基于残留边带的偏振正交调制光标签方法

摘要

本发明属于光标签网络中的光标签调制技术领域，其特征在于，在已调制了光载荷的输入信号光进入LiNbO3相位调制器进行偏振调制以前，先用一个残留边带滤波器把输入光脉冲展宽，使时域脉冲形状更加平缓，干涉后的相消效果更好，进入输入端后，再用分光器把输入光分成两部分：一部分经过起偏器后用误码测试仪接收光标签信号；另一部分用标签擦除器把两束偏振正交调制光恢复成一个偏振态后，再送入第二个误码测试仪接收光载荷信号。实践证明，本发明克服了晶体双折射造成的时延对偏振调制光标签的影响，具有调制简单、高谱效率的优点。

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术和光纤通信技术领域。特别涉及在光标签交换网络中的光标签调制格式。

背景技术

1997年Bellcore(贝尔通信研究所)的S.J.B.Yoo和G.K.Chang等人提出了基于光标签交换(Optical Label Swapping：OLS)技术建立下一代光网络的方案，这是一种在全新的光网络中进行IP业务接入的新机理和新技术，它在充分利用了光波交换技术和标签交换技术的同时也吸收了IP业务的特点，简化了原来数据网络的多层协议栈，提高了处理效率，而且能够低延时交换转发数据包并对数据率和数据格式透明。由于采用标签交换技术，从而简化了路由器入口处处理包头信息和FEC(转发等价类)分配的过程，改善了选路的性能和成本，为实现快速转发奠定了基础，这种方案突破了波长选路中可使用波长数目有限的制约，使得光包不再与波长捆绑，光包可灵活出入上下各节点，全光网络资源的利用潜力增加；它通过对光标签的处理来识别传送路径，完成选路功能，同时，又依据IP数据业务突发性强这个特点，采用标签交换可以充分开发链路资源，大大提高数据传输效率。而这种光标签交换又非“全光”处理，弥补了目前尚未成熟的一些关键网元的功能，比如光缓存器和光信号同步，它不需要像突发交换网络那样提前传送控制信令信息，准确估计信号处理和传输延时，通过标签来简化突发光交换的一些操作。

光标签调制方案是实现OLS网络的关键技术之一。光标签调制方案决定了光标签交换节点的基本结构、信号的传输性能等系统表现。在高速网络中，通常载荷的数据率在40Gb/s以上，一些常用的光标签调制方案已经不能够继续使用。目前，用于高速网络中的光标签调制方案主要有串行标签、波长标签和副载波标签方案。其中第一种方案需要高速的同步控制电路，实现比较复杂；第二种方案占用了额外的光纤信道，降低了带宽利用率；第三种方案需要高频微波处理电路，会引入非线性效应。因此，需要一种新型的高谱效率、处理简单的光标签调制方案。

我们设计的基于残留边带的偏振正交调制光标签方案具有调制简单、高谱效率的特性。利用LiNbO₃相位调制器的各向异性的特点对载荷信号进行偏振调制，使用窄带光学滤波器对载荷信号进行滤波以获得高谱效率信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高谱效率、处理简单的、基于残留边带的偏振正交调制光标签方法。

我们采用基于LiNbO₃晶体的相位调制来实现偏振调制。这种调制的好处是使用单一的相位调制器就可以实现偏振调整，方案比较简单，易于实现，相当于把分立的功能器件整合到一起，具有更好的稳定性。输入信号光经过起偏器进入到LiNbO₃晶体中。由于晶体只有一个方向上施加电压进行相位调制，而另外一个垂直方向上没有调制，所以在相位调制器的输出端就会产生干涉效应，改变输入信号光的偏振态。设定LiNbO₃晶体的调制电压为V_π，则经过调制的偏振方向上，信号相当于延迟了π相位差。其效果等同于信号经过1/2波片的慢轴。信号在LiNbO₃晶体中偏振态改变如图1所示。

1/2波片的Jones矩阵为：

$>>>H>\theta >>=>\begin{array}{}>>cos>2>\theta >>sin>2>\theta >\; >>sin>2>\theta >>->cos>2>\theta >\; >\; >->->->>(>1>)>>>s>\end{array}$

其中θ为入射光的x轴与波片快轴的夹角。假设入射光是沿x轴的线偏振光：

$>>ver>>E>\to >>in>>>(>t>)>>=>A>>(>t>)>>>e>>j>>\omega >0>>t>\; >\begin{array}{}>>1>\; >>0>\; >\; >->->->>(>2>)>>>s>\end{array}$

其中ω₀表示光信号的频率，则出射光可以表示为：

$>>ver>>E>\to >>out>>=>>H>\theta >>\times >ver>>E>\to >>in>>=>A>>(>t>)>>>e>>>j\omega >0>>t>\; >\begin{array}{}>>cos>2>\theta >\; >>sin>2>\theta >\; >\; >->->->>(>3>)>>>s>\end{array}$

当θ＝45°时，

$>>ver>>E>\to >>out>>>(>t>)>>=>A>>(>t>)>>>e>>>j\omega >0>>t>\; >\begin{array}{}>>0>\; >>1>\; >\; >->->->>(>4>)>>>s>\end{array}$

可见，经过1/2波片后，出射光的偏振方向与入射光偏振方向垂直。即当调制信号为V_π时，就可以实现信号光的偏振方向旋转90度，即正交方向。考虑到实际中输入光是已经调制了高速光载荷的信号光，可以表示为：

$>>>S>in>>>(>t>)>>=>>\Sigma >>i>=>1>>N>>>S>i>>>(>t>)>>ver>>E>\to >>in>>>(>t>)>>->->->>(>5>)>>>s>$

其中N表示载荷信号的比特数目，S_i(t)代表具体波形A(t)承载的信号，即“0”码或者“1”码。假设相位调制器的调制强度为V_π，调制信号为：

$>>L>>(>t>)>>=>>\Sigma >>j>=>1>>M>>>L>j>>>(>t>)>>->->->>(>6>)>>>s>$

其中M表示标签信号的比特数目。那么，输出的信号光可以表示为：

$>>>S>out>>>(>t>)>>=>>\Sigma >>j>=>1>>M>>>\Sigma >>i>=>1>>>int>>(>N>/>M>)>>>>>L>j>>>(>t>)>>>S>>i>\times >M>+>j>>>>(>t>)>>ver>>E>\to >>out>>>(>t>)>>->->->>(>7>)>>>s>$

int()表示取整运算。可见，输出信号已经整合了标签信息L(t)和载荷信息S(t)。

当L_j(t)＝1时：

$>>ver>>E>\to >>out>>>(>t>)>>=>>e>>j>>\omega >0>>t>\; >\begin{array}{}>>0>\; >>1>\; >\; >->->->>(>8>)>>>s>\end{array}$

即包含在标签信号L_j(t)比特周期内的所有高速载荷信号的偏振方向都旋转了90度。

当L_j(t)＝0时：

$>>ver>>E>\to >>out>>>(>t>)>>=>>e>>j>>\omega >0>>t>\; >\begin{array}{}>>1>\; >>0>\; >\; >->->->>(>9>)>>>s>\end{array}$

即包含在标签信号L_j(t)比特周期内的所有高速载荷信号的偏振方向都不变。这样，就实现了利用载荷信号偏振态的改变来承载标签信号。

在接收端，需要擦除原有的偏振调制标签，然后再添加新的标签信息。擦除偏振标签可以通过一个起偏器来实现，如图2所示。标签的“0”码和“1”码具有互相垂直的偏振态。调整信号光，使得起偏器的主轴与两个垂直偏振方向的夹角都为45度。则输出的信号光又恢复为一个偏振态，实现了偏振标签的擦除。

在40Gb/s的高速光网络中，需要考虑到晶体双折射造成的时延τ对偏振调制光标签的影响，出射的E_out可以表示为：

$>>>E>out>>>(>t>)>>=>>1>2>>[>A>>(>t>->\tau >)>>exp>>(>i>>(>>\omega >0>>>(>t>->\tau >)>>)>>+>A>>(>t>)>>exp>>(>i>>(>>\omega >0>>t>+>\pi >)>>)>>>]>>s>$

$>>=>>1>2>>[>A>>(>t>->\tau >)>>exp>>(>>>->i\omega >>0>>\tau >)>>->A>>(>t>)>>]>exp>>(>>i\omega >0>>t>)>>->->->>(>10>)>>>s>$

同式(4)相比，可以看出此时E_out并不是完全干涉，其干涉效果与脉冲形状及时延τ的大小有关。如图3所示，两个具有时延差的高斯脉冲相干，并不能完全相消，造成光标签信号的“0”码功率增加，影响接收眼图及误码特性。我们解决这个问题的一个办法是采用残留边带滤波整形光载荷信号，再进入偏振调制器调制。从这样光脉冲经过滤波器后会有展宽效应。这种效应可以使脉冲形状更加平缓，干涉后的相消效果更好。如图4所示，经过滤波后随着脉冲的展宽，虽然经历相同的时延，但是相消的效果比没有滤波前的图3要改善很多。本发明的特征在于：该方法一次含有以下步骤：

步骤(1)，用一个残留边带滤波器把已经调制了光载荷的输入信号光整形成残留边带的光载荷信号；

步骤(2)，把步骤(1)所述的残留边带的光载荷信号送入一个偏振调制器进行调制；

步骤(3)，一个LiNbO₃相位调制器根据设定的标签信号速率、调制电压幅度把所述偏振调制器调制并输出的、与所述LiNbO₃相位调制器的快轴方向成45度角的偏振的残留边带光载荷信号旋转90度，使出射光的偏振方向与入射光的偏振方向垂直，得到一束增加了标签且基于残留边带的两束偏振正交调制光；

步骤(4)，一个掺铒光纤放大器把步骤(3)得到的所述偏振正交调制光放大后送入传输通道；

步骤(5)，在接收端，同分光器把接收的所述偏振正交调制光分成以下两部分：

一部分经过起偏器进入误码测试仪，接收光标签信号；

另一部分用标签擦除器擦除标签后，直接送入第2个误码测试仪接收光载荷信号，所述标签擦除器中的第2个偏振调制器对输入的两束所述偏振正交调制光经调制后，再遇到第2个起偏器时，使得所述第2个起偏器的主轴与所述两束偏振正交调制光的交角都为45度，从而使该第2个起偏器输出的光载荷信号光又恢复为一个偏振态。

2.根据权利要求1所述的基于残留边带的偏振正交调制光标签方法，其特征在于，所述残留边带滤波器的中心频率也是可调谐的。

残留边带滤波对偏振调制的改善效果还可以通过测量光标签信号的误码率来检验。图7给出了在没有残留边带滤波和有残留边带滤波两种情况下，接收的光标签信号的误码曲线。可以看出，在没有经过滤波时，偏振调制信号的接收是存在误码平台的，这主要是偏振调制不完全，即偏振调制标签的消光比低下所造成的。此时光标签信号的误码平台在10^-7左右，无法满足光传输的系统要求。在经过残留边带滤波后，光标签信号的接收误码平台消失，误码率可以到10^-12甚至更低，完全可以满足系统传输的需要。

实验中还检验了光标签擦除的效果。通过调整偏振控制器，使得两个偏振方向的信号与接收端处的起偏器主轴夹角为45度，就可以消除偏振调制的光标签。图8显示了经过光标签擦除后与未加光标签的载荷背靠背(BTB)时误码曲线的比较。通过眼图可以看出，经过光标签擦除后载荷信号的恢复还是非常好的。在误码率为10^-12时，功率代价约为1dB。这种低扰动的标签擦除表现使得光载荷可以进行下一步的处理，比如新标签的写入等。

附图说明

图1.LiNbO₃晶体中光信号偏振态的改变；

图2.偏振调制光标签擦除器原理示意图；

图3.双折射时延对偏振调制信号的影响示意图：

(a)：调制前的光脉冲；

(b)：调制后的光脉冲；

图4.滤波后双折射时延对偏振调制信号的影响示意图：

(a)：调制前经过滤波的光脉冲；

(b)：调制后的光脉冲；

图5.实现本发明的所述方法的系统示意图；

图6.未经过滤波与经过滤波的比较示意图：

(a)：未滤波的载荷信号频谱图；

(b)：已滤波的载荷信号频谱图；

(c)：未滤波的载荷信号的眼图；

(d)：滤波后的载荷信号的眼图；

(e)：未滤波载荷信号调制的标签信号时域波形图；

(f)：滤波后载荷信号调制的标签信号时域波形图；

图7.经过滤波与未经过滤波的标签误码曲线比较图：

经过滤波的；没有经过滤波的；

图8.经过标签擦除后与背靠背误码表现及眼图的比较图：

背靠背的；经过标签擦除后的；

具体实施方式

具体实施方案如图5所示。使用43Gb/s的载波抑制归零码(CSRZ)产生器产生载荷信号。经过一个光学滤波器产生残留边带的CSRZ信号，滤波器的中心频率是可调谐的，用以验证不同中心频率偏移对信号的影响。然后残留边带载荷信号经过一个偏振控制器(PC)调整，使得偏振方向与LiNbO₃相位调制器的快轴方向夹角为45度。调制的标签信号速率为125Mb/s，调制幅度为V_π。添加了偏振调制标签的光信号通过放大后进入传输系统中。在接收端使用50/50的分光器把信号分为两部分，其中一部分经过起偏器进入125MHz的误码测试仪(BERT)接收光标签信号。另一部分直接接收，进入到43GHz的误码仪接收光载荷信号。为考察光标签的擦除效果，可以使用偏振控制器和起偏器共同作用来擦除标签，再进行载荷接收。

本实例中采用的装置图如图5所示，其中：

A.43Gb/s的CSRZ光信号发生器和接收器使用的是Mintera公司的MI4010ST

B.偏振控制器采用General Photonics公司的PolarRITE。

C.滤波器使用的是Santac公司的OTF-300-03S3。

D.LiNbO₃相位调制器采用Covega公司的LN_053-065调制器。

E.EDFA采用上海光网络公司的。

F.125Mb/s的数据发生器和接收器分别使用的是ADVANTEST公司的D3186PULSEPATTERN GENERATOR和D3286ERROR DETECTOR。

G.光探测器采用意欧公司的PD1100。

图6(a)、图6(c)和图6(e)分别显示了在未经过残留边带滤波的情况下的光载荷信号光谱图、光载荷信号的时域图(分辨率为10ps/div)和偏振调制标签信号的时域图(分辨率为4ns/div)。可以看出，经过相位调制器后，的确出现了偏振调制的效果，但是偏振信号的消光比很低，直接影响光标签的接收质量。图6(b)、图6(d)和图6(f)分别显示了经过残留边带滤波的情况下的光载荷信号光谱图、光载荷信号的时域图和偏振调制标签信号的时域图。可以看出，通过残留边带滤波后光信号的频谱被压窄，时域脉冲展宽，更加接近一种连续波的形式，如同上一节分析的结果一样，这对偏振信号的调制是非常有利的。从图6(f)的时域图也可以看出，偏振标签的消光比同图6(e)相比有明显改善，同理论分析的结果相同。