专利名称：配有采用全光学时钟恢复接收机的光传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括一个通过一个光传输媒体向一个接收机发送光脉冲的发射机的光传输系统，接收机包括一个产生频率与从传输媒体接收的光脉冲的脉冲频率有关的光脉冲序列的光时钟恢复装置，光时钟恢复装置包括一个光放大器，它的输入端通过一个反馈回路接到它的输出端，所述反馈回路包括一个非线性器件，光时钟恢复装置包括一个注入从光传输媒体接收的光信号的注入装置。
本发明还涉及光接收机、时钟恢复装置和非线性光器件。
从W.A.Pender等人的论文“10Gbit/s的全光学再生器”(“10Gbit/s all-optical regenerator”in Electronics Letter31st August 1995，Vol.31，No.18，PP.1587-1588)中可以看到这样的一个传输系统。
由于诸如激光器、调制器、多路复用器和多路分路器之类的光学器件的改善，光传输系统的传输率迅速增大，已达到所使用的诸如光电检测器和调制器之类的电子器件的处理能力的极限。为了克服这个限制，倾向于采用时分多路复用，多个比特率例如为10Gbit/s的光信号多路合并成一个较高比特率例如为40Gbit/s的光信号。这种多路合并可以完全用光学装置执行。
在接收机中，接收到的光信号必需用光学装置进行多路分路，因为利用电子器件处理比特率这样高的信号是十分困难的。这种光多路分路需要有一个光时钟信号。由于这个时钟信号必需与所接收的输入信号同步，因此接收机包括时钟恢复装置，用来从所接收的信号中提取所需的光时钟信号。在上面提到的这篇论文所揭示的光传输系统中，使用的是只用光学器件的时钟恢复装置。
上述论文中的时钟恢复系统是基于对一个注入所接收的光信号的环形激光器进行的模式锁定。环形激光器包括一个光放大器，它的输出端通过一个反馈回路接至它的输入端。模式锁定是一种导致产生重复频率为放大器和反馈回路构成的组合的往返行程延迟的倒数的倍数的光脉冲的现象。这种现象是由反馈回路中的非线性振幅和相应传递引起的。为了获得所述非线性振幅和相位传递，在反馈回路内配置有一个非线性元件。
在上述论文所提出的传输系统中，非线性元件是1Km色散移动光纤，后接一个极化器。第一非线性效应包括极化状态的改变取决于在1Km色散移动光纤内的光信号振幅。第二非线性效应是在光纤中的相移取决于光纤中的振幅。极化器调整成它只通过极化状态与一个大振幅信号的极化状态相应的光信号。
上述论文中的时钟恢复系统的一个问题是需要1Km的光纤，这使得所述系统的集成不可能。
本发明的目的是提供一种按前言所述的传输系统，其中的接收机可以比现有技术的小得多。
为了达到所述目的，本发明具有以下特征所述非线性元件包括一个四端口耦合器，它的两个端口接在反馈回路内，而另两个端口接在一个次级回路内，所述耦合器用来将一个第一光信号耦合入次级回路的一个第一支路和将一个第二光信号耦合入次级回路的一个第二支路，而所述次级回路用来使第一和第二光信号在再进入耦合器时相互的干涉取决于信号电平。
利用一个次级回路，使两个光信号在其中沿相反方向传播，从而能用取决于电平的所述两个光信号之间的干涉进行非线性操作。例如，如果对于一个第一光信号电平发生的是非对消性干涉而对于一个第二电平发生的是对消性干涉，那么就可以得出非线性元件使具有第一电平的信号通过，而使具有第二电平的信号衰减。本发明的非线性器件可以比现有技术的传输系统中所用的非线性器件小得多。
L.Adams、E.Kintzer和J.Fujimot的论文“利用具有半导体非线性的模式锁定8字形激光器的全光学时钟恢复”(“All-opticalclock recovery using a modelocked figure eight laser with asemiconductor non-linearity”in Electronics LettersNo.20，Vol.30，29 Septembr 1994)揭示了一种其中利用了一个主级回路和一个次级回路的光时钟恢复系统。然而，在这种系统中，接收机的输入信号注入放大器的次级回路而不是反馈通路。结果，激光器在没有输入信号时，将不是模式锁定的，所产生的将是一个CW信号。这在时域多路复用系统中通常是不希望的，因为这使输入信号通过，送至所有的分支输出端。也已发现，与本发明提出的系统相比，“8字形”激光器的脉冲率较低而脉冲宽度较大。
本发明的一个实施例的特征是次级回路的第一支路接至另一个光放大器的一个第一端口，次级回路的第二支路接至这个光放大器的一个第二端口，而次级回路的这两个支路的延迟值是不同的。
进入耦合器的一个光脉冲将分成两个光脉冲在次级回路内在相反的方向上传播。通过具有较短延迟值的支路的光脉冲将较早到达放大器。
如果这个光脉冲的电平超过一个给定电平，放大器将饱和，从而增益下降。在第二个脉冲到达放大器时，受到放大的放大因子要比第一个脉冲的小。因此，这两个光脉冲在再进入耦合器时将具有不同的振幅。此外，由于在放大器中所受到的相移与振幅有关，所以相位也将不同。如果这个相位差选择适当，那么就可在耦合器内发生非对消性的干涉。
如果光脉冲的电平低，放大器就不受光脉冲的影响。于是，两个脉冲经过在次级回路内的传播后仍然相等。如果耦合器的特性选择正确，那么对于这样的低电平脉冲就可发生对消性的干涉。
本发明的另一个实施例的特征是次级回路的两个支路的振幅传递因子是不同的。
通过使次级回路的两个部分的振幅传递函数不同就可防止放大器也被第二个脉冲饱和，从而使放大器可以更快恢复。这样就能得到一个更快的非线性器件。
本发明的又一个实施例的特征是次级回路包括一个衰减器，用来使次级回路的第一支路的振幅传递因子与次级回路的第二支路的振幅传递因子不同。
通过利用一个衰减器使次级回路的两个部分具有不同的振幅传递因子可以充分减小次级回路的尺寸，因为不同的衰减因子并不需要用不同长度的光纤来得到。
下面将结合
本发明，在这些附图中图1示出了按本发明构成的传输系统；图2示出了按本发明构成的时钟恢复系统；图3示出了在次级回路内相反方向传播的脉冲的示意图；以及图4示出了本发明的时钟恢复系统的输出信号的频谱。
在图1所示传输系统的发射机2中，激光器8产生一个连续的光脉冲流。这些光脉冲在分支比特率为10Gbit/s的情况下重复周期为100ps。如果需要将四个分支信号时分多路复用，激光器产生的光脉冲的宽度必需小于25ps，这样才能将回路脉冲时分多路合并在一起。
激光器8的输出端与功率分配器10的输入端连接，它将它的输入信号分成四路相等的输出信号。功率分配器10的第一输出端接至振幅调制器16的一个输入端。振幅调制器16根据加在它的输入端A上的10Gbit/s数字信号让或不让激光器8产生的脉冲通过。
功率分配器10的第二输出端接至振幅调制器18的一个输入端。振幅调制器18根据加在它的输入端B上的10Gbit/s数字信号让或不让激光器8产生的脉冲通过。功率分配器10的第三输出端接至振幅调制器20的一个输入端。振幅调制器20根据加在它的输入端C上的10Gbit/s数字信号让或不让激光器8产生的脉冲通过。
功率分配器10的第四输出端接至振幅调制器22的一个输入端。振幅调制器22根据加在它的输入端D上的10Gbit/s数字信号让或不让激光器8产生的脉冲通过。
振幅调制器16的输出端接至时分多路复用器24的直接与它的输出端连接的第一输入端。振幅调制器18的输出端接至时分多路复用器24的通过一个具有25ps延迟的延迟元25与它的输出端连接的第二输入端。振幅调制器20的输出端接至时分多路复用器24的通过一个具有50ps延迟的延迟元19与它的输出端连接的第三输入端。振幅调制器22的输出端接至时分多路复用器24的通过一个具有75ps延迟的延迟元21与它的输出端连接的第四输入端。
为了使时分多路复用器正确工作，加到调制器16、18、20和22的10Gbit/s信号都应与同一个10GHz时钟信号同步。由于光时分多路复用器24的各支路中的延迟值的不同，来自各调制器的同时出现在时分多路复用器24的相应输入端的光脉冲分别受到递增25ps的延迟。这使得在时分多路复用器24的输出端可以得到一个各路相隔25ps的光时分多路复用信号。
可以看到，多路复用器24的所有四个支路都能包括一个延迟元。唯一的要求是延迟值递增25ps。广而言之，延迟值增量应为Tbit/N，其中，Tbit为分支信号的比特周期，而N为多路复用的信号数。
时分多路复用器24的输出端接至使光信号具有足以通过传输链路4传输到接收机6的功率的光放大器26。
在接收机6中，从传输媒体接收到的光信号加到功率分配器28上。功率分配器28将输入的光信号分为两部分，第一部分送至光时分多路分路器30，第二部分送至光时钟恢复系统48。
光时钟恢复系统48用来恢复等于各分支信号码元率的时钟信号。如果光输入信号的复合比特率为40Gbit/s，时钟恢复系统48就配置成产生多个频率为10GHz、相互相位不同的时钟脉冲。
在光时分多路分路器30中，从功率分配器28接收到的光信号分为四个相等的部分，分别送至四个光控光开关32、34、36和38。光控光开关32、34、36和38可以做成所谓的TOAD环，这是在本领域工作的人员所周知的。
时钟信号E、F、G和H分别加到光控光开关32、34、36和38的控制输入端上。光控光开关32、34、36和38配置成只有在各自的控制输入端上有光脉冲时才让光输入信号通过，加到各自的输出端上。由于时钟恢复系统给出相互相移的脉冲，因此这些光控开关以时分方式接通。如果控制脉冲加到光控放大器的时间与接收到的光信号的比特率同步，每个光控光开关都在有时域多路分路脉冲到达的时刻让信号通过。这样，在各光控光开关32、34、36和38的输出端上分别可以得到各分支的光信号。
所述各分支光信号分别加到相应的光电检测器40、42、44和46上。光电检测器40、42、44和46从各自的光输入信号分别得出电信号A’、B’、C’和D’。
可以看到，时钟恢复系统的输入端也能接至光控光开关之一的输出端，如图1中的虚线所示。这个光控开关将按照来自时钟恢复系统的自由时钟信号有规律地通、断。如果一个加在所述光控光开关的输入端上的脉冲与光开关打开时刻一致，那么这个脉冲将加到时钟恢复系统的输入端，使时钟恢复系统相对这个脉冲锁定。
在图2所示的光时钟恢复系统中，输入信号K送至在此为3dB耦合器56的一个端口的注入装置的输入端。3dB耦合器56配置在接在光放大器50的输入端和输出端之间的反馈回路内。反馈回路包括极化控制器52、与次级回路耦合的耦合器54、耦合器56和可调延迟器51。可以看到，在采用集成波导的情况下不需要有极化控制器，因为集成波导只允许一种极化状态可以传播。
次级回路61起着一个饱和吸收器的作用。它让振幅超过一个预定值的光脉冲通过，而不让振幅较小的光脉冲通过。反馈回路和次级回路合在一起的往返行程延迟应等于从发射机2接收到的光信号的码元周期的倍数。
光放大器50和反馈回路合在一起构成了一个激光振荡器，在接通时就开始振荡。回路内光信号强度的局部(脉冲状)扰动由于饱和吸收器61的非线性操作得到增强，变换成一个具有较高峰值强度和较小宽度的脉冲。这个使脉冲变窄的过程一直继续到脉冲窄到它的频谱过宽而不能有效通过放大器50为止。这将形成一个较宽而较低的脉冲。这种在光放大器50和吸收器61之间的相互作用将产生一个光脉冲流。光脉冲的重复频率将为与往返行程延迟相应的频率的倍数。在本发明的系统中，这个倍数可以是1000。
光脉冲的波长由多种因素确定，如系统内的线性调频(即光脉冲持续期内波长的变动)、回路的色散和放大器的增益曲线等。放大器和反馈回路的组合将本身调整成使得在反馈回路输入端的脉冲将以同样的频谱和形状返回到光放大器50的输出端。由放大器50和饱和吸收器61引起的线性调频可以由光纤的色散补偿，使往返行程增益为1。极化控制器52用来保证光信号的极化在光信号通过放大器50和反馈回路后保持不变。
饱和吸收器61包括一个将进入一个端口的信号分成两个振幅相等、相位差90°的光信号的3dB、90°四端口耦合器54。由放大器50提供的、经极化控制器到达四端口耦合器54的一个光脉冲分为两个相位差90°的光脉冲。这两个光脉冲注入次级回路，将分别沿相反方向通过次级回路。这两个光脉冲通过次级回路后进入四端口耦合器54，重新合并在一起。
如果注入四端口耦合器的光脉冲的振幅小，注入次级回路的两个脉冲所受到的传递函数是相同的。由于在将脉冲注入次级回路时耦合器引进的90°相移和在耦合器54内的附加90°相移，两个光脉冲将进行对消性干涉，因此在耦合器的90°输出口将没有输出脉冲。如果注入次级回路的两个光脉冲的振幅大，那么它们所受到的传递函数是不同的。
次级回路61的包括极化控制器64的第一支路要比次级回路61的包括衰减器60和可调延迟器58的第二支路短一些。因此，通过次级回路的第一支路传播的光脉冲将早些到达放大器62。这个光脉冲将得到放大，放大器62将被饱和而增益下降。增益下降还引起光放大器62内发生的相移减小。
在(经衰减)光脉冲经次级回路的第二支路到达放大器62时，这个光脉冲看到的是一个具有较小增益和较小相移的放大器。由于两个脉冲现在经历了不同的相移，因此它们在耦合器54重新合并时就不是对消性的干涉。通过调整可调延迟器58和选择适当的衰减器60的衰减因子，(根据实验)选择适当的次级回路两个支路延迟差值，可以使两个脉冲的前沿相消性干涉而使两个光脉冲的峰值和后沿相助性干涉。这样就能减小由于两个脉冲通过次级回路后再合并得到的脉冲的宽度。减小宽度就可以得到较宽的频谱，这正是对由放大器50和反馈回路构成的激光器正确进行模式锁定所要求的。
次级回路的主支路具有6dB的衰减，而次级回路的次支路具有16dB的衰减。放大器62调整成增益为20dB，长度为与8ps的延迟相应的0.8mm。它的饱和输出功率为10dBm，线宽增强因子为8，载流子寿命为200ps。已经用不同的放大器做了一些实验。在放大器50在1280nm具有最大增益和放大器62在1310nm具有最大增益的情况下，这种时钟恢复系统产生了波长为1330nm的恢复时钟脉冲。在两个放大器都在1280nm具有最大增益的情况下，再生的时钟脉冲的波长小于1320nm。在这两种情况下，时钟恢复系统的输入信号的波长都为1304nm。
次级回路内配置的极化控制器64用来保证沿次级回路61传播的光脉冲在再进入耦合器54时它们的极化具有适当的状态。
所恢复的时钟信号一部分由3dB耦合器56从反馈回路中取出。带通滤波器57配置成用来从3dB耦合器56的输出信号中滤出波长为1330nm的所恢复的时钟信号。带通滤波器57的输出端接至功率分配器59的输入端。功率分配器59将它的输入信号分成四个相等的部分。功率分配器59的第一输出端接至光时钟恢复装置48的输出端E。功率分配器59的第二输出端通过具有25ps延迟的延迟元65接至时钟恢复装置48的输出端F。功率分配器59的第三输出端通过具有50ps延迟的延迟元63接至时钟恢复装置48的输出端G，而功率分配器59的第四输出端通过具有75ps延迟的延迟元61接至时钟恢复装置48的输出端H。由于用了延迟元61、63和65，使在输出端E、F、G和H上的输出脉冲相继位移了25ps。
图3中的曲线图70示出了光脉冲经次级回路的主支路传播到放大器62的输入端的振幅时间函数。曲线图72示出了光脉冲经次级回路的次支路传播到放大器62的输入端的振幅时间函数。比较曲线图70和72可见，通过次级回路的主支路传播的脉冲到达放大器62要比通过次支路传播的脉冲早。此外，图70所示的光脉冲的振幅是图72所示的光脉冲的振幅的10倍。
这些脉冲对放大器62的增益的影响示于曲线图74。在曲线图74中可以看到放大器62的增益在第一个脉冲通过后迅速下降。第二个脉冲通过放大器时所受到的相移也减小。还可以看到，第二个脉冲对放大器62的增益没有什么影响，因为它的振幅小得多。这两个脉冲的前沿相消性干涉，但由于改变的相移，这两个脉冲的其余部分却是相助性干涉。这样，就使离开耦合器的脉冲变窄。相助性干涉可以意味着两个脉冲精确同相相加，但也可意味着以一种能得出有意义结果的方式相加。
图4示出了这种时钟恢复系统的输出信号的频谱。从中可见在波长为1304nm处的输入信号和在波长为1330nm处的所恢复的时钟信号，由于在波长1330nm左右的频谱很宽，因此这种时钟恢复系统产生相当窄的脉冲。
权利要求
1.一种包括一个通过一个光传输媒体向一个接收机发送光脉冲的发射机的光传输系统，其中接收机包括一个产生频率与从传输媒体接收的光脉冲的脉冲频率有关的光脉冲序列的光时钟恢复装置，光时钟恢复装置包括一个光放大器，它的输入端通过一个反馈回路接到它的输出端，所述反馈回路包括一个非线性器件，光时钟恢复装置包括一个将从光传输媒体接收的光信号注入反馈回路的注入装置，所述光传输系统的特征是所述非线性器件包括一个四端口耦合器，它的两个端口接在反馈回路内，而另两个端口接在一个次级回路内，所述耦合器用来将一个第一光信号耦合入次级回路的一个第一支路和将一个第二光信号耦合入次级回路的一个第二支路，而所述次级回路用来使第一和第二光信号在再进入耦合器时的相互干涉取决于信号电平。
2.按权利要求1所述的光传输系统，其特征是所述次级回路的第一支路接至另一个光放大器的一个第一端口，次级回路的第二支路接至这个光放大器的一个第二端口，而次级回路的这两个支路的延迟值是不同的。
3.按权利要求1或2所述的光传输系统，其特征是所述次级回路的两个支路的振幅传递因子是不同的。
4.按权利要求3所述的光传输系统，其特征是所述次级回路包括一个衰减器，用来使次级回路的第一支路的振幅传递因子与次级回路的第二支路的振幅传递因子不同。
5.按权利要求2、3、4之一所述的光传输系统，其特征是所述另一个光放大器包括一个半导体放大器。
6.一种接收来自一个光传输媒体的光信号的光接收机，所述接收机包括一个产生频率与从传输媒体接收的光脉冲的脉冲频率有关的光脉冲序列的光时钟恢复装置，光时钟恢复装置包括一个光放大器，它的输入端通过一个反馈回路接到它的输出端，所述反馈回路包括一个非线性器件，光时钟恢复装置包括一个将从光传输媒体接收的光信号注入反馈回路的注入装置，所述光接收机的特征是所述非线性器件包括一个四端口耦合器，它的两个端口接在反馈回路内，而另两个端口接在一个次级回路内，所述耦合器用来将一个第一光信号耦合入次级回路的一个第一支路和将一个第二光信号耦合入次级回路的一个第二支路，而所述次级回路用来使第一和第二光信号在再进入耦合器时的相互干涉取决于信号电平。
7.按权利要求6所述的光接收机，其特征是所述次级回路的第一支路接至另一个光放大器的一个第一端口，次级回路的第二支路接至这个光放大器的一个第二端口，而次级回路的这两个支路的延迟值是不同的。
8.按权利要求6或7所述的光接收机，其特征是所述次级回路的两个支路的振幅传递因子是不同的。
9.一种产生频率与光输入信号的脉冲频率有关的光脉冲序列的光时钟恢复装置，所述光时钟恢复装置包括一个光放大器，它的输入端通过一个反馈回路接到它的输出端，所述反馈回路包括一个非线性器件，光时钟恢复装置包括一个将从光传输媒体接收的光信号注入反馈回路的注入装置，所述光时钟恢复装置的特征是所述非线性器件包括一个四端口耦合器，它的两个端口接在反馈回路内，而另两个端口接在一个次级回路内，所述耦合器用来将一个第一光信号耦合入次级回路的一个第一支路和将一个第二光信号耦合入次级回路的一个第二支路，而所述次级回路用来使第一和第二光信号在再进入耦合器时的相互干涉取决于信号电平。
10.一种非线性光学器件，其特征是所述非线性光学器件包括一个四端口耦合器，它的两个端口接在一个传波回路内，所述耦合器用来将一个第一光信号耦合入传波回路的一个第一支路和将一个第二光信号耦合入传波回路的一个第二支路，而所述传波回路用来使第一和第二光信号在再进入耦合器时的相互干涉取决于信号电平。
全文摘要
在一种光传输系统中,发射机(2)产生一个时分多路复用脉冲序列,通过光传输媒体(4)发送给接收机(6)。在接收机(6)中,所接收的光多路复用信号加到光多路分路器(30)和时钟恢复装置(48)上。时钟恢复装置(48)产生光时钟脉冲,用来控制光控光开关(32,…,38),对光信号进行多路分路。光时钟恢复电路基于由所接收的光信号加以模式锁定的激光器。模式锁定激光器包括一个光放大器(50),它的输出端由包括极化控制器(52)、饱和吸收器(61)、耦合器(56)和可调延迟器(51)的反馈回路接至它的输入端。饱和吸收器(61)包括与一个次级回路连接的3dB、90°耦合器(54)。所述次级回路包括衰减器(60)和放大器(62)。放大器(62)不对称地配置在次级回路内。由于次级回路内的非线性,在次级回路内传播的光脉冲在信号电平低时相消干涉,而在信号电平高时相助干涉。
文档编号H04B10/67GK1262826SQ99800145
公开日2000年8月9日 申请日期1999年1月28日 优先权日1998年2月16日
发明者R·C·J·斯梅茨, J·J·E·里德 申请人:皇家菲利浦电子有限公司