摘要：设计了一个低噪声的 EDFA，结合 0.8 nm 的窄带光滤波器，采用长为 10 439 m 的标准单模光纤，构成了一个有源光纤环路。对其输出特性进行了详细的测试，测试结果表明该系统具有良好的信号复制能力。基于此设计了一个光缓存单元，描述了其存储原理，定义了其单位缓存时间和最大缓存时间，实验表明该光缓存单元实现了光脉冲信号的缓存，单位缓存时间约为 50 μs，复制光脉冲个数在 500 个以上，相应的最大缓存时间约为 25 ms。
关键词：光缓存单元；光纤型全光缓存器；有源光纤环路；光纤延迟；光脉冲复制器
0 引 言
在现有的各种光纤型全光缓存器中，反馈型的光纤全光缓存器是一个研究热点[1]。反馈型的光纤缓存器，实际上是对输入到光纤环的光信号进行复制与延迟，以等待需要的时刻将光纤环内的光信号耦合出去，实现光信号的缓存输出。反馈型光纤缓存器主要由延迟光纤、3 dB 耦合器和增益补偿器件组成。增益补偿器件主要有：RFA、SOA 和 EDFA。
基于 RFA 的有源光脉冲复制实验报道最早见于 1985 年，E Desurvire 等[2]使用 1.064 μm 波长的泵浦光，泵浦功率 710 mW 的 RFA 进行了光脉冲复制实验，信号光波长为 1.12 μm，得到的复制光脉冲个数为 130，总延迟时间 0.5 ms。在此基础上，他们又对泵浦结构加以改进，将复制光脉冲个数提高到 800，总延迟时间延长到3 ms[3]。而L F Mollenauer和K Smith[4]使用基于RFA的有源光脉冲复制器得到了总延迟时间30 ms 的复制光脉冲序列。基于SOA的有源光脉冲复制实验报道最早见于1987年，N A Olsson[5]使用光波长1.5 μm处增益 G=37 dB 的 SOA 进行了光脉冲复制实验，得到的复制光脉冲个数为 200，总延迟时间 75 ms。基于 EDFA 的有源光脉冲复制实验报道最早见于 1990 至 1991 年间，在 L F Mollenauer[6]、D J Malyon[7]和 N S Bergano[8]等人所做的系列实验中，复制光脉冲个数在 300 左右，总延迟时间 50~180 ms 不等。
国内在光脉冲复制技术方面的工作，最近主要有酆达等人的研究报告[9-12]。他们研究了基于 SOA 的有源循环式光脉冲复制器，进行了模拟仿真，提出了注入直流光稳定 SOA 的方法[12]。其工作内容主要在于设计与仿真，没有相关实验的报道。
本实验室设计了一套基于 EDFA 的有源光纤环路，又叫有源循环式光脉冲复制器[13]，主要设计了一个超低噪声的 EDFA，并结合 0.8 nm 的窄带光滤波器，复制光脉冲个数大于 500 个。基于此，本文构造了一个光缓存单元，该缓存单元可以实现单位缓存时间约为 50 μs，最大缓存时间约为 25 ms 的缓存功能。
1 有源光纤环路
有源光纤环路的基本原理框图如图 1 中的虚线方框，主要由 3 dB 耦合器、延迟光纤和 EDFA 组成。在 t=0 时刻写开关闭合，脉宽为 ΔT 的单个光脉冲信号经 3 dB 耦合器的一个输入端(In1)耦合分成相等的两路输出，其中一路信号(Out2)在光纤环内绕行一周后经 3 dB 耦合器的另一个输入端(In2)输入，再分成两路相等的信号输出，如此反复循环。光纤环内的 EDFA 用以补偿耦合损耗和环行一周涉及的各种损耗。在理想情况下，光纤环内始终保存一个光脉冲信号的复制品，而 3 dB 耦合器的另一个输出端(Out1)形成幅度恒定的周期性脉冲序列。
其中，光脉冲信号沿光纤环绕行一周的时间 tloop称为特征传输时间，定义为 tloop=nL/c，这里 L 是光纤环长度，c/n 为光脉冲信号的群速度。为了避免干涉，L 的长度应满足 tloop >ΔT。
基于有源光纤环路的光缓存单元(如图 1)的工作原理为：光脉冲信号写入时，图 1 中的写开关合上，读开关断开，光缓存单元将光脉冲信号导入有源光纤环路，光脉冲信号即在光纤环内不断复制，使光纤环内始终保存有一个光脉冲信号的复制品，实现暂时存储；光脉冲信号读出时，图 1 中的写开关断开，读开关合上，将有源光纤环路输出的光脉冲序列信号在时间轴上进行分割，输出一个光脉冲信号，然后断开读开关，即可输出一个经过延迟的光脉冲信号；重新写入一个光脉冲信号时，先清除有源光纤环路内的原光脉冲信号的复制品，然后再执行写入操作。
由此可知，基于有源光纤环路的光缓存单元的单位缓存时间主要由有源光纤环路的光纤环长度与光脉冲信号的群速度严格确定，而实际的缓存时间还将受到环行次数 M 的控制，缓存时间定义为：tbuff=M×tloop。
光脉冲信号在环内循环时，由于各种损耗的存在，导致光脉冲信号的幅度呈指数规律下降，为此必须增加一个增益补偿器件以抵消各种损耗的影响，使输出光脉冲序列信号具有稳定的幅度。由于 EDFA 能在不同的波长上对器件进行泵浦，与光纤传输介质间耦合损耗低，增益对光偏振状态依存性小等重要特性。另外，由于其载流子寿命在 0.1~10 ms 量级，EDFA 表现为慢增益动态特性，因而对信号格式和比特速率具有很高的透明度。与 SOA 相比较，当信号调制超过几个千赫兹时，EDFA 的增益响应基本是不变的。因此综合以上各种特性，EDFA 特别适于用作有源光脉冲复制器中的损耗补偿器件。
EDFA 处于放大状态时，其噪声系数对整个系统的影响巨大，它能直接影响光脉冲信号复制的最大次数，进而影响整个光缓存器的最大缓存时间，因此必须尽量减少其噪声系数。我们发现在小增益的情况下， EDFA 的噪声系数可以低于光通信系统中的极限噪声系数(3 dB)。基于此，我们设计了一款超低噪声系数的 EDFA，当它的增益为 6.774 dB 时，其实测噪声系数为 2.923 dB[13]。当光纤环内的损耗更小时，EDFA 所需的增益更小，有望进一步减小 EDFA 的噪声系数。为了降低光纤环内 ASE 噪声累积的速率，还插入以信号光波长为中心波长的窄带光滤波器，抑制滤波器通带外的 ASE 噪声。
2 系统实验的实际配置
系统实验装置主要包括 4 个子系统：模拟调制光脉冲信号产生部分、有源循环式光脉冲复制器、接收显示部分和开关时序控制器。其中，模拟调制光脉冲信号产生部分提供稳定的原始光脉冲信号，用来模拟实际被复制的光脉冲；有源循环式光脉冲复制器为一个由多个光学器件通过光纤连接而成的有源光纤环路，其基本结构如图 1 的虚线方框部分所示，用于实现光脉冲的循环复制；接收显示部分的作用是将接收的复制光脉冲信号变换成电脉冲信号，并对其进行放大、显示、测量和存储；开关时序控制器为实验系统中的电子开关和光开关提供时序控制信号，使整个系统能够正常地进行光脉冲复制，并完成光缓存单元的读写操作。
模拟调制光脉冲信号产生部分主要有：杭州精测电子有限公司生产的 JC1640P 型多用途信号源、双 4 路模拟电子开关 CD4053、武汉电信器件公司生产的 RTXM199-A 光发射模块和招金光电子公司生产的 PFMS-12R2 型反射式高速 1×2 磁光开关。
有源循环式光脉冲复制器主要有：霍普光通信公司生产的 2×2 熔融拉锥型光纤耦合器、招金光电子公司生产的 PFMS-11R2 型反射式高速 1×2 磁光开关、霍普公司的 FOA－2013T 型 EDFA(自行设计，由霍普公司代工)、霍普光通信公司生产的 FHX9C 型光纤滤波器和上海光纤有限公司生产的匹配包层单模光纤(长约 10 439 m)。
接收显示部分主要有：武汉电信器件公司生产的 RTXM199-A 光接收模块和美国泰克公司生产的 TDS1012 数字存储示波器。
开关时序控制器主要由 C8051F041 单片机构成，通过编写单片机控制程序，完成光脉冲的复制工作。
3 光脉冲信号存储实验
实验回路基本结构与图 1 相同，信号源采用 1 550.9 nm 波长的半导体激光器，平均输出功率为 2 mW。分束由光纤型 3 dB 耦合器实现，耦合器插入损耗是 3.01 dB。单模光纤延迟线长度为 10 439 m(tloop约为 50 μs)，1 550 nm 窗口的标示传输损耗为 0.19 dB/km。接收端采用 PIN 接收器光电转换，用示波器记录和观察输出信号波形。EDF 长度为 14.54 m，泵浦源是功率可调 980 nm 激光器。
由于实验中使用的 PIN 接收器隔离直流信号，实验中采用副载波模拟强度调制方式，用来调制半导体激光器的副载波频率是 22.86 MHz，单个光脉冲的宽度是 48.76 μs。图 2(a)给出了输入光脉冲的波形，图 2(b)是图 2(a)光脉冲波形在时间轴上延展后所观察到的副载波的波形。用光接收机直接检测输入光脉冲信号，测得接收机的输出电信号的信噪比为 53 dB。
在光脉冲的复制过程中，分别测得图 3 所示的第 50 个、第 100 个、第 200 个与第 500 个复制光脉冲信号副载波的波形图[13]，并测得第 50 个、第 100 个、第 200 个与第 500 个复制光脉冲信号的信噪比分别为38 dB、36 dB、34 dB 和 31 dB。
由上面的实验数据可以看出，复制第 500 个光脉冲信号仍然保持较好的信噪比；若进一步减小光纤环内的衰减，也就对 EDFA 的增益要求降低，使 EDFA 的信噪比进一步降低，因此可以使复制信号的信噪比进一步降低；另外，本实验系统复制的光脉冲信号采用的是模拟调制，若采用数字调制可以使信噪比的要求大大降低，光脉冲信号的复制个数可以进一步增加。总之，本实验系统可以复制 500 个以上的光脉冲信号，并保持良好的信噪比；光缓存的单位缓存时间 tloop约为 50 μs，最大缓存时间为 500×tloop，约等于 25 ms。
4 结 论
本实验室设计了一套基于 EDFA 的有源光纤环路，又叫有源循环式光脉冲复制器，主要设计了一个超低噪声的 EDFA，并结合 0.8 nm 的窄带光滤波器，在复制光脉冲信号时得到较好的效果。基于此，本文构造了一个光缓存单元，该缓存单元可以实现单位缓存时间约为 50 μs，最大缓存时间约为 25 ms 的缓存功能。