（通信与信息系统专业论文）全光3r再生系统理论分析和实验研究.pdf

天津大学博士学位论文 摘要 超高速光通信网中，光信号会受很多因素影响，其恶化结果是光信号脉 冲质量变差，最终导致误码率上升，限制了传输距离。因此，需要在传输过 程中进行信号再生。全光3 r 再生克服了电信号再生的不足，是全光网络中 保证传输质量的一种非常有效的方法。本文提出的全光再生方案采用高精细 度法布里珀罗f p 滤波器进行时钟提取：采用具有强非线性的半导体光放 大器( s o a ) 作为光判决门进行判决整形，实现了对恶化信号再生。本文通过 理论分析和实验验证，针对此方案进行讨论。 s o a 在全光再生方案中非常重要，在时钟提取和光判决中都被使用。 文中通过分析s o a 的载流子密度、增益和传输函数数学模型，研究了s o a 的非线性效应，并模拟仿真波长变换过程。基于s o a 的交叉增益调制，系 统地讨论了波长变换过程中输入脉冲功率、连续光功率和s o a 注入电流等 参数对变换脉冲的影响。基于交叉相位调制，提出利用窄带光滤波器减小变 换脉冲码型效应的方法，并分析了正码波长变换产生的原因。在理论分析的 基础上，进行了10 g b i t s 和4 0 g b i t s 全光波长变换实验。实验包括验证各参 数对变换结果的影响，抑制波长变换码型效应以及正码波长变换研究。对 s o a 的传输函数的频域形式进行理论分析，得到结论：s o a 对低频频率成 份有很好地抑制作用。随后通过实验进行了验证。 f p 滤波器是全光时钟提取单元核心器件。根据f p 腔工作原理和传递 函数，从时域和频域两方面证明f p 滤波器可以用于时钟提取。进而建立时 钟提取过程的数学模型，研究各参数对提取结果的影响，得出结论：提高 f p 滤波器的精细度可以抑制输出脉冲幅度起伏和时间抖动，可以减缓长连 “0 ”码输入时输出脉冲幅度下降速度。进行了4 0 g b i t s 时钟提取实验，利 用波长变换将输入序列的信息调制到高稳定性光源的输出光上，然后再通过 高精细度f p 滤波器提取时钟。这样解决了输入光和滤波器窗口难以对准的 问题。滤波器输出经过s o a 降噪声处理，得到4 0 g h z 低噪声时钟脉冲输出。 提出基于f p 滤波器的1 0 g b i t s 分组时钟提取方案。为减小时钟建立时 间和消失时间，利用低精细度滤波器进行提取。通过实验得到时间抖动很小， 建立时间和消失时间较短的分组时钟信号。 最后进行了4 0 g b i t s 全光再生系统实验。恶化后的输入信号经过再生系 天津大学博士学位论文 统得到较理想的再生信号。经过测试，再生脉冲的时间抖动和信噪比都比再 生前有了很大改善。 关键词：光纤通信技术、全光3 r 再生、4 0 g b i t s 时钟提取、f a b r y p e r o t 滤波器、半导体光放大器、码型效应、分组时钟提取 n 天津大学博士学位论文 a b s t r a c t i nh i g hs p e e da n dl o n gh a u lo p t i c a l - t r a n s p o r t n e t w o r k ，o p t i c a ls i g n a la r ea f f e c t e d b ys e v e r a l d e t e r i o r a t i v e f a c t o r s ，w h i c hi n c r e a s eb i te r r o rr a t i oa n dl i m i t t r a n s m i s s i o nd i s t a n c e s f o rt h i s r e a s o n ，s i g n a lr e g e n e r a t i o ni sn e c e s s a r yi n t r a n s m i s s i o ns y s t e m s a l lo p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o n ，o v e r c o m i n gt h eb o t t l en e c k e f f e c ti ne l e c t r i cr e g e n e r a t i o n ，i sa ne f f e c t i v em e t h o dt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo f t r a n s m i s s i o n an o v e la l lo p t i c a l3 rr e g e n e r a t o ri sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ， w h e r eh i g hf i n e s s ef a b r y - p e r o t ( f p ) f i l t e ri su s e di nc l o c kr e c o v e r ya n ds o a i s u s e di nt h e o p t i c a l d e c i s i o ng a t e an e w4 0 g b i t s o p t i c a ls i g n a l c a nb e r e g e n e r a t e df r o mt h ed e g r a d e do p t i c a ls i g n a lu s i n gt h i sr e g e n e r a t o r i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h es c h e m eo fw h i c hi sb e e nf u r t h e rd i s c u s s e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y n o n l i n e a rp r o p e r t yo fs o ai sd e e p l ya n a l y z e d ，a si ti sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to f a l l - o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o nb o t hi nc l o c kr e c o v e r ya n di nd e c i s i o ng a t e t h e w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do ns o ai sn u m e r i c a l l ye m u l a t e d t h ei n f l u e n c eo f t h ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o np a r a m e t e r so nt h eo u t p u tp u l s ei sd i s c u s s e di nd e t a i l b a s e do nt h ec r o s sg a i nm o d u l a t i o n am e t h o di sp r o p o s e dt oe l i m i n a t et h e p a t t e r ne f f e c to fr e g e n e r a t e dp u l s ew i t hn a r r o wb a n df i l t e rb a s e do nt h ec r o s s p h a s em o d u l a t i o n ，a n dt h er e a s o no fp o s i t i v ec o d eo u t p u to fw a v e l e n g t h c o n v e r s i o ni ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n to nw a v e l e n g t hc o n v e r s i o na t10a n d 4 0 g b i f f si sp e r f o r m e d ，w h i c hp r o v e st h ec o n c l u s i o nt h e o r e t i c a l l ya n dt h er e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n b ya n a l y z i n gs o af o rt h et r a n s p o r tf u n c t i o no ff r e q u e n c y , w ec o n c l u d et h a tl o w - f r e q u e n c yc o m p o n e n to f s i g n a lc a nb es u p p r e s s e db ys o a ， t h e nt h i sc o n c l u s i o ni sp r o v e dt h r o u g he x p e r i m e n t f - pf i l t e r , t h ek e yc o m p o n e n t ，i ss h o w nt oh a v et h ea b i l i t yo fe x t r a c t i n gc l o c k p u l s e sf r o md a t as i g n a l s ，w h i c hh a sb e e np r o v e di nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n s t h ep r o c e s so fc l o c kr e c o v e r yi sm o d e l e dt of i n do u th o wt h ed i f f e r e n t i a lf i n e s s e s i 天津大学博士学位论文 o ff - pf i l t e ra f f e c t st h eq u a l i t yo fc l o c kp u l s e s t h ec o n c l u s i o ni so b t a i n e dt h a t i n c r e a s i n gt h ef i t n e s so f f pf i l t e rc a nd e p r e s sa m p l i t u d en o i s ea n dt i m i n gj i t t e ro f o u t p u tp u l s e s ，a n di tc a ns l o wd o w nt h ep u l s ea m p l i t u d ed r o p p i n gw h e nt h ei n p u t s i g n a li sc o n t i n u u m “0 ”c o d e i nt h e4 0 g b i t sc l o c kr e c o v e r ye x p e r i m e n t ，f o r s o l v i n gt h ep r o b l e mt h a ti n p u tw a v e l e n g t ho fa l i g n i n gt ot h ef - pf i l t e r , t h e i n f o r m a t i o nc a r r i e db yt h ei n p u td a t as i g n a lp u l s e si st r a n s f e r r e dt oac o n t i n u o u s w a v ef r o mal a s e rw i t has t e a d yc e n t r a lw a v e l e n g t hu s i n gaw a v e l e n g t hc o n v e r t e r , t h e nt h ec l o c kc a l lb ee x t r a c t e du s i n gf - pf i l t e rw i t hh i 曲f i n e s s e s t h el o w f r e q u e n c yn o i s ei nt h ec l o c ki ss u p p r e s s e db yu s i n gs o a ，a n dt h e4 0 g h zc l o c k s i g n a li so b t a i n e d t h es c h e m eo f10 g b i t s p a c k e tc l o c kr e c o v e r yb a s e do nf pf i l t e ri sa l s o p r o p o s e d t od e c r e a s eb u i l d i n gt i m ea n dd i e - o u tt i m e ，t h ef pf i l t e rw i t hl o w f i t n e s si se m p l o y e d t h elo g b i t sp a c k e tc l o c kp u l s e sa r ee x t r a c t e ds u c c e s s f u l l y i ne x p e r i m e n t 4 0 g b i t sa l lo p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o ne x p e r i m e n ti sp e r f o r m e df i n a l l y t h e3 r r e g e n e r a t o rs u c c e e d si nt r a n s f o r m i n gt h ed a t as i g n a lf r o md e t e r i o r a t e dp u l s e si n t o a c c e p t a b l ep u l s e s t h er e g e n e r a t e ds i g n a lh a sb e e nt e s t e da n df o u n dt h e r ei sl e s s n o i s e ，l e s st i m i n gj i t t e r , a n dh i g h e rs i g n a ln o i s er a t i ot h a ni n p u td a t as i g n a l k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b r ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a l lo p t i c a l3 r r e g e n e r a t i o n ，4 0 g b i t sc l o c kr e c o v e r y , f a b r y - p e r o tf i l t e r , s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e rp a r e me f f e c t ，p a c k e tc l o c kr e c o v e r y i v 天津大学博士学位论文 a s e b e r d c f d f b e a m e d f a f pf i l t e r f s r f w h m g v d m l l o b p f o d l o s n r o t d m o x c p c p m p m d p r b s r m s j i t t e r r z s b s s g m s m f s n r s o a s p m u n i w d m x g m x p m b i t s d b d b m g h z 符号对照表 放大器的自发辐射噪声( a m p l i f i e rs p o n t a n e o u se m i t t i n g ) 误码率( b i te r r o rr a t i o ) 色散补偿光纤( d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e o 分布式反馈激光器( d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r ) 电吸收调制器( 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 ) 掺铒光纤放大器( e r b i u m - - d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 法布里一泊罗滤波器( f a b r y - p e r o tf i l t e r ) 自由光谱区( f r e es p e c t r u mr a n g e ) 半峰全宽仃u l lw i d t hh a l fm a x i m u m ) 群速度色散( g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n ) 锁模激光器( m o d e l o c k e dl a s e r ) 光带通滤波器( o p t i c a lb a n d - p a s sf i l t e r ) 光延时线( o p t i c a ld e l a yl i n e ) 信噪比( o p t i c a ls i g n a ln o i s er a t i o ) 光时分复用( o p t i c a lt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 光交叉连接器( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t o r ) 偏振控制器( p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ) 相位调制器( p h a s em o d u l a t o r ) 偏振模色散( p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ) 伪随机序列( p s e u d o - r a n d o mb i ts e q u e n c e ) 均方根抖动( r o o to f m e a ns q u a r ej i t t e r ) 归零码( r e t u r nt oz e r o ) 受激布里渊散射( s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) 自增益调制( s e l f - g a i nm o d u l a t i o n ) 单模光纤( s i n g l em o d ef i b e r ) 信噪比( s i g n a ln o i s er a t i o ) 半导体光放大器( 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 ) 自相位调制( s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ) 超快非线性干涉仪( 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 ) 波分复用( 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 ) 交叉增益调制( c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ) 交叉相位调制( c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ) 比特每秒 分贝 毫分贝 吉赫兹 单位符号表 v i i i 天津大学博士学位论文 m h z兆赫兹 m w 毫瓦 衄纳米 纳秒 p s皮秒 i x 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，除了文中特另uj j l l 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，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机 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：。互j 缓天签字日期：二玑嘭年之月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、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) 学位论文作者躲埘疋 签字日期：沙形年2 月日 导师虢互豸移 签字日期：认矽乡年2 月乡日 天津大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信的发展和全光3 r 再生技术 随着2 0 世纪末互联网的飞速发展，信息化时代的帷幕已经拉开。无论 是新生业务的出现还是传统业务的变革都反映出人类对信息和带宽要求正 以惊人的速度增长。表1 - 1 是国际电联提供的官方数据【l l ：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 r n e 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。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，图1 1 反映了我国固定 电话和移动电话用户近年来的增长情况。2 0 0 4 年1 2 月底中国i n t e m e t 国际 干线带宽达到约7 4 g b s ，五年平均年增2 4 5 。人们对信息的需求和依赖与 日俱增，达到前所未有的水平。对于信息产业如此迅猛地发展势态，光纤通 信技术作出了不可代替的贡献。光纤技术自从问世以来就保持着飞速的发展 趋势，不断挑战着通信史的传输速率极限。她不仅大大增加了通信网络的吞 吐能力，更带来了通信业的革命。光纤传输具有低损耗、大容量、保密性好 和不受电磁干扰、直径小、重量轻等优点，成为现有唯一能满足人们对信息 传输和带宽需求的技术。 光通信技术沿着两个大的方向发展，主干传输向高速率、大容量的自动 交换光网络( a s o n ) 发展，最终实现全光网；接入向低成本、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 ) 。 光纤通信骨干网一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展。掺铒光纤 放大器( e d f a ) 1 2 j 的发明和广泛使用使全光网络的发展迈出了一大步，使 长距离传输和波分复用( w d m ) 1 3 1 成为可能。理论上，光纤可以提供2 5 t g h z 的带宽，如何充分利用这一巨大的带宽资源，成了各国研究机构的努力目标。 随着各种技术的不断突破，光纤的传输容量越来越高。单信道速率已达到 4 0 g b i t s 、1 6 0 g b i t s 4 ；采用的光时分复用( o t d m ) 技术和相移键控( p s k ) 技术，单波长速率达到2 5 6 t b i t s 的实验系统已经有相关报道【7 】；采用多波 长的密集波分复用技术( d w d w ) 技术，a l c a t e l 公司实现了1 0 2 4 t b i v s * 津太学博t 学惶女 ( 2 5 6 4 27 g b i t s ) 唧传输系统，而n e c 也实现了1 09 2 t b i t s ( 2 7 3 x 4 0 g b i f f s ) 传输系统。上千通道的d w d m 传输试验系统也已经有相关报道】。在我 国，随着经济的迅速发展，通信技术得到了屯速的发展通信市场也不断扩 大和完善。单通道速率为1 0 g b w s ( s t m 一6 4 ) 的系统已经商用化3 2 0 g b i t ，s ( 1 0 g b i f f s x 3 2 ) w d m 系统也已经开始大批量装备网络而且单信道速率正 向4 0 g b i t s ，甚至更高速率发展。 r 一n 两丽r 葡黼r 丽i 丽厮r 面丽r 丽r 面呵r 葡r i 面f 睦亘亘亟亟亘亚匾童画画塑西甄 = i = 二三= = 二二二= 二l i ”i 4 1 0 l ”e 7 ：，i ： 6 $ ”f9 嘲，j 1 1 h ! # _ 哪 圳1 j 1 1 1 1 ”【l ”【2 i “3 i | ：“i ：”【2 2 ”i3 ”l t “! m l m l 哪 梆i 拼l 脚l 螂i l 1 1 圳1 1 i 忸1 州i j m h “n d 1 * i 丽i i 一r 面r 面r 丽i 丽r 面广面阿啊r 茹厂再广鬲i 丽厂而广面l 脚i ；_ 坤i 叭3 i “叫”【5 “ ”j5 2 lo i ”【” 4 i ”l 目商r 一r 司i 椰厂刊1 怖厂商厂五厂西r 面广雨广百可_ 百l o 忻】”f ”l ”i ”l 4 l ”，1l ”l 圳1 “i ”l2 1 3 m 盂砸匝西阿丽丽毋啐谛孽两- 喇噼= 二：j _ ，j 二_ _ h 山1 i 1 o 1 6 i l ，l “l1 q ”i ” ” 同i i i i 一1 年赢雨；蕊丽面矿 1 啊r 面厂丽冈r 雨r 面厂丽厂鬲厂面厂丽面r i 面囹 南面丽i i 赢i 葡氟r 厂广币广i r 百r 而r 面r 葡广葡厂丽厂丽而r 而r j i 刮 躐”“一一i - in i * ”in in l m j n im | t ”i mm 【m m l 而；五葡；而i i 面】面厂丽厂而? 面r 西广莉r 面r 鼐厂辅r 面广而一i i 广葡坼l 扁；磊蔺鬲一r 百厂可1 i 厂i r 可m 广面阿广吲面币厂面广面日 _ 洲d h _ 训一f _ d q c 一删”f ，_ t 一 轴o 。0 们o 3 0 0 呻 2 0 0 1 0 0 1 m 表1 - 1 全球电信服务增长统计 l 目8 ：9 驰2 0 0 02 0 0 l ! 一) 0 ：2 0 0 3 ：0 2 0 0 52 0 0 6 1 生! ! ! 一生! ! ! ! ! ! ! 生兰：! ! ! ：! ! ! 兰! ! ! 兰! c 翌! ! ! 。 m i c 图1 - 1 我国电信用户量近年增长情况的统计 在通信网络高速发展的要求下，新一代的光纤通信阿将是全光通信网 ( a o n ：a 1 1 o p t i e a ln e t w o r k ) ，采用全光通信技术从而克服传统电子技 术的速率瓶颈限制，极大地提高了网络的通信容量。高速率的全光信号处理 天津大学博士学位论文第一章绪论 技术也成为光通信领域关心和研究的重点。 在长距离超高速光通信网络中有一个必须解决的问题，即光信号在传输 过程的恶化。信号的恶化限制了网络节点级联的能力，严重影响通信质量， 最终限制了系统和网络的传输速率和距离。导致光信号恶化的因素有很多， 主要原因有以下几个方面： 1 、光纤以及光网络各个节点的光学元器件群速度色散( g v d ) 和偏振模色散 ( p m d ) ，导致光脉冲信号展宽。 2 、w d m 系统中信道内或信道间相互干扰【1 4 】导致脉冲信噪比下降，脉冲包 络变形。 3 、光纤以及网络节点的元器件具有非线性效应，包括交叉增益调帛i j ( x g m ) 、 交叉相位调制( x p m ) 、四波混频( f w m ) 、受激布里渊散射( s b s ) 、受激拉 曼散射( s r s ) 等等，导致脉冲包络畸变并产生幅度抖动。 4 、光器件的响应时间，光纤中的克尔效应【1 5 】，交叉相位调制效应引起光波 相移积累，导致脉冲产生时间抖动。 5 、在光传输光网络中使用了的大量的光放大器，引入自发辐射( a s e ) 噪声， 经过噪声积累，脉冲信噪比下降。 对于光纤色度色散导致的脉冲展宽，在色散量已知的点对点通信条件 下，可以用色散量相反的光学器件( 如色散补偿光纤) 补偿信号经受的色散量， 使总色散量为零来解决。但由于光网络中采用了交叉连接技术( o x c ) ，光交 换技术，两点间的路由是在动态改变的，因此传输长度和色散量也随之改变 很难预测。这给色散补偿带来了很大的困难。一些动态色度色散补偿的方案 【1 叼已经提出，包括使用啁啾光纤光栅【1 9 1 、全通滤波器( a p fa l l - p a s s f i l t e r ) t 2 2 1 、 虚相位补偿阵列( v l p a ) 【2 2 】等等，这些动态色散补偿技术的响应时间一般在毫 秒级，对于在不同用户间建立通路来说稍微长了，方案还不很成熟。 光纤中的偏振模色散具有很大随机性，必须动态补偿，因此实现起来有 很大难度。目前p m d 补偿方案中主要的反馈控制信息有偏振度【2 2 1 ，偏振态 【2 7 1 ，电谱宽度1 2 9 1 ，总电功率【3 0 】，误码率估计【3 0 】等等。 为解决大规模高速动态光网络中脉冲恶化问题，保证正常传输，如果对 各种恶化因素分别补偿，需要多种技术共同完成，无疑加大了实现的难度和 成本。与之相比，采用对脉冲进行再生的方法更为简便和有效。再生技术分 三个层面进行，包括幅度再生，脉冲形状再生以及脉冲相位再生。综合这三 个层面，3 r 再生【3 l 】的概念被提出，即再放大( r e a m p l i f y i n g ) 、再整形 3 * * ￥* n t 女 ( r e - s h a p i n g ) , 和再定时f r e t i m i n g ) 。目前对光信弓再生较成熟的技术是利用光 电光转换的方法，先将光信号转换为电信号，再用成熟稳定的电信号处理 技术对信号再生，然后将电信号转换为光信号，实现了光信号的再生。虽然 脉冲在电领域的处理和再生技术已经非常成熟，但是这种方法受到电子器件 固有的速率瓶颈限制，成本高，对传输速率不透明。 如果采爿j 全光3 r 再生技术就能避免速率瓶颈克服光电中继器的缺点。 全光3 r 再生是在光层面上的3 r 再生方式。它以透明性、通用性、灵活性、 可扩展性和不需要对信号恶化进行预测补偿等优点，成为全光网络中保证传 输质莆的一种非常有效的方法，从根本上消除在动态光网络中多种不利蹦索 的影响。因此，全光3 r 州再生技术在全光网络中育着非常广阔的应用前景。 随着光器件、结构和系统等技术的不断进步全光3 r 再生技术正在成为全世 界范围的研究热点。 全光3 r 再生包括光放大单元、光时钟恢复单元和光判决单元( 圄l - 2 ) 。 恶化的输入光信号进入3 r 再生器，光放大单元( o p ta m p l i f i e r ) 对输八光信号 进行幅度放大：光时钟恢复单元( o p tc l o c k ) 提取m 低抖动、高稳定性的时钟 脉冲：光判决单元( d e c i s i o ns t a g e ) 将输入数据信g - 调制到提取出来的时钟脉 冲l 完成再整形和再定时功能，输出再生后的光脉冲。全光l r 再生2 r 再生，3 r 再生的含义如图1 3 表示。l r 再生( 图a ) 对输入信号幅度放大，但 噪声也相应放大，不能抑制信号的幅度噪声和相位抖动；2 r 再生( 图b ) 在1 r 再生的基础上利用判决门单元改善了脉冲形状，但不能抑制相位抖动。3 r 再生( 图c ) 在2 r 的基础上通过时钟提取对信号重新定时，抑制相位抖动实 现信号再生。 图l 一2 全光3 r 再生系统框图 天津大学博士学位论文第一章绪论 n a i s ys t g , t a la m p l i t l e da o i s ys i g n a l 厂0 、厂v 、 n o i s y - d s n a ! 八厂、 r a s h a p e ds i g n a l r r ! 姐p w 一 n o b ys i s n a ! 肌 r j i 即o da n dr e t i m c d s i l 弹a l 门几 口) 图1 - 3 全光1 r 、2 r 、3 r 再生比较 1 2 全光时钟提取技术研究现状 从全光3 r 再生系统各功能单元上看，时钟提取技术和光判决技术是全 光3 r 再生技术的关键【36 l 。全光时钟提取单元负责从恶化的数据信号中提取 出低抖动、高信噪比的时钟脉冲。脉冲的形状和质量直接影响着再生信号的 质量。常用的时钟提取方案根据提取的机制可分为电时钟提取，光电混合时 钟提取，和全光时钟提取三大类。电时钟提取的原理如图1 - 4 所示。光信号 经过光电转换变成电信号利用电域的时钟提取方法( 锁相环等等) 提取电时 钟脉冲。电时钟信号可以通过电光调制器转变为光时钟信号。一般情况下提 取的时钟不直接变为光信号，而是在电域条件下得到再生数据脉冲后再调制 成光信号。 o o t i c a le l e c t r i c a le l e c t r i c a l 图1 4 电时钟提取原理 天津大学博士学位论文第一章绪论 光电混合时钟提取主要利用光电锁相环( p l l ) 1 3 8 或光电振荡器【39 】实现。 光电锁相环原理如图1 - 5 ( a ) ，是通过光纤或光器件的非线性效应，如三波混频 ( t w m ) 4 0 1 、四波混频f w m 4 1 1 、交叉相位调制x p m 4 2 1 等等，对输入信号 和输出时钟进行相位比较，通过压控震荡电路产生时钟输出，经过光电转换 得到光时钟输出。一般提供非线性的光器件有半导体光放大器( s o a ) ，电 吸收调制器( e a m ) ，周期极性铌酸锂调制器( p p l n ) 等等。光电混合进行 时钟提取是一类比较成熟的时钟提取方案，主要应用于o t d m 中的帧时钟 提取。光电振荡器原理如图1 - 5 ( b ) 所示，通过输入光脉冲对光电环路进行调 制，得到时钟输出。这类方案使用的器件很多，结构比较复杂，成本也较高。 a m p l i t i e f i l m 圆| ； l o p t i c a l e l e c a i c a 利用光电锁相环提取时钟 ( b ) 利用光电振荡器提取时钟 图1 5 光电混合提取时钟原理框图 全光时钟提取不需要对信号进行光和电的转换，降低了成本，提高了信 号处理的灵活性以及光网络交换的透明性和通用性，下面就介绍几种被广泛 认可的全光时钟提取方案。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 2 1 基于锁模光纤环形激光器的时钟提取 锁模技术【4 3 】是时钟提取最常用的技术之一。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，相互叠加 后形成窄脉冲输出。时钟提取采用注入锁模技术，即利用注入的光信号对激 光器形成调制，产生锁模光脉冲输出。时钟提取中采用的锁模激光器一般分 为光纤锁模激光器、半导体锁模激光器两种。 早期光纤锁模激光器利用光纤的非线性注入锁模】，当前则主要利用非 线性光学器件注入锁模【4 6 】。利用光纤的非线性注入锁模的方法缺点很明显， 由于光纤的非线性系数很小，需要很长的光纤提供非线性，因此系统的稳定 性差，噪声、损耗和偏振态变化都很难控制。采用非线性光学器件注入锁模 则提高了系统的稳定性和可控性。非线性器件可以是半导体光放大器 ( s o a ) ，超快非线性干涉仪( 切m ) 等等。下面是以s o a 作为非线性器件 进行锁模时钟提取的方案( 图1 6 ) 。这种时钟提取方案主要是利用半导体 光放大器( s o a ) 的交叉增益调制或交叉相位调制特性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。 c l o c k 图1 - 6 基于光纤锁模激光器的时钟提取框图 注入锁模光纤激光器的工作频率较高，可用于1 2 0 g b i t s 系统的时钟提 取【4 9 】；腔长易于调节，工作频率可灵活改变；方案结构简单，采用普通商用 器件即可。但这种方案也有一些问题。首先，由于光纤环形腔的腔长较长， 时钟建立和消失时间较长，不利于分组数据时钟提取，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，受s o a 载流子恢复时间的限制 会造成码型效应t 删。而且这种结构体积大，不易集成，易受环境影响，稳定 天津人学博士学位论文第。章绪论 性差。 1 2 2 基于半导体锁模激光器的时钟提取 利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 5 2 1 是 目前使用较多的一种方案。其原理和注入锁模光纤激光器的原理很相似，都 是通过激光腔对输入数据脉冲锁模来产生时钟信号。 半导体锁模激光器的工作原理，可通过图1 7 说明。半导体锁模激光器 一般有三个区分别是吸收调制区( m o d u l 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 f l e c t i o ns e c t i o n ) 。增益区为激光器提供增益，形成激射光。反射区 用于选择输出波长。注入脉冲信号在调制区对腔内的光进行调制，调节控制 电压可改变腔长，当激光器的腔基频与输入信号的速率相配时，就可以实现 时钟提取时。图中的调制区通过电吸收方式改变载流子浓度来实现调制的。 图1 7 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，工作波长可调范围宽、系统简单、集 成度高、时间抖动小。和光纤锁模激光器相比，半导体锁模激光器的腔长很 短，其基频就是脉冲频率，因此不会产生超模噪声。半导体锁模激光器的工 作速率很高，可以实现从1 6 0 g b p s 数据信号中提取抖动时间小于0 2 p s 的光 时钟信号【5 3 】。甚至有报道2 4 0 g h z 的半导体锁模激光器【5 4 1 已经实现，只是还 没有关于这个速率的时钟提取的报道。半导体锁模激光器的缺点在于结构复 杂，由于腔长很短，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。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 2 3 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 某些d f b 激光器在注入直流电流条件下，当注入电流达到某个范围时， 输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象 5 5 1 。对于通 常的d f b 激光器白脉动现象由激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生， 是一种需要克服的有害现象。但如果对这一特性加以控制使自脉动频率与光 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 激光器正是利用这种原理实现时钟提取。 自脉动d f b 激光器分两区【5 6 】和三区吲两种结构，因为三区结构的自脉 动d f b 激光器更容易控制，所以常用的都是三区激光器。其结构如图1 。8 所示。激光器的三部分分别是：d f b 增益区( l a s e rs e c t i o n ) 、相位调制区( p h a s e t u n i n gs e c t i o n ) 、d f b 反射区( r e f l e c t o rs e c t i o n ) ，器件两端镀有增透膜 ( a r c o a t i n g ) 。增益区工作在远超过激射阈值的大电流条件下，对激光器提 供增益。反射区工作在透明电流附近，没有明显的吸收和增益，可以忽略光 子与载流子的相互作用。这个区相当于一个布拉格反射镜，有选择的反射不 同的波长，决定激射模式，其反射率与波长的关系如图1 8 ( b ) 所示。调节 反射区工作电流可以调整反射谱曲线。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调节光信号的相位，改变激射波长。 刃 o o 盘 ： d i s p e r s i v er m b c t o r l a s l n 9 d f b 缸t r a n s p a r e n l 笮m o d e 喜 ( a )( b ) 图1 - 8自脉动d f b 激光器结构和反射谱曲线 白脉动激光器光脉冲产生的过程是这样的：调节调相区工作电流，使激 射波长位于反射谱曲线的负斜率区域内，此处的斜率很陡。产生激光时，随 着光强的增大，工作物质的折射率增大，激射波长向长波长漂移。反射区的 9 刀_co盘：口 天津大学博士学位论文 第一章绪论 反射率迅速减小，透射光迅速增加。接着由于反射光减小，增益下降，使得 激光熄灭。待载流子恢复后，又一次从初始的激射波长产生激光。在这个周 期性的过程中，当波长漂至反射谱的谷值处，反射率很低透射率很高，形成 脉动输出。自脉动的周期与载流子的恢复时间有关来，可以通过调节工作电 流来控制。 自脉动激光器用于时钟提时，信号光注入激光器内和自脉动过程一起对 激光器的载流子密度进行调制，使最终自脉动输出和信号光脉冲形成同步， 实现时钟提取。自脉动激光器输出频率变化范围可达6 , - - , 4 6 g h z t 5 8 】，其最高 工作频率可达1 8 0 g h z t 5 9 】。利用这个特性，可以实现码率灵活的时钟提取。 自脉动激光器优点很明显，体积小，可集成，工作