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(shí)）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(shí)鐘恢復(fù)；光判決門(mén)全光3R再生技術(shù)是在光域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行再放大、再定時(shí)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(guó)外一些公司和科研機(jī)構(gòu)正在探索實(shí)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(hào)進(jìn)入全光再生

2、器時(shí)被分為兩 路，一路進(jìn)入時(shí)鐘提取單元以提取時(shí)鐘光信號(hào)，提取出的時(shí)鐘信號(hào)具有穩(wěn)定的幅度和時(shí)鐘信息；另一路信號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器（EDFA）放大后，與時(shí)鐘信號(hào)脈沖 一同注入光判決門(mén)，經(jīng)過(guò)光判決門(mén)后可得到全光再生信號(hào)2全光3R關(guān)鍵技術(shù)的分析實(shí)現(xiàn)全光3R再生系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)和光判決門(mén)技術(shù)下面對(duì)這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析21時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)時(shí)鐘恢復(fù)是3R技術(shù)中最難實(shí)現(xiàn)的模塊，目前尚處于研究探索階段，國(guó)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(dòng)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(duì)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(dòng)技術(shù)的時(shí)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(hào)光驅(qū)動(dòng)光纖環(huán)激光器產(chǎn)生和信號(hào)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(shí)鐘恢復(fù)的原理圖1 注入信號(hào)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(guò)中心波長(zhǎng)為1 543 nm、帶寬為3 nm的入射光，其他波長(zhǎng)的光可通過(guò)端口1和端口2傳輸注入信號(hào)和由增益光纖產(chǎn)生的自發(fā)輻射（ASE）噪聲通過(guò)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(guò)可調(diào)諧的帶寬為1 nm的光濾波器（OF），再經(jīng)過(guò)1 m長(zhǎng)的高摻雜鉺和鐿的光纖放大，通過(guò)分

4、光比為2080的耦合器把注入光的時(shí)鐘信號(hào)脈沖輸出偏振控制器（PC）用來(lái)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(méi)有外信號(hào)注入時(shí)，在泵浦光的作用下，當(dāng)環(huán)行腔的增益足夠大時(shí)，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(hào)注入時(shí)，由于SSA的飽和吸收作用，如果注入脈沖信號(hào)達(dá)ps級(jí)，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(dòng)頻率與注入脈沖達(dá)到同 步，從而可提取出注入脈沖的時(shí)鐘信號(hào)利用鎖模光纖環(huán)激光器進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)可得到較高速率的時(shí)鐘信號(hào)，但由于它的體積相對(duì)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(dòng)技術(shù)半導(dǎo)體激光器自脈動(dòng)

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(méi)有飽和吸收體的多 區(qū)DFB激光器中都可發(fā)生對(duì)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(dòng)的機(jī)理也不盡相同首先對(duì)具有飽和吸收體的FP腔激光器自脈動(dòng)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(wú)衰減地張馳振蕩，即產(chǎn)生自脈動(dòng)自脈動(dòng)的頻率可通過(guò)注入電流來(lái)調(diào)節(jié)當(dāng)注入信號(hào)脈沖的頻率與自脈動(dòng)的頻率相近時(shí)，激光器自脈動(dòng)的頻率被鎖定到 注入信號(hào)的頻率上，時(shí)鐘提取技術(shù)正是利用了自脈動(dòng)激光器的這一性質(zhì)通過(guò)解速率方程組可分析激光

6、器自脈動(dòng)的產(chǎn)生條件，自脈動(dòng)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(shí)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(dòng)頻率，可通過(guò)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(yàn)上可獲得52GHz的自脈動(dòng)脈沖，當(dāng)向自脈動(dòng)激光器注入5 GHz的RZ脈動(dòng)信號(hào)時(shí)，自脈動(dòng)頻率被鎖定到5 GHz，即產(chǎn)生了自脈動(dòng)脈沖與注入脈沖的同步，從而可以提取出注入脈沖信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)2利用具有飽和吸收體的FP腔激光器進(jìn)行時(shí)鐘提取時(shí)，由于受到載流子恢復(fù)時(shí)間的限制，自脈動(dòng)的速率較低利用多區(qū)DFB激光器自脈動(dòng)進(jìn)行時(shí)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(dòng)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(kāi)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(guò)激射閾值（域值電流3040 mA），其作用是提供光信號(hào)；DFB反射區(qū)工作在透明電流（10 mA）附近，沒(méi)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(guò)調(diào)節(jié)光信 號(hào)的相位，對(duì)控制自脈動(dòng)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(guò)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(duì)波長(zhǎng)（相對(duì)于1 550 nm的波長(zhǎng)），圖的上半部分是考慮時(shí)間分量解速率方程組的動(dòng)態(tài)模型解，可得出：當(dāng)激射波長(zhǎng)調(diào)至反射區(qū)的反射功率譜的衰減帶邊時(shí)，原來(lái)的穩(wěn)態(tài)解變得不穩(wěn)定， 出現(xiàn)自脈動(dòng)現(xiàn)象，如圖4下半部分所示在自脈動(dòng)產(chǎn)生的條件下，激射光的增益閾值與波長(zhǎng)的功率反射率有關(guān)，當(dāng)反射的光功率較5小時(shí)，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(shí)，激射光的增益大于增益域值，又開(kāi)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(gè)光脈沖后自動(dòng)關(guān)閉，過(guò)一段恢復(fù)時(shí)間又自動(dòng)打開(kāi)，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(zhǎng)相關(guān)，稱(chēng)其為色散自Q開(kāi)關(guān)理論在這樣的條件下由器件自脈動(dòng)而產(chǎn)生的光脈沖是單模的，其脈動(dòng)頻率可高達(dá)40 GHz另一種拍型諧振理論是在色散自Q開(kāi)關(guān)理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(shí)，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(dòng)，從另一區(qū)得到更多的能量反饋而形成激射模所以每個(gè)DFB區(qū)具有雙重的作用：即作為一種模式的激射源，同時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)失諧量，th是由于注入電流產(chǎn)生的熱量而產(chǎn)生的波長(zhǎng)失諧量當(dāng)注入電流增大時(shí)，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(zhǎng)失諧量增大，使自脈動(dòng)頻率可大于40 GHz 當(dāng)有和DFB器件的自脈動(dòng)頻率相近的脈沖信號(hào)注入時(shí)，自脈動(dòng)的頻率被鎖定到注入信號(hào)的頻率注入的脈沖信號(hào)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(dòng)頻率向注入信號(hào)頻率移動(dòng)，最終使自脈動(dòng)和注入信號(hào)同步三區(qū)DFB器件的注入鎖定特性，使自脈動(dòng)產(chǎn)生的光脈沖包含了注入脈沖的時(shí)鐘信號(hào)試 驗(yàn)方案如圖6所示5波長(zhǎng)為1 550 n

11、m的10 Gbits RZ注入信號(hào)由可調(diào)諧鎖模激光器和調(diào)制器產(chǎn)生，注入信號(hào)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(dòng)時(shí)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(shí)鐘定時(shí)信號(hào)的脈沖軌跡由示波器顯示，其振幅和時(shí)域有很好的穩(wěn)定性，時(shí)間抖動(dòng)1 ps在實(shí)驗(yàn)中采用了全光時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)并與傳統(tǒng)的電鎖相環(huán)時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行比較，兩種方法的誤碼率的測(cè)量結(jié)果非常相近基于多區(qū)DFB激光器自脈動(dòng)的時(shí)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(diǎn)，但器件制作的工藝難度相對(duì)較大22光判決門(mén)技術(shù)光判決門(mén)技術(shù)的方案主要有利用光纖非線(xiàn)性效應(yīng)的非線(xiàn)性光纖環(huán)路鏡（NOLM）技術(shù)、THz光學(xué)非對(duì)稱(chēng)解復(fù)

12、用（TOAD）技術(shù)、利用半導(dǎo)體光放大器（SOA）非線(xiàn)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(xiàn)性介質(zhì)（一般為SOA）代替光纖，從而使非線(xiàn)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(duì)稱(chēng)放置，即偏離中心點(diǎn)x注入光脈沖信號(hào)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(shí)針光脈沖，一路為逆時(shí)針光脈沖兩列脈沖到達(dá)SOA的時(shí)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(lái)耗盡SOA的載流

13、子，使SOA的增益和折射率發(fā)生變化，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行交叉相位調(diào)制，使其產(chǎn)生非線(xiàn)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(shí)，若它們相位相反，則疊加后相消，在端口B沒(méi)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(shí)鐘信號(hào)作為入射光脈沖，而原信號(hào)放大后作為控制光脈沖，從而可實(shí)現(xiàn)光判決門(mén)的功能222MZI技術(shù)MZI技術(shù)的工作原理與TOAD技術(shù)類(lèi)似，是利用注入信號(hào)光造成干涉儀兩臂上傳輸?shù)墓鈺r(shí)鐘信號(hào)脈沖所經(jīng)歷的相移不同，使得光時(shí)鐘信號(hào)脈沖在輸出端口相長(zhǎng)或相消干涉，由此可實(shí)現(xiàn)光判決的功能有試驗(yàn)報(bào)道該工作方式下，20 Gbits RZ再生在長(zhǎng)距離傳輸中，靈敏度損傷12 dB6利

14、用MZI的光判決門(mén)尺寸小，與其它技術(shù)相比，可便于和時(shí)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(mén)的開(kāi)關(guān)速度快，具有很好的實(shí)用化前景3新型全光3R再生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在分析光時(shí)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(diǎn)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(hào)的時(shí)鐘信號(hào)，提取出的時(shí)鐘脈沖信號(hào)再由多模干涉器（MMI）進(jìn)入光判決門(mén)；另一路經(jīng)EDFA放大后，進(jìn)入 光判決門(mén)模塊，這一路作為強(qiáng)光脈沖信號(hào)

15、，用來(lái)消耗SOA中的載流子，產(chǎn)生交叉相位調(diào)制，使光時(shí)鐘脈沖信號(hào)發(fā)生非線(xiàn)性相移放大后的入射光信號(hào)經(jīng)耦合器c2又分為上下兩路，其中上路的光信號(hào)脈沖被延遲一段時(shí)間（等于脈沖周期），下路的入射光首先到達(dá)SOA2，使時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生相移，兩路時(shí)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(shí)鐘信號(hào)脈沖產(chǎn)生相同的相移，兩路時(shí)鐘脈沖信號(hào)在MMI疊加，沒(méi)有光脈沖從下端口輸出，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)損傷信號(hào)的全光3R再生 4結(jié)論全光3R再生技術(shù)對(duì)克服各種因素對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的損傷，增加光信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)級(jí)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(shí)鐘恢復(fù)模塊和光判決門(mén)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(diǎn)，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

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