调制和去偏振光信号传输系统 本发明涉及一个含有一个调制和去偏振光信号发射机的光通信系统。
在信号传输技术中，大家知道的是一种含有将一个或多个光源发出的辐射进行调制并通过可选择带有光放大器的光纤传输线将所调制的辐射传输到适当接收站的技术。
特别为大家所知的是，除由同轴电缆线网络完成电视信号的分配外，也可由光纤或一个混合系统(光纤+同轴电缆线)来实现。
通过一个光调制器可直接(通过对光源作用，通常是激光器)或间接地得到光信号调制。
一个能够借助于一个甚高频率的调制信号(例如通常的从40至860MHz之间的电视信道载波)工作的直接光调制器，由例如一个制作在氧化铌锂LiNbO3上的马赫-策德尔型干涉仪组成。
在一系列的关于有线电视(CATV)安装过程中的光信号的传输实验中，本申请人能够观察到与接收机中出现地噪声变化相关的光信号正常接收的问题。申请人已经预计到这些问题取决于用于信号传输的光纤特性，并且特别是与在一些通用光纤的一些型号中所出现的剩余双折射有关，即，以不同的速度传输辐射的这些光纤的特性，至少局部地取决于各自的偏振方向。
因此，申请人面临着完成一个不存在这种问题，并在用于传输信号的光纤中有残留双折射的情况下也能正常工作的光信号传输系统。
申请人试图通过对传输的光信号进行去偏振解决上述问题，即使得信号没有一个优先的偏振方向。
以K.Mochizuki等名义的美国专利4,572,608公开了一个含有随信号的传输时间有一差异的光纤去偏振器，该信号根据正交偏振轴具有偏振取向(偏振模式发散)。附图6所讲的专利涉及一个含有和前面相同类型的连续放置的两段光纤的去偏振器，并以如下的方式放置：第一段光纤的偏振轴和第二段光纤的偏振轴成45度角。当使用长度为1至2米的偏振保持光纤时，该装置适于对相关时间大约为1ps的幅射进行去偏振，例如由一个多模振荡半导体激光器发出的辐射。
发表在84年10月Vol.23，No.3《Applied Optics》3284-3288页上题为“Degree of polarization in jointed fibers：the Lyotdepolarizer”叙述了一个类似的装置。
申请人可以注意到在上面两个文献中所述的装置不适于对光通信系统中具有纳秒级或几十纳秒级的相干时间的传输光辐射进行去偏振，当采用长度为几千米或几十千米的偏振保持光纤时除外。这种类型的光芯除造价很高外，由于导致的衰减(在1500nm波段大约0.7dB/km)和体积庞大使其不合乎需要。
以H.Taga等的名义的美国专利5,430,975公开了适于对用于高速光通信系统的带宽具有大约100MHz或更低的行带宽的窄带激光器辐射进行去偏振的装置。该装置的目的在于通过消除由于放大器偏振原因造成的功率变化，使信号接收稳定。该装置包括一个传输电路，沿不同长度的光路(例如，两个偏振保持光纤)传输具有正交偏振的两个信号分量，通过一个偏振分束器将他们分开，在经过两个光路后，由一个偏振合成器或用提供单偏振保持光纤的先有技术，再重新合成它们。
我们知道，在高功率密度的情况下，沿光纤传输的光信号能通过受激布里渊散射(SBS)引起辐射产生。这种辐射可以表现为能够妨碍或防止在光纤的终端正确信号接收的噪声源。
例如从US4,560,246(以D.cotter的名义)和EP565,035(以Hitachi Ltd.名义)，我们也知道，用相位调制扩展传输光信号的频段的情况下，在一个光纤中所讲的SBS现象的光阈值功率得到抬高。
在一方面，本发明涉及一个光通信系统，它包括：
一个适用于发射一个光辐射的光源；
一个用于接收所讲的光辐射和一个具有位于信号波段内的频率的传输信号，并适于发射具有一个预定光波带宽的调制光信号的光调制器；
一个包括一个光纤部分的光传输线；
一个适合于接收在所讲的信号波段内具有在5Mhz带宽内测得的预定信噪比(SNR)的所讲光信号的光接收机，
其特征在于它包括一个光学连接在所讲的光调制器和光传输线之间的去偏振器，该去偏振器包括有预定长度及双折射的两个偏振保持光纤部分，该光纤部分互相光连接，以便使得各个偏振轴形成45度角，其中所讲的光波带宽和所讲的偏振保持的光纤的长度以如下的方式操作选择：在用一个具有同样衰减的无源衰减器替代所讲传输线的光纤部分后，接收机在所讲的信号波段，所讲的SNR和接收机在所述信号波段以5MHz波段测定的SNR相差不大于1dB。更为可取地，所讲光波带宽和所讲偏振保持光纤部分的双折射以如下的方式操作选择：在用一个具有同样衰减的无源衰减器替代所讲传输线的光纤部分后，接收机在所讲的信号波段，所讲SNR和接收机在所述信号波段以5MHz波段测定的SNR相差不大于0.5个分贝。
最好，所讲传输线的光纤长度至少局部地具有超过5×10-6ps/m的双折射。
在本发明的优先实施方案中，所讲光调制器包括能以平面光学结构制作并可合成在同一基本上的一个幅度调制器和一个相位调制器。
更为可取地，所讲的第二偏振保持光纤部分的长度大致为所讲第一偏振保持光纤部分长度的两倍。
更为可取地，所讲的第一偏振保持光纤部分和所讲的第二偏振保持光纤部分长度之和小于1km，最好小于100m。
在第二个方面，本发明涉及一个光发射机，它包括：
一个适合于由其输出端发射具有低于100MHz的第一带宽辐射的光源；
一个由其光输入端和所讲的光辐射源的输出端相连的光调制器，接收在其第一调制输入端的一个第一调制信号和在其第二调制输入端的一个第二调制信号，其中第二调制信号适合于以第一调制信号调制从所讲的光辐射源发出的辐射的幅度，并以所述第二调制信号调制从所讲的光辐射源发出的辐射的相位，因此从调制器输出端发射出的调制辐射的频谱包络具有一个预定第二带宽；
其特征在于：它进一步包括一个与所述光调制器输出端光学连接的去偏振器，并包括：
一个具有互相正交偏振轴和一个预定长度的第一偏振保持光纤；
一个具有互相正交偏振轴和一个长度大致为所述一个预定长度的两倍的第二偏振保持光纤；
其中所讲第一和第二偏振保持光纤以如下的方式互相光连接：所讲第一和第二偏振保持光纤的偏振轴成45度角，其中选择所讲第二带宽和所讲长度使得所讲的去偏振器输出端的光辐射基本上被去偏振，并且所讲去偏振器具有一个2dB或低于2dB的总衰减。
更为可取地，所讲去偏振器具有一个1dB或低于1dB的总衰减。
更为可取地，所讲第一偏振保持光纤部分和所讲的第二偏振保持光纤部分的长度之和小于1km，最好小于100m。
在第三个方面，本发明涉及一个光信号传输方法，它包括以下几个步骤：
产生一个具有一个预定带宽的调制光辐射；
沿双折射至少局部超过5×10-6ps/m的光纤传输去偏振辐射；
接收这个辐射
其特征在于它包括基本上对所讲的光辐射去偏振，并且在所讲波带宽沿所讲光纤能够避免由于受激布里渊散射引起噪声的产生。
参照附图，更多的细节在下面的说明中将变得比较明白。其中
图1为根据本发明的一个光通信系统的示意框图；
图2是用于测量该通信系统中的噪声的实验结构框图；
图3是适合于在本发明中使用的一个光功率放大器的示意框图；
图4是适合于在本发明中使用的一个光线路放大器的示意框图；
图5是不同实验条件下，无信号时的噪声频谱图；
图6是用于测量该通信系统中噪声的实验结构框图；
现在参照图1对根据本发明的光信号传输系统加以说明。
一个最好由一个激光器组成的光源1，例如通过一个光纤和一个光调制器10的输入端相连接。在从光源1的辐射至少部分偏振的情况下(例如如果由一个半导体激光器组成光源)，光纤可以适宜为偏振保持型。
光调制器10包括一个在其一个输入端接收一个给定传输信号5的幅度调制器3和一个在其输入端接受来自信号发生器6的一个相位调制信号的相位调制器4。幅度调制器3和相位调制器4互相光连接。在所示的结构中，相位调制器4放置在幅度调制器3的下游，但也可能使用相反的结构，相位调制器4放置在幅度调制器3的之前。所有两个调制器可以以平面光学结构合成在一个单一器件上，例如利用在其上面可得到两个调制器的单基片的类型，例如可由LiNbO3形成。
在一个替代实施方案中，调制器10可以包括不同于幅度调制器3及相位调制器4的器件；例如，它可能使用一个单调制器，或几个幅度、相位或频率调制器一起，使从光源1发出的辐射被调制上传输信号5中的信息，并且从光调制器出来的光信号波段本身得到扩展，如在下面所要叙述的。
光调制器10的输出端，最好通过一个光放大器7与一个去偏振器20的输入端相连，去偏振器20的输出端和长度为几十或几百公里，终端接在光接收站40的输入端的光纤传输线30相连。一个频谱分析仪45可以和光接收站40的输出端相连，用以检测传输信号的频谱。
光纤传输线30以如与光放大器12、14交错的光纤部分11、13和15的方式形成。光纤部分的数目、长度和特性，以及光放大器的数目、位置和结构，可以根据传输系统的特点而改变，传输线30的长度和发射的功率应当使得放大器12、14可以省掉。
光功率放大器7用于将光信号功率提高到一个足够的电平，使得至少沿放置在光功率放大器下游的光纤部分11本身没有损害光信号接收的必然衰减。
去偏振器20由两个偏振保持光纤部分8，9组成，光纤部分8，9通过一个熔融连接，以几何定义的方式互相光连接，使得相关的偏振轴成45度。光纤部分8，9的长度和双折射以如下所说明的方式选择：在光纤部分9的输出部分，得到一个足够去偏振输入到光纤部分8的信号。特别地，光纤9的长度大约为光纤8的两倍。
用于提供一个足够去偏振信号的去偏振器的衰减可取地是低于2dB，最好低于1dB。
更为可取地，去偏振的总长度低于1km，最好低于100m。
替代所示的结构，可以将去偏振器20光连接以光放大器7的上游，而不是在其下游，在这种结构中，以归因于位于光功率放大器7的输入端而不是输出端的去偏振器20引起装置的总噪声指数轻微增加为条件，送入到传输线的光信号的功率较大。
图1中所示的系统的工作如下：从源1产生的光辐射的幅度，最好以恒定值发射，基于适当馈到幅度调制器3的一个传输信号5，在幅度调制器3中加以调制。
然后，相位调制器4根据一个固定频率和幅度的信号发生器5的一个相位调制信号，调制幅度调制信号的光相位，例如，可以是一个产生正弦信号的电信号产生器。经相位调制的作用下，所调制的光信号的频谱得到扩展。按照已知的关系，所得的带宽取决于相位调制信号的频率和幅度。
除相位调制外，可以使用不同的技术用来扩展光通信信号的波段，诸如光信号本身的频率或相位调制，或输入到调制器3上的传输信号的噪声叠加。
在本发明的情况下，根据本领域技术熟练人员所知道的关系，例如以先前所述为参照，光通信信号的波段至少扩展到某一程度，足以避免受激布里渊散射辐射的产生。
例如，在一个系统以1550mm的波长沿单模基于硅的光纤传输辐射、输入到光纤的功率为17dBm的情况下，光信号39GHz的带宽使得系统的SBS阈值不被超出。
如果由相位调制实现光信号带宽的扩展，则选择调制电信号的功率和频率，要根据已知的关系，实现所要求的波段扩展。
特别地，一个光信号的相位调制改进了其频谱，在信号波段中的谱能量密度分布部分，形成给定数目的相同频率间隔的波段，频率间隔等于相位调制的信号频率，这些波段位于进入调制器的光信号的中心频率波段的每一侧的频谱上。
边带的数目和相对密度与相位调制指数有关(通过相位调制对光信号施加的最大相移)，其次取决于相位调制信号的功率。通过适当地选择相位调制指数，可以确定由边带和中心波段引起的总波段的频谱形式，并且通过适当地选择相位调制频率及因此固定边带之间的频率间隔，也可以确定这个总波段的频宽。
为避免信号失真，相位调制频率在所有情况下至少应为发射信号的最大频率的两倍(根据已有的标准之一，860Mhz发射信号为CATV信号的重叠频率)。
申请人能够注意到当有一个足够宽信号波段时，例如在调制器10下游的波段，通过一个简单而实用的装置，例如所说明的去偏振器20，光信号能基本上被去偏振(例如，70％)。特别地，能够使用具有使衰减和体积减小的长度的偏振保持光纤8，9。
根据本发明，在表示调制器10下游的信号波段存在时，通过一个具有总衰减小于2dB的去偏振器的使用，一个有效去偏振的实现认为是可能的。
现在将叙述由申请人完成的一些实验。在图1-6中，对与本发明先前所述参照相类似的器件赋予同样的参考数字。
在这些实验中，在其输出端有一个光隔离器的光源1由DFB型激光器组成，其发射波长为λs＝1550nm，具有大约13dBm输出功率及30Mhz的带宽，通过一个偏振保持光纤部分2与一个由发明人制作的、型号PIR PIM 1510的电光调制器10的输入端光连接，调制器对光信号的最大衰减为4dB。光电调制器包括合成在同一LiNbO3基片上的一个马赫-策德尔幅度调制器和一个相位调制器。光信号幅度和相位调制通过送到调制器中的各自电极上的电信号分别进行。在所采用的实验结构中，为了单独检测传输系统的噪声，所述实验是在无信号时的情况下完成的。
相位调制电极方便地与发射一个频率为2.2GHz的正弦信号的电信号发生器相接。此相位调制信号的峰-峰幅度以如下的方式操作选择：信号频谱应由加到调制器的信号波段的九个边带形成，不同边带具有几乎均匀的密度。由上面所述得到的使输入光信号的相位以包括在3π和4π之间的一个最大值变化的这样一个相位调制信号的峰-峰幅度。
相位调制之后的光信号的带宽在频域大约为39GHz(对应于真空中一个大约0.3nm的波长)。
光学放大器7由本发明人制作的一个铒掺杂光纤放大器组成，具有如图3所示的一般光学示意图。
它是一个二级放大器，其中每一放大级由980nm的波长分别激励并包括一个具有Si/Ge/Al铒掺杂芯的有源光纤部分；由激励激光器51和一个二向色耦合器52共向激励的第一级包括一个长度大约为18m的有源光纤部分53，并经一个光学隔离器54和由激励激光器57和一个二向色耦合器56共向激励的第二级相连，第二级包括一个大约21m长的有源光纤部分55并与一个第二光学隔离器58相端接。此放大器1534和1560nm之间的波长波段的典型饱和输出功率为17dBm。
与下面所叙述的一个光纤传输线30的一端相连的是一个光接收器40，光接收器由一个完成光信号到电形式转化的PIN光电二极管组成的，一个电子频谱分析仪45紧随其后。
实验1
利用图2所示的结构完成一个实验。这个结构不含去偏振器，而在光功率放大器7的输出端和传输线30的输入端之间有一个直接光连接。
用于传输信号的传输线30由根据蒸气轴向沉积技术制造且长度为48m的阶跃折射率型光纤的一部分11、根据外蒸气沉积技术且长度为42.6m的阶跃折射率型光纤的两个部分13和15及由铒掺杂光纤制成的、分别光连接在光纤11、13和13、15之间的两个光线路放大器12、14组成。由申请人制作的光线路放大器具有如图4所示的一般示意图，并且每一个包括一个输出光隔离器59，它其余的部分和据图3先前所说明的光放大器的那些部分相同。
在图5中由60所指示的曲线为由频谱分析仪45得到的光传输线终端的观察噪声谱线。该图形在X轴给出了无调制通信信号时，在如Y轴所表示的10MHz-1GHz之间的频率上，在一个5MHz带宽测定的、用dBm表示的噪声谱。存在一个背景噪声，大致和光纤11、13和15被光衰减器所取代的情况下所观察的噪声一致，设置光衰减器，使其每一个具有和相应的光纤的一样的衰减。此外，在曲线60上可以看到在包含位于用于电视信号(40-860MHz)的传统波段中的不同频率上很多叠加在背景噪声上的峰值。(由于相位调制器6在一个2.2GHz频率上的相位调制，位于这个波段外的最大密度的峰被取代了)。
连续的重复测量能够注意到曲线60的噪声峰超过背景噪声大约1-2dB，与背景噪声相比，它们的频率位置和密度随时间剧烈变化。与这些重复测量有关的谱线没有给出来，因为它们和图5中的曲线60相似。
参照噪声变化，可以看到信号噪声比(SNR)中相反符号的变化。
峰的位置和密度证明了它尤其响应于光纤部分11上的机械压力，其中在沿光纤的不同位置，通过弯曲和局部打弯对光纤施加了压力。
随着所讲的压力，可以观察到一个直到10dB的大于背景噪声的噪声峰。
实际上，诸如热循环、震动及相似的干扰产生类似的压力，并且这样的噪声特别对传输不利。事实上，噪声中明显的变化对一个这里所述类型的模拟传输系统的正常工作提出了强烈的限制，特别由于在信号传输可能使用的不同频率上不均匀噪声变化，涉及到SNR的不稳定，对每一通信信道有同样独立的和不可预测的变化。
实验2
在进一步的实验中，使用一个传输线30’替代先前实验中的传输线30，传输线30’包括一个根据OVD(外蒸气沉积)技术制作的、长为42.6公里的阶跃折射率型光纤11’，一个和在先前实验中使用的线路放大器12’相似的光放大器，一个根据VAD(蒸气轴向沉积)技术制作的、长为48公里的阶跃折射率型光纤13’，根据图6所示，全互相串联光连接。
在这个实验中，光纤11’和13’沿各自长度，在不同点受机械压迫。紧随与如在前面实验中所见同样的模态，可以看到在光纤13’上的压力在噪声谱中引起不稳定，尽管当光纤11’单独受压迫时，没有出现此类型的不稳定。
改进光纤相对于放大器12’的连接，并且特别将光纤13’连接到放大器12’的前面，而光纤11’连接到放大器12’的后面，重复一系列类似的实验。在这种情况下，由于在光纤13’上的压力的结果，可以观察到在噪声谱中的更加不稳定，尽管当光纤11’受压迫时，没有出现不稳定。
申请人基于这些实验，得到在接收机中所遇到的噪声问题和光传输线中的无源光纤有关而特别地它不产生于放置在传输线上的光放大器本身的结论。
光纤11’和13’的双折射的测量，显示出两个光纤间的重大差异。在依据两个正交偏振轴偏振的信号之间，光纤11’表示出一个大约4×10-6ps/m的平均传播延迟；对光纤13’来讲，相应的延迟大约为8×10-6ps/m，为光纤11’时的两倍。
申请人观察到在所使用的用于信号传输的光纤在一个长为几千米的部分上具有一个相对高的双折射的情况下，例如至少在局部高于5×10-6ps/m，在噪声谱中的不稳定问题尤其重要。
实验3
申请人然后把根据本发明的装置的工作交付实验测试。根据图1的一般示意图和体现参照图2所说明的装置的改进制作的该装置包括一个光连接在放大器7的输出端和传输线30输入端之间的一个去偏振器20。
去偏振器20包括两个长分别为16.1m和32.2m的偏振保持光纤部分8、9，光纤部分互相光密封，使得各个偏振轴应成45度角。所使用的偏振保持光纤为PANDA型，更特殊地是一种由Fujikura(JP)生产并标记为SM(C)15-P的型号，其特点是具有1.47ps/m的双折射。双折射用具有根据光纤中正交偏振轴的偏振位向的传输信号间的每单位长度的延时表示。
包括由于耦合造成的损耗、光纤8和9及光纤之间的熔丝接点的衰减的去偏振器20的总衰减大约为0.5dB。
在该实验过程中使用的传输线和在第一个实验期间使用的传输线30是同一传输线。
图5中曲线70给出了通过频谱分析仪45的手段在光传输线的终端观察到的噪声谱线。
为了能够和曲线60做一个容易的比较，给出的曲线70朝着Y轴的较小值做了轻微的平移。
可以看出，在有去偏振器的情况下，噪声的密度大大降低。
重复实验没有引起噪声谱的重大变化，即使类似于前面有光纤机械压力存在时的实验。
实验4
在类似于与实验3相联系的所说明的结构，在40-860MHz内的一个频率上完成了有传输信号时的SNR测量。将这些值和当光纤11，13，15被与光纤波长的一个衰减相等的衰减器取代而其他条件不变时的测量SNR值相比较。
可以看出，在有光纤11，13，15的情况下一个5MHz带宽内测的SNR和衰减器取代光纤11，13，15的情况下一个5MHz带宽内测的SNR相差不大于0.5dB。
在这种情况下，多次重复测量并没有引起SNR的重大变化，即使在光纤上有类似于先前实验中所施加的机械压力。
可以估测，一般地，本发明装置的使用，使得在有光纤11，13，15的情况下一个5MHz带宽内测的SNR和在衰减器取代光纤11，13，15的情况下一个5MHz带宽内测的SNR0的差异不超过1dB。