（通信与信息系统专业论文）基于fp滤波器的全光时钟提取技术研究.pdf

中文摘要 在超高速长距离光通信网中，全光时钟提取技术成为具有挑战性的热点研究 领域，其对网络同步和全光3 r 再生等全光信号处理技术起着至关重要的作用。 基于f a b q - p e r o t ( f p ) 滤波器的单波长及多波长时钟提取技术具有结构简单，时 钟建立时间短等优点，f p 滤波器是无源线性储能器件，受外界干扰比较小。本 文主要研究基于f p 滤波器的多波长时钟提取的理论基础、参数仿真及实验验 证。主要内容包括： 通过比较各种单波长及多波长时钟提取方案的优缺点及现有实验条件，提出 基于f p 滤波器及s o a 的时钟提取实验方案。对f p 滤波器的器件参数进行 m a t l a b 仿真，根据实际实验条件及要求，选择适当的f p 滤波器参数，以达到提 取出高质量时钟的目的。主要分析f p 滤波器精细度对提取时钟的幅度抖动的影 响，以及对长连零码幅度下降的影响。 进行了基于f p 滤波器的单波长及双波长1 0 g b p 姚信号的时钟提取实验研 究，并用单一s o a 对提取出的时钟脉冲进行去幅度噪声的处理。在背靠背实验 基础上，对恶化l 屹信号也进行了时钟提取。实验结果表明，f p 滤波器对两路 不同波长信号时钟提取的可行性，以及同一s o a 同时处理双波长时钟的能力， 两路的提取时钟的单边带相位噪声可分别达到8 2 8 1 5 d b c h z 国1 0 m z 和 - 8 3 0 7 2 d b c h z l o k h z 。 为了对强度调制信号的幅度抖动进行处理，提出在高非线性光纤( h n l f ) 中 利用自相位调制( s p m ) 效应抑制幅度噪声。通过强度调制信号进入h 】忆f 中产生 的s p m 效应，注入恶化信号频谱被展宽，并通过后面的偏移滤波滤出再生信号， 以达到去幅度噪声的作用。在理论分析的基础上，通过实验证实了基于s p m 的 l o g b p s r z 信号的全光2 r 再生，从波形眼图上可看到明显的抑制o 码和l 码噪 声效果。另外，还应用h l 忆f 中的四波混频效应( f w m ) 对r z 信号进行波长变换 实验研究，过滤出闲频光i d l e r 作为波长变换信号。 关键词：全光3 r 再生全光时钟提取多波长时钟提取f a b q p e r o t 滤波器半 导体光放大器( s o a ) 自相位调制( s p m ) 四波混频( f w m ) a b s t r a c t i l lt l l e h i g h - s p e e d 柚di o n g - h 卸la l l o p t i c a ln e t 、v 0 r k s ，t h ea l i o p t i c a lc l o c k e ) ( 仃到c t i o nt c c h n i q u ei sav e 叫c h a n e n g i n g 锄dh o t 陀s e a r c ha 舱a ，w h i c hi st h ek e y t e c h n i q 鹏f o rt l l ea l l - o p t i c a js i g 舱lp r o c e s s i l l g ，s u c h 嬲l h en 咖o r k i n gs y n c l l r o n 也狃t j 舳d3 r 陀g e n e r a t i o n 锄ds oo n t h e t e c h n i q u eo fc l o c k 陀c o v e r y b a do nf a b 巧p e r o t ( f p ) f i i t e r f o rs i n g l e 觚dm u l t i 、a v e l e n g ms i g n a l sh a sl o t so fm e r i t s ，l i k es i i i l p l e i n 舶l s t m c t u 他明ds h o r tt i m ef o rc l o c k b u i l d i n g m o 陀o v e r ，t l l ef pf i i t e ri s 锄o p t i c a l p a s s i v et a n kc i r c u i t s oi tc a nb el e s si i l f l u e n c e db yt h ee n v i m n m e n t t h i sd i s 献i o n m a i n l yf o c u st | l e 陀s e a r c h0 nt h et h e o 巧f o u n d a t i o n ，p a m m e t e 幅s i m u l a t i o n 锄d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ft h em u l t i - w a v e l e n g t hc l o c ke ) ( t m c t i o nb a do nf p f i l t e r t h r o u g hc o m p a r i n gt 1 1 ea d v 锄t a g e s 锄dd i s a d v 觚t a g e so fk h l d so fs i n g l e 锄d m u l t i 、a v e l e n g t hc l o c ke x 仃a c t i o nt c c l l i l i q u e sa n dt h ec u m n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ， 、ep i 0 p o s et h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ft h ec i o c ki c o v e r yb a s e do nf pf i l t e r 锄da s i n g l es o a w 色d o 廿l en u m e r i c a ls i m u i a t i o nf 0 rf pf i l t e r sp a 随m e t e 倦b y m a t l a b w bc 蛐c h o o t l l ep r o p e rf pf i l t e rf o re x n a c t i n gt h eb e s tc l o c k s i g n a l sb 豁c d 彻t h es h n u l a t i o n 锄dt l l e e x p e r i m e n 协lc o n d i t i o n 锄dd e m 锄d w ec o m p a 他t i l e 姗p l i t u d ej i n e ro ft h e m 锨e dc l o c ku n d e rd i 仃e 他n tf i n e s 锄dc a l c u l a t et l l e i r l a t i v es t a l l d a r dd e v i a t i o n 皿s d ) t 1 l ed i s s e n 砒i o na l s 0s i m u l a t e st h ee 侬圮t so f f i n e s s ef o rt h e 锄p l i t u d ed e s c 朋to fl o n g c o n t i n u o u s 趵r o sc o d et i l a ti sa k e yf h c t o r f o r t h eh i g h - o r d e rp s e u d o r a n d o mc o d e sc i o c ke x n a c t i o n f o r 廿l ee x p e r i m e n t a li i l v e s t i g a t i o n ，w eo p c r a t et h ee x p e r i m e n to fs i i l g l e 锄d m u l t i 。w a v e l e n g t hc l o c ke x t r t i o nf o rl0 g b p sr zs i g n a l ，锄dw eu s eas i n g l es o at 0 s u p p r e s st h e 姗p l i t u d en o i a r e ro p e r a t i n gt h eb a c k t 0 b ke x p e r i m e n t w ea l s o e x 饥粥tt l l ed e g 豫d e ds i g n a l s c l o c k t 1 i r 0 u g ht l l e e x p e r i m e n t w ed e m o n s t 豫t et h e p o s s i b i l i t yo f 坞c o v e r i n gt l i ec l o c l 【so ft w oc h a n n e l slo g b p ss i g n a l sw i t hd i f f c r e n t 、张v e l e n g t hb yf - pf i i t e r 柏dt h ea b 订时o fs i n g l es o at od e a lw i t l lt 、ow a v e l e n 昏h s c l o c k s ，锄dt h ep h a n o i s eo f t h e 觚oe x 仃a c t e dc l o c k s 黜8 2 8l5 d b c h z l0 k h z a n d 一8 3 0 7 2 d b c h z l 0 k h z f o r 旭d u c i n gt l l ea i n p l i t u d ej i t t e ro ft h ei n t e n s i t ym o d u l a t e ds i g n a l s ，w ep r o p o s e a n o t h e rm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h es e l f ：p h a s em o d u i a t i o n ( s p m ) e f ! f e c ti n h i g h n o n - l i n e 盯f i b e r ( h n l f ) w i t has u b q u e n to p t i l 矧i t e ra tt h es h i 触d 行e q u e n c y c o m p a r e dt 0t h ei n p u tc l o c k r r i e r 舶q u e n c y b a s e do nt h e l e o r y 柏a l y s i s ，w e d e m o n s t r a t et h e2 rr e g e n e r a t i o nf o r l o g b p si 屹s i g n a lb ye x p e r i m e n t f r o mt h ee y e a l a g r a mo ft h ed e g r a d e da n dr e g e n e i a l e ds i g n a l s ，t h ea m p l i t u d en o i s e so f z e r oa n do n e c o d ea 他s u p p r e s s e do b v i o u s l y a n d ，w et a k e m ee x p e r i m e n t a l 陀s e a r c h 伽t i l e w a v e i e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do nt h ef o u rw a v em i x i n g ( f w m ) i n 阳此f t l l ei d l e ro f w h i c hi sf i l t e r e d 硒t h en e w w a v e i e n g _ t hc o n v e r s i o ns i g n a l k e yw o l m s ： a 1 1 0 p t i c a l 3 r 他g e n e r a t i 0 i l a i 咖t i c a lc i 。c ke x t 喇i 0 i l m u j t i 。w a v e l 舶g t hc 1 0 c ke x 觚l c t i o n ，f a b 巧- p e r o tf i l t e r s o a ，s p m ，f w m 第一章绪论 1 1 光纤通信的发展 第一章绪论 2 0 0 9 年诺贝尔物理学奖颁给了英国华裔科学家高锟博士( c k k a 0 ) ，这是我 们全体中国人的骄傲。1 9 6 6 年，高锟博士发表的一篇十分著名的文章 d i e l e c t r i c - f i b 陀s u r f ；虻ew a v e g u i d e sf o ro p t i c a lf r e q u e n c i e s ，该论文从理论上证 明了用光纤作为传输媒质以实现光通信的可行性，并预言，通过降低材料的杂质 含量和改进制造工艺，就可以使光纤的衰减下降到2 0 d b l ，甚至更小【1 1 。这篇 著名的论文也同时开启了光纤通信的时代。近年来，光纤通信的快速发展使人类 步入高速信息时代。光纤通信系统自问世以来，一直朝着不断提高系统容量的目 标发展。在过去的二三十年中光纤通信系统的容量已经增长了几十万倍。然而， 这还远未达到理论上光纤所能承载容量的极限，仅以普通石英单模光纤为例，其 本身在1 5 u m 波段就提供了l o t h z 的带宽，考虑到新型光纤的采用，实际可用 带宽还会大大增加。因此，从技术的自然发展趋势看，人们还会不断研究并采用 新的光纤通信技术，充分挖掘光纤的带宽潜力，从而实现超大容量的光纤通信系 统。 1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为2 0 d b 的石英光纤【2 】，证明光纤作 为通信的传输煤质是大有希望的。同年，g a a 从s 异质结半导体激光器实现了室 温下的连续工作，为光纤通信提供了理想的光源。从此，便开始了光纤通信迅速 发展的时代。 在2 0 世纪7 0 年代，光纤通信由起步到逐渐成熟。这首先表现在光纤的传输 质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降。1 9 7 2 1 9 7 3 年，在o 8 5l im 波段，光 纤的传输损耗已下降到2 d b 胁左右；与此同时，光纤的带宽不断增加。光纤的 生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较大的渐变型折射率光纤；另外， 光源的寿命不断增加，光源和光电检测的性能不断改善。 8 0 年代是光纤通信大发展的年代。在这个时期，光纤通信迅速由0 8 5um 波段转向1 3i lm 波段，由多模光纤转向单模光纤。通过理论分析和实践摸索， 人们发现，在较长波段光纤的传输损耗可以达到更小的值。经科学实验研究，很 快在1 3l im 和1 5 5um 波段分别实现了损耗为0 5 d b l ( m 和0 2 d b k m 的极低损 耗的光纤传输。在这期间，波分复用系统、相干光通信系统、光纤放大器等技术 第一章绪论 已受到人们的重视，投入大量的人力和物力进行研究。8 0 年代末期，掺铒光纤 放大器( e d f a ) 问世，从而实现了无需光电转换就能进行全光信号放大【3 】，推动了 光纤通信的快速发展。由于e d f a 具有很宽的放大带宽，它也促进了波分复用 ( w d m ) 技术的出现1 4 j 。 随着人类社会信息化时代的高速发展，对通信的需求呈现加速增长的趋势。 为了满足带宽和容量的需求，1 9 9 3 年2 5 g b i t s 的系统已经实用化，1 9 9 5 年又推 出1 0 g b i t s 的系统。但是，受电子速率瓶颈的限制，单信道速率达到4 0 g b i t s 以 上已很困难。从1 9 9 6 年商用的波分复用( w d m ) 系统出现到现在十年间，光放大 的w d m 系统经历了飞速的发展。单信道速率已由2 5 g b s 提高到4 0 g b s ，甚至 8 0 g b s 、1 6 0 g b s ，而复用的信道数或波长数也由4 路增加到3 5 6 路，信道间隔 由3 0 0 g i z 缩窄2 2 2 g h z ，并且传输距离也由几十公里延长到上万公里。2 0 0 5 年，单波长信道的传输速率已经达到2 5 6 t b s ，它是利用光时分复用技术和偏振 复用的四相位差分相移键控的新型调制方式实现的【5 】。2 0 0 7 年，基于w d m 技术 的系统传输容量已经达到2 5 6 t b i 讹。随着复用波长数的不断提升以及新型调制 技术的出现，光通信系统的传输速率不断地以惊人的速度提升。除了实验室的各 种传输速率的记录诞生，8 0 4 0 g b s 的密集波分复用( d w d m ) 系统已大规模商 用。 随着互联网技术的迅猛发展，人们对通信带宽的更高需求必将推动信息技术 和整个社会的快速发展。高速大容量光传输技术已经成为技术发展的必然趋势。 随着光纤通信容量的不断迅速提高，跨洋通信的单纤传输容量从1 9 9 0 年到2 0 0 6 年增长了数千倍。按照目前的发展趋势，到2 0 2 5 年左右，单纤传输容量将提高 到l o o t b p s ，这对目前的光通信技术提出了更高的挑战。在未来光通信技术中， 很有可能同时用到多种复用技术和新型的调制技术以满足高速超大容量光传输 的要求。 目前最引人注目的全光通信技术，它是在传送网中加上光层，在光上进行交 叉连接和分叉复用，无需进行光电转换，避开了电子速率瓶颈的限制，从而减轻 电交换节点的压力，大大提高整个网络的传输容量和节点的吞吐容量。光分组交 换技术，建立i po v e ro p t i c a l 体系的全光网络已成为各大科研机构的研究热点。 全光网络的相关技术主要包括全光交换、光交叉连接、全光中继和光复用与解复 用等。作为保证长距离全光传输信号质量的重要手段，全光3 r 再生技术是实现 全光网络的关键技术之一。 2 第一章绪论 1 2 全光3 r 再生技术 在长距离超高速全光通信网络中，光信号在传输过程中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、距离和 传输容量。所以对恶化信号的再生是必须解决的一个技术问题，其能极大地提高 系统的传输能力。导致光信号恶化的原因有很多，传输过程中主要对脉冲宽度、 幅度和时间等方面对信号恶化。其中色散导致脉冲展宽，包括光纤以及光网络各 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 ) 。脉冲幅度的起伏主 要表现在光纤以及光网络各个节点的光学元器件的非线性上，包括交叉增益调制 ( 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，这些非线性导致脉冲包络畸变并产生幅度抖动。而光器件的 响应时间，光纤中的克尔效应，交叉相位调制效应引起的光波相移积累，导致脉 冲产生时间抖动。信号在传输过程中和经过光放大后都会引入噪声，照成脉冲信 噪比下降。 为解决高速长距离传输中信号的恶化问题，保证通信质量，提高通信能力， 如果对上述各种信号恶化因素进行分别的补偿，则需要多种技术共同完成，加大 了实现的难度和通信系统的成本。所以恶化信号再生技术以其方案简单和快速有 效等优势成为研究热点，其分为三个层次，包括幅度再生、脉冲形状再生以及脉 冲再定时。3 r 再生【“7 】的概念自然就被提出，即再放大限e a m p l i f i c a t i o n ) 、再整 形( r e - s h a p i n g ) 和再定时( r - t i m i i i g ) 。光电光再生技术已经非常成熟，但这种方 法受到电子器件低速率的瓶颈限制，且成本很高，对传输速率不透明。 因此全光3 r 再生技术在全光网络中有着非常广阔的应用前景。随着光器 件的不断改进，全光3 r 再生技术已经成为世界光通信研究的热点。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，如图1 1 所示。恶化的输入 光信号进入3 r 再生系统，光放大单元对输入光信号进行幅度放大；光时钟提取 单元恢复出低抖动、高稳定的时钟脉冲；光判决单元将输入数据信号调制到提取 出来的时钟脉冲上，完成再定形和再定时功能，输出再生后的光信号。 第一章绪论 图1 1 全光3 r 再生系统框图 在全光3 r 再生技术中，再放大则是由光信号直接进入全光放大器进行放大 完成的，而全光时钟提取以及光判决则是3 r 再生的关键技术，也是研究的难点 与热点。全光判决技术通常是由全光开关来实现的，目前全光判决技术研究主要 分为两类，一类是基于半导体器件的全光判决，如半导体光放大器( s o a ) 和电饱 和吸收调制器( e m a ) ；另外就是基于高非线性光纤( h l 忆f ) 的非线性效应。全光 判决不是本论文的研究重点，本论文就3 r 再生技术中的另一个关键技术全 光时钟提取技术进行较为深入的研究。 随着单波长3 r 再生技术的成熟，以及w d m 系统的广泛应用，目前最为热 点的研究主要集中在多波长3 r 和2 r 再生技术上。多波长3 r 再生技术主要是研 究在单一链路上同时进行时钟提取和判决的多路不同波长信号的再生，技术要求 非常苛刻。既要保证不同波长信号再生的独立性，还要避免在时钟提取以及判决 中各路信号因各种非线性效应，如交叉相位调制( x p m ) 、交叉增益调制( x g m ) 以及四波混频( f w m ) 等引起的相互干扰。总之，要实现多波长和高速率的3 r 再 生系统，存在许多技术难题与挑战。目前对于多波长信号再生的研究，主要集中 在2 r 再生上。英国南安普顿大学的l p r o v o s t 等人将四路信号通过偏振态和传播 方向复用，实现了再同一链路上的四波长信号同时2 r 再生【8 1 0 】。四波长信号通 过偏振态复用分别从两端进入保偏高非线性光纤( p m h n l f ) 中，同侧注入的两路 光信号的偏振态保持垂直，而且相反方向的光信号在p m h n l f 中相互不干扰， 利用非线性光纤中的自相位调制( s p m ) 效应实现四路信号的2 r 再生功能。 4 第一章绪论 c h 3c h 1 p m - h n l f 图l - 2 四通道2 r 再生系统框图 基于s p m 效应的2 r 再生方案，在本论文中有所研究，并在理论和实验上 验证此再生系统的可行性，其性能将在后面重点研究。多波长3 r 再生技术的广 阔应用前景已经引起各大科研机构的重点关注。本论文即是在多波长3 r 再生研 究的背景下，重点研究多波长时钟提取技术和实验方案。 1 3 单波长全光时钟提取研究现状 在全光3 r 再生系统中，时钟提取技术是全光3 r 再生技术的关键技术之一 【1 1 1 。全光时钟提取技术负责从恶化信号中提取出低抖动、高信噪比的时钟脉冲。 提取出的时钟脉冲形状和质量直接影响到后面全光信号判决的质量，即恶化信号 再生质量，时钟提取技术是整个全光3 r 再生系统的关键环节。常用的时钟提取 方案分为电时钟提取、光电混合时钟提取和全光时钟提取三大类。利用电时钟提 取和光电混合时钟提取技术都要进行光电转换，并应用到锁相环等技术。其结构 复杂，技术难度比较大，成本较高，同时也不符合全光网络的要求。本论文重点 对全光时钟提取技术进行研究和实验。全光时钟提取技术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，下面介绍目前被广泛研究的全光时钟提取技术。 1 3 1 基于光纤参量振荡器的时钟提取 近年来，随着高非线性光纤( n 、i l f ) 和光子晶体光纤等新型光纤的出现，时 钟提取的一个研究方向是利用高非线性光纤形成环路的光参量振荡器对信号进 行时钟提取1 2 13 1 。如图1 3 所示。这个方案之所以被广泛的研究，相比于半导体 器件【14 1 ，其优点在于光纤的克尔非线性响应时间非常短。光纤中的响应时间是在 第一章绪论 飞秒量级上的，所以这个方案能很好地应用到未来超高速信号处理系统中。另外， 时钟提取系统中振荡信号的波长不受到半导体或e d f a 等放大器件的放大带宽 的限制，具有很宽的可调谐范刮15 1 。 图1 3 基于光纤参量振荡器的时钟提取框图 这种方案虽然结构简单，但是也存在一些不足。本方案主要用长光纤对信号 进行时钟提取，光纤的稳定性受到环境温度等因素变化影响较大，工作稳定性较 差。再次，腔内的超模噪声很难抑制。而且，这种结构体积较大，不易集成。 1 3 2 基于半导体环形激光器的时钟提取 基于半导体环形激光器的时钟提取方案主要应用注入锁模技术，锁模技术是 利用多纵模输出的激光束，经过特殊的调制，使其各个纵模之间有确定的相位关 系，叠加后出现窄脉冲。时钟提取采用注入锁模技术，注入的光信号对激光器进 行调制，从而产生锁模光脉冲输出。如图l - 4 所示基于s o a 的注入锁模时钟提 取方案，利用注入的光信号对激光器进行调制，产生锁模光脉冲时钟信号输出 l l 9 1 。这种方案主要利用s o a 的交叉增益调制或交叉相位调制等非线性特性， 当l 屹信号注入到半导体放大器件后，调制环形激光器腔内的损耗和相位，在腔 长匹配的条件下形成锁模，从而得到时钟脉冲信号。 半导体光放大器s o a 在此方案中既作为增益介质，又作为锁模条件。此方 案同样存在环形腔不稳定的问题，容易受到环境的影响。另外s o a 作为非线性 器件，受到载流子恢复时间的限制，这对高速信号的处理带来困难，会造成码型 效应。 6 第一章绪论 图l - 4 基于半导体环形激光器的时钟提取框图 1 3 3 基于自脉动d f b 激光器的时钟提取 此方案利用d f b 激光器的自脉动效应对信号进行时钟提取【2 眦。自脉动现 象是由于d f b 激光器在注入直流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。自脉动激光器对信号进行时钟提取时，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光信号脉冲 形成同步，最终提取出时钟。这里主要介绍双区d f b 激光器的时钟提取方法， 美国中弗罗里达大学的c l 也o l 中的光通信研究小组对这方面的研究较为深入。 根据注入信号波长与探测光波长距离，以及作用方式，主要分为相干和非相干模 式 2 2 】。图1 5 所示为基于双区d f b 激光器的相干模式时钟提取框图。r z 信号与 探测光同时注入d f b 激光器，由于频率和相位的不同，两种模式在d f b 中相干 作用，最后从d f b 激光器输出的强度信号即为时钟脉冲信号。此方案的优点在 于，脉动频率高，范围宽，可达到l l 1 2 0 g h z ，调谐范围较大；器件体积小， 可集成化；时钟建立非常快。此方案的缺点在于，d f b 激光器制作结构复杂， 应用到具体速率信号时钟提取时，需要定制，造价昂贵。 7 第一章绪论 t s d f b 图1 5 基于双区d f b 激光器的相干时钟提取原理框图 1 3 4 基于f a b 拶- p e r o t 滤波器的时钟提取 作为被动光储能以及周期释放能量的无源光器件，f a b 叫p e r o t ( f p ) 滤波器具 有时钟提取的功能【2 3 2 6 】。其时钟提取的原理为，输入i 讫信号直接进入f p 滤波 器中，光信号在f p 腔内振荡并输出时钟脉冲。利用f p 滤波器进行时钟提取需 要两个条件，其一是f p 滤波器的自由光谱区要与输出信号的时钟频率相同，通 过调节f p 滤波器的腔长可以改变其自由光谱区，使之与信号时钟频率相同。而 在实验中，通常是调节信号的时钟频率，以对应f p 滤波器的自由光谱区。其次， 输入信号的光中心波长要与f p 滤波器的一个透射窗口中心对准。这样在频率 上，l 屹信号的时钟离散谱分量与滤波器的透射窗口对应，时钟分量就可从f p 滤波器中输出，而连续谱分量则被滤波器过滤掉。 本论文重点研究基于f p 滤波器的时钟提取技术的研究，在理论数值仿真基 础上，对单波长及双波长r z 信号的时钟提取进行实验研究。基于f p 滤波器的 时钟提取方案，具有对系统结构要求简单，时钟建立短等优点。由于f p 滤波器 是无源线性器件，没有非线性效应，在温度控制的基础上，不会受到其他干扰。 但其精细度的选择对不同系统要求有不同的选择，自由光谱区的调节较为困难， 不适合码率变化较大的信号的时钟提取。更细节的问题，将在之后讨论。 1 4 多波长全光时钟提取研究现状 全光时钟提取是未来高速全光网络的关键技术之一，是全光3 r 再生系统的 重要子系统之一。近年来，对单波长信号的时钟提取已有很多研究及证明：包括 第一章绪论 基于光纤光参量振荡器、锁相环、基于s o a 环形锁模激光器、自脉动分布反馈 激光器和f p 滤波器等。这些技术上面都已经介绍过。然而随着波分复用( w d m ) 技术的快速发展与应用，对应于w d m 光网络的全光多波长3 r 再生以及时钟提 取提出要求。对于不同波长信号的并行分开时钟提取方案增加了系统的体积、成 本以及复杂程度等。但由于要对同时输入的多个波长且时钟有偏差的w d m 多路 信号分别进行处理，多波长时钟提取技术研究受到很多限制和技术难点。目前， 不同波长信号的并行分开时钟提取方案增加了系统的体积、成本以及复杂程度 等。所以对于单一全光链路的同时多波长时钟提取的研究更具有挑战性和实际应 用价值，这项技术的突破将使w d m 技术的优势更显突出，已经成为w d m 技术 的研究热点。目前，对于多波长时钟提取的研究比较少，主要有以下几种方案： 基于受激布里渊散射的多波长时钟提取【2 7 1 、基于单模光纤的时域t a l b o t 效应【2 弘刈 等。 基于受激布里渊散射( s b s ) 的时钟提取方案早已被提出【3 l 】。自从1 9 6 4 年首次 观察到s b s 现象以来，人们已对它进行了广泛地研究【3 2 】。s b s 是通过相对于入 射泵浦波频率下移的斯托克斯波的产生来表现出来的，频移量由非线性介质决 定，大约为1 0 g h z ，不同的光纤材料具有不同的下变频移量。s b s 产生的斯托 克斯波是反方向传播波。s b s 的阈值泵浦功率与泵浦波的谱宽有关，对c w 泵 浦或是相对较宽的脉冲( 大约lus ) 泵浦，其阈值可低至约1 m w ，而对脉宽小 于l o n s 的短脉冲泵浦，s b s 几乎不会发生。如图1 6 所示为基于s b s 的多波长 时钟提取实验框副2 7 j 。数据信号经耦合器分两路注入，一路作为泵浦光( p u m p ) ， 另一路经过l o 5 g h z 的调制器调制作为下变频的斯托克斯波( s e e d ) 。两束光在 d s f 光纤中进行s b s 作用，泵浦光( p u m p ) 产生的s b s 效应放大了斯托克斯波 ( s e e d ) 。这一结构可作为窄带光放大器，把s e e d 中最强的谱分量放大，也相当于 过滤出这部分谱分量。而在数据信号中，时钟信号的离散谱分量是最强的f o u r 衙 成分，故利用s b s 效应吧时钟离散谱分量放大提取出来。此方案的缺点在于， 整个系统的稳定性较差，s b s 效应的频移量受到环境因素，如温度和振动等影响 较大，需要对整个系统进行温控和防抖动。 9 第一章绪论 图1 6 基于s b s 的多波长时钟提取框图 a 基于单模光纤中的t a l b o t 效应的单波长和多波长的时钟提取方案最近在加 拿大的m c g i l l 大学的光通信研究小组中得到理论和实验的研究【2 眦9 1 。t a l b o t 效 应是指根据信号在单模光纤中的色散作用，导致脉冲展宽，直到脉冲相互重叠， 且脉冲间的相互干涉导致自成像，每一个输出脉冲源于一系列输入脉冲的积累。 对于r z 伪随机码序列，在一阶色散介质中将产生具有输入信号b “周期的无零 码信号，即为时钟信号。本实验室己对t a l b o t 效应进行了初步的实验研究，在实 验过程中，对信号进行正负色散的补偿需要仔细的调节，而且系统极不稳定。 1 5 本论文的主要工作及内容 本论文的主要工作是多波长3 r 再生中的多波长时钟提取技术的研究。在大 量研究国内外相关文献的基础上，重点提出基于f a b q p e r o t 滤波器的多波长时 钟提取技术。在对f p 滤波器进行理论分析和数据仿真的基础上，根据f p 滤波 器的特性，提出采用f p 滤波器提取多波长信号时钟，并用s o a 对提取出的时 钟进行去噪声处理。并研究了基于s p m 效应的2 r 再生技术，在理论基础上， 进行了实验研究。 本论文理论和实验的具体工作包括： 1 对时钟提取技术中的关键核心器件f p 滤波器的特性进行了理论研究和 仿真分析。从理论上分析了f p 滤波器作为无源储能光器件的结构和工 作原理。对其传输函数进行了推到，证明其可以用来对单波长以及多波 长信号同时进行时钟提取。并用m a t l a b 对f - p 滤波器的参数对提取出的 时钟信号的质量进行了仿真分析。研究了f p 滤波器精细度对提取时钟 的幅度抖动的影响，以及对长连零码时钟提取的分析。为时钟提取实验 中的f p 滤波器的选择提供了理论依据。 2 根据前面对f p 滤波器时钟提取的理论仿真分析，进行了基于f p 滤波 第一章绪论 器的单波长1 0 g b p s l 屹信号的时钟提取实验。并用s o a 对提取出的信 号进行去噪声处理。分析了s o a 自增益调制效应抑制提取时钟的幅度 抖动理论基础。对实验数据以及结果进行了分析与总结。提出了较好的 时钟质量。并对提取出的时钟进行了相位噪声的测量。 3 在单波长时钟提取实验的基础上，进一步对双波长1 0 g b p s 信号进行了 时钟提取实验。分析了再提取过程中遇到的问题以及实验结果。实验结 果表明，利用f p 滤波器和单一s o a 对双波长信号同时进行时钟提取 方案是可行的，得到了质量较好的时钟信号。 4 为进一步解决提取出的多波长时钟信号的幅度噪声问题，在理论上分析 了基于s p m 效应的去幅度噪声的功能。并在实验上证实了基于s p m 效 应的1 0 g b p s r z 信号的2 r 再生实验，得到较好的实验结果，并对实验 结果进行了分析。在此实验中，同时也进行了利用h n l f 中的f w m 效 应对l 屹信号进行波长变换的实验研究。 第二章基于f p 滤波器时钟提取的理论基础及参数仿真 第二章基于f p 滤波器时钟提取的理论基础及参数仿真 2 1f p 滤波器的结构及工作原理 法布里珀罗干涉仪( f a b 拶- p e r o ti n t e m r o m e t e r ) 是由法国科学家c 法布里和 a 珀罗发明的一种高分辨率和高质量精度的光干涉仪。f p 谐振腔已经被广泛的 研究和应用。f - p 滤波器就是这样一种无源光储能滤波器件，具有结构简单、稳 定性高和通带窄等优点。f - p 滤波器的结构如图2 1 所示，其由两面相互平行且 具有高反射系数的镜面组成。入射光在透过反射镜进入f p 腔内中，每次到达另 一面时，大部分光背反射回腔内，一部分光则投射出f p 腔，反射多少取决于 f p 滤波器的精细度。镜面的输出光是每次透射光的叠加。腔体长度x 若是某一 光信号的半波长的整数倍时，由于干涉作用，对应此波长的输出光强最大，其附 近不符合这个条件的波长光信号透射的光强则很小，相当于被过滤掉。如果输入 连续光，则在频率相隔为c ( 2 x ) 处也出现同样的光强信号( 其中c 为光速，x 为腔 长) ，所以f p 滤波器为一梳状谱滤波器。通过调整腔长x ，可以改变中心波长的 位置，实现波长选择功能。 e z姐一j 5 2 互一币一尺县p 一加m 一尺) 置p ? ll r 一， 、。 ， 、 ， 再夏瓜印哪 ，、 ， 再忑瓶e 矿 ， ， ， i 一尺尺目，一，2 一一 l ( 1 一r ) j 5 2 e p ： ， ， r ， 0 两r e e 书，a 、 ， 、 1 融 7 图2 1f p 滤波器的原理图及光信号在其中的电场分布 f - p 滤波器的两个重要参数是自由光谱区( f s r ) 和精细度( f i 恤e s s ) 。自由光谱 区表示梳状谱窗口的频率间隔，通过改变f p 腔长x 可以直接改变滤波器的f s r ， 1 2 第二章基于f p 滤波器时钟提取的理论基础及参数仿真 这在后面的公式推导中将得到体现。f p 滤波器的精细度f i n e s 反映了滤波器 窗口的相对宽度，代表对透射光信号的波长的选择的精确性上。其定义公式也将 在后面给出。精细度f 与f p 滤波器的两个平面镜的反射系数有关，随着精细度 的提高，f - p 滤波器的透射窗口越窄，滤波器的波长选择越精准。后面将重点对 f p 滤波器的精细度进行仿真，得到其对提取出的时钟质量的影响。在实际的滤 波器制作中，提高滤波器的精细度的方法主要有两种，提高平面镜的反射系数， 还有就是采用多腔级联的方法。将多个透射窗口位置相同的f p 滤波器串联，则 整体的透射窗口的宽度变窄，可以得到高精细度的f p 滤波器。 2 2 基于f p 滤波器的全光时钟提取的理论基础 基于f p 滤波器的r z 信号全光时钟提取的理论可以从时域和频域两方面入 手。下面先从时域上对f p 提取时钟进行分析。光信号输注入f p 滤波器，穿过 腔体，不断的反射与透射，其电场强度分布如图2 1 所示。令r 为两个平面镜的 功率反射率，那么反射场强为入射场强的万，假设平面镜的吸收损耗为零。则 场强为e i 的光信号进入f p 滤波器后，穿过第一块平面镜到后还有f 百e 的剩 余，其余被反射掉。假设穿过f p 谐振腔的信号没有损耗，那么，信号第一次到 达右侧平面镜的场强为瓜e 。e x p ( 一，x ) ，其中卢为传播常数。信号的一部分 透射出f - p 谐振腔， 其场强为( 1 一尺) e ，e x p ( 一，口x ) ，另一部分 i = i 融，e x p ( 一，x ) 被反射回腔内。光信号传播到第一块平面镜，又被反射到 第二块平面镜，透射出后的场强为( 1 一r ) 尺e x p ( 一，3 x ) 。如此反复下去，光信 号在时间间隔为2 露x c 上都有信号输出，其中n 为腔内介质的折射率，且输出的 光信号的波长相同，则在输出端进行干涉。根据相位不同可出现干涉加强和减弱， 从而实现滤波作用。所以，可以得出f p 滤波器具有储能及定时释放能量的功能， 释放能量的时间间隔为2 开工c ，即为光信号在腔内往返一周的时间。当以光脉冲 进入f - p 滤波器后，由滤波器的储能和释放能量的特性可知，在时间间隔为 2 刀工c 的点上都有脉冲输出，只是幅度不断的下降，这时如有能量不断的补充， 即有周期为2 玎工c 的伪随机码信号注入到f p 滤波器，f p 滤波器的输出脉冲幅 度可保持，并且为周期为2 一工c 的脉冲串。在原先l 屹码的o 码位置仍然有脉冲 输出，则f - p 滤波器就完成了对l 讫信号的时钟提取功能，即输出的为时钟脉冲。 从光频域的角度分析f p 时钟提取的原理，需要推导f p 滤波器的功率谱传 输曲线，而l 屹信号的时钟为离散谱分量，所以就可通过f p 滤波器过滤出r z 信号的离散谱时钟信号。下面将推到f p 滤波器的传输功率函数7 ( 厂) 。 由上面的时域分析，对每次透射出f p 滤波器的光信号进行求和，可得到滤 第二章基于f p 滤波器时钟提取的理论基础及参数仿真 波器的输出场强e 0 为： w ) - ( 1 _ 嗍( n 塾c x p ( 叫2 朋+ 1 ) 风) = 篙祭鬻w ) ( 2 1 ) 其中传播常数：兰 ：塑兰。由此可得到f p 滤波器的输出函数( 厂) ： 以c w ) - 船2 痔唧加陬刊e x p 咖 ( 2 2 ) 其中t _ 2 n 妣，为f p 滤波器的输出时钟， 9 = 一黼 所以可得到f p 滤波器的功率谱传输函数为： 附) = 1 日1 2 = 而甚 图2 - 2f p 滤波器的功率谱传输函数 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由式( 2 4 ) 可得到f - p 滤波器的透射谱曲线是梳状谱曲线，可画出其功率传输 1 4 第二章基于f p 滤波器时钟提取的理论基础及参数仿真 曲线如图2 - 2 所示。f - p 滤波器的传输功率谱函数在频率域上是周期函数。透射 谱曲线具有明显的梳状谱特性。不同的反射系数r 对应不同的透射窗口的宽度， 反射系数越大透射窗口的宽度就越窄，对频率的选择性就越好。当f p 滤波器的 腔长固定后，透射窗口的位置就固定了。图中窗口内对应提取出的时钟离散谱分 量。由于r ( 厂) 为一个周期函数，故称其周期为自由光谱区宽度f s r ，其定义为： e 强：生 2 ，饼 ( 2 5 ) 改变腔长x 可以改变滤波器的f s r 。由式( 2 4 ) 可得到一个传输窗口的半高全 宽( f w h m ) 的近似公式： f 嗍，三! 单：上罢 2 ，万r丁万只 定义f p 滤波器的精细度f 为： ( 2 6 ) 。 f s r 霄0r 、 ，2 ；= 而2 i i 厶，j f 删l 一尺 、7 精细度f 代表f - p 滤波器的离散谱选择精确性和传输窗口的宽度。精细度完 全由反射系数r 决定。当反射系数r 较小时，如i