（光学工程专业论文）全光3r再生中时钟恢复技术的研究.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损耗、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，造成光脉冲信号的衰减和畸变，引起误码率的增高， 影响信号的消光比，使脉冲展宽并产生定时抖动，从而限制了通信距离。2 r ( 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( 再整形、再放大) 可以减小信号的幅度噪声，改善信号的消光比， 但是无法解决时间抖动的问题。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( 再 定时、再整形和再放大) 是解决上述所有问题的最有效方法，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联更为容易。为此在光纤通信系统中使用3 r 再生器，再生出 高质量的光脉冲信号是非常重要的。其中时钟恢复，也称时钟提取，是再定时和再整形的 基础，要求时钟恢复输出的时钟脉冲具有高速、低相位噪声、高灵敏度、偏振不敏感和稳 定的特点。论文对几种典型的时钟恢复技术的原理和性能进行了描述，着重阐述了利用窄 条a i g a a s 激光器的自脉动实现全光3 r 中时钟恢复的方法，并对该方法所采用的激光器的结 构参数进行了讨论和改进，如采用一种不规则窄条结构和加入量子阱结构，最后使用仿真 程序进行了仿真实验。 论文首先介绍了3 r 再生的研究背景和研究现状，着重介绍了光信号传输过程中所受 到的各种损耗。 然后论文介绍了全光3 r 再生的基本原理，着重描述了3 r 再生中所使用的几种时钟 恢复方法，并对其进行了比较。 论文重点是对利用窄条a i g a a s 激光器的自脉动来实现全光3 r 中时钟恢复的方法进 行了分析。并通过对激光器的结构参数进行改进以期望能够获得更高功率和更高频率的输 出光时钟脉冲。论文分别对普通窄条a i g a a s 激光器和含有量子阱的窄条a i g a a s 激光器的 自脉动进行了讨论，对两种激光器的结构进行了改进，用仿真程序进行了仿真，并对结果 进行了比较。 最后论文介绍了半导体激光器的自脉动在全光3 r 再生中时钟恢复的应用，对前面提 出的几种结构半导体激光器的自脉动对时钟恢复的影响进行了讨论，并对以后的研究方向 进行了讨论。 关键词；全光网3 r 再生器时钟恢复窄条a i g a a s 激光器自脉动量子阱激光器 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t i l a c t 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 db y f 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 t r 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 oc 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 u t i l i t yo f2 r ( r e s h a p i n g 、 r e - a m p l i f i c a t i o n ) r e g e n e r a t o rc r nr e d u c et h en o i s eo na m p l i t u d eo ft h es i g n a l ，a n dh a v eab e t t e r e x t i n c t i o nr a t i o b u tt h ep r o b l e mo ft i m i n gj i t t e ri sn o ts o l v e d 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 ) r e g e n e r a t o ri st h eb e s tw a yt os o l v e da l lt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e s oi n t h el 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 f3 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 ) r e g e n e r a t o rc a nr e g e n e r a t eh i g i lq u a l i t yo p t i c a ls i g n a l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yi sa f u n d a m e n t a lp a r to f a l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y v a r i o u s p r o p e r t i e so f t h er e c o v e r e dc l o c kc a l lb ea c h i e v e d ，s u c ha sh i g h - s p e e d ，l o w e rp h a s en o i s e ，h i g h s e n s i t i v i t y , p o l a r i z a t i o n - i n s e n s i t i v i t ya n ds t a b l e v a r i o u sm a n u f a c t u r ec l o c kr e c o v e r yt e c h n o l o g i e sa r ep r e s e n t e d t h eo p e r a t i o nm e c h a n i s m a n dp a r a m e t e r so ft h e s et e c h n o l o g i e sa l ea l s od i s c u s s e d w ee x p a t i a t et h em e c h a n i s mf o r s e l f - s u s t a i n e dp u l s a t i o nf o rn a r r o w - s t r i p ea i g a a sl a s e r sa n di n v e s t i g a t eh o wt h es s pw o r k s f i n a l l y , t h i sp a p e rb r i n gf o r w a r dt h em e t h o db ya d o p to n ek i n d so fi r r e g u l a rn a r r o w - s t r i p et o i m p r o v et h el i g h tp u l s ef r e q u e n c y a n du s et h ee m u l a t i o np r o c e d u r et oc a n yo u tt h es i m u l a t e d e x p e r i m e n t 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 t u sa l 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 fs i g n a l ss u f f e ri nt h eo p t i c a lf i b e ra l 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 sa l lk i n d so fm e t h o da b o u to p t i c a lc l o c kr e c o v e r y t h i s p a p e rm a i n l ye x p a t i a t e t h ec l o c kr e c o v e r y u s i n g s e l f - s u s t a i n e d p u l s a t i o n f o r n a l t o w - s t r i p ea i g a a sl a s e r s t h i sp a p e rd e m o n s t r a t et h em e c h a n i s mf o rs e l f - s u s t a i n e dp u l s a t i o n f o rn a r r o w - s t r i p ea l ( a a sl a s e r sa n di n v e s t i g a t eh o wt h es s pw o r k s i ta l s od i s c u s st h es s pi n q u a n t u mw e l ll a s e r a n dc o m p a r et h et w ok i n d so fl a s e r t h i sp a p e ra l s ou s e st h ee m u l a t i o n p r o c e d u r et oc a r r yo u tt h es i m u l a t e de x p e r i m e n t f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o no ft h ec l o c kr e c o v e r yu s i n gs s pi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s n 认c t r e c o v e r e dc l o c ks i g n a l su s i n gs s pf o rn a r r o w - s t r i p ea i g a a sl a s e r s 、i t ha n dw i t h o u tq u a n t u m w e l ld e s i g n e di nt h ep a p e ra r ec o m p a r e d a l s ow ed i s c u s s e at h er e s e a r c ht r e n d k e yw o r d s ：a l l - o p t i c a ln e t w o r kr e g e n e r a t o rn a r r o w - s t r i p ea l g a a sl a s e r s c l o c kr e c o v e r ys e l f - s u s t a i n e dp u l s a t i o n q u a n t u mw e l l i i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的 地方外，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 含为获得南京邮电大学或其它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。 研究生签名：二j 蚍日期：互嘘地 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：强，刍i 迸，应- v 导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 近年来，对通信带宽的迫切需求，推动了通信技术的飞速发展。一方面，通过波分复 用技术大大提高光纤带宽的利用率；另一方面，单波长信道的传输容量也越来越大。这为 高速大容量的宽带综合业务的传输提供了有效途径。而传输容量的飞速增长带来的是对交 换系统的压力。基于波长路由概念而发展起来的全光通信网正是为适应这种需要而诞生 的。在全光网络技术中，光开关、波长转换、解复用、上下路、光交叉连接等技术都在光 域中完成，因而和点到点的w d m 系统相比较，全光网具有对业务和传输速率透明的特点， 而且由于它的动态路由选择能力，使网络更灵活、更可靠。正是因为这些优点，全光网被 认为是网络升级的优选方案，是未来光通信发展的趋势 1 。但在实际网络中，信号需要经 过定数目的放大器、连接器和长距离的光纤，这些元器件的噪声的积累、损耗和非线性 效应使得信号质量劣化，因此需要进行信号再生。一个完整的信号再生包括放大、定时、 整形三部分。在目前的传输系统中，都是将传输的光信号转换成电信号，在电域里对其进行 放大、定时和整形。由于电子元器件本身的物理极限，随着传输速率的提高，这种再生方式 成了提高传输速率的瓶颈，而且影响了全光网对传输速率的透明性、灵活性和可靠性等优 点。因而，全光再生是最理想的再生方式 2 。目前传输速率为2 0 g b s 的再生设备已经有研 究报道 3 4 ，并具有良好的性能和应用前景。 而时钟恢复技术又是全光3 r 再生中的关键技术 5 ，是对信号进行定时和整形的基础， 是未来全光网络发展的重要技术之一。 1 1 全光3 r 再生器的研究背景 1 1 1 光纤通信系统中影响光信号传输的因素 在光纤通信系统中，光纤的非线性效应，例如自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、 四波混频( f w m ) 等与群速度色散( g v d ) 联合作用，光放大器的自发辐射噪声( a s e ) ，增 益饱和引起的非线性，以及由器件引起的串话等不利因素，造成了脉冲序列到达时间抖动、 光信号脉冲形状和频谱的畸变、消光比下降，从而限制了网络节点级联的数量，最终限制 了整个系统和网络的传输速率和距离。对于传输光纤，损耗、色散和非线性效应是影响其 传输能力的三个主要因素，下面对其机理进行分析： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 一、光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗和辐射损耗三种。吸收损耗与光纤的材 料有关，包括本征吸收损耗和非本征吸收损耗，前者是由纯石英引起的，后者是由杂质引 起的。石英的本征材料吸收损耗在0 8 - 1 6 微米范围内，低于0 1 d b k m 。事实上，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 ) 红光频率分量比蓝光频率分量传输速 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 度快，而在负色散区则相反。对于无啁啾脉冲( c = o ) ，无论在正色散区还是负色散区，都 将导致相同的展宽量。若( 屈= o ) ，则所有频率分量都同时到达，脉冲宽度就保持不变。 但是对初始啁啾脉冲( c 0 ) 时，情况就不同，若满足条件红c 0 时，色散啁啾与初始啁 啾符号相反，将导致净啁啾减少，脉宽变窄，最小脉冲宽度出现在两啁啾相等处，随着传 输距离的增加，色散啁啾超过初始啁啾而引起支配作用，脉冲又开始展宽。 如再考虑高阶色散，则脉冲在传输过程中不再保持高斯脉冲形状，丽是形成了一种振 荡结构的尾部，即脉冲畸变，其传输方程为： 暑+ 弘豢 属雾+ 詈么= j r m n 椭) 式中，彳为包络函数，孱为高阶色散，取屈为零时，高阶色散对脉冲影响如图1 2 所示。 图1 2 脉冲在高阶色散影响下形成拖尾 色散严重影响了光纤通信距离，所以必须控制其参数在一定范围内。目前i t u t 已经 建议在g 6 5 2 ，g 6 5 3 ，g 6 5 4 和g 6 5 5 中分别定义了四种不同设计结构的单模光纤，g 6 5 2 光纤的零色散波长范围为1 3 0 0 - 1 3 2 4 n m ，最大零色散斜率为o 0 9 3 p s l ( n m 2 9 k m ) ，在 1 2 8 8 1 3 3 9 n m 范围的最大色散系数应不大于3 5 p s ( n m * k m ) 。g 6 5 3 光纤的零色散波长范围 为1 5 0 0 1 6 0 0 n m ，最大零色散斜率为o 0 8 5 p s ( n m 2 9 k m ) ，在1 5 2 5 1 5 7 5 n m 范围的最大色散系 数应不大于3 5 p s ( n m * i o n ) 。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 三、光纤非线性效应对通信的不利影响有：它会引起传输信号的附加损耗，信道之间 的串话，信道频率的移动等。光纤中的非线性效应可分为受激散射( 受激布里渊散射( s b s ) 和受激喇曼散射( s r s ) ) 和非线性折射率引起的效应两类。受激散射表现为与光强相关 的增益或损耗，而非线性折射率则引起与光强相关的相移。由非线性折射率引起的非线性 效应主要有自相位调制、交叉相位调制和四波混频 7 。 受激布里渊散射( s b s ) 对光纤通信系统的不利影响主要是当光信号到达发生布里渊 散射域值时，大部分能量将变成反向传输的斯托克斯散射。例如，当输入功率超过5 m w 时， 会有6 5 的功率转换成斯托克斯光。这一方面消耗了信号功率，另一方面反向传输的斯托 克斯光将反馈给激光器，使其工作不稳定。在单纤双向波分复用系统中，s b s 还会引起信 道串扰。受激喇曼散射( s r s ) 对光纤通信的不利影响主要表现在两个方面，一是造成光 纤中损耗增加，频率转换，因此必须加以抑制，主要是限制光纤中传输的最大功率；二是 引起波分复用系统中的串扰。 信号光功率的波动引起信号本身相位的调制称为自相位调制( s p m ) ，s p m 使光脉冲的 频谱展宽。在光纤的正色散区中，由于色度色散效应，一旦自相位调制效应引起频谱展宽， 沿着光纤传输的信号将经历较大的展宽。不过在负色散区，光纤的色度色散效应和自相位 调制效应可能会相互补偿，从而使信号的展宽小一些。在信道很窄的多通道系统中，由自 相位调制引起的频谱展宽会在相邻信道间产生干扰。交叉相位调制( x p m ) 是指当多个不 同频率的光束在光纤中同时传输时，每一频率的光束会通过光纤的非线性极化率，影响其 他频率光束的有效折射率而对后者产生相位调制。x p m 可引起信道间串扰，导致脉冲波形 畸变。信道越密集，传输跨段数越多，x p m 对d w d m 系统的影响最大。色散对x p m 也有影响， 一方面，由于不同信道的脉冲以不同的群速度传输，色散会减少信道间的相互作用；另一 方面，当脉冲间发生了相互作用时，色散又会将频谱展宽转化为时域的脉冲展宽。 四波混频( f w m ) 起源于光场作用下的截止的束缚电子的非线性响应，光场与介质极 化的关系不是线性的，而是包含非线性项，其大小由三阶非线性电极化率决定，涉及到四 个光波的相互作用。两个或三个不同波长的光波相互作用产生新的波长在其他波长上产生 混频效应，当这些混频产物落在信道内时，将会引起信道间的串扰，导致信噪比降低；当 混频产物落在信道外时，也会给系统带来噪声。在g 6 5 3 光纤中f w m 更为明显，常见的抑制 方法是降低入纤光功率，采用不等信道间隔等。 非线性效应是一个很复杂的过程，目前还没有直接的补偿方法。降低信号的发送光功 率，或改善传输媒质( 如大有效面积的光纤) ，或利用色散效应，都会对非线性效应有所 抑制。 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 2 全光3 r 再生器的研究意义 目前采用的3 r 再生技术仍属于电3 r 再生方式，再放大、再定时、再整形都只能在电域 里进行，光信号必须经历光电、电光转换。此种再生器又称光电混合中继器，其工作过 程是：先将光纤接收到的已衰减和变形的脉冲光信号用光电二极管检测转换为光电流，然 后经前置放大器、主放大器、判决再生电路在电域实现脉冲信号放大与整形，最后再驱动 光源产生符合传输要求的光脉冲信号沿光纤继续传输，如图1 3 所示。它实际上是光接受 机和光发送机功能的串接，其基本功能是均衡放大，识别再生和再定时。 l 一 光脉冲 图1 3 光电混合中继器原理图 皿 ， 光脉冲 由于受到电子器件本身速率的物理限制，电3 r 再生成为速率提高的“电子瓶颈 ，影 响了全光网传输的透明性、灵活性和可靠性。全光3 r 再生，即在光域完成再定时、再整形、 再放大功能，被认为是一种更为理想的再生方式，可以突破传输速率的“电子瓶颈”，而 且有望在减小终端成本、覆盖面和功率消耗等方面发挥作用。因此，全光3 r 再生器符合全 光网和未来光网络的使用要求，加快了光网络向全光网演化的进程。 1 2 国内外全光3 r 再生器的研究现状 掺铒光纤放大器( e d f a ) 代替传统光纤通信系统中的光一电一光式中继器，突破系统 中的“电子瓶颈 ，可提高系统传输容量，实现全光信号传输。但光放大器只有提升功率、 补偿损耗的功能，而系统中的噪声分量和掺铒光纤放大器引入的a s e 噪声随着传输距离的 增加将不断积累，这是系统通信容量进一步提高的另一种限制。因此，多个研究机构又陆 续提出了克服这种限制的全光3 r 再生方案。 全光3 r 再生器的基本功能原理由b s a r t o r i u s 总结如图1 4 所示，主要包括光放大、时 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 钟恢复和光判决三个组成部分。目前光放大技术已经比较成熟，通常采用e d f a ，全光3 r 再 生的关键在于时钟恢复和光判决。从图中可以看出其工作流程，入射损伤信号被放大后被 分为两路，一路进入时钟提取单元以提取时钟光信号，提取出的时钟信号具有稳定的幅 度和时钟信息；然后与另一路信号一同注入光判决门，经过光判决门后可得到全光再生信 号。 图1 4 全光3 r 再生系统的基本原理图 自全光3 r 技术问世以来，许多科学工作者对此进行了研究。其中，t o t a n i 等人提出 的基于e a m 的全光3 r 再生器是由光时钟提取单元和光判决单元组成 8 3 9 3 ，时钟信号的 提取是在电域内进行的，使用了电锁相环，对于光判决单元，使用的是e a m 光判决门，再 生速率在4 0 g b s 时可以稳定运转；g r a y b o n 对s o a - m z i 型的再生系统进行了实验研究 1 0 ，运转速率达到了2 0 g b s ，随着技术的不断成熟，其速率有望达到更高，s o a - m z i 型 再生器具有尺寸小，易于集成等优点；而由b o g o n i 等人提出的采用三节非线性光学环镜 ( n o l m ) 的全光3 r 再生器具有更为完备的功能和更高的速率- 1 6 0 g b s 11 3 ，但由于尺寸太 大，难于集成，此再生器的实用化进程较慢。随着新技术的不断推出，全光3 r 再生器正 朝着成本更低、功能更完备的方向发展。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3 全光3 r 中的时钟恢复技术 全光3 r 再生的关键在于时钟恢复和光判决，而时钟恢复又是再定时和再整形的基础， 是未来全光网络发展的重要技术之一，因此对全光3 r 中的时钟恢复技术进行研究有十分 重要的意义。本文着重对全光时钟恢复技术进行了研究。目前已提出并实现了多种方案来 进行全光时钟提取，如：利用半导体激光器的自脉动效应，光纤环锁模激光器，光锁相环 技术等。这些技术都具有很好的应用前景，但由于实现原理不同，性能上表现出较大差异。 本文将在后继章节中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。由于利用半导体激光器的自脉动进行时钟提取具有时钟建立时间快；允许 较长连续长“0 码能力；灵活的码速率等优点，论文将重点研究这种方法。但由于此种 方法所能恢复的时钟速率不高，因此本文将着重研究如何设计半导体激光器的结构参数以 提高激光器输出光脉冲的频率。同样我们也可以通过对半导体激光器的结构参数的控制来 实现对激光器的输出光脉冲频率的控制，以实现时钟恢复的码率的灵活性。 1 4 论文的研究重点和内容安排 论文主要分析了全光3 r 再生中的利用半导体激光器的自脉动进行时钟恢复的技术，由 于此种方法所能恢复的时钟速率不高，因此文章主要围绕如何通过改变半导体激光器的结 构参数来提高半导体激光器的输出光脉冲的频率，以提高此种方法所能恢复的时钟速率， 和通过对半导体激光器的结构参数的控制来实现对激光器的输出光脉冲频率的控制，以实 现时钟恢复的码率的灵活性。同时对半导体激光器的输出光脉冲的功率也要有一定的要 求。 在此基础上论文阐述了在窄条a i g a a s 激光器中自脉动产生的机理，着重研究了窄条 a i g a a s 激光器的结构参数对产生自脉动的影响，同时提出了通过采用一种不规则窄条结构 和在半导体激光器中加入量子阱结构的方法，来提高输出光脉冲的频率和输出光脉冲的功 率。并使用仿真程序进行了仿真实验。本论文内容安排如下： 第一章介绍了全光3 r 再生器的原理及发展现状，简要介绍了光信号在传输过程中所 受到的各种损害及补偿方法。 第二章介绍了几种时钟恢复的方法，对这几种方法进行了理论上的分析，并对其性 能进行了比较。 第三章介绍了研究半导体激光器所需的数值计算方法，并建立仿真程序所需的数学 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 模型。 第四章介绍了如何利用普通窄条a 1 g a a s 激光器产生自脉动，并研究了窄条a i g “s 激光器的结构参数对自脉动的影响，同时提出通过采用一种不规则的窄条结构可以有效的 提高输出光脉冲功率和频率的方法。 第五章介绍了在窄条a l g o 凸s 激光器中加入量子阱结构来提高输出光脉冲的频率和功 率的方法，研究了量子阱结构对自脉动的影响，设计了两种不同结构的量子阱激光器。并 对含有和不含有量子阱结构激光器的自脉动进行了比较，同时介绍了利用窄条a i g a a s 激 光器产生的自脉动的应用。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章全光3 r 再生中的时钟恢复技术 第二章全光3 r 再生中的时钟恢复技术 时钟恢复，也称时钟提取，是再定时和再整形的基础，要求时钟恢复输出的时钟脉冲 具有高速、低相位噪声、高灵敏度、偏振不敏感和稳定的特点。目前全光3 r 再生的时钟恢 复方案主要有：光纤环锁模激光器，半导体激光器的自脉动效应，n o l m 振荡器技术，光锁 相环技术等 1 2 1 。这些技术都具有良好的应用前景，但由于实现原理不同，性能上表现出 较大差异。本章将对目前各种全光时钟提取技术进行分析，并在此基础上对各种技术的特 点进行比较。并在文章的最后提出了利用半导体激光器的自脉动进行时钟恢复相比于其他 各项技术的优势。 2 1 利用光纤锁模环激光器进行时钟恢复 利用信号光驱动光纤环激光器产生和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 1 3 1 4 1 5 。图2 1 为利用掺铒光纤环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 出 时钟信号输出 图2 1 利用锁模光纤环激光器进行时钟提取的示意图 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，输出和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 脉冲和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，确保对环形 1 0 雨京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹全光3 r 再生中的时钟恢复技术 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 1 4 。目前用这种技术已经获得了4 0 g b s 的时钟提取 1 4 。在原理上，这项技术可以工作在l o o g b s 以上的系统 1 5 。利用锁模光纤环激光器 作为时钟恢复技术，虽然有较高速的工作潜力，但是由于它的体积大( 非线性调制器的光 纤长度为9 l ( m ) ，不易于集成，加之环形激光器固有的温度稳定性差的缺点，将限制它在实 际系统中的应用。 输 滤波器 图2 2 ( a ) 锁模s o a 光纤环激光器 图2 2 ( a ) 为利用s o a 的x p m 效应的锁模s o a 光纤环激光器的时钟恢复，天津大学报道了 利用锁模光纤环激光器从l o g b s 光时分复用o t d m 光信号中恢复出2 5 g h z ，5 g h z ，i o g h z 时 钟的实验和从2 0 g b s 的o t d m 光信号中恢复出i o g h z 时钟的实验。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。而且由于在光纤环路中使用 s o a ，输出波长可大范围调节，系统对偏振不敏感。这种方案的缺点在于：由于长环形腔结构 所限，时钟的建立时间比较长，但在同步通信系统中，对时钟建立时间的要求不是很高，所 以这个缺点是可以容忍的。另外，该时钟提取是利用了s o a 的快速动态增益产生锁模，还需 要考虑到输入连续长“0 ”码时的调制能力。实验证明 1 6 ，当输入数据速率为3 0 g b s ，该 技术在调制度小于1 0 时，可允许输入3 6 个连续“o 码。该方案的另一个重要问题在于：如 何实现腔长的稳定，这也是该项技术的关键所在。 另一种光纤环形锁模激光器提取时钟的方案采用n o l m 作为一个受比特率调制的反射 镜 1 7 ，如图2 2 ( b ) 所示，n o l m 的输出导向电时钟提取电路，恢复出来的信号反馈到一个增 益开关激光二极管用作控制脉冲，当输入信号被耦合进入n o l m , 电光反馈电路启动脉冲振 荡，输出光脉冲。利用这种方案实现了i o g h z 光脉冲的时钟恢复，脉冲宽度为9 p s 1 7 。此种 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章全光3 r 再生中的时钟恢复技术 方案利用了光纤的非线性特性。但由于光纤的非线性特性较弱，所以需要较长的光纤和较 大的光功率，这大大影响了系统的稳定性。由于n o l m 可运行在较高的速率下，所以该方案 仍有很大的吸引力。 输入信号1 5 5 2l im输出信号1 5 5 2l i _ s y n t h e s i s e r 图2 2 ( b ) 利用n o l m 的光纤环锁模激光器 2 2 利用外腔锁模激光器进行时钟恢复 在饱和吸收区和高增益区组成的锁模激光器中，饱和吸收区和增益区的相互作用，引 起激光器无阻尼的振荡，产生自脉动光脉冲。脉冲频率可以通过改变增益区的工作电流而 改变。把和脉冲频率相同的信号光脉冲注入锁模激光器，产生的光脉冲将和信号光同步 1 8 。因此可以利用这一性质，来进行时钟提取。分析速率方程可知 1 9 ，自脉动只有在 f 。( 乞和f 。分别为吸收区和增益区中载流子的寿命) 为一定值时才可能产生。在i n g a a s p 材料中，由于a u g e r 复合减小了载流子的寿命气，很难产生高频率( 吉赫兹以上) 的光脉冲。 这一问题可以通过高掺杂或离子轰击形成饱和吸收区，引入大量的非辐射复合中心的方法 来解决。这样能减小乞，从而得到高频的光脉冲。b a r a s l y 等人 2 0 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 2 6 h z 的光脉冲。改变增益区的工作电流，可以将脉冲频率 在( 3 5 2 ) g h z 范围内连续调节。向该器件注入功率约l o l aw 的5 g b s 的r z 数据信号，产生的 光脉冲与数据信号同步，并且不依赖于信号光的极化状态。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章全光3 r 再生中的时钟恢复技术 $ o c m 侮 a r 心 1 g r l n l d r l 光曩 耋 5 0 - 1 2 i m u ne m m 们 图2 3 可调谐的锁模激光器( t m l l ) 的结构示意图 在这个基础上可以用外加光栅反馈的方法对自脉动的波长进行调谐。制作出可调谐的 锁模激光器( t m l l ) ，并用它进行了时钟恢复实验。图2 3 为t m l l 的示意图 2 1 。激光器为 1 5umf _ p 激光器，其中一个端面镀有增透膜并通过自聚焦透镜耦合到光栅，另一面用高 能离子轰击形成饱和区。旋转光栅可以选择工作波长。l u d w i n g 等人报道了利用可调谐锁 模激光器从4 0 g b s 信号中恢复i o g h z 时钟脉冲的实验。工作范围为l o o n m 。利用锁模激光器 的8 0 g h z 时钟恢复实验已有报道 2 2 。 2 3 利用自脉动激光二极管( s p l d ) 锁模技术进行时钟恢复 利用自脉动激光二极管( s p l d ) 的锁模技术同步外部输入数据的结构如图2 4 所示。当 输入光信号的功率足够大，而且输入信号频率) 和s p l d 的固有频率( 厶) 之差不很大，则 激光器的输出将被锁定在输入信号的频率。 刖皿_ 目_ ，聊 。 图2 4s p l d 同步输入的周期光信号的结构简图 厶岛 2 2 。赢扁 n u 侈雄址岛 扁皿 塑室堂皇奎堂堡主堕壅生堂垡丝苎墨三兰全娄! 墨要竺! 塑堕竺堡墨茎查 自脉动是在正常的直流偏置的情况下，由于饱和吸收体的存在而引起的 2 3 。激光器 的有源区，在电泵浦的情况下，扩散到叠加在邻近的未泵浦的区域，相当于分布饱和吸收 体。当泵浦和未泵浦区间的体积恰好平衡时，就会发生自脉动。我们可以使用如图2 5 所示 的激光器结构，利用其产生的自脉动来进行时钟信号的提取。这将在以后的几章中进行详 细的讨论。 一，矗峨曲峨蝴蜥一 j 幽1 心 6 蜘岍 嘲，气i i 蚋劫蜘晰 一翻嘲- 声 钿心心_ d 瑚叼呐 劓白趣蚓嘲 图2 5 产生自脉动的激光器结构示意图 s p l d 技术有一个突出的优点就是它的时钟建立的非常快，它可以在3 n s 内建立同步 2 4 。同步时间与输入信号和激光器固有频率的差成正比；而且该时间还取决于输入与输 出信号的初始相位差和输入光功率。 在s p l d 的时钟提取系统中，当输入随机码为“o ”时，就会发生相位漂移，可表示为 = 3 6 0 0 x 1 - 嘛厶) 】，由于输入信号的频率和激光器的固有频率之差不会为零， 相位总会有微小的漂移。所以，该系统也要考虑连续输入长“o ”码问题。有实验显示 2 4 ， 输入数据速率为4 0 g b s 、占空比为2 5 时，该方案可支持4 0 0 个“0 ”比特。 2 4 利用多区d f b 激光器的自脉动进行时钟恢复 这种多区自脉动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应发展而来 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 2 5 ，和上文所述的锁模激光器中的 自脉动不同，它不是由饱和吸收体，而是由与d f b 激光器特殊结构相关的机理引起，因此表 现出一些特性 2 6 2 7 ，如自脉动的频率更高( 8 0 g h z ) 、脉冲频率可以在较宽范围调整、自 脉动产生的光脉冲能和注入的光信号同步等。利用这些性质，可以制作新型的器件对入射 光信号进行时钟恢复。关于双区d f b 激光器的自脉动现象，已经做了大量的研究。但自脉动 1 4 堕室塑皇奎兰堡主堡塞竺堂垡笙茎苎三童全垄! 垦要竺! 箜堕竺堡墨垫查 产生的机理目前还有争论。色散自q 开关 2 8 2 9 、空间烧孔 3 0 儿3 1 等都可以用来解释 自脉动的产生。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差很大，自脉动频率从3 0 0 m l z 到几十g h z 都有报道。在光通信系统中， 只有高频的自脉动效应才有应用价值。但由于产生机理和工作条件的不确定，该器件很难 进行重复性制作。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 3 2 用色散自q 开关较好地解释了双区d f b 中的自脉动现象。他们认 为重复性差的原因是由于不同的激光器端面反射的反射相位不一致引起的。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随机的。通过改变d f b 激光 器端面反射的相位条件，使其满足自脉动产生的条件，就可以解决重复性差的问题。但这要 求将反射端面的位置控制在10 n m 的精度范围。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 3 2 。器件如图2 6 所示，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度为2 0 0um ，相位区的长度为 4 0 0pm 。相位区的端面没有镀增透膜。端面的反射相位可以通过向相位区注入电流进行调 整。不断增加相位区电流，发现周期性产生自脉动，这证明了自脉动的产生确实依赖于相位 条件。相位区的加入使得器件的重复性制作成为可能。器件的增益区和反射区的结构和传 d f b 增益 图2 6 多区自脉动d f b 激光器的结构示意图 统的d f b 激光器相似，但两区的工作条件不同。增益区工作在阈值电流以上，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。d 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。反射镜的反射谱可以表征它 的反馈和波长的关系。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 1 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章全光3 r 再生中的时钟恢复技术 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。 而增益区工作在阈值电流以上时，大电流的注入产生的热效应将使激射波长红移。在足够 k 且 图2 7 反射区工作电流为透明电流时的反射谱 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。在这样的工 作点上，因为激光器的阈值条件和该波长的反射率直接相关。因此，激发模式的阈值电流也 强烈地依赖波长。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。 数据输入 时钟信号 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 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章全光3 r 再生中的时钟恢复技术 2 5 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 3 3 3 3 4 3 5 。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( f w m ) 3 5 。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 9 为o k a m a t a n i 等人 3 5 3 提出的基于t w - l d a 四波混频的锁相环的示意图。 图2 9 利用t w - l d a 制作的光锁相环技术进行时钟提取 假设入射的信号光脉冲为高斯形，即入射光信号可以写成： ( f ) = 耻1 + a kc o s ( 2 ，r k f o t ) ( 2 1 ) k = l 式中，厶和q 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 9 所示 结构中，时钟光信号可以写成： 厶o ) = l + a kc o s 2 n k ( 石栉+ 力r 】) ( 2 2 ) k = l 式中，a 厂