多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換及注入鎖定全光3R再生技術(shù)

盧洪斌，梁祚銓

(1.百色學(xué)院,廣西 百色 533000;2.廣州市隆光信息技術(shù)有限責(zé)任公司,廣東 廣州 511458)

0 引言

大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)傳輸需求呈爆炸性的增長(zhǎng),急需大幅度地提高數(shù)據(jù)傳輸和交換的速率,傳統(tǒng)電子集成器件已接近速率的極限,成為光傳送網(wǎng)絡(luò)交換容量的瓶頸,光子集成器件正逐步取代電子集成器件得到應(yīng)用,這些光集成器件主要有光開(kāi)關(guān)、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、全光3R再生器、光時(shí)分復(fù)用器件、光緩存器等等,這些光集成器件大部分尚未成熟,全光網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)有賴(lài)于這些器件的實(shí)用化和集成化。光通信系統(tǒng)中隨著光信號(hào)傳輸距離增加及交換節(jié)點(diǎn)的增多,由于系統(tǒng)中放大的自發(fā)輻射(ASE)、色散及偏振模色散、光纖及光器件的非線性等效應(yīng)的積累,將使光信號(hào)的信噪比劣化、波形失真增大,嚴(yán)重地影響信號(hào)的接收及處理。光信號(hào)在傳輸及交換等過(guò)程中除了衰減和脈沖形變之外,還存在信號(hào)各脈沖的時(shí)延和漂移現(xiàn)象,故信號(hào)接收和處理前通常都需要進(jìn)行信號(hào)再生,以恢復(fù)原始信號(hào),3R信號(hào)再生指的是信號(hào)的再生放大、整形和定時(shí)。

利用光注入半導(dǎo)體激光器所產(chǎn)生的增益開(kāi)關(guān)特性,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和2R(放大、整形)再生[1-3]。對(duì)于信號(hào)的3R再生,如采用光-電-光的再生方式必須對(duì)復(fù)用的光信號(hào)解復(fù)用,分別對(duì)每一波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行光-電-光的再生,對(duì)于DWDM系統(tǒng)隨著波長(zhǎng)數(shù)的增加光-電-光再生的成本直線上升,電的再生方法由于電處理速率的瓶頸,因而在技術(shù)上已經(jīng)無(wú)法解決實(shí)際問(wèn)題,解決問(wèn)題的可行技術(shù)是全光3R再生技術(shù)[2-5]。

非簡(jiǎn)并四波混頻(NDFWM)是實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的一種重要方法,它除了對(duì)比特率和調(diào)制方式(不僅幅度調(diào)制信號(hào)而且頻率調(diào)制和相位調(diào)制信號(hào)也可進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換)是透明的之外,還能在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧[3,6]。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)使轉(zhuǎn)換信號(hào)光產(chǎn)生失真,通常波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換后都應(yīng)對(duì)信號(hào)光進(jìn)行3R再生,以保證信號(hào)質(zhì)量。實(shí)際光網(wǎng)中含有若干波長(zhǎng)的光信號(hào),波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換和再生將變得復(fù)雜和困難。在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和全光3R再生是全光網(wǎng)中極關(guān)鍵的應(yīng)用技術(shù)[4-6]。

本文從光注入半導(dǎo)體激光器的增益開(kāi)關(guān)和注入鎖定特性出發(fā),分析了其用于NDFWM波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換與信號(hào)再生的特點(diǎn),提出了基于光注入鎖定的多波長(zhǎng)信號(hào)光同時(shí)轉(zhuǎn)換和再生的方法。解決了交叉增益和交叉相位調(diào)制僅適用于單波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的限制,可大大簡(jiǎn)化器件配置、降低器件成本,適合于光節(jié)點(diǎn)多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和再生的應(yīng)用。

1 半導(dǎo)體激光器增益開(kāi)關(guān)和注入鎖定特性

相干光注入半導(dǎo)體激光器可產(chǎn)生注入鎖定效應(yīng),使注入信號(hào)的光強(qiáng)幅度得以提高,并使噪聲功率在注入鎖定閾值功率以下的部分被剔除,從而得到放大和整形后的光信號(hào)。當(dāng)注入信號(hào)光滿足注入光功率閾值條件時(shí),半導(dǎo)體激光器的輸出光頻被鎖定在注入光頻處,反之,維持原激光輸出狀態(tài)。激光輸出經(jīng)帶通濾波器后得到放大的整形信號(hào)光[4-5]。

注入鎖定信號(hào)再生通常使用FP腔雙穩(wěn)態(tài)激光器,它由兩段組成,一是激光器的增益區(qū),一是吸收區(qū)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的雙穩(wěn)態(tài)激光器及光注入產(chǎn)生的雙穩(wěn)態(tài)特性,信號(hào)再生過(guò)程及原理為:波長(zhǎng)不同的信號(hào)光和光同步時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)耦合器從雙穩(wěn)態(tài)激光器的增益端注入,輸出光經(jīng)帶通濾波器得到鎖定波長(zhǎng)的3R再生轉(zhuǎn)換光信號(hào)。當(dāng)信號(hào)光脈沖經(jīng)過(guò)增益區(qū)時(shí),折射率的變化使時(shí)鐘信號(hào)波長(zhǎng)與FP腔主?？拷⑦M(jìn)入鎖頻范圍,這樣雙穩(wěn)態(tài)激光器被光同步時(shí)鐘脈沖信號(hào)鎖定,注入信號(hào)光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為時(shí)鐘信號(hào)波長(zhǎng)。同時(shí)注入信號(hào)光脈沖的時(shí)延被同步時(shí)鐘脈沖所校正。在鎖定過(guò)程中,由于腔內(nèi)縱模的共振放大使時(shí)鐘脈沖幅度得到較大的提高。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)脈沖時(shí),主模與時(shí)鐘信號(hào)波長(zhǎng)的間隔超出鎖頻范圍,不發(fā)生模式鎖定。這時(shí)光同步時(shí)鐘脈沖的幅度保持不變。雙穩(wěn)態(tài)激光器吸收區(qū)的重要作用之一是大幅度地壓縮邊模噪聲,使再生信號(hào)的信噪比得以提高。采用以上方法可實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換范圍可從FP腔縱模間隔大小到100nm以上,速率可達(dá)幾十Gb/s[5]。

2 注入鎖定多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光3R再生

電的再生方法由于處理速度上的瓶頸,已經(jīng)無(wú)法匹配全光網(wǎng)的技術(shù)需求。解決問(wèn)題的可行方法是全光的處理技術(shù),前文提到的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換及再生技術(shù)僅限于單個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)通道,實(shí)際光網(wǎng)中含有若干波長(zhǎng)的光信號(hào),采用單波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換和再生,從效率和成本方面都是不可接受的。

本文提出了一種基于非簡(jiǎn)并四波混頻(NDFWM)多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換及注入鎖定定時(shí)的全光3R再生技術(shù),圖1為裝置原理圖。圖中16波的光復(fù)用信號(hào)在節(jié)點(diǎn)處經(jīng)集成SOA/DFB/SOA進(jìn)行高效多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換,SOA/DFB/SOA中DFB的中心波長(zhǎng)0介于16與17之間,使復(fù)用的信號(hào)波長(zhǎng)1～16同時(shí)轉(zhuǎn)換為17～32,這種方法避免了交叉增益和交叉相位調(diào)制僅適用于單波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的限制,轉(zhuǎn)換后的多波長(zhǎng)信號(hào)經(jīng)帶通濾波器過(guò)濾輸出,為保證轉(zhuǎn)換后多波長(zhǎng)信號(hào)的強(qiáng)度,由EDFA對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。為對(duì)多波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行整形和定時(shí),陣列波導(dǎo)光柵(AWG)對(duì)信號(hào)作波長(zhǎng)解復(fù)用,以便分別對(duì)各波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行光時(shí)鐘信號(hào)注入鎖定整形及定時(shí)。整形和定時(shí)是通過(guò)對(duì)F-P LD的注入鎖定來(lái)實(shí)現(xiàn)的,各F-P LD的中心波長(zhǎng)在其對(duì)應(yīng)注入信號(hào)波長(zhǎng)的附近并在鎖頻范圍之外,注入信號(hào)光的偏振方向控制與F-P LD振蕩光的方向相同。當(dāng)光時(shí)鐘信號(hào)脈沖耦合入F-P LD時(shí),折射率的變化使注入信號(hào)波長(zhǎng)進(jìn)入鎖頻范圍之內(nèi),發(fā)生注入鎖定,輸出波長(zhǎng)與注入信號(hào)波長(zhǎng)相等的并被放大了的整形、定時(shí)信號(hào)。再生的信號(hào)光通過(guò)窄帶濾波器由AWG復(fù)用后經(jīng)EDFA放大輸出。采用F-P LD可減少成本,且各F-P LD能集成在一塊芯片上便于控制操作。一般NDFWM波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率較低,采用集成SOA/DFB/SOA能大幅提高大失諧下的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率。由于NDFWM的多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換特性,系統(tǒng)升級(jí)時(shí)不用對(duì)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器作替換和添加就能滿足需求。

圖1 注入鎖定NDFWM多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換信號(hào)3R再生裝置原理圖

3 結(jié)論

根據(jù)相干光注入半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的注入鎖定和增益開(kāi)關(guān)特性,提出了一種基于非簡(jiǎn)并四波混頻多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換及注入鎖定定時(shí)的全光3R再生技術(shù),能同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于NDFWM的多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和信號(hào)3R再生,避免了交叉增益和交叉相位調(diào)制僅適用于單波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的限制。本文的多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和信號(hào)3R再生已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)研究中得到了驗(yàn)證,具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值,分析表明此技術(shù)適用于全光網(wǎng)中光節(jié)點(diǎn)的信號(hào)多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和再生。