CN1961235A - 用于色散补偿光纤系统的功率源 - Google Patents

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Abstract

本发明总体涉及一种用于光纤通信系统(100)的光学滤光器(304－306)。光学滤光器(304－306)在直接调制的激光源(102)之后使用，并将部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号。该光学滤光器(304－306)可补偿光纤传输介质(108)中的色散，并且还可锁定激光源(102)的波长。

Description

用于色散补偿光纤系统的功率源
本申请要求两个美国临时申请的优先权：(1)2002年7月7日递交的U.S.申请No.60/395,161；(2)2002年8月6日递交的U.S.申请No.60/401,419。在此引入这两份美国临时申请作为参考。
技术领域
本申请总体涉及用于光纤系统的光源，其将部分频率调制信号转换为基本调制信号，并补偿传输光纤中的色散。
背景技术
光纤通信系统利用各种各样的发射机将信息的电数字位转换为通过光纤发送的光信号。在光纤的另一端为将该光信号转换为电信号的接收机。发射机调制信号，形成多个1和0的位，以使信息或数据可通过光纤传送。各种各样的发射机以不同的方法调制信号。例如，直接调制发射机和间接调制发射机。直接调制发射机提供对调制具有较大响应的紧凑系统并且其可一体化。直接调制发射机通常也比外调制发射机便宜，外调制发射机需要在激光器后面设置强度调制器，通常是LiNbO3。然而，直接调制发射机的缺点之一是其输出具有高啁啾效应。啁啾是伴随亮度调制信号的光的频率或相位的快速变化。经过色散光纤数十公里的传播后，啁啾脉冲变得失真，渐增的系统能量恶化到不可接受的程度。这将直接调制激光发射机的使用限制到以2.5Gb/s传输几十公里的有限距离的应用中，如P.J.Corvini和TL.Koch在Journal of Lightwave Technologyvol.LT-5，no.11，1591(1987)中所描述的。为了获得较高比特率应用，甚至将直接调制发射机的使用限制到更短的距离。
直接调制激光源的一个替换方案是使用产生部分频率调制信号的激光源以及光鉴频器，如R.E.Epworth在英国专利GB2107147A中讨论的。在这种技术中，最初将激光偏置到远高于阈值的电流电平。施加该偏置电流的部分振幅调制，使平均功率输出保持高水平。该部分振幅调制还在激光输出频率中产生部分但却重要的调制，这种调制与功率振幅改变同步。这种部分频率调制输出随后被施加到滤光器上，例如法布里-珀罗滤光器，该滤光器可调谐为只允许特定频率的光通过其中。这样，部分频率调制信号被转换为基本振幅调制信号。也就是说，频率调制被转换为振幅调制。这种转换增大了输入信号的消光比并进一步减少了啁啾。
自从Epworth以来，根据其技术的多种变型已经被用于增加激光器的信号输出的消光比。例如，N.Henmi在美国专利US 4,805,235中描述了一种非常类似的系统，其还使用了自由空间干涉仪。Huber的US 5416629，Mahgerefteh的US6104851以及Brenner的US 6115403使用了类似结构的光纤布拉格光栅鉴频器。在最近的研究中，已经认识到具有鉴频器的频率调制发射机产生较低啁啾的输出，其降低了在通过通信光纤传播过程中的脉冲失真。啁啾是光信号的时间相关频率变化，并且通常增加信号的光学带宽以超出傅立叶变换范围。根据啁啾的表现和具体性质，啁啾可改善或恶化经色散光纤传播后的光脉冲形状。在常用的直接调制激光发射机中，在通过光纤传播过程中，啁啾引起严重的脉冲失真。这是因为色散介质中的光速是频率相关的，各脉冲的频率变化经历不同的延时，由此使脉冲失真。如果经过介质的传播距离与在光纤中一样长，则脉冲在时间上分散并且其宽度变宽，这是不需要的效果。
在上述系统中，运用鉴频器增大输入信号的消光比或是去除某些有利于其它方面的信号的一些组分。这样，只是已经利用了鉴频器的振幅变化。另外，这些系统主要处理低比特率应用。在低比特率，偏置电流在其阈值之上的调制激光的光谱包括两个载波，每一个传送用于调制激光的数字信号。根据激光和偏流，两个峰的波长被分离为10GHz至20GHz。因此，多种光鉴频器(法布里-珀罗、马赫-曾德等)可用于分辨这两个峰，通常是删除各0位而保留各1位，由此增加输出的消光比。
法布里-珀罗滤光器由两个部分反射镜表面形成，它们由约几微米的小间隙分离开。该腔可以是空气间隙或是由沉积或是切割和抛光方式形成的固体材料。法布里-珀罗滤光器的透射由所谓的自由光谱范围(FSR)分离的光频周期峰构成，其反比于间隙的厚度。各峰的陡度由两个反射镜的反射率决定。然而，透射边缘越陡，滤光器的通带越窄。同样的，法布里-珀罗滤光器可提供较陡的透射边缘或是斜率，但不能为的高比特率应用(如10Gb/s)提供足够宽的带宽。
在更高的比特率，频率调制信号的光谱变得更复杂，并且可选用的鉴频器也有限。在大约10Gb/s的高比特率，信息带宽变得可比得上激光的频移，该频移一般在10GHz至15GHz之间。此外，在各1位和0位之间的瞬变过程中产生的瞬变啁啾变宽，使光谱进一步复杂化。当经过10Gb/s信息时，为了分离具有10dB消光比的1和0位，鉴频器的斜率应大于1dB/GHz。根据这些性能标准，法布里-珀罗滤光器可能无法工作，因为法布里-珀罗滤光器的带宽和斜率特性是透射边缘越陡，滤光器的通带宽越窄。如图1A和图1B所示，具有1dB/GHz斜率的法布里-珀罗鉴频器仅具有大约3GHz带宽。这种有限的带宽可使10Gb/s信号严重变形，从而使具有法布里-珀罗滤光器的FM调制发射机不能在该比特率工作。其它还试过将光纤布拉格光栅用于高比特率应用，但其对温度敏感并需要对温度稳定的单独封装。因此，仍然需要可在高比特率与FM调制光源一起工作且对温度变化不敏感的鉴频器。
发明内容
本发明提供一种光鉴频器，其可在高比特率对频率调制(FM)光源操作，并且可具有与传输光纤中色散符号相反的色散，从而抵消光纤中至少某些部分的色散。当鉴频器提供的色散与光纤中的色散符号相反时，由于光纤中色散导致的信号恶化可被最小化。本发明还提供调制激光源和鉴频器系统，其既补偿光纤色散又将部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号。鉴频器与光纤中的色散相反，对于较长距离的应用可直接调制激光源。
鉴频器可以是各种滤光片，如耦合的多腔(CMC)滤光器，来增强将部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号的保真度以及引入与光纤中色散符号相反的加强色散，从而使光信号不失真的传输更远的距离。本发明还提供一种调制激光源，其与滤光器可通信地相连，其中滤光器适于锁定激光源的波长并将部分频率调制激光信号转换为基本振幅调制信号。
根据本文描述的实施例，可出现色散补偿滤光片的方法、系统和装置的多种修改、变化和组合。根据下述结合附图的详细描述，本发明上述和许多特征及附带的优点将更加清楚。
附图简要说明
将参照附图对根据本发明的实施例进行详细描述。
图1A示出了具有大约1dB/GHz鉴频器斜率的法布里-珀罗滤光器的透射和色散曲线；
图1B示出了图1A的法布里-珀罗滤光器的带宽；
图2示出了具有直接FM调制激光器和至少部分补偿光纤色散的透射型光鉴频器的光纤系统；
图3A示出了耦合的多腔(CMC)滤光器的负透射边缘上的光信号与光频的关系曲线；
图3B示出了图3A中CMC滤光器的相应色散与光频的关系曲线；
图3C示出了根据图3A的CMC滤光器的正透射边缘上的光信号；
图3D示出了图3A中CMC滤光器的相应色散与光频的关系曲线；
图4示出了发射机的输出波形，经过具有正或负斜率的滤光器之后的频移和输出；
图5示出了具有直接FM调制激光器和也可部分补偿光纤中的色散的反射型光鉴频器的光纤系统；
图6A示出了CMC滤光器的反射侧的负斜率上的光信号；
图6B示出了图6A中CMC滤光器的相应色散与光频的关系曲线；
图6C示出了CMC滤光器的反射侧的正斜率上的光信号；
图6D示出了图6C中CMC滤光器的相应色散与光频的关系曲线；
图7A示出了CMC滤光器的结构；
图7B示出了法布里-珀罗滤光器的结构；
图8示出了具有直接FM调制激光器和多腔标准具滤光器的光纤系统，该多腔标准具滤光器在多个相等间距波长处色散符号与传输光纤的符号相反；
图9示出了多腔标准具滤光器的透射和色散；
图10示出了包括有将激光波长锁至透射型光鉴频器的边缘的电路的激光光学系统；
图11示出了包括有将激光波长锁至反射型光鉴频器的边缘的电路的激光光学系统；
图12示出了包括有直接FM调制激光器以及级联的透射型光鉴频器的光纤系统，光鉴频器的总色散具有与传输光纤的色散相反的符号；
图13示出了包括有直接FM调制激光器以及级联的反射型光鉴频器的光纤系统，光鉴频器的总色散具有与传输光纤的色散相反的符号；
图14示出了包括有直接FM调制光源以及一个光鉴频器的光纤系统，该光鉴频器的总色散具有与传输光纤的色散相反的符号；
图15示出了包括有垂直腔面发射激光源的光纤系统，以及频率调制的方法；
图16示出了表示包括有连续波(CW)激光器、一外部频率调制器和一光鉴频器的光纤系统，该光鉴频器的总色散具有与传输光纤的色散相反的符号；
图17示出了包括有CW激光器、半导体光放大器相位调制器和一光鉴频器的光纤系统，该光鉴频器的总色散具有与传输光纤的色散相反的符号；
图18示出了一分布布拉格反射(DBR)激光器以及为频率调制而调制增益区；
图19示出了一DBR激光器以及为频率调制而调制DBR区；
图20示出了一取样光栅分布布拉格反射激光器(SGDBR)和为频率调制而调制增益区；
图21示出了一SGDBR以及为频率调制而调制前DBR区；
图22示出了一SGDBR以及为频率调制而调制后DBR区。
具体实施方式
本发明提供一种激光发射机系统，其可直接调制激光源并部分补偿光纤中的色散，从而该系统可用于更高比特率和更长距离应用。这一点可通过提供一种鉴频器实现，该鉴频器将频率调制(FM)转换为振幅调制(AM)并且补偿光纤中的色散以使激光源可被直接调制。可使用多种鉴频器，例如耦合的多腔(CMC)滤光器，来增强FM/AM操作的保真度并引入增强色散补偿。通过同时优化FM至AM的转换和色散补偿特性，可优化直接调制该激光源的性能。
图2示出了一种光纤系统100，其包括调制激光源104的电流调制器102。该电流调制器102可直接调制激光源104。在这点上，于2001年12月18日公开的Daniel Mahgereftech的美国专利US.6,331,991，在此被引入本申请作为参考。该激光源102可以是多种不同类型的激光器，例如半导体激光器。该激光可在远高于阈值处被偏置，并且调制的水平可产生预定的消光比，例如大约2dB至大约7dB。来自激光器的信号然后经过色散为D鉴频器(ps/nm)的光鉴频器106并且来自激光器的信号可经过该光鉴频器的一个透射边缘。该光鉴频器106可将部分频率调制(FM)信号转换为基本振幅调制(AM)信号。在此例中，该光鉴频器106可以是耦合的多腔(CMC)滤光器，以加强FM转换为AM的保真度并引入增强色散补偿，从而获得更长距离的应用。来自该光鉴频器106的信号经过具有净色散为D光纤(ps/nm)的滤光器108。该光鉴频器可具有与光纤中的色散符号相反的预定色散，例如，符号(D鉴频器)＝-符号(D光纤)，从而使光纤的色散效应最小化。这样，光信号在没有由光纤中的色散引起信号失真的情况下可传输得更远。接收机110探测由光纤108发送的信号。当光纤系统100以这种方式工作时，频率鉴频器106增加了在FM到AM的转换中入射激光输出的调制深度，降低了由光谱的拒斥部分引起的啁啾，以及部分补偿光纤中的色散。
鉴频器106可修改入射电场的相位及其振幅。群速度色散可定义为：
D = - 2 πC λ 2 d 2 φ d ω 2 - - - - - - - - ( 1 )
其中D鉴频器的单位为ps/nm，根据滤光器的形状和示于图3A至图3D中的频率，其可以为正或为负。在等式(1)中：φ是相位；ω是频率；c是光速；λ是波长。当D＞0时，波中较短波长组分的传输快于较长的组分；当D＜0时，情况相反。鉴频器106可利用带通滤光器的透射边缘形成。图3A示出了在低频侧具有正斜率112以及在高频侧具有负斜率114的两个透射边缘。图3B示出色散D116的符号是相对频率的函数，其具有分别在正斜率侧112和负斜率侧114上的滤光器透射边缘118和120的附近为零的明显特征。色散D116在低频侧122上的通带中也基本上为正，在高频侧124上的通带上基本上为负。
图4示出了来自激光源104但在鉴频器106之前的激光的输出功率126和频移128。激光经过鉴频器106之后，对于鉴频器106的正斜率部分112或是负斜率部分114而言，信号130的输出消光比大于10dB。然而，输出的极性取决于所使用鉴频器的斜率的符号。对于正斜率部分112，极性与来自激光源104的输出相同，而对于负斜率部分114，极性相反。这样，可利用鉴频器106的负斜率部分114实现至少部分补偿具有净正色散的光纤中的色散。由于使用鉴频器106的负斜率部分114作为滤光器，至少可抵消光纤中的部分正色散效果，从而使经过滤光器的信号可不失真地传输更长的距离。例如，图3A和图3B示出了在这种结构中光信号134相对于鉴频器的光谱位置。光信号134的透射部分136经历了负色散124，因此在接收机处降低了所谓的光纤色散恶化和比特误差率。也就是说，沿着透射部分136的光谱宽度，鉴频器中的色散具有与光纤色散相反的符号。图3C和3D示出了鉴频器响应曲线以及调制激光信号相对于滤光器的光谱位置，其中非反相输出由鉴频器106的正斜率部分112产生。信号140的透射部分138经历了正色散123，因此其至少部分补偿具有负色散的光纤。
图5示出了一种鉴频器106，其可用于反射模式而不是图2和3所示的透射模式。图6A和6B示出了鉴频器的反射模式中在负斜率142上的光信号141。在这种结构中，在鉴频器106之前，图4的输出132可相对于输入被反相。并且如图6B中所示，与透射模式相比，在反射模式中相对于鉴频器的输入信号的光谱部分经历更大的负色散。因此，反射模式与透射模式相比可提供更大的色散补偿。
图6C和6D示出了鉴频器反射模式中，在正斜率144上的光信号143。在此，经过鉴频器的输出130(图4)相对于输入不反相。相对于鉴频器的信号的光谱位置是这样设置的：与透射模式相比，反射部分可能经历更大的正色散。在反射模式中，鉴频器可至少部分补偿具有净负色散的传输光纤的色散。
多种滤光器都可用作鉴频器。例如，鉴频器106可以是薄膜鉴频器，其可在高比特率对FM调制光源工作，并对温度变化具有最小的敏感度。图7A示出了可在光学系统100中用作鉴频器106的耦合的多腔(CMC)滤光器145。图7B示出了单腔滤光器的结构，其形成了法布里-珀罗滤光器。该CMC可通过沉积多个两种材料薄膜层形成，例如，Ta2O5和SiO2，这两种材料具有折射率nH和nL，其中nH＞nL。当光入射到这种结构上时，其部分在界面上反射。这些部分反射之间的干涉产生所需的频率相关传输。该CMC可由多个腔147构成，该腔147由两个多层反射镜之间的间隔层形成。每个反射镜可由1/4波长堆(QWS)形成；高和低折射率材料的交替层的堆叠，其中多层的光学厚度149可等于或约为该材料设计波长的1/4。多个腔147可以或是高折射率或是低折射率材料，并且可等于1/2波长整数倍厚。
如图7B所示的CMC中的单腔可具有与法布里-珀罗滤光器151相同的滤光器响应曲线，其在约100nm处具有较大的自由光谱区。CMC中的多腔室的透射边缘在带宽增加的同时变得陡峭，形成具有陡峭的斜率的平顶形状，如图3A至3D所示。结果，对于高比特率应用，与图1中所示的法布里-珀罗装置相比，该CMC具有更陡的边缘以及更宽的带宽。可根据应用调节CMC中的腔的数量，以获得陡峭的斜率与信号通带的高色散补偿的所需组合。也可改变各腔室中各层的厚度和材料选择以获得优化设计。可通过腔材料和基底的选择调节CMC的温度敏感性。为该腔选择低热膨胀系数(TEC)的材料产生具有降低了温度敏感度的CMC，而选择具有高TEC的材料使CMC对温度更敏感。
图8示出了光学系统100，其中鉴频器106可以是多腔标准具(multi-cavityetalon)(MCE)鉴频器，其在多个等间隔波长处具有与传输光纤108的色散符号相反的色散D色散。MCE鉴频器可应用在用于远程通信中的波长通道中，其中按照100GHz的波长间隔分配栅格。其它的波长间隔包括Δv＝25GHz，50GHz和200GHz。为了降低用于该应用的CMC的自由频谱区，两个反射镜之间的间隔层可增加到L＝c/2nΔv，其中对应于n＝1.5的长度L＝1-4mm。胜于使用薄膜沉积，叠层法布里-珀罗标准具可用于提供约为100GHz的较小自由光谱区，其每一层的厚度约为1-4mm。在叠层体中标准具数目的增加可增加透射的陡度并可稍稍增加带宽，使MCE鉴频器可用于高比特率应用。如图9中所示，透射148和色散150是周期性的。类似于CMC鉴频器，MCE鉴频器可在如图3A至3D中所讨论的透射边缘或反射边缘中工作。
图10示出了波长锁定系统200，其中使用鉴频器同时锁定激光二极管的波长。激光器202和鉴频器204被安装在各自的热电冷却器(TEC)206和208上。光电二极管210可监测激光器202背面的光功率，且光电二极管212可监测由鉴频器204反射的光功率。该波长锁定系统200还可包括波长锁定电路214，该电路具有与分频器218可通信地耦合的比较器216，其比较来自两个光电二极管210和212的信号之比。分频器218可比较光纤PD滤光器212中的色散与激光器PD激光器210中的色散之比，其中比率r＝P反射/P激光器是基本上固定的设置值。在此方法中产生的误差信号可接着控制激光器TEC 206以调节激光器温度并为了保持r基本恒定而改变激光波长。为了避免波长漂移，通过热电冷却器208和相应的温度传感器220使鉴频器204的温度保持基本恒定。
图11示出了通过在鉴频器204的透射侧操作光电二极管212，可将激光波长锁定到鉴频器边缘的另外一种波长锁定系统230。按照这种结构，电路214可利用在鉴频器204透射侧的探测器212测量已经透射经过鉴频器204的部分光功率或信号。电路214中的分频器218可比较光纤PD透射212中的色散与激光器PD激光器210中的色散之比，以将比率r＝P透射/P激光器维持在基本上固定的设置值。
可利用透射或反射中的包括光纤布拉格光栅滤光器的多种滤光器、透射或反射中的多腔薄膜滤光器以及阵列波导光栅形成具有所需色散符号的多种光鉴频器。通过在材料中(例如，光纤或平面波导)制造折射率的周期间隔调制形成布拉格光栅。折射率周期约为λ/2n，其中λ是光波长，n是波导的平均折射率。图12示出了使多个非相干CMC级联(例如第一滤光器CMC 300和第二滤光器CMC 302)以获得所需滤光器特性。这种级联滤光器的透射函数H(Ω)可由频率Ω的函数表示，其是各个滤光器透射函数的乘积。级联滤光器的色散是各滤光器色散的总和。因此，级联滤光器的色散总和可被预定或设计为在工作波长处具有与传输光纤色散的相反的符号。
用于获得与光纤中色散相反的所需色散的级联滤光器可在具有所需特性的鉴频器的设计中提供灵活性。例如，具有陡峭的斜率的滤光器需要扩展光束，以使入射光束的空间子波组分基本上以相同角度入射。具有有限空间分布(例如高斯分布)的典型激光束包括具有波矢分布的平面波，其具有角分布。该角分布可通过光束的空间傅立叶变换确定。根据作为入射角的函数而轻微变化的滤光器的特性，有限空间范围的光束的传输经过具有陡峭的光谱特征的滤光器，可产生相对于理想情况展宽的响应。通过级联较小斜率的滤光器产生具有陡峭的斜率的所需滤光器功能，由此避免产生不期望的展宽。
图13示出了用于产生光学鉴频的一系列级联的透射滤光器(例如第一和第二滤光器304和306)，以及用于色散补偿的分开的反射型器件(例如Gire-Tournois干涉仪106)。级联透射滤光器可针对它们的振幅响应进行优化，反射滤光器可针对色散补偿进行优化。光鉴频器也可以是多腔薄膜滤光器，其在温度改变时基本上不改变光谱。使用多腔薄膜滤光器，滤光器的温度稳定不是必须的。
光学发射机需要在一定的温度范围内工作，例如0-80℃，以使光学波前的输出劣化最小化。半导体分布反馈(DFB)激光器的波长可根据温度的增加快速地改变，一般在0.1nm/C左右中以dλ/dT速度变化。如上图3A-3D和6A、6D所述，作为温度的函数，工作点需要基本上保持稳定。工作点是入射到鉴频器上的频率调制信号136、138、141或144相对于鉴频器的峰值透射的光谱位置。例如，最佳点可以是经过鉴频器之后产生3dB损耗的信号的光谱位置。示于图10和11中的锁定电路加上电路和TEC基本上实现了该目的。在低成本应用系统中，可去除与DFB激光器联在一起的热电冷却器。在这种情况中，可预设多腔薄膜滤光器或是其它鉴频器使其具有与DFB激光器相同的热漂移系数dλ/dT。这可去除对TEC和相应控制电路的需要，并相对于滤光器的透射边缘保持激光波长基本上固定。
多种激光源可用于本发明中。图14示出了可产生FM调制信号的FM调制源400。该FM调制源400可以是多种不同类型的激光器，例如：(1)单波长半导体激光器；(2)外调制；(3)可调半导体激光器。存在几种类型的单波长激光器，例如，DFB边缘发射器，和垂直腔面发射激光器(VCSEL)。可直接调制该VCSEL和DFB产生频率调制了的信号。该VCSEL可由两个分布布拉格反射(DBR)镜制成，每个镜由一叠层体形成，该叠层体使高和低折射率材料层交替以产生与生长表面垂直的高反射率镜。增益介质可插于两个DBR镜之间。图15示出了可将来自驱动器500和直流偏置源502的调制信号组合的组合器504，以提供用于直接调制VCSEL 508的Ib+Imod总和信号506。施加总和信号或电流506以在阈值之上偏置激光器并调制其增益，由此调制输出频率以产生部分频率调制信号。
图16示出了来自连续波(CW)光源600的光信号在被光纤鉴频器602滤光之前进行外部相位调节。CW激光器600的输出可进入相位调制器604，继之以光鉴频器602。来自外部驱动器606的电信号可驱动调制器604，其可在激光器之后输入相移到CW信号上。光鉴频器602可转换FM调制至AM调制，并在被接收机610探测之前同时对光纤608传输提供部分色散补偿。光鉴频器602可选择具有与传输光纤608相反符号的色散。可使用多种不同类型的外部相位调制器606，例如半导体调制器、LiNbO3相位调制器、或是半导体光放大器(SOA)。SOA通常用于提供增益。其在高电流偏置电流并具有基本上比损耗更大的增益。需要注意的是去除SOA的反馈路径，或是它可变为激光器。
图17示出了SOA 700可以设置在CW激光器700后面提供增益和频率调制。组合器704可组合来自电流调制器706的调制电流信号Imod和偏置电流Ib708，以提供Ib+Imod总和信号710。该信号调制SOA702的增益和折射率。折射率变化可使入射光线产生相应的相位变化，并可用数据编码信号。光鉴频器可将相位调制转换为振幅调制，如上所述。该鉴频器在工作波长处适于具有与光纤色散相反的色散。
图18示出了同样利用可调激光源产生FM调制信号。产生FM调制信号的激光源可以是分布布拉格反射(DBR)激光器，其中布拉格光栅可与增益区分开。根据背景技术的方法，DFB激光器可由遍布整个激光器结构的布拉格光栅形成。DBR激光器通常具有三个区：(1)增益区；(2)分布布拉格反射区；(3)相位区。这些分开的区域可以是电隔离的，并且由不同的电流偏置。如图18所示，可调制施加到增益区的电流产生振幅和频率调制信号。利用偏置电流T或是其它组合器804将由驱动器800产生的调制信号Imod和来自第二源802的直流偏置电流Ib相结合。该总和电流Ib+Imod806可如上面对于DFB所述的在远高于阈值处调制激光器。在所讨论的CW情况中，施加到DBR区的电流可用于调节中心波长，并且相位区可用于防止器件跳模。
图19示出了可通过调制控制激光器输出波长的DBR区的电流而进行频率调制的DBR激光器。利用组合器904可将来自驱动器900的调制信号与来自源902的直流电流组合以驱动DBR区。该直流组件902可控制工作中心波长，并且该调制电流可产生所需的频率调制。利用直流电流源906可偏流增益区。来自激光器的输出然后经过光鉴频器产生具有高对比度的低啁啾脉冲。
图20示出了可为取样光栅分布布拉格反射激光器(SGDBR)1000的激光源。该SGDBR激光器1000具有四个区：(1)在后部的取样光栅；(2)相位区；(3)增益区；(4)在前部的取样光栅。增益区和相位区的作用与上述DBR激光器相同。然而，在SGDBR中，可由前部和后部分布反射器确定产生激光的波长。为了提供周期性的反射系数，取样光栅是具有一定周期的光栅，其可具有空间调制的折射率变化。
可以以各种方式产生FM调制信号。例如，如图20所示，可通过直接调制激光器的增益区产生FM调制信号。在这种情况中，利用组合器1006将来自驱动器1002的调制信号Imod和来自直流电流源1004的直流偏置电流Ib相结合，并且所产生的总和电流Ib+Imod可用于调制增益区。如上所述，产生可被输入到光鉴频器的FM调制信号。
图21示出了利用直流电流源1200偏置增益区。该前部取样光栅区可具有产生FM调制信号的调制电流。利用组合器1206将来自调制器1202的信号与来自直流源1204的直流电流相结合，并且将该总和电流提供给取样光栅区。该直流偏置电流与施加给后部反射器的电流一起确定输出信号的中心波长。调制信号产生需要施加给光鉴频器的FM信号。如图22所示，FM调制信号也可施加给后部反射镜。

Claims (128)

1、一种光纤通信系统，包括：
一光信号源，适于产生部分频率调制信号；以及
一光鉴频器，适于将部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号，其中该光鉴频器适于补偿传输光纤中的至少部分色散。
2、根据权利要求1的系统，其中该光信号源是直接调制激光器。
3、根据权利要求1的系统，还包括一组合器，其组合来自驱动器和直流电流源的输出，其中该驱动器提供调制信号并且该直流电流源提供直流偏置电流，其中组合器组合调制信号和直流偏置信号以提供一总和信号，从而在其阈值之上直接调制光信号源并调制其增益。
4、根据权利要求2的系统，其中该直接调制激光器适于产生具有2-7dB消光比的信号。
5、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器是薄膜滤光器。
6、根据权利要求5的系统，其中该光鉴频器由薄膜滤光器的透射边缘形成。
7、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器具有正斜率。
8、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器具有负斜率。
9、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器由级联的多个非干涉多腔薄膜滤光器构成。
10、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器由耦合的多腔滤光器形成。
11、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器以反射方式工作。
12、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器以透射方式工作。
13、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器是布拉格光栅。
14、根据权利要求13的系统，其中该布拉格光栅形成在一光纤中。
15、根据权利要求13的系统，其中该布拉格光栅形成在一平面波导中。
16、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器是周期性滤光器。
17、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器是多腔标准具，其在多个相等间隔的波长处具有与传输光纤的色散Df的符号相反的关联色散Dd。
18、根据权利要求1的系统，其中该光鉴频器是一系列级联的标准具滤光器。
19、根据权利要求1的系统，其中光信号源是单波长半导体激光器。
20、根据权利要求19的系统，其中该单波长半导体激光器是分布反馈激光器。
21、根据权利要求20的系统，其中该单波长半导体激光器包括分布布拉格反射(DBR)区、增益区和相位区。
22、根据权利要求21的系统，还包括一组合器，其组合来自驱动器和直流电流源的输出，其中该驱动器提供调制信号并且该直流电流源提供直流偏置电流，其中该组合器组合调制信号和直流偏置信号以提供一总和信号。
23、根据权利要求22的系统，其中该总和信号被提供给增益区，以在其阈值水平之上产生部分频率调制信号。
24、根据权利要求22的系统，其中该总和信号被提供给DBR区以产生部分频率调制信号。
25、根据权利要求20的系统，其中该总和信号被提供给相位区。
26、根据权利要求19的系统，其中该单波长半导体激光器是垂直腔面发射激光器。
27、根据权利要求1的系统，其中该光信号源是外部调制的。
28、根据权利要求27的系统，其中该光信号源包括连续波激光器和相位调制器。
29、根据权利要求27的系统，其中该相位调制器是半导体调制器。
30、根据权利要求27的系统，其中该相位调制器是LiNbO3调制器。
31、根据权利要求27的系统，其中该相位调制器是半导体光放大器。
32、根据权利要求1的系统，其中该光信号源是可调半导体激光器。
33、根据权利要求32的系统，其中该可调半导体激光器是分布布拉格反射激光器。
34、根据权利要求32的系统，其中该可调半导体激光器是取样光栅分布布拉格反射(SGDBR)激光器。
35、根据权利要求34的系统，其中该SGDBR激光器包括在后部的取样光栅、增益区、相位区和在前部的取样光栅，其中总和信号包括馈入增益区以产生部分频率调制信号的偏置电流信号和调制信号。
36、一种光纤通信系统，包括：
一光信号源，适于产生部分频率调制信号；
一光鉴频器，其具有或是正号或是负号的关联色散Dd，该光鉴频器适于将该部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号；以及
一传输介质，其具有或是正号或是负号的关联色散Df，其中Dd的符号与Df的符号相反。
37、根据权利要求36的光纤通信系统，其中光信号源是直接调制激光器。
38、根据权利要求37的光纤通信系统，其中该直接调制激光器适于产生具有2-7dB消光比的信号。
39、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器是带通滤光器的至少一部分。
40、根据权利要求39的光纤通信系统，其中该带通滤光器以反射方式工作。
41、根据权利要求39的光纤通信系统，其中该带通滤光器的一部分是高通滤光器。
42、根据权利要求39的光纤通信系统，其中该带通滤光器的一部分是低通滤光器。
43、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器是薄膜滤光器。
44、根据权利要求43的光纤通信系统，其中该光鉴频器由薄膜滤光器的透射边缘形成。
45、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器具有正斜率。
46、根据权利要求36的光纤通信系统，其中基本振幅调制信号具有大于约10dB的输出消光比。
47、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器具有负斜率。
48、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器由级联的多个非干涉多腔薄膜滤光器形成。
49、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器是耦合的多腔滤光器。
50、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器以反射方式工作。
51、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器以透射方式工作。
52、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器是光纤布拉格光栅滤光器。
53、根据权利要求52的光纤通信系统，其中该布拉格光栅滤光器在光纤中形成。
54、根据权利要求52的光纤通信系统，其中该布拉格光栅滤光器在平面波导中形成。
55、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器是周期性的滤光器。
56、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光鉴频器是多腔标准具，其中在多个相等间隔的波长处出现该光鉴频器的色散Dd。
57、根据权利要求55的光纤通信系统，其中该光鉴频器是取样布拉格光栅滤光器。
58、根据权利要求57的光纤通信系统，其中该取样布拉格光栅滤光器在光纤中形成。
59、根据权利要求57的光纤通信系统，其中该取样布拉格光栅滤光器在平面波导中形成。
60、根据权利要求55的光纤通信系统，其中该光鉴频器是波导光栅路由器。
61、根据权利要求55的光纤通信系统，其中该光鉴频器是一系列级联的标准具滤光器。
62、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光信号源是单波长半导体激光器。
63、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光信号源是垂直腔面发射激光器。
64、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光信号源是外部调制激光器。
65、根据权利要求64的光纤通信系统，其中该光信号源包括连续波激光器和相位调制器。
66、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该相位调制器是半导体调制器。
67、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该相位调制器是LiNbO3相位调制器。
68、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该相位调制器是半导体光放大器。
69、根据权利要求36的光纤通信系统，其中该光信号源是可调半导体激光器。
70、根据权利要求69的光纤通信系统，其中该可调半导体激光器是分布布拉格反射激光器。
71、根据权利要求69的光纤通信系统，其中该可调半导体激光器是取样光栅分布布拉格反射激光器。
72、一种光纤通信系统，包括：
一光信号源，其适于产生为部分频率调制信号的光功率；
一光鉴频器，其适于将该部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号，并分离为反射信号和透射信号；以及
一波长锁定电路，其适于监测光信号源和光鉴频器，以比较上述光功率与反射信号或透射信号之一的比值，从而基本上保持该比值恒定。
73、根据权利要求72的系统，还包括：
第一光电二极管，其能够监测来自该光信号源的光功率；以及
在该光鉴频器反射侧的第二光电二极管，其检测反射信号，其中该波长锁定电路可通信地耦合至该第一和第二二极管，以监测该光信号源和反射信号。
74、根据权利要求72的系统，还包括：
第一光电二极管，其能够监测来自该光信号源的光功率；以及
在该光鉴频器透射侧的第二光电二极管，其检测透射信号，其中该波长锁定电路可通信地耦合至该第一和第二二极管，以监测光信号源和反射信号。
75、根据权利要求72的系统，还包括与该光鉴频器连接的热电冷却器(TEC)，其中该波长锁定电路可通信地耦合至TEC，以调节光学功率的温度从而保持该比率基本上恒定。
76、一种光纤通信系统，包括：
一光信号源，适于产生部分频率调制信号；以及
一光鉴频器，适于将部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号，其中该光鉴频器适于反射该部分频率调制信号的一部分以产生一反射信号，该反射信号用于波长锁定该部分频率调制信号，以及其中该光鉴频器适于补偿透射光纤中至少部分色散。
77、根据权利要求76的系统，还包括波长锁定电路，其适于通过比较部分频率调制信号和反射信号然后调节该光信号源以保持该部分频率调制信号和反射信号之比恒定，从而波长锁定该部分频率调制信号。
78、根据权利要求76的系统，其中该光信号源与一热电冷却器连接，该热电冷却器调节光信号源的温度，以保持部分频率调制信号与反射信号之比基本上恒定。
79、一种光纤通信系统，包括：
一光信号源，其适于产生部分频率调制的信号；
一光鉴频器，其适于将该部分频率调制的信号转换为基本振幅调制信号，该光鉴频器适于透射该部分频率调制的信号中的一个部分以产生用于波长锁定该部分频率调制的信号的透射信号，以及其中该光鉴频器适于补偿传输光纤中至少部分色散。
80、根据权利要求79的系统，还包括波长锁定电路，其适于通过比较部分频率调制的信号和透射信号然后调节该光信号源以保持该部分频率调制的信号和透射信号之比基本恒定，从而波长锁定该部分频率调制的信号。
81、根据权利要求79的系统，其中该光信号源与一热电冷却器连接，该热电冷却器调节光信号源的温度，以保持该部分频率调制的信号与透射信号之比基本上恒定。
82、一种光纤通信系统，包括：
一光信号源，用于产生光信号；
一传输介质，具有Df的相关色散；
一频率调制器，位于该光信号源和该传输介质之间，适于至少部分频率调制该光信号；以及
一光鉴频器，具有Dd的相关色散，适于将该部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号，其中该相关色散Dd为正号或负号，其中Dd的符号与Df的符号相反。
83、根据权利要求82的系统，其中该光信号源是连续波源。
84、根据权利要求82的系统，其中该光信号源是外部调制的。
85、根据权利要求82的系统，其中该频率调制器是半导体光放大器。
86、一种光纤通信系统，包括：
一光信号源，适于产生部分频率调制信号；
一第一光鉴频器，适于将该部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号；以及
一第二光鉴频器，具有Dd的相关色散，其适于接收基本振幅调制信号并补偿传输介质中的至少部分色散Df，其中Dd与Df符号相反。
87、根据权利要求86的系统，其中该第一光鉴频器是具有第一透射函数和第一色散的第一耦合的多腔(CMC)滤光器，以及该第二光鉴频器是具有第二透射函数的第二CMC滤光器，其中该第一和第二CMC滤光器具有基本上是第一和第二透射函数乘积的组合透射函数，以及基本上是第一色散和第二光鉴频器的相关色散Dd之和的组合色散。
88、根据权利要求86的系统，其中该光信号源是直接调制激光器。
89、根据权利要求86的系统，其中该第二光鉴频器适于反射基本振幅调制信号的一部分，以产生用于波长锁定该部分频率调制信号的反射信号。
90、根据权利要求86的系统，其中该第二光鉴频器是Gire-Tournois干涉仪。
91、根据权利要求86的系统，其中该第一光鉴频器适于反射部分频率调制信号的一部分以产生用于波长锁定该部分频率调制信号的反射信号。
92、根据权利要求86的系统，其中该第一光鉴频器是多腔标准具滤光器，其中在多个相等间隔的波长处出现第二光鉴频器的色散Dd。
93、根据权利要求86的系统，其中该第一光鉴频器是取样布拉格光栅滤光器。
94、根据权利要求93的系统，其中该取样布拉格光栅滤光器在光纤中形成。
95、根据权利要求93的系统，其中该取样布拉格光栅滤光器在平面波导中形成。
96、根据权利要求86的系统，还包括一波长锁定电路，其适于通过比较部分频率调制信号和反射信号然后调节光信号源使该部分频率调制信号与反射信号之比基本上保持恒定，来波长锁定该部分频率调制信号。
97、一种光纤通信系统，包括：
一光信号源，其中该光信号源适于产生部分频率调制信号；
多个级联透射滤光器，其能够将该部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号；以及
一反射滤光器，其能够补偿传输光纤中至少部分色散。
98、根据权利要求97的系统，其中该多个级联透射滤光器是多腔薄膜滤光器，其适于在温度改变时保持它们的光谱基本上恒定。
99、根据权利要求97的系统，其中该反射滤光器时Gire-Tournois干涉仪。
100、一种通过传输光纤传输光信号的方法，包括：
将光信号调制为部分频率调制信号；
将该部分频率调制信号转换为基本振幅调制信号；以及
补偿传输光纤中的至少部分色散以使经过传输光纤的光信号发送得更远。
101、根据权利要求100的方法，其中直接在产生该部分频率调制信号的激光源上进行调制；
102、根据权利要求101的方法，其中该激光源为半导体激光器，并且还包括：
将该半导体激光器在远高于其阈值之上进行偏置以产生衰减。
103、根据权利要求100的方法，其中通过提供与传输光纤中色散符号相反的色散进行补偿。
104、根据权利要求100的方法，还包括：
通过反射该频率调制信号，产生负色散，以补偿传输光纤中的正色散。
105、根据权利要求100的方法，还包括：
比较光信号的功率与光信号的反射部分之间的比值；
保持该比值，以基本上波长锁定该光信号。
106、根据权利要求1的方法，其中通过使用半导体激光器完成调制光信号的步骤。
107、根据权利要求106的方法，还包括：
比较光信号的功率与光信号的透射部分之间的比值；
保持该比值，以基本上波长锁定该光信号。
108、根据权利要求107的方法，还包括：
调节半导体激光器的温度使光信号的波长漂移以保持该比值基本上恒定。
109、根据权利要求100的方法，其中通过具有提供正和负透射边缘和带宽的多个干涉单腔滤光器的鉴频器完成转换和补偿，其中每个透射边缘具有一斜率。
110、根据权利要求109的方法，其中该鉴频器是耦合的多腔(CMC)滤光器。
111、根据权利要求100的方法，还包括：
级联多个非干涉CMC滤光器以获得所需的补偿特性。
112、一种用于长距离应用的通过传输光纤传输光信号的方法，包括：
产生部分频率调制信号；
鉴频该部分频率调制信号以生成基本振幅调制信号；以及
补偿传输光纤中至少部分色散。
113、根据权利要求112的方法，其中所述的产生是在生成该部分频率调制信号的激光源处直接完成的。
114、根据权利要求112的方法，其中激光源是半导体激光器，并还包括：
在远高于其阈值处偏置该半导体激光器，以产生一衰减。
115、根据权利要求112的方法，其中该鉴频步骤通过在鉴频中提供与传输光纤中的色散符号相反的色散补偿传输光纤中的色散。
116、根据权利要求112的方法，还包括：
通过反射该频率调制信号，产生负色散，从而补偿传输光纤中的正色散。
117、根据权利要求112的方法，其中通过提供正和负透射边缘和带宽的多个干涉单腔滤光器完成该鉴频，其中每个透射边缘具有一斜率。
118、根据权利要求112的方法，其中通过耦合的多腔滤光器完成该鉴频。
119、根据权利要求112的方法，还包括：
级联多个非干涉耦合的多腔滤光器以获得所需的补偿特性。
120、一种产生频率调制信号的方法，包括：
交替设置高和低折射率反射镜以产生分布布拉格反射(DBR)镜；
将增益介质插入两个DBR反射镜之间以产生一激光源；
将调制信号源和直流偏置电流源组合以产生组合信号；以及
以该组合信号调制该激光源以产生在其阈值之上进行偏置并且经过频率调制的光信号。
121、根据权利要求120的方法，其中直接在激光源上完成调制。
122、根据权利要求120的方法，其中在激光源的外部完成调制。
123、一种产生频率调制信号的方法，包括：
产生一激光；
在其阈值水平之上偏置该激光；以及
调制该激光的频率产生至少一个部分频率调制信号。
124、根据权利要求123的方法，其中通过单波长半导体激光器完成该产生步骤。
125、根据权利要求123的方法，其中通过可调半导体激光器完成该产生步骤。
126、根据权利要求123的方法，其中直接在产生激光的激光器上完成调制。
127、根据权利要求123的方法，其中在产生激光的激光器的外部完成调制。
128、根据权利要求123的方法，还包括：
鉴频该部分频率调制信号以产生基本振幅调制信号；以及
补偿传输光纤中的至少部分色散。
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