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　　摘要：本文簡要地分析了當(dāng)前全光再生器的發(fā)展情況，重點(diǎn)介紹了基于SOA-MZI結(jié)構(gòu)的交叉相位調(diào)制2R再生器，同時(shí)也簡單列舉了這種2R再生器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況。

　　關(guān)鍵詞：再生器 2R SOA-MZI

　　1.引言

　　目前人們在研制那些支持在光網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)透傳的全光再生器方面已經(jīng)取得了許多重大技術(shù)進(jìn)展，為了支持透明傳輸，這些網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備必須具備再生（功率放大）、再整形、再定時(shí)和波長轉(zhuǎn)換功能（無須進(jìn)行OEO轉(zhuǎn)換），有人稱之為3R再生器。而那些僅提供功率放大和整形功能的光再生器被稱為2R再生器。

　　相比2R再生器，3R再生器多了一項(xiàng)再定時(shí)功能。能提供再定時(shí)功能的基本功能模塊被稱為全光時(shí)鐘恢復(fù)器件。盡管時(shí)鐘恢復(fù)領(lǐng)域已經(jīng)取得的重大的技術(shù)進(jìn)展[1]，不過用于再定時(shí)的架構(gòu)依然處于早期發(fā)展階段，一般還會采用中間的電子轉(zhuǎn)換步驟。在本文中，我們將主要探討2R再生器及其相關(guān)應(yīng)用。

　　目前我們所看到的全光2R再生器有很多種類型，如采用不同的材料、光學(xué)效應(yīng)或架構(gòu)。這些設(shè)備采用EDFA或半導(dǎo)體光放大器（SOA）來進(jìn)行平均功率的再生，以及信號的再生。我們也看到有人利用多波混頻效應(yīng)（如四波混頻和差分頻率產(chǎn)生）研制的全光2R再生器[2]。而用在2R再生器的光門限技術(shù)則包括交叉增益調(diào)制（XGM）[3]、交叉相位調(diào)制(XPM) [4]以及基于干涉儀的非線性光學(xué)環(huán)路鏡(NOLM)[5]技術(shù)。

　　能否將2R再生器商用化，其尺寸是一個(gè)重要的考察要素。而基于InP材料的光子集成電路技術(shù)的出現(xiàn)則為小尺寸的2R再生器敞開了大門，這種光子集成技術(shù)可以將無源和有源技術(shù)整合到一起，下面我們就將著重討論一種采用InP光子集成技術(shù)研制的基于SOA-MZI XPM效應(yīng)的2R再生器。

　　2. SOA-MZI中的XPM效應(yīng)

圖1 一個(gè)多功能SOA-MZI的結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖1顯示了一個(gè)SOA –MZI器件的結(jié)構(gòu)示意圖。這個(gè)SOA –MZI包含了一個(gè)平衡式的MZ干涉儀，其中在每一個(gè)干涉臂中配置了一個(gè)SOA。SOA4和SOA5處于biased in saturation狀態(tài)，這樣就使一個(gè)本地CW光源發(fā)出的波長λ1在干涉儀的輸出端被進(jìn)行相消干涉（destructive interference）。在SOA –MZI輸入臂上的SOA則要對輸入的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行預(yù)放大處理以便在干涉臂上的SOA中形成適當(dāng)?shù)南辔晃灰?。而輸出臂上的SOA則負(fù)責(zé)放大那些經(jīng)過XPM處理的調(diào)制后數(shù)據(jù)信號（波長為λ1）。如圖所示這樣的SOA-MZI布局可以是對稱的，這樣就能夠有選擇地對這種器件進(jìn)行重新調(diào)整，如信號可選擇不同的輸入端口，以改善器件的輸出。在操作過程中，波長為λ2的輸入信號的光子改變了SOA4的折射率，并在兩個(gè)干涉臂之間誘導(dǎo)出一個(gè)相對的相位位移。

　　這樣就讓本地CW波長與輸入信號波長在干涉儀上產(chǎn)生了相長干涉(constructive interference)，從而導(dǎo)致輸入數(shù)據(jù)的波長轉(zhuǎn)換，即從λ2轉(zhuǎn)變?yōu)棣?。由于本地CW具有很高的光譜純凈度，因此輸出光信噪比（OSNR）將得到有效改善，從一個(gè)受噪音影響的低OSNR輸入信號轉(zhuǎn)變成高信噪比的輸出信號，這樣導(dǎo)致信號的光譜得到再整形，參看圖2。而波長轉(zhuǎn)換和2R再生這兩項(xiàng)功能則是SOA-MZI的最主要應(yīng)用。

圖2 利用2R再生器對信號光譜進(jìn)行再整形

　　在同向傳播（co-propagation）結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)信號和CW波長在同一方向傳輸。在這種情況下，很難實(shí)現(xiàn)相同波長的轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)槭茉胍粲绊懙妮斎胄盘柌荒軓囊粋€(gè)純凈光譜XPM信號中分離出來。而在反向傳播（counter-propagation）結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)信號和CW 波長在沿著相反方向傳輸，這樣就很容易空間分離出這兩個(gè)信號。在干涉儀的輸出端，由于干涉儀采用的相消干涉，那些經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號的平均功率是很低的，而SOA –MZI器件輸出部分的SOA則負(fù)責(zé)對這些轉(zhuǎn)換過的信號進(jìn)行放大，以達(dá)到足夠的輸出功率電平。

　　采用SOA –MZI器件的全光2R再生器在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候擁有多個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。如數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)速率的透明性、可從任意一個(gè)波長轉(zhuǎn)換為C波段中任意其他波長。由于在再生過程中不存在波長混合等棘手問題，XPM基本上對偏振不敏感。而具有非常低偏振敏感度的SOA-MZI器件目前已經(jīng)有人演示過。

　　3. 2R再生器和波長轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

　　波長轉(zhuǎn)換的主要目標(biāo)是對透明網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行波長管理。配置ROADM的多節(jié)點(diǎn)WDM網(wǎng)絡(luò)需要在數(shù)據(jù)源到目的地進(jìn)行相同的波長分配，不過在某些termediate節(jié)點(diǎn)上可能出現(xiàn)由波長分配沖突導(dǎo)致的光路阻塞現(xiàn)象。而波長轉(zhuǎn)換可以改善類似這樣網(wǎng)絡(luò)的連通性，可以確保從出發(fā)地到目的地傳輸過程中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)由多個(gè)波長組成的清晰光通道。在這種情況下，2R再生器的級聯(lián)性就成了決定網(wǎng)狀網(wǎng)可升級性的關(guān)鍵因素。在一個(gè)再循環(huán)環(huán)路試驗(yàn)中，人們曾將2500個(gè)再生器有效級聯(lián)起來，取得不錯(cuò)的演示效果[6]。

　　為了在一個(gè)WDM網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)上直通（pass-through）數(shù)據(jù)，人們需要2R再生器對信號進(jìn)行再生處理，這樣就無須光電光轉(zhuǎn)換。在這種應(yīng)用中，2R再生器如果要超過OEO光模塊的話，那SOA-MZI對低功率電平信號的再生處理性能就顯得舉足輕重了。為了實(shí)現(xiàn)很高的輸入功率敏感度，就需要在SOA-MZI的輸入臂上添加一個(gè)預(yù)放大器，來提高輸入信號的功率（見圖1）。

　　在反向傳輸（counter-propagation）結(jié)構(gòu)中，預(yù)放大器會導(dǎo)致信號性能受限，如數(shù)據(jù)信號的增益受到壓縮以及在預(yù)放大器中CW激光器的XGM效應(yīng)。所有這些問題都可以通過一個(gè)帶有干涉儀的SOA-MZI結(jié)構(gòu)來得到解決（通過對輸入臂上的CW進(jìn)行相消干涉解決）。

　　4. 2R再生器的設(shè)計(jì)

　　SOA-MZI是通過InP材料裝配在一起的，為了實(shí)現(xiàn)對偏振不敏感的XPM，這些SOA的有源材料要由混合應(yīng)變量子阱或應(yīng)變大塊材料（bulk material）任一組成，為的是平衡TE和TM光增益。材料在非平面表面的再生長來用于實(shí)現(xiàn)SOA和無源光波導(dǎo)之間的平滑轉(zhuǎn)變。在SOA-MZI設(shè)計(jì)方案中，一個(gè)需要考慮的重要事項(xiàng)是要對SOA-MZI芯片中的發(fā)射激光（lasing）進(jìn)行有效抑制。為了支持2R再生器所需的功率預(yù)算，可能會將3個(gè)SOA級聯(lián)在一起。任何來自刻面的反射都可能導(dǎo)致內(nèi)部的lasing，這些lasing會抑制SOA-MZI內(nèi)部的XPM效應(yīng)。要解決這個(gè)問題就需要在InP刻面采用有角度波導(dǎo)，并鍍上一層防放射膜，可以將總的發(fā)射率降低到-50dB以下。而XPM所支持的數(shù)據(jù)速率也受到SOA載波恢復(fù)時(shí)間的限制。圖3顯示了兩種不同結(jié)構(gòu)的SOA-MZI在對10Gbps速率信號處理完的輸出眼圖。在圖3a中，緩慢的載波恢復(fù)的影響呈現(xiàn)在脈沖下降時(shí)間上。在圖3b中，通過在干涉儀中使用更長的SOA則減輕了這種影響，加上的SOA在對有源區(qū)的折射率進(jìn)行相同改變后會產(chǎn)生了更大的相位位移。而干涉臂上的SOA所產(chǎn)生的自飽和效應(yīng)也會限制所有處理信號的速率。然而，如果SOA -MZI兩個(gè)輸入臂上的固定時(shí)間延遲等于脈沖寬度的話，那可處理信號的速率將可以很高，我們已經(jīng)看到人們對40Gbps數(shù)據(jù)進(jìn)行再生處理的報(bào)道了[7]。

圖3 采用不同長度干涉臂SOA的2R再生器10Gbps輸出眼圖。

　　未來的2R再生器的設(shè)計(jì)將包括對預(yù)放大器和輸出端SOA的改進(jìn)，這樣就可以增加輸入功率敏感度以及提供光網(wǎng)絡(luò)傳輸所需要的功率預(yù)算。

　　5.結(jié)論

　　本文簡要地分析了當(dāng)前全光再生器的發(fā)展情況，重點(diǎn)介紹了基于SOA-MZI結(jié)構(gòu)的交叉相位調(diào)制2R再生器，同時(shí)也簡單列舉了這種2R再生器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況。

　　6. 參考文獻(xiàn)

[1] Bornholdt, C.; Slovak, J.; Mohrle, M.; Sartorius, B.; ¡° Jitter analysis of all-optical clock recovery at 40 GHz,¡± Optical Fiber Communications Conference, 2003. OFC 2003,23-28 March 2003, Pages:120 - 121 vol.1
[2] Yanhua Hong; Spencer, P.S.; Shore, K.A., ¡°Wide-band polarization-free wavelength conversion based on four-wave-mixing in semiconductor optical amplifiers,¡± IEEE Journal of Quantum Electronics, 40 , Issue: 2 , Feb. 2004, Pages:152 ¨C 156
[3] Obermann, K., Kindt, S., Breuer, D., Petermann,K.,¡±Performance Analysis of Wavelength Converters Based on Cross-Gain Modulation in Semiconductor Optical Amplifiers, ¡± Journal of Lightwave Technology, 16, No.1, Jan. 1998, pages 78-85
[4] Wolfson, D.; Kloch, A.; Fjelde, T.; Janz, C.; Dagens, B.; Renaud, M.;¡±40-Gb/s all-optical wavelength conversion, regeneration, and demultiplexing in an SOA-based all-active Mach-Zehnder interferometer,¡±IEEE Photonics Technology Letters,12 , Issue: 3 , March 2000 Pages:332 - 334
[5] Meissner, M.; Sponsel, K.; Cvecek, K.; Benz, A.; Weisser, S.; Schmauss, B.; Leuchs, G., ¡°3.9-dB OSNR Gain by an NOLM-Based 2-R Regenerator,¡± IEEE Photonics Technology Letters, 16, Issue: 9 , Sept. 2004, Pages:2105 ¨C 2107
[6] Leuthold, J.; Raybon, G.; Su, Y.; Essiambre, R.; Cabot, S.; Jaques, J.; Kauer, M., ¡°40 Gbit/s transmission and cascaded all-optical wavelength conversion over 1000000 km,¡± Electronics Letters, 38, Issue: 16 , 1 Aug 2002, Pages:890 ¨C 892
[7] Leclerc, O.; Brindel, P.; Rouvillain, D.; Dany, B.,¡±Regenerated 40 Gbit/s long-haul transmission using all-optical SOA-MZI as loss-free synchronous modulator,¡± Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, 2001. OFC 2001 , Volume: 3 , 2001, Pages:WF6-1 - WF6-3 vol.3

作者：Jiten Sarathy　Alphion公司　摘自：光纖新聞網(wǎng)

[圖]全光再生器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用