CN109687909A - 一种基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置 - Google Patents

一种基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置，本发明涉及光纤通信领域；包括第一注入锁定单元、第二注入锁定单元和可调滤波器。信号首先输入第一注入锁定单元，通过调节偏振控制器获得最佳注入效果，并由光环形器第2端口输入激光器，在注入锁定作用下得到被锁定光场；该光场经过光放大器放大后获得高功率泵浦光，在非线性微环中利用参量振荡效应实现级联的四波混频过程，完成第二次注入锁定作用；级联四波混频产物最终经过可调滤波器选取相邻的频谱分量，获得波长可调的高质量光时钟。与现有时钟提取装置相比，本发明利用了激光器和非线性微环实现两次注入锁定，可以直接对具有非归零码调制格式的高频谱效率信号进行时钟提取，降低了信号处理的复杂度和成本，扩大了该类器件的适用性。

Description

一种基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体涉及一种基于激光器和非线性微环构成的双注入锁定技术实现的全光时钟提取装置。
背景技术
目前骨干网络单载波信号速率已达到100G，并逐渐向400G甚至是1T方向进发，而针对高速数据的全光信号处理装置成为制约网络性能提升的关键。其中时钟提取装置可以直接从输入的信号中获得等速率时钟，而无需占用额外信道，因此成为光交换节点、全光3R再生、接收机的核心组件。全光时钟提取装置具有带宽大、响应迅速、时钟质量高等特点，比电学时钟提取模块更加适用于目前的高速光传输网络。现有全光时钟提取技术主要分为两类：无源滤波法和有源振荡法。可以利用法布里-珀罗(FP)滤波器或微环谐振器(MRR)的梳状滤波特性，实现基于无源滤波的全光时钟提取功能。但该类器件的精细度低、插损大，无法获得高质量的光时钟信号，通常需要后置波形整理方案，降低光时钟的幅度抖动，但这增加了系统复杂程度和信号处理成本[W.Yang,et al.,IEEE Photonics TechnologyLetters,26(3):293,2014]。基于有源振荡法实现的全光时钟提取装置可以直接获得高质量的光时钟信号，但光纤类的器件结构会引入工作状态的不稳定性，需要额外的反馈控制方案提升其连续工作性能[F Wen,et al.,Optical Fiber Technology,19:1,2013]。上述两类时钟提取方案均针对归零码(RZ)信号进行时钟恢复，即信号中已包含较强的时钟分量，再利用滤波或者振荡方法进一步提升时钟分量强度、滤除调制信息。而目前高速光通信网络为提升频谱利用效率，主要采用非归零码(NRZ)调制格式，因此针对该类信号的时钟提取，还需要在现有方案中增加码型变换功能，但这也提高了系统复杂度和信号处理成本。因此需要提出新型的全光时钟提取装置，可以直接满足NRZ调制格式的时钟提取需求，同时该装置体积小、集成度高，可以降低环镜因素对系统稳定性的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置，既要克服传统时钟提取器件无法直接支持高频谱效率的NRZ调制格式的问题，又要采用集成度高的器件解决方案，以降低环镜因素对时钟提取工作性能的影响，同时还需要该装置具有较宽的速率容忍范围和载波可调功能，以提高全光时钟提取装置在高速光网络中的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置，该装置包括：第一注入锁定单元、第二注入锁定单元和可调滤波器，信号依次经过第一注入锁定单元、第二注入锁定单元和可调滤波器后输出；所述第一注入锁定单元包括：偏振控制器、光环形器、激光器；信号首先输入偏振控制器，在偏振控制器的控制下获得最佳注入偏振态，然后光环器的第1端口进入光环器，第2端口输入激光器，在注入锁定作用下得到被锁定光场，光环形器第3端口输出给第二注入锁定单元；所述第二注入锁定单元包括：光放大器、非线性微环；第一注入锁定单元的输出光场依次经过光放大器、非线性微环后输出给可调滤波器；第一注入锁定单元的输出光场经过光放大器放大后获得高功率泵浦光，在非线性微环中利用参量振荡效应实现级联的四波混频过程，完成第二次注入锁定作用；最终经过可调滤波器选取相邻的频谱分量，获得波长可调的高质量光时钟。
所述第一注入锁定单元包括偏振控制器、光环形器和激光器。首先通过偏振控制器对输入信号的偏振态进行调整，使其与后续激光器最佳入射偏振态一致。经过偏振控制的信号从光环形器的第1端口输入，并由第2端口输出，注入到后续激光器。用于产生注入锁定作用的激光器与普通激光器结构基本相同，但没有集成光隔离器，这使得信号可以通过激光器的输出端口入射。在注入锁定作用下，激光器产生被锁定光场，该光场的中心波长与激光器波长一致，同时还具有部分未被抑制的调制信息分量。被锁定光场从激光器的输出端口出射，通过第2端口进入光环形器，并从其第3端口输出。
所述第二注入锁定单元包括光放大器和非线性微环。被锁定光场通过光放大器放大后获得高功率的泵浦光，并注入非线性微环。该微环通过偏置电压控制环内载流子浓度，使其谐振波长与被锁定光场波长一致，而其自由频谱范围与信号调制速率相同，这使得更多的光场能量可以在非线性微环内进行振荡传输，在非线性效应的作用下产生参量振荡效果。利用级联四波混频效应在非线性微环的输出端口得到梳状频谱产物。该梳状频谱内的最小频率间隔与信号速率一致。
所述可调滤波器具有中心波长与带宽的双重调节功能。通过级联四波混频过程产生的梳状频谱产物注入到可调滤波器，通过改变滤波器的带宽，使得仅有两根相邻频谱分量通过滤波器形成光时钟，再调节中心波长可以控制该光时钟的载波频率，实现波长可调的时钟提取功能。
传统的全光时钟提取装置只能针对RZ类调制格式提供直接的时钟提取功能，如需支持高频谱效率NRZ调制格式，需要额外的码型变换功能，这增加了系统复杂程度，也不适用于多信道时钟提取过程。而本发明提出的双注入锁定装置，屏蔽了调制格式对时钟提取功能的影响，直接利用非线性微环的参量振荡效应产生级联四波混频产物，进而达到时钟提取的效果，而该装置还可以通过控制非线性微环的偏置电压实现灵活的速率调节功能，达到宽速率匹配效果，再配合可调滤波器调节中心载波频率，实现光时钟波长可调功能。
本发明将激光器和非线性微环有机结合，提出了双注入锁定全光时钟提取新方法。与传统利用高非线性光纤实现的有源振荡时钟提取技术相比，大幅提升了装置的集成度，降低了环镜因素对时钟提取性能的影响。因此本发明提出的全光时钟提取装置可长时间工作于高速、大容量光传输网络，直接对高频谱效率调制格式实现全光时钟提取功能。
附图说明
图1是本发明的基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置示意图。
图2是本发明的第一注入锁定单元输入和输出光谱示意图。
图3是本发明的第二注入锁定单元输入和输出光谱示意图。
图4是本发明的输入信号和输出时钟眼图示意图。
具体实施方式
图1为本发明提出的基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置。该装置包括：第一注入锁定单元、第二注入锁定单元和可调滤波器。
第一注入锁定单元包括偏振控制器、光环形器和激光器，为中心载波为λs的输入信号提供第一次注入锁定功能。偏振控制器用于调节输入信号的偏振态，使其与后续激光器最佳入射状态匹配，提高注入锁定效率。而光环形器则可以分离激光器的输入光与输出光，使得激光器仅使用单一端口同时完成输入和输出功能。经过偏振控制器调节后的光信号通过光环形器的第1端口输入，并在其第2端口输出，同时注入激光器。用于注入锁定的激光器与普通激光器基本结构相同，但去除了内部集成的光隔离器，这使得光信号可以从其输出端口入射。激光器的中心波长为λL，其与信号波长λs不同，可以相隔几个吉赫兹，因此具有一定的波长差异容忍度。输入信号的光功率可以较低，当注入锁定建立以后，被锁定光场的光功率由激光器自身出射功率决定，因此功率增益可以达到10dB以上。被锁定光场的中心波长与激光器波长λL一致，同时大部分调制信息已被抑制掉，但还残留部分光谱信息，该残留信息将用于后续第二次注入锁定单元，确定非线性微环的自由频谱范围。被锁定光场从激光器的输出端口出射，并进入光环形器，最终从光环形器的第3端口输出，进入后续第二注入锁定单元。第一注入锁定单元的输入和输出光谱示意图见图2所示。
第二注入锁定单元包括光放大器和非线性微环，为输入光场提供第二次注入锁定作用。被锁定光场的光功率通常在10dBm，为在非线性微环内激发起参量振荡作用，需要大幅提高入射光功率，因此光放大器具有较高的饱和输出功率，增益可以达到30dB左右。非线性微环具有外部调节功能，通过控制偏置电压可以改变微环内的谐振波长和自由频谱范围，上述参数分别与输入信号的中心波长、信号速率一致。当高功率光信号输入偏置调节后的非线性微环将激发起参量振荡效应，使得光信号在微环内多次振荡传输，在级联四波混频效应的作用下产生梳状的光谱结果，该梳状光谱的频率间隔与信号速率一致，既完成第二次注入锁定过程。第二注入锁定单元的输入和输出光谱示意图见图3所示。
第二注入锁定单元产生的梳状光谱产物进一步注入可调滤波器，提取出所需的光时钟。可调滤波器具有中心波长与带宽的双重调节功能，用于最终确定光时钟的频率和中心载波。首先调节滤波器的带宽，使其与输入信号的两根频谱分量对准，抑制其它频率分量透过滤波器，这可保证光时钟具有良好的定时抖动性能。然后在保持带宽不变的情况下调节中心波长，可以获得具有任意载频的光时钟结果，实现波长可调的全光时钟提取功能，满足其它信号处理单元对光时钟的应用要求。输入NRZ信号和提取光时钟的眼图结果见图4所示。

Claims (4)

1.一种基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置，该装置包括：第一注入锁定单元、第二注入锁定单元和可调滤波器，信号依次经过第一注入锁定单元、第二注入锁定单元和可调滤波器后输出；所述第一注入锁定单元包括：偏振控制器、光环形器、激光器；信号首先输入偏振控制器，在偏振控制器的控制下获得最佳注入偏振态，然后光环器的第1端口进入光环器，第2端口输入激光器，在注入锁定作用下得到被锁定光场，光环形器第3端口输出给第二注入锁定单元；所述第二注入锁定单元包括：光放大器、非线性微环；第一注入锁定单元的输出光场依次经过光放大器、非线性微环后输出给可调滤波器；第一注入锁定单元的输出光场经过光放大器放大后获得高功率泵浦光，在非线性微环中利用参量振荡效应实现级联的四波混频过程，完成第二次注入锁定作用；最终经过可调滤波器选取相邻的频谱分量，获得波长可调的高质量光时钟。
2.如权利要求1所述的一种基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置，其特征在于：所述第一注入锁定单元包括偏振控制器、光环形器和激光器；首先通过偏振控制器对输入信号的偏振态进行调整，使其与后续激光器最佳入射偏振态一致；经过偏振控制的信号从光环形器的第1端口输入，并由第2端口输出，注入到后续激光器；用于产生注入锁定作用的激光器与普通激光器结构相同，但没有集成光隔离器，这使得信号可以通过激光器的输出端口入射；在注入锁定作用下，激光器产生被锁定光场，该光场的中心波长与激光器波长一致，同时还具有部分未被抑制的调制信息分量；被锁定光场从激光器的输出端口出射，通过第2端口进入光环形器，并从其第3端口输出。
3.如权利要求1所述的一种基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置，其特征在于：所述第二注入锁定单元包括光放大器和非线性微环；被锁定光场通过光放大器放大后获得高功率的泵浦光，并注入非线性微环；该微环通过偏置电压控制环内载流子浓度，使其谐振波长与被锁定光场波长一致，使自由频谱范围与信号调制速率相同，这使得更多的光场能量可以在非线性微环内进行振荡传输，在非线性效应的作用下产生参量振荡效果；利用级联四波混频效应在非线性微环的输出端口得到梳状频谱产物；该梳状频谱内的最小频率间隔与信号速率一致。
4.如权利要求1所述的一种基于双注入锁定技术的全光时钟提取装置，其特征在于：所述可调滤波器须具有中心波长与带宽的双重调节功能；通过级联四波混频过程产生的梳状频谱产物注入到可调滤波器，改变滤波器的带宽，使仅有两根相邻频谱分量通过滤波器形成光时钟，再调节中心波长控制该光时钟的载波频率，实现波长可调的时钟提取功能。
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