摘要：本文简要地分析了当前全光再生器的发展情况，重点介绍了基于SOA-MZI结构的交叉相位调制2R再生器，同时也简单列举了这种2R再生器的设计和应用情况。
关键词：再生器 2R
SOA-MZI
1.引言
目前人们在研制那些支持在光网络上数据透传的全光再生器方面已经取得了许多重大技术进展，为了支持透明传输，这些网络中的关键设备必须具备再生（功率放大）、再整形、再定时和波长转换功能（无须进行OEO转换），有人称之为3R再生器。而那些仅提供功率放大和整形功能的光再生器被称为2R再生器。
相比2R再生器，3R再生器多了一项再定时功能。能提供再定时功能的基本功能模块被称为全光时钟恢复器件。尽管时钟恢复领域已经取得的重大的技术进展[1]，不过用于再定时的架构依然处于早期发展阶段，一般还会采用中间的电子转换步骤。在本文中，我们将主要探讨2R再生器及其相关应用。
目前我们所看到的全光2R再生器有很多种类型，如采用不同的材料、光学效应或架构。这些设备采用EDFA或半导体光放大器（SOA）来进行平均功率的再生，以及信号的再生。我们也看到有人利用多波混频效应（如四波混频和差分频率产生）研制的全光2R再生器[2]。而用在2R再生器的光门限技术则包括交叉增益调制（XGM）[3]、交叉相位调制(XPM)
[4]以及基于干涉仪的非线性光学环路镜(NOLM)[5]技术。
能否将2R再生器商用化，其尺寸是一个重要的考察要素。而基于InP材料的光子集成电路技术的出现则为小尺寸的2R再生器敞开了大门，这种光子集成技术可以将无源和有源技术整合到一起，下面我们就将着重讨论一种采用InP光子集成技术研制的基于SOA-MZI
XPM效应的2R再生器。
2. SOA-MZI中的XPM效应
图1 一个多功能SOA-MZI的结构示意图
图1显示了一个SOA –MZI器件的结构示意图。这个SOA
–MZI包含了一个平衡式的MZ干涉仪，其中在每一个干涉臂中配置了一个SOA。SOA4和SOA5处于biased in
saturation状态，这样就使一个本地CW光源发出的波长λ1在干涉仪的输出端被进行相消干涉（destructive interference）。在SOA
–MZI输入臂上的SOA则要对输入的数据信号进行预放大处理以便在干涉臂上的SOA中形成适当的相位位移。而输出臂上的SOA则负责放大那些经过XPM处理的调制后数据信号（波长为λ1）。如图所示这样的SOA-MZI布局可以是对称的，这样就能够有选择地对这种器件进行重新调整，如信号可选择不同的输入端口，以改善器件的输出。在操作过程中，波长为λ2的输入信号的光子改变了SOA4的折射率，并在两个干涉臂之间诱导出一个相对的相位位移。
这样就让本地CW波长与输入信号波长在干涉仪上产生了相长干涉(constructive
interference)，从而导致输入数据的波长转换，即从λ2转变为λ1。由于本地CW具有很高的光谱纯净度，因此输出光信噪比（OSNR）将得到有效改善，从一个受噪音影响的低OSNR输入信号转变成高信噪比的输出信号，这样导致信号的光谱得到再整形，参看图2。而波长转换和2R再生这两项功能则是SOA-MZI的最主要应用。
图2 利用2R再生器对信号光谱进行再整形
在同向传播（co-propagation）结构中，数据信号和CW波长在同一方向传输。在这种情况下，很难实现相同波长的转换，这是因为受噪音影响的输入信号不能从一个纯净光谱XPM信号中分离出来。而在反向传播（counter-propagation）结构中，数据信号和CW
波长在沿着相反方向传输，这样就很容易空间分离出这两个信号。在干涉仪的输出端，由于干涉仪采用的相消干涉，那些经过转换的信号的平均功率是很低的，而SOA
–MZI器件输出部分的SOA则负责对这些转换过的信号进行放大，以达到足够的输出功率电平。
采用SOA
–MZI器件的全光2R再生器在数据传输的时候拥有多个关键优势。如数据格式和数据速率的透明性、可从任意一个波长转换为C波段中任意其他波长。由于在再生过程中不存在波长混合等棘手问题，XPM基本上对偏振不敏感。而具有非常低偏振敏感度的SOA-MZI器件目前已经有人演示过。
3.
2R再生器和波长转换器的应用
波长转换的主要目标是对透明网络进行波长管理。配置ROADM的多节点WDM网络需要在数据源到目的地进行相同的波长分配，不过在某些termediate节点上可能出现由波长分配冲突导致的光路阻塞现象。而波长转换可以改善类似这样网络的连通性，可以确保从出发地到目的地传输过程中的多个节点之间实现一个由多个波长组成的清晰光通道。在这种情况下，2R再生器的级联性就成了决定网状网可升级性的关键因素。在一个再循环环路试验中，人们曾将2500个再生器有效级联起来，取得不错的演示效果[6]。
为了在一个WDM网络中的节点上直通（pass-through）数据，人们需要2R再生器对信号进行再生处理，这样就无须光电光转换。在这种应用中，2R再生器如果要超过OEO光模块的话，那SOA-MZI对低功率电平信号的再生处理性能就显得举足轻重了。为了实现很高的输入功率敏感度，就需要在SOA-MZI的输入臂上添加一个预放大器，来提高输入信号的功率（见图1）。
在反向传输（counter-propagation）结构中，预放大器会导致信号性能受限，如数据信号的增益受到压缩以及在预放大器中CW激光器的XGM效应。所有这些问题都可以通过一个带有干涉仪的SOA-MZI结构来得到解决（通过对输入臂上的CW进行相消干涉解决）。
4.
2R再生器的设计
SOA-MZI是通过InP材料装配在一起的，为了实现对偏振不敏感的XPM，这些SOA的有源材料要由混合应变量子阱或应变大块材料（bulk
material）任一组成，为的是平衡TE和TM光增益。材料在非平面表面的再生长来用于实现SOA和无源光波导之间的平滑转变。在SOA-MZI设计方案中，一个需要考虑的重要事项是要对SOA-MZI芯片中的发射激光（lasing）进行有效抑制。为了支持2R再生器所需的功率预算，可能会将3个SOA级联在一起。任何来自刻面的反射都可能导致内部的lasing，这些lasing会抑制SOA-MZI内部的XPM效应。要解决这个问题就需要在InP刻面采用有角度波导，并镀上一层防放射膜，可以将总的发射率降低到-50dB以下。而XPM所支持的数据速率也受到SOA载波恢复时间的限制。图3显示了两种不同结构的SOA-MZI在对10Gbps速率信号处理完的输出眼图。在图3a中，缓慢的载波恢复的影响呈现在脉冲下降时间上。在图3b中，通过在干涉仪中使用更长的SOA则减轻了这种影响，加上的SOA在对有源区的折射率进行相同改变后会产生了更大的相位位移。而干涉臂上的SOA所产生的自饱和效应也会限制所有处理信号的速率。然而，如果SOA
-MZI两个输入臂上的固定时间延迟等于脉冲宽度的话，那可处理信号的速率将可以很高，我们已经看到人们对40Gbps数据进行再生处理的报道了[7]。
图3
采用不同长度干涉臂SOA的2R再生器10Gbps输出眼图。
未来的2R再生器的设计将包括对预放大器和输出端SOA的改进，这样就可以增加输入功率敏感度以及提供光网络传输所需要的功率预算。
5.结论
本文简要地分析了当前全光再生器的发展情况，重点介绍了基于SOA-MZI结构的交叉相位调制2R再生器，同时也简单列举了这种2R再生器的设计和应用情况。
6.
参考文献
[1] Bornholdt, C.; Slovak, J.; Mohrle, M.; Sartorius, B.; ¡° Jitter
analysis of all-optical clock recovery at 40 GHz,¡± Optical Fiber Communications
Conference, 2003. OFC 2003,23-28 March 2003, Pages:120 - 121 vol.1
[2] Yanhua
Hong; Spencer, P.S.; Shore, K.A., ¡°Wide-band polarization-free wavelength
conversion based on four-wave-mixing in semiconductor optical amplifiers,¡± IEEE
Journal of Quantum Electronics, 40 , Issue: 2 , Feb. 2004, Pages:152 ¨C
156
[3] Obermann, K., Kindt, S., Breuer, D., Petermann,K.,¡±Performance
Analysis of Wavelength Converters Based on Cross-Gain Modulation in
Semiconductor Optical Amplifiers, ¡± Journal of Lightwave Technology, 16, No.1,
Jan. 1998, pages 78-85
[4] Wolfson, D.; Kloch, A.; Fjelde, T.; Janz, C.;
Dagens, B.; Renaud, M.;¡±40-Gb/s all-optical wavelength conversion,
regeneration, and demultiplexing in an SOA-based all-active Mach-Zehnder
interferometer,¡±IEEE Photonics Technology Letters,12 , Issue: 3 , March 2000
Pages:332 - 334
[5] Meissner, M.; Sponsel, K.; Cvecek, K.; Benz, A.; Weisser,
S.; Schmauss, B.; Leuchs, G., ¡°3.9-dB OSNR Gain by an NOLM-Based 2-R
Regenerator,¡± IEEE Photonics Technology Letters, 16, Issue: 9 , Sept. 2004,
Pages:2105 ¨C 2107
[6] Leuthold, J.; Raybon, G.; Su, Y.; Essiambre, R.;
Cabot, S.; Jaques, J.; Kauer, M., ¡°40 Gbit/s transmission and cascaded
all-optical wavelength conversion over 1000000 km,¡± Electronics Letters, 38,
Issue: 16 , 1 Aug 2002, Pages:890 ¨C 892
[7] Leclerc, O.; Brindel, P.;
Rouvillain, D.; Dany, B.,¡±Regenerated 40 Gbit/s long-haul transmission using
all-optical SOA-MZI as loss-free synchronous modulator,¡± Optical Fiber
Communication Conference and Exhibit, 2001. OFC 2001 , Volume: 3 , 2001,
Pages:WF6-1 - WF6-3 vol.3
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