一种光通信系统中的时钟提取系统及时钟提取方法

摘要

本发明公开了一种光通信系统中的时钟提取系统及时钟提取方法，该系统包括时钟提取装置和混码器，所述混码器将输入的光信号脉冲处理后输入时钟提取装置，该混码器为两个光纤耦合器之间设置多路延时线，所述延时线一端连接于输入耦合器的输出接口，另一端连接于输出耦合器的输入接口，延时线之间的延时差为所传输光信号脉冲周期的整数倍。本发明中时钟提取的方法为将光信号脉冲输入混码器的输入端，混码器对光信号脉冲进行处理，由其输出端将处理后光信号脉冲输出给时钟提取提取装置。其中混码器先将输入光信号脉冲分为多路，再对上述多路光信号脉冲进行延时，最后将延时后的多路光信号脉冲叠加输出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光通信系统中的设备及应用方法，尤其涉及一种光通信系统中的时钟提取系统及时钟提取的方法。

背景技术

目前在光通信系统中，信号的处理、交换、及存储均采用光/电-电/光的转换方式。光与电两次转换，增加设备的复杂程度和成本。减少在传输链路中的光电转换单元，可以降低设备的复杂程度和成本。具有光电转换单元的光通信系统的另一问题是通信系统的速率受电子器件响应速度的限制，使系统的速率仅限于40Gb/s以下。在提高速率的要求日益高涨的今天，提高系统速率的途径是将信号处理保持在光域上进行，这样的系统就称为全光通信系统。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，如再生系统，时分交换系统，解复用器等的时候，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。全光时钟提取装置的功能就是无需将光信号进行光电变换就能从光信号中提取出光时钟脉冲。

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接收到的光信号脉冲。光信号脉冲的光谱中有等于时钟频率的谱线，这说明光信号脉冲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设备所产生的脉冲，使其重复频率也等于接收到的光信号脉冲的重复频率，这就是时钟脉冲。但是光信号脉冲中时常出现过长的连零码，过长的连零码会导致时钟提取设备失去赖以同步的时钟信息，这是一个严重的问题。

为解决这个问题，现有技术中采取的方法包括了预处理法及后处理法两大类。

预处理法是指对光信号脉冲先进行处理，然后才进入时钟提取装置进行时钟提取。因其工作程序是先处理后提取，故称为预处理法。如图1所示，将F-P滤波器连接于时钟提取装置之前，对光信号脉冲进行预处理，以产生脉冲幅度参差不齐的“类时钟码”，从而减少脉冲中的连零码的个数，使时钟提取装置提取出质量较好的时钟脉冲。

透射谱是F-P滤波器的重要特性，F-P滤波器的透射谱为梳状谱，如图2所示。透射谱中相邻的两透射峰之间的频率间隔为F。如果用一极窄的光单脉冲射入F-P滤波器，此极窄的光单脉冲的谱宽接近于无限宽，则F-P滤波器的输出光的光谱特性与F-P滤波器的透射谱相同。由理论分析，知其对应的时域函数为一光脉冲串，脉冲时间间隔为T＝1/F，脉冲的频率为f＝1/T＝F，与F-P滤波器各窗口的频率间隔相等。这就是说一单独脉冲可以激发出一串脉冲。由于实际情况是非理想的，故脉冲串的幅度逐渐衰减，甚至很快就消失。这一现象与电学上谐振腔对电脉冲的作用相似。当一单独的电脉冲输进谐振腔或谐振回路时，谐振腔能够输出一串幅度递减的电脉冲，其频率与谐振腔的谐振频率相等。激发出来的光脉冲串可以利用来填补光脉冲串中的零码。譬如说，如果输入的光信号脉冲的后面为长连零码，则光信号脉冲所激发出来的光脉冲串可填补在零码处，从而减少零码。

利用F-P滤波器预处理法来改善时钟提取的质量也存在如下缺点：一方面F-P滤波器成本较高；另一方面，由于受F-P滤波器性能的限制，过低的精细度则效果不好，最终得到的时钟脉冲幅度起伏仍很大；高精细度虽然对时钟提取有利，能得到幅度起伏较小的时钟脉冲，但光波长的精密调准及高稳定性极难保证。

后处理法是在时钟脉冲已提取出来后，对已提取的时钟脉冲进行处理以改善其质量。因其工作程序是先提取后处理，故称为后处理法。如图3所示，利用半导体激光放大器(SOA)的饱和特性以改善所提取出来的时钟幅度的均匀性，在具有SOA的注入锁模光纤激光器的时钟提取设备中，向SOA注入另外一个波长的连续光或调制光也可以改善时钟幅度的均匀性。SOA增益系数将随着输入光强的逐步增强而逐步减小，这就是增益饱和现象。时钟脉冲通过SOA时，SOA的饱和放大效应使低幅度脉冲得到较大的增强，而高幅度脉冲却得到较小的增强，从而可以完成对时钟脉冲幅度的均衡。

利用SOA饱和放大效应的后处理法存在如下缺点：一方面SOA成本很高；另一方面，如果要获得饱和放大的效果，注入SOA的光功率必须很大，往往要远大于其额定功率，在这样大的注入功率下，SOA很容易损坏。

发明内容

本发明提供一种光通信系统中的时钟提取系统，可有效减少光信号脉冲中的连零码，从而提高光信号提取系统产生光信号脉冲的质量。

本发明所述的时钟提取系统包括时钟提取装置和混码器，该混码器将输入的光信号脉冲处理后输入时钟提取装置。

上述混码器为两个光纤耦合器之间设置多路延时线，所述延时线一端连接于输入耦合器的输出接口，另一端连接于输出耦合器的输入接口，延时线之间的延时差为所传输光信号脉冲周期的整数倍。

本发明中所述的延时线数量与耦合器的分光路数相对应。

本发明中所述的各路延时线长度彼此相差大于输入光信号的干涉长度。

本发明还提供一种光通信系统中时钟提取的方法，具体包括：将光信号脉冲输入混码器的输入端，混码器对光信号脉冲进行处理，由其输出端将处理后光信号脉冲输出给时钟提取提取装置。

上述混码器对光信号脉冲处理的方法为：先将输入光信号脉冲分为多路，再对上述多路光信号脉冲进行延时，最后将延时后的多路光信号脉冲叠加输出。

本发明中，输入混码器的光脉冲在经过输入耦合器进行分光后，经过每条具有不同延时差的延时线进行延时后，再输出耦合器的输出端进行叠加，得到了比原始输入光脉冲更加丰富的光脉冲信号，即由于各路延时线的延时差不同，因此，在输出端叠加时，各个分路的光脉冲按延时差的顺序叠加到光脉冲输出上，产生了幅值不同，但更为丰富的光脉冲信号；且由于各路延时线的延时差为传输光脉冲周期的整数倍，因此保证了所产生光脉冲信号与原始光脉冲信号具有相同的脉冲频率，在原始光脉冲信号的连零码位置出现了新的光脉冲信号，使光时钟提取装置可以提取出质量更好的时钟信号。

本发明实现方法简单，使用方便，且对注入光信号功率的没有严格的要求，明显抑制了提取出时钟信号的幅度起伏。

附图说明

图1为现有技术中采用F-P滤波器预处理法的时钟提取系统结构示意图；

图2为F-P滤波器的透射谱示意图；

图3为现有技术中采用半导体光放大器后处理法的时钟提取系统结构示意图；

图4为本发明所述的时钟提取系统结构示意图；

图5为本发明所述的混码器工作原理示意图；

图6为现有技术中用于提取时钟的数据光脉冲示意图；

图7为采用本发明所述的混码器预处理后获得的光脉冲示意图；

图8为预处理法中输入四路混码器的数据脉冲波形图；

图9为采用本发明所述的四路混码器后混码器输出的脉冲波形图；

图10为预处理法中使用混码器之前获得的时钟脉冲波形图；

图11为采用本发明所述的混码器后获得的时钟脉冲波形图；

图12为预处理法中使用混码器之前获得的时钟脉冲波形图；

图13为采用本发明所述的混码器后获得的时钟脉冲波形图；

图14为采用本发明所述混码器前后在F-P滤波器精细度不同时获得的脉冲峰值起伏示意图；

图15为采用本发明所述混码器前后在F-P滤波器精细度不同时获得的脉冲谷值起伏示意图；

图16为本发明所述的混码器的另一实施例示意图；

图17为本发明所述时钟提取方法流程图。

具体实施方式

本发明中所述的时钟提取系统包括时钟提取装置和混码器，所述混码器将输入的光信号脉冲处理后输入时钟提取装置。该混码器包括两个光纤耦合器，其结构可以相同，也可以不同，当采用不同结构的光纤耦合器时，只须保证两个两个光纤耦合器之间相应的输出端和输入端能够进行配合即可，光纤耦合器可以采用一分二结构，或采用一分三结构，或一分四结构，或其他的供应商提供的具有多分路的结构。

在上述的多分路结构中，各分路的分光比例应该是相等的。因为当分光比例不相等时，虽然也能改善时钟提取，但由于处理后的脉冲幅度不能最大限度地集中于最大值的二分之一处，因此改善时钟提取的效果不能达到最好。

本发明中所述的延时线一端连接于输入光纤耦合器的输出端，另一端连接于输出光纤耦合器的输入端，延时线的数量与上述光纤耦合器对输入光信号的分路数目相等。各路延时线对于光信号脉冲的延时时间相差光信号脉冲周期的整数倍，以保证时钟信号提取装置接收到的光信号脉冲频率与原始输入光信号脉冲频率相等，从而可以正确提取时钟信号。为防止各路延时线输出产生干涉，各路延时线长度彼此相差要大于输入光信号的干涉长度。

事实上，对于本发明中的混码器，在二路分光并进行延时输出叠加后，就可以达到消除部分连零码的目的，为了更好的消除连零码，可以采用多路分光的耦合器。

下面以一分四结构的光纤耦合器为例对本发明所述混码器做进一步说明。此时使用F-P滤波器作为连接在混码器之后的时钟提取装置。

如说明书附图4所示，本发明所述的时钟提取系统中，混码器位于时钟提取装置之前，将输入的光信号脉冲进行预处理后再输出给时钟提取装置，可提高时钟提取装置提取光信号脉冲的准确性。

如说明书附图5所示，所述耦合器一与耦合器二结构和性能完全相同，分光比为25∶25∶25∶25，既输出各路光信号的功率均相等，均为输入光信号功率的四分之一。Δt1、Δt2、Δt3、Δt4分别代表了一至四路延时线各自的延时时间，各路延时时间不相等，且Δt1、Δt2、Δt3、Δt4的延时时间差等于输入光信号脉冲的周期的整数倍。例如，原始输入光信号脉冲周期为T，则可设Δt1的延时时间为0，Δt2的延时时间为T，Δt3的延时时间为2T，Δt4的延时时间为3T。

上述延时时间差应该等于光信号脉冲周期的整数倍，但对于采用伪随机序列码的情况，则延时时间差都不能等于伪随机序列码码字长度的整数倍，因为伪随机序列码的采用，并不能保证在任意两个伪随机码相差伪随机序列码总数的整数倍时，所产生的两个伪随机码不同。如使用的伪随机序列码是2⁷-1位m序列码，这种序列码的码字长度为127个，则各路延时线的延时时间差不能为原始输入光信号脉冲周期的127倍，或127的整数倍，因为在上述光信号脉冲周期的127倍或127的整数倍时，在两路延时线上产生的光信号脉冲时间相同，而导致了应该出现脉冲的时刻并没有出现应有的脉冲，没有产生延时叠加消除零码的效果，不利于时钟提取装置提取时钟信号。

如说明书附图6所示，在现有技术中采用预处理法获得的光信号脉冲具有连零码，即在对应的周期2T、3T、4T时刻脉冲为零，而仅在周期T和5T时刻脉冲不为零，此不为零的脉冲可以被时钟提取装置提取，并产生时钟信号，而那些为零的脉冲则不能产生对应的时钟信号。

如说明书附图7所示，采用了本发明所述的混码器后，对于上述输入的光信号脉冲，光纤耦合器一将其分为四路相等功率的光信号，其中对应于延时时间为0的Δt1所在的延时线在耦合器二的输出端产生对应时刻为T的功率为原始光信号功率四分之一的光信号脉冲；对应于延时时间为T的Δt2所在的延时线在耦合器二的输出端产生对应时刻为2T的功率为原始光信号功率四分之一的光信号脉冲；对应于延时时间为2T的Δt3所在的延时线在耦合器二的输出端产生对应时刻为3T的功率为原始光信号功率四分之一的光信号脉冲；对应于延时时间为3T的Δt4所在的延时线在耦合器二的输出端产生对应时刻为4T的功率为原始光信号功率四分之一的光信号脉冲。由此可见，在原来出现连零码的时刻，现在均有相应的不为零的脉冲信号产生，因此，时钟信号提取装置可以准确提取脉冲信号。

上述以耦合器为一分四结构为例做了说明，对于其他结构的耦合器来说，情况与一分四结构产生光信号脉冲类似。在上述对一分四结构耦合器的描述中，各路分光的延时时间彼此相差一个光信号脉冲周期，没有任何两个延时线的延时时间相等，而实际上，只要保证了两个或两个以上的延时线的延时时间不相等，就可以起到消除连零码的作用，只是消除连零码的效果存在差异而已。

为进一步了解本发明所述混码器对于消除光脉冲信号中的连零码的作用，下面结合说明书附图，将预处理法中相同光信号脉冲通过混码器和不通过混码器在F-P滤波器上产生的波形情况来对比说明。

说明书附图8为用于提取时钟的数据脉冲波形图，图9为经过混码器后输出的脉冲波形图，这两个附图中所表示的光信号脉冲相互对应，即光信号脉冲来源相同，性质相同；所使用的F-P滤波器也相同，例如精细度为50的F-P滤波器；使用的数据脉冲同为27-1位的伪随机序列。由图中对比可以看出，在光信号脉冲为零码的时刻，使用混码器后消除了零码。如图8中对应横轴的6.2至6.4之间有一段较长的连零码，而在图9中对应的横轴上的6.2至6.4之间，产生了4个光信号脉冲，消除了连零码。

图10为不使用混码器，直接使用F-P滤波器对数据脉冲进行时钟提取，所得时钟脉冲波形图，图11为使用混码器后得到的对应的时钟脉冲波形图。这里采用F-P滤波器作为时钟信号提取装置。由图中可以看出，不用混码器提取出的时钟，脉冲峰值最大值为0.4555，最小值为0.0745，最大值与最小值之比为6.1。脉冲之间谷值最大值为0.0738，最小值为0.0133，最大值与最小值之比为5.5。使用混码器后，脉冲峰值最大值为0.3678，最小值为0.2004，最大值与最小值之比为1.8。脉冲之间谷值最大值为0.0590，最小值为0.0358，最大值与最小值之比为1.6。由此可以得知，时钟脉冲的幅度起伏受到了明显的抑制，从而有利于时钟信号的提取。

图12为不使用混码器，直接使用F-P滤波器对数据脉冲进行时钟提取，所得时钟脉冲波形图，图13为将数据脉冲混码后再时钟提取，即将数据脉冲经过混码器后再进行时钟提取所得时钟脉冲波形图，这里所用到的F-P滤波器的精细度为1000。不用混码器提取出的时钟，脉冲峰值最大值为0.0642，最小值为0.0524，最大值与最小值之比为1.26。脉冲之间谷值最大值为0.0106，最小值为0.0088，最大值与最小值之比为1.20。使用混码器后，脉冲峰值最大值为0.0583，最小值为0.0554，最大值与最小值之比为1.05。脉冲之间谷值最大值为0.0097，最小值为0.0094，最大值与最小值之比为1.03。可以看出，F-P精度较高时，时钟质量较好，混码器对时钟脉冲幅度起伏的抑制仍然很明显。

图14给出了采用不同精细度的F-P滤波器时，使用混码器前后获得的时钟脉冲峰值起伏示意图，其中，Pw为无混码器时峰值最大值与最小值之比，Pm为有混码器时峰值最大值与最小值之比。图15给出了采用不同精细度的F-P滤波器时，使用混码器前后获得的时钟脉冲谷值起伏示意图，其中，Vw为无混码器时谷值最大值与最小值之比，Vm为有混码器时谷值最大值与最小值之比。由图中的曲线变化情况可以看出，在采用同一精细度的F-P滤波器时，本发明所述的混码器可以有效的抑制时钟信号的幅度起伏。

图16为本发明所述混码器的另一实施例示意图。图中，所使用的光纤耦合器为二分二结构的耦合器，也可以使用三分三或其他输入与输出相等结构的多路光纤耦合器。将光纤耦合器的一个输入端口作为光信号脉冲的输入端口，将光纤耦合器的一个输出端口作为光信号脉冲的输出端口，对于其他的输出端口则连接延时线，并将延时线的另一端连接于光纤耦合器的输入端口。这样，输入到光纤耦合器中的光信号脉冲在经过光纤耦合器后，分为两路输出，其中一路经过延时线反馈回光纤耦合器，与输入的原始光信号脉冲叠加在经光纤耦合器输出，而光纤耦合器的对应输出端接入时钟提取装置。本例中借助一次光信号脉冲的延时来达到消除连零码的目的，这里的延时线的延时时间差为光脉冲码元周期的整数倍。这种结构的混码器与图5中的结构存在类似之处，都是采用对光信号延时处理，再在光纤耦合器的输入端进行叠加，从而消除连零码。但是，这种结构输出的光信号脉冲又要反馈回光纤耦合器的输入端，此反馈的光脉冲经过耦合器两次，两次的分光使反馈脉冲的强度降低，另外，反馈脉冲只能在光纤中回旋一次，第二次回旋的脉冲已太弱，基于以上原因，此种结构的混码器消除连零码的效果不是很理想。

对于三分三结构或其他输入与输出相等结构的光纤耦合器，只要保证光纤耦合器的一个输入端接入光信号脉冲，一个输出端接时钟提取装置，在其他的输入端与输出端连接有延时线，都可以起到消除连零码的作用。

本发明还提供了一种光通信系统中时钟提取的方法，该方法应用了上述时钟提取系统，具体如图17所示，步骤包括：

步骤101，将光信号脉冲输入混码器的输入端；

步骤102，混码器对光信号脉冲进行处理，其过程为：先将输入的光信号脉冲分为多路，再对上述多路光信号脉冲进行延时，最后将延时后的多路光信号脉冲叠加输出；

步骤103，混码器将处理后的光信号脉冲输出至时钟提取装置。

在上述实现时钟提取的方法中，具体的可以由光纤耦合器对光信号脉冲进行分路，并保证各路的分光比相等，这样可以更好的进行时钟提取，该光纤耦合器可以为一分四结构，即将输入的光信号脉冲分为四路；对于多路光信号脉冲的延时，可以由延时线来完成，但要保证各路延时线之间的延时差为所传输光信号脉冲周期的整数倍，这样才能使输出的光信号脉冲产生于原来的连零码时刻，从而更好的消除连零码；上述经过延时处理后的光信号脉冲由另一个多路的光纤耦合器进行叠加后输出。