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0431-81702023
光學工程
基于有源光纖環路的光緩存單元

摘要:設計了一個低噪聲的 EDFA,結合 0.8 nm 的窄帶光濾波器,采用長為 10 439 m 的標準單模光纖,構成了一個有源光纖環路。對其輸出特性進行了詳細的測試,測試結果表明該系統具有良好的信號復制能力。基于此設計了一個光緩存單元,描述了其存儲原理,定義了其單位緩存時間和最大緩存時間,實驗表明該光緩存單元實現了光脈沖信號的緩存,單位緩存時間約為 50 μs,復制光脈沖個數在 500 個以上,相應的最大緩存時間約為 25 ms。

關鍵詞:光緩存單元;光纖型全光緩存器;有源光纖環路;光纖延遲;光脈沖復制器

0 引 言

      在現有的各種光纖型全光緩存器中,反饋型的光纖全光緩存器是一個研究熱點[1]。反饋型的光纖緩存器,實際上是對輸入到光纖環的光信號進行復制與延遲,以等待需要的時刻將光纖環內的光信號耦合出去,實現光信號的緩存輸出。反饋型光纖緩存器主要由延遲光纖、3 dB 耦合器和增益補償器件組成。增益補償器件主要有:RFA、SOA 和 EDFA。

      基于 RFA 的有源光脈沖復制實驗報道最早見于 1985 年,E Desurvire 等[2]使用 1.064 μm 波長的泵浦光,泵浦功率 710 mW 的 RFA 進行了光脈沖復制實驗,信號光波長為 1.12 μm,得到的復制光脈沖個數為 130,總延遲時間 0.5 ms。在此基礎上,他們又對泵浦結構加以改進,將復制光脈沖個數提高到 800,總延遲時間延長到3 ms[3]。而L F Mollenauer和K Smith[4]使用基于RFA的有源光脈沖復制器得到了總延遲時間30 ms 的復制光脈沖序列。基于SOA的有源光脈沖復制實驗報道最早見于1987年,N A Olsson[5]使用光波長1.5 μm處增益 G=37 dB 的 SOA 進行了光脈沖復制實驗,得到的復制光脈沖個數為 200,總延遲時間 75 ms。基于 EDFA 的有源光脈沖復制實驗報道最早見于 1990 至 1991 年間,在 L F Mollenauer[6]、D J Malyon[7]和 N S Bergano[8]等人所做的系列實驗中,復制光脈沖個數在 300 左右,總延遲時間 50~180 ms 不等。

      國內在光脈沖復制技術方面的工作,最近主要有酆達等人的研究報告[9-12]。他們研究了基于 SOA 的有源循環式光脈沖復制器,進行了模擬仿真,提出了注入直流光穩定 SOA 的方法[12]。其工作內容主要在于設計與仿真,沒有相關實驗的報道。

      本實驗室設計了一套基于 EDFA 的有源光纖環路,又叫有源循環式光脈沖復制器[13],主要設計了一個超低噪聲的 EDFA,并結合 0.8 nm 的窄帶光濾波器,復制光脈沖個數大于 500 個。基于此,本文構造了一個光緩存單元,該緩存單元可以實現單位緩存時間約為 50 μs,最大緩存時間約為 25 ms 的緩存功能。

1 有源光纖環路

       有源光纖環路的基本原理框圖如圖 1 中的虛線方框,主要由 3 dB 耦合器、延遲光纖和 EDFA 組成。在 t=0 時刻寫開關閉合,脈寬為 ΔT 的單個光脈沖信號經 3 dB 耦合器的一個輸入端(In1)耦合分成相等的兩路輸出,其中一路信號(Out2)在光纖環內繞行一周后經 3 dB 耦合器的另一個輸入端(In2)輸入,再分成兩路相等的信號輸出,如此反復循環。光纖環內的 EDFA 用以補償耦合損耗和環行一周涉及的各種損耗。在理想情況下,光纖環內始終保存一個光脈沖信號的復制品,而 3 dB 耦合器的另一個輸出端(Out1)形成幅度恒定的周期性脈沖序列。

      其中,光脈沖信號沿光纖環繞行一周的時間 tloop稱為特征傳輸時間,定義為 tloop=nL/c,這里 L 是光纖環長度,c/n 為光脈沖信號的群速度。為了避免干涉,L 的長度應滿足 tloop >ΔT。

      基于有源光纖環路的光緩存單元(如圖 1)的工作原理為:光脈沖信號寫入時,圖 1 中的寫開關合上,讀開關斷開,光緩存單元將光脈沖信號導入有源光纖環路,光脈沖信號即在光纖環內不斷復制,使光纖環內始終保存有一個光脈沖信號的復制品,實現暫時存儲;光脈沖信號讀出時,圖 1 中的寫開關斷開,讀開關合上,將有源光纖環路輸出的光脈沖序列信號在時間軸上進行分割,輸出一個光脈沖信號,然后斷開讀開關,即可輸出一個經過延遲的光脈沖信號;重新寫入一個光脈沖信號時,先清除有源光纖環路內的原光脈沖信號的復制品,然后再執行寫入操作。

      由此可知,基于有源光纖環路的光緩存單元的單位緩存時間主要由有源光纖環路的光纖環長度與光脈沖信號的群速度嚴格確定,而實際的緩存時間還將受到環行次數 M 的控制,緩存時間定義為:tbuff=M×tloop。

      光脈沖信號在環內循環時,由于各種損耗的存在,導致光脈沖信號的幅度呈指數規律下降,為此必須增加一個增益補償器件以抵消各種損耗的影響,使輸出光脈沖序列信號具有穩定的幅度。由于 EDFA 能在不同的波長上對器件進行泵浦,與光纖傳輸介質間耦合損耗低,增益對光偏振狀態依存性小等重要特性。另外,由于其載流子壽命在 0.1~10 ms 量級,EDFA 表現為慢增益動態特性,因而對信號格式和比特速率具有很高的透明度。與 SOA 相比較,當信號調制超過幾個千赫茲時,EDFA 的增益響應基本是不變的。因此綜合以上各種特性,EDFA 特別適于用作有源光脈沖復制器中的損耗補償器件。

       EDFA 處于放大狀態時,其噪聲系數對整個系統的影響巨大,它能直接影響光脈沖信號復制的最大次數,進而影響整個光緩存器的最大緩存時間,因此必須盡量減少其噪聲系數。我們發現在小增益的情況下, EDFA 的噪聲系數可以低于光通信系統中的極限噪聲系數(3 dB)。基于此,我們設計了一款超低噪聲系數的 EDFA,當它的增益為 6.774 dB 時,其實測噪聲系數為 2.923 dB[13]。當光纖環內的損耗更小時,EDFA 所需的增益更小,有望進一步減小 EDFA 的噪聲系數。為了降低光纖環內 ASE 噪聲累積的速率,還插入以信號光波長為中心波長的窄帶光濾波器,抑制濾波器通帶外的 ASE 噪聲。

2 系統實驗的實際配置

      系統實驗裝置主要包括 4 個子系統:模擬調制光脈沖信號產生部分、有源循環式光脈沖復制器、接收顯示部分和開關時序控制器。其中,模擬調制光脈沖信號產生部分提供穩定的原始光脈沖信號,用來模擬實際被復制的光脈沖;有源循環式光脈沖復制器為一個由多個光學器件通過光纖連接而成的有源光纖環路,其基本結構如圖 1 的虛線方框部分所示,用于實現光脈沖的循環復制;接收顯示部分的作用是將接收的復制光脈沖信號變換成電脈沖信號,并對其進行放大、顯示、測量和存儲;開關時序控制器為實驗系統中的電子開關和光開關提供時序控制信號,使整個系統能夠正常地進行光脈沖復制,并完成光緩存單元的讀寫操作。

       模擬調制光脈沖信號產生部分主要有:杭州精測電子有限公司生產的 JC1640P 型多用途信號源、雙 4 路模擬電子開關 CD4053、武漢電信器件公司生產的 RTXM199-A 光發射模塊和招金光電子公司生產的 PFMS-12R2 型反射式高速 1×2 磁光開關。

      有源循環式光脈沖復制器主要有:霍普光通信公司生產的 2×2 熔融拉錐型光纖耦合器、招金光電子公司生產的 PFMS-11R2 型反射式高速 1×2 磁光開關、霍普公司的 FOA-2013T 型 EDFA(自行設計,由霍普公司代工)、霍普光通信公司生產的 FHX9C 型光纖濾波器和上海光纖有限公司生產的匹配包層單模光纖(長約 10 439 m)。

      接收顯示部分主要有:武漢電信器件公司生產的 RTXM199-A 光接收模塊和美國泰克公司生產的 TDS1012 數字存儲示波器。

      開關時序控制器主要由 C8051F041 單片機構成,通過編寫單片機控制程序,完成光脈沖的復制工作。

3 光脈沖信號存儲實驗

       實驗回路基本結構與圖 1 相同,信號源采用 1 550.9 nm 波長的半導體激光器,平均輸出功率為 2 mW。分束由光纖型 3 dB 耦合器實現,耦合器插入損耗是 3.01 dB。單模光纖延遲線長度為 10 439 m(tloop約為 50 μs),1 550 nm 窗口的標示傳輸損耗為 0.19 dB/km。接收端采用 PIN 接收器光電轉換,用示波器記錄和觀察輸出信號波形。EDF 長度為 14.54 m,泵浦源是功率可調 980 nm 激光器。

      由于實驗中使用的 PIN 接收器隔離直流信號,實驗中采用副載波模擬強度調制方式,用來調制半導體激光器的副載波頻率是 22.86 MHz,單個光脈沖的寬度是 48.76 μs。圖 2(a)給出了輸入光脈沖的波形,圖 2(b)是圖 2(a)光脈沖波形在時間軸上延展后所觀察到的副載波的波形。用光接收機直接檢測輸入光脈沖信號,測得接收機的輸出電信號的信噪比為 53 dB。

      在光脈沖的復制過程中,分別測得圖 3 所示的第 50 個、第 100 個、第 200 個與第 500 個復制光脈沖信號副載波的波形圖[13],并測得第 50 個、第 100 個、第 200 個與第 500 個復制光脈沖信號的信噪比分別為38 dB、36 dB、34 dB 和 31 dB。

      由上面的實驗數據可以看出,復制第 500 個光脈沖信號仍然保持較好的信噪比;若進一步減小光纖環內的衰減,也就對 EDFA 的增益要求降低,使 EDFA 的信噪比進一步降低,因此可以使復制信號的信噪比進一步降低;另外,本實驗系統復制的光脈沖信號采用的是模擬調制,若采用數字調制可以使信噪比的要求大大降低,光脈沖信號的復制個數可以進一步增加。總之,本實驗系統可以復制 500 個以上的光脈沖信號,并保持良好的信噪比;光緩存的單位緩存時間 tloop約為 50 μs,最大緩存時間為 500×tloop,約等于 25 ms。

4 結 論

      本實驗室設計了一套基于 EDFA 的有源光纖環路,又叫有源循環式光脈沖復制器,主要設計了一個超低噪聲的 EDFA,并結合 0.8 nm 的窄帶光濾波器,在復制光脈沖信號時得到較好的效果。基于此,本文構造了一個光緩存單元,該緩存單元可以實現單位緩存時間約為 50 μs,最大緩存時間約為 25 ms 的緩存功能。


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