（通信与信息系统专业论文）全光3r再生系统中的全光时钟提取技术研究(1).pdf

摘要 光纤通信的两大发展趋势之一是主干传输向高速率、长距离的光传送网发 展，最终实现全光网。光信号在传输过程中积累的各类损伤( 衰减、色散、非线 性效应) 导致信号质量变差，限制了系统的传输速率和距离。全光3 r ( 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 ) 再生技术能够很好的解决这一问题， 而全光时钟提取是全光3 r 再生的核心技术。本论文围绕全光时钟提取展开了以 下几方面的工作： 1 对全光时钟提取方案中的关键器件s o a 进行了详细的理论分析，并通过仿 真软件o p t i s y s t e m 3 0 模拟了基于s o a 的交叉增益调制效应的波长变换，具 体分析讨论了s o a 在不同的控制光功率、连续光功率和偏置电流下的增益 特性，通过4 0 g b p s 波长变换实验对仿真结果加以验证，为在时钟提取实验 中合理有效地使用s o a 提供了理论和实验依据。 2 以对主动锁模激光器锁模原理的介绍为基础，分析了注入锁模光纤激光器的 工作原理；介绍了马赫一曾德干涉仪的基本结构和工作原理，分别从时域和 频域分析了马赫一曾德干涉仪的传输特性，验证了其对提高时钟质量的作用， 为基于注入锁模的时钟提取实验提供了理论基础。 3 进行了基于注入锁模的全光时钟提取实验。首先进行了1 0 g b p s 的时钟提取 实验，得到了噪声性能很好的1 0 g h z 时钟脉冲的波形图和光谱图，并验证 了马赫一曾德干涉仪的效果。然后进行了4 0 g b p s 的时钟提取实验，成功地从 4 0 g b p s 伪随机信号中提取出质量较好的4 0 g h z 时钟脉冲。最后，通过改变 实验中的注入信号功率、s o a 偏置电流和滤波器中心波长，比较了不同参数 条件下提取出的时钟信号的效果，为优化各个参数提供了实验依据。 4 进行了基于u n i 的时钟提取实验。首先介绍了u n i 的基本工作原理，并从 琼斯矩阵和传输函数两个角度加以理论分析。然后介绍了将u n i 应用于时钟 提取的方案，进行了基于u n i 的1 0 g b p s 时钟提取实验，得到波形较好的 1 0 g h z 时钟脉冲，并分别改变控制光功率、s o a 偏置电流、e d f a 工作电流 等参数，观察其对时钟质量的影响。最后进行了4 0 g b p s 的时钟提取实验， 得到了4 0 g h z 时钟脉冲的波形图和光谱图。 关键字：全光时钟提取、注入锁模、半导体光放大器、交叉增益调制、交叉相位 调制、马赫一曾德干涉仪、超快非线性干涉仪 a b s t r a c t o d eo ft h et w o d e v e l o p m e n t t r e n d si n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ni s o p t i c a l t r a n s f e r - n e t w o r k ( o t n ) ，e v e na l l o 埘c a l 一n e t w o r k ( a o c ) w i t hh i g hs p e e da n d l o n gh a u l t h eo p t i c a ls i g n a l sw i l lb ed e g r a d e db ym a n yf a c t o r s w h i c hl i m i tt h e t r a n s m i s s i o nc a p a c i t ya n dd i s t a n c e t h i sp r o b l e mc a nb ew e l l s o l v e db yu s i n g 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 yi s ak e yt e c l m o l o g yi na l l o p t i c a l3 r r e g e n e r a t i o n i nt h i sp a p e r , w es p r e a do u rw o r ko ni n j e c t i o nm o d e l o c k e dc l o c k e x t r a c t i o ni nf o l l o w i n ga s p e c t s 1 a st h ek e yc o m p o n e n to fc l o c kr e c o v e r y , s o ai ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l yi nd e t a i l t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o a x g ma r ee m u l a t e du s i n gs o f t w a r eo p t i s y s t e m 3 0 t h e nw ec o m p l e t et h ee x p e r i m e n to f4 0 g b p sw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，f r o mw h i c h w ev a l i d a t et h es i m u l a t i o nr e s u l t s s ot h a tw em a k et h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o n so nu s i n gs o ae f f e c t i v e l yi nc l o c kr e c o v e r y 2 b a s eo nt h ea n a l y s i so fa c t i v em o d e l o c k e df i b e rl a s e r , w ed e m o n s t r a t et h e p r i n c i p l eo fi n j e c t i o nm o d e 1 0 c k e df i b e rl a s e r w ea l s o i n t r o d u c et h eb a s i c s t r u c t u r ea n dp r i n c i t l eo ft h em a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( m z i ) ，a n di n v e s t i g a t e i t st r a n s m i s s i o nf u n c t i o n sb o t hi nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o r a a i n t h e s e s u p p o r tt h ei n j e c t i o nm o d e l o c k e dc l o c kr e c o v e r yi nt h e o r y 3 ，ec a r r yo u tt h ee x p e r i m e n t so fa 1 1 o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yb a s e do ni n j e c t i o n m o d e 1 0 c k e dl a s e r a tf i r s t w ec o m p l e t e1 0 g b p sc l o c ke x t r a c t i o na n dg e tt h e w a v e f o m la n ds p e c t r t u nf i g u r e sw i t l lg o o dc h a r a c t e r i s t i c s 丹o mw h i c ht h ee f r e c t o fm z ib ep r o v e d t h e nw es u c c e s s f u l l ye x t r a c t4 0 h zc l o c kp u l s e sf r o m4 0 g b p s p s e u d o - r a n d o ms i g n a l s c h a n g i n gt h ei n j e c t i o ns i g n a lp o w e r , t h eb i a sc u r r e n to f t h es o aa n dt h ec e n t r a lw a v e l e n g t ho ft h ef i l t e r , a n dw eg e tt h ed i f f e ：r e n t e x p e r i m e n t a le f f e c t so f t h ec l o c ks i g n a l s 4 w ep e r f o r mt h ec l o c ke x t r a c t i o ne x p e r i m e n t su t i l i z i n ga nu l t r a f a s tn o n l i n e a r i n t e r f e r o m e t e r ( u n l l f i r s t w bi n t r o d u c et h eb a s i cw o r kp r i n c i p l eo ft h eu n i t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ej o n e sm a t r i xa n dt h et r a n s m i s s i o nf u n c t i o n t h e nw e d e m o n s t r a t et h ec l o c kr e c o v e r ys c h e m e u s i n gt h e u n i a n da c h i e v et h e 10 g b p s 4 0 g b p sc l o c kr e c o v e r y 。a tt h es a l n et i m e 。w eo b s e r v et h ed i f i e r e n tc l o c k w a v e f o r i l l su n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s s u c ha st h ec o n t r o ls i g n a lp o w e r , t h e b i a sc u r r e n to f t h es o aa n dt h ew o r kc u r r e n to f t h ee d f a k 呵w o r d s ：a l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r y , i n j e c t i o nm o d e l o c k e d ，s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r , c r o s s g a i nm o d u l a t i o n ， c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ， m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , u l t r a f a s tn o n l i n e a ri n t e r f e r o m e t e r j l 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，也不包含为获得盘鲞盘茎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： 与爽 签字日期：。埘年2 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘芏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： 与次 导师签名 亏零乞 签字日期：五啦睁。月2 2 ，日 签字日期：) 卿于年。月咱 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 光纤通信由于具有低损耗、高容量、高传输速率、不受电磁波干扰、保密性 强、重量轻、体积小等诸多特性，在从2 0 世纪7 0 年代至今的二十多年中，发展 速度相当快，它将给2 l 世纪的经济及人类生活带来极大的影响。 1 9 7 0 年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从 理想变为可能。经过大约十年的发展，1 9 8 0 年b e l l 实验室铺设的4 5 m b p s 、7 k m 的传输系统拉开了光纤通信的大门 j 1 ，之后短短几年就发展到1 7 g b p s 、5 0 k i n 两 路w d m 的水平【2 】。发挥光纤的巨大容量始于波分复用技术( w d m ) 平i 掺铒光纤放 大器0 s d f a ) 的应用。1 9 8 5 年英国南安普顿大学首先研制出掺饵光纤放大器 ( e d f a ) ，1 9 8 7 年美国贝尔实验室一夜之间决定放弃相干光通信的研究，集中 力量开发w d m 技术，使进入9 0 年代的光纤通信容量又提高了一个数量级，达 到了2 5 g b p s x 8 0 、1 0 g b p s x 4 0 的水平，中继距离达到6 4 0 k m 3 j i8 1 。每根光纤的通 话路数从1 9 8 0 年的6 7 2 路增长到1 9 9 9 年的5 ，1 6 0 ，0 0 0 路，增长了7 6 7 8 倍。到了 九十年代中期，以w d m 、e d f a 技术为基石的第五代光通信系统已发展起来， 人类社会进入太拉( t e r a ) 通信世纪。 从应用范围来说，光通信技术的发展主要有两个大的方向：主干传输向高速 率、大容量的光传送网( o t n ) 发展，最终实现全光网：接入向低成本、综合接 入、宽带化光纤接入网发展，最终实现光纤到家庭( f t t h ) 和光纤到桌面( f t t d ) 。 o t n 的基础是密集波分复用( d w d m ) ，d w d m 的基础是电或光的t d m 技术。 光传输发展的一个趋势是时分复用( t 工) m ) 和d w d m 技术的结合，这既能提供 所需的网络带宽，又能获得所需的服务质量以及同步光网络( s o n e t ) 同步数 字系列( s d h ) 和电信管理网( t m n ) 所提供的网络管理功能。 进一步提高系统的通信容量可以从以下三个方面考虑： 1 ) 拓展新的传输窗口。目前所利用的长波长通信带宽在l5 3 0 n m 15 6 5 n m 的c 波段，对更宽频带的开发利用( l 波段和s 波段) 正在受到各国研究工作者的 关注 9 1 r 1 0 。2 0 0 3 年，y u k o um o c h i d a 等人在c 和l 波段上采用了v i p a 色散补偿 的自适应控制，成功地完成了6 0 0 k m n z - d s f ( p u r e g u i d e f i b e r ) 3 5 t b s ( 4 3 g b s x 8 8 c h ) 的传输实验j 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 进一步增加w d m 信道数，提高频带利用率。在目前中国电信、中国联 通的少数骨干网的规范书中，已经有要求采用最大容量为】6 t 的d w d m 传输 平台，即最大1 6 0 个波，每个波道开通1 0 g ，不少进口厂商已经可以提供1 6 t 的系统，如a l c a t e l 的1 6 4 0 w m ，s i e m e n s 的m t s 2 0 等。2 0 0 4 年9 月2 目， m i n t e r a 和瑞典a c e r o 宣布成功利用现有2 5 g 1 0 g 系统实现8 2 0 公里4 0 g 传输【l ”。 3 ) 提高单信道数据传输速率。现阶段单信道的最高速率为4 0 g b p s ，已经达 到了电子器件速率的极限。o t d m 是增大单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。它在只占用 e d f a 很窄的频谱宽度的情况下就能有效增加光网的传输容量。i t u t 就全光网 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 ) 是提高光纤通信传输容量的两种有效的方法，都是全光网不可分割的组 成部分。 光纤通信技术在过去的二十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电信网络提出了革命性的要 求：一方面要求通信网络具有更高的传输速率和更大的通信容量，另一方面还要 求网络节点能够灵活地可靠地对高速数据进行处理。波分复用( w d m ) 技术的采 用使网络容量得到了很大的提高，相对而言，高速率信号处理技术的发展则明显 滞后。传统的电信号处理的速度受到“电子瓶颈”的限制，目前电信号能够实现 的最高速率为4 0 g b p s ，已接近了电子器件的速率极限，再进一步提高变得非常 困难。所以为了满足目益增长的带宽要求，必须采用全光信号处理技术，避开电 子瓶颈。另外，建立下一代高速率全光网络的呼声日益高涨，尤其是i po v e rw d m 、 i po v e fo p t i c a l 等构想的提出，使对高速率的全光信号处理技术的要求变得目 益紧迫，全光信号处理也成为最近一段时间以来通信界关心和研究的热点。 全光3 r 中继技术( r e a m p l i f y i n g ，r e s h a p i n g ，a n dr e t i m i n g ) 是其中一种非 常重要的全光处理技术。在长途干线上，它可以用来克服信号传输过程中的衰减、 噪声、串扰和非线性积累，大大扩展了信号的传输距离。而在未来的全光网络中， 由于光交叉互联和光交换过程，使得无法确定信号从源端到目的端的节点数，也 就是说经过的光纤长度变得不可预测。在这种情况下，现有的固定色散补偿等技 术无法克服色散带来的影响，必须采用信号再生技术来保证网络的灵活性和可扩 展性。因此，全光信号再生技术被认为是未来全光网络的基本技术。 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 全光3 r 再生技术 在未来的全光网络中，光信号经过带有e d f a 的长距离光纤线路的传输和中 间节点的光处理后，由于光纤的非线性效应，即自相位调制( s p m ) 、交叉相位 调n i ( x p m ) 和四波混频( f w m ) ，与群速度色散( g v d ) 的联合作用会导致光信号脉 冲的形状和频谱发生畸变；光放大器的自发辐射噪声( a g e ) 与g v d 的联合作 用引起的孤子脉冲定时抖动的积累；所有这些因素造成了信号的严蕈损伤，限制 了网络节点级联的能力，最终限制了系统和网络的传输速率和距离。所以光信号 的全光3 r 再生变得十分必要u 3 j 【“l 。 1 2 1 全光3 r 再生技术的产生背景和研究意义 信息在光纤中传输时，如果光纤损耗大和色散严重将会导致最后的通信质量 很差。损耗会导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减，这可以通过全光放 大器来提高光信号功率；色散会导致光脉冲发生展宽，发生码问干扰，使系统的 误码率增大，因此，必须采取措施对光信号进行再生。日前，对光信号的再生都 是利用光电中继器，即光信号首先由光电_ _ 二极管转变为电信号，经电路整形放大 后，再重新驱动一个光源，9 、而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复 杂、体积大、耗能多的缺点。而最近，出现了全光信息再生技术，即在光纤链路 r 每隔几个放大器的距离接入一个光谰制器和滤波器，从链路传输的光信号中提 取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉冲变 窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全 光信息再生技术不仅能从根奉上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中 继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。 在w d m 系统中，随着单波长的速率提高和复用的波长问隔的不断变小，一 些因素渐渐成为限制系统速率进步提高和中继距离进一步加大的障碍。e d f a 的广泛应用，使得w d m 系统得到很大的发展，信道的平均光功率和中继距离得 到大大的改善，系统不再受光纤损耗的限制，而这时色散和非线性效应就成为限 制系统的重要因素。 首先说色散，标准单模光纤( g 6 5 2 ) 在波长1 5 5 0 n m 处的色散系数约为： 1 7 p s ( n m k m ) 。随着传输距离的增加，脉冲将会展宽，脉冲的展宽意味着系统速 率的提高受到了限制、无中继距离的变婀和信号质量的恶化。对普通单模光纤来 率的提高受到r 限制、无中继距离的变短和信号质量的恶化。对普通单模光纤来 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 全光3 r 再生技术 在未来的全光网络中，光信号经过带有e d f a 的长距离光纤线路的传输和中 间节点的光处理后，由于光纤的非线性效应，即自相位调制( s p m i ) 、交叉相位 调制f x p m ) 和四波混频( f w m ) ，与群速度色散( g v d ) 的联合作用会导致光信号脉 冲的形状和频谱发生畸变；光放大器的自发辐射噪声( a s e ) 与g v d 的联合作 用引起的孤子脉冲定时抖动的积累；所有这些因素造成了信号的严重损伤，限制 了网络节点级联的能力，最终限制了系统和网络的传输速率和距离。所以光信号 的全光3 r 再生变得十分必要【”】 1 4 1 。 1 2 1 全光3 r 再生技术的产生背景和研究意义 信息在光纤中传输莳，如果光纤损耗大和色散严重将会导致最后的通信质量 很差。损耗会导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减，这可以通过全光放 大器来提高光信号功率；色散会导致光脉冲发生展宽，发生码问干扰，使系统的 误码率增大，因此，必须采取措施对光信号进行再生。目前，对光信号的再生都 是利用光电中继器，即光信号首先由光电二极管转变为电信号，经电路整形放大 后，再重新驱动一个光源，从而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复 杂、体积大、耗能多的缺点。而最近，出现了全光信息再生技术，即在光纤链路 上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提 取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉冲变 窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全 光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中 继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。 在w d m 系统中，随着单波长的速率提高和复用的波长间隔的不断变小，一 些因素渐渐成为限制系统速率进一步提高和中继距离进步加大的障碍。e d f a 的广泛应用，使得w d m 系统得到很大的发展，信道的平均光功率和中继距离得 到大大的改善，系统不再受光纤损耗的限制，而这时色散和非线性效应就成为限 制系统的重要因素。 首先说色散，标准单模光纤( ( 3 6 5 2 ) 在波长1 5 5 0 n m 处的色散系数约为： 1 7 p s ( n m k m ) 。随着传输距离的增加，脉冲将会展宽，脉冲的展宽意味着系统速 率的提高受到了限制、无中继距离的变短和信号质量的恶化。对普通单模光纤来 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 说，系统速率为2 5 g b p s 时的色散受限距离为 9 2 8 k m 左右；当速度达到了1 0 g b p s ， 系统的色散受限距离减小到5 8 k i n ；而对于4 0 g b p s 系统，色散受限距离仅仅为 3 6 k r n 。可见随着系统速率的提高，色散越来越成为一个不可忽视的限制因素。 不过随着新型光纤的采用和色散补偿技术的发展，这种情况已经大为改观。除了 上面所说的群速度色散外，还有一些其他的色散，如偏振模色散( p m d ) ，它主 要是由于光纤的双折射效应引起的。对早期铺设的光缆来说，当线路速率达到 1 0 g b p s 时，信号就已经受到p m d 的影响。对使用新光缆的系统，由于生产光纤 的工艺水平的提高，光纤的p m d 系数很小，但是当线路速率达到4 0 g b p s 时也 能明显的看到p m d 的影响。 除了各种色散外，非线性效应也是目前影响系统性能的重要因素之一。e d f a 的广泛采用，使得信道的平均功率得到很大提高；由于光纤的芯径非常小，使得 光纤中光信号的功率密度很高，此时非线性效应变得不可忽略。非线性效应包括： 受激拉曼散射、受激布里渊散射和克尔效应。受激拉曼散射、受激布里渊散射主 要和信道的平均光功率和信道的间隔有关。对单信道来说，二者的影响并不大； 对多信道来说，可以通过很好的控制功率来加以抑制。克尔效应指由于光纤的折 射率随着光强的变化而引起的非线性现象，主要包括自相位调制( s p m ) 、交叉 相位调制( x p m ) 和四波混频( f w m ) 。s p m 是指当输入光强度变化时，光纤 的折射发生变化，引起光波自身的附加相位调制。在色散介质中，s p m 将导致 频谱展宽，并随着传输长度的增加而积累，而且光功率变化越快，导致的光频率 变化越大，对系统影响较大。x p m 发生在多波长系统中，它会引起信道间的串 扰，导致脉冲波形畸变。信道越密集、传输跨段数越多，x p m 效应对多波长系 统的影响越大。f w m 是指当多个较强的光波信号在光纤中混合传输时，产生其 它新的光波长，引起信道间串扰，导致信噪比降低。当色散接近零时，f w m 的 影响最大。 另外，e d f a 的采用除了使色散、非线性效应的影响变得不可忽略之外，它 自身也带来了一些问题。在w d m 系统中，e d f a 的自发辐射噪声、增益平坦以 及动态增益调整都是需要解决的关键技术问题。而在o t d m 系统中，e d f a 的 主要问题是自发辐射噪声使信号的信噪比下降，影响光接收机的灵敏度。 在实际的传输系统中，上述的因素是同时存在并互相影响的，因而在技术上 和实际上对它们进行各自补偿非常困难，采用再生技术对损伤的信号进行全面的 补偿是个比较理想的解决方法。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在现在的光网络中，电中继器把光信号变成电信号，在电域进行同步、再生， 再把再生后的信号变换回到光域。随着系统的传输速率向4 0 g b p s 以上迈进，这 种传统的再生方法面临着两个极为重要的问题：如果沿用以前的电中继方案，意 味着对高速电处理器件的苛刻要求，这将使系统的成本大大提高；而且由于光电 器件的处理速度的限制，这将使系统传输速率的进一步提高变得极为困难。光中 继器以其高速的处理潜力成为代替电中继的很好的选择，而且在光网络中，由于 电中继的采用，大大降低了系统的透明性，限制了系统的应用，如果采用光中继 就不存在这种限制。 就全光再生本身来说，还是一种不成熟的全光处理技术，但是由于它的高速 处理的潜力，成为光网络发展的重要技术。我们所进行的全光3 r 再生技术的研 究也是在这一领域的有益的尝试。 、 1 2 2 全光3 r 再生技术的发展现状 随着全光网络技术的成熟和发展，全光3 r 技术的应用前景是非常广阔的。 正是由于意识到了该技术的重要性，3 r 再生技术正在成为全世界范围的研究热 点。国外各大通信技术公司都投入了大量的人力、物力，对该技术展开了预研工 作。在国内，北京邮电大学、华中科技大学、天津大学等科研院所都开展了相关 的研究工作。我们课题组在全光信号处理和全光时钟提取上进行了大量的理论研 究和实验工作，并于2 0 0 1 年完成了1 0 g h z 、2 0 g t t z 的全光时钟提取实验u5 j - 【“j ， 为进一步的高速率的全光3 r 中继的研究打下了良好的研究基础。 e u p a 图1 - 1 全光3 r 再生器的原理图 全光3 r 再生的关键技术是时钟提取和光判决，3 r 再生器的基本结构如图 l 一1 所示。从线路上接收到的光信号进入再生器后被分成两路，一路用于时钟提 取，提取出的时钟与原信号波长可以相同，也可以不同，通常都会选择时钟脉冲 波长与信号波长不同；另一路信号经e d f a 放大后，作为光判决门的控制光与提 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 取出的时钟脉冲同步注入光判决门，从而实现对光信号的再生。 1 3 几种时钟提取技术的比较 时钟提取技术是同步传输系统中的关键技术，全光时钟提取技术是t d m 通信 系统、全光3 r 再生技术以及全光交换技术的核心技术。目前时钟提取技术主要 有以下几种方案： 1 3 1 电的时钟提取技术 电的时钟提取方法的原理如图卜2 所示，接收到的光信号经光电转换后变为 电信号，经放大后注入一个高q 滤波器或者电锁相环( p l l ) 中，可以得到位时 钟或帧时钟信号，再经放大后得到以射频( r f ) 形式输出的电时钟信号【l 纠。在电 时钟提取中，光电转换器可采用雪崩光电二极管( a p d ) 或p i n 光电二极管，它 们都有高的光电转换效率和接受灵敏度。高q 滤波器可采用声表面波( s a w ) 器 件、介质谐振腔( d r ) 等。 微波放大器 微波放大器 图1 - 2 电的时钟提取方法原理图 电的时钟提取方法利用了电子和微波技术在信号处理上的成熟与灵活性，提 取出的时钟有着较高的质量，目前用这种方法可以从1 6 0 g b p s 的o t d m 信号中提 取出l o g h z 的时钟【2 0 1 。考虑到系统的稳定性和成本，一般认为电的时钟提取适用 于低于l o g b p s 的系统中。 1 3 2 光电混合时钟提取技术 这是一种非常有应用前景的时钟提取技术。这种技术通常利用半导体光放大 器的交叉增益调制( x g m ) 、光纤或半导体光放大器的四波混频( f w m ) 效应 进行相位探测，将本地倍频后的光时钟与高速t d m 光信号进行相位比较，产生 的f w m 分量包含有光信号和光时钟之间的互相关信息，将这个信息反馈到压控振 荡器中即可实现时钟提取。【2 4 】。 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 这种方案的优点在于，它是一种比较成熟的时钟提取方案。缺点在于：在该 方案中使用的器件很多，结构比较复杂，相对而言成本自然也高。 1 3 3 全光时钟提取方法 1 3 3 1 光谐振电路 光谐振电路( o p t i c a lt a n kc i r c u i t ) 分两种，一种是基于法布里一珀罗谐振器 的被动谐振电路，它具有结构简单、高速率潜力和捕获时间短等特点，如图1 3 所示，它利用一个无源f a b r y p e r o t 谐振腔从光信号中提取时钟成分，由于完全 采用无源结构，通过减小谐振腔长度达到超高比特率( - t b p s ) 工作是可能的， 目前有实验报道已经从4 0 g b p s 信号中提取出4 0 g h z 时钟信号1 2 “。 1 0 m r e 图1 3 基于法布里一珀罗谐振器的时钟提取框图 另一种是基于受激布里渊散射的主动谐振电路，包括利用布里渊主动滤波器 的多种方案，图1 4 中所示为其中一种方案 ”。注入信号在环内分两个方向，顺 时针信号被马赫曾德调制器调制，下频移量为环内色散位移光纤( d s f ) 的布 里渊频移( 一1 0 。5 g h z ) ，该种子波与逆时针泵浦波在d s f 中相遇，种子波中只 有功率超过布里渊阈值的时钟成分被有效放大，其他频率成分相应地被衰减，而 且由于种子波和泵浦波均由同一数据流产生，这种提取方案与码率无关。 图1 - 4 基于受激布里渊散射的时钟提取框图 7攀一 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 2 基于光纤锁模激光器的时钟提取 这种时钟提取方案主要是利用半导体光放大器( s o a ) 的交叉增益调制( x g m ) 或交叉相位调制( x p m ) 2 9 t 特性。如图卜5 所示，将比特信号直接注入半导体 放大器中，调制光纤环行激光器腔内的损耗或相位，在腔长匹配的条件下，形成 锁模，得到高重复速率、波长可调谐的时钟脉冲输出。 图1 - 5 基于光纤锁模激光器的时钟提取框图 光纤锁模激光器的时钟提取方案的优点是：( 1 ) 、结构简单、采用的器件全 部是商用器件，系统的构建比较容易；( 2 ) 、对输入信号的偏振状态不敏感；( 3 ) 、 具有较高速率的工作潜力。目前，使用这种技术已获得了4 0 g b p s 的时钟提取 2 9 1 ， 在原理上，这项技术可以工作在l o o g b p s 以上的系统中【3 “。该方案的缺点：( 1 ) 由于长环腔结构所限，时钟的建立时间比较长。( 2 ) 体积大、不易集成；( 3 ) 由于 利用了s o a 的快速动态增益产生锁模，还需要考虑到输入连续长连“0 ”码时的 处理能力。实验证明【3 ”，当输入数据速率为3 0 g b p s ，在调制度小于1 0 时，可允 许输入3 6 个连“0 ”码；( 4 ) 温度稳定性能差。本文中采用该种方案，具体理论 分析及实验研究将在以后的章节中详细介绍。 1 3 3 3 基于自脉动d f b 激光器的时钟提取 自脉动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。这种现象在具有饱和吸收体的多段f p 腔激光器和没有饱和吸收体的多 段d f b 激光器都能发现【3 “。像任何振荡器一样，自脉动能够在某种条件下锁定在 输入的强度调制周期信号上，这一特性可以用来提取光传输系统中的时钟信 号，办法是使自脉动频率与时钟频率同步。当输入光信号的功率足够大，而且输 入信号频率( 岛p ) 和自脉动d f b 激光器的固有频率( ) 之差不很大，则激光器 的输出将锁定在输入信号的频率1 3 3 j _ 【。 8 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 6 基于自脉动d f b 激光器的时钟提取框图 多区自脉动0 f 1 3 激光器一般包含三部分：相位区、激光器区和反射区，它产 生的光时钟信号频率可以通过简单地调节直流偏置电流来改变。有报道其变化范 围可达6 4 6 g h z t 3 。”，利用这个特性，可以实现码率灵活的时钟提取，如图卜6 所示。采用自脉冲激光器的另一个好处是它的时钟建立时间非常之快【3 ”，它可以 在3 n s 建立同步，这个特性对于将来的i p 网络中数据包的再生十分重要。另外， 在自脉动激光器的时钟提取系统中，当输入随机码为0 时，就会发生相位漂 移，所以该系统也要考虑连续输入长“o ”码问题，有实验显示【j ”，当输入数据 速率为4 0 g b p s ，占空比为2 5 时，该方案可支持4 0 0 个“o ”比特：不过，据制 作该器件的业内人士说，这种器件的稳定性较差，对外界的干扰十分敏感。采用 自脉冲激光器具有体积小、结构紧凑、直流调制等优点，目前该技术已成功应用 于1 6 0 到4 0 g b p s 的光解复用中。 1 3 3 4 基于半导体锁模激光器的时钟提取 这是一种简单实现全光时钟提取的方法，当激光器的腔基频与复用的高速数 据信号的频率相配，就可以实现时钟提取 3 9 一f 4 ”。该方案的优点是：工作波长范 围宽、系统简单、集成度高、具有较高速率的工作潜力。但目前的问题在于：该 器件的工艺性较差，制作的成品率非常低，目前还不能实用。有报道称利用锁模 激光二极管实现了从1 6 0 g b p s 数据信号中提取出抖动时间小于o 2 p s 的1 6 0 g h z 光时钟信号| 4 。 1 3 3 5 基于非线性光学环镜振荡器的时钟提取 光纤参量振荡器( f o p o ) 用于时钟提取是一种较新的方案一3 j 畔j ，主要利用 n o l m 的动态增益调制和非线性环镜( n a l m ) 的孤子特性。如图1 7 所示，从 整体结构上来看，n o l m 和n a l m 构成个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，分别调整偏振控 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 9 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 n a l m 处于全透射的状态。这个方案的原理，简单地讲就是，初始时调节n o l m 为最大反射状态，n a l m 为全透射，此时实际上没有形成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。 图1 7 基于非线性光学环镜( n o l m ) 振荡器的时钟提取框图 该方案的优点在于可用于比较高速的系统。缺点是：( 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。 1 3 3 6 利用超快非线性干涉仪的全光时钟提取 超快非线性干涉仪u n i ( u l t r a f a s t - n o n l i n e a ri n t e r f e r o m e t e r ) 利用的是非线性 波导( 如s o a ) 的交叉相位调制x p m 效应，主要应用于光开关中【4 ”。本文中我 们将u n i 放到环行腔中，视整个u n i 结构为一个非线性器件，将锁模方案中的 s o a 换成u n i ，并在环内增加一个e d f a 提供所需增益。我们将在最后章对 此方案进行相关理论分析和实验研究，这里就不赘述了。 1 4 本论文的主要工作和创新点 本论文结合国家8 6 3 资助项目：“码率灵活的全光3 r 再生技术研究”以及 华为合作项目“全光3 r 再生器”，围绕全光3 r 再生关键技术之一的全光时钟提 取技术，着重在以下几个方面做了一些工作： 1 对注入锁模时钟提取方案中的关键器件s o a 进行了理论分析，通过仿真软件 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 o p t i s y s t e m 3 0 模拟了基于s o a 的交叉增益调制的波长变换，具体分析讨论 了s o a 在不同的控制光功率、连续光功率和偏置电流下的增益特性，并通过 4 0 g b p s 波长变换实验对仿真结果加以验证，为在时钟提取实验中合理有效地 使用$ 0 a 提供了理论和实验依据。 2 对主动锁模激光器锁模原理的介绍为基础，分析了注入锁模光纤激光器的工 作原理；介绍了马赫一曾德干涉仪的工作原理和基本结构，分别从时域和频域 分析了马赫一曾德干涉仪的传输特性，验证了其对提高时钟质量的作用，为基 于注入锁模时钟提取实验提供了理论基础。 3 进行了基于注入锁模的时钟提取实验。首先进行了1 0 g b p s 的时钟提取实验， 得到了噪声性能很好的1 0 g h z 时钟脉冲的波形图和光谱图，并验证了马赫一 曾德干涉仪的效果。然后，进行了4 0 g b p s 的时钟提取实验，成功地从4 0 g b p s 伪随机信号中提取出质量较好的4 0 g h z 时钟脉冲。最后，通过改变实验中的 注入信号功率、s o a 偏置电流和滤波器中心波长，比较了不同参数条件下提 取出的时钟信号的效果，为优化各个参数提供了实验依据。 4 进行了基于u n i 的时钟提取实验。首先介绍了u n i 的基本工作原理，并从琼 斯矩阵和传输函数两个角度加以理论分析。然后介绍了将u n i 应用于时钟提 取的方案，进行了基于u n i 的1 0 g b p s 时钟提取实验，得到波形较好的1 0 g h z 时钟脉冲，并分别改变控制光功率、s o a 偏置电流、e d f a 工作电流等参数， 观察其对时钟质量的影响。最后进行了4 0 g b p s 的时钟提取实验，得到了 4 0 g h z 时钟脉冲的波形图和光谱图。 本论文的创新点： 1 在注入信号进入锁模腔前，让其先通过一个马赫一曾德干涉仪，用以提高信号 中时钟成分的相对大小，成功地从4 0 g b p s 伪随机信号中提取出质量较好的 4 0 g h z 时钟脉冲。通过改变实验中的注入信号功率、s o a 偏置电流和滤波 器中心波长，比较了不同参数条件下提取出的时钟信号的效果，为优化各个 参数提供了实验依据。 2 将超快非线性干涉仪( u n i ) 结构用于时钟提取，视整个u n i 结构为一个非线 性器件，将锁模提取方案中的s o a 换成u n i ，从4 0 g b p s 伪随机信号中提取 出波形较好的4 0 g h z 时钟脉冲。同时比较了不同的注入光功率、s o a 偏置 电流和e d f a 工作电流对实验结果的影响。 天津大学硕士学位论文第二章半导体光放大器( s o a ) 的理论分析及其特性研究 第二章半导体光放大器( s o a ) 的理论分析及其特性研究 2 1 引言 半导体光放大器( s o a ) 具有结构简单、体积小、易于与其他半导体光器件 集成、工作波长覆盖光纤整个地损耗窗口等优点，因此在光纤通信系统中得到广 泛应用。其应用可分为线性放大和非线性放大：线性放大包括通信线路中的前置 放大、线路放大和功率放大，而非线性应用是指基于s o a 的波长转换器及2 r 和3 r 再生。s o a 作线性应用时工作在非饱和状态，而作非线性应用时则工作在 饱和状态