CN103368678B - 一种可集成的高速全光加速开关 - Google Patents

Abstract

一种可集成的高速全光加速开关，包括第一半导体光放大器SOA1、第二半导体光放大器SOA2和基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA‑MZI。SOA‑MZI包括第三半导体光放大器SOA3和第四半导体光放大器SOA4。通过调整SOA3和SOA4的偏置电流，使得SOA‑MZI的输入光波长为泵浦光时，上下臂的相位差为π，以达到滤除泵浦光的目的。并且高速全光加速开关的增益恢复曲线与SOA1和SOA2的偏置电流有关。通过调整其偏置电流使得SOA2工作在饱和状态，合适地控制“过冲”程度来补偿单个SOA的增益恢复。而且增益回复时间的缩短，使得模式效应也得到了有效的改善。

Description

一种可集成的高速全光加速开关

技术领域

本发明涉及一种光纤通信中的全光加速开关元件，尤其涉及一种可集成的高速全光加速开关元件。

背景技术

在高速光纤通信系统中，半导体光放大器（SOA）是一个关键的非线性光学器件,它具有小尺寸、可靠易集成等优点,广泛应用于高速全光信号处理中。比如SOA可以作为光开关,完成包括波长转换、全光逻辑电路、光信号再生等功能。基于SOA的这类光电子功能器件，可以避免反复的光-电-光转换，可望在光域直接对高速光信号进行处理，以减少系统中高速电子器件的成本和能量消耗，同时克服了相应的系统“电子瓶颈”，可以使光通信系统更高速、更绿色环保。

然而，由于受SOA固有的恢复时间（约100ps）影响,限制了基于SOA全光器件的工作速率,单个的SOA光开关更难以工作在更高的速率（>10Gbit/s）。为了让全光加速开关工作在更高速的系统中，目前的主要解决方法主要包括以下几种：

采用量子点结构SOA，量子点结构SOA可以使SOA的增益恢复时间缩短，进而达到加速的作用；采用外差式交叉相位调制(differential XPM),比如采用马赫曾德干涉仪（SOA-MZI）来实现光逻辑门，利用推-挽式（push-pull）结构，补偿单个SOA非线性相位差的长拖尾，从而可以使光开关工作在更高速的系统中；增大偏置电流也可以加快SOA的增益恢复时间，但这种加速对速率提升不很明显，而且当偏置电流加大到一定程度之后，这种方法就没有更大的应用潜力了；

经对现有文献检索发现，在更高速率的基于SOA全光加速开关方面，现有两种工作方案。第一种是采用非常窄带、失调光带通滤波器，加在SOA之后。如文献[Y.Liu et al,“Error-free all-optical wavelength conversion at160Gb/s using a semiconductor optical amplifier and an optical bandpass filter”Lightwave Technology,Vol.24,No.1,pp.230-236,2006]和[Y.Liu et al,“Error-free320-Gb/s all-optical wavelength conversion using a single semiconductor optical amplifier”Lightwave Technology,Vol.25,No.1,pp.103-108,2006]两篇论文中提出一种运用窄带带通滤波器选择输出信号的某一个边带，从而实现了160Gb/s和320Gb/s 的波长转换。在单个SOA光开关器的后面，连接一个窄带带通滤波器，把这个滤波器的通带调谐到探测光的某一个边带，从而达到加快SOA恢复时间的目的。该方案可以显著地加快光开关的工作速率，并且易于光集成，可以获得稳定可靠的输出。然而，由于光载波被抑制了，输出信号的信噪比（OSNR）将会降低。

第二种行之有效的方法是采用加速开关结构。加速开关的基本结构是采用两个串联的SOA，如图1所示。但在SOA1和SOA2之间，需要加入一个宽带的带通滤波器，用以滤除输入泵浦光pump。[R.J.Manning et al,“The turbo-switch-a novel technique to increase the high-speed response of SOAs for wavelength conversion”,OFC,OSW8,2006]详细讲述了此方法，并实现了170Gb/s的波长转换。当输入探测光probe和泵浦光pump同时经过SOA1，SOA1的增益特性和相位特性将会随着泵浦光pump的变化而变化，从而调制探测光probe。紧接着，滤波器滤除泵浦光pump，只允许探测光probe进入SOA2。调节SOA2的偏置电流，使得SOA2处于饱和状态。这样，SOA2的特性将会随着调制后的探测光probe变化而变化。这个变化正好可以补偿SOA相位特性的拖尾，达到缩短总的增益恢复时间的目的。文献[Qiwei Weng et al,“Theoretical Analysis of High-Speed All-Optical Turbo-Switches”,Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,Vol.18,No.2,2012]的理论分析表明：加速开关相比于单个SOA的恢复时间可以加快四倍之多。如果采用多个串联的SOA，可以进一步工作在更高速的系统中。该方法可以显著地缩短光开关的总的增益恢复时间，然而难点是集成的带通滤波器难以实现。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可集成的全光加速开关，这种全光加速开关更加易于集成，并且可以满足整个系统的全光高速处理。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可集成的全光加速开关。

为实现上述目的，本发明提供了一种可集成的全光加速开关，其特征在于，包括第一半导体光放大器、第二半导体光放大器、和一个基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪；

泵浦光和探测光同时接入所述第一半导体光放大器的输入端，所述第一半导体光放大器的输出端与所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的输入端连接，所述预计半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的输出端与所述第二半导体光放大器连接，输出信号从所述第二半导体光放大器的输出端输出；

所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪包括第三半导体光放大器和第四 半导体光放大器，所述第三半导体光放大器位于所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的上臂，所述第四半导体光放大器位于所述基于半导体放大器的马赫曾德干涉仪的下臂。

进一步地，所述第三半导体光放大器和所述第四半导体光放大器的偏置电流是可调的。

进一步地，所述上臂和所述下臂的相位差通过所述第三半导体光放大器和所述第四半导体光放大器的所述偏置电流来调整。

进一步地，所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的输入光的波长为所述泵浦光时，所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的所述上臂和所述下臂的所述相位差为π。

进一步地，所述第一半导体光放大器和所述第二半导体光放大器的偏置电流是可调的。

在本发明的较佳实施例中，所述第一半导体光放大器和所述第二半导体光放大器的所述偏置电流根据总体增益恢复特性调节。所述第二半导体光放大器的所述偏置电流调节至所述第二半导体光放大器达到饱和状态。

进一步地，应用所述的可集成的全光加速开关的一种波长转换系统，还包括延迟干涉仪和脉冲光生成模块；所述脉冲光生成模块用于生成泵浦光，所述延迟干涉仪用于翻转光的0、1极性。

所述脉冲光生成模块的输出端与所述可集成的全光加速开关的输入端连接，并且探测光也接入所述可集成的全光加速开关的输入端；所述可集成的全光加速开关的输出端与所述延迟干涉仪的输入端连接。

进一步地，所述脉冲光生成模块包括皮脉冲光源、马赫曾德调制器和光复用器。

进一步地，所述脉冲光生成模块生成一个84.8Gbit/s的脉冲信号。

本发明的一种可集成的高速全光加速开关，在现有技术上，利用基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI来代替带通滤波器，通过这样，本发明的高速全光加速开关可以实现全光高速处理：通过第二半导体光放大器SOA2对第一半导体光放大器SOA1的增益恢复进行补偿，这样可以显著地缩短总的恢复时间，提高了全光器件的工作效率。并且，本发明的高速全光加速开关易于集成，本发明采用相位可调的基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI来实现滤波功能，使其易于集成，可以比分离器件性能更加稳定，工作更加可靠。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是传统的加速开关结构图；

图2是本发明的一种可集成的高速全光加速开关的结构图；

图3是本发明的一种可集成的高速全光加速开关的一个较佳实施例的泵浦光和探测光所对应的SOA-MZI的上下两臂的相位差；

图4是本发明的一种可集成高速全光加速开关的一个较佳实施例的泵浦光和探测光经过SOA-MZI后的频谱图；

图5是本发明的一种可集成的高速全光加速开关的增益恢复曲线；

图6是本发明的一种可集成的高速全光加速开关的一个较佳实施例的输出波形图；

图7是本发明的一种波长转换系统的结构图；

图8是本发明的一种波长转换系统的一个较佳实施例的泵浦光的眼图；

图9是本发明的一种波长转换系统的一个较佳实施例的输出光的眼图；

图10是本发明的一种波长转换系统的一个较佳实施例的输入输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的可集成的高速全光加速开关包括第一半导体光放大器SOA1、第二半导体光放大器SOA2、和一个基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI，其中基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI包括第三半导体放大器SOA3和第四半导体放大器SOA4，具体如图2所示。第三半导体放大器SOA3位于基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI的上臂上，第四半导体放大器SOA4位于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI的下臂。

如图2所示，第一半导体光放大器SOA1的输入为泵浦光pump和探测光probe，第一半导体光放大器SOA1的输出与基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI的输入端相连接，基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI的输出端与第二半导体光放大器SOA2的输入端连接。

在本发明的实施例中，泵浦光pump的速率为42.4Gbit/s，脉冲为2ps，中心波长为1550nm，探测光probe的波长为1542nm的连续光CW。

相较于传统的高速全光加速开关，本发明的高速全光加速开关采用基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI，其上、下臂的相位差是可以通过第三半导体光放大器SOA3和第四光导体光放大器SOA4的偏置电流来调节。由于在同一偏置电流下，不同波长的光所对应的相位差是不同的。在相位差为π时，光通过基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI的干涉是相干相消的，即可以几乎完全滤除；相位差为其他情况时，光可以部分地透过基于半导体光放大器的马赫曾德 干涉仪SOA-MZI。利用这一特性，基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI通过调整位于上臂的第三半导体光放大器SOA3和位于下臂的第四光导体光放大器SOA4的偏置电流来实现滤除泵浦光pump的功能。

在本发明的一个较佳实施例中，当下臂的第四半导体光放大器SOA4的偏置电流在600mA时，泵浦光pump所对应的的基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI的上下臂的相位差是π，探测光probe所对应的基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI的上下臂的相位差是2.8弧度。如图3所示。

泵浦光pump经过基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI发生干涉后相干相消的，探测光probe经过基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI发生干涉后部分的穿透过去。并且根据图4给出的泵浦光pump和探测光probe经过基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI的前后频谱图，可以看出，泵浦光pump被衰减了约25dB，而探测光probe仅被衰减了约15dB，它们之间相差大于10dB，也就是说泵浦光pump和探测光probe的幅度相差了10倍，泵浦光pump对整个系统的影响很小，所以基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI可以通过调整第三半导体光放大器SOA3和第四半导体光放大器SOA4的偏置电流来实现滤波功能。

进一步地，通过改变第一半导体光放大器SOA1和第二半导体光放大器SOA2的偏置电流，可以观察到不同的半导体光放大器的增益恢复曲线，如图5所示。当第二半导体光放大器SOA2的偏置电流比较小（～100mA）的情况下，第二半导体光放大器SOA2处于未饱和状态，增益恢复时间比较长，这类似于单个半导体光放大器的情况。随着偏置电流的增大，增益恢复时间明显缩短。当第二半导体光放大器SOA2的偏置电流足够高（>400mA）时，增益恢复曲线中将会出现一个明显的“过冲”，对应于第二半导体光放大器SOA2过饱和，说明了第二半导体光放大器SOA2有效地补偿了单个半导体光放大器的增益恢复曲线。在实际应用过程当中，需要合适地调整偏置电流，来控制“过冲”的程度，让第二半导体光放大器SOA2处于饱和工作状态，使得增益恢复曲线最优化。

随着增益恢复时间的缩短，输出信号的模式效应将会得到改善。在本发明的较佳实施例中，在不同偏置电流下加速开关的输出波形如图6所示。输入为42.4Gbit/s的泵浦光pump（2ps脉宽，1550nm）和1542nm的连续光，当连续“1”输入的情况下，上图（偏置电流小）有一个连续下降的趋势，对应于第二半导体光放大器SOA2未饱和，此时的模式效应比较明显。与此同时，下图（偏置电流大）有一个连续上升的趋势，对应于第二半导体光放大器SOA2过饱和。中间的图在连续“1”输入时有相对平坦的趋势，对应于第二半导体光放大器SOA2饱和，模式效应得到改善。

进一步地，本发明还提供了一种应用可集成的高速全光加速开关的波长转换系统，如图7所示。主要包括三个模块：1）集成加速开关模块Integrated turbo-switch，集成加速开关模块采用前面实施例提到的可集成的高速全光加速开关，包括第一半导体光放大器SOA1、第二半导体光放大器SOA2和相位可调的基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI，基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪SOA-MZI包括第三半导体光放大器SOA3和第四半导体光放大器SOA4；2)脉冲光生成模块，皮秒脉冲光源ps Laser产生一个脉宽为2ps、重复频率为10.6GHz的脉冲光，中心波长为1550nm，可编程脉冲发生器PPG生成载有0，1数据的电信号，经过马赫曾德调制器Modulator，将电信号加载到脉冲光上，产生一个10.6Gbit/s的光数据信号，再经过光复用器OMUX复用，生成一个84.8Gbit/s的RZ信号；3）延迟干涉仪DI：采用延迟干涉仪来使得集成加速开关模块Integrated的输出信号的0、1极性反转，以获得波长转换的输出结果。该延迟干涉仪由一个3m的保偏光纤（～3ps延时）和起偏器构成。

在本发明的一个波长转换系统的较佳实施例中，输入84.8Gbit/s、中心波长为1550nm的泵浦光pump和波长为1542nm的连续光作为探测光probe，它们的功率分别是-5.4dBm和6dBm，SOA1和SOA2的偏置电流分别是270mA和350mA。

图8是84.8Gbit/s的输入泵浦光pump眼图，由500GHz采样示波器观测得到。由于光复用器输出的光不够完美，输入眼图的幅度并不是完全一致的。

图9是84.8Gbit/s波长转换系统的输出眼图。尽管输入信号不够完美，但是经过波长转换系统得到了很清晰的输出眼图，光信噪比大于12dBm。说明了这个结构可以实现84.8Gbit/s的波长转换。

图10是84.8Gbit/s时波长转换系统的输入输出波形图。上图是输入波形图，下图是输出波形图。通过比较输入输出波形，可以看出它们载有的数据是完全一致的，没有出现误码。

本发明的一个应用了可集成的高速全光加速开关的波长转换系统的实施例的眼图和波形图都能够明显反映84.8Gbit/s波长转换的实现，说明了本发明提出的集成加速开关在高速系统中的可行性和可靠性。采用相位可调的基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪作为滤波器，使加速开关的结构易于集成。并且实施例的试验结果和理论分析很好地吻合，说明了本发明提出的可集成的高速全光加速开关在高速系统中有着良好的性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种可集成的全光加速开关，其特征在于，包括第一半导体光放大器、第二半导体光放大器、和一个基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪；

泵浦光和探测光同时注入所述第一半导体光放大器的输入端，所述第一半导体光放大器的输出端与所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的输入端连接，所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的输出端与所述第二半导体光放大器连接，输出信号从所述第二半导体光放大器的输出端输出；

所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪包括第三半导体光放大器和第四半导体光放大器，所述第三半导体光放大器位于所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的上臂，所述第四半导体光放大器位于所述基于半导体放大器的马赫曾德干涉仪的下臂；所述第三半导体光放大器和所述第四半导体光放大器的偏置电流是可调的，所述上臂和所述下臂的相位差通过所述第三半导体光放大器和所述第四半导体光放大器的所述偏置电流来调整；所述第一半导体光放大器和所述第二半导体光放大器的偏置电流是可调的，所述第一半导体光放大器和所述第二半导体光放大器的所述偏置电流根据总体增益恢复特性调节，其中所述第二半导体光放大器的所述偏置电流调节至所述第二半导体光放大器达到饱和状态；

其中，所述泵浦光的速率为42.4Gbit/s，脉冲为2ps，中心波长为1550nm；所述探测光是波长为1542nm的连续光；所述第一半导体光放大器的偏置电流在470mA，所述第二半导体光放大器的偏置电流在90mA；所述第四半导体光放大器的偏置电流在600mA；

所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的输入光的波长为所述泵浦光时，所述泵浦光所对应的所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的所述上臂和所述下臂的所述相位差为π；所述探测光所对应的所述基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪的所述上臂和所述下臂的所述相位差是2.8弧度。

2.一种波长转换系统，包括如权利要求1所述的可集成的全光加速开关，其特征在于，

所述波长转换系统还包括延迟干涉仪和脉冲光生成模块；所述脉冲光生成模块用于生成泵浦光，所述延迟干涉仪用于翻转光的0、1极性；

所述脉冲光生成模块的输出端与所述可集成的全光加速开关的输入端连接，并且探测光也接入所述可集成的全光加速开关的输入端；所述可集成的全光加速开关的输出端与所述延迟干涉仪的输入端连接。

3.如权利要求2所述的波长转换系统，其中，所述脉冲光生成模块包括皮脉冲光源、马赫曾德调制器和光复用器。

4.如权利要求2所述的波长转换系统，其中所述脉冲光生成模块生成一个84.8Gbit/s的脉冲信号。