利用次兆位元率鎖模光纖雷射脈衝載波探討全光網路信號處理元件與技術(I)

Abstract

全光網路(All Optical Network)已經成為發展下一世代高速光纖通訊網路一個必然的趨 勢。在全光網路中，為了避開光轉電、再由電轉光的這種光電光處理過程所造成的網路瓶頸 (network bottleneck)，各種全光訊號處理元件與技術皆建立在光對光的直接處理，以適應早已 超過電子元件處理速度的高速光載波。而在全光訊號處理網路的測試上，次兆位元率 (Sub-Tbit/s)以及數百飛秒窄脈衝寬度光纖雷射的同步發展更是不可獲缺的測試載波光源。我 們在這個三年型研究計畫的重要目標是研究一種新穎的全光訊號處理元件/子系統的開發與 測試技術。同時，為建構全光訊號處理元件/子系統所必需的次兆位元率脈衝載波光源系統， 利用摻鉺光纖放大器、行進波半導體光放大器、與光纖拉曼放大器為增益介質，並配合自行 研發的新型低耦合損耗光纖熔接技術與高倍頻因數鎖模脈衝產生技術，來開發各式重複率達 到200 Gbit/s 以上的次兆位元率鎖模光纖雷射。光纖雷射光源之輸出波長可調、時基的穩定、 非線性脈衝壓縮這些次領域將隨著這些次兆位元率鎖模光纖雷射做進一步的研究。最後，一 個整合光子晶體的非線性光纖環鏡以及利用40-80 GHz 再生式因數諧波鎖模雷射的次兆位元 率全光測試平台將是我們的最終目標。 在第一年的研究計畫中，我們將首次利用一般法布裡-珀羅雷射(Fabry-Perot Laser Diode， FPLD)作為全光通訊格式轉換元件，開發 >10 Gbit/s (OC-192)全光式不歸零(NRZ)轉歸零(RZ) 格式轉換器，用來將低頻寬需求的不歸零資料轉換為歸零資料以被動分時多工模組整合成更 高速率之分時多工資料流，便於與後端高速都會網路骨幹進行整合。而來自於這樣一個具有 成本效益的全光格式轉換器其歸零格式資料的傳輸特性，包括眼圖、時基紊亂度以及誤碼率 都將被量測分析。為完成此量測平台，第一年我們將建構12.5 Gbit/s 高速數位訊號產生器 (Pattern Generator)以及高速誤碼分析儀(Error Detector)系統。同時，這種歸零格式資料流的光 時鐘/資料回復將利用自製的半導體光放大器光纖環雷射系統來達成。而為了滿足來年計畫發 展高資料率全光取樣測試平台以及測試全光3R 再生器性能的需求，研發高速脈衝高載波是 克不容緩的事。我們將同步研製速率達以頻率再生架構實現之40 GHz 超穩時基鎖模光纖雷射 系統。而另一種以10 GHz 背向光注入式(Backward Optical Injection)之40 GHz 倍頻鎖模半導大器為基礎之時脈粹取器，此波長可調且多通道的資料格式轉換器可進一步延伸為全光3R 再 生器(再放大、再整型以及再定時)，用於大於40 Gbit/s 的歸零資料上。由於半導體光放大 器的寬增益範圍、高功率、小體積、以及波長可調/可移動特性，我們期望此子系統可以取代 在長距離光纖通訊網路的藉由光電光轉換技術實現之光互連器(OXC)。此外，此半導體光放大 器實現之資料格式轉換器可以在全光高速網路節點或在都會網路間的骨幹扮演全光邏輯閘的 角色。另一方面，我們將繼續藉由高階頻率倍增技術提升因數諧波鎖模雷射載波重複率達 200Gbit/s 以上。更具突破性的進展將是以80 至160 GHz 再生式鎖模摻鉺光纖雷射系統為外 注入光源，配合半導體光放大器的交互增益調製技術實現極高速背向光注入式320 GHz 倍頻 鎖模半導體光放大器光纖環飛秒雷射系統。我們也將繼續使用藉由再生式因數諧波鎖模技術 與摻鉺光纖放大器/光纖拉曼放大器混成架構來發展200GHz、C+L-band 光纖雷射。為了補償 色散以便在長距離中歸零格式的資料有較佳的傳輸表現，我們將探討以非線性光子晶體光纖 為基礎光纖環鏡以便進一步同時補償在高速光纖雷射與大於40Gbit/s 之全光格式轉換及邏 輯資料流的色散與縮短其脈衝寬度。為此，我們將建構高位元率誤碼分析與光網路(Optical Network Analyzer，ONA)分析系統，以瞭解這些全光訊號處理元件與模組的最佳操作參數與 其頻率響應特性，據以調整所產生之輸出訊號的色散特性。我們這些在次兆赫級光纖雷射脈 衝載波與>40Gbit/s 全光元件與測試技術開發的研究成果，將有助於加速次兆位元率全光訊 號處理領域的發展以及在次世代全光網路的普及應用。