全光R再生原理.docx

全光3R再生原理与技术
伦秀君1，2，黄永清1，张瑞康1，任晓敏1
（1．北京邮电大学光通信中心，北京100876；
2．北京化工大学物理与电子技术系，北京100029）
摘要：全光3R再生技术（再放大，再整形，再定时）是高速大容量光网络中的核心技术．文章详细阐述了全光3R再生的原理和全光再生的关键技术，并在此基础上提出了一种新型的全光3R再生系统．关键词：全光再生；时钟恢复；光判决门
全光3R再生技术是在光域中对信号进行再放大、再定时和再整形的技术，是高速全光网络的核心技术，目前国外一些公司和科研机构正在探索实现全光3R再生的途径．1全光3R再生原理图1为全光3R再生原理示意图．入射损伤信号进入全光再生器时被分为两路，一路进入时钟提取单元以提取时钟光信号，提取出的时钟信号具有稳定的幅度和时钟信息；另一路信号经掺铒光纤放大器（EDFA）放大后，与时钟信号脉冲一同注入光判决门，经过光判决门后可得到全光再生信号．

2全光3R关键技术的分析实现全光3R再生系统的关键技术是时钟恢复技术和光判决门技术．下面对这两项关键技术进行分析．2．1时钟恢复技术时钟恢复是3R技术中最难实现的模块，目前尚处于研究探索阶段，国外研究机构就该技术进行了多种方案的研究，主要有光锁相环技术、光纤锁模激光器技术和半导体激光器自脉动技术．光锁相环技术成本高、功耗大且难以集成化．本文仅对基于光纤的光纤锁模激光器技术和基于半导体的激光器自脉动技术的时钟恢复进行分析．2．1．1光纤锁模激光器技术光纤锁模激光器技术是基于调制信号光驱动光纤环激光器产生和信号光同一速率的锁模脉冲这一原理．图2是利用掺铒和镱的光纤环激光器进行时钟恢复的原理图［1］．注入信号脉冲从端口3入射，带通复用器（BWDM）的端口1与端口3之间可通过中心波长为1543nm、带宽为3nm的入射光，其他波长的光可通过端口1和端口2传输．注入信号和由增益光纤产生的自发辐射（ASE）噪声通过环行器的端口1一同进入多量子阱半导体饱和吸收器（MQW－SSA），经反射后从环行器的端口3输出，然后通过可调谐的带宽为1nm的光滤波器（OF），再经过1m长的高掺杂铒和镱的光纤放大，通过分光比为20／80的耦合器把注入光的时钟信号脉冲输出．偏振控制器（PC）用来维持环行腔中光脉冲的偏振态不变．光纤环激光器在没有外信号注入时，在泵浦光的作用下，当环行腔的增益足够大时，可形成锁模．但锁模是由ASE所诱发，因而锁模光脉冲的相位是随机的；当有脉冲信号注入时，由于SSA的饱和吸收作用，如果注入脉冲信号达ps级，注入光有较大的光功率，SSA很容易饱和，使环行腔激光器脉动频率与注入脉冲达到同步，从而可提取出注入脉冲的时钟信号．利用锁模光纤环激光器进行时钟恢复可得到较高速率的时钟信号，但由于它的体积相对较大，难以集成，另外，环行激光器固有的稳定性较差．

2．1．2半导体激光器自脉动技术半导体激光器自脉动现象是指在直流电流注入情况下，激光器输出光功率有周期性的振荡．这种现象在具有饱和吸收体的F－P腔激光器和没有饱和吸收体的多区DFB激光器中都可发生．对不同结构的半导体激光器或同一结构但不同外界条件下的半导体激光器，其自脉动的机理也不尽相同．首先对具有饱和吸收体的F－P腔激光器自脉动进行讨论．F－P腔由饱和吸收区和增益区组成，饱和吸收和增益的相互作用，导致激光器处于不稳定的状态，引起输出光无衰减地张驰振荡，即产生自脉动．自脉动的频率可通过注入电流来调节．当注入信号脉冲的频率与自脉动的频率相近时，激光器自脉动的频率被锁定到注入信号的频率上，时钟提取技术正是利用了自脉动激光器的这一性质．通过解速率方程组可分析激光器自脉动的产生条件，自脉动只有在吸收区载流子寿命和增益区载流子寿命之比达到一定值时才能产生．在半导体材料中，由于俄歇复合减少了载流子寿命，为了提高自脉动频率，可通过高掺杂形成饱和吸收区，从而获得大量的非辐射复合中心，使吸收区载流子寿命大大减少．试验上可获得5．2GHz的自脉动脉冲，当向自脉动激光器注入5GHz的RZ脉动信号时，自脉动频率被锁定到5GHz，即产生了自脉动脉冲与注入脉冲的同步，从而可以提取出注入脉冲信号的时钟信号［2］．利用具有饱和吸收体的F－P腔激光器进行时钟提取时，由于受到载流子恢复时间的限制，自脉动的速率较低．利用多区DFB激光器自脉动进行时钟恢复是由M．Mohrle等人提出的［3］．多区DFB激光器不含有饱和吸收体，所以具有不同的自脉动产生机理．以三区DFB激光器为例，介绍两种典型的理论：色散自Q开关理论和拍型谐振理论．图3所示为三区DFB激光器件模型［4］．它由3部分组成：DFB增益区、相位调制区和DFB反射区．DFB增益区工作在大电流条件下，远超过激射阈值（域值电流30～40mA），其作用是提供光信号；DFB反射