CN101563865A - 使用半导体光放大器（soa）的光传输 - Google Patents

使用半导体光放大器（soa）的光传输 Download PDF

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CN101563865A CNA2007800380969A CN200780038096A CN101563865A CN 101563865 A CN101563865 A CN 101563865A CN A2007800380969 A CNA2007800380969 A CN A2007800380969A CN 200780038096 A CN200780038096 A CN 200780038096A CN 101563865 A CN101563865 A CN 101563865A
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Abstract

一种光纤通信系统，包含：光信号源，适于接收二进制第一信号并产生二进制第二信号，其中，二进制第一信号具有幅度调制成分，二进制第二信号具有幅度调制成分和频率调制成分，此外其中，二进制第二信号特征在于较高强度的1比特被相对于较低强度的0比特红移；半导体光放大器(SOA)，适于接收二进制第二信号并产生二进制第三信号，其中，二进制第三信号具有幅度调制成分和频率调制成分，此外其中，半导体光放大器饱和工作；和，光谱整形器(OSR)，适于把二进制第三信号整形为二进制第四信号，其中，二进制第四信号具有幅度调制成分和频率调制成分。一种用于传送信号的方法，包含：接收具有幅度调制成分的二进制第一信号并产生具有幅度调制成分和频率调制成分的二进制第二信号，其中，二进制第二信号特征在于较高强度的1比特被相对于较低强度的0比特红移；将二进制第二信号通过饱和工作的半导体光放大器(SOA)以产生二进制第三信号，其中，二进制第三信号具有幅度调制成分和频率调制成分；和，把二进制第三信号整形为二进制第四信号，其中，二进制第四信号具有幅度调制成分和频率调制成分。

Description

使用半导体光放大器(SOA)的光传输
优先权声明
本专利申请：
(i)是Daniel Mahgerefteh等于11/08/05递交的名为“POWER SOURCEFOR A DISPERSION COMPENSATION FIBER OPTIC SYSTEM”(代理人案号No.TA YE-59474-00006CON)的No.11/272,100号在审的在先美国专利申请的部分继续申请；
(ii)是Daniel Mahgerefteh等于12/03/02递交的名为“HIGHSPEEDTRANSMISSION SYSTEM COMPRISING A COUPLED MULTI-CAVITYOPTICAL DISCRIMINATOR”(代理人案号No.TAYE-59474-00007)的No.10/308,522号在审的在先美国专利申请的部分继续申请；
(iii)是Daniel Mahgerefteh等于05/26/06递交的名为“FLAT DISPERSIONFREQUENCY DISCRIMINATOR(FDFD)”(代理人案号No.TAYE-59474-00009CON)的No.11/441,944号在审的在先美国专利申请的部分继续申请；
(iv)是Yasuhiro Matsui等于01/18/05递交的名为“CHIRP MANAGEDDIECTLY MODULATED LASER WITH BANDWITH LIMITING OPTICALSPECTRUM RESHAPER”(代理人案号No.TAYE-26)的No.11/037,718号在审的在先美国专利申请的部分继续申请；
(v)是Daniel Mahgerefteh等于02/28/05递交的名为“OPTICAL SYSTEMCOMPRISING AN FM SOURCE AND A SPECTRAL RESHAPING ELEMENT”(代理人案号No.TAYE-31)的No.11/068,032号在审的在先美国专利申请的部分继续申请；
(vi)是Daniel Mahgerefteh等于03/18/05递交的名为“FLAT-TOPPEDCHIRP INDUCED BY OPTICAL FILTER EDGE”(代理人案号No.TAYE-34)的No.1 1/084,630号在审的在先美国专利申请的部分继续申请；
(vii)是Yasuhiro Matsui等于04/13/07递交的名为“OPTICAL FM SOURCEBASED ON INTRA-CAVITY PHASE AND AMPLITUDE MODULATION INLASERS”(代理人案号No.TAYE-74)的No.11/787,163号在审的在先美国专利申请的部分继续申请；并
(viii)要求Yasuhiro Matsui等于08/18/2006递交的名为“SEMICONDUCTOR OPTICAL AMPLIFIER BASED OPTICALTRANSMISSION”(代理人案号No.TAYE-79PROV)的No.60/838,548号在审的在先美国专利申请的优先权。
通过引用将上面标出的八(8)个专利申请包含于此。
技术领域
本发明一般性地涉及在光纤通信系统中使用的半导体激光二极管，并特别涉及用于对在这样的光纤通信系统内传送的数据进行编码的这些激光二极管的频率调制，包括啁啾管理直接调制(chirp-managed directly modulated)激光器。
背景技术
基于频移键控的光通信系统要求能够以高效率以及平坦响应产生光频率调制(FM)的激光器，所述平坦响应从低频直到可与传输系统的比特率比拟的频率，例如，对于10Gb/s数字信号为1MHz到10GHz。
半导体激光器的直接增益调制是已知的产生FM的简单方案。它一般包含以下步骤：以DC偏置来偏置激光器以便给激光器提供增益，并在DC偏置附近调制此注入电流以便产生期望的FM。但是，这种FM产生的方法效率非常低。更具体地说，对FM效率的度量是产生的峰到峰频率调制(有时候也称为绝热啁啾)与所施加调制电流或所施加调制电压(根据具体情况而定)的比率。例如，对于其中激光器阻抗与50欧姆匹配的直接调制激光器，FM效率通常是大约3GHz/V。直接增益调制通过有时候称为增益补偿、空间烧孔和谱线宽度增强的物理机制产生了频率调制(绝热啁啾)，对于材料中任何相关联的增益改变，所述物理机制产生折射率改变。所有这些过程在技术上是已知的。此外，通过电流注入的增益调制所致的FM调制导致了激光腔的加热，这反过来导致产生激光的频率在较慢的时间尺度上红移到较低的频率。这种效应有时候称为热啁啾，并且通常具有和热扩散和耗散时间常数相关联的小于20MHz的频率响应。对于驱动信号上的增加，热啁啾被红移，热啁啾抵消了期望的绝热啁啾，对于相同的信号，绝热啁啾产生蓝移。热啁啾可能产生模式依赖，并且可能增加例如啁啾管理激光器(CML)发射机的数字传输系统的误码率(BER)。
数字光纤光发射机的质量和性能由被发射的数字信号能够无严重失真地传播的距离决定。在通过色散光纤传播以后在接收机处测量信号的误码率(BER)，并确定为获得一定的BER(通常10-12)所要求的光功率，所述光功率有时候称为灵敏度。在发射机输出处的灵敏度与传播以后的灵敏度比较上的差别有时候称为色散代价。它通常由色散代价达到大约1dB水平的距离来刻画。标准的10Gb/s光数字发射机，例如外调制源，在色散代价达到大约1dB水平之前能够以1550nm在标准单模光纤中传送长达大约50km的距离，这有时候称为色散极限。色散极限由以下基本假设确定：数字信号是变换受限的，即信号跨过其各位不具有时变相位，并且对于标准的10Gb/s传输，具有100ps或1/(比特率)的位周期。发射机质量的另一种度量是光纤传播以后的绝对灵敏度。
在现有技术光纤系统中目前使用三种类型的光发射机：(i)直接调制激光器(DML)；(ii)电吸收调制激光器(EML)；和(iii)外调制马赫-曾德尔调制器(MZ)。对于在标准单模光纤中在1550nm以10Gb/s传输，一般假设MZ调制器和EML能够具有最长距离，通常达到大约80km。使用有时候称为相位整形双二进制方法的特殊编码方案，MZ发射机能够达到大约200km。而另一方面，直接调制激光器(DML)通常达到小于5km，因为其固有的依赖于时间的啁啾导致了信号在此距离之后的严重失真。
近来，已经开发了各种使用DML提供长距离光波数据传输(例如在10Gb/s，大于80km)的系统。举个例子但并非限制，在(i)Daniel Mahgerefteh等于11/08/05递交的名为“POWER SOURCE FOR A DISPERSION COMPENSATION FIBEROPTIC SYSTEM”(代理人案号No.TA YE-59474-00006CON)No.11/272,100号美国专利申请；(ii)Daniel Mahgerefteh等于05/26/06递交的名为“FLATDISPERSION FREQUENCY DISCRIMINATOR(FDFD)”(代理人案号No.TAYE-59474-00009CON)的No.11/441,944号美国专利申请；和(iii)DanielMahgerefteh等于12/03/02递交的名为“HIGHSPEED TRANSMISSION SYSTEMCOMPRISING A COUPLED MULTI-CAVITY OPTICAL DISCRIMINATOR”(代理人案号No.TAYE-59474-00007)的No.10/308,522号美国专利申请中，公开了在单模光纤中把DML的距离提高到在10Gb/s大于80km的系统，通过引用把这些专利包含于此。与这些新型系统相关联的发射机有时候被Massachusetts州Wilmington Azna LLC称为啁啾管理激光器(CML)TM发射机。在这些新CML系统中，光谱整形器(OSR)跟随着频率调制(FM)源，光谱整形器(OSR)使用频率调制来提高幅度调制信号并部分地补偿传输光纤中的色散。参见图1，它示出了CML发射机。在这些CML发射机的某些优选实施例中，频率调制源可以包含直接调制激光器(DML)。有时候被称为频率鉴别器的光谱整形器(OSR)可以由适当的光学元件形成，所述光学元件具有依赖于波长的传输函数，例如滤波器。可使OSR适于把频率调制转换为幅度调制。
本发明的目的至少在于提高前述CML系统的性能。
发明内容
本发明提供了一种基于激光器中的腔内相位和幅度调制的光学频率调制(FM)源。在本发明的一种形式中，该FM源可以在CML发射机中使用。更具体地说，在本发明的一个优选形式中，提供了(i)包含FM源的啁啾管理激光器(CML)，和(ii)光谱整形器(OSR)滤波器，其中，使用激光腔的腔内损耗调制产生期望的FM。这种用于FM产生的方法可以被应用于各种激光器设计，并且可以使用各种方法来调制该激光腔的损耗。在本发明的一个优选实施例中，激光器是分布布拉格反射器(DBR)激光器，并且激光腔的损耗被集成在该激光腔中的电吸收(EA)调制器直接调制。对腔损耗的调制导致增益部分中的载流子密度显著地变化，从而产生了大的绝热啁啾。这种方法十分有益，因为其明显地减少或者消除了激光器内的热啁啾，从而提高了系统的FM效率。这能够给前述CML系统提供相当大的改善。
在本发明的一种形式中，提供了一种光纤通信系统，包含：光信号源，适于接收具有比特周期T的二进制基信号，并产生第一信号，其中，第一信号被频率调制；和
光谱整形器(OSR)，适于把第一信号整形为第二信号，其中，第二信号被幅度调制和频率调制；
其特征在于：
光信号源是激光器，在所述激光器中，通过调制激光腔的损耗产生频率调制。
在本发明的另一种形式中，提供了一种用于传送信号的方法，包含：接收具有比特周期T的二进制基信号，并产生第一信号，其中，第一信号被频率调制；和
把第一信号整形为第二信号，其中，第二信号被幅度调制和频率调制；特征在于：
通过使用激光器，第一信号被频率调制，在所述激光器中，通过调制激光腔的损耗产生频率调制。
在本发明的另一种形式中，提供了一种光纤通信系统，包含：光信号源，适于接收具有比特周期T的二进制基信号，并产生第一信号，其中，第一信号被频率调制；和
光谱整形器(OSR)，适于把第一信号整形为第二信号，其中，第二信号被幅度调制和频率调制；
其特征在于：
光信号源是激光器，在所述激光器中，通过调制激光腔的相位产生频率调制。
在本发明的优选形式中，提供了一种光纤通信系统，包含：
光信号源，适于接收二进制第一信号并产生二进制第二信号，其中，二进制第一信号具有幅度调制成分，二进制第二信号具有幅度调制成分和频率调制成分，此外其中，二进制第二信号特征在于较高强度的1比特被相对于较低强度的0比特红移；
半导体光放大器(SOA)，适于接收二进制第二信号并产生二进制第三信号，其中，二进制第三信号具有幅度调制成分和频率调制成分，此外其中，半导体光放大器饱和工作；和
光谱整形器(OSR)，适于把二进制第三信号整形为二进制第四信号，其中，二进制第四信号具有幅度调制成分和频率调制成分。
在本发明进一步的优选形式中，提供了一种用于传送信号的方法，包含：接收具有幅度调制成分的二进制第一信号并产生具有幅度调制成分和频率调制成分的二进制第二信号，其中，二进制第二信号特征在于较高强度的1比特被相对于较低强度的0比特红移；
将二进制第二信号通过饱和工作的半导体光放大器(SOA)以产生二进制第三信号，其中，二进制第三信号具有幅度调制成分和频率调制成分；和把二进制第三信号整形为二进制第四信号，其中，二进制第四信号具有幅度调制成分和频率调制成分。
附图说明
通过下面对本发明优选实施例的详细描述，并结合附图一起考虑，将使本发明的这些以及其他目的、特征和益处更全面地公开和清楚，在附图中，相同的数字指示相同的部件，并且其中：
图1是示出啁啾管理激光器发射机的示意图；
图2是示出在腔内具有用于有效的FM产生的直接调制电吸收损耗部分的DBR激光器的示意图；
图3是示出了激光波长对阈值电流的依赖度，并示出了在激光器中使用损耗调制用于FM产生的效率；
图4示出了激光器的速率方程，包括通过光子寿命调制进行的损耗调制；
图5示出了对常规增益调制的AM和FM响应；
图6示出了对损耗调制的AM和FM响应；
图7示出了对+/-2％腔内损耗调制的AM和FM响应；
图8示出了对通过Is和Os数字序列的损耗调制进行的作为时间函数的AM和FM响应；
图9示出了对纯腔内相位调制的AM和FM响应；
图10示出了对同时腔内损耗调制和相位调制的AM和FM响应；
图11示出了在010信号通过半导体光放大器(SOA)以后该信号的强度失真和啁啾失真；
图12示出了简单的AM-FM信号，其中，高强度与高频相关，并且示出了SOA对信号的AM成分如何起到高通滤波器的作用，以及SOA对信号的FM成分如何起到低通滤波器的作用；
图13示出了简单的AM-FM信号，其中，高强度与低频相关，并且示出了SOA对信号的AM成分和FM成分如何都起到高通滤波器的作用；
图14示出了具有瞬态啁啾的标准DML信号，其中，AM调制和FM调制具有相同的符号(即高强度与高频相对应)，并示出了具有瞬态啁啾的腔内损耗调制信号，其中，AM调制和FM调制具有相反的符号(即高强度与低频相对应)；
图15示出了对于标准DML信号和腔内损耗调制信号，由SOA饱和工作所导致的强度和啁啾失真；
图16示出了对于标准DML信号的实验证据(在2.5Gb/s的2Vpp调制)；
图17示出了深饱和SOA对于强度波形如何起到高通滤波器的作用，并且对于频率波形如何起到低通滤波器的作用；
图18示出了从腔内损耗调制信号的直接输出；
图19示出了通过饱和的SOA以后的腔内损耗调制信号；
图20示出了在OSR滤波器的短波长侧的信号；
图21示出了在OSR滤波器的长波长侧的信号；
图22示出了数据通过损耗调制激光器、饱和SOA和OSR如何被转换；和
图23示出了损耗调制激光器阵列的输出与MMI组合，然后利用SOA放大的结构，全都被单片集成。
具体实施方式
腔内损耗调制和/或腔内相位调制以改善信号传输
图2示出了本发明的一个优选实施例，其中，电吸收(EA)调制器被集成在分布布拉格反射器(DBR)激光腔的内部。EA部分被反向偏置。把反向偏置电压施加于EA增大了腔损耗，这增大了发射激光的阈值增益。这增大了阈值载流子密度，它导致激光频率向蓝移，即提供了频率调制。
通过参考图3，能够理解通过损耗调制产生的较大的FM效率，图3示出了作为注入到行波(CW)激光器中的电流的函数的激光波长。已知CW半导体激光器的激光波长依赖于阈值电流。当在阈值以下更多的载流子被注入到激光器中时，波长蓝移。例如，当阈值电流从7mA提高到9mA时，激光器的波长移动0.2nm(24GHz)。这对应于12GHz/mA的频移效率，并且表明腔内损耗调制可以是在激光器中产生FM的非常有效率的方式。
对半导体激光器的“标准速率方程模型”的修改可以示出损耗调制如何在高速调制的情况下产生FM。图4示出了光子、载流子和相位的一组速率方程，其中，通过在速率方程中调制光子寿命包括了损耗调制。通过调制腔的镜面损耗可以实现光子寿命的调制。光子寿命调制是用于调制激光器的腔内损耗以产生期望的FM调制的几种方法之一。其他的方法也可用，例如使用可饱和吸收器等的镜面损耗调制、腔内损耗调制。因此，这里在速率方程中使用光子寿命调制以便示出对激光器的AM响应和FM响应的损耗调制的结果，但是并非旨在表明只有这一种方法可用。
为了阐明常规增益调制和本发明的损耗调制方法之间的差别，我们可以比较这两种情况(即常规增益调制和本发明的损耗调制方法)的速率方程的小信号频率响应解。图5描述了对激光二极管的常规高速增益调制的速率方程的小信号频率响应，所述调制产生了幅度调制(AM)和频率调制(FM)。如本领域已知的那样，AM响应在略低于特征驰豫振荡频率fr的频率显示出峰值，峰值高度约4dB。该响应在fr以上以40dB/十倍频的速率滚降。FM响应恰在fr处显示出峰值，峰值响应约10dB。该响应在fr以上以20dB/十倍频的速率滚降。因此，利用激光二极管的常规电流调制，FM具有更高的有效带宽。
相反，图6示出了激光二极管的腔内损耗调制的AM和FM响应。在这种情况下，和常规增益调制相比，AM和FM的频率响应显示出了相反的趋势。AM响应在fr显示出峰值，峰值高度约15dB，并在fr以上以40dB/十倍频的速率滚降。FM响应在略低于fr的频率显示出峰值，峰值响应约4dB。该响应在fr以上以20dB/十倍频的速率滚降。因此，对于腔内损耗调制方案，预期AM调制带宽上的增加，而FM调制带宽将低于电流调制的带宽。
在本发明的另一个实施例中，通过添加腔内相位调制来增强FM响应。
图7示出了腔内损耗+/-2％调制的AM和FM响应。典型的EA调制器的对应调制电压是大约0.2Vpp。如速率方程的小信号分析所示，FM响应显示出直到特性频率fr的相对平坦的响应。对于EA调制器部分的约0.2Vpp的较小的调制，FM效率高达5GHz。AM响应在fr附近显示出大的峰值。
在本发明的一个优选实施例中，损耗调制FM源被与光谱整形器(OSR)滤波器一起用作啁啾管理激光器(CML)中的源，如在(i)Yasuhiro Matsui等于01/18/05递交的名为“CHIRP MANAGED DIECTLY MODULATED LASERWITH BANDWITH LIMITING OPTICAL SPECTRUM RESHAPER”(代理人案号No.TAYE-26)的No.11/037,718号美国专利申请；(ii)Daniel Mahgerefteh等于02/28/05递交的名为“OPTICAL SYSTEM COMPRISING AN FM SOURCEAND A SPECTRAL RESHAPING ELEMENT”(代理人案号No.TAYE-31)的No.11/068,032号美国专利申请；和(iii)Daniel Mahgerefteh等于03/18/05递交的名为“FLAT-TOPPED CHIRP INDUCED BY OPTICAL FILTER EDGE”(代理人案号No.TAYE-34)的No.1 1/084,630号美国专利申请中所描述的那样，通过引用将这些专利申请包含于此。
图8示出了通过数字序列调制的例子，其中示出了损耗调制激光器的AM和FM响应。图8还示出了信号如在上面标识的啁啾管理激光器(CML)专利文档中规定的那样通过光谱整形(OSR)滤波器以后的光谱以及幅度波形。利用OSR滤波器的FM到AM转换至少提高了作为结果的信号的幅度消光比(Extinction Ratio)。
现在参见图9，在本发明的另一个实施例中，在腔内部只有相位被调制。在这种情况下，不存在AM调制，因为增益不受影响，并且FM响应可以本质上是平坦的，并且只受被调制部分的RC滚降限制。在速率方程中很清楚，当调制频率从DC扫描到fr以上时，FM的相位从0变化到π/2。因为在调制信号和腔内的纯相位调制所产生的FM响应之间不存在时延，所以损耗调制引起的FM和纯相位调制引起的FM之间的相对延迟随着调制频率变化。在低频，相位都是相差为π，因为损耗调制和相位调制的FM的符号相反，假设使用QCSE(或Franz-Keldysh)响应产生相位调制。
图10示出了腔内损耗和相位调制(它可以由例如EA部分中的反向偏置调制引起)都存在的情况。在低频，作为EA部分中损耗调制与相位调制的竞争的结果，FM响应下降。在高于fr的频率，这两种效应相加以至于提高了FM响应。因此有可能设计具有高到大约40GHz的相当平坦的响应的FM响应。
可以使用各种机制在激光器的腔中引起损耗调制。这些机制包括但不限于：(i)量子限制斯塔克效应(QCSE)；(ii)Pockels效应；和(iii)Franz-Keldysh效应。这些全都是通过将电压施加于半导体材料而产生的该材料的吸收或折射率特性上变化的不同表现，并且是技术上已知的。
腔内损耗调制可以被应用于各种单片激光器设计。举例但并非限制，这些包括：(i)分布反馈式(DFB)激光器；(ii)分布布拉格反射器(DBR)激光器；(iii)采样光栅分布布拉格反射器(SG-DBR)激光器；和(iv)Y分支DBR激光器。在每一个例子中，需要添加激光器的新的损耗部分(例如EA部分或者可饱和吸收器部分)，以便在腔中引起损耗。或者，在每一个例子中，可以调制镜面损耗。
其他的激光器也可被损耗调制以便产生期望的FM。这些包括但不限于：(i)外腔激光器，例如具有光纤布拉格光栅、环形谐振器、平面光路(PLC)布拉格光栅、阵列波导光栅(AWG)和光栅滤波器作为外腔的外腔激光器；(ii)垂直腔表面发射激光器(VCSEL)；和(iii)法布里-珀罗激光器。前述所有这些激光器以及其他的激光器，也可以被损耗调制以便产生期望的FM。
使用半导体光放大器(SOA)的光传输
半导体光放大器(SOA)被广泛用于放大光传输系统中光数字信号。公知SOA导致进入信号的(以强度和啁啾的形式)失真，其中1和0的强度被数字调制(见图11)。对于输入SOA中的较高输入功率(即较高强度的信号)，由于信号导通状态期间SOA中较强的载流子耗尽，紧跟着是信号关闭期间载流子恢复到未饱和水平，这种失真变得显著，有限的时间常数被定义为增益恢复时间。SOA中载流子的耗尽通过等离子体效应导致折射率的变化。这反过来导致了信号即时频率的变化，信号的即时频率的变化被作为折射率变化或相位的时间导数获取。这导致信号前沿的频率下啁啾和信号后沿的频率上啁啾(图11b)。这是当强度调制数字信号通过SOA时观察到的瞬态啁啾的根源。图11示出饱和SOA导致的信号强度上的失真对于AM信号可以被描述为“高通滤波器效应”，因为输入脉冲的前沿在SOA以后经历了强度波形上的过冲。这是因为高频成分经历未饱和增益，而低频成分经历较小的饱和增益。
图12示出了频率调制与强度调制共存，例如CML信号通过SOA的情况的SOA信号失真。在这种情况下，信号的AM成分中的高强度比特对应于信号FM成分中的高频，即具有较高强度的数字1比特被相对于较低强度的0比特蓝移。当这个信号通过SOA时，前沿产生瞬态啁啾，其频率偏移为负(即频率下啁啾)。此频率偏移具有和进入信号的绝热啁啾的符号相反的符号，因此增大了FM信号在前沿的上升时间和后沿的下降时间。换句话说，SOA对于信号的FM成分起到低通滤波器的作用，并限制了进入信号的带宽，这对于高比特率传输是不合适的。因此，一般不可能把饱和SOA用于既具有频率调制也具有强度调制的信号，例如一般不可能把饱和SOA用于CML信号。
图13也示出了频率调制与强度调制共存但是啁啾具有和图12中所示的前一例子相反符号情况的SOA失真。在图13中所示的情况中，AM成分中的高强度比特对应于FM成分中的低频，即高强度1比特相对于低强度0比特红移，0比特被蓝移。这里，随着通过SOA，信号的前沿产生瞬态啁啾，其频率偏移为负(即频率下啁啾)。这种情况下这种SOA引起的啁啾具有和进入信号的绝热啁啾相同的符号，因此降低了信号的FM成分在前沿的上升时间和在信号后沿的下降时间。换句话说，SOA对于FM成分起到了高通滤波器的作用，并扩展了进入信号的带宽，这能够改善高比特率传输的性能。
在这个方面，应该注意在CML应用中，OSR限制了带宽，例如对标准眼图波罩余量测量的那样，通过增加信号的上升和下降时间(即OSR从啁啾波形去除瞬态啁啾成分)，因此倾向于减小眼图开度(Eye Opening)。重要的是，现在已经发现SOA提供的高通效应可被有利地用于抵消OSR的带宽限制效应。
在实际应用中，输入信号的原始FM成分的绝热啁啾和SOA所生成的瞬态啁啾的相对大小应该在正确比例内调整，以便提供最大带宽。这将在下列包括实验结果的讨论中探讨。
首先，我们考虑在饱和SOA之前和之后的直接调制激光器的幅度和啁啾。图14a示出了直接调制激光器(DML)的输出。在这种情况下，较高的强度(即1的状态)在频率上相对于较低强度0状态蓝移；这是DML绝热啁啾的特性。在频率波形的前沿，即在0到1转换处，还存在蓝移的“过冲”；并且在频率波形的后沿，即在1到0的转换处，存在红移的“下冲”，这被定义为正瞬态啁啾。图15a示出了当直接调制激光器信号通过饱和SOA时该SOA的输出。在这种情况下，强度调制信号的前沿被有力地放大，而强度调制信号的后沿被相对较少地放大。由于SOA的饱和所致，在饱和SOA输出处的对应频率调制波形现在表现出更长的上升和下降时间。
在图16中，示出了实验观察到的直接调制DFB激光器的强度和啁啾波形。偏置是80mA，并且调制电压在2.5Gb/s是2vpp。强度调制的消光比是3.5dB。FM的绝热啁啾成分是8GHz。从图16可以看出，对于直接调制激光器，对于1比特的稳定状态，瞬态啁啾峰值在频率上相对于绝热啁啾信号高2GHz。
图17示出了当图16的直接调制信号通过饱和SOA时该SOA的输出。在这个例子中，SOA的偏置是500mA，并且输出功率是14dBm。从DFB激光器到SOA的入射功率被调整，以便把SOA的饱和调整到处于增益的8dB压缩点。注意，由于饱和SOA生成的负瞬态啁啾所致，前沿的瞬态啁啾被向红移频率拉动。负瞬态啁啾被定义为0到1转变处的红移瞬态啁啾和1到0转变处的蓝移瞬态啁啾。在这种情况下，峰值瞬态啁啾在频率上相对于1比特的绝热啁啾成分低1GHz。在这种情况下，SOA的增益恢复时间常数可以被看作是大约300ps。这样较慢的时间常数对于10Gb/s或者更高的传输是有害的。这是使用饱和SOA的常规传输已知的问题。在现有技术系统中，为了避免这个问题，进入信号的功率常规上被限制到低于SOA的某个饱和点，例如3dB饱和点的水平，以便保障被SOA线性放大。SOA的输入3dB饱和点被定义为SOA的增益和小信号增益相比降低了3dB的输入功率。这个工作范围是不期望的。为了工作于线性范围，SOA的偏置需要较高，以便增加SOA的饱和功率，导致了功耗的增加。
重要的是，本发明提供了抑制饱和SOA所导致的波形失真的新方法。此外，这种新方法通过增大输出信号的有效调制带宽，从而允许SOA被在高达8dB的饱和点使用，可以被用来将SOA的饱和变为益处。
更具体地说，在本发明中，通过利用具有较小AM偏移、较大FM偏移和负绝热啁啾的进入数字信号，并将该信号通过饱和工作的SOA，可以改善信号传输。这里，具有负绝热啁啾的数字信号被定义为其中较高强度的1比特被相对于较低强度的蓝移的0比特信号红移的信号。在这种情况下，对于输入的啁啾波形，饱和的SOA起到高通滤波器的作用，而强度波形则经历了消光比的减小，在前沿和后沿具有略微增强的瞬态尖峰。如先前所讨论的那样，通过调制激光腔中的损耗，可以产生这种具有负绝热啁啾的输入信号。
在FM和AM调制信号通过光谱整形器滤波器(OSR)的传输边沿的啁啾管理激光器应用中，FM被转换为AM，导致高光传输所要求的高消光比。强度失真被光带通滤波器(也叫作光谱整形器，或OSR)去除，因为被转换为AM的高FM主导了光带通滤波器之后的波形。由饱和SOA的高通效应导致的FM波形的过冲被光滤波器的带通效应抵消，导致了具有高消光比和基本无失真的较宽的“张开的眼图”。因此，对于CML应用，当在其输入使用负绝热啁啾时，通过把OSR与饱和SOA组合，可以提高OSR输出处的眼图余量。
现在将提供把腔内损耗调制与饱和SOA结合使用的进一步的细节。
在本发明中，通过调制激光器腔中的损耗而不是例如通过电流调制增益，可以产生CML发射机中的调制。更一般地意义上，如本发明中所讨论的那样，在本发明中，任何绝热啁啾为负，即较高强度的1比特被相对于较低强度的被蓝移的0比特红移的AM-FM调制格式可以被结合饱和SOA使用，以便提供改善的传输。举例但并非限制，用于AM和FM调制的LN(铌酸锂)调制器可被用来产生在AM和FM信号之间具有任意相位关系的AM-FM同调制信号。因此，根据本发明，在AM和FM信号之间具有适当相位关系的LN调制器可以和饱和SOA结合使用。又例如，被EA调制器紧跟的DFB激光器的直接调制可被用来(i)由DFB激光器产生绝热啁啾，和(ii)然后由EA调制器降低高频比特的强度。
通过在激光腔中集成电吸收(EA)调制器部分或者把增益部分接触分割为被施加了反向电压的小部分以便通过吸收引起损耗，可以实现激光腔中损耗的调制。在耦合腔激光器(例如具有额外镜面的VCSEL，集成了在刻面具有反射的额外无源部分的DFB)的情况下，增益部分的直接调制产生了绝热啁啾，然后，这被腔的频率依赖镜面损耗转换为腔内损耗调制。在这种情况下，通过增益部分的直接调制，可以产生具有倒转AM-FM关系(即负绝热啁啾)的高FM调制。在这些调制方案中，可以获取大约20GHz/V的高FM效率，导致对于5GHz绝热啁啾的大约仅0.5dB的ER(见图14b)。在这种情况下，饱和SOA生成的啁啾对于啁啾波形产生高通效应(见图15b)。如上面所指出的那样，这对于高比特率传输系统是有益的。常规上，很难将饱和SOA用于10Gb/s传输系统，但是在本发明中，饱和SOA改善了工作于10Gb/s或者更快的传输系统的性能。
作为实验证据的例子，在图18中示出了腔内损耗调制信号。激光器是具有500微米增益长度和30微米可饱和吸收器(SA)长度的腔内损耗调制DBR激光器。RF和SA的反向偏置被施加于SA部分用于腔内损耗调制。在2.5Gb/s增益偏置是130mA，并且调制电压是1.3Vpp。SA反向DC偏置是-0.66V。该激光器的绝热啁啾是6GHz，并且对应的消光比(ER)是0.71dB。绝热啁啾为负。如图18中所示，使用这种腔内损耗调制方法，对于1比特的稳定状态，瞬态啁啾峰值在频率上比对应的绝热啁啾信号高1GHz。
现在可以观察到使损耗调制信号通过饱和SOA的效果。在图19中，SOA的进入信号功率被调整为把饱和点设置到8dB。由于SOA中的强饱和所致，在饱和SOA之后的幅度调制(AMER)的ER被进一步减小到0.26dB。在前沿和后沿，观察到强度波形中的瞬态尖峰，因为如技术上所理解的那样，SOA输入信号的高频成分不经历饱和。在啁啾波形中，瞬态啁啾成分在前沿和后沿都被突出，因为如上面所定义，损耗调制激光器和SOA中的瞬态啁啾都是负瞬态啁啾。对于1比特的稳定状态，瞬态啁啾峰值在频率上相对于绝热啁啾信号高2.5GHz。瞬态啁啾上的这种增强是有益的，因为它提高了高于10Gb/s工作的CML应用或者更一般的传输系统中的眼图波罩余量。
可以通过SOA的饱和调整进入信号的绝热啁啾相对于SOA生成的瞬态啁啾的大小，SOA的饱和依赖于SOA偏置和输入SOA的信号功率，以及进入信号的绝热啁啾和ER(消光比)。在图16和图17中所示的实验证据中，SOA的饱和是8dB，AMER是3.5dB，FM是8GHz，并且由SOA导致的瞬态啁啾(TCsoa)在前沿是-3GHz.，时间常数300ps。如果可接受的TCsoa的范围是-1GHz，则SOA的饱和需要被降低到3dB，或者AMER需要为1dB。在另一方面，对于例如图18和图19中所示的损耗调制信号(或实际上为AM-FM反转信号)，SOA的饱和是8dB，AMER是-0.72dB(对于AM-FM反转信号为负)，FM是6GHz，并且由SOA导致的瞬态啁啾(TCsoa)是+1.5GHz(并且总的瞬态啁啾是+2.5GHz)。瞬态啁啾的这种略微增加对于包括CML格式的高比特率传输系统是个优点。举例但并非限制，在CML应用中，瞬态啁啾的可接受范围大约是4GHz。这意味着AMER可以是大约-1.5dB，而SOA的饱和可以是8dB。使用这样高度饱和的SOA对于来自SOA的高输出功率是有益的，或者反过来，对于给定的输出功率，SOA中的低功耗是有益的。
作为SOA低功耗的例子，为了具有来自SOA的13dBm输出功率，SOA的3-dB饱和功率可以低达5dB。使用短SOA长度(大约300微米)以及较低的偏置电流(大约150mA)，很容易设计这样的SOA。在另一方面，标准DML信号的放大要求具有16dBm饱和功率的SOA以产生相同的输出功率。这可能要求1.5mm的SOA长度以及700mA注入电流。
在下面的实验结果中演示了瞬态啁啾对于CML应用的益处。通过使信号通过在CML发射机中使用的光谱整形器(OSR)，FM被转换为AM。由于腔内损耗调制激光器的高FM和低AM所致，在FM成分中SOA引起的失真相对于原始的较大的FM成分较小，具有被负alpha参数描述的特征。被饱和SOA引起的这种瞬态啁啾(前沿的过冲和后沿的下冲)被OBF(光学带通滤波器，也叫做光谱整形器或者OSR)抵消，导致在OSR以后宽的张开的眼图(图20和图21)。在图20和21中，信号在OSR的短(图20)或长(图21)波长侧通过。对于OSR的短波长侧和长波长侧，OSR的输出类似，因为AMER在输入较低(大约0.2dB)。OSR之后的ER是原始AMER和通过OSR的FM-AM转换的ER增强之和。如果AMER和OSR引起的ER是相同符号，则OSR输出处的ER增大。如果AMER和OSR引起的ER是相反的符号，则OSR输出处的ER降低。例如，利用DFB激光器，如果FM是7GHz并且OSR的斜率是1.3dB/GHz，则AMER是3dB并且OSR引起的ER是9.1dB。在这种情况下，如果进入信号被定位于OSR的长波长侧，则总的ER是12.1dB(3dB+9.1dB)。或者，如果进入信号被定位于具有-1.3dB/GHz的相同斜率的OSR的短波长侧，则总的ER是-6.1dB(3dB-9.1dB，其中，负号表示数据信息被反转)。因此，作为结果的ER在短波长侧不那么高。仍有可能通过使用更大斜率的OSR提高ER，但是，当OSR的斜率增加时，眼图可能显示出噪声和抖动。在另一方面，对于损耗调制信号，SOA之后的ER被降低到0.2dB。在这种情况下，在OSR的任一侧可以获取高ER。在图20中，在OSR的短波长侧，ER是10.7dB，而在图21中，在OSR的长波长侧，ER是12.55dB。而且，图20和图21中的眼图显示出轻微的过冲/下冲。这帮助张开眼图并提高波罩余量。由于OSR的适中的斜率(大约1.5dB/GHz)和损耗调制激光器的FM响应的平坦性所致，眼图中的抖动较小。
饱和SOA之后信号的低ER使OSR的任何一侧均可用来实现高ER和低抖动。图22示出了数据通过损耗调制激光器、饱和SOA和OSR被如何转换。当数据进入损耗调制激光器时，1比特对应于高强度和红移啁啾(见图22a)。在饱和SOA之后(图22b)，ER在AM成分中被抑制，并且瞬态啁啾被添加到FM成分。
如果在OSR的高频侧实现了激光器到OSR的波长锁定，则输出具有和原始数据相同的逻辑极性。在这种情况下，OSR的色散和标准传输光纤在1550nm附近的色散具有相同的符号，因此，OSR和传输光纤的总色散增加。如果光纤链路具有过补偿(负色散)，则传输性能改善，因为OSR降低了总色散。可以获取略高的ER，因为AMER和通过FM-AM转换由OSR引起的ER具有相同的符号。
如果在OSR的低频侧实现了激光器到OSR的波长锁定，则输出相对于原始数据具有反转的极性。这可以通过使用来自驱动器的RF输出端口的DATABAR校正。OSR的色散是和标准传输光纤(STF)在1550nm附近的色散相反的符号，因此，OSR和传输光纤的总色散降低，并且在STF中传输性能被改善。将获取略低的ER，因为AMER和通过FM-AM转换由OSR引起的ER具有相反的符号。
图23示出了损耗调制激光器阵列的输出被与多模干涉(MMI)组合，然后利用SOA放大的情况，全都单片集成。在覆盖整个C波段的可调谐应用中，经常使用激光器阵列，其中，每一个激光器带的调谐范围有限。为了组合来自激光器带的输出，可以以组合器的损耗为代价，使用MMI或阵列波导光栅(AWG)。在本发明背景下，单片集成SOA以补偿这种损耗是可能的。修改
将会理解，不偏离本发明的原理和范围，本领域技术人员可以对为了说明本发明的本质已描述和图示的细节、材料、步骤和零件排列做出许多变化。

Claims (20)

1.一种光纤通信系统，包含：
光信号源，适于接收二进制第一信号并产生二进制第二信号，其中，二进制第一信号具有幅度调制成分，二进制第二信号具有幅度调制成分和频率调制成分，此外其中，二进制第二信号特征在于较高强度的1比特被相对于较低强度的0比特红移；
半导体光放大器(SOA)，适于接收二进制第二信号并产生二进制第三信号，其中，二进制第三信号具有幅度调制成分和频率调制成分，此外其中，半导体光放大器饱和工作；和
光谱整形器(OSR)，适于把二进制第三信号整形为二进制第四信号，其中，二进制第四信号具有幅度调制成分和频率调制成分。
2.如权利要求1所述的光纤通信系统，其中，光信号源包含激光器，此外其中，通过激光器的腔内损耗调制产生二进制第二信号。
3.如权利要求2所述的光纤通信系统，，其中，激光器包含包括半导体材料的腔，此外其中，通过把适当的电压施加于半导体材料以便引起半导体材料的吸收上的变化来实现腔内损耗调制。
4.如权利要求3所述的光纤通信系统，其中，通过使用由(i)量子限制斯塔克效应(QCSE)；和(ii)Franz-Keldysh效应组成的组中的一个来实现腔内损耗调制。
5.如权利要求2所述的光纤通信系统，其中，激光器包含由(i)分布反馈式(DFB)激光器；(ii)分布布拉格反射器(DBR)激光器；(iii)采样光栅分布布拉格反射器(SG-DBR)激光器；和(iv)Y分支DBR激光器组成的组中的一个。
6.如权利要求2所述的光纤通信系统，其中，激光器包含由(i)具有光纤布拉格光栅的外腔激光器；(ii)具有环形谐振器的外腔激光器；(iii)具有平面光路(PLC)布拉格光栅的外腔激光器；(iv)具有阵列波导光栅(AWG)的外腔激光器；(v)具有光栅光纤的外腔激光器；(vi)垂直腔表面发射激光器(VCSEL)；和(vii)法布里-珀罗激光器组成的组中的一个。
7.如权利要求1所述的光纤通信系统，其中，光谱整形器(OSR)包含滤波器。
8.如权利要求7所述的光纤通信系统，其中，滤波器具有高频侧和低频侧，此外其中，系统被配置成使用滤波器的高频侧以便补偿在下游光纤传输链路中的负色散。
9.如权利要求1所述的光纤通信系统，其中，光信号源包含多个激光器，此外其中，每一个激光器的输出被引导进入半导体光放大器(SOA)的输入。
10.如权利要求9所述的光纤通信系统，其中，多个激光器共同覆盖一个波长范围。
11.一种用于传送信号的方法，包含：
接收具有幅度调制成分的二进制第一信号并产生具有幅度调制成分和频率调制成分的二进制第二信号，其中，二进制第二信号特征在于较高强度的1比特被相对于较低强度的0比特红移；
将二进制第二信号通过饱和工作的半导体光放大器(SOA)以产生二进制第三信号，其中，二进制第三信号具有幅度调制成分和频率调制成分；和把二进制第三信号整形为二进制第四信号，其中，二进制第四信号具有幅度调制成分和频率调制成分。
12.如权利要求11所述的方法，其中，通过利用腔内损耗调制的激光器产生二进制第二信号。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，其中，激光器包含包括半导体材料的腔，此外其中，通过把适当的电压施加于半导体材料以便引起半导体材料的吸收上的变化来实现腔内损耗调制。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，其中，通过使用由(i)量子限制斯塔克效应(QCSE)；和(ii)Franz-Keldysh效应组成的组中的一个来实现腔内损耗调制。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，其中，激光器包含由(i)分布反馈式(DFB)激光器；(ii)分布布拉格反射器(DBR)激光器；(iii)采样光栅分布布拉格反射器(SG-DBR)激光器；和(iv)Y分支DBR激光器组成的组中的一个。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，其中，激光器包含由(i)具有光纤布拉格光栅的外腔激光器；(ii)具有环形谐振器的外腔激光器；(iii)具有平面光路(PLC)布拉格光栅的外腔激光器；(iv)具有阵列波导光栅(AWG)的外腔激光器；(v)具有光栅光纤的外腔激光器；(vi)垂直腔表面发射激光器(VCSEL)；和(vii)法布里-珀罗激光器组成的组中的一个。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中，通过将二进制第三信号通过滤波器实现把二进制第三信号整形为二进制第四信号。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，其中，滤波器具有高频侧和低频侧，此外其中，使用滤波器的高频侧以便补偿在下游光纤传输链路中的负色散。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中，光信号源包含多个激光器，此外其中，每一个激光器的输出被引导进入半导体光放大器(SOA)的输入。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，其中，产生二进制第二信号包含(i)提供覆盖一个频率范围的多个光信号源，(ii)基于针对二进制第二信号所期望的波长，选择多个光信号源其中之一，和(iii)把二进制第一信号引导进入被选择的光信号源以便产生期望的二进制第二信号。
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