（物理电子学专业论文）高速全光时钟提取技术.pdf

j e 京邮电大掌博士掌位论文 摘要 本论文的主要研究内容是高速全光时钟提取技术，围绕基于s o a 光纤锁模激光器 的时钟提取技术，分别从比特时钟提取、帧时钟提取、n r z 码时钟提取、码型效应等 角度进行了理论分析和实验研究。 论文以通信网的传输和交换两个领域为出发点，阐述了全光时钟提取技术在光通 信网和全光信息处理技术中的重要性。重点介绍了目前常见的比特时钟提取技术、帧 时钟提取技术、n r z 码时钟提取技术，分析了各方案的优缺点，指出基于s o a 光纤 锁模激光器的时钟提取技术是一种非常有潜力的时钟提取方案。 阐述了基于s o a 光纤锁模激光器进行时钟提取的原理，建立了时钟提取系统的 仿真模型，首次全面系统地分析了4 0 g b s 数据信号的时钟提取特性，包括：时钟锁 定时间、时钟锁定带宽、啁啾特性和脉宽的腔外压缩、以及各参数( 数据信号的脉宽 和功率、s o a 的小信号增益和载流子寿命、腔损耗、光滤波器带宽等) 对时钟质量 的影响，为系统性能的优化提供了有意义的理论指导。实验上实现了2 0 g b s 和4 0 g b s i 呓码的全光比特时钟提取，并进一步研究了注入信号光功率、时钟波长等参数对时 钟质量的影响。 提出了一种新的金光帧时钟提取方案，要求数据信号为包含固定帧头的o t d m 信号。对方案的工作机理进行了详细分析，对提取时钟的性能进行了仿真。实验上分 别成功地从4 xl o g b s2 3 l 1 的伪随机数据系列、2 0 g b s 的4 比特分组数据、4 0 g b s 的8 比特分组数据中提取出了高质量的帧时钟。利用该方案提取的帧时钟质量明显优 于自同步方案提取的帧时钟质量，而且不需要时间保护带，对长连“0 ”数目没有限 制。该方案是获得帧时钟的一种非常有潜力的方法，可以应用于高速帧头识别和解复 用等信息处理领域。 理论上推导了非等幅均匀复用的o t d m 信号中时钟频率分量与各支路脉冲幅度 的关系式，分别从频域和时域的角度分析了利用s o a 光纤锁模激光器对非等幅复用 的o t d m 信号进行时钟提取的物理机制。实验上从非等幅均匀复用的o t d m 信号中 提取出了单路时钟和群路时钟。此技术可用于高速o t d m 信号的时钟提取。 提出了针对等幅均匀复用的o t d m 信号进行全光时钟提取的一种新方案。理论 上推导了各次谐波时钟频率分量大小的表达式，分析了谐波时钟频率分量与各参数 ( 脉冲幅度、脉宽、脉冲周期、角度口) 的变化关系。实验上成功地从等幅均匀复用 的o t d m 信号中提取出了单路时钟和群路时钟。该方案简化了高速o t d m 系统中信 号的产生和传输，可应用于高速o t d m 信号的时钟提取。 提出了基于s o m a w g 的n r z 码全光时钟提取的新方案，阐述了方案的工作机 j e 京邮电大学博士掌位论二 理，进行了深入的数值仿真，讨论了n r z 信号功率、波长、速率，s o a 的偏置电流， a w g 的3 d b 带宽等参数对时钟分量提取质量的影响。实验上利用s o n a w g 和s o a 光纤锁模激光器实现了1 0 g b sn r z 码的时钟提取，并利用提取的时钟作为t o a d 的 控制光实现了n r z 码到r e 码的码型转换，进一步验证了提取时钟的实用性。该方 案具有结构简单，工作稳定，偏振不敏感等优点，特别是s o a 与a w g 相结合为实 现多波长时钟提取提供了可能。 研究了基于s o a 光纤环镜的n r z 码时钟提取技术，形象地解释了其工作机理。 实验上利用该方案实现了1 0 g b s n r z 码的时钟提取，并借助连续辅助光技术改善了 提取时钟的性能。 将增益区和透明波长的连续辅助光引入了基于s o a 的时钟提取光路，首次通过数 值分析研究了连续辅助光的功率、波长以及s o a 的偏置电流等因素对提取时钟码型效 应的影响。实验上利用连续辅助光实现了从2 0 g b s 署l ：t 4 0 g b s 2 3 1 1 的伪随机数据序列中 提取出了高质量的时钟脉冲，并进一步研究了上述各参数的影响，验证了仿真结果的 正确，该方案是降低码型效应的简单而有效的方法，可以应用于基于s o a 的全光时钟 提取和全光信息处理中。 关键词：光通信全光网络全光信息处理光时分复用( o t d m ) 3 r 再生 全光时钟提取码型转换半导体光放大器( s o a )注入锁模光纤激光器帧时钟 比特时钟交叉增益调制( x g m )自相位调制( s p m )码型效应连续辅助光 r z 码n r z 码 ! ! 兰竺兰查兰苎主兰竺笙查 苎苎竺墨 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h es u b j e c to fh i g h - s p e e da l l - o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yb a s e do n i n j e c r i o nm o d e - l o c k e ds o a f i b e r l a s e r , i n c l u d i n gb i t c l o c kr e c o v e r y , f r a m ec l o c kr e c o v e r y , c l o c k r e c o v e r yf r o m n r z d a t a ，p a t t e r ne f f e c te t c i nh i g h - s p e e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yi so n eo ft h ei m p o r t a n t t e c h n o l o g i e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a i nt e c h n o l o g i e so f b i tc l o c kr e c o v e r y , f r a m ec l o c kr e c o v e r ya n d c l o c kr e c o v e r yf r o mn r zd a t aa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea u a l y z e d ， w h i c hs h o wc l o c k r e c o v e r yb a s e d o ni n j e c t i o nm o d e l o c k e ds o af i b e rl a s e ri sa r ta t t r a c t i v e t e c h n i q u e t h e w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ec l o c kr e c o v e r yb a s e do ns o ai sa n a l y z e da n dat h e o r e t i c a lm o d e li s b u i l t ac o m p l e t en u m e r i c a la n a l y s i so i lc l o c kp e r f o r m a n c ea t4 0 g b sr a t ei s f i r s t l ys t u d i e di nd e t a i l ， i n c l u d i n gl o c k u pt i m e ，l o c k i n gb a n d w i d t h ，f r e q u e n c yc h i r pa n dt h ed e p e n d e n c eo ns o m ec r u c i a l p a r a m e t e r s ( t h ed a t as i g n a l s 。s o ap a r a m e t e r s ，c a v i t yl o s sa n df i l t e rb a n d w i d t he r e ) ，w h i c hi sa n e f f e c t i v eg u i d ef o re x p e r i m e ma n dn e c e s s a r yt oo p t i m i z et h es y s t e mp e r f o r m a n c e i ne x p e r i m e n t ，b i t c l o c kr e c o v e r yi sr e a l i z e da tb i tr a t e su pt o2 0 g b sa n d4 0 g b su s i n gi n j e c t i o nm o d e - l o c k e ds o a f i b e r l a s e r ，a n d 也ee f f e c t so ft h ed a t ap o w e r sa n dc l o c kw a v e l e n g t h so nt h ec l o c kc h a r a c t e r i s t i c sa r ef u r t h e r i n v e s t i g a t e d t h r e es c h e m e sf o ra 1 1 o p t i c a lf r a m ec l o c kr e c o v e r ya r ep r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt r a m ec l o c rr e c o v e r y f r o mo t d ms i g n a l sw i t haf i x e df r a m em a r k e r , f r a m e c l o c kr e c o v e r yf r o mu n e q u a l 。a m p l i t u d e m u l t i p l e x e do t d m s i g n a l s ，a n df r a m ec l o c kr e c o v e r yf r o me q u a l - a m p l i t u d ee v e n 。m u l t i p l e x e d0 t d m s i g n a l s ，w h i c h a r ed e m o n s t r a t e da sf o l l o w s an o v e ls c h e m eo ff r a m ec l o c kr e c o v e r yi sp r o p o s e d ，w h i c hr e q u i r e st h ei n p u td a t at oh a v ea f i x e d b i t f r a m em a r k e r t h ew o r k i n gp r i n c i p l ei sd e s c r i b e d i nt i m ed o m a i ni nd e t a i la n dan u m e r i c a l s i m u l a t i n no nt h ec l o c kp e r f o r m a n c ef o rf r a m ec l o c kr e c o v e r ya t 1 6 + 2 。5 0 b si sm a d e i ne x p e r i m e n t ， f r 帅ec l o c k sa t1 0 g h za r es u c c e s s f u l l yr e c o v e r e df r o m4 + 1 0 g b s2 3 1 _ 1 p r b sd a t as i g n a l ，m o r e o v e r , 2 5 g h zf r a m ed o c k sa r ea l s oe x t r a c t e df r o ma2 0 g b s4 - b i tp a c k e ta n da4 0 g b s 8 - b i t p a c k e t h i g h q u a l i t yf r a m ec l o c k c a nb eo b t a i n e du s i n gt h i ss c h e m et h a nt h a tu s i n gs e l f - s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e ， m o r e o v e r , i th a sn os u c hr e s t r i c t i o n sa st i m eg u a r db a n d a n dt h en u m b e ro fl o n gs e r i e so fc o n s e c u t i v e z e r o sa si ns e l f - s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e 。t h e r e f o r e ，t h i ss c h e m e i sap r o m i s i n gm e t h o df o rf r a m ec l o c k r e c o v e r y ，w h i c h c a nb e a p p l i e d t oh i g h s p e e dp a c k e tr o u t i n ga n dd e m u l t i p l e x i n g f o rf r a m ec l o c kr e c o v e r yf r o mu n e q u a l - a m p l i t u d em u l t i p l e x e do t d ms i g n a l s ，am a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o ni sf i r s t l yd e r i v e d ，w h i c hs h o w s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc l o c kf f e q u e n c yc o m p o n e n t sa n dt h e ! ! 查竺兰查兰! 主竺竺竺查兰查! ! ! 生 d u l s ea m p l i t u d ei nu n e q u a l a m p l i t u d ee v e n m u l t i p l e x e do t d m s i g n a l s ，a n dt h ep h y s i c a lm e c h a n i s m o f c l o c kr e c e v e r yf o rt h i ss c h e m ea r ea n a l y z e db o t hi nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i nr e s p e c t i v e l y i n e x d e r i m e n t ，f r a m ec l o c k sa n db i tc l o c k sa r ee x t r a c t e df r o mu n e q u a l - a m p l i t u d ee v e n - m u l t i p l e x e d o t d m s i g n a l sb yu s i n gs e a m o d e l o c k e df i b e rl a s e r t h i st e c h n i q u ec a nb ea p p l i e dt oc l o c kr e c o v e r yi n h i g h - s p e e do t d m n e t w o r k an o v e la 1 1 o p t i c a lc l o c kr e c o v e r ys c h e m ei sd e m o n s t r a t e df o fe q u a l - a m p l i t u d ee v e n - m u l t i p l e x e d o t d ms i g n a l s ，c o n t a i n i n ga l l “i n t e n s i t yr e s h a p e r ”( ap o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e ra n dap o l a r i z e r ) a n d m o d e 1 0 c k e ds o af i b e rr i n gl a s e r i nt h e o r y , am a t h e m a t i c a le x p r e s s i o na b o u tt h ei n t e n s i t yo fh a r m o n i c o fc t o e k f r e q u e n c yc o m p o n e n ti sd e r i v e d ，a n dt h ei n t e n s i t yo fh a r m o n i cc l o c k - f r e q u e n c yc o m p o n e n t s v e r s u st h ea h e r a t i v ea n g l e 0 ，t h ep u l s ea m p l i t u d e ，w i d t ha n dp e r i o di nt h em u l t i p l e x e dd a t a a r e i n v e s t i g a t e d i ne x p e r i m e n t , f r a m e c l o c ka n db i tc l o c ka r ee x t r a c t e df r o m e q u a l 。a m p l i t u d e e v e n - m u l t i p l e x e do t d ms i g n a l s ，w h i c ht e s t i f y t h ep r o p o s e ds c h e m e t h i ss c h e m es i m p l i f i e ss i g n a l g e n e r a t i o na n dp r o p a g a t i o ni no t d ms y s t e m s ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt oc l o c kr e c o v e r yi nh i g h - s p e e d 0 t d mn e t w o r k t w os c h e m e sf o rc l o c kr e c o v e r yf r o mn r zd a t aa r es t u d i e d ，o n ei sb a s e do i ls o a a w c lt h eo t h e r i sb a s e do ns e a l o o pm l r r o r an o v e ls c h e m ef o rc l o c kr e c o v e r yf r o mn r z d a t ai sp r o p o s e d ，i nw h i c ha ns o a a n da l la w gi s u s e da sn r z - t o p r zc o n v e a e rt oe n h a n c et h ec l o c kf r e q u e n c yc o m p o n e n t t h ew o r k i n gp r i n c i p l e i s a n a l y s e da n d an u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sm a d e ，i n c l u d i n gt h ed e p e n d e n c eo f c l o c kf r e q u e n c yc o m p o n e n t s c at h e p o w e r w a v e l e n g t h b i tr a t e o ft h en r zd a t a , s o ac u r r e n t , 3 d bb a n d w i d t ho fa w g i n e x p e r i m e n t ，a 1 1 o p t i c a l c l o c kr e c o v e r yf r o mn r zd a ma tl o g b si ss u c c e s s f u l l yd e m o n s t r a t e dw i t h s o a a w ga n ds o af i b e rl a s er f u r t h e r m o r e ，n r z - t o - r zf o r m a tc o n v e r s i o na t 1 0 g b si sr e a l i z e db y u s i n gt h er e c o v e r e dc l o c ka st h ec o n t r o ll i g h to ft o a d ，e m p h a s i z i n g t h ep r a c t i c a la p p l i c a b i l i t yo ft h e p r o p o s e dc l o c kr e c o v e r ys c h e m e t h ep r o p o s e dn r z - t o - p r zc o n v e a e ri ss i m p l e ，s t a b l e a n dn e a r l y p o l a r i z a t i o ni n s e n s i t i v e i np a r t i c u l a r , t h ec o m b i n a t i o no f s e aa n da w g p r o v i d e sap o t e n t i a lm e t h o d f o rm u l t i w a v e l e n g t hc l o c kr e c o v e r yi nf u t u r ew d m n e t w o r k s c l o c kr e c o v e r yf r o mn r zd a t ab a s e do ns o al o o pm i r r o ri sa l s os t u d i e d ，i nw h i c ht h eo r i g i n a l n r z s i g n a li sc o n v e n e d t op r z s i g n a lc o n t a i n i n gas t r o n g e rc l o c kf r e q u e n c yc o m p o n e n tb yu s i n gs e a l o o pm jn | o ct h e w o r k i n gp r i n c i p l ei se x p l a i n e di nd e t a i l ，i ne x p e r i m e n t ，a l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yf r o m n r zd a t aa t1 0 g b si ss u c c e s s f u l l yo b t a i n e d ，a n dt h eq u a l i t yo ft h er e c o v e r e dc l o c ki si m p r o v e db y u s i n gac w a s s i s tl i g h t ac wa s s i s t l i g h t i nt h eg a i nr e g i o no ra tt r a n s p a r e n c yw a v e l e n g t ho fs o ai si n t r o d u c e di n t o s o a b a s e dc l o c k r e c o v e r yc i r c u i tt oo v e r c o m ep a t t e me f f e c t an u m e r i c a lm o d e lc o n s i d e r i n gi n t r a - b a n d j e 京自b 电大掌博士掌位论，： 英文摘要 e f f e c t so fs o as u c ha sc a r r i e rh e a t i n g ( c h ) a n ds p e c t r u mh o l eb u r n i n g ( s h b ) e f f e c t si sg i v e nt os t u d y t h ep a t t e me f f e c to f c l o c kr e c o v e r y , t h ep a t t e r ne f f e c tr e d u c t i o nb e h a v i o mf o rd i f f e r e n ti n j e c t i o np o w e r s a n dw a v e l e n 昏h so fc wa s s i s tl i g h ta n dd i f f e r e n tb i a sc u r r e n t so fs o aa r ef i r s t l ys i m u l a t e d i n e x p e r i m e n t h i g h - q u a l i t yc l o c kp u l s e s a r er e c o v e r e df r o m2 “一1p r b sd a t as e q u e n c ea t2 0 g b sa n d 4 0 g b sb yu s i n gc wa s s i s tl i g h t m o r e o v e r , t h ee f f e c t so ft h ea b o v e - m e n t i o n e df a c t o r so nt h ep a t t e r n e f f e c ta r ea l s om e a s u r e d ，w h i c hc o i n c i d ew i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wal o w e rp a t t e r ne f f e c tc a nb ee f f e c t i v e l yo b t a i n e db yu s i n gac wa s s i s tt i g h tw i t hh i g h e r p o w e rn e a rh i g h e r - 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t o z e r o ( b r r z ) j e 京邮电大学博士学位论文缩写词索5 缩写词索引 a a m z l a s y m m e t r i cm a c h z e h n d e ri n t e f f e r o m e t e r a o na l lo p t i c a ln e t w o r k a s e a 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 a w g a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g c c d p fc o m b - l i k ed i s p e r s i o np r o f i l e df i b e r c hc a r r i e rh e a t i n g c m rc l o c k - t o m o d u l a t i o nr a t i o c s r z c a r r i e r - s u p p r e s s e dr e t u r n - t o - z e r o c wc o n t i n u o u s w a v e d d c f d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n f i b e r d p s kd i f f e n t i a lp h a s es h i f t k e y i n g d s f d i s p e r s i o ns h i f t e df i b e r d w d md e n s e 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 e 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 e d f a e r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r e re x t i n c t i o nr a t i o f f b gf i b e rb r a g g g r a t i n g f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f - 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l o c k e dl o o p o p t i c a lt i m e d i v i s i o nm u i t i p l e x i n g o 非线性光学环路镜 非归零码 光带通滤波器 光纤延时线 光锁相环 光时分复用 p p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r 偏振控制器 p o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n偏振模色散 p s e u d o - r a n d o mb i n a r ys e q u e n c e 伪随机二进制数据序列 p s e u d o - r e t u r n - t o - z e r o 伪归零码 r r e - a m p l i f y i n g r e - t i m i n g r e - s h a p i n g再放大再定时再整形 r e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n 相对标准偏差 r e t u r n - t o z e r o 归零码 s s t i m u l a t e db r i l l o u i n s c a t t e r i n g受激布里渊散射 s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y同步数字系列 s p e c t r u mh o l eb u r n i n g谱烧孔效应 s e m i c o n d u c t o r l a s e r a m p l i f i e rl o o po p t i c a lm i r r o r 半导体光放大器环镜 s i n g l em o d e f i b e r 单模光纤 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 半导体光放大器 s e l f p u l s a t i n gl a s e rd i o d e自脉动半导体激光器 s e l f p h a s em o d u l a t i o n 自相位调制 s t a n d a r dd e v i a t i o n 标准偏差 t t u n a b l em o d e l o c k e dl a s e r 可调谐锁模激光器 t c r a h e r t zo p t i c a la s y m m e t r i c d e m u l t i p l e x e r太赫兹光非对称解复用器 t r a v e l i n g - w a v el a s e r d i o d e a m p l i f i e r行波半导体光放大器 u 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 超速非线性干涉仪 v v o l t a g e - c o n t r o l l e do s c i l l a t o r压控振荡器 w w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 波分复用 c r o s sg a i nm o d u l a t i o n c r o s sp h a s em o d u l a t i o n x 1 0 8 - 交叉增益调制 交叉位相调制 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：翌塑鲆一 日期 2 _ 刀f 主伽 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名： 日期：! 巫墨塑 日期：垫堕圭丝 j e 京邮电大掌博士掌位论文 第一章绪论 本章首先以通信网的传输和交换两个领域为出发点，阐述了金光时钟提取技术在 光通信网和全光信息处理技术中的重要性。随后分别从比特时钟提取、帧时钟提取、 n r z 码时钟提取等角度介绍了目前常见的全光时钟提取技术，并对各方案的优缺点 进行了分析。最后给出了本论文的主要研究内容。 1 1 背景介绍 随着信息社会全球化的发展，人类对信息交流的需求与日俱增，以i n t e m e t 为主 的数据通信流量也按指数规律急剧增长，各种新型通信业务不断涌现，这对通信网的 带宽和容量提出了更高的要求。面对速率的挑战，通信网的两太主要组成部分一传 输和交换，都在不断地发展和革新i i 】。 在传输领域，超大容量、超长距离传输是主要发展方向。光纤凭借其巨大的带宽 资源和优异的传输性能成为大容量传输的最理想的物理媒质。目前提高光纤线路传输 容量的技术主要有两种：光波分复用( w d m ) 技术和光时分复用( o ) m ) 技术， 前者是增加单根光纤中传输的信道数目，后者是提高单信道的传输速率，这些技术为 未来超高容量传输和组网提供了可能。目前人们对超长距离传输的关键技术。如编码 调制技术、拉曼放大技术、色散补偿技术、动态均衡技术、前向纠错技术等，进行了 大量的研究工作，从而可以大大提高无中继传输距离。但是，随着信道传输速率的提 高，传输距离的延长，光纤放大器的自发辐射噪声( a s e ) ，光纤的群速度色散( g v d ) 、 偏振模色散( p m d ) 、非线性效应和各种串话等会引起光信号波形恶化，抖动增加， 消光比和信噪比下降，从而限制了光