（光学专业论文）光3r再生中若干技术问题的研究.pdf

北方交通大学硕士学位论文摘要 摘要 光3 r再生是解决目 前光通信网络所面临的容量、 传输距离、 稳定 性等方面挑战的一项关键技术， 也是目 前光通信研究的一个热点问题， 在2 0 0 2 年度的o f c会议和e c o c会议上， 它都被作为一个重要的讨 论议题分组讨论。目前光3 r再生的研究还处在理论和实验研究， 本文 的研究涉及光3 r再生中的再放大和再整形， 主要作了以下几个方面的 工作: 1 、在查阅大量文献的基础上，较为系统的总结了前人提出的多种 光3 r再生方案和研究成果，对光3 r再生中的时钟恢复和光判决方案 分别进行了归类、分析和概括， 给出了光3 r再生的要求， 介绍了两种 典型的光3 r再生器及其实验结果。 2 、以e d f a和s o a为例， 定性分析了 光放大器实现再放大功能对 光3 r再生特性的影响。 经过再放大的光信号， 其信号质量的改变必然 会对光3 r再生的性能造成影响， 光信号质量改变在给直接检测模型下 进行了分析。介绍了e d f a和s o a的土作原理和外特性。 3 、介绍了m z i 的基本结构和传输矩阵。 给出一种理想的mz i 于涉 仪型光开关模型，基于该模型分析了祸合器和光纤的模藕合与双折射 对光开关特性的影响。 4 、从m z i 的传输矩阵和s o a的瞬态特性出发，理论上分析了基 于标准s o a - m z i 光开关的光判决特性， 以 及非线性增益压缩效应对基 于标准s o a - mz i 光开关的光判决影响， 给出数值仿真的结果， 并进行 分析。最后简单分析了 基于差分s o a - m z i 光开关的光判决。 5 、给出了一种输入时钟脉冲和控制脉冲模型，在理论上分析了考 虑和不考虑参考脉冲非线性相移两种情况下，噪声、走离、时钟抖动 以及比特率等参数对n o l m开关特性的影响， 如: 第一最佳开关长度、 开关窗口、输出脉冲、消光比。 关键词:光 3 r再生，e d f a ，马赫一曾德干涉仪，半导体光放大器 s o a - mz i ，非线性光环路镜 北方交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a l 3 r ( r e - a m p l i f y i n g , r e t i m i n g , r e s h 叩i n g ) r e g e n e r a t i o n i s c o n s i d e r e d a s a k e y t e c h n o l o g y t o f a c e t h e c h a l l e n g e s o n c a p a b i l i t y , t r a n s m i s s i o n h a u l , a n d s t a b i l i t y o f o p t i c a l n e t w o r k . i t i s a l s o o n e h o t p r o b l e m i n o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n f i e l d a n d i s t h e s a m e s u b j e c t i n o f c 0 2 a n d e c o c 0 2 . t h i s p a p e r i n c l u d e s t h e r e - a m p l i f y i n g f u n c t i o n a n d r e s h a p i n g f u n c t i o n a n d h as s o m e m a i n c o n t e n t s a s f o l l o w i n g : 1 . v a r i o u s s c h e m e s o f o p t i c a l 3 r r e g e n e r a t i o n p r e v i o u s l y p r o p o s e d a n d l a t e s t r e s e a r c h a c h i e v e m e n t s a r e p r e s e n t e d . t h i s p a p e r c l a s s i f i e s t i m e r e c o v e r y t e c h n o l o g i e s a n d o p t i c a l d e c i s i o n t e c h n o l o g i e s , a l s o s u m m a r i z e s t h e i r c h a r a c t e r i s t i c s a n d g i v e s t h e r e q u ir e m e n t s o f o p t i c a l 3 r r e g e n e r a t i o n . s o m e t y p i c a l o p t i c a l 3 r r e g e n e r a t o r s a n d t h e t h e i r e x p e r i m e n t a r e i n t r o d u c e d . 2 . t h e w o r k p r i n c i p l e a n d o u t e r c h a r a c t e r s o f e d f a ( e r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ) a n d s o a ( s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r ) a r e in t r o d u c e d . i n a d d i t i o n , t h e q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f o p t i c a l a m p l i f i e r c h a r a c t e r s a ff e c t i n g t h e o p t i c a l 3 r r e g e n e r a t i o n c h a r a c t e r s i s g i v e n . 3 . t h e b a s i c c o n f i g u r a t i o n o f mz i ( ma c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r ) i s i n t r o d u c e d , a n d t h e t r a n s m i t m a t r i x i s d e d u c e d . b a s e o n a g i v e n o p t i c a l s w i t c h m o d e w i t h mz i , t h e m o d e c o u p l i n g a n d b i - r e f r a c t i o n o f c o u p l e r a n d f i b e r a ff e c t i n g t h e o p t i c a l s w i t c h c h a r a c t e r s i s a n a l y z e d . 4 . f r o m t h e t r a n s mi t ma t r i x o f mz i a n d t h e i n s t a n t a n e o u s c h a r a c t e r o f s o a. t h e d e c i s i o n b a s e o n t h e s t a n d a r d s oa- mz i a n a l y z e d a n a l y z e d i n t h e o ry . e ff e c t o f n o n l i n e a r g a i n c o m p r e o p t i c a l s w i t c h i s s s a c t i o n i s a l s o i n t h e o ry . t h e n u m e r i c a l r e s u lt s s i m u l a t e d b y c o m p u t e r a r e g i v e n a n d a n a l y z e d . f i n a l l y d e c i s i o n b a s e s w i t c h i s a n a l y z e d o n t h e d i ff e r e n c e s o a - mz i o p t i c a l s . on e mo d e l n o i s e , w a l k o ff , o f i n p u t c l o c k p u l s e a n d c o n t r o l c l o c k j i tt e r i s g i v e n . i n t h e o ry , o p t i c a l l o o p mi r r o r ) s w i t c h w i d o w , o u t p u t s w i t c h c h a r a c t e r s , s u c h as, p l u s w i t h p a r a m e t e r s o f t h e n o l m 困o n l i n e a r t h e f i r s t s w i t c h l e n g t h , .m15 p l u s s h a p e a n d e x t i n c t i o n r a t i o i s d i s c u s s e d d i ff e r e n c e c o n d i t i o n s o f n o n l i n e a r p h a s e s h i f t e r o f r e f e r e n c e p u l s e c o n s i d e r e d o r n o t . k e y w o r d : o p t i c a l 3 r r e g e n e r a t i o n , e d f a , mz i , s o a , s o a - mz i , n o l m 北方交通大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 . 1 3 r 再生的意义 在光网络和波分复用 wd m 长途传输干线中，光纤的非线性效应 ( 例如自 相位调制s p m、交叉相位调制x p m、四波混频f wm等)与 群速度色散g v d联合作用， 光放大器的自 发辐射噪声a s e ， 增益饱和 引起的非线性，以及由器件引起的串话等不利因素，造成了脉冲序列 达到时间抖动、光信号脉冲形状和频谱的畸变、消光比下降，限制了 网络节点级联的数量，最终限制了整个系统和网络的传输速率和距离。 因此，就需要适时的采用 3 r再生 再放大 r e - a m p l i f i n g 、再定时 r e t i m i n g 、 再 整形r e - s h a p i n g ) 技 术。 目前，广泛采用的3 r再生技术属于电3 r再生方式，再放大、再 定时、再整形都须在电域里进行，光信号必须经历光/ 电、电/ 光转换， 如图1 . 1 所示。受电子器件本身速率的物理限制，电3 r再生成为速率 提高的 “ 电子瓶颈” ， 影响了全光网传输的透明性、 灵活性和可靠性。 光3 r 再生 被认为是一种 更为理 想的再 生方式 1 ， 可以 突 破传输速率的 “ 电子瓶颈”，符合全光网和未来光网络的使用要求。 *3u o/e 1 j 恕r 石 日产 卜 士寸口二 图1 . 1 电3 r 再生原理 1 . 2光3 r再生原理、要求与技术 光3 r再生原理如图1 . 2 所示，输入光信号首先经过再放大，经祸 合器后分成两路，分别输入再定时和再整形模块，再整形不仅依赖于 输入光信号， 还依赖于再定时输出的时钟脉冲。与电3 r再生不同，光 3 r再生的再放大、再定时、再整形都是在光域中实现，无需进行光/ 电、电/ 光转换，理论上不存在 “ 电子瓶颈”。 北方交通大学硕士学位论文 绪论 厂 e d f a 时钟 恢复 i 图1 .2光3 r再生原理 光 3 r再生的要求如下:( 功 对数据格式 ( 同步或异步)和速率透 明:( 2 )对输入时钟的抖动和功率波动不敏感;( 3 )偏振不敏感;( 4 ) 大的输入功率动态范围;( 5 ) 波长范围宽， wd m多通道同时的进行光 3 r再生:( 6 )低的插入损耗;( 7 )高的输出消光比 ( 和低惆啾) ;( 8 ) 简单有效，成本低。( 9 )易于和其它器件或模块集成。 光3 r再生的功能模块包括再放大、 再定时和再整形。 再放大可以 利用光纤光放大器或半导体光放大器来实现，通常采用是掺饵光纤放 大器e d f a。 再定时要求时钟恢复器件恢复出时钟脉冲， 再整形则采用 光判决门，后两者是全光 3 r再生研究的重点。 1 . 3时钟恢复及其技术方案 时钟恢复，也称为时钟提取，是在承载信息的连续的随机码流中 将时钟序列提取出来，是再定时和再整形的基础。由于承载信息的连 续的随机码流可能含有长的连 “ 0 ”和连 “ 1 ”码，再加上在传输过程 中，码流的时钟会发生抖动，所以时钟提取的关键，是在有抖动的长 连 “ 。 ” 和长连 “ 1 ” 码中， 恢复出一个稳定的时钟序列。时钟恢复技 术要求输出的光时钟脉冲应该具有高速、低相位噪声、高灵敏度、偏 振不敏感和稳定等特点。 目前已提出并实现了多种时钟恢复技术方案，除了传统的电时钟 恢复外，大量研究的是基于光技术的时钟恢复，主要有光谐振、光锁 模、光锁相环 o p l l等方法，其中基于光锁模的时钟恢复方案很多， 可利用锁模激光器、自脉动分布式反馈d f b激光器、基于半导体光放 大器s o a或光纤的非线性的锁模光纤激光器、以及非线性光纤环路镜 n o l m振荡器等实现时钟恢复。 1 . 3 . 1基于光谐振的时钟恢复 基于光谐振的时钟恢复可利用法布里一帕罗 f - p谐振器或者光纤 布利渊增益从光信号中恢复时钟信号。 r z 码光信号的光频谱由连续谱 分量和若干线状谱分量组成， 利用光学滤波器( 由f - p谐振器或者光纤 布 利渊增益实 现) 就可以 选出 光载频分量f和线 状谱分量f 大 f ( f . 为 数据时钟频率)从而实现光时钟恢复。1 9 9 0 年，n t t的j in n 。等人报 北方交通大学硕士学位论文 绪论 道了利用f - p 谐振器的2 g b / s 全光时 钟恢复实验 2 - 3 1 . 1 9 9 3 , n t t的 mi y a m o t 。 等人报道了 利用光纤布利渊增益的5 g b / s 全光时钟恢复实验 4 。 图1 .3 给出了 基于光谐振电路( 利用f - p 谐振器) 的全光时钟恢复 的实验。光谐振电路具有高速的工作潜力和构造简单的特点。 图1 . 3基于光谐振电 路的全光时 钟恢复实验 1 .3 . 2基于光锁模的时钟恢复 1 .3 . 2 . 1利用锁模激光器实现时钟恢复 时钟恢复的原理是:锁模激光器中饱和吸收区和增益区的相互作 用，产生自脉动光脉冲，频率随增益区工作电流的变化而变化，把和 自脉动光脉冲频率相同的信号光脉冲注入锁模激光器，则产生与信号 光脉冲同步的光脉冲。1 9 9 1年， b a r a s l y等人报道了脉冲频率在 3 5 .2 g h z范围内连续调节的锁模激光器，向器件注入功率约 l o p es 的 5 g b / s 归零码r z数据信号，获得了与数据信号同步且不依赖于信号光 偏振状态的光脉冲【 5 1 。利用锁模激光器的 i o g h z , 4 0 g h z和 8 0 g h z 的时 钟恢复实 验己 有 报道 6 - 9 1 。 通过外加光 栅反 馈使得对自 脉动光脉 冲波长进行调谐成为可能，在此基础制成了可调谐锁模激光器。 l u d w i n g等人报道了利用可调谐锁模激光器从 4 0 g b / s信号中恢复 l o g h z 时钟脉冲的实验， 工作范围为l 0 0 n m 1 0 。 图1 .4 给出了 利用锁 模激光器的时钟恢复原理。 1 .3 . 2 . 2利用自 脉动d f b激光器实现时钟恢复 多区自 脉动d f b 激光器的工作原理是从双区d f b激光器自 脉动效 应发展而来。1 9 9 2 年， 双区d f b激光器自 脉动效应被发现，与锁模激 光器由饱和吸收引起自脉动效应的机理不同，双区d f b激光器自 脉动 效应由与其特殊结构相关机理引起的， 但其产生的机理目 前还有争论。 利用自 脉动 d f b激光器的 l o g h z和 4 0 g h z时钟恢复实验已被验证 1 11 2 ， 其中后者的调频范围为6 -4 6 g h z ， 可工作在不同的同 步数字 体系s d h t 匕 特率 ( l o g h z 和4 0 g h z )。利用自 脉动d f b激光器的时 钟恢复原理见图1 .4 . 自 脉动d f b激光器具有体积小、结构紧凑、直流调制的优点，锁 模激光器具有工作波长范围宽，适合于 wd m 系统应用的优点，是目 前报道较多。 北方交通大学硕士学位论文绪论 图1 .4利用锁模激光器和自 脉动d f b激光器的时钟恢复 1 .3 . 2 . 3利用锁模光纤环激光器实现时钟恢复 图1 . 5 a 为利用光纤环激光器进行时钟恢复的示意图，其中非线性 光调制器由一段色散位移光纤组成。这种方案利用信号光驱动光纤环 激光器产生和信号光同一速率的超快锁模脉冲实现时钟恢复， 周期为t 的光脉冲信号通过色散位移光纤，x p m效应使环行激光器的腔体产生 一个周期性的相位调制。当调制周期等于或整数倍于光环行时间时， 激光器进行锁模，输出和信号光同步的时钟信号。利用锁模光纤环激 光器己经获得了4 0 g h z 的时钟恢复【 1 3 。该方案具有较高速的工作潜 力， 原理上可以工作在i o o g b / s 以上的系统中， 但是体积大、 不易集成、 温度稳定性差等缺点限制了实际应用。 利用s o a的x p m效应的锁模s o a光纤环激光器的时钟恢复如图 1 . 5 b 所示，天津大学报道了利用锁模光纤环激光器从 l o g b / s 光时分复 用o t d m光信号中 恢复出2 .5 g h z , 5 g h z , i o g h z 时钟的实验t 1 4 和 从2 0 g b / s o t d m光信号中恢复出i o g h z 时 钟的实验 1 5 ) 。 另外4 0 g h z 的锁模s o a光纤环激光器也有报道t 1 6 1 . 信号脉冲输入 厂狠勇1i-e 五迸h fi 出 e d f 调制器 激光腔 竺 竺 矍 少-6 =r 1 中 脉 ( a ) 光纤环激光器 ( a ) 输出 藕合器 e d f a 时钟脉冲输出 ( b ) 锁模s o a光纤 环激光 器 图1 . 5基于锁模光纤环激光器的时钟恢复 北方交通大学硕士学位论文绪论 1 . 3 . 2 .4利用n o l m振荡器实现时钟恢复 利用n o l m振荡器的时钟恢复实验如图 1 . 6 所示。 n o l m 的输出 导向电时钟提取电路，恢复出来的信号反馈到一个增益开关激光二极 管用作控制脉冲，当输入信号被祸合进入 n o l m，电光反馈电路启动 脉冲振荡，输出光脉冲。利用这种方案实现了l o g h z 光脉冲的时钟恢 复， 脉冲宽度9 p s 1 7 . 信 号 脉 冲窄 带 离气八 时 钟 脉 冲 。 p cf d f a nol m 光探 测 器 电时 钟提 取 f . p?a igt d f b l d 电 放大器 电往人9足仪 图1 .6利用n o l m振荡器的时钟恢复实验 1 . 3 . 3基于光锁相环o p l l的时钟恢复 目 前，基于 o p l l的时钟恢复报道很多， 主要利用 l in b 0 3 调制器 1 8 、 行波光放大器t w- l d a中的增益调制四 波混频f w m 1 9 - 2 0 ， 以 及光纤中的f w m 2 1 等。 图1 .7 给出了 利用t w - l d a的f w m的o p l l 时钟恢复，由四波混频产生的光作为交叉相关量被光探测器检测，所 得的信号反馈回压控振荡器v c o调整光时钟脉冲光源， 使之与信号脉 冲同步，从而得到和信号光脉冲同步的时钟脉冲。利用该方案成功地 从4 0 0 g b / s 的信号中 提取了6 .3 g h z 的时钟脉冲【 2 0 。 利用t w- l d a的 o p l l时钟恢复具有体积小 定功率信号光，以及v c 0 . 、 响应快速、 工作稳定等优点， 但是需要一 光时钟脉冲发生器等使得技术相对复杂。 滤波器一 t w - l d a 探测器 时钟光信号 混频器 图1 . 7利用t w-l d a中f wm的o p l l时钟恢复 1 . 4光判决及其技术方案 光判决是光信号再整形的关键。对于n r z码，光判决技术可以提 北方交通大学硕士学位论文 绪论 高 “ i ”信号 高光平)对 “ 0 ”信号 ( 低光平)的消光比:对于基于 高斯脉冲的r z码， 光判决技术可以使输入的失真码型更接近于理想的 高斯脉冲。 大部分线路传输是基于高斯脉冲的r z码， 所以光判决技术 一般可利用光判决门来实现。以波形很好的时钟信号 ( 由时钟恢复产 生)作为光判决门的输入信号，以被判决的信号作为控制信号，输出 的信号便是载有被判决的信号的信息但波形很好的脉冲序列。光控光 开关都可以作为判决门来使用，目 前常用的光开关有:利用光纤 x p m 效应的n o l m， 利用s o a的x p m效应的玛赫一 曾德干涉仪或迈克尔逊 干涉仪 s o a - mz i / mi 、非线性环路镜 s l a l o m、以及超快非线性干涉 仪u n i ， 利用体半导体或多量子阱激光器m q w 的互饱和吸收效应的 电吸收调制器e a m及低温生长光开关l o t o s 等。 1 . 4 . 1基于n o l m的光判决门 基于n o l m 的光判决门如图1 . 8 所示。信号中恢复的光时钟脉冲 经 3 d b祸合器分成反向传播的探测脉冲和参考脉冲，当强的输入信号 脉冲与探测脉冲共同传输时， 信号脉冲的x p m作用使探测脉冲产生相 对于参考脉冲的附加非线性相移，探测脉冲和参考脉冲返回后光场叠 加。输入信号脉冲通过控制脉冲和参考脉冲之间的相差控制信号的输 出与否，从而实现判决。 n o l m 光开关具有工作速率高的优点。1 9 9 8 年， y a m a m o t 。 等报道了6 4 0 g b / s 单 信道 解复用实 验 2 2 。 但是n o l m 光开关尺寸较大，不易集成，偏振敏感，以及温度稳定性差等问题也 同样显著。 图1 . 8基于n o l m的 光判决门图工 .9利用s l a l o m的光判决门 1 .4 . 2基于s o a非线性的光判决 1 . 4 . 2 . 1利用s l a l o m的光判决门 图1 .9 是利用s l a l o m的光判决门。 与利用n o l m的光判决原理 相类似， 控制光脉冲进入s l a l o m， 通过控制s o a的增益和相移来改 变s l a l o m的投射和截止， 调制时钟光脉冲， 将信息转载到时钟光脉 冲流上，实现光判决。连续波注入是为了缩短载流子的有效恢复时间。 s l a l o m光开关用s o a代替光纤作为非线性介质， 保留了环路镜结构 北方交通大学硕士学位论文绪论 的性能稳定和高速响应等特点，同时利用 s o a的高非线性系数大大降 低了开关功率和光脉冲在环路镜中的时延。 利用 s l a l o m 的 8 0 g b / s 解复用实验已 有报道 2 3 0 1 .4 .2 .2利用 s o a - mz i / mi 的光判决门 s o a - mz i / mi 光判决门利用信号脉冲x p m效应使得干涉仪两臂上 传输的时钟脉冲所经历的相移不同，控制时钟脉冲在干涉仪输出端口 的相长或相消干涉，由此控制时钟脉冲在输出端口的有无。图 1 . 1 0 a 和 1 0 b 分别为利用s o a - mi 和标准s o a - mz i 的光判决门。时钟脉冲和信 号脉冲即可同向传输 ( 见图1 . 1 0 a ) ， 也可反向 传输 ( 见图1 . 1 0 b ) ， 但在 结构上同向传输需加光滤波器分离出再生信号，反向不需要。 ( a ) s o a - mi ( b ) 标准s o a - m i ( c ) 差分s o a - m i 图1 . 1 0利用s o a -m z i / mi 的光判决门 标准 s o a - mz i 光判决门的与波长转换器类似，c h i a r o n i 等人报道 了i o g b / s 非归零码n z r 3 r再生试验， 误码率为1 x 1 0 9 时的灵敏度损 伤小于0 . 5 d b 2 4 a 增益压缩效应导致 但标准s o a - mz i 光判决门 存在如下问题:( 1 ) s o a mz i 两臂的不平衡，降低了消光比;( 2 )载流子慢 北方交通大学硕士学位论文 绪论 恢复时间限制了mz i 开关工作速度，造成再生信号脉冲展宽，限制了 其级联能力。通过在干涉仪的一臂上引入一段附加相移区，可以克服 s o a增益压缩的影响，调节附加相移可使消光比 有较大幅度提高。可 以采用双信号控制的差分 s o a - m z i 方案， 工作速度不受载流子恢复时 间限制，输出脉冲宽度由信号脉冲间的时延决定，开关时间可望达到 l p s 。 差分的 s o a - m z i 的 光判决门 如图 1 . 1 0 c所示。 l a v i g n e报道了 2 0 g b / s r z码的再生试验，2 0 0 0多级再生器级联传输实验表明在 2 2 0 0 0 k m传输距离内，灵敏度损伤小于1 .2 d b 2 5 e 与s o a - mz i 光判决门的原理相类似， 但是s o a - mi 光判决门由于 信号往返s o a两次，因此具有较大的调制带宽。利用s o a - mi 光判决 的2 0 g b / s 信号再生实验表明其偏振灵敏度小于 i d b ，抖动容限大于 5 p s ， 信号损伤为i d b 2 6 e s o a - m z i / m i 具有尺寸小，易集成，易于 实用化的优点。 1 . 4 .2 .3 利用超快非线性干涉仪u n i 的光判决门 利用超快非线性干涉仪u n i 的光判决如图1 . 1 1 所示，由传统的单 臂干涉仪和s o a ( s o a为非线性部分) 组成。 信号脉冲作为控制光束 控 制是时 钟 脉冲的 透过， 实 现了 光 判 决 ， 这 种 器 件 使 用了 单臂 干 涉仪， 因此可以不受折射率非线性长周期变化的影响，而具有很高的工作速 率。 清华大学报道了i o g h z 的t 刀 n i 光开 关， 消光比i 1 d b 2 7 ， 另外具 有1 6 0 g b / s 的位逻辑运算能力的u n i 也有报道汇 2 8 图1 . 1 利用u n i 的判决门 1 . 4 .3利用电吸收调制器e a m 的光判决门 电吸收调制器e a m的再生结构和原理如图1 . 1 2 所示， 利用e a m 的非线性交叉饱和吸收效应， 当时钟脉冲和信号脉冲同时注入时， e a m 对时钟脉冲的吸收随输入信号的强弱而变化，使得输出脉冲序列再现 了输入信号的信息。e a m的交叉饱和吸收效应与输入信号功率及反向 偏压大小有关，通过优化信号的输入功率及工作偏压，可以获得良 好 的再生信号。 e a m对偏振不敏感、 尺寸小、 易于集成等， 理论上e a m 与偏振无关，输入信号的相位畸变与频率惆啾都不会转移到探测信号 中。目 前e a m可以工作在4 0 g b / s 或更高的系统中。 i n g a a s p e a m的 4 0 g b / s 1 0 0 o k m的光3 r再生传输试验，与无再生传输相比较，有 3 r 北方交通大学硕士学位论文 绪论 再生的传输使q因子改善1 . 5 - 2 d b 2 9 1 . 图1 . 1 2 e a m再生的结构和原理 1 . 4 . 4利用l o t o s 实现光判决 l o t o s 的结构如图1 . 1 3 所示， 光信号脉冲有无控制m q w层的开 与关状态，使得光时钟脉冲通过光判决门或被完全吸收，实现光判决。 与e a m类似，l o t o s有超快的载流子恢复时间，可工作在几百飞秒 到几十皮秒之间。由于 d b r反射镜的利用，l o t o s具有较高的消光 比， 工作波长范围 较宽3 0 n m ， 开关能 量在1 p j 左右， 温度稳定性好。 l o t o s 判决门 定 时 抖动 容限 为2 0 p s 。 但l o t o s 具 有 偏 振相 关 性， 开 关特性与输入信号脉冲的偏振态有关。 3 0 -3 1 1 千涉 a n t i - r e f l e c t i o n c o a t i n g s i n p s u b s t r a t e i n g a p / i n p d b r m i r r o r i n g a p / i n a l a s m o w s a u m i r r o r 图1 . 1 3 l o t o s 的 结构 ， . 5光3 r 再生器 目前，光 3 r再生器己 有大量报道，下面介绍两种光3 r再生器及 其实验。基于自 脉动 d f b激光器和 s o a - mz i 的全光再生器及其环路 实验如图1 . 1 4 所示 3 2 . 可调谐范围6 -4 6 g h z 判决由s o a - m z i 实现， 自 脉动d f b激光器用于实现时钟恢复功能， 与注入信号的锁模时间为1 0 个比 特 ( i n s ) 。 光 s o a - m z i 具有1 0 0 g b / s 的工作潜力。 时钟恢复 和光判决中使用不同的波长，中间需增加波长转换器。 码率为1 0 一 条件下， 使用3 r再生器后， 经过1 5 0 0 0 k m 离，接受灵敏度仍然保持稳定可用。 试验表明:误 以上的传输距 北方交通大学硕士学位论文绪论 时钟恢复 m zi 光判决 1 5 4 0 n m 波长转换 dfbm zi 1 5 6 0 n m i o g b / s 2 7 - 1 rz l o o p 5 0 k m d s f 1 6 5 0 n m d f aber 图1 . 1 4光3 r 再生器原理图 及环路实验 自 脉动d f b + s o a - m z i ) 基于孤子压缩与同步调制的全光3 r 再生器，其原理图如图1 . 1 5 所 示 3 l 。输入信号被放大到一定的功率水平， 信号脉冲因为孤子效益而 被压缩到很高的峰值功率，从而噪声被降低，其功能相当于光判决。 再定时由同步调制完成， 使用的是一个 ( 自 脉动d f b 激光器实现的) 时 钟来驱动的调制器。应用该再生器的4 0 g b / s 1 0 0 0 k m 信号传输环路实验 已 有报道， 文献 3 0 1 给出了 不同 伪随 机比 特序列 生成器 p r -b s 长度下的 b e r 测量结 果， 除 p r b s 长 度为 2 3 1- 1 时 的比 特误 码率 b e r 高 于1 0 -1 外， 其 他p r b s 长度下测得b e r 皆 不高于1 0 -9 。 该再生器的 优势在于: 具有比 试 验输率高得多的 速度潜力;能够同时对多个wd m 通道再生， 文献 3 0 报道了一个4 x 4 0 g b / s 1 0 0 0 k m 的传输试验， 利用单个调制器同时再生了 4 路wd m信道。 - h n署 图1 . 1 5光3 r再生器原理图 ( 孤子压缩+ 同 步调制) 1 . 6本文在光3 r 再生研究方面的工作 光3 r再生是解决目 前光通信网络所面临的容量、 传输距离、 稳定 性等方面挑战的一项关键技术， 也是目 前光通信研究的一个热点问题， 在2 0 0 2 年度的o f c会议和e c o c会议上， 它都被作为一个重要的 讨 论议题分组讨论。目 前光3 r再生的研究还处在理论和实验研究， 本文 的研究涉及光3 r再生中的再放大和再整形， 主要作了以下几个方面的 工作: 1 、在查阅大量文献的基础上，较为系统的总结了前人提出的多种 光3 r再生方案和研究成果，对光3 r再生中的时钟恢复和光判决方案 北方交通大学硕士学位论文绪论 分别进行了归类、 分析和概括，给出了光3 r再生的要求，介绍了两种 典型的光3 r再生器及其实验结果。 2 、以e d f a和s o a为例， 定性分析了光放大器实现再放大功能对 光3 r再生特性的影响。 经过再放大的光信号， 其信号质量的改变必然 会对光3 r再生的性能造成影响， 光信号质量改变在给直接检测模型下 进行了分析。介绍了e d f a和 s o a的工作原理和外特性。 3 、介绍了mz i 的基本结构和传输矩阵。 给出一种理想的mz i 干涉 仪型光开关模型，基于该模型分析了祸合器和光纤的模棍合与双折射 对光开关特性的影响。 4 、从mz i 的传输矩阵和s o a的瞬态特性出发，理论上分析了基 于标准s o a - m z i 光开关的光判决特性， 以 及非线性增益压缩效应对基 于标准s o a - mz i 光开关的光判决影响， 给出数值仿真的结果， 并进行 分析。最后简单分析了基于差分s o a - mz i 光开关的光判决。 给出了一种输入时钟脉冲和控制脉冲模型，在理论上分析了考虑 和不考虑参考脉冲非线性相移两种情况下，噪声、走离、时钟抖动以 及比 特率等参数对n o l m开关特性的影响，如:第一最佳开关长度、 开关窗口、输出脉冲、消光比。 北方交通大学硕士学位论文掺饵光纤放大器 第二章 掺饵光纤放大器 光3 r再生中， 再放大功能一般利用光放大器来实现。 光放大的主 要作用是:( 1 )补充光信号由于在光纤中长距离的传输而引起的损耗; ( 2 )为后面的时钟提取和判决等光信号处理提供足够的功率。由于时 钟提取和判决会引起一定的损耗， 所以 对作为光3 r再生用的光放大器 的要求更高。一般可以采用前后两个放大器的方案，前放大器的作用 是为信号处理提供足够的功率，后放大器则提供为长距离传输而必需 的功率。前放大器可以是一个小信号放大器，而后放大器则是一个功 率放大器，它需要比较稳定的大功率输出。由于后放大器的作用与普 通的功率放大器的作用相同，所以本章主要分析前放大器。 由于在 wd m 多波长的系统中，各个波长的传输制式可能完全不 同，时钟的速率也不同，即使速率相同，要求所有波长都同步也是不 现实的， 所以依靠一个光3 r 再生器完成各个波长的同时再生是困难的。 目前，只能考虑单一波长的3 r再生。对于多波长系统，可以先解复用 之后再考虑光3 r再生。 因此本章的重点在于为了满足时钟提取和判决 等光信号处理的单波长小信号放大器的特性。 掺饵光纤放大器 e d f a是最为常见的一种。本章首先介绍 e d f a 的原理、结构和外特性，然后在此基础上分析其对光 3 r再生的影响。 2 . 1 e d f a的基本原理和结构 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子 ( 如饵e r ,错p r , 钦h o , 镭t m等) 作为增益介质， 在泵浦光的激发下实现光信号放大， 放大器的 特性主要由 掺杂元素决定。 e d f a工作在1 5 5 0 r u n 波段， 具有 高增益、高功率和高带宽等优点，在光波通信系统中具有广泛的应用。 e d f a采用掺饵离子的单模光纤作为增益介质， 受泵浦光激发产生粒子 数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。产生受激辐射放大的过 程是:增益介质 ( 掺饵光纤)吸收了泵浦波长的能量而被激活 ( 粒子 数反转) ，形成激光放大的条件，同时伴随着自 发辐射而产生自 发辐射 噪 声a s e 。 石 英光 纤中e r 3 + 离 子的 能 级 结 构 及 跃 迁示 意图 见图2 . 1 3 3 a 图中粗实线表示三个主要的跃迁过程 ( 即泵浦光和信号光的受激吸收 过程，泵浦光和信号光的受激辐射过程，以及自 发辐射及其放大) ，实 线和细折线分别为能级的自 发辐射衰变和非辐射衰变过程，图中还给 出e r 3 + 离子各能级间 辐射和非辐射衰变速率的实际测量值。 由于能级的 s t a r k分 裂和非 均 匀 性分 布导 致能 级的 展宽， 护十 离子能 级 在 光纤中 表 北方交通大学硕士学位论文掺饵光纤放大器 现为由 大量分裂的s t a r k 能级组成的能带。 在室温下， $ r 3 + 离子在能带 内趋于b o l t z m a n n 热平衡分布过程的时间常数可以忽略。 _t包月 二 二 刁全 -一一一一一一一弓-一份卜一一-. 一 月 . . . . . . m 卜 1 1 0 c1 00-130/s 1500/s-130/s1480nm 90 15 泵 浦 “ ” ( 光 - 占 户 - =石. 司卜 二 二 . 尸， - - - 月 ， ， ， ，-. r .种- . 弓 o l s _ 1 o/s 1 行. 光 ， 了二门 .一 r es es wel二二 二二 ，竺 二 t ， .，. 一 甘， 二二 二 二 尹 ， 一一 -一 - -.二 二 一 刁 卜 - ，二 石卜- -， 一一月卜 - ， 子 - 二 一 臼卜 书.乡盛 ; 共 刁 . 三士 一 亏厅- 月硒砰=闷应 不 刁 胜共 图2 . 1 石英光纤中e r g 离子的能级结构及跃迁示意图 采用1 4 8 0 n m泵浦时， 掺饵光纤相当于一个二能级系统， 吸收和辐 射跃迁只 涉及 基态能 级气s n 和亚 稳 态能 级4 h 3 伦 ， 4 1 1 3 r 的能级 寿命约为 1 0 一1 2 m s 。 采用1 4 8 0 n m泵浦的不利因素是存在泵浦波长上的受激辐射 过程，将消耗处于激发态的粒子数，从而引起放大器增益、泵浦功率 和噪音特性的劣化。采用9 8 0 n m泵浦时，掺饵光纤相当于一个三能级 系 统。 基 态的扩+ 离子 吸 收 泵 浦 光 子 后 激发 至气1 二 能 级， 0 1 1 1n 能 级 通 过非辐射跃迁衰变 到4 11 312 ， 4 1 1 14 1 1 3到 1 ， 3 瓜 的热弛 豫时间常 数仅为 几个 纳 秒。采用4 $ o n m泵浦的e d f a不存在泵浦上的受激辐射过程，从而具 有更好的泵浦效率和噪音特性。 掺饵光纤 1 4 8 0 n m 泵浦源 波分复用器 图2 .2 e d p a的 基本结构 示意图 e d f a的基本结构有同向 泵浦、 反向泵浦或双向 泵浦结构， 其中图 2 .2为同向泵浦结构。 输入端的光隔离器用于阻止反向 a s e沿光纤返 回，输出端的隔离器用于防止可能的反馈以避免放大器发生激射。泵 浦源一般为具有高可靠性和高输出功率的半导体激光二极管。波分复 用器wd m用于将泵浦光与信号光祸合到掺饵光纤e d f内。 e d f 与普 通通信光纤间的融结损耗一般小于o . 1 d b o 北方交通大学硕士学位论文 掺饵光纤放大器 2 . 2 e d f a的外特性 2 .2 . 1 e d f a的功率传输方程 3 4 -3 6 在中心掺杂情况下，将泵浦、信号与噪声分开考虑的功率传输方 程为 士 di p - - 9二 p sd: g00p a 一 ( 2 . 1 ) 争一 (s e、 一 g ., )p ,、 一 “ k p sk ( 2 2) + d p .4s # ( v k ) d = = 士 ( g ,* 一 g a k ) p a s s ( v k ) 士 2 g a p o k + a k p a s # ( v k ) ( 2 3 ) 其中， g 二 为 泵 浦 吸 收 系 数 ， g e 、 信 号 发 射 系 数， g a k 为 信 号 吸 收 系 数( 泵 浦 发 射 系 数g e# = 。 时 ) ， a ， 和a k 为 泵 浦 光 与 信 号 光 的 背 景 损 耗 系 数( 背 景损耗系数对集总放大器可以忽略不计) 。上述方程完整描述了放大器 泵浦、信号以及 a s e噪声沿光纤的演化，通过求解上述方程可以获得 功率、增益以及噪声等参数。 2 .2 . 2 小信号增益特性 在e d f a中，信号光放大和产生a s e光都会消耗上能级粒子数。 如果泵浦光功率足够大而信号光与a s e很弱，上下能级的粒子数反转 度很高，可认为沿e d f长度方向上的上能级粒子数保持不变，放大器 增益可达很高的值且随输入信号光功率的增加仍维持恒定，称为小信 号增益，一般小信号增益可达4 0 -5 0 d b以上。 e d f a的小信号增益g 、 与掺