專利名稱：用光學(xué)手段恢復(fù)一個(gè)光學(xué)數(shù)字信號(hào)的同步的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用光學(xué)手段恢復(fù)一個(gè)光學(xué)數(shù)字信號(hào)同步的方法和裝置，它借助于構(gòu)造一個(gè)包含一列相同重復(fù)頻率脈沖的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)。
在一以數(shù)字(例如二元)型運(yùn)行的傳輸系統(tǒng)中，為了正確地讀出輸入信息，必須知道組成線路信號(hào)脈沖(0或1)的重復(fù)頻率；事實(shí)上，一個(gè)0脈沖實(shí)際是一個(gè)脈沖空位，只要0脈沖或1脈沖在線路信號(hào)中預(yù)定出現(xiàn)的時(shí)間是準(zhǔn)確已知的，就可以把0脈沖與兩個(gè)脈沖之間空格區(qū)分開來。知道了線路信號(hào)中脈沖重復(fù)頻率，僅從其脈沖上就可以讀出線路信號(hào)，因此避免了將相繼脈沖之間脈沖空位錯(cuò)當(dāng)成0脈沖。應(yīng)該考慮到，通常在數(shù)字信號(hào)中一個(gè)脈沖列的讀出差錯(cuò)，可以導(dǎo)致錯(cuò)誤估算信息達(dá)到不可預(yù)見的界限；舉例來說，假如一個(gè)二元序列010011讀成000011(即，讀出差錯(cuò)在第二個(gè)脈沖上)，就會(huì)錯(cuò)誤地得出十進(jìn)制值3而不是17。當(dāng)數(shù)字信號(hào)是非二進(jìn)制代碼時(shí)顯然會(huì)遇上類似的情況；在此情況下，就會(huì)有0和非0(即，1，2，3等等，與編碼有關(guān))信號(hào)，而不是0和1信號(hào)。在此后的說明中，為了簡(jiǎn)單，只提到二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的場(chǎng)合。當(dāng)然，不同于二元型的其他型式編碼的數(shù)字信號(hào)也包括在以上的條款中。
導(dǎo)致準(zhǔn)確重建線路信號(hào)脈沖重復(fù)頻率的操作一般稱之為時(shí)鐘恢復(fù)(clock recovery)。對(duì)于數(shù)字線路信號(hào)，時(shí)鐘恢復(fù)通常用電子學(xué)手段來實(shí)行。然而，在光纖遠(yuǎn)程通訊領(lǐng)域中，電子學(xué)處理時(shí)鐘恢復(fù)對(duì)比特率有一定的極限。而利用現(xiàn)代的技術(shù)，光學(xué)形式信號(hào)的傳輸能達(dá)到的速率在幾百Gbit/s數(shù)量級(jí)上-在未來的年代中可望達(dá)到更高的速率-用電子學(xué)(或更恰當(dāng)?shù)氖枪怆娮訉W(xué))方法實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)在比特率上有一個(gè)10～20Gbit/s的上限，這是由于電子學(xué)處理的固有速率較慢。
所以，如果要避開電子學(xué)處理的障礙，至關(guān)重要的是采用全光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)。
在文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了幾種光學(xué)時(shí)鐘恢復(fù)的方案，但是它們都有缺陷，使得將它們應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中時(shí)，即使不是行不通的也是很因難的。
一些以前提出的方案(參閱K.Smith and J.K.Lucek，“利用鎖模激光器的全光學(xué)時(shí)鐘恢復(fù)”，El.Lett.，28，1814-1816頁，1992；A.D.Ellis，K.Smith and D.M.Patrick，“比特率高達(dá)40Gbit/s的全光學(xué)時(shí)鐘恢復(fù)”，El.Lett.，29，1323-1324頁，1993；D.M.Patrick and R.J.Manning，“利用半導(dǎo)體非線性的20Gbit/s全光學(xué)時(shí)鐘恢復(fù)，”El.Lett.，30，151-152頁，1994；WO93/22855)要求有非常高功率的輸入線路信號(hào)，高于在遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)中正?？蛇_(dá)到的功率；而且，時(shí)鐘恢復(fù)的效率很大地取決于線路信號(hào)功率。由于這個(gè)緣故，這些方案的實(shí)際應(yīng)用似乎是有問題的。
在文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的其他方案(參閱P.E.Barnsley，H.J.WickesG.E.Wickens and D.M.Spirit，“利用自脈沖1.56μm激光二極管從5Gbit/s歸零數(shù)據(jù)的全光學(xué)時(shí)鐘恢復(fù)，”IEEE Photon Technol.Lett.，3，942-945頁，1994；S.Kawanishi，H.Takara，M.Saruwatari and T.Kitoh，“利用行波激光二極管放大器作為50GHz相位檢測(cè)器的超光速鎖相環(huán)路型時(shí)鐘恢復(fù)電路”，E.Lelt.，29，1714-1716頁，1993；O.Kamatami，S.Kawanishi and M.Saruwatari，“在行波激光二極管光學(xué)放大器中利用四波混合帶有50Ghz PLL的子定標(biāo)6.3Gbit/s TDM光學(xué)信號(hào)”，El.Lett.，30，807-809頁，1994；P.E.Barnsley and H.J.Wickes，“利用自脈沖1.58μm激光二極管從2.5Gbit/s非歸零數(shù)據(jù)的全光學(xué)時(shí)鐘恢復(fù)”，El.Lett.，28，4-6頁，1992)涉及到使用一個(gè)脈沖光能源。由于很難提供這樣一個(gè)脈沖源，這些方案是不切實(shí)際的。
因此，為了用光學(xué)方法在數(shù)字線路信號(hào)中實(shí)行時(shí)鐘恢復(fù)，問題在于采用適當(dāng)?shù)姆绞皆诂F(xiàn)實(shí)的光纖遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)中能實(shí)際使用。
所以，按照本發(fā)明的第一方面，提出借助于構(gòu)造一個(gè)光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)，它包括具有相同重復(fù)頻率的一脈沖列，用光學(xué)手段恢復(fù)光學(xué)線路數(shù)字信號(hào)同步的一個(gè)方法，這個(gè)信號(hào)包括一列以預(yù)置脈沖重復(fù)頻率通過光纖線路的數(shù)字脈沖，該方法包括的步驟分出一預(yù)定部分的線路信號(hào)；將這線路信號(hào)部分輸入到包含一非線性波導(dǎo)的共振腔內(nèi)；
把分出的線路信號(hào)部分與一連續(xù)激勵(lì)輻射相耦合，該輻射具有預(yù)定的功率和預(yù)定的激勵(lì)波長(zhǎng)，激勵(lì)波長(zhǎng)值與線路信號(hào)脈沖的波長(zhǎng)有關(guān)，以便與后者在非線性波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生四波混合(FWM)效應(yīng)；使分出的線路信號(hào)部分和激勵(lì)輻射通過非線性波導(dǎo)，象通過FWM效應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)以克隆(clone)波長(zhǎng)復(fù)制線路信號(hào)脈沖列的克隆信號(hào)；將線路信號(hào)部分、激勵(lì)輻射和克隆信號(hào)的組合加以濾波且只讓后者通過；使克隆信號(hào)在共振腔內(nèi)環(huán)行；調(diào)整共振腔的長(zhǎng)度，使得在線路信號(hào)輸入到共振腔時(shí)，每個(gè)線路信號(hào)脈沖準(zhǔn)確地以在腔內(nèi)環(huán)行的克隆信號(hào)脈沖到來；和從共振腔內(nèi)分出一部分克隆信號(hào)，該克隆信號(hào)的脈沖列代表了所尋求的時(shí)鐘信號(hào)。
稱之為四波混合(FWM)現(xiàn)象是一非線性型相互作用，它發(fā)生在不同波長(zhǎng)的信號(hào)在具有高非線性系數(shù)材料(例如，合適的光纖、半導(dǎo)體晶體、光聚合物、或其他)制成的波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)。此現(xiàn)象的事實(shí)是，存在于波導(dǎo)內(nèi)的三個(gè)光學(xué)信號(hào)產(chǎn)生第四個(gè)信號(hào)，它與其他三個(gè)信號(hào)共線傳播；一般來說，這第四個(gè)信號(hào)是不需要的。從它會(huì)干擾正常傳輸?shù)囊饬x上看，它具有噪聲的特征。以下提到的大都是指光纖，當(dāng)然，可以提供任何其他具有非線性特性的波導(dǎo)以替代光纖。
上述現(xiàn)象在例如Journal of Lightwave Technology，Vol8，No.9，Seplember 1990，1402-1408頁中有敘述。這個(gè)結(jié)果是由于三級(jí)非線性現(xiàn)象，因波導(dǎo)芯內(nèi)的高場(chǎng)強(qiáng)和信號(hào)相互作用長(zhǎng)度大的緣故，此現(xiàn)象可變得十分明顯。
在以上刊物中特別提到，對(duì)于一給定的光纖，可以通過增加信號(hào)頻率差、增加色散或傳輸長(zhǎng)度加大而使信號(hào)相移也變大來減少產(chǎn)生第四個(gè)波的最大效率(即，系統(tǒng)中的噪聲效應(yīng))。
據(jù)發(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)特殊的相位條件，稱之為相位匹配，在三個(gè)波之間成立，則引發(fā)出FWM現(xiàn)象和產(chǎn)生第四個(gè)波；這四個(gè)波的頻率由下列關(guān)系相聯(lián)系(1)ω1+ω2＝ω3+ω4使相位匹配條件盡可能充分地得到滿足，則產(chǎn)生第四個(gè)波的效率達(dá)到最大，此條件取決于信號(hào)波長(zhǎng)相對(duì)于受該現(xiàn)象影響的光纖色散零點(diǎn)波長(zhǎng)的位置。
應(yīng)當(dāng)回想到，在光纖中發(fā)生的色散現(xiàn)象是由于每個(gè)脈沖的不同顏色分量-每種顏色以它本身的波長(zhǎng)為其特征-以不同的速度在光纖中傳輸，導(dǎo)致脈沖寬度加大。由于寬度增大，相繼的脈沖在發(fā)射時(shí)是分開的，到了接收時(shí)會(huì)部分重疊，且到達(dá)某處時(shí)不再能辨認(rèn)出離散的單元?？梢岳盟^的階躍折射率(SI)光纖，由此光學(xué)特性可以將色散抑制在約1300nm的波長(zhǎng)上。然而，鑒于光纖遠(yuǎn)程通訊使用的波長(zhǎng)在1500至1600nm范圍，開發(fā)出稱之為色散移位(DS)光纖的光纖，其中色散零點(diǎn)移到了1500到1600nm范圍。通過在高非線性系數(shù)材料內(nèi)恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以得到類似的結(jié)果。
對(duì)于本發(fā)明有意義的FWM是所謂退化的FWM，其中頻率ω1和ω2是一致的。在此情況下，關(guān)系式(1)可以重新寫成如下(2)2ωp＝ωs+ωc其中，ωp是激勵(lì)頻率，ωs是線路信號(hào)頻率，ωc是克隆信號(hào)頻率。換一種表述，如果頻率為ωp的激勵(lì)輻射和頻率為ωs的線路信號(hào)存在于光纖中，由于FWM現(xiàn)象，就得到一個(gè)頻率為ωc的克隆信號(hào)?？寺⌒盘?hào)功率取決于該現(xiàn)象的非線性程度、所用光纖段的長(zhǎng)度、激勵(lì)輻射和線路信號(hào)的功率以及相位匹配中達(dá)到的完整程度。
當(dāng)上述現(xiàn)象在共振腔內(nèi)發(fā)生時(shí)，若通過腔中一完整路徑所獲得的FWM增益超過環(huán)路損耗，則可以在克隆信號(hào)頻率上產(chǎn)生激光作用。如果這個(gè)條件在傳輸線路的尋常功率量級(jí)上不能滿足，可以放大克隆信號(hào)(仍是光學(xué)手段，使用一個(gè)光學(xué)放大器)；在放大之前，將克隆信號(hào)從線路信號(hào)和激勵(lì)輻射中濾出，這為了防止線路信號(hào)和激勵(lì)輻射使放大器飽和。
最好，本方法包括放大克隆信號(hào)這一步，且放大率調(diào)整到克隆信號(hào)的增益比通過環(huán)路的總衰減低一個(gè)預(yù)定值。
調(diào)整放大率增益，使得上述預(yù)定值趨近于0，可以安排成，在無FWM時(shí)腔中不發(fā)生激光作用，而隨著在單一圈上來自FWM的貢獻(xiàn)使增益加大，環(huán)路就會(huì)在克隆信號(hào)的波長(zhǎng)上產(chǎn)生激光作用。
最好，把分出的線路信號(hào)部分與連續(xù)激勵(lì)輻射之間耦合這一步先于將線路信號(hào)部分輸入到共振腔這一步。
共振腔可以包括一環(huán)狀光程，且非線性波導(dǎo)包含在環(huán)狀路程內(nèi)。或者，共振腔可以包括一線性腔，在其端部帶有光學(xué)反饋裝置，使得至少有一部光學(xué)信號(hào)在其中傳輸，且非線性波導(dǎo)包含在線性腔內(nèi)。
非線性波導(dǎo)可以是不同類型的，最好包括一個(gè)光學(xué)色散零點(diǎn)移位過的光纖。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一個(gè)恢復(fù)光學(xué)藉助于構(gòu)造一個(gè)光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)，此信號(hào)包括一列具有相同重復(fù)頻率的脈沖，恢復(fù)光學(xué)數(shù)字線路信號(hào)同步的光學(xué)時(shí)鐘恢復(fù)裝置，該信號(hào)包括一列在預(yù)置脈沖重復(fù)頻率下通過光纖線路的數(shù)字脈沖，該裝置包括第一分路器，用于從線路上分出一部分線路信號(hào)；具有預(yù)定功率和預(yù)定激勵(lì)波長(zhǎng)的連續(xù)激勵(lì)輻射發(fā)生器，激勵(lì)波長(zhǎng)值與線路信號(hào)脈沖的波長(zhǎng)有關(guān)，使得產(chǎn)生四波混合(FWM)效應(yīng)；第二分路器，用于耦合分出的線路信號(hào)部分和激勵(lì)輻射；共振腔；第三分路器，用于將分出的線路信號(hào)部分和激勵(lì)輻射輸入到共振腔；在共振腔內(nèi)，由于FWM效應(yīng)，一個(gè)足夠長(zhǎng)的非線性波導(dǎo)就會(huì)在其中產(chǎn)生一個(gè)克隆信號(hào)，該信號(hào)是以克隆波長(zhǎng)復(fù)制線路信號(hào)的脈沖列；在共振腔內(nèi)的光學(xué)濾波器裝置，只容許克隆信號(hào)在共振腔內(nèi)環(huán)行；調(diào)整共振腔長(zhǎng)度的裝置；和共振倥上的第四分路器，用于從共振腔內(nèi)分出一部分在共振腔內(nèi)傳播的克隆信號(hào)，克隆信號(hào)的脈沖列是所尋求的時(shí)鐘信號(hào)。
最好，共振腔包括一個(gè)克隆信號(hào)的光學(xué)放大裝置。
共振腔可以包括一環(huán)狀光程，且非線性波導(dǎo)包含在環(huán)狀路程中?；蛘?，共振腔可以是一線性腔，在其端部帶有光學(xué)反饋裝置，使得至少有一部分光學(xué)信號(hào)在其中傳播，且非線性波導(dǎo)包含在線性腔內(nèi)。
非線性波導(dǎo)可以是不同類型的；更可取的是，波導(dǎo)包括一個(gè)光纖，它的光色散零點(diǎn)已移位到接近光學(xué)線路信號(hào)波長(zhǎng)的預(yù)定值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)裝置的兩個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖來看，本發(fā)明更多的特征和優(yōu)點(diǎn)是更加顯而易見，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)裝置的光路框圖；圖2至圖5敘述一個(gè)例子，即圖2示出用于本例中一部分線路信號(hào)，圖3示出圖2中線路信號(hào)譜，圖4示出按照本發(fā)明建立的時(shí)鐘信號(hào)，圖5示出圖4中時(shí)鐘信號(hào)譜；圖6是圖1中裝置改型的光路框圖；和圖7是圖6中包含在光路框圖中更詳細(xì)的放大器框圖。
在繪圖中，一般10表示一光纖傳輸線的光纖，例如一遠(yuǎn)程通訊線路，使一如二元型的光學(xué)線路數(shù)字信號(hào)通過它。所以，這線路信號(hào)是由一列0和1脈沖所組成。1脈沖是以線路信號(hào)波長(zhǎng)和相應(yīng)的線路信號(hào)頻率(ωs)為其特征，而0脈沖基本上是脈沖空位。脈沖(0和1)在預(yù)定的相互之間空格下沿著線路10一個(gè)接一個(gè)行進(jìn)，即，具有預(yù)定的重復(fù)頻率。
通常，11指的是線路10上一個(gè)線路信號(hào)的光學(xué)時(shí)鐘恢復(fù)裝置。裝置11包括一個(gè)連在線路10上具有一個(gè)輸入13的第一分路器和兩個(gè)輸出主輸出14，它把線路信號(hào)重新引入到線路10和副輸出15，它從線路信號(hào)功率上分出一部分，如5％數(shù)量級(jí)，并把它重新引到光纖16。確切地說，分路器(比如12標(biāo)明的那個(gè)，和其他在以下描述的)往往帶有四個(gè)接頭，即兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出。其中一個(gè)接頭是不用的，所以一端不通；這個(gè)接頭不在繪圖中示出。
裝置11也包括一個(gè)能產(chǎn)生預(yù)定波長(zhǎng)激勵(lì)輻射的激勵(lì)激光源17，使線路信號(hào)的相位匹配條件得到滿足。激勵(lì)輻射從激光泵浦的輸出18出來并提供給光纖19。
裝置11還包括一個(gè)第二分路器20，它具有兩個(gè)輸入21和22，光纖16和19分別與之相通，及一個(gè)輸出23，光纖24與它相連。第二分路器20是所謂的50/50型，即，進(jìn)入到兩個(gè)輸入21和22的輸入信號(hào)從輸出23出來時(shí)成衰減3dB的簡(jiǎn)單疊加關(guān)系。
裝置11附加地包括一個(gè)共振腔，它由一個(gè)通過第三分路器26連接到光纖24的環(huán)狀光程25所組成。具體地說，分路器26具有兩個(gè)輸入27，28和一個(gè)輸出29。進(jìn)入到輸入27的是光纖24，而環(huán)狀光程25是跨接輸出29和輸入28閉合的。同第二分路器20一樣，第三分路器26是所謂的50/50型，進(jìn)入到兩個(gè)輸入27，28的輸入信號(hào)從輸出29出來時(shí)成衰減3dB的簡(jiǎn)單疊加關(guān)系。
環(huán)狀路程25包括下列互相串聯(lián)的單元，按照從輸出29到第三分路器26的輸入28的下列順序一個(gè)由光纖段30組成的波導(dǎo)，光纖段足夠長(zhǎng)可促成FWM現(xiàn)象，一個(gè)濾波器單元31和一個(gè)光學(xué)放大器32。此外，在光學(xué)放大器32與第三分路器26的輸入28之間有一個(gè)第四分路器33，它具有一個(gè)連接到環(huán)狀路程25的輸入34和兩個(gè)輸出一個(gè)連接在環(huán)狀路程25中的主輸出35和一個(gè)副輸出36，它從環(huán)狀路程25上傳播的信號(hào)中分出一預(yù)定功率部分，例如50％量級(jí)，并重新把它引入到輸出光纖37。
環(huán)狀路程25還包括一個(gè)調(diào)整路程本身長(zhǎng)度的裝置。這個(gè)裝置包括一個(gè)作用在環(huán)狀路程25的光纖段上的珀耳貼(Peltier)元件38，通過溫度變化來改變其長(zhǎng)度。元件38是由電子控制單元39來驅(qū)動(dòng)的，它是由輸出光纖37上來自環(huán)狀路程25中一部分輸出信號(hào)加以反饋控制。為此目的，在光纖37上連接一個(gè)第五分路器40，此分路器具有一個(gè)輸入41、一個(gè)與輸出光纖37串聯(lián)的主輸出42和一個(gè)副輸出43，它從輸出光纖37上傳輸信號(hào)中分出一預(yù)定功率部分，例如在1％量級(jí)上，并把它沿著光纖44重新引到控制單元39中去。
此外，裝置11包括兩個(gè)偏振控制單元，在光纖19上用于激勵(lì)輻射的第一單元45和在環(huán)狀路程25上、第四分路器33與第三分路器26之間的第二單元46，以及兩個(gè)附加光學(xué)放大器，即，在光纖19上的第二光學(xué)放大器47處在第一偏振控制單元45下游方向，和在光纖24上的第三光學(xué)放大器48。
濾波器單元31包括一個(gè)設(shè)置在克隆波長(zhǎng)上的濾波器，它在其他波長(zhǎng)上的透射率小于20dB。單元31的功能是把FWM過程中產(chǎn)生的克隆信號(hào)與線路信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)分開，并且能用與本發(fā)明目的相當(dāng)?shù)韧姆绞降母鞣N常規(guī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，例如，可以利用光色光柵濾波器(與一循環(huán)器相聯(lián))；這種類型的濾波器在文獻(xiàn)上是眾所周知的且已成為商品，由于它們完全與光纖光路相容，所以特別適用于這種應(yīng)用。
這些濾波器由諸如光纖的一部分光波導(dǎo)組成，折射率沿著光纖經(jīng)歷周期性變化，部分信號(hào)在折射率變化處發(fā)生反射；如果在每個(gè)折射率變化處反射的信號(hào)部分彼此同相，則形成相長(zhǎng)干涉，因此入射信號(hào)反射了回來。
對(duì)應(yīng)于最大反射的相長(zhǎng)干涉條件是由關(guān)系式2l＝λs/n給出，其中l(wèi)是由折射率變化確定的光柵柵距，λs是入射輻射的波長(zhǎng)，和n是光波導(dǎo)芯的折射率。剛才描述的現(xiàn)象在文獻(xiàn)中稱之為布拉格分布反射。
可以用常規(guī)的技術(shù)來獲得折射率的周期性變化，例如，將剝?nèi)ゾ酆衔锉Ｗo(hù)層的一段光纖放在強(qiáng)紫外線下(諸如準(zhǔn)分子激光器，雙倍頻氬激光器或四倍頻NdYAG激光器產(chǎn)生的紫外線)形成的干涉條紋中曝光，在適當(dāng)?shù)母缮鎯x系統(tǒng)中引起互相之間的干涉，如美國專利5,351,321中描述的一堆硅相位模板。
光纖，更明確的是光纖芯，是這樣的在紫外輻射下曝光，其輻射強(qiáng)度沿著光軸呈周期性變化。在最大強(qiáng)度紫外輻射達(dá)到的芯部，Ge-O鍵發(fā)生部分?jǐn)嗔?，?dǎo)致折射率經(jīng)受永久性變化。
通過選擇光柵柵距來檢驗(yàn)相長(zhǎng)干涉的關(guān)系，反射波段的中心波長(zhǎng)可以根據(jù)需要用常規(guī)的方法確定。
利用這個(gè)技術(shù)，例如，可以得到波段在典型值0.2至0.3nm范圍的濾波器，波段中心的反射率高達(dá)99％，反射波段的中心波長(zhǎng)在制作階段可以設(shè)置在約±0.1nm范圍，波段中心波長(zhǎng)隨溫度的變化為0.02nm/℃或更低。
利用固定柵距的光柵可以得到上述數(shù)值。
在允許波長(zhǎng)更寬的范圍內(nèi)濾波時(shí)，可以提供布拉格分布反射型的光纖濾波器，其足夠?qū)挼姆瓷湫筒ǘ问怯捎谠诠鈻派峡讨屏俗兓臇啪?，這樣就得到了所謂的線性調(diào)頻光柵。
可以利用常規(guī)的技術(shù)來達(dá)到此目的，例如，P.C.Hill等人在Electronic Letters，Vol30，No.14，07/07/941172-1174頁上發(fā)表的一篇文章上公布的。
這種光柵是可以得到的，例如從Photonetics，Inc.，Wakafield，MA(U.S.A)得到所需反射波長(zhǎng)的光柵。
裝置11運(yùn)行如下促使一個(gè)數(shù)字型，如二元型的線路信號(hào)沿著線路10傳輸，該信號(hào)由一列0和1的脈沖組成，脈沖之間間隔取決于給定的重復(fù)頻率。裝置11的用途是構(gòu)造一列1脈沖組成的時(shí)鐘信號(hào)，且與線路信號(hào)有相同的重復(fù)頻率。通過第一分路器12分出一部分線路信號(hào)，并重新把它引入裝置11。線路信號(hào)功率僅僅改變(減少)極小，因?yàn)?，以前提到過，分路器12引出極小部分(在5％范圍)的線路信號(hào)功率。分出的部分傳輸給光纖16，且具有線路信號(hào)的全部特征，除了它的功率較低以外；特別是，這脈沖按相同的順序及相同的頻率一個(gè)接一個(gè)地傳輸。
分出的線路信號(hào)部分在第二分路器20內(nèi)疊加到激勵(lì)輻射(由激光器17產(chǎn)生，并被光學(xué)放大器47放大)上。合成的信號(hào)傳輸?shù)焦饫w24，由光學(xué)放大器48隨意地放大，并通過第三分路器26傳給環(huán)狀光程25。
因?yàn)榫€路信號(hào)波長(zhǎng)與激勵(lì)輻射波長(zhǎng)之間的相位匹配條件是滿足的，通過光纖段30組成的環(huán)狀光程25起始部分，線路信號(hào)部分和激勵(lì)輻射的同時(shí)存在就會(huì)導(dǎo)致FWM現(xiàn)象產(chǎn)生的一個(gè)克隆信號(hào)。由于激勵(lì)輻射是連續(xù)的，一個(gè)與線路信號(hào)相同且與線路信號(hào)有同樣重復(fù)頻率的脈沖列就會(huì)在克隆信號(hào)下復(fù)現(xiàn)；這個(gè)克隆信號(hào)脈沖顯然具有克隆信號(hào)波長(zhǎng)。
隨后，在濾波器單元31中，線路信號(hào)部分和激勵(lì)輻射二者都受到抑制，而只允許克隆信號(hào)通過。然后，克隆信號(hào)被光學(xué)放大器32加以放大，并被環(huán)狀路程25與輸出光纖37之間的第四分路器分割開。
單在環(huán)狀路程25中的克隆信號(hào)就會(huì)到達(dá)第三分路器26，在其中它與來自光纖24的輸入信號(hào)相耦合。通過適當(dāng)調(diào)整環(huán)狀路程255的長(zhǎng)度，使得克隆信號(hào)脈沖同時(shí)地出現(xiàn)在線路信號(hào)脈沖上。必須特別精確調(diào)整環(huán)狀路程25的長(zhǎng)度，這可以通過單元39控制下的帕耳貼元件38加熱或冷卻一光纖段來實(shí)現(xiàn)。
如果克隆信號(hào)的0脈沖遇上線路信號(hào)的1脈沖，則在通過環(huán)狀路程25的下一圈上，克隆信號(hào)的0脈沖由于FWM效應(yīng)變成1脈沖，這是因?yàn)橥瑫r(shí)存在著來自線路信號(hào)的1脈沖。
如果輸入線路信號(hào)和克隆信號(hào)二者都是0脈沖，則克隆信號(hào)脈沖在整個(gè)下一圈上保持為一個(gè)0脈沖。
如果輸入線路信號(hào)和在環(huán)狀路程上環(huán)行的克隆信號(hào)二者都是1脈沖，則這個(gè)克隆信號(hào)脈沖就會(huì)在下一圈上被FWM放大，即，線路信號(hào)的1脈沖就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)克隆波長(zhǎng)上的1脈沖。它被疊加到現(xiàn)有的1脈沖上。
另一方面，如果克隆信號(hào)的1脈沖遇上線路信號(hào)的0脈沖，則克隆信號(hào)脈沖能夠被FWM放大之前，它不得不完成另一圈；萬一這個(gè)克隆信號(hào)1脈沖在環(huán)狀路程25上繞圈時(shí)總是遇上線路信號(hào)的0脈沖，則這個(gè)克隆信號(hào)1脈沖漸漸地失去功率。在它消失之前-即，成為0脈沖之前-所能繞過的圈數(shù)取決于FWM增益(它決定了脈沖的初始功率，并且對(duì)于一給定的線路信號(hào)功率，可以通過增加激勵(lì)輻射功率而加大增益)和通過環(huán)狀路程25的凈損耗二者。這些凈損耗等于無放大器32的損耗與放大器32的增益之差，并且通過適當(dāng)選擇放大器32的增益按照需要減少凈損耗，即，使增益盡可能地補(bǔ)償通過環(huán)狀路程25的損耗。
所以，在一短時(shí)期內(nèi)，在環(huán)狀路程25中有一列全1脈沖的信號(hào)在傳播，這個(gè)脈沖具有與線路信號(hào)完全相同的重復(fù)頻率。因此，這個(gè)信號(hào)就是所尋求的時(shí)鐘信號(hào)，并且能從通過輸出光纖37的環(huán)狀路程25中分出。
環(huán)繞環(huán)狀路程25的在隆信號(hào)1脈沖且仍然在輸入處遇上線路信號(hào)的0脈沖時(shí)所繞過的圈數(shù)，定義了所謂的時(shí)鐘恢復(fù)裝置的堅(jiān)固性(robustness)，即，經(jīng)受住長(zhǎng)序列0脈沖而仍發(fā)射1脈沖的能力。無需改變線路信號(hào)減損的功率數(shù)量，而是改變放大器32的增益或激勵(lì)輻射功率，還是改變放大器47或48的增益，都可以使裝置11的堅(jiān)固性按需提高。(增加放大器47的增益等同于增加激勵(lì)功率，而增加放大器48的增益等同于同時(shí)增加激勵(lì)輻射功率和線路信號(hào)功率。)當(dāng)線路信號(hào)的重復(fù)頻率變化時(shí)，只要保持環(huán)狀路程25的同步(藉助于控制單元39和元件38)，使得克隆信號(hào)的1脈沖到達(dá)第三分路器26時(shí)，線路信號(hào)的脈沖(0或1)在每一圈上同時(shí)到達(dá)，這個(gè)條件是很充分的。
為了使裝置11運(yùn)行正常，最好使在環(huán)狀路程25上環(huán)行的光的偏振態(tài)加以控制，這是由偏振控制器45和46來實(shí)現(xiàn)。另一種選擇是，可以考慮使用偏振保持光纖或裝置，這能使FWM現(xiàn)象與輸入到環(huán)狀路程25中線路信號(hào)的偏振態(tài)無關(guān)。例如，可以使用直流激光器泵浦，藉助于消偏器去掉偏振，或者是由于它們固有的運(yùn)行原理，正象長(zhǎng)腔光纖激光器那樣。
所以，本發(fā)明就可以用金光學(xué)方法重建一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，由此避開了電子學(xué)處理的障礙。
此外，無需使線路上信號(hào)損失大量功率而完成時(shí)鐘恢復(fù)。所以，時(shí)鐘恢復(fù)工作可以在沿著線路上任一點(diǎn)實(shí)行，而不會(huì)干擾傳輸系統(tǒng)的其余部分。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，時(shí)鐘恢復(fù)可以在線路信號(hào)任何功率水平上實(shí)行，即使是在一個(gè)很低的功率水平上。事實(shí)上，供給時(shí)鐘信號(hào)的功率來自激勵(lì)輻射，正如以前提到過的。
此外，一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)可以按照需要做得很完善，只要它能給激勵(lì)輻射提供適當(dāng)?shù)墓β剩挥每紤]線路信號(hào)。
最后，注意到激勵(lì)功率以連續(xù)方式而不是脈沖方式供給的，所以它可以非常容易得到和控制。
本發(fā)明的改型實(shí)例是用圖6中示出的裝置111加以說明。在這個(gè)改型實(shí)例中，共振腔包括一個(gè)線性腔取代環(huán)狀路程25；共振腔的外部單元與前一實(shí)例裝置11中的一樣，所以用同樣的參照數(shù)字表示。特別是，腔125是通過分路器26連接到光纖24。
以通過分路器26來自光纖24的信號(hào)為輸入方向，線性腔125包括一段位于分路器26下游的125a和一段位于其上游的125b。
線性腔125的那段125a包括一個(gè)光纖126，其中一個(gè)波導(dǎo)與裝置11中波導(dǎo)30的那些單元相串聯(lián)，這一波導(dǎo)是由具有相應(yīng)特性的光纖段30所組成，所以FWM現(xiàn)象也會(huì)在其中發(fā)生。線性腔125在其下游端以濾波器131為其終端，光纖126通向該波波器。沿著這同一光纖126的反向，濾波器131反射與克隆波長(zhǎng)相同的信號(hào)，而允許其他的信號(hào)通過。一個(gè)光色光柵濾波器用作濾波器131，它優(yōu)于先前描述的與濾波器31有關(guān)的相同類型濾波器。
線性腔125的那段125b包括一個(gè)光纖127，與其串聯(lián)連接的是一雙向光學(xué)放大器132，那是一個(gè)無輸入輸出隔離器的放大器，所以，它能作用在沿任意方向通過的信號(hào)上。特別是(見圖7)，這放大器132包括一個(gè)有源光纖段150、一個(gè)激光泵浦、一個(gè)互連光纖152、和一個(gè)二向色耦合器153。
線性腔125在其上游端以帶有四個(gè)接頭134，135，136a和136b的分路器133為其終端，所有這些接頭可供使用且連接如下接頭134引到線性腔125的光纖126，接頭136a和136b連在一起成一回路，接頭135引到線性腔125的輸出光纖137。
裝置11還包括一個(gè)調(diào)整線性腔125長(zhǎng)度的裝置，具體地說是一個(gè)類似于裝置11的單元38的帕耳帖單元38。單元38與光纖126或127中的一個(gè)相串聯(lián)。(圖6中是光纖127)，并且由類似于裝置11的單元39的一個(gè)電子控制單元39所控制。同裝置11的情況一樣，電子控制單元39是由通過光纖137來自線性腔125的一部分輸出信號(hào)反饋運(yùn)行的。
裝置111的運(yùn)行類似于裝置11的運(yùn)行，除了在共振腔內(nèi)信號(hào)(尤其是克隆信號(hào))不是在一閉合的環(huán)狀路程上環(huán)行，而是使它在濾波器131與耦合器133之間沿著直線路程往復(fù)傳輸以外。
在兩個(gè)實(shí)例的情況下，線路信號(hào)在裝置11和裝置111中都是疊加在共振腔外的激勵(lì)輻射上，因而，共振腔裝上單個(gè)輸入分路器用于線路信號(hào)和激勵(lì)輻射。或者，在圖中未畫的一個(gè)改型發(fā)明中，線路信號(hào)和激勵(lì)輻射可以安排在共振腔內(nèi)疊加。在這種情況下，共振腔必須裝有兩個(gè)分開的分路器，一個(gè)用于線路信號(hào)，另一個(gè)用于激勵(lì)輻射。在后一個(gè)改型裝置中，由于共振腔路程上附加的分路器引入更多的衰減，顯然就需要有相應(yīng)的高放大率。
舉例利用圖1所示的配置，本發(fā)明在下列條件下已做了實(shí)際檢驗(yàn)。
使用了主動(dòng)鎖模光纖激光器產(chǎn)生的線路信號(hào)，該激光器具有的脈沖重復(fù)頻率為500MHz，其輸出功率在100μW至1mW之間可變，發(fā)射波長(zhǎng)在1525nm至1570nm之間可變，設(shè)定在1533nm上。
使用DFB激光器產(chǎn)生激勵(lì)輻射，該激光器的發(fā)射波長(zhǎng)為1536nm，用來自Pirelli型號(hào)TPA12光學(xué)放大器加以放大，得到10mW功率量級(jí)。
因此產(chǎn)生的克隆信號(hào)波長(zhǎng)為1539nm。
使用來自Direlli型號(hào)TPA17光學(xué)放大器作為放大器48，因此使線路信號(hào)和激勵(lì)輻射的功率量級(jí)達(dá)到50mW。線路信號(hào)功率與激勵(lì)輻射功率之比在放大過程中維持不變(后者要高得多)。
使用光纖線圈DS作為環(huán)狀路程25的光纖段25，該線圈的零色散點(diǎn)在1536nm，長(zhǎng)度為10km。
為了利用現(xiàn)有的元件提供所需要的濾波特性，本例中用的濾波器單元31在兩級(jí)上都使用。在第一級(jí)上用了一個(gè)波段2.3nm、中心波長(zhǎng)1539nm的干涉濾波器，在第二級(jí)上用了波段0.6nm、中心波長(zhǎng)也是1539nm的法布里-珀羅濾波器。
使用來自Direlli型號(hào)Ampliphos F10光學(xué)放大器作為放大器32，其增益調(diào)整到幾乎完全補(bǔ)償圍繞環(huán)狀路程25的損耗，估計(jì)為20dB左右。
利用這個(gè)裝置就可能為線路信號(hào)提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)的重復(fù)頻率為2500Mhz，它是一包含80％0脈沖的脈沖列；這樣的一個(gè)信號(hào)僅僅從包含一列1脈沖組成的500MHz的原有信號(hào)中獲得，并把它解釋成2500MHz。特別是，圖2示出線路信號(hào)中一部分脈沖串，其中兩個(gè)1脈沖可以看成被幾個(gè)0脈沖所分開；圖3示出線路信號(hào)的譜，其中在主頻500Mhz處的線是顯而易見的。
圖4中示出的信號(hào)是在裝置11輸出上得到的，它的譜在圖5上示出，其中2500Mhz線是明顯的。
應(yīng)當(dāng)注意到，系統(tǒng)工作頻率，即脈沖重復(fù)頻率，不能從時(shí)鐘恢復(fù)中獲得，而應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段時(shí)是已知的。特別是，藉助于電子控制單元，腔的長(zhǎng)度應(yīng)該調(diào)整到在2500MHz范圍內(nèi)運(yùn)行，而不是在其倍頻的范圍。
權(quán)利要求
1.一個(gè)藉助于構(gòu)造一個(gè)具有相同重復(fù)頻率的脈沖列的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)，用光學(xué)手段恢復(fù)光學(xué)線路數(shù)字信號(hào)同步的方法，該信號(hào)包括一列在預(yù)置脈沖重復(fù)頻率下在光纖中傳播的數(shù)字脈沖，本方法包括的步驟為分出一預(yù)定部分的線路信號(hào)；將這線路信號(hào)部分輸入到包含一非線性波導(dǎo)的共振腔內(nèi)；把分出的線路信號(hào)部分與一連續(xù)激勵(lì)輻射相耦合，該輻射具有預(yù)定的功率和預(yù)定的激勵(lì)波長(zhǎng)，激勵(lì)波長(zhǎng)值與線路信號(hào)脈沖的波長(zhǎng)有關(guān)，使得激勵(lì)波長(zhǎng)與后者在非線性波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生四波混合(FWM)效應(yīng)；使分出的線路信號(hào)部分和激勵(lì)輻射傳播通過非線性波導(dǎo)，象通過FWM效應(yīng)一樣，產(chǎn)生一個(gè)以克隆波長(zhǎng)復(fù)制線路信號(hào)脈沖列的克隆信號(hào)；將線路信號(hào)部分、激勵(lì)輻射和克隆信號(hào)的組合加以濾波且只讓后者通過；使克隆信號(hào)在共振腔內(nèi)環(huán)行；調(diào)整共振腔的長(zhǎng)度，使得在線路信號(hào)輸入到共振腔時(shí)，每個(gè)線路信號(hào)脈沖準(zhǔn)確地以在腔內(nèi)環(huán)行的克隆信號(hào)脈沖到來；和從共振腔內(nèi)分出一部分克隆信號(hào)，該克隆信號(hào)的脈沖列代表了所尋求的時(shí)鐘信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法還包括下一步放大克隆信號(hào)，調(diào)整其放大率，使克隆信號(hào)的增益低于通過環(huán)狀路程的總衰減一預(yù)定值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中分出的線路信號(hào)部分與連續(xù)激勵(lì)輻射耦合這一步驟先于將線路信號(hào)部分輸入到共振腔內(nèi)這一步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中共振腔包括一環(huán)狀光程，且非線性波導(dǎo)包含在該環(huán)狀路程中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中共振腔包括一線性腔，在其端部帶有光學(xué)反饋裝置，使得至少有一部分光學(xué)信號(hào)在其中傳播，且非線性波導(dǎo)包含在線性腔內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中非線性波導(dǎo)包括一個(gè)光色散零點(diǎn)移位過的光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中從線路中分出的線路信號(hào)部分的功率約為線路信號(hào)總功率的百分之五。
8.用于恢復(fù)光學(xué)數(shù)字線路信號(hào)的同步的一個(gè)光學(xué)時(shí)鐘恢復(fù)裝置，該信號(hào)包括一列在預(yù)置脈沖重復(fù)頻率下在光纖線路中傳播的數(shù)字脈沖，利用了構(gòu)造一個(gè)光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)包括一列具有相同重復(fù)頻率的脈沖，該裝置包括第一分路器，用于從線路上分出一部分線路信號(hào)；具有預(yù)定功率和預(yù)定激勵(lì)波長(zhǎng)的連續(xù)激勵(lì)輻射發(fā)生器，激勵(lì)波長(zhǎng)值與線路信號(hào)脈沖的波長(zhǎng)有關(guān)，于是就產(chǎn)生四波混合(FWM)效應(yīng)；第二分路器，用于耦合分出的線路信號(hào)部分和激勵(lì)輻射；共振腔；第三分路器，用于將分出的線路信號(hào)部分和激勵(lì)輻射輸入到共振腔；在共振倥內(nèi)，由于FWM效應(yīng)，一個(gè)足夠長(zhǎng)的非線性波導(dǎo)就會(huì)在其中產(chǎn)生一個(gè)克隆信號(hào)，該信號(hào)是在克隆波長(zhǎng)下復(fù)制線路信號(hào)的脈沖列；在共振腔內(nèi)的光學(xué)濾波器裝置，只容許克隆信號(hào)在共振腔內(nèi)環(huán)行；調(diào)整共振腔長(zhǎng)度的裝置；和共振腔上的第四分路器，用于從共振腔內(nèi)分出一部分在共振腔內(nèi)傳播的克隆信號(hào)，克隆信號(hào)的脈沖列是所尋求的時(shí)鐘信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中共振腔包括一個(gè)克隆信號(hào)的光學(xué)放大器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中共振腔包括一環(huán)狀光程，且非線性波導(dǎo)包含在環(huán)狀路程內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中共振腔包括一線性腔，在其端部帶有光學(xué)反饋裝置，使得至少有一部分光學(xué)信號(hào)在其中傳播，且非線性波導(dǎo)包含在線性腔內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中非線性波導(dǎo)包括一個(gè)光色散零點(diǎn)移位到接近于光學(xué)線路信號(hào)波長(zhǎng)值的光纖。
全文摘要
本裝置和方法基于，分出一預(yù)定線路信號(hào)部分，并將它與一連續(xù)激勵(lì)輻射一起輸入到包含非線性波導(dǎo)的共振腔中。激勵(lì)波長(zhǎng)值是與線路信號(hào)脈沖的波長(zhǎng)有關(guān)，于是在非線性波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生四波混合效應(yīng)。在非線性波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)，由FWM效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)克隆信號(hào)，該信號(hào)是以克隆波長(zhǎng)復(fù)制線路信號(hào)的脈沖列。調(diào)整共振腔長(zhǎng)度，使在輸入線路信號(hào)時(shí)，每個(gè)線路信號(hào)脈沖準(zhǔn)確地以在腔內(nèi)環(huán)行的克隆信號(hào)脈沖到來，該克隆信號(hào)可以在共振腔內(nèi)環(huán)行，其脈沖列代表所尋求的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)。
文檔編號(hào)H04B10/02GK1155795SQ9611447
公開日1997年7月30日 申請(qǐng)日期1996年11月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月14日
發(fā)明者豐塔納·弗拉威奧, 福蘭科·皮爾魯吉, 克里斯迪阿尼·伊拉利安 申請(qǐng)人:皮雷利·卡維有限公司