多波长转换及注入锁定全光3R再生技术

卢洪斌，梁祚铨

(1.百色学院,广西 百色 533000;2.广州市隆光信息技术有限责任公司,广东 广州 511458)

0 引言

大数据时代数据传输需求呈爆炸性的增长,急需大幅度地提高数据传输和交换的速率,传统电子集成器件已接近速率的极限,成为光传送网络交换容量的瓶颈,光子集成器件正逐步取代电子集成器件得到应用,这些光集成器件主要有光开关、波长转换器、全光3R再生器、光时分复用器件、光缓存器等等,这些光集成器件大部分尚未成熟,全光网的实现有赖于这些器件的实用化和集成化。光通信系统中随着光信号传输距离增加及交换节点的增多,由于系统中放大的自发辐射(ASE)、色散及偏振模色散、光纤及光器件的非线性等效应的积累,将使光信号的信噪比劣化、波形失真增大,严重地影响信号的接收及处理。光信号在传输及交换等过程中除了衰减和脉冲形变之外,还存在信号各脉冲的时延和漂移现象,故信号接收和处理前通常都需要进行信号再生,以恢复原始信号,3R信号再生指的是信号的再生放大、整形和定时。

利用光注入半导体激光器所产生的增益开关特性,可同时实现对光信号的波长转换和2R(放大、整形)再生[1-3]。对于信号的3R再生,如采用光-电-光的再生方式必须对复用的光信号解复用,分别对每一波长的信号进行光-电-光的再生,对于DWDM系统随着波长数的增加光-电-光再生的成本直线上升,电的再生方法由于电处理速率的瓶颈,因而在技术上已经无法解决实际问题,解决问题的可行技术是全光3R再生技术[2-5]。

非简并四波混频(NDFWM)是实现波长转换的一种重要方法,它除了对比特率和调制方式(不仅幅度调制信号而且频率调制和相位调制信号也可进行波长转换)是透明的之外,还能在很宽的波长范围内进行调谐[3,6]。波长转换过程中会使转换信号光产生失真,通常波长转换后都应对信号光进行3R再生,以保证信号质量。实际光网中含有若干波长的光信号,波长的转换和再生将变得复杂和困难。在光网络节点同时实现波长转换和全光3R再生是全光网中极关键的应用技术[4-6]。

本文从光注入半导体激光器的增益开关和注入锁定特性出发,分析了其用于NDFWM波长转换与信号再生的特点,提出了基于光注入锁定的多波长信号光同时转换和再生的方法。解决了交叉增益和交叉相位调制仅适用于单波长转换的限制,可大大简化器件配置、降低器件成本,适合于光节点多波长转换和再生的应用。

1 半导体激光器增益开关和注入锁定特性

相干光注入半导体激光器可产生注入锁定效应,使注入信号的光强幅度得以提高,并使噪声功率在注入锁定阈值功率以下的部分被剔除,从而得到放大和整形后的光信号。当注入信号光满足注入光功率阈值条件时,半导体激光器的输出光频被锁定在注入光频处,反之,维持原激光输出状态。激光输出经带通滤波器后得到放大的整形信号光[4-5]。

注入锁定信号再生通常使用FP腔双稳态激光器,它由两段组成,一是激光器的增益区,一是吸收区。结构优化的双稳态激光器及光注入产生的双稳态特性,信号再生过程及原理为:波长不同的信号光和光同步时钟信号经耦合器从双稳态激光器的增益端注入,输出光经带通滤波器得到锁定波长的3R再生转换光信号。当信号光脉冲经过增益区时,折射率的变化使时钟信号波长与FP腔主模靠近并进入锁频范围,这样双稳态激光器被光同步时钟脉冲信号锁定,注入信号光波长转换为时钟信号波长。同时注入信号光脉冲的时延被同步时钟脉冲所校正。在锁定过程中,由于腔内纵模的共振放大使时钟脉冲幅度得到较大的提高。当没有信号脉冲时,主模与时钟信号波长的间隔超出锁频范围,不发生模式锁定。这时光同步时钟脉冲的幅度保持不变。双稳态激光器吸收区的重要作用之一是大幅度地压缩边模噪声,使再生信号的信噪比得以提高。采用以上方法可实现的波长转换范围可从FP腔纵模间隔大小到100nm以上,速率可达几十Gb/s[5]。

2 注入锁定多波长转换光3R再生

电的再生方法由于处理速度上的瓶颈,已经无法匹配全光网的技术需求。解决问题的可行方法是全光的处理技术,前文提到的全光波长转换及再生技术仅限于单个波长的信号通道,实际光网中含有若干波长的光信号,采用单波长的转换和再生,从效率和成本方面都是不可接受的。

本文提出了一种基于非简并四波混频(NDFWM)多波长转换及注入锁定定时的全光3R再生技术,图1为装置原理图。图中16波的光复用信号在节点处经集成SOA/DFB/SOA进行高效多波长转换,SOA/DFB/SOA中DFB的中心波长0介于16与17之间,使复用的信号波长1～16同时转换为17～32,这种方法避免了交叉增益和交叉相位调制仅适用于单波长转换的限制,转换后的多波长信号经带通滤波器过滤输出,为保证转换后多波长信号的强度,由EDFA对信号进行放大。为对多波长信号进行整形和定时,阵列波导光栅(AWG)对信号作波长解复用,以便分别对各波长信号进行光时钟信号注入锁定整形及定时。整形和定时是通过对F-P LD的注入锁定来实现的,各F-P LD的中心波长在其对应注入信号波长的附近并在锁频范围之外,注入信号光的偏振方向控制与F-P LD振荡光的方向相同。当光时钟信号脉冲耦合入F-P LD时,折射率的变化使注入信号波长进入锁频范围之内,发生注入锁定,输出波长与注入信号波长相等的并被放大了的整形、定时信号。再生的信号光通过窄带滤波器由AWG复用后经EDFA放大输出。采用F-P LD可减少成本,且各F-P LD能集成在一块芯片上便于控制操作。一般NDFWM波长转换效率较低,采用集成SOA/DFB/SOA能大幅提高大失谐下的波长转换效率。由于NDFWM的多波长转换特性,系统升级时不用对波长转换器作替换和添加就能满足需求。

图1 注入锁定NDFWM多波长转换信号3R再生装置原理图

3 结论

根据相干光注入半导体激光器产生的注入锁定和增益开关特性,提出了一种基于非简并四波混频多波长转换及注入锁定定时的全光3R再生技术,能同时实现基于NDFWM的多波长转换和信号3R再生,避免了交叉增益和交叉相位调制仅适用于单波长转换的限制。本文的多波长转换和信号3R再生已经在实验研究中得到了验证,具有实际的应用价值,分析表明此技术适用于全光网中光节点的信号多波长转换和再生。