数字光纤发射器的质量和性能由其上传输的数字信号在没有严 重失真的情况下可传播的距离来确定。在传过色散光纤之后在接收 器处测量信号的比特误差率(BER)并且确定获得某一BER(通常 为10-12，被称为敏感度)所需要的光功率。发射器输出处的敏感度 与传播之后的敏感度的差异被称为色散罚值。这一点通常被表征为 其上色散罚值达到～1dB电平的距离。在色散罚值达到被称为色散限 制的～1dB电平之前，标准的10Gb/s光学数字发射器(如外部调制 的光源)在1550nm下的标准单模光纤中可传输相当于～50km的距 离。色散限制由数字信号被转换限制的基本假设来确定，也就是信 号在其位两端没有时变相位并且具有100ps的位周期或1/(比特率)。 发射器质量的另一种测量是光纤传播之后的绝对敏感度。
三种类型的光发射器目前使用于现有技术的光纤系统中：(i) 直接调制激光器(DML)、(ii)电吸附调制激光器(EML)、以及(iii) 外部调制的马赫-曾德(MZ)。对于标准单模光纤中10Gb/s和1550nm 的传输，通常假定MZ调制器和EML可具有最长的可达到的距离， 通常达到80km。利用被称为相位整形的双二进制的特定编码方案， MZ发射器可达到200km。另一方面，因为直接调制激光器(DML) 的固有时间相关啁啾导致在这个距离之后信号的严重失真，所以直 接调制激光器可达到的距离＜5km。
举例来说，在(i)2002年11月6日由Daniel Mahgerefteh等人 提出的、标题为“POWER SOURCE FOR A DISPERSION COMPENSATION FIBER OPTIC SYSTEM”、序列号为10/289,944(代 理人案号TAYE-59474-00006)的美国专利申请和(ii)2003年10 月6日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、标题为“FLAT DISPERISION FREQUENCY DISCRIMINATOR(FDFD)”、序列号为 10/680,607(代理人案号TAYE-59474-00009)的美国专利申请以及 (iii)2002年12月3日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、标题为 “HIGH-SPEED TRANSMISSION SYSTEM COMPRISING A COUPLED MULTI-CAVITY OPTICAL DISCRIMINATOR”、序列号 为10/308,522(代理人案号TAYE-59474-00007)的美国专利申请中 公开了用于通过光纤的长距离光波数据传输(在10Gb/s下大于 80km)的各种系统，其在单模光纤中以10GB/s将DML可达到的距 离增加到大于80km，上述美国专利申请通过引用而被结合在此。与 这些新颖的系统相关联的发射器有时被称为由马萨诸塞州威尔明顿 的Azna LLC出品的啁啾管理激光器(CML)TM。在这些新的系统 中，调频(AFM)光源后面是光谱整形器(OSR)，其利用调频来增 强调幅信号并且部分补偿传输光纤中的色散。在一个实施例中，调 频光源可包括直接调制激光器(DML)。有时被称为频率鉴别器的 光谱整形器(OSR)可以通过具有波长相关传输功能的适当的光学 元件来构成。OSR可适用于将调频转换成调幅。
在本发明新颖的系统中，调频光源的啁啾特性被独立修改并且 接着还通过配置OSR被整形以在单模光纤上以10Gb/s和1550nm延 伸CMLTM发射器可达到的距离至250km以上。本发明新颖的系统 尤其结合了下列美国临时专利申请所描述的系统的选择特征，所述 的美国临时专利申请为：(i)2004年2月27日由Yasuhiro Matsui等 人提出的、标题为“OPTICAL SYSTEM COMPRISING AN FM SOURCE AND A SPECTRAL RESHAPING ELEMENT”、序列号为 60/548,230(代理人案号TAYE-31 PROV)的美国临时专利申请；(ii) 2004年3月18日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、标题为“FLAT CHIRP INDUCED BY FILTER EDGE”、序列号为60/554,243(代理 人案号TAYE-34 PROV)的美国临时专利申请；(iii)2004年4月28 日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、标题为“A METHOD OF TRANSMISSION USING PARTIAL FM AND AM MODULATION”、 序列号为60/566,060(代理人案号TAYE-37 PROV)的美国临时专 利申请；(iv)2004年5月3日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、 标题为“ADIABATIC FREQUENCY MODULATION(AFM)”、序列 号为60/567,737(代理人案号TAYE-39 PROV)的美国临时专利申 请；(v)2004年5月10日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、标题 为“FLAT CHIRP INDUCED BY AN OPTICAL FILTER EDGE”、序 列号为60/569,769(代理人案号TAYE-40 PROV)的美国临时专利 申请，上述专利申请通过引用而被结合在此。

本发明提供了一种光谱整形器(OSR)，所述光谱整形器与调制 光源串联工作，所述调制光源通过修改调制信号的光谱特性导致光 传输长度远远超过色散限制。OSR可以被定义为将光频相关损耗和 频率相关相位传递到输入光信号上的无源光学元件。本发明还提供 了增加对光纤色散的容限以及将部分调频的信号转换成基本调幅的 信号的光谱整形器系统和调制激光光源。
光谱整形器(OSR)可以是多种滤波器(如耦合多腔(CMC) 滤波器)，以增强将部分调频的信号转换成基本调幅的信号的保真 度。OSR还可部分地补偿光纤的色散。在本发明的一个实施例中， 调制激光光源可以被设置成可转达地耦合到光学滤波器，其中滤波 器适用于锁定激光光源的波长以及将部分调频的激光信号转换成基 本调幅的信号。
在本发明的一种形式中，提供一种光纤通信系统，其包括：
光信号源，其适用于接收基本二进制信号并产生第一信号，所 述第一信号是调频的；以及
光谱整形器，其适用于将第一信号整形成第二信号，所述第二 信号是调幅和调频的；
其特征在于：
所述第一信号的频率特征和所述光谱整形器的光学特征使得所 述第二信号的频率特征被配置成以便增加第二信号对传输光纤中色 散的容限。
在本发明的另一种形式中，提供一种光发射器，其包括：
调频光源，用于生成第一调频信号，以及
调幅器，用于接收第一调频信号并且用于生成第二调幅和调频 的信号。
在本发明的又一种形式中，提供一种用于将光信号传过传输光 纤的方法，该方法包括：
接收基本二进制信号；
利用基本二进制信号操作光信号源以产生第一信号，所述第一 信号是调频的；
使调频信号通过光谱整形器以便将第一信号整形成第二信号， 所述第二信号是调幅和调频的；
所述第一信号的频率特征和所述光谱整形器的光学特征使得所 述第二信号的频率特征被配置成以便增加第二信号对传输光纤中色 散的容限；以及
使第二信号通过传输光纤。
在本发明的另一种形式中，提供一种用于传输基本信号的方法， 该方法包括：
利用基本信号产生调频信号；以及
提供调幅器用来接收调频信号并且用来生成调幅和调频的信 号。
在本发明的又一种形式中，提供了光纤通信系统，其包括：
光信号源，其适用于产生调频信号；以及
光谱整形器，其适用于将调频信号转换成基本调幅的信号；
其特征在于：
光信号源的运行特征和光谱整形器的光学特征结合以补偿光纤 中色散的至少一部分。
在本发明的另一种形式中，提供了用于将调幅信号传过光纤的 方法，该方法包括：
提供激光器并且提供具有选择的光学特征的滤波器；
将调幅信号输入激光器，并且操作激光器以便生成相应的调频 信号；
使调频信号通过滤波器以便生成作为结果的信号并将作为结果 的信号传送进光纤；
操作激光器并选择滤波器以使作为结果的信号被配置成可补偿 光纤中色散的至少一部分。
在本发明的又一种形式中，提供一种光纤通信系统，其包括：
光信号源，其适用于产生第一信号，所述第一信号是调频的； 以及
光谱整形器，其适用于将所述第一信号转换成第二信号，所述 第二信号是调幅和调频的；
其特征在于：
所述第一信号的频率特征和所述光谱整形器的光学特征使得所 述第二信号的频率特征被配置成以便延伸所述第二信号的幅度特征 下降超过给定量之前所述第二信号沿着光纤可行进的距离。
在本发明的另一种形式中，提供一种光纤通信系统，其包括：
适用于接收第一信号并将所述第一信号转换成第二信号的模 块，所述第二信号是调幅和调频的；
其特征在于：
所述第二信号的频率特征被配置成以便延伸所述第二信号的幅 度特征下降超过给定量之前所述第二信号沿着光纤可行进的距离。
在本发明的又一种形式中，提供一种适用于将第一信号转换成 第二信号的系统，所述第二信号是调幅和调频的；
其改进包括：
修整所述第二信号的频率特征以便延伸所述第二信号的幅度特 征下降超过给定量之前所述第二信号沿着光纤可行进的距离。
在本发明的另一种形式中，提供一种光纤通信系统，其包括：
光信号源，其适用于接收基本信号并产生第一信号，所述第一 信号是调频的；以及
光谱整形器，其适用于将所述第一信号转换成第二信号，所述 第二信号是调幅和调频的；
其特征在于：
所述第一信号的频率特征和所述光谱整形器的光学特征使得所 述第二信号的频率特征被配置成以便延伸所述第二信号的幅度特征 下降超过给定量之前所述第二信号沿着光纤可行进的距离。
在本发明的又一种形式中，提供一种光纤通信系统，其包括：
光信号源，其适用于产生第一信号，所述第一信号是调频的； 以及
光谱整形器，其适用于将所述第一信号转换成第二信号，所述 第二信号是调幅和调频的；
其特征在于：
光谱整形器的频率相关损耗被调节成以增加第二信号的色散容 限。
在本发明的另一种形式中，提供一种光纤系统，其包括：
光源，其适用于产生调频数字信号；
其特征在于：
所述数字信号具有时变频率调制，其在每个1位两端是基本恒 定的并且等于第一频率以及其在每个0位上是基本恒定的并且等于 第二频率，其中所述第一频率和所述第二频率之间的差介于比特率 频率的0.2倍和1.0倍之间。
在本发明的又一种形式中，提供一种用于生成色散容许的数字 信号的方法，该方法包括：
利用第一数字基本信号调制DFB激光器以生成第一光学FM信 号，
其中所述第一FM信号具有被奇数0位分隔的1位之间的为π 的相移，以及
利用第二数字基本信号调制所述第一光学FM信号的幅度以产 生具有高衬比率的第二光信号。
附图说明
根据在此所描述的实施例，色散补偿的光学滤波器的设备和系 统以及方法的许多修改、变化和组合是可能的。当连同附图一起考 虑时，根据下面的详细描述，本发明的上面的描述和许多其他特征 以及伴随的有点将是显然的，在附图中相同的附图标记指相同的部 分，其中：
图1说明了伴有调幅和调频的光学数字信号(即平顶啁啾)；
图2说明了针对10Gb/s数字信号的5GHz和10GHz的平顶啁 啾值的101位序列的瞬时频率和相位；
图3说明了传播之前和之后的具有(CML输出)和不具有(标 准NRZ)平顶啁啾的101位序列；
图4说明了OSR之前的具有绝热啁啾分布的高斯脉冲以及OSR 之后的作为结果的脉冲形状和平顶啁啾；
图5说明了脉冲的瞬时频率分布和脉冲的定义；
图6说明了作为瞬时频率分布的上升时间和下降时间的函数的 200km之后的接收器敏感度；
图7说明了具有两种不同斜率的OSR之后的瞬时频率分布和强 度分布；
图8说明了绝热啁啾信号的光谱、OSR的光谱以及作为结果的 整形光谱；
图9说明了针对各种绝热啁啾值的17ps/nm/km光纤的200km 之后的接收器敏感度，以及信号相对于OSR的光谱移动，在这个实 例中OSR为3腔标准滤波器；
图10说明了非高斯OSR的例子和信号相对于OSR光谱的光谱 位置；
图11说明了OSR上坡度斜率(slope of slope)的定义；
图12说明了用作OSR的贝塞耳滤波器提供了所期望的坡度斜 率；
图13说明了传过光纤的200km(3400ps/nm)之前和之后的光 眼和电眼图；
图14说明了在激光器的输出处具有瞬态啁啾的啁啾管理激光器 (CMLTM)发射器的背对背(back-back)眼图以及光纤的200km之 后的眼图；
图15说明了2腔标准量具的坡度斜率和测得的斜率；
图16说明了用作OSR的长短通滤波器的斜率和传输；
图17说明了具有其色散分布的OSR的实例；
图18说明了敏感度与具有和不具有所考虑的OSR色散的 17ps/nm/km光纤中色散的光纤长度的关系；
图19说明了具有DFB FM调制器的FM源和独立的调幅器；
图20说明了具有调制的DFB和集成的电吸附调制器的FM源；
图21说明了AM和FM信号的时间分布；以及
图22说明了具有带宽限制OSR或滤波器的光学FM/AM源。

在本发明的一个实施例中，CMLTM生成具有伴随的调幅和调频 的数字光信号，以使在位的光学相位之间提供特定的相关。这种相 位相关提供了作为结果的光信号对光纤中色散的高容限，进一步延 伸了CMLTM可达到的距离。
在本发明的一个优选实施例中，CMLTM由直接调制DFB激光 器和光谱整形器(OSR)组成。利用电学数字信号调制分布反馈 (DFB)激光器，其中数字信号用1位和0位表示。DFB激光器被 偏置高于其阈值，比如为80mA，并且其通过相对较小的电流调制 而被调制；作为结果的光信号具有调幅(AM)，1位具有比0位大 的幅度。1位与0位的幅度比率通常被称为消光率(ER)。重要的是， 调制的光信号具有被称为绝热啁啾的调频分量，其伴随调幅并且几 乎具有相同的时间分布，其中的实例在图1中被示出。光学输出的 消光率(ER)可以在取决于激光器的FM效率的范围内变化，激光 器的FM效率被定义为绝热啁啾与调制电流的比率(GHz/mA)。更 高的调制电流增大ER以及绝热啁啾。
直接调制激光器的啁啾特性是已知的。在利用电学数字信号调 制激光器时，它的瞬时光频在两个极端之间变化，其对应于1s和0s， 并且频率变化的差被称为绝热啁啾。除了近似依从强度分布的绝热 啁啾之外，还存在有在1至0和0至1的位转换时被称为瞬态啁啾 的瞬态频率分量。瞬态啁啾的量值可以通过调节激光器相对于调制 电流的偏置来控制。在本发明的一个实施例中，通过使用高偏置和 小调制使瞬态啁啾分量最小化。接着将信号传过光谱整形器(OSR)， 如具有锐角坡度的光学带通滤波器的边缘。OSR修改输入光信号的 频率分布，生成如图1所示的平顶和方形频率分布。如下所述，在 本发明的优选实施例中，作为结果的平顶啁啾的量值被选择成以使 其提供位之间的特定相位相关。假定FM效率值为ηFM，所期望的绝 热啁啾Δυ确定调制电流Δi＝Δv/ηFM，其又确定了消光率 $\mathrm{ER}=10\log \left(\frac{I_b-I_{\mathrm{th}}+\mathrm{\Delta i}}{I_b-I_{\mathrm{th}}-\mathrm{\Delta i}}\right),$ 其中Ib是偏流，并且Ith是激光器的阈值电流。 OSR之后的平顶啁啾的量值由激光器输出处的绝热啁啾的量值和 OSR的斜率来确定。对于10Gb/s NRZ信号来说，例如，所期望的 绝热啁啾是～4.5GHz并且对于具有～0.2GHz/mA的FM效率的DFB 激光器来说ER为～1dB。使这个光信号通过具有大约2.3dB/GHz的 平均斜率的OSR增加这个啁啾量值达到约5GHz。该值的显著性是 如下所述的位之间所期望的相位相关。
本发明的一个重要方面是如下的实现：当光信号的频率随时间 变化时，由于啁啾，取决于位周期、升降时间和啁啾量，位的光学 相位同样变化。应当注意的是，在监控为正弦波的光学载波时，在 某些时间点，可观察到相位是载波上的特定位置。波峰和波谷之间 的相位差比如为π。频率描述了峰值之间的间隔；更高的频率意味 着波正在聚束并且每单位时间有更多的波峰通过。在数学上，相位 是光频的时间积分。在激光器被具有位周期T的数字信号调制时， 两个位之间的光学相位差取决于平顶啁啾，以及取决于位之间的总 时间差。正如在下面的实例中所示出的，这个相位差可用来增强信 号在光纤中的传播。
光电场的特征在于，幅度包络和时变相位以及载频如下：
E(t)＝A(t)exp(-iω0t+iφ(t))    (1)
其中A(t)是幅度包络，ω0是光学载频，并且(t)是时变相位。
例如，对于无啁啾或所谓转换受限的脉冲来说，时变相位为零。瞬 时频率由下列方程来定义：
$f\left(t\right)=-\frac{1}{2\pi }\frac{\mathrm{d\phi }\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$
要注意的是方程2中的负号基于将载频取为负频率的复数记法约 定。因此，光场上两个时间点之间的光学相位差由下式给出：
$\mathrm{\Delta \phi }=\phi \left(t_2\right)-\phi \left(t_1\right)=2\pi {\int }_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$
考虑在CMLTM的输出处101位序列具有某一量值的平顶啁啾。 将1位的频率作为基准频率，可获得下面在5GHz和10GHz的平顶 啁啾值的10Gb/s数字信号(100ps脉冲持续时间)的两种情形中示 出的曲线图。脉冲被假定具有理想的方形幅度以及100ps持续时间 的平顶啁啾。很显然，对于5GHz的平顶啁啾，存在有被单个零分 隔的两个1位之间为π的相移。
Δφ＝2πx5GHzx100ps＝π    (4)
遵循方程3和4，被两个0位分隔的两个1位之间的相移为2π，并 且被三个0位分隔的两个1位之间的相移为3π，等等。通常，对于 5GHz啁啾以及10Gb/s信号来说，被奇数0位分隔的两个1位的相 位差为π。对于10GHz啁啾和10Gb/s方形脉冲来说，被奇数0位分 隔的1位是同相位的，即相位差为2π。
当具有5GHz平顶啁啾的101位序列被传过色散光纤时，实现 该相移的显著性，其中每个脉冲因其有限的带宽而加宽。图3示出 了π相移导致两个位在0位的中心处破坏性干扰，因此通过接收器 处的判定电路保持1和0位是可辨别的。判定阈值选择阈值电压， 超过阈值电压，所有信号被计为1位；低于阈值电压，它们被计为 0位。因此，相移有助于区分1位和0位并且脉冲加宽不会减少针 对该位序列的BER。因此，基于本发明的优选实施例，所创建的π 相移增加了对色散的容限。对于中间啁啾值，存在有局部干扰，其 足以延伸传输距离，但是未达到上述情形中的距离。
光谱整形
在本发明的一个实施例中，所生成的FM调制信号通过光谱整 形器以便改变1位和0位两端信号的瞬时频率分布，以这样的一种 方式以便增加信号对色散的容限。在现有技术中，如由R.E.Epworth 提出的英国专利GB 2107147A，来自FM源的信号被过滤以产生强 度调制，其通过滤波器之后的调制深度高于其通过滤波器之前的调 制深度。在本发明中，不是在调幅中单独增加光谱整形，而是利用 光谱整形器(OSR)可以获得光谱整形。在本发明的一个实施例中， 输出信号的瞬时频率分布在OSR之后于其位两端被修改，以便增加 无失真传播距离。
在本发明的优选实施例中，半导体激光器被数字基本信号直接 调制以产生具有绝热啁啾的FM调制信号。激光器的输出接着通过 OSR，在这个实例中，OSR可以是在其传输边缘处使用的3腔标准 滤波器。调频光源(如直接调制激光器)的啁啾输出是绝热的。这 意味着脉冲的时间频率分布具有与脉冲的强度分布基本相同的形 状。
在优选实施例中，正如通过引用而被结合在此的2004年3月18 日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、标题为“FLAT CHIRP INDUCED BY FILTER EDGE”、序列号为60/554,243(代理人案号TAYE-34 PROV)的美国临时专利申请所描述的，OSR将绝热啁啾转换成平 顶啁啾。
图4示出了OSR之前或之后的高斯脉冲的光强度和瞬时频率分 布。高斯脉冲具有OSR之前的绝热啁啾，即它的瞬时频率分布具有 与其强度分布相同的高斯形状。在OSR之后，幅度和瞬时频率的分 布都被改变。背景中峰值功率-功率的比率(消光率)被增加，并且 在这个实例中脉冲稍微变窄。本发明的重要方面是图4中用虚的水 平绿线表示的由通过OSR导致的平顶瞬时频率分布。在信号光谱的 光谱位置与OSR传输的边缘对准时产生平顶啁啾。最佳位置取决于 绝热啁啾和OSR传输边缘的斜率。
平顶啁啾脉冲的瞬时频率分布的特征在于平顶的斜率、、持续时 间、下降时间和上升时间，以及图5所示的平顶啁啾值。斜率又可 以通过两个频率值f2和f1来定义。在本发明的实施例中，频率分布 的顶帽部分的斜率、上升时间、下降时间、持续时间相对于幅度分 布的上升时间、下降时间、持续时间而被调节，以便于增加信号的 的传输距离超过色散限制。
整形脉冲的瞬时频率分布的重要性可通过示出这种光谱整形的 10Gb/s脉冲传过具有17ps/nm/km色散的色散光纤的200km之后的 比特误差率的模拟来认识。图6示出了如在OSR之后信号的瞬时频 率分布中测得的给定的平顶啁啾值。在这种情形中，可通过改变上 升时间和下降时间来优化BER敏感度。同样地，对于瞬时频率分布 的给定的上升时间和下降时间，可以在3GHz至10GHz的范围内改 变啁啾值以便于在传过光纤之后获得所期望的BER敏感度。
根据这个实例的计算可得出下面的结论：
(i)OSR之后的最佳绝热啁啾是5GHz，具有较短的瞬时频率 分布的上升时间和下降时间；这在光纤传播之后获得了最低敏感度；
(ii)3-10GHz范围内的任何啁啾可用来相对于无啁啾的情形延 伸传输。不得不基于绝热啁啾值来调节上升时间和下降时间。在上 面的实例中，小于30ps的上升时间和下降时间总是最佳的；以及
(iii)通过增加OSR传输分布的斜率(以dB/GHz计)可减小 瞬时频率的上升时间和下降时间。频率分布的平顶部分的斜率由OSR 的色散来确定并提供了进一步的色散容限。
图7示出了另一个实施例，其中瞬时频率分布的上升时间和下 降时间在OSR之后通过增加OSR的斜率(以dB/GHz计)而被减 小，在这里被减小到1/2。在本发明的一个实施例中，调频信号的输 出通过OSR并且频率分布的上升时间和下降时间通过增加OSR的 斜率(以dB/GHz计)而被减小。
光谱变窄
具有相同数字信息的同时调频和调幅减少了信号的光学带宽并 且抑制了载频。这种效应对于等于1/2比特率频率的啁啾值(即针 对10Gb/s的5GHz啁啾)来说最明显。这对应于被奇数0位分隔的 1位之间的0至π的相位改变，即其他随机位序列的相位之间的最 佳相关。对于介于比特率频率的20％至80％之间的啁啾值的近似范 围(针对10Gb/s比特率的2-8GHz)，载波被显著抑制并且光谱变窄。 对于等于0的啁啾值或者对于等于比特率频率的频率的啁啾，载波 被呈现并且光谱被再次加宽。这是因为所有脉冲的相位对于这两种 情形来说相等并且相位相关消失。如图8所示，通过应用调频和调 幅的光谱变窄使得高频一侧的光谱变窄。要注意的是，在这个实例 中，针对10Gb/s，啁啾是～7.5GHz。信号相对于OSR峰值传输的光 谱位置被调节，以使光谱位于OSR的低频边缘。这进一步减小了低 频一侧的光谱宽度。减小光谱带宽延伸了传输距离。
在本发明的一个实施例中，OSR的带宽(BW)小于比特率。 数字信号的光谱由数字信息的光谱和脉冲形状的傅里叶变换的乘积 来确定。利用给出如上所述的被奇数0位分隔的1位之间为π的相 移的正确的FM调制量(针对10Gb/s数据率为5GHz的啁啾)减小 了信息BW。为了增加对色散的容限，仍有必要减小脉冲形状的光 谱。在本发明的优选实施例中，通过带宽限制OSR实现这一点。
图8示出了对于给定的绝热啁啾值，信号相对于OSR峰值传输 的光谱位置可以被调节以增加传输距离。图8示出了发射器处的(背 对背)以及传过具有17ps/nm/km色散的光纤的200km之后的对于 10Gb/s信号的敏感度，其为相对于OSR的光谱移动的函数。敏感度 被定义为达到10-12的比特误差率所需要的平均光功率(以dBm计)。 在这个实例中，OSR是3腔标准量具。因此，本发明的实施例调节 调频光源的绝热啁啾以及作为结果的光谱相对于OSR的光谱位置， 以便于在传过色散光纤之后取得所期望的比特误差率。
图9示出了由非高斯形状的带通滤波器构成的OSR的实例。图 9示出了以dB标度的传输分布以及OSR的导数(derivative)或频 率相关斜率。图9还示出了要被整形的输入FM信号的光谱位置。 本发明的优选实施例是，OSR上的FM信号的最佳光谱位置使得1s 峰值频率接近OSR的传输分布的峰值对数导数。在这个实例中，在 dB标度上导数是非线性的，表明OSR具有非高斯光谱分布。高斯 OSR将具有作为频率的函数的线性斜率。图9还示出了在OSR之后 基本上被减小的输入FM信号的时钟频率分量的位置。这又减小了 OSR之后作为结果的第二信号的RF光谱中的时钟频率分量。在这 个实例中，峰值斜率是2.7dB/GHz，并且在这种情形中OSR的3dB 带宽是8GHz。
对OSR来说，本发明的实施例还减小了OSR之后作为结果的 信号的RF光谱中的时钟频率分量，对于10Gb/s NRZ信号来说是 10GHz。
最佳OSR形状是发射器在其输出处(背对背)以及传输之后具 有良好性能的那一种。通过具有眼图中最小的位失真来确定背对背 性能，同时由低色散罚值来确定传输后的性能。正如通过引用而被 结合在此的美国临时专利申请序列号为60/554,243(代理人案号 TAYE-34 PROV)和序列号为60/629,741(代理人案号TAYE-48  PROV)所描述的，某一滤波器斜率值被要求将绝热啁啾输入信号转 换成具有平顶啁啾的信号。其还表明OSR将输入脉冲的幅度的第一 导数转换成边缘处的蓝移瞬态啁啾。对于最佳斜率值，附加的瞬态 啁啾增加了边缘处的啁啾以产生几乎平顶啁啾。
美国临时专利申请序列号为60/554,243(代理人案号TAYE-34 PROV)和序列号为60/629,741(代理人案号TAYE-48 PROV)公开 了OSR的有效参数是其坡度斜率。如图11所示，正如在本发明所 定义的，坡度斜率(SoS)是传输的峰值对数导数(以dB/GHz计) 与该峰值距传输峰值的频率偏移(以GHz计)的比率。在本发明的 一个实施例中，OSR的坡度斜率被调节以优化背对背发射器BER并 减小光纤传输之后的BER。例如，如果坡度斜率大约在0.38dB/GHz2 至0.6dB/GHz2的范围，对于10Gb/s发射器来说，良好的背对背眼图 以及传输之后的低BER可被获得。另外，接近传输中心的OSR的 斜率需要近似为线性的。与线性的偏差在作为结果的输出眼图中引 入了失真，并因此导致增加的比特误差率。线性斜率对应于圆顶形 状滤波器。所以，比如在中心附近具有接近零斜率的平顶滤波器是 不合要求的。带通OSR的3dB带宽不得不在比特率的65％至90％ 的范围内。
如图12所示，这种OSR的两个实例是具有6GHz或5.5GHz带 宽的2nd阶贝塞耳滤波器。2nd阶贝塞耳滤波器的形状对本领域的技 术人员来说是公知的并且在数学上由下式来描述：
$T\left(p\right)=\frac{1}{3+3p+p^2}---\left(6\right)$
其中p＝2if/Δf3dB。在这里T是场传输，f是距滤波器中心的光频偏移， 以及Δf3dB是滤波器的3dB带宽。测得的量是滤波器的光传输，其在 方程6中是场传输的绝对值平方|T(p)|2并被绘制在图12中。贝塞耳 滤波器通常被用作电学的低通滤波器，因为其使得带通中的失真最 小。在本发明的一个实施例中，贝塞耳滤波器是光学滤波器并且选 择它是因为其提供了所期望的坡度斜率和接近其峰值传输的线性斜 率。具有6GHz带宽的2nd阶贝塞耳滤波器的坡度斜率是 0.46dB/GHz2，并且5.5GHz带宽的2nd阶滤波器的坡度斜率是 0.57dB/GHz2。这些实例表明滤波器的带宽可以被调节以将SoS变为 所期望的值。
图12还示出了可依照本发明使用的滤波器的另一个实例是，具 有7.5GHz带宽的4th阶贝塞耳滤波器。该OSR具有0.41dB/GHz2的 坡度斜率。4th阶贝塞耳滤波器的场传输作为归一化频率的函数由下 式给出：
$T\left(p\right)=\frac{1}{15+15p+6p^2+p^3}---\left(7\right)$
图13示出了背对背以及经过具有3400ps/nm色散的光纤的 200km之后所计算的眼图的实例。在这个实例中，使用了具有5.5GHz 带宽的2nd阶贝塞耳滤波器。左列的眼图是发射器(顶部)的背对背 光眼(所谓的O-眼)和传过200km(3400ps/nm)之后的眼图。右 列的眼图是具有典型的～8GHz带宽的光电转换器之后测得的眼图， 其被称为电眼(E-眼)。电眼在接收器的输出处，其将光信号转换成 电信号并将其提供给判定电路用于区分1和0位。
除绝热啁啾之外，直接调制激光器还产生瞬态啁啾，其发生在 1至0和0至1位转换处。在常规的直接调制激光器中，瞬态啁啾 是有害的，因为它加速了脉冲失真并增加了传输后的EBR。然而， 在本发明中，已经发现，在作为FM源使用时，其中直接调制激光 器后面是OSR，激光器输出处的某些瞬态啁啾是所期望的。图14 示出了依照本发明的发射器的模拟结果。在这个实例中，激光器的 绝热啁啾是4.5GHz，并且OSR是在其传输边缘附近操作的2腔标 准滤波器。
图14示出了10Gb/s发射器在其输出处(背对背)的眼图，以 及传过具有3400ps/nm色散的光纤的200km之后的眼图。OSR之前 的激光器输出处的瞬态啁啾接近零(～0.2GHz)(左列)或为2GHz (右列)。参看图14，很显然，具有2GHz瞬态啁啾的情形产生较少 失真的背对背眼图。在具有2GHz瞬态啁啾的情形中，200km光纤 之后的眼图同样更加张开，并且具有更少的码间干扰(ISI)。因此， 本发明的一个实施例调节调频光源的瞬态啁啾以及光谱整形器的坡 度斜率，以获得具有最小失真的所期望的发射器输出，并且增加超 过色散限制的发射器的无错误传播长度。
实际上，光学滤波器(如多腔标准量具)可能不具有所期望的 传输形状和坡度斜率。因此，在本发明的另一个实施例中，射到滤 波器的光信号的射束发散和入射角被调节以获得所期望的SoS。图15 示出了2腔标准量具的测得的斜率以及作为入射角的函数的坡度斜 率的实例。峰值斜率最初因为增加的角度而减小，达到最小值，然 后再次增加。正如通过引用而被结合在此的2004年10月25日由 Kevin McCallion等人提出的、标题为“SPECTRAL RESPONSE MODIFICATION VIA SPATIAL FILTERING WITH OPTICAL FIBER”、序列号为60/621,755(代理人案号TAYE-47 PROV)的美 国临时专利申请所描述的，斜率以较大角度增加是由空间滤波器引 起的。对于相同的角度范围，因为峰值位置随增加的角度而增加， 坡度斜率从0.75dB/GHz2单调减小至0.35dB/GHz2。在这个实例中， 通过将入射角调节到1.5至2度来获得0.45dB/GHz2的最佳值。
在上述的实例中，光谱整形器(OSR)是多腔标准滤波器。如 图16所示，在本发明的另一个优选实施例中，OSR可以是长短通 滤波器。长短通滤波器对频率范围以及在峰值传输的一侧上的边沿 上的频率具有基本平坦的传输。在这种情形下，第一光信号的位置 将基本上位于传输坡度上。
OSR色散
OSR还可提供某些色散补偿以及光谱整形。图17示出了滤波 器的传输特征及其相应的色散分布。
滤波器色散可补偿部分的光纤色散。例如，如果激光器频率光 谱基本上与正常的色散峰值重叠，具有负色散，则具有正色散的标 准单光纤的传输被延伸。如果激光器频率光谱基本上与异常的色散 峰值重叠，其中色散为正，则其减少具有正色散的标准光纤的传输 距离，但是延伸负色散光纤(如色散补偿光纤(DCF))的可达到的 距离。图18示出了针对具有和不具有色散的OSR的情形的作为光 纤距离的函数的敏感度。激光器光谱基本上与OSR的负色散峰值重 叠。如图18所示，负距离表示具有该长度的负色散的光纤。所以， 比如，-100km表示具有-17ps/nm/km色散的100km色散补偿光纤。
FM源
本发明教导了用于生成具有高消光率(ER)的色散容许的FM 信号的多种方法。在本发明的一个优选实施例中，以两个步骤生成 FM信号。
首先，选择基本数字信号以调制直接调制的DFB激光器，以便 生成具有绝热啁啾的FM信号，以使被奇数0位分隔的两个1位之 间的相位差是π的奇数倍。作为实例，对于具有100ps脉冲和近似 方形的瞬时频率分布的10Gb/s NRZ信号来说，这是5GHz。
其次，如图19所示，作为结果的光信号被发送传过第二调幅器， 如LiNbO3调制器或电吸附调制器。调幅器被第二数字基本信号所调 制，所述第二数字基本信号是第一数字基本信号的复制品。取决于 调制器的转换函数，提供给调制器的基本信号可相对于调制激光器 而被转化。事情就是这样，比如，如果更高的信号增加了调制器的 损耗。因此，高信号产生来自激光器的更高幅度的光信号并且相应 的低信号被供给调制器。AM调制器可以是多种光学调幅器，如 LiNbO3调制器或电吸附调制器。如图20所示，DFB和EA可以被 集成在同一芯片上。
在本发明的一个优选实施例中，提供给激光器和调制器的第一 和第二基本信号可分别适用于生成FM和AM信号。如图21所演示 的，这些FM和AM信号在时间分布上是不同的，因为可能在两个 数字基本信号之间存在有相位差。此外，第一信号的瞬时频率的上 升时间和下降时间以及作为结果的第二信号的上升时间和下降时间 在AM调制器之后可能是不同的。另外，FM和AM脉冲分布的持 续时间可能是不同的。正如上面的规定和实例所描述的，在本发明 的优选实施例中，持续时间、上升时间和下降时间、绝热啁啾、调 幅深度以及两个数字基本信号之间的相位延迟被改变，以便增加传 输信号对光纤色散的色散容限。针对频率和幅度分布的这些参数在 图21中被定义。
在本发明的另一个实施例中，以及如图22所示，可能存在有放 置在上述的FM/AM源之后的带宽限制滤波器或OSR。OSR或滤波 器被选择成以减小比如针对10Gb/s NRZ信号在比特率频率10GHz 下或高于10GHz下的光频分量。
参数范围
在本发明的各种实施例中，对于信号的更长距离的传输，光谱 整形器之后的性能需要被优化，导致下列优选的特征：
(i)AM ER＜3dB(即激光器的强度输出的消光率优选地小于3dB 以便于使瞬态啁啾最小)；
(ii)绝热啁啾的范围在2.5-7.5GHz(即对于最佳传输来说激光 器的输出的绝热啁啾Δf＝f1-f0≈2.5-7.5)；以及
(iii)光谱整形器带宽的范围是5-10GHz(即OSR具有5-10GHz 的滤波器带宽以使光谱变窄效应最大化)。
修改
将会意识到，由于本公开内容，本发明另外的实施例对本领域 的技术人员来说是显而易见的。将会理解，本发明不受限于这里所 公开的和/或附图所示出的特定结构，而且包含属于本发明范围的任 何修改或等同物。
待审在先专利申请的引用
本专利申请：
(i)是2002年11月6日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、 标题为“POWER SOURCE FOR A DISPERSION COMPENSATION FIBER OPTIC SYSTEM”、序列号为10/289,944(代理人案号TAYE- 59474-00006)的待审在先美国专利申请的部分继续；
(ii)是2002年12月3日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、 标题为“HIGH-SPEED TRANSMISSION SYSTEM COMPRISING A COUPLED MULTI-CAVITY OPTICAL DISCRIMINATOR”、序列号 为10/308,522(代理人案号TAYE-59474-00007)的待审在先美国专 利申请的部分继续；
(iii)是2003年10月6日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、 标题为“FLAT DISPERISION FREQUENCY DISCRIMINATOR (FDFD)”、序列号为10/680,607(代理人案号TAYE-59474-00009) 的待审在先美国专利申请的部分继续；
(iv)要求2004年2月27日由Yasuhiro Matsui等人提出的、 标题为“OPTICAL SYSTEM COMPRISING AN FM SOURCE AND A SPECTRAL RESHAPING ELEMENT”、序列号为60/548,230(代理 人案号TAYE-31 PROV)的待审在先美国临时专利申请的利益；
(v)要求2004年3月18日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、 标题为“FLAT CHIRP INDUCED BY FILTER EDGE”、序列号为 60/554,243(代理人案号TAYE-34 PROV)的待审在先美国临时专利 申请的利益；
(vi)要求2004年4月28日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、 标题为“A METHOD OF FRANSMISSION USING PARTIAL FM AND AM MODULATION”、序列号为60/566,060(代理人案号TAYE-37 PROV)的待审在先美国临时专利申请的利益；
(vii)要求2004年5月3日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、 标题为“ADIABATIC FPEQUENCY MODULATION(AFM)”、序列 号为60/567,737(代理人案号TAYE-39 PROV)的待审在先美国临 时专利申请的利益；
(Viii)要求2004年5月10日由Daniel Mahgerefteh等人提出 的、标题为“FLAT CHIRP INDUCED BY AN OPTICAL FILTER EDGE”、序列号为60/569,769(代理人案号TAYE-40 PROV)的待 审在先美国临时专利申请的利益；
(ix)要求2004年5月10日由Daniel Mahgerefteh等人提出的、 标题为“METHOD OF TRANSMISSION USING PARTIAL FM AND AM MODULATION”、序列号为60/569,768(代理人案号TAYE-41 PROV)的待审在先美国临时专利申请的利益；
(x)要求2004年10月25日由Kevin McCallion等人提出的、 标题为“SPECTRAL RESPONSE MODIFICATION VIA SPATIAL FILTERING WITH OPTICAL FIBER”、序列号为60/621,755(代理 人案号TAYE-47 PROV)的待审在先美国临时专利申请的利益；
(xi)要求2004年11月19日由Yasuhiro Matsui等人提出的、 标题为“OPTICAL SYSTEM COMPRISING AN FM SOURCE AND A SPECTRAL RESHAPING ELEMENT”、序列号为60/629,741(代理 人案号TAYE-48 PROV)的待审在先美国临时专利申请的利益；
上面标示的十一个专利申请通过引用而被全部结合在此。