電吸收調制器及其在現代光子技術中的應用

　　1 引言

　　隨著光纖通信技術和現代光子技術的發展，人類社會對信息交流的需求呈現級數式的增長，對當前的通信網提出了更高的要求。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,另外又要求網絡節點能夠靈活地對高速數據進行處理。傳統電的復用與交換技術由于受到電子器件速率的限制已不能滿足這一需求,在光領域內對信號進行光的復用和光子交換可避開電子瓶頸,這就使網絡全光化成為下一代通信網的主要發展方向,與網絡全光化有關的各種光子器件和技術成為當前信息技術領域的研究熱點。由于半導體電吸收調制器(EAM)具有體積小、利于集成、良好的光開關特性、低噪聲及高非線性吸收率等多種獨特優點，以EAM為基礎、符合網絡全光化發展方向的各種高性能光子器件受到國際光纖通信領域的高度重視，相關研究十分活躍，近年來已取得了很大的進展。

　　2 電吸收調制器在光子技術中的應用

　　2.1 基于EAM超短脈沖產生技術

　　2.1.1 DFB-EAM集成產生短脈沖的結構及原理

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

　　2.1.2 EAL的特點

　　光時分復用(OTDM)系統及光孤子通信系統中，由于傳輸長度或帶寬受光源波長啁啾和光纖色散的限制，要求穩定性高、抖動小、噪聲低、啁啾小的高重復頻率短脈沖光源。EAM通過采用多量子阱(MQW)結構和應變補償技術，可獲得高速、高調制深度、低啁啾和低驅動電壓的EAM,而且它易于與DFB半導體激光器集成，從而降低耦合損耗，形成緊湊、穩定的集成光源模塊，成為高速率、長距離光纖傳輸系統中最有前途的光源之一。

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　　2.1.3 基于EAM超短脈沖產生技術的進展

　　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可調諧。目前，基于EAM的超短脈沖源早已成功地應用于超高速的OTDM通信系統中,通過采用行波電極和減小電吸收器的結電容和寄生電容等措施,能夠有效提高電吸收器的頻響.可以產生10～50GHz速率的超短脈沖[1]。而且，DFB激光器與EAM集成方式產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[3]。

　　此外，用正弦信號驅動MOW EAM直接產生了短至3.6ps的光脈沖[4];基于EAM產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化脈沖質量,并減小脈沖寬度以利于在OTDM系統中應用。將EAM輸出脈沖用各種壓縮技術進行壓縮,更是得到了短130fs的超短脈沖[5]。基于EAM+脈沖壓縮的超短光脈沖源的相關報道也非常多。文獻[6]報道了使用EAM和光纖產生超短脈沖的簡易且穩定的方法，該文獻主要運用光纖及器件的自相位調制(SPM)對EAM產生的脈沖進行壓縮，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,獲得了分別對應于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在解復用技術中的應用

　　在超高速光時分復用(OTDM)系統中,解復用器是實現OTDM傳輸系統和網絡節點中最關鍵的器件。其功能是從時分復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信號脈沖的影響。其解復用性能的好壞直接影響了接收信號的誤碼率。與非線性光纖環鏡等基于交叉相位調制效應的全光解復用器相比,EAM型解復用器結構緊湊，性能穩定，在電時鐘控制下即可完成解復用功能，因此是一種更接近實用化的高速開關器件,在高速的OTDM系統中得到了廣泛的應用[7]。

　　2.2.1 基于EAM解復用器的基本結構及工作原理

　　基于EAM的解復用器的工作原理類似于短脈沖源的產生原理,不同的是輸入的光非連續光,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用作解復用器實質上是一個可用電信號靈活控制的光開關。當已復用的高速OTDM數據流輸入至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率打開一定寬度的時間窗口,從而解復用某一路具有基本速率的信號。RF信號的工作頻率應等于OTDM系統的基本速率。

　　實際應用中，EAM解復用窗口特性主要由外加反向偏壓和正弦調制電壓的幅度決定，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。這些參數直接影響解復用器本身性能。同時，OTDM信號經過長距離傳輸后，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用過程中轉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用器本身窗口特性及時鐘抖動二者的影響，對EAM的解復用窗口特性進行綜合設計以達到最佳解復用窗口，使接收信號的誤碼率最小。

　　2.2.2 基于EAM解復用器的研究進展

　　在高速光時分復用(OTDM)系統中，解復用器是實現OTDM傳輸系統和網絡節點中最關鍵的器件。EAM憑借自身的優點,在高速的OTDM系統中得到了廣泛的應用[7]。通過級聯EAM的方式可進一步減小開關窗口,以便在更高速的OTDM系統中實現解復用。在一定的驅動條件下,EAM也可以產生較寬的開關窗口,從而在OTDM網絡節點處實現Drop功能，與解復用器共同實現分插復用器(ADM-Add/drop multiplex er)的功能[8],該技術主要使用恢復的電時鐘信號作為EAM的驅動源來控制開關窗口實現定時提取;文獻[9]中運用基于鎖相環的EAM技術,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電時鐘，同樣對EAM進行電驅動實現解復用;文獻[10]中證實了EAM中的交叉吸收調制技術可以同時實現時鐘恢復與解復用,在3.2dB的功率損耗下，對10Gb/s的數據實現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系統中將10Gb/s的信號解復用[11],和基于光電二極管與EAM集成的無誤碼的320Gb/s到10Gb/s的解復用的實驗研究[12]。目前集成EAM解復用器和Pin是一個發展趨勢[7].為OTDM系統的實用化鋪平道路。

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　　2.3 EAM在時鐘提取技術中的應用

　　在高速或超高速的光時分復用系統中，無論是點對點還是網絡通信,支路時鐘信號提取技術是關鍵技術之一。目前廣泛采用的技術是光電鎖相環提取時鐘的技術，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。利用電鎖相環控制產生本地時鐘的壓控振蕩器。其中，鑒相器可以用半導體光放大器中的交叉增益調制技術使本地光時鐘與信號光脈沖發生增益調制效應或四波混頻效應實現，也可用非線性光纖環鏡實現。

　　電吸收調制器具有穩定性好、體積小、能夠產生足夠小的開關窗口、偏振不敏感(小于ldB)特性，有利于在實際中應用和進行超高速的OTDM信號的時鐘提取，因此可以利用EAM作為光開關構成一個鎖相環實現提取時鐘，EAM在提取時鐘的環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工作于雙向狀態下同時實現了解復用和時鐘提取[13]：同年，F.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[14],具有實現簡單,操作的優點,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用系統中支路時鐘提取[15]：貝爾實驗室用此種方法實現了從320Gb/sOTDM系統中提取10GHz時鐘信號，其中采取級聯EAM方式減小開關窗口以實現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鎖相環路[16]以避免極性模糊的影響,可以實現從80Gb/s的OTDM系統中提取10GHz的時鐘：繼而，又通過級聯EAM產生更窄的開關窗口.實現了從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中的交叉吸收調制技術及平衡檢測器同時實現時鐘恢復和解復用[18]。

　　2.4 EAM在波長變換技術中的應用

　　WDM系統中由于單信道的速率越來越高,信道數目越來越多,就要解決網絡中路由調度和OXC中的波長競爭問題,進而有效地進行路由的選擇，降低網絡阻塞率,從而提高WDM網絡的靈活性和可擴性。波長變換技術,可以實現波長的再利用，即可以解決這一難題。目前,利用半導體光放大器中的交叉增益調制(XGM)、交叉相位調制(XPM)、四波混頻效應(FWM)和光纖中自相位調制效應、交叉調制效應、四波混頻效應都可實現波長變換。近年來，基于電吸收調制器(EAM)中交叉吸收調制效應的波長變換技術被廣泛研究[19]。

　　2.4.1 基于EAM波長變換技術的原理

　　基于EAM波長變換技術的原理是利用EAM的交叉吸收調制(XAM)效應，如圖3所示，當信號光(s為波長)和泵浦光(連續光信號CW)分別從EAM兩側注入時：(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就轉向對泵浦光有大量吸收。泵浦光在此過程中完成了對原始信號光的復制,這個特性即為交叉吸收調制。

　　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，實現波長轉換。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,使得光脈沖經過長距離傳輸時,由于色散與非線性效應而產生相位失真，經EAM的波長轉換后,相位失真將被消除,同時EAM對累積的自發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波長變換技術的特點及發展狀況

　　基于EAM波長變換技術該技術具有以下幾方面優點：(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產生的形變,而且緩解了頻率啁啾。所以，這種波長變換技術受到了人們的廣泛關注。

　　EAM為反偏器件，若增大反偏電壓，吸收恢復時間會減小至10ps左右，可實現高速率的波長變換[19]，2003年，K.N-ishimura等人在延時干涉(Di)結構中使用多量子阱EAM實現80Gb/s的波長變換[20]，文獻[21]介紹了在EAM-DI結構中利用EAM的交叉吸收調制(XAM)及交叉相位調制(XPM)的非線吸收性效應，實現40Gb/s及80Gb/s的波長變換,并于2005年,利用此技術驗證了當光脈沖能量為1.5pJ時能夠實現100Gb/s波長變換[22]。另外，新提出一種寬帶寬、高速率、光電流驅動(PD)的波長轉換技術,并嘗試與M-Z干涉儀及EAM集成達到更高的轉換速率,2003年S.Kodama等人就驗證使用PD-EAM設備支持的數據速率達320Gb/s：2005年實現了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以上的波長轉換[24]。有研究機構利用EAM的非線性吸收特性產生諧波進行頻率上、下轉換等來進行各方面的應用,也可利用其開關窗口特性也可以實現高分辨率的模數轉換網。目前,基于EAM的波長變換技術在上、下行鏈路的轉換中已得到廣泛的應用[25]。

　　2.5 EAM在3R再生技術中的應用

　　2.5.1 全光3R再生技術

　　對于高速的OTDM光網絡(或者WDM光網絡),由于非理想的傳輸鏈路和中間節點處理,信號從源節點達到目的節點后,將產生嚴重的波形畸變,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絡傳送能力的降低。因此,在網絡中對信號進行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單元、高速超短脈沖產生單元和高速光開關組成。在完成3R再生功能時,首先由時鐘恢復單元從信號中提取比特時鐘,用恢復的時鐘來驅動本地的高速超短脈沖產生單元,產生高質量的脈沖源。令本地產生的脈沖作為入射信號，接受的數據信號作為控制信號在高速光開關內對本地脈沖進行開關處理,從而將接收到的信息復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再生技術中的應用及發展

　　由于EAM可以實現波長變換,人們對基于EAM的飽和交叉吸收調制效應的3R再生進行了大量的研究。通常，時鐘提取通過鎖相環路完成,時鐘信號驅動另一個調制器產生光時鐘,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,經光濾波器過濾即實現了再生。這種再生方案由于EAM工作在一定的偏置電壓下，無射頻驅動,易操作。人們自然想到如果用提取的時鐘信號驅動EAM來實現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光時鐘恢復的40Gb/s的全光3R再生技術，該系統中恢復的時鐘信號不需進行額外的定時調整及脈沖再生,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再生已經實現[28],有望實現小型化,模塊化的再生結構。

　　3 結束語

　　除上述功能外，EAM還可實現脈沖編碼、限幅降噪等諸多功能，且具有長期穩定性，因此受到許多研究機構(如英國電信、貝爾實驗室等)及的關注，在OT DM系統和網絡中也得到了全面的應用,在現代光子技術領域將具有廣闊的市場前景。