摘要: 本文对全光信号处理中所采用的各种自同步技术的原理及实现方案作了一个概述。
自同步方案简述
在光分组网络中，通常利用某种形式的时分复用（TDM）技术将数据包传送到不同位置或节点处。 光分组交换（OPS）单元的动作时间一般应该在纳秒级，并要求OPS节点在几百纳秒内完成对光分组处理的整个过程。这一过程的前奏就是对到达节点的光分组进行分组级的同步，进而实现迅速而正确的信头识别和净荷定位。目前，光锁相环能够实现精确的时钟同步，但由于相位识别和锁定时间较长，因此不适用于光分组网。于是自同步技术引起了人们广泛的关注。与其它的时钟提取方式不同，自同步方案提取光分组中代表起始位置的光脉冲，这里称为标志脉冲，并借以生成各种本地时钟。因为所提取的标志脉冲和原光分组是自同步的，所以派生出的各类时钟可用作光分组网的本地同步时钟。自同步方案的优点包括：高吞吐率，支持不同的比特速率，可以实现分组自路由以及能够容忍不同分组间的定时抖动等。
1 利用脉冲的物理差异实现自同步的技术方案
目前，已有的通过脉冲的物理差异实现自同步的技术方案主要有：在信号分组中引入波长、偏振、比特率或强度不同于其它比特脉冲的标志脉冲，利用强度[1]、波长[2]、偏振[3]等鉴别装置可以很容易地把标志脉冲提取出来。下面对这些方案的原理作一简述。
1.1 利用强度差别实现标志脉冲的提取
强度差别的标志脉冲提取的基本原理如图1所示，高强度的时钟脉冲在TDM的数据帧或分组包中占据指定的时隙。在接收端，超快的强度检测设备将时钟从分组包中提取出来。在OFDM中是使用SOA处理节点，所以必须在数据流到达该节点之前将时钟提取出来，否则高强度的时钟脉冲将使半导体放大器（SOA）在增益部分或者解复用器部分饱和。
利用强度差别实现标志脉冲的提取的一种可行方案是采用非线性光环路镜技术。由于非线性光环路镜具有超快非线性响应能力，因而成为高速光开关的首选方案，但该方案需要很高的脉冲能量和很长的作用距离。由于高功率的脉冲在传输过程中的非线性效应会导致时间抖动（非线性效应），所以实际中脉冲功率必须限制在一定的范围内。这里给出一种利用太赫兹光非对称解复用器（TOAD）实现数据和时钟的分离的方案。通过改动TOAD，如图2所示，可获得低作用功率的时钟提取器件。
方案设计中，没有TOAD的外部控制脉冲输入端口，两臂的分配比例是a：(1-a)，而不是50:50；由于a<1/2，所以顺时针的信号脉冲弱于逆时针的信号脉冲，SOA被放在环路中间偏左的处。
当高强度的时钟信号输入TOAD时，幅值大于门限，输入的信号将被分成两部分，较弱的顺时钟信号和较强的逆时针信号。首先到达SOA的是较弱信号（顺时针方向），脉冲通过SOA引起很小的载流子变化， 延时后，较强的脉冲（逆时针）通过SOA，这时将引起较大的载流子浓度变化，使之增益达到饱和。由于较大的增益变化伴随较大相位变化，较强的脉冲信号（逆时针方向）经历了较大的相位变化，而较弱的信号（顺时针信号）几乎没有引起相位改变。因此干涉后绝大部分时钟信号都从耦合器的传输端口输出，很少一部分从反射端口输出。适当的选择耦合器的a，可以使两个方向传播的信号得到不同的增益，不同的增益可以平衡由于非对称形成的强度差异，使交换输出的信号得到加强。
同样分析数据信号，数据信号必须在时钟经过后才能到达SOA，因为数据信号的强度很小，经过SOA后它们之间几乎没有相位变化，因此绝大部分数据信号返回输入端（从反射端口输出）。
1. 2 偏振差别的标志脉冲的提取
利用偏振差别实现标志脉冲提取的基本原理如图3所示，偏振控制器将时钟和数据脉冲偏振成相互正交的状态。接着，一个偏振光合束器将这两种状态的脉冲复用到一个普通传输通道。在接收端，一个光纤偏振光束分离器（PBS）将把时钟脉冲从数据中分离出来。
1. 3 利用波长差别实现标志脉冲的提取
采用波长差别进行标志脉冲提取的基本原理如图4所示。图中，增益交换分布反馈式激光器产生特定重复频率的波长为 和脉宽为 的超短光脉冲。接着，利用这些光脉冲，信元编码器将电信元的数据脉冲转化成超快光数据信元，同时将时钟脉冲转化为相对较慢的光时钟信元，波长为 ，也就是将数据和时钟信号转化成了两种不同波长的脉冲。在信元编码器的输出端，将超快的数据和较慢的时钟复用。之后，复用后的信号在高速通道上传输。
在接收端，接收到高速通道上的信号时，光学滤波器解复用传输信元，将波长为 的时钟信号从信号中滤出用于定时。信元解码器将光数据信元转化成电信元并输出。利用波长差别进行标志脉冲提取的关键器件是波长变换器和光学滤波器，其中波长变换器是不经过电域，直接将包含输入波长的信息转移到新的波长上的设备，重要的波长转换器有：基于光栅型波长转换器和四波混频型波长转换器等。光学滤波器是在光传送网中非常重要的器件，可以利用它在终端实现时钟信元的解复用，常用的光学滤波器有F-P滤波器、光纤光栅滤波器等。
2 无特殊标志脉冲的自同步方案概述
从上节中我们可以看到，利用标志脉冲与其它脉冲的物理差别实现标志脉冲在接收端的分离，必然导致不同分组信号的产生，使传输复杂化。不仅如此，光纤和一些光器件的非线性还将破坏标志脉冲与同一分组中其它脉冲之间的特定关系。因此采用没有物理差别的光分组信号实现时钟提取的自同步方案将在实际应用中更具有优势。目前基于这种设计的自同步方案很多，下面主要介绍三种方案。
2.1基于SOA自相位调制（SPM）产生自频移的自同步方案
这种方案[4]结构很简单，主要利用一个SOA和光学滤波器实现从具有一般脉冲帧的光分组信号中提取自同步标志脉冲。
如图5所示，该方案的工作原理是基于SOA的增益动态响应。在信号脉冲(如OTDM信号)入射到SOA之前，SOA处于未饱和状态，因而具有较高的增益。当第一个脉冲到来时，SOA的增益骤然下降至饱和态，第一个脉冲过去之后，SOA增益开始缓慢恢复。所以第一个脉冲经历较大的增益变化，同时伴随着脉冲相位的剧烈变化。如果脉冲周期远远小于SOA的载流子寿命，第二个脉冲到来时，SOA的增益仅恢复了一部分就又降至饱和态。这样，第二个脉冲及后面脉冲的增益和相位变化较小。因此，第一个脉冲经历的增益和相位变化最大。由于相位的变化往往伴随频率啁啾，因此第一个脉冲获得的频移比其它脉冲获得的频移大得多。SOA的这种自相位调制(SPM)导致的频率啁啾表现为脉冲中心频率的红移[8]。这样，如果在SOA后面放置光带通滤波器(BPF)，选取滤波器的中心频率和带宽使具有最大频移的脉冲通过，则可以提取出OTDM分组脉冲信号中的第一个脉冲。为了能够正常工作，该方案要求数据分组间的时间间隔大于SOA的载流子恢复时间。在实际的OTDM分组网中，往往通过设置保护时间(guard-band)来实现。
2.2 基于半导体光放大器（SOA）和延迟干涉仪（DI）的自同步方案
本节提出一种基于半导体光放大器和延迟干涉仪的自同步方案[5]。该方案具有工作功率低、工作速率范围大、结构简单、易于实现和容易集成等优点。
该方案利用SOA-DI中SOA的增益快速饱和和慢恢复的特性，来实现标志脉冲的提取。其中标志脉冲与光分组中的其它脉冲完全相同。其装置结构如图6所示，由一个SOA和一个DI组成。DI的两个臂由两个3 dB的耦合器连接在一起，输入端为1×2耦合器，输出端为2×2耦合器。DI的长短臂引入的时延为Dt。
光分组通过端口1进入SOA，在标志脉冲的作用下，SOA的增益迅速达到饱和，然后在比特间隔的时间内缓慢恢复。假设比特间隔时间远小于SOA的增益恢复时间，在下一个脉冲到达SOA的时候，SOA的增益还没有完全恢复，仍然处于一个较低的水平，因此，接下来的脉冲获得的增益很小，同时SOA的增益也再次饱和。由上面的分析，我们可以看到，进入SOA的光分组中的标志脉冲所获得增益远远大于其它的脉冲。在SOA中，较大增益总是伴随着较大的相移，因此，标志脉冲经过SOA后的相移也远远大于光分组中的其它脉冲获得的相移。被放大后的脉冲通过1×2耦合器后被分成完全相同的两部分进入延迟干涉仪，长臂中的脉冲（简称为LA信号）经过Dt的延时后，与短臂中的脉冲（简称为SA信号）在2×2耦合器处相遇。由于DI的延时，与标志脉冲对应的LA脉冲和SA脉冲在2×2耦合器中相遇时，它们的相位差值很大。因此，这两个脉冲在2×2耦合器中干涉增强，输出脉冲的功率较大。而对于光分组中的其它脉冲，在通过SOA后，相应的增益及相移值相对较小，而且相位变化曲线也较平坦。因此，与之对应的LA脉冲和SA脉冲在2×2耦合器中相遇时的相位差几乎为0。它们在2×2耦合器中干涉相消，输出脉冲的功率很低。如果相邻光分组之间的时间间隔大于SOA的增益恢复时间，采用该装置可以有效地从每个光分组中把标志脉冲提取出来。理论仿真结果表明，对于10G/s到160Gb/s的系统，只要选择合适的参数，即使输入脉冲能量只有100fJ，输出信号的对比度仍然可以达到10dB。
2.3 基于不对称型半导体光放大器－马赫泽德干涉仪（SOA-MZI）的自同步方案
该方案[6]采用非对称的SOA-MZI结构，由3dB方向耦合器（C1和C2）连接MZI的上下臂，两个SOA分别放置于上下臂的不同位置，如图7所示。在每个时隙中，由超短高强度光脉冲序列构成的光分组从端口1进入SOA-MZI，并被C1分成相同的两部分。MZI下臂的脉冲序列比上臂的序列晚到达SOA，其时间差记为Dt。
在上述装置中，SOA增益在超短强脉冲的激励下迅速饱和，增强了光脉冲的SPM效应。若光分组信头的前2~3个比特都是“1”，并且脉冲间隔比SOA中载流子寿命时间小很多，则SOA增益在第一个比特到来时迅速饱和，在脉冲间隔内只得到部分恢复，随即又在后续的第二、第三个脉冲激励下再次饱和。因此，SOA充当了强度鉴别器，在信头经过SOA时只有第一个光脉冲能得到较大的增益和相移，进而能通过MZI的干涉选择功能从SOA-MZI的端口3输出。后续光脉冲因相移不足而不能得到干涉增强，SOA-MZI处于准平衡状态，因此这些脉冲从端口4输出而只会有很少部分能量泄漏到端口3。通过恰当的参数设计，就能够尽最大限度地抑止后续光脉冲在端口3的泄漏，使端口3的输出恰为与光分组第一比特同步的光脉冲。
小结
由本文前述，时钟可以用特殊的标志脉冲加以标识，在接收端再利用标志脉冲的物理特性将其提取出来，常用的标志脉冲利用波长、偏振、比特率或幅度加以区别，但是每一种都有不可忽略的问题。例如：如果数据和时钟具有不同的波长，那么光纤散射会使时钟会随着传输距离的长短而变形。采用偏振调制需要偏振控制和在整个传输线路中使用昂贵的PM光纤，以保持时钟和数据的正交偏振。用不同的幅度区分数据和时钟信号要求门限判决电路有很高的灵敏度，从而增加了设备的复杂性。可见，在实际的网络中，标志脉冲与其它脉冲的这些物理差别不仅会使不同特性分组信号的产生，并使传输复杂化，还会破坏标志脉冲与同一分组中其它脉冲之间的定时关系。
在本文的第二部分主要介绍了三种不需特殊标志脉冲的自同步方案，这三种方案都是利用SOA的非线性效应进行时钟提取。相同点是两种方案都利用了SOA的自相位调制（SPM），不同点是第一种方案利用了相位的变化伴随着频率啁啾，从而利用光滤波器滤出时钟脉冲；第二及第三种则利用干涉效应使相位变化较大的时钟脉冲输出。因为这些自同步方案没有特殊标志脉冲，所以结构很简单，传输过程中标志脉冲和其它脉冲的定时关系不会被破坏，在未来的自同步方案中将更具有优势。
参考文献
[1]. K.-L. Deng, I. Glesk, K. I. Kang, and P. R. Prucnal, “Unbalanced TOAD for optical data and clock separation in self-clocked transparent OTDM networks,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, pp. 830–832, 1997.
[2]. Y. Shimazu and M. Tsukada, “Ultrafast photonic ATM switch with optical output buffers,” J. Lightwave Technol., vol. 10, pp. 265–272, Feb. 1992.
[3]. Glesk, J. P. Solokoff, and P. R. Prucnal, “All-optical address recognition and self-routing in a 250 Gbit/s packet-switched network”, IEEE IEE Electron. Lett., Vol. 30, pp. 1322-1323, 1994.
[4]. Zhao Yongpeng and Ye Peida. “Simple self-synchronization scheme for OTDM packet networks,” in LEOS 2002. The 15th Annual Meeting of the IEEE, pp. 373 – 374.
[5]. Huang, X.; Ye, P.; Zhang, M.; Wang, L., A Novel Self-Synchronization Scheme for All-Optical Packet Networks, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, pp. 645–647, 2005.
[6]. Zhang Min, Zhao Yongpeng, Wang Ling, Wang Jian, Ye Peida, “A Novel Scheme of Packet-Level Self-Synchronization for Slotted Optical Packet Networks”, Proc. SPIE, APOC’03, Wuhan, China.
作者：叶小华 北京邮电大学电信工程学院 (北京邮电大学201信箱) |
