基于SOA交叉增益压缩效应的全光2R再生研究

余文科，卿苏德，陈　新，娄采云，霍　力

(1.中国电子学会，北京　100036； 2.中国信息通信研究院，北京　100191；

3.清华信息科学与技术国家实验室(筹)，集成光电子国家重点实验室,清华大学电子工程系，北京　100084)

余文科(1985—)，男，博士，高级工程师，湖南长沙人，主要研究方向为光通信技术及电子信息技术产业；

E-mail：yuwenkejk@126.com

卿苏德(1985—)，男，博士，湖南永州人，主要研究方向为通信系统、软件定义网络和大数据技术产业；

陈　新(1989—)，男，博士生，江苏南京人，主要研究方向为基于SOA的高速光信号处理研究；

娄采云(1946—)，女，教授，天津人，主要研究方向为高速光通信系统及其关键技术研究；

霍　力(1976—)，男，副教授，山西忻州人，主要研究方向为光通信及光信号处理研究。



工程与应用

基于SOA交叉增益压缩效应的全光2R再生研究

余文科1，卿苏德2，陈新3，娄采云3，霍力3

(1.中国电子学会，北京100036； 2.中国信息通信研究院，北京100191；

3.清华信息科学与技术国家实验室(筹)，集成光电子国家重点实验室,清华大学电子工程系，北京100084)

摘要：全光2R再生技术是光通信中的关键光信号处理技术，本文提出了基于半导体光放大器(SOA)的瞬时交叉相位调制效应(T-XPM)结合交叉增益压缩效应(XGC)实现光归零码(RZ-OOK)信号的全光2R再生方案，进行了25-Gb/s、50-Gb/s及100-Gb/s RZ信号的的全光2R再生实验。实验结果表明，提出的2R再生方案能够有效改善受自发辐射噪声(ASE)恶化的RZ-OOK信号的信号质量，恶化信号的误码率平台被消除，该全光2R再生器还具有可集成、波长保持及适用于NRZ-OOK信号的全光2R再生等特点。

关键词：光通信；半导体光放大器；交叉增益压缩；2R再生；

0引言

由于光信号在光纤链路传输中会受到累积ASE噪声、残余色散和串话等影响，通常在长距离传输后信号的消光比会下降，幅度抖动增加，导致信号质量恶化，因此对光信号传输后的光2R再生(再整形，再放大)技术则显得非常重要[1]。相比光电光等2R再生技术，全光2R再生技术是利用全光的方式实现光信号的2R再生，在未来高速率全光通信网中将发挥更重要作用[2]。目前实现全光2R再生技术主要有基于高非线性光纤或高非线性光子晶体光纤[3-6]，周期极化铌酸锂[7-8]，以及半导体光放大器(SOA)[9-11]等的方案。相比高非线性光纤及周期极化铌酸锂等，SOA具有易于集成、高稳定性及较大非线性等特点12]，在全光2R再生技术中具有较好的应用前景，研究基于SOA的全光2R再生具有重要意义。

本文提出了一种基于SOA的瞬时交叉相位调制效应(T-XPM)结合交叉增益压缩效应(XGC)实现全光RZ信号的2R再生方案，并对25-Gb/s、50-Gb/s及100 Gb/s恶化RZ信号进行了2R再生实验研究。

1工作装置及原理

基于SOA的T-XPM结合XGC效应的全光2R再生器的结构示意图如图1所示，该2R再生器主要由两级SOA组成，主要利用第一级SOA的T-XPM效应产生质量较高的互为反逻辑的信号(参见图2，图3)，而互为反逻辑的信号经过第二级SOA的XGC效应实现光信号整形再生。

图1　基于SOA的T-XPM结合XGC的全光2R再生结构示意图

图2　基于SOA的T-XPM产生高质量λ2光反逻辑信号的示意图

具体工作原理如下：将位于不同波长的原始输入恶化信号(λ1)和直流光(λ2)共同注入第一级SOA，λ1光会对λ2的增益和相位进行同步调制，一方面由于交叉增益调制效应(XGM)会使λ2光加载上与λ1互为反逻辑的信息，但由于XGM的增益恢复特性会使得λ2信号具有较明显的码型效应或者拖尾(见图3)，另一方面由于瞬时交叉相位调制效应会使得的λ2的光谱展宽，且使其前沿主要对应为红移啁啾而后沿对应为蓝移啁啾，在第一级SOA输出的λ2信号波长附近引入一个光带通滤波器，同时利用偏移滤波滤除由T-XPM产生的部分蓝移啁啾，可有效加快增益恢复，进而获得质量较好的与λ1信号互为反逻辑的λ2光信号[13]；

图3　基于SOA-XGC的2R再生的原理示意图

经过第一级SOA输出的互为正反逻辑的λ1及λ2光信号同步注入到第二级SOA中，此时通过控制输入光信号的功率，使得第二级SOA处于深度饱和状态，对于波长为λ1的信号而言，其比特‘1’会因受到增益饱和的作用而获得幅度均衡的作用；比特‘0’因为同步对应的是波长位于λ2处的反逻辑信号的‘1’码，只能获得抑制的或者压缩的增益，使得λ1信号的‘0’码和噪声得到了相对的抑制，从而使得波长为λ1的信号获得2R再生[14]。

由于基于T-XPM结合XGC的2R再生过程中没有引入干涉结构，且通过增益饱和特性对输入信号进行限幅放大，若SOA是偏振无关的，则本2R再生装置对输入信号的偏振态也将不敏感, 因此可以保证较好的系统稳定性。由于不需要使用额外的辅助滤波，该再生装置也可以实现波长保持的全光2R再生；对于NRZ信号而言，由于利用T-XPM结合便宜滤波也可以获得较高质量的NRZ反逻辑信号，因此该再生装置还可以实现NRZ信号的全光2R再生。

2全光2R再生实验

图4　RZ信号的全光2R再生实验装置图

基于提出的2R再生方案，分别对25-Gb/s，50-Gb/s及100-Gb/s的恶化RZ信号进行了2R再生实验研究，实验装置图如图3所示。本实验中信号的恶化通过利用放大器的ASE噪声加载实现, 25-Gb/s的RZ原始信号为中心波长为1543.4 nm，由脉宽为3.7ps的25 GHz光脉冲加载码长为223-1的伪随机码所得，50 Gb/s和100 Gb/s的原始RZ信号通过25Gb/s数据信号的分别光时分复用得到。直流探测光中心波长为1559.4 nm, 两个3 dB带宽均约为1 nm的光带通滤波器(OBPF)对SOA1输出的互补逻辑信号分别进行滤波，在反逻辑信号的光传输路径引入了一个可调光延时线(ODL)以控制正反逻辑信号的相对延时，分别用两路光衰减器(Attenuator(图中为Att.))控制正反逻辑信号进入SOA2的相对功率，在SOA2的输出端，采用了一个3 nm带宽的OBPF滤出2R再生后的正逻辑信号。在接收端，我们使用了500 G光采样示波器观测信号波形，利用误码分析仪测试误码性能。图5为25-Gb/s 的恶化RZ信号的再生实验研究结果。图5(a)为输入恶化信号的眼图，其带有明显的幅度抖动且眼图张开度较小。通过2R再生器后，信号的眼图(图5(b))张开度明显增大且幅度抖动明显降低，噪声也得到了一定的抑制。图5(c)为测得的再生前后信号的误码曲线结果，输入恶化信号在误码约为10-7处存在一定的误码平台，通过全光2R再生后，恶化信号的误码平台得到了有效的消除即达到了无误码(10-9)。

图5　25-Gb/s信号的全光2R再生实验结果

在25-Gb/s的光2R再生基础上，我们进行了50-Gb/s信号的2R再生实验研究。图5为50-Gb/s的恶化RZ数据信号，可以看出，恶化信号含有较大的幅度抖动并且前沿较后沿略微陡峭，且在误码为10-8处存在一定的误码平台；通过全光2R再生器后，再生信号可以实现无误码，且眼图张开度较恶化信号明显增大。

图6　50-Gb/s信号的全光2R再生实验结果

最后，利用提出的再生方案进行了100-Gb/s RZ信号的全光高速2R再生的实验研究，此时输入25-Gb/s的RZ数据信号占空比约为5%。

图7为100-Gb/s信号的全光2R再生实验结果。从信号眼图可以看出，100-Gb/s的恶化信号通过2R再生器后，幅度抖动和噪声得到了有效的抑制，眼图张开度明显增大，尽管信号脉宽在SOA放大过程中有所展宽，但是再生信号仍然无通道间干涉叠加，实验结果也初步表明此方案可适合100-Gb/s的高速RZ信号的全光2R再生。

图7　100-Gb/s RZ信号的全光2R再生实验结果

3结语

利用基于SOA的T-XPM结合XGC效应的全光2R再生器，展示了25-Gb/s，50-Gb/s及100-Gb/s ASE噪声恶化RZ信号的全光2R再生，通过再生，恶化信号的误码率平台被有效消除，幅度抖动降低，信号的眼图质量明显提高。此外，该全光2R再生器还具有可集成、波长保持及适于NRZ-OOK信号的2R再生操作等特点，在未来全光网中将可能具有较好应用前景。

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余文科(1985—)，男，博士，高级工程师，湖南长沙人，主要研究方向为光通信技术及电子信息技术产业；

E-mail：yuwenkejk@126.com

卿苏德(1985—)，男，博士，湖南永州人，主要研究方向为通信系统、软件定义网络和大数据技术产业；

陈新(1989—)，男，博士生，江苏南京人，主要研究方向为基于SOA的高速光信号处理研究；

娄采云(1946—)，女，教授，天津人，主要研究方向为高速光通信系统及其关键技术研究；

霍力(1976—)，男，副教授，山西忻州人，主要研究方向为光通信及光信号处理研究。

Investigation of All-Optical 2R Regeneration Based on Cross Gain Compression of Semiconductor Optical Amplifier

YU Wen-ke1, QING Su-de2, CHEN Xin3, LOU Cai-yun3, HUO Li3

(1. Chinese Institute of Electronics, Beijing 100036, China; 2.China Academy of Telecommunication Research, Beijing, 100191;3. Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology(Prepared)，State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics,Department of Electronic Engineering, Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract:All-Optical 2R (Reshaping and Re-amplifying) Regeneration is a key optical signal processing technology in optical communication. All-optical 2R regeneration scheme utilizing the nonlinearity of cross gain compression (XGC) in conjunction with transient-cross phase modulation (T-XPM) in semiconductor optical amplifier (SOA) is proposed. All-optical 2R regeneration for 25-Gb/s to 100-Gb/s degraded return-to-zero (RZ) OOK signals are demonstrated experimentally. It shows that the quality of the signals degraded by noise of amplified spontaneous emission (ASE) is improved and the error floor of the degraded signal is eliminated by using the proposed 2R regeneration scheme. Besides, this 2R regeneration features photon-integratable, wavelength-preserving and being suitable for non-return-zero (NRZ) all-optical signal regeneration

Key words:optical communication; SOA; cross gain compression; 2R regeneration

作者简介

中图分类号：TN929.11

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)01-025-04

基金项目：国家973计划(2011CB301703)；国家自然科学基金项目(6127532,61077055)；北京优秀博士论文资助项目(YB20091000301)

收稿日期：2016-01-03

修订日期：2016-01-30

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.005