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一步升級和擴容的能力,另外又要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠靈活地對高速數(shù)據(jù)進行處理。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。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特優(yōu)點，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

　　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償光纖(DCF)或啁啾光纖光柵可進一步優(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)生超短脈沖的簡易且穩(wěn)定的方法，該文獻主要運用光纖及器件的自相位調(diào)制(SPM)對EAM產(chǎn)生的脈沖進行壓縮，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)用窗口特性進行綜合設(shè)計以達到最佳解復(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)點中最關(guān)鍵的器件。EAM憑借自身的優(yōu)點,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[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恢復(fù)電時鐘，同樣對EAM進行電驅(qū)動實現(xiàn)解復(fù)用;文獻[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，無論是點對點還是網(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,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,進而有效地進行路由的選擇，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的吸收達到飽和,則EAM對泵浦光的吸收較小，此時輸出光功率較強;(3)若信號光無脈沖，EAM就轉(zhuǎn)向?qū)Ρ闷止庥写罅课铡１闷止庠诖诉^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：(1)由于基于EAM的波長變換只需對EAM進行偏置電壓控制，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[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10GHz以上的波長轉(zhuǎn)換[24]。有研究機構(gòu)利用EAM的非線性吸收特性產(chǎn)生諧波進行頻率上、下轉(zhuǎn)換等來進行各方面的應(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)點處理,信號從源節(jié)點達到目的節(jié)點后,將產(chǎn)生嚴重的波形畸變,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。