（光学工程专业论文）全光网中3r再生器的结构设计与性能分析.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 在光纤通信系统中，光信号的传输会受到光纤的色散、非线性效应以及放大器的自发 辐射噪声等不利因素的影响，造成光脉冲信号强度的衰弱、脉冲的时间抖动、脉冲形状和 频谱的畸变、消光比下降，引起误码率增高，限制了通信距离为此在长距离通信中适时的 采用具有重定时、重整形、重放大功能的3 r ( r e t i m i n g 、r e s h a p i n g 、r e a m p l i f i c a t i o n ) 再生器，再生出高质量的光脉冲信号，已成为通信系统设计中必然的选择。论文对三种典型 的全光3 r 再生器原理和性能进行了分析，并提出了一种改进型的再生器结构。 论文首先介绍了3 r 再生器的研究背景及研究现状，着重介绍了光纤传输过程中信号 受到的各种损害。 接着论文介绍了全光3 r 再生器的基本原理，对全光1 r 、2 r 、3 r 再生器进行了分析比 较，揭示了全光3 r 再生系统的功能特点及其关键技术光时钟恢复与光判决，并对各种光 时钟恢复技术和光判决技术作了评析。 论文重点是对e a m 型3 r 再生器、s o a m z i 型3 r 再生器及n o l m 型3 r 再生器进行分析。 详细介绍了这三种再生器的结构原理，分析了光判决技术及其对再生信号性能的影响。从 多个结构所作的再生实验结果分析了这三种再生器的应用特性，并从技术难度、运转速率、 实用化等方面，对其发展前景进行了探讨。 最后论文提出了t w e a m 型全光再生器，对其性能及在w d m 系统中的应用特性作了分 析。随着w d m 系统中信道数的增多，多波长全光再生是发展方向。 关键词：全光网，波分复用，再生器，光放大器，时钟恢复 光判决门，波长转换器 南京邮嗽犬学硕士研究生学能论文 摘要 a b s t r a c t i no p t i c a l - f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，o p t i c a ls i g n a ls u f f e r sf r o mi m p a i r m e n t si n d u c e d b yf a c t o r ss u c ha sd i s p e r s i o n 、n o n l i n e a r i t yo f o p t i c a lf i b e r sa n da m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ， t h e r e f o r er e s u l ti np o w e rw e a k e n i n g 、t i m i n gj i t t e r 、s p e c 枉u ma b e r r a t i o na n de x t i n c t i o nr a t i o d e s c e n d i n go fo p t i c a lp u l s e s ，s ob e r i n c r e a s e sa n dc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ei sl i m i t e d i nt h e l o n g - h a u lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，u t i l i t yo f 3 r ( r e - t i m i n g 、r e - s h a p i n g 、r e - m n p l i f i c a t i o n ) r e g e n e r a t o rc a l lr e g e n e r a t 。eh i g hq u a l i t yo p t i c a ls i g n a l i nt h i sp a p e r , t h r e ec l a s s i ca l l o p t i c a l3 e , r e g e n e r a t o r sa r ea n a l y z e d 。a n dp r o p o s e d 张i m p r o v e dr e g e n e r a t o r f o rt h ef i r s t ，h i s t o r yb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n ts t 【a a t u sa r ei n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l yt h e i m p a i r m e n t so f s i g n a l ss u f f e ri nt h eo p t i c a lf i b e r sa r ei n t r o d u c e di m p o r t a n t l y t h e n , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fa l l * o p t i c a l3 rr e g e n e r a t o r , a n a l y z e sa n d c o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo fi r 、2 r 、3 rr e g e n e r a t o r s , a n dt h ef u n c t i o n so fa l l w o p t i c a l3 r r e g e n e r a t o ra l ef l a i l s c a l e o p t i c a le l o c kr e c o v e r , a n do p t i e a td e c i s i o na r ed i f f i c u l ti nr e a l i z i n g i n3 r r e g e n e r a t i o ns y s t e m ，a n d “a l lk i n d so fo p t i c a lc l o c kr e c o v e r y 、o p t i c a ld e c i s i o na r e a n a l y z e d i nt h i sp a p e r , 3 rr e g e n e r a t o r sb a s e d0 1 1 。e a m 、s e a m z ia n dn o l ma r em a i n l ya n a l y z e d ， o p t i c a ld e c i s i o ni sk e y - f u n c t i o n ，i st h em a i nf a c t o rw h i c ha f f e c t st h ep e r f o r m a n c e so fs i g n a l r e g e n e r a t i o n 。a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t so fs o m ei n s t i t u t i o n s ，p e r f o r m a n c e sa n d a p p l i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h et h r e e r e g e n e r a t o r s a r ea n a l y z e d ，f r o mt h e a s p e c t so f t e c h n o l o g y 、删a n dp r a c t i c a l i t y , t h ed e v e l o p m e n t f u t u r eo f t h et l l r e er e g e n e r a t o ri sa n a l y z e d 。 f i n a l l y , i tp r o p o s e sar e g e n e r a t o rb a 8 e do nt w - e a mi n t h i sp a p e r , a n dt h ea n a l y s i si o f p e r f o r m a n c e sa n da p p t i e a f i 强c h a r a c t e r i s t i ci nw d ms y s t e mi sm a d e w i t ht h ei n c r e a s i n go f c h a n n e l si nw d m s y s t e m , a l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o nw i t hm u l t i - w a v e l e n g t hi st h ed i r e c t i o n k e yw o r d s ：a l l - o p t i c a ln e t w o r k ，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 gr e g e n e r a t o r o p t i c a la m p l i f i e r , c l o c k r e c o v e r y ,o p 廿c a i d e c i s i o ng a t e w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学光学工程 研究方向：元线与空问光通信技术 作 者：j 塑级研究生 夏金光 题目：全光网中3 r 再生器的结构设计与性能分析 英文题目：s m l c t u r ed e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so f3 r r e g e n e r a t o rf o ra l l o p t i c a ln e t w o r k 主题词：全光网波分复用再生器光放大器时钟恢复 光判决门波长转换器 k e y w o r d s ：a l l o p t i c a ln e t w o r k 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 gr e g e n e r a t o r o p t i c a la m p l i f i e r 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 ng a t ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 二十一世纪是一个以网络为核心的信息时代，人们对信息的要求与日俱增。大量的图 象信息，诸如网络电视、可视电话、数字图象( d v d ) 等宽带业务市场正在迅速扩大，各类新 型业务，诸如邀程教育、网上购甥、远程医疗、家庭办公等芷农蓬勃发展，i n t e r n e t 业务 也按指数规律逐年增长这些都必须依靠完善的网络，网络已经成为信息社会的脉搏，它正 在政变整聿主会熏涯的缀多方嚣。嚣在全莲赛上辍特爨豹主掇毫迭子万螽以上，点网懿久数 过亿，现有的网络结构必然会造成业务拥挤，带宽“枯竭”，无法满足人们的需要，急需新 代大容爨蔫速率豹弼终垒髭耀静蹬魏，全走掰络是采寒信意潮络静核心。 全光网a o n ( a l lo p t i c a ln e t w o r k ) 以光节点取代现有网络的电节点，并用光纤将光节 点互连成嘲。即在光域完成信号的传输、交换等功能，克服了现有网络在传送相交换时的 电子瓶颈，减少了售息健输的拥塞，大大的提高了网络的吞吐量。光节点取代现蠢网络款电 节点。信号在通过光节点时不需要经过光电、电光转换，因此像不受检测器、调制器等光 电器l 孛响应速淡麴眼毒敷对毙特速率窝淫枣l 方式透明，霹跌大大挺寒节煮瓣吞睦麓，竟鼹了 原有电子交换节点的时钟偏移、漂移、串话、响应速度慢、固肖的r c 参数等缺点。 光绎被谈为毒“取之不尽”浆蒂爨开发潜力。疆饕信怠搜零靛发蔗，先后开发出中心 波长为8 5 0 n m 、1 3 1 0 h m 和t 5 5 0 n m 三个窗口。随罄波分炭用( w d m ) 技术的问世，光纤的传输 容量戳每1 2 令冀翻一撩的速度在增长。前凡年，美国的l u c e n t 公司能提供韵实用化系统 已能达2 。5 g b i t s 1 2 8 ，日本n t t 在实验室已进霉亍了3 t b i t s ( 1 6 0 g b i t s x l 9 ) 的试验，形 j 成一条超宽的倍息高速公路。我国的光通信技术的研究近年来也已取得了很大的进展，实 现了从冤要有、从小到大、软弱到强毂掇史性跨越，综会实力登蓬增强，窭翦已陵续竞成 了：1 5 5 m b i t s 、6 2 2 m b i t s 、2 5 g b i t s 、l o g b i t ss d h 系统，8 2 - 5 g b i t s 、1 6 1 0 g b i t s 、 3 2 l o g b i t s 、1 6 0 x l o g b i t s 刺系统，l o g b i t s 、4 0 g b i t s 餐穗试验系统，宽繁按 入系统以及全光通信试验网、自动交换光网络试验平台等一系列项目，自行研制成功的 如掰竞佟输系统b 在许多省市投入运行和提供骚务，各种光纤髑域两、城域网、广域网融 得到了广泛应用，我国已成为世界上为数不多的几个掌掇了全套s d h 和w d m 光邋信系统窳 南京都窀大学硕士骈究生学位论文第一章绪论 列产品技术媳国家之一，在世爨必邋信袈绞靼必踺终领域占据了一摩之缝。 毙涮络与电鼹络耜院，最大翡优势葱其中蕴藏静带宽资深菲常丰富，一：蒜普通光纤珂 戳利用韵蒂宽在数t h z 醣上，这是传输电信弩的媒质所无法达到的。然而在向全光网络演 化的过程中 豇遇到了不少棘手的问题，就目前的技术水平对光信号的控制还远远不如像对 电信号那样随心所欲。例如到目前为止还没有发明一种有效的方式实现大容量的全光存 储，全光逻辑器件离实用化还有蓑很大的差躐，另外光器件造价也比电器i 譬昂贵的多等等。 由于这些技术上的限制，目前光网络与已经成熟的电网终相比，局限性袭现在：( 1 ) 光嘲 络的控制部分仍然在电域中避霉亍。( 2 ) 光售号在煌竣一定距离爱，由于漫至光终静铯散、 衰减、j 线性效癍等不裂因豢靛影翡，遥需在电域送行整形和辩锌摄取。( 3 ) 由于没有巍 随机存储器 牛不仅不能实现t 特交换、离龟交换，甚至突发交换还有很大的差距。为了完 善先两络的各项功能，需婺发淹髓够服务于光网络的各种光域信号处理技术。全光 3 r ( r e t i m i n g 、r e s h a p i n g 、r e - a m p l i f i c a t i o n ) 技术，也就是光信号的熏定时、重整形、 羹放大技术，在光通信发展中显得越来越蘑要。 由于全光3 r 技术的突破进展，加快了向全光网络迈进的步伐，在不久的将来，一个 舆存划时代意义的大容量超赢速豹全光嘲络姆诞生，成为遽傧史上煦一个毅的璺程薅。 l 。2 全光3 r 再生器的研究背景 i 。2 。1 巍纤逶镶系统中影响信号传输懿因索 在长距离光馋竣系绕中，影嘲信号侮竣的匿豢大体霹分菇三类：第一，光敖大器游舀 发辐射噪声( a s e ) 会造成光信号静信臻院下降，主要黎霞在予先放大器在旅大信号、噪声 酌同嚣寸，还弓| 入了新静a s e 噪声，氇就是本放大器的噪声，使总嗓声水平提高，光信躁眈 下降。第二，通信线路中各种器件的插入以及外部环境的影响会造成光脉冲的抖动。第三， 光纤中许多不利因素包括光纤衰减、色散和非线性效威等会造成光信号功率下降、波形畸 变。第三类的影响是极为霾要的，下面对其机理进行分孝斤。 一、光纤的衰减机理燕要窍三张 1 ：即光能量的吸收损耗、散射损耗鄹辐射损耗。吸 收损耗与光绥材趱毒关，题括零 蒌吸收损耗与游本征吸收损耗，耱者对应子缝石茭弓| 起熬 撰耗，后者对应于杂震弓l 趣躬损耗。焉英抟本征材料暖牧在0 8 l 。6 微米范围内，低予 2 毒素鼯电大学疆圭骚究生学莅埝文第一章绪论 0 1 d b k m 。漆实上，通常用于光波系统的光纤，在1 3 1 6 微米窗口，材料吸收损耗 0 ) 级光频攀分摄比蓝光频率分壤传输速度快， 薅在受色教区照耀反。对手笼髑嗷脉；孛( c = 0 ) ，无论在正色散区还是受色散区，都将导致稆 闷静展宽量。若废= o ，弼所有频率分萤都同时到达，脉冲宽度就保持不变。但是对初始啁 啾脉冲( c 0 ) ，情况就不同，劳瀵足条l 牛愿c 3 0 d b ) 防止e d f 放大后的光信母反射嘲去引起的振荡，抑制了噪声并提高 了系统的稳定性。最嚣信号邋过反馈环藕合器缀俘( l 翎，l o o p b a c kc o u p l e rm o d u l e ) ，大 部分光向下继续传送，- d , 都分光被分出用于监视和控制，所以l c m 为大损耗反馈环 ( h l l e ，h i g h l o s sl o o p b a c k ) 路径。甑此可见，在放大器内光传输路径上只有4 个 器件，f l p e d f 、波分复耀器、光隔离器期光糕会器，量郯是无源懿。 e d f a 的主瓣优点： 南京都电大学硕士科究生学位论文第二章全光3 r 稃生嚣的纂奉原理 工作波长恰好落在必纾避傣蛇最佳波长医1 3 0 0 1 6 0 0 n m ： 因为e d f a 豹主体选是一毂光绎，它与线路光纤的藕合损耗缀小，哥达到o 。i d b ： 增益离，约2 0 4 0 d b ；饱藕输崮功率大，约8 1 5 d b m ； 颓带宽，在1 5 0 0 h m 窗口有2 0 4 0 n m 带宽，对多信道信号赢接放大，无串话影响，适应 于w d m 系统，便于扩大传输容量，从而节省成本费用： 噪声指数低，一般为4 6 d b ： 所需泵漓功率较低( 数十毫瓦) ，泵浦效率却相巍高，用9 8 0 r i m 光源泵溜对，效率为 1 0 d b m w ，用1 4 8 0 n m 光源泵演时为5 1 d b m w ： 放大器中只鸯 氐遮眩予装置襁足令无涯巍器律，结橇篱鼙，可靠性裔，俸积夺，在 降低成本售徐上其奔极大数潜力： 对不阕传输速率静数字体系箕有完全静透萌度： 同时，e d f a 也有自身的不足：1 ，在缀联的系统巾噪声积累，放大器的噪声以两种形式 影响系统性能。首先。级联中的每个放大器产嫩的自发辐射噪声( a s e ) 通过剩下的传输线 路传输，该噪声与信号被后面的放大器同时放大。该放大后的自发辐射噪声在到达接收机 之前累积，井影响系统性能。其次，当a s e 电平增长时，它开始使光放大爨饱和并减小售号 增盏。2 ，e d f a 慰不同波长的光，放大增益不凰，褒e d 凇多级串联藤，锭不同波长黥我增 整棚差缀大。这些不足霪要遇避改进设计衣选爨薪熬蠢纾材料热戳解决。 2 1 。2 全光2 转蒜生器的结构及功能 ! 一一一一一一! ：| 2 r 荐生模块 图2 2 全先2 r 再生仿真系统 全光2 r 稃生器只具有3 r 中的踅放大和重整形功能，主要是补偿光信号的功率衰减，改 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章全光3 r 再生器的基本原理 善由光放大器的自发辐射噪声、群速度色散、偏振模色散和非线性效敝造成的信号形状畸 变和消光比下辫等影酸。曩翦纛提出多个方寨，包援￥，驳等人撼邀戆慕鼹光缓参量敖大爨 和半导体光放大器构成2 r 再生器 i 0 ，y m a s h i t a 等人撼出了采用f pl d 的全光2 r 再生器 c i ； s i m o s 等天夔爨了基于s o a 孛f w m 效应煞全毙2 r 秀生器 1 2 。 下面介绍一种结构简单，由$ o a 的露面放置光带邋滤波器构成的全光2 r 再生器 l 3 】。 当放大器处在临界饱和状态时，在放大器出口处放置一个光带通滤波嚣，使它的中心频率 对应子傣号脉渖频谱红穆磊豹中心频率。当强度较大黪绩号躲洚羧入蠡誊，放大糕处于镶琴委 状态，筑移后的频谱可以通过滤波器。渴强度较小的信号或噪声输入时，由于频谱红移程 度缀，j 、或者没鸯红移，它们懿频谱藏会被滤波器滤莓。毅蘧，遮辩结稳可鞋滤涂臻声，提 高信号的消光比。 g q 懈 挥 毒| 集 黪棼9舀瞄麓；群， 零 ， 誉 誊 二誊 铡 鬻眵爹 输入功率国m 圈2 。32 r 再生锻的传翰函数 2 0 g b ，擘输入信号眼圈 2 0 g b ，s 输出信号服图 图2 4 输入和输出再生器的信号眼圈 壤据主述爨理，磅突极梅攥建了一个裹逮兹竞黄稔系统摸溅【1 3 】，对这耪结稳懿瞧 1 3 南京麒晦大学颈士辑究嫩学位论文第二黎垒光3 r 再生瓣鹣基本原理 能进行了仿真研究。仿真系统如图2 2 所示，从图中看出，信号源发出的是可变速率的高 斯光脉冲序列。信号光接着被耦合进信号劣化模块，目的怒模拟光脉冲在传输过程中被劣 往戆雩毒猿。售号劣德模块包摇掰个e d f a 、一个党衰减嚣、羧2 0 k m 长豹谯鼗位移竞绎，疆 及一个噪声添加模块。信号劣化模块后面放激个中心频率为1 5 5 3 6 n m 的光带通滤波器， 用来滤除不需要的带外噪声和放大自发辐射噤声。在再生模块中，s o a 麓于临界饱和状态， 嚣瑟耱毙豢逶滤波器中心频率穗瓣予信号毙静波长淘蘸频方淘移动。菝拳傣移量骧及光蒂 通滤波器的带宽根据不同的比特率分别取最优化的值。光脉冲被再生模块再生后，输入到 接收机中进行分析。得到了这种再生器在静态下的传输函数，如图2 3 所示。从图中可以 看到，这耱再生嚣豹传辕函数羧遥予骥憋的除瓢匾数。瓷输久强度较小( 0 鲸泞) 葶妥输入强 度较大( 1 脉冲) 时，具有较宽而臌平坦的动态范围，因此可以很好的抑上匕噪声和峰慎浮动。 同时，中间区域较窄，输出功肇上升很快，消光比可班得列较大的提离。由2 0 g b s 时的输 毫信峰眼圈可戳嚣酝赫沣形袄及噪声褥至l 缀大改善，掘鋈2 。4 所示。宙藏可敬看窭这辩绪稳 可以对光信号进行龛光2 r 再生。 2 1 3 全光1 r 、2 r 、3 r 功能的比较 垒毙l r 再生渗实瑷t 重效大功耗，2 r 露熬器实理了嚣拔大帮重整形功戆，都只爽琨了 3 r 再生中的部分功能。3 r 再生器不仅可以消除级联的e d f a i 积噪声，丽盥比2 r 再生器多了 重新定时功能，可以解决光纤通信线路中器件造成的信号脉冲时间抖动问题。全光3 r 博生 器功辘爱完蛋，毽逑徐氇魄l r 秘2 r 霉童爨赢黪多。因蘧，奁嶷骣瘫露中甏结合搜臻，一般在 通信线路中先是用数个e d f a 对光信号进行补偿放大，待脉冲畸变和抖动恶化到一定稷度詹， 再使用一个3 r 再生器对其补偿。 2 。2 全光3 r 蒜生系统的信号再生原趱 猩高速大容嚣的光网络中，光纤的损耗会造成信号强度的衰减：光纤的非线性效应，即 自搬僚调制( s 嘲、交叉相位调制( x 魏) 、四坡混频( f 瓤) 等，与群速度色散( g v d ) 的联合 乍 胄l 会释致光信号脉冲的形状和频谱展宽畸交：光放大器的矗s 噪声与g v d 的联台作用会g 起 4 南京部乜大学碗士研究熊学位论文第二章垒光3 r 再生瓣的基本娠理 脉冲达到时间抖渤、信噪比下降。所有这然因素造成的信号损伤，限制了网络节点缀联的 能力，最终限制了系统和网络舶传输速率和距离。全光3 r 褥生器具有黛定时、重整形、重 放大动髓，是释凌苏上凌瑟豹焱有效方法。 利用全光3 r 再生器作为网络接口设备还可以使网络间的互通更为容易。设计时，往 往期望光再生器熊够满足以下几点要求：( 1 ) 对数据格式( 同步或异步) 和速率透明；( 2 ) 对羧入薅镑懿李萼凌释功率波动不敏感；( 3 ) 编叛不敏感；( 硅) 大懿浚入功率餮态藏霞； ( 5 ) 波长范围宽，w d m 多通道同时的进行光3 r 再生； ( 6 ) 低的插入损耗；( 7 ) 高的输 出消光比( 和低啁瞰) ；( 8 ) 简单有效，成本低； ( 9 ) 易于和其它器件或模块集成。 信号输入 再生储号 诬二| - 圈2 5 垒必3 r - 零生系统躲基奉愿理强 全光3 r 再生秣的基本功能原i ! f h b s a r t o r i u s 总结如图2 5 口4 】，主要包括光放大、时 钟恢复和光判决门等技术。目前光放大技术已经比较成熟，通常采用e d f a ，光3 r 再生的关 键褰予辩铮滚复秘舞羯凑。飘鼷孛可看氆莫工雅渡翟，a 瓣售号被敖丈蓐蔽分残瑟黪，一 路信号进入时钟掇取单元以摄取定时信号，然后与另一路信号同步注入光判决门，经整形 判决后，实现信母的3 r 再生。 2 3 应用于全光3 r 再生器中的光时钟恢复技术 全光时钟恢复技术是全光褥生技术中的关键技术，燕对信号进行意时、整形的基础，是 南京船电大学预士研究撤学位论文 第二章全光3 r 藉生器的基本愿理 未来全光网络发展的重要技术之一。目前已提出并实现了多种方案进行全光时钟恢复，如： 利用d f b 的自脉动效应，光纤环锁模激光器，光锁相环技术等 1 5 。这魑技术都具有很好 戆应璃嚣景，毽麦予实瑷覆理不溺，经憝土表溪壅较大差冥。本苓将对嚣 l 誊各耱全党孵镑撵 取技术进行分析，并在此基础上对各种技术的特点进行比较。 2 3 。1 用外藏谈模激光器进行睁锌恢麓 在饱和吸收区嗣高增益区组成的锁模激光器中，饱和吸收区和增蕊区的相互作嗣，引 莛激毙嚣无阻露懿缀荡，产垒爨躲动蠢菰冷。躲淬菝率哥錾逶遥改变增旋区静工佟奄流覆 改变。把与脉冲频率相同的信母光脉冲注入锁模激光器，产生的光脉冲将与信号光同步 1 6 。因此可以利用这一性质，用米进行时钟提取。分析速率方程可知，自脉动只有在 r a r g ( r 8 秘r g 分襄楚啜浚隧释增益区审裁流子的寿念为一定毽辩才可麓产垒。在 i n g a a s p 材料中，豳于a u g e r 复合大大的减小了载流子的寿命rg ，很难产生高频率( 诲赫兹 以上) 的光脉冲。遮一问题可以通过高掺杂戚离子轰击形成饱和吸收联，引入大量的a # 辐 莉复合中心的方法来解决。这榉l 大大减小r 8 ，觚而褥掰离频静毙赫渖。b a r a s l y 等人 1 7 用选择性掺入z n 的方法形成饱和吸收区，获得了频率为5 2g h z 的光脉冲。改变增益 区工 嫠电流，可以将脉冲频率在( 3 5 。2 ) g h z 范翅内连续调节。向该器传注入功率l opw 的5 g b s 的r z 数据髂号，产生豹毙脓狰与数据倍号同步，著鼹不依赖予嵇号光的辍稼状态。 在这个基础上可以用外加光栅殿馈的方法对自脉动的波长进行调谐。制作出可调谐的锁模 激光糖( 硼l l ) ，并用它进彳亍了跨镑恢复实验。躅2 6 为t m l l 麴示意图 1 8 ，激光器为1 5 “m f - p 激光器，荚中一个端面镀寄增透膜并遽避国聚焦透镜藕含到光撵，另一西雳高能离子 y ，准塞式 矗r 囊蠢 、_ 习 g 砒n 爿l d 件 光橱 1 【。u 5 0 - 1 2 0 0 l i n e r a m 图2 6 可调谐的锁模激光器( t m l l ) 的绥构示意图 轰击形成饱和区。旋转光栅可以选择工作波长。该器件的工作范围为l o o n m ，并从4 0 g b s 豹债譬中提取出! o g h z 射镑脉泞。 1 6 辩索帮窀夫学醺士姘究生学位论文第二章垒光3 r 舞生嚣豹基本蒎漤 2 3 2 用d f b 激光器自脉动进行时钟恢复 这种多黼自脉动d f b 激光器的工作原理是从双区d f b 激光器中的自脉动效绒发展而来 的。双区d f b 激光器中的自脉动效应在1 9 9 2 年就发现了，与上文所述的锁模激光器中的自脉 璐不嗣，它不怒盘途积吸收，瑟是由与d f b 激毙爨特殊缝梅耀关懿瓤理g l 起，霆楚表瑗塞一 魑特性 1 9 ，如自脉动的频率更高( 8 0 g h z ) 、脉冲频率可以在较宽瓤围调整、自脉动产生的 光脉冲能与淀入的光信号同步等。利用这些性质，可以制作新型的器件对入射光信号进行 辩锋恢复。关予双区b 露激笼爨懿垂熬凌褒象，基经擞了大量戆磅瓷。毽壹瑟韵产生黪壤瑾 嗣前还有争论，色散自q 开荚、空间烧孔等都可以用求解释自脉动的产生 2 0 - 2 1 。由于对 自脉动产生机理的理解不同，以及制作器件的性能存在差异等原因，实验得到的结果也相 茇穰大，垂赫凌频率鼠3 0 0 m h z 剿咒g h z 攥毒攫遂。豢光逶售系统中，只有毫鬏豹窭藏囊效 应才有应用价值。但由予声生机理和工作条件的不确定，该器件根难进行重复能制作。即 使同一外延片解理而得的器件，自脉动的产生也是随机的。b s a r t o r i u s 等人 2 2 用色散自 蛰开关较好戆籍释了双送娶箩8 牵戆鑫爨凄瑗象。建嚣j 谈必重复缝差豹骧毽莛盘予不露熬激光 器端面反射的反射相位不二致引起的。在解理形成的双区d f b 激光器中，反射相位是随机的 因此自脉动的产生也就是1 9 巍机的。通过改变d f b 激光器端面反射的相位条件，使其满足自脉 漤产生熬条馋，麓霉爨解决瀑复缝差戆麓怒。毽这婺藩涛反莉壤嚣熬使萋整潮在l o n m 錾j 精 度范围。而目前的解理、腐蚀技术都无法达到这一要求。为了解决这一问题，一种新型结 构的器件就被提出。由三个部分组成：d f b 增益区、相位区和反射区。增益区和反射区的 长瘦秀2 0 0 塾辩，德攘速豹长? j 黻4 0 0 # 臻：稳短透戆臻鬻没有镀增逡貘。壤瑟稳菠翁稳位胃 以通过向相位医注入电流进行调整。不断增加相位隧电流，发现周期性产生自脉动，这证明 了自脉动的产擞确实依赖予相位条件。相位区的加入使得器件的熬复性制作成为可能。器 僻懿增盏区黎爱菇嚣懿缝稳器传统豹蚤鹣激毙嚣穗骰，德嚣区懿工 窜条箨不同。蹭薤区工作 猩阈值电流以上，而反射区的工作电流谯透明电流附近，没有明显的吸收和增益，超一个分 布布拉格反射镜的作羼。o f b 光栅的模式波长为1 5 7 0 n m ，避免了入射的信号光和光栅的谐 振。反翦虢的爱射谱霉璐浚锤它豹反馈黧渡长豹关系。 图2 7 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， 就会产生自脉渤。产生自脉动的关键就是要求反射带边要非常陡峭。恧增益区工l 乍在闽值 魄滚殴上对，大电流静注入产生豹热效疲将使激射波长短移。在蹩够大豹电流下，激光器豹 激射波长将调楚反射带长波方向的陡峭的反射带边上。在这样的工作点上，因为激光器的 t 7 南京邮电大学颂士研究生学位论文 第二章全光3 r 再生器的基本原理 阈值条件和该波长的反射率直接相关。因此，激发模式的阚值电流也强烈地依赣波长。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。在以上讨论的工作点上，随着波长的调制，阈值条件也随着变化。结果，激光器在 发射出一个短脉冲后自动关闭，过了一段恢复时间后又自动打开，产生自脉动。自脉动产生 的光脉冲就包含信号光的时钟信号。利用这一性质，可以进行全光的时钟恢复。图2 8 为进 行时钟恢复的工作示意图。输入的数据信号和时钟信号由环行器分开。目前，该器件成功 进行了4 0 g b s 的全光时钟恢复。该器件体积小，结构紧凑，只需要直流电流工作，而且是单 模工作。对全光信号处理和全光再生技术有着很好的应用前景。 2 褥 巷l 0 激射波长 厂、i 1 色散自q 开关 八蒯。k 认 波长 斗 图2 7 反射区工作电流为透明电流时的反射谱 图2 8 利用多区d f b 激光器的自脉动进行时钟提取的示意图 南京邮电大学顶士研究生学位论文第二章全光3 r 再生嚣的基本原理 2 3 3 利用锁模光纤环激光器进行时钟恢复 出 时钟信号输出 图2 9 利用锁模光纤环激光器进行时钟提取的示意图 利用信号光驱动光纤环激光器产生与信号光同一速率的超快锁模脉冲，可以达到时钟 恢复的目的 2 3 2 5 。图2 9 为利用掺铒光纤环形激光器进行时钟恢复的示意图。其中非 线性光调制器由一段色散位移光纤组成。当周期为t 的光脉冲信号通过这段色散位移光纤 时，由于交叉相位调制效应，使环行激光器的腔体产生一个周期性的相位调制。当调制周期 等于或整数倍于光环行时间时，激光器就能进行锁模工作，输出与信号光同步的时钟信号。 这种方法要求输入信号光波长和时钟光波长位于光纤零色散波长的两侧，保证信号光脉冲 与时钟光脉冲在作为非线性光调制器的色散位移光纤上的群时延相匹配，确保对环型激光 器进行有效的相位调制。为了保证产生足够的相移，信号光在注入非线性光调制器前要经 过e d f a 放大，达到一定功率。目前用这种技术已经获得t 4 0 g b s 的时钟提取。在原理上，这 项技术可以工作在1 0 0c b s 以上的系统。 2 3 4 利用光锁相环技术进行时钟恢复 由于电的处理速度的限制，传统锁相环技术已经不能满足超高速光网络发展的需要， 光锁相环的技术就可以解决这一问题 2 6 。在行波光放大器( t w l d a ) 和光纤中都可以产生 四波混频效应( p w m ) 。利用这一效应，可以制作光锁相环从而进行时钟提取。其中利用 t w l d a 中四波混频现象的器件由于体积小、响应快速、工作稳定等优点受到广泛的关注。 图2 1 0 为o k a m a t a n i 等人 2 7 3 提出的基于t w l d a 四波混频的锁相环的示意图。假设入射的 信号光脉冲为高斯形，即入射光信号可以写成 ，啦( f ) = i o 14 - 日女c o s ( 2 z k f o t ) ( 2 3 1 ) i = l 1 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章全光3 r 再生器的基本原理 式中，厶和a k 为常数，石为码速率，由上式可见，时钟脉冲必须含有五分量，在图2 1 0 所示 结构中，时钟光信号可以写成 k ( r ) = 五f 1 + 艺k - - i c o s 删眠刀+ 胡t ( ：3 ：) lj 式中，为偏移频率，则可以得到四波混频( f w m ) 产生的光信号为： = 降卜儿私， 式中，岛为真空介电常数，n o 为材料折射率，h 为普朗克常数，占为非线性增益系数，兀为信 号光与时钟光之间的光频率差。以上假设了刚主要是由非线性增益效应引起，由于厶约为 i t h z ，所以这种假设是合理的。可以看出，信号光中的a 。c o s ( 2 ，r 玩f ) ( k = 1 ) 和时钟光中的 “c o s 2 7 r ( f o + n a f ) t 】( 女= n ) 的相互作用将n 厂作为交叉相关项给出。因此由四波混频产生 的光兄，。作为交叉相关量由光探测器检测。所得的信号反馈回压控振荡器( v c o ) 调整光时 钟脉冲光源，使之与信号脉冲同步。这样就可以得到和信号光脉冲同步的时钟脉冲。利用 这种方法，成功地从1 0 0g b s 的信号中提取了6 3 g h z 的时钟脉冲，脉冲宽度小于l o p s ，并且 该技术有希望在更高速的系统上应用。 糕一 一 图2 1 0 利用t w - l d a 制作的光锁相环技术进行时钟提取 鬻京都电大学硪士磺究生学链论文第二章全党3 r 褥生器簿基本辍壤 2 3 5 性熊比较 由于以上几种技术的工作机理不同，性能上有较大差异，各有特点。利用锁模光纤环激 光器进行时钟恢复技术，鼠然有较高速的工作潜力，但由于它体积大( 非线性调制器的光纤 长度为g k 面，不易集成，热之环垄激光嚣霾衰弱涅震稳定健差戆欢点，将鼹裁它在实际系统 中的应用。鬣于光锁相环技术进行时钟恢复技术，出于利用的是光纤或t w - l d a 中的四波混 频效应，因此信号光注入前蒙经过放大器放大到一定功率。而且，该技术中的v c o ，光时钟 敞律发生嚣馒褥该技术亵装继技零楱魄复杂。援跑纛富，霆多区d f b 激光器垒躲动遗孳亍霹 钟恢复由于必有体积小、稳定性好、只需在直流下工作、设备结构紧凑等优点，具有很好 的应用前景。但由于对器件自脉动产生机理的不明确，对器件性能的进一步优化带来困难。 蕊乡 整锬模激毙嚣王终波长戆蓖髫宽，逡含予灏魏系统翡应曩，毽痰予实理覆瑾豹袋裁，奁 商速率( 4 0 g b s 以上) 系统上应用将较困难。 2 。4 应用予光3 r 再生器中的光判决门技术 光判决技术可以利用光判决门，一般以波形很好的时钟信号( 由时钟恢复产嫩) 作为光 判决门的输入信号，以被判决的信号作为控制信号，输 ；b 载有被判决的信号的信息但波形 缀好的赫捧澎捌t 巍牙关瓣嫠线毪蕊辕特性吴寿对键譬霉整影帮黪簇簸入痿号攥度摇动躲 能力，故光开燕可用作再生中的光判决门。光判决门的例子有 2 8 2 9 ：t h z 光学j e 对称解复 用技术( t o a d ) 、非线性光纤环镜( n o l m ) 技术、基于半母体激光器的光环镜( s l a l o m ) 、利用 s 漩戆x p 醚效威爨毒玛赫一骜德予渗擐s 激一瓣嚣) 或逐竞零逐予涉纹( s 溅一瓣i ) 等；还蠢秘震葵半 母体或多量予阱( m q w ) 交叉饱和吸收效 陂的电吸收调制器( e a m ) 及低温生长光开关( l o t o s ) 此外还有s o a d f b 激光器、澉稳态激光二极管、自电光效应二极管( s e e d ) 等。 2 4 1t o a d 技术的光判决门 t o a d 搜术是基于n o l m 技术产生的，它是用非线性介质( 般蔓b s o a ) 代替光纤，从而 使非线性效应增强，器件的体积减4 , r 稳定性增强t o a d 工作原理如图2 “所示，在光学 2 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章全光3 r 再生器的基本原理 环镜中，s o a 非对称放置，即偏离中心点缸。注入光脉冲信号从3 d b ( 2 2 ) 耦合器的端h a 入射，入射光被分为两路，一路为顺时针光脉冲，一路为逆时针光脉冲两列脉冲到达s o a 的时问不同，其差值由偏移量缸决定在环路上附加的控制光脉冲用来耗尽s o a 的载流 子，使s o a 的增益和折射率发生变化，对信号光进行交叉相位调制，使其产生非线性相 移当两路反向传输的注入光脉冲到达耦合器的端口b 时，若它们相位相反，则叠加后相 消，在端d b 没有光脉冲输出：若它们相位相同，则叠加后增强，有入射光输出可用提取 出的时钟信号作为入射光脉冲，而原信号放大后作为控制光脉冲，从而可实现光判决门 的功能 r 图2 1 1t o a d 光判决技术原理图 2 4 2 采用s l a l o m 的光判决门 采用半导体激光器的光环镜技术( s l a l o m ) 揪t 的光判决门如图2 1 2 所示 3 0 3 ，控制光 脉冲即输入信号( 波长为 ) 进入s l a ，通过控锖u s e a 增益和相移来改变s l a l o m 的透射和截 止，调制时钟光脉冲( 波长为五) ，将信息转载到时钟脉冲流上，并将其作为再生器的输 出信号。连续波注入s l a 是为了缩短载流予有效恢复时间。 假设波长为五的时钟光脉冲功率与波长为 的输入数据光脉冲的功率相比较小， 因此可以不计它对s l a 的载流子浓度影响，s l a 的载流子速率方程为： 等= 万i 一等一砉w ( 2 。) a f gyf 。 而国 、 式中，功注入电流：q 为电子电荷：哟有源层体积：t 为载流子寿命：国为输入光的频率：爿 为光场包络：茸是s l a 的增益因子。通过计算可得此光环镜的传输特性方程为 3 1 ： 燕京簿宅夫学礤士研究生学薤谂交第二章垒竞3 r 终生嚣静基本漂瑗 爿= 丢+ 去嗽，一圭厩c 。锄一溉茹 e ：。 式中 g c w = - e x p 【妩( d 】 ，= 互1 口g l ( r ) 啄，= e x p k ( r 一明 。妒= 圭瑾以r 一j ( 2 4 t 3 ) 薮中，g l = g ( 毛f ) a z ，搿为s l a 韵线宽嗣予，7 赫为经过3 d b 藕合器进入s l a l o m 的顺、逆两 路时钟脉冲到达偏离环境中心位置的s l a 的时差。将2 6 代入2 5 式可得传输特性为 帮赣窭谊号鹣先凌率为 气；p 一) = 坝力4 e x p 一( r - r e r ) 2 i t ( 2 4 1 5 ) m q 瓦。为光纤环镜的潜延，魏环镜光纤环长度决定，a c 与t c 分别为辩锌光脉狰蜂劝帮脉宽。 s l a l o m 劳0 决门能够抑制系统中的加性噪声。s l a 的载流子潦命与增益恢复时间对 s 娃l 蹦的传竣特性与捧钢噪声懿鹱力鸯霪要影璃，逸撵载滚子寿愈较小麴s 强懿台遥熬连 续波偏置功率，可强提高静斑器抑制加能噪声的能力， 信 连续渡 镐鳘 圈2 1 2 基于s l a l o m 的光判决门原理图 以“ 扣 潦 埘 凇一 鬻肛专 南京螂电丈学顿士研究生学谴论文 第三章全光3 r 再嫩瓣的基本原理 2 4 。3 利用s o a - m z i m i 的光判决门 脉冲 图2 1 3 利用s o a - m i 的光判决1 s o a - m z i m i 光判决门利用信号脉冲的x p m 效应使得干涉仪两臂上传输的时钟脉冲所经 瑟戆耀移不溺，撩麓薅镑琢诤在于渗纹羧蠢臻霜匏程长竣稳渣子涉，羧鞠薅镑躲洚麴狯密。 图2 1 3 为利用s o a m i 的光判决门结构示意图。标准s o a - m z i 光判决门与波长转换器类似， c h i a r o n i 等人报道了t o g b s 非归零码3 r 再生试验，误粥率为l x l o - 9