一种用于超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置

摘要

本发明公开了一种光频率控制装置用于校准超密集型波分多路复用光通道中光通道的中心频率。本发明的超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置包含一种光通道单元，用于输出具有不同的中心频率的多元半导体激光束，该半导体激光束组成光通道；一种光探测单元，用于对从光通道单元输出的多元半导体激光束进行光探测并且产生拍频信号；一种微波频谱分析单元，用于以数字信号的方式输出从光探测单元输出的拍频信号的频谱信息；以及一个控制器，用于接收微波频谱分析单元的输出信号和控制光通道单元的光通道的中心频率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置，特别是涉及一种用于光通道的中心频率被校准的超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置。

背景技术

为了提高一束光纤的传输容量，波分复用光系统的光通道之间的间隙已从100GHz降低到50GHz，25GHz或更低。超密集型光通讯的分类没有显著的标准，但是如果光通道之间的间隙总是25GHz或更低并且光通道的数量是100或更多，那么这种通讯属于超密集型波分多路复用光通讯。在双向光通讯系统中，光束以相反的方向穿过的光通道的中心频率之间的差异能非常小到10GHz。这种情况被认为是属于超密集型波分多路复用光通讯。

在传统的波分多路复用光通讯系统中，波长锁定器或法布里-珀罗滤波器(Fabry-Perot filter)控制中心频率。然而，由于这种方法使用光学元件常常出现几个GHz的误差，在含有非常狭窄的光通道间隙的波分多路复用光通讯系统中，它产生严重的问题。为了校准超密集型波分多路复用光通道，日本的NTT公司应用了一种将一光源用与光通道频率间隙相应的频率调整的方法。然而，在这种方法中，对于每一个光通道其信噪比低以至于不能实际应用。最近，美国的Fiberspace公司开发了一种创新性的波长锁定器，它能使错误降低到约100MHz。然而每一条光通道都需要它自己的波长锁定器，所以费用问题仍然存在。结果，没有完全解决本领域所面临的问题。

现在，在相关的领域中提到了一种装置，在这种装置中当光探测对不同波长的光通道工作时产生的微波拍频信号用作控制信号，并且光通道部件的光频率之间的间隙保持一致。应用这种装置，在双向光通讯中互相通讯的节点之间相关的光通道间隙比普通的波长锁定器能被更准确地控制。这种技术公布在下列的文章中：Yong-SangAhn，Sang-Yuep Kim，Sang-Hoon Han，Jae-SeungLee，Sang-SooLee，和Wan-Seok Seo，“Bidirectional DWDM transmission using a beat-frequency-lockingmethod”(应用拍频锁定方法的双向DWDM传输)，IEEE PhotonicsTechnology Letters，13卷，889-901页，2001。然而，由于这种技术适用于维持不同的光通道部件之间的相对频率稳定，因此这种技术不适用于应用在普通的超密集型波分多路复用光通信而不是双向光学通信的光源校准。

这种应用拍频率信号校准两种或三种光源的技术已被研究。通常情况下，拍频率信号的实际频率与拍频率信号的预期频率之间的差异被转换成电信号，并且应用这种转化的电信号使光通道间隙或光通道间距稳定。比如，在美国专利US5861975中，公开了一种技术，在这种技术中拍频信号被转化成与成拍频率成正比的电压信号并且被转化的电压信号用于校准光通道。这种方法适于校准少量的光源，但是当光通道和拍频信号的数量巨大时这种方法不能使用。

发明内容

因此本发明的直接目的是一种用于超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置，它主要地避免了由于相关技术中的局限和不利而带来的一个或多个问题。

本发明的另一个目的是校准用于超密集型波分多路复用光通讯系统中光通道的中心频率。

本发明的其他优点，目的和特征将部分涉及在下列的描述中，另一部分对于本领域的普通技术人员来说在仔细分析下文之后是显而易见的或者可从本发明的应用中了解到。尤其是通过本说明书和权利要求以及附图中指出的结构可认识到或获得本发明的目的和其他的优点。

为了实现这些目的和其他的优点以及与本发明的目的一致，正如本文中包含和泛述的，用于超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置包括一种光通道单元，用于输出具有不同的中心频率的多元半导体激光束，半导体激光束组成光通道；一种光探测单元，用于对从光通道单元输出的多元半导体激光束进行光探测并且产生拍频信号；一种微波频谱分析单元，用于以数字信号的方式输出从光探测单元输出的拍频率信号的频谱信息；以及一个控制器，用于接收微波频谱分析单元的输出信号和控制光通道单元的光通道的中心频率。

本发明的另一方案中，用于超密集型波分多路复用光通道的光学频率控制装置包括一种光通道单元，用于输出具有不同中心频率的多元半导体激光束，该半导体激光束组成光通道；一种光谱控制器，用于改变从光通道单元输出的半导体激光束的光谱并且输出该改变了的光谱；一种光探测单元用于对从光通道单元输出的多元半导体激光束进行光探测并且产生拍频信号；一种微波频谱分析单元，用于以数字信号的方式输出从光探测单元输出的拍频信号的光谱信息；以及一个控制器，用于接收微波光谱分析单元的输出信号和控制光通道单元的光通道的中心频率以及光谱控制器。

本发明的另一个方案中，一个双向光通讯系统应用上述的超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置。

本发明的又一个方案中，提供了一个光学频率分析器，在这个光学分析器中应用上述的超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置计算光谱。

需要明确的是指出本发明前述的一般描述和下面的详细介绍是范例和说明，并且将按权利要求对本发明进一步解释。

附图说明

所包括的附图提供对本发明的进一步理解，并且构成该申请的一部分。附图说明本发明的具体实施例并于描述一起用于解释该发明的原理。在图中：

图1说明本发明的第一个实施例的用于超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置；

图2说明本发明的第二个实施例的用于超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置；

图3说明本发明的第三个实施例的含有多元光分通道部件的光通道单元。

图4说明本发明的第四个实施例的含有多元光分通道部件的光通道单元，其中应用了一个偏振扰频器；

图5是没有校准的拍频信号的光谱示意图；

图6是校准的拍频信号的光谱示意图；

图7是校准的光通道的光谱示意图；和

图8是本发明的第五个实施例的包括波长可调谐激光器的光谱控制器。

具体实施方式

现在对本发明中优选方案详细制定参考标准，其实例在附图中说明。在尽可能的情况下，相同的参考编码用于所有附图中相同的和类似的部分。

本发明中，使用一微波拍频信号作为控制信号校准超密集型波分多路复用光通道的中心频率。在校准超密集型波分多路复用光通道时，其中光通道之间的间隙非常小并且有非常多的光通道使用该微波拍频信号，将非常容易地发现构成每一个拍频信号的光通道。因此，必须需要一个微波频谱分析电路但是不用进行测试。

在本发明中，利用微波频谱分析电路来分析微波拍频信号。微波频谱分析电路有助于分析当光探测对许多的光通道进行工作时产生的复杂的分布的微波拍频信号。在本发明中，输入到光探测器的光通道光谱被改变而在光频率范围内发现光通道的位置。为了这个目的，我们或者在光探测器前放置一可调光滤波器或者应用连同光通道一起的波长可调谐激光器的输出到光探测器。因此，本发明的光频率控制装置能够精确地控制在超密集型波分多路复用光通讯系统中的光通道间隙和光通道中心频率。结果，由于每一光通道不需要使用波长锁定器，用于超密集型波分多路复用光通讯系统中的光源造价低。

本发明的光频率控制装置用于将应用在超密集型波分多路复用光通讯系统中的光通道的中心频率校准到预期的位置。其基本结构在图1中说明并且本基本结构的改进版在图2中说明。

本发明的具体方案将连同附图阐述。

图1说明本发明中第一个实施例的用于超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置。

光通道单元10输出超密集型波分多路复用光通道。产生光通道的所有光源安装在光通道单元10。然而，在某些情况下，能够接收到被使用的远程节点发出的一些或全部的光通道。使用各种结构的光耦合器，从光通道单元10输出的光通道能与光传输路径耦合。由于在本发明中详细的结构不重要，因此在图1中将其省略。从光通道单元10输出的多元光通道被输入到光探测单元30产生多元微波拍频信号。

包括一微频光谱分析电路的微波频谱分析单元40将微波拍频信号的振幅和频率分布信息转换成数字信号并将转化的数字信号输送到控制器50。控制器50分析微波频谱分析单元40的输出信号并控制从光通道单元10输出的光通道的中心频率。另加一光学放大器(图1中没表示)放置在光强度弱的地方。

拍频信号的频率值显示的是产生拍频的两条光通道的中心频率之间的间隙。因此，如果发现了产生特殊拍频信号的两条光通道，这两条光通道中心频率之间的间隙就能被精确的发现。如果这两条光通道中的一条的中心频率已被锁定，那么另一条光通道就能被校准在正确的中心频率位置。

光通道单元10的一部分输出光通道是基准光通道，其波长已被波长锁定器或类似装置锁定。该基准光通道提供校准其它的光通道所必须的基准频率值。光通道单元10的输出光通道可以不包括任何基准光通道。在这种情况下，光通道单元10能够使用任何一条输出光通道作为基准光通道并校准其它的光通道。光通道单元10的输出光通道通常已被调节但是也可以没有被调节过。在光频率范围内光通道之间的间隙可以不同。

正如上所述，即使在远程节点的光通道变成光通道单元10的输出光通道的情况下，控制器50将信号发送到相关的远程节点并且控制相关光信号的中心频率。

因此，本发明的第一个实施例的光频率控制装置能够保持不同节点的光通道中心频率之间的差异一致。换句话说，本发明的第一个实施例的光频率控制装置能够使相对于与定位在基准节点的光通道的远程节点光源的光学频率稳定并且使在双向光通讯系统中的不同节点光通道的光频率的相对间隙稳定。

图2说明本发明中第二个实施例用于超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置；图2图示的第二个实施例是在图1中的第一个实施例中的用于超密集型波分多路复用光通道的光频率控制装置中增加了一光频谱控制器20。该第二个实施例的描述与第一个实施例的描述部分重叠，但是为了下列叙述方便，重复的部分没有被省略掉。对于附图及有关的叙述中的同一组件将使用同一参考编码。

光通道单元10输出超密集型波分多路复用光通道。所有产生光通道的光源可在光通道单元10。但是，有时一些或全部的光通道从某远程节点被传输和被接收并被使用。应用不同结构中的光耦合器使从光通道单元10输出的光通道与光传输路径相耦合。因为详细的结构在本发明中不重要，它们在图1中被省略。光通道单元10输出含有不同中心频率并被产生或被接收的多元半导体激光束。从光通道单元10输出的半导体激光束被输入到光谱控制器20。

光谱控制器20改变光通道单元10的半导体激光束的频谱。该光谱控制器20使用一个光滤波器除去一些光通道单元10输出光通道的光通道或者使用波长可调谐激光器给光通道单元10的输出光通道增加一些附加的光通道以改变从光通道单元10输出的光谱。换句话说，在光探测期间产生的拍频信号的分布被改变以便由两条特定的光通道产生的拍频信号非常容易被发现。从光谱控制器20输出的光通道被输入到光探测器30从而产生多元微波拍频信号。

包括微频光谱分析电路的微波频谱分析单元40将微波拍频信号的振幅和频率分布信息转换成数字信号并将被转换的数字信号输送到控制器50。该控制器50分析微波频谱分析单元40的输出信号并控制从光通道单元10输出的光通道的中心频率。同时，微波频谱分析单元40也控制光谱控制器20的输出频谱。可以另外使用一个额外的光放大器(图1中没有示意)放置在光强度弱的地方。

拍频信号的频率值显示出产生成拍频率的两条光通道的中心频率之间的间隙。因此，如果发现了产生特定拍频信号的两条光通道，就会精确地发现这两条光通道的中心频率之间的间隙。如果该两条光通道中的一条光通道的中心频率已被锁定，另一条光通道就能被校准在正确的中心频率位置。

光通道单元10的一些输出光通道是基准光通道，其波长已被波长锁定器及类似装置锁定。基准光通道提供校准其他光通道所必须的基准频率值。光通道单元10的输出光通道可不包括任何基准光通道。在这种情况下，光通道10能够使用任何一条它输出的光通道作为基准光通道并校准其它的光通道。

光通道单元10的输出光通道通常已被调节但是也可以不被调节。在光频率范围内光通道之间的间隙可不同。

如上所述，既使远程节点的光通道是光通道单元10的输出光通道，在这种情况下，控制器50能够将信号发送到相关的远程节点并控制相关光信号的中心频率。

因此本发明第二个实施例的光频率控制装置能使不同节点的光通道中心频率之间的差异保持一致。换句话说，本发明第二个实施例的光频率控制装置能使相对于定位在基准节点的光通道的远程节点的光源的光频率稳定并保持在双向光学通讯系统中放置在的不同节点的光通道的光频率的相对间隙稳定。

图3说明本发明第三个实施例的含有多元光分通道部件的光通道单元部件。

参看图3，光通道单元10能包括多元光分通道部件11，12和13，基准光分通道部件14，光开关15和第一光耦合器16。每一个光分通道部件至少输出形成一条光通道的一束半导体激光束。基准光分通道部件14只输出形成基准光通道的半导体激光束。从光分通道部件11，12和13输出的激光束被输入到由控制器50控制的光开关15。光开关15可有多元输出终端。从光开关15输出的激光束被输入到第一光耦合器16。这时，从该基准光分通道部件14输出的激光束也被输入到第一光耦合器16。该第一光耦合器16将接收到的激光束耦合并在一条路径中输出该耦合的激光束。基准光分通道部件14和光分通道部件11，12及13可以包括从远程节点传输的光通道用于输出。有时，基准光分通道部件14能被省略。

从光分通道部件11，12和13输出的一些激光束可被一光耦合器耦合到一条路径中并被传输到其它的节点。但是，在图3中包括这个光耦合器的结构被省略。

当本发明的光频率控制装置被接通或正在使用并且光通道的校准是混乱的时候，控制器50可以改变属于光通道单元10的光通道的中心频率或光强度，拍频用信号表示找到了频率位置或其改变的振幅。这是发现由特定的光通道产生的拍频信号最容易的方法。

通常情况下，一条光通道能够产生几个拍频信号。但是，如果改变仍没有被校准的光通道中心频率或光强度，那么就能发现该光通道和其中一条已被校准的光通道之间产生的特定的拍频信号。在这种情况下，控制器50校准仍没被校准的光通道的中心频率以便于被发现的拍频信号定位在预期的频率位置。为了达到这个目的，我们通常用改变有关激光二极管的温度的方法。通常情况下，被校准的光通道的中心频率在±100MHz的范围内随机变化。重复上述的过程可以降低这种错误的影响。

图4说明本发明的第四个实施例的一光通道单元，该光通道单元含有一多元光分通道部件，在其中应用了偏振扰频器。

图4图中表示的本发明第四个实施例是通过在图3中的第三个实施例中的光通道单元中增加一偏振扰频器而来。第四个实施例中一些描述与第三个实施例的描述有重复，但是为了下面描述的方便，重复的描述没有被省略掉。在附图和相关的描述中，对于同一组件将使用相同的参考编号。

参看图4，光通道单元10可包括多元光分通道部件11，12和13，基准光分通道部件14，光开关15和第一光耦合器16。每一个光分通道部件至少输出一条形成光通道的半导体激光束。基准光分通道部件14只输出形成基准光通道的半导体激光束。从光分通道部件11，12和13输出的激光束被输入到由控制器50控制的光开关15。光开关15可有多元输出终端。从光开关15输出的激光束被输入到第一光耦合器16。这时，从基准光分通道部件14输出的激光束也被输入到第一光耦合器16。该第一光耦合器16将接收到的激光束耦合并在一条路径中输出耦合的激光束。基准光分通道部件14和光分通道部件11，12和13可包括从远程节点传输来的光通道。有时，基准光分通道部件14可被省略。如果偏振扰频器17被放置在至少一个输入终端，那么该拍频信号稳定。如果偏振扰频器17没有被放置在至少一个输入端，那么光通道就不会被偏振或随时间变得不稳定。

从光分通道部件11，12和13输出的一些激光束可由一光耦合器耦合到一条路径中并被传输到其它的节点。但是，包括该光藕合器的结构在图4中被省略。

当该光频率控制装置被接通或正被使用并且该光通道的校准是混乱的时候，控制器50可改变属于光通道单元10的光通道的中心频率或光强度并且拍频用信号表示找到了频率位置或其改变的振幅。这是发现由特定的光通道产生的拍频信号的最简单的方法。

通常情况下，一条光通道产生几个拍频信号。然而，如果改变仍没有被校准的光通道的中心频率或光强度，就能发现该光通道和其中一条已被校准过的光通道之间产生的特定的拍频信号。在这种情况下，控制器50校准仍没有被校准的光通道的中心频率以便于该被发现的拍频信号定位在预期的频率位置。为了达到这个目的，我们通常使用改变相关的激光二极管的温度的方法。通常情况下，被校准过的光通道的中心频率在±100MHz范围内随机变化。重复上述的过程能降低这种错误的影响。

图5是没有被校准的拍频信号的光谱图。图6是已被校准过的拍频信号的光谱图。图7是已被校准过的光通道的光谱图。

在本发明中，由于光通道间隙被精确地控制，甚至一些基准光通道的误差能被纠正。为了执行这些操作，必须需要微波频谱分析单元40来通知拍频信号的分布。为了证实本发明的实用性，我们做了试验，在该试验中相对于含有两条100GHz间隙的基准光通道的一基准光通道部件，一含有七个光通道的光分通道部件被校准。为了发现由特定的光通道产生的拍频信号，相关的激光二极管的温度被控制以便成功地改变所有光通道的中心频率。所有光通道在10Gbps内被调节并且光通道之间的间隙或间距是12.5GHz。图5和图6是由两个光通道部件的光探测产生的拍频信号校准之前或之后各自的电频谱。该频谱从微波频谱分析器获得。所有光通道之间的间隙在50MHz以内。图7是校准光通道后由光频谱分析器测定的光谱。

上述的方法通过改变光通道的中心频率或光强度能够破坏通讯中信号的质量。为了克服这个问题并更容易地识别拍频信号，使用了光谱控制器20，如图2所示。如果光频谱控制器20包括一可调光滤波器21，该可调光滤波器21降低输入到光探测单元30的光通道的数目并且使光谱控制器20的输出光通道的功率彼此不同。因此，识别拍频信号变得容易。控制器50控制可调光滤波器21的中心传输频率。

图8说明本发明第五个实施例包括一波长可调谐激光器的光谱控制器。

参看图8，光谱控制器20可包括一波长可调谐激光器22用于改变输出光的波长和另一光耦合器23用于将波长可调谐激光器22的输出信号和光通道单元10的输出信号耦合在一条光学路径内。波长可调谐激光器22的中心频率由控制器50控制。波长可调谐激光器22输出功率能够提高到非常容易识别由波长可调谐激光器22产生的拍频信号和临近光通道的程度。

另一种方法，光谱控制器20在其中一个输入终端可包括另一个偏振扰频器24用于降低偏振效应。

另一种方法，光谱控制器20可包括一光调节器25用于对波长可调谐激光器22的输出信号进行周期性的光调节。

由两条光通道产生的两个拍频信号的光频率在较短波长方向和较长波长方向最接近于波长可调谐激光器22产生的输出光的光频率，该两个拍频信号与波长可调谐激光器22产生的输出光含有比其它的拍频信号更低的频率并能非常容易地与其它的拍频信号区别开。这两个拍频信号的中心频率的总数与该两条光通道的中心频率的差异相同，该两条光通道的中心频率在较短波长和较长波方向最接近于由波长可调谐激光器22产生的输出光的光频率。

为了进一步详细的介绍，假设波长可调谐激光器22的输出光的中心频率是ft并且含有在从光谱控制器20输出的光通道中间在较短波长和较长波长方向最接近于ft的中心频率的两条光通道的中心频率是fa和fb，其中fa≤ft≤fb。频率为(ft-fa)和(fb-ft)的拍频部分在光探测单元30的输出终端产生并且它们的总数fd＝fb-fa是定位在fa和fb的两条光通道的光通道间隙或光通道间距。如果fa固定在预期的位置并且fd比预期的光通道间隙大，fb就降低。否则，fb增加。结果，fd设置在预期值。这时，可方便地设置ft以便于(ft-fa)和(fb-ft)可比较。

如果改变波长可调谐激光器22的输出光的波长重复上述过程，所有的光通道都能被校准。控制器50控制波长可调谐激光器22的中心频率。这时，要降低偏振从属性，波长可调谐激光器22的输出光通过第二个偏振扰频器24被输入到第二个光耦合器，如果需要，波长可调谐激光器22的输出光能含有多元波长。波长可调谐激光器22的输出光可被调整成周期性的波形。这减少波长可调谐激光器22和其邻近的光通道之间拍频幅度，以便于微波频谱分析单元40可用价格便宜的低频率电路制造。

在上例中，如果波长可调谐激光器22的输出光用fd/2的频率调节，在光探测单元30的输出终端产生的拍频信号的两个最低频率组分是|fb-ft-fd/2|和|ft-fd/2-fa|。因为如果fd＝fb-fa这两个频率相同，这两条光通道就能很快地被校准。波长可调谐激光器22可被由于分流，放大和分离光通道单元10的输出光获得的光取代。

光通道的校准顺序通常是从基准光通道到下一个基准光通道的较近频率顺序。为了提高准确性，重复上述的过程或者颠倒光通道的校准顺序再重新校准光通道。

在本发明中，当光通道离基准光通道较远时光通道的中心频率的误差增加。因此，基准光通道的中心频率间隙不能太远，并且由所用装置的精密度确定间隙值。对于等同的光通道间距的情况，为了看到光通道的校准误差，相对于预期频率值确定拍频信号的频率分布是否对称是有用的。

通常情况下，从光通道单元10输出的光通道被调节并且如果经光调节后载体组分存在通过微波频谱分析单元40能清晰地观察到拍频信号。但是，如果载体组分不存在，每一拍频信号分布在一宽频率范围内。在这种情况下，从分布形状计算光通道间距。

光探测单元30可以包括一光敏二极管和一电阻器。

微波频谱分析单元40可只包括一微波频谱分析器41或使用一具有与微波频谱分析器41相同功能的电路来工作。

如上所述，波长可调谐激光器22的输出光被周期性地调节，在这种情况下，微波频谱分析单元40不需要微波频谱分析器就能工作，因而更便宜。也可以在电信号强度弱的地方使用一额外的微波放大器。

由于本发明装置能清楚地指示光通道间的光频率距离，因此本发明的装置能用作光频谱分析器用于应用在超密集型波分多路复用光学通讯系统中的光通道。

在本发明中，在超密集型波分多路复用光通讯系统中光通道之间的频率间隙是25GHz或更低，应用在该系统中的光通道能被校准在光频率范围几百个MHz或更低的误差内。本发明的装置比起每一条光通道都使用一昂贵波长锁定器的传统装置更便宜。本发明装置能保持不同节点的光通道的中心频率间隙一致。换句话说，为了使一基准节点校准其它节点的光源中心频率稳定而使用本发明。在双向光通讯网络中为了使不同节点光通道之间的光通道间距值稳定而使用本发明。当然，如果所使用的元件能在高拍频条件下工作，本发明能够应用在高于25GHz的光通道间隙的情况。

对本领域的普通技术人员来说，可对本发明进行各种修改和变化。所以，假如这些修改和变化包含在权利要求及其相等物中，本发明要求包括这些对本发明的所有修改和变化。