基于双向正交泵浦半导体光放大器结构的全光相位保持幅度再生技术*

孙凡 文峰† 武保剑 Tan Ming-Ming 凌云 邱昆

1) (电子科技大学信息与通信工程学院,光纤传感与通信教育部重点实验室,成都 611731)

2) (Aston Institute of Photonics Technologies,Aston University,Birmingham B4 7ET,UK)

提出了一种基于双向正交泵浦半导体光放大器(SOA)的相位保持幅度再生方案,实验分析了泵浦、信号及其端面反射场之间的多重四波混频(FWM)转换过程,探索了同向场作用下的共轭光再生能力.测量了注入不同信号光功率、信号质量情况下获得的幅度噪声压缩效果以及相位输出特性,印证双向正交泵浦SOA 再生器的相位保持幅度再生功能,通过实验测量得到2.2 dB 的幅度噪声压缩结果.进一步通过仿真分析系统,探讨了多进制数字相位调制(MPSK)信号的工作特性,表明该再生器可在相同工作参数下支持高阶信号的再生需求.

1 引言

全光再生技术是一种可以直接在光域提升信号质量的数据处理方法.该技术避免了现有光纤通信系统中广泛使用电信号补偿方案所引入的高能耗光-电-光(O/E/O)转换过程[1,2],以及电域信号处理固有的电子瓶颈问题[3],实现了全光域信号质量提升,为光纤通信系统的全光传输与处理一体化技术演进提供核心功能器件[4].

全光再生技术已经过数十年发展,早期研究主要集中在面向开关键控(OOK)信号的幅度再生,并实现高速100 Gb/s 信号的数据处理能力[5],以及波分复用系统中的多通道再生[6].伴随着相干调制技术在光纤通信系统中的广泛应用,全光再生方案也必须具备面向相干调制格式的全光处理能力.通过相敏放大技术可以实现信号相位噪声的全光压缩,并实验展示了正交相移键控(QPSK)信号的相位再生[7].但该技术仅可压缩相位噪声,无法改善相干调制信号的幅度扰动问题,这成为制约该技术在相干光通信系统中全面应用的关键问题之一.

为解决相干调制信号的幅度噪声抑制问题,即实现具有相位保持特性的幅度再生,研究人员提出了光纤型的非线性光环镜(NOLM)方案[8-10]以及半导体光放大器(SOA)实现的参量过程方案[11,12].光纤型再生方案需要注入高功率泵浦以激发非线性过程,因此系统实践过程中需要额外的受激布里渊(SBS)阈值提升单元以改善泵浦注入效果,导致该方案实现复杂、能耗高.而利用有源SOA 实现的相位保持幅度再生,仅需要毫瓦量级的泵浦光即可激发起参量效应,因此更加适用于实际系统应用.目前传统的SOA 方案采用单泵浦参量过程,再生所需的泵浦-信号功率比(PSR)在10 dB 以上,严重限制了信号功率注入范围,降低了再生信号的转换效率.近些年,利用双向SOA 的非线性过程已可实现双端口的光相位共轭转换(OPC)[13].通过本文作者的前期探索发现,该结构可有效降低SOA 参量过程中的PSR 要求,仅在约2 dB 情况下就可实现高质量的OPC 过程[14].本论文在此工作基础上,进一步拓展非线性双向SOA 结构的全光信号处理功能,实现具有相位保持特性的全光幅度再生.

本论文提出了一种基于双向正交泵浦注入下的非线性SOA 再生方案,该技术利用泵浦与信号形成的Bragg 光栅,实现对泵浦、信号及其端面反射光的衍射效果,得到多重四波混频过程(FWM).针对转换效率占据优势的同向场作用情况,开展相位保持幅度再生实验测试,达到2.2 dB 以上的幅度噪声压缩效果,支撑全光再生技术对于相干调制格式信号的处理功能.

2 工作原理

双向正交泵浦SOA 全光再生结构考虑在单一非线性SOA 单元中,利用其可支持双向光注入的特性,实现多重FWM 过程,其光场注入结构如图1(a)所示.在该再生结构中,外部注入的光场有3 个: 从输入端口注入的泵浦光与信号光,以及从输出端口反向注入的泵浦光.3 束光场详见图1(a)中实线箭头所示.下标H 和V 分别代表平行(//)和垂直(⊥)偏振态;上标f 和b 对应正向传播(z ＞0)和反向传播(z＜0)情况.输入端口的泵浦与信号光同偏振,并与输出端口注入的泵浦呈偏振正交态,因此双方的H 偏振态与V 偏振态可互换.在该单元中,除上述3 个注入光场以外,由于SOA 存在端面反射[13],导致其反射残留在对向端面处重新进入SOA 结构,在放大与非线性效应的共同作用下产生新的FWM 过程.3 个反射光场分别是输入端口注入的泵浦光和信号光在输出端面形成的反射残留场与,以及输出端口注入的泵浦光在输入端面形成的反射残留场,上述3 束光已在图1(a)中用虚线箭头标注.因此在双向正交泵浦SOA 全光再生结构中,共有6 束光场相互作用,形成多重FWM 过程.

图1 (a)双向SOA 的正向和反向传输光场示意图;(b)同偏振四波混频过程;(c)正交泵浦四波混频过程Fig.1.(a) Schematic diagram of forward and backward transmission in SOA;(b) co-polarization FWM;(c) orthogonal-pump FWM.

根据Bragg 散射FWM 理论模型可知[15-19],泵浦与信号之间的光频差在SOA 结构中形成折射率调制光栅,与输入的泵浦和信号光分别作用得到FWM 的共轭或闲频光.针对本论文结构,该Bragg 光栅仅出现在同偏振的泵浦与信号之中,即与形成的光栅以及与形成的光栅[20,21].上述两个光栅的周期均为Ω=|ωp-ωs|,但光栅传播方向相反,其中ωi(i=p,s) 对应泵浦和信号的角频率.虽然双向注入的泵浦光偏振态正交,但频率值一致.上述两个光栅可与正向和反向传输的泵浦、信号及其反射残留场发生衍射作用,形成丰富的FWM 的产物.但受到相位匹配条件的限制,仅当失配因子 Δkc=kc-(2kp-ks)≃0 时,才可获得有效的共轭转换,该共轭产物即为本论文探讨的再生信号.kj(j=p,s,c) 分别对应泵浦、信号以及共轭光的波数.表1 列出了不同偏振情况下的共轭信号产物情况,该表仅统计了失配因子 Δkc=0 情况下的组合结果,其余产物受限于转换效率较低,无法在实验中观测到.该表涵盖了作用光场、波矢、偏振态以及端口信息,根据正交泵浦分配情况,每组实验结构共有4 个共轭光产物,从输入端口和输出端口同时获得.受到光场强度的限制,反射残留场作用下的FWM 过程较弱,因此尽管在同一个端口可输出两个共轭产物,但其总偏振态主要由注入的泵浦光场的偏振态决定.上述多重FWM 过程就是双向正交泵浦SOA 再生结构中,可同时在双端口得到共轭转换的工作基础.

表1 不同偏振正交泵浦结构对应的四波混频相位失配分析Table 1.Analysis of phase mismatch of four-wave mixing corresponding to different polarization orthogonal pump structures.

3 实验研究

根据工作原理分析可知,在双向正交泵浦SOA结构中不仅可以在同向传输的泵浦和信号之间发生FWM 过程,还可以在反向泵浦与信号之间得到FWM 产物,即实现双向FWM 效应,这突破了传统FWM 理论关于相位匹配条件的限制.为验证双向正交泵浦SOA 结构的多重FWM 现象,开展实验研究工作,并探索其相位保持幅度再生效果.

3.1 实验结构

双向正交泵浦SOA 实验系统如图2 所示.实验系统的核心是非线性双向SOA 器件,该器件为CIP 公司提供的非线性SOA 单元(SOA-NL-OEC-1550),具有双向光注入、偏振无关放大(偏振相关增益为0.5 dB)特性,满足实验要求.在双向正交泵浦实验测试过程中,该SOA 的驱动电流设置为464 mA.实验中有两类光场注入到SOA 单元中:连续泵浦光以及QPSK 信号光.泵浦光由本地激光器产生,其波长为1548.62 nm,输出光功率达到0 dBm.泵浦光通过偏振分束器(PBS)分为功率一致、偏振正交的两束光,分别从输入和输出端口耦合进入SOA 单元.QPSK 信号由相干光发射机产生,其载波波长为1549.33 nm,信号速率为10 Gb/s.信号光偏振态由偏振控制器(PC1)调控,使其与正向输入的泵浦光偏振态一致,偏振特性由偏振分析仪(PA)实时监控.虽然QPSK 信号光仅从SOA 的输入端口注入,但FWM 产物可同时在输入和输出两个端口获得.为此,测试中在SOA的双侧端口处均添加光环形器(CIR1 和CIR2),以此分离输入信号与FWM 产物.非线性双向SOA的光谱结果由光谱仪测试,而QPSK 光信号通过相干接收机转换后,在实时示波器中采样分析.

图2 双向正交泵浦SOA 实验测试系统图Fig.2.Experiment setup of bidirectional orthogonal-pumped SOA subsystem.

3.2 反射测试

根据工作原理可知,在双向SOA 器件中发生的多重四波混频过程与器件的端面反射密切相关.为此根据放大自发辐射光谱测SOA 端面反射率的方法开展了针对实验用非线性SOA 单元的反射率测试.端面反射率计算公式如下所示[22]:

其中R表示反射率,Gs是光波单次通过SOA 净增益,P+和P-是相邻波峰及波谷处的峰值功率.在没有外界注入光的情况下,仅通过直流电流驱动非线性SOA,此时监控输入和输出端口获得的不同驱动电流下的自发辐射光谱结果如图3(a),(b)所示.光谱仪测量的分辨率为0.03 nm.两图对比可以看出,在驱动电流逐渐增强的过程中,输入和输出端口得到的光谱整体变强的演化趋势是一致的,但输出端口光谱结果更加振荡,特别在高驱动电流情况下更为明显.两端光谱特性的差异可能来自于该器件在输入和输出端面上的镀膜差异所导致的.由于该款器件是针对非线性应用而特殊设计的SOA,其工作特性注重更高的注入光功率,承受更大的驱动电流,因此光谱特性、反射率效果与放大器应用的SOA 器件有差异.

图3 不同驱动电流下(a)输入和(b)输出端口处的放大自发辐射光谱;(c) 驱动电流为100 mA 时,计算获得的反射率分布效果;(d)不同驱动电流下获得的工作波长范围1547.5—1549.5 nm 内SOA 反射率结果Fig.3.Power spectral density (PSD) of amplified spontaneous emission (ASE) spectrum under different driving currents at (a) input port and (b) output port;(c) the reflectivity at driving current 100 mA;(d) reflectivity between 1547.5 nm and 1549.5 nm obtained under different driving currents.

根据驱动电流为100 mA 情况下获得的自发辐射谱以及(1)式可计算得到反射率结果如图3(c)所示.在工作波长范围1548.5 nm±1 nm 内,其反射率结果为(3.49±3.11)×10-3.当驱动电流增强后,部分波长获得更高的光增益(如1562 nm 波长处),使其功率值较其他波长高出仅20 dB,这导致反射率结果出现振荡,上述振荡结果与文献[13]中非线性SOA 的测量特性一致.但根据图3(d)给出的不同驱动电流下工作波长范围1548.5 nm±1 nm内反射率结果可以看出,虽然该振荡特性引入一定干扰,但该SOA 的端面反射率均在10—3量级.

3.3 光谱响应

根据偏振态以及注入端口的分配情况,双向正交泵浦SOA 结构存在2 组共4 种光作用过程: 第一组为H 偏振正向泵浦(HF)+V 偏振逆向泵浦(VB)、第二组是V 偏振正向泵浦(VF)+H 偏振逆向泵浦(HB).由于双向注入的泵浦光是由PBS 器件分光得到,因此其偏振态存在正交性;而信号光偏振态与正向注入的泵浦光一致,所以整个系统的工作情况可由泵浦光的偏振态分类获得.根据工作原理分析可知,每一组注入光情况均可同时在输入和输出端口获得FWM 产物,为此通过光谱仪测量CIR 第3 端口输出结果,可验证双向SOA 结构中得到多重FWM 效果.

图4(a),(d),(g)和(j)是实验获得的HF,VB,VF 和HB 情况下的FWM 结果.由其清晰的FWM产物可知,在非线性双向SOA 单元中的确发生了Bragg 散射FWM 过程,该过程不仅在同向泵浦与信号之间发生非线性混频作用,还在逆向泵浦与信号之间产生FWM 产物.根据光谱测量结果可知:1)从FWM 过程产生高阶产物的角度来看,同向传输的泵浦与信号之间的作用过程更为激烈,例如图4(a),(g)所示;2)虽然信号光仅从正向端口注入SOA 单元之中,但由于存在端面反射问题,逆向泵浦可与信号光的反射残留发生FWM 过程,该反射残留可在VB 和HB 光谱中清晰观测到;3)从共轭光强度的角度来看,同向传输的泵浦与信号作用过程最为明显,有助于获得较高的共轭光产物,便于后续再生性能测试;4)实验获得的共轭光、闲频光等四波混频产物与泵浦频率的间隔均为88.75 GHz,这与Bragg 散射FWM 理论模型中光栅周期参数(泵浦和信号频率间隔88.75 GHz)一致,验证了泵浦与信号光频差在SOA 结构中形成折射率调制光栅的理论假说.

图4 四种 FWM 情况下的光谱 HF 注入下的(a)实验光谱图及(b) H 偏振与(c) V 偏振的仿真光谱图;VB 注入下的(d)实验光谱图及(e) H 偏振与(f) V 偏振的仿真光谱图;VF 注入下的(g)实验光谱图及(h) H 偏振与(i) V 偏振的仿真光谱图;HB 注入下的 (j)实验光谱图及(k) H 偏振与(l) V 偏振的仿真光谱图Fig.4.Optical spectral results from the four FWM cases: (a) Experimental data and simulation results of (b) H and (c) V polarization for HF case;(d) experimental data and simulation results of (e) H and (f) V polarization for VB case;(g) experimental data and simulation results of (h) H and (i) V polarization for VF case;(j)experimental data and simulation results of (k) H and (l) V polarization for HB case.

为进一步验证正交泵浦SOA 的多重FWM 效果,在VPItransmissionMaker 平台上搭建了与实验环境一致的仿真系统,仿真中使用的SOA 模型是该平台中的“SOA_TLM”,主要参数为: 器件截面长度为6.33×10-4m,非线性指数是6.2×10-19m2/W,有效模面积 1 0-12m2.通过注入泵浦功率0 dBm 和信号功率—1 dBm,获得如图4(b),(c),(e),(f),(h),(i),(k),(l)的仿真光谱结果,分别对应HF,VB,VF 和HB 泵浦情况下的H 偏振和V 偏振光谱测试情况.

根据表1 所列FWM 产物所示,其输出共轭光均存在H 和V 偏振分量结果,因此在仿真分析过程中,利用偏振分束器分离每一种泵浦情况下的FWM 光谱结果,对比正交偏振分量下获得的非线性产物特性.对于HF 泵浦情况,其正向泵浦偏振态为H 偏振态,此时信号光与正向泵浦偏振态一致,也为H 偏振态.在SOA 的输出端口,获得同向四波混频产物结果,如图4(b),(c)所示.对于H 偏振输出结果,四波混频过程激烈,共轭信号转换效率高,通过滤波后测得共轭光功率为—3.77 dBm.而在偏振分束器V 偏振端口得到的共轭光功率仅为—21.66 dBm,两者相差约18 dB.仿真过程还对比了其余3 种泵浦情况(VB,VF 和HB)获得正交共轭光功率差值分别为15,18,15 dB.可以看出,虽然正交泵浦SOA 结构中可以获得正交四波混频产物,但两者功率相差较大,仍以主偏振态下得到的优势输出占据主导.因此实验测量的光谱结果图4(a),(d),(g),(j)与仿真得到的结果图4(b),(e),(i),(l)表现出相似的光谱规律.

无法在实验过程中正确分离出上述正交偏振分量结果,主要受到以下两个问题的影响: 1) SOA输出尾纤为非保偏光纤,导致正交偏振分量之间发生了偏振耦合,此时再通过偏振分束器分离得到的产物与理论模型构建的正交偏振输出不一致;2) 正交产物之间的功率差异较大,均在15 dB 以上,无法通过监控信号质量的方式确认偏振分束器输入端的正确偏振态.因此只能通过仿真分析手段对比表1 所示的正交产物结果.

此外,由于实验中光谱仪分辨率为0.03 nm,而仿真计算得到的光谱结果相邻频率点之间仅相差 3.05×10-4GHz.仿真获得的光谱结果具有更高的精确度,在测量连续光时,可以准确测得极窄线宽下的光谱结果.因此仿真得到的光谱结果与实验测量结果在光谱细节上存在一定的差异性,但实际的光谱内容基本一致.以光谱图4(g),(i)为例,实验获得的FWM 光谱中泵浦和信号功率差值约为5 dB,而通过滤波器滤得的仿真结果中泵浦功率和信号功率分别为16.54 dBm 和15.87 dBm,差值也在1 dB,两者基本一致.对于高阶旁瓣的问题,的确在部分仿真结果中获得的高阶旁瓣功率较高,除了前面提到的分辨率差异以外,仿真过程中SOA 内部参数设置也带来一定的差异性.但上述差异性没有改变正交泵浦SOA 结构中的Bragg 散射FWM 基本规律.通过仿真与实验的综合分析,印证了非线性双向SOA 单元中的多重FWM 作用过程,为测试共轭产物的再生性能提供支撑.

3.4 再生结果

在图2 所示的正交泵浦SOA 结构中进一步开展相位保持幅度再生实验研究.根据光谱响应结果,再生实验中仅选取了输出共轭光功率最强的同向场作用情况进行分析,结果如图5 所示.实验中泵浦注入功率固定在0 dBm,信号功率由可调衰减器(VOA1)在—5—5 dBm 之间调整,以寻找最佳工作点.图5(a),(b)给出了共轭信号的幅度扰动与相位扰动随注入信号功率的变化关系.由实验测试结果可知,最佳信号功率点为—2 dBm,即PSR=2 dB 时,该再生器实现最佳的幅度噪声抑制特性.从幅度再生的角度来看,该再生器获得的误差向量幅度增益(Δ EVM|Amp)达到1.74 dB.在图5(a)中还给出最佳再生点处获得的输入与输出信号星座图结果.由于存在幅度压缩特性,输出共轭信号的星座图从幅度角度上存在明显的挤压效果,即实现了信号的全光幅度再生.图5(b)给出了上述功率变化范围内,共轭信号的相位扰动情况:1)在最佳功率点位置处,相位域上的误差向量幅度(Δ EVM|Pha)仅劣化0.6 dB,达到了相位保持的工作特性;2)在—5——1 dBm 功率范围内均保持了相同的相位输出水平,表现出较大的功率容忍范围.因此,根据上述实验测量结果可验证双向正交泵浦SOA 结构中实现了具有相位保持性的幅度再生过程.

图5 (a) 共轭信号的幅度再生性能;(b) 共轭信号的相位噪声特性Fig.5.(a) Amplitude regeneration performance;(b) characteristics of the phase noise obtained by the conjugated signals.

为进一步确认该再生器工作性能,实验测量了不同信号质量下的幅度噪声压缩结果,如图6 所示.通过调节EDFA 工作参数,改变输入的QPSK信号光信噪比(OSNR),以验证再生器对通信系统中放大器级联情况下的自发辐射(ASE)噪声抑制效果.实验测量了OSNR 在8 dB 到17 dB 情况下全光再生结果.分析实验结果可知: 1)该再生器具有较宽的噪声信号处理能力,在整个测试范围内均得到明显的幅度噪声压缩效果;2)当输入信号的OSNR=11.26 dB 时,再生器获得最大的幅度噪声压缩,Δ EVM|Amp达到2.2 dB.图6(b),(c)给出了最佳再生点处获得输入和输出信号星座图,印证了相位保持幅度再生作用过程.

图6 (a)信号质量改善与输入信号OSNR 的依赖关系;(b)最佳再生点处输入信号星座图(OSNRin=11.26 dB);(c)最佳再生点处共轭信号星座图Fig.6.(a) The relationship between the signal-quality improvement and the OSNR of input signals;constellation diagrams of (b) the input signal and (c) the regenerated conjugated signal for the case of the input OSNR=11.26 dB.

4 分析与讨论

在构建的数值仿真平台上,进一步开展多进制数字相位调制(MPSK)信号的相位保持幅度再生仿真研究.当M=4 时,即输入QPSK 光信号,分析不同OSNR 情况下的再生结果如图7 中红线所示.当输入信号质量较差时,双向正交SOA 再生器通过幅度噪声压缩特性,提升信号质量;伴随着输入信号质量的逐渐提升,该压缩效果引起的信号质量改善逐渐减弱,因此再生信号质量变差.从整体仿真结果来看,本论文提出的再生器可以在OSNR＜26 dB以内的信号提供幅度再生效果,表现出较强的劣化信号处理能力.图7(b)给出了再生过程中,信号相位的输出情况.在输入信号质量较差的工作区间以内,可以保持再生后信号的相位特性,达到了相位保持的设计目的.尽管仿真分析得到的最佳幅度噪声抑制结果较实验测量数值高1 dB 左右,但其幅度再生与输入信号的依赖关系和实验测量趋势基本一致,其最佳幅度噪声抑制工作点均在OSNR=12 dB 左右,这在一定程度上表明了本仿真分析系统的正确性.

图7 QPSK 和8 PSK 信号的仿真结果 (a)幅度再生性能与输入信号质量的依赖关系;(b)相位噪声特性与输入信号质量的依赖关系Fig.7.Simulation results of QPSK and 8 PSK signal: (a) The dependency of the amplitude regeneration performance and (b) phase noise characteristics on the OSNR of the input signal.

在此基础上,开展了8 PSK 信号的幅度再生仿真分析.在该仿真计算过程中,输入信号光功率与泵浦功率值均与QPSK 信号情况一致,计算结果如图7 中蓝线所示.8 PSK 信号的幅度再生效果以及相位保持特性与QPSK 信号结果基本相同,这表明本再生器可在不改变工作参数情况下,支撑高阶MPSK 信号的全光处理,满足相干通信网络中多种类型信号的再生需求.图8 分别给了幅度噪声抑制最佳情况下,QPSK 信号和8 PSK 信号再生前后的星座图对比,进一步印证了双向正交SOA 再生器的相位保持幅度再生特性.

图8 星座图结果 (a)输入QPSK 信号;(b)再生QPSK 信号;(c)输入8 PSK 信号;(d)再生8 PSK 信号Fig.8.Constellation diagram: (a) Input QPSK signal;(b) regenerated QPSK signal;(c) input 8 PSK signal;(d) regenerated 8 PSK signal.

5 结论

本论文提出了双向正交泵浦SOA 全光再生器结构,该结构支持多重FWM 作用过程,不仅在输出端口可以得到共轭光产物,也可在输入端口获得非线性混频结果.实验研究了在同向场作用下得到的共轭信号质量,分析其幅度噪声压缩能力随注入光功率、OSNR 参数的依赖关系,获得最高2.2 dB的幅度再生结果.通过构建系统仿真平台,印证了多重FWM 作用过程,并进一步开展了MPSK 信号的再生分析.研究表明8 PSK 信号可以使用与QPSK 再生过程相同的工作参数,达到最佳相位保持幅度再生效果,表明本论文提出的全光再生器具有支持高阶调制信号的工作能力.