光学系统 本发明涉及多波复用光通讯系统，如波分复用(WDM)系统，尤其是涉及多波复用光信号的色散的控制。
光通讯系统是通讯网络中重要的且发展迅速的部分。在此所用的“光通讯系统”用语与任何使用光信号在光媒质中传输信息的系统有关。这种光学系统包括，但不限于电信系统，有线电视系统和局域网(LANs)。在Gower Ed．OpticalCommunication Systems，(Prentice Hall，N．Y．)中描述了一些光学系统。目前，大部分光通讯系统都配置为在一个或多个光导上携带一个窄波带的光通道。为了传输来自多源的信息，现在采用波分复用(WDM)的方法。在一个波分复用(WDM)系统中，复合光信号在一个光导中传送，其中地每个光信号都为窄波带，而且每个波带的中心波长不同。
一种典型的光学网络是由多个由许多用于在其间承载WDM信号的不同光路连接形成的波节组成。一般说来，每一条光路都将给在其中传输的信号成分带来色散。在此处所用的色散一词是指那种不好的效果，即一个光信号的组分在一条光路上传输时根据其波长的不同而得到的不同的延迟。这种在波长间隔为△λ=λ1-λ2的信号成分之间引入的延迟之差△t可用数学式表达为△t=t1-t2，其中：t1是波长为λ1的第一个信号成分所受的延迟，t2是波长为λ2的第一个信号成分所受的延迟。通常色散由传统的光纤引入。光路比如光纤中的色散D(即那条路径引入延迟差的趋势)可用数学表达式表达为D=△t／L。△λ，其中：△t是两个波长相距△λ的光信号成分经过长为L的路径所引入的延迟的差异。光纤中，现在所用的D的典型值为16ps／(nm．km)。
在光通讯系统中出现的一个难题是根据它们的波长循着不同路径通过网络的光信号的不同部分所经历的传播时间或延迟的变化很大。当它在此网络中传输时，这将导致一个相应的被传输的数字脉冲的延伸或展宽。为了克服这个难题，需要一种方法，它能够在网络中的某一点根据光信号中各部分的波长有选择地给各部分光信号引入一个补偿延迟。
现有技术中对一个光学网络中的一个WDM光信号(它包括一个信号组，其中的每一个信号都有不同的光谱，每一个信号占有一个含有不同波带的不同的光通道)中不同成分的不同延迟所采取的方法是用一个长的纤维状的布拉格光栅反射该信号。这种方法有一个缺陷，即它只能引入一个固定的延迟。而且，为保证光栅的各区含有具有匹配WDM信号的每个通道的共振频率的成分并且沿光栅长度方向上共振频率的变化被设定为用于反射信号中光谱的不同成分，以便补偿累积的有差异的延迟组，这种方法需要建立一个很长的具有很低的展宽压缩(即光栅各成分的共振频率沿其长度方向上变化非常慢)的光栅。这种长的、被渐变地线性调制的、固定长度的光栅具有对光谱宽度的固定斜率的延迟。所以，它们非常适合用于补偿特定的固定路径长度中的色散。如果在通过网络的不同路径中选择确定光学网络中的不同通道，那么这些通道中的每一个将需要不同斜率的延迟／光谱宽度。这种对长光栅共振频率随光纤轴向位置变化很小且为线性的要求将给线性调制带来局部畸变的危险，其中的局部共振频率的变化与光栅区域反向。这将有一个给光栅引入不希望的Fabry-Perot etalon的缺陷，它会导致检测过程中信号的畸变和损失。
本发明提供了一种系统，用于补偿光信号的色散，其中系统包括一个延迟装置，它用于在光信号的两个谱线分离的成分之间引入一个差动延迟，这是根据信号成分的波长通过反射有选择地给光信号提供的延迟成分；其中，系统还包括调节装置，它用于调节在两个被反射的谱线分离的成分间的差动延迟。
在本发明的一个优选的实施例中提供这样一个系统，它还用于补偿单个光路中谱线分离的复合光信号中的色散；其中，系统包括一组延迟装置，一个信号一个；而且，系统中包括用于调节每个光信号的两反射成分之间引入的差动延迟的调节装置。
在本发明的一个优选的实施例中提供了一种系统，用于相对于该复合光信号的另一个光信号有选择地延迟复合光信号中的一个光信号。
在本发明的一个优选的实施例中提供了一种系统，用于在一个延迟装置中为复合光信号中的一个信号提供一个群延迟，而且还为第二个延迟装置中的相同或相反的信号提供另一个群延迟，其中的第二延迟装置可提供一个较大范围的群延迟，在整个延迟中可包括零。
在另一些实施例中正的和负的延迟均适用，即，不管引入的延迟随着波长的增加是增加还是减少。
在本发明的一个优选的实施例所提供的一种系统中包括一个干涉仪，该干涉仪用于把谱线分离的复合光信号分给第一和第二光导；其中的第一和第二光导中每一个都含有延迟装置。
在本发明的一个实施例所提供的一种系统中包括信号位错误速率的测量装置。
以下将结合附图通过举例来描述本发明中的各实施例：
图1是许多不同光栅的不同延迟特性的示意图，用1(a)和(b)表示现有技术的特性，用1(c)和(d)表示本发明中的实施例；
图2是现有技术中的一种光纤和一个纤维状布拉格光栅的横截面图；
图3是本发明中应用一个差动光延迟装置的第一系统的示意图；
图4是本发明中应用一个差动光延迟装置的另一系统的示意图；
图5是本发明中应用一个差动光延迟装置的另一系统的示意图；
光栅是用于对一个光信号中谱线分离成分进行有选择地延迟的适宜的延迟装置。图1中表示出不同的光栅的特性。
现在将对图1所示的光栅特性作更详细的说明。在以下的描述中，光栅的局部有效周期用“s”来定义，位置即沿光栅从任意一个参考点的距离用“x”表示。图1中的每一部分示意随波长变化的反射特性的变化(用粗实线表示)，还示意随波长变化的差动延迟的变化。根据不同的实施例，这些信息用图形形式表示，反射特性或差动延迟的在纵轴上延伸和波长在横轴上延伸。在图1(a)中，我们可见的情况是有一个线性地展宽压缩的光栅，它的折射率的调制程度是均匀的。此处所用的“展宽压缩”一词用来表示光栅中两相邻线间的间隔随光栅中距离x的变化的变化。此处所用的“间隔”一词指光栅的有效周期“s”，这个有效周期依赖于实际的间隔与其它特性的结合，一般说来光导媒质中的折射率。所以，“展宽压缩”是指有效周期随光栅中距离x的变化而变化。一般说来，在光栅中传输的有效周期将在一个方向上越来越短，而在另一个方向上越来越长。我们用“折射率的局部调制”指光栅中的一条线上折射率变化的程度。折射率的局部调制(用△n表示)程度越大，将在那个位置(即在那条线)被反射的信号成分越多。
在图1(a)中反射特性用一个△n的常数值(即△n=w)和展宽压缩的常数值(即s=bx+c，b、c为常数)来表示。从图中可看出，这使得反射特性值一致、光谱中信号组分所受到的差动延迟也一致。
现在来看图1(b)，在整个光栅中反射率△n的调制是变化的(即△n=qx+w，其中q和w是常数)。这就使得光栅的反射特性随波长发生变化。如图1(a)所示，展宽压缩为常数。
在与本申请同一个申请日、以与本申请同一姓名的申请人MarconiCommunications Limited申请的待审申请“光学系统”中叙述了用在整个光栅中反射特性发生变化的光栅来控制光信号能级的应用。
图1(c)示意了其中的光栅为非线性展宽压缩的实施例(即抛物线，s=ax2+bx+c，其中a、b、c是常数)。如图1(a)所示，反射特性的调制为常数。从图1(c)中可见，由光栅引入的差动延迟随着波长发生变化(斜率等于ax)。所以，根据本发明的第一个实施例，图1(c)所示的抛物线型的展宽压缩光栅中在一个光信号中波长为λ的成分与另一个波长为λ+△λ的成分间引入的差动延迟量随着λ值发生变化，△λ保持不变。图1(d)示意了一个其中的展宽压缩为抛物线而且在整个光栅中反射率的调制发生变化的实施例。有利的是，这种在整个光栅中反射率调制所发生的变化可不依赖于展宽压缩的程度和形式(即线性或抛物线型)而被控制。尽管以上是用二次方程描述的，但非线性或抛物线型的展宽压缩也可包含有效周期“s”随位置x的差动指数变化，例如X3。
有利的是，根据一个优选的实施例，如上所述该系统中在一条独立的光路例如光纤或波导中包括一个复合光栅，用于补偿该独立光路中谱线分离的复合光信号的色散。每个光栅在光谱的不同部分活化，而且可单独的控制对相关的信号引入谱线的差动延迟。
以下说明展宽压缩光栅根据信号的波长给一个光信号的成分引入延迟的原理。正如以上所述的那样，展宽压缩光栅的基本特性是光栅的有效周期“s”随着光栅中的距离x的变化而变化。利用展宽压缩光栅有利于使光栅的光谱响应从“理想”光栅(其中光栅的有效周期“s”使一个常数)的单一波长扩展到一个规定的波段。在实际的条件下，理想光栅几乎不用，因为在光学网络中传输信号的光学载体的波长不能准确地控制，而实际上会随着信号在网络中的传输发生变化。考虑到展宽压缩光栅的情形，其中的有效周期增加，通过光栅在第一方向上移动(即相应于x值的增加)，较短波长的光信号成分将会在靠近光栅的入射端处，即一遇到有效周期具有一个与之相匹配的共振波长就被反射。相反，较长波长的光信号成分将在此光栅中继续传输，直到遇到一个有效周期而反射这些具有与之相匹配的共振波长的光信号。所以，具有较短波长的反射信号成分在光栅中传输的路径比那些具有较长波长的反射信号成分的短。这就因为路径的长度差异而在光信号的不同成分之间引入一个差动延迟以及由谐振器(纤维状光栅的区域，其中的共振频率与信号的光学频率相匹配)的起建时间带来的延迟。这种由于能量的存储而引起的延迟是公知的。在薄膜滤光器中，它可能是主要的延迟过程。在一个电容／电感过滤器中，它是作为对延迟的主要解释。这将涉及到一个简单的谐波共振器的Q因子。这里所用的“光栅”一词是指光导(用于广义上包括波导和光纤)特性中的周期性扰动，那就引起一个波长的选择性响应。扰动可以是光导中影响光在该结构中传输的任何一个参数的扰动，这种扰动包括反射率和物理形状的变化。光可仅在一个光导中以一个特定的传输模式传输，而且光栅的效应将依赖于光在其中的传输模式。所以，为了确定光栅的效应，就必须知道从传输的特定导引模式看出的“有效折射率”。这使得光栅的“有效周期”可为一个特定的导引模式而定义。可以很方便地用光栅的特定区域的响应频率或响应波长来讨论光栅的效应。在任何一个这样的区域中，许多谱线可在产生一个反射和在一个相关的能量存储中合作。
有利的是，光栅中可由图2所示纤维布拉格光栅组成，它包括光纤10，其中形成了光纤材料(例如玻璃)的折射率变化的序列(由线12简要地表示)。这些线形成一个衍射光栅，它根据有效周期使大部分波长的入射射线通过(如图2a的箭头所表示)，而使特定波长的入射射线反射(如图2b的箭头所表示)。所以，该纤维状的布拉格光栅担当一个滤光器的角色。尽管线间距相等，可通过改变光栅媒质的折射率和／或改变光栅区域中光导的物理尺寸(例如光纤芯的直径或波导的宽度或深度)来改变沿光栅的长度方向上布拉格光栅的有效周期。
滤光器的另一种形式包括多层电介质滤光器，它充当选择性反射镜的功能。在实际中，复合滤光器可以序列的形式排列，每个相继的滤光器对光谱中的不同部分有效。一般说来，被第一个多层电介质滤光器反射的光将入射到该序列中的下一个多层电介质滤光器上，然而，通过一个第一FBG滤光器的光将成为此序列中下一个FBG滤光器的入射光。
此处所用的“光”一词不局限为可见射线，而可延伸为任何适宜波长的射线。有利的是，这种滤光器将在低损耗纤维中形成而为低传输损耗(αthru)所设计。这个低传输损耗在许多的滤光器相连的序列中是很重要的。
例如，适当的滤光器可以用由二氧化硅、硅、第III-V族元素的合金或聚合物形成的光导(指光纤或波导)制成，这种滤光是通过形成一个位相光栅来完成的，位相光栅可通过蚀刻、浮雕、应用全息术在紫外线中曝光或用位相掩模或孔径掩模得到。每类滤光器都有被调合的功能，即，反射带中的光谱位置可通过向此滤光器施加激励物来转换到较高的或较低的波长处。例如，这个激励物可为电的、机械的或热的。展宽压缩的程度或形式(即随着光栅中的距离x变化的有效周期“s”的变化)也可通过向该光栅施加激励物来调节。
这种调节可由展宽或压缩滤光器的媒质而得到，这样光栅的局域有效周期将因线的物理间隔的变化而变化。光栅也可由加热方式调节，它具有两种效应：第一，光栅的延展／缩短而改变线的物理间隔，从而改变有效间隔，第二，通过热-光效应使光导中的媒质折射率改变，而影响有效周期。通过利用电-光效应制作特定的光纤也是可以的，其中所用的电场可改变光导的折射率，这样来调节光栅。用磁场(磁-光效应)或别的光束(与折射率相关的非线性光强)来改变局部折射率也是可行的。这种调节可方便地用于改变不同波长的信号成分之间引入的差动延迟，即通过改变光栅中与第一成分的波长λ1相应的线和与第二成分的波长λ2相应的线之间的有效距离。
更详细地说明，可通过从光栅区放电或充入电荷以改变滤光器的复合折射率，以及通过压电或磁激励来改变应变，或者通过加热器或冷却器来改变滤光器的温度的方式来实现滤光器的调节。
有利的是本发明中可变的光延迟可包括以上所述的任一种可调滤光器。从图1中可知，在通频带(由横轴上的特性线段表示)中，滤光器可使几乎所有的入射射线通过；在相对的低能级(Rpass)处滤光器的反射特性和由此引入的事实上没有延迟的反射信号成分。在低通频带和高通频带之间是由以“大礼帽”形状似的线段表示的反射频带。该线段表示当波长从通频带值Rpass向最大值Rmax增长时，反射性能也随之增加。这个“大礼帽”区组成了滤光器特性的激活区，即，这部分用于选择性地反射光信号。如图1所示，反射特性的斜率实际上是一个常数。本发明采用这个激活区来通过反射控制光信号成分的延迟。以下将结合图3描述一种为单独控制复合光信号的一个独立的或每个波长成分的延迟的系统，每个信号被分配给光谱的不同部分比如波分复用(WDM)信号。图3中的“选择性差动延迟”系统包括光循环器30，它提供三个通道，输入通道31、滤光通道32和转储通道33。多个WDM光信号37被输入光循环器中的通道31中。滤光通道32与可调的展宽压缩滤光器组35相连(例如像以上所述的那样)，滤光器组35在适宜的光导36中串联。如上所述，每个可调的展宽压缩滤光器35都是单独可调的，而且为了控制每个滤光器的调谐根据专用的原理提供适当的控制方法，例如对每一个施加适当程度的激励。信号可以是一个WDM信号的分离通道。不同的纤维状布拉格光栅被提供给串联的WDM信号的每个通道或并联／串联的光栅。因为是需要针对每个WDM通道的波段进行线性展宽压缩的光栅元件，而不是针对整个WDM信号光谱的，所以，每个光栅的长度可比现有技术中长的WDM色散光栅短许多。下面将描述图3系统的运行过程。输入光信号37从通道31通过循环器，从它的通道32出来。然后光信号在光导36中传输而遇到可调的展宽压缩滤光器35序列。滤光器组35中的每一个都有一个反射频带与复合光信号37中的特定信号的波长相应。这就意味着每一个输入信号将经过所有滤光器35但事实上仅有一个信号不会变。当信号到达它的激活区与那个信号的频带相应的滤光器35时，信号将被反射。这种在展宽压缩光栅中的反射将影响被反射的入射信号中谱线分离的波长成分之间的差动延迟。如果滤光器处于非调谐状态(即静止状态)，入射信号的差动延迟将是一种“通常的”程度，它相应于滤光器在静止状态时的展宽压缩能力。这种“通常”程度的差动延迟可以是有选择的，为相关的光路提供已知的或预期的特性。然而，如果经决定，一个特殊的信号的色散同补偿的方式需要一个比通常较大的或较小的差动延迟程度，相应的滤光器可被调节而使展宽压缩的调节使得在这些与此特定输入信号相应的波段上的差动延迟增加或减少适当的量，从而补偿特定的色散。
输入信号中被滤光器组35反射的部分经由光导36返回到光循环器30中，从其通道32重新进入光循环器30，经过光循环器后从它的通道33出来，在此被有效地输出。输入光信号37中通过滤光器序列35的那部分将继续沿着从光循环器30出来的方向在光导36中传输，而被有效地除去。
图4是本发明中的另一种选择性差动延迟系统的示意图。根据图4，输出信号可由经滤光器组35和45依次反射后的信号获得。图4中的另一种选择性差动延迟方法的系统包括光循环器70，它提供四个通道即输入通道71、第一滤光通道72、第二滤光通道73和输出通道74。WDM光信号37从光循环器70的输入通道71输入。第一滤光通道72与光导36中的滤光器组35相连，第二滤光通道73与光导46中的第二滤光器组45相连。输入信号中被滤光器组35反射的那部分信号回到光循环器70的通道72后又从它的通道73出来，然后在光导46中传输过程中遇到滤光器组45。输入信号37中被滤光器组45反射的那部分信号经由光导46返回从光循环器70的通道73重新进入光循环器70，经过该光循环器后从它的通道74出来，这部分信号由此输出。
图5示意了另一种选择性差动延迟方法。图5中与前面的附图中相同的特征使用同样的附图标记而且在此将不再作进一步说明。把图5的排列方式同图3的相比，输入37从光循环器30的通道32输出，经过光导51，传输到Mach-Zehnder干涉仪(或干涉滤光器)54、55。这个干涉仪包括光导51，它与一个第二光导52组合，它们在点54、55处相接触使得在两条光导中可共用输入光信号37。光导51、52从接触点55各自继续延伸，每条前进的路上都有一套不同的滤光器35，这套滤光器相应于第一序列中的滤光器，即，如参见图3所述。如现有技术所已知的那样，接触点54、55之间的光导51的长度被设定得与这相同得两个接触点之间的光导52的长度略有不同。这种差异将使得输入信号37的经由光导51传输的那部分信号与经由光导52传输的那部分信号在接触点55处产生两种相互作用模式。依赖于特定光信号的波长，每个特定信号的这两部分在将接触点55处将有一个特定的相位关系，这将决定那个特定的信号是继续在光导51中传输还是在光导52中传输以至于决定它们进入一套或另一套滤光器35。
如上所述，在第一和第二干涉仪54、55和56、57之间建立两条分开的路径，即第一条路经由光导51，第二条路经由光导52，这两条路中的每一条都包括了一套不同的滤光器序列35。第一套滤光器35即在光导51中的那些滤光器被设置为有选择性地反射从输入信号37来的第一套信号，而第二套滤光器35即在光导52中的那些滤光器被设置为有选择性地反射从输入信号37来的第二套信号，这第二套信号包括不被第一套包括所有的信号。
这种两套信号的设置十分有利，这样的设置是使邻近谱线的信号不属于同一套，以至于一套特定信号的谱宽是输入信号37整个谱宽的两倍。这种设置对于减少串线十分有利。
以下描述图5所示的方法中作为可调的差动延迟装置的运行过程。在路径51和52中的每一个滤光器35将根据波长有选择地反射光，这与以上所述的前面的实施例相同，而且将在每个反射信号的波长成分之间引入一定量的差动延迟。被滤光器序列35反射的信号回到光路51或52中，根据实施例中的情况，进入Mach-Zehnder干涉仪54、55，从这里信号将在光导51中继续传输而回到光循环器30。信号将从光循环器30的通道32进入该光循环器，经过该光循环器后从它的通道33出来，在此输出。
根据本发明的另一个实施例，有滤光器35的过滤器的布局51、52、54、55可在图4的第四部分循环器的通道72和73处重复出现，但滤光器序列35设置在通道72处以使光从与设置在通道73处的滤光器序列45相对的一端(高／低或低／高频率)进入(即关于展宽压缩所采取的两个滤光器序列的设置是为了使来自光循环器70的光在它们的短波端进入两个序列的第一序列中的每个滤光器，从而在它们的长波端进入两个序列的另一序列中的每个滤光器)。由于采用了这种布局，由第一滤光器序列35引入的差动延迟可由第二滤光器序列45引入的差动延迟来补偿。
在以上结合图5所述的选择性差动延迟装置系统的布局中，Mach-Zehnder干涉仪可用一个或一组Fabry-Perot etalon或类似的器件代替。
图6示意了本发明的另一个选择性差动延迟系统。图6中与前面的图中相同的特征用同样的附图标记表示，而且在此将不作进一步的描述。图6一个监控装置62-66的示意图。
有利的是，滤光器可包含倾斜衰减剖面的滤光器，这种滤光器在待审的申请人为Marconi ommunications的申请GB9915234．0中有记载，其中的内容作为参考在此引用。这种滤光器提供了可以单独补偿每个WDM信号37中整个频带的色散的可能，其中的每个WDM信号都有一个互补能级矫正。
现在结合前面的图4说明本发明的另一个选择性差动延迟系统。图4中也给出了第一和第二分光器62、68和第二检测单元63、67。第一检测单元63通过第一分光器62同光导46相连。从滤光器组45反射回光循环器30的信号经过第一分光器62，在此被分出每个信号的很小一部分输给检测单元63。其余的信号继续沿光导46传输。第二检测单元67类似地通过第二分光器68同光导36在第一滤光器序列35末端与光循环器70相连以检测从滤光器组35反射回光循环器70的那部分小的信号。检测单元63、67为控制单元(未示出)提供关于每个被检测信号的色散信息。这个控制单元(未示出)输出控制信号(未示出)给滤光器的调谐激励器(未示出)，建立所需要的差动延迟，以给每个WDM信号适宜的色散补偿。
因为光信号的色散产生脉冲形畸变，所以对被补偿的非色散连接的传输比特错误率将上升。如上所述，根据一个最佳实施例，第一和第二检测单元63、67用传统的测试装置抽取一些比特错误率提供一个尺度以决定反馈装置中的色散补偿。
根据另一个实施例，延迟装置或延迟装置组中的每个延迟装置可被一对延迟装置或成对的延迟装置组(视情况而定)取代，设置它们的目的是为了协同作用以便使在该对或每对中的第一个延迟装置入射的光信号随后就入射到该对中的第二延迟装置上。这使得在控制颜色畸变方面有更多的灵活性，也使得在为控制颜色畸变的延迟装置中含有可调滤光器的情形时也可用于控制信号的能级／幅度。
根据另一个实施例，调节装置(高频控制装置)既可调节一对延迟装置以产生一对光栅中第一个展宽压缩光栅的特定的展宽压缩，也可调制该对光栅中第二个光栅的第二特定展宽压缩。有利的是，这两个展宽压缩是不同的方式，这样可为差动延迟提供更灵活的控制，它可以允许将正的、负的和零附加的差动延迟加到WDM信号的每个通道上。
如上所述，尽管非线性展宽压缩是由展宽压缩调节装置所提供的，但根据本发明的另一个实施例，当展宽压缩光栅被调节为第一状态时，该光栅表现为线性展宽压缩，而当它被调节为第二状态时，该光栅表现为非线性展宽压缩。一般说来，第一状态是一种静止状态，即用于改变光栅展宽压缩的激励器未被接通的状态。
根据另一个实施例，形成光栅的介质，例如光纤或波导的材料，在该光栅的不同区域表现出不同的刚性(即对通常的刺激表现出不同的改变其形状的趋势)。这种特性在产生适宜的非线性展宽压缩中是有用的。根据另一种原理，调节装置含有加热装置，用于给与光栅的不同区域相一致的光导部分引入不同的热膨胀。
本发明中的系统也可以被设置为有选择地延迟一个光信号，这个光信号与第二个谱线分离的信号相关，通过为本发明的展宽压缩光栅设定以覆盖两个信号的波段。