中 的波動產(chǎn)生的噪聲(其與頻率相反地變化，且因此通常稱為"l/f"噪聲)。
技術(shù)背景用電信號直接調(diào)制發(fā)光二極管(LED)或半導體激光器的模擬強度被認為是此項技 術(shù)中已知的用于在光纖上傳輸例如語音和視頻信號等模擬信號的最簡單方法。盡管此類 模擬傳輸技術(shù)的優(yōu)點在于與例如數(shù)字脈沖代碼調(diào)制或者模擬或脈沖頻率調(diào)制等數(shù)字傳 輸相比具有顯著較小的帶寬要求，但使用振幅調(diào)制通常對發(fā)射器的噪聲和失真特征提出 較為嚴格的要求。由于這些原因，在應(yīng)用于采用具有零散射的光纖鏈路的短傳輸鏈路的情況下，已經(jīng) 結(jié)合1310nm激光器使用直接調(diào)制技術(shù)。對于應(yīng)用于城域和長距離光纖傳輸鏈路，鏈路 低損耗要求使用外部調(diào)制的1550 nm激光器，通常越過非常長的距離(100 km)和高頻 率(超過900 MHz)。此類鏈路的限制因素可能是來自激光器的殘余相位噪聲的轉(zhuǎn)換， 所述殘余相位噪聲經(jīng)由光纖鏈路中存在的散射而轉(zhuǎn)換成振幅噪聲。本發(fā)明因此專注于提 供用于與激光器的相位噪聲相關(guān)聯(lián)的噪聲消除的簡單且低成本系統(tǒng)的問題，使得模擬光 學輸出可用于城域和長距離光學網(wǎng)絡(luò)，尤其是用于寬帶RF信號的模擬傳輸。激光器的直接電流調(diào)制已知用于數(shù)字光學傳輸系統(tǒng)，例如密集波分復(fù)用(DWDM) 系統(tǒng)。參看(例如)Kartalopoulos的"DWDM Networks, Devices, and Technology" (IEEE Press, 2003，第154頁)。除了對1550 nm模擬光學傳輸系統(tǒng)所要求的低噪聲特征以外，所述系統(tǒng)還必須為高 度線性的。特定模擬發(fā)射器中所固有的失真阻止線性電調(diào)制信號被線性轉(zhuǎn)換為光學信 號，而是致使所述信號失真。這些影響對于多信道視頻傳輸特別有害，所述多信道視頻 傳輸要求極好的線性以防信道彼此干擾。高度線性化的模擬光學系統(tǒng)廣泛適用于商用模 擬系統(tǒng)，例如廣播TV傳輸、CATV、交互式TV和視頻電話傳輸。對光學和其它非線性發(fā)射器的線性化的研究已經(jīng)有一段時間了，但所提議的解決方案在實踐中具有缺點。上文論述的大部分應(yīng)用所具有的帶寬對于許多實際實施方案來說 過大。用于線性化的前饋技術(shù)需要復(fù)雜的系統(tǒng)組件，例如光功率組合器和多個光源。準 光學前饋技術(shù)遭受類似的復(fù)雜性問題，且另外需要匹配得極好的零件。然而，如下文論 述，用于相位噪聲消除的前向技術(shù)是可使用許多開發(fā)良好的技術(shù)來實施的實用技術(shù)。如上文提到的，已知在現(xiàn)有技術(shù)中在光學傳輸系統(tǒng)中使用外部調(diào)制器。第5,699,179 號美國專利描述一種用于降低光纖誘發(fā)復(fù)合二次(CSO)失真分量的外部調(diào)制且前饋線 性化模擬光學發(fā)射器。在本發(fā)明之前，尚未應(yīng)用耦合到直接(電流)調(diào)制激光器的相位調(diào)制器以用于消除 由激光器的半導體結(jié)構(gòu)中的各種噪聲源產(chǎn)生的相位噪聲分量的目的。應(yīng)注意，半導體激 光器在其振幅(通常稱為相對強度噪聲)和其相位兩者中展現(xiàn)噪聲。這些噪聲特性基本 上與激光波長無關(guān)，但噪聲可在單模式光纖傳輸中在不同波長處以不同方式出現(xiàn)。導致 相位和振幅噪聲的主要內(nèi)部機制是激光器的作用區(qū)內(nèi)的自發(fā)發(fā)射。由于自發(fā)發(fā)射的光子 與經(jīng)由受激發(fā)射產(chǎn)生的那些光子沒有特定相位關(guān)系，因而所得光場的振幅和相位兩者均 受到影響。自發(fā)發(fā)射過程是眾所周知的，且已經(jīng)展示為由布朗運動過程描述，其中噪聲 頻譜在操作頻率內(nèi)基本上是恒定的(白噪聲)。在激光器外部，例如微音效應(yīng)、溫度波 動和偏壓電流噪聲等環(huán)境影響還可在光場中產(chǎn)生相位噪聲。這些事件通常導致光相位噪 聲，其展現(xiàn)具有"l/f"相關(guān)性的噪聲頻譜。本發(fā)明設(shè)法通過前饋消除最小化來自半導體 激光器的固有相位噪聲而不管噪聲的驅(qū)動機制如何。 發(fā)明內(nèi)容1. 發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種使用直接調(diào)制激光器的改進光學傳輸系統(tǒng)。 本發(fā)明的另一目的在于補償用于模擬光學傳輸系統(tǒng)的激光器中的噪聲。 本發(fā)明的再一目的在于提供一種用于1550 nm模擬光學傳輸系統(tǒng)以改進相位噪聲降低的外部Mach Zender調(diào)制器。本發(fā)明的又一目的在于提供一種適用于長距離分散光纖媒體且使用具有相位校正電路的直接調(diào)制激光器的高度線性模擬光學傳輸系統(tǒng)。本發(fā)明的又一目的在于提供一種用于在適用于長距離分散光纖媒體的模擬光學傳輸系統(tǒng)中降低來自激光器的殘余相位噪聲的相移電路。本發(fā)明的目的還在于提供一種寬帶模擬光學傳輸系統(tǒng)中的相位噪聲補償過程。2. 發(fā)明特征簡要地說且概括地說，本發(fā)明提供一種用于產(chǎn)生調(diào)制光學信號以供經(jīng)由分散光纖鏈 路傳輸?shù)竭h程接收器的光學發(fā)射器，其具有輸入端，用于接收寬帶模擬射頻信號輸入； 半導體激光器，其用于產(chǎn)生具有相關(guān)聯(lián)相位噪聲的光學信號；以及噪聲消除電路，其包 括光學相位調(diào)制器以用于降低光學發(fā)射器輸出中的相位噪聲且進而降低光纖鏈路的接 收器端處所呈現(xiàn)的由于相位調(diào)制噪聲分量引起的信號失真。在另一方面，本發(fā)明提供一種供經(jīng)由分散光纖鏈路使用的光學傳輸系統(tǒng)，其包括 具有模擬信號輸入的光學發(fā)射器；半導體激光器；調(diào)制電路，用于直接調(diào)制所述激光器； 以及相位偏移電路，用于針對由半導體激光器產(chǎn)生的光學信號噪聲消除與外部調(diào)制器相 關(guān)聯(lián)的光學相位調(diào)制分量。在另一方面，本發(fā)明進一步提供一種低成本直接調(diào)制技術(shù)，其優(yōu)選地包括用于控制 光學相位調(diào)制器的電路，所述光學相位調(diào)制器用于降低激光器所產(chǎn)生的相位噪聲分量。在本發(fā)明的另一方面，提供一種用于在模擬信號傳輸中降低相位噪聲的噪聲消除電 路，其將來自半導體激光器的輸出光學信號分裂成兩個路徑， 一個通往相位調(diào)制器且另 一個通往頻率鑒別器。在振幅和相位上調(diào)整所述相位調(diào)制消除信號以匹配激光器產(chǎn)生的 相位噪聲的頻率或相位相依性。所述信號的相位通過所述路徑的一者中的延遲或相位調(diào) 整元件同步。接著通過光學相位調(diào)制器重組主要和次要信號以產(chǎn)生只具有振幅調(diào)制的單 個光學信號。因此，相位調(diào)制器以最小化所得相位噪聲的方式調(diào)制來自半導體激光器的 主要信號，從而使得模擬信號適于經(jīng)由分散光纖鏈路傳輸。根據(jù)此揭示內(nèi)容(包括以下詳細描述在內(nèi))以及通過實踐本發(fā)明，所屬領(lǐng)域的技術(shù) 人員將了解本發(fā)明的額外目的、優(yōu)點和新穎特征。當下文參看優(yōu)選實施例來描述本發(fā)明 時，應(yīng)當了解本發(fā)明并不限于此。能夠得到本文教示的所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到其 它領(lǐng)域中的額外應(yīng)用、修改和實施例，所述額外應(yīng)用、修改和實施例屬于在本文中揭示 和主張的本發(fā)明范圍內(nèi)，且本發(fā)明可相對于其具有顯著效用。


通過結(jié)合附圖參看以下詳細描述，將更好地了解并更全面地理解本發(fā)明的這些和其 它特征及優(yōu)點，其中圖1 (a)是現(xiàn)有技術(shù)中己知的外部調(diào)制光學傳輸系統(tǒng)的高度簡化方框圖； 圖1 (b)是現(xiàn)有技術(shù)中已知的直接調(diào)制光學傳輸系統(tǒng)的高度簡化方框圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的光學傳輸系統(tǒng)的高度簡化方框圖。在所附權(quán)利要求書中陳述本發(fā)明的新穎特征和特性。然而，可通過結(jié)合附圖參看對具體實施例的詳細描述來最佳了解本發(fā)明本身以及其它特征和優(yōu)點。
具體實施方式
現(xiàn)將描述本發(fā)明的細節(jié)，包括其示范性方面和實施例。參看附圖和以下描述，相同 參考標號用于識別相同或功能相似的元件，且希望以高度簡化的圖解方式說明示范性實 施例的主要特征。此外，不希望附圖描繪實際實施例的每個特征或所描繪元件的相對尺 寸，且附圖不是按比例繪制的。圖1 (a)是如第5,699,179號美國專利展現(xiàn)的利用外部調(diào)制器的現(xiàn)有技術(shù)光學發(fā)射 器的方框圖。所述發(fā)射器(通常用IO展示)經(jīng)由光纖路徑30向接收器60發(fā)射光學信 號。發(fā)射器IO包括半導體激光器12，其產(chǎn)生連續(xù)波(CW)輸出。此類激光器的典型實 例是分布式反饋(DFB)激光器和/或Fabry-Perot激光器，其以1，550 nm的波長產(chǎn)生輸 出光束。來自激光器的未調(diào)制光學信號通過光纖14耦合到調(diào)制器16。調(diào)制器16可以是 例如Mach-Zehnder調(diào)制器的單個調(diào)制器、級聯(lián)MZ調(diào)制器或例如前饋線性化電路中的 一個以上調(diào)制器。調(diào)制器16還經(jīng)由端子18和線路20接收寬帶RF信號，例如振幅調(diào)制 殘留邊帶(AM-SDB)電纜電視(CATV)或視頻信號。此外，當使用前饋線性化電路 時，經(jīng)由端子22和線路24向調(diào)制器16提供去偏振信號。所述去偏振信號用于在調(diào)制 器16中對誤差校正調(diào)制器(未圖示)的光學輸入進行去偏振。攜載視頻數(shù)據(jù)的經(jīng)調(diào)制光學信號通過光纖鏈路26耦合到放大器28。放大器28通常 是鉺摻雜光纖放大器(EDFA)。經(jīng)放大的光學信號耦合到通往接收器60的光纖傳輸線 路30。所述光纖傳輸線路30可以是延伸經(jīng)過幾千米的長距離鏈路。在此情況下，可沿 著所述線路在其中以間隔距離提供例如EDFA28等線路放大器，以便將所述信號升壓到 所需電平。在接收器60處，還可提供放大器(未圖示)以升壓傳入的光學信號。接著 將經(jīng)升壓的信號施加到光電檢測器且在接收器60處將其解調(diào)制為電信號，所述電信號 代表線路50處的原始視頻或數(shù)據(jù)信號。圖1 (b)是利用激光器的直接電流調(diào)制的現(xiàn)有技術(shù)光學發(fā)射器的方框圖。將寬帶 RF模擬信號直接施加到激光器12。來自激光器12的調(diào)制光學信號通過光纖鏈路26耦 合到放大器28，例如EDFA。經(jīng)放大的光學信號耦合到通往接收器60的光纖傳輸線路 30。在接收器處，將光學信號轉(zhuǎn)換成電信號，所述電信號代表線路50處的原始視頻或 數(shù)據(jù)信號。圖2是根據(jù)本發(fā)明的光學傳輸系統(tǒng)100的高度簡化的方框圖。圖中展示模擬RF信 號輸入源101 (例如包括多個信道的寬帶信號)和預(yù)失真電路105。通過使用預(yù)失真電路105來恰當?shù)貙κ┘拥郊す馄?02的RF信號進行預(yù)失真，如現(xiàn)有技術(shù)中已知，以用 于修改施加到激光器的RF信號以補償激光器的影響遠程接收器處的信號的非線性響 應(yīng)。將預(yù)失真電路105的輸出施加到激光器102來對其進行調(diào)制。本發(fā)明中的激光器102 的調(diào)制可以是AM-VSB調(diào)制器或正交振幅調(diào)制器。將激光器的光學信號輸出110分裂成 兩個部分 一個部分施加到相位調(diào)制器111;另一部分施加到頻率鑒別電路115。圖2系統(tǒng)中所使用的邊緣發(fā)射半導體激光器優(yōu)選地是分布式反饋激光器(DFB)， 但同樣可以使用Fabry-Perto (FP)激光器。DFB激光器是優(yōu)選途徑，因為其光學輸出主 要包含在單個激光模式中，而FP激光器的光學能量散布在許多模式中間。在優(yōu)選實施例中，所述激光器是激光器光輸出波長在1530到1570 nm范圍內(nèi)的外 腔激光器。此外，寬帶模擬信號輸入具有大于一個倍頻程的帶寬且包括多個相異信息攜 載信道。將頻率鑒別115的輸出施加到信號調(diào)節(jié)電路103，所述電路103由對頻率鑒別器的 輸出RF信號執(zhí)行相異操作的串聯(lián)序列電路組成。將RF信號施加到衰減器116以恰當 地調(diào)整所述信號的振幅，以與激光器102的相位噪聲特征所引入的相位偏移分量的振幅 相稱。衰減器的輸出接著連接到相位偏移電路U7。電路117校正施加到電路元件115、116、 117的信號輸出的與施加到調(diào)制器111的所述信號相比的時滯。在所關(guān)注的視頻傳輸頻 帶(對于傳統(tǒng)CATV系統(tǒng)為50MHz-1000MHz)中，半導體激光器的相位噪聲為"白"， 即噪聲的頻譜功率密度與頻率無關(guān)。在此情況下，相位校正路徑將需要具有恒定(可調(diào) 整)增益，其延遲正好與主要路徑的延遲匹配。需要說明的一個方面是頻率鑒別器，具 體地說是相位校正路徑中的光學到電學轉(zhuǎn)換過程。當光電二極管檢測到光學信號時，觀 測到稱為散射噪聲的現(xiàn)象。此噪聲是由在光電二極管中吸收光子以產(chǎn)生電子-空穴對的統(tǒng) 計過程產(chǎn)生的。此噪聲對于所有實踐用途來說是不可避免的。因此，散射噪聲將對可實 現(xiàn)的相位噪聲消除量構(gòu)成下限。接著將相位偏移電路117的輸出施加到相位調(diào)制器111，以進而將相位校正引入到 光學信號中以進而校正或補償所產(chǎn)生的噪聲。從光電二極管產(chǎn)生的光電流的頻譜噪聲密度給定為<in2>=2elp其中e是電子電荷且Ip是DC光電流。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將立即了解到這樣的事實噪聲功率對所接收的光學功率具有線性相關(guān)性，且因此受散射噪聲支配的過程的信 噪比隨著所接收功率的增加而得以改進。這代表所提議發(fā)明中的基本設(shè)計折衷。分接到 相位校正路徑中的較多功率將以發(fā)射器的光學輸出功率為代價來改進最終噪聲消除。調(diào)制器111的輸出經(jīng)由光纖112耦合到放大器113，所述放大器113接著連接到光 纖或鏈路114。在遠端處，光纖或鏈路114連接到接收器，所述接收器將所接收的光學 信號轉(zhuǎn)換為RF信號。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易了解許多改變 和修改。舉例來說，盡管在TV信號調(diào)制激光器或發(fā)光二極管的上下文中進行描述和說 明，但可在很大程度上通過此技術(shù)來消除例如放大器等其它非線性裝置的固有失真。主 要和次要路徑中的信號的相對相位的精密調(diào)整在所說明的實施例中是在次要路徑中，但 這還可在具有粗略調(diào)整的主要路徑中。次要路徑是優(yōu)選的，因為主要路徑中的此類延遲 可能對此路徑具有不恰當?shù)淖杩埂１景l(fā)明的技術(shù)和裝置的各個方面可在數(shù)字電路、或計算機硬件、固件、軟件或其組 合中實施。本發(fā)明的電路可在計算機產(chǎn)品(其有形地實施于機器可讀存儲裝置中以供可 編程處理器執(zhí)行)中實施或在位于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或網(wǎng)站處的軟件(其可自動地或根據(jù)需要下 載到計算機產(chǎn)品)上實施。前述技術(shù)可由(例如)單個中央處理器、多處理器、 一個或 一個以h數(shù)字信號處理器、邏輯門的門陣列或硬連線邏輯電路執(zhí)行，所述裝置用于執(zhí)行 一序列信號或指令程序以通過對輸入數(shù)據(jù)進行操作且產(chǎn)生輸出來執(zhí)行本發(fā)明的功能。所 述方法可有利地在可在可編程系統(tǒng)上執(zhí)行的一個或一個以上計算機程序中實施，所述可 編程系統(tǒng)包括至少一個經(jīng)耦合以從數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)和指令且向數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)傳 輸數(shù)據(jù)和指令的可編程處理器、至少一個輸入/輸出裝置和至少一個輸出裝置。每一計算 機程序可視需要以高級程序或面向?qū)ο蟮木幊陶Z言或以匯編或機器語言實施；且在任何 情況下，所述語言可以是編譯或翻譯語言。舉例來說，適宜的處理器包括通用微處理器 和專用微處理器兩者。 一般來說，處理器將從只讀存儲器和/或隨機存取存儲器接收指令 和數(shù)據(jù)。適合于有形地實施計算機程序指令和數(shù)據(jù)的存儲裝置包括所有形式的非易失性 存儲器，舉例來說包括半導體裝置，例如EPROM、 EEPROM和快閃存儲器裝置；磁 盤，例如內(nèi)部硬盤和可移除盤；磁光盤；以及CD-ROM盤。任何前述裝置可由特別設(shè) 計的專用集成電路(ASIC)補充或并入在ASIC中。將了解，上述元件中的每一者或者兩者或兩者以上在一起還可有效應(yīng)用于與上述類 型不同的其它類型的構(gòu)造。盡管己經(jīng)將本發(fā)明說明并描述為在光學傳輸系統(tǒng)中實施，但不希望其限于所展示的細節(jié)，因為可在不以任何方式脫離本發(fā)明精神的情況下作出各種修改和結(jié)構(gòu)變化。在不作進一步分析的情況下，前述內(nèi)容將如此全面展現(xiàn)本發(fā)明的要點，使得其他人 可通過應(yīng)用當前知識來在不省略在現(xiàn)有技術(shù)立場上完全構(gòu)成本發(fā)明一般或特定方面的 本質(zhì)特性的特征的情況下容易對其進行調(diào)適以用于各種應(yīng)用，且因此此類調(diào)適應(yīng)當且希 望包含在所附權(quán)利要求書的等效意思和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制光學信號以經(jīng)由光纖鏈路傳輸?shù)竭h程接收器的光學發(fā)射器，其包括激光器，其用于產(chǎn)生包括頻譜上的噪聲擴展的基帶光學信號；調(diào)制器，其用于用模擬RF信號對所述激光器進行直接振幅調(diào)制，以產(chǎn)生包括含有經(jīng)振幅調(diào)制信息的分量和相位調(diào)制分量的光學信號；以及相位調(diào)制器，其耦合到所述激光器的輸出端以用于消除與所述光學信號相關(guān)聯(lián)的相位噪聲。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述激光器是半導體激光器，且所述相位調(diào)制 器消除所述激光器的輸出信號中的噪聲分量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述相位調(diào)制器增加所述遠程接收器處所接收的光學信號的SBS閾值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其進一步包含頻率鑒別電路，所述電路具有連接到 所述激光器的所述輸出端的輸入端和耦合到光電二極管的輸出端，以便將所述光學 信號中的所述相位噪聲轉(zhuǎn)換為施加到所述相位調(diào)制器的調(diào)制電信號，以便發(fā)生有效 的相位噪聲消除。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)射器，其中所述激光器的光輸出的波長在1530到1570 nm范圍內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中寬帶模擬信號輸入具有大于一個倍頻程的帶寬 且包括多個相異信息攜載信道。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其進一步包含預(yù)失真電路，其用于修改施加到所述 激光器的所述RF信號以補償所述激光器的影響所述遠程接收器處的信號的非線性響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制光學信號以經(jīng)由光纖鏈路傳輸?shù)竭h程接收器的光學發(fā)射器，其包括激光器；調(diào)制器，其用于用模擬RF信號對所述激光器進行直接振幅調(diào)制，以產(chǎn)生包括含有經(jīng)振幅調(diào)制信息的分量的光學信號；以及相位調(diào)制器，其耦合到所述激光器的輸出端以用于消除所述激光器中產(chǎn)生的噪聲信號。
文檔編號H04B10/12GK101237283SQ20071030715
公開日2008年8月6日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月2日
發(fā)明者約翰·揚內(nèi)利 申請人:昂科公司