基于雙向正交泵浦半導體光放大器結構的全光相位保持幅度再生技術*

孫凡 文峰? 武保劍 Tan Ming-Ming 凌云 邱昆

1) (電子科技大學信息與通信工程學院,光纖傳感與通信教育部重點實驗室,成都 611731)

2) (Aston Institute of Photonics Technologies,Aston University,Birmingham B4 7ET,UK)

提出了一種基于雙向正交泵浦半導體光放大器(SOA)的相位保持幅度再生方案,實驗分析了泵浦、信號及其端面反射場之間的多重四波混頻(FWM)轉換過程,探索了同向場作用下的共軛光再生能力.測量了注入不同信號光功率、信號質量情況下獲得的幅度噪聲壓縮效果以及相位輸出特性,印證雙向正交泵浦SOA 再生器的相位保持幅度再生功能,通過實驗測量得到2.2 dB 的幅度噪聲壓縮結果.進一步通過仿真分析系統,探討了多進制數字相位調制(MPSK)信號的工作特性,表明該再生器可在相同工作參數下支持高階信號的再生需求.

1 引言

全光再生技術是一種可以直接在光域提升信號質量的數據處理方法.該技術避免了現有光纖通信系統中廣泛使用電信號補償方案所引入的高能耗光-電-光(O/E/O)轉換過程[1,2],以及電域信號處理固有的電子瓶頸問題[3],實現了全光域信號質量提升,為光纖通信系統的全光傳輸與處理一體化技術演進提供核心功能器件[4].

全光再生技術已經過數十年發展,早期研究主要集中在面向開關鍵控(OOK)信號的幅度再生,并實現高速100 Gb/s 信號的數據處理能力[5],以及波分復用系統中的多通道再生[6].伴隨著相干調制技術在光纖通信系統中的廣泛應用,全光再生方案也必須具備面向相干調制格式的全光處理能力.通過相敏放大技術可以實現信號相位噪聲的全光壓縮,并實驗展示了正交相移鍵控(QPSK)信號的相位再生[7].但該技術僅可壓縮相位噪聲,無法改善相干調制信號的幅度擾動問題,這成為制約該技術在相干光通信系統中全面應用的關鍵問題之一.

為解決相干調制信號的幅度噪聲抑制問題,即實現具有相位保持特性的幅度再生,研究人員提出了光纖型的非線性光環鏡(NOLM)方案[8-10]以及半導體光放大器(SOA)實現的參量過程方案[11,12].光纖型再生方案需要注入高功率泵浦以激發非線性過程,因此系統實踐過程中需要額外的受激布里淵(SBS)閾值提升單元以改善泵浦注入效果,導致該方案實現復雜、能耗高.而利用有源SOA 實現的相位保持幅度再生,僅需要毫瓦量級的泵浦光即可激發起參量效應,因此更加適用于實際系統應用.目前傳統的SOA 方案采用單泵浦參量過程,再生所需的泵浦-信號功率比(PSR)在10 dB 以上,嚴重限制了信號功率注入范圍,降低了再生信號的轉換效率.近些年,利用雙向SOA 的非線性過程已可實現雙端口的光相位共軛轉換(OPC)[13].通過本文作者的前期探索發現,該結構可有效降低SOA 參量過程中的PSR 要求,僅在約2 dB 情況下就可實現高質量的OPC 過程[14].本論文在此工作基礎上,進一步拓展非線性雙向SOA 結構的全光信號處理功能,實現具有相位保持特性的全光幅度再生.

本論文提出了一種基于雙向正交泵浦注入下的非線性SOA 再生方案,該技術利用泵浦與信號形成的Bragg 光柵,實現對泵浦、信號及其端面反射光的衍射效果,得到多重四波混頻過程(FWM).針對轉換效率占據優勢的同向場作用情況,開展相位保持幅度再生實驗測試,達到2.2 dB 以上的幅度噪聲壓縮效果,支撐全光再生技術對于相干調制格式信號的處理功能.

2 工作原理

雙向正交泵浦SOA 全光再生結構考慮在單一非線性SOA 單元中,利用其可支持雙向光注入的特性,實現多重FWM 過程,其光場注入結構如圖1(a)所示.在該再生結構中,外部注入的光場有3 個: 從輸入端口注入的泵浦光與信號光,以及從輸出端口反向注入的泵浦光.3 束光場詳見圖1(a)中實線箭頭所示.下標H 和V 分別代表平行(//)和垂直(⊥)偏振態;上標f 和b 對應正向傳播(z ＞0)和反向傳播(z＜0)情況.輸入端口的泵浦與信號光同偏振,并與輸出端口注入的泵浦呈偏振正交態,因此雙方的H 偏振態與V 偏振態可互換.在該單元中,除上述3 個注入光場以外,由于SOA 存在端面反射[13],導致其反射殘留在對向端面處重新進入SOA 結構,在放大與非線性效應的共同作用下產生新的FWM 過程.3 個反射光場分別是輸入端口注入的泵浦光和信號光在輸出端面形成的反射殘留場與,以及輸出端口注入的泵浦光在輸入端面形成的反射殘留場,上述3 束光已在圖1(a)中用虛線箭頭標注.因此在雙向正交泵浦SOA 全光再生結構中,共有6 束光場相互作用,形成多重FWM 過程.

圖1 (a)雙向SOA 的正向和反向傳輸光場示意圖;(b)同偏振四波混頻過程;(c)正交泵浦四波混頻過程Fig.1.(a) Schematic diagram of forward and backward transmission in SOA;(b) co-polarization FWM;(c) orthogonal-pump FWM.

根據Bragg 散射FWM 理論模型可知[15-19],泵浦與信號之間的光頻差在SOA 結構中形成折射率調制光柵,與輸入的泵浦和信號光分別作用得到FWM 的共軛或閑頻光.針對本論文結構,該Bragg 光柵僅出現在同偏振的泵浦與信號之中,即與形成的光柵以及與形成的光柵[20,21].上述兩個光柵的周期均為Ω=|ωp-ωs|,但光柵傳播方向相反,其中ωi(i=p,s) 對應泵浦和信號的角頻率.雖然雙向注入的泵浦光偏振態正交,但頻率值一致.上述兩個光柵可與正向和反向傳輸的泵浦、信號及其反射殘留場發生衍射作用,形成豐富的FWM 的產物.但受到相位匹配條件的限制,僅當失配因子 Δkc=kc-(2kp-ks)?0 時,才可獲得有效的共軛轉換,該共軛產物即為本論文探討的再生信號.kj(j=p,s,c) 分別對應泵浦、信號以及共軛光的波數.表1 列出了不同偏振情況下的共軛信號產物情況,該表僅統計了失配因子 Δkc=0 情況下的組合結果,其余產物受限于轉換效率較低,無法在實驗中觀測到.該表涵蓋了作用光場、波矢、偏振態以及端口信息,根據正交泵浦分配情況,每組實驗結構共有4 個共軛光產物,從輸入端口和輸出端口同時獲得.受到光場強度的限制,反射殘留場作用下的FWM 過程較弱,因此盡管在同一個端口可輸出兩個共軛產物,但其總偏振態主要由注入的泵浦光場的偏振態決定.上述多重FWM 過程就是雙向正交泵浦SOA 再生結構中,可同時在雙端口得到共軛轉換的工作基礎.

表1 不同偏振正交泵浦結構對應的四波混頻相位失配分析Table 1.Analysis of phase mismatch of four-wave mixing corresponding to different polarization orthogonal pump structures.

3 實驗研究

根據工作原理分析可知,在雙向正交泵浦SOA結構中不僅可以在同向傳輸的泵浦和信號之間發生FWM 過程,還可以在反向泵浦與信號之間得到FWM 產物,即實現雙向FWM 效應,這突破了傳統FWM 理論關于相位匹配條件的限制.為驗證雙向正交泵浦SOA 結構的多重FWM 現象,開展實驗研究工作,并探索其相位保持幅度再生效果.

3.1 實驗結構

雙向正交泵浦SOA 實驗系統如圖2 所示.實驗系統的核心是非線性雙向SOA 器件,該器件為CIP 公司提供的非線性SOA 單元(SOA-NL-OEC-1550),具有雙向光注入、偏振無關放大(偏振相關增益為0.5 dB)特性,滿足實驗要求.在雙向正交泵浦實驗測試過程中,該SOA 的驅動電流設置為464 mA.實驗中有兩類光場注入到SOA 單元中:連續泵浦光以及QPSK 信號光.泵浦光由本地激光器產生,其波長為1548.62 nm,輸出光功率達到0 dBm.泵浦光通過偏振分束器(PBS)分為功率一致、偏振正交的兩束光,分別從輸入和輸出端口耦合進入SOA 單元.QPSK 信號由相干光發射機產生,其載波波長為1549.33 nm,信號速率為10 Gb/s.信號光偏振態由偏振控制器(PC1)調控,使其與正向輸入的泵浦光偏振態一致,偏振特性由偏振分析儀(PA)實時監控.雖然QPSK 信號光僅從SOA 的輸入端口注入,但FWM 產物可同時在輸入和輸出兩個端口獲得.為此,測試中在SOA的雙側端口處均添加光環形器(CIR1 和CIR2),以此分離輸入信號與FWM 產物.非線性雙向SOA的光譜結果由光譜儀測試,而QPSK 光信號通過相干接收機轉換后,在實時示波器中采樣分析.

圖2 雙向正交泵浦SOA 實驗測試系統圖Fig.2.Experiment setup of bidirectional orthogonal-pumped SOA subsystem.

3.2 反射測試

根據工作原理可知,在雙向SOA 器件中發生的多重四波混頻過程與器件的端面反射密切相關.為此根據放大自發輻射光譜測SOA 端面反射率的方法開展了針對實驗用非線性SOA 單元的反射率測試.端面反射率計算公式如下所示[22]:

其中R表示反射率,Gs是光波單次通過SOA 凈增益,P+和P-是相鄰波峰及波谷處的峰值功率.在沒有外界注入光的情況下,僅通過直流電流驅動非線性SOA,此時監控輸入和輸出端口獲得的不同驅動電流下的自發輻射光譜結果如圖3(a),(b)所示.光譜儀測量的分辨率為0.03 nm.兩圖對比可以看出,在驅動電流逐漸增強的過程中,輸入和輸出端口得到的光譜整體變強的演化趨勢是一致的,但輸出端口光譜結果更加振蕩,特別在高驅動電流情況下更為明顯.兩端光譜特性的差異可能來自于該器件在輸入和輸出端面上的鍍膜差異所導致的.由于該款器件是針對非線性應用而特殊設計的SOA,其工作特性注重更高的注入光功率,承受更大的驅動電流,因此光譜特性、反射率效果與放大器應用的SOA 器件有差異.

圖3 不同驅動電流下(a)輸入和(b)輸出端口處的放大自發輻射光譜;(c) 驅動電流為100 mA 時,計算獲得的反射率分布效果;(d)不同驅動電流下獲得的工作波長范圍1547.5—1549.5 nm 內SOA 反射率結果Fig.3.Power spectral density (PSD) of amplified spontaneous emission (ASE) spectrum under different driving currents at (a) input port and (b) output port;(c) the reflectivity at driving current 100 mA;(d) reflectivity between 1547.5 nm and 1549.5 nm obtained under different driving currents.

根據驅動電流為100 mA 情況下獲得的自發輻射譜以及(1)式可計算得到反射率結果如圖3(c)所示.在工作波長范圍1548.5 nm±1 nm 內,其反射率結果為(3.49±3.11)×10-3.當驅動電流增強后,部分波長獲得更高的光增益(如1562 nm 波長處),使其功率值較其他波長高出僅20 dB,這導致反射率結果出現振蕩,上述振蕩結果與文獻[13]中非線性SOA 的測量特性一致.但根據圖3(d)給出的不同驅動電流下工作波長范圍1548.5 nm±1 nm內反射率結果可以看出,雖然該振蕩特性引入一定干擾,但該SOA 的端面反射率均在10—3量級.

3.3 光譜響應

根據偏振態以及注入端口的分配情況,雙向正交泵浦SOA 結構存在2 組共4 種光作用過程: 第一組為H 偏振正向泵浦(HF)+V 偏振逆向泵浦(VB)、第二組是V 偏振正向泵浦(VF)+H 偏振逆向泵浦(HB).由于雙向注入的泵浦光是由PBS 器件分光得到,因此其偏振態存在正交性;而信號光偏振態與正向注入的泵浦光一致,所以整個系統的工作情況可由泵浦光的偏振態分類獲得.根據工作原理分析可知,每一組注入光情況均可同時在輸入和輸出端口獲得FWM 產物,為此通過光譜儀測量CIR 第3 端口輸出結果,可驗證雙向SOA 結構中得到多重FWM 效果.

圖4(a),(d),(g)和(j)是實驗獲得的HF,VB,VF 和HB 情況下的FWM 結果.由其清晰的FWM產物可知,在非線性雙向SOA 單元中的確發生了Bragg 散射FWM 過程,該過程不僅在同向泵浦與信號之間發生非線性混頻作用,還在逆向泵浦與信號之間產生FWM 產物.根據光譜測量結果可知:1)從FWM 過程產生高階產物的角度來看,同向傳輸的泵浦與信號之間的作用過程更為激烈,例如圖4(a),(g)所示;2)雖然信號光僅從正向端口注入SOA 單元之中,但由于存在端面反射問題,逆向泵浦可與信號光的反射殘留發生FWM 過程,該反射殘留可在VB 和HB 光譜中清晰觀測到;3)從共軛光強度的角度來看,同向傳輸的泵浦與信號作用過程最為明顯,有助于獲得較高的共軛光產物,便于后續再生性能測試;4)實驗獲得的共軛光、閑頻光等四波混頻產物與泵浦頻率的間隔均為88.75 GHz,這與Bragg 散射FWM 理論模型中光柵周期參數(泵浦和信號頻率間隔88.75 GHz)一致,驗證了泵浦與信號光頻差在SOA 結構中形成折射率調制光柵的理論假說.

圖4 四種 FWM 情況下的光譜 HF 注入下的(a)實驗光譜圖及(b) H 偏振與(c) V 偏振的仿真光譜圖;VB 注入下的(d)實驗光譜圖及(e) H 偏振與(f) V 偏振的仿真光譜圖;VF 注入下的(g)實驗光譜圖及(h) H 偏振與(i) V 偏振的仿真光譜圖;HB 注入下的 (j)實驗光譜圖及(k) H 偏振與(l) V 偏振的仿真光譜圖Fig.4.Optical spectral results from the four FWM cases: (a) Experimental data and simulation results of (b) H and (c) V polarization for HF case;(d) experimental data and simulation results of (e) H and (f) V polarization for VB case;(g) experimental data and simulation results of (h) H and (i) V polarization for VF case;(j)experimental data and simulation results of (k) H and (l) V polarization for HB case.

為進一步驗證正交泵浦SOA 的多重FWM 效果,在VPItransmissionMaker 平臺上搭建了與實驗環境一致的仿真系統,仿真中使用的SOA 模型是該平臺中的“SOA_TLM”,主要參數為: 器件截面長度為6.33×10-4m,非線性指數是6.2×10-19m2/W,有效模面積 1 0-12m2.通過注入泵浦功率0 dBm 和信號功率—1 dBm,獲得如圖4(b),(c),(e),(f),(h),(i),(k),(l)的仿真光譜結果,分別對應HF,VB,VF 和HB 泵浦情況下的H 偏振和V 偏振光譜測試情況.

根據表1 所列FWM 產物所示,其輸出共軛光均存在H 和V 偏振分量結果,因此在仿真分析過程中,利用偏振分束器分離每一種泵浦情況下的FWM 光譜結果,對比正交偏振分量下獲得的非線性產物特性.對于HF 泵浦情況,其正向泵浦偏振態為H 偏振態,此時信號光與正向泵浦偏振態一致,也為H 偏振態.在SOA 的輸出端口,獲得同向四波混頻產物結果,如圖4(b),(c)所示.對于H 偏振輸出結果,四波混頻過程激烈,共軛信號轉換效率高,通過濾波后測得共軛光功率為—3.77 dBm.而在偏振分束器V 偏振端口得到的共軛光功率僅為—21.66 dBm,兩者相差約18 dB.仿真過程還對比了其余3 種泵浦情況(VB,VF 和HB)獲得正交共軛光功率差值分別為15,18,15 dB.可以看出,雖然正交泵浦SOA 結構中可以獲得正交四波混頻產物,但兩者功率相差較大,仍以主偏振態下得到的優勢輸出占據主導.因此實驗測量的光譜結果圖4(a),(d),(g),(j)與仿真得到的結果圖4(b),(e),(i),(l)表現出相似的光譜規律.

無法在實驗過程中正確分離出上述正交偏振分量結果,主要受到以下兩個問題的影響: 1) SOA輸出尾纖為非保偏光纖,導致正交偏振分量之間發生了偏振耦合,此時再通過偏振分束器分離得到的產物與理論模型構建的正交偏振輸出不一致;2) 正交產物之間的功率差異較大,均在15 dB 以上,無法通過監控信號質量的方式確認偏振分束器輸入端的正確偏振態.因此只能通過仿真分析手段對比表1 所示的正交產物結果.

此外,由于實驗中光譜儀分辨率為0.03 nm,而仿真計算得到的光譜結果相鄰頻率點之間僅相差 3.05×10-4GHz.仿真獲得的光譜結果具有更高的精確度,在測量連續光時,可以準確測得極窄線寬下的光譜結果.因此仿真得到的光譜結果與實驗測量結果在光譜細節上存在一定的差異性,但實際的光譜內容基本一致.以光譜圖4(g),(i)為例,實驗獲得的FWM 光譜中泵浦和信號功率差值約為5 dB,而通過濾波器濾得的仿真結果中泵浦功率和信號功率分別為16.54 dBm 和15.87 dBm,差值也在1 dB,兩者基本一致.對于高階旁瓣的問題,的確在部分仿真結果中獲得的高階旁瓣功率較高,除了前面提到的分辨率差異以外,仿真過程中SOA 內部參數設置也帶來一定的差異性.但上述差異性沒有改變正交泵浦SOA 結構中的Bragg 散射FWM 基本規律.通過仿真與實驗的綜合分析,印證了非線性雙向SOA 單元中的多重FWM 作用過程,為測試共軛產物的再生性能提供支撐.

3.4 再生結果

在圖2 所示的正交泵浦SOA 結構中進一步開展相位保持幅度再生實驗研究.根據光譜響應結果,再生實驗中僅選取了輸出共軛光功率最強的同向場作用情況進行分析,結果如圖5 所示.實驗中泵浦注入功率固定在0 dBm,信號功率由可調衰減器(VOA1)在—5—5 dBm 之間調整,以尋找最佳工作點.圖5(a),(b)給出了共軛信號的幅度擾動與相位擾動隨注入信號功率的變化關系.由實驗測試結果可知,最佳信號功率點為—2 dBm,即PSR=2 dB 時,該再生器實現最佳的幅度噪聲抑制特性.從幅度再生的角度來看,該再生器獲得的誤差向量幅度增益(Δ EVM|Amp)達到1.74 dB.在圖5(a)中還給出最佳再生點處獲得的輸入與輸出信號星座圖結果.由于存在幅度壓縮特性,輸出共軛信號的星座圖從幅度角度上存在明顯的擠壓效果,即實現了信號的全光幅度再生.圖5(b)給出了上述功率變化范圍內,共軛信號的相位擾動情況:1)在最佳功率點位置處,相位域上的誤差向量幅度(Δ EVM|Pha)僅劣化0.6 dB,達到了相位保持的工作特性;2)在—5——1 dBm 功率范圍內均保持了相同的相位輸出水平,表現出較大的功率容忍范圍.因此,根據上述實驗測量結果可驗證雙向正交泵浦SOA 結構中實現了具有相位保持性的幅度再生過程.

圖5 (a) 共軛信號的幅度再生性能;(b) 共軛信號的相位噪聲特性Fig.5.(a) Amplitude regeneration performance;(b) characteristics of the phase noise obtained by the conjugated signals.

為進一步確認該再生器工作性能,實驗測量了不同信號質量下的幅度噪聲壓縮結果,如圖6 所示.通過調節EDFA 工作參數,改變輸入的QPSK信號光信噪比(OSNR),以驗證再生器對通信系統中放大器級聯情況下的自發輻射(ASE)噪聲抑制效果.實驗測量了OSNR 在8 dB 到17 dB 情況下全光再生結果.分析實驗結果可知: 1)該再生器具有較寬的噪聲信號處理能力,在整個測試范圍內均得到明顯的幅度噪聲壓縮效果;2)當輸入信號的OSNR=11.26 dB 時,再生器獲得最大的幅度噪聲壓縮,Δ EVM|Amp達到2.2 dB.圖6(b),(c)給出了最佳再生點處獲得輸入和輸出信號星座圖,印證了相位保持幅度再生作用過程.

圖6 (a)信號質量改善與輸入信號OSNR 的依賴關系;(b)最佳再生點處輸入信號星座圖(OSNRin=11.26 dB);(c)最佳再生點處共軛信號星座圖Fig.6.(a) The relationship between the signal-quality improvement and the OSNR of input signals;constellation diagrams of (b) the input signal and (c) the regenerated conjugated signal for the case of the input OSNR=11.26 dB.

4 分析與討論

在構建的數值仿真平臺上,進一步開展多進制數字相位調制(MPSK)信號的相位保持幅度再生仿真研究.當M=4 時,即輸入QPSK 光信號,分析不同OSNR 情況下的再生結果如圖7 中紅線所示.當輸入信號質量較差時,雙向正交SOA 再生器通過幅度噪聲壓縮特性,提升信號質量;伴隨著輸入信號質量的逐漸提升,該壓縮效果引起的信號質量改善逐漸減弱,因此再生信號質量變差.從整體仿真結果來看,本論文提出的再生器可以在OSNR＜26 dB以內的信號提供幅度再生效果,表現出較強的劣化信號處理能力.圖7(b)給出了再生過程中,信號相位的輸出情況.在輸入信號質量較差的工作區間以內,可以保持再生后信號的相位特性,達到了相位保持的設計目的.盡管仿真分析得到的最佳幅度噪聲抑制結果較實驗測量數值高1 dB 左右,但其幅度再生與輸入信號的依賴關系和實驗測量趨勢基本一致,其最佳幅度噪聲抑制工作點均在OSNR=12 dB 左右,這在一定程度上表明了本仿真分析系統的正確性.

圖7 QPSK 和8 PSK 信號的仿真結果 (a)幅度再生性能與輸入信號質量的依賴關系;(b)相位噪聲特性與輸入信號質量的依賴關系Fig.7.Simulation results of QPSK and 8 PSK signal: (a) The dependency of the amplitude regeneration performance and (b) phase noise characteristics on the OSNR of the input signal.

在此基礎上,開展了8 PSK 信號的幅度再生仿真分析.在該仿真計算過程中,輸入信號光功率與泵浦功率值均與QPSK 信號情況一致,計算結果如圖7 中藍線所示.8 PSK 信號的幅度再生效果以及相位保持特性與QPSK 信號結果基本相同,這表明本再生器可在不改變工作參數情況下,支撐高階MPSK 信號的全光處理,滿足相干通信網絡中多種類型信號的再生需求.圖8 分別給了幅度噪聲抑制最佳情況下,QPSK 信號和8 PSK 信號再生前后的星座圖對比,進一步印證了雙向正交SOA 再生器的相位保持幅度再生特性.

圖8 星座圖結果 (a)輸入QPSK 信號;(b)再生QPSK 信號;(c)輸入8 PSK 信號;(d)再生8 PSK 信號Fig.8.Constellation diagram: (a) Input QPSK signal;(b) regenerated QPSK signal;(c) input 8 PSK signal;(d) regenerated 8 PSK signal.

5 結論

本論文提出了雙向正交泵浦SOA 全光再生器結構,該結構支持多重FWM 作用過程,不僅在輸出端口可以得到共軛光產物,也可在輸入端口獲得非線性混頻結果.實驗研究了在同向場作用下得到的共軛信號質量,分析其幅度噪聲壓縮能力隨注入光功率、OSNR 參數的依賴關系,獲得最高2.2 dB的幅度再生結果.通過構建系統仿真平臺,印證了多重FWM 作用過程,并進一步開展了MPSK 信號的再生分析.研究表明8 PSK 信號可以使用與QPSK 再生過程相同的工作參數,達到最佳相位保持幅度再生效果,表明本論文提出的全光再生器具有支持高階調制信號的工作能力.