3R РЕГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПОЛНОСТЬЮ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
3R REGENERATOR FOR FULLY OPTICAL TIME DIVISION MULTIPLEX SYSTEMS

Предлагаемое изобретение относится к области многоканальной связи и может быть использовано для 3R регенерации линейного сигнала в полностью оптических многоканальных системах связи с временным разделением каналов.
Известно устройство регенерации 1R, 2R и 3R. При регенерации 1R восстанавливается только амплитуда сигнала. При регенерации 2R восстанавливается амплитуда сигнала и его длительность. Если используется 3R регенерация, то восстанавливается амплитуда сигнала, его длительность и фаза.
Наиболее близким к заявленному устройству является 3R регенератор на основе полупроводниковых усилителей, включённых в плечи интерферометра Маха-Зендера [1]. Этот регенератор состоит из полностью активного интерферометра Маха-Зендера с включенными в его плечи полупроводниковыми усилителями и полупроводникового лазера.
Прототип работает следующим образом.
Источник тактовых сигналов, синхронизируемый от информационной последовательности импульсов 5, который является эталонным источником, синхронизируется от информационной последовательности импульсов. Схема устройства показана на Фиг.1. Синхронизация нужна для того, чтобы источник тактовых сигналов, синхронизируемый от информационной последовательности импульсов 5, выдавал импульсы в момент прихода сигнала. Тем самым обеспечивается восстановление фазы. Входной сигнал делится на два, один из которых проходит через линию задержки 9. Импульс первой управляющей последовательности, соответствующий биту потока данных, вводится в полупроводниковый оптический усилитель 4 для установления необходимого фазового сдвига для подаваемого модулируемого излучения. Тот же бит во второй последовательности поступает на другой полупроводниковый оптический усилитель 12 с определенной временной задержкой, наводя аналогичный фазовый сдвиг. Таким образом, если на вход регенератора поступает логическая единица, то сигнал от полупроводникового лазера проходит через интерферометр Маха-Зендера, образованный направленными ответвителями 1 и 11, и затем поступает на вход полупроводникового оптического усилителя 12. Если на вход регенератора поступает логический ноль, то сигнал от источника тактовых сигналов 5 не проходит через интерферометр. В результате получается, что искаженная информационная последовательности импульсов заменяется новыми импульсами, но уже на другой длине волны. Это позволяет получить достаточно высокое отношение сигнал/шум на выходе регенератора. Полупроводниковый оптический усилитель 13 нужен для восстановления амплитуды сигнала.
Недостатком прототипа является ограниченное быстродействие используемых при создании регенератора устройств. Полностью активный интерферометр Маха-Зендера с включенными в его плечи полупроводниковыми усилителями не позволяет восстанавливать сигнал со скоростью выше 40 Гбит/с. В прототипе не показана схема источника тактовых сигналов, синхронизируемого от информационной последовательности импульсов.
Целью настоящего изобретения является полностью оптическая 3R регенерация линейного сигнала со скоростью 120 Гбит/с и длительностью импульсов 4,15 пс.
Поставленная цель достигается использованием в качестве оптического ключа терагерцного оптического асимметричного демультиплексора, который представляет собой полупроводниковый усилитель, включенный асимметрично в интерферометр Сагнака [2].
На Фиг.1 показана схема 3R регенератора на основе полупроводниковых усилителей, включенных в плечи интерферометра Маха-Зендера; на Фиг.2 показана схема 3R регенератора для полностью оптических систем с временным разделением каналов; на Фиг.3 показана схема источника тактовых сигналов, синхронизируемого от информационной последовательности импульсов; на Фиг.4 показан принцип умножения частоты следования тактовых импульсов.
На Фиг.2 показана схема 3R регенератора. Направленный ответвитель 14 делит входной сигнал на две части. Одна после усиления в полупроводниковом оптическом усилителе 15 поступает на информационный вход терагерцного оптического асимметричного демультиплексора 19, в котором происходит восстановление сигнала по длительности и фазе. Вторая часть сигнала используется для получения тактовых импульсов и поступает на вход источника тактовых сигналов, синхронизируемого от информационной последовательности импульсов 16. Усиленные с помощью полупроводникового усилителя 18 тактовые импульсы от источника тактовых сигналов, синхронизируемого от информационной последовательности импульсов, поступают на управляющий вход терагерцного оптического асимметричного демультиплексора 19. Аттенюатор 17 нужен для того, чтобы уменьшить мощность на входе полупроводникового оптического усилителя 18. Импульсы информационного сигнала формируются на выходе терагерцного оптического асимметричного демультиплексора 19 только, когда на управляющем входе появляются тактовые импульсы. Поэтому длительность получаемых импульсов равна 4,15 пс. Отличительной чертой терагерцного оптического асимметричного демультиплексора является то, что он отражает сигналы малой интенсивности, но пропускает излучения большой интенсивности. Поэтому если короткий оптический импульс имеет широкий низкой интенсивности пьедестал, пьедестал удаляется, проходя через терагерцный оптический асимметричный демультиплексор. Так как тактовые импульсы синхронизированы от входного сигнала, то происходит восстановление импульсов не только по длительности, но и по фазе. Изолятор 20 пропускает излучение, распространяющееся в прямом направлении, и препятствует распространению света во встречном направлении. Следовательно изолятор препятствует попаданию в терагерцный оптический асимметричный демультиплексор 19 излучения, отраженного от оптического фильтра. Оптический фильтр 21 нужен для того, чтобы выделить информационный сигнал на длине волны 1555 нм и убрать управляющий сигнал на длине волны 1550 нм. После прохождения через изолятор 20 и фильтр 21 линейный сигнал усиливается до требуемого уровня передачи в эрбиевом волоконно-оптическом усилителе 22. Тем самым обеспечивается восстановление сигнала по амплитуде.
На Фиг.3 показана схема источника тактовых сигналов, синхронизируемого от информационной последовательности импульсов. Для осуществления синхронизации источника тактовых сигналов от входного сигнала используется самопульсирующий лазер 30. Самопульсирующий лазер [З], генерирующий импульсы с частотой следования 40 ГГц, работает на длине волны 1562 нм. Линейный сигнал имеет длину волны 1555 нм. Поэтому информационный сигнал конвертируется на длину волны 1562 нм с помощью лазера с распределенной обратной связью 24, работающего на длине волны 1562 нм, и терагерцного оптического асимметричного демультиплексора 25. Непрерывное излучение лазера с распределенной обратной связью 24 поступает на информационный вход терагерцного оптического асимметричного демультиплексора 25. Импульсы информационного сигнала, усиленные полупроводниковым оптическим усилителем 23, подаются на управляющий вход терагерцного оптического асимметричного демультиплексора 25. Импульсы на длине волны 1562 нм формируются на выходе терагерцного оптического асимметричного демультиплексора 25 только когда на управляющем входе появляются импульсы информационного сигнала. Следовательно, формируется информационный сигнал, но уже на длине волны 1562 нм. Оптический фильтр 27 нужен для того, чтобы выделить информационный сигнал на длине волны 1562 нм и убрать управляющий сигнал на длине волны 1555 нм. Таким образом терагерцный оптический асимметричный демультиплексор 25 выполняет роль быстродействующего оптического ключа. Изолятор 26 пропускает излучение, распространяющееся в прямом направлении, и препятствует распространению света во встречном направлении. Следовательно, изолятор 26 препятствует попаданию в терагерцный оптический асимметричный демультиплексор 25 излучения, отраженного от оптического фильтра 27. Аттенюатор 28 нужен для того, чтобы уменьшить мощность на входе полупроводникового оптического усилителя 29. Для нормальной работы самопульсирующего лазера 30, требуется уровень мощности на его входе 3 дБм [3]. Поэтому аттенюатор 28 и полупроводниковый усилитель 29 обеспечивают согласование по мощности выхода терагерцного оптического асимметричного демультиплексора 25 и входа самопульсирующего лазера 30. Самопульсирующий лазер 30 синхронизируется от входной последовательности импульсов и "формирует на выходе импульсы длительностью 25 пс и с частотой следования 40 ГГц. Линейный сигнал имеет длительность импульсов 4,15 пс и скорость 120 Гбит/с. Поэтому импульсы сжимаются с помощью модулятора электропоглощения, усиленного стоячей волной 34 [4]. Непрерывная световая волна мощностью 2 дБм с длиной волны 1,55 мкм поступает на оптический вход модулятора электропоглощения, усиленного стоячей волной 34, от лазера с распределенной обратной связью 33, работающего на длине волны 1550 нм. Поэтому тактовая последовательность импульсов формируется на длине волны 1550 нм. На микроволновый вход модулятора электропоглощения, усиленного стоячей волной 34, поступают колебания от самопульсирующего лазера с частотой 40 ГГц и размахом 5,6 В. На выходе модулятора электропоглощения, усиленного стоячей волной 34, формируются импульсы длительностью 4,15 пс и с частотой следования 40 ГГц. Чтобы преобразовать оптический сигнал на выходе самопульсирующего лазера 30 в электрический, используется волноводный pin-фотодиод с грибовидной меза-структурой волновода, 32. Он имеет полосу пропускания 50 ГГц [5]. Уровень мощности на выходе самопульсирующего лазера 30 и модулятора электропоглощения, усиленного стоячей волной, 34 достаточно мал. Поэтому на их выходах ставятся полупроводниковые усилители 31 и 35 соответственно. Чтобы увеличить частоту импульсов, они сначала разделяются на три ветви с помощью направленного ответвителя 36. Затем импульсы проходят через линии задержки 37 и 38. Далее они объединяются в направленном ответвителе 39. Как видно из схемы регенератора, импульс в первой ветви не задерживается. Импульсы в остальных ветвях задерживаются на время, кратное длительности битового интервала Δt=8,3 пс. Рассчитаем задержку в каждой ветви:
1
t=0
2
t=Δt=8,3 пс
3
t=2·Δt=2·8,3=16,6 пс
На выходе направленного ответвителя 39 получаются импульсы с частотой следования 120 ГГц. Принцип умножения частоты следования показан на Фиг.4.
Отличительные признаки:
1. В качестве оптического ключа для регенерации используется терагерцный оптический асимметричный демультиплексор вместо полупроводникового оптического усилителя.
2. Терагерцный оптический асимметричный демультиплексор используется для преобразования длины волны сигнала.
3. Используются линии задержки для оптического умножения сигнала тактовой синхронизации.
4. В заявленном устройстве разработана схема источника тактовых сигналов, синхронизируемого от информационной последовательности импульсов.
5. Для сжатия импульсов тактовой синхронизации используются лазер с распределенной обратной связью и модулятор электропоглощения, усиленный стоячей волной, модулирующий излучение лазера с распределенной обратной связью.
Список использованных источников
1. 40-Gb/s all-optical wavelength conversion, regeneration, anddemultiplexing in an SOA-based all-active Mach-Zehnder interferometer. Wolfson, D.Kloch, A.Fjelde, T.Janz, C.Dagens, B.Renaud, M. IEEE Photonics Technology Letters, March 2000, Volume: 12, Issue: 3, pp 332-334. Прототип: All-active Mach-Zehnder interferometer.
2. Говинд Агравал. Волоконно-оптические системы передачи. СибГУТИ Новосибирск, 2009 - 352 с.
3. С.Bornholdt, В.Sartorius, S.Schelhase, M.Mdhrle and S.Bauer. Self-pulsating DFB laser for all-optical clock recovery at 40Gbit/s // ELECTRONICS LETTERS 17th February 2000, vol. 36, No. 4, pp.327-328.
4. Hsu-Feng Chou, Yi-Jen Chiu, .J.E.Bowers. Standing-Wave Enchanced Electroabsorption Modulator for 40-GHz Optical Pulse Generation. // IEEE Photonics Tehnology Letters, vol.15, №2, February 2003, pp.215-217.
5. Агравал Г. Волоконно-оптические системы передачи: Пер. с англ. - ч.1. - M.: Веди, 2005. - 252 с.