一種基于反傳播的光子再生和再整形的新型架構(gòu)

Ganesh Lakshminarayana, Jiten Sarathy, Boris Stefanov, Ruomei Mu, Tammy Thai, David Lowe
Alphion公司

摘要：本文描述了一種基于反傳播（counter-propagation）光子再生和再整形的蜂窩架構(gòu)。我們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)這種架構(gòu)能抑制那些不受歡迎的增益壓縮和交叉增益調(diào)制影響，有效改善輸入功率的靈敏度。
關(guān)鍵詞：P2R 反傳播 SOA 增益壓縮 交叉增益調(diào)制

1.引言

光子再生和再整形（P2R）常常在那些不涉及數(shù)據(jù)接入的應(yīng)用中作為一種低成本解決方案來替代光電光轉(zhuǎn)發(fā)器（OEO）。那些利用交叉相位調(diào)制（XPM）效應(yīng)的P2R被認(rèn)為是有一定優(yōu)勢(shì)和好處的，因?yàn)檫@種方法不依賴于光子轉(zhuǎn)換處理，因此具有非常低的偏振敏感度。基于XPM的P2R通常是一個(gè)利用InP技術(shù)制造的SOA-MZI光子集成電路（PIC）[1]，支持速率可以高達(dá)40Gbps[2]。

為了模仿一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，P2R必須具有相同波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的功能，也就是說P2R的輸出波長(zhǎng)必須與輸入信號(hào)的波長(zhǎng)相同。這樣的要求對(duì)于傳統(tǒng)的P2R很容易達(dá)到，它們可以通過將SOA-MZI工作在反傳播（counter-propagating）結(jié)構(gòu)中來完成上述目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)的P2R器件之所以無法取代商用OEO轉(zhuǎn)發(fā)器的一個(gè)關(guān)鍵原因在于，傳統(tǒng)的P2R器件需要很高的輸入光功率（一般不少于-3dBm），因此無法像OEO轉(zhuǎn)發(fā)器那樣支持商用傳輸線路系統(tǒng)的功率預(yù)算，而OEO轉(zhuǎn)發(fā)器可以放大和清除那些平均功率低于-23dBm的信號(hào)。P2R之所以對(duì)輸入功率要求很高是因?yàn)楦缮鎯x需要那樣高的功率，解決的方法就是在SOA-MZI中集成一個(gè)預(yù)放大器。在相同波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的情況下，放在SOA-MZI中預(yù)放大器里的反傳播連續(xù)波（CW）激光器會(huì)導(dǎo)致不受歡迎的增益壓縮現(xiàn)象。過去人們的工作一般將注意力集中在同向傳播（co-propagation）架構(gòu)中的無波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的信號(hào)再生。這些解決方案都基于獨(dú)立和連續(xù)波信號(hào)[3，4]。為了更好地與過去的工作做對(duì)比，我們采用了反傳播方式，我們已經(jīng)研制出一種新的架構(gòu)，叫做蜂窩（Honeycomb），這種架構(gòu)在那些與主要MZI結(jié)合的二級(jí)干涉儀上采用相消干涉（destructive interference），從而消除了預(yù)放大器中CW信號(hào)，因此預(yù)放大器能夠成功地放大那些低功率信號(hào)，使之達(dá)到足夠水平來翻轉(zhuǎn)干涉儀中CW的相位。最終的器件可以在整個(gè)C波段工作，支持相同波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，以及不同輸入功率信號(hào)的再生。我們已經(jīng)裝配、封裝和測(cè)試了那些基于上述架構(gòu)的新興器件，結(jié)果是令人滿意的。

2. 架構(gòu)

圖1顯示了我們P2R架構(gòu)的示意圖。圖中深色的長(zhǎng)方形代表SOA。這些SOA以一種蜂窩的形式用1x2光分路器來完成之間的互連。數(shù)據(jù)可以從輸入臂1，2，3中任何一個(gè)線路進(jìn)入器件，接著再?gòu)泥徑�的臂中輸出去。�?dāng)CW信號(hào)從8號(hào)輸入臂進(jìn)入P2R。

 在接下來的討論當(dāng)中，我們假設(shè)輸入信號(hào)從3號(hào)臂中進(jìn)入，獲得再生的信號(hào)從2號(hào)臂輸出，對(duì)于一個(gè)反傳播的傳統(tǒng)SOA-MZI而言，輸入信號(hào)和CW在6號(hào)臂相互作用，在改變6號(hào)臂CW相位的同時(shí)也改變了5號(hào)臂上的CW相位，而合成后的輸出則在2號(hào)臂處得到放大。存在于3號(hào)臂上的CW會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)出現(xiàn)增益壓縮。另外，在3號(hào)臂上CW與輸入信號(hào)之間的交叉增益調(diào)制（XGM）會(huì)導(dǎo)致在P2R的動(dòng)態(tài)響應(yīng)中摻入一些反常的非自然信號(hào)。而在蜂窩架構(gòu)中，7號(hào)臂上的SOA是可以調(diào)諧的，因而6號(hào)臂和7號(hào)臂可以連接成一個(gè)干涉儀，對(duì)CW波長(zhǎng)進(jìn)行相消干涉。這將抑制CW進(jìn)入3號(hào)臂，因此能有效減輕增益壓縮和XGM效應(yīng)。

這種蜂窩SOA-MZI由InP材料系統(tǒng)裝配而成的。內(nèi)部互連的波導(dǎo)是一種InGaAsP擔(dān)當(dāng)核心的單模波導(dǎo)。SOA的活性材料是由一種應(yīng)變大塊四元合金組成，發(fā)射光譜涵蓋了整個(gè)C波段。這種SOA通過多模干涉儀（MMI）分路器來實(shí)現(xiàn)彼此的連接。而InP芯片則體現(xiàn)了高水準(zhǔn)的集成性能，支持功能冗余。例如，如果3號(hào)臂和7號(hào)臂上的SOA出現(xiàn)故障的話，那芯片仍舊可以通過4號(hào)臂和1號(hào)臂上面的SOA來繼續(xù)支持XPM效應(yīng)，從這方面講，這樣的器件功能可用在真正的集成電路上。

3.結(jié)果

我們對(duì)器件進(jìn)行了測(cè)試，輸入信號(hào)的波長(zhǎng)為1565 nm，功率-10dBm，經(jīng)過2-31-1偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS)的調(diào)制（at 5GHz）。6號(hào)臂和7號(hào)臂（參看圖1）組成二級(jí)干涉儀，來抑制3號(hào)臂的CW波長(zhǎng)，從而消除了增益壓縮現(xiàn)象。通過使用一個(gè)循環(huán)器，我們?cè)赟OA 7電流發(fā)生改變的時(shí)候測(cè)量了3號(hào)端口上的CW功率，同時(shí)監(jiān)測(cè)其輸出眼圖。圖3表明了在3號(hào)端口處CW的輸出功率與SOA 7電流之間的關(guān)系圖。很明顯，當(dāng)干涉儀發(fā)生相消干涉時(shí)（平衡點(diǎn)）增益壓縮是最少的。這時(shí)候電流為497mA，對(duì)應(yīng)的是最好的輸出眼圖，如圖2。當(dāng)電流漂離平衡點(diǎn)的時(shí)候，3號(hào)臂的增益壓縮將減少干涉臂上的信號(hào)功率，降低眼圖質(zhì)量。對(duì)平衡點(diǎn)的稍微一點(diǎn)點(diǎn)的偏離都將對(duì)眼圖質(zhì)量造成重大影響，參看圖2。
    

 圖4顯示了對(duì)P2R比特誤碼率（BWR）的測(cè)量示意圖和相關(guān)曲線。BER曲線反映了再生后的信號(hào)與輸入信號(hào)（光路2）之間的對(duì)比圖。這兩種情況下的比特誤碼率通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接收器來將所測(cè)數(shù)據(jù)圖表化。正如圖4所顯示的那樣，穿過P2R的光路可以忍受比信號(hào)光路更高的衰減（一般10dB），并依舊能保證實(shí)現(xiàn)無誤碼的傳輸。為了研究二級(jí)干涉儀所帶來的影響，我們?cè)跊]有調(diào)節(jié)SOA 7電流的情況下（圖1）測(cè)量了比特誤碼率。很明顯，當(dāng)二級(jí)干涉儀處于不可調(diào)節(jié)狀態(tài)下的時(shí)候，由P2R所產(chǎn)生的功率收益會(huì)下降。

4.結(jié)論

我們探討了一種創(chuàng)新的P2R架構(gòu)，能夠增加基于反傳播的SOA-MZI裝置的靈敏度。我們?cè)谶@種架構(gòu)中采用了一個(gè)干涉儀來抑制輸入預(yù)放大器上的CW源，這有助于消除增益壓縮和XGM效應(yīng)，從而增大總增益并改善器件的動(dòng)態(tài)特性。試驗(yàn)的結(jié)果表明這種P2R有能力對(duì)虛弱的輸入信號(hào)（< -10dBm）進(jìn)行有效的放大和整理。

參考文獻(xiàn)

[1] T. Durhuus, B. Mikkelsen, C. Joergensen, S. L. Danielsen, K. E. Stubkjaer, ¡°All optical wavelength conversion by semiconductor optical amplifiers¡±, Journal of Lightwave Technology, Vol. 14, No 6, pp. 942-954, June 1996.
[2] P. Guerber, B. Lavigne, O. Leclerc, ¡°Ultimate performance of SOA-based interferometer as decision element in 40 Gbit/s all-optical regenerator¡±, OFC 2002 , pp. 17-22
[3] J. Leuthold, J. Eckner, P. A. Besse, G. Guekos, and H. Melchior, ¡°Dual-order mode (DOMO) all optical space switch for bi-directional operation¡±, in Proc. Conf. Optical Fiber Commun.OFC¡¯96, San Jose, CA, Feb. 1996, pp. 271-272
[4] J. Leuthold, P. A. Besse, E. Gamper, M. Dulk, W. Vogt, and H. Melchior, ¡°Cascadable MZI-all-optical switch with separate ports for data and control signals¡±, presented at ECOC¡¯98, paper WdB06, Sept. 1998.