电吸收调制器及其在现代光子技术中的应用

　　1 引言

　　随着光纤通信技术和现代光子技术的发展，人类社会对信息交流的需求呈现级数式的增长，对当前的通信网提出了更高的要求。一方面要求通信链路具有前所未有的传输容量和将来进一步升级和扩容的能力,另外又要求网络节点能够灵活地对高速数据进行处理。传统电的复用与交换技术由于受到电子器件速率的限制已不能满足这一需求,在光领域内对信号进行光的复用和光子交换可避开电子瓶颈,这就使网络全光化成为下一代通信网的主要发展方向,与网络全光化有关的各种光子器件和技术成为当前信息技术领域的研究热点。由于半导体电吸收调制器(EAM)具有体积小、利于集成、良好的光开关特性、低噪声及高非线性吸收率等多种独特优点，以EAM为基础、符合网络全光化发展方向的各种高性能光子器件受到国际光纤通信领域的高度重视，相关研究十分活跃，近年来已取得了很大的进展。

　　2 电吸收调制器在光子技术中的应用

　　2.1 基于EAM超短脉冲产生技术

　　2.1.1 DFB-EAM集成产生短脉冲的结构及原理

　　基于电吸收调制器的EAL(electro-absorptionmodulator DFB laser)短脉冲光源的基本结构如图1所示。给EAM加上适当的反向直流(DC)偏置和射频(RF)正弦驱动电压，分布反馈(DFB)半导体激光器输出的连续光(CW)经EAM受外加正弦信号的调制,由于EAM的非线性吸收特性,即随着反向偏压的增加,电吸收调制器对光强的吸收以接近于指数的形式增加,使得偏压增大时,只有很小的光功率透过。在DC与RF下即可产生超短脉冲,脉冲重复率等同于正弦调制速率,宽度由EA调制器的吸收特性和外加的反向DC偏置和RF信号的幅度决定,且调制电压通常情况下要低于锯酸理调制器的驱动电压。

　　2.1.2 EAL的特点

　　光时分复用(OTDM)系统及光孤子通信系统中，由于传输长度或带宽受光源波长啁啾和光纤色散的限制，要求稳定性高、抖动小、噪声低、啁啾小的高重复频率短脉冲光源。EAM通过采用多量子阱(MQW)结构和应变补偿技术，可获得高速、高调制深度、低啁啾和低驱动电压的EAM,而且它易于与DFB半导体激光器集成，从而降低耦合损耗，形成紧凑、稳定的集成光源模块，成为高速率、长距离光纤传输系统中最有前途的光源之一。

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　　2.1.3 基于EAM超短脉冲产生技术的进展

　　EAM具有较高的非线性吸收特性,其输出脉冲啁啾相对较小，脉冲宽度在一定范围内可调谐。目前，基于EAM的超短脉冲源早已成功地应用于超高速的OTDM通信系统中,通过采用行波电极和减小电吸收器的结电容和寄生电容等措施,能够有效提高电吸收器的频响.可以产生10～50GHz速率的超短脉冲[1]。而且，DFB激光器与EAM集成方式产生的光脉冲时域波型接近孤子脉冲波型[2]。这一特点使得它特别适于OTDM光孤子传输系统[3]。

　　此外，用正弦信号驱动MOW EAM直接产生了短至3.6ps的光脉冲[4];基于EAM产生的光脉冲通过色散补偿光纤(DCF)或啁啾光纤光栅可进一步优化脉冲质量,并减小脉冲宽度以利于在OTDM系统中应用。将EAM输出脉冲用各种压缩技术进行压缩,更是得到了短130fs的超短脉冲[5]。基于EAM+脉冲压缩的超短光脉冲源的相关报道也非常多。文献[6]报道了使用EAM和光纤产生超短脉冲的简易且稳定的方法，该文献主要运用光纤及器件的自相位调制(SPM)对EAM产生的脉冲进行压缩，通过使用由一个EDFA、一个WDM滤波器和一个光纤链路所组成的系统,获得了分别对应于1552nm、1549nm波长具有较高功率的1.6ps及2.3ps的脉冲,并且可以通过增加光纤链路将脉冲进一步压缩,获得更短的脉冲源。

　　2.2 EAM在解复用技术中的应用

　　在超高速光时分复用(OTDM)系统中,解复用器是实现OTDM传输系统和网络节点中最关键的器件。其功能是从时分复用后的高速码流信号中将较低速率的支路信号提取出来,同时尽可能减小邻近时隙内信号脉冲的影响。其解复用性能的好坏直接影响了接收信号的误码率。与非线性光纤环镜等基于交叉相位调制效应的全光解复用器相比,EAM型解复用器结构紧凑，性能稳定，在电时钟控制下即可完成解复用功能，因此是一种更接近实用化的高速开关器件,在高速的OTDM系统中得到了广泛的应用[7]。

　　2.2.1 基于EAM解复用器的基本结构及工作原理

　　基于EAM的解复用器的工作原理类似于短脉冲源的产生原理,不同的是输入的光非连续光,而是OTDM短脉冲序列,并且对输出信号的要求不同。

　　如图2所示,EA M用作解复用器实质上是一个可用电信号灵活控制的光开关。当已复用的高速OTDM数据流输入至EAM时,EAM在DC偏置和与输入信号同步的RF正弦信号作用下以RF信号的频率作为重复率打开一定宽度的时间窗口,从而解复用某一路具有基本速率的信号。RF信号的工作频率应等于OTDM系统的基本速率。

　　实际应用中，EAM解复用窗口特性主要由外加反向偏压和正弦调制电压的幅度决定，其二者幅度的相互大小直接决定窗口宽度。消光比，窗口透过率等。这些参数直接影响解复用器本身性能。同时，OTDM信号经过长距离传输后，不可避免地带有一定的抖动成分。因此脉冲的时间抖动会在解复用过程中转化为输出信号的强度变化，从而最终影响到信号接收时的误码率。因此必须同时考虑解复用器本身窗口特性及时钟抖动二者的影响，对EAM的解复用窗口特性进行综合设计以达到最佳解复用窗口，使接收信号的误码率最小。

　　2.2.2 基于EAM解复用器的研究进展

　　在高速光时分复用(OTDM)系统中，解复用器是实现OTDM传输系统和网络节点中最关键的器件。EAM凭借自身的优点,在高速的OTDM系统中得到了广泛的应用[7]。通过级联EAM的方式可进一步减小开关窗口,以便在更高速的OTDM系统中实现解复用。在一定的驱动条件下,EAM也可以产生较宽的开关窗口,从而在OTDM网络节点处实现Drop功能，与解复用器共同实现分插复用器(ADM-Add/drop multiplex er)的功能[8],该技术主要使用恢复的电时钟信号作为EAM的驱动源来控制开关窗口实现定时提取;文献[9]中运用基于锁相环的EAM技术,即使用高速率的检测器、微波混频器及电压受控振荡器来恢复电时钟，同样对EAM进行电驱动实现解复用;文献[10]中证实了EAM中的交叉吸收调制技术可以同时实现时钟恢复与解复用,在3.2dB的功率损耗下，对10Gb/s的数据实现了无误码率的光解码：2003年的OFC会议上，报道了基于行波型EAM由160Gh/s的OTDM系统中将10Gb/s的信号解复用[11],和基于光电二极管与EAM集成的无误码的320Gb/s到10Gb/s的解复用的实验研究[12]。目前集成EAM解复用器和Pin是一个发展趋势[7].为OTDM系统的实用化铺平道路。

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　　2.3 EAM在时钟提取技术中的应用

　　在高速或超高速的光时分复用系统中，无论是点对点还是网络通信,支路时钟信号提取技术是关键技术之一。目前广泛采用的技术是光电锁相环提取时钟的技术，其原理是利用光鉴相器来检测本地光时钟与入射信号光的相位差。利用电锁相环控制产生本地时钟的压控振荡器。其中，鉴相器可以用半导体光放大器中的交叉增益调制技术使本地光时钟与信号光脉冲发生增益调制效应或四波混频效应实现，也可用非线性光纤环镜实现。

　　电吸收调制器具有稳定性好、体积小、能够产生足够小的开关窗口、偏振不敏感(小于ldB)特性，有利于在实际中应用和进行超高速的OTDM信号的时钟提取，因此可以利用EAM作为光开关构成一个锁相环实现提取时钟，EAM在提取时钟的环路中也可以说是起到光电鉴相器的作用。这种时钟提取原理基本相同。但方法各异。1998年I.D.Phillips等人采用单个EAM工作于双向状态下同时实现了解复用和时钟提取[13]：同年，F.Cistemino等人提出的基于Miller分频器原理的注入光电混合振荡器的时钟提取技术[14],具有实现简单,操作的优点,且其所用器件速率不用超过支路信号速率,适合超高速的光时分复用系统中支路时钟提取[15]：贝尔实验室用此种方法实现了从320Gb/sOTDM系统中提取10GHz时钟信号，其中采取级联EAM方式减小开关窗口以实现高速信号中提取支路时钟信号：2000年,Dennis TK.Tong等人则采用平衡型光电二极管实现锁相环路[16]以避免极性模糊的影响,可以实现从80Gb/s的OTDM系统中提取10GHz的时钟：继而，又通过级联EAM产生更窄的开关窗口.实现了从160Gb/s的信号种提取10GHz的时钟信号[17]：2003年.Ehab S.Awad等人利用EAM中的交叉吸收调制技术及平衡检测器同时实现时钟恢复和解复用[18]。

　　2.4 EAM在波长变换技术中的应用

　　WDM系统中由于单信道的速率越来越高,信道数目越来越多,就要解决网络中路由调度和OXC中的波长竞争问题,进而有效地进行路由的选择，降低网络阻塞率,从而提高WDM网络的灵活性和可扩性。波长变换技术,可以实现波长的再利用，即可以解决这一难题。目前,利用半导体光放大器中的交叉增益调制(XGM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频效应(FWM)和光纤中自相位调制效应、交叉调制效应、四波混频效应都可实现波长变换。近年来，基于电吸收调制器(EAM)中交叉吸收调制效应的波长变换技术被广泛研究[19]。

　　2.4.1 基于EAM波长变换技术的原理

　　基于EAM波长变换技术的原理是利用EAM的交叉吸收调制(XAM)效应，如图3所示，当信号光(s为波长)和泵浦光(连续光信号CW)分别从EAM两侧注入时：(1)若信号光功率较低，EAM的吸收还未饱和,信号光和泵浦光均被EAM较好地吸收，此时输出光功率较低：(2)若信号光功率较高，使EAM的吸收达到饱和,则EAM对泵浦光的吸收较小，此时输出光功率较强;(3)若信号光无脉冲，EAM就转向对泵浦光有大量吸收。泵浦光在此过程中完成了对原始信号光的复制,这个特性即为交叉吸收调制。

　　EAM对不同波长的光有不同的吸收效率,这主要是由量子限制斯塔克效应引起。在这里它对信号光有较高的吸收效率,且保持了与之相同的逻辑极性，实现波长转换。在变换过程中，输入信号光的相位信息并没有传递给泵浦光,使得光脉冲经过长距离传输时,由于色散与非线性效应而产生相位失真，经EAM的波长转换后,相位失真将被消除,同时EAM对累积的自发辐射噪声也有吸收作用,从而变换后的光脉冲更有利于传输。

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　　2.4.2 基于EAM波长变换技术的特点及发展状况

　　基于EAM波长变换技术该技术具有以下几方面优点：(1)由于基于EAM的波长变换只需对EAM进行偏置电压控制，操作简单;(2)EAM具有偏振不灵敏性,使得基于EAM的波长变换也为偏振不灵敏的,就可消除光脉冲长距离传输中由非线性色散效应产生的形变,而且缓解了频率啁啾。所以，这种波长变换技术受到了人们的广泛关注。

　　EAM为反偏器件，若增大反偏电压，吸收恢复时间会减小至10ps左右，可实现高速率的波长变换[19]，2003年，K.N-ishimura等人在延时干涉(Di)结构中使用多量子阱EAM实现80Gb/s的波长变换[20]，文献[21]介绍了在EAM-DI结构中利用EAM的交叉吸收调制(XAM)及交叉相位调制(XPM)的非线吸收性效应，实现40Gb/s及80Gb/s的波长变换,并于2005年,利用此技术验证了当光脉冲能量为1.5pJ时能够实现100Gb/s波长变换[22]。另外，新提出一种宽带宽、高速率、光电流驱动(PD)的波长转换技术,并尝试与M-Z干涉仪及EAM集成达到更高的转换速率,2003年S.Kodama等人就验证使用PD-EAM设备支持的数据速率达320Gb/s：2005年实现了100Gb/s输入信号25nm、输出信号20nm变换范围无误码的波长变换[23].为获得更大的带宽,Matthew N.等人将可调的SGDBR激光器与Franz-Keldvsh (FK)EAM集成,验证了基于光带宽达10GHz以上的波长转换[24]。有研究机构利用EAM的非线性吸收特性产生谐波进行频率上、下转换等来进行各方面的应用,也可利用其开关窗口特性也可以实现高分辨率的模数转换网。目前,基于EAM的波长变换技术在上、下行链路的转换中已得到广泛的应用[25]。

　　2.5 EAM在3R再生技术中的应用

　　2.5.1 全光3R再生技术

　　对于高速的OTDM光网络(或者WDM光网络),由于非理想的传输链路和中间节点处理,信号从源节点达到目的节点后,将产生严重的波形畸变,同时接收信号具有较大的幅度抖动和定时抖动,这些不利因素必将造成网络传送能力的降低。因此,在网络中对信号进行3R再生(Reamplification、Reshaoing、Retiming)是非常必要的。全光3R再生器件主要由时钟恢复单元、高速超短脉冲产生单元和高速光开关组成。在完成3R再生功能时,首先由时钟恢复单元从信号中提取比特时钟,用恢复的时钟来驱动本地的高速超短脉冲产生单元,产生高质量的脉冲源。令本地产生的脉冲作为入射信号，接受的数据信号作为控制信号在高速光开关内对本地脉冲进行开关处理,从而将接收到的信息复制到本地脉冲序列中,因此输出脉冲序列即为3R再生信号。

　　2.5.2 FAM在3R再生技术中的应用及发展

　　由于EAM可以实现波长变换,人们对基于EAM的饱和交叉吸收调制效应的3R再生进行了大量的研究。通常，时钟提取通过锁相环路完成,时钟信号驱动另一个调制器产生光时钟,然后与信号光一同反向或同向入射到一定偏置电压下的EAM后,经光滤波器过滤即实现了再生。这种再生方案由于EAM工作在一定的偏置电压下，无射频驱动,易操作。人们自然想到如果用提取的时钟信号驱动EAM来实现再生则会进一步增加再生后光信号的消光比[26]，文献[27]讲述了基于行波EAM光时钟恢复的40Gb/s的全光3R再生技术，该系统中恢复的时钟信号不需进行额外的定时调整及脉冲再生,即可直接注入到波长变换模块,而通过减小行波EAM的损耗可进一步提高3R系统的性能。近期，基于单个EAM的时钟提取、整形、波长变换的3R再生已经实现[28],有望实现小型化,模块化的再生结构。

　　3 结束语

　　除上述功能外，EAM还可实现脉冲编码、限幅降噪等诸多功能，且具有长期稳定性，因此受到许多研究机构(如英国电信、贝尔实验室等)及的关注，在OT DM系统和网络中也得到了全面的应用,在现代光子技术领域将具有广阔的市场前景。