余文科，卿蘇德，陳　新，婁采云，霍　力

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

3.清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室(籌)，集成光電子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,清華大學(xué)電子工程系，北京　100084)

余文科(1985—)，男，博士，高級(jí)工程師，湖南長沙人，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶夹g(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?yàn)橥ㄐ畔到y(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?yàn)榛赟OA的高速光信號(hào)處理研究；

婁采云(1946—)，女，教授，天津人，主要研究方向?yàn)楦咚俟馔ㄐ畔到y(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?yàn)楣馔ㄐ偶肮庑盘?hào)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(xué)會(huì)，北京100036； 2.中國信息通信研究院，北京100191；

3.清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室(籌)，集成光電子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,清華大學(xué)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(hào)處理技術(shù)，本文提出了基于半導(dǎo)體光放大器(SOA)的瞬時(shí)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(shí)現(xiàn)光歸零碼(RZ-OOK)信號(hào)的全光2R再生方案，進(jìn)行了25-Gb/s、50-Gb/s及100-Gb/s RZ信號(hào)的的全光2R再生實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(hào)的信號(hào)質(zhì)量，惡化信號(hào)的誤碼率平臺(tái)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(hào)的全光2R再生等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光通信；半導(dǎo)體光放大器；交叉增益壓縮；2R再生；

0引言

由于光信號(hào)在光纖鏈路傳輸中會(huì)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(hào)的消光比會(huì)下降，幅度抖動(dòng)增加，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量惡化，因此對光信號(hào)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(shí)現(xiàn)光信號(hào)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(shí)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(dǎo)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(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)全光RZ信號(hào)的2R再生方案，并對25-Gb/s、50-Gb/s及100 Gb/s惡化RZ信號(hào)進(jìn)行了2R再生實(shí)驗(yàn)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(jí)SOA組成，主要利用第一級(jí)SOA的T-XPM效應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)量較高的互為反邏輯的信號(hào)(參見圖2，圖3)，而互為反邏輯的信號(hào)經(jīng)過第二級(jí)SOA的XGC效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)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(hào)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(hào)(λ1)和直流光(λ2)共同注入第一級(jí)SOA，λ1光會(huì)對λ2的增益和相位進(jìn)行同步調(diào)制，一方面由于交叉增益調(diào)制效應(yīng)(XGM)會(huì)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(fù)特性會(huì)使得λ2信號(hào)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(shí)交叉相位調(diào)制效應(yīng)會(huì)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(lán)移啁啾，在第一級(jí)SOA輸出的λ2信號(hào)波長附近引入一個(gè)光帶通濾波器，同時(shí)利用偏移濾波濾除由T-XPM產(chǎn)生的部分藍(lán)移啁啾，可有效加快增益恢復(fù)，進(jìn)而獲得質(zhì)量較好的與λ1信號(hào)互為反邏輯的λ2光信號(hào)[13]；

圖3　基于SOA-XGC的2R再生的原理示意圖

經(jīng)過第一級(jí)SOA輸出的互為正反邏輯的λ1及λ2光信號(hào)同步注入到第二級(jí)SOA中，此時(shí)通過控制輸入光信號(hào)的功率，使得第二級(jí)SOA處于深度飽和狀態(tài)，對于波長為λ1的信號(hào)而言，其比特‘1’會(huì)因受到增益飽和的作用而獲得幅度均衡的作用；比特‘0’因?yàn)橥綄?yīng)的是波長位于λ2處的反邏輯信號(hào)的‘1’碼，只能獲得抑制的或者壓縮的增益，使得λ1信號(hào)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(hào)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(hào)進(jìn)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(hào)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(shí)現(xiàn)波長保持的全光2R再生；對于NRZ信號(hào)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(hào)，因此該再生裝置還可以實(shí)現(xiàn)NRZ信號(hào)的全光2R再生。

2全光2R再生實(shí)驗(yàn)

圖4　RZ信號(hào)的全光2R再生實(shí)驗(yàn)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(hào)進(jìn)行了2R再生實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖3所示。本實(shí)驗(yàn)中信號(hào)的惡化通過利用放大器的ASE噪聲加載實(shí)現(xiàn), 25-Gb/s的RZ原始信號(hào)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(jī)碼所得，50 Gb/s和100 Gb/s的原始RZ信號(hào)通過25Gb/s數(shù)據(jù)信號(hào)的分別光時(shí)分復(fù)用得到。直流探測光中心波長為1559.4 nm, 兩個(gè)3 dB帶寬均約為1 nm的光帶通濾波器(OBPF)對SOA1輸出的互補(bǔ)邏輯信號(hào)分別進(jìn)行濾波，在反邏輯信號(hào)的光傳輸路徑引入了一個(gè)可調(diào)光延時(shí)線(ODL)以控制正反邏輯信號(hào)的相對延時(shí)，分別用兩路光衰減器(Attenuator(圖中為Att.))控制正反邏輯信號(hào)進(jìn)入SOA2的相對功率，在SOA2的輸出端，采用了一個(gè)3 nm帶寬的OBPF濾出2R再生后的正邏輯信號(hào)。在接收端，我們使用了500 G光采樣示波器觀測信號(hào)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(hào)的再生實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。圖5(a)為輸入惡化信號(hào)的眼圖，其帶有明顯的幅度抖動(dòng)且眼圖張開度較小。通過2R再生器后，信號(hào)的眼圖(圖5(b))張開度明顯增大且幅度抖動(dòng)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(hào)的誤碼曲線結(jié)果，輸入惡化信號(hào)在誤碼約為10-7處存在一定的誤碼平臺(tái)，通過全光2R再生后，惡化信號(hào)的誤碼平臺(tái)得到了有效的消除即達(dá)到了無誤碼(10-9)。

圖5　25-Gb/s信號(hào)的全光2R再生實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在25-Gb/s的光2R再生基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了50-Gb/s信號(hào)的2R再生實(shí)驗(yàn)研究。圖5為50-Gb/s的惡化RZ數(shù)據(jù)信號(hào)，可以看出，惡化信號(hào)含有較大的幅度抖動(dòng)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(tái)；通過全光2R再生器后，再生信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)無誤碼，且眼圖張開度較惡化信號(hào)明顯增大。

圖6　50-Gb/s信號(hào)的全光2R再生實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

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

圖7　100-Gb/s RZ信號(hào)的全光2R再生實(shí)驗(yàn)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(hào)的全光2R再生，通過再生，惡化信號(hào)的誤碼率平臺(tái)被有效消除，幅度抖動(dòng)降低，信號(hào)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(hào)的2R再生操作等特點(diǎn)，在未來全光網(wǎng)中將可能具有較好應(yīng)用前景。

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余文科(1985—)，男，博士，高級(jí)工程師，湖南長沙人，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶夹g(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?yàn)橥ㄐ畔到y(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?yàn)榛赟OA的高速光信號(hào)處理研究；

婁采云(1946—)，女，教授，天津人，主要研究方向?yàn)楦咚俟馔ㄐ畔到y(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?yàn)楣馔ㄐ偶肮庑盘?hào)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(hào)：TN929.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5692(2016)01-025-04

基金項(xiàng)目：國家973計(jì)劃(2011CB301703)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(6127532,61077055)；北京優(yōu)秀博士論文資助項(xiàng)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