专利名称：光时钟分割的制作方法
技术领域：
本发明涉及一光信号的时钟分割。
在很多情况下需要获得一下分的时钟速率的信号。例如，在一T DM(时分多路)光信号流被用于数据通信的地方，在对分路器的操作中可能需要小于数据流的全位速率的一时钟信号来选择一个或多个时间信道。到目前为止，当需要时钟分割时，通常通过分接部分光信号流、检测此信号以产生电领域的一相应时间波形、并接着利用常规的电子时钟分割电路来下分此时钟速率来实现。通过这样的方法，在其他光处理执行之前，由此电时钟信号控制的一局部光源必须被使用以将此必须被分割的信号转回到光领域。这不仅增加了相关电路的额外开销和复杂度，而且在电领域中处理的需求严重地限制了此电路能够运行的位速率。
Lucek&Smith的论文，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,1995年1月，Vol 7,no.1,pp 1041-1135，公开了一种可用于提供时钟分割功能的可远程编程的路由装置。虽然它拥有全光学装置的优点，但需要相对复杂的两级结构。数据首先被输入到一超高速门级，在那里一定信道被选择。在此超高速门中的非线性元件是一段色散位移光纤。此门的输出，是一仅包含被选信道的数据信号，接着被传送到包含一锁定模式铒激光器的第二级。用数据信道驱动此激光器的结果是产生在每个有源信道时隙中为“1”而在其他地方为“0”的时钟模式。此数据信号传到一输出端口上。此时钟模式，可能具有与数据信号不同的位格式及不同波长，作为控制信号被反馈给此超高速门。
根据本发明的第一方面，提供了一种方法，从一较高时钟速率的光信号流中获取一被分割时钟速率的时钟信号，包括a)将一光信号流施加到一全光非线性门，该门包括一非线性元件；b)从所述全光非线性门的一输出中反馈一光信号到上述非线性元件上；以及c)以一被分割的时钟速率从该全光非线性门中输出一光信号。
本发明采用了一种时钟分割的方法，利用了相对简单的方法(此方法很好地适应于集成制作的实现并克服了上面讨论的现有电路的缺点)，允许该功能完全在光领域中被实现。使用了一全光非线性门。光反馈从此门的输出被提供给一非线性元件的控制输入。在以此方式配置的门中，当一光信号流被施加到它的输入时，一被分割时钟速率的信号在此门的输出上出现。
更适宜的是此光信号流被施加到一干涉非线性光门。这个门可以包含一非线性环形镜(NOLM)且更好的是该NOLM包含一半导体光放大器作为它的非线性元件。另外其它的干涉结构，例如Mach Zehnder干涉仪，可以被使用。
虽然其它类型光门的使用是可能的，本发明者发现使用一非线性干涉仪是特别有利的，特别是TOAD(太拉赫光不对称分路器)构型的NOLM，其中带一半导体光放大器(SOA)作为相转换元件。这样的装置有低转换能量的优点并可以运行于接近100GHz的速率上。而且，特别是与时钟分割相关时，TOAD的使用有其他重要的优点，即此反馈通路上的总的延迟时间可被置为和位周期一样短，甚至在位周期是仅为几十个皮秒时。该优选配置的另一个优点是此SOA的动态特性支持时钟分割功能。
更好的是与此光反馈通路相关的延迟周期等于此光信号流中位与位之间的周期。
当此电路被构造以满足在此光反馈通路上延迟长度的限制时，与形式为“11111111”的输入流相对应，此门的输出形式为“10101010”。
或者是，在延迟总长度大于光信号流中连续位之间的周期时，此方法可以包括一初始阶段来对此门编程，通过向此门输入一带预定位格式并有足够长度以充满此门和反馈通路的脉冲组(block)来实现时钟分割。
作为另一选择，此电路可以包括一SOA，该SOA具有一响应时间，从而该电路呈现自发时钟分割。在此情况下，此方法包括通过用与此半导体光放大器的e-1恢复速率相对应位速率的光信号流驱动半导体光放大器而在非线性门中引发自发时钟分割。
此时钟分割电路可以包括多个级，每一级都有它自己的非线性门，n个这样的级被串行级联以提供被2n整除的输出。
根据本发明的第二方面，提供一时钟分割电路包括a)一全光非线性门，包括，被安排来接收高时钟速率的光信号流的光输入，
一光输出，在此光输入和光输出之间连接的一非线性元件；和b)一从该门的输出到非线性元件的光反馈通路，在使用中一光信号以被分割的时钟速率从该门被输出。
本发明也包括含有根据本发明上面描述的一个或多个方面的时钟分割电路的多路复用器或分路器。
仅作为实例，参考附图，本发明将被更详细地描述，其中
图1是实施例本发明的电路的示意图；图2是适合于图1中电路使用的光纤环形镜示意图；图3a和图3b分别是图2中电路的暂时输入和输出的曲线；和图4a和图4b是图2中电路的微波光谱；图5示出了用于初始化图1中电路的信号；图6a到6f阐述了利用一半导体非线性元件的电路的自发时钟分割的开始；图7a和7b阐述了带有单个位反馈延迟的一实施例；图8示出了将一包括饱和吸收介质的激光腔用作为非线性元件的一实施例；图9示出了实施例本发明的包括时钟分割级的分路器电路。
一时钟分割电路CT1包含一非线性光门1。此门有一接收光信号流的光输入I。此门1有两个光输出O1、O2。这些输出之一O1通过一光反馈通路2被连接到此门的一控制输入G上。此反馈通路可以包括一光放大器3和滤波器4。
此光门1，例如可以包括下面将描述的一光纤环形镜中的SOA，根据在输入G处控制信号的出现与否，将从输入I处接收的一信号发到两个输出O1和O2的一个或另一个上。如果通过此门并沿着反馈通道回到输入G的总的延迟时间等于相邻位之间的周期p，则此门按如下操作以提供一分割的时钟信号。假设此门1初始时被配置来将脉冲直接转换到输出O1，则从O1输出的第一个脉冲(此图中标明的a)通过反馈通道2传送到此控制输入G上。因此，当下一个脉冲b到达输入时，在控制输入G处出现一控制脉冲，因此该脉冲被转换到第二输出O2。因此，当脉冲c到达此输入后的一个位周期时，在控制输入G没有脉冲出现且c传送到输出O1。当脉冲d到达输入时，与脉冲c相应的来自反馈通道的脉冲在控制输入G处出现，且脉冲d被转换到输出O2上。在此方式下，O2处的输出包括输入脉冲流一半位速率的一脉冲流。
当通过反馈环的延迟时间大于一个位的周期时，此门仍可以被编程以实现时钟分割。
图5示出了在与反馈通道相关联的总延迟等于5个位周期时的情况下用于初始化电路的信号的实例。上一个序列示出了此电路的输入，下面的序列为此电路的输出。下面的这个序列也对应于反馈到控制输入G的控制序列。如在上面的第一个例子中一样，此门初始时被配置以直接转换脉冲到输出O1上。一5位长的帧，相当于反馈通道的长度，被用于初始化此电路。第一个5个输入位对应于序列“10101”。它们被直接传送到输出O1上，且也被反馈到此反馈通道上。在图中对应于下一帧的第1位的位置且标记为虚线的第6位，输入位的值，与前面的位的值一样，为“1”。在这个例子里，第一帧的第1位，其值为“1”到达此控制输入G。第6位置上的“1”因此被转换到另外一个输出O2上。位值“0”因此出现在端口O1的输出中。在第7位的位置中输入的位值是“1”。随着它被输入到门，来自于第一帧的第二个位到达此控制输入。它具有值“0”且此门被设置以直接传送第7位到输出O1处。这个模式对于后续位重复，从而O1的所有输出均为“10101”的形式。因此，即使此门的输入现在是“1”的连续流，此输出继续重复在初始化阶段应用的位模式，以提供一半位速率的时钟分割输出。
作为上面讨论的方法的另外选择，此电路可以被设计成以多于一位长度的反馈通道来操作，但并不要求前面一个实例中那种方式的初始化。这通过使用一个半导体非线性元件、且通过在自发时钟分割发生区域进行操作来利用该半导体的动态特性来实现。
在这个例子中，时钟分割现象和其他复杂的动态行为都是缘于与作为存储器的反馈效果相结合的半导体光放大器的有限使用期(典型地大约为300ps)。当输入到此电路的信号有小于此SOA自然恢复速率的重复速率时，没有上面描述的初始程序设计，“组”行为被观测到，且没有脉冲对脉冲的相互影响因为此放大器的增益在脉冲之间完全恢复。然而，在高重复速率时，当此脉冲间隔与此放大器的使用期是可比较的时，脉冲之间存在着相互影响，因为任何脉冲的相移依赖于前面几个脉冲的模式。在这样一个带有反馈的系统中，初始启动序列的存储影响后续脉冲。导致时钟分割的精确动态序列是十分复杂的且在固定状态出现之前在几个帧周期上展开。在这个固定状态中此放大器可以在时钟分割脉冲之间恢复。这种操作方式完全是自启动的，且象已经指出的那样，不需要象前面的例子那样被编程。因为此电路在输出中产生交替的“组”或帧和它们的逻辑补码，当此帧包含一奇数的脉冲时它仅给出了一连续的时钟分割脉冲序列。
本发明者已实现了确认上述效果的，且随着脉冲能量变化预测本系统无序的周期加倍路由的本系统数值模型。
图6a到6f示出了本系统数值模型的结果。
图6a示出了当此输入脉冲流有1.5GHz重复速率时系统的行为。此放大器e-1恢复周期为0.3ns。在此位速率时，脉冲间的间隔大大超过此恢复时间，因此在没有位对位的相互影响时，输出为具有与反馈通道的延迟长度相对应的周期的组的形式。然而，随着位速率的增加，即位间隔的减小，相邻脉冲间的相互影响开始发生。
图6b示出了它的开始。在脉冲4中，此放大器尚未从与脉冲3相关联的载流子数量的明显减少中完全恢复。从而脉冲4的幅度与脉冲3和后续脉冲相比变小。
图6c示出了在2.8GHz，后续位之间的相互影响引起自发的时钟分割。不是整个组被转换并被输出，而是脉冲仅轮流地被转换。
如图6d所示，这种行为随着此位速率进一步上升到3GHz时被保持。
如图6e所示，在4GHz左右此时钟分割行为随着其他动态处理开始活动而开始中止。在4.2GHz(图6f)这些其他处理开始占据主导且此时钟分割行为实质上丢失。
在产生时钟分割行为中的关键参数是此脉冲速率和此放大器e-1恢复速率的比值。对于最优的时钟分割行为，这些速率应该基本相等，尽管如在上面的例子中阐述的那样，精确的比值不是关键的，当恢复速率和脉冲速率的比值大体相当时，时钟分割将在比值的一定范围内发生。例如，如上所示，时钟分割可以继续直到此脉冲偏离e-1恢复速率多于30％时为止。
图7a和7b描绘了上面描述的第一个电路的实施例，即一个有和单个位周期长度相等的短反馈通道的电路。在这个例子中，此非线性门是一个使用一集成Mach-Zehnder结构的干涉装置。此电路在一Ⅲ-V半导体基片中形成，在此例子中是磷化铟。限定光信号通道的波导利用脊波导结构组成。Mach-Zehnder的MZ部分包括两条臂，其偏移为确定转换窗口长度的长度Lsw。半导体光放大器SOA1与这两条臂的每一条集成起来。每条臂中的SOA可被独立地控制。来自于这两条臂的信号被反馈到Soldano等的题为“Planar Monomode Optical Couplers Basedon Multimode Interference Effects”的论文(发表于Joumnal of LightwaveTechnology,10,No.12,1992年12月，pp 1843-1850)中描述的多模式干涉耦合器类型的输出耦合器OC上。这耦合MZ级的输出到两个与图1中示出的设备的输出端口O1和O2功能相对应的输出端口OP3和OP4上。至此MZ门的反馈信号由通过在输出端口O4处波导面提供反射涂层而形成的镜面提供。到输出端口O4的臂上的另一个放大器SOA2放大反射信号，该信号然后被反馈回Mach-Zehnder的MZ部分中的放大器SOA1。·此反射信号作为控制输入确定SOA1的状态。为了减少损失，此结构可以使用带有在用于模式转换的波导的不同区域中形成的锥体的深和浅腐蚀无源波导的组合。
在这种结构中，围绕此转换的反馈通道的总长度LTOT由公式LTOT=LOUT+LSW+LMMI+LF+Lb+1/2(La+Lb)给出。在这个例子中，LTOT接近900μm，在折射率为3.5时与延迟10ps相对应。这依次对应于位速率为100GHz时的一单个位延迟。
图7b是穿过图7a中线XX的断面图。它示出了在MZ部分的上臂中波导的部分，包括SOA的部分。此SOA是一多量子井(MQW)装置，渐消失地耦合到此波导层。此波导层形成为-InGaAsP量子层。
在图2的电路中适合于用作非线性元件的另一可选SOA是一大的光点直径放大器。大的光点直径的使用允许对从光纤输入和输出的光束进行更简单更高效的耦合。这个大的光点直径放大器也有一阻止激光发生的角平面。这个大的光点直径放大器在A E Kelly,I F Lealman,L JRivers,S D Perrin和Mark Silver所写的“Polarisation insensitive,25dB gainsemiconductor laser amplifier without antireflection coatings”(ElectronicLetters,Vol.32,no.19,1996年9月，pp 1835-1836)和“Low noise figure(7.2dB)and high gain(29 dB)semiconductor optical amplifier with a single layerAR coating”(Electronics Letters,Vol.33,no.6,1997年3月，pp 536-538)中被描述。尽管特别适合于在图2中的混合电路中使用，这个放大器类型可能也被包括在集成结构如图7中所示的那些中。
另一可选的放大器，适合于在本发明的混合和集成实施例中用作非线性元件的是一个大的带陷SLA(半导体激光放大器)。α因子，即在此放大器中相改变和幅度改变的比值，是此信号波长的强函数。此α的值在波段边缘处渐近地增长。一个大的α因子对于TOAD操作来说是期望的。使用一个带有大带陷的装置带来更接近于波段边缘的操作波长如1547nm和1536nm并因此给出一更大的α。此波段边缘在MQW装置中被更清晰地限定。在本例子中，此光放大器是一个7井MQW装置。这个井由未紧缩的InGaAs构成且此势垒层是1％的伸一缩InGaAs。它有一个1.553微米的光致发光波长且这个波长广泛地对应于此波段边缘。
图8示出了一个适合于与一个位周期反馈延迟一起使用的电路的第二个例子，尽管通过使用上面描述的初始编程阶段它也可被用于多个一个位周期的反馈延迟。在这个例子中，非线性门包括激光腔81中的包含一半导体增益介质83的一饱和吸收器82。此饱和吸收器82可以是，例如，离子注入InGaAsP且整个装置可作为一集成半导体结构被形成。在这个例子中，此激光器的一个腔镜部分反射1且都提供一输出端口，并也将光反射回此饱和吸收器中以提供反馈通道。在此例子中定义此腔的其它镜子，是一反射光栅结构，也用于调节此腔到一特定波长。在以前讨论的环形镜例子中，此饱和吸收器提供一依赖光强的非线性性，它的响应时间相比位间隔要慢。响应时间典型地为10或100皮秒。从此输出反射回来的反馈信号偏置此吸收器以使其根据此反馈信号的值吸收或传输。放大器83，在这个例子中与吸收器一起被形成，提供此反馈通道中信号的放大。
图2示出了与上面概述的第二和第三方案相关的另一实施例。此例子中的转换由TOAD配置光纤环形镜形成。此情况下的光源是一操作在1.55μm的漂移抑制增益转换分布式反馈激光器21，并产生一20ps持续时间的2.5GHz的脉冲串。此脉冲串通过第一个掺铒光纤放大器22和一滤波器23。此脉冲串在放大和滤波后被注入到此光纤环形镜中。一SOA在此环中被定位且在空间上偏离此环中心大约3cm，以给出一150ps左右的转换窗口。这个环包括一50∶50光纤耦合器25。两个极化选择光纤耦合器26,27被用于此环中以产生并滤去此正交极化转换脉冲。这些脉冲则作为此SOA的转换脉冲。为此转换的脉冲平均功率为2.5mW左右，为2.5GHz，对应于每个脉冲为1pJ左右。因为光纤长度是固定的，相对于环中的脉冲，转换脉冲在SOA处的相对到达时间通过调节源的重复速率可以被改变。此重复速率也用于改变反馈环中的总脉冲数目。被此环形镜反射的脉冲在其线性操作模式中被放大，极生旋转并作为转换脉冲反馈到环中。一光环形器24用于选择被反射脉中，后者接着被第二掺铒光纤放大器28所放大并被滤波器29滤波。光纤极化控制器被用于定义在电路的不同部分中脉冲的极化状态。
图3示出了输入脉冲串(a)的暂时输出和当此反馈通道包含奇数个脉冲时的环形输出(b)。这个时钟分割操作可被清晰地看到。此输出的消失比值与此环的消失相对应为15dB左右，暂时输出在几个小时之内是极其稳定的。此脉冲串的相应微波光谱在图4a和4b中被示出。此时钟分割光谱包含极其狭窄的为输入脉冲串一半频率的谐振，指示此时钟分割模式是一纯粹的一分为二的操作。当反馈通道中的脉冲数目为偶数时，更复杂的行为被观测到，且此微波光谱变得更结构化。和上面解释的一样，固定时钟分割仅当奇数个脉冲数目时被实现。
在线速率2.5GHz处，图2中的电路展示了如上所讨论的自发时钟分割。然而，此电路也可以被用在时钟分割不能自发发生的另一时钟速率。需要引入一已讨论的初始编程阶段，长度等于此延迟通道并具有格式“101010….”的编程帧被用于初始化此电路。
本发明的进一步扩充在图9中被概要地示出。这里一系列与图1中通常对应的n个时钟分割电路91ⅰ-ⅲ被串联使用以提供被2n整除的分割。在n等于3的本例中，输出脉冲流的时钟速率是此输入位速率的1/8。这个例子示出了用于一8通道分路器范围内的时钟分割电路。时钟分割对诸如分路器的应用来说是一项重要的功能，因为通常需要时钟速率是线速率的因数，而在一些全光时钟恢复方案中，被恢复的时钟处在起始线速率上。图中示出的时钟恢复速率级92可以是，例如在Patrick D M和Manning R J的论文“20Gbit/s All-optical Clock Recovery UsingSemiconductor Non-linearity”(Electron.Lett.1994,30,00 151-152)中描述的那样。
尽管上面阐述的例子的线速率为2.5GHz，本发明也可以用于更高的位速率。SOA的使用期可以被控制以利用适当的电偏置，和Manning等人在论文“Enhanced Recovery Rates in Semiconductor Amplifiers UsingOptical Pumping”(Electron.Lett.1994,30,pp 787-788)和“Recovery Ratesin Semiconductor Laser Amplifiers:Optical and Electrial BiasDependencies”(Electron Lett.1994,30,pp 1233-1234)中描述的一光偏置信号的注入，来建立自发时钟分割的正确条件。
利用P.A.Andrekson,N.A.Qlsson,J R Simpson,D J Giovanni,P AMorton,T Tanbun-Ek,R A Logan和K W Wecht在光纤通信vol.5,1992OSA技术摘要系列(Optical Society ofAmerica,Washington D.C.1992)的论文PD8中公开的半导体技术和A Takada,K Aida和M Jinno在光纤通信vol.4,1991 OSA技术摘要系列的(Optical Society of America，Washington D.C.1992)论文TuN3中公开的混合集成技术，可能设计确定的电路来减小延迟到几十个ps并实现接近100GHz速率的光处理。
权利要求
1.一种从一较高时钟速率的光信号流中获取一被分割时钟速率的时钟信号的方法，包括a)将一光信号流施加到一全光非线性门，该门包括一非线性元件；b)将来自所述全光非线性门一输出的光信号反馈到所述非线性元件；且c)从该全光非线性门处以被分割时钟速率输出一光信号。
2.根据权利要求1的方法，其中光信号流被施加到一干涉非线性光门上。
3.根据权利要求2的方法，其中该干涉非线性门包括一非线性环形镜(NOLM)。
4.根据权利要求3的方法，其中NOLM里的非线性元件是一半导体光放大器(SOA)。
5.根据权利要求2的方法，其中该光信号流被施加到集成MachZehnder干涉仪的一输入端口上且其中该非线性转换元件是位于集成Mach Zehnder干涉仪的至少一个臂中的半导体光放大器(SOA)。
6.根据上面任一权利要求的方法，其中与光反馈通道(2,3,4)相关联的延迟周期等于光信号流中位与位之间的周期。
7.根据权利要求1到5中任意之一的方法，还包括对该门编程的初始阶段，其中通过向该门输入具有预定位模式且长度足够填充该门和反馈通道的一脉冲组，来实现时钟分割。
8.根据权利要求1到3中任意之一的方法，其中该非线性元件是一个半导体光放大器(SOA)，且此方法包括通过用与半导体光放大器e-1恢复速率相对应位速率的光信号流驱动此半导体光放大器，在非线性门中引发自发时钟分割。
9.根据前面权利要求中任意一个的方法，还包括从该门将被分割时钟速率的所述光信号输出施加到一另外的全光非线性门的输入，将来自于该另外的门的输出的一光信号反馈到该另外的门的非线性元件上，并以进一步细分的时钟速率从该另外的门输出一光信号。
10.根据权利要求1的方法，其中该信号流被引入到一激光器的光腔中，该激光器包括被设置来完成所述非线性元件作用的饱和吸收器。
11.一时钟分割电路，包括(a)一全光非线性门(1)，包括被安排来接收较高时钟速率的光信号流的一光输入，一光输出，在光输入和光输出之间连接的一非线性元件；和(b)从该门的输出到该非线性元件的光反馈通道，使用中一光信号以被分割的时钟速率从该门被输出。
12.根据权利要求11的时钟分割电路，其中该门是一干涉非线性光门。
13.根据权利要求12的时钟分割电路，其中此非线性光门是一环形镜(NOLM)。
14.根据权利要求11到13中任意之一的时钟分割电路，其中该门的非线性元件是一半导体光放大器(SOA)。
15.根据权利要求14的时钟分割电路，其中该非线性门包括一集成的Mach Zehnder干涉仪，且其中该非线性转换元件是位于集成的Mach Zehnder干涉仪至少一个臂中的半导体光放大器。
16.根据权利要求11到15中任意之一的时钟分割电路，包括至少一个另外的全光非线性门，其输入连接到第一个光门的输出，并包括一从该另外的门的输出到该另外的门的非线性元件的反馈通道，在使用中该另外的门以进一步细分的时钟速率输出一光信号。
17.根据权利要求11的时钟分割电路，其中该全光非线性门是一激光器，并钖包括于此激光器的光学腔中作为非线性元件的饱和吸收器。
18.包括根据前面权利要求中任意一个的时钟分割电路的时分多路复用器或分路器。
19.一种基本上如参考附图所描述的时钟分割电路。
全文摘要
从一高时钟速率的光信号流中获取一被分割时钟速率的时钟信号。高时钟速率的光信号流被施加到一全光非线性门。从该门的第一输出到它的控制输入存在着一反馈。被分割时钟速率的光信号出现在该门的第二输出处。这个门可以包括一非线性环形镜。多个这样的门可以被串行级联以在被文档编号H01S5/00GK1218558SQ97194509
公开日1999年6月2日 申请日期1997年4月30日 优先权日1996年5月8日
发明者罗伯特·约翰·曼宁, 阿利斯泰尔·詹姆斯·波斯蒂, 尤利安·卡齐米日·卢采克 申请人:英国电讯有限公司