（通信与信息系统专业论文）40gbits全光3r再生系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着全光网络的不断发展，对信号的传输速率和传输距离提出了更高的要 求。光信号在长距离传输过程中，由于各种不利因素将导致信号质量变差，限 制了系统的速率和距离。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 生技术是克服光信号恶化的一种非常有效的方法。全光3 r 再生系统中，主要 包括全光时钟提取和光判决两项关键技术，本论文主要围绕这两方面展丌工作。 针对全光3 r 再生方案中的关键器件s o a ，进行了详尽的理论分析，数值 模拟了脉冲在其中的传输和增益饱和特性。对s o a 中交叉增益调制( x g m ) 和交叉相位调制( x p m ) 进行了研究，数值仿真了基于s o a 的波长变换，分 析研究了各种外部参数和s o a 内部参数对波长变换的影响。同时进行了相应的 1 0 4 0 g b i t s 波长变换实验，验证了数值模拟的结果，为在3 r 实验中合理有效 地使用s o a 提供了理论和实验依据。 在就光纤锁模激光器研究实验的基础上，对基于s o a 的注入锁模光纤激光 器进行了分析，完成了1 0 4 0 g b i t s 的时钟提取实验，成功提取出1 0 4 0 g h z 时钟脉冲。同时，实验和分析了锁模激光器各项参数对时钟提取的影响。另外， 针对锁模激光器的不稳定因素，首次提出了一种使用大色散腔加腔长稳定装置 的稳定方案，获得了理想的效果。 在对法布里一珀罗( f p ) 滤波器特性研究的基础上，数值模拟了不同精细 度、中心波长偏移时f p 滤波器进行全光时钟提取的实验，分析了其输出抖动。 提出了一套直接利用高精细度法布里一珀罗( f p ) 滤波器进行时钟提取的方案， 并成功地利用此方法实现了4 0 g b i t s 时钟提取实验，得到了高质量的时钟脉冲。 同时仿真和实验了利用s o a 的饱和放大效应对f p 滤波器提取出的时钟进行均 衡，得到了理想结果。 研究了t o a d 和u n i 的工作原理，对它们的开关窗口进行了数值模拟， 分析和仿真了各种参数变化对t o a d 和u n i 的影响，为开关窗口的虽优化设 计提供理论基础。基于以上的理论分析和模拟仿真，对t o a d 和u n i 进行了 实验研究，验证了实验中各因素对开关窗口的影响。 在s o a 特性分析和模型的基础上，对直接基于s o a = x g m 的全光判决方 案进行了分析，数值模拟了基于s o a 的判决系统，并进行了相应分析。为整个 天津大学博士学位论文 3 r 再生系统的实现奠定了基础。 在以上各项工作的基础上，成功完成了4 0 g b i t s 全光3 r 再生系统实验和 性能测试。在实验中，对输入信号进行了恶化，经过3 r 再生后，得到了理想 的再生信号。 关键字： 全光3 r 再生、时钟提取、光判决、半导体光放大器( s o a ) 、交叉 增益调制( x g m ) i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea d v a n c e m e n to fa l l o p t i c a ln e t w o r kc a l l sf o rs p e e d i n gu pt h es p e e do fs i g n a l a n dl e n g t h e n i n gt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c e t r a n s m i t t i n gi nal o n g d i s t a n c e ，p r o p e r t i e s o fs i g n a lw i l lb ed e t e r i o r a t e do u to fv a r i o u so fr e a s o n s ，w h i c hl i m i t st h et r a n s m i s s i o n s p e e da n dd i s t a n c eo ft h es y s t e m a l l o p t i c a l3 rf r e a m p l i l y i n g ，r e s h a p i n g ， r e t i m i n g ) r e g e n e r a t i o nt e c h n i q u ei sa l le x t r a o r d i n a r ye f f e c t i v em e t h o da g a i n s ts i g n a l d e t e r i o r a t i o n a l l o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o ns y s t e mi n c l u d e sa l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r y a n do p t i c a ld e c i s i o nt e c h n i q u e s ，a n di tw i l lb ef u r t , h e rd i s c u s s e di nt h i sp a p e r s o a ，t h ek e yc o m p o n e n to fa l l o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o ns c h e m e ，i sl a b o r e d t h e o r e t i c a l l y ，a n dp u l s et r a n s m i s s i o na n dg a i ns a t u r a t i o np r o p e r t i e si ni ti sn u m e r i c a l l y s i m u l a t e d t h ec r o s sg a i nr o o d a l a f i o n ( x g m ) a n dc r o s sp h a s em o d a l a t i o n ( x p m ) i ns o ai ss t u d i e d t h ew 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 a n dt h ee f f e c t so fs o r t so fs o ai n n e ra n do u t s i d ep a r a m e t e r so i lw a v e l e n g t h c o n v e r s i o na t es t u d i e d m e a n w h i l e e 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 t1 0 4 0 g b i t si sp e r f o r m e d ，w h i c hv e r i f i e st h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r o v i d i n ga t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o r t h ee f f e c t i v ee m p l o y m e n to fs o ai n3 r e x p e r i m e n t o nt h ef o u n d a t i o no fs t u d i e sa n de x p e r i m e n t so no p t i cf i b e rm o d e l o c k e dl a s e r , i n j e c f i o nm o d e l o c k e dl a s e ri sf u r t h e ra n a l y z e da n d10 4 0 g b i v sc l o c kr e c o v e r y e x p e r i m e n ti sp e r f o r m e d ，s u c c e s s f u l l ye x t r a c t i n gt h ec l o c kp u l s ea t 10 4 0 g g h z m e a n w h i l et h ee f f e c t so fm o d e l o c k e dl a s e rp a r a m e t e r so nc l o c kr e c o v e r yi s e x p e r i m e n t e da n da n a l y z e d i na d d i t i o n ，f o rt h ef i r s tt i m eas t a b i l i z a t i o nm e t h o db y u s i n gt h el a r g ed i s p e r s i o na n ds t a b i l i z a t i o nd e v i c ei sp r o p o s e dt ot h ei n s t a b i l i t yf a c t o r s o f m o d e l o c k e dl a s e r , w h i c ha c h i e v e sag o o dr e s u l t b a s e do ns t u d i e so nt h ep r o p e r t i e so ff a b r y p e r o t ( f p ) f i l t e r , e x p e r i m e n t so n a l l o p t i c a l c l o c kr e c o v e r yb yu s i n gf - pf i l t e r sw i t hd i f f e r e n tf i n e s s ea n dc e n t r e w a v e l e n g t ho f f - s e t ，i sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e da n di t so u t p u tj i t t e ri sa n a l y z e d t h e s c h e m eo fc l o c kr e c o v e r yd i r e c t l yu s i n gh 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 sp u t f o r w a r d ，b yw h i c hr e a l i z i n g4 0 g b i t sc l o c ke x t r a c t i o ne x p e r i m e n ta n da c q u i r i n gh i g h i i i 天津大学博士学位论文 q u a l i t yc l o c kp u l s e b e s i d e s ，t h ep r o c e s so fe q u a l i z i n gt h ee x t r a c t e dc l o c kf r o mf - p f i l m ra c c o r d i n gt os o as a t u r a t i o na m p l i f i c a t i o ne f f e c ti se m u l a t e da n de x p e r i m e n t e d ， a c q u i r i n gap e r f e c tr e s u l t t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft o a da n du n ii ss t u d i e da n dt h e i rs w i t c hw i n d o wi s n u m e r i c a l l ye m u l a t e d t h ei m p a c to f f a c t o r ss h i f to nt o a d a n du n ii sa n a l y z e da n d e m u l a t e d p r o v i n gat h e o r e t i c a lb a s e m e n tf o rt h ep r o p o s a lo ft h eo p t i m u md e s i g no f s w i t c hw i n d o w a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s e sa n da n a l o gs i m u l a t i o n m e n t i o n e da b o v e ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt o a da n du n ii sc a r r i e do u t ，p r o v e d l l a ea n a l y s i sr e s u l to nt h ee f f e c to fc h a n g i n gt h ef a c t o r si nt h ee x p e r i m e n to ns w i t c h w i n d o w a c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t ya n a l y s e sa n dm o d e lo fs o a ，t h ea l l o p t i c a l d e c i s i o n s c h e m ed i r e c t l yb a s e do ns o a - x g mi sa n a l y z e d ，a n dt h ed e c i s i o ns y s t e mb a s e do n s o ai s n u m e r i c a l l ye m u l a t e da n da n a l y z e d ，w h i c hl a y s af o u n d a t i o nf o rt h e r e a l i z a t i o no f e n t i r e3 rr e g e n e r a t i o ns y s t e m b a s e do nt h ee n t i r et a s ka b o v e t h ee x p e r i m e n to n4 0 g b i t sa l l - o p t i c a l3 r r e g e n e r a t i o ns y s t e ma n di t sp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta r es u c c e s s f u l l ya c c o m p l i s h e d i nt h ee x p e r i m e n t i n p u ts i g n a li sd e t e r i o r a t e da n dt h e nr e g e n e r a t e db y3 r ，a c q u i r i n ga g o o dr e g e n e r a t e ds i g n a l k e yw o r d s ：a l l - o p t i c a l 3 rr e g e n e r a t i o n ，c l o c kr e c o v e r y , o p t i c a ld e c i s i o n ， 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 ( s o a ) ，c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) 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，也不包含为获得鑫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：歹豸刁嘭易签字日期：乒庐，年7 月汀日 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。 特授权墨壅盘鲎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! 拗 导师签名： 签字日期：扣砧年7 月f ，日签字r 期：j 町年7 月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信发展的概况和趋势 随着当今社会信息技术的飞速发展，人们对通信业务出现了高层次和多样化 的需求，这对通信网络的容量提出了巨大的挑战，而光通信技术的出现给通信领 域带来了蓬勃发展的机遇。特别是2 0 世纪末出现的以因特网为代表的数据业务 以前所未有的速度增长，i n t e m e t 上，世界用户每年增加一倍，业务量增加4 倍， 这都标志着人类社会正进入到一个崭新的时代信息化时代，在这个时代人们 对信息的需求与日俱增，这种需求推动着光纤通信系统向着高速率、大容量和长 距离的方向不断发展，这都使光纤通信成为支撑通信业务量增长最重要的通信技 术之一。 图1 1 是截止到2 0 0 4 年底，全球和中国通信用户容量的增长情况的统计图 u l 3 。 图1 1截止到2 0 0 4 年底，全球和中国通信用户容量的增长情况的统计 2 0 0 4 年我国光缆线路长度新增6 4 9 万公里，达到3 3 8 4 万公里；其中长途 天津大学博士学位论文 光缆线路长度新增5 1 万公里，达到6 4 6 万公里_ f 2 1 。 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 ，但我国i n t e m e t 用户人均仅0 7 9 k b s ( 香港2 0 0 1 年的水平为2 k b s ) 【3 。 d e c ：d e cd e cd e cd e cd e cd e cd e c 9 79 89 90 00 10 2 0 30 4 图到2 0 0 4 年底，中国i n t e m e t 国际干线带宽的增长情况的统计 纵观光纤通信的发展史，从上世纪七十年代低损耗的熔石英光纤和长寿命的 半导体激光器的研制成功，使光通信成为可能。单通道传输速率从八十年代的 4 5 m b p s 4 迅速增加到2 5 g b p s 、1 0o b p s ，近几年单信道速率己达到4 0g b p s 、1 6 0 g b p s l 59 1 ，t b i t & 的光时分复用( o t d m ) 系统也已经有相关试验报道【。掺饵 光纤放大器( e d f a ) f l l 】的出现，大大扩展了传输距离。随着密集光波分复用 ( d w d m ) 技术的不断完善和发展，使得光纤通信容量飞速增加，从几十几 百g b p s1 1 2 - 1 7 1 , 发展到t b i t s 的水平，如光通信会议( o f c2 0 0 1 ) 报道的a l c a t e l 公司实现的】o 2 4 t b i g s ( 2 5 6 x 4 2 7 g b i t s ) 1 8 1 传输系统和n e c 实现的1 0 9 2 t b i t s ( 2 7 3 x 4 0g b i w s ) 【1 9 j 传输系统；当前，上千通道的d w d m 传输试验系统也已经 有相关报道1 2 0 _ 2 1 1 。 虽然，通信技术在过去的一、二十年来一直保持着高速持续发展，但是社会 对信息的需求越来越高，对带宽、通信容量提出了更高的要求。正如，c i s c o 的 总裁c h a m b e r s 所说：“宽带应当是本世纪国家的需要，就像在上世纪将人送上 啪埘咖 协 佃 啪 啪 加 ， 第一章绪论 月球那样重要”。2 0 0 2 年初由c i s c o 、i n t c l 、m i c r o s o r 、3 c o m 等c e o 组成的t e c h n e t 协会向联邦政府建议以2 0 1 0 年实现一亿家庭用1 0 0 m b s 上网为目标制定国家宽 带发展战略。2 0 0 3 年底美国n s f 以7 5 0 万美元资助“1 0 0b y1 0 0 ”c o n s o r t i u m 在未 来几年开展以一亿家庭1 0 0 m b s 上网规模为目标的n t e r n e t 改进研究。 在这种高速发展的通信网络要求下，为了克服传统电子技术所存在的一些的 限制，极大提高网络通信容量。建立下一代高速率全光通信网( a o n ：a 1 1 o p t i c a l n e t w o r k ) 的呼声日益高涨，而全光通信技术则成为a o n 发展的重点。尤其是 i po v e rw d m 、i po v e ro 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 术的要求变得日益紧迫，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。 1 2 全光3 r 再生 在光通信网中，光纤和各种光器件的损耗会造成信号的衰减；色散( 群速度 色散和偏振模色散) ，会导致光信号的展宽和畸形，发生码间干扰，使系统的误 码率增加。对于可预知色散量的点到点通信，可以采用色散补偿( c d ) 技术对 群速度色散( g v d ) 进行补偿。而随着光交叉连接( o x c ) 、光交换和光动态路由 等技术的出现，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将无法克服色 散带来的影响。其次，在高速率传输时，偏振模色散( p m d ) 的影响将越来越 严重，因此p m d 补偿也是国内外研究的热点1 2 2 - 2 5 ，但是p m d 的随机性，使其 在动态网络中补偿具有很大困难。另外，由于光传输中的非线性效应，如自相位 调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 和四波混频( f w m ) 等，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 成了传输信号的严重损伤，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。 基于以上各种因素，在光网络中必须采取措施对光信号进行再生，所以对光 信号进行3 r 再生一再放大( r e a m p l i f y i n g ) 、再整形( r e s h a p i n g ) 、再定时 ( r e t i m i n g ) 变得十分必要弘。 目前，对光信号的再生都是利用光一电一光中继器，即光信号首先由光电探 天津大学博士学位论文 测器转变为电信号，经电路处理放大后，再重新调制到光源上，从而实现光信号 的再生。这种中继器具有装置复杂、体积大、耗能多造价高的缺点，而且受电子 技术的限制，同时对传输数据是不透明的。因此，应用全光3 r 再生技术不仅克 服了光电中继器的缺点，而且能够保证网络的透明性、灵活性和可扩展性。从根 本上消除在动态光网络中多种不利因素的影响。因此，全光3 r 再生技术被认为 是未来全光网络的重要技术之一。 1 2 1 全光3 r 再生技术 全光3 r 再生系统框图如图1 3 所示。从图中可以看到，3 r 系统主要由光放 大部分、光时钟提取部分和光判决部分组成。 、，“ 上川姒，删 c i “k _ i 培：i s i o n r ”a v e r l eu r e - g h , a p l n g f-1埝4 0 1 m i n g 图1 - 3全光3 r 再生系统框图 线路中的光信号经过一定距离传输后，由于损耗、噪声、串扰和非线性等因 素积累，会造成信号衰减、脉冲形状失真、抖动等现象1 2 ，如图1 4 所示。经 过1 r ( r e a m p l i l y i n g ) 后，如图1 5 所示，信号幅度增大，但噪声也相应放大； 再经过2 r ( r e s h a p i n g ) 后，如图1 - 6 所示，信号形状得到改善，噪声也有所抑 制，消光比提高，但时间抖动依然存在；再经过3 r ( r e t i m i n g ) 后，如图1 7 所示，信号抖动改善，实现对光信号的再生。通常，再放大功能可使用各种光放 大器( 如e d f a 、r a r r t & 1 l 等) 实现，由此可见，3 r 再生的关键技术是时钟恢复 单元和光判决单元。时钟恢复单元提取出低抖动、高信噪比的时钟；在光判决单 元，使用数据信号提取出的时钟，完成再整形和再定时功能，光判决单元主要由 非线性光门( n l o g ) 构成。 4 第一章绪论 光信号经过2 r 的放大和整形处理可避免噪声和波形失真积累。但是，抖动 积累无法解决。在全光3 r 再生中就需要时钟提取功能，再生出的时钟信号不仅 起时钟定位的作用，输出脉冲的形状也主要是由时钟的形状决定的。因此，时钟 提取也是再整形的关键部分。 图1 7r e - t i m i n g 1 2 2 光时钟提取技术 图1 - 6r e s h a d i n g 时钟提取技术是同步传输系统中的关键技术，光时钟提取技术是o 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 、电时钟提取技术 电的时钟提取技术是发展比较成熟的技术，其原理如图1 - 8 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，再经放大等处里后得到以射频( r f ) 形式输出的电时钟信号2 卜3 0 j 。 攀群辉t 豢群放大器 放大器l 。一 肋矿|1 瓜一 髫 墨 蕊一 丞 第一章绪论 光信号经过2 r 的放大和整形处理可避免噪声和波形失真积累。但是，抖动 积累无法解决。在全光3 r 再生中就需要时钟提取功能，再生出的时钟信号不仅 起时钟定位的作用，输出脉冲的形状也主要是由刚钟的形状决定的。因此，时钟 提取也是再整形的关键部分。 国1 - 4 输入3 r 的恶化r z 信号 图卜5 n 。“埘如m 2 2 r 0 i 图1 7r e - t i m i n g 1 2 2 光时钟提取技术 图1 - 6r e s h a d m 2 时钟提取技术是同步传输系统中的关键技术，光时钟提取技术是o 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。目前列钟提取技术主 要有以下儿种方案： l 、电时钟提取技术 电的时钟提取技术是发展比较成熟的技术，其原理如图1 1 8 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 i ，l ) 中，再经放大等处里后得到以射频( r f ) 形式输出的电时钟信号口”j 。 ( p i ，l ) 中，再经放大等处里后得到以射频( r f ) 形式输出的电时钟信号口”j 。 图卜8电的时钟提取方法原理图 ，肠彩l一 勉一 丝一 r 啼3 丝。垒 j j&。 天津大学博士学位论文 电时钟提取方案主要依靠电信号处理，因为当前许多电处理技术非常成熟， 用此方法提取出的时钟有着较高的质量。但考虑到当前电瓶颈限制，使得电时钟 提取还很难在高速率中应用；另外这种方案也还存在系统复杂和成本较高等缺 点。目前用这种方法可以从1 6 0 g b p s 的o t d m 信号中提取出用于解复用的1 0 g h z 帧时钟l j “。 2 、光电混合时钟提取技术 光电混合时钟提取主要有光电锁相环( p l l ) 1 3 2 1 和光电振荡器 3 3 1 等。光电锁 相环通常利用光纤或光放大器的非线性效应，如四波混频( f w m ) 3 4 - 3 5 等来完 成时钟提取。图1 9 给出了一个光电振荡器时钟提取的基本框图1 3 6 ，实验系统中 的调制器也可以使用电吸收( e a m ) 调制器。 - o p t i c a l - - 一e l e c t r i c a l 图1 - 9 光电振荡器时钟提取原理图 使用光电混合进行时钟提取也是一种比较成熟的时钟提取方案。但其缺点在 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，并且 也没实现全光信息处理。另外，它主要应用于o t d m 中的帧时钟提取。 在光通信网中，为了保证信息传输的透明性、高速性及系统的复杂性等因素， 希望能够进行全光型号处理，下面是几种典型的全光时钟提取方案。 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3 7 。8 1 的时钟提取 白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3 9 】。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 第一章绪论 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 4 0 4 3 。 当前比较流行的自脉动激光器1 9 4 】如图1 1 0 所示。 一。一 铲箧趁l 詈t f ! ，、 过山w 胴哪”一 r i 2 y 坠笋 vl 仑 图1 1 0 基于自脉动d f b 激光器的时钟提取结构图 它主要由三个部分组成】：增益区、相位区和反射区。端面镀有防反射 ( a r ) 膜。增益区工作在闽值电流以上而反射区的工作电流在透明电流附近没 有明显的吸收和增益起一个分布布拉格反射镜的作用。端面的反射相位可以通 过向相位区注入电流进行调整。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。该器件的自脉动由于色散的自q 开关来实现。图1 1 0 右图为工作在透明电流时反射区的反射谱。当激光器激射波长在反射带边的负 沿时就会产生自脉动。产生自脉动的关键就是要求反射带边要非常陡峭。面增 益区工作在闽值电流以上时，因为激光器脉冲的啁啾会使该波长向长波长变 换。在足够大的电流下激光器的激射波长将调至反射带长波方向的陡峭的反射 带边上。由于注入的信号光脉冲消耗了增益区中的载流子从而改变了半导体材 料的折射率引起波长调制。结果这时激光器就会自动关闭，直到一个新的脉冲 到来，这种相互作用光信号脉冲与自脉动频率同步，完成时钟提取的目的。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 4 ”，利用这个特性，可以实现码率灵活的时钟提取。目前 该技术已成功应用于4 0 8 0 g b i t s 的光时钟提取和解复用中口9 】【4 6 4 7 1 。 另外，采用自脉动激光器时钟提取具有体积小、结构紧凑、直流调制等优点， 同时工作速率高，时钟建立时间非常快f 4 l 】。但是，自脉动激光器结构复杂；使 用时需精密调节各段偏置，对稳定性要求较高。当前，自脉动激光器没有成熟的 商用品，国际上只有少数研究机构拥有。 天津大学博士学位论文 4 、基于半导体锁模激光器m l l ( m o d e l o c k e dl a s e r ) 的时钟提取 这是一种系统简单的实现全光时钟提取的方法，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行调制，当 激光器的腔基频与复用的高速数据信号的速率相配时，就可以实现时钟提取 4 8 - 5 z 。 图1 1 1 给出了一种波长可调的半导体锁模激光器( t m l l ) 的时钟提取 结构刚9 4 1 。 图1 - 1 】可调半导体锁模激光器( t m l l ) 的时钟提取结构图 该方案的优点是：工作波长可调范围宽、系统简单、集成度高、工作速率 高、时间抖动小。但目前的问题在于：结构复杂；腔长需精确控制，对稳定性 要求较高；目前还没有成熟的商用品。有报道称利用锁模激光器实现了从 1 6 0 g b p s 数据信号中提取出抖动时间小于0 2 p s 的1 6 0 g h z 光时钟信号【5 2 】。 5 、基于s o a 的注入锁模光纤环形激光器的时钟提取 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 ) 5 3 1 和交叉相位调制( x p m ) 【5 4 1 特性。 图1 12 注入锁模光纤环形激光器的结构图 第一章绪论 如图1 - 1 2 所示，将数据信号直接注入半导体放大器中，当腔长匹配时，激 光器模式锁定，输出和信号光同步的时钟信号。得到高重复速率、波长可调谐的 时钟脉冲输出。 光纤锁模激光器的时钟提取方案的优点是：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；输出波长可调谐；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f h l ，在原理上，这项技术可以工 作在 0 0 g b p s 以上的系统中【5 “。同时，在锁模光纤激光器中，除了正常的锁模 现象外，也存在亚谐波锁模的现象，可用于帧时钟提取陋5 7 1 。 该方案的缺点：由于长环腔结构所限，时钟的建立时间比较长；体积大、不 易集成；由于利用了s o a 的载流子恢复时间的限制，还需要考虑到输入连续长 连0 或“1 ”码时的处理能力，即码形效应问题。有实验证明【5 8 1 ，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；另外，因为锁模 腔较长，因此稳定性较差，如何实现腔长的稳定，也是该项技术的关键所在。 6 、基于法布里珀罗( f p ) 谐振腔的无源时钟提取 基于法布里珀罗( f a b r y - - p e r o t ) 谐振器的无源谐振回路1 5 9 - 6 0 1 ，是一种梳状 滤波器，它具有结构简单、高速率潜力和捕获时间短等特点，如图1 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 6 ”。 i n p u t f pf i l t e r c i o e k 图1 1 3 基于f - p 谐振器的时钟提取框图 以上介绍了几种常见的时钟提取装置，另外还有几种其它时钟提取方法，如 基于受激布里渊散射的主动谐振电路【6 2 6 3 】；基于光纤参量振荡器( f o p o ) 时钟 提取1 6 4 。6 5 1 等一些方案。但结构一般都比较复杂，在这就不详细介绍。 天津大学博士学位论文 1 2 3 光判决技术 光判决门是全光3 r 再生中另一个重要的部分，它根据信号脉冲来控制提取 出的时钟脉冲是否通过，从而实现光信号的判决，我们的主要工作围绕高速光 判决门展开，利用光开关可以实现光判决门，其开关特性是影响全光3 r 再生的 重要因素。目前全光3 r 中作为判决门的超快全光光开关有以下几种常见的结 构： 1 、基于光纤的非线性光学环镜( n o l m ) 非线性光学环镜n o l m ( n o n l i n e a ro p t i c a l l o o pm i r r o r ) 早在19 8 8 年就己 有提出【6 6 ，之后有许多相关实验报道6 7 - 7 3 j 。n o l m 结构如图1 1 4 所示。把一 个5 0 ：5 0 的2 2 耦合器的两个输出端用一段光纤相连而形成的s a g n a c 干涉仪， 所以又称之为s a g n a c 干涉仪开关。n o l m 是基于交叉相位调制( x p m ) ，利用 了光纤自身的k e r r 效应，而这种效应响应时间非常快，所以n o l m 有超快的响 应速度，可应用于高速o t d m 系统中的全光解复用。 图1 1 4 非线性光学环镜( n o l m ) 结构图 b 其工作原理是，光时钟脉冲从耦合器1 口输入，经过3 d b 的耦合器等功率 地分为沿顺时针c w 、逆时针c c w 方向传播的两列脉冲，与时钟脉冲同步的控 制( 信号) 脉冲作为控制脉冲通过w d m 耦合器从环的某一侧注入环镜。注入的 控制光脉冲的波长与时钟脉冲不同，经过耦合器3 口输出后将被滤波器滤掉。若 输入控制脉冲为0 时，环中相向传播的两时钟脉冲两次经过耦合器干涉输出， 在端口b 输出为0 。若输入控制脉冲为“1 ”时，顺时针和逆时针传播的时钟脉冲 第一章绪论 序列分别会受到控制脉冲不同程度的作用，产生非线性相移中。和( p 。，由 于控制脉冲两信号光的相位差发生了改变，经耦合器干涉，再使用光滤波器 ( o b f ) 滤除控制光，在端口b 输出“1 ”的信号。 n o l m 结构简单，具有超快的响应速度，特别适合在超高速通信系统使用。 然而它也有许多不足之处：由于光纤的非线性很小，要实现开关完全开启，需要 很长的光纤或较高的控制光功率；其次，时钟脉冲和控制脉冲间的走离需要进行 控制以得到合适的窗口；另外，由于n o l m 中的光纤很长，环境对光的偏振特 性的扰动致使n o l m 稳定性变差。因此，如何使n o l m 与偏振无关是一个比较 难处理的问题。 为了克服长光纤产生的影响，在实际使用中通常会用色散位移光纤d s f ，或 半导体光放大器s o a ( 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 ) 或光子晶体光纤( p h o t o n i c c r y s t a lf i b e r ) 替代长光纤。 2 、基于太赫兹光学非对称解复用器( t o a d ) t o a d ( t e r a h e r z o p t i c a l a s y m m e t r i cd e r n u l t i p l e x e r ) 【7 4 1 与n o l m 结构类似， 如图1 1 5 所示。它采用大非线性的半导体光放大器s o a 来代替长光纤以改善 器件的性能。t o a d 是n o l m 和s o a 相结合的产物，充分发挥了两者的优势， 从而避免了它们的不足。 图1 1 5t o a d 的基本结构示意图 天津大学博士学位论文 同样的，t o a d 也具有结构简单，响应速度快，适用于高速通信系统的特点。 同时，由于使用s o a 代替长光纤，可以避免由于使用长光纤而带来的较高控制 光功率和走离长度难以确定的问题。并且t o a d 的小尺寸降低了外界条件变化 对系统稳定性的影响，使其易于单片集成。总之，t o a d 具有开关能量低、响应 快、稳定性好、体积小，结构紧凑，易于集成的优点。t o a d 也存在一定的缺点， n o l m 的偏振扰动问题仍然存在，而且由于s o a 的载流子恢复时间也有一定的 影响。 关予t o a d 国内外已经作了大量的工作7 5 棚1 ，已有1 6 0 g b i t s 、2 5 0 g b i t s 的o t d m 数据的全光解复用1 7 ”。 3 、基于s o a 的马赫曾德干涉仪( s o a - m z i ) 基于s o a 的m z i ( m a c h - z e l m d e ri n t 稚r o m e t e r ) 干涉仪【f 1 0 - 8 1 1 主要利用的是 s o a 的x p m 效应，如图1 1 6 给出了一种对称结构s o a - m z l 示意图，如图所示 输入控制脉冲( 信号脉冲) 造成干涉仪两臂上传输的时钟脉冲经历不同的相移，控 制时钟光在干涉仪输出端口的相长或相消，由此控制脉冲在输出端口的有无。 延时 1 控制脉冲x 1 l 从 时钟脉冲九2 心川叭 输山脉冲x 2 图1 1 6 基于s o a 的马赫曾德干涉仪( s o a m z i ) 的结构图 s o a m z i 具有尺寸较小、易于s o a 与m z i 集成、开关速度快等优点，具 有很好的实用化前景。它的缺点是；m z i 良好的工作需要两譬完全对称，s o a 的性能也要完全一致，这都对制作工艺提出了更高的要求，也增加了成本。而且， 在实际应用中，外界各种条件的影响都会引起它的不稳定。另外，偏振对m z i 有一定的影响。这些不稳定因素都对s o a m z i 的稳定工作造成较大的影响，从 第一章绪论 而使光开关的性能变差。 除了s o a m z i 结构光开关，还有基于s o a 非对称m z i ( a m z i ) 8 2 1 ，基于 s o a 的延时的干涉仪( s o a - d i ) 结构8 3 】，都具有较高的开关速度。 4 、基于电吸收调制器e a m 的光开关 电吸收调制器e a m ( 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 ) 是一种电光开光，它利用 了e a m 的交叉吸收调制( x a m ) 效应。具有驱动电压低、对偏振不敏感、尺寸 小、易于集成等优点，近年来引起了人们广泛的研究兴趣1 8 4 - 8 6 】。 图1 1 7 基于e a