（凝聚态物理专业论文）半导体光放大器的非线性研究及其应用.pdf

半导体光放大器的非线性研究及其应用 摘要 新世纪以来，光纤通信网成为电信骨干网的主要技术。光信号在光纤 中传输时，在各种损耗作用下，光信号的功率会下降。当传输的距离很长 时，就需要在传输线路上加中继器，将衰弱的信号放大，这样才能达到远 距离传输的目的。传统的中继器采用光一电一光的转换方式对光信号进行 放大，但它存在以下缺点：价格昂贵、设备复杂且可靠性不高、使用不便， 不适应d w d m 光纤通信系统。而半导体光放大器具有体积小、结构简单、 成本低、不需抽运源、易于同其他光器件和电路集成，以及高非线性等优 良特性，可以用作功率放大、中继放大和接收机前置放大外，还可以在波 分复用系统中作波长转换器或构成光开关阵列及光交换系。因此现在半导 体光放大器在集成电路高密度化的现实生活中越来越被广泛应用，主要应 用在波长变换，光逻辑门，光开关等方面，s o a 的增益特性是应用的基 础，因此深入研究它有很大的必要性。 本论文从分析s o a 的理论模型入手，对s o a 的各种非线性特性进行 了详细的研究，并且利用实验的结果验证了模拟结果的正确性。并自行搭 建实验平台对其应用如波长变换进行了实验研究，并取得一定的成果。具 体内容如下： 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 i 北京化t 人学硕i ：学位论文 振旋转) 几种非线性效应及其应用进行了理论研究。 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来求解这一模型。 3 、用数值方法模拟了不考虑s o a 端面反射率时s o a 的非线性增益 饱和特性。对比着模拟计算了考虑s o a 端面反射率时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。 4 、同时也模拟计算了载流子寿命在一些不同参数影响下的变化曲线。 5 、实验部分，利用实验结果来验证理论分析的正确性。 关键词：半导体光放大器s o a ，x g m ，x p m ，f w m 摘要 n o n l i n e rc h a r a c t e r so fs e m i c o n d u c t e r o p t i c a la m p l i f i e ra n di t sa p p l i c a t i o n s a b s t r a c t f r o mn e wc e n t u r yo n ，c o m m u n i c a t i o nn e to fo p t i c a lf i b e rh a sb e c o m et h e k e yt e c h n o l o g y w h e no p t i c a ls i g n a lt r a n s m i t i n o p t i c a lf i b e r , u n d e rt h e e f f e c t i o no fm a n yu l l a g e s ，t h ep o w e ro fo p t i c a ls i g n a lw i l lb ed e c r e a s e d a n d w h e nt h et r a n s m i t t i n gd i s t a n c ei sv e r yl o n g ，w en e e dt ou s eo p t i c a la m p l i f i e rt o i n c r e a s et h ep o w e ro fo p t i c a ls i g n a l s ，s ot h a tw ec a nf i n i s ho u rt a s kt h a ti s t r a n s m i t t i n go p t i c a ls i g n a l si nal o n g e rd i s t a n c e 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 ek e yt e c h n o l o g yf o rd 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 n n 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 sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fa 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 yh a sf 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 t s 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 yd e s i g n sf o rr e a l i z i n ga l l o p t i c a l l 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 r c 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 sd e t e r m i n e db yt h e c 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 rw h i c hi n c l u d eh i g h l y n 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 t ，f o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) a n ds oo n t h e yc a nb eu s e dt od e s i g n 北京化工人学硕l ：学位论文 p 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 eo 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 do nt 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 d t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo 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 ai s g i v e ni n t h i sp a p e r , a n do 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 nr e s u l t sa r ea c h i e v e d ，a n ds 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 ln o n l i n e a re f f e c t sa n d a p p l i c a t i o n s o fs e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a 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 as 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 g t h ec a r r i 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 r g a i ns 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 e r e s u l t sa 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 ) i no r d e rt os t u d yo nt h er e l a t i o nb e t w e e ng a i nc h a r a c t e r so f 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 ra n di t sp a r a m e t e r s t om a k eap r e m i s et h a ti sc o n s i d e r i n gt h e f a c e tr e f l e c t i v i t yo fs o a ，t h i sp a p e rc o m p u t e st h ep a r a m e t e r sw h i c ha f f e c t t h eg a i nc h a r a c t e r s b yu s i n gt h es u b s e c t i o n m o d e la n d g e ts o m eu s e f u l c o n c l u s i o n s i ti ss h o w nt h a tt h ei n p u tc u r r e n ta n dt h es o u r c ea r e ah a v el i m i t s w h i c ha f f e c tg a i nc h a r a c t e r i s t i c so fs o a ，a n dw h e n t h e ya r el e s st h a nt h el i m i t ， i n c r e a s i n gi n p u tc u r r e n ta n ds o u r c ea r e aa n dt h eg a i nw i l li n c r e a s e ；h o w e v e r , w h e ni n p u tc u r r e n ta n ds o u r c ea r e aa r eg r e a t e rt h a nt h el i m i t ，g a i no fs o aw i l l t e n dt oac o n s t a n t a n o t h e rc o n c l u s i o ni st h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ri s 摘要 f a c e tr e f l e c t i v i t yo ft h ep a r a m e t e r s ( 4 ) o nt h eb a s i so ft 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 eg r o u p ，m e a n w h i l e ，ic a l c u l a t et h ec a r r i e rl i f e s p a nb ym a t l a b ，a n df i n d s o m ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h el i f e ( 5 ) t h ee x p e r i m e n ts h o w st h ec o r r e c t n e s so f l a s tt h e o r e t i c a la n a l y s i s k e yw o r d s ：s o a ，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己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：4 堡塾日期幽：皇：三呈 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。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：哑 导师签名：当牟丛 导师签名：型爸垒垒 第一幸绪论 1 1 本课题研究的背景 第一章绪论 信息化是当代经济和社会发展的迫切需求和必然趋势，新世纪以来，光纤通信网成 为电信骨干网的主要技术。随着全球“信息高速公路”的发展，同时出现了各种新的基于 多媒体的通信业务，对通信网络的带宽、成本和自愈恢复功能等提出了更高的要求。波 分复用( w d m ) 技术是节省光纤线路，提升传输容量的现实最优技术。当然，w d m 技术也得到了掺饵光线放大器( e d f a ) 的大力支持，但是由于扩大传输容量的需求 不断猛增，仅靠工作在c 波段( 1 5 2 5 1 5 6 5 n m ) 的e d f a 的w d m 已不够用。由于半 导体光纤放大器( s o a ) 具有处理高速信号( 1 0 g b s ) 的能力，带宽宽，功耗低， 增益高，结构紧凑，易于与其他半导体光电器件集成，价格便宜等特点，将会在全光 通信网络中获得广泛的应用。 半导体光放大器是用向半导体活性层注入载流子生成反转分布状态，光信号被感 应产生并放大后输出的器件。它比光纤放大器的体积更小，功耗更低。它是利用和光通 信用的半导体激光器相类似的工艺制成的。和石英光纤放大器相比，半导体光放大器更 适于基于长距离传送系统，并适于光纤网络高性能化后光部件多且性能各异的情况。 利用半导体光放大器，有利于光通信性能的扩大，体积减小，功耗降低和成本降低利用 半导体光放大器对4 0 m a 级电流和i c ( 集成电路) 电流的控制，制成了n s 级高速开关的 光控制门，获得4 0 d b 的高开关比。最近还做出高密度集成的矩阵型光开关和波长选 择器等高性能光模块。 目前主要的研究都是基于半导体光放大器的非线性理论的研究，以及应用这些非 线性效应来进行波长变换，全光逻辑门，光逻辑开关，全光再生，时钟复变等。研究 的内容有的从理论方程入手，有的从实验环境的搭建入手等等，来推导出输入与输出 的关系。 1 2 相关领域的发展情况 近些年来，在对半导体光放大器的光学非线性特性的研究方面，我们取得了很大 的进步。一系列很有潜力的应用已经被我们开发出来，包括波长变换、光学多路输出 选择器、时钟复原、时空开关、传播补偿等。其中我们对半导体光放大器非线性的研 究分为两类：一类是带问非线性性质，研究是导带和价带之间载流子浓度的变化，它 北京化t 大学硕j ：学位论文 指的是载流子在导带和价带之间的跃迁。另一类是带内的非线性性质，研究的是导带 和价带的能量分布的变化。虽然载流子在导带和价带问没有跃迁，但是导带和价带内 载流子的分布有变化，而对整个导带和价带而言，载流子的浓度没有变化。 s o a 的非线性效应主要有交叉增益调制( x g m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、交叉 偏振调制、四波混频( f w m ) 。利用这些非线性效应我们可以得到很多的应用，如波 长变换，全光逻辑门，产生光学相位共轭光，全光再生器，光开关等等。 1 2 1 波长变换的应用 光波长转换技术是研究如何把运载信息的光波长转换到另一个波长上去。传统的 光电光波长转换形式弊端很多，如转换效率低，结构不紧凑，兼容性差等等。它已 经不识和高速大容量光纤通信系统和全光网络的要求。取而代之的是全光波长变换技 术，它可以直接把输入载波的信息变换到输出载波上，即光光变换，因而避免了光 电速度的“瓶颈”效应。 密集波分复用( d w d m ) 技术成为解决超大容量和超高速通信系统的有效手段， 全光波长变换器是光密集波分复用网络中的重要部件，它已经成为研究热点。全光波 长变换方法有很多，其中基于s o a 交叉增益调带t j ( s o a x g m ) 1 - 2 1 ，交叉相位调制 ( s o a x p m ) 【3 】和基于光纤光栅外腔半导体激光器的全光波长变捌4 】【5 1 是目前研究 的热点。x g m 、x p m 和f w m 这三种波长变换技术实现起来各有千秋；x g m 调制， 结构简单，易于集成，变换频带宽，但消光比比较低 函7 1 ：x p m 调制可以实现高速、 低啁啾，但注入s o a 的光功率的动态范围d , t 8 】；f w m 对调制和比特率透明，但转化 效率不稳定、偏振敏感0 1 。 利用四波混频效应进行波长转换是当前唯一能实现严格透明、并能对一组w d m 信号的多个波长同时进行转换的技术，如果克服转换效率低，输入电平高的缺点，则 是波长转换的一个重要研究方向【1 1 1 。 除此之外，人们利用增益偏振无关的半导体光放大器中的交叉偏振调制效应 ( c p m ) ，实现了1 0g b s 的无误码波长转换【1 2 1 ，有的文献以张应变体材料的增益偏振无 关半导体光放大器为研究对象，分析了基于这种半导体光放大器的交叉偏振调制波长 转换器的增益调制特性和相位调制特性，提出了一种优化交叉偏振调制半导体光放大 器波长转换信号的新方法f 1 3 】。 1 2 2 逻辑门的应用 全光网中，光交换方式分为：光线路交换( 包括波长交换、光纤光缆空间交换) 、 2 第一章绪论 光分组交换和光突发交换( 包括光标签交换) 1 1 4 。目f i 对光线路交换和光突发交换的 研究已经比较成熟了。光分组交换可以看作是电分组交换概念在光域的延伸。由于交 换设备必须具备处理最小分组的能力，所以光分组交换技术要求节点的处理能力非常 强，对光部件的性能要求也就很高。而光开关是大型分组包交换系统的核心器件和 决定网络性能的关键因素，所以也是全光网中的关键器件。近年柬，半导体光逻辑门、 热光开关、机械光丌关、液晶光开关等光开关技术和集成化都取得了一定发展。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，因此 国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。现在如果 要确保用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，这样的光分组交换技术 主要是在实验室内进行研究与功能实现。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丌发高速 光逻辑器件，目前世界各国研究机构正加紧对此进行研究。 除了光交换以外，现在的计算机也受到“电子瓶颈”问题的限制，而光子是提高计 算机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头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。 出于全光信号处理技术具备处理宽带宽、高速率、大容量信号的能力，所以在通 信和计算领域内，被广泛地用作交换、判决、再生以及一些基础的或复杂的光运算。 全光逻辑门因此应运而生。 基于s o a 构成的全光逻辑门，从构成原理上大体上可以分为两类，一类是基于干 涉原理来实现的，另一类是基于s o a 中的x g m ( 交叉增益调制) 效应来实现的【”】。 ( 1 ) 基于u n i ( 超快非线性干涉仪) 的x o r ( 异或门) 1 6 , 1 7 ； 图l ，l 超快非线性干涉仪原理图 f i g 1 一lf i go f t h eu l t r a f a s tn o n l i n e a ri n t e f f e r o m e t e r 北京化t 人学顾i ：学位论文 如图1 1 所示，超快非线性干涉仪( u n i ：u 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( 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“0 ”和“o ” 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“0 ”、“1 ”或者a 、b 为“l ”、“0 ”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“l ”、“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s l a l o m 构成的逻辑与门和逻辑异或门【1 9 2 5 】； 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p 2 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p 信号脉冲光波长与只信号不同，且峰值功率比较大，能使s o a 迅速达到饱和 状念。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的脉冲， 分别称为c w 脉冲和c c w 脉冲。 图1 2 半导体光放火器光环镜结构图 f i g 1 2s t r u c t u r eo fs o ai no p t i c a le n v i r o m e n t 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a x ，使2 a t 小 4 第一章绪论 于s o a 中载流子的恢复时间，那么当p 脉冲动态地改变s o a 的载流予浓度时，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 g m ) 和交叉相位 调制( x p m ) 的情况将有可能不同。也就是当曰和只信号分别为“l ”、“1 ，时，在端口b 可滤出波长在昱的光，视作输出为“l ”；当曰和只信号分别为“0 “1 ”时，端口b 没有 干涉结果，视作输出为“0 ”；丽当只和只信号分别为“o ，“一0 和“l ”、移时，端口b 都不 能滤出波长在昱的光，输出为“0 ”。于是就实现了只和只信号之间的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 束做 逻辑x o rf - j 。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 & ( 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“0 ”“1 ”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“l ”；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“0 ”。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【1 8 】： a b + a b 图l - 3 两个s o a 实王e x o r v j 功能原理图 f i g 1 - 3i m p l e m e n tt h ex o rf u n c t i o nb yt w os o a 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 l 为例，当a 和b 信号都为“l ”时，因为s o a l 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 l 右端可以视为无输出，也就 是输出为“0 ”；只有右端无输入时，a 才能够被s o a 放大，输出为“1 ”。也就是说，上 方的s o a l 实现了a b 运算。同理，下方的s o a 2 也可实现a b 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 + 彻。因此实现了信号a 和b 之间的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【2 6 - 2 7 ； 5 北京化t 人学硕1 ：学位论文 如图1 4 所示，左端入射光波长为允，且已训和吃以的峰值光功率远大于右端波长为 的吃m 的光功率。在只们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( 即兄训和己m 不全为“0 ”) ，入射光被s o a l 放大再进入s o a 2 ，受 x g m 效应的影响，右端己们在s o a 2 中不仅不被放大，而且可能被饱和吸收，所以 可以视眈：端口的输出为“0 ”；反之，若最刎和己以为“0 ”、“0 ”，那么右端吃m 进入 s o a 2 以后被放大，所以础端口有输出。这就实现了圪训和己m 信号间的n o r 功 能。 p i i l p i i 嗽。 图1 4 基丁级联s o a 实现n o r 门原理图 f i g 1 4n o rg a t ep r i n c i p i a mf i gw i t hc o n n e c t i v es o a 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 ) 利用两级级联s o a 实现a n d ( 与非) 功能【2 8 1 ； 图1 5 基于级联s o a 实现a n d f 的原理图 f i g 1 5a n dg a t ep r i n c i p i u mf i gw i t hc o n n e c t i v es o a 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 o a l 后，由于s o a 增益的调制作用使得输出信 号c 为0 0 1 1 ，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。 6 第一章绪论 1 2 3 光学相位共轭光的产生的应用 光学相位共轭是指利用某种非线性效应，使得任意光束中的每一个平面波分量的 传输方向及其在任一处的位相因子发生时间反演。这种自然矫正传输相位干扰的特性 和反向传输性质使其得到广泛的应用。特别是在现代光通信领域中，可以用柬进行波 长转换、色散补偿和非线性效应失真复原。 产生相位共轭光的方法一般有两类：一类是参量过程，或称为弹性散射过程，如 三波、四波混频、光子回波、双光子吸收等等；另一类是非参量过程，或称为光子的 非弹性散射过程，如受激布里渊散射、受激拉曼散射、受激瑞利散射等等。 在半导体光放大器( s o a ) 中，利用四波混频( f w m ) 效应产生相位共轭光是我们利用 s o a 的非线性效应又一个应用。而利用产生的相位共轭光可以实现我们的波长转换的 功能【2 9 1 。 1 2 4 光再生的应用 在光纤通信系统中，当信道的速率达到1 0g b s 时，有一些因素会明显的影响光信 号的质量。光放大器的自发辐射噪声、群速度色散、偏振模色散和非线性效应等会影 响信号的形状和消光比，有必要采取措施以恢复原来信号的形状和消除各种损伤，才 能使信号在光网络中继续传输和进行交换。传统的光电再生方法把光信号转变为电信 号后，在电域对信号进行再生后再转变为光信号，该方法成本高并受到电子处理速度 的限制。全光再生技术是最理想的再生方式，它突破了传输速率的“电子瓶颈”，符合 光纤网络的要求。当具有足够高强度的光脉冲经过饱和的半导体光发大器时，光脉冲 频谱会产生啁啾现象，频谱向短波方向移引3 0 j 。 利用s o a 的这种现象，可以设计出2 r 光再生器。该再生器是利用半导体光放大器 中的自相位调制效应所引起的频谱红移现象，通过在半导体光放大器后面放置光带通 滤波器可以达至i 2 r 再生目的。在1 0g b s 、2 0g b s 以及4 0g b s 的时分复用信道上对该 再生器的性能进行了验证，结果表明，该再生器结构适用于较高速率的光纤通信系统 中。通过在s o a 后面放置光带通滤波器对啁啾信号进行滤波，可以提高光脉冲的消光 比【3 l 】。 1 2 5 全光开关的应用 全光光开关是未来超快全光通信网络的关键器件之一全光光开关可以通过非线 性光学坏路镜科o i l l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r ，n o l m ) 3 2 1 或t 比特光学非对称解复用器 ( t e r a b i to p t i c a la s y m m e t r i cd e m u l t i p l e x e r ，t o a d ) 方式实现n o l m 自身的平衡 7 北京化t 人学硕f l 学位论文 干涉结构和快速本征响应时间使得其能实现稳定和快速的开关操作，但是n o l m 结 构的光开关需要很长的光纤和很强的输入控制光功率和n o l m 结构的光开关相比， 以s o a 作为其非线性元件的t o a d 型光开关结构更加紧凑而且只需要非常小的控制光 功率【3 4 - 3 6 。 以前提出的光控光开关都仅有一个开关端口，但在实际应用中( 如丌关信号监测、 时钟提取和信头处理1 往往同时需要两个开关端口有的文献提出一种具有双开关端口 的新型全光光开关这种双端口全光光丌关是实现双环全光缓存器的基础【3 7 】。 1 3 本论文的主要研究工作 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，详细论述了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。 第三章为理论模拟计算部分，从s o a 的载流子速率方程和光率传输方程出发， 在考虑了端面反射率的情况下对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。 第四章用数值方法模拟了不考虑s o a 端面反射率时s o a 的非线性增益饱和特 性。对比着模拟计算了考虑s o a 端面反射率时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。同时也模拟计算了载流子寿命在一 些不同参数影响下的变化曲线。 第五章是实验部分，通过搭建实验平台，观察实验结果，来验证理论分析和模拟 结果的j 下确性。 第六章全文总结。 第一二章半导体光放人器1 f 线性效心的理论分析 第二章半导体光放大器非线性效应的理论分析 2 1 x g m ( 交叉增益调制) 理论及其应用 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【3 孓4 2 1 ，下面将分别进行描述。 基于s o a x g m 效应的工作机理：如图2 1 ，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相的信号，这时 s o a 起到一个逻辑非门的功能，如图2 2b 所示。 ，州一 图2 - 1同向入射情况下s o a - x g m 效应 f i g 2 - 1s o a - x g m e f f e c ti ns o m ei n c i d e n c ed i r 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，把载波信息调制到 j 。? ? ? ? ? 1 _ | j - ，- hh l _ 。- - - 一一j 、。，。1 。， s 0 增益饱和特| 生曲线 图2 2 as o a 增益饱和曲线 f i g 2 - 2 ac u r v eo fs o ag a i ns a t u r a t i o n 9 北京化t 人学硕i ：学位论文 _ 一- 一、增益曲线 输出信号 仰 。- - 。，。_ 。- - “4 。”二：二j 。”1 “。一一。“ 输入信号e ； 气 图2 - 3 异向入射情况下s o a x g m 效应 f i g 2 - 3s o a - x g me f f e c ti nd i f f e r e n ti n c i d e n c ed i r e c t i o n 探测光波长上来实现的。如图2 1 和图2 3 所示，波长为化的连续探测光与波长 为么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化信号，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 ， 1 0 第二章半导体光放人器非线性效心的理论分析 则输出的探测光便被调制为其反码形式0 1 0 1 ，即a ，这便实现了逻辑非门的功能。 s o a 的x g m 型交叉增益波长变换原理如图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1 ) 注入到半导体光放大器，且脉冲达峰值时所消耗的载流 子才能引起增益饱和，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，而泵浦光减弱时，半导体增益 则迅速恢复。当另一种波长的连续光( 探测光如) 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办被调制，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【4 3 j ，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。 图“基于s o a - x g m 效应的波长转换j 二佟原理图 f i g 2 - 4w a v e l e n g t ht m n s f o r m 、历t l ls o a - x g a e f f e c t 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：( 1 ) 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p z 码高速通 信系统。 北京化丁人学顾j ：学位论文 2 2 x p m ( 交叉相位调制效应) 理论及其应用 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 i ) ，迈克尔孙干涉仪( m i ) 以及带s o a 的光纤非线性环型镜( n o l m ) 等【4 4 舶】。 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 i 两臂 上，逆向传输的信号光脉冲以入射到m z i 中，分成强度不等的两束光，由于s o a l 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