全光3R再生原理

1、全光3R再生原理與技術(shù)倫秀君1，2，黃永清1，張瑞康1，任曉敏1 （1北京郵電大學(xué)光通信中心，北京100876； 2北京化工大學(xué)物理與電子技術(shù)系，北京100029） 摘 要：全光3R再生技術(shù)（再放大，再整形，再定時）是高速大容量光網(wǎng)絡(luò)中的核心技術(shù)文章詳細(xì)闡述了全光3R再生的原理和全光再生的關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的全光3R再生系統(tǒng) 關(guān)鍵詞：全光再生；時鐘恢復(fù)；光判決門全光3R再生技術(shù)是在光域中對信號進(jìn)行再放大、再定時和再整形的技術(shù)，是高速全光網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，目前國外一些公司和科研機(jī)構(gòu)正在探索實現(xiàn)全光3R再生的途徑1全光3R再生原理圖1為全光3R再生原理示意圖入射損傷信號進(jìn)入全光再生

2、器時被分為兩 路，一路進(jìn)入時鐘提取單元以提取時鐘光信號，提取出的時鐘信號具有穩(wěn)定的幅度和時鐘信息；另一路信號經(jīng)摻鉺光纖放大器（EDFA）放大后，與時鐘信號脈沖 一同注入光判決門，經(jīng)過光判決門后可得到全光再生信號2全光3R關(guān)鍵技術(shù)的分析實現(xiàn)全光3R再生系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是時鐘恢復(fù)技術(shù)和光判決門技術(shù)下面對這兩項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析21時鐘恢復(fù)技術(shù)時鐘恢復(fù)是3R技術(shù)中最難實現(xiàn)的模塊，目前尚處于研究探索階段，國外研究機(jī)構(gòu)就該技術(shù)進(jìn)行了多種方案的研究，主要有光鎖相環(huán)技術(shù)、光纖鎖模激光器技術(shù) 和半導(dǎo)體激光器自脈動技術(shù)光鎖相環(huán)技術(shù)成本高、功耗大且難以集成化本文僅對基于光纖的光纖鎖模激光器技術(shù)和基于半導(dǎo)體的激光器自脈

3、動技術(shù)的時鐘恢復(fù)進(jìn) 行分析211光纖鎖模激光器技術(shù)光纖鎖模激光器技術(shù)是基于調(diào)制信號光驅(qū)動光纖環(huán)激光器產(chǎn)生和信號光同一速率的鎖模脈沖這一原理圖2是利用摻鉺和鐿的光纖環(huán)激光器進(jìn)行時鐘恢復(fù)的原理圖1 注入信號脈沖從端口3入射，帶通復(fù)用器（BWDM）的端口1與端口3之間可通過中心波長為1 543 nm、帶寬為3 nm的入射光，其他波長的光可通過端口1和端口2傳輸注入信號和由增益光纖產(chǎn)生的自發(fā)輻射（ASE）噪聲通過環(huán)行器的端口1一同進(jìn)入多量子阱半導(dǎo)體飽和 吸收器（MQWSSA），經(jīng)反射后從環(huán)行器的端口3輸出，然后通過可調(diào)諧的帶寬為1 nm的光濾波器（OF），再經(jīng)過1 m長的高摻雜鉺和鐿的光纖放大，通過分

4、光比為2080的耦合器把注入光的時鐘信號脈沖輸出偏振控制器（PC）用來維持環(huán)行腔中光脈沖的偏振態(tài)不變光 纖環(huán)激光器在沒有外信號注入時，在泵浦光的作用下，當(dāng)環(huán)行腔的增益足夠大時，可形成鎖模但鎖模是由ASE所誘發(fā)，因而鎖模光脈沖的相位是隨機(jī)的；當(dāng)有脈 沖信號注入時，由于SSA的飽和吸收作用，如果注入脈沖信號達(dá)ps級，注入光有較大的光功率，SSA很容易飽和，使環(huán)行腔激光器脈動頻率與注入脈沖達(dá)到同 步，從而可提取出注入脈沖的時鐘信號利用鎖模光纖環(huán)激光器進(jìn)行時鐘恢復(fù)可得到較高速率的時鐘信號，但由于它的體積相對較大，難以集成，另外，環(huán)行激光器 固有的穩(wěn)定性較差212半導(dǎo)體激光器自脈動技術(shù)半導(dǎo)體激光器自脈動

5、現(xiàn)象是指在直流電流注入情況下，激光器輸出光功率有周期性的振蕩這種現(xiàn)象在具有飽和吸收體的FP腔激光器和沒有飽和吸收體的多 區(qū)DFB激光器中都可發(fā)生對不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器或同一結(jié)構(gòu)但不同外界條件下的半導(dǎo)體激光器，其自脈動的機(jī)理也不盡相同首先對具有飽和吸收體的FP腔激光器自脈動進(jìn)行討論FP腔由飽和吸收區(qū)和增益區(qū)組成，飽和吸收和增益的相互作用，導(dǎo)致激光器處于不穩(wěn)定的狀態(tài)， 引起輸出光無衰減地張馳振蕩，即產(chǎn)生自脈動自脈動的頻率可通過注入電流來調(diào)節(jié)當(dāng)注入信號脈沖的頻率與自脈動的頻率相近時，激光器自脈動的頻率被鎖定到 注入信號的頻率上，時鐘提取技術(shù)正是利用了自脈動激光器的這一性質(zhì)通過解速率方程組可分析激光

6、器自脈動的產(chǎn)生條件，自脈動只有在吸收區(qū)載流子壽命和增益 區(qū)載流子壽命之比達(dá)到一定值時才能產(chǎn)生在半導(dǎo)體材料中，由于俄歇復(fù)合減少了載流子壽命，為了提高自脈動頻率，可通過高摻雜形成飽和吸收區(qū)，從而獲得大量 的非輻射復(fù)合中心，使吸收區(qū)載流子壽命大大減少試驗上可獲得52GHz的自脈動脈沖，當(dāng)向自脈動激光器注入5 GHz的RZ脈動信號時，自脈動頻率被鎖定到5 GHz，即產(chǎn)生了自脈動脈沖與注入脈沖的同步，從而可以提取出注入脈沖信號的時鐘信號2利用具有飽和吸收體的FP腔激光器進(jìn)行時鐘提取時，由于受到載流子恢復(fù)時間的限制，自脈動的速率較低利用多區(qū)DFB激光器自脈動進(jìn)行時鐘恢復(fù)是由MMohrle等人提出的3多區(qū)D

7、FB激光器不含有飽和吸收體，所以具有不同的自脈動產(chǎn)生機(jī)理以三區(qū)DFB激光器為例，介紹兩種典型的理論：色散自Q開關(guān)理論和拍型諧振理論圖3所示為三區(qū)DFB激光器件模型4 它由3部分組成：DFB增益區(qū)、相位調(diào)制區(qū)和DFB反射區(qū)DFB增益區(qū)工作在大電流條件下，遠(yuǎn)超過激射閾值（域值電流3040 mA），其作用是提供光信號；DFB反射區(qū)工作在透明電流（10 mA）附近，沒有明顯的吸收和增益，可忽略光子與載流子的相互作用，此區(qū)相當(dāng)于布拉格反射鏡的作用；相位調(diào)制區(qū)不含光柵層和工作物質(zhì)層，此區(qū)通過調(diào)節(jié)光信 號的相位，對控制自脈動的產(chǎn)生起到重要作用為減小端面的影響，在器件的兩端鍍有增透膜 通過解速率方程組的穩(wěn)態(tài)解

8、可得出增益區(qū)和反射區(qū)的功率反射譜，如圖4所示，橫坐標(biāo)表示相對波長（相對于1 550 nm的波長），圖的上半部分是考慮時間分量解速率方程組的動態(tài)模型解，可得出：當(dāng)激射波長調(diào)至反射區(qū)的反射功率譜的衰減帶邊時，原來的穩(wěn)態(tài)解變得不穩(wěn)定， 出現(xiàn)自脈動現(xiàn)象，如圖4下半部分所示在自脈動產(chǎn)生的條件下，激射光的增益閾值與波長的功率反射率有關(guān)，當(dāng)反射的光功率較5小時，激射光的增益小于增益域 值，激射停止；當(dāng)反射的光功率較大時，激射光的增益大于增益域值，又開始激射光功率的變化是由于介質(zhì)折射率變化和注入電流所產(chǎn)生的熱量所導(dǎo)致的隨著功 率反射率的變化，激光器在輻射出一個光脈沖后自動關(guān)閉，過一段恢復(fù)時間又自動打開，就這樣

9、調(diào)節(jié)器件腔內(nèi)的光功率與器件端面輻射出的光功率的比值（即DBF 激光器件的Q值），其Q值的變化與光波波長相關(guān)，稱其為色散自Q開關(guān)理論在這樣的條件下由器件自脈動而產(chǎn)生的光脈沖是單模的，其脈動頻率可高達(dá)40 GHz另一種拍型諧振理論是在色散自Q開關(guān)理論的基礎(chǔ)上，通過改變外部注入電流和DFB激光器的光柵周期常數(shù)產(chǎn)生的當(dāng)DFB激光器件的雙DFB區(qū)采用不同的光柵周期常數(shù)1和2，并且都工作在閾值電流以上處于激射狀態(tài)時，雙DFB區(qū)的每一區(qū)的能量反射譜都可在另一區(qū)的阻止帶的陡降邊產(chǎn)生自脈動，從另一區(qū)得到更多的能量反饋而形成激射模所以每個DFB區(qū)具有雙重的作用：即作為一種模式的激射源，同時也是另一模式的反射區(qū)如圖

10、5所示，s為阻止帶寬度，是雙DFB區(qū)Bragg波長的失諧量：grth，gr是由于雙DFB區(qū)不同光柵常數(shù)造成的波長失諧量，th是由于注入電流產(chǎn)生的熱量而產(chǎn)生的波長失諧量當(dāng)注入電流增大時，因注入電流產(chǎn)生的熱量使反射譜的紅移作用增強(qiáng)，使波長失諧量增大，使自脈動頻率可大于40 GHz 當(dāng)有和DFB器件的自脈動頻率相近的脈沖信號注入時，自脈動的頻率被鎖定到注入信號的頻率注入的脈沖信號調(diào)制DFB器件增益區(qū)工作物質(zhì)區(qū)域的載流子濃 度，迫使自脈動頻率向注入信號頻率移動，最終使自脈動和注入信號同步三區(qū)DFB器件的注入鎖定特性，使自脈動產(chǎn)生的光脈沖包含了注入脈沖的時鐘信號試 驗方案如圖6所示5波長為1 550 n

11、m的10 Gbits RZ注入信號由可調(diào)諧鎖模激光器和調(diào)制器產(chǎn)生，注入信號從環(huán)行器a端輸入，經(jīng)c端注入三區(qū)DFB器件，被鎖定的自脈動時鐘脈沖由c端經(jīng)環(huán)行器從b端輸出 經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，時鐘定時信號的脈沖軌跡由示波器顯示，其振幅和時域有很好的穩(wěn)定性，時間抖動1 ps在實驗中采用了全光時鐘恢復(fù)技術(shù)并與傳統(tǒng)的電鎖相環(huán)時鐘恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行比較，兩種方法的誤碼率的測量結(jié)果非常相近基于多區(qū)DFB激光器自脈動的時鐘 恢復(fù)技術(shù)具有傳輸速率高、器件體積小、集成度高和功耗小的優(yōu)點，但器件制作的工藝難度相對較大22光判決門技術(shù)光判決門技術(shù)的方案主要有利用光纖非線性效應(yīng)的非線性光纖環(huán)路鏡（NOLM）技術(shù)、THz光學(xué)非對稱解復(fù)

12、用（TOAD）技術(shù)、利用半導(dǎo)體光放大器（SOA）非線性的馬赫曾德干涉儀（MZI）或邁克爾遜干涉儀（MI）技術(shù)和電吸收調(diào)制器（EAM）技術(shù)具有應(yīng)用潛力的是TOAD和MZI技術(shù)221TOAD技術(shù)TOAD技術(shù)是基于NOLM技術(shù)產(chǎn)生的，它是用非線性介質(zhì)（一般為SOA）代替光纖，從而使非線性效應(yīng)增強(qiáng)，器件的體積減小且穩(wěn)定性增強(qiáng)TOAD工 作原理如圖7所示，在光學(xué)環(huán)路鏡中，SOA非對稱放置，即偏離中心點x注入光脈沖信號從3 dB（22）耦合器的端口A入射，入射光被分為兩路，一路為順時針光脈沖，一路為逆時針光脈沖兩列脈沖到達(dá)SOA的時間不同，其差值由偏移量x決 定在環(huán)路上附加的控制光脈沖用來耗盡SOA的載流

13、子，使SOA的增益和折射率發(fā)生變化，對信號光進(jìn)行交叉相位調(diào)制，使其產(chǎn)生非線性相移當(dāng)兩路反向傳輸 的注入光脈沖到達(dá)耦合器的端口B時，若它們相位相反，則疊加后相消，在端口B沒有光脈沖輸出；若它們相位相同，則疊加后增強(qiáng)，有入射光輸出可用提取出的 時鐘信號作為入射光脈沖，而原信號放大后作為控制光脈沖，從而可實現(xiàn)光判決門的功能222MZI技術(shù)MZI技術(shù)的工作原理與TOAD技術(shù)類似，是利用注入信號光造成干涉儀兩臂上傳輸?shù)墓鈺r鐘信號脈沖所經(jīng)歷的相移不同，使得光時鐘信號脈沖在輸出端口相長或相消干涉，由此可實現(xiàn)光判決的功能有試驗報道該工作方式下，20 Gbits RZ再生在長距離傳輸中，靈敏度損傷12 dB6利

14、用MZI的光判決門尺寸小，與其它技術(shù)相比，可便于和時鐘恢復(fù)單元集成，構(gòu)成可集成化全光3R再生系統(tǒng)，并且MZI的光判決門的開關(guān)速度快，具有很好的實用化前景3新型全光3R再生系統(tǒng)的設(shè)計在分析光時鐘恢復(fù)模塊和光判決模塊的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于半導(dǎo)體多區(qū)DFB器件和基于SOA的MZI器件的新型全光3R再生系統(tǒng)模型該模型具有體積小、可高度集成、傳輸速率高和功率消耗低的特點系統(tǒng)模型如圖8所示損傷的入射光脈沖經(jīng)耦合器c1分 為兩路，一路進(jìn)入三區(qū)DFB激光器提取入射光信號的時鐘信號，提取出的時鐘脈沖信號再由多模干涉器（MMI）進(jìn)入光判決門；另一路經(jīng)EDFA放大后，進(jìn)入 光判決門模塊，這一路作為強(qiáng)光脈沖信號

15、，用來消耗SOA中的載流子，產(chǎn)生交叉相位調(diào)制，使光時鐘脈沖信號發(fā)生非線性相移放大后的入射光信號經(jīng)耦合器c2又分為上下兩路，其中上路的光信號脈沖被延遲一段時間（等于脈沖周期），下路的入射光首先到達(dá)SOA2，使時鐘脈沖產(chǎn)生相移，兩路時鐘脈沖在MMI疊加，疊加后的光脈沖從下端口輸出，后上路的注入光脈沖到達(dá)SOA1，使時鐘信號脈沖產(chǎn)生相同的相移，兩路時鐘脈沖信號在MMI疊加，沒有光脈沖從下端口輸出，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)對損傷信號的全光3R再生 4結(jié)論全光3R再生技術(shù)對克服各種因素對光信號產(chǎn)生的損傷，增加光信號在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)規(guī)模是非常必要的本文詳細(xì)闡述了全光3R再生的原理和 全光再生的關(guān)鍵技術(shù)在

16、分析了光時鐘恢復(fù)模塊和光判決門模塊的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的全光3R再生系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有集成度高、傳輸速率高和功耗低的優(yōu) 點，將在全光網(wǎng)中起到重要的作用參考文獻(xiàn)：1Wang Lijun，Su YikaiPolariztion insensitive widely tunable allopticalclock recoverybased on AM modellocking of a fiber ringlaserJIEEE PhotonTechnolLett，2000，12（2）：2112132Barasley PE，Wickes HJ，Wickens GE，etalAllopticalcl

17、ock recovery from5 Gbits RZdata using a selfpulsating 156mlaserdiodeJIEEEPhotonTechnolLett，1991，3（10）：9429453Mohrle M，F(xiàn)eiste U，Horer J，etalGigahertz selfpulsation in 15mwavelength multisection DFB lasersJIEEEPhotonTechnolLett，1992，4（9）：9769794Hrle M M，Sarterius B，Bornholdt C，et alDetuned grating multisectionRWDFBasers for highspeed opticalsignalprocessin