（光学工程专业论文）全光3r再生技术中时钟恢复的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 全光网是未来光通信发展的趋势。在全光网中光信号的传输不需要光电转换，可以提 高信息处理速率。但在实际网络中，信号需经过一定数目的放大器、连接器和长距离的光 纤，这些元件的噪声积累和非线性可使信号质量劣化，因此需要进行信号再生。一个完整 信号的再生包括对信号的再放大、再整形和再定时，其中，再定时，也即时钟恢复技术是 对信号进行再放大、再整形的基础，因为再生后的光信号的脉冲形状和定时基本上由所恢 复时钟的形状和定时决定。时钟恢复技术是全光3 r 再生技术中的难点及关键技术，是未来 全光网络发展的重要技术之一。 论文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全光3 r 再生方案中 的时钟恢复方法，比较了各种时钟恢复方案的优劣，指出利用法布里珀罗滤波器( f p 滤 波器) 进行时钟恢复方法的优越性。然后对利用f p 滤波器进行时钟恢复技术的原理作了详 细的分析。接着论文对利用不同精细度的f p 滤波器进行时钟恢复进行了仿真实验，针对精 细度要求过高的问题，提出了一种改进的利用f p 滤波器进行时钟恢复的方法并对利用这种 改进方法实现时钟恢复进行了仿真，同时比较了两种方法的性能。最后设计了一个完整的 全光3 r 再生系统，分别将f p 滤波器和改进f p 滤波器应用于时钟恢复模块，并对这套系统 进行了仿真实验，比较了这两种方法的差别并进行了总结。研究结果表明，利用改进f p 滤波器实现时钟恢复，具有容易实现，工艺难度低等优点，而且时钟恢复效果良好。 关键词：全光网络，全光3 r 再生，时钟恢复，f p 滤波器，精细度 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a l3 rt e c h n o l o g y i st h et r e n do ff u t u r eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i n a l l o p t i c a ln e t w o r k ，o p t i c a ls i g n a l sn e e d l e s st r a n s f e rt oe l e c t r i c a ls i g n a l s ，s ot h ei n f o r m a t i o n t r a n s f e rs p e e dw i l lb ev e r yf a s t i na c t u a ln e t w o r k ，s i g n a l sp a s st h r o u g hs e v e r a l a m p l i f i e r s ， l i n k e r sa n dl o n gf i b e r s ，a l lt h e s ed e v i c e sd e p r e s sq u a l i t i e so ft h e s es i g n a l s s ow en e e dt or e c o v e r t h e s es i g n a l s af u l lp r o c e s so fr e c o v e r yi n c l u d e sr e a m p l i f y i n g 、r e s h a p i n g 、r e t i m i n g c l o c k r e c o v e r y ( r e t i m i n g ) i st h eb a s eo fr e - a m p l i f y i n ga n dr e s h a p i n go fs i g n a l s c l o c kr e c o v e r yi st h e d i f f i c u l t i e sa n dk e yt e c h n o l o g yi n o p t i c a l3 rr e c o v e r yt e c h n o l o g y ，a n da l s oi sa ni m p o r t a n t t e c h n o l o g yi nd e v e l o p m e n to ff u t u r ea l l - o p t i c a ln e t w o r k b a s e do nm a n yd o c u m e n t s ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e sm e t h o d so fc l o c kr e c o v e r y ，a n dt h e n c l a s s i f i e sa n ds u mu pe a c hm e t h o d ，l i s tt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，e s p e c i a l l yp o i n t e d o u tt h a tt h ea d v a n t a g eo fu s ef a b r y p e r o tf i l t e r ( f - pf i l t e of o rc l o c kr e c o v e r ym e t h o d w e d e t a i l e da n a l y s i st h ep r i n c i p l eo fu s ef pf i l t e rf o rc l o c kr e c o v e r y a f t e rt 1 1 她t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ec l o c kr e c o v e r ym e t h o db yu s i n gd i f f e r e n tf i n e s s ef pf i l t e r i no r d e rt os o l v et o oh i i g hf i n e s s e p r o b l e m ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r da ni m p r o v e dc l o c kr e c o v e r ym e t h o dt h a tu s ef pf i l t e ra st h e c h i e fc o m p o n e n t w ea n a l y z et h ei m p r o v e df - pf i l t e rc l o c kr e c o v e r ym e t h o da n dc o m p a r et ot h e p r i o rm e t h o di ni t sp e r f o r m a n c e i nt h ee n d ，t h i sp a p e rd e s i g n e da n ds i m u l a t e da l la l l - o p t i c a l3 r r e c o v e r ys y s t e ma n du s i n gf - pf i l t e rt or e a l i z ec l o c kr e c o v e r yi ni t a l s ow eu s ei m p r o v e d m e t h o di nt h e s ee x p e r i m e n t s b yc o m p a r i n gr e s u l t so fe x p e r i m e n t s ，w ec a ns e et h ei m p r o v e m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o do fu s ei m p r o v e df - pf i l t e rf o rc l o c k r e c o v e r yi se a s yt oa c h i e v e a n de a s yt om a n u f a c t u r e ，i tc a l lr e c o v e rc l o c ks i g n a lw e l l k e yw o r d s ：a l l o p t i c a ln e t w o r k a l l o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o n c l o c kr e c o v e r yf - pf i l t e rf i n e s s e 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，论文不含其他人已经发表或撰写 过自勺研究成果，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己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：匝竭监日期：晔旦9 日 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、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期间的保密论文外，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：塌蚣 导师签名：日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 光通信简介 第一章绪论 1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为2 0 d b 的石英光纤，证明光纤作为通信的传输 媒质是大有希望的。同年，半导体激光器实现了室温下的连续工作，为光纤通信提供了理 想的光源。从此，便开始了光纤通信迅速发展的时代。近些年来，波分复用技术，相干光 纤通信系统、光纤放大器等技术已经受到人们的重视，并得到快速发展1 1 i 。 目前最引人注目的是全光通信，它是在传送网中加上光层，在光上进行交叉连接和分 叉复用，从而减轻电交换节点的压力，大大提高整个网络的传输容量和节点的吞吐容量， 成为网络升级的首选方案，这也是当前光通信的研究热点。更高速率、更大容量将是未来 光通信网络的发展方向。在技术方面，未来的全光网络将结合密集波分复用( d w d m ) 技术 和光时分复用( o t d m ) 技术以实现更高速率、更大容量的发展要求。 光纤通信之所以得到如此迅速的发展，与光纤通信的优越性是分不开的，它的主要优 点有： 1 传输损耗低 2 尺寸小。重量轻，有利于敷设和运输 3 抗电磁干扰性能好，适合应用于有强电干扰和电磁辐射的环境中 4 光纤之间的串话小 5 光纤的主要原料是二氧化硅，是地球上蕴涵最丰富的物质，取之不尽，用之不竭1 2 i 1 2 本文研究背景 近几年来，i n t e m e t 网上各种形式的数据业务量急剧增长。据统计，世界范围内，话音 业务量的年增长率为1 0 ，数据业务的年增长率为4 0 ；而在中国，话音业务量年增长率 为1 4 ，数据业务量年增长率更高达4 0 0 f 3 1 。由于新兴业务占用的带宽资源较多，高速宽 带综合业务网络己成为本世纪通信网络的发展趋势。光纤具有巨大的带宽。在1 5 5 , a m 波长 附近传输损耗较低。一根光纤可提供的理论传输带宽约为5 0 t h z 。但是，目前串行电信号 传输速率一般低于4 0 g b p s ，即使用此速率在光纤上传输，也仅利用了光纤容量的千分之一。 在众多的网络技术实现方案中，基于电子技术的网络方案由于受限于器件工作上限速率 4 0 g ，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理，网络中还会出现带宽“瓶颈”。如果 l 妻塞堂皇奎兰堡主堡垄生兰堡垒塞墨二皇丝丝 网络节点处仍然以电信号处理信息的速度进行交换，则节点将变得庞大而复杂，超高速传 输所带来的经济效益将会被昂贵的光电和电光转换费用所抵消。为了解决这个问题，人 们提出了全光网的概念。 从原理上讲全光网络就是在网络中直到端用户节点之间的信号通道一直保持着光的 形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。在全光网络技术中，光开关、波长转换、 解复用、上下路、光交叉连接等技术都在光域中完成，因而与点到点的w d m 系统相比较， 全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、更可靠。正因为这些优点，全光网被认为是网络升级的优选方案，是未来光通信发展 的趋势。这样，网络内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子 器件处理信息速率难以提高的困难。但在实际网络中，信号需经过一定数目的放大器、连 接器和长距离的光纤，这些元件的噪声的积累和非线性性质使得信号质量劣化，因此需要 进行信号再生。一个完整的信号再生包括放大、定时、整形三部分。在目前的传输系统中， 都是将传输的光信号转换成电信号，在电域里对其放大、定时、整形的。由于电子器件本 身的物理极限，随着传输速率的提高，这种再生方式成了提高传输速率的瓶颈，而且影响 了全光网对传输速率的透明性、灵活性和可靠性等优点。因而，全光再生是最理想的再生 方式i 4 i 。 1 3 全光3 r 再生系统 目前提高光纤线路的传输容量一般采用以下几种方法：一是在同一路径埋设新的光 纤，这是原来对系统线路扩容常用的一种方法，需要的成本较高；二是不断提高单信道的 传输速率，从光纤通信开始发展到现在，光通信系统的单信道速率持续提高，但由于受到 电子速率瓶颈的影响，继续依靠电域的时分复用( e t d m ) 提高速率有很大的困难，并且使 系统的制造成本大大增加，光时分复用是在光域对信号进行复用，可以达到很高的速率； 三是在一根光纤中同时传输多个信道，即波分复用( w d m ) 技术，目前商用的系统大多为波 分复用系统。但随着信道传输速率的提高，传输距离的延长，再加上目前各种光器件的性 能还不是很理想，网络节点结构设计还有待于完善等因素，使光信号在传输过程中质量下 降。光信号的损耗、光纤的色散、光纤中的非线性效应( 包括受激散射自相位调制、交叉相 位调制和四波混频等) 会引起光信号脉冲的形状和频谱发生畸变，光纤放大器的自发辐射噪 声( a s e ) 会导致光脉冲抖动的积累，这些因素使得光信号信噪比下降，质量严重劣化限制 了光传输的速率和距离。对于那些长距离的传输链路或些通过许多中间网络节点的光脉 冲信号，只有及时对光信号进行再生，才能保证信息传输的可靠性，增强网络的可扩展性。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一犟绪论 一个完整信号的再生包括再放大、再整形、再定时( r e a m p l i f y i n g 、r e - s h a p i n g 、 r e t i m i n g ) ，在目前的传输系统中，采用的是光一电一光的中继方式，先把光信号接收转换 为电信号，然后在电域对信号进行再生，调制光源转换成光信号发射出去。这种电域的再 生，受到“电子瓶颈”的限制，并且系统结构复杂、成本高、难以集成化，无法满足对传输 速率和数据格式透明性等要求，使网络传输与交换设备严重依附于信号的速率、格式等因 素。然而在光域中对信号进行3 r 再生( 再放大、再整形、再定时) ，可以克服以上弊病，突 破了电子速率的限制，大大地提高网络的性能，因此，光信号的全光3 r 再生，对提高网络 性能，实现超高速远距离传输具有很重要的意义1 5 】。 全光再生技术，就其功能实现可分为三种即1 r 、2 r 和3 r 再生。l r 再生是指再放大过 程，在光域中直接对信号的放大，补偿光信号在传输中损耗的光功率。八十年代末掺铒光 纤放大器( e d f a ) 技术的成熟，使l r 功能得以实现。l r 再生对信号比特率透明，而且与数 据类型无关，在w d m 系统中各通道可以同时放大。1 r 再生很简单，但是缺点非常明显， 相邻信道间的串话也会被放大，而且放大器通常会引入噪声，信号经过多次放大会形成噪 声积累。所以经过l r 再生后，光信号的质量仍然很差，不能满足改善信号质量的要求。 2 r 再生包括再放大和再整形技术，整形的功能一般由非线性的光开关来实现，只有功 率足够大的光信号可以通过光开关，而由于噪声功率较小，没有足够的功率使光开关合上， 因此2 r 再生可以抑制串话和噪声，具有对光脉冲进行整形的功能。2 r 再生对光脉冲信号 的码型没有要求，可以应用于归零码和非归零码，并且只要不超过光开关的速率极限，2 r 再生是对比特率透明的。经过2 r 再生后，光信号脉冲形状得到改善，信道噪声减小，光脉 冲的消光比增大，但是由于2 r 再生没有对光信号的重新定时的功能，因此不能消除光脉冲 信号的抖动。 因为2 r 再生并不能消除光源和传输中产生的时间抖动，当时间抖动积累到一定程度时 将严重影响网络的性能，3 r 再生是在2 r 再生的基础上增加了再定时功能。全光3 r 再生原 理如图1 1 所示。入射损伤信号进入全光再生器时被分为两路，一路进入时钟恢复单元以恢 复时钟光信号，通过时钟恢复单元，恢复出损伤信号的同步低抖动的时钟信号。恢复出的 时钟信号具有稳定的幅度和时钟信息，另一路信号经e d f a 放大，经过延时后，与时钟信 号脉冲一同注入光判决门，经过光判决门后可得全光再生信号。因为数据信号驱动的开关 窗口比时钟信号的脉冲宽度要大，因此数据信号的抖动不会被转移到时钟信号上，从而完 成了对信号的重新定时( r e t i m i n g ) 。因此，同时完成了对信号的重新整形的功能。由图1 2 可以看出整个3 r 再生的过程，经过对退化信号的3 r 再生，脉冲信号的抖动大大减小，很好 的恢复了原始信号【们。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 e d f a 图1 1 全光3 r 再生系统示意图 信号输入 再生信号 图1 2 全光3 r 再生过程【7 j 1 4 时钟恢复在3 r 再生系统中的意义 由图1 1 可以看出入射损伤信号进入全光再生器时被分为两路，一路进入时钟恢复单元 获得抖动低、幅度稳定的光时钟信号，该信号作为被判决信号输入光判决单元；另一路信 号经e d f a 放大并延时后，作为控制信号与时钟信号同步注入光判决单元，从而控制光时 钟脉冲是否通过，经过判决的光时钟信号则作为全光再生信号输出。因为数据信号驱动的 开关窗口比时钟信号的脉冲宽度要宽，因此不会引起时钟信号脉冲形状的变化并且数据信 号的抖动不会转移到时钟信号上，从而同时完成了对信号的重新整形、重新定时的功能。 从光脉冲信号中恢复出的时钟信号，在3 r 再生中的作用主要在两个方面，一方面在接收端 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 对传输信号的解码，另一方面是对损伤信号的再生。由此可见，再生后的光信号的脉冲形 状和定时基本上由所恢复时钟的形状和定时决定。全光3 r 再生系统实现的关键技术包括光 放大技术、时钟恢复技术和光判决门技术。其中时钟恢复技术是对信号进行再定时、再整 形的基础，是全光3 r 再生技术中的难点及关键技术，是未来全光网络发展的重要技术之一 例。 1 5 归零( r z ) 码与非归零( n r z ) 码对时钟恢复的影响 非归零码( n r z ) 作为一种常用数据码型格式，具有简单、价格便宜、对带宽需求很低， 时间抖动容忍度大的优点，广泛用于w d m 系统中。不可避免地，非归零信号在长距离传 输过程会有畸变，需要再放大，整形和定时，需要进行全光恢复研究。 同时又由于n r z 信号本身不包含时钟分量，对其进行时钟恢复前，一般需要将其转换 成含有时钟信息的归零码( r zd a t a ) 或伪归零码( p r zd a t a ) ，再恢复时钟信号1 9 1 。 到目前为止，各国在全光码型转换方面的研究比较多，实现方法归纳起来主要有以下 九种： ( i ) 用偏振保持光纤与偏振片实现码型转换 ( 2 ) 偏振双稳态垂直腔表面发射激光器( v c s e l ) 实现全光码型转换 ( 3 ) 非对称马赫泽德干涉仪( a m z i ) 实现n r z p r z 转换 ( 4 ) 单片集成有源麦克尔逊( 马赫泽德) 干涉仪实现码型转换 ( 5 ) 单片集成s o a d f b 激光器实现n r z r z 转换 ( 6 ) 非线性光环形镜( n o w ) 实现全光码型转换 ( 7 ) s o a 环镜实现全光n r z p r z 转换 ( 8 ) 半导体光放大器延迟干涉( s o a d i ) 装置实现码型转换 ( 9 ) 基于s o a 自相位调s t j ( s p m ) 的n r z p r z 转换 由于码型转换不是本文研究的重点，所以本文第4 章仿真实验中直接选取了原始时钟 信号为归零( 1 屹) 码。但是全光码型转换在全光3 r 再生系统中也是一个重要的环节，需要 在以后进行进一步研究【仲l 。 1 6 论文的研究重点和内容安排 时钟恢复是全光3 r 再生中的一个重要的环节，它决定了再生信号的最后输出性能。 堕塞! ! 皇奎堂堡主里垄生兰堡堡壅釜二皇笙丝 通过本章的分析可以看出，目前使用的各种时钟恢复方法都有其各自的优缺点。为了更好 的实现时钟恢复，综合各方面考虑，本文将通过研究利用无源光器件法布里珀罗 ( f a b r y p e r o t ) 滤波器，实现全光3 r 时钟恢复，并应用o p t i s y s t e m 软件对这一方法进行 了仿真实验并对分析。与目前已有的技术方法相比这种方法具有容易实现，工艺难度低等 优点，且时钟恢复效果良好，适合于高速率的时钟恢复。 本文的内容安排如下： 第一章介绍光通信发展和论文的研究背景，全光3 r 再生的概念以及其在光通信中的 作用与意义，说明了时钟恢复在整个全光3 r 系统中的重要性。 第二章对常用的全光3 r 中的时钟恢复方法进行了详细的介绍，并对各自的优缺点进 行了分析比较。 第三章对利用法布里珀罗滤波器进行时钟恢复技术的原理进行了详细的分析，从时 域和频域两个方面解释了这种时钟恢复的原理，对其中一些重要的参数进行了推导，为后 续仿真实验奠定了理论基础。 第四章使用o p t i s y s t e m 软件对第三章的方法进行了仿真实验与分析，模拟了不同精 细度的情况下对时钟恢复效果的影响。通过时钟信号和光谱信号两个方面观察f p 滤波器 的时钟恢复效果。提出了一种改进的方法，串联2 个低精度f p 滤波器来代替一个相对其 高精度的f p 滤波器，对这种方法进行了仿真，结果表明改进的方法具有容易实现，工艺 难度低等优点，且时钟恢复效果良好，达到改进方案的效果。 第五章将利用法布里珀罗滤波器进行时钟恢复的方法应用于整个3 r 再生系统中， 并使用o p t i s y s t e m 软件对3 r 再生系统进行了仿真，实现了再定时，再整形，再放大的全 部功能。再将改进的方法应用于这个系统，比较了这两种方法的差别并进行了总结。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章常用的3 r 时钟恢复方法 第二章常用的3 r 时钟恢复方法 2 1 电时钟恢复技术 电时钟恢复技术是目前已经发展比较成熟的一种技术，原理图如图2 1 ，把光信号通过 光电转换，变成电信号后经过一个高q 滤波器或者电锁相环( p l l ) i n ) 中，可以恢复出电 时钟信号，经放大后以射频( r f ) 形式输出电时钟信号i n - j 3 1 。电时钟恢复利用了电子线路 和微波技术在信息处理上的成熟和灵活性，恢复的时钟具有较高的质量和稳定性，可以用 于实际的通信系统中。目前利用介质腔和电锁相环分别实现了2 0 g b i t s 位时钟和8 0 g b i t s 中i o g h z 的帧时钟的恢纠i 。 两q 滤沮 器，馈丰丌环 火嚣 一 威大器 图2 1 电时钟恢复原理图 2 2 利用光纤环锁模激光器进行时钟恢复 器，钌赶棚环 光纤环锁模激光器时钟恢复系统是由反射半导体光放大器( r s o a ) ，循环器 ( c i r c u l a t o r ) ，带通滤波器( b p f ) ，色散补偿光纤( d c f ) ，可调谐光延迟线( t o d l ) ，偏振 控制器( p c ) ，可变光衰减器( v o a ) 和耦合器( c o u p l e r ) 构成，如图2 2 。这个光纤环锁模 激光器可实现1 0 g h z 的三波长同时锁模脉冲时钟恢复，并通过改善r o s a 的特性，有望实 现更多波长和更高频率的时钟恢复。 近几年来，基于s o a 的注入锁模光纤激光器因其在窄脉冲光源、时钟恢复等全光信号 处理领域方面的广泛应用成为人们研究的热点之一。基于s o a 的注入锁模光纤激光器的时 钟恢复方案的基本原理是将高速率光信号脉冲注入s o a 中，利用s o a 的交叉增益调制 ( x g m ) 和交叉相位调制效应( x p m ) 1 1 5 - 1 6 1 ，对激光器进行周期性的调制，形成锁模，最终得 到高重复速率、波长可调谐的时钟脉冲输出。因此，在注入锁模光纤激光器中，s o a 是关 键器件，它起着调制和放大的双重作用。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章常用的3 r 时钟恢复方法 图2 2 光纤环锁模激光器时钟恢复系统结构图 2 3 利用外腔锁模激光器进行时钟恢复 由饱和吸收区和高增益区构成的锁模激光器中，由于饱和吸收区和增益区的相互作 用，可引起激光器输出的光功率无阻尼的振荡，当光功率随时间变化时，激光腔中的载流 子浓度也随着变化，正是由于两种之间的相互作用，导致了自脉动的产生1 1 7 l 。脉冲频率可 以通过改变增益区的工作电流而改变。当把和脉冲频率相同的信号光脉冲注入锁模激光器 时，产生的光脉冲将和信号光同步。因此可以利用这一性质，用来进行时钟恢复。在增益 介质的饱和能量大于吸收介质的饱和能量的情况下，增益饱和与吸收饱和的相互作用，使 锁模激光器可产生一系列的窄脉冲，即产生了自脉动现象。当有外部脉冲信号注入时，改 变了锁模激光器原有的饱和动态过程。注入脉冲信号光首先通过增益介质，使增益介质开 始饱和，当腔内的光脉冲通过增益介质时，增益介质迅速达到饱和，产生了使腔内光脉冲 的后沿快速衰减的效应；同理，当注入光脉冲信号通过吸收介质时，使吸收介质达到吸收 饱和，从而大大减小了对腔内光脉冲前沿的吸收。通过以上过程，使得腔内光脉冲的频率 锁定到注入光脉冲信号上【1 8 1 。 在这个基础上可以用外加光栅反馈的方法对自脉动的波长进行调谐。制作出可调谐的 锁模激光器。图2 3 为示意图。激光器为1 5 9 m f p 激光器，其中一个端面镀有增透膜并通 过自聚焦透镜耦合到光栅，另一面用高能离子轰击形成饱和区。旋转光栅可以选择工作波 长【1 9 l 。 8 南京邮电大学硕士研亢生学位论文第二章常用的3 r 时钟恢复方法 f r 拦一些_ 掣乏三2 址一目_ 眦一，k 二卿 童聊，聊j 鼹气i 哪 图2 4s p l d 同步输入的周期信号 当输入光信号的功率足够大，而且输入信号频率( 厶) 和s p l d 的固有频率嘛) 之差不 很大，则激光器的输出将锁定在输入信号的频率。s p l d 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i 2 2 i 。 2 5 利用自脉动激光器( s e l f - p u l s a t i n gl a s e r ) 的时钟恢复 自脉动d f b 激光器是一种比较先进的时钟恢复装置 2 3 - 2 5 i ，结构如图2 5 所示。激光器 共分为三段，分别为增益区( 1 a s e rs e c t i o n ) ，调相区( p h a s et u m i n g s e c t i o n ) 和反射区( r e f l e c t i o n s e c t i o n ) 1 2 6 1 ，并在两端镀减反膜。其中增益区主要实现电流的注入而对激光提供增益，反 射区是一个布拉格光栅，决定激射模式的波长，不同的是该段可以通过注入电流改变自由 载流子浓度，根据k k 关系，必然会引起该区折射率的改变，从而改变有效的光栅周期， 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章常用的3 r 时钟恢复方法 实现不同反射波长的选择1 2 7 】。调相区的加入是为了方便地配合反射段的波长选择，使反射 波长的光在激光器中传播时能够满足相位条件： 调相区 图2 5 多区d f b 激光器的结构 欲产生自脉动，必须满足以下一些条件。首先，反射区所加电流应为透明电流，这时 该区相当于一个对波长有选择作用的反射器，其次，增益区的工作电流应控制在激射阈值 以上，为激光的激射提供增益。最后，通过调节调相区的工作电流，可以改变激射波长， 当形成激光时，由于光强的增大，会引起工作物质折射率的增大，从而使光波长向长波长 方向移动。由于此处反射谱的斜率很陡，反射区的反射率将迅速减小，增益小于损耗，使 得激光器工作于低q 值状态，激光熄灭忙8 1 。随着载流子的恢复，光波长重新向短波长方向 移动。此时反射区反射率增大，腔的q 值提高，增益将大于损耗，从而引起又一次激射。 如此周而复始，称为自脉动。从上文可以看到，自脉动的周期是和载流子恢复时间密切相 关的，因此通过改变激光区的注入电流，可以改变自脉动的频率。当将自脉动激光器用于 时钟恢复时，注入的光信号将会和自脉动过程一起，对激光器的载流子密度产生调制，这 一相互作用将使得自脉动脉冲和光信号脉冲最终形成同步，从而达到时钟恢复的目的1 2 9 i 。 2 6 利用非线性光学环镜振荡器的时钟恢复 图2 6 基于非线性光学环镜( n o l m ) 振荡器的时钟恢复系统结构图 光纤参量振荡器( f o p o ) 用于时钟恢复是一种较新的方案 3 0 - 3 2 i ，主要利用n o l m 的 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章常用的3 r 时钟恢复方法 动态增益调制和非线性环镜( n a l m ) 的孤子特性。如图2 6 所示，从整体结构上来看， n o l m 和n a l m 构成一个f p 腔，n o l m 作为一个调制器，提供动态增益和相位调制， n a l m 用来作为放大器。工作时，调整偏振控制器p c i 和p c 2 ，使n o l m 处于最大反射 状态，n a l m 处于最大传输状态，即n a l m 处于全透射的状态，此时实际上并没有形成 f p 腔。而当信号注入n o l m 后，在n o l m 中形成参量增益，对腔内的信号进行调制， 此时n a l m 也对脉冲信号形成反射。这样，当f p 腔的长度适合的情况下，锁模振荡就形 成了，最终形成时钟脉冲输出，通过调整e d f a 的增益和p c 2 可得到强而清晰的锁模脉冲。 2 7 利用f - p 滤波器的无源时钟恢复 法布里- 珀罗( f p ) 滤波器是一种梳状滤波器。利用法布里珀罗( f a b r y _ e r o t ) 滤 波器进行时钟恢复的方法具有结构简单、捕获时间短等特点，这种方法如图2 7 所示，它 利用一个无源f a b r y - p e r o t 滤波器从光信号中恢复时钟成分。由于采用无源结构，通过减小 谐振腔长度可以达到超高比特率工作。理论上利用f - p 滤波器可以进行任意速率的全光时 钟恢复1 3 3 3 4 1 。 i n p u t d f - pf n t e r o u t o u tc l o c k 图2 7 基于f p 谐振器的时钟恢复系统结构图 2 8 各种方法性能比较 利用基于电子器件的时钟恢复技术是一种比较成熟的技术，但是这种方法毕竟是基于 电子元器件的，将来最终会被淘汰1 3 5 1 。 利用光纤环锁模激光器进行时钟恢复的优点是：l 、全光时钟恢复，工作速率比较高。 2 、方案简单，输出波长取决于腔内的带通滤波器与s o a 的谱宽，可调波长范围较大。3 、 可以用于多波长的时钟恢复。该方法最大的缺点是，由于引入了s o a 作为非线性介质，目 前成熟的s o a 的载流子恢复时间大于2 0 0 皮秒( p s ) 。如果注入的数据信号为全l 码，可以得 到等幅的时钟光脉冲序列。但是随机数据码中必然随机地存在着0 码和l 码。1 码通过 s o a 时消耗载流子，而0 码通过时不消耗载流子，载流子密度因电流泵浦的作用得的增益 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章常用的3 r 时钟恢复方法 和相移均与s o a 所经历的外界注入信号的码型有关，这便使恢复的时钟光脉冲存在着与码 型有关的幅度起伏和时间抖动，称之为码型效应( p a t t e r ne f f e c t ) 。如果数据信号中存在长 连0 码和长连l 码，幅度起伏和时间抖动会更加严重1 3 6 - 3 8 l 。 利用外腔锁模激光器进行时钟恢复具有系统简单、集成度高的优点，但器件的工艺性 和稳定性都比较差。另外，它们只能工作在固定的信号速率上，无法实现码率灵活的时钟 恢复【3 9 i 。 利用自脉动激光二极管( s p l d ) 锁模技术进行时钟恢复有一个突出的优点就是它的时 钟建立的非常快，它可以在3 n s 建立同步。同步时间与输入信号和激光器固有频率的差成 正比；而且该时间还取决于输入与输出信号的初始相位差和输入光功率。这种方法的缺点 在于，在s p l d 的时钟恢复系统中，当输入随机码为0 时，就会发生相位漂移，可表示 为= 3 6 0 0 x 1 一( 南厶) 】 ，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1 4 0 i 。 利用自脉动激光器( s e l f p u l s a t i n gl a s e r ) 的时钟恢复的优点是：( 1 ) 属半导体器件，体 积小，易于集成。( 2 ) 全光时钟恢复，工作速率高，已经应用于8 0 g b i t s 的时钟恢复。缺点 是不仅结构复杂，造价昂贵，更重要的是目前没有成熟的商用器件，仅有少数几个实验室 可以制造和应用。自脉动激光器时钟恢复已经应用于4 0 g b i t s 的3 r 全光再生1 4 1 - 4 2 l 。 利用非线性光学环镜振荡器的时钟恢复可用于比较高速的系统。但也有比较明显的缺 点：( 1 ) 由于采用了三个p c ，不仅需要大量的调节，而且增加了不稳定因素。( 2 ) 由于 n o l m 和n a l m 构成的f - p 腔比较长( 2 0 0 多米) ，而且没有相应的腔长稳定措施，同样 会带来不稳定因素。另外，系统结构过于复杂1 4 3 l 。 与其他时钟恢复方案相比，利用无源器件f p 滤波器理论上可以用于任意波长的时钟 恢复，通过减小谐振腔长度可以达到超高比特率时钟( t b p s 级) 恢复。这种方法对光源适 应能力强，结构简单，成本较低，易于实现。而且这种方法对时钟的捕获时间很短，还适 合于非同步数据包的时钟恢复。其克服了光纤环锁模激光器时钟恢复建立时间长的缺点； 克服了外腔锁模激光器码率不灵活；同时拥有自脉动激光二极管( s p l d ) 锁模技术时钟建立 的快的优点；相比自脉动激光器，造价成本要低很多，由于结构简单，克服了非线性光学 环镜振荡器元件多不稳定的缺点。综上所述本文将对这种方法进行深入研究。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章f - p 滤波器的理论分析及特性研究 第三章f p 滤波器的理论分析及特性研究 3 1f p 滤波器基本原理 法布里珀罗( f a b r y p e r o t ) 谐振腔型滤波器一种无源器件，是建立在f - p 干涉仪的基 础上，其主要结构为由两个具有高反射系数镜面所形成的平行腔体，光束在两个平行镜间 多次反射产生干涉，对特定波长的光波发生谐振而形成频率选择性。图3 2 是由法布里珀 罗干涉仪f a b r y p e r o ti n t e f f e r o m e t e r ( f p i ) 或一个谐振腔( 由两个相互平行的平面镜构成) 组成 的标准具的结构简图。当光行经两个高反射系数镜面所形成的平行腔体时，若腔体大小工满 足入射光的半个波长2 2 的整数倍时( 即2 l = 旯) ，则会产生干涉而输出光波。 平面镜平面镜 - - - - 啼 入射光 ( a ) 输出光 - - j 一 4 1 - 4 一只层c x p ( - j p x ) _ _ - _ _ _ _ _ 啼 r ) l 7 图3 1f p i 内连续反射( a ) 几何图形和( b ) 电场强度分布 ? 一 。 塑塞塑皇奎兰堡主翌垄竺兰堡堡塞 丝三皇! ：! 鲨婆墨堕堡笙坌塑墨塑堡竺圣 从输入光纤进入的光经过校准后，穿过腔体，重新聚焦于输出光纤。令r 为两个平面 镜的功率反射率( 反射系数，则振幅反射率为r ) ，那么反射场强为入射场强的尺倍。令a 为光穿过附加玻璃材料到达第一块平面镜的吸收功率损耗，且从第二块平面镜到输出的吸 收功率损耗同样为a 。那么，场强为e 的光进入光纤，穿过第一块平面镜后，还有 0 = 万j 洱剩余，其余都因热或平面镜的背向反射而损耗掉了。假设穿过谐振腔的信号 没有损耗，那么信号第一次到达右侧平面镜时的场强为l a r 巨e 。肛其中是传播常 数。一部分( 1 一彳一r ) 巨e - 伽到达输出端，另- - 3 - ) 4 1 - a - r , - ree - 加被反射回第一块 平面镜。光传播到第一块平面镜，又被反射到第二块平面镜，此时其功率为 ( 1 - a r ) r e , e 一鹏。综合所有与输出毛有关的值，场强的综合传输函数为： 啪= 船= ( 1 - a - r ) e x p 啪j p ) 塾e x 肿加肛) 1 ) 方括号内的项是re x p ( 一筇x ) 的几何级数。从而，式( 3 1 ) 可以简化为： 彤，= 竿糟 2 ， 进而有： 触：丝工：丝工：2 万厅 ( 3 3 ) 其中参数f 代表的是一路的传输时间，由此，式( 3 2 ) 变为： 啪= 军高鬻箸 4 ， 因此，功率传输函数t ( f ) 为： 丁( 伽面而( 1 - 丽a - 而r ) 2 ( 3 5 ) 根据式( 3 5 ) ，绘制函数t ( f ) 的图，且令a = 0 ，r 分别为0 1 、0 2 、0 8 三个不同值。 图3 2f - p 滤波器的透射谱 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章f - p 滤波器的理论分析及特性研究 由式( 3 5 ) 及图3 2 ，可知t ( f ) 是一个周期函数，即：f - p 滤波器的透射谱为梳状谱。相邻的 两透射峰之间的间隔为：如+ 。一九= 力2 ( 2 n l ) 。这个间隔也称为f - p 滤波器的自由光谱区 ( f s r ) ，如果用频率的形式表示，它代表了光在f - p 滤波器腔内两反射镜之间往返一次所用 时间的倒数，即： f s r ：一1 ：_ ! 止 ( 3 6 ) 2 r2 n x 其中代表自由空间中的光速，刀为两面镜子之间的介质折射率，工为两反射镜之间的距 离。 由式( 3 6 ) n - - i 得3 d b 带宽的f - p 滤波器( f w h m ：最大值的1 2 处的全宽度) 为： f w h m - ! l 一( 1 - r ) ( 3 7 ) 2 n xn 4 r f p 滤波器的精细度( f i n e s s e ) 定义为 f ：旦：尘堕 ( 3 8 ) ，= 一= 一 l j 6 j f w h m ( 1 一尺) 由式( 3 8 ) 可以看出，f - p 滤波器的精细度由反射率r 唯一决定，r 越大精细度也越大。 3 2 基于f p 滤波器的全光时钟恢复分析 由图3 2 可知，反射率r 值增大，也即精细度越大，透过曲线形状越尖锐。为此，我 们画出反射率r 与精细度、透射率的关系图，如图3 3 所示。从中可以看出r 较小时，精 细度增加较缓慢，当r 增加到一定程度时，精细度迅速增加。透过率的变化与精细度的变 化是基本相反的过程。 图3 3 反射率r 与精细度、透射率的关系( a ) r 与精细度( b ) r 与透射率 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章f - p 滤波器的理论分析及特性研冗 通常f p 滤波器由两个相等的反射率均为r 的反射镜组成，在利用其进行时钟恢复时， 要使其自由光谱区与入射信号的码率相同。 应用f p 滤波器进行时钟恢复的原理可以从频域和时域两方面解释： 对基于f p 滤波器的时钟恢复方案，从时域角度解释，当光脉冲通过f p 滤波器时， 由于反射镜的反射作用使得脉冲在两个反射镜( m 1 、m 2 ) 之间的往返反射。由于f p 滤 波器的自由谱区与数据信号的码率相同，因此一个脉冲经m 2 反射到m 1 ，再由m 1 反射回 时，恰好与下一比特的数据处于同一时隙，如果此比特为“0 ”，则在这时隙上“插入”了一个 光脉冲。因此，通过f p 滤波器后在数据脉冲的“0 ”码处产生了光脉冲，此时隙的光功率不 再是零。f p 滤波器的精细度越高，也就是反射镜的反射率越高，脉冲在两个反射镜之间 反射的次数越多，原“o ”码处的光脉冲功率变地越强，越接近全“1 ”码，也即脉冲起伏越小。 当f p 滤波器的精细度很高时，脉冲的起伏已经非常小，从而得到所需的时钟。 此方案从频域角度来理解是非常直观的，例如，由于4 0 gb i f f s 的r z 码在光谱上含有 明显的与码率对应的4 0 g h z 频率分量，当数据脉冲通过自由谱区为4 0 g h z 的f p 滤波器 时，把透过峰与数据信号中心波长对准，那么频率间隔为4 0 g h z 的频率分量将通过滤波器， 而其余的频率分量会被滤除。并且，随着f p 的精细度变高，其透射窗口3 d b 带宽越窄， 则噪声频率成分通过越少，所得到的时钟质量越高。 3 3f p 滤波