全光3R再生原理

1、全光3R再生原理與技術倫秀君1，2，黃永清1，張瑞康1，任曉敏1 （1北京郵電大學光通信中心，北京100876； 2北京化工大學物理與電子技術系，北京100029） 摘 要：全光3R再生技術（再放大，再整形，再定時）是高速大容量光網(wǎng)絡中的核心技術文章詳細闡述了全光3R再生的原理和全光再生的關鍵技術，并在此基礎上提出了一種新型的全光3R再生系統(tǒng) 關鍵詞：全光再生；時鐘恢復；光判決門全光3R再生技術是在光域中對信號進行再放大、再定時和再整形的技術，是高速全光網(wǎng)絡的核心技術，目前國外一些公司和科研機構(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入全光再生

2、器時被分為兩 路，一路進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關鍵技術的分析實現(xiàn)全光3R再生系統(tǒng)的關鍵技術是時鐘恢復技術和光判決門技術下面對這兩項關鍵技術進行分析21時鐘恢復技術時鐘恢復是3R技術中最難實現(xiàn)的模塊，目前尚處于研究探索階段，國外研究機構(gòu)就該技術進行了多種方案的研究，主要有光鎖相環(huán)技術、光纖鎖模激光器技術 和半導體激光器自脈動技術光鎖相環(huán)技術成本高、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和基于半導體的激光器自脈

3、動技術的時鐘恢復進 行分析211光纖鎖模激光器技術光纖鎖模激光器技術是基于調(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)激光器進行時鐘恢復的原理圖1 注入信號脈沖從端口3入射，帶通復用器（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1一同進入多量子阱半導體飽和 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的；當有脈 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)激光器進行時鐘恢復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半導體激光器自脈動技術半導體激光器自脈動

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)的半導體激光器或同一結(jié)構(gòu)但不同外界條件下的半導體激光器，其自脈動的機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)載流子壽命之比達到一定值時才能產(chǎn)生在半導體材料中，由于俄歇復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腔激光器進行時鐘提取時，由于受到載流子恢復時間的限制，自脈動的速率較低利用多區(qū)DFB激光器自脈動進行時鐘恢復是由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，當反射的光功率較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閉，過一段恢復時間又自動打開，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，稱其為色散自Q開關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40 GHz另一種拍型諧振理論是在色散自Q開關理論的基礎上，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，使波長失諧量增大，使自脈動頻率可大于40 GHz 當有和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技術并與傳統(tǒng)的電鎖相環(huán)時鐘恢復技術進行比較，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 恢復技術具有傳輸速率高、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光判決門技術光判決門技術的方案主要有利用光纖非線性效應的非線性光纖環(huán)路鏡（NOLM）技術、THz光學非對稱解復

12、用（TOAD）技術、利用半導體光放大器（SOA）非線性的馬赫曾德干涉儀（MZI）或邁克爾遜干涉儀（MI）技術和電吸收調(diào)制器（EAM）技術具有應用潛力的是TOAD和MZI技術221TOAD技術TOAD技術是基于NOLM技術產(chǎn)生的，它是用非線性介質(zhì)（一般為SOA）代替光纖，從而使非線性效應增強，器件的體積減小且穩(wěn)定性增強TOAD工 作原理如圖7所示，在光學環(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，對信號光進行交叉相位調(diào)制，使其產(chǎn)生非線性相移當兩路反向傳輸 的注入光脈沖到達耦合器的端口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，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MZI技術的工作原理與TOAD技術類似，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，與其它技術相比，可便于和時鐘恢復單元集成，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)的設計在分析光時鐘恢復模塊和光判決模塊的基礎上，本文提出了一種基于半導體多區(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）進入光判決門；另一路經(jīng)EDFA放大后，進入 光判決門模塊，這一路作為強光脈沖信號

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)絡中的傳輸距離和網(wǎng)絡級聯(lián)規(guī)模是非常必要的本文詳細闡述了全光3R再生的原理和 全光再生的關鍵技術在

16、分析了光時鐘恢復模塊和光判決門模塊的基礎上，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：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