專利名稱：用于光鎖相環(huán)的光電壓控制振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光鎖相環(huán)的光電壓控制振蕩器。
背景技術(shù)：
光鎖相環(huán)(OPLL)是光通信系統(tǒng)中的頻率合成和相干解調(diào)中使用的光學設(shè)備，用于本地地產(chǎn)生光信號，該光信號的頻率和相位跟蹤輸入光信號的頻率和相位。
具體地，OPLL主要由光相位檢測器、電子環(huán)路濾波器、光電壓控制振蕩器(OVCO)構(gòu)成。
具體地，相位檢測器接收作為輸入的要被鎖定的光信號和由OVCO提供的已鎖定光信號(即，其頻率和相位已經(jīng)被“鎖定”到輸入光信號的頻率和相位)，并輸出電誤差信號，該電誤差信號指示輸入光信號之間存在的相位差。
相位檢測器2產(chǎn)生的電誤差信號被發(fā)送到環(huán)路濾波器，該環(huán)路濾波器具有低通傳輸函數(shù)并輸出已濾波的電誤差信號以便輸入到OVCO，該OVCO輸出上述的已鎖定光信號，該光信號的瞬時頻率隨著濾波電信號的振幅成比例的變化。
OVCO通常通過使用固態(tài)可調(diào)諧激光器或直接可調(diào)制的半導體激光器制成，盡管其在過去的使用中具有以下缺點其對其插入的OPLL的使用上具有可觀的影響。
具體地，雖然它們由于固態(tài)激光器的減小的線寬而在頻譜效率和功能性方面具有不可懷疑的力量(對非線性影響的不靈敏性)，使用基于固態(tài)激光器的OPLL的OVCO是仍然很難應用到光通信系統(tǒng)中，因為很難發(fā)現(xiàn)在ITU(國際電信聯(lián)盟)設(shè)置的頻率格柵中運行的固態(tài)激光器，它們體積大且笨重，它們需要許多功率來運行，并且比使用基于半導體激光器OVCO的OPLL更貴。
然而，雖然后者比使用基于固態(tài)激光器的OVCO的OPLL具有少的多的花費，但是它們需要使用分布式反饋(DFB)技術(shù)，其又需要使用寬帶反饋電子電路，這是因為直接控制的半導體激光器的可觀的線寬以及由于這些設(shè)備的非理想操作帶來的非常高的注入電流。
對不斷更高數(shù)據(jù)傳輸速度的持續(xù)市場需求將引起高頻譜效率和對OPLL的非線性效應的不靈敏性，使其成為下一代光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。
如果觀察當前傳輸系統(tǒng)中正在進行的發(fā)展，明顯的就是基于“非歸零”(NRZ)或“歸零”(RZ)格式的標準強度調(diào)制和直接檢測(IM-DD)傳輸系統(tǒng)在頻譜效率和對非線性效應的不靈敏性方面已經(jīng)非常接近其理論極限。
因此，為了增強光通信系統(tǒng)的性能，目前所能使用的唯一解決方法就是在傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中的顯著變化，例如在傳輸中使用相位、頻率、振幅調(diào)制和以上任何組合，例如PSK(相移鍵控)，F(xiàn)SK(頻移鍵控)，QAM(正交幅度調(diào)制)等等，以及在接收中使用相干零差檢測。
例如，具有零差相干檢測的二進制PSK傳輸系統(tǒng)具有的敏感度比具有NRZ格式的標準IM-DD傳輸系統(tǒng)要好3.5dB。該優(yōu)勢可以用來將每個傳輸信道所需的平均傳輸光功率減少大概3.5dB。因此在峰值功率方面，獲得大約6.5dB的減小，這急劇減小了光纖非線性效應，即性能下降的根源。
作為另一個例子，4-PSK傳輸系統(tǒng)的頻譜占用相對于具有NRZ格式的標準二進制傳輸系統(tǒng)來說被減半了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于OPLL的OVCO，其允許至少部分地克服上述傳統(tǒng)OPLL的缺點。
根據(jù)本發(fā)明，提供了如權(quán)利要求1所述的電控制的光振蕩器。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了如權(quán)利要求8所述的光鎖相環(huán)。


為了更好的理解本發(fā)明，僅僅通過非限制性的實例并參考附圖，現(xiàn)在將介紹其優(yōu)選實施例，其中附圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的光鎖相環(huán)的框圖。
具體實施例方式
具體地，在附圖1中，參考標記1在整個說明書中表示根據(jù)本發(fā)明的OPLL，其主要包括光相位檢測器2，電子環(huán)路濾波器3，OVCO4和光偏振控制器5。
光相位檢測器2包括光耦合器6，接收作為輸入的要被鎖定的光信號 和OVCO 4提供的已被鎖定的光信號 并輸出耦合光信號 具體地，為了簡便起見，假設(shè)正在單色信號上工作，由以下公式表示 其中S1，S2是電磁場 和 的振幅ω1，ω2是 和 的光角頻率1，2是 和 的光相位 是 和 的光偏振光耦合器6輸出的耦合光信號 可以由下面一般的表達式表示 其中s^1′=s^1·M1]]>s^2′=s^2·M2]]>其中k1，k2是由光耦合器引入的電磁場 和 振幅的衰減因子，
1′，2′是光耦合器引入的相移， 是在光耦合器輸出端的 和 的光偏振，M1，M2是在 和 上的偏振旋轉(zhuǎn)矩陣(2×2)，以說明耦合器6的偏振效應光耦合器6的一個實例可以由理想的3dB耦合器表示，其中 除了標準的2×1或2×2光耦合器，另一個光耦合器6的例子可以由理想90°混合耦合器表示，其是具有兩個光輸出的2×2光設(shè)備，分別提供了由以下一般表達式表示的光信號 和光信號 其中2′out1＝1′out1；k1_out1＝k2_out1＝1/，M1_out1=M2_out1=1001]]>2′out2＝1′out2+90°；k1_out2＝k2_out2＝1/，M1_out2=M2_out2=1001]]>并且其中k1_out1，k2_out1是由光耦合器在第一輸出端引入的電磁場 和 的振幅的衰減因子，k1_out2，k2_out2是由光耦合器在第二輸出端引入的電磁場 和 的振幅的衰減因子，1out1′，2out1′是由光耦合器在第一輸出端引入的相移，1out2′，2out2′是由光耦合器在第二輸出端引入的相移， 是在光耦合器的第一輸出端的 和 的光偏振， 是在光耦合器的第二輸出端的 和 的光偏振，M1_out1，M2_out1是在光耦合器的第一輸出端的 和 的光偏振的旋轉(zhuǎn)矩陣(2×2)，以及
M1_out2，M2_out2是在光耦合器的第二輸出端的 和 的光偏振的旋轉(zhuǎn)矩陣(2×2)。
相位檢測器2還包括光檢測器7，接收作為輸入的由光耦合器6產(chǎn)生的耦合光信號 并輸出電壓誤差信號VPD，電壓誤差信號VPD指示要被鎖定的光信號 和已被鎖定的光信號 之間存在的相位差。
電誤差信號然后作為輸入提供到電子環(huán)路濾波器3(其是在電子鎖相環(huán)中一般使用的那種低通濾波器)，并輸出濾波的電誤差信號VPDF。
該濾波的電誤差信號VPDF然后作為輸入提供到OVCO 4，其輸出上述的已鎖定光信號 其頻率隨著已濾波電誤差信號VPDF的振幅成比例的變化。
偏振控制器5被放置在光耦合器6的輸入端，在那里要被鎖定的光信號被接收，并且以公知的方式(在這里不再詳述)修改要被鎖定的光信號的光偏振，這樣要被鎖定的光信號和已被鎖定的光信號在光檢測器7的輸入端互相平行。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，OVCO 4主要包括電壓控制的振蕩器8(EVCO)，連續(xù)波激光源9，和Mach-Zehnder光振幅調(diào)制器10。
EVCO 8是振蕩器，該振蕩器的自由振蕩頻率在設(shè)計階段是可定義的，該振蕩器的輸出由正弦信號構(gòu)成，該正弦信號的頻率相對于自由振蕩頻率的偏移與在其輸入端提供的電信號的振幅成比例。在特殊情況下，EVCO 8接收了由電子環(huán)路濾波器3提供的作為輸入的已濾波電誤差信號VPDF，并輸出調(diào)制電信號EEVCO，該電信號EEVCO由正弦電壓構(gòu)成，該正弦電壓的頻率是已濾波電誤差信號VPDF的振幅的函數(shù)。
連續(xù)波激光源9是由外腔半導體激光源組成，該外腔半導體激光源在市場上是常見的并且使用通常用于DWDM應用的DFB技術(shù)構(gòu)建，并產(chǎn)生光載波SOC，即，幾乎是單色光信號，其具有“幾乎理想的”正弦輪廓的光電磁場，和可調(diào)的光頻率。
Mach-Zehnder光調(diào)制器10在光輸入端接收由激光源9產(chǎn)生的光載波SOC，并且在電輸入端接收EVCO 8產(chǎn)生的(正弦的)調(diào)制電信號VEVCO(其可以由用于光調(diào)制器的驅(qū)動器放大)，并在光輸出端提供上述的已鎖定光信號 其相位和頻率是EVCO 8產(chǎn)生的調(diào)制電信號VEVCO的函數(shù)，原因下面將會介紹。
OPLL 1的操作將在下面介紹，從OVCO 4的操作開始，并認為滿足以下OVCO 4本身的操作條件a)Mach-Zehnder調(diào)制器10的休息(即缺乏調(diào)制信號)時的工作點被放置在調(diào)制器的電光傳輸函數(shù)F(v)(定義為輸出光功率和輸入施加電壓的比率)的其中一個最小值，該函數(shù)是已知的，其理想地具有作為施加電壓V的函數(shù)的平方余弦周期輪廓，該施加電壓在最大值和最小值(通常接近0)之間是可變的；正如以下將變得更明顯的，由于EVCO 8輸出的正弦調(diào)制信號(子載波光鎖相環(huán)-SC-OPLL)，允許OVCO 4在所謂的抑制載波和子載波產(chǎn)生模式中運行；b)Mach-Zehnder調(diào)制器10的消光比ER應該是足夠的高(例如ER＞15dB)；所述消光比ER定義如下ER=10log10max[F(V)]min[F(V)]]]>c)提供給Mach-Zehnder調(diào)制器10的調(diào)制電信號VEVCO的振幅不大于電壓Vπ，該電壓Vπ定義為調(diào)制器本身的電光傳輸函數(shù)F(V)的最大點和最小點之間在Mach-Zehnder調(diào)制器的施加電壓V的差值。
將激光源9產(chǎn)生的光載波SOC的光頻率設(shè)計為FLASER，將EVCO 8產(chǎn)生的調(diào)制電信號VEVCO的電頻率設(shè)計為FEVCO，那么Mach-Zehnder調(diào)制器10的輸出信號的功率譜包括-在頻率FLASER-FEVCO和FLASER+FEVCO(子載波)處的兩個主要譜線。
-在頻率FLASER的偽譜線，相對于兩個主要譜線衰減主要由調(diào)制器的消光比確定的因子。
-在頻率FLASER-nFEVCO和FLASER+nFEVCO處的另外的偽譜線，其中n是大于1的整數(shù)。
這樣，在Mach-Zehnder調(diào)制器10的輸出端，獲得了具有主要譜線(子載波)的光信號，該譜線的光頻率和相位與EVCO 8的電驅(qū)動信號成比例，據(jù)此就有了上述的具有抑制載波和子載波產(chǎn)生的光電壓控制振蕩器的名字。
基于上面的描述，很明顯本發(fā)明允許使用在市場上通常能獲得的組件來獲得具有與通過使用可調(diào)諧固態(tài)或半導體激光器產(chǎn)生的傳統(tǒng)OVCO相同的功能的OVCO 4。OVCO 4提供的光信號 具有由兩個主要譜線(子載波)構(gòu)成的光譜，其頻率和相位由輸入到OVCO 4的已濾波電誤差信號VPDF直接控制，該輸入與EVCO 8的輸入一致。
OPLL 1的整個操作完全替代地等于使用利用可調(diào)諧固態(tài)或半導體激光器獲得的傳統(tǒng)OVCO獲得的傳統(tǒng)OPLL的操作。
假設(shè)光信號 的兩個主要譜線的其中一條(以下為了簡便起見，稱其為鎖定線)被選擇(即，通過使用光濾波器)，那么相位檢測器2所提供的光信號 的相位和光信號 的鎖定線的相位之間的差值表示了誤差信號，該誤差信號用來控制EVCO 8，EVCO 8輸出了其頻率與該誤差信號成比例的正弦電壓VEVCO。
因此，由于光信號 的鎖定線的相位對應于Mach-Zehnder調(diào)制器10輸出的光功率譜中的兩個主要譜線之一的相位的這樣的事實，并且由于后者是EVCO 8輸出的正弦信號VEVCO的頻率FEVCO的函數(shù)，因此OPLL 1的操作狀態(tài)將以這樣的方式發(fā)展抵消在光信號 和光信號 的鎖定線之間存在的相位誤差。
假設(shè)將Mach-Zehnder調(diào)制器10輸出的光功率譜中的第二主要譜線(FLASER+FEVCO)用作鎖定線，并且使用EVCO 8，而在EVCO 8中的正弦輸出電壓頻率與在其輸入提供的控制信號成比例，那么如果光信號 的頻率(或相位)趨于增加，那么光信號 的頻率(或相位)和光信號 的鎖定線(FLASER+FEVCO)的頻率(或相位)之間的差值也趨于增加，因此EVCO 8的控制信號的振幅也趨于增加，從而引起EVCO8輸出的正弦電壓VEVCO中的頻率FEVCO的增加，從而與光信號 的頻率(或相位)和光信號 的鎖定線(FLASER+FEVCO)的頻率(或相位)之間的差值的增加形成對比。
顯然，如果鎖定線是Mach-Zehnder調(diào)制器10的輸出功率譜中的第一主要譜線(FLASER-FEVCO)，情況也相似。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，選擇Mach-Zehnder調(diào)制器10的輸出功率譜的兩個主要譜線的哪一個作為鎖定線可以通過調(diào)整由外腔半導體激光器9提供的光載波SOC的光頻率FLASER來作出，使得鎖定線的頻率盡可能地接近光信號 的頻率FINPUT，即在OPLL 1的鎖定頻帶之內(nèi)。
假設(shè)在將Mach-Zehnder調(diào)制器10產(chǎn)生的光信號 和光信號 耦合之后(即組合在頻率FLASER，F(xiàn)LASER-nFEVCO和FLASER+nFEVCO(n≥1)處的譜線)，頻率FLASER接近Mach-Zehnder調(diào)制器10的輸出功率譜的第二主要譜線的頻率FLASER+FEVCO，那么由光檢測引入的在光信號 的頻率(即FINPUT)和光信號 的頻譜的3個主要頻率(即FLASER，F(xiàn)LASER-FEVCO和FLASER+FEVCO)之間差動(beat)，將產(chǎn)生一系列在不同頻率上的譜線，其中具有基帶譜線(如果OPLL 1被鎖定的話，正好在0Hz)和位于頻率±n*FEVCO處的其他偽譜線。通過合適地設(shè)計電子環(huán)路濾波器3，這些偽譜線將由于它的濾波也可能由于光檢測器7引入的濾波而被消除。
因此在電子環(huán)路濾波器3引入的濾波之后，在基帶中只保留被選作為鎖定線的主要譜線和要被鎖定的信號之間的差動；該差動表示用來驅(qū)動EVCO 8的已濾波電誤差信號VPDF。
根據(jù)本發(fā)明的SC-OPLL的主要優(yōu)點如下·外部光調(diào)制器和EVCO的使用允許獲得在光頻率合成上非常高的精確性，即其僅由EVCO的特征限制。當前，商用EVCO甚至具有非常高的頻率(50-60GHz)和相對寬的可調(diào)諧范圍(幾個GHz)。上述的替換方案(具有固態(tài)或半導體激光器的EVCO)在控制直接調(diào)制的半導體的偏置電流方面卻需要非常精確，這很難獲得。
·所建議的OVCO配置能夠獲得接近理想的頻率轉(zhuǎn)化，其作為施加電壓的函數(shù)的線性僅僅被EVCO的線性限制，而不是由使用的光學組件限制。另一個優(yōu)點是由于該頻率轉(zhuǎn)化不再被任何偽振幅調(diào)制所影響，這是因為EVCO的輸出信號，其振幅在整個操作范圍上都是固定不變的。在基于半導體激光器的直接控制的其他方案中，頻率轉(zhuǎn)化總是伴隨著偽振幅調(diào)制，其必須被專用電子或光學電路補償。
·所提出的基于EVCO和外部光學調(diào)制器的SC-OPLL的設(shè)計(其組合等價于OVCO)，可以通過利用在電子PLL方面已知的和長期開發(fā)的理論來作出；而其他解決方案則需要基于要被使用的直接調(diào)制的激光器的特性的專門設(shè)計。
·用作本地振蕩器的激光器不被調(diào)制(連續(xù)波，CW)，因此可以使用外腔半導體激光器，其在波長上可以緩慢調(diào)諧。該解決方案提供的優(yōu)點在于由于OVCO而在有限的頻率范圍內(nèi)具有快速可調(diào)性，并且由于在每個商用可調(diào)諧激光器上可用的參數(shù)的直接控制而在寬范圍的波長上具有緩慢的可調(diào)諧性。而相比之下，其他方案則特別需要開發(fā)非商用激光源。
最后，顯然這里所述的SC-OPLL和OVCO可以進行修改和改變，而不背離本發(fā)明的范圍，如附加權(quán)利要求所定義的。
例如，操作條件，即在Mach-Zehnder調(diào)制器10的休息時的操作點應該在電光傳輸函數(shù)F(V)的最小值的條件，對于OVCO 4的正確運行來說并不是嚴格要求的。如果所述的條件不滿足，因此在Mach-Zehnder調(diào)制器10的休息時的操作點不在調(diào)制器的電光傳輸函數(shù)的最小值上，那么Mach-Zehnder調(diào)制器10的輸出信號的功率譜將包括在頻率FLASER上的譜線，其振幅將相對于所關(guān)心的兩個譜線(子載波)來說不能忽略；然而，無論如何，該譜線將在電子環(huán)路濾波器3所執(zhí)行的濾波操作中被消除，也可能被光檢測器7消除。
此外，偏振控制器5(通過其，要被鎖定的以及已經(jīng)被鎖定的光信號的光偏振在光檢測器7的輸入端保持平行)，不需要被放置在光耦合器6的輸入端(在該輸入端輸入的是要被鎖定的光信號)，而是可以放置在OPLL 1的任何點，從而在任何情況下，其可以操作來保持在光檢測器7的輸入端的要被鎖定的以及已經(jīng)被鎖定的光信號的光偏振的平行，例如在光調(diào)制器10的輸出端。
此外，光調(diào)制器不必是Mach-Zehnder調(diào)制器，而可以使用任何其他類型的光振幅調(diào)制器。
最后，因為EVCO 8的輸出信號的頻率越大，那么光振幅調(diào)制器10的輸出功率譜的譜線的頻率間隔就越大，光檢測引入的差動的頻率間隔就越大，OVCO 4的性能就越好，所以可通過將EVCO 8本身的自由振蕩頻率向更高頻率轉(zhuǎn)化來獲得EVCO 8的輸出信號的更高頻率。
可以以使用具有比EVCO 8的自由振蕩頻率高的多的頻率的本地振蕩器非常簡單的方法獲得該轉(zhuǎn)化。具體地，通過例如使用簡單放大器，使具有自由振蕩頻率FFO的EVCO 8的輸出信號和具有頻率FLO的本地振蕩器的輸出信號之間互相差動，該差動將分別在頻率FLO-FFO和FLO+FFO處創(chuàng)建兩個譜線。然后通過合適的帶通濾波器濾除較低頻率線，將獲得比EVCO 8具有更高頻率的電信號，該信號然后可以作為輸入被提供到光振幅調(diào)制器以便調(diào)制由外腔半導體激光器提供的光載波。
此外，EVCO 8可以是不同于上述類型的類型，具體地，除了電壓控制的電子振蕩器，其也可以是電流控制的電子振蕩器。因此在后一情況中，OVCO 4將相似地成為電流控制的光振蕩器。
最后，激光源9和光調(diào)制器10可以是兩個分離的設(shè)備也可以是單個光設(shè)備的一部分。
權(quán)利要求
1.一種電控制的光振蕩器(4)，其特征在于-電控制的電子振蕩裝置(8)，其具有接收電控制信號(VPDF)的輸入端和提供調(diào)制電信號(VEVCO)的輸出端，該調(diào)制電信號(VEVCO)的頻率(FEVCO)與所述電驅(qū)動信號(VPDF)相關(guān)；-激光源(9)，提供光載波(SOC)；-光振幅調(diào)制器裝置(10)，具有接收所述光載波(SOC)的光輸入端和接收所述調(diào)制電信號(VEVCO)的電輸入端和提供通過使用所述調(diào)制電信號(VEVCO)對所述光載波(SOC)進行振幅調(diào)制所獲得的已調(diào)制光信號 的光輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的電控制的光振蕩器，其中所述光振幅調(diào)制器裝置是Mach-Zehnder光振幅調(diào)制器(10)。
3.如權(quán)利要求2所述的電控制的光振蕩器，其中Mach-Zehnder調(diào)制器(10)的休息時的操作點位于Mach-Zehnder調(diào)制器(10)本身的電光傳輸函數(shù)的最小值。
4.如之前任何一個權(quán)利要求所述的電控制的光振蕩器，其中所述激光源(9)是連續(xù)波激光源。
5.如之前任何一個權(quán)利要求所述的電控制的光振蕩器，其中所述激光源(9)是外腔半導體激光器。
6.如之前任何一個權(quán)利要求所述的電控制的光振蕩器，其中所述已調(diào)制光信號 具有功率譜，該功率譜包含在分別與所述光載波(SOC)的光頻率(FLASER)和所述調(diào)制電信號(VEVCO)的電頻率(FEVCO)的差值和總和相關(guān)的頻率上的第一子載波和第二子載波。
7.如之前任何一個權(quán)利要求所述的電控制的光振蕩器，其中所述光源(9)和所述光振幅調(diào)制裝置(10)是單個光設(shè)備的一部分。
8.一種光鎖相環(huán)(1)，包括-光相位檢測器裝置(2)，其具有接收要被鎖定的光信號 的第一光輸入端和接收已被鎖定的光信號 的第二光輸入端，和提供電誤差信號(VPD)的電輸出端，該電誤差信號(VPD)指示在要被鎖定的光信號 和已被鎖定的光信號 之間的相位差；-電控制的光振蕩器裝置(4)，其具有接收與所述電誤差信號(VPD)相關(guān)的電驅(qū)動信號(VPDF)的電輸入端和提供已鎖定光信號 的光輸出端；其特征在于所述電控制的光振蕩器裝置(4)是如之前任何一個權(quán)利要求所述的電控制的光振蕩器。
9.如權(quán)利要求8所述的光鎖相環(huán)，其中所述光相位檢測器裝置(2)包括-光耦合器裝置(6)，具有接收要被鎖定的光信號 的第一光輸入端和接收所述已被鎖定的光信號 的第二光輸入端，和提供耦合光信號 的輸出端，以及-光檢測器(7)，接收所述耦合光信號 并提供所述電誤差信號(VPD)。
10.如權(quán)利要求9所述的光鎖相環(huán)，其中所述光耦合器裝置(6)包括3dB的耦合器。
11.如權(quán)利要求9所述的光鎖相環(huán)，其中所述光耦合器裝置(6)包括混合90°光耦合器。
12.如權(quán)利要求8到11任何一個所述的光鎖相環(huán)，還包括-環(huán)路電子濾波裝置(3)，插入在所述光相位檢測器裝置(2)和所述電控制的光振蕩器裝置(4)之間。
全文摘要
一種光鎖相環(huán)(1)，包括光相位檢測器(2)，其接收作為輸入的要被鎖定的光信號(符號I)和已被鎖定的光信號(符號II)，并提供作為輸出的電誤差信號(V
文檔編號H04B10/60GK1871797SQ200480030846
公開日2006年11月29日 申請日期2004年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月16日
發(fā)明者沃特爾·費瑞羅, 羅伯托·高迪諾 申請人:馬里奧·博埃拉·敘勒信息通訊技術(shù)高等學院