專利名稱：光時鐘分割的制作方法
技術領域：
本發明涉及一光信號的時鐘分割。
在很多情況下需要獲得一下分的時鐘速率的信號。例如，在一T DM(時分多路)光信號流被用于數據通信的地方，在對分路器的操作中可能需要小于數據流的全位速率的一時鐘信號來選擇一個或多個時間信道。到目前為止，當需要時鐘分割時，通常通過分接部分光信號流、檢測此信號以產生電領域的一相應時間波形、并接著利用常規的電子時鐘分割電路來下分此時鐘速率來實現。通過這樣的方法，在其他光處理執行之前，由此電時鐘信號控制的一局部光源必須被使用以將此必須被分割的信號轉回到光領域。這不僅增加了相關電路的額外開銷和復雜度，而且在電領域中處理的需求嚴重地限制了此電路能夠運行的位速率。
Lucek&Smith的論文，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,1995年1月，Vol 7,no.1,pp 1041-1135，公開了一種可用于提供時鐘分割功能的可遠程編程的路由裝置。雖然它擁有全光學裝置的優點，但需要相對復雜的兩級結構。數據首先被輸入到一超高速門級，在那里一定信道被選擇。在此超高速門中的非線性元件是一段色散位移光纖。此門的輸出，是一僅包含被選信道的數據信號，接著被傳送到包含一鎖定模式鉺激光器的第二級。用數據信道驅動此激光器的結果是產生在每個有源信道時隙中為“1”而在其他地方為“0”的時鐘模式。此數據信號傳到一輸出端口上。此時鐘模式，可能具有與數據信號不同的位格式及不同波長，作為控制信號被反饋給此超高速門。
根據本發明的第一方面，提供了一種方法，從一較高時鐘速率的光信號流中獲取一被分割時鐘速率的時鐘信號，包括a)將一光信號流施加到一全光非線性門，該門包括一非線性元件；b)從所述全光非線性門的一輸出中反饋一光信號到上述非線性元件上；以及c)以一被分割的時鐘速率從該全光非線性門中輸出一光信號。
本發明采用了一種時鐘分割的方法，利用了相對簡單的方法(此方法很好地適應于集成制作的實現并克服了上面討論的現有電路的缺點)，允許該功能完全在光領域中被實現。使用了一全光非線性門。光反饋從此門的輸出被提供給一非線性元件的控制輸入。在以此方式配置的門中，當一光信號流被施加到它的輸入時，一被分割時鐘速率的信號在此門的輸出上出現。
更適宜的是此光信號流被施加到一干涉非線性光門。這個門可以包含一非線性環形鏡(NOLM)且更好的是該NOLM包含一半導體光放大器作為它的非線性元件。另外其它的干涉結構，例如Mach Zehnder干涉儀，可以被使用。
雖然其它類型光門的使用是可能的，本發明者發現使用一非線性干涉儀是特別有利的，特別是TOAD(太拉赫光不對稱分路器)構型的NOLM，其中帶一半導體光放大器(SOA)作為相轉換元件。這樣的裝置有低轉換能量的優點并可以運行于接近100GHz的速率上。而且，特別是與時鐘分割相關時，TOAD的使用有其他重要的優點，即此反饋通路上的總的延遲時間可被置為和位周期一樣短，甚至在位周期是僅為幾十個皮秒時。該優選配置的另一個優點是此SOA的動態特性支持時鐘分割功能。
更好的是與此光反饋通路相關的延遲周期等于此光信號流中位與位之間的周期。
當此電路被構造以滿足在此光反饋通路上延遲長度的限制時，與形式為“11111111”的輸入流相對應，此門的輸出形式為“10101010”。
或者是，在延遲總長度大于光信號流中連續位之間的周期時，此方法可以包括一初始階段來對此門編程，通過向此門輸入一帶預定位格式并有足夠長度以充滿此門和反饋通路的脈沖組(block)來實現時鐘分割。
作為另一選擇，此電路可以包括一SOA，該SOA具有一響應時間，從而該電路呈現自發時鐘分割。在此情況下，此方法包括通過用與此半導體光放大器的e-1恢復速率相對應位速率的光信號流驅動半導體光放大器而在非線性門中引發自發時鐘分割。
此時鐘分割電路可以包括多個級，每一級都有它自己的非線性門，n個這樣的級被串行級聯以提供被2n整除的輸出。
根據本發明的第二方面，提供一時鐘分割電路包括a)一全光非線性門，包括，被安排來接收高時鐘速率的光信號流的光輸入，
一光輸出，在此光輸入和光輸出之間連接的一非線性元件；和b)一從該門的輸出到非線性元件的光反饋通路，在使用中一光信號以被分割的時鐘速率從該門被輸出。
本發明也包括含有根據本發明上面描述的一個或多個方面的時鐘分割電路的多路復用器或分路器。
僅作為實例，參考附圖，本發明將被更詳細地描述，其中
圖1是實施例本發明的電路的示意圖；圖2是適合于圖1中電路使用的光纖環形鏡示意圖；圖3a和圖3b分別是圖2中電路的暫時輸入和輸出的曲線；和圖4a和圖4b是圖2中電路的微波光譜；圖5示出了用于初始化圖1中電路的信號；圖6a到6f闡述了利用一半導體非線性元件的電路的自發時鐘分割的開始；圖7a和7b闡述了帶有單個位反饋延遲的一實施例；圖8示出了將一包括飽和吸收介質的激光腔用作為非線性元件的一實施例；圖9示出了實施例本發明的包括時鐘分割級的分路器電路。
一時鐘分割電路CT1包含一非線性光門1。此門有一接收光信號流的光輸入I。此門1有兩個光輸出O1、O2。這些輸出之一O1通過一光反饋通路2被連接到此門的一控制輸入G上。此反饋通路可以包括一光放大器3和濾波器4。
此光門1，例如可以包括下面將描述的一光纖環形鏡中的SOA，根據在輸入G處控制信號的出現與否，將從輸入I處接收的一信號發到兩個輸出O1和O2的一個或另一個上。如果通過此門并沿著反饋通道回到輸入G的總的延遲時間等于相鄰位之間的周期p，則此門按如下操作以提供一分割的時鐘信號。假設此門1初始時被配置來將脈沖直接轉換到輸出O1，則從O1輸出的第一個脈沖(此圖中標明的a)通過反饋通道2傳送到此控制輸入G上。因此，當下一個脈沖b到達輸入時，在控制輸入G處出現一控制脈沖，因此該脈沖被轉換到第二輸出O2。因此，當脈沖c到達此輸入后的一個位周期時，在控制輸入G沒有脈沖出現且c傳送到輸出O1。當脈沖d到達輸入時，與脈沖c相應的來自反饋通道的脈沖在控制輸入G處出現，且脈沖d被轉換到輸出O2上。在此方式下，O2處的輸出包括輸入脈沖流一半位速率的一脈沖流。
當通過反饋環的延遲時間大于一個位的周期時，此門仍可以被編程以實現時鐘分割。
圖5示出了在與反饋通道相關聯的總延遲等于5個位周期時的情況下用于初始化電路的信號的實例。上一個序列示出了此電路的輸入，下面的序列為此電路的輸出。下面的這個序列也對應于反饋到控制輸入G的控制序列。如在上面的第一個例子中一樣，此門初始時被配置以直接轉換脈沖到輸出O1上。一5位長的幀，相當于反饋通道的長度，被用于初始化此電路。第一個5個輸入位對應于序列“10101”。它們被直接傳送到輸出O1上，且也被反饋到此反饋通道上。在圖中對應于下一幀的第1位的位置且標記為虛線的第6位，輸入位的值，與前面的位的值一樣，為“1”。在這個例子里，第一幀的第1位，其值為“1”到達此控制輸入G。第6位置上的“1”因此被轉換到另外一個輸出O2上。位值“0”因此出現在端口O1的輸出中。在第7位的位置中輸入的位值是“1”。隨著它被輸入到門，來自于第一幀的第二個位到達此控制輸入。它具有值“0”且此門被設置以直接傳送第7位到輸出O1處。這個模式對于后續位重復，從而O1的所有輸出均為“10101”的形式。因此，即使此門的輸入現在是“1”的連續流，此輸出繼續重復在初始化階段應用的位模式，以提供一半位速率的時鐘分割輸出。
作為上面討論的方法的另外選擇，此電路可以被設計成以多于一位長度的反饋通道來操作，但并不要求前面一個實例中那種方式的初始化。這通過使用一個半導體非線性元件、且通過在自發時鐘分割發生區域進行操作來利用該半導體的動態特性來實現。
在這個例子中，時鐘分割現象和其他復雜的動態行為都是緣于與作為存儲器的反饋效果相結合的半導體光放大器的有限使用期(典型地大約為300ps)。當輸入到此電路的信號有小于此SOA自然恢復速率的重復速率時，沒有上面描述的初始程序設計，“組”行為被觀測到，且沒有脈沖對脈沖的相互影響因為此放大器的增益在脈沖之間完全恢復。然而，在高重復速率時，當此脈沖間隔與此放大器的使用期是可比較的時，脈沖之間存在著相互影響，因為任何脈沖的相移依賴于前面幾個脈沖的模式。在這樣一個帶有反饋的系統中，初始啟動序列的存儲影響后續脈沖。導致時鐘分割的精確動態序列是十分復雜的且在固定狀態出現之前在幾個幀周期上展開。在這個固定狀態中此放大器可以在時鐘分割脈沖之間恢復。這種操作方式完全是自啟動的，且象已經指出的那樣，不需要象前面的例子那樣被編程。因為此電路在輸出中產生交替的“組”或幀和它們的邏輯補碼，當此幀包含一奇數的脈沖時它僅給出了一連續的時鐘分割脈沖序列。
本發明者已實現了確認上述效果的，且隨著脈沖能量變化預測本系統無序的周期加倍路由的本系統數值模型。
圖6a到6f示出了本系統數值模型的結果。
圖6a示出了當此輸入脈沖流有1.5GHz重復速率時系統的行為。此放大器e-1恢復周期為0.3ns。在此位速率時，脈沖間的間隔大大超過此恢復時間，因此在沒有位對位的相互影響時，輸出為具有與反饋通道的延遲長度相對應的周期的組的形式。然而，隨著位速率的增加，即位間隔的減小，相鄰脈沖間的相互影響開始發生。
圖6b示出了它的開始。在脈沖4中，此放大器尚未從與脈沖3相關聯的載流子數量的明顯減少中完全恢復。從而脈沖4的幅度與脈沖3和后續脈沖相比變小。
圖6c示出了在2.8GHz，后續位之間的相互影響引起自發的時鐘分割。不是整個組被轉換并被輸出，而是脈沖僅輪流地被轉換。
如圖6d所示，這種行為隨著此位速率進一步上升到3GHz時被保持。
如圖6e所示，在4GHz左右此時鐘分割行為隨著其他動態處理開始活動而開始中止。在4.2GHz(圖6f)這些其他處理開始占據主導且此時鐘分割行為實質上丟失。
在產生時鐘分割行為中的關鍵參數是此脈沖速率和此放大器e-1恢復速率的比值。對于最優的時鐘分割行為，這些速率應該基本相等，盡管如在上面的例子中闡述的那樣，精確的比值不是關鍵的，當恢復速率和脈沖速率的比值大體相當時，時鐘分割將在比值的一定范圍內發生。例如，如上所示，時鐘分割可以繼續直到此脈沖偏離e-1恢復速率多于30％時為止。
圖7a和7b描繪了上面描述的第一個電路的實施例，即一個有和單個位周期長度相等的短反饋通道的電路。在這個例子中，此非線性門是一個使用一集成Mach-Zehnder結構的干涉裝置。此電路在一Ⅲ-V半導體基片中形成，在此例子中是磷化銦。限定光信號通道的波導利用脊波導結構組成。Mach-Zehnder的MZ部分包括兩條臂，其偏移為確定轉換窗口長度的長度Lsw。半導體光放大器SOA1與這兩條臂的每一條集成起來。每條臂中的SOA可被獨立地控制。來自于這兩條臂的信號被反饋到Soldano等的題為“Planar Monomode Optical Couplers Basedon Multimode Interference Effects”的論文(發表于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類型的輸出耦合器OC上。這耦合MZ級的輸出到兩個與圖1中示出的設備的輸出端口O1和O2功能相對應的輸出端口OP3和OP4上。至此MZ門的反饋信號由通過在輸出端口O4處波導面提供反射涂層而形成的鏡面提供。到輸出端口O4的臂上的另一個放大器SOA2放大反射信號，該信號然后被反饋回Mach-Zehnder的MZ部分中的放大器SOA1。·此反射信號作為控制輸入確定SOA1的狀態。為了減少損失，此結構可以使用帶有在用于模式轉換的波導的不同區域中形成的錐體的深和淺腐蝕無源波導的組合。
在這種結構中，圍繞此轉換的反饋通道的總長度LTOT由公式LTOT=LOUT+LSW+LMMI+LF+Lb+1/2(La+Lb)給出。在這個例子中，LTOT接近900μm，在折射率為3.5時與延遲10ps相對應。這依次對應于位速率為100GHz時的一單個位延遲。
圖7b是穿過圖7a中線XX的斷面圖。它示出了在MZ部分的上臂中波導的部分，包括SOA的部分。此SOA是一多量子井(MQW)裝置，漸消失地耦合到此波導層。此波導層形成為-InGaAsP量子層。
在圖2的電路中適合于用作非線性元件的另一可選SOA是一大的光點直徑放大器。大的光點直徑的使用允許對從光纖輸入和輸出的光束進行更簡單更高效的耦合。這個大的光點直徑放大器也有一阻止激光發生的角平面。這個大的光點直徑放大器在A E Kelly,I F Lealman,L JRivers,S D Perrin和Mark Silver所寫的“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。盡管特別適合于在圖2中的混合電路中使用，這個放大器類型可能也被包括在集成結構如圖7中所示的那些中。
另一可選的放大器，適合于在本發明的混合和集成實施例中用作非線性元件的是一個大的帶陷SLA(半導體激光放大器)。α因子，即在此放大器中相改變和幅度改變的比值，是此信號波長的強函數。此α的值在波段邊緣處漸近地增長。一個大的α因子對于TOAD操作來說是期望的。使用一個帶有大帶陷的裝置帶來更接近于波段邊緣的操作波長如1547nm和1536nm并因此給出一更大的α。此波段邊緣在MQW裝置中被更清晰地限定。在本例子中，此光放大器是一個7井MQW裝置。這個井由未緊縮的InGaAs構成且此勢壘層是1％的伸一縮InGaAs。它有一個1.553微米的光致發光波長且這個波長廣泛地對應于此波段邊緣。
圖8示出了一個適合于與一個位周期反饋延遲一起使用的電路的第二個例子，盡管通過使用上面描述的初始編程階段它也可被用于多個一個位周期的反饋延遲。在這個例子中，非線性門包括激光腔81中的包含一半導體增益介質83的一飽和吸收器82。此飽和吸收器82可以是，例如，離子注入InGaAsP且整個裝置可作為一集成半導體結構被形成。在這個例子中，此激光器的一個腔鏡部分反射1且都提供一輸出端口，并也將光反射回此飽和吸收器中以提供反饋通道。在此例子中定義此腔的其它鏡子，是一反射光柵結構，也用于調節此腔到一特定波長。在以前討論的環形鏡例子中，此飽和吸收器提供一依賴光強的非線性性，它的響應時間相比位間隔要慢。響應時間典型地為10或100皮秒。從此輸出反射回來的反饋信號偏置此吸收器以使其根據此反饋信號的值吸收或傳輸。放大器83，在這個例子中與吸收器一起被形成，提供此反饋通道中信號的放大。
圖2示出了與上面概述的第二和第三方案相關的另一實施例。此例子中的轉換由TOAD配置光纖環形鏡形成。此情況下的光源是一操作在1.55μm的漂移抑制增益轉換分布式反饋激光器21，并產生一20ps持續時間的2.5GHz的脈沖串。此脈沖串通過第一個摻鉺光纖放大器22和一濾波器23。此脈沖串在放大和濾波后被注入到此光纖環形鏡中。一SOA在此環中被定位且在空間上偏離此環中心大約3cm，以給出一150ps左右的轉換窗口。這個環包括一50∶50光纖耦合器25。兩個極化選擇光纖耦合器26,27被用于此環中以產生并濾去此正交極化轉換脈沖。這些脈沖則作為此SOA的轉換脈沖。為此轉換的脈沖平均功率為2.5mW左右，為2.5GHz，對應于每個脈沖為1pJ左右。因為光纖長度是固定的，相對于環中的脈沖，轉換脈沖在SOA處的相對到達時間通過調節源的重復速率可以被改變。此重復速率也用于改變反饋環中的總脈沖數目。被此環形鏡反射的脈沖在其線性操作模式中被放大，極生旋轉并作為轉換脈沖反饋到環中。一光環形器24用于選擇被反射脈中，后者接著被第二摻鉺光纖放大器28所放大并被濾波器29濾波。光纖極化控制器被用于定義在電路的不同部分中脈沖的極化狀態。
圖3示出了輸入脈沖串(a)的暫時輸出和當此反饋通道包含奇數個脈沖時的環形輸出(b)。這個時鐘分割操作可被清晰地看到。此輸出的消失比值與此環的消失相對應為15dB左右，暫時輸出在幾個小時之內是極其穩定的。此脈沖串的相應微波光譜在圖4a和4b中被示出。此時鐘分割光譜包含極其狹窄的為輸入脈沖串一半頻率的諧振，指示此時鐘分割模式是一純粹的一分為二的操作。當反饋通道中的脈沖數目為偶數時，更復雜的行為被觀測到，且此微波光譜變得更結構化。和上面解釋的一樣，固定時鐘分割僅當奇數個脈沖數目時被實現。
在線速率2.5GHz處，圖2中的電路展示了如上所討論的自發時鐘分割。然而，此電路也可以被用在時鐘分割不能自發發生的另一時鐘速率。需要引入一已討論的初始編程階段，長度等于此延遲通道并具有格式“101010….”的編程幀被用于初始化此電路。
本發明的進一步擴充在圖9中被概要地示出。這里一系列與圖1中通常對應的n個時鐘分割電路91ⅰ-ⅲ被串聯使用以提供被2n整除的分割。在n等于3的本例中，輸出脈沖流的時鐘速率是此輸入位速率的1/8。這個例子示出了用于一8通道分路器范圍內的時鐘分割電路。時鐘分割對諸如分路器的應用來說是一項重要的功能，因為通常需要時鐘速率是線速率的因數，而在一些全光時鐘恢復方案中，被恢復的時鐘處在起始線速率上。圖中示出的時鐘恢復速率級92可以是，例如在Patrick D M和Manning R J的論文“20Gbit/s All-optical Clock Recovery UsingSemiconductor Non-linearity”(Electron.Lett.1994,30,00 151-152)中描述的那樣。
盡管上面闡述的例子的線速率為2.5GHz，本發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適當的電偏置，和Manning等人在論文“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號的注入，來建立自發時鐘分割的正確條件。
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在光纖通信vol.5,1992OSA技術摘要系列(Optical Society ofAmerica,Washington D.C.1992)的論文PD8中公開的半導體技術和A Takada,K Aida和M Jinno在光纖通信vol.4,1991 OSA技術摘要系列的(Optical Society of America，Washington D.C.1992)論文TuN3中公開的混合集成技術，可能設計確定的電路來減小延遲到幾十個ps并實現接近100GHz速率的光處理。
權利要求
1.一種從一較高時鐘速率的光信號流中獲取一被分割時鐘速率的時鐘信號的方法，包括a)將一光信號流施加到一全光非線性門，該門包括一非線性元件；b)將來自所述全光非線性門一輸出的光信號反饋到所述非線性元件；且c)從該全光非線性門處以被分割時鐘速率輸出一光信號。
2.根據權利要求1的方法，其中光信號流被施加到一干涉非線性光門上。
3.根據權利要求2的方法，其中該干涉非線性門包括一非線性環形鏡(NOLM)。
4.根據權利要求3的方法，其中NOLM里的非線性元件是一半導體光放大器(SOA)。
5.根據權利要求2的方法，其中該光信號流被施加到集成MachZehnder干涉儀的一輸入端口上且其中該非線性轉換元件是位于集成Mach Zehnder干涉儀的至少一個臂中的半導體光放大器(SOA)。
6.根據上面任一權利要求的方法，其中與光反饋通道(2,3,4)相關聯的延遲周期等于光信號流中位與位之間的周期。
7.根據權利要求1到5中任意之一的方法，還包括對該門編程的初始階段，其中通過向該門輸入具有預定位模式且長度足夠填充該門和反饋通道的一脈沖組，來實現時鐘分割。
8.根據權利要求1到3中任意之一的方法，其中該非線性元件是一個半導體光放大器(SOA)，且此方法包括通過用與半導體光放大器e-1恢復速率相對應位速率的光信號流驅動此半導體光放大器，在非線性門中引發自發時鐘分割。
9.根據前面權利要求中任意一個的方法，還包括從該門將被分割時鐘速率的所述光信號輸出施加到一另外的全光非線性門的輸入，將來自于該另外的門的輸出的一光信號反饋到該另外的門的非線性元件上，并以進一步細分的時鐘速率從該另外的門輸出一光信號。
10.根據權利要求1的方法，其中該信號流被引入到一激光器的光腔中，該激光器包括被設置來完成所述非線性元件作用的飽和吸收器。
11.一時鐘分割電路，包括(a)一全光非線性門(1)，包括被安排來接收較高時鐘速率的光信號流的一光輸入，一光輸出，在光輸入和光輸出之間連接的一非線性元件；和(b)從該門的輸出到該非線性元件的光反饋通道，使用中一光信號以被分割的時鐘速率從該門被輸出。
12.根據權利要求11的時鐘分割電路，其中該門是一干涉非線性光門。
13.根據權利要求12的時鐘分割電路，其中此非線性光門是一環形鏡(NOLM)。
14.根據權利要求11到13中任意之一的時鐘分割電路，其中該門的非線性元件是一半導體光放大器(SOA)。
15.根據權利要求14的時鐘分割電路，其中該非線性門包括一集成的Mach Zehnder干涉儀，且其中該非線性轉換元件是位于集成的Mach Zehnder干涉儀至少一個臂中的半導體光放大器。
16.根據權利要求11到15中任意之一的時鐘分割電路，包括至少一個另外的全光非線性門，其輸入連接到第一個光門的輸出，并包括一從該另外的門的輸出到該另外的門的非線性元件的反饋通道，在使用中該另外的門以進一步細分的時鐘速率輸出一光信號。
17.根據權利要求11的時鐘分割電路，其中該全光非線性門是一激光器，并钖包括于此激光器的光學腔中作為非線性元件的飽和吸收器。
18.包括根據前面權利要求中任意一個的時鐘分割電路的時分多路復用器或分路器。
19.一種基本上如參考附圖所描述的時鐘分割電路。
全文摘要
從一高時鐘速率的光信號流中獲取一被分割時鐘速率的時鐘信號。高時鐘速率的光信號流被施加到一全光非線性門。從該門的第一輸出到它的控制輸入存在著一反饋。被分割時鐘速率的光信號出現在該門的第二輸出處。這個門可以包括一非線性環形鏡。多個這樣的門可以被串行級聯以在被文檔編號H01S5/00GK1218558SQ97194509
公開日1999年6月2日 申請日期1997年4月30日 優先權日1996年5月8日
發明者羅伯特·約翰·曼寧, 阿利斯泰爾·詹姆斯·波斯蒂, 尤利安·卡齊米日·盧采克 申請人:英國電訊有限公司