（光学工程专业论文）利用dfb激光器自脉动实现时钟恢复的研究.pdf

i 白求f i l l ；i u 人莩帧卜学f 量论乏捅让 摘要 在光纤通信系统中，光信号的传输会受到光纤的色散、非线性效应以及放大器的白发 辐射噪声等不利因素的影响，造成光脉冲信号的衰减和畸变，引起误码率的增高，限制r 通信距离。因此，需要对光信号进行再生。在目自仃的传输系统罩，都是将传输的光信号转 换成电信号，在电域罩进行再生。由于电子器件本身的物理极限，随着传输速率的提高， 这种再生方式成了传输速率的瓶颈。全光3 r 再生( 再定时、再整形、再放大) 是全光通信 网的核心技术之一，其中时钟恢复是再整形的基础。时钟恢复输出的时钟脉冲须具有高速、 低相位噪声、高灵敏度、偏振不敏感和稳定的特点。 论文首先介绍t 3 r 再生的研究背景和研究现状，分析了全光3 r 再生的基本原理，接着 分析t 3 r 再生中所使用的几种时钟恢复方法，并对其优缺点进行了比较，然后对半导体激 光器自脉动产生的机理进行了分析和研究。 论文重点对利用d f b 激光器的自脉动来实现全光3 r 的时钟恢复的方法进行了分析，利 用电路模型仿真d f b 激光器的自脉动，先通过方程推导来建立模型，接着讨论模型参数对 自脉动光功率和频率的影响。 最后，通过建立3 r 系统模型，把利用d f b 激光器自脉动提取的光时钟信号应用到其中， 仿真结果表明利用d f b 激光器自脉动实现时钟恢复有很大的应用潜力，并对以后的研究方 向进行了讨论。 关键字：全光3 r 再生d f b 激光器 自脉动时钟恢复 a b s t r a c t i no p t i c a l - f i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s o p t i c a ls i g n a l ss u f f e rf r o mi m p a i r m e n t si n d u c c db y f a c t o r ss u c ha sd i s p e r s i o n 、n o n l i n e a r i t yo fo p t i c a lf i b e r sa n da m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n t h e r e f o r er e s u l ti n p o w e rw e a k e n i n ga n dp u l s ed i s t o r t i o n ，a n di n c r e a s et h eb e r ，s ot h e c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ei sl i m i t e d t h e r e f o r e ，o p t i c a ls i g n a ls h o u l db er e g e n e r a t e d i nc u r r e n t t r a n s f e rs y s t e m ，o p t i c a ls i g n a li st r a n s l a t e di n t oe l e c t r i c a ls i g n a l ，a n dr e g e n e r a t e di ne l e c t r i c a l a r e a a l l o p t i c a l3r ( r e t i m i n g 、r e s h a p i n g 、r e a n a p l i f i c a t i o n ) r e g e n e r a t i o ni so n eo ft h ec o r e t e c h n o l o g i e si na l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yi st h ef u n d a m e n t a lo f r e s h a p i n g v a r i o u sp r o p e r t i e so ft h er e c o v e r e dc l o c kc a nb ea c h i e v e d ，s u c ha sh i g h s p e e d ，l o w p h a s en o i s e ，h i 【g hs e n s i t i v i t y , p o l a r i z a t i o n i n s e n s i t i v i t ya n ds t a b i l i t y a tf i r s t ，t h e b a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fa l l o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o na r e i n t r o d u c e d ，a n dt h ep a p e ra n a l y z e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fa l l - o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o n t h e nt h e p a p e ri n t r o d u c e sa n dc o m p a r e sa l lk i n d so fm e t h o da b o u tc l o c kr e c o v e r y 。l a t e r ，t h ep a p e r i n t r o d u c e sa n dr e s e a r c h e st h ep r i n c i p l eo fs e l f - p u l s a t i o no fs e m i c o n d u c t o rl a s e r s t h i sp a p e rm a i n l ye x p a t i a t et h ec l o c kr e c o v e r yu s i n gs e l f - p u l s a t i o no fd f bl a s e r so f a l l o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o n ，s i m u l a t i n gt h es e l f - p u l s a t i o no fd f b l a s e r sw i t hc i r c u i tm o d c l t h e c i r c u i tm o d e li se s t a b l i s h e du s i n ge q u a t i o nd e d u c t i o na tf i r s t ，a n dt h e nt h ei m p a c to ft h em o d e l p a r a m e t e r st ot h eo p t i c a lp o w e ra n df r e q u e n c yo fs e l f - p u l s a t i o ni sd i s c u s s e d f i n a l l y t h e3 rs y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dt h eo p t i c a ls i g n a lo fc l o c ke x t r a c t e db y s e l f - p u l s a t i o no fd f b l a s e r si sa p p l i e di nt h e3 rs y s t e mm o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h ec l o c kr e c o v e r yu s i n gs e l f - p u l s a t i o no fd f bl a s e r sw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei no p t i c a l c o m m u n i c a t i o n a n dt h er e s e a r c ht r e n di sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：a l l o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o n d f bl a s e r s s e l f - p u l s a t i o n c l o c kr e c o v e r y 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 1 1 研究背景 第一章绪论 随着通信技术的弋速发展，一方面，通过波分复用技术大大提高了光纤带宽的# j j ；lj 率： 另一方面，单波长信道的传输容量也越来越大。这为高速大容量的宽带综合、i k 务的化输提 供了有效途径。而传输容量的飞速增长带来的是对交换系统的压力。基于波长路d i 概念发 腱起柬的令光通信网正是为适应这利，需要而诞生的。在全光网络技术中，光丌关、波长转 换、解复用、上一- i 路、光交叉连接等技术都在光域中完成，因而和点到点的w d m 系统相比 较，伞光网具有对业务和传输速率透明的特点，而且由于它的动态路由选择能力，使网络 更灵活、更【1 r 靠。i f 阕为这些优点，全光网被认为足网络升级的优选方案，是未来光通信 发糙的趋终m 。 竹：高速大容最的光网络中，有些因素会明显地影响光信号的质量。光放大器的f 1 发 辐射噪声( a s e ) 、群速度色散( g v d ) 、偏振模色散( p m d ) 和光纤的非线性效应( 例如自卡【1 位 渊；p j s l ，m 、交叉相位凋f 扣l j x p m 、四波混频f w m 等) 等造成了脉冲序列达到时i 日j 抖动、光信号 脉冲形状和频谱的畸变、消光比下降，限制了网络节点缴联的数量，最终限制了整个系统 羽吣司络的传输速率和距离。2 r 再生( 再放大、再整形) 可以减小信号的幅度噪声，改善信号 的消光比，但是无法解决时问抖动的问题。3 r 再生( 再放大、再整形和再定位) 是解决l ：述 所钉问题的域有效方法，利用光3 r 再生器作为网络接口设备还可以使网络i 日j 的1 7j ：联史为容 易曩。 e 1 j ，j 采用的3 r i 耳生技术仍属于电3 r 再生方式，再放大、再定时、再整形都j 能n ! 电域 r l ! 进i 了，光侪n j 必须经历光电、电光转换。受电子器件本身速率的物珲限制，电：婀r l - j ：q - 成为迷牢抛，两的 1 于瓶颈”，影口向了全光网传输的透明性、灵活性和叮靠。陀。光： l i l f ，- i i 被认为足一种更为删想的再生方式j = ，町以突破传输速牢的“电- f - 韶i 颈”，符合伞光网和 术米光网络的使用要求。目前传输速率j 2 0 g b s 召9 再生设备已经研制成功一。，并具宵良好 f i t j t l - 能：1 ：i ij 澎川胁景。 j - i u ：枨f 川j l i m ，光3 k 阿生的再放大、再定时、冉整形都是红光域中实现的。光： i ij 耳 牛技术的要求如卜：( 1 ) 对数据格式( 同步或异步) 和速率透明：( 2 ) 对输入时钟的抖动平i l j 力 牢波动不敏感：( 3 ) 偏振不敏感：( 4 ) 大的输入功率动态范闱：( 5 ) 波长范围觅，w i j m 多通道 i 兰州也j 、：锄卜邓i 睁乏 j i p 时的进 j ：咒球阿( 1 ；( 6 ) 低的插入损耗；( 7 ) 高的输出消光比( 和低喘啾) ；( & ) 简，i ，j 仃效， 成小低：( 9 ) 易_ - j i 和其它器件或模块集成。 光3 r 冉乍t 婴包括光放大、时钟恢复和光判决等技术。光放大可以利用光纤光放人器 或t 导体) 匕放大器来实现，目d 玎光放大技术已经比较成熟，通常采用掺铒光纤放大器h j f a 。 ) 匕冰捋4 j 的天键在1 j 二时钟恢复和光判决。 时钟恢复，也称时钟提取，是再整形的基础，要求时钟恢复输出的时钟i | 永冲具仃i 【i - 玎迷、 低车l 位噪声、赢灵敏度、偏振乔敏感和稳定的特点。光3 i i 再备的时钟恢复方案董要有丸谐 振、光锁模、光锁相环f ) p l i 。等，光锁模的时钟恢复通常利用锁模激光器、自脉动分布式反 馈d f b 激光器、锁模光纤环激光器、非线性光纤环路镜n o l m 振荡器等器件 。 1 2 数字通信传输系统的时钟简介 刚分制p c m 通信系统中，模一数变换的抽样、量化、编解码和复用解复用等均须在 舰定时刻或时剧内完成。因此需出定时系统提供统的时标即准确的指令脉冲来控制信号 的处理和谚l 别。 ( a ) 发定时电路：提供基准主时钟( 晶体振荡器) = 合路信号频率 产7 - 箨种定时脉冲； ( b ) 收定时电路实现位同步 为保h e 收端正确判决和再现所传输的原始信号，必须产生一个与接收信 i 马严格埘齐的 削决时钟，也就是与发端时钟频率相同、相位关系致的脉冲，控制解码、解复用、洋码 判决等过程逐步恢复出传输的数字信码，否9 1 l j 将无法还原出发端数字信号直接导致误码， 故又称为比特同步。 这种收端再生的判决时钟序列应保证信息在每个比特的中间雨j 乍楣邻比特的过渡处 读( 判决) ，使收端每位信码i f 确恢复，是最基本的同步。位同步的方法是在接收信 t 1 提墩i 扛晕复频率与发送码元速率相同的定时脉冲( 自尉步法) ，数字传输系统一婴粟川 从接收或解渊的数字信号中直接提取位定时信号，恢复出与发送码元具有相同重复频率和 ：u 似的旧步脉冲 ： 勺位刚步，保证了点对点数字传输时每个羁冗的判决再生。 1 。3 全光3 r 再生的原理 个光3 i i f f f 乍- - t - 要包括光放大、时钟恢复和光判决三个组成部分。图1 1 为令光： j “， ! f 订幻：川一。也j j 0 ：i f ! 10 。：0 i i 仑殳，矗i 令 味理，j ：恋l 纠。入射士涎伤信号进入全光霄生器时被分为两路， 路进入时钭；提取即元以摊取 付钏，) 匕竹l ：，提取的时钟信号具有稳定的幅度和时钟信息；另。路信号经掺刨f 光纤放人 撩) ：a ) 放大厩，j 时钟信号脉冲尉注入光刿决门，经过光判决1 】后可得刘伞j 匕再，t 信 号。 e d f a 幽1 。l 全光3 r 再生原理示意幽 1 4 国内外全光3 r 再生器的研究现状 自伞光3 r 技术问世以来，许多机构对此进行了研究。其中，t o t a n i 等人提m 的基 j 二e a m 的全光3 r 再生器是由光时钟提取单元和光判决单元组成m 1 ，时钟信号的提取是在电 域内进行的，使用了电锁相环，对于光判决单元，使用的是e a m 光判决门，再生速率在4 0 g b s 时町以稳定运转；g r a y b o n 对s o a - m z i 型的再生系统进行了实验研究，运转速率达到了 2 0 ( ；b s ，随蓿技术的不断成熟，其速率有望达到更高s o a m z l 型再生器具有尺i r 小，易 ： 继承等优点；而由b o g o n i 等人提出的采用三节非线性光学环镜( n o i 。m ) 的全光： l if t f ，l i 器j 有曼为完备的功能和更高的速率一1 6 0 f 3 b s 1 ，但由于尺寸太大，难子集成，次再生器的实 用化进程较慢。随着新技术的不断推出，全光3 r 再生器f 朝着成本更低、功能更完备的 方向发展。 1 5 论文的研究重点和内容安排 全光3 r 再牛的关键在于时钟恢复和光判决，而时钟恢复又是阿定时和再整形的壤础， 足未来令光剀络发展的重要技术之，因此对全光3 r 中的时钟恢复技术进行研究彳j 卜分 羲篮的意义。本文着重对全光时钟恢复技术进行了研究。曰 j i f l 二提出并实现r 多种力。絮水 进 j ：全光时钟提取，如：利朋半导体激光器的自脉动效应，光纤目：锁模激光器，光锁梢1 ： 技术等。这。受技术都具有很好的应用前景，但由于实现原理不同，性能上表现出较人蔑异。 l 白i j ：m jj lj j j ：f i 州l ；：f t i 0 乏 争矗i p 。- - 。- 。1 。- _ - 。_ _ _ 。- - 1 _ _ _ _ 。 - _ _ - - _ _ - _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - 。_ - _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ - 。_ _ _ 。_ - _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ 。- _ - _ 。- _ _ - _ - 一。- _ _ 一 冬之将 1 j j ；- 继举话l l 硝+ hi j 各种全光时钢：提取技术进行阐述，并存i ；久臻础l ：时符种技术的 特j _ 进 j ：比较。 jij i 利j 相d f b 激光器的自脉动进行时钟提耿具有臼脉动频率高，结构紧凑， 器件较少等优点。一”，但由于d f b 激光器自脉动产生的f t l s 里还有争议，给器件r k 能的进 步优化带术i 垌难， id ，j 还处在实验阶段。传统研究方法是以实验为点础的，随符器4 1 ：结构 小断复为鼍化剌集成化，传统的研究方法已d c t 匀：适川，人们希掣通过汁算机辅助改汁fc a d ) 的于段弘：1 i j i 最佳化的结构设计，冈此本文将建立电路模型，着重研究如何设i ：t d f b 激) 匕器 的结构参数以提高激光器的输出光功率，同样本文通过对d f b 激光器的结构参数控制束。实 现对激光器的输出光脉冲频率的控制，以实现时钟恢复的码率的灵活性。 本文内容安排如f ： 第一章介绍了全光3 r 再尘器的原理及发展现状。 第二章介绍了几种时钟恢复的方法，对各种方法进行了理论上的分析，并对其性能进 行了比较。 第三带分析了半导体激光器和d f b 激光器自脉动产生的原理。 第【j 【j 章建立电路模型仿真d f b 激光器的输出特性，并研究了其结构参数_ ) c 寸 脉动的影 响。 第，i 章建立全光3 i 再生模型，利用d f b 激光器产生的自脉动束完成时钟提取助能， 仿真结果证实了方法的可行性，并指出目6 i 方案的不足。 4 j 如用一j 。伞) i l = = 3 rn 生器q i 的时钟1 厶：艇 上长 第二章应用于全光3 r 再生器中的时钟恢复技术 时钟提取是再定时和再整形的基础，要求时钟恢复输出的时钟脉冲具有高速、低相位 噪声、高灵敏度、偏振不敏感和稳定的特点。全光时钟提取主要采用锁模技术和锁相环技 术。本文将鼋点阐述这两种光时钟提取技术及其相关重要问题。 锁模技术是时钟提取最常用的技术。锁模技术是将多纵模输出的激光束，经过特殊的 调制，使数个纵模之间具有确定的位相关系，相瓦叠加后形成窄脉冲输出。时钟提取采用 的是注入锁模技术，即利用注入的光信号对激光器形成调制，产生锁模光脉冲输出。时钟 提取中采用的锁模激光器般分为光纤锁模激光器、半导体锁模激光器。其中半导体激光 器锁模技术是利用半导体激光器的自脉动效应，包括d f b ( 分布式反馈) 激光器、d b r ( 分 布伟拉格反射) 激光器、s p l d ( 自脉动激光二极管) 。 2 1 利用光纤锁模激光器进行时钟恢复 光纤锁模激光器时钟提取方案主要是利用s o a 的交叉增益调制( x g m ) 或交叉相位调制 ( x p m ) 特性，将输入信号直接注入s o a ，调制环行腔激光器的腔内损耗或相位，在腔长匹配 的情况下，可以形成锁模。其作用相当于主动光纤锁模激光器的调制器，该时钟提取方案 的优点是：结构简单、所采用的器件全部是商用器件，易于连接和实现。而且由于在光纤 环路中使用s o a ，输出波长可大范围调节，系统对偏振不敏感，如图2 1 所示： 图2 1 光纤锁模激光器的时钟提取结构幽 基于注入锁模光纤激光器的全光时钟提取方法叮以直接产生光时钟信号，但是，吐i 于 光纤的非线性系数很小，因此为了获得足够的非线性所需的光纤很长，不利于系统的稳定， 而利用s o a 作为非线性元件，必须采取措施克服由于载流子恢复时间长而造成的码型效应。 为了克服这个困难，文献 1 0 1 报道了一种新型的双环注入锁模光纤激光器，它综合了光 , 1 4o “：u i i ，、：f ! y ! i j f t i f 乏 i 、j j l jj ：个卉：3 rl i j ， i 崭 r ；：f 门i f f 川，侈、丛 水 u 彭l j 荡器剐注入锁嵌彪纤激比器的优点，4 - ( y , 扶恶化晌输入信申i ；吱观j 低时f j j 抖动的 仆7 x1 j2 f ) ( m s 的心：时钟提取，而f 1 确：结合了f - p 梳状滤波器的频碑j 倍乘技术以后，j 巫。戈 观j 74 0 ( ；b s 恶化信号的光时钟提取，在这些实验中均没有观察到硝型效应的闷题。 叔环汁入锁模光纤激光器实验装置如图2 2 所示，它由光电振荡器环路。( ( 心) 环) 和 锁模光纤激光器坷：路w ( e d f l 环) 组成，其中的e o 调制器为两个助：路共用，它 j 光 t l ! 振荡 器j 札牛的电信号驱动。在o e o 环路中还包括了光滤波器l ，其中心波长应该与注入信号光 的中心波长相一致，其作用是只允许注入信号光进入，防止其他光的干扰，光耦合器l 和 2 分i 州朋丁数据信写的注入和时钟信号的输出，在输出端的虚线框中的器件是。个自t h 瑶 区为4 0g h z 的f - p 梳状滤波器。 幽2 2 时钟提取的实验装置 各元件参黾如f ：e 0 调制器的带宽为i o g h z ，半波电压为6 v ，插入损耗6 d b ；舀：o e o 川：路一 ，p i n 光f 乜探头的带宽为i o g h z ；窄带电滤波器的中心频率为9 9 5 3 g h z 、带宽为 1 5 m h z 。在锁模光纤激光器环路中，光滤波器2 的3 d b 带宽为3 r i m ，插入损耗1 7 d b ，中心 波长选定在1 5 5 0 h m ；光延迟线插入损耗为1 6 d b ：耦合器1 、2 、3 的耦合比分别为5 0 5 0 、 9 0 1 0 、7 0 3 0 。 实验结果表明，全部由1 0 ( ；h z 的元件构造的双坯注入锁模光纤激光器，实现了各种速 率下恶化信号的光时钳- 提取。在l o g b s 的时钟提取实验中，时i 目j 抖动值由l o p s 降龟 1 2lp s ：红! 第：个实验中，利用光电振荡器的分频技术和锁模光纤激光器的仃理谐波锁模 披术，。爻现r2 0 ( , b s 的时钟提取，时f , l i q 动值山7 p s 降年1 3 6 p s ；在第i 个。实验i f - 利 用) 匕| 乜振荡器的分频技术并结合f - p 梳状滤波器的频率倍乘技术，实现了4 0 ( ；h s 的时钟 提取。存这些实验中，均不存在码型效应的问题。 6 ，d “h 、 【1 ：讣r i tzm i ij _ r 、北3 ri i 。i 三r 1 | n 0 1 h j r ”t t 2 2 利用自脉动激光二极管s p l d 实现时钟恢复 厶 艺_ 尘_ 坐2 三之 f #f m p j “、j 日 主! ! = ! 苎墨 c o n t a c t l a y e r c h d e l a y e r 薹曼翼图 震擎 p g 出h j p 一6 吼： 。 j c u r r c n t - b l * k l n g i q c rn g a i z 4 1 a s a c m e l a y e r c l a d d l n g h ) , e r 一 ，嘎血 s u b s t r a t e n ，g a a f 幽2 4 窄祭a l o a a s 激光器槭面幽 句京m , l t 人坝i 掌心【全文膨川，：令光3 r 阿生器- ，v j l l , l 钟一阪义j 上术 窄条a i g a a s 激光器自脉动输出的光脉冲如图2 5 所示： i m e ( n s e c j 图2 5 窄条a i g a a s 激光器1 3 脉动光脉冲 从图2 5 中可以看出，输出的光脉冲功率为几m w ，频率为几百m h z 。 在s p l d 的时钟提取系统中，当输入随机码为0 时，就会发生相位漂移，可表示为 九。，j = 3 6 0 0 【l 一( ；埘厶) 】) ，由于输入信号的频率和激光器的固有频率之差不会为零， 相位总会有微小的漂移。所以，该系统也要考虑连续输入长0 码问题。有实验显示，输 入数据速率为4 0 g b s 、占空比为2 5 时，该方案可支持4 0 0 个“0 ”比特。 2 3 利用d b r 激光器进行时钟恢复 分布作拉格反射( d b r ) 激光器的自脉动频率报道的都在4 0 g h z 左右川3 ，这个方法 的主要优点在于结构简单和满足实用。其自脉动产生的机理在于四波混频效应( f w m ) ， 激光器谐振腔中纵模的相位通过f w m 而相关1 。如图2 6 1 7 所示，活跃区长度为7 9 0 u 1 1 1 ， 相位控制区长度为1 3 0 u m ，布拉格反射区长度为2 0 0 u m 。d b r 激光器可以理解为含有一个选 择波长端面的f - p 腔激光器，仃拉格反射区的中的光栅用来实现波长选择。 ：八八八八 m 磷，聋x 毋l ；趣毳戤毒y 断二? ：，斟，谚簪口嚣，? 二1 氘、? o t ：，f w ，矗料；。+ ，矿 a lf n l( 脚 图2 6= 区d b r 激光器，活跃区( a ) ，相位控制区( p ) ，布拉格反射区( b ) 2 4 利用多区d f b 激光器实现时钟恢复 2 4 l 双区d f b 激光器的自脉动 般l xd f 8 激) 匕器中的自脉动效应与d f b 激光器特琳结构相关自脉动的频率赢、脉冲 频率u f 以在较就范蝴调整、自脉动产生的光脉冲能和注入的光信号同步等。利用这些性质， 叫以制作新型的器件对入射光信号进行时钟恢复。o e n o 和l a n g 计算了双区d f b 自脉动产 生的条件”“。自脉动产生的t 作点是：激射区的激射波长处于反射区功率反射谱的阻止带 的陡降边1 。o 。出于双区注入电流不同，使d f b 腔的q 值发生变化，达到自脉动产生的 作点。日前已有多种方法被用柬实现，如在m s d f b 激光嚣中各d f b 段采用不同的光栅周 期或也：策个d l ? 1 j 段的光栅中引入l 4 波长相移结构。利用折射率和增益耦台双区d f b 激光器已有报道实现从商达9 6 g b s 的信号中提取时钟恤1 。 2 4 2 多区d f b 激光器的自脉动 自脉动产生的机理目自口还有争论由于对自脉动产生机理的理解不同，以及制作器忭 的性能存在差异等原因，实验得到的结果也相差很大，自脉动频率从3 0 0 m b z 到几十g i i z 都有报道。该器件很难进行重复性制作，即使同- - # b 延片解理而得的器件，自脉动的产小 也是随机的。色散自q 开关”，空日j 烧孔嘛”“1 等都可以用柬解释自脉动的产生 bs a r t o r i u s 等人崩色散自0 ) r - 关较好地解释了双区d f b 中的自脉动现象”“。他们认为重 复性菁的原因是出于不同的激光器端面反射的反射相位不一致引起的。为了解决这”问 题，种新型结构的器件就被提出。如图27 所示，由三个部分组成：d f b 增益区、相位区 和反刺区。相位区电流可以看作是用来控制自脉动产生的开关。器件的增益区和反射区的 结构和传统的d f b 擞光器相似。反射镜的反射谱可以表征它的反馈和波长的关系。 n w o o n g k i 等人在此基础i 加上了光放大器( s o k ) 区可实现1 8 0 g b s 的时钟恢复”。 反射区 相位调制匡 增益区 南京l i u 人学坝i j 学“k 爻 心用十伞光3 r | l j _ 生器r f i f l ：jh 寸t ： l 恢复技术 图2 7 多i x d f b 激光器的结构 2 5 利用光锁相环技术进行时钟恢复 由于电的处理速度的限制，传统锁相坏技术已经不能满足超高速光网络发展的需要， 光锁相环的技术就可以解决这问题m “1 。在行波光放大器( t w l 。d a ) 和光纤中都可以 产生四波混频效应( f w m ) 。利用这一效应，可以制作光锁相坏从而进行时钟提取。其中利 用t w l d a b 四波混频现象的器件由于体积小、响应快速、工作稳定等优点受到广泛的关注。 图2 8 ) b 0 k a m a t a n i 等人提出的基于t w - l d a 四波混频的锁相环的示意图。 禽入 眺五 。 滤波器 l，l1 一一一 7 厂 ，1 丁w 也d ah4 蝴p 探测器祧 一 泣缸封簧轫 时钟输 i r 】 n 五 混频器 j，l( 6 s c , b 、f ， ，o v c o 幽2 8 利刚t w l d a 制作的光锁相环技术进行时钟恢复 利用这种方法，成功地从l o o g b s 的信号中提取了6 3 g h z 的时钟脉冲，脉冲宽度小于l o p s ， 并且该技术有希望在更高速的系统上应用伽。 2 6 性能比较 由于以上几种技术的工作机理不同，性能上有较大差异，各有特点。利用锁模光纤环 激光器进行时钟恢复技术，虽然有较高速的工作潜力，但由于它体积大( 非线性调制器的 光纤长度为9 k m ) ，不易于集成，加之环形激光器固有的温度稳定性差的缺点，将限制它在 实际系统中的应用。比较光纤锁模激光器和s p l d ，可以发现，就允许连续长“0 ”码能力 和建立时钟的时间而言，s p l d 都大大优于光纤锁模激光器( 光纤锁模激光器可容长“0 ”为 3 6 个，而s p l d 贝 为4 0 0 个长“0 ”；在锁定时间上，仅需要3 n s ，而光纤锁模激光器需要注 满腔j 能实现锁模) ，就时钟速率和信号速率的失谐敏感性柬看，光纤锁模激光器要优越 一些( 因为当时钟频率和信号频率差不同时，则实现同步的时问也不同) 。在码率灵活方面， l o 闱与“i u 人：事：埘! i j 学位论文 心用j 二伞比3 r | i j 牛器【 j 的h 、j 钟愀世 上术 = 者都口j 以实现。除了这些i 口j 题之外，在实际的应用系统中，还要考虑的个重要问题足 系统的稳定性。腔长稳定是光纤锁模激光器的需要解决的一个难题，但是通过反馈控制机 构，还是可以比较好地解决这个问题，而且如果反馈控制结构能够反馈腔长与调制信号频 率的偏差并控制腔长度，则可以保证激光器工作在信号速率改变的情况下，仍能保持稳定 的工作，实现码率的灵活性。而对自脉动激光来说，有很多影响稳定性的因素，如输入与 输出信号的初始相位差将会影响时钟的建立，而该相位差是不可控制的，并在有输入功率 时相位中存在周期性的漂移。所以，在同步网络的时钟提取中，光纤锁模激光器技术是一 个较好的选择。但在非同步网络中，s p l d 具有快速建立时钟的无可比拟的优点。 至于光锁相环技术进行时钟恢复，由于利用的是光纤或t w - l d a 中的四波混频效应，因 此信号光注入自，j 要经过放大器放大到一定功率。而且，该技术中v c 0 、光时钟脉冲发生器 使得该技术和其他技术相比较复杂。 利用d b r 激光器的自脉动进行时钟恢复目前还在实验研究阶段，还没有应用到通信系 统中。其优点在于结构简单，但是自脉动频率目前报道的都在4 0 g h z 左右，比d f l 3 激光器的 自脉动频率要低不少，而且d b r 激光器的制作工艺要难于d f b 激光器。 相比而占，用多区d f b 激光器自脉动进行时钟恢复具有传输速率高、体积小、稳定性 好、只需在直流下工作、设备结构紧凑等优点，具有很好的应用前景。当今3 r 系统中，对 时钟信号的功率和频率都要较高的要求。比较利用窄条a i g m a 。s 激光器的自脉动实现时钟恢 复和利用d f b 激光器的自脉动实现时钟恢复，在时钟信号功率上，d f b 激光器能达到几卜 m w ，窄条a i g a a s 激光器只能达到十几m w ；在时钟信号频率上，d f b 激光器要比窄a i g a a s 激光器高出很多，在本文第四章的模型中可以达到上g h z ，甚至有报道实现高达1 9 5 g h z “， 窄条a i g a a s 只能达到几百m h z 。 目前国际上对d f b 激光器自脉动的研究以实验为主，存在一些困难，如器件制作的工 艺难度相对较大，且由于对器件自脉动产生机理的不明确，对器件性能的进一步优化带来 困难。因此，在本文所进行的对d f b 激光器自脉动研究的过程中，采用计算机仿真技术对 其进行探讨。 南洲：i u 人学顺i 学位论文 d f b 激光器臼脉，力，七生的ylj ：型 第三章d f b 激光器自脉动产生的机理 利用多区d f b 激光器的自脉动实现时钟提取因其优点突出，被认为是未来3 r 系统中 的最佳时钟提取方法，因而对d f b 激光器的自脉动产生进行研究是当前3 r 研究的热门。 3 1 光学双稳性 光学双稳性是指出现两个稳定透射状念的光学现象。光在二能级原子系统共振吸收 时，如低入射光强，满足比尔定律 厶= 妒以 ( 3 1 ) n = n o + l i 式中z 是入射光强，厶是透射光强，口为吸收系数，为吸收介质的厚度。透射光强与入 射光强成正比；但如入射光强很高，就出现吸收的非线性一饱和吸收，明显地偏离比尔 定律。此时，介质变得几乎透明，因而透射光强几乎与入射光强一样大。图3 1 表示入射 光强与透射光强之间的这种关系( 图中虚线表示无吸收介质情况) ，可用一个单值函数来 表示。 l ，i 图3 1厶与厶关系曲线 如果把这种二二能级原子系统的吸收介质放在法稚罩一珀罗腔内，出于吸收过程的非线 性和腔的反馈过程的相互作用，入射光强与透射光强之问的关系就如图3 2 所示：肖入射 光强逐渐增加时，透射光强缓慢地单调上升；当入射光强到达某临界值f 时，透射光强 b 采l j ：i n h ! 卜j hc 仑之d l ? 1 3 激圯： ； s i tf l l , j ；z c j i 6 。l i l l j 帆! l 儿于_ 入射光强4 ： j 等；如果这时减小入射光强，则系统会保留在高透射状念不经原路线 【l i i 壬0 低透射状念：直到入射光强到达另一临界值，时，系统j 回到低透射状态，此1 1 , j 。介质 义范新变成慢吸收体。这种入射光强与透射光强川具有滞后网线的特性，造成红，【x m j 内的每入射光姓义寸应透射光强有两个稳定的状态：高透射状念和低透射状态，这种现缘 称为光学舣稳念。系统究竟处存什么透射状态不仅与入射光强有关。还与过去所处状念有 关。 ，o 幽3 2 光学舣稳态图示 双稳器件的的透射方程为： y ：x - i - 磐 ( 3 2 ) y = x _ j z ， l + x 其r f i c ：坐，口为吸收系数，为吸收介质的厚度，口是吸收常数，工和j ，是入射场和透 己l 射场振幅，系数7 1 和尺是强度透射系数和反射系数。 3 2 半导体激光器的自脉动 n 脉动观象是存吸收光学双稳性中的不稳定行为。多模式分析证明，高透射分支并1 i 足敛稳定的。在不稳定区域内将产生自脉动m 1 。 巧i 稳定区域如图3 ，3 所示： 白京i i ：l ；i u 人学帧l j 学位沧文d f b 激光器f i 脉二巩广i i 的饥州 图3 3 不稳定区域 如果一个工作点( 口，x ) 位于图8 中实线所画出的区域内，一个任意小的起伏将会被 放大，并产生自发的自脉动。 半导体激光器的自脉动现象是指在直流电流注入情况下，激光器输出光功率有周期性 的振荡，这种现象在具有饱和吸收体的f p 腔激光器和没有饱和吸收体的d f b 激光器中都可 发生。自脉动产生的机理在不同的激光器结构和不同的外部条件下是有差异的，并且产生 的结果也不相同。 对于f - p 腔激光器，我们可以通过活跃层中光子数s 和电子浓度n 的变化束解释自脉动 产生的机理： 1 ) 当不存在光子s 的时候，活跃区中电子浓度n 1 因为注入电流的关系而不断增加。 2 ) 当活跃区中电子浓度n 1 超过一定阈值时，丌始产生光子s 并被饱和体吸收。 3 ) 因为被吸收的缘故，饱和吸收区内电子浓度n 2 随之增加。 4 ) 随着n 2 的增加，饱和吸收区的吸收率逐渐减少。同时光子s 不断增加。 5 ) 电子浓度n 1 因为受激发射而不断减少，直至激射状态停止，此时光子数s 为零。 6 ) 回到第一步，然后重复上面的步骤。 利用f p 腔激光器的自脉动实现时钟恢复存在以下缺点：首先f p 腔是由增益区和饱和 吸收区两个区构成，自脉动产生的条件为增益区载流予寿命与饱和吸收区载流：子寿命需达 到较高的比值，这在技术上是较难实现的：另一方面f p 腔激光器的自脉动频率比较低。 1 ) f b 激光* l l l * 一0 i 1 二的目【即 3 3d f b 激光器的自脉动 d f b 激光器小禽仃饱和j ! ! 乏收体，| 盍| 而其有不的自脉动产生机理，而且有着型好的特 性，前d f b 激光器自脉动产生的机理还有争议。本章以三区d f b 激光器为倒介绍两种 她蛆的础沦- 包敞t ：- j q j i 。关理论和拍型谐振理论。 3 3 1 色散自o 开关理论 m 3 4 所示为三区d f b 激光器模型脚j ： ，上墨 曼 7 、 p 鼍要。壁? 叫 i 一一 反射区 相位调制区l增益匠 跚34 二r d f b 激光器结构模鼎 它由3 部分组成：d f b 增益区、相位调制区和d f b 反射区。d f b 增益区工作在大电流条 件下，远超过檄射闽值( 阐值电流3 0 4 0 m a ) ，其作用是提供光信号，d f b 反射区工作在透 明电流( 1 0 m a ) 附近，投有明显的吸收和增益，可忽略光子与载流子的相_ l 工作用，此区相当 于佰拉格反制镜的作用；相位调制区不含光栅层和工作物质层，此区通过调节光信号的相 位，对控制自脉动的产生起到重要作用。为减小端面的影响，在器件的两端镀有增透膜。 设d f b 激光器腔中的光栅为均匀光栅，在腔中光场的分布为“”： e ( r ，f ) = a ( r j ) e “ f ( z ，t ) e 1 ”+ r ( z ，啦“”= 】 ( 3 3 ) ( 】为光场振幅的横向分柿，a 为光栅的周期常量，为中心频率，f ( z f ) 和胄( z ，f ) 分别 表示沿哪向与后向运动的光波振幅，它们满足单模近似下的耦合波方程： ”“卵，a + 卯，出。眦+ ( g 一晒) f ( 34 ) v “d r 田一曲，a z = i k f + f g i s ) f ，为群速度，卢为。= 时的传播常量- k 为光栅耦合系数，占为波长失谐量，d = 卢一r t l a - g 为场净增益。 d f b 激光器的础忐特性可出速率方程组来描绘： d n d t 2 _ g ( _ 一以) s n + ，q ( 3 5 ) d s d t = v g 一n ? s s | t + p n | t 十 1 i 萄鼻m i j l u 人引畋i + ：；。能论乏d f b 激光器印脉动产：宅的帆日 式中，f 为限制因子，矿为工作物质体积，为载流予数密度，g 为能量微分增益，m ，为 透明载流子密度，s 为光子数密髓f ，为载流子自发辐射寿命，? 表示注入电流，l r 。为 光子总损耗系数，r 妒为自发辐射寿命，艮为自发辐射耦合因子。 逶过解以上方程组可反射区和增益区的反射熊量和与波长失谐量豹关系鞠 蠲： m 爿 3 捌 攫 嚣 蜞 幽3 5 反射区反射能馘暑l l 与波欠谐鼙的关系幽3 6 增益区反射能鼙带l 与波欧火；跨培的关系 图3 5 是反射区( g 铷) 的反射能量与归一化波长失谐