（通信与信息系统专业论文）全光帧时钟提取的理论分析和试验研究.pdf

摘要 随着时代的发展，人们对信息的需求日益增加。因此，提高网络通信能力成 为通信技术发展的重要方向之一。 目前，网络通信能力提高的主要障碍是因为网络还处在用电的方法来实现交 换。所以提高网络通信能力就需要打破电交换的瓶颈。由于现在的高速传输线路 都是采用光纤传输，因此全光交换是打破电交换瓶颈，提高网络通信容量的发展 趋势。而全光的帧时钟提取是实现全光分组交换的基础。 本文提出了一种新型的全光帧时钟提取方案：“f p + s o a 。本方案采用低精 细度( 低q 值) 的法布里一珀罗滤波器( f - p ) 直接提取帧时钟，低精细度保证 了帧时钟的快速建立和快速消失。但是由于低q 值的法布里一珀罗滤波器( f - p ) 不能滤除低频噪声，所以在f p 之后再接半导体光放大器( s o a ) ，利用自增益调 制效应( s c m ) 抑制帧时钟中的低频噪声。 第二章介绍了f p 滤波器的一般结构和其提取时钟的工作原理，推导出f p 的传输函数、精细度和自由光谱区的数学表达式。从时域和频域两方面证明了用 法布里一珀罗滤波器( f - p ) 可以进行时钟提取，并研究了各参数对帧时钟提取 结果的影响。得出结论：低精细度保证了帧时钟的快速建立和快速消失，但是对 帧时钟的时钟质量不利。 第三章介绍了半导体光放大器( s o a ) 的载流子密度、增益和传输函数的数 学模型，并进行了理论和数值分析。从中较深入的了解了s o a 的自增益调制效 应( s g m ) 对f - p 提取的帧时钟进行整形的原理：以及s o a 的参数、工作电流 和输入光光强对抑制幅度抖动的影响。并得出结论：s o a 对百兆量级的低频成 分有很好地抑制作用。同时，从理论和仿真上分析了解了s o a 的x g m 和) ( 】? m 效应，确定了输入光参数和s o a 参数对各种非线性效应的影响，并在此基础上 分析和仿真了波长变换和产生正码的原理，为本实验中4 0 g b p s 分组数据的产生 奠定了基础。 最后，在第四章中，用上述方案实现了对l o g b p s 和4 0 g l ，p s 的分组数据进 行了全光帧时钟提取，并得到了时钟质量良好、建立时间和消失时间非常短的帧 时钟信号。 关键词：光纤通信全光帧时钟提取法布里一珀罗滤波器半导体光放大器 a b s t r a c t w i mt l l ed e v e l o p m e n to ft i m e s ，t h ep e 叩l e sd e m a n d 矗盯i 1 1 | 0 l r m a t i o ni sr i s i n g t h e r e f 0 i r eo n en c n do ft e l e c 0 1 珈删c a ：t i o nt e c h n o l o g yi st 0 叩毋础c o m m u n i c a t i o n c 印a c 时o f n e t w o f l c s n o w a d a y s ，刚划蛐唱 i n e l e c t r i c i 够i s 1 h em 痂0 b s t l et 0 u p 擘a d e c 0 衄n 衄i c 撕0 nc 印a c 匆0 fn c 铆o r l 洛i i l0 r d 叮t 0b r e a km m 曲t h i s0 b s t a c l e ， t h n i c a li n n o v a l i o ns h 0 1 l l db ec o m el l p a sar e s u ho fo p t i c a l 劢e rc 0 1 珈戚c a t i o 玛 a no p 矗c a lp a c k e ts w i t c h i n gi sb e c o m i n gm em o s tp o p l u l a rs o l u t i o nt ou p g r a d e c o i m n 疵c a t i o nc 印a c i 锣o fn e t w o f k s a n da l l 叩t i c a lp a c k e tc l o c kr e c o v e 巧i st l l e m o s ti m p o r t a n tf o u n d a t i o no fa l lo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g 1 1 1t 1 1 i sd i s s 盯t a 曲n ，w ep r a l p o s ean 0 v e ls o l u t i o no fa l lo p t i c a lp 8 6 tc l o c k r c c 0 v e 巧i n10 g b p sa n d4 0 g b p s t h es 咖c t l eo fm i ss o h l t i o ni s f p + s o a ” b e c 叭s e1 0 wf i n e s s ef - p ( f a b r y - p 锄t 丘l 神锄u r c st h a _ tm ec l o c k1 0 c k s 缸t 缸dv a n i s h e s q u i c k l y ，l o wf - m e s s ef - pi se m p l o y c dt 0d i r e c t l y 慨tp a c l tc 1 0 c ki n 也i ss o l u t i o n b u tt l l ed i s a d v 锄t a g ef o ra n 叩t i c a lp a c k c tc l o c kr e c o v e 巧i sm a tl o w6 n e s s ef - pc 弛t s u p p r e s sl o w 一舭q u c n c yn o i s e t h e r e f 0 r es e m i c 衄d u c t o ro 砸la m p l i 6 盯( s o a ) f o n o w s f - ps ot 1 1 a t 廿1 eu t i i 娩a t i o no fs e l f g a i nm o d u l a t i o n( s g m ) 吼l p p r e s s e s n l e l o w 一丘e q u l e n c yn o i 辩 i nc h a p t c r2 ，t h ei n 侄o d l l c t i o no ff p sc o m m o ns 蜘l c t l l r e 觚dc l o c k - f e c o v e 巧 t h e o 巧i s 西v e n ，a n dm 也e m a t i c a le x p r e s s i o n so ft 1 1 e ，仃a n s m i s s i o n 如n c 矗o n ，f i n e s s e 趾d 舭es p e c 缸a l 舢g e ( f s r ) i sd e d u c t e d 。皿e ni nt i m e 锄d 舭q u 髓c yd o 础l i n s ，w ep r o v e t 1 1 a tf _ p 丘l t 盯h 勰t l l ea b m 哆o fe x 缸砌i n gc l o c k 硼s e s 丘o mp a c k e td a t as i 驴a l s ，纽d 坞解c ht l 坞 f - pp a r 锄e t e r s 瑚u 髓c e 衄a 1 10 p t i c a lp a c k e tc l o c kr c c o v e r y b 锯e d0 nm e 觚d l y s i s a b o v e ，w e 血1 wac o n c l u s i o nt h a tl o wf i n e s s ef pe n s u r e sc l o c ks 唧石m e 锄dc l o c k r e l e 嬲et i m ei se n o u 曲s _ h o n ，b u ti sad i s a d v a n t a g ef o rt 1 1 eq u a l 毋o fr e c o v e 巧p a c k e t c 1 0 c k i i lc h 印t e r3 ，t h ea n a l y s i so fs 锄i c o n d u c t o ro p t i c a la 加p n f i 盯i st h ep r i m ；l 巧c o v 嘲g e f i r s ym 抽e 删l t i c a lm o d e l so fc u 仃e n tc a r n e rd e 璐时e q i 盼t i 鸭g a i n 锄d 也e 锄n s m i s s i o n f i l n c t i o n 盯ei n 仃o d l i c e da n d 锄a 船e di nt h e o r e t i c a la n dm l m e r i c i nt h ep r o c e s so f 也e 锄l y s i s ，w ei k 印l yc o m p r e h e n dt h er e s h a p i n gf u n c t i o no fs o a ，觚di 玎p u tb e 锄 p o w e r sa n ds o a si n f l u e n c e 蚀剐【p 】p r e s s i n g 也e 锄p i i t u l ej i t t e r a sar e s u l t ，也e c o n c l u s i o ni so b t a i n e d 恤ts o a h a s 铲e a te 丘 e c to n 瓯1 1 ) p r e s s i n gl o wf e q p e n c yn o i s e m e 锄w h i i e ，w e 觚b l y z et h ec r o s sg a i nm 0 ( 1 u 蜥岱g m ) 锄d 锄s sp 1 1 嬲em 圳a t i o n ( m ) ，a n dr e s e 础1 ei n f l u 钮c eo fs q a a n di n p u tb e 锄sp 黜吼曲懿0 nx g m 强d ) mi nt h e o f e t i c a la n dm l m e r i c b 雒e do n 也ea n 觚y s i s0 fx g m 弛dx p m ，w e m a m 豇n a 石c a l 勰a l y z e 觚ds i 丑咖1 a t ew a v e l e n g t hc o n v e 娼i o na t4 0 g b p s w bl a yt h e l - 0 l m 蛳o no ft 1 1 ee x p c r i m 即皓i nc h a p t e r4b y 也e 锄l y s i sa b o v e i nc h a p t e r4 ，1 0 g b sa n d4 0 g b 彬sa l l o 面c a lp a c k e tc l o c k 删i o n e x p 渤e n ti sp e i f 0 衄e da n d 也er e s u l t d c 粕伽倒强把st h a tt h i ss o m 0 n 啪野椭c th i g h q u a l i t ) rp a 吐e tc l o c ka n dm ep e r i o do fs 唧痂皿ea n dr e l e 器e 缸ei se n o u 曲s h o r tt o o k e y w d r d s ：0 p t i c a lf i b r ec 傩皿u i c 撕0 n ，a l lo 砸c a lp a c k e tc l o c kr e c 棚e f a b r y p e “) tf i l t e r ，s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l 锄p l i 6 e f m 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他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。 学位论文作者签名：柱狄 签字日期：勿口7 年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：在敝 签字日期：加7 年j f 月日 一名：刍荡易 签字日期：知护7 年月f9 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 光纤通信的发展状况 第一章绪论 1 9 6 6 年美籍华人科学家高琨博士在理论上预言光导纤维可以作为光信号的 传输介质后，全球就掀起了对光纤通信研究的热潮。1 1 年之后，世界上的第一 条商用光缆通信线路在美国芝加哥开始使用。光纤通信技术以惊人的速度发展。 现在，光纤通信朝着两个方向发展，即主干网朝着传输高速率、大容量的自动交 换光网络( a s o n ) 发展，最终实现全光网；接入网朝着低成本、综合接入、宽 带化光纤接入网发展，实现光纤到家庭( f t t h ) 和光纤到桌面( f t t d ) 。现在， 光纤通信骨干网的单信道速率已经达到4 0 g b i t s 、1 6 0 g b i t s ，并仍朝着更高速率 发展。今天，光纤已经遍布于世界各地把四大洋五大洲紧密联系到了一起。 作为“信息高速公路”基石的光纤通信技术在过去的三十年来一直保持高速 持续发展，但还是远远不能满足社会对信息的需求，发展迅速的各种新型业务对 光网络提出了更高的要求。国外，在过去的十年左右的时间，世界固定电话用户 从6 亿增长到1 2 亿；移动电话用户从不足l 亿增加到1 7 亿以上，已经超过了固定电 话用户量；i n t e m c t 用户从2 千万增加到8 亿用户。数据业务量更以平均每年增加4 倍的速度增长。而我国作为一个信息产业起步较晚的国家，近年来发展更是显著。 人们对信息的需求和依赖与日俱增，达到前所未有的水平。2 0 0 4 年1 2 月底中国 i n t e m c t 国际干线带宽达到约7 4 g b s ，五年平均年增2 4 5 。2 0 0 6 年前三季度，中 国宽带用户数增长了1 1 2 2 6 万户，总数已经达到了4 8 5 7 6 万户，而且仍然表现出 了强劲的增长势头；2 0 0 6 年1 2 月底，中国i p l v 用户达到5 5 万户，同期增长达到 1 0 6 ；2 0 0 6 年，无线市话短信业务量2 9 8 0 亿条，增长2 4 2 ；而移动电话通话 量方面：本地通话时长1 5 8 8 2 7 亿分钟，增长3 4 7 ；国内长途通话时长9 7 7 8 亿 分钟，增长3 7 0 9 6 ；国际通话时长4 2 亿分钟，增长2 4 5 ；港澳台通话时长4 o 亿分钟，增长2 1 1 ；移动短信业务量4 2 9 6 7 亿条，增长4 1 o ；互联互通通话时 长3 6 3 3 5 亿分钟，增长1 9 4 ；移动短信互联互通业务量7 2 0 1 亿条，增长4 0 3 。 由此我们可以想到，超大容量的通信系统将是我们今后的研究重点。 进一步提高系统的通信容量可以从以下三个方面考虑： 1 ) 充分利用现有的传输窗口。现在可利用的光通信波段有两个：一个是 8 0 0 9 0 0 n m 的所谓短波段窗口，另一个是1 2 0 0 1 6 0 0 衄的所谓长波段窗口。但 是目前商用光通信波长只是在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 的范围内。其他波长如何利用起来 正在受到各国研究工作者的关注。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 增加光波分复用( w d m ) 【1 】信道数，提高频带利用率。原因如下。w d m 先按波长把光波分割为h 、如、h k 个信道，之后在以每个波长为光载波 并调制上f 1 、最、毛氐个子信道。这样，实际的总信道容量一下子就提高到 原单一子信道容量的n n 倍。因此，增加w d m 信道数( 即增加n 的值) 可以充 分利用光波，提高光谱的利用率，提升信道容量。 3 ) 提高单一子信道数据传输速率。随着各种技术的不断突破，光纤的传输 容量越来越高。单一子信道速率已达到4 0 g b i t s 、1 6 0 g b 州一。光时分复用( o t d m ) 技术是增大单一子信道带宽的有效技术。该技术是利用超短光脉冲在时域的分插 复用，使得单波长信道速率数倍增长。它一般能在只占用很窄的光谱宽度的情况 下，有效的增加光网络的传输容量。 由于光时分复用( o t d m ) 和光波分复用( w d m ) 对提高网络数据传输速 率的突出贡献，n u t 就全光网络和i p 技术起草了一系列新的建议，明确指出光 时分复用( o t d m ) 和光波分复用( w d m ) 是提高光纤通信信道容量的两种有效的 方法。 随着光通信线路的传输速率越来越高，处理能力有限的电分组交换网络逐渐 成为了提高网络通信容量的“瓶颈。 由于电分组交换的信号处理速度受到“电子瓶颈 的限制，想进一步提高电 信号的处理能力变得异常困难。所以为了满足当今日益增长的信息量要求，同时 匹配现有的超高速的光通信线路，必须采用全光信号处理技术，摆脱“电子瓶颈” 的束缚。因此，新代的通信网将是全光网络( a o n ：础1 o p t i c a ln 咖o r k ) ， 采用全光的分组交换技术，来摆脱电分组交换的速率瓶颈限制，从而有效的提高 现代网络的通信容量。综上所述，高速率的全光信号处理技术必将成为光通信领 域所关心和研究的重点【3 】【4 】。除了高速率的全光信号处理技术外，光通信领域研 究重点还有新一代的光纤、超大容量波分复用系统、光联网技术、超高速传输系 统、do v e rs d h 与i po 、，c ro l m c a l 以及光接入网等。 1 2 国内外时钟提取技术的发展状况 全光网络的帧时钟提取技术是新一代光分组通信网络的核心技术之一，也是 研究重点。由于帧时钟信息的质量直接影响着后续高速全光信号处理的质量。因 此，全光帧时钟提取单元的主要功能是从接受到的分组数据光脉冲中提取出建立 时间短、消失时间快、低幅度抖动、高信噪比的帧时钟信息。光分组网络的帧时 钟提取方案可分为电域时钟提取，光电域混合时钟提取和全光域时钟提取三类。 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 电域时钟提取 电时钟提取的原理是通过一个高q 滤波器或者电锁相环( p l l ) 【5 】把电信号 中含有的时钟信息提取出来，把无用的电信号噪声滤除出去。光网络中利用电时 钟提取时钟的原理如图1 1 所示。首先，光信号通过光电转换单元( p 玳或a p d ) 变成电信号。然后，再利用前面所述的电时钟提取方法来提取电时钟。之后，电 时钟信号可以通过电光调制器( 如：l n 妯0 3 调制器) 转变为光时钟信号。但是，一 般情况下提取出的信号时钟不直接变为光信号，而是在电域条件下为进一步处理 光脉冲信号做准备。 电域的时钟提取技术现在已经非常的成熟，而且提取的时钟效果也比较好。 但是由于电子器件受限于所谓的“电子瓶颈，所以电时钟提取对传输速率并不 陲詈凳卜陟w 卜谫瓣1l 换单元广 图1 1 电时钟提取示意图 是透明的。这一点限制了电时钟提取在今后的新一代光分组网络中的应用范围。 因此，人们开始探索避开“电子瓶颈 的方法。 1 2 2 光电域混合时钟提取 。光电混合时钟提取方法主要有光电锁相环( p l l ) 6 】和光电振荡器【7 】等。光 电锁相环是利用光器件的非线性效应，如半导体光放大器( s o a ) 的交叉增益调 制( x g m ) 嗍、光纤或半导体光放大器( s o a ) 的四波混频( 删) 【9 】【1 0 】效应 光信号_ 电信号- 一 图l - 2 光电锁相环( p l l ) 基本框图 3 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 进行相位探测，并产生相应的电压信号控制压控振荡产生时钟，完成时钟提取。 常见非线性的光器件有半导体光放大器( s o a ) ，电吸收调制器( 勘蝴) 等等。 图1 2 给出了光电锁相环( p l l ) 的基本框图。 光电振荡器原理是通过输入光脉冲对光电环路进行调制，得到时钟输出。图 1 3 为光电振荡器时钟提取的基本原理框图【l l 】，图中的调制器也可以使用其他调 制器。 光电混合时钟提取是较成熟的提取方案。目前，主要应用于光时分复用 ( o t d m ) 中的帧时钟提取。这类方案仍存在许多缺点。如：器件很多，结构比 较复杂，成本较高等。但是最重要的一点是仍然没有克服“电子瓶颈 。 l l - z i 时钟信号： 一一一一l 一 光号一- 图1 3 光电振荡器时钟提取基本框图 1 2 3 全光时钟提取 全光的时钟提取由于不需要把信号从光变为电再提取时钟，所以避免了“电 子瓶颈”的限制，降低了成本，提高了信号处理的灵活性及光网络分组交换对通 信速率的透明性。 全光时钟提取根据在系统中的作用不同，可分为位时钟提取( b i t - c r ) 、帧时 钟提取( 丘a m e c r ) 【1 2 】。位时钟提取是指从数据光脉冲信号中提取出每一位的同步 脉冲信号，提出的时钟速率和数据脉冲速率相同。帧时钟提取应用在o t d m 系统 解复用中提取帧时钟信息。在本文讨论的时钟提取主要是帧时钟提取。以下将介 绍几种被广泛认可的全光时钟提取方案。 1 基于锁模技术的光纤环形激光器时钟提取方案 锁模技术【1 3 】是将多纵模输出的激光束，利用器件的非线性效应，使多个纵模 之间具有确定的相位关系，相互叠加后形成窄脉冲输出。在这种时钟提取方案中， 我们采用注入锁模技术，即利用注入的光信号对激光器形成调制，产生锁模光脉 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 冲。在时钟提取中锁模激光器通常使用光纤锁模激光器、半导体锁模激光器。 早期光纤锁模激光器利用光纤的非线性注入锁模【1 4 】。这种方法缺点很大，由 于光纤非线性系数小，需很长的光纤提供所需的非线性，因此系统的稳定性及差， 噪声、损耗和偏振态变化也都很难控制。目前则主要利用非线性光学器件注入锁 模f 瑚。采用非线性光学器件注入锁模极大的提高了系统的稳定性和可控性。图 1 _ 4 是以半导体光放大器( s o a ) 作为非线性器件进行锁模时钟提取的基本框图。 在这种方案中主要是利用s o a 的交叉增益调制或交叉相位调制特性，将光信号直 接注入到半导体放大器中，通过调制光纤环行激光器腔内的损耗或相位，使腔长 匹配形成锁模，从而得到高重复速率、波长可调谐的时钟脉冲输出。 这种时钟提取方案较早期的方案优点很多，如：腔长易于调节，工作频率可 灵活改变；输出波长可调谐；具有较高速率的工作潜力；方案结构简单，采用普 通商用器件即可。但也有一些问题。首先，由于光纤非线性系数小，所以环形腔 的腔长一般很长，时钟建立和消失时间较长，不利于分组数据时钟快建立快消失 的要求，而且腔内超模噪声也很难抑制。其次，采用s o a 作为非线性器件，而 s o a 受载流子恢复时间的制约，还会影响处理连续长连“o ”或“l ”码时的能力，即 会造成码型效应( 时钟幅度有高有低) 。而且这种结构体积较大，不易于集成， 易受外界环境影响，稳定性差等。 c l o c k l u 图l - 4 基于光纤锁模激光器的时钟提取框图 2 基于半导体锁模激光器的时钟提取方案 用半导体锁模激光器m l l ( m o d e l o c k e dl a s e r ) 进行时钟提取【1 9 】是目前使 用较多的一种方案。其原理和基于锁模技术的光纤环形激光器时钟提取原理很类 似，都是通过激光腔对输入数据脉冲锁模来产生时钟信号。 半导体锁模激光器内部结构如图1 5 。一般分三个区，它们分别是吸收调制 区( n l o d m a t i o ns e c t i o n ) ，增益区( g a i ns e c t i o n ) ，反射区( r e n e c t i o ns e c t i o n ) 。基于半 导体锁模激光器m l l ( m o ( 1 e - l o c k e dl a u s e r ) 的时钟提取方案主要是利用饱和吸 收( s a ) 区和增益区的相互作用，输入的光信号通过饱和吸收区对腔内的光进 天津大学硕士学位论文第一章绪论 行调制，当激光器腔基频与输入的高速数据信号的速率相配时，就实现了时钟提 取的功能。图1 6 给出了一种波长可调的半导体锁模激光器( 1 m i i ，) 的时钟提 取结构图。 o u i o 幔 i l g h l 翻删 图l 一5 半导体锁模激光器结构原理 采用半导体锁模激光器提取时钟有很多优势，如：工作波长可调范围宽，系 统简单，集成度高，时间抖动小等。并且和前面所述的光纤锁模激光器相比，半 导体锁模激光器的腔长很短，并且其基频就是时钟脉冲的频率，因此不会产生超 模噪声。但是半导体锁模激光器其本身的缺点也很多，如结构复杂，腔长很短需 精确控制腔长，制作工艺难度大，目前还没有成熟的商用品等。 图l _ 6 可调半导体锁模激光器( 1 m l i ) 的时钟提取结构图 3 基于自脉动( s e l f - - p u l s 撕n g ) d f b 激光器的时钟提取方案 自脉动( s e * p l l l s a t i n g ) 现象是指半导体激光器在注入电流保持不变时其光 功率发生周期性变化【协1 7 】。通常自脉动现象是由于激光器内部增益、吸收等的 不均匀所产生，是一种不良现象。但是如果从另一方面考虑，这一特性也有可用 之处。如，控制自脉动频率使其与光传输信号的时钟频率同步，就可以用在光传 输系统中提取时钟信号。 自脉动d f b 激光器内部结构分两区f 2 0 】和三区【2 1 1 两种。但由于三区结构的自 脉动d f b 激光器有更好的受控性，所以三区激光器更常用。其结构如图1 7 ( a ) 所示。激光器这三部分分别是：d f b 增益区( l 船e rs e c t i o n ) 、相位调制区( p h a s e 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 t 吼i n gs e c t i o n ) 、d f b 反射区( r e n e c 缸s e c d o n ) ，器件两端镀有增透膜( a r - c o a 血曲。 各部分的具体工作原理如下。反射区没有明显的吸收和增益，相当于一个布拉格 反射镜，有选择的反射不同的波长，可以忽略光子与电子的相互作用。通过调节 反射区工作电流可以实现调整反射谱曲线。反射率与波长的关系如图1 7 ( b ) 所 示。增益区工作在超过激光器阈值电流的大电流条件下，为激光器的输出光提供 增益，从而增大输出光强。相位调制区不含光栅层和工作物质层，通过调节此区 工作电流可实现光信号的相位调制，改变输出光波长。 自脉动d f b 激光器产生光脉冲的过程如下：调节调相区的工作电流，使输 出光波长位于反射谱曲线负斜率很陡的区域内。当产生输出光时，随着自脉动 d f b 激光器内部反射光光强的增大，工作物质的折射率开始增大，内部反射光 开始红移( 即波长变长) 。反射区的反射率随着内部反射光红移迅速减小，透射 光迅速增加。此时，由于电子被消耗浓度降低，反射光开始迅速减小，增益下降， 使得输出的激光熄灭。当电子浓度恢复后，又一次重复上述过程。在这个不间断 的周期性过程中，当波长红移至反射谱的谷值处，反射率变低透射率很高，形成 激光的脉动输出。自脉动的周期与电子的恢复时间有关来，可以通过调节工作电 流控制电子浓度的恢复时间，实现对自脉动的周期的控制。 、 ( a ) 刁 o o 皇 j d i 曩即憎l 扮r 酊戚口r 嗣r 啊 d 同兽面t 舳p 蚋脯节：m 翻格。 喜讧丑 州舅啊m - - ( b ) 图1 - 7自脉动d f b 激光器结构和反射谱曲线 当用于时钟提取时，信号光注入自脉动d f b 激光器内和自脉动过程一起消耗 激光器内部载流子，使最终自脉动输出的光脉冲信号频率和信号光脉冲形成同 步，从而实现时钟提取。这种方案用于时钟提取输出的频率变化范围可达6 4 6 研 z 【2 2 1 ，最高工作频率亦可达1 8 0 g 王z 【2 3 】，因此可以实现码率灵活的时钟提取。 此方案优点很明显。如：体积小，可集成，工作速率高，频率变化范围大， 时钟建立时间非常快。但缺点也很明显：结构复杂，造价昂贵，还没有成熟的商 7 乃_coatin口 天津大学硕士学位论文第一章绪论 用品。 4 基于法布里一珀罗( f p ) 谐振腔的时钟提取方案 法布里一珀罗( f p ) 谐振腔是一种梳状滤波器【摊矧，它能够选择波长的原 理如下。f p 滤波器由两面相互平行的具有一定反射率的反射面构成，光线由光 纤输入腔中并在两反射面间多次反射。通过调整两反射面的间距，可以使某一波 长的光通过腔体，其他波长的光则被滤除，即实现滤波作用。图1 8 为f p 滤波 器的结构简图。入射光从输入光纤进入经过校准后，进入腔体并振荡滤波，重新 聚焦后，通过输出光纤输出。 基于f p 滤波器的时钟提取方案的优势显而易见。它具有结构简单、捕获时 间短等特点。这种方案利用一个无源f a b r y p e 0 t 诣振腔从光信号中提取时钟成 分。由于是无源结构，理论上通过减小谐振腔长度可以在超高比特率( 如：t r b p s ) 下工作。 平面镜 平面镜 - _ i - _ - _ 入射光 图1 8f - p 腔结构 输出光 - - l - i _ i l 光数字信号叫f - p 滤波器卜l 脉冲整形卜一光时钟脉冲 r o _ _ _ - _ - o - _ l - - - 1 o - _ l - _ - _ _ _ o _ _ 图1 9f - p 滤波器提取时钟 在基于f - p 滤波器的时钟提取方案中，时钟的建立和消失时间取决于振荡腔 的长度和腔内能量耗散的方式。提高滤波器的精细度可以抑制时钟输出的幅度和 时间抖动，使输出脉冲更加均匀平稳，但是随精细度的提高，时钟建立和消失时 间也会加长。利用低精细度的f - p 滤波器可以使分组时钟快速建立和快速消失， 保证了分组交换网络的网络利用率。而在其他常用的时钟提取方案中，基于锁模 技术的光纤环形激光器时钟提取方案、基于半导体锁模激光器的时钟提取方案、 基于自脉动( s e l f - p u l s a t i n g ) d f b 激光器的时钟提取方案等等，用于分组交换均 不理想。基于锁模技术的光纤环形激光器时钟提取方案，由于腔长较长，时钟建 天津大学硕士学位论文第一章绪论 立时间过长；基于半导体锁模激光器的时钟提取方案和基于自脉动 ( s e l f p u l s 撕n g ) d f b 激光器的时钟提取方案中激光器腔长很短，时钟建立时间 较短，但它们的时钟消失的时间过长。相比较而言，选用低精细度的f p 滤波器 后，时钟建立和消失时间均较短，而且f p 滤波器是无源器件，结构简单紧凑， 工作可靠，成本低，非常适合用于分组时钟提取。 1 3 本文主要工作和创新点 本论文是在国家8 6 3 资助项目“码率灵活的全光3 r 再生技术研究”，华为合 作项目“全光3 r 再生器”的相关研究成果的基础上，在高等学校博士学科点专项 科研基金“用于光分组交换的全光帧时钟提取技术研究”的资助下完成的。 论文结合“用于光分组交换的全光帧时钟提取技术研究 项目，着重在以下 几个方面展开工作： 1 针对全光分组时钟提取方案中的关键器件f p 滤波器进行理论分析。描述了 入射光在f p 腔内的电场分布，得出传输函数、精细度和自由光谱区的表达 式。同时利用o p t i s y s t e d l 3 0 模拟f - p 滤波器不同精细度对全光帧时钟提取 的影响。并在此基础上，指出了f p 滤波器可以对随机码序列进行时钟提取 的前提条件。 2 提出基于f p 滤波器的全光时钟提取的具体实验方案：采用了自由光谱区与 线路码率精确匹配的法布里珀罗( f p ) 光滤波器。但由于f p 滤波器q 值 不高，时钟的幅度起伏较大。因此，在f p 之后利用s o a 的自增益效应( s g m ) 对帧时钟信号进行整形，从而得到较高质量的帧时钟信号。实验中，最终得 到时间抖动小、建立时间快和消失时间短的1 0 g b p s 和4 0 g b p s 帧时钟脉冲。 3 对全光帧时钟提取方案中s o a 的特性进行了理论研究和仿真分析。在理论 上分析s o a 的载流子特性、增益特性和传输函数，揭示出s o a 非线性的物 理原因。根据s o a 的s g m 效应，得出结论：s o a 对信号中的低频成份有 很好地抑制作用。讨论利用s o a 减少低频噪声抑制时钟脉冲幅度起伏的方 法，并成功在实验中进行了验证。 4 在全光3 r 时钟提取实验的基础上，经过对f p 滤波器结构的理论分析和实 验的准备，自行设计可用于实验的低精细度f p 滤波器，并应用于全光帧时 钟提取方案中。在1 0 g b i t s 帧时钟提取实验中，取得质量较好的帧时钟输出。 其时间抖动小于2 3 5 p s ，建立时间和消失时间分别为8 个码元周期和3 1 个 码元周期，稳定时钟脉冲的持续时间为2 6 4 个码元周期。同时利用该滤波器 在4 0 g b i t s 帧时钟提取实验中也取得了良好的帧时钟输出。其中，建立时间 9 天津大学硕士学位论文第一章绪论 和消失时间分别为1 5 个码元周期和1 1 5 个码元周期，稳定时钟脉冲的持续 时间为4 0 0 0 个码元周期。 本论文的创新点： 1 利用低精细度的自由光谱区为1 0 g h z 的f p 滤波器来完成1 0 g b p s 和4 0 q ) p s 全光帧时钟提取。实验中所用到的f - p 滤波器的精细度约6 0 左右，可从光 信号中提取出分组时钟包络非常明显的时钟。 2 利用低精细度f p 滤波器成功提取出建立时间和消失时间，非常小的帧时钟 包络。 3 利用s o a 的s g m 效应来抑制低频噪声。在f p 滤波器提取得到的分组时钟 中，时钟的幅度很不平坦( 即，有一定的低频噪声) ，将时钟通过s o a ，利 用s o a 的s g m 效应抑制了时钟幅度的起伏，从而进一步改善了帧时钟平坦 度和帧时钟包络的上升沿。 1 0 天津大学硕士学位论文 第二章f p 滤波器理论分析及在帧时钟提取中的应用 第二章f p 滤波器理论分析及在帧时钟提取中的应用 f p 光滤波器是以高分辨率和高测量精度的f p 谐振腔为基础的，一种无源 光滤波器，其具有稳定性高，通带窄等优点。f p 谐振腔结构一般由两个具有一 定反射系数的反射面构成，中间有一个平行腔体，光束在两个平行镜间多次反射 并在输出端发生干涉，从而对注入光波中特定的波长成分进行选择。这个过程就 实现了滤波的作用。 2 1f p 滤波器的工作原理及理论分析 2 1 1 f p 滤波器的工作原理 图2 一l 是一个由谐振腔( 由两个相互平行的平面反射镜构成) 组成的标准f p 滤 波器的结构简图。当光信号由一端进入谐振腔后，开始在两个有一定反射系数的 镜面间来回反射，当腔体大小三满足入射光的半个波长纠2 的整数倍时( 即 2 工= 力) ，则此波长的光波会发生干涉而输出光波，其它波长的光波则会被抑制。 反向透 平面镜 平面镜 1 萎 l = n 九? 2 7 乏 入射光薹 图2 1f - p 谐振腔结构的光滤波器 0 砸娠e 一_ j 订夏汪垦型 一r 、et ，e 。| 1 一且) r e h p ，。 图2 2 光信号在f p 滤波器中的电场强度分布 天津大学硕士学位论文 第二章f - p 滤波器理论分析及在帧时钟提取中的应用 图2 - 2 是光的电场强度示意图。其中假设反射镜为均匀的功率反射系数为r 的理想平面反射镜；两平面反射镜之间的物质是均匀的，无杂质的，吸收功率损 耗系数为0 的理想介质。 透射出的光信号实际上是数次透射光的叠加。其具体原理如下： 首先我们作如下假设： 1 功率反射系数为r ，所以光波的电场振幅反射率为瓦。 2 进入腔内的光信号电场强度是瓦。 3 腔内无漫反射和散射等现象。 当入射光以场强为瓦到达第一块平面反射镜左侧时，则光信号进入腔内电 场场强将变为1 一r 瓦。由于信号在谐振腔内传播没有损耗，因此信号到达第二 块平面反射镜时电场场强为1 一只互。矿脚，其中是传播常数。由于光在平面反 射镜处不是全反射，所以信号将透过第二块平面镜有光输出。其电场场强为 ( 1 一只) 瓦p 一删。其余部分被反射回腔内，并且这部分光信号的电场场强为 1 一r r 玩p 一删，这一部分光信号再次回到第一块平面反射镜时场强为 1 一r 尺e 如矿彬，再经反射又回到第二块平面反射镜时电场场强为 1 一r 魍。p _ 3 删。这时还将有光透射出反射腔，并且其电场场强为 ( 1 一只) 飓。p - 3 删。光信号如此反复振荡下去，在输出端又有很多次输出。这些输 出的光叠加在一起，并发生干涉。根据相位不同可能出现干涉加强或干涉减弱， 而只有波长满足2 l = m 的光波才能因干涉而加强，实现滤波作用。 由于输出光信号是若干透射光的叠加，所以输出光瓦，的电场强度表达式如 下： = 薹( 1 一r ) 掣瓦e - ( 2 槲”肛= 警瓦 ( 2 1 ) 其中p 为传播常数：呈三：垄堑，c 是真空中德光速；由上式我们可以推出 f - p 滤波器的传输函数胃( ) ： 町) = 乏= 蠕 ( 2 2 ) 并且由于a = ，所以传输函数日( 厂) 可以表示成日( 免) ： j 硼) = 争= 筹 ( 2 3 ) 、7 2 免1 一r b 一4 删， 7 以上是利用光波的电场场强推导出的传输函数公式，并且由于光功率和电场 场强是平方的关系，所以f - p 滤波器的传输功率谱函数可由下式表示： 1 2 天津大学硕士学位论文第二章f p 滤波器理论分析及在帧时钟提取中的应用 r ( 力= 1 日( ) 1 2 = 石万嵩盏丽 ( 2 4 ) 由于腔内并非是真空，所以光速c 改成c 锄。则上式就改写为： h 厂) = 1 日( 厂) 1 22 百j 孬彳芝毫篓隔 ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可知，f p 滤波器的透射谱曲线是梳状曲线。用m a m k l b 仿真如图 2 3 所示。图中是当f p 腔长为定值时，不同的反射系数对应不同曲线。传输功 率谱函数在频域上是周期性函数，形状是明显的均匀梳状窗口。我们在图中可以 明显看出反射系数对梳状窗口形状的影响。随着反射率增高，梳状窗口的宽度会 越来越窄。同时也可以看出，腔长固定后，透射窗口的位置就不会在改变了。传 输功率谱函数在频域上是周期性函数，但在波长域上不是严格的周期性函数，但 对于波长变化范围很小的情况下，可以认为是有周期性的。 图2 - 3 反射系数对f p 滤波器功率谱传输函数的影响 从图中可以看出，我们要描述这个梳状窗口应该至少有两个参数： 1 峰与峰之间的距离：自由光谱区。计算公式如下： ， 艘2 刍 ( 2 6 ) 2 刀d 、7 其中，d 为谐振腔的腔长，n 为腔中介质的折射率，c 是真空中的光速。 2 滤波器窗口的相对宽度：f 。p 滤波器的精细度。计算公式如下： 加黜弘晶= 高 眩7 ) ，z 刀劣s p = 一2 _ ：- 2 7 l 。 ，矽丑mf l r 1 。7 其中，r 是功率反射系数，f w h m 是透射谱一个窗口的半高全宽，它的近似 计算公式： ，。南等 ( 2 8 ) 2 砸霞一r 、。 我们可以看到精细度力玎跚p 的计算公式中只有一个自变量r 。即f - p 光滤波 天津大学硕士学位论文第二章f - p 滤波器理论分析及在帧时钟提取中的应用 器的精细度只由功率反射系数r 决定。随着功率反射系数r 的提高，精细度一万聊e 将逐渐增大。理论上，精细度励鲫p 可以无限大，如图2 _ 4 。但是由于制造工艺 的限制，精细度励鲫p 不可能无限大。所以，要想提高这种简单的f p 谐振腔结 构的光滤波器的精细度，就需要对这种结构进行改进。两种可能的方法是多路径 和多腔体。由于本论文中的实验对高精细度的f p 光滤波器没有涉及，所以本文 在这里不再进行介绍。 精 细 度 反射率 图2 4 反射率与精细度的关系 2 1 2 自制低q 值f p 滤波器简介 2 1 2 1 自制1 0 g h z 低q 值f p 滤波器简介 本论文中采用的是自制的f p 滤波器，下面对它的结构和优点作简要的介 绍： 由于光线在f _ p 谐振腔内往返振荡，所以滤波器的反射腔面的平行度直接影 响着滤波器的参数和性能。而高平行度的反射腔面制作工艺是非常难实现的，致 使精细度较高的滤波器造价很高。为了解决这一问题，我们提出了一种新的f p 滤波器结构，如图2 5 。下面简要介绍该结构。 首先，由于可以对单模光纤纤芯的芯径、折射率，包层的折射率、半径以及 工作波长进行恰当的设计，我们就可以使单模光纤的归一化频率vi 临近基模 ( l p 。) 的高阶模式( 通常是l p 。，) 都被截止的条件下。这样单模光纤内就只能 存在唯一的模式h e ，。相应波长的入射光透过端面进入f - p 腔内只能延纤芯的轴 向传播，当到达另一端面反射后仍然沿原路反向传播。这样光波在腔内反