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Ganesh Lakshminarayana, Jiten Sarathy, Boris Stefanov, Ruomei Mu, Tammy Thai, David Lowe
Alphion公司
摘要：本文描述了一种基于反传播（counter-propagation）光子再生和再整形的蜂窝架构。我们在试验中发现这种架构能抑制那些不受欢迎的增益压缩和交叉增益调制影响，有效改善输入功率的灵敏度。
关键词：P2R 反传播 SOA 增益压缩 交叉增益调制
1.引言
光子再生和再整形（P2R）常常在那些不涉及数据接入的应用中作为一种低成本解决方案来替代光电光转发器（OEO）。那些利用交叉相位调制（XPM）效应的P2R被认为是有一定优势和好处的，因为这种方法不依赖于光子转换处理，因此具有非常低的偏振敏感度。基于XPM的P2R通常是一个利用InP技术制造的SOA-MZI光子集成电路（PIC）[1]，支持速率可以高达40Gbps[2]。
为了模仿一个转发器，P2R必须具有相同波长转换的功能，也就是说P2R的输出波长必须与输入信号的波长相同。这样的要求对于传统的P2R很容易达到，它们可以通过将SOA-MZI工作在反传播（counter-propagating）结构中来完成上述目标。然而，传统的P2R器件之所以无法取代商用OEO转发器的一个关键原因在于，传统的P2R器件需要很高的输入光功率（一般不少于-3dBm），因此无法像OEO转发器那样支持商用传输线路系统的功率预算，而OEO转发器可以放大和清除那些平均功率低于-23dBm的信号。P2R之所以对输入功率要求很高是因为干涉仪需要那样高的功率，解决的方法就是在SOA-MZI中集成一个预放大器。在相同波长转换的情况下，放在SOA-MZI中预放大器里的反传播连续波（CW）激光器会导致不受欢迎的增益压缩现象。过去人们的工作一般将注意力集中在同向传播（co-propagation）架构中的无波长转换的信号再生。这些解决方案都基于独立和连续波信号[3，4]。为了更好地与过去的工作做对比，我们采用了反传播方式，我们已经研制出一种新的架构，叫做蜂窝（Honeycomb），这种架构在那些与主要MZI结合的二级干涉仪上采用相消干涉（destructive interference），从而消除了预放大器中CW信号，因此预放大器能够成功地放大那些低功率信号，使之达到足够水平来翻转干涉仪中CW的相位。最终的器件可以在整个C波段工作，支持相同波长转换，以及不同输入功率信号的再生。我们已经装配、封装和测试了那些基于上述架构的新兴器件，结果是令人满意的。
2. 架构
图1显示了我们P2R架构的示意图。图中深色的长方形代表SOA。这些SOA以一种蜂窝的形式用1x2光分路器来完成之间的互连。数据可以从输入臂1，2，3中任何一个线路进入器件，接着再从邻近的臂中输出去。当CW信号从8号输入臂进入P2R。
在接下来的讨论当中，我们假设输入信号从3号臂中进入，获得再生的信号从2号臂输出，对于一个反传播的传统SOA-MZI而言，输入信号和CW在6号臂相互作用，在改变6号臂CW相位的同时也改变了5号臂上的CW相位，而合成后的输出则在2号臂处得到放大。存在于3号臂上的CW会导致输入信号出现增益压缩。另外，在3号臂上CW与输入信号之间的交叉增益调制（XGM）会导致在P2R的动态响应中掺入一些反常的非自然信号。而在蜂窝架构中，7号臂上的SOA是可以调谐的，因而6号臂和7号臂可以连接成一个干涉仪，对CW波长进行相消干涉。这将抑制CW进入3号臂，因此能有效减轻增益压缩和XGM效应。
这种蜂窝SOA-MZI由InP材料系统装配而成的。内部互连的波导是一种InGaAsP担当核心的单模波导。SOA的活性材料是由一种应变大块四元合金组成，发射光谱涵盖了整个C波段。这种SOA通过多模干涉仪（MMI）分路器来实现彼此的连接。而InP芯片则体现了高水准的集成性能，支持功能冗余。例如，如果3号臂和7号臂上的SOA出现故障的话，那芯片仍旧可以通过4号臂和1号臂上面的SOA来继续支持XPM效应，从这方面讲，这样的器件功能可用在真正的集成电路上。
3.结果
我们对器件进行了测试，输入信号的波长为1565 nm，功率-10dBm，经过2-31-1伪随机二进制序列(PRBS)的调制（at 5GHz）。6号臂和7号臂（参看图1）组成二级干涉仪，来抑制3号臂的CW波长，从而消除了增益压缩现象。通过使用一个循环器，我们在SOA 7电流发生改变的时候测量了3号端口上的CW功率，同时监测其输出眼图。图3表明了在3号端口处CW的输出功率与SOA 7电流之间的关系图。很明显，当干涉仪发生相消干涉时（平衡点）增益压缩是最少的。这时候电流为497mA，对应的是最好的输出眼图，如图2。当电流漂离平衡点的时候，3号臂的增益压缩将减少干涉臂上的信号功率，降低眼图质量。对平衡点的稍微一点点的偏离都将对眼图质量造成重大影响，参看图2。
图4显示了对P2R比特误码率（BWR）的测量示意图和相关曲线。BER曲线反映了再生后的信号与输入信号（光路2）之间的对比图。这两种情况下的比特误码率通过一个标准接收器来将所测数据图表化。正如图4所显示的那样，穿过P2R的光路可以忍受比信号光路更高的衰减（一般10dB），并依旧能保证实现无误码的传输。为了研究二级干涉仪所带来的影响，我们在没有调节SOA 7电流的情况下（图1）测量了比特误码率。很明显，当二级干涉仪处于不可调节状态下的时候，由P2R所产生的功率收益会下降。
4.结论
我们探讨了一种创新的P2R架构，能够增加基于反传播的SOA-MZI装置的灵敏度。我们在这种架构中采用了一个干涉仪来抑制输入预放大器上的CW源，这有助于消除增益压缩和XGM效应，从而增大总增益并改善器件的动态特性。试验的结果表明这种P2R有能力对虚弱的输入信号（< -10dBm）进行有效的放大和整理。
参考文献
[1] T. Durhuus, B. Mikkelsen, C. Joergensen, S. L. Danielsen, K. E. Stubkjaer, ¡°All optical wavelength conversion by semiconductor optical amplifiers¡±, Journal of Lightwave Technology, Vol. 14, No 6, pp. 942-954, June 1996.
[2] P. Guerber, B. Lavigne, O. Leclerc, ¡°Ultimate performance of SOA-based interferometer as decision element in 40 Gbit/s all-optical regenerator¡±, OFC 2002 , pp. 17-22
[3] J. Leuthold, J. Eckner, P. A. Besse, G. Guekos, and H. Melchior, ¡°Dual-order mode (DOMO) all optical space switch for bi-directional operation¡±, in Proc. Conf. Optical Fiber Commun.OFC¡¯96, San Jose, CA, Feb. 1996, pp. 271-272
[4] J. Leuthold, P. A. Besse, E. Gamper, M. Dulk, W. Vogt, and H. Melchior, ¡°Cascadable MZI-all-optical switch with separate ports for data and control signals¡±, presented at ECOC¡¯98, paper WdB06, Sept. 1998.
