基于可优化SOA特性的sagnac回路实现全光NRZ波长转换
南京邮电大学光学工程学院
摘要：我们研究了基于使用SOA的Sagnac环形干涉仪的非归零（NRZ）信号的全光波长转换技术。 在以上40 Gbit / s的波长转换NRZ信号的，我们使用一个内部的数值的SOA模型分析的SOA载波特性和萨格奈克环路的性能的SOA长度的影响。 我们发现SOA载波恢复时间应该在1比特持续时间的2到3倍之间才能获得最佳的NRZ波长转换。 除了载波恢复时间要求，用更短的物理长度的SOA是优选的萨格纳克干涉仪中使用。
关键词：半导体光放大器; 波长转换; 非归零信号; 交叉增益调制; 交叉相位调制
第一章 简介
基于半导体光放大器（SOA）的全光波长转换器（AOWCs）可以实现局部波长的重用，非常适合克服下一代透明网络中的波长阻塞问题。已经提出了实现AOWC的几种干涉方案[1-5]。这些方案具有非常明显的传递函数的优点，导致主要的理想消光比[2]，例如，320Gb/s的非常高速的操作[3]，和可重构逻辑运算[5]。
虽然大多数波长转换实验采用归零（RZ）格式，但只有少数允许以非归零（NRZ）格式进行操作的方案[6]。然而，由于这种传输格式的简单性，其合理的色散容限和频谱效率，NRZ格式已经获得了兴趣。允许使用NRZ格式进行再生操作的少数几种方案之一是基于SOA的Sagnac干涉仪方案，也称为SLALOM[1]，已成功演示高达42.7 Gb/s[7]。
在Sagnac干涉仪中使用SOA操作提供了一个优点：SOA可以以相对较慢的速度运行。这是因为输出信号功率与输入信号功率上的积分成比例，并且高频噪声被清除。然而，只有选择具有适当物理特性（例如交叉增益调制和交叉相位调制）的SOA才能获得良好的性能。事实上，SOA特性，特别是SOA载波恢复时间对使用Sagnac干涉仪的波长转换性能的影响尚未得到很好的理解。
在这项工作中，我们研究了NRZ波长转换和SOA载波动态的运行速度如何相关。由于制造具有期望的载流子动力学的SOA是困难的，所以通过使用内部数值SOA模型的模拟进行了调查[8]。我们发现，对于特定的操作速度，SOA恢复过程既不应太快也不会太慢。正确地，最佳的载波恢复时间是1比特持续时间的2到3倍。此外，物理长度较短的SO优选用于Sagnac干涉仪。
第二章 方案和原理
使用Sagnac干涉仪的波长转换方案如图2.1所示.SOA在Sagnac环路中不对称地布置，其偏离距离Sagnac回路中心的时间延迟。
图2.1 基于SOA的Sagnac循环的波长转换方案
耦合器C1将具有波长的连续波信号分成两个反向传播的CW波。它们被称为顺时针传播波。具有上标“c”和逆时针传播波，分别用上标“cc”。另一个耦合器C2将波长的输入数据信号进入Sagnac回路。该输入信号通过SOA引起两个反向传播波上的非线性幅度相位和非线性相位变化。两个反向传播波组合在耦合器C1中并形成波长转换信号。偏振控制器PC1用于控制CW信号的极化。另外一个偏振控制器PC2被加到耦合器C1附近，该耦合器设置两个反向传播波之间的相位差[6,9]。偏振控制器PC2是双折射装置，通常是波片，其具有延迟和取向。在笛卡尔坐标系中，方向是快速轴e相对于复场的y偏振方向的角度。延迟是相对于慢轴o上的场分量的快轴e上的场分量的相位引线。可以描述这样的波片为琼斯矩阵[9,10]。
该波长转换器的操作，即输入功率如何映射到输出上，取决于相对相位差反向传播信号之间。图2.2通过具有所选SOA的Sagnac回路照亮波长转换，其物理性质将在下一节中讨论。相对于图2.2，相位差应该被设定为：
- 当输入信号从0到1转换时，相位差接近于零，参见图22.（b）中的时间点（I）。这确保了最强的增益消耗，进而由输入引起的最大相移 信号导致最低的发射功率，见图2.2（c）中时间点（I）的实线。因此，XPM对于输出信号的转换1到0进行加速。由于随后的输入位保持在高电平，即多位1s，SOA越来越耗尽，器件保持关断状态。同时，相位差逐渐恢复到初始相位偏移，器件逐渐接通。然而，由于SOA中的强大抑制增益，输出端的功率没有太多，请参阅（I）和（II）之间的时隙。简而言之，该器件现在主要用于XGM模式。
图2.2 从（a）输入信号到（c）的波长转换通过具有所选SOA2的Sagnac回路输出信号。 （b）SOA2之后的两个反向传播信号的相位差
- 当输入信号从1到0转换时，相位差较大，将转换到这个切换装置上。因此，大多数能量来自和被引导到传输端口，从而加速恢复，并导致输出信号的转换0，参见图2.2（c）中时间点（II）的实线。对于之后的输入信号中的一系列0s，SOA松弛回到初始载流子浓度水平，并且相位差也松弛回到初始相位偏移。在这种情况下，部分功率来自和被引导到反射端口。
总之，SOA载流子动力学，二者XGM和XPM的影响，影响波长转换的性能。Sagnac干涉仪通过XPM进行加速，只要有0到1或1到0的转换，但是在输入的0或1秒长串时，在所有其他情况下都可以作为纯粹的XGM设备运行信号。输出信号的位0和1之间的消光比最终由XGM决定。
第三章 各种载波恢复时间的SOA的波长转换
为了在波长转换过程中找到正确的SOA载波动态，我们准备了具有各种载波恢复时间的三种数值的SOA。载体恢复时间从数字泵浦探针实验中示意性地得到，如图3.1（a）所示。通过应用已经验证的参考文献[8]中的数值SOA模型，通过实际的SOA，我们准备了SOA1，SOA2和SOA3，载波恢复时间为76,52和34ps，图3.1（b），但具有相同的增益谱，如图3.1（c）所示。上述恢复时间是SOA的相位恢复时间，而不是增益恢复时间。相位恢复主要受带填充动力学的影响[8,9]，其是在40 Gbit/s的对应于25个PS的位持续时间的相关过程。相应的SOA恢复时间是通过改变通用SOA的差分增益和偏置电流来获得的。SOA的有源区长度为1mm，其他SOA参数见附录B。 CW探针信号为1550nm，功率水平为5dBm，泵浦脉冲为1558nm，峰值功率 14.77dBm。
图3.1 （a）示意性泵探针实验设置。（b）三个准备好的SOA的阶段恢复动态。（c）增益谱。（d）增益饱和特性。
全具有各种载波恢复时间的这三种SOA被并入Sagnac循环中。由于这项工作的主要兴趣是SOA动力学的影响，因此模拟中使用的耦合器的功率分配比率是固定的。与以前的实验中使用的那些一致[7]，对于耦合器C1，功率分配比选择为50:50，而耦合器C2的功率分配比选择为50:50。这些比率在各个耦合器中的偏差可以改变对输入功率的要求，但不改变操作原理。在模拟中使用的输入数据信号是在1558nm的光载波处的NRZ信号，其以40Gbit/s的PRBS序列进行调制。输入数据信号具有12dBm的平均功率，CW信号的功率电平为3ddBm。时间延迟已经设置为2ps。
在图2（c）和4之间比较了使用较慢SOA1，“中等”快速SOA2和更快SOA3的Sagnac循环40 Gbit/s的输出信号。请注意，仅显示0.4至1.2ns之间的快照。可以看出，使用“中等”快速SOA2获得最佳波长转换，其具有载波恢复时间为一比特持续时间的2倍。 图3.2中的其他观察结果如下：
图3.2 Sagnac循环后的波长转换信号（a）“慢”SOA1和（b）“快”SOA3
- 当使用缓慢的SOA1时，XPM效应占主导地位。随着多输入位0的进入，慢相恢复在发送信号中给出了相当恒定的功率电平；请参见图3.2（a）中的时间点（II）后的实线。然而，如果单个输入比特0例如对应于图3.2（a）中的时间点（II）和（III）处的输出比特1（实线），则由于载波较慢而导致的模式效应恢复功率仍然是问题。
- 当使用快速的SOA3时，XGM效应是主导的。 在这种情况下，图形效果并不会影响单个输出位1，参见图3.2（b）中时间点（II）和（III）的实线。 由于设置了多个输入位0，导致图3.2（b）中的时间点（II）之后的输出1 s（实线），所以相位差更快地恢复到初始相位偏移。因此，足够的光被引导到反射端口。整体而言，NRZ信号的输出波形不理想。
作为性能判断，当使用这些准备的SOA时，评估输入数据信号和输出波长转换信号之间的Q因子提高.Q因子测量是对误码率（BER）的有效估计，其需要昂贵的设备并且在仿真中也需要更长的计算时间。正Q因子提高表示信号再生。在我们的仿真中，输入数据信号是具有15.9dB的恒定Q因子的噪声负载PRBS信号。为了模拟真正的操作环境，附加噪声通过线性增强放大器后面包括在输出信号中Sagnac循环。该线性增强放大器的噪声系数设定为5 dB.优化输入数据信号和CW信号的光功率后，当波长使用SOA2时，获得约1.8 dB的Q因子提高，并且对于SOA3获得约0.5dB的Q因子提高，而使用SOA1的最佳Q因子提高为约-0.9dB。
第四章 不同物理长度的SOA的波长转换
我们还使用Sagnac回路调查了SOA长度对波长转换的影响。从参考文献[6]已知，通过SOA的两个反向传播波的增益和相位饱和特性可能会有很大的不同。这是因为逆时针传播信号的增益饱和度和相移与SOA长度上的积分成比例[11]。因此，Sagnac干涉仪可以补偿具有给定长度的SOA对于传播信号的低通特性，而不是用于反向传播的信号。
为了将波长转换性能与不同长度的SOA进行比较，我们制备了两个有效区域长度分别为0.6和2mm的SOA。它们分别称为SOA4和SOA5，并与具有有效区域长度为1mm的SOA2进行比较。对于相同的输入功率，三个SOA的载波恢复时间保持为52ps，如图4.1（a）所示。通过改变根据SOA长度施加的偏置电流来实现相同的载波恢复时间。然而，这三种SOA的增益谱不同。事实上，长的SOA可以被理解为几个短SOA的级联。因此，如图4.1（b）所示，SOA越长，增益谱越窄。此外，图4.1（c）比较了这三种SOA的增益饱和特性。我们可以观察到，对于相同的饱和水平，较长的SOA需要较弱的输入功率，这是由于较长的非线性相互作用长度。
图4.1 长度为0.6mm，1mm和2mm的SOAs的特点。（a）三个准备的SOA的相恢复动态。（b）增益谱。（c）增益饱和特性。
改通过准备的SOA4和SOA5，我们模拟了40Gbit/s的波长转换，其中输入数据信号的SOA4平均功率为14dBm，SOA5的平均功率为10dBm。CW功率为3dBm。其他参数没有变化。我们的结果如图4.2所示。
图4.2 不同长度的SOA通过Sagnac回路的波长转换信号
通过使用SOA2，SOA4和SOA5比较输出信号，使用较短SOA4的性能更好。事实上，更长的SOA5不是基于Sagnac循环的波长转换的好选择。其原因在于SOA之后的两个反向传播信号的不对称增益饱和度和相移。
对于这两个SOA，还对输入数据信号和输出波长转换信号之间的Q因子进行了评估。 通过使用较短的SOA4，可获得约1.9dB的Q因子提高，而对于较长的SOA5，最佳Q因子提高约为-1.0dB.因此，较短的SOA在这种波长转换器中是首选。
第五章 结论
在这项工作中，我们调查了基于SOA的Sagnac干涉仪中的波长转换过程，我们特别研究了SOA载波动态的影响。首先，我们发现，SOA中的XGM和XPM效应应该合适方式进行NRZ波长转换。模拟结果还表明，载波恢复时间在一个持续时间的2到3倍之间的SOA给出了最佳的输出NRZ信号。除了这种载波恢复时间要求，Sagnac循环中较为优选的是较短的SOA。这一观察结果在于，在短时间内SOA中来自不同方向的信号所经历的物质响应变得对称。
尽管在此工作中分析的运行速度为40 Gbit/s，但选择适当SOA的标准适用于基于Sagnac循环的更高速率的NRZ波长转换。
参考文献
- Eiselt M, Pieper W, Weber H G. SLALOM: semiconductor laser amplifier in loop mirror. J Lightwave Technol, 1995, 13(10):2099
- Shi S S, Wang H L, Sun L Q, et al. Theoretical study on extinction ratio of wavelength-converted optical signals based on QD-SOA.Commun Technol, 2013, (9): 107
- Liu Y, Tangdiongga E, Li Z, et al. Error-free 320-Gb/s all-optical wavelength conversion using a single semiconductor optical amplifier. J Lightwave Technol, 2007, 25(1): 103
-
Dong J, Luo B, Zhang Y, et al. Reconfigurable photonic differentiators based on all-optical phase modulation and linear filtering.Opt Co
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