（光学工程专业论文）光分组交换网络中的全光时钟恢复技术研究.pdf

电子科技大学硕十学位论文 摘要 本文主要研究应用于光分组交换网络的全光时钟恢复( 提取) 技术。 光分组交换网络是目前很有研究价值的下一代全光网络。作为一种面 向i p 业务的光网络技术，它在光层上直接承载互联网业务，数据分组将以 光的形式直接在光分组交换网络中传输，实现了i p 与光层的融合。可以说， 光分组交换是目前广泛应用光网络中的电交换系统在光域上的延伸，它克 服了使用电交换存在的若干问题。 与基于同步数字序列( s d h s o n e t ) 的现存光网络和即将商用化的基 于光交叉连接和光分插复用的光传送网络相比，光分组交换网络的关键技 术与器件将有较大的差异，这是由于光分组交换网络的核心技术是实现数 据分组的传送、路由、转发和存贮等功能的光信号处理技术。 本文的主要研究内容就是光分组交换网络的关键技术之一一全光时钟 恢复技术。论文的主要内容分为两个方面：( 1 ) 归零码( r z ) 光数据信号 的全光时钟提取方法。( 2 ) 非归零码( n r z ) 光数据信号的时钟信号增强 及时钟恢复方法。 论文首先在第二章中介绍了光分组交换网络的组成，说明其核心部分 一光分组交换节点的结构和功能，并以此为基础引出实现光分组交换网络 所涉及的各种关键技术。然后在第三章和第四章对重点内容一全光时钟恢 复技术进行了研究。 其中第三章主要研究r z 数据信号的全光时钟恢复技术。首先研究了 目前提出的各技术方案的原理，并对它们的特点进行了比较，突出了使用 d f b 激光器实现光时钟恢复的优点。然后对使用d f b 激光器实现时钟恢 复的原理进行了详细说明和分析。最后通过仿真深入研究了其在光时钟恢 复应用中的性能特性，并在仿真过程中找到了一些重要参数的优化设置。 第四章主要研究n r z 数据的时钟信号增强技术，并以此为基础研究了 电子科技火学硕十学位论文 n r z 数据的全光时钟提取方法：首先对目前的光时钟增强方法加以介绍和 分析，说明了它们的原理和优、缺点。然后提出了一种新颖的基于光纤的 高速时钟增强方案，通过仿真研究了它在高速系统中的性能表现，证明了 它的有效性。最后在仿真平台上研究了该技术在n r z 数据时钟提取系统中 的应用。 本文结合理论分析和数字仿真，对光分组交换系统中的全光时钟提取 技术进行了全面研究，并针对现有技术的不足提出了新的改进方案。文中 所获得的结果对实际光时钟提取系统的设计具有参考意义。 关键词：光分组交换时钟恢复时钟增强d f b 激光器交叉相位调制 1 1 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h eo p t i c a lc l o c kr e c o v e r yt e c h n i q u e si n o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) n e t w o r k a st h en e x tg e n e r a t i o no p t i c a ln e t w o r kw h i c hi si pt r a f f i c so r i e n t e d ，t h e o p sn e t w o r kw i l lt r a n s p o r ti n t e r a c tt r a f f i c so v e ro p t i c a ll a y e rd i r e c t l y ，i p p a c k e t si nn e t w o r kw i l lb et r a n s m i t t e di no p t i c a ld o m a i n c o m p a r e dw i t ht h a to ft r a d i t i o n a lo p t i c a ln e t w o r k s ，s u c ha ss d h s o n e t ， k e yt e c h n i q u e sa n dd e v i c e su s e di no p sn e t w o r kw i l lb ed i f f e r e n t i ti s b e c a u s et h a tt h ec o r eo fo p sn e t w o r k si so p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，r a t h e rt h a n e l e c t r i c a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，f o rr e a l i z i n gt r a n s m i t t i n g ，r o u t i n g ，f o r w a r d i n g ， s w i t c h i n go fd a t ap a c k e t s s o ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h e s ek e y t e c h n i q u e sf o ri m p l e m e n t i n go p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a lc l o c kr e c o v e r y ，a so n eo ft h ec r i t i c a lt e c h n i q u e so fo p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n gn e t w o r k ，i ss t u d i e dr o u n d l yi nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hc o n c e n t r a t e s o ut h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ：( 1 ) t h ei n v e s t i g a t i o na b o u tt h eo p t i c a lc l o c k e x t r a c t i o nf i o mr z ( r e t u r n - t o z e r o ) c o d e do p t i c a ld a t a ( 2 ) t h ei n v e s t i g a t i o n a b o u tt h e o p t i c a l c l o c ke n h a n c e m e n ta n dd o c k r e c o v e r y o fn r z ( n o n r e t u r n t o z e r o ) c o d e do p t i c a ld a t a i nc h a p t e rt w o ，t h ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o n so fo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g n o d ea r ed e s c r i b e df i r s t ，w h i c hi st h ec o r eo fo p sn e t w o r k a n do nt h eb a s eo f t h a t ，k e yt e c h n i q u e si n v o l v e di no p sn e t w o r ka r ei n t r o d u c e d t h e n ，i nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r s ，t h eo p t i c a lc l o c kr e c o v e r yt e c h n i q u e s ，w h i c ha r et h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e r ，a r ed i s c u s s e d i n c h a p t e rt h r e e ，o p t i c a l c l o c ke x t r a c t i o nf l o r ar zc o d e dd a t ai s i n v e s t i g a t e d i nt h i ss e c t i o n ，t h ee x i s t i n gt e c h n i q u e sf o rc l o c kr e c o v e r yf r o m r zd a t aa r es t u d i e da n dc o m p a r e df i r s t ，a n dt h ep e c u l i a r i t i e sa n da d v a n t a g e so f t h et e c h n i q u eu s i n gd f bl a s e ra r eg i v e nt h e n ，w i t ha nc o m m e r c i a ls o f t w a r e l i l 电子科技大学颁士学位论文 p r e s e n t e db yv p i ，t h ed f bl a s e ra n di t susei no p t i c a lc l o c kr e c o v e r yi s r o u n d l yi n v e s t i g a t e d ，a n ds o m ek e yp a r a m e t e r so fd f bl a s e ra r eo p t i m i z e d t h r o u g hs i m u l a t i o n i nc h a p t e rf o u r ，o p t i c a lc l o c ke n h a n c e m e n ta n dr e c o v e r yo fn r zc o d e d d a t aa r er e s e a r c h e d i nt h i ss e c t i o n ，t h e e x i s t i n gt e c h n i q u e sf o rc l o c k e n h a n c e m e n to fn r zd a t aa r es t u d i e d ，a n do nt h eb a s eo ft h i s ，an o v e ls c h e m e f o rc l o c ke n h a n c e m e n tb yu s i n gn o n l i n e a rf i b e r si sp r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d i r ts i m u l a t i o n a n da l s oc l o c ke x t r a c t i o nf r o mh i g hs p e e dn r zd a t au s i n gt h i s s c h e m ei ss t u d i e da n dd e m o n s t r a t e di ns i m u l a t i o n b yc o m b i n gt h e o r ya n a l y s i sw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i c a lc l o c k r e c o v e r yt e c h n i q u e si no p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r ka r er o u n d l y i n v e s t i g a t e di n t h i sd i s s e r t a t i o na n ds o m ei m p r o v e m e n ta n di n n o v a t i o na r e p r o p o s e d t h er e s u l t sh a v eau s e f u lv a l u ef o rd e s i g n i n gap r a c t i c a lo p t i c a l c l o c ke x t r a c t i o ns y s t e mi no p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k k e yw o r d s o p t i c a lp a c k e ds w i t c h i n go p t i c a lc l o c kr e c o v e r y o p t i c a lc l o c ke n h a n c e m e n t d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r c r o s sp h a s em o d u l a t i o n v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：氯画 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名惑国导师签名：么鳖 日期：年月目 电子科技大学硕士学位论文 3 r a d m a s o n a t m c w d c f d c s l d f b d s f d w d m d x c e a m e d f a f b g f d l f e c f w h m f w m g v d l o a l s l m e m s m px s m p l s m q w s s a m z i 缩略字表 r e a m p l i f i n g ，r e s h a p i n g ，r e t i m i n g 放大，整形，定时 a d d d r o pm u l t i p l e x e r 分插复用器 a u t o m a t i cs w i t c ho p t i c a ln e t w o r k自动交换光网络 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步传输模式 c o n t i n u o u sw a v e 连续波 d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r 色散补偿光纤 d a t ac o n v e r g i n gs u b l a y e r 数据汇聚子层 d i s t r i b u t e df e e db a c k 分布式反馈 d i s p e r s i o ns h i f tf i b e r 色散位移光纤 d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 密集波分复用 d i g i t a lc r o s sc o n n e c t o r数字交叉连接器 e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r电吸收调制器 e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r 掺铒光纤放大器 f i b e rb r a g gg r a t i n g 光纤布拉格光栅 f i b e rd e l a yl i n e光纤延迟线 f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 前向纠错 f u l lw i d t ha th a l f m a x i m u m 半高全宽 f o u r w a v em i x i n g 四波混频 g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n群速度色散 l i n e a ro p t i c a la m p l i f i e r 线性光放大器 l i n ks u b l a y e r 链路子层 m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s 微电子机械系统 m u l t i - p r o t o c o ll a m b d as w i t c h i n g 多协议波长交换 m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g 多胁议标记交换 m u l t i q u a n t u m - w e l ls a t u r a b l ea b s o r b e r 多量子井饱和吸收器 m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r 马赫曾德干涉仪 v 电子科技大学坝士学位论文 n l o m n r z n s l o a d m 0 b f o p l l o p s o p s n o t d m o t n o t p o x c p d h p r b s p r z q o s r z s c m s d h s m f s o a s o n e t s p m s s b t w l d a v c o w c s l w d m x g m x p m n o n l i n e a ro p t i c a lm i r r o r非线性光纤环镜 n o n r e t u r nt oz e r o 非归零码 n e t w o r ks u b l a y e r 网络子层 o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r 光分插复用器 o p t i c a lb a n d p a s sf i l t e r 光带通滤波器 o p t i c a lp h a s el o c k e dl o o p 光锁相环 o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g 光分组交换 o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn o d e 光分组交换接点 o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 光时分复用 o p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k 光传输网 o p t i c a lt r a n s p a r e n c yp a c k e r 透明光分组 o p t i c a lc r o s sc o n n e c t o r 光交叉连接器 p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y准同步数字系列 p s e u d o r a n d o mb i n a r ys e q u e n c e 伪随机二进制序列 p s e u d o r e t u r nt oz e r o 伪归零码 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r e t u r nt oz e r o 归零码 s u b c a r r i e rm u l t i p l e x i n g 副载波复用 s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y同步数字系列 s i n g l em o d ef i b e r 单模光纤 s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r 半导体光放大器 s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k同步光网络 s e l f p h a s em o d u l a t i o n 自相位调制 s i n g l es i d eb a n d 单边带 t r a v e l i n g w a v el a s e r d i o d ea m p l i f i e r 行波二极管光放大器 v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r压控振荡器 w a v e l e n g t hc o n v e r g i n gs u b l a y e r波长汇聚子层 w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g波分复用 c r o s sg a i nm o d u l a t i o n 交叉增益调制 c r o s s p h a s em o d u l a t i o n 交叉相位调制 v l 电子科技大学硕上学位论文 1 1 前言 第一章绪论 在迈入2 1 世纪之际，世界科技进步突飞猛进，以信息技术为代表的 高新技术发展目新月异，有力地推动着经济的发展和社会的进步。通信网 络是信息产业和商新技术的核心之一，是推动国民经济信息化的关键技术。 随着光通信技术的发展，通信网的两大组成部分：传输和交换，都在不断 地发展和更新，以光网络为核心的现代通信技术为通信网络带来了根本性 的革命。 近年来，以互联网业务为主的数据业务飞速增长，并正在超过网络中 传统的话音业务量。在互联网接入用户数的激增、大量基于网络的多媒体 新业务的产生和用户终端计算机功能的升级等因素的驱动下，预计互联网 业务量将继续高速增长，并将成为网络流量中的主要部分。互联网业务量 的激增导致对电信网迫切的扩容需求，同时互联网业务的特性要求电信网 的运行方式从以话音业务为中心转向以互联网协议fi p ) 业务为中心，以提 高效率，降低运营成本。因此，发展新一代的通信( 光) 网络，是一项十 分紧迫的任务。 1 2 光网络的发展趋势 随着i n t e r n e t 的迅猛发展，i p 业务呈现爆炸式增长。与传统的业务类 型相比，i p 业务具有显著的自相似性、收发数据不对称性和服务器拥塞等 特点，因此对承载的光网络而言，下一步面临的主要问题不仅仅是要求满 足超大容量和宽带接入等明显需求，还需要光层具有更高的智能化特点并 在光节点上实现光交换。其目的是通过光层和i p 层的适配与融合，建立一 个经济高效、灵活扩展和支持业务q o s 等的光网络，满足l p 业务对信息 电子科技大学硕士学位论文 传输与交换系统的要求 ”。所以光网络的发展主要呈现出三个趋势：第一 是开发超大容量超长距离的w d m 传输系统：第二是从点到点w d m 走向 光联网；第三是i p 层与w d m 光传输层的融合。 一、超大容量超长距离的w d m 传输系统 由于技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅猛。 目前1 6t b i t s 的w d m 系统已经开始大量商用。日本n e c 和法国阿尔卡 特公司分别在1 0 0 公里距离上实现了总容量为1 0 9t b i t s ( 2 7 3 x 4 0g b i t s ) 和总容量为1 0 2t b i t s ( 2 5 6 x 4 0g b i t s ) 的传输容量世界记录。其中前者 实现了2 7 3 个通路，每通路速率为4 0g b i t s ，间隔5 0g h z ，覆盖s 、c 和 l 波段。而后者实现了2 5 6 个通路，每通路速率4 2 7g b i t s ( 其中f e c 开 销7 ) ，结合采用了交替间插的7 5g h z 、5 0g h z 通路间隔、残留边带过 滤和极化复用技术，有效减少了路际干扰，频谱效率高达1 2 8b i t s h z ， 系统工作范围覆盖c 和l 波段 2 1 。 w d m 系统除了波长数和传输总容量不断突破以外，为了尽量减少电 再生点的数量以及随着光层联网能力的引入，全光传输距离也在大幅度扩 展，从目前的6 0 0k m 左右扩展到3 0 0 0k m 以上。其中主要的使能技术有 分布式喇曼放大器、超强前向纠错技术、色散管理技术以及严格的光均衡 技术等。采用超长传输的主要优点是降低系统初始投资，距离越长效果越 明显，同时也减少了机房占地和运行成本。 从技术上看，在5 年左右的时间内，实用化的最大传输链路容量有可 能达到5 1 0t b i t s 乃至2 0t b i t s ，甚至有报道称单波长容量达到1 0 0t b i t s 也是可能的。因此光网络的容量将不会受限于传输链路，焦点将集中在网 络节点上。 二、从点到点w d m 走向光联网 普通的点到点波分复用通信系统尽管有巨大的传输容量，但只提供了 原始的传输带宽，需要有灵活的节点才能实现高效的灵活组网能力。然而 现有的电d x c 系统十分复杂，其节点容量大约是每2 3 年翻番，显然无 法跟上网络传输链路容量每1 2 个月翻番的增长速度。于是业界的注意力开 始转向光节点，即光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接器( o x c ) ，靠 2 电子科技大学硕十学位论文 光层面上的波长连接来解决节点的容量扩展问题，其带宽颗粒从v c 一4 增 加到一个波长，同样1 0 0 0 个端口的单个节点容量可以从1 6 0g b i t s 增加到 10t b i t s 乃至4 0t b i t s 。 o x c 的研究工作已进行了很多年，但目前仍处于现场试验和小规模试 用阶段。主要问题之一是尚未有性能价格比好、容量可扩展、稳定可靠的 光开关矩阵。近来，一种称为微电子机械开关( m e m s ) 的新型光开关已 显示了巨大的发展前途，这种机电一体化的开关器件结合了机械光开关和 固体波导开关的特点，结构紧凑、集成度高、性能优良、矩阵规模大、便 于批量生产，正成为实用化大型o x c 的主选开关技术之一日】。 光传送联网的一个最新发展趋势是引入自动波长配置功能，即所谓自 动交换光网络( a s o n ) 【4 ，使光联网从静态光联网走向自动交换光网络， 所带来的主要好处有：允许将网络资源动态地分配给路由，缩短了业务层 升级扩容时间，明显增加业务层节点的业务量负荷；具有可扩展的信令能 力集；快速的业务提供和拓展：降低维护管理运营费用；光层的快速业务 恢复能力：减少了用于新技术配置管理的运行支持系统软件的需要，只需 维护一个动态数据库，也减少了人工出错机会；还可以引入新的业务类型， 诸如按需带宽业务、波长批发、波长出租、带宽交易、动态路由分配、光 层虚拟专用网等，使传统的传送网向业务网方向演进。 三、i p 层和w d m 光传输层的融合 宏观地看，未来整个网络可以粗分为两部分，即光传送网和业务网。 光传送网由光交换机和w d m 传输链路组成，负责高容量业务量的可靠传 输并提供波长级流量工程网络接口给业务平台。业务平台包括路由器和 a d m ( 已从传送层转移到业务层) 。业务层完全依靠光传送层提供波长通 路来与对等层节点或网元实现连接。 在网络向两层结构的演进过程中，最初在核心i p 层。因为没有流量工 程时的i p 流将按照最短路径走，会导致重负荷链路产生瓶颈。如果利用 m p l s 和流量工程可以保证网络负荷均衡，使路由器间链路的使用最佳化。 再进一步则可能需要有一种统一的跨层资源控制方法来完成两层网络的有 机结合，即将m p l s 扩展到光传送层包括光连接在内。所谓多协议波长标 记交换( m p s ) 是一种将m p l s 流量控制平面技术与光交换技术相结合 3 电子科技大学硕士学位论文 的新思路，将标记交换的概念扩展至包括波长选路和交换的光通道，让业 务流来控制连接一j 。 最理想的方法则是利用全光分组交换( o p s ) 技术，把i p 分组交换的 概念引入光域，可以充分利用光信道的巨大带宽资源，支持各种服务，使 数据传输不受交换节点的影响。因此这种方法被认为是新一代通信网的关 键技术之一。由于当前光技术发展水平所限，主要采取光电混合的电控光 交换结构，即信号交换是全光的，而光器件的控制仍由电子电路完成，目 前的试验系统大都采用这种方案。随着光技术的发展，最终要实现光控光 交换，即系统的逻辑、控制及交换均由光子技术完成，该技术能确保用户 之间的信号传输与交换全部采用光技术，即数据从源节点到目的节点的传 输过程始终在光域内进行。 1 3 光分组交换网络 1 3 1 产生背景 随着i p 数据业务的急剧增加，人们纷纷寻求在光层运行i p 业务的方 法。目前在光层实现i p 业务的承载都是采用协议映射的方法，如i po v e r s d ho v e rw d m 、i po v e ra t mo v e rw d m 等，这些技术都是将传统 的电i p 路由技术同w d m 光传输技术想结合，他们的路由交换还是由电i p 路由器来完成。随着w d m 光层传输容量的增加，电路由处理正逐渐成为 限制整个网络传输速率的瓶颈。同时采用这类技术，网络的协议层次增加， 使得网络的复杂性大大增加，数据的传输和路由变得更加复杂。所以，如 何简化网络层次，让i p 数据直接运行于光层之上成为新的研究方向。 上个世纪9 0 年代，光分组交换网络作为一种新的网络结构被提了出 来。在光分组交换网络中，分组数据将会在光域中完成从输入口到输出口 的路由交换。这种技术不仅避免了网络中电交换瓶颈，为w d m 光传输层 提供与之速度匹配的分组交换路由方法，还融合了分组交换灵活、高效的 优点。光分组交换技术以其特有的优点受到了各国研究机构、通信公司的 4 电子科技大学硕士学位论文 关注，如欧洲的i s t ( i n f o r m a t i o ns o c i e t y t e c h n o l o g i e s ) 计划，美国的n g l ( n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 计划和加拿大c a * e t 3 国家光互联计划等等都是 着眼于发展这种承载未来i p 业务的光网络技术。 当前在国际上光分组交换尚还处于研究的起步阶段。光子学的新概念、 新原理和新器件的研究和产生将是其发展起来的基础，是一个仍然大有可 为的新领域。国内及时开展研究，将使我国在立足于创新、掌握有自主知 识产权的光分组交换网络技术方面做到与国际“接轨”。 1 3 2 技术特点 全光分组交换网络作为这样一种面向i p 业务的下一代光网络技术，它 在光层上直接承载互联网业务，数据分组将以光的形式直接在光分组交换 网络中传输，实现了i p 与光层的融合。光分组交换是目前广泛应用光网络 中的电交换在光域上的延伸，它克服了使用电交换存在的若干问题，如： 电子系统所固有的电阻电容参数造成响应速度慢，导致了电子“瓶颈”的 产生：由于电交换系统的不透明性，不同协议的交换设备只能适用相应的 协议和数据速率；电交换网络的协议栈较为复杂，协议分层过多，使得交 换变得复杂等等。 图1 1 所示的是传统骨干光网络节点和分组交换光网络节点的比较f 6 j 。 由图可知，传统光骨干网络中，由于上层的i p 业务的特性是非连接的，而 底层的光传送网是线路交换的，l p 包必须通过多层的协议栈加载至光传送 网。而光分组交换网络中，经过i p 路由器会聚的分组信号将直接加载光 网络，因此它有着非常突出的优点：首先它可以采用统计复用的方式高效、 快速地分配光纤传输系统提供的巨大带宽；其次，它对进入网络的数据分 组的格式是透明的，即不同格式、不同比特率和不同性能的数据分组的转 发都在光域上进行，因此可以突破光电电光转换瓶颈、避免多重协议栈和 复杂的协议转换。而且，光分组交换技术并不意味要抛弃较为成熟的电子 i p 路由技术，而是与之有机的结合，充分发挥电子技术与光子技术的优点， 即： i p 电子路由器完成业务会聚，分类、流控制，服务质量( q o s ) 保证 等复杂的处理功能：光信头处理单元进行光信头识别、删除和重写等简单 5 电子科技大学硕士学位论文 i p 路由器 分组交换) i f 一一一一一一一一一 5 一一一一一一一一一 a t m 坼 p p p 议 s d h 栈 w d m 十o x c ( 线路交换) 、 ( a ) 传统光网络节点 电 光 i p 路由器 ( 分组交换) f 2 上 分组头处理 1m w ) 。 相干锁定模式才是实质上的注入锁定( i n j e c t i o nl o c k i n g ) ，它要求输 3 2 电子科技大学硕士学位论文 入的光信号波长与d f b 激光器的一个激发波长相同 6 0 】( 图3 - 7 ) ，这样注入 光信号中由时钟信号产生的两个相干的光模式分别锁定住两个d f b 区激 发模式的频率和相位差异，从而得到和光信号时钟同频同相的输出脉冲。 这种模式的实现机制决定了它对波长、偏振的变动是敏感的，但是它 只需要很小的信号注入功率。 3 3 1 3 注入锁定的数学表示 半导体激光器的注入锁定特性可以通过下面的耦合微分方程来描述 下g 。e i q s e r 斗忆“，一舡峨c o s ， 裂d h 。吨，一十挚鼢蛔 。， 单：r 。一竖一g 。( 。，一n o ) e l ， o t 7 一 ( 3 - 9 ) 其中，e i a s 。和( p 分别表示激发光振幅和相位，n l 。，表示粒子反转数， e i j 是注入光信号的振幅，邱是光子生存时间，激光器泵浦参数r ，= j r l q d ( j = 泵浦电流密度、q = 电子电量、d = 有源区厚度、1 1 = 泵浦效率) ，k 为光耦 合系数，g 。是差分增益，吐是线宽增强因子，两个激发模式间频率差异 a c o = c o m a s t e r 一s ia v e 由于使用双区折射率耦合d f b 激光器进行时钟恢复的基础就是其注 入锁定效应，所以通过上面的耦合方程可以模拟t s d f b 激光器在全光时 钟恢复的应用。 根据这些已有理论，我们搭建了仿真系统，用数学模拟的方法对 t s d f b 在高比特率数据全光时钟恢复中的应用与性能表现进行了研究。 3 3 电子科技大学硕士学位论文 3 3 2 仿真系统的搭建 对于高比特率的数据，一般采用双区增益耦台d f b 激光器对其进行时 钟恢复，因为普遍认为它的输出脉冲比折射率耦合的有更大的消光笔。在 我们的仿真平台上搭建了一个双区折射率耦台的d f b 激光器模型，通过对 其参数的优化，实现了频率为6 5 ，6 2 5g h z ，消光约为8 6d b 的自脉动。利 用这个激光器模块我们对6 4g b sr zp r b s 信号进行了时钟恢复仿真，并 对结果进行了研究、讨论。 3 3 2 1 双区折射率耦合d f b 激光器模型的构建 双区d f b 激光器仿真模块使用两个相同的具有均匀光栅结构的折射 率耦合d f b 激光器组合而构成，两段d f b l d 长度均为4 0 0p m ，分别偏 置在5 6 m a ( 1 1 ) 和8 7 5 m a ( 1 2 ) ，i k l l 值为2 ，其他主要参数如下： 表1t s d f b 主要参数 参数值单位参数值单位 m a t e r i a ld i f f e r e n t i a l 30 e 一2 0m 2i n i t i a lc a r r i e rd e n s i t y2 2 e + 2 4l m 3 苎a i i l 1 。8 7 8 p ? ”c y1 5 e + 2 4l ，m 3c o n f i n e m e n tf a c t o r03 5 c a r r i e r0 e n s i t v t h i c k n e s ? o ft h e 0 18 e - 6m m a t e r i a j l i n e w i d t h 48 6 a c t l v ei a v e re n h a n c e m e n tt a c t o r w i d t no f t h ea c t j ” 3 5 e 6m a u g e rr e c o m b i n a t i o n 3 e - 41m 6 s 1 4 ，1 t o e l i i c i e n t g ? e i f 托c t i v 83 71 - m 。l f 。 “1 8 r le _ 1 6 m 3 r e c o m b i n a t i o nc o e f f i c i e n t s f i x e dj n t e r n a i l o s s4 0 0 0l m 3 3 2 26 4g b i t sr zp r b s 信号发生器的模拟 6 4 g b i t s r zp r b s 信号由图3 - 8 所示的步骤获得 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 86 4 g b sr z 信号发生器的结构 p r b s 信号发生器产生1 6g b i t s ，长度为2 一1 的p r b s 数据，编码成 r z 格式以后，通过m z i 调制器调制到载波光，最后经过两级的光时分复 用得到6 4g b s 的归零编码光信号。 3 3 2 3 传输信道的模拟 6 4g b sr zp r b s 信号首先经过传输模块以模拟实际系统中由于信号 长距离传输而引起的时间抖动。 2 lk md c f2 1k md c f1 2 0k ms m f 叫叫叫叫声 传输模块由两段 1 2 0k m 的单模光纤、 对应长度( 2 lk m ) 的色散补偿光纤和4 段e d f a 组成，每一 对分别构成后补偿和 预补偿结构，如图 3 - 9 。光纤的主要参数 如表2 。 图3 - 9 信号传输线路仿真模型 表2 传输光纤的参数设置 3 5 电子科技大学硕士学位论文 3 3 ，3 仿真结果及分析 在仿真中，我们采用了相干锁定模式来进行6 4 g b i t s 信号的时钟恢复。 对于高比特率光信号，使用相干锁定模式进行时钟恢复更为合适，因为对 于非相_ f 锁定模式来说，它所需要的注入信号功率将会随着比特率的增加 而指数上升，并且高的信号功率不仅容易造成激光器的不稳定，而且会对 恢复后的时钟信号产生影响，增加信号抖动。 3 3 3 1 自脉动效应 图3 1 0 、3 - 1 1 分别给出了此激光器模型所输出自发脉冲的光频谱和射 频频谱。从图3 一1 0 我们可以看到激光器两个激发模式，它们间的频率间隔 为6 5 6 2 5g h z ，等于从射频频谱上测出的自脉动振荡频率，印证了模闻拍 频这种自脉动机制解释。 冒 黾 ￥ 釜 皿 勺 皇 o j dd5 0 1 0 01 4 0 o p t i c e d f r e q u e n e y r e l a t i v et o1 9 3lt 图3 ，1 0 激光器输出光频谱 i ； 卜 棚j呱 种删 1 i ， 1 1 o 6 06 l 醯6 36 4 酣酯6 76 9 田7 0 f r e q u e n c y 删z ) 图3 - 1 1 激光器输出射频频谱 激光器自脉动频率可咀通过调节d f b 激光器的直流偏置来改变。在本 文的激光器模型中，当 kll = 2 ，固定i l 为5 6m a 的情况下，通过改变1 2 的大小( 4 0 m a 1 1 0m a ) ，可以得到频率为3 0 g h z 7 5g h z 的拍频脉冲。 同时，我们发现光栅耦合系数x 还会影响到自脉动脉冲的调制深度：在其 3 6 0 m 如 观 如 m 冒田已甚釜d皿 电子科技大学硕士学位论文 1 3 1 0 言 曼5 言。 山 曼一， 吼 。一1 q 一1 4 t i m e0 0p o ，d i v ) r 曲 t i m ea 0p s d i v ) 图3 12 光栅耦合系数为5 5 0 0m 。( a ) 和4 0 0 0m “( b ) 时激光器的输出波形 他条件不变的情况下，我们把k 以1 0 0m 1 的步进从5 5 0 0m 。减小到4 5 0 0m ， 从每个状态下t ) f b 输出的瞬时波形中可以发现自脉动脉冲的调制深度从2 7 d b 逐渐减小到了1 3d b ，如图3 1 2 。所以，一般来说具有较大耦合系数的 增益耦合d f b 激光器的输出脉冲较耦合系数普遍偏小的折射率耦合d f b 激 光器的输出脉冲有更大的调制深度。 3 33 2 注入锁定与时钟恢复 r zp r b s 信号波长设置在1 5 5 3 1 5n m ，与激光器第二激发模式波长相 同。信号经过传输模块后注入激光器的平均功率约为一6 2 6d b m ，经过很短 的一段时间，激光器的输出脉冲与注入信号达到同步。图3 一l3 ，3 1 4 给出 了此时激光器输出信号的射频频谱和时域波形。 比较p r b s 信号注入前后激光器输出的射频频谱，可以清楚地看到注 入锁定现象：输出光脉冲频率从自由脉动状态的6 5 6 2 5g h z 移到了注入信 号的时钟频率( 6 4g h z ) 上，谱线宽度( f w h m ) 由自由脉动状态的几百 m h z 下降到锁定状态的几m h z 级别( 由于计算精度的限制，分辨率不能 太高，