（电磁场与微波技术专业论文）基于注入锁模光纤激光器的全光时钟提取技术.pdf

基于注入锁模光纤激光器的全光时钟提取技术 摘要 随着系统容量增大和传输速率的提高，各种噪声对系统传输性能的影响变得 不可忽略，必须对受损的光信号进行再生。同现有电域中的再生相比，全光再生 系统具有高速率和成本低等潜在的优势，全光再生技术成为未来全光网的关键技 术之一，而全光时钟提取技术又是全光3 r 再生技术中的难点及关键技术。本论文 对各种全光时钟提取技术进行了讨论和比较，指出基于注入锁模光纤激光器的时 钟提取技术具有很大的优势，并围绕着注入锁模光纤激光器时钟提取技术展丌以 下几方面的工作： 1 、阐述了基于注入锁模光纤激光器的时钟提取原理，根据各个器件的理论 模型，应用分步傅立叶、四阶龙格库塔算法，进行了数值模拟，分析了其启动过 程，得到锁模脉冲的脉宽和功率与s o a 的参数、光滤波器的带宽、注入信号光( 功 率、脉宽) 的关系，为实验提供理论依据。 2 、在实验上，首先实现了2 0 g b s 归零码的全光时钟提取，并分析了注入光 的功率、时钟信号的波长对提取时钟性能的影响。其次，分析了注入锁模光纤激 光器亚谐波锁模的原理，在实验上采取其中一路信号固定为零的方案实现了4 x l o g b s 时分复用信号支路时钟的提取。对于非归零码，由于其所台的时钟分量较 弱，利用s o a 环镜把非归零码转换成伪归零码，增强时钟分量，再进入锁模光纤 激光器，成功实现了l o g b s j n 归零码的时钟提取。 3 、由于s o a 载流子恢复时间达数百皮秒，提取时钟具有很强的码型效应的 问题，本文采用了注入连续辅助光的方法，加快s o a 的载流子恢复，减小码型效 应。为了减小码型效应，透明波长辅助光比增益区波长的辅助光需要更高的功率， 因此我们采用了处于增益区的辅助光。对于2 0 g b s 的2 ”一1 伪随机码，注入连 续辅助光后提取的时钟有了很大的改善。进一步，在实验上分析了连续辅助光的 功率和波长、s o a 的工作电流对提取时钟性能的影响。 关键词：全光时钟提取、半导体光放大器、注入锁模、交叉增益调制、码型效应、 连续辅助光 a l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yb a s e do ni n j e c t i o n m o d e l o c k e dh b e rl a s e r a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s ei nt h ec a p a c i t ya n ds p e e do fn e t w o r k ，t h el i m i tc a u s e db yt h e n o i s e sb e c o m e ss e r i o u s ，s ot h es i g n a l sh a v et ob er e g e n e r a t e da f t e rd e g r a d e dt h e a l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o ns y s t e mh a saf e wa d v a n t a g e so v e rt h er e g e n e r a t i o ni ne l e c t r i c d o m a i ns u c ha sh i l g hv e l o c i t ya n dm o r ec o s te f f e c t i v e a l l o p t i c a l3 r r e g e n e r a t i o i li s t h ek e yt e c h n i q u ef o r t h ef u t u r ea l l o p t i c a ln e t w o r k s ，a n da l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yi s t h ek e yo ft h ek e y a l lk i n d so ft e c h n i q u e sf o ra l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yh a v eb e e n d i s c u s s e da n dc o m p a r e di nt h i sp a p e r a n dt h ec l o c kr e c o v e r yt e c b m i q u eb a s e do n i n j e c t i o nm o d e l o c k e df i b e rl a s e r si sc o n s i d e r e da t t r a c t i v e ，i nt h i sp a p e r , t h ef o l l o w i n g f a c t o r sh a v e b e e ns t u d l e di nd e t a i l s 1 a tf i r s t ，t h ep r i n c i p l eo ft h ec l o c kr e c o v e r yb a s e do ni n j e c t i o nm o d e l o c k e df i b e r l a s e ri sd e m o n s t r a t e d b a s e do nt h et h e o r e t i c a lm o d e l ，ac o m p l e t en u m e r i c a l a n a l y s i sa b o u tt h ec l o c kc h a r a c t e r i s t i c si sg i v e n t h e nt h es t a r t u po ft h ec l o c k r e c o v e r yi ns u c hal a s e ri ss t u d i e di nd e t n l a n dt h er e l a t i o n s h i pi sg i v e nb e t w e e n t h ep u l s e w i d t h ，p o w e ro fo u t p u tp u l s e sa n dt h ek e yp a r a m e t e r s ，s u c ha st h es m a u g a i na n dc a r r i e rl i f e t i m e o fs 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 ) ，t h e3 d b b a n d w i d t ho fo p t i c a lf i l t e r , t h ep o w e ra n dp u l s e w i d t ho fi n j e c t e do p t i c a ls i g n a l s i t i sa l le f f e c t i v eg u i d ef o re x p e r i m e n ta n dn e c e s s a r yt oo p t i m i z et h es y s t e m p e r f o r m a n c e 2 i ne x p e r i m e n t ，t h ea l l o p t i c a lc 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 p s r zd a t aw i t hi n j e c t i o nm o d e - l o c k e df i b e rl a s e r a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e o u t p u tp u l s e sm a d t h ep o w e ro f i n j e c t e do p t i c a ld a t a ，t h ew a v e l e n g t ho f o u t p u tc l o c k i sg i v e n t h e naf l a m ec l o c kr e c o v e r ys c h e m eb a s e do nt h es u b - h a n n o n i c m o d e l o c k i n gi sp r o p o s e d ，w h i c hr e q u i r e st h ed a t ap a c k e tt oh a v eaf i x e dh e a d e r m a r k e rt og e n e r a t eas t r o n g e rf r a m ec l o c kf r e q u e n c yc o m p o n e n t i ne x p e r i m e n t 1 0 g h zf r a m ec l o c ki se x t r a c t e df r o m4 x1 0 g b so t d ms i g n a l sw h o s ef i x e dh e a d e r i s 0 s i n c et h ec l o c kc o m p o n e n ti nn r zs i g n a li st o ow e a kt oe x t r a c tc l o c k ，b e f o r e i n j e c t e di n t of i b e rl a s e r ，t h eo r i g i n a ln r zs i g n a l s h o u l d b ec o n v e r t e dt ot h e c o r r e s p o n d i n gp r z ( p s e u d o r e t u m t o z e r o ) s i g n a lt h a tc o n t a i n st h es t r o n gc l o c k f r e q u e n c yc o m p o n e n tw i t hs o al o o pm i r r o r t h ea 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 zs i g n a la tb i tr a t e1 0 g b si so b t a i n e di ne x p e r i m e n ta f t e rc l o c ke l t h a n c e m e n t 3 s i n c et h er e c o v e r yt i m eo ft h ec a r t i e rd e n s i t yi nt h es o ai sa b o u ts e v e r a lh u n d r e d p i c o s e c o n d s ，t h e r ea r eu n a v o i d a b l ea m p l i t u d ef l u c t u a t i o na n dt i m i n gj i t t e ra l o n g w i t ht h ei n j e c t e dd a t ap a t t e r n ，w h i c hi sc a l l e da sp a t t e r ne f f e c t i nt h i sp a p e r ，w e a p p l yt h ei n j e c t e dc o n t i n u e - w a v ea s s i s tl i g h tt os p e e du pt h eg a i nr e c o v e r yo fs o a ， i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fo u t p u tc l o c k i no r d e rt og e tl o w e rp a t t e r ne f f e c t ，t h e r e q u i r e di n j e c t e dp o w e ro fc wl i g h ta tt r a n s p a r e n c yw a v e l e n g t hw i l lb eh i g h e rt h a n t h a to faw a v e l e n g t hi ng a i nr e g i o n ，s ot h ec wl i g h ta tg a i nr e g i o ni sa d o p t e d f o r p s e u d o r a n d o md a t a ( 2 3 1 1 ) a t2 0 g b s ，t h ep e r f o r m a n c eo f r e c o v e r e dc l o c ki m p r o v e s g r e a t l yw i t hac wa s s i s tl i g h ti n j e c t e d m o r e o v e r ，t h ed e p e n d e n c eo fp a t t e r ne f f e c t o nt h ep o w e ra n dw a v e l e n g t ho fc wa s s i s tl i g h ta n dt h eb i a sc u l t e n to fs o aa r e a n a l y z e di ne x p e r i m e n t k e y w o r d s ：a l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r y , 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 ) ， i n j e c t i o nm o d e l o c k i n g ，c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) ，p a t t e r n e f f e c t ，c o n t i n u e w a v ea s s i s tl i g h t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师的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过的 任何贡献均已在论文中做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， 本人签名：型! 塾亟 本人承担一切相关责任。 日期：巡玺兰! ! ! 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： 研究生在学校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于北京邮电大学。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送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。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密沦 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：壶l ! 塾亟日期：堡垒生i 堕! ! 本人签名：鱼l ! 型丛日期：堡堕鲎! 璺! ! 导师签名： 。 i 。：日期：! ：! 兰：! ：! 。： j - 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 全光3 r 再生的意义和内容 随着社会不断的进步，人类对信息交流的需求飞速增长。近些年来，以 i n t e r n e t 为主的数据流量急剧增长，通信业务形式也同趋多样化，远程教育、 电子商务、电子图书馆以及视频点播、高清晰度电视、可视电话和会议电视等新 兴、高速信息浏览业务，大容量信息储存业务等，刺激了全球通信业务的高速增 长，随着人们对信息量的需求不断激增，光网络的传输速率不断提高，带宽持续 地扩展。 目前提高光纤线路的传输容量一般采用以下几种方法：一是在同一路径埋设 新的光纤，这是原来对系统线路扩容常用的一种方法，需要的成本较高：二是不 断提高单信道的传输速率，从光纤通信开始发展到现在，光通信系统的单信道速 率持续提高，但由于受到电子速率瓶颈的影响，继续依靠电域的时分复用( e t d m ) 提高速率有很大的困难，并且使系统的制造成本大大增加，光时分复用是在光域 对信号进行复用，可以达到很高的速率；三是在一根光纤中同时传输多个信道， 即波分复用( w d m ) 技术，目前商用的系统大多为波分复用系统。 但随着信道传输速率的提高，传输距离的延长，再加上目前各种光器件的性 能还不是很理想，网络节点结构设计还有待于完善等因素，使光信号在传输过程 中质量下降。光信号的损耗、光纤的色散、光纤中的非线性效应( 包括受激散射、 自相位调制、交叉相位调制和四波混频等) 会引起光信号脉冲的形状和频谱发生 畸变，光纤放大器的自发辐射噪声( a s e ) 会导致光脉冲抖动的积累，这些因素 使得光信号信噪比下降，质量严重劣化限制了光传输的速率和距离。对于那些长 距离的传输链路或一些通过许多中间网络节点的光脉冲信号，只有及时对光信号 进行再生，才能保证信息传输的可靠性，增强网络的可扩展性。 一个完整信号的再生包括再放大、再整形、再定时( r e m n 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 ) ，在目前的传输系统中，采用的是光一电一光的中继方式，先把光信 号接收转换为电信号，然后在电域对信号进行再生，调制光源转换成光信号发射 出去。这种电域的再生，受到“电子瓶颈”的限制，并且系统结构复杂、成本高、 北京i l l gi u 大学预：t 学位论文 难以集成化，无法满足对传输速率和数据格式透明性等要求，使网络传输与交换 设备严重依附于信号的速率、格式等因素。然而在光域中对信号进行3 r 再生( 再 放大、再整形、再定时) ，可以克服以上弊病，突破了电子速率的限制，大大地 提高网络的性能，因此，光信号的全光3 r 再生( 如图1 1 所示) ，对提高网络性 能，实现超高速远距离传输具有很重要的意义。 图1 - 1 光网络中的3 r 再生 全光再生技术，就其功能实现可分为三种即1 r 、2 r 和3 r 再生。1 r 再生 是指再放大过程，在光域中直接对信号的放大，补偿光信号在传输中损耗的光功 率。八十年代术掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术的成熟，使1 r 功能得以实现。 l l 再生对信号比特率透明，而且与数据类型无关，在w d m 系统中各通道可以同 时放大。1 r 再生很简单，但是缺点非常明显，相邻信道间的串话也会被放大， 而且放大器通常会引入噪声，信号经过多次放大会形成噪声积累。所以经过1 r 再生后，光信号的质量仍然很差( 从图1 - 2 中可以看出) ，不能满足改善信号质 量的要求。 2 r 再生包括再放大和再整形技术，整形的功能一般由非线性的光开关来实 现，只有功率足够大的光信号可以通过光开关，而由于噪声功率较小，没有足够 的功率使光开关合上，因此2 r 再生可以抑制串话和噪声，具有对光脉冲进行整 形的功能。2 r 再生对光脉冲信号的码型没有要求，可以应用于归零码和非归零 码，并且只要不超过光开关的速率极限，2 r 再生是对比特率透明的。从图1 2 中可以看出，经过2 r 再生后，光信号脉冲形状得到改善，信道噪声减小，光脉 冲的消光比增大，但是由于2 r 再生没有对光信号的重新定时的功能，因此不能 北京邮电大学硕士学位论文 消除光脉冲信号的抖动。 l r 眺嘲嘶 扩v 7 图卜2 信号再生效果示意图 因为2 r 再生并不能消除光源和传输中产生的时间抖动，当时间抖动积累到 一定程度时将严重影响网络的性能，3 r 再生是在2 r 再生的基础上增加了再定时 功能。全光3 r 再生原理如图1 2 所示。入射损伤信号进入全光再生器时被分为 两路，一路进入时钟提取单元以提取时钟光信号，通过时钟提取单元，提取出损 伤信号的同步低抖动的时钟信号。提取出的时钟信号具有稳定的幅度和时钟信 息，另一路信号经e d f a 放大，经过延时后，与时钟信号脉冲一同注入光判决门， 经过光判决门后可得全光再生信号。因为数据信号驱动的开关窗口比时钟信号的 脉冲宽度要大，因此数据信号的抖动不会被转移到时钟信号上，从而完成了对信 号的重新定时( r e t i m i n g ) 。而且由于开关窗口比时钟信号脉冲宽度大，所以不 会引起时钟信号脉冲形状的变化，因此，同时完成了对信号的重新整形的功能。 从图卜3 中可以看出，经过3 r 再生后，脉冲信号的抖动大大减小。 图1 - 3 全光3 r 再生原理图 习illj p、l；0， 。逝一鳓岫 北京l l l l l ；u 火学坝， ：学位论文 3 r 再生技术目前共分为三种类型，全光再生，光电混合再生，电再生 。全 光再生，再生过程中没有涉及到电路，最主要的优点是高速、无电磁辐射。光电 混合再生与全光再生最主要的区别是，采用电时钟提取的方法来提取时钟，然后 用提取的电时钟来调制输入的光信号脉冲。电再生，它与传统的电光中继不同， 采用数字滤波技术，优点是再生速率灵活可调，可以处理n i 屹信号。 1 2 时钟提取技术 全光3 r 再生系统实现的关键技术是光放大技术、时钟提取技术和光判决门 技术，其中全光时钟提取技术是是对信号进行再定时、再整形的基础，是全光 3 r 再生技术中的难点及关键技术。从光脉冲信号中提取出的时钟信号，在光通 信中的应用主要在两个方面，一方面在接收端对传输信号的解码，另一方面是对 损伤信号的再生。目前，随着掺铒光纤放大器( e d f a ) 、喇曼放大器( r f a ) 、半 导体光放大器( s o a ) 的发展，光放大技术已经非常成熟；通过色散补偿器件、 非线性光判决门等，光信号的整形也已经可以实现；相比之下，全光时钟提取技 术还有待深入研究。目前的光时钟提取的实现方案主要包括光电锁相环时钟提取 技术、注入锁定时钟提取技术和光有源或无源窄带滤波器直接提取时钟技术，其 中的注入锁定b , 1 i 中提取技术又包括自脉动半导体激光器注入锁定技术、半导体锁 模激光器注入锁定技术和锁模光纤环激光器注入锁定技术，窄带光滤波器利用一 个f p 腔滤波器或者光纤的窄带布里渊增益效应来提取光时钟信号。下面将在 对目前各种全光时钟提取技术进行阐述，并在此基础上对各种技术的特点进行比 较。 1 2 1 光电锁相环时钟提取技术 目自u 广泛采用的技术是光电锁相环提取时钟的技术，其原理是利用光鉴相器 来检测本地光时钟与入射信号光的相位差，将本地产生的光时钟与入射光比特流 锁定，利用电锁相环控制压控振荡器产生本地时钟去驱动一个超短光脉冲源，鉴 相可以用半导体光放大器中的增益调制使本地光时钟与信号光脉冲发生增益调 制效应1 3 1 4 】或四波混频效应实现【5 】，也可用非线性光纤环镜( n o n l i n e a ro p t i c a l f i b e rl o o pm i r r o r n o l m ) 实现【6 】。其中利用t w - l d a 中四波混频现象的器件 北京邮电大学硕士学位论文 由于体积小、响应快速、工作稳定等优点受到广泛的关注。图1 - 4 为o k m l l a t a n i 等人提出的基于t w - l d a 四波混频的锁相环的示意图。 s i g n a l i n p u t 巾+ 刖匿畦尊 图卜4 基于t w - l d a 四波混频的锁相环进行时钟提取 c j o e k o u t p u t 扎，n f w m 主要是由非线性增益效应引起，由四波混频产生的光 w 。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 0 ) 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。光锁 相环技术既利用了光学信号处理的高速性能，又利用了传统的电子锁相环的频率 和相位跟踪特性，适用于从脉冲信号中提取支路时钟信号，因此在高速0 t d m 传 输系统中应用非常广泛，但这种方案技术复杂，成本也很高，而且仍受“电子瓶 颈”的限制，不能用于提取高速的位时钟。 1 2 2f p 谐振腔时钟提取技术 基于f - p 谐振腔的光时钟提取原理如图卜5 所示。归零( r z ：r e t u r n t o z e r o ) 调制的光信号( 如图1 二5 ( a ) ) 包含连续谱分量和分立的线状谱分量，如图卜5 ( b ) 所示，线状谱包括光载波频率a n 幅度调制的边带五工，厶- + 2 z ，f o 3 ，( ， 为数据时钟频率) 。f - p 谐振腔具有周期性的频谱传递函数，如图卜5 ( c ) 所示。 当同时满足以下三个条件时【”， 1 ) 输入光的中心频率在其中一个谐振峰上； 2 ) f - p 谐振腔的自由谱范围等于数据时钟频率： 3 ) 载频线宽小于f - p 谐振腔的带宽： f p 谐振腔则可以从注入光信号中提取出线状谱分量( 如图卜5 ( e ) 所示) ，从而 北京邮电大学硕士学位论文 实现时钟提取( 时钟如图卜5 ( d ) ) 。希腊c b i n t j a s ，k y i a n n o p o u l o s 等人采 用f - p 谐振腔和u n i ( 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 ) 组成的方案成功实 现了1 0 g b s 光信号的全光时钟提取8 ，9 1 ，u n i 用于消除时钟信号的幅度不均匀性。 f p 谐振腔的时钟恢复只需要5b i t s 的时间( 与信号速率有关) ，而时钟的拖 尾也只有1 0b i t s 的时间。 上 l l 。批 f s r 彳彳刀彳么 。 f a f f b n + f 。 图1 - 5 基于f - p 谐振腔的光时钟提取原理图 利用f - p 谐振腔提取时钟具有恢复时间短等优点，很适合于非同步数据包的 时钟提取【1 。1 1 】，短的腔长可以用手高速的操作，但是入射光的中心频率漂移，谐 振腔的失谐等都会对结果造成很大的影响。 1 2 3 外腔锁模半导体激光器时钟提取技术 由饱和吸收区和高增益区构成的锁模激光器中，由于饱和吸收区和增益区的 相互作用，可引起激光器输出的光功率无阻尼的振荡，当光功率随时间变化时， 激光腔中的载流子浓度也随着变化，正是由于两种之间的相互作用，导致了自脉 动的产生。脉冲频率可以通过改变增益区的工作电流而改变。当把和脉冲频率相 同的信号光脉冲注入锁模激光器时，产生的光脉冲将和信号光同步。因此可以利 用这一性质，用来进行时钟提取。 1 1 s h i mjz u 等人提出了另一种基于外腔锁模激光器进行时钟提取的方案，其 实验原理如图l 一6 所示 1 2 1 ： 北京邮电大学硕士学位论文 e x t e r r m , i - 姗m il d m o c l u l e o p t i c a ld a t a 融 o d t i c a lc l o c k p u l s e s d u s o s 6 鲢撇 66 66 、i 7u u liv ，狙一v 厂 h e r o 7 i s o l a t o r a s p h e r l c a to p t i c a l 伯i f o p t i c a lc t o c k p o r t i e n st i l t e rm i r t o r o u t l e td o r f 、图1 6 外腔锁模激光器模型 在外腔锁模激光器中，激光器的吸收区和增益区是出1 5 5 ，姗的 ：n g a a s l 3 量子阱材料组成，在增益区的一端镀有增透膜。在输入端口和输出端! c i 各有一个 光隔离器，用来分离入射信号光和出射的时钟信号，并且在腔中放置一个半反镜 ( 反射率为8 0 ) 来进一步的分离入射信号和时钟信号，在腔中的滤波片用来 选择时钟信号的波长。 在增益介质的饱和能量大于吸收介质的饱和能量的情况下，增益饱和与吸收 饱和的相互作用，使锁模激光器可产生一系列的窄脉冲，即产生了自脉动现象。 当有外部脉冲信号注入时，改变了锁模激光器原有的饱和动态过程。注入脉冲信 号光首先通过增益介质，使增益介质开始饱和，当腔内的光脉冲通过增益介质时， 增益介质迅速达到饱和，产生了使腔内光脉冲的后沿快速衰减的效应：同理，当 注入光脉冲信号通过吸收介质时，使吸收介质达到吸收饱和，从而大大减小了对 腔内光脉冲前沿的吸收。通过以上过程，使得腔内光脉冲的频率锁定到注入光脉 冲信号上。 外腔锁模激光器时钟提取具有系统简单、集成度高的优点，但器件的工艺性 和稳定性都比较差。另外，它们只能工作在固定的信号速率上，无法实现码率灵 活的时钟提取【1 3 l 。 1 2 4 多区自脉动d f b 激光器时钟提取技术 常见的多区d f b 器件为两区和三区d f b 激光器件。双区d f b 激光器的自脉动 现象是r hm m 6 h r l e 等人于1 9 9 2 年发现的1 4 】，这一发现为全光3 r 再生技术的发 展提供了一个新的有效的方法。三区自脉动激光器的结构如图卜7 所示，由三部 北京邮i u 火学碳二i 二学位论文 分组成，一段为激光段( 1 a s e rs e c t i o n ) 其主要功能是为激光器提供增益，另 一段为反射段( r e f l e c t i o ns e c t i o n ) ，其作用是产生色散反射，第三部分是相位 段( p h a s es e c t i o n ) 通过改变注入相位段的电流，可以实现对激光器自脉动的控 制。其中激光段和反射段是具有增益的dfb 结构。而相位段则是对激光段所产 生的光没有吸收和放大的半导体波导，其作用仅仅是改变通过的光相位。 l ，k1 l _ l曩 图1 - 7 三区自脉动d f b 激光器结构图 自脉动激光器工作在直流注入的情况下，脉动的频率可以简单的通过改变注 入激光段和反射段的电流来改变，因此可以非常简单的改变同步频率。根据不同 的工作电流条件，自脉动激光器的脉动原理可以分为色散q 开关自脉动和拍频自 脉动。 厂了 ；l ，! 、 如。 o j 、| j | | 饥 w b v e i e n g t hl n m l 图卜8 多区d f b 自脉动激光器原理示意图 色散q ，1 ：关自脉动的机制是，d f b 增益区工作在大电流条件下，远超过激射 阈值，所超作用是提供光脉冲；d f b 反射区工作在透明电流附近，没有明显的吸 收和增益，可忽略光子与载流子的相互作用，此区相当于布拉格反射镜的作用。 激光器的激射波长位于反射带长波方向的陡峭的反射带边上，如图卜8 所示，因 |8pl君主。8焉口jat石4 北京邮电大学硕士学位论文 为激光器的闽值和波长的反射率相关。因此，激发模式的阈值电流也依赖于波长。 当有和d f b 器件的自脉动频率相近的信号注入时，注入的信号调制d f b 增益区的 载流子浓度，使自脉动频率向注入信号频率移动，最终使白脉动和注入信号同步。 基于多区d f b 激光器自脉动的时钟提取技术具有传输速率高、器件体积小、 集成度高和功耗小的优点，但器件制作的工艺复杂，难度相对较大。 1 2 5 注入锁模光纤激光器时钟提取技术 1 9 9 2 年英国电信试验室的s m i t h 等人提出在光纤环路内加入非线性光调制 器实现全光时钟提取的方案。为了进一步增强光纤激光器的稳定性，可以在光纤 激光器中引入了半导体光放大器取代原来的色散位移光纤，使光纤激光器的腔长 更短，从而减小外界环境的影响，增强系统的稳定性，另一方面由于s o a 提供了 更宽的增益，可以输出更高宽波长范围的光脉冲。基于该结构的光纤激光器时钟 提取利用半导体光放大器的动态饱和特性来形成基于s o a 增益调制的锁模过程。 该时钟提取方案的优点是结构简单、所采用的器件全部是商用器件，易于连接和 实现，输出波长可大范围调节，系统对偏振不敏感。但这种方案由于长环腔结构 所限，时钟的建立时间比较长，腔长稳定技术复杂。 1 3 本论文的主要内容 本文将对基于注入锁模光纤激光器的时钟提取技术进行深入研究。首先，根 据各个器件的理论模型，全光时钟提取进行数值模拟。在理论上，研究时钟提取 的启动过程，分析s o a 的参数、光滤波器的带宽、注入信号光的功率和脉宽等对 时钟提取性能的影响，为实验研究提供理论依据。在实验上，实现归零码和非归 零码位时钟的提取，并分析了注入光的功率、时钟信号的波长对提取时钟性能的 影响。进一步，根据亚谐波锁模原理，采用其中一路信号固定为零的方案实现4 xl o o b s 时分复用信号支路时钟的提取。 针对s o a 载流子恢复时间过长，提取时钟具有很强的码型效应的问题，本文 采取注入连续辅助光的方法，加快s o a 的载流予恢复，减小码型效应。对于2 0 g b s 的( 2 一1 ) 伪随机码，注入连续辅助光后提取的时钟有了很大的改善。进一步，在 实验上分析连续辅助光的功率和波长、s o a 的工作电流对提取时钟性能的影响。 9 北京f f f | u 大学硕士学位论文 参考文献： 1 王春林， 自脉动激光器及在光通信中的应用，北京邮电大学博士学位论文， 2 0 0 3 燕 2 伦秀君，光网络中全光信号再生关键技术的研究，北京邮电大学博士学位论 文，2 0 0 4 年 3k a w a n i s hs ，s a r u w a t a r im ，e ta 1 ， u l t r a - h i g h s p e e dp l l t y p ec l o c kr e c o v e r y c i r c u i tb a s e do n a l l - o p t i c a lg a i nm o d u l a t i o n i nt r a v e l h n g - w a v el a s e rd i o d e a n a p l i f i e r ”，j l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，v 0 1 1 1 ，1 9 9 3 ，p a g e s ：2 1 2 3 2 1 2 9 4 d p h i l l i p s ，a g l o a g ，p _ n k e a n ，e ta 1 ，“s i m u l t a n e o u sd e m u l t i p l e x i n g ，d a t a r e g e n e r a t i o n a n d c l o c kr e c o v e r yw i l ha s i n g l e s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r b a s e dn o n l i n e a r - o p t i c a ll o o pm i r r o r ，o p t l e t t ，v 0 1 2 2 ，n o 1 7 ，1 9 9 7 ， p a g e s ：1 3 2 6 1 3 2 8 5 k a m a t a n i ，0 ，a n dk a w a n i s h ，s ，e ta 1 ，”u l t r a - h i g h s p e e dc l o c kr e c o v e r yw i t h p h a s el o c kl o o pb a s e do nf o u r = w a v em i x i n gi nat r a v e h i n g - w a v el a s e rd i o d e a m p l i f i e r , ”j l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，v 0 1 1 1 ，1 9 9 6 ，p a g e s ：1 7 5 7 1 7 6 7 6 h b i l l o w , “o p t o e l e c t r o n i cs y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ef o ru l t r a h i g h - s p e e do p t i c a l d e m u l t i p l e x e r ，e l e c t r o n l e t t ，v 0 1 3 1 ，n o 2 2 ，1 9 9 5 ，p a g e s ：1 9 3 7 1 9 3 8 7 x i a n gz h o u ，c h a ol u ，p i n gs h u m ，e ta 1 ，“ap e r f o r m a n c ea n a l y s i so fa na l l o p t i c a l c l o c ke x t r a c t i o nc i r c u i tb a s e do nf a b r y - p e r o tf i l t e r ，j o fl i g h t w a v et e c h n o l o g y , v 0 1 1 9 ，n o 5 ，m a y2 0 0 1 ，p a g e s ：6 0 3 6 1 3 8 b i n 口a sc ，y i a r m o p o u l o sk ，p l e r o sn ，e ta 1 ，c l o c kr e c o v e r yc i r c u i tf o ro p t i c a l p a c k e t s ”，p h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ，v 0 1 1 4 ，n o 9 ，s e p2 0 0 2 ，p a g e s ：1 3 6 3 1 3 6 5 9 y i a r m o p o u l o sk ，t h c o p h i l o p o u l o sg ，k a l y v a sm ，e ta 1 ，“a l l - o p t i c a lp a c k e t a d d r e s sa n dp a y l o a ds e p a r a t i o n ”，p h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ，v 0 1 1 4 ，n o 1 2 ，d e c 2 0 0 2 ，p a g e s ：1 7 2 8 - 1 7 3 0 10 p l e r o sn ，v y r s o k i n o sk ，b i n t j a sc ，e t a 1 ，“a l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yf r o ms h o r t a s y n c h r o n o u sd a t ap a c k e t sa t1 0g b p s ”，p h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ，v 0 1 1 5 ， n o 9 ，s e p t 2 0 0 3 ，p a g e s ：1 2 9 1 1 2 9 3 l1 k a n e l l o sqt ，s t a m p o u l i d i sl ，p l e m sn ，e ta 1 ，“c l o c ka n dd a t ar e c o v e r yc i r c u i t f o r1 0 一g b p sa s y n c h r o n o u so p t i c a lp a c k e t s ”，p h o t o n i e st e c h n o l o g yl e t t e r s ，v 0 1 1 0 北京邮电火学硕士学位论文 1 5 ，n o 1 1 ，n o v 2 0 0 3 ，p a g e s ：1 6 6 6 - 1 6 6 8 12 s h i m i z ut ，k u r i t ah ，y o k o y a m ah ， a l l o p t i c a lc l o c ke x t r a c t i o np e r f o r m a n c eo f am o d e 1 0 c k e dd i o d el a s e r sw i t han o v e le x t e m a l c a v i t yc o n f i g u r a t i o n ，l a s e r s a n de l e c t r o o p t i c ss o c i e t ya n n u a lm e e t i n g ，1 9 9 8 l e o s 9 8 v 0 1 1 ，d e c 】9 9 8 ， p a g e s ：8 - 9 1 3 于映辉，于晋龙，华颖等，“3 r 再生中的时钟提取技术”，光电子激光，第1 3 卷1 1 期，2 0 0 2 年1 1 月，1 2 0 2 1 2 0 5 页 l4 m m 6 h r l e ，u f e i s t e ，j h 6 r e r , e ta 1 ，“g i g a h e r t zs e l f - p u l s a t i o n s i n 1 5 z m w a v e l e n g t hm u l t i s e c t