（凝聚态物理专业论文）基于soa非线性的全光逻辑门的理论与实验研究.pdf

摘要 基于s o a 非线性的全光逻辑门的理论与实验研究 摘要 全光信号处理技术成为开发高速光通信网络的关键技术，全光逻辑运算 作为全光信号处理技术的重要组成部分，对未来的光分组交换、全光信号再 生、全光波长变换、光计算等方面具有十分深远的影响。在实现全光逻辑运 算的多种设计方案中，基于s o a 的非线性特性的全光逻辑运算具有一定的优 点，这是由于半导体光放大器( s o a ：s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ) 所具有的 高非线性和可以高度集成等特点所决定的。s o a 可产生多种非线性效应，如 交叉增益调制( x g m ) 效应，交叉相位调制( x p m ) 效应和四波混频( f w m ) 等，可用来设计光子开关器件和实现光逻辑运算功能。 本文从分析s o a 的理论模型入手，对s o a 的各种非线性特性进行了理 论分析和实验研究，并对s o a 非线性在全光逻辑运算中的应用进行了理论和 实验研究，取得一定的结果： ( 1 ) 、在广泛查阅文献资料的基础上，对半导体光放大器的x g m ( 交叉增 益调制) 、x p m ( 交叉相位调制) 、f w m ( 四波混频) 及n p r ( 交叉偏振旋转) 几种非线性效应及其应用进行了较为深入的研究。 ( 2 ) 、提出了s o a 的分段模型理论，并基于这一理论模型，从s o a 的载 流子速率方程和光波的传输方程出发，用数值方法模拟了s o a 的非线性增益 饱和特性，并对计算结果进行了分析比较，计算结果与实验相吻合。 ( 3 ) 、在理论分析的基础上，当有单束连续光、单个脉冲光、脉冲序列以 北京化工大学硕士学位论文 及两束信号光同时入射s o a 时，对光与s o a 的相互作用、s o a 的非线性变 化、光信号的输出结果进行了数值模拟和理论分析。 ( 4 ) 、在理论分析的基础上，结合本课题组的实际情况，设计了基于s o a 的交叉增益效应的全光逻辑运算方案，并进行了数值模拟和理论分析。 ( 5 ) 、提出了基于一种结构实现逻辑非门、与门和或非门的研究方案并进 行了数值模拟；该方案结构简单、容易实现、工作波长范围宽等优点。 ( 6 ) 、搭建了实验光路，对s o a 的增益特性、发光特性和x g m 特性进行 了实验研究，并对基于s o a x g m 效应的全光逻辑n o r 门并进行了实验研 究；设计了一种基于s o a x p m 的实验方案，本实验方案具有结构简单，易 于集成，且不受s o a 增益恢复时间的限制，可以提高运行速率等优点。 关键词：全光逻辑门，半导体光放大器，x g m ，x p m ，f w m i i 摘要 a l l o p t i c a ll o g i cg a t eb a s e d o ns e m i c o n c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r s a b s t r a c t a l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g i st h e k e yt e c h n o l o g y f o r d e v e l o p i n g h i g h - s p e e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a l l - o p t i c a ll o g i co p e r a t i o na s a l l i m p o r t a n tc o m p o n e n t o f a l l - o p t i c a l s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y h a v e f a r - r e a c h i n gi n f l u e n c eo no p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，a l l - o p t i c a ls i g n a lr e g e n e r a t i o n ， a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，o p t i c a lc o m p u t i n ga n ds oo n a m o n gm a n y d e s i g n sf o rr e a l i z i n ga l l o p t i c a ll o g i co p e r a t i o n ，t h ea l l - o p t i c a ll o g i co p e r a t i o n b a s e do nn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fs o ai st h em o s tp r o m i s i n go n e ，t h i si s d e t e r m i n e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ： s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) w h i c hi n c l u d eh i g h l yn o n l i n e a r i t ya n di n t e g r a t i o n s o ac a np r o d u c eav a r i e t yo fn o n l i n e a re f f e c t s ，s u c ha sc r o s s g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) ，c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) e f f e c ta n df o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) a n ds oo n t h i sc a nb eu s e dt o d e s i g np h o t o n i cs w i t c h i n gd e v i c ea n dr e a l i z e o p t i c a ll o g i co p e r a t ef u n c t i o n s b a s e d0 ut h ea n a l y s i so ft h et h e o r e t i c a lm o d e lo fs o a ，ad e t a i l e dt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fs o a i s 1 1 1 北京化工大学硕士学位论文 g i v e ni nt h i sp a p e r , a n d o ni t sa p p l i c a t i o n si na l l - o p t i c a ll o g i co p e r a t i o n ，c e r t a i n r e s u l t sa r ea c h i e v e d ，s p e c i f i cd e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nw i d e l yr e f e r e n c eo fl i t e r a t u r e s ，ad e t a i l e dt h e o r yr e s e a r c ho f s e v e r a l n o n l i n e a re f f e c t sa n da p p l i c a t i o n so fs e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s ( s o a ) s u c h a sx g m ，x p m ( c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n ) ，f w m ( f o u r - w a v em i x i n g ) a n dn p r ( c r o s sp o l a r i z er o t a t i o n ) i sg i v e n ( 2 ) as o a s e c t i o nm o d e li sd e m o n s t r a t e d ，b a s e do nt h i sm o d e l ，a n db yu s i n gt h e c a r d e rr a t ee q u a t i o na n do p t i c a lw a v ep r o p a g a t i n ge q u a t i o n ，t h en o n l i n e a rg a i n s a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o aa r es i m u l a t e di nn u m e r i c a l ，a n dt h er e s u l t s a r ea n a l y z e dw h i c hc o i n c i d ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( 3 ) b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w h e nas i n g l ec o n t i n u o u s - b e a m , s i n g l e - p u l s e ， p u l s es e q u e n c ea n dt w os i g n a lb e a mi n c i d e n c eo fs o a a tt h es a l n et i m e ，t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i ca n a l y s i sa r et a k e nf o rt h el i g h ti n t e r a c t i o nw i t h t h es o a ，n o n l i n e a rc h a n g e so fs o aa n dt h eo u t p u to fo p t i c a ls i g n a l ( 4 ) 0 n t h eb a s i so f t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no f t h e g r o u p ，a l la l l o p t i c a ll o g i co p e r a t i o nw h i c hb a s e do nc r o s s g a i ne f f e c t so f s o ai s d e s i g n e d ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y s i si sa l s od e m o n s t r a t e d ( 5 ) an e wo p e r a t i o np l a ni sp r o p o s e di nw h i c ht h el o g i cn o t , a n d a n dn o r g a t ec a nb ea c h i e v e da tt h es a m ec o n f i g u r a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sg i v e nt o o t h i sp l a nh a st h ev i r t u eo fs i m p l es t r u c t u r e ，e a s ya c h i e v ea n dl a r g er a n g eo fw o r k w a v e l e n g t h e t c ( 6 ) t h ee x p e r i m e n t a lo p t i c a ls t r u c t u r ei sc o n s t r u c t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i v 摘要 o fs o ag a i nc h a r a c t e r i s t i c ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h el i g h tg i v eo u tf r o ms o aa n d s o a x g me f f e c ti st a k e n al o g i cn o r g a t eb a s e do ns o a x g mi ss t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y ；ao p e r a t i o np l a nb a s e do ns o a x p mi sp r o p o s e dw h i c hh a st h e c h a r a c t e r i s t i co fs i m p l es t r u c t u r e ，e a s yi n t e g r a t i o n ，e v e nn ol i m i t a t i o nb yt h e s o a sg a i nr e c o v e r yt i m ea n do p e r a t i o nr a t ei m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：a l l - o p t i cl o g i cg a t e ，s e m i c o n d u c t o ra m p l i f i e r , x g m ，x p m ，f w m v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：歪! 全盘日期：尘扭：羔：型： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：避日期：递g ：兰： 导师签名： 丞仝塑羔 日期：纽：丛 i 第一章绪论 i 1 本课题研究的意义 第一章绪论 高速全光逻辑门是实现光分组交换、全光再生、全光波长变换、光学双稳态、光 计算和未来高速大容量光传输的关键器件，近年来受到国内外广泛的关注【l , 2 1 全光 逻辑门的功能的实现是利用高非线性材料的非线性性质，如光波导材料、高非线性光 纤材料、半导体光放大器( s o a ：s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) 等非线性效应。特别 是半导体光放大器，因为具备良好的非线性特性，并且具有可集成性，适合用来制作 实现光逻辑功能的器件，从而得到了广泛的应用 3 - s l 。 近些年来，随着人们对信息量的需求不断的激增，并且业务形式日趋多样化。 促使光网络的传输速率不断的提高，带宽持续地扩展。目前人们正致力于研究传输速 率为4 0 g b s 的光波复用系统，然而光电子器件和电子器件受电子运动速率的限制， 其传输速率已很难再提高了，而且电方式只支持单一的业务形式，当其它协议接入它 所支持的协议时，需要增加转换设备，并且使整个网络的管理趋于复杂化。相对而言， 在全光网络中，由于无需光电信号之间的转换，所以允许存在各种不同的协议和编码 形式，使信息传输具有透明性，节省了大量的成本，提高了传输速率【1 目前的通信系统中，在控制和网管方面不得不依赖各种电子器件。为了有效的实 现波分复用( w d m ) 而进行的波长适配和波长转换、以及对e d f a 的管理，目前仍然 处于电子控制或者经过光一电、电一光转换的水平上。这将限制通信速率的提高，不 能保证在全光水平上透明传输。目前人们正在进行对光线路交换和光突发交换的研 究。 由于密集波分复用( d w d n o 的传输容量可达t b i t s ，成本也相对较低，所以波 分复用技术成为目前系统扩容的主要方式。由于信道数目的增加和单信道传输速率的 提高，传输距离的延长，再加上目前各种光器件的性能还不是很理想，网络节点结构 设计还有待于完善等因素，使光信号在传输过程中质量下降；另一方面w d m 光网 络中波长的数量决定了具有独立地址的节点数或可选路由数，虽然w d m 光网络的 带宽可以满足用户的需求，但其中的波长数目却大大少于实际的节点数目和用户数 目这就使基于波长选路和交叉连接的w d m 网络的阻塞率大大增加，解决以上问 题的方法是采用信号再生和波长变换技术。在现有的光网络中，路由变换和对信号的 再生是在电域中进行的，这使光网络的传输速率受到“电子瓶颈”的限制，并且光一电 一光的转换方式使系统结构复杂、成本高、难以集成化，无法满足对传输速率和数据 格式透明性等要求，在光域中对信号进行再生和实现波长路由可克服以上弊病，大大 北京化工大学硕士学位论文 地提高网络的级联能力和传输距离【 除了光交换、全光再生、全光波长变换以外，现在的计算也受到“电子瓶颈”问题 的限制，这主要是光交换的核心部件光交叉连接器o x c 的发展相对缓慢。这包括交 换矩阵和控制逻辑两个方面。在目前的交换机中，交换矩阵和控制逻辑还不得不大量 使用电子器件，它们起着决定性作用由于器件本身电子渡越时间的制约，传统的电 子器件在g b s 的水平上存在着所谓的“电子瓶颈”，从而限制了速率的进一步提高。 对t b s 信息流的处理，要求逻辑运算的速率达1 0 0 0 亿次，秒以上，相当于每个逻辑 门开关的运作时间为芦量级，迄今由于在信息处理芯片中信息的载体是电子，逻辑 门之间的信息传递，尤其是芯片和插板之间信息的传递必须通过内部或外部弓l 线作为 电子载体传输的媒质，这就受到回路r c 参数延迟效应的限制。而光子是提高计算速 度的关键所在光学逻辑的发展是实现电计算转向光计算和全光数据交换的基础，例 如全光x o r ( 异或门) 是光判决和比较回路里非常关键的逻辑功能。而全光时分交 换网中对光信号的识别和处理都将采用全光数字信息处理技术，它不仅可以克服“电 子瓶颈”限制，提高网络容量，还可实现对网络信息码流的全光3 r 再生，有效地降 低信号噪声和串扰积累问题，并能够真正实现按需分配带宽。但是由于目前光逻辑器 件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，但是随着光器件技术的 发展，光交换技术的最终发展趋势仍然是光控光交换所以，实现光分组交换系统的 关键部件是开发高速光逻辑器件f i 2 在光纤的传输速率高速增长的同时，光交换技 术的发展相对要慢得多利用全光开关和全光逻辑构成光交换机势在必行，从而对全 光开关及全光逻辑的研究是非常有意义的，也是当前迫切需要解决的问题。因此，全 光光开关、光逻辑门的研究正成为当前的重要研究领埘1 2 4 1 。 综上所述，全光逻辑的发展对未来的光分组交换、全光再生、全光波长变换、光 计算和光传输等方面具有十分深远的影响s o a 具备良好的非线性性能的材料，适 合用作光子开关器件和实现光逻辑功能 1 2 相关领域的发展情况 基于非线性材料构成的全光逻辑门，从实现原理上主要可以分为：基于非线性材 料的交叉增益调制效应实现全光逻辑运算；基于非线性材料的交叉相位调制效应实现 全光逻辑运算；基于非线性材料中的四波混频效应实现全光逻辑运算等等。目前，国 内对全光逻辑门的研究较少，尤其是对全光逻辑门的实验研究还非常有限。主要有北 京邮电大学叶培大院士指导的科研小组对基于半导体光放大器的交叉相位调制效应 实现的光逻辑门进行了理论的研究；华中科技大学黄德修教授指导的科研小组对基于 2 第一章绪论 半导体光放大器的交叉增益调制效应实现的光逻辑门进行了初步的理论和实验研究 1 1 5 - 1 7 j e 国外的一些科研机构对全光逻辑门进行了较为深入的研究，并提出了一些新 型的设计方案，比较典型的有： ( 1 ) 基于s o a - x p m 效应构成的超快非线性干涉仪x o r 全光逻辑门1 8 , 1 9 。 圈1 - 1 超快菲线性干涉仪原理图 f l 垂l - ic o n f i g u r a t i o no f u n i 如图1 1 所示，超快非线性干涉仪( u n hu l t r a - f a s tn o n l i n e a ri n t e r f e r e n c e ) ，u n i 采用了单臂干涉结构，利用半导体光放大器s o a 作为非线性元件，图中实现的是a 信号与b 信号之间的异或运算左端的只信号在进入s o a 之前分成有时延且正交偏 振的两个脉冲，输出时再使两脉冲的偏振取得一致使a 和b 对应的比特位进入s o a 的时间分别在左端进入s o a 的第一个脉冲和第二个脉冲前，这样当a 、b 为o ”和“旷 时，左端的两个脉冲进入s o a 后增益相同、相移也相同，那么在输出端发生相消干 涉；当a 、b 为“矿、“l ”或者a 、b 为“l ”、“o 时，左端的两个脉冲进入s o a 后增益 和相移将不同，那么在输出端有干涉结果；a 、b 为“1 ”、“1 ”时，左端的两个脉冲进 入s o a 后经历的都是s o a 的饱和状态，增益和相移相差量很小，那么在输出端基本 上看不到干涉结果因此实现了a 、b 两路光信号的异或逻辑运算。 这种结构的异或门的缺点就是对实验条件的要求比较苛刻，比如要求精确延时， 使控制信号a 、b 进入s o a 的时间分别恰好在左端两个脉冲之前，这对实验的要求 比较高。但这种结构具备输出结果稳定的优点。 ( 2 ) 基于半导体光放大器光环镜( s l a l o m ：s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e rl o o p m i r r o r ) 构成的逻辑与门和逻辑异或门【删】 如图1 - 2 所示：它包括一个短光纤环，环两端用一个2 x 2 的3 d b 耦合器连接，一 个稍微偏离光纤环中点放置的s o a 和一个波分复用器。偏置量缸为环的中点到s o a 中心的距离。假设曩信号脉冲的峰值功率比较小，不能显著改变s o a 中的载流子分 布情况；而眉信号脉冲光波长与信号不同，且峰值功率比较大，能使s o a 迅速达 到饱和状态。只信号脉冲通过耦合器后，分成两个分别沿顺时针和逆时针方向传播 3 北京化工大学硬士学位论文 的脉冲，分别称为c w 脉冲和c c w 脉冲 圈1 吨半导体光放大嚣光环镜结构图 r i g 1 - 2 c o 曲g u m i o n o f s o a l o o p m i r r o r 如果使两个信号脉冲将在经过s o a 时有2 a t 的时间延迟，适当调整缸，使2 a t 小于 s o a 中载流子的恢复时问。那么当异脉冲动态地改变s o a 的载流子浓度时，c w 信 号脉冲和c c w 信号脉冲通过s o a 受到控制脉冲的交叉增益调制( x o m ) 和交叉相位 调制( x p m ) 的情况将有可能不同也就是当毋和罡信号分别为“i ”、“l ”对，在端口b 可滤出波长在b 的光，视作输出为i ；当眉和最信号分别为咿1 ”时，端口b 没有 干涉结果，视作输出为咿；而当砰和最信号分别为“d ”和“1 ”、矿时，端口b 都 不能滤出波长在最的光，输出为0 竹。于是就实现了眉和最信号之间的a n d 逻辑运 算 如果调整2 a t 使它大约等于s o a 中载流子的恢复时间，则可以用s l a l o m 来做 逻辑x o r 门其原理是：从端口a 输入连续光脉冲，从耦合器2 的外接端口输入进 行逻辑运算的两路光信号，这两路光信号之间要有一个约为2 a t ( 约等于s o a 中载 流子的恢复时间) 的时延。这样，当没有信号光输入时，端口b 的输出为0 ”；当两 路光信号为01 ”或者“l “o ，时，c w 与c c w 光脉冲经历的增益和相位变化不同， 端口b 的输出为“i ”；当两路信号光都为“1 ”时，因为信号光之间的延时为2 a t 。c w 与c c w 光脉冲之间的延时也为2 a t 。所以，c w 与c c w 光脉冲经历的增益和相位 变化相差不大，这样在端口b 发生干涉后，输出也为“o 竹因此就实现了x o r 功能。 此逻辑门结构器件的工作稳定性较好，可重复性高。 ( 3 ) 利用s o a 的x g m 特性，实现x o r 功能抛卯 4 第一章绪论 a 嚣+ a b 圈l - 3 基于s o a - x g & i 的x o r 门原理图 f 弛l - 3c o n f i g u r a t i o no f x o rg a t eb e s e do ns o a - x g m 如图1 - 3 所示，用两个s o a 实现a 和b 信号之间的x o r 功能。该结构中，从 s o a 右端进入的光为泵浦光，其光强远大于从s o a 左端进入的探测光强。以s o a i 为例，当a 和b 信号都为“1 ”时，因为s o a i 右端有强泵浦光b 入射，b 将竞争到 s o a 中绝大部分的载流子，信号a 则被饱和吸收，所以s o a i 右端可以视为无输出， 也就是输出为o 竹；只有右端无输入时，a 才能够被s o a 放大，输出为“l 气也就是 说，上方的s o a l 实现了彳否运算。同理，下方的s o a 2 也可实现盈r 运算然后将 这两路输出信号耦合到一起，也就是x o r = a b + 一4 8 因此实现了信号a 和b 之问 的x o r 这种方案特点在于只需输入在一个波长上的信号光，不需要额外的光源，原理也 十分简单，易于在实验室里完成 ( 4 ) 利用两级级联s o a 实现n o r ( 或非) 功能嘶 如图1 4 所示，左端入射光波长为名，且尼，和圪：的峰值光功率远大于右端波长为 z 。的兄2 的光功率。在乙j 端口放置一个滤波器，滤出波长为的光信号。左 端若有入射光( 即乞埘和气。不全为“o ) ，入射光被s o a i 放大再进入s o a 2 ，受 x g m 效应的影响，右端昂：在s o a 2 中不仅不被放大，而且可能被 圈1 4 基于级级联s o a 实现n o r 门原理图 飚1 - 4c o n f i g u r a t i o no f n o rg a t eb a s e d ( 3 1 1t w oc a s c a d e ds o a s 饱和吸收，所以可以视气啦端口的输出为“o 竹；反之，若己卅和最一2 为“o ”、“o 竹，那 么右端圪以进入s o a 2 以后被放大所以只啦端口有输出。这就实现了昂巾和己一2 信 5 北京化工大学硕士学位论文 号间的n o r 功能。 这种方案基于s o a 的x g m 原理来构成逻辑门，原理简单，易于实现。 ( 5 ) 、利用级联s o a 实现逻辑与门的原理【2 7 删 图1 - 5 基于级联s o a 实现a n d 门的原理图 f l g 1 - 5c 丘鲫暇临o f l n - d 群1 t cb a 3 e d t w o a d e ds o a s 实现原理：如图1 5 ，a 、b 为两个强脉冲信号光，足以对s o a 的增益进行调制 若a 信号为1 1 0 0 ，它和连续光入射s 0 a l 后，由于s o a 增益的调制作用使得输出信 号c 为o o l l ，与原信号光相反的脉冲光，同时b 经一个时延，在入射s o a 2 前为0 1 1 0 ， c 和b 在s o a 2 中由其饱和增益调制，输出结果为0 1 0 0 ，从而实现了a 、b 信号的 逻辑门的输出 综上所述，基于s o a 的各种非线性特性我们可以用来实现多种全光逻辑门功能， 并且基于s o a 的x p m 原理和基于s o a 的x g m 原理来实现逻辑功能的方案都有各 自的优缺点。基于s o a 的x p m 原理的逻辑门，工作稳定性好，可重复性高，但其 结构复杂，在实验室内很难用分立元器件实现；基于s o a - x g m 原理的逻辑门的工 作性能虽然不如干涉结构稳定，但其工作原理简单，易于实现从实验室的现有的条 件出发，选择基于s o a 的x g m 原理的逻辑门对实验条件没有太多的限制。所以在 本文的理论研究和实验研究上，选取这种方案作为主要的研究对象。 1 3 本文的工作 本课题在北京市教育委员会科技发展计划面上项目的资助下( 项目编号： k m 2 0 0 6 1 0 0 2 8 0 0 5 ) ，对基于半导体光放大器的全光逻辑运算功能进行了较为详细的理 论和实验研究。文章各部分的具体内容组织如下： 第一章为绪论，介绍与本课题相关领域的历史、现状和前沿发展情况及全光逻辑 的研究背景、研究意义，总结了前人的研究成果。 第二章为半导体光放大器的各种非线性特性的综述，祥细论述了s o a 的交叉增 益调制、交叉相位调制、四波混频和交叉偏振等非线性效应。 第三章为理论分析部分，从s o a 的载流子速率方程和光率传输方程出发，对s o a 的非线性增益饱和特性进行了数值模拟，为后续章节的模拟和讨论奠定基础 6 第一章绪论 第四章在以上理论分析的基础上，对单连续光、单脉冲光、脉冲序列单光束输和 及同时入射s o a 时的情况进行了数值模拟和分析比较。 第五章利用s o a 的这种非线性增益饱和特性，实现简单的逻辑n o t 、a n d 、和n o r 功能的数值模拟并进行了实验研究，对不同的s o a 输入参数的输出情况进行了比较和 分析。 第六章是实验部分。分别对s o a 的增益饱和特性、增益回复时间、交叉增益调制 效应及基于s o a x g m 效应的全光逻辑n o r 门进行了实验研究在理论分析的基础上， 搭建实验光路，并分别描述了实验方案和具体的实验步骤，给出了实验结果实验结 果能够和数值模拟结果较好的吻合。 7 第二章半导体光放大器的非线性效应的理论分析 第二章半导体光放大器的非线性效应的理论分析 半导体光放大器是具有良好非线性特性的光子器件，它的非线性效应主要有交叉 增益调制效应、交叉相位调制效应、四波混频和交叉偏振效应，这些非线性效应可以 用来实现波长变换、光开关和多种全光逻辑功能 2 9 - 3 2 ，下面各小节将分别进行描述。 2 1 x q u ( 交叉增益调制) 理论及其应用 基于s o a x g m 效应的工作机理：如图2 - l ，一连续光( 探测光) 和一脉冲光( 控制 光) 同时输入s o a ，高功率的控制光吸收大量的载流子引起s o a 增益饱和( 如图2 - 2a 所示) ，探测光在s o a 内受到s o a 增益的调制从而携带与控制光反码的信号，这时 s o a 起到一个逻辑t 1 1 f l 的功能，如图2 2b 所示。 圈2 1 同向入射情况下s o a - x g m 效应 f l g 7 - 1s o a - x g m w i t hu - p r o p a g a t i v eq 删i n j e c t i o n 基于半导体光放大器的交叉增益调制效应( s o a x g m ) 的工作原理是利用输入的 信号光调制s o a 的有源区载流子浓度，通过光烧孔效应把载波信息复制到探测光 增益饱和特性曲线 圉2 - 2as o 增益饱和曲线 f 建2 _ 2ag a i n 蛆t m a t i o nc u mo f s o a 世 舢 彬 北京化工大学硕士学位论文 _ h ”、曼 图2 - 2b 逻辑非门功能的实现原理 f l i g 2 - 2bc o a i 自g u r a t i o no f n o t1 0 9 i cg a t e 圈2 - 3 异向入射情况下s o a - x g m 效应 f t g z - 3s o a - x g mw i t h 删m 手印珥l a i 洳叩蝴i n j e c t i o n 波长上来实现的如图2 1 和图2 3 所示，波长为是的连续探测光与波长为五的信号 光共同注入到s o a 中，其中信号光功率较强，由于信号脉冲强度的起伏，使其消耗 的载流子数也发生相应的变化，引起s o a 增益饱和变化，也就是信号光的强变化调 制了s o a 的增益，同时载流子的变化会引起s o a 腔内折射率的变化；所以当探测光 通过s o a 时，将会受到s o a 增益和折射率的调制，对于信号脉冲的波峰处，s o a 腔 内增益达到饱和，探测光获得不到增益，而在信号脉冲的谷底处，s o a 腔内增益没有 达到饱和，探测光获得很大的增益，最终的结果就是探测光的幅度和相位受到信号光 的调制，输出的探测光携带信号光的调制或编码信息，而且从s o a 输出的变换光是 信号光的反码脉冲序列需要指出的是，在图2 - 1 中两束光同向输入s o a ，在输出端 需要有一个滤波器滤出五信号，而在图2 - 3 中，两束光反向输入s o a 时，在输出端 就不再需要滤波器，这样便可以简化结构。 s o a 的这种非线性增益特性可以用来实现波长变换、光开头和多种全光逻辑功 能在图2 - 1 和图2 3 中，如果输入的强信号光为脉冲序列，它首先对s o a 的增益进 行了调制，使作为探测光的连续信号经过s o a 后受到s o a 增益的调制，于是输出的 探测光携带了信号光的调制或编码信息，而且从s o a 输出的变换光是信号光的反码 脉冲序列，这便实现了一个波长变换的过程。如果输入的强脉冲序列信号a 为1 0 1 0 ， 9 第二章半导体光放大嚣的非线性效应的理论分析 则输出的探测光便被调制为其反码形式o 1 0 1 ，即j ，这便实现了逻辑非门的功能。 圈2 - 4 基于s o a - x c 独效应的波长转换工作原理图 f 醯2 - 4c m 墒舒瑶毗i o no f w a v c 蜊h 仪咀w 岍b 喇s o a - x g m s o a 的x g m 型交叉增益波长交换原理如图2 4a ( 同向输入) 、b ( 反向输入) 所示 当把载有信息的信号光( 泵浦光a ) 注入到半导体光放大器，且脉冲达峰值时所消耗的 载流予才能引起增益饱和，致使半导体载流子的浓度随信号光强度的变化而变化( 即半 导体的增益随信号光而变化) ，泵浦光变强则半导体增益减小，而泵清光减弱时，半导 体增益则迅速恢复。当另一种波长的连续光( 探测光丑) 同时和泵浦光相耦合进半导体 光放大器后，由于半导体的增益被泵浦光连续调制，所以探测光的增益过程亦被调制， 从而使探测光可承载信号光的信息，变换后的探测光所承载的信号和泵浦光反向图 2 _ 4 是利用s o a 中x g m 实现全光波长变换的两种方法。图2 - 4 ( b ) 是信号光和探测光反 向传输的情况，它不需要光滤波器。由于反向工作方式的放大自发辐射噪声要远大于 同向工作方式叫l ，因此本文中我们所做的所有分析都是在基于同向工作方式下进行。 该类型的光波长变换具有结构简单、容易实现、变换效率高等优点，但它也存在 一些缺点：o ) s o a 的载流子数量有限，无法提供高功率输出；( 2 ) 在波长上变换时， 输出消光比随频率失谐量的增大而严重劣化；( 3 ) 变换光的啁啾较大，输出脉冲发生变 形此外，变换输出为入射信号光的反码，不适于占空比大、脉宽窄的r z 码高速通 信系统 2 2 x 蹦( 交叉相位调制效应) 理论及其应用 北京化工大学硕士学位论文 基于半导体光放大器的交叉相位调制效应( s o a - x p m ) 的工作原理是基于s o a 有 源区中载流子有效折射率被输入信号光调制，导致连续探测光的相位受到调制，从而 实现波长变换、光开关和各种逻辑功能。常用来实现各种功能的结构有：马赫曾德尔 干涉仪( m z d ，迈克尔孙干涉仪( m d 以及带s o a 的光纤非线性环型镜( n o u 田等p 习。 如图2 - 5 是用来实现波长变换的m z i 结构图，两个s o a 分别放置在对称的m z l 两臂 上，逆向传输的信号光脉冲允入射到m z i 中，分成强度不等的两束光，由于s o a i 和s o a 2 腔内受不同光强度调制引起的折射率变化不同，并在m z i 输出端产生干涉叠 加，信号光携带的信息由此传递给输出的探测光，从而实现波长变换，改变实验条件 还可以实现多种全光逻辑功能。由于s o a - - x p m 型波长变换利用干涉原理实现波长 变换，所以通过调节s o a l 和s o a 2 的偏置电流以改变干涉叠加效果，可以实现同码 或反码输出。 与x g m 型波长变换相比，s o a - - x p m 型变换器可以实现同码或反码输出，具有 对入射光的功率要求低、变换输出的谱宽窄、输出信号的啁啾较小和消光比劣化效应 弱等优点但其也存在明显的缺点，即输入功率的动态范围小，需要s o a 或e d f a 对信号光进行预放大，控制系统罚复杂，封装有一定的难度 圈2 - 5s o a - x p m 结构示意图 2 - 5c c 丘g 峨d o f s o a - x p m 图2 - 6 是用来实现全光逻辑x o r f - 的结构示意图，s o a i 和s o a 2 对称地放置于干 涉仪两臂，连续的探测光厶通过一个3 d b 耦合器分解成两柬光注入到干涉仪两臂，波 长为元两路强度调制的信号光分别注入到s o a i 和s o a 2 ，信号光的峰值功率高于s o a 的最大线性输入功率时，$ o a 有源区内载流子密度就会发生改变，有源区的有效折射 率将会了生改变，导致s o a 的探测光的强度和相位了生变化，即交叉增益调制x g m 和交叉相位调制。探测光的相位沿光入射方向的变化为： 第二章半导体光放大罄的非线性效应的理论分析 警= 一三2 r 昭。 式中r 为模场限制因子，口为线宽加强因子，乳为增益。探测光经过s o a 后就会 携带上信号光的信息两路经过相位调制的探测光在耦合器中发生干涉，将相位调制 转换成振幅调制，完成两路信号的异或运算。 信号光a 五信号光b 圈2 6 基于s o 配i 全光x o r 逻辑门结构图 l k “蛐羽f a d o f x o r l o g i c g a t e b a s e d 0 9 s o a - m z i 2 3 f n ( 1 四波混频) 理论及其应用咖 四波混频( 嗍是基于非线性介质的三阶非线性效应，非线性介质可以是光纤等 无源介质，也可是s o a 、d f b - l d 等有源介质为了提高变换效率，一般采用有源介 质进行四波混频，常用的有源介质为s o a 。 对于高强度电磁场中的电介质，电偶极子的极化强度p 和电场e 的非线性关系为： p ：1 ) m z ( 2 ) ：髓+ 3 ) ；脚一 ( 2 3 1 ) v lj 介质中的四波混频效应可通过公式( 2 3 1 ) 中的三阶极化项来解释： p 舰= 3 ) ；脚 ( 2 3 2 ) 式中e 为电场，f k 为感应非线性极化强度，岛为真空中的介电常数，考虑振动 频率分别为q 、呜、鸭和蛾，沿z 方向线偏振的四个光波，总电场可写成： 1 2 北京化工大学硕士学位论文 e = 糖勺唧训+ 卯 旺s 式中传播常数屯= n p j c ，一是折射率。假定所有光波沿同一z 方向传播，若把 方程( 3 ) 代入( 2 ) ，则f 舭可表示成如下形式： 气= 糖。唧训+ s 舢 由上式可以看出，p ( j = i 一4 1 由许多包含三个电场积的项组成，其中： p 碍_ 3 c 4 0 。一黼( 3 ) 畸驴时坩w 卜e i e 2 e 3 e x p ( j o + ) 哗晒唧( 皿) + 式中： 气= h + 乞+ 气一) 一q + 吃+ o , 3 一气， t = h + 乞一勺一) z q + 吃一勺一吖 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 方程( 5 ) 中正比于的项对应于s p m 和x p m 效应，其余项对应的就是四波混频 p u m p 戳嘈d c o n v e r t e d i i m 茁 i l。 2 m ，一珊， 国，q 2 脚一口， 国 图2 7 四波混频的频谱示意图 f t g 7 - 7c o n f i g u r a t i o no f f w m 效应。这些项在参量耦合中起作用，取决于臣和只之间的相位失配，即幺，芝，或其 第二章半导体光放大器