電吸收調(diào)制器及其在現(xiàn)代光子技術(shù)中的應(yīng)用

　　1 引言

　　隨著光纖通信技術(shù)和現(xiàn)代光子技術(shù)的發(fā)展，人類社會對信息交流的需求呈現(xiàn)級數(shù)式的增長，對當(dāng)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進(jìn)一步升級和擴(kuò)容的能力,另外又要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠靈活地對高速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。傳統(tǒng)電的復(fù)用與交換技術(shù)由于受到電子器件速率的限制已不能滿足這一需求,在光領(lǐng)域內(nèi)對信號進(jìn)行光的復(fù)用和光子交換可避開電子瓶頸,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(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器(EAM)具有體積小、利于集成、良好的光開關(guān)特性、低噪聲及高非線性吸收率等多種獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，以EAM為基礎(chǔ)、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，近年來已取得了很大的進(jìn)展。

　　2 電吸收調(diào)制器在光子技術(shù)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)及原理

　　基于電吸收調(diào)制器的EAL(electro-absorptionmodulator DFB laser)短脈沖光源的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。給EAM加上適當(dāng)?shù)姆聪蛑绷?DC)偏置和射頻(RF)正弦驅(qū)動電壓，分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器輸出的連續(xù)光(CW)經(jīng)EAM受外加正弦信號的調(diào)制,由于EAM的非線性吸收特性,即隨著反向偏壓的增加,電吸收調(diào)制器對光強(qiáng)的吸收以接近于指數(shù)的形式增加,使得偏壓增大時,只有很小的光功率透過。在DC與RF下即可產(chǎn)生超短脈沖,脈沖重復(fù)率等同于正弦調(diào)制速率,寬度由EA調(diào)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(diào)制電壓通常情況下要低于鋸酸理調(diào)制器的驅(qū)動電壓。

　　2.1.2 EAL的特點(diǎn)

　　光時分復(fù)用(OTDM)系統(tǒng)及光孤子通信系統(tǒng)中，由于傳輸長度或帶寬受光源波長啁啾和光纖色散的限制，要求穩(wěn)定性高、抖動小、噪聲低、啁啾小的高重復(fù)頻率短脈沖光源。EAM通過采用多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)和應(yīng)變補(bǔ)償技術(shù)，可獲得高速、高調(diào)制深度、低啁啾和低驅(qū)動電壓的EAM,而且它易于與DFB半導(dǎo)體激光器集成，從而降低耦合損耗，形成緊湊、穩(wěn)定的集成光源模塊，成為高速率、長距離光纖傳輸系統(tǒng)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(nèi)可調(diào)諧。目前，基于EAM的超短脈沖源早已成功地應(yīng)用于超高速的OTDM通信系統(tǒng)中,通過采用行波電極和減小電吸收器的結(jié)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(tǒng)[3]。

　　此外，用正弦信號驅(qū)動MOW EAM直接產(chǎn)生了短至3.6ps的光脈沖[4];基于EAM產(chǎn)生的光脈沖通過色散補(bǔ)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(tǒng)中應(yīng)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(xiàn)[6]報道了使用EAM和光纖產(chǎn)生超短脈沖的簡易且穩(wěn)定的方法，該文獻(xiàn)主要運(yùn)用光纖及器件的自相位調(diào)制(SPM)對EAM產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行壓縮，通過使用由一個EDFA、一個WDM濾波器和一個光纖鏈路所組成的系統(tǒng),獲得了分別對應(yīng)于1552nm、1549nm波長具有較高功率的1.6ps及2.3ps的脈沖,并且可以通過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(fù)用技術(shù)中的應(yīng)用

　　在超高速光時分復(fù)用(OTDM)系統(tǒng)中,解復(fù)用器是實現(xiàn)OTDM傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中最關(guān)鍵的器件。其功能是從時分復(fù)用后的高速碼流信號中將較低速率的支路信號提取出來,同時盡可能減小鄰近時隙內(nèi)信號脈沖的影響。其解復(fù)用性能的好壞直接影響了接收信號的誤碼率。與非線性光纖環(huán)鏡等基于交叉相位調(diào)制效應(yīng)的全光解復(fù)用器相比,EAM型解復(fù)用器結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，在電時鐘控制下即可完成解復(fù)用功能，因此是一種更接近實用化的高速開關(guān)器件,在高速的OTDM系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[7]。

　　2.2.1 基于EAM解復(fù)用器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

　　基于EAM的解復(fù)用器的工作原理類似于短脈沖源的產(chǎn)生原理,不同的是輸入的光非連續(xù)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(fù)用器實質(zhì)上是一個可用電信號靈活控制的光開關(guān)。當(dāng)已復(fù)用的高速OTDM數(shù)據(jù)流輸入至EAM時,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(fù)率打開一定寬度的時間窗口,從而解復(fù)用某一路具有基本速率的信號。RF信號的工作頻率應(yīng)等于OTDM系統(tǒng)的基本速率。

　　實際應(yīng)用中，EAM解復(fù)用窗口特性主要由外加反向偏壓和正弦調(diào)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，窗口透過率等。這些參數(shù)直接影響解復(fù)用器本身性能。同時，OTDM信號經(jīng)過長距離傳輸后，不可避免地帶有一定的抖動成分。因此脈沖的時間抖動會在解復(fù)用過程中轉(zhuǎn)化為輸出信號的強(qiáng)度變化，從而最終影響到信號接收時的誤碼率。因此必須同時考慮解復(fù)用器本身窗口特性及時鐘抖動二者的影響，對EAM的解復(fù)用窗口特性進(jìn)行綜合設(shè)計以達(dá)到最佳解復(fù)用窗口，使接收信號的誤碼率最小。

　　2.2.2 基于EAM解復(fù)用器的研究進(jìn)展

　　在高速光時分復(fù)用(OTDM)系統(tǒng)中，解復(fù)用器是實現(xiàn)OTDM傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[7]。通過級聯(lián)EAM的方式可進(jìn)一步減小開關(guān)窗口,以便在更高速的OTDM系統(tǒng)中實現(xiàn)解復(fù)用。在一定的驅(qū)動條件下,EAM也可以產(chǎn)生較寬的開關(guān)窗口,從而在OTDM網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處實現(xiàn)Drop功能，與解復(fù)用器共同實現(xiàn)分插復(fù)用器(ADM-Add/drop multiplex er)的功能[8],該技術(shù)主要使用恢復(fù)的電時鐘信號作為EAM的驅(qū)動源來控制開關(guān)窗口實現(xiàn)定時提取;文獻(xiàn)[9]中運(yùn)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恢復(fù)電時鐘，同樣對EAM進(jìn)行電驅(qū)動實現(xiàn)解復(fù)用;文獻(xiàn)[10]中證實了EAM中的交叉吸收調(diào)制技術(shù)可以同時實現(xiàn)時鐘恢復(fù)與解復(fù)用,在3.2dB的功率損耗下，對10Gb/s的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了無誤碼率的光解碼：2003年的OFC會議上，報道了基于行波型EAM由160Gh/s的OTDM系統(tǒng)中將10Gb/s的信號解復(fù)用[11],和基于光電二極管與EAM集成的無誤碼的320Gb/s到10Gb/s的解復(fù)用的實驗研究[12]。目前集成EAM解復(fù)用器和Pin是一個發(fā)展趨勢[7].為OTDM系統(tǒng)的實用化鋪平道路。

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　　2.3 EAM在時鐘提取技術(shù)中的應(yīng)用

　　在高速或超高速的光時分復(fù)用系統(tǒng)中，無論是點(diǎn)對點(diǎn)還是網(wǎng)絡(luò)通信,支路時鐘信號提取技術(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)提取時鐘的技術(shù)，其原理是利用光鑒相器來檢測本地光時鐘與入射信號光的相位差。利用電鎖相環(huán)控制產(chǎn)生本地時鐘的壓控振蕩器。其中，鑒相器可以用半導(dǎo)體光放大器中的交叉增益調(diào)制技術(shù)使本地光時鐘與信號光脈沖發(fā)生增益調(diào)制效應(yīng)或四波混頻效應(yīng)實現(xiàn)，也可用非線性光纖環(huán)鏡實現(xiàn)。

　　電吸收調(diào)制器具有穩(wěn)定性好、體積小、能夠產(chǎn)生足夠小的開關(guān)窗口、偏振不敏感(小于ldB)特性，有利于在實際中應(yīng)用和進(jìn)行超高速的OTDM信號的時鐘提取，因此可以利用EAM作為光開關(guān)構(gòu)成一個鎖相環(huán)實現(xiàn)提取時鐘，EAM在提取時鐘的環(huán)路中也可以說是起到光電鑒相器的作用。這種時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EAM工作于雙向狀態(tài)下同時實現(xiàn)了解復(fù)用和時鐘提取[13]：同年，F(xiàn).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鐘提取技術(shù)[14],具有實現(xiàn)簡單,操作的優(yōu)點(diǎn),且其所用器件速率不用超過支路信號速率,適合超高速的光時分復(fù)用系統(tǒng)中支路時鐘提取[15]：貝爾實驗室用此種方法實現(xiàn)了從320Gb/sOTDM系統(tǒng)中提取10GHz時鐘信號，其中采取級聯(lián)EAM方式減小開關(guān)窗口以實現(xiàn)高速信號中提取支路時鐘信號：2000年,Dennis TK.Tong等人則采用平衡型光電二極管實現(xiàn)鎖相環(huán)路[16]以避免極性模糊的影響,可以實現(xiàn)從80Gb/s的OTDM系統(tǒng)中提取10GHz的時鐘：繼而，又通過級聯(lián)EAM產(chǎn)生更窄的開關(guān)窗口.實現(xiàn)了從160Gb/s的信號種提取10GHz的時鐘信號[17]：2003年.Ehab S.Awad等人利用EAM中的交叉吸收調(diào)制技術(shù)及平衡檢測器同時實現(xiàn)時鐘恢復(fù)和解復(fù)用[18]。

　　2.4 EAM在波長變換技術(shù)中的應(yīng)用

　　WDM系統(tǒng)中由于單信道的速率越來越高,信道數(shù)目越來越多,就要解決網(wǎng)絡(luò)中路由調(diào)度和OXC中的波長競爭問題,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(kuò)性。波長變換技術(shù),可以實現(xiàn)波長的再利用，即可以解決這一難題。目前,利用半導(dǎo)體光放大器中的交叉增益調(diào)制(XGM)、交叉相位調(diào)制(XPM)、四波混頻效應(yīng)(FWM)和光纖中自相位調(diào)制效應(yīng)、交叉調(diào)制效應(yīng)、四波混頻效應(yīng)都可實現(xiàn)波長變換。近年來，基于電吸收調(diào)制器(EAM)中交叉吸收調(diào)制效應(yīng)的波長變換技術(shù)被廣泛研究[19]。

　　2.4.1 基于EAM波長變換技術(shù)的原理

　　基于EAM波長變換技術(shù)的原理是利用EAM的交叉吸收調(diào)制(XAM)效應(yīng)，如圖3所示，當(dāng)信號光(s為波長)和泵浦光(連續(xù)光信號CW)分別從EAM兩側(cè)注入時：(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，此時輸出光功率較低：(2)若信號光功率較高，使EAM的吸收達(dá)到飽和,則EAM對泵浦光的吸收較小，此時輸出光功率較強(qiáng);(3)若信號光無脈沖，EAM就轉(zhuǎn)向?qū)Ρ闷止庥写罅课?。泵浦光在此過程中完成了對原始信號光的復(fù)制,這個特性即為交叉吸收調(diào)制。

　　EAM對不同波長的光有不同的吸收效率,這主要是由量子限制斯塔克效應(yīng)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，實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。在變換過程中，輸入信號光的相位信息并沒有傳遞給泵浦光,使得光脈沖經(jīng)過長距離傳輸時,由于色散與非線性效應(yīng)而產(chǎn)生相位失真，經(jīng)EAM的波長轉(zhuǎn)換后,相位失真將被消除,同時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波長變換技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r

　　基于EAM波長變換技術(shù)該技術(shù)具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：(1)由于基于EAM的波長變換只需對EAM進(jìn)行偏置電壓控制，操作簡單;(2)EAM具有偏振不靈敏性,使得基于EAM的波長變換也為偏振不靈敏的,就可消除光脈沖長距離傳輸中由非線性色散效應(yīng)產(chǎn)生的形變,而且緩解了頻率啁啾。所以，這種波長變換技術(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(fù)時間會減小至10ps左右，可實現(xiàn)高速率的波長變換[19]，2003年，K.N-ishimura等人在延時干涉(Di)結(jié)構(gòu)中使用多量子阱EAM實現(xiàn)80Gb/s的波長變換[20]，文獻(xiàn)[21]介紹了在EAM-DI結(jié)構(gòu)中利用EAM的交叉吸收調(diào)制(XAM)及交叉相位調(diào)制(XPM)的非線吸收性效應(yīng)，實現(xiàn)40Gb/s及80Gb/s的波長變換,并于2005年,利用此技術(shù)驗證了當(dāng)光脈沖能量為1.5pJ時能夠?qū)崿F(xiàn)100Gb/s波長變換[22]。另外，新提出一種寬帶寬、高速率、光電流驅(qū)動(PD)的波長轉(zhuǎn)換技術(shù),并嘗試與M-Z干涉儀及EAM集成達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換速率,2003年S.Kodama等人就驗證使用PD-EAM設(shè)備支持的數(shù)據(jù)速率達(dá)320Gb/s：2005年實現(xiàn)了100Gb/s輸入信號25nm、輸出信號20nm變換范圍無誤碼的波長變換[23].為獲得更大的帶寬,Matthew N.等人將可調(diào)的SGDBR激光器與Franz-Keldvsh (FK)EAM集成,驗證了基于光帶寬達(dá)10GHz以上的波長轉(zhuǎn)換[24]。有研究機(jī)構(gòu)利用EAM的非線性吸收特性產(chǎn)生諧波進(jìn)行頻率上、下轉(zhuǎn)換等來進(jìn)行各方面的應(yīng)用,也可利用其開關(guān)窗口特性也可以實現(xiàn)高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換網(wǎng)。目前,基于EAM的波長變換技術(shù)在上、下行鏈路的轉(zhuǎn)換中已得到廣泛的應(yīng)用[25]。

　　2.5 EAM在3R再生技術(shù)中的應(yīng)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(jié)點(diǎn)處理,信號從源節(jié)點(diǎn)達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)后,將產(chǎn)生嚴(yán)重的波形畸變,同時接收信號具有較大的幅度抖動和定時抖動,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再生器件主要由時鐘恢復(fù)單元、高速超短脈沖產(chǎn)生單元和高速光開關(guān)組成。在完成3R再生功能時,首先由時鐘恢復(fù)單元從信號中提取比特時鐘,用恢復(fù)的時鐘來驅(qū)動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(shù)據(jù)信號作為控制信號在高速光開關(guān)內(nèi)對本地脈沖進(jìn)行開關(guān)處理,從而將接收到的信息復(fù)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(yīng)用及發(fā)展

　　由于EAM可以實現(xiàn)波長變換,人們對基于EAM的飽和交叉吸收調(diào)制效應(yīng)的3R再生進(jìn)行了大量的研究。通常，時鐘提取通過鎖相環(huán)路完成,時鐘信號驅(qū)動另一個調(diào)制器產(chǎn)生光時鐘,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)光濾波器過濾即實現(xiàn)了再生。這種再生方案由于EAM工作在一定的偏置電壓下，無射頻驅(qū)動,易操作。人們自然想到如果用提取的時鐘信號驅(qū)動EAM來實現(xiàn)再生則會進(jìn)一步增加再生后光信號的消光比[26]，文獻(xiàn)[27]講述了基于行波EAM光時鐘恢復(fù)的40Gb/s的全光3R再生技術(shù)，該系統(tǒng)中恢復(fù)的時鐘信號不需進(jìn)行額外的定時調(diào)整及脈沖再生,即可直接注入到波長變換模塊,而通過減小行波EAM的損耗可進(jìn)一步提高3R系統(tǒng)的性能。近期，基于單個EAM的時鐘提取、整形、波長變換的3R再生已經(jīng)實現(xiàn)[28],有望實現(xiàn)小型化,模塊化的再生結(jié)構(gòu)。

　　3 結(jié)束語

　　除上述功能外，EAM還可實現(xiàn)脈沖編碼、限幅降噪等諸多功能，且具有長期穩(wěn)定性，因此受到許多研究機(jī)構(gòu)(如英國電信、貝爾實驗室等)及的關(guān)注，在OT DM系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中也得到了全面的應(yīng)用,在現(xiàn)代光子技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的市場前景。