電吸收調制器及其在現代光子技術(shù)中的應用

　　1 引言

　　隨著(zhù)光纖通信技術(shù)和現代光子技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)社會(huì )對信息交流的需求呈現級數式的增長(cháng)，對當前的通信網(wǎng)提出了更高的要求。一方面要求通信鏈路具有前所未有的傳輸容量和將來(lái)進(jìn)一步升級和擴容的能力,另外又要求網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)能夠靈活地對高速數據進(jìn)行處理。傳統電的復用與交換技術(shù)由于受到電子器件速率的限制已不能滿(mǎn)足這一需求,在光領(lǐng)域內對信號進(jìn)行光的復用和光子交換可避開(kāi)電子瓶頸,這就使網(wǎng)絡(luò )全光化成為下一代通信網(wǎng)的主要發(fā)展方向,與網(wǎng)絡(luò )全光化有關(guān)的各種光子器件和技術(shù)成為當前信息技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于半導體電吸收調制器(EAM)具有體積小、利于集成、良好的光開(kāi)關(guān)特性、低噪聲及高非線(xiàn)性吸收率等多種獨特優(yōu)點(diǎn)，以EAM為基礎、符合網(wǎng)絡(luò )全光化發(fā)展方向的各種高性能光子器件受到國際光纖通信領(lǐng)域的高度重視，相關(guān)研究十分活躍，近年來(lái)已取得了很大的進(jìn)展。

　　2 電吸收調制器在光子技術(shù)中的應用

　　2.1 基于EAM超短脈沖產(chǎn)生技術(shù)

　　2.1.1 DFB-EAM集成產(chǎn)生短脈沖的結構及原理

　　基于電吸收調制器的EAL(electro-absorptionmodulator DFB laser)短脈沖光源的基本結構如圖1所示。給EAM加上適當的反向直流(DC)偏置和射頻(RF)正弦驅動(dòng)電壓，分布反饋(DFB)半導體激光器輸出的連續光(CW)經(jīng)EAM受外加正弦信號的調制,由于EAM的非線(xiàn)性吸收特性,即隨著(zhù)反向偏壓的增加,電吸收調制器對光強的吸收以接近于指數的形式增加,使得偏壓增大時(shí),只有很小的光功率透過(guò)。在DC與RF下即可產(chǎn)生超短脈沖,脈沖重復率等同于正弦調制速率,寬度由EA調制器的吸收特性和外加的反向DC偏置和RF信號的幅度決定,且調制電壓通常情況下要低于鋸酸理調制器的驅動(dòng)電壓。

　　2.1.2 EAL的特點(diǎn)

　　光時(shí)分復用(OTDM)系統及光孤子通信系統中，由于傳輸長(cháng)度或帶寬受光源波長(cháng)啁啾和光纖色散的限制，要求穩定性高、抖動(dòng)小、噪聲低、啁啾小的高重復頻率短脈沖光源。EAM通過(guò)采用多量子阱(MQW)結構和應變補償技術(shù)，可獲得高速、高調制深度、低啁啾和低驅動(dòng)電壓的EAM,而且它易于與DFB半導體激光器集成，從而降低耦合損耗，形成緊湊、穩定的集成光源模塊，成為高速率、長(cháng)距離光纖傳輸系統中最有前途的光源之一。

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　　2.1.3 基于EAM超短脈沖產(chǎn)生技術(shù)的進(jìn)展

　　EAM具有較高的非線(xiàn)性吸收特性,其輸出脈沖啁啾相對較小，脈沖寬度在一定范圍內可調諧。目前，基于EAM的超短脈沖源早已成功地應用于超高速的OTDM通信系統中,通過(guò)采用行波電極和減小電吸收器的結電容和寄生電容等措施,能夠有效提高電吸收器的頻響.可以產(chǎn)生10～50GHz速率的超短脈沖[1]。而且，DFB激光器與EAM集成方式產(chǎn)生的光脈沖時(shí)域波型接近孤子脈沖波型[2]。這一特點(diǎn)使得它特別適于OTDM光孤子傳輸系統[3]。

　　此外，用正弦信號驅動(dòng)MOW EAM直接產(chǎn)生了短至3.6ps的光脈沖[4];基于EAM產(chǎn)生的光脈沖通過(guò)色散補償光纖(DCF)或啁啾光纖光柵可進(jìn)一步優(yōu)化脈沖質(zhì)量,并減小脈沖寬度以利于在OTDM系統中應用。將EAM輸出脈沖用各種壓縮技術(shù)進(jìn)行壓縮,更是得到了短130fs的超短脈沖[5]?；贓AM+脈沖壓縮的超短光脈沖源的相關(guān)報道也非常多。文獻[6]報道了使用EAM和光纖產(chǎn)生超短脈沖的簡(jiǎn)易且穩定的方法，該文獻主要運用光纖及器件的自相位調制(SPM)對EAM產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行壓縮，通過(guò)使用由一個(gè)EDFA、一個(gè)WDM濾波器和一個(gè)光纖鏈路所組成的系統,獲得了分別對應于1552nm、1549nm波長(cháng)具有較高功率的1.6ps及2.3ps的脈沖,并且可以通過(guò)增加光纖鏈路將脈沖進(jìn)一步壓縮,獲得更短的脈沖源。

　　2.2 EAM在解復用技術(shù)中的應用

　　在超高速光時(shí)分復用(OTDM)系統中,解復用器是實(shí)現OTDM傳輸系統和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中最關(guān)鍵的器件。其功能是從時(shí)分復用后的高速碼流信號中將較低速率的支路信號提取出來(lái),同時(shí)盡可能減小鄰近時(shí)隙內信號脈沖的影響。其解復用性能的好壞直接影響了接收信號的誤碼率。與非線(xiàn)性光纖環(huán)鏡等基于交叉相位調制效應的全光解復用器相比,EAM型解復用器結構緊湊，性能穩定，在電時(shí)鐘控制下即可完成解復用功能，因此是一種更接近實(shí)用化的高速開(kāi)關(guān)器件,在高速的OTDM系統中得到了廣泛的應用[7]。

　　2.2.1 基于EAM解復用器的基本結構及工作原理

　　基于EAM的解復用器的工作原理類(lèi)似于短脈沖源的產(chǎn)生原理,不同的是輸入的光非連續光,而是OTDM短脈沖序列,并且對輸出信號的要求不同。

　　如圖2所示,EA M用作解復用器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可用電信號靈活控制的光開(kāi)關(guān)。當已復用的高速OTDM數據流輸入至EAM時(shí),EAM在DC偏置和與輸入信號同步的RF正弦信號作用下以RF信號的頻率作為重復率打開(kāi)一定寬度的時(shí)間窗口,從而解復用某一路具有基本速率的信號。RF信號的工作頻率應等于OTDM系統的基本速率。

　　實(shí)際應用中，EAM解復用窗口特性主要由外加反向偏壓和正弦調制電壓的幅度決定，其二者幅度的相互大小直接決定窗口寬度。消光比，窗口透過(guò)率等。這些參數直接影響解復用器本身性能。同時(shí)，OTDM信號經(jīng)過(guò)長(cháng)距離傳輸后，不可避免地帶有一定的抖動(dòng)成分。因此脈沖的時(shí)間抖動(dòng)會(huì )在解復用過(guò)程中轉化為輸出信號的強度變化，從而最終影響到信號接收時(shí)的誤碼率。因此必須同時(shí)考慮解復用器本身窗口特性及時(shí)鐘抖動(dòng)二者的影響，對EAM的解復用窗口特性進(jìn)行綜合設計以達到最佳解復用窗口，使接收信號的誤碼率最小。

　　2.2.2 基于EAM解復用器的研究進(jìn)展

　　在高速光時(shí)分復用(OTDM)系統中，解復用器是實(shí)現OTDM傳輸系統和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中最關(guān)鍵的器件。EAM憑借自身的優(yōu)點(diǎn),在高速的OTDM系統中得到了廣泛的應用[7]。通過(guò)級聯(lián)EAM的方式可進(jìn)一步減小開(kāi)關(guān)窗口,以便在更高速的OTDM系統中實(shí)現解復用。在一定的驅動(dòng)條件下,EAM也可以產(chǎn)生較寬的開(kāi)關(guān)窗口,從而在OTDM網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)處實(shí)現Drop功能，與解復用器共同實(shí)現分插復用器(ADM-Add/drop multiplex er)的功能[8],該技術(shù)主要使用恢復的電時(shí)鐘信號作為EAM的驅動(dòng)源來(lái)控制開(kāi)關(guān)窗口實(shí)現定時(shí)提取;文獻[9]中運用基于鎖相環(huán)的EAM技術(shù),即使用高速率的檢測器、微波混頻器及電壓受控振蕩器來(lái)恢復電時(shí)鐘，同樣對EAM進(jìn)行電驅動(dòng)實(shí)現解復用;文獻[10]中證實(shí)了EAM中的交叉吸收調制技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現時(shí)鐘恢復與解復用,在3.2dB的功率損耗下，對10Gb/s的數據實(shí)現了無(wú)誤碼率的光解碼：2003年的OFC會(huì )議上，報道了基于行波型EAM由160Gh/s的OTDM系統中將10Gb/s的信號解復用[11],和基于光電二極管與EAM集成的無(wú)誤碼的320Gb/s到10Gb/s的解復用的實(shí)驗研究[12]。目前集成EAM解復用器和Pin是一個(gè)發(fā)展趨勢[7].為OTDM系統的實(shí)用化鋪平道路。

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　　2.3 EAM在時(shí)鐘提取技術(shù)中的應用

　　在高速或超高速的光時(shí)分復用系統中，無(wú)論是點(diǎn)對點(diǎn)還是網(wǎng)絡(luò )通信,支路時(shí)鐘信號提取技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。目前廣泛采用的技術(shù)是光電鎖相環(huán)提取時(shí)鐘的技術(shù)，其原理是利用光鑒相器來(lái)檢測本地光時(shí)鐘與入射信號光的相位差。利用電鎖相環(huán)控制產(chǎn)生本地時(shí)鐘的壓控振蕩器。其中，鑒相器可以用半導體光放大器中的交叉增益調制技術(shù)使本地光時(shí)鐘與信號光脈沖發(fā)生增益調制效應或四波混頻效應實(shí)現，也可用非線(xiàn)性光纖環(huán)鏡實(shí)現。

　　電吸收調制器具有穩定性好、體積小、能夠產(chǎn)生足夠小的開(kāi)關(guān)窗口、偏振不敏感(小于ldB)特性，有利于在實(shí)際中應用和進(jìn)行超高速的OTDM信號的時(shí)鐘提取，因此可以利用EAM作為光開(kāi)關(guān)構成一個(gè)鎖相環(huán)實(shí)現提取時(shí)鐘，EAM在提取時(shí)鐘的環(huán)路中也可以說(shuō)是起到光電鑒相器的作用。這種時(shí)鐘提取原理基本相同。但方法各異。1998年I.D.Phillips等人采用單個(gè)EAM工作于雙向狀態(tài)下同時(shí)實(shí)現了解復用和時(shí)鐘提取[13]：同年，F.Cistemino等人提出的基于Miller分頻器原理的注入光電混合振蕩器的時(shí)鐘提取技術(shù)[14],具有實(shí)現簡(jiǎn)單,操作的優(yōu)點(diǎn),且其所用器件速率不用超過(guò)支路信號速率,適合超高速的光時(shí)分復用系統中支路時(shí)鐘提取[15]：貝爾實(shí)驗室用此種方法實(shí)現了從320Gb/sOTDM系統中提取10GHz時(shí)鐘信號，其中采取級聯(lián)EAM方式減小開(kāi)關(guān)窗口以實(shí)現高速信號中提取支路時(shí)鐘信號：2000年,Dennis TK.Tong等人則采用平衡型光電二極管實(shí)現鎖相環(huán)路[16]以避免極性模糊的影響,可以實(shí)現從80Gb/s的OTDM系統中提取10GHz的時(shí)鐘：繼而，又通過(guò)級聯(lián)EAM產(chǎn)生更窄的開(kāi)關(guān)窗口.實(shí)現了從160Gb/s的信號種提取10GHz的時(shí)鐘信號[17]：2003年.Ehab S.Awad等人利用EAM中的交叉吸收調制技術(shù)及平衡檢測器同時(shí)實(shí)現時(shí)鐘恢復和解復用[18]。

　　2.4 EAM在波長(cháng)變換技術(shù)中的應用

　　WDM系統中由于單信道的速率越來(lái)越高,信道數目越來(lái)越多,就要解決網(wǎng)絡(luò )中路由調度和OXC中的波長(cháng)競爭問(wèn)題,進(jìn)而有效地進(jìn)行路由的選擇，降低網(wǎng)絡(luò )阻塞率,從而提高WDM網(wǎng)絡(luò )的靈活性和可擴性。波長(cháng)變換技術(shù),可以實(shí)現波長(cháng)的再利用，即可以解決這一難題。目前,利用半導體光放大器中的交叉增益調制(XGM)、交叉相位調制(XPM)、四波混頻效應(FWM)和光纖中自相位調制效應、交叉調制效應、四波混頻效應都可實(shí)現波長(cháng)變換。近年來(lái)，基于電吸收調制器(EAM)中交叉吸收調制效應的波長(cháng)變換技術(shù)被廣泛研究[19]。

　　2.4.1 基于EAM波長(cháng)變換技術(shù)的原理

　　基于EAM波長(cháng)變換技術(shù)的原理是利用EAM的交叉吸收調制(XAM)效應，如圖3所示，當信號光(s為波長(cháng))和泵浦光(連續光信號CW)分別從EAM兩側注入時(shí)：(1)若信號光功率較低，EAM的吸收還未飽和,信號光和泵浦光均被EAM較好地吸收，此時(shí)輸出光功率較低：(2)若信號光功率較高，使EAM的吸收達到飽和,則EAM對泵浦光的吸收較小，此時(shí)輸出光功率較強;(3)若信號光無(wú)脈沖，EAM就轉向對泵浦光有大量吸收。泵浦光在此過(guò)程中完成了對原始信號光的復制,這個(gè)特性即為交叉吸收調制。

　　EAM對不同波長(cháng)的光有不同的吸收效率,這主要是由量子限制斯塔克效應引起。在這里它對信號光有較高的吸收效率,且保持了與之相同的邏輯極性，實(shí)現波長(cháng)轉換。在變換過(guò)程中，輸入信號光的相位信息并沒(méi)有傳遞給泵浦光,使得光脈沖經(jīng)過(guò)長(cháng)距離傳輸時(shí),由于色散與非線(xiàn)性效應而產(chǎn)生相位失真，經(jīng)EAM的波長(cháng)轉換后,相位失真將被消除,同時(shí)EAM對累積的自發(fā)輻射噪聲也有吸收作用,從而變換后的光脈沖更有利于傳輸。

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　　2.4.2 基于EAM波長(cháng)變換技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展狀況

　　基于EAM波長(cháng)變換技術(shù)該技術(shù)具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：(1)由于基于EAM的波長(cháng)變換只需對EAM進(jìn)行偏置電壓控制，操作簡(jiǎn)單;(2)EAM具有偏振不靈敏性,使得基于EAM的波長(cháng)變換也為偏振不靈敏的,就可消除光脈沖長(cháng)距離傳輸中由非線(xiàn)性色散效應產(chǎn)生的形變,而且緩解了頻率啁啾。所以，這種波長(cháng)變換技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。

　　EAM為反偏器件，若增大反偏電壓，吸收恢復時(shí)間會(huì )減小至10ps左右，可實(shí)現高速率的波長(cháng)變換[19]，2003年，K.N-ishimura等人在延時(shí)干涉(Di)結構中使用多量子阱EAM實(shí)現80Gb/s的波長(cháng)變換[20]，文獻[21]介紹了在EAM-DI結構中利用EAM的交叉吸收調制(XAM)及交叉相位調制(XPM)的非線(xiàn)吸收性效應，實(shí)現40Gb/s及80Gb/s的波長(cháng)變換,并于2005年,利用此技術(shù)驗證了當光脈沖能量為1.5pJ時(shí)能夠實(shí)現100Gb/s波長(cháng)變換[22]。另外，新提出一種寬帶寬、高速率、光電流驅動(dòng)(PD)的波長(cháng)轉換技術(shù),并嘗試與M-Z干涉儀及EAM集成達到更高的轉換速率,2003年S.Kodama等人就驗證使用PD-EAM設備支持的數據速率達320Gb/s：2005年實(shí)現了100Gb/s輸入信號25nm、輸出信號20nm變換范圍無(wú)誤碼的波長(cháng)變換[23].為獲得更大的帶寬,Matthew N.等人將可調的SGDBR激光器與Franz-Keldvsh (FK)EAM集成,驗證了基于光帶寬達10GHz以上的波長(cháng)轉換[24]。有研究機構利用EAM的非線(xiàn)性吸收特性產(chǎn)生諧波進(jìn)行頻率上、下轉換等來(lái)進(jìn)行各方面的應用,也可利用其開(kāi)關(guān)窗口特性也可以實(shí)現高分辨率的模數轉換網(wǎng)。目前,基于EAM的波長(cháng)變換技術(shù)在上、下行鏈路的轉換中已得到廣泛的應用[25]。

　　2.5 EAM在3R再生技術(shù)中的應用

　　2.5.1 全光3R再生技術(shù)

　　對于高速的OTDM光網(wǎng)絡(luò )(或者WDM光網(wǎng)絡(luò )),由于非理想的傳輸鏈路和中間節點(diǎn)處理,信號從源節點(diǎn)達到目的節點(diǎn)后,將產(chǎn)生嚴重的波形畸變,同時(shí)接收信號具有較大的幅度抖動(dòng)和定時(shí)抖動(dòng),這些不利因素必將造成網(wǎng)絡(luò )傳送能力的降低。因此,在網(wǎng)絡(luò )中對信號進(jìn)行3R再生(Reamplification、Reshaoing、Retiming)是非常必要的。全光3R再生器件主要由時(shí)鐘恢復單元、高速超短脈沖產(chǎn)生單元和高速光開(kāi)關(guān)組成。在完成3R再生功能時(shí),首先由時(shí)鐘恢復單元從信號中提取比特時(shí)鐘,用恢復的時(shí)鐘來(lái)驅動(dòng)本地的高速超短脈沖產(chǎn)生單元,產(chǎn)生高質(zhì)量的脈沖源。令本地產(chǎn)生的脈沖作為入射信號，接受的數據信號作為控制信號在高速光開(kāi)關(guān)內對本地脈沖進(jìn)行開(kāi)關(guān)處理,從而將接收到的信息復制到本地脈沖序列中,因此輸出脈沖序列即為3R再生信號。

　　2.5.2 FAM在3R再生技術(shù)中的應用及發(fā)展

　　由于EAM可以實(shí)現波長(cháng)變換,人們對基于EAM的飽和交叉吸收調制效應的3R再生進(jìn)行了大量的研究。通常，時(shí)鐘提取通過(guò)鎖相環(huán)路完成,時(shí)鐘信號驅動(dòng)另一個(gè)調制器產(chǎn)生光時(shí)鐘,然后與信號光一同反向或同向入射到一定偏置電壓下的EAM后,經(jīng)光濾波器過(guò)濾即實(shí)現了再生。這種再生方案由于EAM工作在一定的偏置電壓下，無(wú)射頻驅動(dòng),易操作。人們自然想到如果用提取的時(shí)鐘信號驅動(dòng)EAM來(lái)實(shí)現再生則會(huì )進(jìn)一步增加再生后光信號的消光比[26]，文獻[27]講述了基于行波EAM光時(shí)鐘恢復的40Gb/s的全光3R再生技術(shù)，該系統中恢復的時(shí)鐘信號不需進(jìn)行額外的定時(shí)調整及脈沖再生,即可直接注入到波長(cháng)變換模塊,而通過(guò)減小行波EAM的損耗可進(jìn)一步提高3R系統的性能。近期，基于單個(gè)EAM的時(shí)鐘提取、整形、波長(cháng)變換的3R再生已經(jīng)實(shí)現[28],有望實(shí)現小型化,模塊化的再生結構。

　　3 結束語(yǔ)

　　除上述功能外，EAM還可實(shí)現脈沖編碼、限幅降噪等諸多功能，且具有長(cháng)期穩定性，因此受到許多研究機構(如英國電信、貝爾實(shí)驗室等)及的關(guān)注，在OT DM系統和網(wǎng)絡(luò )中也得到了全面的應用,在現代光子技術(shù)領(lǐng)域將具有廣闊的市場(chǎng)前景。