CN1270442C - 基于电吸收调制器的光电混合锁相环路 - Google Patents
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Abstract
基于电吸收调制器的光电混合锁相环路属于高速光信号时钟提取领域，其特点在于，它含有：输入信号为光信号的鉴相器，由电吸收调制器与低速光电探测器串接而成；控制电路，由放大电路和偏置电路串接而成，所述放大电路输入端与低速光电探测器的相位误差信号输出端相连；压控振荡器，它的输入端与偏置电路的输出端相连，它的射频输出端与电吸收调制器的反馈信号输入端相连。它的结构简单，可以通过调节压控振荡器的中心频率实现与输入光信号的锁定，并且实验证明：用10 Gbit/s的归零码和非归零码分别进行时钟提取实验时最佳接收误码率小于10-12。
Description
技术领域
基于电吸收调制器的光电混合锁相环路属于高速光信号时钟提取领域。
背景技术
光电混合锁相环路是一种相位反馈系统，它能使输出电信号的频率和相位均与输入光信号保持确定的关系，并抑制输入信号和系统自身存在的相位噪声，可以应用于高速光信号的时钟提取。
光电混合锁相环路由鉴相器、环路滤波器及压控振荡器三部分组成。鉴相器的两个输入端，一端连接环路的输入光信号，另一端连接压控振荡器输出的反馈信号；鉴相器输出的误差信号由二者的相位差决定。误差信号经过环路滤波器滤除高频分量后，对压控振荡器振荡频率进行控制。压控振荡器输出的微波信号反馈到鉴相器与输入光信号进行相位比较，同时作为环路提取的电时钟信号输出。根据锁相环路理论，当输入光信号的重复频率落在环路的锁定频带内时，输出电信号的频率应与输入光信号重复频率保持相等。并且如果输入信号频率发生改变但仍未超出锁定频带时，环路可以实现频率跟踪。
光电混合锁相环路中的关键单元是鉴相器。它的基本功能是比较环路输入信号和反馈信号间的相位，它输出的误差信号是二者相位差的函数。为了实现鉴相功能，可以利用电吸收调制器使反馈电信号对输入光信号进行采样，采样后的光信号含有二者的差频信息，经过光电转换并通过低通滤波器后就可以得到误差信号。
目前国际上采用上述思路设计的光电混合锁相环路主要有以下若干方案。
(1)级联电吸收调制器，利用高速(带宽为10GHz)光电探测器进行光电转换(“D.T.K.Tong，Kung-Li Deng，B.Mikkelsen，B.Raybon，K.F.Dreyer and J.E.Johnson，‘160Gbit/s clock recovery using electroabsorption modulator-based phase-lockedloop’，Electron.Lett.，2000，36，(23)，pp.1951-1952”、附图1(a))。这种方案结构比较复杂，高速光电探测器成本较高；
(2)双向运行的电吸收调制器和两路光电探测器(“C.Boerner，C.Schubert，C.Schmidt，E.Hilliger，V.Marembert，J.Berger，S.Ferber，E.Dietrich，R.Ludwig，B.Schmaussand H.G.Weber，‘160Gbit/s clock recovery with electro-optical PLL usingbidirectionally operated electroabsorption modulator as phase comparator’，Electron.Lett.，2003，39，(14)，pp.1071-1073”、附图1(b))。这种设计主要考虑到光信号只具有正极性，从而鉴相器的输出信号也具有单一极性，这不利于之后对压控振荡器的调制，采用上述结构可以解决这一问题，但同时增加了系统复杂度和成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、低成本的光电混合锁相环路，用以实现高速光信号的时钟提取。
本发明的特征在于：它含有：
鉴相器，它包括：
电吸收调制器，它设有一个光信号输入端和一个反馈信号输入端；
低速光电探测器，它的已调光信号输入端与电吸收调制器的相应输出端相连；
控制电路，它包括：
放大电路，它的输入端与低速光电探测器的相位误差信号输出端相连，所述鉴相器输出的相位误差信号vd可用下式表示：
其中，为输入光信号与反馈信号间的相位差；f为输入光信号重复频率；τ1为输入光信号脉宽；τ2为电吸收调制器窗口宽度；A为误差信号幅度；
偏置电路，它有一个与放大电路输出端相连的相位误差信号输入端，一个直流分量输入端；
直流偏置电压源：它的正极与偏置电路的直流分量输入端相连，负极接地；
压控振荡器，它的控制电压输入端与偏置电路相应的控制电压输出端相连，它的射频输出端与上述电吸收调制器的反馈信号输入端相连。
实验证明：本发明提取出的时钟信号波形稳定，时间抖动很小，并且与光信号频率相同；用它作为接收机时钟信号测量光信号接收误码率时，最佳接收误码率小于10-12。
附图说明
图1：已有的两种光电混合锁相环路方案；
1(a)：采用级联电吸收调制器和高速光电探测器的光电混合锁相环路结构框图；
图中“EA”代表电吸收调制器；
“SOA”代表半导体光放大器；
“EDFA”代表掺铒光纤放大器；
“PD”代表光电探测器；
“VCO”代表压控振荡器；
1(b)：采用双向运行的电吸收调制器和两路光电探测器的光电混合锁相环路结构图；
图中“EAM”代表电吸收调制器；
“delay”代表延时线；
“VCO”代表压控振荡器；
图2：本发明采用的鉴相器结构图；
图3：使用的器件和电路；
3(a)：电吸收调制器；
3(b)：低速光电探测器；
3(c)：控制电路，包括放大电路和偏置电路；
3(d)：压控振荡器；
图4：本发明提出的光电混合锁相环路结构框图；
图5：提取出的时钟波形和背靠背传输光信号眼图；
5(a)：归零码时钟波形(下)和背靠背光信号眼图(上)；
5(b)：非归零码时钟波形(下)和背靠背光信号眼图(上)；
图6：使用光锁相环路的输出信号作为接收机时钟信号恢复光信号眼图；
6(a)：恢复后的归零码光信号眼图；
6(b)：恢复后的非归零码光信号眼图；
图7：使用光锁相环路的输出信号作为接收机时钟信号测量接收误码率；
图中横轴代表接收光功率，纵轴代表接收误码率的对数；
7(a)：归零码误码率测量结果；
7(b)：非归零码误码率测量结果。
具体实施方式
本发明中鉴相器(见附图2)的工作原理为：输入光信号通过电吸收调制器被反馈信号调制，已调光信号经过低速光电探测器进行光电转换，探测器输出的电信号代表了已调光信号的平均光功率，作为鉴相器的输出信号。由于已调光信号的平均光功率与输入光信号和反馈信号间的相位差有关，该方案可以实现鉴相功能。方案中的低速光电探测器同时起到了光电转换和低通滤波的作用，代替了通常采用的高速光电探测器加低通滤波器的组合，因而环路中没有另外加入环路滤波器。由该方案得到的鉴相特性为
式中vd：鉴相器输出的误差信号；
：输入光信号与反馈信号间的相位差；
f：输入光信号重复频率；
τ1：输入光信号脉宽；
τ2：电吸收调制器窗口宽度；
A：误差信号幅度，与输入光信号幅度、重复频率、脉宽及探测器灵敏度等有关。
本发明在误差信号中叠加直流分量的作用在于：
(1)将调制压控振荡器的信号由单极性变为双极性，使压控振荡器的振荡频率能够在其中心频率两侧进行调节；
(2)为使环路达到锁定，输入光信号的重复频率必须落在环路的锁定频带内，这就要求输入光信号重复频率与压控振荡器中心频率基本对准，而实际应用中往往通过调节后者达到这一目的。因此该直流分量起到了调节压控振荡器中心频率的作用。
经过处理的误差信号无需进行计算，可以直接提供给压控振荡器进行频率控制。
本发明中使用到的器件和电路有(见附图3)：
(1)电吸收调制器，具有光输入端、光输出端及射频调制端；
(2)低速光电探测器，具有光输入端及电压输出端；
(3)控制电路，包括放大电路和偏置电路，主要采用运算放大器(OP27)实现；
(4)压控振荡器，具有电压控制端和射频输出端。
输入光信号进入电吸收调制器光输入端，电吸收调制器光输出端连接光电探测器光输入端，光电探测器电压输出端连接控制电路，控制电路输出信号进入压控振荡器电压控制端，压控振荡器射频输出端连接电吸收调制器射频调制端，该端口的信号同时作为环路提取的时钟信号输出。
我们对本发明的性能进行了测试，针对码率为10Gbit/s的归零码和非归零码分别进行了时钟提取实验，码源采用长度为27-1bit的伪随机序列。实验结果如下：
(1)观察提取时钟波形(见附图5)。提取出的时钟信号波形稳定，时间抖动很小，并且与光信号频率相同；
(2)使用(1)中得到的信号作为接收机时钟信号恢复光信号眼图(见附图6)。恢复的光信号眼图清晰，与背靠背传输眼图(见附图5)基本相同；
(3)使用(1)中得到的信号作为接收机时钟信号测量光信号接收误码率(见附图7)。最佳接收误码率小于10-12。
以上实验结果表明，本发明可以有效实现高速光信号的时钟提取。
Claims (1)
1.基于电吸收调制器的光电混合锁相环路，其特征在于，它含有：
鉴相器，它包括：
电吸收调制器，它设有一个光信号输入端和一个反馈信号输入端；
低速光电探测器，它的已调光信号输入端与电吸收调制器的相应输出端相连；
控制电路，它包括：
放大电路，它的输入端与低速光电探测器的相位误差信号输出端相连，所述鉴相器输出的相位误差信号vd可用下式表示：
其中，为输入光信号与反馈信号间的相位差；f为输入光信号重复频率；τ1为输入光信号脉宽；τ2为电吸收调制器窗口宽度；A为误差信号幅度；
偏置电路，它有一个与放大电路输出端相连的相位误差信号输入端，一个直流分量输入端；
直流偏置电压源，它的正极与偏置电路的直流分量输入端相连，负极接地；
压控振荡器，它的控制电压输入端与偏置电路相应的控制电压输出端相连，它的射频输出端与上述电吸收调制器的反馈信号输入端相连。
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