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1、全光 3R 再生原理与技术伦秀君 1，2 ，黄永清 1，张瑞康 1，任晓敏 1 （1北京邮电大学光通信中心，北京100876； 2北京化工大学物理与电子技术系，北京100029）摘 要：全光 3R 再生技术（再放大，再整形，再定时）是高速大容量光网络中的核心技术文章详细阐述了全光 3R 再生的原理和全光再生的关键技术，并在此基础上提出了一种新型的全光 3R 再生系统关键词：全光再生；时钟恢复；光判决门全光 3R 再生技术是在光域中对信号进行再放大、再定时和再整形的技术，是高速全光网络的核心技术，目前国外一些公司和科研机构正在探索实现全光3R 再生的途径1全光 3R 再生原理图 1 为全光 3R
2、 再生原理示意图入射损伤信号进入全光再生器时被分为两 路，一路进入时钟提取单元以提取时钟光信号，提取出的时钟信号具有稳定的幅度和时钟信息；另一路信号经掺铒光纤放大器（EDFA）放大后，与时钟信号脉冲 一同注入光判决门，经过光判决门后可得到全光再生信号2全光 3R 关键技术的分析实现全光 3R 再生系统的关键技术是时钟恢复技术和光判决门技术下面对这两项关键技术进行分析21时钟恢复技术时钟恢复是 3R 技术中最难实现的模块，目前尚处于研究探索阶段，国外研究机构就该技术进行了多种方案的研究，主要有光锁相环技术、光纤锁模激光器技术 和半导体激光器自脉动技术光锁相环技术成本高、功耗大且难以集成化本文仅对
3、基于光纤的光纤锁模激光器技术和基于半导体的激光器自脉动技术的时钟恢复进 行分析211光纤锁模激光器技术光纤锁模激光器技术是基于调制信号光驱动光纤环激光器产生和信号光同一速率的锁模脉冲这一原理图 2 是利用掺铒和镱的光纤环激光器进行时钟恢复的原理图 1 注入信号脉冲从端口 3 入射，带通复用器（BWDM）的端口 1与端口 3 之间可通过中心波长为 1 543 nm、带宽为 3 nm 的入射光，其他波长的光可通过端口 1 和端口 2 传输注入信号和由增益光纤产生的自发辐射（ASE）噪声通过环行器的端口 1 一同进入多量子阱半导体饱和 吸收器（MQWSSA），经反射后从环行器的端口 3 输出，然后通
4、过可调谐的带宽为 1 nm 的光滤波器（OF），再经过 1 m 长的高掺杂铒和镱的光纤放大，通过分光比为 2080 的耦合器把注入光的时钟信号脉冲输出偏振控制器（PC）用来维持环行腔中光脉冲的偏振态不变光 纤环激光器在没有外信号注入时，在泵浦光的作用下，当环行腔的增益足够大时，可形成锁模但锁模是由 ASE 所诱发，因而锁模光脉冲的相位是随机的；当有脉 冲信号注入时，由于 SSA 的饱和吸收作用，如果注入脉冲信号达 ps 级，注入光有较大的光功率，SSA 很容易饱和，使环行腔激光器脉动频率与注入脉冲达到同 步，从而可提取出注入脉冲的时钟信号利用锁模光纤环激光器进行时钟恢复可得到较高速率的时钟信号
5、，但由于它的体积相对较大，难以集成，另外，环行激光器 固有的稳定性较差212半导体激光器自脉动技术半导体激光器自脉动现象是指在直流电流注入情况下，激光器输出光功率有周期性的振荡这种现象在具有饱和吸收体的 FP 腔激光器和没有饱和吸收体的多 区 DFB 激光器中都可发生对不同结构的半导体激光器或同一结构但不同外界条件下的半导体激光器，其自脉动的机理也不尽相同首先对具有饱和吸收体的 FP 腔激光器自脉动进行讨论FP 腔由饱和吸收区和增益区组成，饱和吸收和增益的相互作用，导致激光器处于不稳定的状态， 引起输出光无衰减地张驰振荡，即产生自脉动自脉动的频率可通过注入电流来调节当注入信号脉冲的频率与自脉动
6、的频率相近时，激光器自脉动的频率被锁定到 注入信号的频率上，时钟提取技术正是利用了自脉动激光器的这一性质通过解速率方程组可分析激光器自脉动的产生条件，自脉动只有在吸收区载流子寿命和增益 区载流子寿命之比达到一定值时才能产生在半导体材料中，由于俄歇复合减少了载流子寿命，为了提高自脉动频率，可通过高掺杂形成饱和吸收区，从而获得大量 的非辐射复合中心，使吸收区载流子寿命大大减少试验上可获得 52GHz 的自脉动脉冲，当向自脉动激光器注入 5 GHz的 RZ 脉动信号时，自脉动频率被锁定到 5 GHz，即产生了自脉动脉冲与注入脉冲的同步，从而可以提取出注入脉冲信号的时钟信号 2 利用具有饱和吸收体的
7、FP 腔激光器进行时钟提取时，由于受到载流子恢复时间的限制，自脉动的速率较低利用多区 DFB 激光器自脉动进行时钟恢复是由 MMohrle 等人提出的3 多区 DFB 激光器不含有饱和吸收体，所以具有不同的自脉动产生机理以三区 DFB 激光器为例，介绍两种典型的理论：色散自 Q 开关理论和拍型谐振理论图 3 所示为三区 DFB 激光器件模型 4 它由 3 部分组成：DFB 增益区、相位调制区和 DFB 反射区DFB 增益区工作在大电流条件下，远超过激射阈值（域值电流 3040 mA），其作用是提供光信号；DFB 反射区工作在透明电流（10 mA）附近，没有明显的吸收和增益，可忽略光子与载流子的
8、相互作用，此区相当于布拉格反射镜的作用；相位调制区不含光栅层和工作物质层，此区通过调节光信 号的相位，对控制自脉动的产生起到重要作用为减小端面的影响，在器件的两端镀有增透膜通过解速率方程组的稳态解可得出增益区和反射区的功率反射谱，如图 4所示，横坐标表示相对波长（相对于 1 550 nm 的波长），图的上半部分是考虑时间分量解速率方程组的动态模型解，可得出：当激射波长调至反射区的反射功率谱的衰减带边时，原来的稳态解变得不稳定， 出现自脉动现象，如图 4 下半部分所示在自脉动产生的条件下，激射光的增益阈值与波长的功率反射率有关，当反射的光功率较 5 小时，激射光的增益小于增益域 值，激射停止；当
9、反射的光功率较大时，激射光的增益大于增益域值，又开始激射光功率的变化是由于介质折射率变化和注入电流所产生的热量所导致的随着功 率反射率的变化，激光器在辐射出一个光脉冲后自动关闭，过一段恢复时间又自动打开，就这样调节器件腔内的光功率与器件端面辐射出的光功率的比值（即 DBF 激光器件的 Q 值），其 Q 值的变化与光波波长相关，称其为色散自 Q 开关理论在这样的条件下由器件自脉动而产生的光脉冲是单模的，其脉动频率可高达 40 GHz另一种拍型谐振理论是在色散自 Q 开关理论的基础上，通过改变外部注入电流和 DFB 激光器的光栅周期常数产生的当 DFB 激光器件的双 DFB 区采用不同的光栅周期常
10、数 1和 2，并且都工作在阈值电流以上处于激射状态时，双DFB 区的每一区的能量反射谱都可在另一区的阻止带的陡降边产生自脉动，从另一区得到更多的能量反馈而形成激射模所以每个 DFB 区具有双重的作用：即作为一种模式的激射源，同时也是另一模式的反射区如图 5 所示， s为阻止带宽度， 是双 DFB 区 Bragg 波长的失谐量： gr th， gr是由于双DFB 区不同光栅常数造成的波长失谐量， th是由于注入电流产生的热量而产生的波长失谐量当注入电流增大时，因注入电流产生的热量使反射谱的红移作用增强，使波长失谐量增大，使自脉动频率可大于 40 GHz当有和 DFB 器件的自脉动频率相近的脉冲信
11、号注入时，自脉动的频率被锁定到注入信号的频率注入的脉冲信号调制 DFB 器件增益区工作物质区域的载流子浓 度，迫使自脉动频率向注入信号频率移动，最终使自脉动和注入信号同步三区 DFB 器件的注入锁定特性，使自脉动产生的光脉冲包含了注入脉冲的时钟信号试 验方案如图 6 所示 5 波长为 1 550 nm 的 10 Gbits RZ 注入信号由可调谐锁模激光器和调制器产生，注入信号从环行器 a 端输入，经 c端注入三区 DFB 器件，被锁定的自脉动时钟脉冲由 c 端经环行器从 b 端输出 经光电转换后，时钟定时信号的脉冲轨迹由示波器显示，其振幅和时域有很好的稳定性，时间抖动1 ps在实验中采用了全
12、光时钟恢复技术并与传统的电锁相环时钟恢复技术进行比较，两种方法的误码率的测量结果非常相近基于多区 DFB 激光器自脉动的时钟 恢复技术具有传输速率高、器件体积小、集成度高和功耗小的优点，但器件制作的工艺难度相对较大22光判决门技术光判决门技术的方案主要有利用光纤非线性效应的非线性光纤环路镜（NOLM）技术、THz 光学非对称解复用（TOAD）技术、利用半导体光放大器（SOA）非线性的马赫曾德干涉仪（MZI）或迈克尔逊干涉仪（MI）技术和电吸收调制器（EAM）技术具有应用潜力的是 TOAD 和 MZI 技术221TOAD 技术TOAD 技术是基于 NOLM 技术产生的，它是用非线性介质（一般为
13、SOA）代替光纤，从而使非线性效应增强，器件的体积减小且稳定性增强TOAD 工 作原理如图 7 所示，在光学环路镜中，SOA 非对称放置，即偏离中心点 x注入光脉冲信号从 3 dB（22）耦合器的端口 A 入射，入射光被分为两路，一路为顺时针光脉冲，一路为逆时针光脉冲两列脉冲到达 SOA 的时间不同，其差值由偏移量 x 决 定在环路上附加的控制光脉冲用来耗尽 SOA 的载流子，使 SOA的增益和折射率发生变化，对信号光进行交叉相位调制，使其产生非线性相移当两路反向传输 的注入光脉冲到达耦合器的端口 B 时，若它们相位相反，则叠加后相消，在端口 B 没有光脉冲输出；若它们相位相同，则叠加后增强，
14、有入射光输出可用提取出的 时钟信号作为入射光脉冲，而原信号放大后作为控制光脉冲，从而可实现光判决门的功能222MZI 技术MZI 技术的工作原理与 TOAD 技术类似，是利用注入信号光造成干涉仪两臂上传输的光时钟信号脉冲所经历的相移不同，使得光时钟信号脉冲在输出端口相长或相消干涉，由此可实现光判决的功能有试验报道该工作方式下，20 Gbits RZ 再生在长距离传输中，灵敏度损伤12 dB 6 利用 MZI 的光判决门尺寸小，与其它技术相比，可便于和时钟恢复单元集成，构成可集成化全光 3R 再生系统，并且 MZI 的光判决门的开关速度快，具有很好的实用化前景3新型全光 3R 再生系统的设计在分
15、析光时钟恢复模块和光判决模块的基础上，本文提出了一种基于半导体多区 DFB 器件和基于 SOA 的 MZI 器件的新型全光 3R 再生系统模型该模型具有体积小、可高度集成、传输速率高和功率消耗低的特点系统模型如图 8 所示损伤的入射光脉冲经耦合器 c1分 为两路，一路进入三区 DFB 激光器提取入射光信号的时钟信号，提取出的时钟脉冲信号再由多模干涉器（MMI）进入光判决门；另一路经 EDFA 放大后，进入 光判决门模块，这一路作为强光脉冲信号，用来消耗 SOA 中的载流子，产生交叉相位调制，使光时钟脉冲信号发生非线性相移放大后的入射光信号经耦合器 c2又分为上下两路，其中上路的光信号脉冲被延迟
16、一段时间 （ 等于脉冲周期），下路的入射光首先到达SOA2，使时钟脉冲产生 相移，两路时钟脉冲在 MMI 叠加，叠加后的光脉冲从下端口输出， 后上路的注入光脉冲到达 SOA1，使时钟信号脉冲产生相同的相移 ，两路时钟脉冲信号在 MMI 叠加，没有光脉冲从下端口输出，从而实现了系统对损伤信号的全光 3R 再生 4结论全光 3R 再生技术对克服各种因素对光信号产生的损伤，增加光信号在网络中的传输距离和网络级联规模是非常必要的本文详细阐述了全光 3R 再生的原理和 全光再生的关键技术在分析了光时钟恢复模块和光判决门模块的基础上，提出了一种新型的全光 3R 再生系统，该系统具有集成度高、传输速率高和功耗低的优 点，将在全光网中
