專利名稱：波分復用光信號的時鐘脈沖的相位失敏恢復的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及波分復用光信號的恢復時鐘脈沖，尤其涉及許多波分復用光信號同時的時鐘恢復。
背景技術：
隨著波分復用(WDM)傳輸系統(tǒng)的容量不斷增大以響應于對通信不斷增大的需求，各傳輸系統(tǒng)的最大范圍在減小。因此，除了與發(fā)生業(yè)務路由選擇的網(wǎng)絡結點相關聯(lián)的任何再生器之外，沿傳輸鏈路每隔一段距離就要求有一個生再生器?？赡苡袪幾h的是，在交換結點內(nèi)再生再生器是必需的，以提供業(yè)務路由選擇和修飾功能，雖然當通過結點直接按路由傳送給定波長處的業(yè)務時，情況并不總是如此。不過，在結點之間使用再生器增加了網(wǎng)絡的成本，同時并不貢獻附加的功能。因此，需要一種成本適宜的手段來再生WDM信號，以作為完全的WDM解復用和光電再生的替代方案。系統(tǒng)制造商指出，這一點對于40Gbit/s數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)尤其必要，這種系統(tǒng)的目標范圍為3000km，但實際傳輸極限在1500km左右。
3R再生器(再放大，再整形、再定時)是全光再生器的一個已知的示例，可用于未來的高速高容量透明光網(wǎng)絡。全光時鐘恢復是3R全光再生器的一個主要結構部件，因為其再定時功能需要時鐘恢復。已經(jīng)提出并證明過許多用于全光時鐘恢復的單信道方法。一種單信道時鐘恢復設備使用了光纖光學參量振蕩器，其中用于時鐘信號的振幅調(diào)制參量增益是光學相位失敏的。大多數(shù)時鐘恢復方法都設計成適用于一個信道操作，因為對于多信道全光時鐘恢復(MOCR)而言，技術上的挑戰(zhàn)是成倍增加的。
在第一種MOCR方法中，通過使用光纖中的受激布里淵散射(SBS)，已證明了兩信道光學時鐘恢復。不過，因為布里淵頻移具有波長依賴性，所以該時鐘恢復設備可有效利用的總的光學帶寬只有約3納米。如此受限的光譜覆蓋范圍是這種基于SBS的MOCR的嚴重缺點。在第二種方法中，MOCR是在主動鎖模光纖環(huán)激光中實現(xiàn)的，這種激光是由與兩個波導光柵路由器(AWG)及摻鉺光纖放大器(EDFA)集成在一起的半導體光放大器陣列模塊來形成的。這種方法具有若干明顯的缺點。首先，因為EDFA是均勻的譜線增寬，所以光纖激光的多信道工作不可避免是不穩(wěn)定的。其次，在本設備中，陣列模塊中的各半導體光放大器(SOA)充當僅用于一個相應信道的有源鎖模器。這增加了系統(tǒng)的成本和復雜性。第三，在SOA-AWG部件內(nèi)，沒有任何手段來補償不同信道在路徑長度方面的差異，而這是多信道操作所要求的。最后，設備的整體速度仍然受限于SOA響應的速度。
因此，需要有改進的方法和裝置以便用于全光時鐘恢復和信號再生，它們能夠同時處理多個WDM信號。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種用于多倍波分復用光信號的光學時鐘恢復的光泵浦式鎖模光纖環(huán)激光主動地對該激光的多個輸出進行鎖模，這些輸出可作為多個恢復時鐘以便用于多個多倍波分復用光信號。激光腔的腔長對應于復用光信號中的至少一個的比特周期的整數(shù)倍，以便接收多個波分復用光信號在被放大之前的樣子從而在相位失敏的參量放大過程中提供增益調(diào)制，并使激光腔的一部分輸出通過激光腔返回而再循環(huán)，以便在空間上對該激光腔的輸出進行鎖模使其成為恢復時鐘，由此通過對相位失敏參量增益的空間調(diào)制所產(chǎn)生的光泵浦激光進行鎖模，便可以產(chǎn)生各自具有周期性光脈沖序列的恢復光時鐘，其重復率對應于相應的復用光信號的時鐘率，其中該空間調(diào)制是由波分復用光信號的脈沖本質(zhì)產(chǎn)生的。位于腔內(nèi)的非線性增益介質(zhì)在與多波段復用光信號相對應的全部波長處具有足夠大的色散，以便在多波段復用光信號中、在諸多恢復時鐘中、以及在多個多波段復用光信號與恢復時鐘之間使四波混頻現(xiàn)象出現(xiàn)得最少。用多個未經(jīng)放大的復用光信號來泵激該增益介質(zhì)，以便在相位失敏參量放大過程中在多個窄波長帶處提供有效的增益調(diào)制，多個窄波長帶的每一個緊鄰相應光信號的波長，并且多個窄波長帶的每一個包括相應的恢復光學時鐘波長，并且相應光信號中的每一個在激光腔中都伴著恢復光學時鐘通過非線性增益介質(zhì)一同傳播。具有非均勻增寬增益的參量光放大器或拉曼放大器對多個恢復時鐘進行放大，以便在多個恢復時鐘的全部波長處補償一部分腔體損耗。波長選擇器在恢復時鐘的多個波長處使光線通過以便于激光腔中的再循環(huán)，并用于防止來自多倍波分復用光信號的光線和由四波混頻所產(chǎn)生的多個空轉波，其中四波混頻可以發(fā)生在多倍波分復用光信號與來自激光腔中的再循環(huán)的恢復光學時鐘之間。
本發(fā)明的其它特征與優(yōu)點將在下文中得到詳細闡述，并且本領域的技術人員從那些說明中或在按照說明書和權利要求書以及附圖所描述的那樣實施本發(fā)明的過程中可以很容易地看出或意識到部分特征和優(yōu)點。
應該理解，前文一般性的描述和下文的詳細描述只是本發(fā)明的示例，并旨在提供一個概況或框架以便于理解像權利要求書所描述的本發(fā)明的本質(zhì)與特征。
包括附圖旨在幫助進一步理解本發(fā)明，在這里包括這些附圖并構成本說明書的一部分。附圖示出了本發(fā)明的一個或多個實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作過程。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的學說的、基于相位失敏參量放大器的環(huán)形激光時鐘恢復電路的示意圖；圖2是圖1所示光放大器56的示意圖，它是由第二種高度非線性色散移位光纖33實現(xiàn)的；圖3是圖2所示腔體的增益分布圖的曲線；圖4是圖1所示光放大器56的示意圖，它是作為拉曼放大器來實現(xiàn)的；圖5是圖4所示腔體的增益分布圖的曲線；圖6是根據(jù)本發(fā)明的圖1、2或4中示出的高度非線性色散移位光纖3的色散與波長的函數(shù)關系曲線，與單模光纖28進行對比，該單模光纖28可用作用于腔體的那段光纖；圖7是用于圖1所示光纖3的設計圖，其中參量增益曲線是作為信號信道的位置相對于零色散波長的函數(shù)而畫出的曲線；
圖8是作為圖1所示光纖3所對應的波長設計圖的函數(shù)的色散；以及圖9示出了在圖1所示光纖3中激發(fā)出的參量增益帶寬分布曲線以及圖1所示光纖3的信道間隔位置。
具體實施例方式
在A.Ellis于2003年8月11日提交的題為“Recovery of Clock Pulses ofWavelength Division Multiplexed Optical Signals”的、轉讓給相同受讓人的、美國專利申請10/153,957中，建議了一種用于多信道全光時鐘恢復(MOCR)的新方法。該方法基于光纖光學參量振蕩器，其中在光纖中的相敏FWM過程產(chǎn)生周期性調(diào)制的增益。因像溫度變化這樣的環(huán)境因素會導致腔長度偏移，所以相敏參量放大操作是先天性地不穩(wěn)定的。為解決這個問題，在該專利申請中提出用光柵作為一種無源的方法來使腔長穩(wěn)定。實驗結果顯示，光柵確實能夠維持腔長使其與輸入信號的時鐘頻率匹配。不過，因為產(chǎn)生于FWM過程的腔增益調(diào)制是對光學相位敏感的，所以對于上述方法而言，抑制在時鐘與輸入信號之間隨機的光學相位偏移所導致的振幅噪聲仍然是一個技術挑戰(zhàn)。即便是使用用于多信道工作情形的非零色散位移光纖(NZ-DSF)，也依然存在腔長穩(wěn)定性的潛在問題。在多信道情況下，使用摻鉺光纖放大器(EDFA)來補償腔體損耗可能導致不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因為EDFA的均勻增寬增益會在諸多信道中引發(fā)模式競爭。
由于參量放大過程的基本性質(zhì)，如果在光纖激光環(huán)路的輸入處同時存在泵浦、信號和空轉光信號三者時，則僅當它們之間有特定的相位關系時才發(fā)生相敏放大過程。因此，如果在高度非線性色散移位光纖(HNL-DSF1或HNL-DSF2)的輸入處存在泵浦光、信號以及空轉時，則放大過程是對相位敏感的。對于相敏參量放大器而言，泵浦和信號是從環(huán)形腔的外部提供的，而空轉在腔內(nèi)循環(huán)，所以所有這三者都在該非線性光纖的輸入處進入該非線性光纖。不同的時鐘并不相互影響，因為它們各自的信號具有不同的相位。這是優(yōu)點，同時也是設計方面的挑戰(zhàn)，因為要假定從傳輸線路過來的光信號具有明確的相位以便開始。
另一方面，如果在非線性光纖(例如，高度非線性色散移位光纖HNL-DSF1或HNL-DSF2)的輸入處存在泵浦光和信號，則放大過程是對相位不敏感的。因此，如果在相位失敏的情況下只存在泵浦和信號光信號，則光波的相位并不重要，因為在放大器內(nèi)部自動產(chǎn)生了具有適當相位的空轉信號。在相位失敏參量放大器腔體中，只有在腔體中不斷循環(huán)的信號(充當參量泵浦)和時鐘才在非線性光纖的輸入處進入該非線性光纖。因此，在信號與時鐘之間的光學相位關系并不重要。在參量過程中仍然會產(chǎn)生空轉，但濾波器(比如，光柵)丟掉了這些空轉，所以空轉不能再循環(huán)或到達非線性光纖的輸入。
這種相位失敏方法所提供的優(yōu)點在于，不需要監(jiān)視光波的相位。不過，相敏設計的優(yōu)點沒有了，現(xiàn)在信號可以相互影響。因此，如果將泵浦波長設計成比高度非線性色散移位光纖(HNL-DSF1)的色散零點(如果該介質(zhì)具有有限的正色散)長出許多，則參量增益帶會非常窄，這樣就可以實現(xiàn)參量放大的其它基本性質(zhì)。在光譜上，參量增益將只位于緊靠泵浦的左邊和右邊。因此，選擇設計適宜的介質(zhì)(光纖)，并且使多個輸入在波長方面彼此間隔足夠遠，使得各輸入將放大并調(diào)制與之最近的它自己的時鐘，并且決不接觸離得很遠的其它信號和時鐘。
不幸的是，當參量增益較窄時，它也很小。因此，最好能有一個第二放大器，將所有時鐘的增益一起提高到接近腔體的激光發(fā)射閾值的水平。但第二放大器對所有的時鐘一起放大，所以需要使交叉增益調(diào)制最小化。因此，第二放大器最好是非均勻增寬的。
參照圖1，為了在光纖光學參量振蕩器中實現(xiàn)穩(wěn)定的多信道全光時鐘恢復，示出了相位失敏時鐘恢復電路。通過像波分復用器(未示出)這樣的耦合器，將信號輸入光纖1耦合到長度為500米左右的色散移位非線性介質(zhì)上，這種介質(zhì)是高度非線性色散移位光纖3的一個示例。通常，用于該環(huán)或腔的起點可以是環(huán)形腔中的任意位置。但是，在這種激光腔示例中，該起點是非線性光纖(HNL-DSL1)3的輸入，因為時鐘信號的產(chǎn)生始于那里。
使色散移位光纖3的輸出饋入帶通濾波器7，并且使帶通濾波器的輸出分成兩路。帶通濾波器7的第一路耦合到可調(diào)光纖延遲線路9，該線路包括色散補償光纖，其色散特性與色散移位光纖3相反。在光纖延遲線路9之后，該第一路經(jīng)具有非均勻增寬增益的光放大器56放大，然后，重新耦合到信號輸入光纖1從而完成主動鎖模光纖環(huán)激光配置或腔。來自帶通濾波器7的第二路包括時鐘輸出光纖11。
根據(jù)本發(fā)明的學說，參量光放大器56位于該腔中。光放大器56具有非均勻增寬增益，可在恢復時鐘的所有波長處放大多個恢復時鐘以便補償一部分腔體損耗。通過非均勻增益增寬，放大器56消除了在多個信道中的模式競爭，放大器56最好是寬帶的，以便補償腔體損耗。因此，放大器56在單個設備中實現(xiàn)了用于多于兩個光信道的穩(wěn)定的全光時鐘恢復，同時信道總數(shù)和光譜范圍僅受用來補償腔體損耗的放大器56的光增益帶寬限制。光放大器56可以是參量放大器或拉曼放大器。
參照圖2，示出了相位失敏腔體環(huán)，其中光循環(huán)器23和光柵結構(比如在光分支21中包括光柵25到31的多個啁啾光纖布拉格光柵(CFBG))代替了圖1所示的帶通濾波器7。此外，波分復用器4所替代了圖1所示的光放大器56，該波分復用器4用于將波長λp處的泵浦光輸入5耦合到第二個高度非線性色散移位光纖33。
在具有參量放大器的這種多信道時鐘恢復設備的示例性配置中，系統(tǒng)包括兩個光耦合器2和35、兩段高度非線性色散移位光纖或增益介質(zhì)3和33、一個光循環(huán)器23、大量啁啾光纖布拉格光柵(等于信道的數(shù)目)，比如對應于四個復用信道的25、27、29和31、一個波分(加)復用器5、以及一個連續(xù)波(CW)泵浦激光源6。
對于HNL-DSF2或增益介質(zhì)33(用于參量放大器)而言，非線性光纖的零色散應該在信道帶寬的中間的附近，這也是在參量放大器的泵浦波長的附近。例如，如果該設備在C波段(1525nm～1565nm)工作，則非線性光纖33的零色散應該在1545nm左右。
參照圖3，示出了圖2的工作原理，用于表示增益分布曲線，其中λs1…λsn分別是輸入信道1…n的波長。λs1…λsn是分別對應于信道1…n的恢復時鐘的波長。在由第i個輸入信道信號(λsi)所提供的非線性光纖(HNL-DSF1)3的參量增益峰值(λci)之一處設置第i個CFBG的中心波長(或第i個信道時鐘波長λci)。下文會提到，通過適當?shù)卦O計非線性光纖或適當?shù)剡x擇光纖長度，便可以在波長范圍中使各信道信號所產(chǎn)生的增益分離開。因此，各時鐘信號的增益是由相應的輸入信號獨立調(diào)制的。為補償腔體損耗，由在泵浦輸入5上面的高功率CW光源6來對包括一段高度非線性色散移位光纖(HNL-DSF2)33在內(nèi)的參量放大器56進行泵激。當泵浦光功率比時鐘信號的功率大許多時，可以忽略泵浦損耗，并且放大器56好像工作在其增益被非均勻地增寬這樣一種情形中。與標準EDFA不同的是，消除了由放大器56所產(chǎn)生的模式競爭。當像下文所述那樣適當設計CFBG時，各信道時鐘可以自動調(diào)節(jié)其波長使得往返延遲等于相應輸入信號比特周期的多倍。因此，通過空間調(diào)制，形成了主動鎖模的多信道環(huán)形激光，其中，各諧振(時鐘)信道的信號增益僅由相應的輸入信道數(shù)據(jù)來進行空間調(diào)制，并且從各輸入數(shù)據(jù)流中獨立地提取出時鐘信號。
使用由高度非線性色散移位光纖(HNL-DSF2)33來實現(xiàn)的參量放大器56來補償腔體損耗。通常，在泵浦輸入5處的CW泵浦光功率比恢復時鐘信號的功率大許多。因此，可以忽略泵浦損耗。光纖33由此作為一個非均勻增益增寬放大器來使用。因此，與標準EDFA不同的是，消除了由參量放大器56所產(chǎn)生的模式競爭。
為獲得能夠完全覆蓋所有時鐘信道的較寬的增益帶寬，必須將光纖(HNL-DSF2)或增益介質(zhì)33設計成具有非常低的色散斜率并且色散零波長盡可能接近所期望的泵浦波長λp。為避免不想要的信道串擾，通常將泵浦波長放在信道與時鐘信號所占據(jù)的波長帶之外。如圖3所示，也有可能使泵浦波長位于信道信號波長范圍的中間。在這種情況下，必須仔細選取用于時鐘恢復的信道子集以及泵浦波長位置，使得沒有任何由參量放大過程所產(chǎn)生的空轉波長與另一個信號或時鐘的光譜位置一致。
對于所有時鐘信道而言，應該把參量放大器56的增益設置到可補償大部分腔體損耗但在CW振蕩的閾值之下的某一水平?？赡苄枰硗獾脑鲆嫜a償濾波器(未示出)。
接下來，圖6和7示出了非線性光纖(HLF-DFS1)或增益介質(zhì)3的參量增益帶寬的控制。與相敏設計不同的是，本發(fā)明的時鐘恢復使用光學相位失敏參量放大過程來提供用于主動鎖模所必需的增益調(diào)制。相位失敏性的一個極為重要的優(yōu)點在于，并不要求腔長的干涉穩(wěn)定，并且對輸入信號的相位噪聲內(nèi)容不加限制。不過，必須實現(xiàn)各時鐘波長處的窄帶放大，以便用于多信道工作情況。為避免因參量增益帶寬的重疊而導致的相鄰時鐘信道之間的串擾現(xiàn)象，應該適當設計非線性光纖(HLD-DSF1)或增益介質(zhì)3，或者(并且)應該適當選取光纖的長度。
參量增益帶寬可以大致地表達如下ΔΩA=π|β2|ΩsL---(1)]]>其中L是光纖長度，β2是色散參數(shù)，Ωs是與相位匹配條件相對應的泵浦和信號波之間的頻移。方程式(1)表明，增益帶寬隨色散參數(shù)和光纖長度的增大而減小。因此，可以使用兩種方法來控制HNL-DSF1或增益介質(zhì)3的參量增益帶寬。首先，通過適當設計光纖的零色散點和色散斜率，便可控制增益帶寬。第二，僅通過改變光纖長度，便可很容易調(diào)節(jié)它。此外，也可以使用兩種方法的組合。不過，有限的光纖色散會產(chǎn)生時鐘信號與輸入信號之間的偏離(walk off)，這將有效地減少設備操作所需的調(diào)制并使時鐘脈沖不對稱。因此，應該同時考慮使串擾最小化的最小可允許信道間隔以及最大可允許偏離。應該把該偏離限制在不超過輸入信號脈沖寬度的50％。
通過使用含25和31的CFBG使腔長穩(wěn)定化，可改善時鐘恢復系統(tǒng)的性能。在無源腔長穩(wěn)定化結構中，將CFBG插入腔體能夠使激光自動保持與外部信號比特率同步。既然光柵被啁啾，那么有效反射面位置取決于波長。結果，腔長的小變化或光線的群速度可以由發(fā)出激光的波長的小移位來補償。
對于特定的比特率f，可以從下面的不等式中估算出無源地使激光運行穩(wěn)定化所需的最小CFBG長度nfΔλc(2Dg-cDLc)≥1---(2)]]>其中n是有效折射率，c是光速，Δλ是CFBG總的啁啾，D是腔式光纖的平均色散參數(shù)，Lc是激光腔長，Dg是光柵色散，由下式大致給出
Dg=ΔλLg---(3)]]>其中Lg是光柵長度。
當對于不同的信道期望不同的腔長時，各個CFBG 25為其自己的恢復時鐘信號定義唯一的激光腔長。這意味著，對于多信道工作情形，沒必要使總腔體色散精確地等于零。
對于光譜選擇而言，CFBG的25和31將反射和光譜濾波功能組合起來。各個CFBG 25或31反射相應的恢復信道時鐘信號并在所有其它波長(包括CW泵浦6，ASE，F(xiàn)WM項等)處使光線通過，這些光線最終離開激光腔。通過應變或溫度調(diào)諧相應的CFBG的25或31，可以很容易調(diào)節(jié)單獨的反射峰。
對于具有拉曼放大器的相位失敏環(huán)而言，示出了兩種結構。第一種與圖2所示的環(huán)結構相同，它也可以作為Sagnac激光器結構獲得實現(xiàn)，不同點在于，在圖5的拉曼泵浦波長處泵激HNL-DSF2介質(zhì)33的CW泵浦光。
參照圖4，示出了第二種拉曼放大器結構。通過添加兩個拉曼泵浦源(用像波分復用器41和42這樣的兩個單獨的耦合器來耦合)以及增益介質(zhì)3(可以是多孔光纖、光子帶隙光纖、拉曼光纖、或任何其它類型的高度非線性色散移位光纖)，同時使用圖2的參量放大器56作為拉曼放大器。如圖5所示，當適當選取拉曼泵浦光的波長時，拉曼增益帶寬可以完全覆蓋所有信道的時鐘信號。所以，相同的非線性光纖(HNL-DSF)或增益介質(zhì)3充當適用于參量增益調(diào)制和拉曼放大兩者的非線性介質(zhì)。通常，CW泵浦光功率比時鐘信號功率大許多，因此可以忽略泵浦損耗。另外，至少部分拉曼放大器增益是非均勻增寬的。因此，與使用標準EDFA時的情形不同的是，消除了由放大器產(chǎn)生的模式競爭。所有其它設計要點都與圖2和3中所討論的相同。
因此，特殊設計本新穎的時鐘恢復設備，以解決因多信道中的模式競爭和多信道工作所對應的腔長偏移這兩點所導致的不穩(wěn)定的問題。首先，為消除多信道中的模式競爭，具有拉曼光纖的拉曼光放大器取代了由圖2所示的第二光纖33來實現(xiàn)的寬帶參量光放大器56或寬帶參量光放大器56，或者，使用拉曼光放大器來補償腔體損耗，該拉曼光放大器使用通過添加兩個泵浦源61和62的相同的高度非線性色散移位光纖3。
當使用相位失敏參量增益時，不要求干涉腔穩(wěn)定化，并且不對輸入信號施加任何相位噪聲的限制。與基于半導體的時鐘提取器相比，相位失敏閉環(huán)可以以很高的比特率來工作，因為光纖非線性具有極快的響應時間。
因為相位失敏設計在激光腔中使用了大量的啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)(比如光柵25和31)以便通過發(fā)出激光波長的小移位來自動補償環(huán)境方面的腔長變化，所以能夠無源地將輸出脈沖重復率鎖定到任何輸入時鐘頻率。既然參量增益是光學相位失敏的，那么這種相位失敏設計也免受由隨機信號相位變化所導致的噪聲。
參照圖6，描繪了色散移位高度非線性光纖3的典型色散曲線。把高度非線性色散移位光纖3設計成具有C波段(1535～1570nm)之外的零色散波長，并且最好在波長較短的那一側。與光纖3一起使用的光學效應是在圖1、2或4所示環(huán)形腔結構中基于四波混頻的參量激光的諧波模式鎖定。當泵浦和信號存在于光纖的輸入處并且尤其在色散移位光纖3的輸入上時，參量增益顯示出它本身。不管是對相位敏感還是相位不敏感，參量增益的效率都是與信號和泵浦之間的相位匹配條件相關，并且還與光纖的非線性系數(shù)相關。參量增益帶寬取決于在相位失配與相移所引入的非線性效應之間的相互影響，并且當泵浦波長離零色散波長很遠時參量增益帶寬較窄。在群速度色散相移被非線性相移所補償(即，Δk＝-2γP，其中γ是非線性系數(shù)，P是泵浦功率，Δk是群速度色散相位失配)的那些波長處，會觀察到增益的峰值。同時，在線性色散估算中，Δk∝Dλ(λp-λ0)(λp-λs)2，其中Dλ是零色散波長處的色散斜率，λp是泵浦波長，λs是信號波長，λ0是零色散波長。在圖7中，示出了用于不同泵浦位置的參量增益帶寬。與零色散波長離得很遠，參量增益具有較窄的帶寬。該事實用在相位失敏的設計中，以構造用于若干信道的多波長時鐘恢復系統(tǒng)。使用各信道作為窄帶寬相位失敏參量過程所對應的泵浦。來自布拉格光柵25或31的窄增益可保證，在所提取的多個信道中不會觀察到任何顯著的串擾。
通過在纖芯區(qū)域中共同摻雜鍺并且在凹陷形包層(depressed cladding)區(qū)域中共同摻雜氟，便可制成較佳的光纖。等離子化學氣相沉積(PCVD)和改進的化學氣相沉積(MCVD)方法可以生產(chǎn)出這種光纖剖面。所建議的光纖是“α剖面類型光纖”。所建議的設計的α值是α＝5。該內(nèi)芯半徑是2.5微米。內(nèi)芯最大折射率是1.485。凹陷形包層的折射率是1.451。凹陷形包層的半徑是3微米。外包層折射率在二氧化硅那一級是1.457。圖8給出了經(jīng)計算得到的光纖色散。零色散波長是1.4415微米。在零色散波長處的色散斜率是0.07ps/km/nm2。1.55微米處的有效模場面積是15平方微米。
通過在放大過程中薛定諤方程的數(shù)值解，可以使用在該光纖3中光纖色散和色散斜率來模擬出參量增益帶寬。圖9的增益曲線是針對行波放大配置來計算的。就信道間隔而言，為了估計時鐘恢復系統(tǒng)可能的實際實現(xiàn)方式，使用了不同的輸入信號波長。各信號的信號輸入功率等于10毫瓦。所用光纖的長度是1km。在這種情況下的參量增益帶寬強加恢復信道間隔。用于本文所設計的光纖的信道間隔是2nm的量級。通過適當設計圖2和4的光纖布拉格光柵25和31，會保證在恢復信道之間的2nm距離。這種信道間隔允許40Gbit/s或更高數(shù)據(jù)比特率的時鐘恢復。
另一個重要點涉及光柵色散。對于總啁啾為0.2nm的1cm長的光柵(如上所示，使10Gb/s時鐘恢復穩(wěn)定所需的最小長度)而言，光柵色散約為500ps/nm?？瓷先ミ@樣大的色散將使激光腔中短脈沖的循環(huán)成為不太可能。下面簡單的說明顯示出這并不是必然真實的。讓我們考慮調(diào)制深度為100％的正弦調(diào)制的單色光波，它是最簡單的時鐘信號形式P＝A(1+cosΩt)cosωt(4)其中ω是載波頻率，Ω是調(diào)制(時鐘)頻率。眾所周知，該信號的頻譜是由載波頻率處的主峰和±Ω處的兩個另外的峰來表示的，它可由(4)的變換來表示P=Acosωt+A2(cos(ω+Ω)t+cos(ω-Ω)t)---(5)]]>當從啁啾光柵中反射出該信號時，用于所有這三個頻譜分量的有效反射平面將是不同的。至少針對線性啁啾光柵而言，與載波頻率分量有關的頻率和與差分量的相移θ的量將是相同的，但是帶有相反的符號。所產(chǎn)生的信號由下式表示Preft=Acosωt+A2(cos((ω+Ω)t+θ)+cos((ω-Ω)t-θ))---(6)]]>上式可以很容易變換為Preft＝A(1+cos(Ωt+θ))cosωt (7)從(7)中可明顯看出，不管色散是多大，從啁啾光柵中反射上述簡單示例信號會導致調(diào)制信號的相移，但并不引起失真或改變該調(diào)制信號的形狀。
在實際的鎖模激光中，大腔體色散可以使激光輸出脈沖成為啁啾。但是，這可以很容易用一段具有正確色散符號的光纖或基于CFBG的補償器來校正。
對于多信道設備而言，因參量增益的波長依賴性，不同信道的恢復時鐘信號通常具有不同的振幅。如果期望的話，則通過改變相應CFBG的反射力度便可以很容易地使那些振幅相等。
由于所建議的時鐘恢復設備運行是基于參量放大的，所以期望泵浦輻射盡可能地接近放大光纖的零色散波長。不過，在零色散附近工作也會在激光腔中存在的所有頻譜分量之間引起不希望有的四波混頻，并導致一定量的信道間串擾。由于泵浦是腔內(nèi)最強大的信號，則大多數(shù)有害的干涉都來自泵浦與恢復時鐘信號的混合。因此，所不期望的是，泵浦波長與標準信道波長之一相同，或泵浦波長與信道波長中任意一個的間隔正好是信道間隔的整數(shù)倍。
泵浦波長最有優(yōu)勢的位置是正好在兩個相鄰的信道波長的正中間。作為一個示例，可以考慮圖7所示的方案，其中泵浦波長位于兩個相鄰的標準信道波長的中間。該方案具有兩個另外的優(yōu)點。第一，使用到泵浦的左邊和右邊的波長間隔以允許恢復更多的信道。第二，RZ信號和恢復時鐘相應地占據(jù)著奇數(shù)和偶數(shù)標準信道波長，這意味著通過眾知的交錯器等可大批量得到的裝置可以組合(或分離)它們。當然，也可以使用另外的方案，其中所有的RZ信號位于泵浦的一側，所有的恢復時鐘信號都位于另一側，但是可能仍然需要僅是每隔一個信道提供用于恢復的WDM系統(tǒng)，以使過量的FWM項和相關的串擾最小化。
關于諧波鎖模光纖激光的一個主要問題是所謂的超模噪聲。用簡單的術語來講，當激光腔是幾百米長時，縱模間隔小于1MHz。許多超模存在于信道帶寬之內(nèi)，并且這些超模之間的模式競爭會引起所產(chǎn)生的光脈沖具有較大的振幅波動。所建議的激光能夠自動維持與外部時鐘同步，不管由于CFBG的使用而導致的腔長偏移，即便是在沒有干涉穩(wěn)定的情況下。因此，梳狀傳輸且自由光譜范圍(FSR)等于輸入信號的時鐘頻率或時鐘頻率的次諧波的光纖可以被插入腔內(nèi)，以只選擇多個超模之一或有限的子集，由此抑制了超模噪聲。具有梳狀傳輸光譜的光纖可以是光纖閉環(huán)干涉計、常規(guī)的法布里波羅濾波器、或基于FBG的法布里波羅濾波器。
作為色散移位光纖的替代，非線性介質(zhì)可以包括KTP水晶、半導體光放大器、或PPLN，這些對于光再生器設計領域的那些技術人員而言都是很清楚的。
本領域的那些技術人員會很清楚，在不背離所附權利要求書所界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本文所描述的本發(fā)明的較佳實施例做出各種修改。因此，本發(fā)明旨在覆蓋所有這些修改和變化，只要它們落在所附的權利要求書和它們的等價方案的范圍內(nèi)。
權利要求
1.用于多倍波分復用光信號的光時鐘恢復的一種光泵浦鎖模光纖環(huán)激光器，對所述激光器的多個輸出進行鎖模并使其作為多個恢復時鐘以便用于多個所述多倍波分復用光信號，所述激光器包括激光腔，其腔長對應于所述復用光信號中的至少一個的比特周期的整數(shù)倍，所述激光腔用于接收所述多個波分復用光信號未經(jīng)放大的樣子以便在整個相位失敏參量放大過程中提供增益調(diào)制，所述激光腔還用于使所述激光腔的一部分輸出通過所述激光腔返回而再循環(huán)，在空間上對所述激光腔的輸出進行鎖模并使其用作恢復時鐘，由此通過對相位失敏參量增益的空間調(diào)制所產(chǎn)生的光泵浦激光進行鎖模，便產(chǎn)生了恢復光學時鐘，所述恢復光學時鐘各自具有周期性的光脈沖序列，其重復率對應于相應的復用光信號的時鐘率，其中所述相位失敏參量增益的空間調(diào)制是由所述波分復用光信號的脈沖性質(zhì)所產(chǎn)生的；位于所述腔內(nèi)的非線性增益介質(zhì)，所述介質(zhì)在與所述多波段復用光信號相對應的所有波長處都具有足夠大的色散，以便使在多波段復用光信號中、在所述恢復時鐘中、以及在所述多個多波段復用光信號與所述恢復時鐘之間發(fā)生的四波混頻現(xiàn)象最小化，所述增益介質(zhì)是由所述多個未經(jīng)放大的復用光信號來泵激的，以便在相位失敏參量放大過程中在多個窄波長帶處提供有效的增益調(diào)制，所述多個窄波長帶中的每一個都緊鄰相應光信號的波長，并且所述多個窄波長帶中的每一個都包括相應的恢復光學時鐘波長，并且所述相應光信號中的每一個都與所述恢復光學時鐘一起在激光腔內(nèi)通過所述非線性增益介質(zhì)傳播；具有非均勻增寬增益的光放大器，用于在所述多個恢復時鐘的全部波長處放大所述多個恢復時鐘以便補償一部分腔體損耗；以及波長選擇器，用于使所述恢復時鐘的多個波長處的光線通過以便在激光腔中再循環(huán)，并且防止來自所述多倍波分復用光信號的光線以及在多倍波分復用光信號與激光腔中再循環(huán)的恢復光學時鐘之間的四波混頻所產(chǎn)生的多個空轉波。
2.如權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光放大器包括拉曼放大器。
3.如權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述腔體形成于主動鎖模環(huán)形激光器結構中。
4.如權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述腔體形成于Sagnac激光器結構中。
5.如權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述波長選擇器包括窄帶寬濾波器。
6.如權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述波長選擇器包括多個啁啾光纖布拉格光柵。
7.如權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述波長選擇器包括多個光纖布拉格光柵，用于調(diào)節(jié)所述腔長以對應于所述復用信號中的至少一個的比特周期的整數(shù)倍。
8.如權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述波長選擇器包括可調(diào)光纖延遲線路，用于調(diào)節(jié)所述腔長。
9.如權利要求8所述的激光器，其特征在于，所述可調(diào)光纖延遲線路是有源穩(wěn)定的。
10.如權利要求1所述的激光器，其特征在于，在所述腔體內(nèi)所述非線性增益介質(zhì)具有合適的色散斜率，使得色散零波長比所述多個波長復用光信號中的任何波長都短，或者比所述恢復時鐘的波長短。
全文摘要
用于多倍波分復用光信號的光學時鐘恢復的一種光泵浦式鎖模光纖環(huán)激光器主動地對該激光器的多個輸出進行模式鎖定，這些輸入可作為多個恢復時鐘以便用于多個多倍波分復用光信號。激光腔的腔長對應于復用光信號中的至少一個的比特周期的整倍數(shù)，以便接收多個波分復用光信號在被放大之前的樣子從而在整個相位失敏參量放大過程中提供增益調(diào)制，并且使激光腔的一部分輸出通過激光腔返回而再循環(huán)，以便在空間對激光腔的輸出進行鎖模使其成為恢復時鐘。
文檔編號H01S3/06GK1856955SQ200480027148
公開日2006年11月1日 申請日期2004年9月15日 優(yōu)先權日2003年9月22日
發(fā)明者D·V·庫克森考弗, 李沈平, K·科拉斯特弗 申請人:康寧股份有限公司