高速光时分复用系统的全光解复用技术李利军,陈　明,范　戈(上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海　200030)摘要:作为高速光信号处理应用的一个分支,全光解复用技术涉及到半导体非线性光学多方面的问题,是实现高速光时分复用(OT DM )系统的关键技术之一。

文章对现有的OT DM 系统的全光解复用技术进行了综述,较为详细地描述了两类主流技术的工作原理,对两者的优缺点做了剖析。

介绍了潜在的基于更高速全光开关的解复用新技术,并探讨了全光解复用技术的演进思路。

关键词:光时分复用系统;全光开关;解复用中图分类号:T N914 文献标识码:A 文章编号:1005-8788(2005)06-0027-04A survey of a ll -opti ca l de m ulti plex i n g techn i ques for h i gh speed O TDM syste m sL IL i 2jun,CHEN M i n g,FAN Ge(Nati onal Laborat ory on Local Fiber 2Op tic Communicati on Net w orks,Shanghai J iaot ong University,Shanghai 200030,China )Abstract:A s a branch app licati on of high s peed op tical signal p r ocessing .The all 2op tical de multi p lexing technol ogy relates t o many as 2pects of se m iconduct or non 2linear op tics and is one of the key technol ogies t o realize the high 2s peed op tical ti m e 2dividi on multi p lexing (OT DM )syste m.This paper gave a survey of current all 2op tical de multi p lexing technol ogies,the p rinci p les of operati on of t w o p re 2dom inant technol ogies have been described in detail,their advantages and disadvantages were analyzed .The potential demulti p lexing technol ogy based on higher 2s peed op tical s witch was als o intr oduced and the evoluti on r oute of all 2op tical de multi p lexing technol ogy dis 2cussed in this paper .Key words:op tical ti m e -divisi on multi p lexing (OT DM )syste m s;all -op tical gate;de multi p lexing 光时分复用(OT DM )技术是一种能有效克服电子电路带宽“瓶颈”、充分利用低损耗带宽资源的扩容方案。

与波分复用(WDM )系统相比,OT DM 系统只需单个光源,光放大时不受放大器增益带宽的限制,传输过程中也不存在四波混频等非线性参量过程引起的串扰,且具有便于用户接入、易于与现行的同步数字系列(S DH )及异步传输模式(AT M )兼容等优点。

在多媒体时代,超高速(速率高于100Gbit/s )的OT DM 技术对超高速全光网络的实现具有重要意义,其中涉及的关键技术包括:超短光脉冲的产生、时分复用、同步/时钟提取和解复用。

解复用可以由光开关来实现。

适用于时分复用光信号的光开关有:机械光开关、热光开关、喷墨气泡光开关、液晶光开关和声光开关等。

但这些窗口宽度从几百个ns 到几十个m s 的光开关并不适合于线路速率在100Gbit/s 以上的高速OT DM 系统,这是因为这些光开关在操作过程中引入了电的控制信号。

基于光学非线性效应(如:光Kerr 效应、四波混频(F WM )效应和交叉相位调制(XP M )效应)的全光开关是实现高速OT DM 信号解复用技术的关键器件。

1　基于相移型全光开关的解复用技术相移型光开关是一类干涉型光开关,这类光开关的平衡状态对应器件的闭合状态,而它的非平衡状态是在非线性介质中用控制脉冲对被分割成两路的信号光的其中一路的相位进行半波调制,使得这两路信号光在光开关输出端干涉耦合的耦合量为最大值,从而使光开关导通。

相移型全光开关中的非线性介质可以是光纤也可以是半导体材料。

光纤在非线性响应速度方面具有明显的优势(<10fs ),而且不存在载流子密度起伏和增益饱和等问题;然而由于半导体材料在集成度(有效长度低于1mm )、偏振稳定性、非线性强度(高于前者4个数量级)等方面具有更加明显的优势,因而在全光开关中得到了广泛的重视。

基于相移型全光开关的解复用技术是非常多的。

基于光Kerr 效应的解复用最早报道于1987年[1],随后的非线性光环路镜(NOLM )、太赫兹光非对称解复用器(T OAD )和马赫-曾德尔干涉仪(MZI )则是基于XP M 效应的光开关。

半导体光放大器(S OA )的非线性效应很复杂,除了亚皮秒级的双光子吸收(TP A )、谱烧孔(SHB )和载流子加热(CH )外,还有p s 级的带间载流子起伏(I nterband Carrier Dyna m ics ),各种非线性机制的恢复时间也相差很大。

尽管提高有源区载流子密度和添加辅助光可以把载流子寿命控制在几十个p s收稿日期:2004-12-21作者简介:李利军(1976-),男,山西寿阳人,博士,主要从事高速光通信技术研究。

722005年　第6期(总第132期)光通信研究ST UDY ON OPTI CAL COMMUN I CATI O NS2005(Sum.No .132)以内,但是即便如此也不能满足超高速OT DM 信号的解复用要求。

超高速非线性干涉仪(UN I,U ltra 2fast Nonlinear I nterfer om ter )从结构上消除了半导体材料中由于恢复时间过长而引起的模式效应(Data Pattern Effect ),图1是UN I 的一个典型配置。

图中偏振控制器PC1使数据光脉冲从偏光分光片(P BS )的3端口输出。

被PC2分解为偏振方向相互正交的两束偏振光经保偏光纤(P MF )传输后产生时延为τ的相位间隔。

S OA 使它们产生近似相同的相移,而PC3使它们在P BS 的3端口合并还原,并从1端口返回。

如果有控制光脉冲在τ间隔内插入到两束偏振光之间,对滞后的一束偏振光进行半波调制,使它产生附加的非线性相移,那么PC3将使它们在P BS 的3端口合并还原,并从4端口输出。

图1　基于UN I 光开关的160-10Gbit/s全光解复用器相对于其它的同类型解复用器,UN I 结构最佳。

这是因为:首先,由于是单臂干涉,两路信号通过同一条光路,彼此之间没有光程差,因而UN I 的稳定性最好;其次,由于两路信号都通过同一非线性介质,因而没有模式效应;第3,因为过路信号的两路分支信号有相同的附加相移,只有下路信号有附加相移差,因此,它是平衡干涉。

增益透明的UN I (gt -UN I )有更加优越的解复用性能。

2　基于频移型全光开关的解复用技术频移型光开关是一种滤波型光开关,在它的输出端附有一个中心频率为f 2的光滤波器。

当没有控制光脉冲输入时,光开关呈闭合状态;当有控制脉冲输入时,作用于非线性介质的控制光脉冲将信号光的载频f 1搬移至f 2,再把信号光由光滤波器输出。

频移型光开关中的介质可以是光纤也可以是半导体材料。

基于XP M 的频移型全光开关OT DM 解复用技术使用的非线性介质多数是光纤,而对这种全光开关解复用技术的研究更多地集中在以S OA 为非线性介质的基于F WM 效应的全光门和基于交叉增益调制(XG M )的全光门方面。

图2是利用F WM 全光门实现解复用的典型配置。

由2.5Gbit/s 的光伪随机序列复接而成的10Gbit/s 的RZ 码流和由PC1/PC2控制的以45°偏振角进入P BS 的抽运光P1/P2分别等分地从P BS 的端口R 和端口T 正交输出。

其中,P1为连续光(C W ),P2为时钟信号。

基于S OA 三阶非线性效应(F WM )的共轭光沿顺时针方向从P BS 的端口1输出,经环路镜由阵列波导AW G 检出。

图2　基于正交抽运光F WM 光开关的10-2.5Gbit/s 全光解复用器 高速OT DM 系统中的解复用器可以由多个全光开关的树形级联来实现。

在这样的树形级联配置中,需要为每一个分立的全光开关提供时钟,另外,要在一块基底上集成多个携带不同光时钟的全光开关,在实现工艺上也是有一定难度的。

能同时提供多路输出的全光开关能够很好地避免这两个问题。

其思路的着眼点在于将时域中分立的信号转换为频域中的分立信号。

典型的结构是基于对交叉相位调制引起的啁啾进行补偿的多路输出全光OT DM 解复用器(MOX I C,Multi p le 2channel Out put A ll 2op tical82光通信研究2005年　第6期　总第132期OT DM De multi p lexer U sing XP M 2induced Chir p Com 2pensati on )。

图3是利用MOX I C 实现解复用的原理示例。

码速率为160Gbit/s 的信号脉冲序列和10Gbit/s 的线性升啁啾控制脉冲序列同步输入正常色散(n 2>0)非线性介质(图3(a ))。

当信号为“1”码时(t 1位置),信号脉冲和控制脉冲之间的XP M 导致的升啁啾(图3(b )的t 1位置)将在控制脉冲频谱上产生一个谱孔(如图3(c )的t 1位置)。

如果信号为“0”码(t 2位置),那么控制脉冲的频谱将保持原状(如图3(c )的t 2位置)。

这样,所有T DM 时隙中的信号就同时被转换到不同的WDM 波长上,此时用的WDM 分波器就可以实现OT DM 信号的多路解复用输出。

图3　MOX I C 解复用原理示意图基于MOX I C 的100Gbit/s 和160Gbit/s 的OT 2DM 解复用都已经实现,这种多路输出全光开关的实现方式其实是很灵活的。