韓丙辰，楊春花，楊成全

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山西大同 037009）

全光多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取技術(shù)的方案研究

韓丙辰，楊春花，楊成全

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山西大同 037009）

介紹了目前幾種全光多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取的方案，并針對(duì)每種研究方案進(jìn)行了分析，從而為全光多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取方案的選擇提供一些參考.

光纖通信 全光3R再生 全光時(shí)鐘提取 多波長(zhǎng)

在全光網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)的全光3R再生（Reamplification、Reshaping、Retiming）是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題.由于色散、WDM信道間的干擾、系統(tǒng)的非線性效應(yīng)、光源和光放大器的ASE噪聲等因素都不可避免的引起網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)的惡化，尤其在40Gb／s及以上的超高速光網(wǎng)絡(luò)中，這種惡化對(duì)信號(hào)的影響更是不可忽略.未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)靈活的特性又決定了信號(hào)的傳輸路徑的不確定性，因此對(duì)信號(hào)的恢復(fù)不可能采取固定補(bǔ)償?shù)姆桨福仨殞?duì)信號(hào)進(jìn)行3R再生.

1 全光3R再生系統(tǒng)簡(jiǎn)介

全光3R再生系統(tǒng)包括光放大單元、光時(shí)鐘提取單元和光判決單元，如圖1所示.惡化的輸入光信號(hào)進(jìn)入3R再生器，光放大單元（Opt.Amplifier）對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行幅度放大；光時(shí)鐘提取單元（Opt.Clock）提取出低抖動(dòng)、高穩(wěn)定性的時(shí)鐘脈沖；光判決單元（Decision Stage）將輸入數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到提取出來(lái)的時(shí)鐘脈沖上，完成再整形和再定時(shí)功能，輸出再生后的光脈沖.

圖1.全光3R再生系統(tǒng)圖

2 全光時(shí)鐘提取技術(shù)

時(shí)鐘提取單元負(fù)責(zé)從惡化的數(shù)據(jù)信號(hào)中提取出低抖動(dòng)、高信噪比的時(shí)鐘脈沖.時(shí)鐘脈沖的形狀和質(zhì)量直接影響著再生信號(hào)的質(zhì)量.常用的時(shí)鐘提取方案根據(jù)提取的機(jī)制可分為電時(shí)鐘提取、光電混合時(shí)鐘提取和全光時(shí)鐘提取三大類.其中，全光時(shí)鐘提取不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行光和電的轉(zhuǎn)換，提高了信號(hào)處理的靈活性以及光網(wǎng)絡(luò)交換的透明性和通用性，成為目前時(shí)鐘提取單元的研究熱點(diǎn)所在.目前全光時(shí)鐘提取技術(shù)主要有以下幾種：

鎖模技術(shù)是時(shí)鐘提取最常用的技術(shù)之一.包括利用非線性光學(xué)器件的光纖注入鎖模激光器[1]和半導(dǎo)體注入鎖模激光器[2]兩種.鎖模方案的主要優(yōu)點(diǎn)是工作頻率較高.Kawanishi.S報(bào)道了利用光纖注入鎖模激光器進(jìn)行了120Gbit／s的光纖系統(tǒng)時(shí)鐘提取[3].而240GHz的半導(dǎo)體鎖模激光器也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)[2].

自脈動(dòng)激光器以其體積小、可集成、工作速率高、時(shí)鐘建立時(shí)間非?？斓膬?yōu)點(diǎn)在全光時(shí)鐘提取中得到了很多應(yīng)用.Ito.C等人利用三區(qū)結(jié)構(gòu)的自脈動(dòng)DFB激光器進(jìn)行了10Gb/s的全光時(shí)鐘提取[4].

基于F-P濾波器提取時(shí)鐘的方案,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、時(shí)鐘建立時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),F-P濾波器是無(wú)源器件,受非線性影響小.最近有大量的實(shí)驗(yàn)采用了這種方案,包括了美國(guó)加州大學(xué)的Yoo、S.J.B.等人利用F-P濾波器進(jìn)行10Gb/s的全光幀時(shí)鐘提取實(shí)驗(yàn)[5,6],希臘的 Petrantonakis D利用 F-P濾波器進(jìn)行的40Gb/s的全光幀時(shí)鐘提取實(shí)驗(yàn)[7],類似的報(bào)道還有很多[8］.另外,基于F-P濾波器提取時(shí)鐘的方案有一個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì):由于F-P濾波器的通帶特性是一個(gè)梳狀譜,因此從理論上講可以直接對(duì)多波長(zhǎng)WDM系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘提取.

3 全光多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取方案分析

目前多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取的相關(guān)文獻(xiàn)并不多見,主要有如下幾種方案:美國(guó)堪薩斯大學(xué)研究人員利用色散位移光纖(DSF)中的受激布里淵散射(SBS)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)時(shí)鐘提取,見圖2[9-11].在基于SBS的雙波長(zhǎng)時(shí)鐘提取方案中,把實(shí)驗(yàn)裝置定義為有源布里淵濾波器,其中布里淵增益線寬為20M,而布里淵增益線寬一般由光纖截面的不均勻性決定,雖然文中提到SBS的時(shí)鐘提取方法允許光信號(hào)比特率的差異,但在如此窄的濾波器帶寬內(nèi)進(jìn)行多波長(zhǎng)的同時(shí)時(shí)鐘提取具有很大的局限性;同時(shí)由于SBS中固有的泵浦光源失調(diào)問題,利用SBS效應(yīng)進(jìn)行多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取的波長(zhǎng)范圍與最終得到的時(shí)鐘抖動(dòng)成反比例,10Gb/s的多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取的波長(zhǎng)范圍被限制在3nm左右[11],盡管作者也給出了可能的增加時(shí)鐘提取波長(zhǎng)范圍的方法,但是很有限,因此利用SBS效應(yīng)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)WDM系統(tǒng)的多波長(zhǎng)時(shí)鐘同時(shí)提取.

圖2 基于SBS的雙波長(zhǎng)提取方案

英國(guó)倫敦大學(xué)的研究人員則研制了一單片集成的22通道的具有波長(zhǎng)選擇特性的SOA陣列作為鎖模器件,利用注入鎖模激光器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取見圖3[12].在基于SOA陣列的鎖模器件為時(shí)鐘提取單元的方案中,能夠?qū)崿F(xiàn)多波長(zhǎng)的時(shí)鐘提取,但是提取的時(shí)鐘波長(zhǎng)范圍由SOA陣列數(shù)目決定,事實(shí)上波長(zhǎng)數(shù)目的增長(zhǎng)將不可避免地增加SOA陣列的復(fù)雜度.美國(guó)康寧公司的研究人員則提出了一種利用光參量振蕩器實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取的方案,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙波長(zhǎng)時(shí)鐘提取[13],以上幾個(gè)方案均采用有源器件的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜.

圖3 基于SOA陣列的時(shí)鐘提取方案

芬蘭的研究小組提出利用雙折射諧振腔和起偏器對(duì)20路10Gb/s信號(hào)和一路40Gb/s信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘提取的方案,見圖4[14].基于雙折射諧振腔的多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取方案,實(shí)現(xiàn)了20路10Gbit/s信號(hào)和1路40Gbit/s信號(hào)的同時(shí)提取,由雙折射諧振腔和偏振控制器構(gòu)成梳妝濾波器,工作穩(wěn)定性不高,限制了其應(yīng)用,因此很難真正應(yīng)用到多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取的方案中.

圖4 基于雙折射諧振腔的多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取方案

墨西哥的研究小組提出利用非線性環(huán)形鏡提取多路時(shí)鐘見圖5[15]. 在基于非線性環(huán)形鏡的時(shí)鐘提取方案,實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)的時(shí)鐘提取,然而在半導(dǎo)體光纖激光器中使用了兩個(gè)SOA,對(duì)于SOA而言,

圖5 基于非線性環(huán)形鏡的時(shí)鐘提取方案

當(dāng)多個(gè)信號(hào)注入時(shí)會(huì)引起多種非線性效應(yīng),注入四波混頻、交叉增益調(diào)制、交叉相位調(diào)制等,將會(huì)嚴(yán)重影響提取時(shí)鐘的質(zhì)量,同時(shí)當(dāng)鎖模光纖激光器的腔長(zhǎng)固定后能夠提取時(shí)鐘的頻率將固定,因此很難實(shí)現(xiàn)異步時(shí)鐘提取.

新加坡南洋理工大學(xué)的研究人員則在理論上提出了利用無(wú)源的F-P濾波器實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取的可能性[16],而希臘的研究小組提出用F-P濾波器和量子點(diǎn)SOA對(duì)多波長(zhǎng)幀時(shí)鐘進(jìn)行提取的方案,見圖6[17].在F-P濾波器和量子點(diǎn)SOA提取時(shí)鐘的方案中,通過(guò)仿真對(duì)四波長(zhǎng)的信號(hào)的時(shí)鐘提取進(jìn)行了研究,由F-P濾波器提取多個(gè)時(shí)鐘,然后經(jīng)量子點(diǎn)SOA進(jìn)行整形以消除低頻噪聲.該方案從理論上來(lái)講完全可以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的時(shí)鐘提取.基于F-P濾波器的方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),而且從理論上該方案對(duì)能夠提取的時(shí)鐘的波長(zhǎng)范圍無(wú)任何限制.

圖6 基于F-P濾波器的時(shí)鐘提取方案

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)前面的方案比較可知,盡管研究者們已經(jīng)提出了多種針對(duì)全光多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取的方案,每種方案都具有獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn),但是采用有源器件作為時(shí)鐘提取單元,結(jié)構(gòu)將過(guò)于復(fù)雜.而基于無(wú)源的F-P濾波器的多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取方案將會(huì)是一種極具潛力的多波長(zhǎng)時(shí)鐘提取方案.

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Research on A ll-optical M ulti-wavelength C lock R ecovery T echnology

HAN Bing-chen,YANG Chun-hua,Y ANG Cheng-quan
(School of Physics and Electronic Science,ShanxiDatong University,Datong Shanxi,037009)

Several schemes of all-opticalmulti-wavelength clock recovery are introduced,and every research scheme is analyzed,so some reference for choosing all-opticalmulti-wavelength clock recovery is provided.

optical fiber communication；all-optical 3R;all-optical clock recovery；multi－wavelength

TN 915

A

〔編輯 李海〕

1674－0874（2010）02－0025－04

2009-09-26

山西大同大學(xué)青年項(xiàng)目[2008Q10]

韓丙辰（1976-）,男,山西侯馬人,博士,講師,研究方向:光纖通信和高速光信號(hào)處理.