CN101436907A - 一种光时钟提取装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光时钟提取装置，属于光通信技术领域，解决了现有技术中光时钟提取装置复杂、可提取时钟范围有限的问题。该光时钟提取装置包括一维磁光子晶体光纤耦合组件，以及为一维磁光子晶体光纤耦合组件提供外加磁场的可调偏置磁场单元，所述一维磁光子晶体光纤耦合组件包括准直透镜、起偏器、一维磁光子晶体、自聚焦透镜。本发明还提出了一种利用上述装置进行光时钟提取的方法，通过调节外加磁场，实现透射谐振峰间距的调节，最终实现光时钟提取，并将光时钟信号处理成需要的形式。本发明不仅实现了光时钟的提取，还能抑制光时钟信号在传输过程中的抖动，具有实现简单、费用低、操作方便、自动识别光信号时钟的特点。

Description

一种光时钟提取装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种光时钟信号提取装置及其方法，具体地说，是涉及一种利用一维磁光子晶体来提取光时钟信号的装置及方法。

背景技术

在实际光网络中，光信号需经过一定数目的光放大器和长距离的光纤，这些元件的噪声的积累和非线性性质使得信号质量劣化，因此需要进行信号再生。全光再生是最理想的光再生方式。全光再放大、再定时、再整形(3R)技术是实现全光通信的重要技术。

在设计全光通信系统中的全光信号处理系统，如光再生系统、光时分复用系统、光解复用器、全光交换等的时候，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。因此，全光时钟提取技术是全光3R技术的重要组成部分。

光时钟提取是全光通信的关键技术，光时钟提取功能依赖于收到的光信号脉冲的光谱中有等于时钟频率的谱线，这说明光信号中具有等于时钟频率的脉冲成分，利用此脉冲成分作为同步来同步光时钟提取系统所产生的脉冲，使其重复频率也等于接收到的光信号的时钟频率，这就是光时钟脉冲。

国际上，实现全光3R再生的实验中，所采用的光时钟恢复技术有：采用特殊的自脉动分布式反馈(DFB)激光器时钟恢复技术，实现了10Gb/s全光再生；采用基于半导体放大器(SOA)的马赫-曾德尔干涉仪(MZI-SOA)实现了20Gb/s的3R再生；采用超快非线性(UNI)和电吸收调节器进行了全光3R再生实验。在国内，开展光子信息处理器件和技术研究的单位主要集中在高校和中科院研究所等，主要研究有，采用光纤激光器和电吸收调制实现了40Gb/s全光3R再生，基于法布里-珀罗滤波器和SOA的3R再生实验，基于SOA锁模光纤激光器的时钟恢复，等等。

总结起来，时钟恢复方案主要有以下几种：基于半导体放大器(SOA)的马赫-曾德尔干涉仪(MZI-SOA)、光锁相环、光纤环锁模激光器、基于多区DFB激光器、法布里-珀罗滤波器等。大体上，国际上研究较多的是基于SOA的解决方案(MZI-SOA或超长SOA)，但MZI-SOA可能存在控制复杂，器件功耗高的问题；光锁相环技术成本高，且功耗大；利用光纤环锁模激光器进行时钟恢复可得到较高速率的时钟信号，但它的稳定性差，且体积相对较大；基于多区DFB激光器自脉动的时钟恢复技术具有传输速率高、器件体积小、集成度高和功耗小的优点，但器件制作的工艺难度相对较大；相对而言，利用法布里-珀罗滤波器的时钟恢复技术，具有高速的工作潜力和构造简单的优点，但它具有时钟漂移，可提取时钟范围有限等问题。

总的来说，高速、简单、低成本、实用化等是全光3R再生的光时钟提取技术的发展趋势。本发明符合上述的发展趋势，而且具有自动识别光信号时钟、跟踪时钟漂移的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光时钟信号提取装置及其方法，实现3R再生中动态、智能的光时钟提取和跟踪。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种光时钟提取装置，其特征在于，所述提取装置包括一维磁光子晶体光纤耦合组件，以及为一维磁光子晶体光纤耦合组件提供外加磁场的可调偏置磁场单元，所述一维磁光子晶体光纤耦合组件包括准直透镜、起偏器、一维磁光子晶体、自聚焦透镜，准直透镜、起偏器、一维磁光子晶体、自聚焦透镜依次排列成一条直线进行耦合连接。

所述可调偏置磁场单元由永磁极装置和螺线管线圈的组合或永磁极装置或螺线管线圈组成。

所述准直透镜、起偏器、一维磁光子晶体、自聚焦透镜设置于同一个外部封装内，并分别通过外部封装两内侧壁的凹槽进行固定，同时，在外部封装上还设有光纤输入端口和光纤输出端口。

所述光时钟提取装置还设有光电控制电路和时钟信号输出单元，其中，所述光电控制电路由光纤分光器、光电检测器、扫描控制装置与开关控制装置组成，所述时钟信号输出单元由光开关、光学限幅器组成，光纤分光器既与一维磁光子晶体光纤耦合组件相连，又分别与光电检测器、光纤延迟线和光开关相连，而光电检测器还与扫描控制装置、开关控制装置相连，扫描控制装置还与一维磁光子晶体光纤耦合组件相连，光开关还与开关控制装置、光学限幅器相连。

所述时钟信号输出单元还设有光纤延迟线，光纤分光器与光开关的连接包括下列两种连接：

(1)光开关直接通过光纤与光纤分光器相连；

(2)光开关通过光纤延迟线与光纤分光器相连。

所述一维磁光子晶体是由磁性材料层和非磁性材料层在一维方向上呈周期性有序间隔堆叠而成的光子晶体结构。

一种光时钟提取方法，其特征在于，所述光时钟提取方法包括以下步骤：

1)通过准直透镜将输入光信号准直成平行光，再利用起偏器将入射的平行光变成线偏振光；

2)利用可调偏置磁场单元调节外加磁场，改变一维磁光子晶体的透射光谱，实现两谐振峰透射距离的调节，达到跟踪光时钟信号的目的；

3)利用自聚焦透镜将利用一维磁光子晶体提取的光时钟以平行光的形式聚焦到输出光纤，由光纤输出端口输出备用。

所述光时钟提取方法还设有光时钟信号处理过程。

所述光时钟信号处理过程包括：

a.将由一维磁光子晶体光纤耦合组件输出的光时钟信号传输至光纤分光器，光电检测器检测到光纤分光器中有光时钟传输时，光电检测器不触发电信号，光时钟直接通过光开关传输至光学限幅器，将时钟信号整形成为矩形时钟信号输出；

b.将由一维磁光子晶体光纤耦合组件输出的光时钟信号传输至光纤分光器，光电检测器检测到光纤分光器中无光时钟输出时，光电检测器触发电信号，并将电信号提供给扫描控制装置和开关控制装置，扫描控制装置的电流先降后升，直到一维磁光子晶体的透射谐振峰捕捉到光时钟信号，此后重复a步骤；在透射谐振峰未找到光时钟信号之前，开关控制装置控制光开关连通到与光纤分光器连接的光纤延迟线，光纤延迟线将存储其内的光时钟信号传输至光学限幅器，将时钟信号整形成为矩形时钟信号输出。

本发明的原理：利用可调磁场技术和一维磁光子晶体(1D-MPC)的透射光谱中所具有的多峰结构，可实现动态、智能的时钟提取功能。

输入光信号经上述一维磁光子晶体光纤耦合组件处理后提取光时钟，再由上述时钟信号输出单元处理，输出各种所需格式的光时钟信号。所述的光电控制电路，是产生扫描信号对所述的可调偏置磁场单元进行调节，同时对所述的光开关进行控制。所述的可调偏置磁场单元用于调节偏置磁场，进而微调一维磁光子晶体的两个透射谐振峰之间的距离，以自适应的方式从光数据信号中提取光时钟信号。

其中，准直透镜将从光纤入射过来的发散光准直成平行光，是透镜耦合方式之一；所述起偏器将入射的平行光变成线偏振光，以便于进行外加磁场的调节；所述一维磁光子晶体是磁性材料层和非磁性材料层在一维方向上呈周期性有序间隔堆叠而成的光子晶体结构，通过优化磁性材料层和非磁性材料层的堆叠方式可得到极尖锐的透射谱线，通过改变垂直于一维磁光子晶体薄膜平面的外加磁场，可改变透射光谱，同时调节两谐振峰透射的距离，实现滤波器工作波长的可调谐性，进而实现全光时钟的提取；所述自聚焦透镜将提取出来的时钟信号以平行光的形式聚焦到光纤中，使光时钟信号在光纤中传输，是透镜的另一种耦合方式；而外部封装上专门设置的光纤输入端口和光纤输出端口用于光信号输入和光时钟输出。

在上述一维磁光子晶体的结构设计和外加磁场的共同作用下，透射谱线的透射谐振峰具有一定的容忍度：当光时钟信号微小变化产生小抖动，但还在透射谐振峰的包络内时，允许光时钟信号输出，无需外加磁场的微调；当光时钟信号跳变产生大抖动或者不在透射谐振峰包络内时，外加磁场的微调开始工作，调节两透射谐振峰的距离，捕捉光时钟信号。

上述外加磁场由可调偏置磁场单元提供，其方式主要包括：

一.螺线管线圈绕着一维磁光子晶体光纤耦合组件的形式，用改变电流的方式，改变外加磁场；

二.在所述的一维磁光子晶体光纤耦合组件的输入输出两侧，加上带有螺线管的永磁极装置，其中，所述的永磁极中心穿孔，以便光纤的通过，该形式的磁场调节方式是通过改变电流和机械气隙调节来实现的；

三.把永磁极装置固定在旋转台上面，其中该旋转台的中心是所述的一维磁光子晶体光纤耦合组件，旋转台旋转的角度的大小是通过改变电流的大小实现的，该形式的磁场调节方式是通过改变磁场的方向的形式实现的；

四.通过改变磁极与一维磁光子晶体耦合组件的距离，来调节外加磁场；

五.通过组合上述几种外加磁场的形式来对磁场进行调节。

在光电控制电路中，当光纤分光器有光信号传输过来时，光电检测器不产生电触发信号，光时钟信号同时向光电检测装置、光纤延迟线以及光开关传输，而当光纤分光器没有光信号传输过来时，光电检测器便触发电信号分别给开关控制装置和扫描控制装置提供触发信号。通过电信号对开关控制装置提供触发信号，该触发信号再对光开关进行控制，从而实现两条通路的选择：一.当没有电信号时，光开关通过光纤直接与光纤分光器相连，为主路；二.当有电信号时，光开关通过光纤延迟线与光纤分光器相连。使用过程中，若无光时钟信息从主路过来，先前储存在光纤延迟线中的光时钟信息便以延迟的方式提供给光学限幅器，使光学限幅器在主路时钟缺失的情况下，能够从光纤延迟线中得到储存的时钟信息，避免时钟信号丢失时间过长的情况出现。而光学限幅器是对所提取的时钟信号进行整形，使时钟信号整形成为矩形脉冲形式的时钟信号，并实现时钟信号输出的功率均衡，提高了整个系统的性能。还可以在光学限幅器后增加其它光学整形器件，来实现多种光时钟信号形式的输出。

在上述方案中，光学限幅器对信号输出结果的影响如下：

1.若不加光学限幅器，能够输出时钟信号，但该信号不能实现整形和功率均衡效果；

2.若加光学限幅器，则输出的时钟信号为整形为矩形波形信号形式，实现了时钟信号的输出的功率均衡，它可以根据需要，调整占空比。

本发明具有以下有益效果：

一.一维磁光子晶体光纤耦合组件是器件形式，可与光纤直接连接，更易于在光纤通信系统中应用；

二.具有自适应调节磁场功能，可以主动跟踪时钟漂移；

三.光学薄膜材料的本质是无源器件，其优良的热稳定性能使根据该发明设计的可调时钟提取单元无需主动监控温度；

四.可调磁场单元的引入，可使本发明适用于多种数据率信号的光时钟提取(数据率透明)；

五.使用光学限幅器，可使光时钟脉冲的波形更接近于矩形，并实现时钟信号的功率均衡；

六.在时钟输出单元，还可以通过增加其它光学整形器件，来实现多种光时钟信号形式的输出；

七.光纤延迟线和光开关的引入，可以避免时钟信号丢失时间过长；

八.实现简单、费用低、操作方便，具有自动识别光信号时钟的特点。

本发明属于一种光时钟提取技术，可应用在高速光通信技术、光信息处理技术和磁场传感器等领域中。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明中一维磁光子晶体光纤耦合组件的结构示意图。

图3为本发明中螺线管线圈提供的外加磁场示意图。

图4为本发明中永磁极装置和螺线管线圈组合提供的外加磁场示意图。

图5为本发明中以改变磁极方向来实现磁场调节的示意图。

图6为本发明中以改变磁极距离来实现磁场调节的示意图。

图7为本发明-实施例1的系统框图。

图8为本发明-实施例1的系统框图。

图9为本发明中光时钟提取方法的流程示意图。

附图中标号对应名称：1-准直透镜，2-起偏器，3-一维磁光子晶体，4-自聚焦透镜，5-外部封装，6-凹槽，7-光纤。

具体实施方式

下面通过举例来对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，一种光时钟信号提取装置，包括一维磁光子晶体光纤耦合组件、可调偏置磁场单元、光电控制电路和时钟信号输出单元。其中，一维磁光子晶体光纤耦合组件由准直透镜1、起偏器2、一维磁光子晶体3、自聚焦透镜4封装而成，其外部封装5还专门设有光纤输入端口和光纤输出端口，用于光信号输入和光时钟输出，在外部封装的内侧壁上设有凹槽6，准直透镜1、起偏器2、一维磁光子晶体3、自聚焦透镜4排列成直接，依次固定在相应的凹槽6内；可调偏置磁场单元包括永磁极装置、螺线管线圈；光电控制电路包括光纤分光器、光电检测器、扫描控制装置、开关控制装置；时钟信号输出单元包括光纤延迟线、光开关、光学限幅器。

实施例1

实施例1采用螺线管线圈为一维磁光子晶体光纤耦合组件提供外加磁场，磁场外加方式如图3。

信号光输入的中心频率是1550nm，由可调激光光源提供，其特征为波长的精细调节，可调范围为2nm，输出功率可调0～10mW，C波段波长扫描为1527nm～1565nm。信号光经可调激光光源产生后，经光纤进入一维磁光子晶体光纤耦合组件进行光学滤波，即光时钟信号提取，在此处调节外加磁场，以影响一维磁光子晶体的透射光谱，调节两透射谐振峰之间的距离，使这两透射谐振峰与RZ码光信号的线状谱分量对准，可选出光载频分量和线状谱分量，从而实现光时钟信号的恢复。一维磁光子晶体的结构采用(NM)¹⁰(MN)¹¹(NM)¹¹(MN)¹⁰(其中M代表磁光材料层、N代表非磁性电介质材料层，可采用(NM)＝SiO₂/Ce:YIG，10和11为重复数。计算参数如下：SiO₂和Ce:YIG层的折射率分别为 $n_{{\mathrm{SiO}}_2}=1.46$ 和n_Ce:YIG＝2.345)，外加磁场的调节是磁化强度M_x，磁化强度M_x对1D-MPC结构——(NM)¹⁰(MN)¹¹(NM)¹¹(MN)¹⁰的透射光谱影响，它主要影响线谱的精细结构，使未磁化情形的每条谱线裂变为对称的两个峰。因此，通过改变磁化强度M_x，可同时对三个波长信道的RZ信号(相同数据率)进行精确地时钟提取。所提取的时钟信号进入光纤，经光纤分光器后，通过光开关，进入光学限幅器，使正弦信号形式的时钟信号，变成矩形脉冲形式的时钟信号。

上述光时钟提取的步骤如下：

1.输入光信号通过光纤从外部封装的光纤输入端口进入外部封装内部，并发散到准直透镜；

2.准直透镜将发散光准直成平行光，而起偏器则将入射的平行光变成线偏振光；

3.通过可调偏置磁场单元，调节外加磁场，改变入射到一维磁光子晶体上的线偏振光的透射光谱，得到极其尖锐的透射谱线，实现光时钟提取；

4.自聚焦透镜将提取出来的时钟信号以平行光的形式聚焦到光纤输出端口，并通过光纤传输至光纤分光器；

5.如图7，当光电检测器检测到光纤分光器有光时钟信号时，光电检测器不触发电信号，光时钟通过光纤直接穿过光开关到达光学限幅器，光学限幅器将光时钟信号整形成为矩形脉冲形式的光时钟信号输出；

6.如图8，当光电检测器未检测到光纤分光器有光时钟信号时，光电检测器触发电信号，并分别给开关控制装置和扫描控制装置提供触发信号，扫描控制装置的电流先下降至最低点，再上升，直到找到光时钟信号，扫描控制装置的电流将保持在找到光时钟信号的一刻，此后将按照光纤分光器中有光时钟信号的情况继续工作；在扫描控制装置工作的同时，开关控制装置在电信号的作用下对光开关进行控制，使光开关通过光纤延迟线与光纤分光器连接，此时，由于光纤分光器内没有光时钟信号传输，因此光纤延迟线将其存储的光时钟信号以延迟的方式传输至光学限幅器，从而避免光时钟信号丢失时间过长的情况出现。

在整个过程中，光电控制电路的作用如下：

1.当有时钟信号从光纤分光器输出时，光电检测器不产生电触发信号；

2.当没有时钟信号从光纤分光器输出时，光电检测器分别给开关控制装置和扫描控制装置提供触发信号。

3.扫描控制装置一旦被触发，通过电流在外加磁场中的变化产生的磁场对一维磁光子晶体所产生的透射谐振峰进行调节，进而对光时钟信号的输出进行控制。触发后的工作过程为：导线回路中的电流先下降，若在下降的途中，尚未找到相应的光波所透过的脉冲时钟信号，则在到达设定的最低点时，直线上升，直到捕捉到光时钟信号，则所需电流值稳定在所捕捉住的电流值上面，并将该信号作为扫描信号。

4.触发开关控制装置，使光开关从主路转向光纤延迟线通路。在此过程中需保证光纤延迟线的长度，当无时钟信息从主路过来时，该路便把先前储存在光纤延迟线的光时钟信息通过延时的方式提供给光学限幅器，使光学限幅器在主路时钟缺失的情况下，能够从光纤延迟线得到储存的时钟信息，避免时钟信号丢失时间过长的情况出现。

本发明所述方法的流程示意图如图9。

按照上述描述，便可实现本发明。

实施例2

如图4，实施例2与实施例1的区别在于，外加磁场的方式不同。实施例1中采用螺线管线圈为一维磁光子晶体光纤耦合组件提供外加磁场，而在本实施例中，采用永磁极装置和螺线管线圈组合来提供外加磁场，以改变一维磁光子晶体的透射光谱，调节两透射共振峰之间的距离，使光时钟得到正常提取。

实施例3

如图5所示，实施例3与实施例1的区别在于，一维磁光子晶体光纤耦合组件的外加磁场不同。实施例1中，通过螺线管线圈提供外加磁场，实现外加磁场的调节；本实施例中，通过改变磁极方向来实现外加磁场的调节，从而改变一维磁光子晶体的透射光谱，调节两透射共振峰之间的距离，使光时钟得到正常提取。

实施例4

如图6所示，实施例4与实施例1的区别在于，一维磁光子晶体光纤耦合组件的外加磁场不同。实施例1中，通过螺线管线圈提供外加磁场，实现外加磁场的调节；本实施例中，通过改变磁极距离来实现外加磁场的调节，从而改变一维磁光子晶体的透射光谱，调节两透射共振峰之间的距离，使光时钟得到正常提取。

Claims (9)

1.一种光时钟提取装置，其特征在于，所述提取装置包括一维磁光子晶体光纤耦合组件，以及为一维磁光子晶体光纤耦合组件提供外加磁场的可调偏置磁场单元，所述一维磁光子晶体光纤耦合组件包括准直透镜(1)、起偏器(2)、一维磁光子晶体(3)、自聚焦透镜(4)，准直透镜(1)、起偏器(2)、一维磁光子晶体(3)、自聚焦透镜(4)依次排列成一条直线进行耦合连接。

2.根据权利要求1所述的光时钟提取装置，其特征在于，所述可调偏置磁场单元由永磁极装置和螺线管线圈的组合或永磁极装置或螺线管线圈组成。

3.根据权利要求1所述的光时钟提取装置，其特征在于，所述准直透镜(1)、起偏器(2)、一维磁光子晶体(3)、自聚焦透镜(4)设置于同一个外部封装(5)内，并分别通过外部封装(5)两内侧壁的凹槽(6)进行固定，同时，在外部封装(5)上还设有光纤输入端口和光纤输出端口。

4.根据权利要求1所述的光时钟提取装置，其特征在于，所述光时钟提取装置还设有光电控制电路和时钟信号输出单元，其中，所述光电控制电路由光纤分光器、光电检测器、扫描控制装置与开关控制装置组成，所述时钟信号输出单元由光开关、光学限幅器组成，光纤分光器既与一维磁光子晶体光纤耦合组件相连，又分别与光电检测器、光纤延迟线和光开关相连，而光电检测器还与扫描控制装置、开关控制装置相连，扫描控制装置还与一维磁光子晶体光纤耦合组件相连，光开关还与开关控制装置、光学限幅器相连。

5.根据权利要求4所述的光时钟提取装置，其特征在于，所述时钟信号输出单元还设有光纤延迟线，光纤分光器与光开关的连接包括下列两种连接：

(1)光开关直接通过光纤与光纤分光器相连；

(2)光开关通过光纤延迟线与光纤分光器相连。

6.根据权利要求1所述的光时钟提取装置，其特征在于，所述一维磁光子晶体(3)是由磁性材料层和非磁性材料层在一维方向上呈周期性有序间隔堆叠而成的光子晶体结构。

7.一种光时钟提取方法，其特征在于，所述光时钟提取方法包括以下步骤：

1)通过准直透镜将输入光信号准直成平行光，再利用起偏器将入射的平行光变成线偏振光；

2)利用可调偏置磁场单元调节外加磁场，改变一维磁光子晶体的透射光谱，实现两谐振峰透射距离的调节，达到跟踪光时钟信号的目的；

3)利用自聚焦透镜将利用一维磁光子晶体提取的光时钟以平行光的形式聚焦到输出光纤，由光纤输出端口输出备用。

8.根据权利要求7所述的光时钟提取方法，其特征在于，所述光时钟提取方法还设有光时钟信号处理过程。

9.根据权利要求8所述的光时钟提取方法，其特征在于，所述光时钟信号处理过程包括：

a.将由一维磁光子晶体光纤耦合组件输出的光时钟信号传输至光纤分光器，光电检测器检测到光纤分光器中有光时钟传输时，光电检测器不触发电信号，光时钟直接通过光开关传输至光学限幅器，将时钟信号整形成为矩形时钟信号输出；

b.将由一维磁光子晶体光纤耦合组件输出的光时钟信号传输至光纤分光器，光电检测器检测到光纤分光器中无光时钟输出时，光电检测器触发电信号，并将电信号提供给扫描控制装置和开关控制装置，扫描控制装置的电流先降后升，直到一维磁光子晶体的透射谐振峰捕捉到光时钟信号，此后重复a步骤；在透射谐振峰未找到光时钟信号之前，开关控制装置控制光开关连通到与光纤分光器连接的光纤延迟线，光纤延迟线将存储其内的光时钟信号传输至光学限幅器，将时钟信号整形成为矩形时钟信号输出。

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