（通信与信息系统专业论文）光混码器改善全光时钟提取及连续光稳定锁模激光器波长的研究.pdf

中文摘要 全光时钟提取是未来全光网络中的关键技术，也是全光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 y i n g ) 再生系统中的关键技术。光数据信号中零码的随机 出现引起码型效应，导致提取出的时钟幅度起伏较大。本文提出的光混码器通过 改变光数据脉冲幅度的概率分布，减少零码及连零码，有效地解决了这一问题。 光混码器已申报国家发明专利。 注入锁模光纤环激光器可以应用于全光时钟提取。锁模光纤环激光器因其 宽光谱的特性，也是一种理想的多波长且波长可调的光源。在锁模激光器的腔内， 各个波长的光对增益介质的竞争导致起振纵模的不断跳变，表现为输出纵模波长 的不稳定。本文提出了注入连续光实现波长稳定的理论。 本论文主要包括了以下几项工作： 1 提出了通过几路光脉冲延时叠加改变光脉冲幅度概率分布，减少码型效 应导致的时钟脉冲噪声的思想。对光混码器的工作原理进行了时域和频域的理论 分析。基于f - p 滤波器的梳状滤波模型，对光混码器改善全光时钟提取进行了数 值模拟。 进行了基于锁模光纤环激光器的全光时钟提取实验，验证了光混码器改善时 钟提取的作用。包含了上述时钟提取系统的全光3 r 系统完成了l o g b i t s 和 4 0 g b i t s 的全光3 r 再生实验。 2 提出了注入连续光稳定锁模光纤环激光器波长的理论。推导了注入连续 光的条件下锁模光纤环激光器纵模线宽的计算公式。 进行了注入连续光稳定锁模光纤环激光器波长的实验，观察分析了实现波长 稳定的过程中，连续光和纵模间的相互作用。使用透过峰3 d b 带宽为4 0 m h z 的 f - p 滤波器对波长稳定后的锁模激光进行滤波，验证了纵模的稳定性。 分析了注入连续光引起超模噪声的原理。研究了连续光波长，注入连续光功 率阈值和超模噪声之间的相互关系。 关键词：光混码器全光时钟提取连续光波长稳定锁模光纤激光器 a b s t r a c t a l l o r i t i c a lc l o c kr e c o v e r yi sak e yf u n c t i o nf o rt h ef u t u r e a l l o p t i c a ln e t w o r ka n dt h ea l l o p t i c a l3 r ( r e a m p l i f i c a t i o n ，r e t i m i n g ， r e s h a p i n g ) r e g e n e r a t i o ns y s t e m s t h er a n d o ma p p e a r a n c eo fc o d e “0 ”i n t h ed a t as t r e a mc a u s e st h ep a t t e r ne f f e c ta n di n c r e a s e st h ea m p l i t u d e f l u c t u a t i o no ft h ec l o c kp u l s e sr e c o v e r e d an o v e ld e v i c et e r m e da s 0 p t i c a lc o d em i x e rw a sp r e s e n t e dt or e d u c et h ep a t t e r ne f f e c tb yc h a n g i n g t h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h ea m p l i t u d eo ft h ed a t ap u l s e sa n d r e d u c i n gt h ea m o u n to fc o d e s “0 ”a n dt h ec o d e s “0 ”i ns e r i e s t h e o p t i c a lc o d em i x e rh a sb e e na p p l i e df o rt h en a t i o n a l p a t e n to fc h i n a m o d e l o c k e df i b e rl a s e r sc a nb eu s e dt or e c o v e rc l o c k t h e ya r ea l s o i d e a ls o u r c e st og e n e r a t ew a v e l e n g t h t u n a b l em u l t i - w a v e l e n g t ho p t i c a l p u l s e sb e c a u s eo ft h e i rl a r g e g a i nb a n d w i d t h s i na na c t i v e l ym o d e l o c k e d f i b e rl a s e r ，d i f f e r e n ts e t so fl o n g i t u d i n a lm o d e sc o m p e t ef o rt h eg a i n m e d i u ma n dc a u s ei n s t a b i l i t yo fw a v e l e n g t h am e t h o do fs t a b i l i z i n gt h e w a v e l e n g t ho fm o d e l o c k e df i b e rl a s e r sb yt h ei n j e c t e dc o n t i n u o u sw a v e w a sp r e s e n t e d t h em e t h o d sa n de x p e r i m e n t sp r e s e n t e di nt h et h e s i sa r em a i n l ya s f o l l o w s ： 1 t h em e t h o do f c h a n g i n g t h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n o ft h e a m p l i t u d eo ft h ed a t ap u l s e sb ym i x i n gt h ep u l s e sa f t e rd i f f e r e n tt i m e d e l a ys o a st or e d u c et h ep a t t e r ne f f e c tw a sp r e s e n t e d t h ef u n c t i o no f t h e0 p t i c a lc o d em i x e rw a sa n a l y z e di nb o t ht h et i m ed o m a i na n dt h e f r e q u e n c yd o m a i n b a s e do nt h ec o m b 一1 i k es p e c t r ao ft h ef - pf i l t e r t h e a l l o p t i c a l c l o c kr e c o v e r y i m p r o v e db y t h eo p t i c a lc o d em i x e rw a s s i m u l a t e d i nt h ee x p e r i m e n to fa l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yb a s e do na ni n j e c t i o n m o d e l o c k e df i b r er i n g l a s e r ，t h ec l o c kr e c o v e r e dw a si m p r o v e db yt h e o p t i c a lc o d em i x e r t h ee x p e r i m e n t so fa l l o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o nw e r e f i n i s h e da tt h eb i tr a t eo fb o t hl o g b i t sa n d4 0g b i t s 2 am e t h o do fs t a b ili z i n gt h ew a v e l e n g t ho fm o d e l o c k e df i b e rl a s e r s b yt h ei n j e c t e dc o n t i n u o u sw a v ew a sp r e s e n t e d t h ef o r m u l at oc a l c u l a t e t h el i n e w i d t ho ft h em o d e l o c k e df i b e rl a s e r sl o n g i t u d i n a lm o d e s b r o a d e n e db yt h ei n j e c t e dc o n t i n u o u sw a v ew a sd e r i v e d t h ew a v e l e n g t ho f a na c t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e rw a ss t a b i l i z e di nt h ee x p e r i m e n t t h e i n t e r r e l a t i o n s h i po ft h ec wa n dt h el o n g i t u d i n a lm o d e sw a so b s e r v e di n t h ep r o c e s so fw a v e l e n g t hs t a b i l i z a t i o n t od e m o n s t r a t et h es t a b i l i t yo f t h el o n g i t u d i n a lm o d e s ，t h eo u t p u ts i g n a lo ft h em o d e l o c k e df i b e rl a s e r w a sf i l t e r e db ya nf - pf i l t e ra n dt h es t a b l el o n g i t u d i n a lm o d e sw e r e o b t a i n e d t h e3 d bb a n d w i d t ho ft h et r a n s m i s s i o nd e a k si s4 0 蛐z t h e s u p e r m o d e n o i s es t i m u l a t e d b y t h ec ww a sa n a l y z e d t h e i n t e r r e l a t i o n s h i po ft h ew a v e l e n g t ho ft h ec w ，t h ep o w e rt h r e s h o l do ft h e c wa n ds u p e r m o d en o i s ew a si n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：o p t i c a lc o d em i x e r , a l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r y , c w , w a v e l e n g t h s t a b i l i z a t i o n , m o d e - l o c k e df i b e rl a s e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茎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。 靴敝储戳5 韵认芋钠飙2 6 年了川日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签各杂纠钆 签字日期：7 1 加年3 月日 导师签名： 签字日期： 天津大学硕士学位论文光混码器改善全光时钟提取及连续光稳定锁模激光器波长的研究 第一章绪论 1 1 光纤通信的发展历史和展望 早在6 0 年代中期，c k k a o 和h o e k h a m 就开创性地预见至利用玻璃能制成 损耗为2 0 d b k m 的光纤。1 9 7 0 年，美国率先将这一预见变为现实；1 9 7 6 年，世 界上第一条试验性光纤通信线路在美国敷设成功。随后，光纤通信又走过了商业 应用和产业规模的过程，成为现代通信的两大支柱之一，其发展速度之快，对社 会影响之深远是高新技术领域内所罕见的i ”。 在解决了实用技术和短途应用的基础上，1 9 8 8 年，日本率先开通了全日光 纤通信干线；1 9 8 9 年，全长1 3 3 0 k m 的海底光缆工程的1 1 p c _ 3 组aw _ 4 投入运行， 它横穿太平洋连接日、美与关岛；1 9 9 0 年，太平洋光缆链路完成，全长8 3 9 6 k m ， 连接美、日；1 9 9 2 年，东南亚几个国家兴建光缆网。在此期间，英、德、法诸 国也分别投入巨资兴建了庞大的光纤通信和数字网。据美国k m i 公司统计，到 1 9 9 4 年，全球建成海底光缆总长度为2 2 8 万话路公里，连接7 0 个国家和地区； 从1 9 9 5 年到1 9 9 8 年，世界海底光缆敷设光缆长度2 6 4 万话路公里。人们预计 到2 0 1 5 年，多数发达国家的电信网将基本完成全国光纤化的进程，从而跨入全 光纤网络电信传输时代嘲。 目前商用光纤通信系统已从4 5 m b p s 增加到1 0 g b p s ，其速率在2 0 年时间里 增加了2 0 0 0 倍，比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。高速系统的出 现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多 媒体提供了实现的可能。目前1 0 g b p s 系统已开始大批量装备网络1 3 1 1 4 1 。在理论上， 基于时分复用的高速系统的速率还有望进一步提高，例如在实验室传输速率已能 达到4 0 g b p s n ，采用色度色散和偏振模色散补偿以及双二进制编码后已能传输 1 0 0 k m t q 。 除了上述高速系统，未来的光纤通信技术还将在超大容量波分复用系统1 9 ， 光交换，新型光纤，i po v e rs d h 与i po v e ro p t i c a l ，光接入网，光电子器件集成 化等方面取得进一步发展。 全光通信是光通信的发展方向。目前在光通信系统中，信号的处理、交换、 及存储均采用光，电一电光的转换方式。光与电两次转换，增加设备的复杂程度 和成本。减少在传输链路中的光电转换单元，可以降低设备的复杂程度和成本。 第一章绪论 具有光电转换单元的光通信系统的另一问题是通信系统的速率受电子器件响应 速度的限制，使系统的速率仅限于4 0 g b i f f s 以下。 在提高速率的要求日益高涨的今天，提高系统速率的途径是将信号处理保持 在光域上进行，这样的系统就称为全光通信系统。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 y i n g ) 技术是实现全光通信的重要技术l l o l 。而全光时钟 提取技术是全光3 r 系统中重要的组成部分f 1 1 l 。 1 2 全光时钟提取技术 在设计全光通信系统中的全光信号处理系统，如再生系统，时分交换系统， 解复用器等的时候，关键的问题是实现系统的同步。因此必须从接收到的光数据 流中获得时间的光同步信息，即光时钟脉冲。 目前已有的用于光通信系统的时钟提取技术包括： 1 电时钟提取技术。接收到的光信号经光电转换后变为电信号，经放大后 注入一个高q 滤波器或者电锁相环( p l l ) 中，可以得到位时钟或帧时钟信号， 再经放大后得到以射频( r f ) 形式输出的电时钟信号。考虑到系统的稳定性和 成本，一般认为电的时钟提取适用于低于1 0 g b p s 的系统中。 2 光电混合时钟提取技术n 2 卜( 1 4 1 。这种技术通常利用半导体光放大器的交叉 增益调制( x g m ) 、光纤或半导体光放大器的四波混频( f w m ) 效应进行相位 探测，将本地倍频后的光时钟与高速t d m 光信号进行相位比较，产生的f w m 分 量包含有光信号和光时钟之间的互相关信息，将这个信息反馈到压控振荡器中即 可实现时钟提取。 3 全光时钟提取技术。全光时钟提取是未来全光网络中的关键技术；也是 全光3 r 再生系统中的关键技术。全光时钟提取装置的功能就是无需将光信号进 行光电变换就能从光信号中提取出光时钟脉冲。 目前可用于全光时钟提取的技术包括：f - p 滤波器【1 ”，注入锁模光纤激光器 【1 6 】，半导体锁模激光器【1 7 1 - ( ：z ”，自脉动分布反馈激光器 2 2 3 - “，非线性光学环镜 2 9 - 刚等。 我们实验中使用了f - p 滤波器和注入锁模光纤激光器进行时钟提取，下面对 这两种技术进行简单介绍。 1 2 1 基于f p 滤波器的全光时钟提取 基于f p 滤波器的被动谐振电路，具有结构简单、高速率潜力和捕获时间短 等特点。它利用一个无源f a b r y p e r o t 谐振腔从光信号中提取时钟成分，由于完 天津大学硕士学位论文光混码器改善全光时钟提取及连续光稳定锁模激光器波长的研究 全采用无源结构，通过减小谐振腔长度达到超高比特率( n t b p s ) 工作是可能的。 用这种方法，我们完成了4 0 g h z 时钟提取试验。实验框图如图1 1 所示。 d a 住p a l l a e s f - p f i l t e r e d f a 图1 1f - p 滤波器提取时钟实验框图 p a b e t f - p 滤波器用于时钟提取，缺点在于低精细度的f - p 滤波器码型效应明显， 提取出的时钟脉冲幅度起伏较大；而高精细度的f - p 滤波器，对光的波长稳定度 要求很高，调整高精细度的f p 滤波器使其对准输入的光信号脉冲的光波长及重 复频率也很困难。 1 2 2 基于注入锁模光纤环激光器的全光时钟提取 一种基于注入锁模光纤激光器( m l f l ) 的时钟提取实验框图如1 - 2 所示。数 据脉冲反向注入s o a ，当“l ”码通过s o a 时，由于注入信号光消耗载流子的 作用大于电流泵浦恢复载流子的作用，载流子数目减少。s o a 载流子浓度的变 化会引起增益的改变，进而影响通过它的时钟光的幅度和相位。因此，注入的随 机码对环内时钟信号产生调制作用，即交叉增益调制( x g m ) 和交叉相位调制 ( ，m ) 。x g m 效应在实验中起主要的调制作用。在腔长匹配的条件下，形成 锁模，得到高重复速率、波长可调谐的时钟脉冲输出。 t n j e c ：t e d d a t a p u l s e s b p f 图1 - 2 注入锁模光纤激光器提取时钟实验框图 第一章绪论 光纤锁模激光器的时钟提取方案的优点是：( 1 ) 、结构简单、采用的器件全 部是商用器件，系统的构建比较容易；( 2 ) 、对输入信号的偏振状态不敏感；( 3 ) 、 具有较高速率的工作潜力。我们使用这种技术已获得了4 0 g b p s 的时钟提取，在 原理上，这项技术可以工作在1 0 0 g b p s 以上的系统中。 该方案的缺点：( 1 ) 由于长环腔结构所限，时钟的建立时间比较长。( 2 ) 体积 大、不易集成；( 3 ) 由于利用了s o a 的快速动态增益产生锁模，输入连续长连“0 ” 码时，码型效应比较明显。( 4 ) 温度导致自舒腔长变化会影响系统的稳定性；( 5 ) 输出的时钟脉冲光谱不稳定。 1 3 全光时钟提取中的码型效应 以基于s o a 的注入锁模激光器为例。s o a 载流子浓度恢复时间的典型值约 为二十至一百皮秒，当注入数据信号速率较高时，在两个“l ”码之间，载流子 浓度并不能恢复到初始值。这样，当注入一长串连“1 ”码，s o a 的载流子浓度 将在一个低的准稳值附近波动。由于“0 ”码不消耗载流子，当“0 ”码通过s o a 的时候，载流子浓度会因电流泵浦作用恢复到一个较高的值。这样，时钟光脉冲 在s o a 中获得的增益和相移与注入的随机码码型有关，使得提取出的时钟脉冲 存在与码型有关的幅度起伏。 在注入锁模光纤激光器中，时钟光脉冲到达s o a 后，在被注入光信号调制 的同时获得增益。当控制光为零码时，光脉冲在s o a 内得不到调制，质量变差。 如果随机码中存在长连“0 ”码，这种恶化作用会更加严重。 再以使用f p 滤波器的时钟提取为例。当输入长连零码时，滤波器内的谐振 逐渐衰减，导致输出的时钟脉冲幅度逐渐衰减。当“l ”码输入时，输出时钟脉 冲又得到加强。这样零码和“1 ”码的随机出现就导致了时钟脉冲的幅度起伏。 从频域上看，时钟脉冲的频谱只有对应于时钟频率的离散分量。而带有零码 的数据脉冲，其频谱还有连续分量。每个时钟提取装置，在频域上都等效为一个 梳状滤波器。连续分量不能被完全滤除，输出的时钟脉冲就会带有幅度起伏。 数据信号中的零码以及频域上的连续谱分量对时钟提取来说是有害的。为解 决这个问题，已有几种方法见诸报道【蚓阅。 1 3 1f p 滤波器预处理法 在光信号脉冲进入时钟提取模块以前，先使其通过f - p 滤波器进行预处理，从 而有利于下一步的时钟提取 3 6 1 3 7 1 。实验装置如图1 3 所示。 4 天津大学硕士学位论文光混码器改善全光时钟提取及连续光稳定锁模激光器波长的研究 光致据信号脉冲 图1 - 3f - p 滤波器预处理降低码型效应 如前所述，f - p 滤波器可以用于全光时钟提取。如果使用低精细度的f - p 滤 波器，提取出的时钟脉冲幅度起伏较大。但是所得到的起伏较大的脉冲，其零码 处被谐振输出的较低幅度的脉冲填充。因此较之初始的数据信号，更易提取出质 量高的时钟。 这种方法的缺点是：受f p 滤波器性能的限制，过低的精细度则效果不好， 高精细度虽然对时钟提取有利，但光波长的精密调准及高稳定性极难保证。另外， f p 滤波器的成本较高。 1 3 2s o a 的饱和放大效应后处理法 从时钟提取模块输出的时钟脉冲，由于码型效应，幅度可能是参差不齐的。 利用s o a 的饱和放大效应可以对己提取出来的时钟脉冲的幅度进行均衡。这种方 法可称之为s o a 饱和放大效应后处理法嗍。 提取出的4 _ _ _ 改善后的 时钟信号：；一 时钟信号 s o a 图1 - 4s o a 饱和增益效应降低码型效应 s o a 增益系数将随着输入光强的逐步增强而逐步减小，这就是增益饱和现 象。如图1 - 4 所示的连接，时钟提取装置输出的时钟脉冲通过s o a 时，s o a 的 饱和放大效应使低幅度脉冲得到较大的增强，而高幅度脉冲却得到较小的增强， 从而可以完成对时钟脉冲幅度的均衡。 这种方法的缺点是：要获得饱和放大的效果，注入s o a 的光功率必须很大， 往往要远大于其额定功率；根据我们的经验，在这样大的注入功率下，s o a 很 容易损坏。而且即使在大的注入功率下，s o a 饱和增益效应所起到的改善作用 也比较有限。另外，s o a 成本也很高。 第一章绪论 1 4 锁模激光器的波长稳定 注入锁模光纤激光器是全光时钟提取的一种重要方法。此外，由于其宽光谱 的特性，锁模光纤激光器也是多波长且波长可调的理想脉冲光源嗍。此类光脉冲 源在波分复用通信系统，时间分辨光谱学，光纤传感器以及光信号处理等领域有 广泛的应用前景。 在锁模光纤激光器中，当满足调制频率f m 等于基频矗的n ( n 为整数) 倍等锁 模条件时，间隔等于f ；的某一组纵模起振。各个波长的光对增益介质存在竞争。 n 组纵模中赢得竞争的一组才能起振。锁模光纤环激光器增益谱比较平坦，各组 纵模在对腔内增益介质的竞争中没有明显的优劣之分。起振的纵模在光谱上不断 的左右跳变，导致输出纵模波长的不稳定。 锁模激光器的波长稳定通常采用具有梳状滤波特性的无源器件来实现。可以 使用m - z 干涉仪作为梳状滤波器h 1 1 ；也可以在锁模腔内串联f o p 滤波器，利用 f - p 滤波器的梳状滤波特性实现选模嗍。原本平坦的腔内增益曲线由于m - z 干 涉仪或者f - p 滤波器变成梳状。这样，梳状增益曲线峰值处的一组纵模可以稳定 地起振。 这种方法的局限性在于梳状滤波器的反射峰或透射峰间隔必须与调制频率 严格匹配。而且在梳状滤波的同时也带来了较大的插入损耗，影响锁模激光器的 宽光谱输出。 如果从锁模激光器的腔外注入一个稳定的连续光信号( c w ) ，连续光可以在 光谱上覆盖某一个纵模，使之始终占有竞争优势。由于它所在的一组纵模之间的 能量耦合和相位锁定，从而使该组纵模稳定起振。本文提出了这一方法，并进行 了理论分析和实验证明。 1 5 本论文的主要创新工作 1 5 1 光混码器 发明了用于改善全光时钟提取的光混码器。提出了通过将几路光数据脉冲延 时叠加，减少码型效应导致的时钟脉冲幅度起伏的思想。 理论分析证明，在时域上，光混码器能够将数据光脉冲的幅度依概率集中于 6 天津大学硕士学位论文光混码器改善全光时钟提取及连续光稳定锁模激光器波长的研究 最大值的二分之一处，并减少零码和连零码。在频域上，光混码器是一个理想的 梳状滤波器。 对光混码器改善基于f _ p 滤波器的全光时钟提取进行了数值模拟。证明光混 码器能够显著地减小提取出的时钟脉冲的幅度起伏。 进行了基于锁模光纤环激光器的全光时钟提取实验。证明了光混码器改善时 钟提取的作用。使用该系统进行了l o g b i t s 和4 0 g b i t s 的全光3 r 再生实验。 光混码器已于2 0 0 5 年1 1 月申报国家发明专利，发明名称为“一种光通信系 统中的时钟提取系统及时钟提取方法”，申请号：2 0 0 5 1 0 1 3 4 5 5 2 2 1 5 2 注入连续光实现锁模光纤激光器的波长稳定 提出了注入连续光稳定锁模光纤激光器波长的理论。分析了注入连续光激励 一组纵模，使之稳定地赢得对增益介质的竞争，从而实现波长稳定的原理。 分析了注入的连续光对纵模线宽的影响，推导出了注入连续光影响下纵模线 宽的计算公式。 进行了注入连续光稳定锁模光纤环激光器波长的实验，观察分析了实现波长 稳定的过程中，连续光和纵模间的相互作用。使用透过峰3 d b 带宽为4 0 m h z 的 f - p 滤波器对波长稳定后的输出光信号进行滤波，验证了纵模波长的稳定性。 分析了注入连续光引起超模噪声的原理。观察了超模噪声的包络和幅度。研 究了连续光波长，功率等参数对超模噪声的影响。提出了几种进一步抑制超模噪 声的方法。 第二章光混码器的设计思想和理论分析 第二章光混码器的设计思想和理论分析 全光时钟提取是“4 0 g b i t s s 全光3 r 再生系统”的重要组成部分 4 4 1 1 4 5 1 。在进行 基于注入锁模光纤激光器的4 0 g h z 全光时钟提取实验t , u 1 - t 4 a l 时，提取出的时钟波 形的波谷几乎被噪声填满。究其原因，当光脉冲数据流中出现零码，甚至连零码 时，锁模激光器没有得到调制。在增益介质的作用下，波谷位置的波形被抬高。 如果能在零码的位置补充上光脉冲，显然可以解决这一码型效应问题。基于 这种思路，发明了将数据脉冲分成几路延时叠加的光混码器。 2 1 光混码器的结构 光混码器由两个耦合器和连接耦合器的延时线构成。耦合器可以是一分二， 一分四等形式，相应的延时线为二路，四路等。 o 啦= 撕+ f r o n o o c 他：她mm 吾 皂 f 乌- _ 出朋仃n 图2 1 四路光混码器结构示意图 耦合器各路分光比要求是相等的。延时线由耦合器各路尾纤和普通单模光纤 焊接而成。 各路延时线延时不同，但互相之间的延时之差都是码元周期的整数倍。制做 延时线时，切割光纤的误差会带来脉冲叠加的定时误差，导致输出时钟脉冲定时 抖动的增加。 为防止各路延时线输出产生干涉，各路延时线长度相差要大于光源的干涉长 度。实验中使用g w - d f b 激光器，每一路延时线长度差取二十米以上。 这样，一路随机信号由一端的耦合器输入，经过不同长度的延时，在另一端 天津大学硕士学位论文光混码器改善全光时钟提取及连续光稳定锁模激光器波长的研究 的耦合器叠加后输出。 图2 1 是一个四路光混码器的结构示意图。图中c o u p l e r1 和c o u p l e r2 是两 个一分四的耦合器，分光比是0 2 5 ：0 2 5 ：0 2 5 ：0 2 5 。a t i ，鲍，幽，幽分 别是连接耦合器的四路延时线的延时量。t 是码元周期，【，m ，n 是互不相等的 整数。 值得一提的是，光混码器在结构上类似于光复用器。由于光复用器在延时差 上要求的条件更严格，光复用器可以用做光混码器，但是光混码器不一定能用做 光复用器。图2 - 2 是一个4 0 g b i t s 四路混码器的实物照片。 图2 - 2 四路光混码器 2 2 光混码器工作原理的时域分析 2 2 1 改变脉冲幅度的概率分布 对于基带传输的光纤信道中的随机数据，可以认为出现0 码和i 码的概率都 是0 5 。经过一个n 路光混码器后，令n ( n 是从0 到n 的整数) 个脉冲叠加所 得的码为“n ”码，则各路叠加后“n ”码出现的概率为 只= 等 亿， 经过一个四路光混码器，四路延时信号叠加后会出现“0 ”码，“1 ”码，“2 ” 码，“3 ”码，“4 ”码，五种码出现的概率分别为 第二章光混码器的设计思想和理论分析 异2 去，只2 i 1 ，b = 吾，与= ，只= 去： 随机码经过一个八路光混码器后，会出现“0 ”码，“1 ”码直至“8 ”码，这 九种码出现的概率为 晶2 去，露= 去，弓= 甍，忍= 蔫，只= 罢。 只= 盖。只= 罴，弓= 去。五= 去。 显然，将两个四路光混码器并联，等同于一个八路光混码器。但将两个四路 光混码器串联使用时，输出脉冲幅度的概率分布不同于并联时的情况。 随机码经过两个串联的四路光混码器后，会出现“0 ”码，“1 ”码直至“1 6 码。第一个光混码器输出的各种码型是第二个光混码器的输入，例如，“7 一码出 现的概率为 马= + 只1 2 4 + 昂1 3 3 + 昂2 2 3 + 暑1 1 4 + 只1 2 3 + 丑2 2 2 = 砰x 尹c o 丁c , o 等丁c i + 日等等等等 + c ：c ：等等等歹c i 十口q 丁c , o 等等等 + c ；等等等等+ 砰等x 等等孚 + c ；x 等等等等= 器 按此方法计算得到这十七种码型出现的概率为 桃= 赢1 ，僦= 赢1 6 ，= 丽1 2 0 纠，= 丽5 6 0 ，纠：= 罴，纠，= 畿 纠。= 罴。嘲= 牒最= 嬲 按上述几种方式使用光混码器后，码型的概率分布如图2 - 3 所示。 光混码器输出的脉冲幅度种类越多，平均到每种脉冲上的出现概率就越小。 为了直观地观察输出码型依概率集中的程度，对一个八路光混码器的概率值乘以 二，对串联两个四路光混码器的概率值乘以四。这样处理后，可以认为曲线的纵 轴高度正比于等效的“概率密度”。 光混码器的输入输出端都可以方便地使用e d f a 等光放大器对脉冲进行线性 放大，所以脉冲幅度的绝对大小并不是关键问题，真正对时钟提取质量有影响的 l o 天津大学硕士学位论文光混码器改善全光时钟提取及连续光稳定锁模激光器波长的研究 是脉冲的幅度的概率分布。因此我们可以对码型归一化，即令幅度最大的码为“1 ” 码。归一化后，几种光混码器使用方式下，脉冲幅度有相同的最大值。 u n i t 鑫c o d ea m p l i t u d e 图2 - 3 通过几种光混码器后归一化码型的概率分布 由图2 3 可见，在几种方式中，串联两个四路光混码器的时候，脉冲幅度的 概率分布最能够集中于最大值的二分之一附近。集中程度稍差的是并联两个四路 光混码器的情况，最差的是只使用一个四路光混码器的情况。 理论上，串联的光混码器越多，或者光混码器的路数越多，码型的概率分布 就越集中，提取出的时钟也就越好。如果使用无限多个光混码器，或者无限多路 的光混码器，脉冲幅度为最大值二分之一的概率趋向于1 。 当然，使用多个光混码器的时候，要考虑到延时线延时误差的累加，光混码 器本身的功率损耗等问题。 制作光混码器使用的耦合器各路分光比要求是相等的。下面以二路光混码器 为例分析分光比不相等的情况。 一 假设两路延时线分光比为1 ：3 ，则可以输出归一化的“0 ”，“o 2 5 ”，“o 7 5 ”， “l ”四种幅度的脉冲。四种幅度出现的概率均为0 2 5 。而如果两路延时线分光 比为1 ：l ，则输出“0 ”，“0 5 ”，“1 ”三种幅度的脉冲。这三种幅度出现的概率 分别为o 2 5 ，o 5 ，o 2 5 。可见，如果耦合器分光比不相等，虽然也能起到混码的 作用，但是不能使脉冲幅度的概率分布最大程度地向最大值二分之一处集中，因 而不能最大程度地改善时钟提取。 光时钟脉冲序列等同于一个全是“1 ”码的数据脉冲序列。“0 ”码的出现， 使得数据脉冲与时钟脉冲有了“幅度是否起伏”这一区别。而光混码器的功能就 各isct口岔磊do矗 第二章光混码器的设计思想和理论分析 是尽可能地减少数据脉冲序列的幅度起伏。从这个意义上说，光混码器，以及其 他各种减少码型效应的装置，与时钟提取装置在功能上并没有本质区别。f - p 滤 波器既可以用于时钟提取，又可以用于减少码型效应的时钟提取预处理就是一个 典型的例子。 2 2 1 减少零码和连零码 信道中零码和连零码的出现是随机的，而对于某一个光混码器，延时叠加的 延时量是固定的。因此对于任意一个数据流，光混码器消除零码和连零码的情况 会有差别。但是通过分析m 序列伪随机码的情形，可以近似地分析光混码器消 除零码和连零码的规律。 值得注意的是，对伪随机码进行混码时，任意两路延时线间的延时差不能等 于码字长度。比如对于1 2 7 位m 序列码，延时差不能等于1 2 7 个码元周期。否 则延时叠加后脉冲序列没有变化，不能起到混码作用。对于传输随机码的信道， 则不存在这个问题。 使用m a t l a b 软件对延时线的延时差等于n ( n 为大于或等于l ，小于码字长 度的整数) 个码元周期的各种情况进行了遍历计算。 对于1 2 7 位m 序列伪随机码，其码字中零码为6 3 个，最长的连零码为6 连 零码。显然，混码后输出的脉冲是周期等于1 2 7 倍码元周期的脉冲序列。 使用二路光混码器，输出的周期性脉冲序列中，每1 2 7 个脉冲，零码减少为 3 1 个。使用三路光混码器，输出的每1 2 7 个脉冲，对于不同的延时差取值，零 码最多可能为3 1 个，最少可能为1 5 个。使用四路光混码器，输出的每1 2 7 个脉 冲，零码最多可能为1 5 个，最少可能为7 个。 使用二路光混码器，输出的每1 2 7 个脉冲，对于不同的延时差取值，最长的 连零码可能为5 连零，也可能为3 连零。使用七路或七路以上的光混码器，连零 完全被消除。 对于2 0 4 7 位m 序列伪随机码，共有1 0 2 3 个零码，最长的连零为1 0 连零。 使用二路混码器，输出的每2 0 4 7 个脉冲，零码减少为5 1 1 个；最长连零码可能 为9 连零，也可能为4 连零。 由此可见，光混码器能有效地减少零码及连零码。 值得一提的是，混码后的脉冲的幅度变得参差不齐。填充原来零码位置的脉 冲，可能幅度很低。但是根据对脉冲幅度概率分布的分析，概率分布向最大值一 半处的集中是绝对的，因而光混码器对时钟提取的改善也是绝对的。通过下面对 频谱的分析，我们可以更清楚地看到这一点。 天津大学硕士学位论文光混码器改善全光时钟提取及连续光稳定锁模激光器波长的研究 2 3 光混码器工作原理的频域分析 时钟脉冲的频谱只有对应于时钟频率的离散线谱分量。而带有零码的随机数 据脉冲，其频谱还有连续分量。每个时钟提取装置在频域上都相当于一个滤除连 续谱分量的梳状滤波器。连续分量不能被完全滤除，输出的时钟脉冲就会带有幅 度起伏。 在频域上分析，光混码器可以减少连续谱分量，保留离散线谱。 对于基带传输的光纤信道中的随机数据，认为出现“0 ”码和“l ”码的概率 都是0 5 ，并认为这种随机过程是各态历经性的平稳随机过程。其功率谱的连续 部分为 、，咖掣 ” 陀2 1 其中g ( f ) 是脉冲波形g ( t ) 的傅氏变换，t 是码元周期。除了上述连续谱外， 在频率k t 处还存在离散线谱 s 务8 2 ( 2 3 ) 计算随机信号经过一个二路光混码器后的情况。功率归一化后，二路光混码 器输出“o ”码，“0 5 ”码，“1 ”码的概率分别是o 2 5 ，0 5 ，o 2 5 。 功率谱的连续部分为 w ，= 簪 g 川 在频率k t 处的离散线谱为 s 申=8 t 2 ( 2 - 5 ) 经过更多的光混码器或更多路数的光混码器，连续谱分量会变得更少。例如， 经过四路光混码器，连续谱分量变为原来的四分之一。而离散谱分量仍然保持不 变。 可见，光混码器在没有改变离散线谱( 包含了时钟信息) 的情况下，减少了 连续谱分量，也就减少了连续谱分量引入的噪声。光混码器在频域上相当于透过 峰为冲击函数，透过峰间隔为时钟频率的理想的梳状滤波器。 第二章光混码器的设计思想和理论分析 2 4 本章小结 本章从时域和频域的角度分析了光混码器的工作原理。 理论分析证明，光混码器能够使脉冲幅度依概率向最大值的二分之一处集 中。光混码器延时线路数越多，或者串联的光混码器越多，概率分布就越集中。 当耦合器各路分光比相等时，概率分布的集中程度最好。 对光混码器处理m 序列伪随机码的计算表明，光混码器能有效地减少零码 和连零码，以减少零码导致的码型效应，并减少长连零码导致系统失去同步的情 况发生。 频域分析证明，光混码器等同于一个透过峰为冲激函数，透过峰间隔为时钟 频率的梳状滤波器。它可以有效地减少连续谱分量，同时保留包含时钟信息的离 散谱分量。 1 4 天津大学硕士学位论文光混码器改善全光时钟提取及连续光稳定锁模激光器波长的研究 第三章光混码器改善全光时钟提取的数值模拟 各种全光时钟提取装置都可以等效为透过蜂间隔为时钟频率的梳状滤波器。 其中最典型的就是基于f - p 滤波器的时钟提取4 9 卜嘲。本章以四路光混码器和f - p 滤波器为例，使用m a u a b 软件进行了频域和时域的计算，对光混码器改善时钟提 取的效果进行了数值模拟。 3 1f - p 滤波器的梳状谱特性 以一咎 图3 - 1f p 滤波器的梳状透射谱 透射谱是f p 滤波器的重要特性，f p 滤波器的透射谱为梳状谱，如图3 一l 所示。透射谱中相邻的两透射峰之间的频率间隔为f 。 如果用一个极窄的光单脉冲射入f p 滤波器，这个极窄的光单脉冲的谱宽接 近于无限宽，则f p 滤波器的输出光的光谱特性与f - p 滤波器的透射谱相同。由 理论分析，知其对应的时域函数为一光脉冲串，脉冲时间间隔为t = i f , 脉冲的 频率为f = i t = f ，与f p 滤波器各窗口的频率间隔相等。这就是说一个单独脉冲 可以激发出一串脉冲。 由于实际情况是非理想的，故脉冲串的幅度逐渐衰减，甚至很快就消失。这 一现象与电学上谐振腔对电脉冲的作用相似。当一单独的电脉冲输进谐振腔或谐 振回路时，谐振腔能够输出一串幅度递减的电脉冲，其频率与谐振腔的谐振频率 相等。 一一 功翠体榆函数 第三章光混码器改善全光时钟提取的数值模拟 3 2 数值模拟的算法 3 2 1 光混码器的混码 m 序列高斯脉冲时钟脉冲 四路混码器f - p 滤波器 图3 - 2 光混码器改善f - p 滤波器时钟提取的实验装置图 光混码器改善f p 滤波器时钟提取的实验装置如图3 - 2 所示。 使用1 2 7 位m 序列伪随机码，取一千个码，其序列为 1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，0 ，1 ，0 ，1 ，0 ，1 ，0 ，0 ，1 ，1 ，0 ，0 ，1 ，1 ，i ，0 ，1 ，1 ，1 ，0 ，1 ，0 ，0 ，1 ，0 ，1 ， 1 ，0 ，0 ，0 ，1 ，1 将这一周期为1 2 7 位的序列经过四路不同的延时后叠加，再除以4 ，就得到 了混码器的输出码序列。 脉冲为高斯型，考虑线性啁啾，单一脉冲入射场包络为 w 细 一峄 ， 谱函数为 u ( s o = 坷u ( f ) 】 ( 3 2 ) 光脉冲进入光纤后，输出的光脉冲谱函数为 u ( s o = u ( f ) e x p a c o z ( 3 3 ) 3 2 2f p 滤波器提取时钟 f p 滤波器的光场传输函数为 日( 厂) ：( 1 - r ) e x p ( - j z f f s r ) 1 一r e x p ( 一j 2 z f