1 引 言
歸零(RZ)碼和非歸零(NRZ)碼是全光碼型轉換中用的比較廣泛的碼型。未來高速光通信網絡基本包含光波分復用技術和光時分復用技術[1]。在光波分復用系統中，NRZ碼具有頻譜效率高、時間抖動容忍度大等優點，而在光時分復用網絡系統中RZ碼具有占空比小、平均光功率低等優點[2]。為了滿足光波分復用和光時分復用網絡間的交換，需要進行RZ和NRZ兩種碼型的互相轉換。目前，實現全光RZ到NRZ碼型轉換技術常見的方案有：基于微波光子濾波[3]、基于高非線性光纖交叉相位調制效應[4]、基于半導體光放大器和濾波器組合[5]、基于時延不對稱非線性光纖環鏡[6]以及基于馬赫-曾德爾干涉型波長轉換器[7]等方案。但是這些方案都存在一定的不足。例如，基于半導體光放大器全光碼型轉換方案，由于受到載流子恢復時間的限制，當輸入信號的速率較高時，載流子濃度不能恢復到初始值[8]，因而限制其在更高速率光網絡中的應用；基于非線性光纖環形鏡的碼型轉換方案，對輸入信號的質量要求比較嚴格，且系統對偏振態極為敏感，而實際光路中信號的偏振態往往隨機波動，難以控制[9]，故而限制了其在實際中的應用。
近年來，微環諧振器(MRR)因其低成本、低串擾、高集成度等優點，廣泛應用于調制、光開關、濾波、色散控制等方面[10-13]，在全光碼型轉換中，其應用也越來越受到研究人員的重視[14-17]。利用微環諧振器的光譜濾波特性，文獻[15]實現了50 Gb/s的RZ到NRZ碼型轉換；文獻[16-17]實驗顯示了多信道的RZ到NRZ碼型轉換。本文以上述實驗為基礎，給出了基于微環諧振器和窄帶濾波器的全光碼型轉換器，討論了實現 RZ到NRZ碼轉換的理論依據，分析了窄帶濾波器的選擇、微環耦合狀態、RZ碼占空比對轉換后NRZ信號質量的影響，以及與更高速率系統的兼容性，證實了該碼型轉換器的優越性。
2 工作原理
圖1為基于單微環諧振器和窄帶濾波器實現RZ到NRZ碼型轉換的系統框圖。10 Gb/s偽隨機二進制脈沖序列(PRBS)RZ光信號經過摻鉺光纖放大器(EDFA)及偏振器(PC)調節后，進入單微環諧振器中傳輸，微環諧振器的自由光譜范圍(FSR)為輸入信號速率的兩倍。利用微環諧振器的梳狀譜傳輸特性，濾除RZ光信號的奇次諧波分量，再經窄帶濾波器(BPF)壓縮頻譜，濾除多余偶次諧波，即可得到較為理想的NRZ信號的頻譜，完成RZ碼到NRZ碼的轉換[16]。通過示波器中的眼圖，可觀察轉換后NRZ光信號的質量。
輸入信號是速率為10 Gb/s的超高斯型脈沖偽隨機RZ碼[18-19]，由頻率為f0的光載波進行調制，可以表示為
式中t為時間，T0 是一個RZ碼的周期，t0是在強度為 1e 時的脈沖半寬度，C為線性啁啾參量，m為脈沖前后沿的銳度參量[19]，d是高斯脈沖的占空比，d=0.5時表示占空比為50%的RZ光信號。n為偽隨機序列的長度，al取值為0或者1，表示對應位的碼字為0碼或1碼[20]。為方便研究，設C=0，m=2，并且在光纖中傳輸時無色散無損耗。
RZ光信號進入半徑為R的單微環諧振器傳輸，微環的傳輸特性為[21]
式中 Ein為輸入 RZ光信號場強，Et為微環的透射光場，α = exp(α0 L/2) 為微環的環程透射系數，α0 為損耗系數，t為微環和直波導傳輸系數，k為耦合系數，對于無損耗耦合區域，其滿足k2+t2=1的關系[21]。光在環形波導中繞一周的相移可表示為 φ = 2πfc0neffL , f為信號頻率，c0為真空中的光速，neff為波導的有效折射率，L = 2πR 為微環的周長。微環半徑R與FSR呈反比例關系，調節R大小可以使FSR為RZ光信號速率的兩倍，調節微環的下陷梳狀譜，使其對準RZ信號的奇次諧波，將信號的奇次諧波分量濾去，再選擇合適的窄帶濾波器濾除RZ信號的偶次諧波，使信號頻譜包絡變成較理想的NRZ信號頻譜包絡，從而完成RZ到NRZ的轉換過程。轉換后的時域NRZ光信號 y(t)可以表示為
式中x(t)為RZ光信號，H為窄帶濾波器的頻率響應，FFT表示快速傅里葉變換，IFFT表示傅里葉的反變換。
3 數值分析和討論
基于上述的理論分析，討論10 Gb/s的RZ信號到NRZ信號的碼型轉換，轉換原理如圖2(a)所示。RZ信號速率為10 Gb/s，微環的FSR為RZ碼速率的兩倍，即20 GHz，將微環的下陷梳狀譜對準RZ信號的奇次諧波。
利用微環的梳狀譜傳輸特性，有效濾除RZ信號的奇次諧波，得到的輸出信號頻譜及眼圖如圖2(b)所示，由于信號頻譜存留偶次諧波，碼型轉換后的效果不理想，為此需要附加一個合適的窄帶濾波器對信號頻譜進行壓縮，濾除多余的偶次諧波，從而獲得較好的NRZ頻譜，最終完成從RZ碼到NRZ碼的轉換，其結果如圖2(c)所示。
由于窄帶濾波器在RZ到NRZ碼轉換過程中具有非常重要的作用，需進一步分析不同窄帶濾波器對碼型轉換效果的影響。圖3(a)，(b)分別為N=1，2，4階的巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器[22]濾波，可以看出，隨著濾波器階數N的增加，通帶越平坦，頻帶下降越陡峭。
圖4為當輸入信號為50%占空比的RZ光信號且微環處于臨界耦合條件時，分別使用N=1，2，4階的巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器進行濾波后輸出的NRZ信號的眼圖。從圖中可以看出，對于同一濾波器，2階濾波后的眼圖張開程度較大，信號幅度抖動較小，說明碼型轉換后的NRZ碼的噪聲容限較大，且碼間干擾較小。這是因為：對于1階濾波器，其過渡帶下降較緩慢，無法有效抑制信號的偶次諧波，從而導致眼圖抖動較大；對于4階濾波器，其過渡帶下降太陡峭，濾波后的信號頻譜與理想NRZ頻譜相比，減少了一部分有用的信號頻譜成分，從而導致眼圖張開程度較小。對比2階巴特沃斯濾波與2階切比雪夫濾波的眼圖可以看到，
選擇2階巴特沃斯波器可以使得轉換后的NRZ碼質量更好。方案中的巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器，均可以采用串聯微環諧振器來進行構造[23]。
圖5為微環不同耦合條件對碼型轉換后的眼圖，選擇占空比為50%的RZ光信號，窄帶濾波器為2階巴特沃斯濾波器。其中，圖5(a)、(b)、(c)分別為欠耦合( k < 1 - α2 )、臨界耦合( k = 1 - α2 )、過耦合( k > 1 - α2 )條件下，微環諧振器的傳輸譜圖以及經過微環諧振器濾波后的信號頻譜圖。圖5(d)、(e)、(f)分別為對應三種耦合條件下，經微環諧振器和2階巴特沃斯濾波器聯合作用后的NRZ信號頻譜及眼圖，可以看出，雖然欠耦合和過耦合條件下，利用微環濾波器的梳狀特性很難有效去除RZ頻譜中的奇次諧波，但由于巴特沃斯濾波器對RZ頻譜進一步的壓縮，有效抑制了RZ信號中的殘留諧波，從而使得最后濾波后的碼型轉換效果受耦合條件的影響較小。故可以考慮設計一種理想的2階巴特沃斯濾波器，直接實現RZ到NRZ碼型轉換的新方法。
圖6為占空比分別是33%、50%、66%的RZ光信號的頻譜以及在臨界耦合條件下，使用2階巴特沃斯濾波器濾波后的NRZ信號眼圖。可以看出，雖然不同占空比的RZ信號的頻譜也不同，即占空比越小的RZ信號，其頻譜越寬，諧波分量也越大，但是經過碼型轉換后，都可以得到質量較好的NRZ信號。這說明，基于微環諧振器和2階巴特沃斯濾波器的組合進行RZ到NRZ碼型轉換的方案，對輸入的RZ信號質量的要求比較低。
另外，為適應未來光網絡的發展，全光碼型轉換需與更高的信號速率相兼容。由于微環諧振器的FSR與器件尺寸近似成反比，如圖7(a)所示。調節環半徑，可以有效增加微環諧振器的FSR，使FSR為 80 GHz ，利用微環諧振器的下陷梳狀譜濾除RZ信號的奇次諧波，再輔以窄帶濾波器對RZ頻譜進行壓縮(從圖7中可以看出，窄帶濾波器相比10 GHz的帶寬變寬)，也可實現速率為40 Gb/s的RZ信號到NRZ信號的碼型轉換，圖7(b)為利用微環諧振器和窄帶濾波器的組合，實現40 Gb/s的RZ到NRZ碼型的轉換過程，圖7(c)為濾波后的NRZ信號頻譜及眼圖。
4 結 論
利用微環諧振濾波器和窄帶濾波器濾波器的組合，研究了速率為 10 Gb/s的全光 RZ到 NRZ的碼型轉換，以及不同窄帶濾波器、耦合條件、占空比對轉換后NRZ碼信號質量的影響。結果表明：選擇2階巴特沃斯濾波器作為窄帶濾波器時，可以有效避免耦合條件以及占空比對碼型轉換效果的影響。另外，根據微環諧振器的FSR與環半徑大小成反比的特性，通過減小環半徑，實現了40 Gb/s的RZ碼到NRZ碼的轉換。隨著制作工藝的不斷進步，微環諧振器在未來高速率的通信網絡中將發揮更好的實用價值。
參 考 文 獻
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