基于SOA交叉增益壓縮效應(yīng)的全光2R再生研究

余文科，卿蘇德，陳　新，婁采云，霍　力

(1.中國電子學會，北京　100036； 2.中國信息通信研究院，北京　100191；

3.清華信息科學與技術(shù)國家實驗室(籌)，集成光電子國家重點實驗室,清華大學電子工程系，北京　100084)

余文科(1985—)，男，博士，高級工程師，湖南長沙人，主要研究方向為光通信技術(shù)及電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)；

E-mail：yuwenkejk@126.com

卿蘇德(1985—)，男，博士，湖南永州人，主要研究方向為通信系統(tǒng)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)；

陳　新(1989—)，男，博士生，江蘇南京人，主要研究方向為基于SOA的高速光信號處理研究；

婁采云(1946—)，女，教授，天津人，主要研究方向為高速光通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究；

霍　力(1976—)，男，副教授，山西忻州人，主要研究方向為光通信及光信號處理研究。

?

工程與應(yīng)用

基于SOA交叉增益壓縮效應(yīng)的全光2R再生研究

余文科1，卿蘇德2，陳新3，婁采云3，霍力3

(1.中國電子學會，北京100036； 2.中國信息通信研究院，北京100191；

3.清華信息科學與技術(shù)國家實驗室(籌)，集成光電子國家重點實驗室,清華大學電子工程系，北京100084)

摘要：全光2R再生技術(shù)是光通信中的關(guān)鍵光信號處理技術(shù)，本文提出了基于半導體光放大器(SOA)的瞬時交叉相位調(diào)制效應(yīng)(T-XPM)結(jié)合交叉增益壓縮效應(yīng)(XGC)實現(xiàn)光歸零碼(RZ-OOK)信號的全光2R再生方案，進行了25-Gb/s、50-Gb/s及100-Gb/s RZ信號的的全光2R再生實驗。實驗結(jié)果表明，提出的2R再生方案能夠有效改善受自發(fā)輻射噪聲(ASE)惡化的RZ-OOK信號的信號質(zhì)量，惡化信號的誤碼率平臺被消除，該全光2R再生器還具有可集成、波長保持及適用于NRZ-OOK信號的全光2R再生等特點。

關(guān)鍵詞：光通信；半導體光放大器；交叉增益壓縮；2R再生；

0引言

由于光信號在光纖鏈路傳輸中會受到累積ASE噪聲、殘余色散和串話等影響，通常在長距離傳輸后信號的消光比會下降，幅度抖動增加，導致信號質(zhì)量惡化，因此對光信號傳輸后的光2R再生(再整形，再放大)技術(shù)則顯得非常重要[1]。相比光電光等2R再生技術(shù)，全光2R再生技術(shù)是利用全光的方式實現(xiàn)光信號的2R再生，在未來高速率全光通信網(wǎng)中將發(fā)揮更重要作用[2]。目前實現(xiàn)全光2R再生技術(shù)主要有基于高非線性光纖或高非線性光子晶體光纖[3-6]，周期極化鈮酸鋰[7-8]，以及半導體光放大器(SOA)[9-11]等的方案。相比高非線性光纖及周期極化鈮酸鋰等，SOA具有易于集成、高穩(wěn)定性及較大非線性等特點12]，在全光2R再生技術(shù)中具有較好的應(yīng)用前景，研究基于SOA的全光2R再生具有重要意義。

本文提出了一種基于SOA的瞬時交叉相位調(diào)制效應(yīng)(T-XPM)結(jié)合交叉增益壓縮效應(yīng)(XGC)實現(xiàn)全光RZ信號的2R再生方案，并對25-Gb/s、50-Gb/s及100 Gb/s惡化RZ信號進行了2R再生實驗研究。

1工作裝置及原理

基于SOA的T-XPM結(jié)合XGC效應(yīng)的全光2R再生器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該2R再生器主要由兩級SOA組成，主要利用第一級SOA的T-XPM效應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)量較高的互為反邏輯的信號(參見圖2，圖3)，而互為反邏輯的信號經(jīng)過第二級SOA的XGC效應(yīng)實現(xiàn)光信號整形再生。

圖1　基于SOA的T-XPM結(jié)合XGC的全光2R再生結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　基于SOA的T-XPM產(chǎn)生高質(zhì)量λ2光反邏輯信號的示意圖

具體工作原理如下：將位于不同波長的原始輸入惡化信號(λ1)和直流光(λ2)共同注入第一級SOA，λ1光會對λ2的增益和相位進行同步調(diào)制，一方面由于交叉增益調(diào)制效應(yīng)(XGM)會使λ2光加載上與λ1互為反邏輯的信息，但由于XGM的增益恢復特性會使得λ2信號具有較明顯的碼型效應(yīng)或者拖尾(見圖3)，另一方面由于瞬時交叉相位調(diào)制效應(yīng)會使得的λ2的光譜展寬，且使其前沿主要對應(yīng)為紅移啁啾而后沿對應(yīng)為藍移啁啾，在第一級SOA輸出的λ2信號波長附近引入一個光帶通濾波器，同時利用偏移濾波濾除由T-XPM產(chǎn)生的部分藍移啁啾，可有效加快增益恢復，進而獲得質(zhì)量較好的與λ1信號互為反邏輯的λ2光信號[13]；

圖3　基于SOA-XGC的2R再生的原理示意圖

經(jīng)過第一級SOA輸出的互為正反邏輯的λ1及λ2光信號同步注入到第二級SOA中，此時通過控制輸入光信號的功率，使得第二級SOA處于深度飽和狀態(tài)，對于波長為λ1的信號而言，其比特‘1’會因受到增益飽和的作用而獲得幅度均衡的作用；比特‘0’因為同步對應(yīng)的是波長位于λ2處的反邏輯信號的‘1’碼，只能獲得抑制的或者壓縮的增益，使得λ1信號的‘0’碼和噪聲得到了相對的抑制，從而使得波長為λ1的信號獲得2R再生[14]。

由于基于T-XPM結(jié)合XGC的2R再生過程中沒有引入干涉結(jié)構(gòu)，且通過增益飽和特性對輸入信號進行限幅放大，若SOA是偏振無關(guān)的，則本2R再生裝置對輸入信號的偏振態(tài)也將不敏感, 因此可以保證較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于不需要使用額外的輔助濾波，該再生裝置也可以實現(xiàn)波長保持的全光2R再生；對于NRZ信號而言，由于利用T-XPM結(jié)合便宜濾波也可以獲得較高質(zhì)量的NRZ反邏輯信號，因此該再生裝置還可以實現(xiàn)NRZ信號的全光2R再生。

2全光2R再生實驗

圖4　RZ信號的全光2R再生實驗裝置圖

基于提出的2R再生方案，分別對25-Gb/s，50-Gb/s及100-Gb/s的惡化RZ信號進行了2R再生實驗研究，實驗裝置圖如圖3所示。本實驗中信號的惡化通過利用放大器的ASE噪聲加載實現(xiàn), 25-Gb/s的RZ原始信號為中心波長為1543.4 nm，由脈寬為3.7ps的25 GHz光脈沖加載碼長為223-1的偽隨機碼所得，50 Gb/s和100 Gb/s的原始RZ信號通過25Gb/s數(shù)據(jù)信號的分別光時分復用得到。直流探測光中心波長為1559.4 nm, 兩個3 dB帶寬均約為1 nm的光帶通濾波器(OBPF)對SOA1輸出的互補邏輯信號分別進行濾波，在反邏輯信號的光傳輸路徑引入了一個可調(diào)光延時線(ODL)以控制正反邏輯信號的相對延時，分別用兩路光衰減器(Attenuator(圖中為Att.))控制正反邏輯信號進入SOA2的相對功率，在SOA2的輸出端，采用了一個3 nm帶寬的OBPF濾出2R再生后的正邏輯信號。在接收端，我們使用了500 G光采樣示波器觀測信號波形，利用誤碼分析儀測試誤碼性能。圖5為25-Gb/s 的惡化RZ信號的再生實驗研究結(jié)果。圖5(a)為輸入惡化信號的眼圖，其帶有明顯的幅度抖動且眼圖張開度較小。通過2R再生器后，信號的眼圖(圖5(b))張開度明顯增大且幅度抖動明顯降低，噪聲也得到了一定的抑制。圖5(c)為測得的再生前后信號的誤碼曲線結(jié)果，輸入惡化信號在誤碼約為10-7處存在一定的誤碼平臺，通過全光2R再生后，惡化信號的誤碼平臺得到了有效的消除即達到了無誤碼(10-9)。

圖5　25-Gb/s信號的全光2R再生實驗結(jié)果

在25-Gb/s的光2R再生基礎(chǔ)上，我們進行了50-Gb/s信號的2R再生實驗研究。圖5為50-Gb/s的惡化RZ數(shù)據(jù)信號，可以看出，惡化信號含有較大的幅度抖動并且前沿較后沿略微陡峭，且在誤碼為10-8處存在一定的誤碼平臺；通過全光2R再生器后，再生信號可以實現(xiàn)無誤碼，且眼圖張開度較惡化信號明顯增大。

圖6　50-Gb/s信號的全光2R再生實驗結(jié)果

最后，利用提出的再生方案進行了100-Gb/s RZ信號的全光高速2R再生的實驗研究，此時輸入25-Gb/s的RZ數(shù)據(jù)信號占空比約為5%。

圖7為100-Gb/s信號的全光2R再生實驗結(jié)果。從信號眼圖可以看出，100-Gb/s的惡化信號通過2R再生器后，幅度抖動和噪聲得到了有效的抑制，眼圖張開度明顯增大，盡管信號脈寬在SOA放大過程中有所展寬，但是再生信號仍然無通道間干涉疊加，實驗結(jié)果也初步表明此方案可適合100-Gb/s的高速RZ信號的全光2R再生。

圖7　100-Gb/s RZ信號的全光2R再生實驗結(jié)果

3結(jié)語

利用基于SOA的T-XPM結(jié)合XGC效應(yīng)的全光2R再生器，展示了25-Gb/s，50-Gb/s及100-Gb/s ASE噪聲惡化RZ信號的全光2R再生，通過再生，惡化信號的誤碼率平臺被有效消除，幅度抖動降低，信號的眼圖質(zhì)量明顯提高。此外，該全光2R再生器還具有可集成、波長保持及適于NRZ-OOK信號的2R再生操作等特點，在未來全光網(wǎng)中將可能具有較好應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]Wang L, Sun Y, Zhao X F, et al. Study on high speed all-optical clock extraction using an amplified feedback laser[J]. Laser Technology, 2011, 35(1):1001-3806(2011)01-0001-03(in Chinese)

王黎，孫楠，趙曉凡等.基于放大反饋激光器高速全光時鐘提取的研究[J].中國激光，2011,35(1):1001-3806(2011)01-0001-03

[2]Yan Z H, Yu J L, Wang J, et al. 4×40Gb/s Multi-Wavelength All-Optical 3R Regeneration Using Data-Pumped FOPA[J]. Laser Technology, 2011, 38(10):1005003-1-1005003-5(in Chinese)

顏子恒，于晉龍，王菊等.基于數(shù)據(jù)抽運的光纖光參量放大的4×40Gb/s多波長全光3R再生實驗研究[J].中國激光，2011,38(10)，1005003-1-1005003-5

[3]Vasilyev M, Lakoba T I. All-optical multichannel 2R regeneration in a fiber-based device[J]. Optics letters, 2005, 30(12): 1458-1460.

[4]Provost L, Parmigiani F, Petropoulos P, et al. Investigation of Simultaneous 2R Regeneration of Two 40 Gb/s Channels in a Single Optical Fiber[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20(4):270-272.

[5]Wen F, Wu B J, Zhou X Y, et al. All-optical four-wavelength 2R regeneration based on data-pump four-wave-mixing with offset filtering[J]. Optical Fiber Technology, 2014, 20(3): 274-279.

[6]Zhao N F, Zhang X, Huang Y Q, et al. All optical regeneration based on self-phase-modulation in PCF[J]. Optical Technology, 2010, 36(3):338-342(in Chinese)

趙乃峰，張霞，黃永清等. 基于光子晶體光纖中的自相位調(diào)制的全光再生[J]. 光學技術(shù), 2010,36(3):338-342.

[7]Umeki T, Asobe M, Takara H, et al. Multi-span transmission using phase and amplitude regeneration in PPLN-based PSA[J]. Optics express, 2013, 21(15): 18170-18177.

[8]Bogoni A, Wu X, Nuccio S, et al. 640Gb/s all-optical

regeneration in a PPLN waveguide[C].America, IEEE Photonics Society, 2010 23rd Annual Meeting of the. IEEE, 2010: 205-206.

[9]Porzi C, Bogoni A, Contestabile G. Regeneration of DPSK signals in a saturated SOA[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2012, 24(18): 1597-1599.

[10]Wu W, Yu Y, Zou B, et al. Single SOA based simultaneous amplitude regeneration for WDM-PDM RZ-PSK signals[J]. Optics express, 2013, 21(6): 6718-6723.

[11]Cao T, Chen L, Yu Y, et al. Experimental demonstration and devices optimization of NRZ-DPSK amplitude regeneration scheme based on SOAs[J]. Optics express, 2014, 22(26): 32138-32149.

[12]LU Lian,ZHANG Min,WU Meng-long, Proposal of A Flexible RSOA-based Colorless Remote Terminal in Bid-directional Single-fiber Transmission Systems[J]. Journal of China Academy of Electronics and Information Technology, 2009, 4(4):364-367.

盧煉，張民，武夢龍.一種基于RSOA的新型波長自適應(yīng)遠端結(jié)構(gòu)[J]. 中國電子科學研究院學報，2009，4(4):364-367.

[13]Dong J, Zhang X, Xu J, et al. 40 Gb/s both inverted and non-inverted wavelength conversion based on transient XPM of SOA[C]. America, National Fiber Optic Engineers Conference. Optical Society of America, 2007: JWA35.

[14]Contestabile G, Proietti R, Calabretta N, et al. Reshaping Capability of Cross-Gain Compression in Semiconductor Amplifiers[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2005, 17(12):2523-2525.

余文科(1985—)，男，博士，高級工程師，湖南長沙人，主要研究方向為光通信技術(shù)及電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)；

E-mail：yuwenkejk@126.com

卿蘇德(1985—)，男，博士，湖南永州人，主要研究方向為通信系統(tǒng)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)；

陳新(1989—)，男，博士生，江蘇南京人，主要研究方向為基于SOA的高速光信號處理研究；

婁采云(1946—)，女，教授，天津人，主要研究方向為高速光通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究；

霍力(1976—)，男，副教授，山西忻州人，主要研究方向為光通信及光信號處理研究。

Investigation of All-Optical 2R Regeneration Based on Cross Gain Compression of Semiconductor Optical Amplifier

YU Wen-ke1, QING Su-de2, CHEN Xin3, LOU Cai-yun3, HUO Li3

(1. Chinese Institute of Electronics, Beijing 100036, China; 2.China Academy of Telecommunication Research, Beijing, 100191;3. Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology(Prepared)，State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics,Department of Electronic Engineering, Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract:All-Optical 2R (Reshaping and Re-amplifying) Regeneration is a key optical signal processing technology in optical communication. All-optical 2R regeneration scheme utilizing the nonlinearity of cross gain compression (XGC) in conjunction with transient-cross phase modulation (T-XPM) in semiconductor optical amplifier (SOA) is proposed. All-optical 2R regeneration for 25-Gb/s to 100-Gb/s degraded return-to-zero (RZ) OOK signals are demonstrated experimentally. It shows that the quality of the signals degraded by noise of amplified spontaneous emission (ASE) is improved and the error floor of the degraded signal is eliminated by using the proposed 2R regeneration scheme. Besides, this 2R regeneration features photon-integratable, wavelength-preserving and being suitable for non-return-zero (NRZ) all-optical signal regeneration

Key words:optical communication; SOA; cross gain compression; 2R regeneration

作者簡介

中圖分類號：TN929.11

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5692(2016)01-025-04

基金項目：國家973計劃(2011CB301703)；國家自然科學基金項目(6127532,61077055)；北京優(yōu)秀博士論文資助項目(YB20091000301)

收稿日期：2016-01-03

修訂日期：2016-01-30

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.005