（光学工程专业论文）全光波长转换技术在otdmwdm混合光网络中的应用.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着光纤通信技术的不断发展，人们普遍采用各种光信号的复用技术来提高光网络 的传输能力。在现行的光网络中既存在波分复用( w r d m ) 数据格式又存在时分复用 ( o t d m ) 数据格式。人们希望能够采用全光转换技术实现这两种数据格式之间的转换， 从而避免受到光电光( o e ，o ) 转换技术的应用限制。 本文在研究了基于半导体光放大器( s o a ) 的交叉增益调制( x g m ) 效应的波长转 换技术，利用仿真结果系统地讨论了这种技术制成的波长转换器的转换性能，并利用它 实现了波分复用( w d m ) 数据格式和时分复用( o t d m ) 数据格式的相互转换。具体 内容如下： 首先以法布里一珀罗谐振腔为物理模型分析了半导体激光放大器的光放大原理，并 利用半导体激光器速率方程和半导体激光放大器中光脉冲传输理论研究了在半导体激光 放大器在光脉冲作用下的增益饱和特性：然后利用建立的数值分析模型对基于 s o a - x g m 效应的波长转换进行了仿真，并对其转换特性进行了详细的讨论：接着采用 双s o a 级联的方法对波长转换进行了改进，并对采用单个s o a 和采用双s o a 级联这 两种方法转换性能进行了比较；最后将w d m - t o o t d m t o - w d m 分为复用、传输和解 复用三个子过程并逐一利用仿真结果进行了研究，得到了一些有用的结论。 关键字：半导体光放大器，波长转换，级联，波分复用，时分复用 南京邮电大学硕士研究生学位论文 英文摘要 a b s t r a c t n o w a d a y sk i n d so fd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u e sa u s e dt o i m p r o v et h e t r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t yo ft h eo p t i c a ln e t w o r kd u r i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to no p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n s t h e r ea r et w ok i n d so fm a i nd a t af o r m a ti nt h e o p t i c a l n e t w o r k - - w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) a n dt u n ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o t d m ) a l l o p t i c a ld a t af o r m a tc o n v e r s i o n sb e t w e e nt h e s et w ok i n d so fd a t af o r m a t si s b e t t e rt h a no e od a t af o r m a tc o n v e r s i o n sw i t h o u tt h el i m i t a t i o no ft h el a t t e r t h et e c h n i q u e so fa l l - o p t i c a l w a v e l e n g t hc o n v e r t e rb a s e do nc r o s sg a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) i n 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 ( s o a ) a r ef o c u s e do ni nt h i sp a p e r w i t ht h es t u d y o nt h i sl 【i i l do f w a v e l e n g t hc o n v e r t e r , t h ed a t af o r m a tc o n v e r s i o n sb e t w e e nw d m a n do t d m a r er e a l i z e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n f i r s t l y , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fs o ao p t i c a la m p l i f i c a t i o ni sg i v e n , w h i c hi sb a s e do n f a b r y - p e r o tr e s o n a n tc a v i t y t h eg a i ns a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs o aw i t ht h ei n f l u e n c e f r o mo p t i c a lp u l s ei st h e o r e t i c a l l ys t u d i e dw i t hs o ar a t ee q u a t i o n sa n dp r o p a g a t i o nt h e o r yo f o p t i c a lp u l s e s e c o n d l y , t h ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o nt e c h n i q u e sb a s eo ns o a - x g mi s i n t r o d u c e d ，f o l l o w e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o nw i t hp i e c e w i s em e t h o d t h ec o n v e r s i o n c h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e di nd e t a i l t h e nt h ew a v e l e n g t hc o n v e r t e ri s i m p r o v e db y d o u b l e s o ac a s c a d et e c h n i q u e 啊c o m p a r i s o nb e t w e e ns i n o e - s o aa n dd o u b l e s o a c a s c a d eo nc o n v e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c si sg i v e n f i n a l l y , w d m - t o - o t d m - t o - w d mi sd i v i d e d i n t ot h r e es u b - p r o c e s s e s ，w h i c ha r em u l t i p l e x i n g ( w d m 4 0 - o t d m ) ，t r a n s m i s s i o na n d d e - m u l t i p l e x i n g ( o t d m - t o - w d m ) t h e s et h r e es u b p r o c e s s e sa r es t u d i e da n ds o m eu s e f u l c o n c l u s i o n sa r eg a i n e d k e y w o r d s ：s o a ，w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n , c a s c a d e ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g l i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知。除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：之j 逝二日期：盔z 纽日 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理o 研究生签名：速 j 塾导师签名：鲤丝丝日期：乙矗纽每f 盈 研究生签名：递k导师签名：丝绌堕 日期：乙幽f 盈 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 信息社会给人们带来了巨大的挑战。人们希望可以随时随地获得需要的信息。当这 种需求汇集起来之后，就对通信系统提出了更高的要求。 2 0 世纪后半期，人们意识到如果采用光波作为载波，通信容量与之前的电通信相比， 可以提高几个数量级。当时没有得到进一步的发展主要是受困于没有相干光源和合适的 传输介质。 1 9 6 6 年高琨博士提出的光纤可以作为光波系统的最佳传输介质，但当时光纤具有 1 0 0 0 d b k m 的巨大损耗，无法实用；1 9 7 0 年光纤损耗得到突破，美国康宁公司按照高琨 的思路生产出了2 0 d b k m 的石英光纤，1 9 7 2 年该公司生产的高纯石英多模光纤的损耗已 经减 d , n4 d b k m 。1 9 7 3 年美国贝尔( b e l l ) 实验室生产的光纤损耗为2 s d b k m ，1 9 7 4 年为1 1 d b k m 1 9 7 6 年日本电报电话( n i t ) 公司在波长为1 2 0 0 r i m 时产生的光纤损耗 已减小到o 4 7d b k m 。到2 0 世纪8 0 年代初，单模光纤在波长为1 5 5 0 r i m 时的损耗已经 0 2d b k m ，接近与了石英光纤的理论损耗极限。 在光纤损耗降低的同时，作为光纤通信用的光源，半导体激光器也问世了，并取得 了实质性的进展。1 9 7 3 年半导体激光器的寿命是7 0 0 0 小时，1 9 7 7 年贝尔实验室研制出 寿命达到l o 万小时的半导体激光器，完全满足实用化的要求。1 9 7 9 年美国a t & t 公司 和日本n t t 公司又研制成功了波长为1 5 5 0 r i m 连续振荡半导体激光器。 低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功，是光纤通信发展史上的重要里程 碑。2 0 世纪7 0 年代中期以来，光纤通信发展速度之快令人震惊，可以说没有任何一种 通信方式的发展可以与之相比拟。目前，数据业务爆炸式地增长，通信道路越来越拥挤， 光通信是解决这一问题的唯一出路。 光载波的频率很高，光通信系统的带宽可以超过1 t h z 。然而，由于光纤色散和电 子器件的限制，即使原则上比特速率可以超过1 t h z ，但实际上，常常被限制在1 0 g b i v s 甚至更低。人们采用了集中复用的方法，进一步扩大了光纤传输容量，这些技术包括 o t d m ( 光时分复用) 、w d m ( 光波分复用) 、o c d m ( 光码分复用) 等。目前采用 w d m 技术实现的最高速率已达11 t b i v s ，而o t d m 技术在实验室实现的单信道最高速 甫京邮电大学硕士研究生学位论文第一章塑 率也已达到6 4 0 g b i t s t 7 1 。 1 2w d m 和o t d m 的特点及其比较 1 2 1w d m 技术简介 传统的光纤通信采用的是单路光载波传输方式，即代传输的数据经过电时分复用成 为高速数字系列，然后调整单一光源，产生单一波长的已调光载波信号，在耦合进光纤 中传输。已调光载波信号传输到达接收端后。通过光电检测器检测出高速率的数字系列， 再对检出的数字系列进行放大及波形均衡处理，由判决电路还原成发送端的原始数据系 列。人们希望可以在光纤中实现多光载波传输，以充分利用光纤的带宽资源。随着技术 的进步和器件的成熟，w d m 系统终于在2 0 世纪9 0 年代实用化并得到大范围商用。 如图1 - 2 1 所示，在w d m 系统中，来自不同信道的高速数字信号调制到不同的光 载波上，多个光载波通过波分复用器( 也称合波器m u l t i p l e x 盱) 耦合在一起，混合的多 波长信号在传输前、传输中和传输后接收前可由光放大器进行放大，在接收端，由解复 用器( 也称为分波器d e m u l t i p l e x e r ) 将多个光载波分开，分别送入不同的接收机进行接 收。 波 解 分 翮 复 复 用 五五五 用 器 器 图1 2 1w d m 工作原理框图 w d m 技术可以使得光纤具有巨大带宽这一优点得以充分体现。以一种工作于 1 5 5 0 n m 的窄线宽d f b 激光器为例，它可在0 8 n m 的谱带内发射信号，因此在 1 5 2 5 - 1 5 6 5 n m 共4 0 n m 的范围内，w d m 系统可以传送5 0 个信道。若每个信道的传输：速 率为l o g b i t s ，则系统总的传输速率即为5 0 xl o g b i t s ，比单信道的容量增加了5 0 倍。 2 0 0 2 年阿尔卡特在c 波段和l 波段成功地进行了1 0 2 t b s ( 2 5 6 4 2 7 g b s ) 距离为3 1 0 0 k m 的传输试验。此后，通信界没有继续扩大通信容量，大容量的实验速率仍维事寺 在1 0 2 t b s 。烽火通信科技股份有限公司于2 0 0 5 年也进行了8 0x4 0 g b sd w d m 系统 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 8 0 0 k m 的传输实验，该系统采用了低成本的非归零( n r z ) 码，开发了c + l 分布拉曼 放大、超强前向纠错( f e c ) ，在g 6 5 2 光纤上极性了1 0 x8 0 k m 的无中继传输实验。结 果表明，经过8 0 0 k i n 传输后，光通道代价q d b ，连续观察6 0 小时无误码。 1 2 2o t d m 技术简介 我们知道，单个光载波可以携带多个电时分复用( t d m ) 信道。当比特速率超过 1 0 g b i t s 以后，因为高速电子器件和半导体激光器的直接调制能力的限制，这种方式实 现起来就变得非常困难。一种解决方法是用多个电信道信号调制具有速率( 曰) 相同， 但在时间上相互错开的同一光频的不同光信道，然后进行光复用，以便构成比特率为n b 的复合光信号，这里的是复用的光信道数，这就是光时分复用( o t d m ) 。图l - 2 1 对这两种复用技术的实现方法做了比较。 一 电信号路径 一 光信号路径 ( a ) 电时分复用( b ) 光时分复用 图1 2 1电时分复用和光时分复用的比较 图1 - 2 - 2o t d m 的系统框图 图1 2 2 是o t d m 的系统框图。光时分复用技术中，一条物理信道按时间分成若干 个时间片，轮流地分配给多路信号使用，每一时间片由复用的一路信号占用，即构成帧 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 结构。这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多路数字信 号。同时时分复用必须采取同步技术使远距离的接收端能够识别和恢复这种帧结构。时 分复用可分为比特交错o t d m 和分组交错o t d m ，这两种复用方式都需要利用帧脉冲 信号区别不同的复用数据或分组。 1 2 3 两种技术的比较和结合 w d m 技术的主要优点包括： 充分用光纤的巨大带宽；可同时传输多种不同类型的信号；多种应用形式；降低对 器件的超高速要求；方便地增加碑传送通道；高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 w d m 技术的主要缺点： 在解复用的过程中可能会引入线性串扰，它与信道间隔、解复用以及器件的性能有 关；由于w d m 系统用e d f a 对多个光信号进行放大，可使光纤中的光功率达到很高的 数值，从而引起光纤的非线性效应。这些非线性效应主要包括受激散射( 受激布里渊散 射s b r ，受激拉曼散射s i 塔) 及非线性折射率调制( 自相位调制s p m ，交叉相位调制 x p m ，四波混频f w m 和非线性模色散等) 。d w d m 系统光源的高相关性和较窄的通道 间隔等又加强了这些效应。由于这些非线性效应会引入非线性串扰；由于光纤中传输多 个波长的光信号，光纤在1 5 5 0 m 附近的色散斜率的控制变得非常重要。否则，不同波 长的光信号将经历有较大差异的色散，最终导致某些信道经历较大的色散，影响信噪比， 往往需要实施色散补偿或是色散管理；光纤中的非线性效应。 o t d m 技术可以解决w d m 系统中受激拉曼散射和四波混频效应的限制，提高光 谱带宽效率。但是o t d m 通常需要高速的光开关器件。另外，在高速传输下，网络的 控制、稳定性和电处理性能受限。而且，除非是光孤子传输，否则短脉冲的传输受光纤 色散和非线性效应的影响明显。 图1 - 2 3w d m o t d m 混合光网络链路示意图 4 堕室墅皇奎兰婴主堑壅圭堂垡笙壅 篁二童堑笙 在构建中全光通信网里，在用终端倾向于用w d m 的不同波长区分用户，如果将多 路w d m 信号合并为一路o t d m 信号进行长途传输，就可以在一定程度上避开w d m 传输中产生的问题。如图1 - 2 3 所示，对于w d m - t o o t d m 转 换节点将到达的n 个独立信道的w d m 信号波长转换到一路固定波长并时分复用后 进行传输。在o t d m t o - w d m 转换节点将o t d m 信号解复用成多路多波长信道，送达 各自的终端。可以看到，利用w d m 和o t d m 技术构成的混合网络可以结合各种技术 的优势，是解决干线上高速大容量传输和多用户通信网络的一种很有前途的方法。这种 方法要求对高速o t d m 骨干网络与全光接入网( m m ) 间的数据格式进行转换。既需 要w d m 到o t d m 的变换，也需要o t d m 到w d m 的变换。全光波长转换技术在两 种数据格式转换中起了非常重要的作用。 1 3 全光波长转换技术 在w d m 网络中，波长数确定了信道数量，在光纤的1 5 5i im 窗口这个数目很大， 然而受诸多因素的限制，可用的波长数仍然有限，不足以支持大量节点的应用。在这种 情况下，当相同波长的两个信道选为同一输出端时，由于可能的波长争用而出现阻塞。 克服这些限制的一种方法就是把信号从一个波长转换到另一个波长，这就是波长转换。 波长转换器的作用就是将从波分复用终端而来的光信号进行转换，将承载于某波长的光 信号经过转换，实质转载于其他波长上；或是将非匹配波长上的光信号转换到符合i t u 规定的标准波长上然后插入到光耦合器中，以满足系统的波长兼容性要求。未来的全光 网中通过波长转换器，可以实现波长的动态分配，可实现异种网络的互联，也可以实现 通信网络内部波长路由和波长重用，有效地解决网络内部受有限波长信道数量限制的交 通拥挤，提高网络的通信容量和传输速率，并实现对网络便捷灵活的管理。波长转换使 得未来全光网更具有灵活性、智能性、生存性。 波长转换器主要有两种：光电再生型波长转换器和全光波长转换器( a o w c ) 。图 1 3 1 为光电再生型波长转换器的示意图。接收机首先把波长为 的输入光信号转换为电 信号，然后用该电信号直接调制另一个l d 或外调制器，产生所需要波长的光信号。由 于光电转换技术已经很成熟，且它对信号具有再生能力，具有输入范围较大，不需光滤 塑塞堂皇奎兰堡主堑窒兰堂堡垒奎 釜二皇堑笙 波器，对输入偏振不敏感等许多优点，是目前唯一成熟的波长转换器。但是，由于e d f a 在光纤系统中的大量使用和人们对于全光网的憧憬，网络运营商都尽量保持光层的透明 性，尽可能避免光电转换，因此全光波长是比较被看好的方向。 入 接收机发射机 卜 y l 冬 呈理一 吒西放大器 像测器 图1 - 3 1 光电再生波长转换 目前正在研究的全光波长转换技术，根据其采用的基本物理原理可分为：交叉增益 调制型、交叉相位调制型、基于电吸收调制效应、四波混频效应和差频效应等，利用的 元器件有半导体光放大器、半导体激光器、光纤及铌酸锂等非线性介质光波导。对于每 种转换技术都有很多研究的文献【l l 】七6 1 。这里我们重点关注基于半导体光放大器( s o a ) 的全光波长转换技术。 1 3 1 基于半导体光放大器( s o a ) 的全光波长转换技术 1 ) 基于s o a - x g m 效应的波长转换器 关于这种波长转换器相关的研究文献相对较多 1 7 】。【2 0 】。它利用半导体光放大器的增益 饱和特性，将泵浦光和探测光一起注入s o a 中，强泵浦光使得s o a 的增益发生饱和， 从而使连续的探测光受到相应的调制。这样就把泵浦光上的信号变换到了探测光上，尽 管相位相反。这种转换技术实现简单、工作速率可达4 0 g b i t s ，并能提供净增益，几乎 也与偏振无关。它的主要缺点是要求快速调谐的连续发光l d ，自发辐射使信号功率降 低，频率啁啾使相位发生畸变。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 信号光 滤波器 a 也 ， 一 ， 连续光 s l a 尽管存在在上述缺点，作为真正实用化的全光波长转换器，对它转换特性的进一步 研究是很具有现实意义的，也是本文探讨的核心器件。 2 ) 基于s o a - x p m 效应的波长转换器 由于基于s o a - x g m 效应的波长转换器的消光比较低，且向长波长和向短波长变换 时不对称等原因，近来人们的兴趣又投向了基于s o a - x p m 效应的全光波长转换器 【1 8 】幽。而它恰恰是利用了频率啁啾效应。图1 3 3 表示的就是两臂上使用s o a 的m z 干涉仪。波长为 的脉冲信号与波长为如的连续光信号同时在干涉仪的两臂上传输，然 而在该脉冲信号的每个“l ”码时，引入额外的相移。设计m - z 干涉仪按照该相移，使 得两个波相长干涉或相消干涉。结果是连续波在信号光脉冲“1 ”或“0 码的控制下， 在m z 干涉仪的不同输出端出现，导致一个端口的输出在新的波场上精确地复制了该信 号。该器件很容易在s i 0 2 或i n g a a s p i n p 波导集成，而且对信号的畸变较小，可以在高 比特速率下工作( 1 0 g b i t s 以上) 。x p m 的除了通过消光比和啁啾来改进输出信号质量 外，还可以抑制输入信号的噪声部分，适合于级联使用。x p m 干涉仪对功率敏感，输入 功率的一个微小变化，就会导致输出功率的极大变化，因此输入光功率的动态范围很小， 如果不加以控制，输入功率的动态范围的仅为3 - - - 4 d b 。 信号光 滤波器 厂卧_ 广 1 7 - - _ j 2 五 - 77 t 备山告r - t 、i 相h 函1 曰 连续光 7 南京邮电大学硕士研冤生学位论文第一章绪论 3 ) 基于四波混频( 删) 效应的波长转换器 当强光通过光纤或是半导体光放大器时会产生四波混频效应【2 5 】- f 2 7 】。这种效应将在传 输光纤或半导体光放大器内产生信号以外的新的频率分量，这种新的频率分量若落在信 号频带内将产生串话，从而影响系统性能；但是利用其产生新的频率分量的特性可以制 成波长转换器，如图1 3 4 所示。加入 和如分别是输入信号和输出转换后信号的波长， 选择泵浦光的波长为五口= ( 五+ 如) 2 ，由于四波混频效应，则在放大器的输出端，在载 波波长 上就复制了输入信号，从而实现了波长转换。这种技术的工作速率高达 1 0 0 g b i t s 。与s o a x g m 和s o a - x p m 波长转换技术相比，f w m 的最大优势是波长转 换透明性。它可以保留信号相位和幅度的全部信息，不仅能转换调幅信号，还可以转换 模拟调幅和调频信号。由于三阶非线性效应较弱，这种技术的转换效率也很低，而且受 四波混频带宽的限制，其效率随转换范围的增大而迅速减小，波长转换范围受到很大限 制。另外f w l v l 与生俱来的偏振敏感性也成为该技术发展不可忽视的一个方面。 滤波器 信号光 l 7圣 d 7 输 垒续光 信号 s l a 图1 3 - 4 基于f w m 效应的波长转换器 1 3 2 基于s o a 的三种波长转换技术的比较 表1 1 对三种基于s o a 的波长转换技术进行了比较。由于基于s o a x g m 的波长转 换器具有结构简单、易于和其它半导体光电器件集成、响应速度快、变换频域宽和不受 偏振影响等优点，从实用化的角度考虑，在实现w d m o t d m 之间数据格式的转换方案 中很有竞争力。因此本文将基于s o a - x g m 的波长转换器作为研究的核心器件，探讨它 在w d m o t d m 混合网络中作为数据格式转换器的作用和性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 表1 1 基于s o a 的三种波长转换技术的比较 x g m义p mf w m 透明性有限有限完全 噪声指数噪声指数约 信噪比( s n r ) s n r 1 2 d b 时 输入信号的 上的输入功率大于1 0 d b 动态范围 为3 d b 0 d b m 输出多波长可以可以 可以 多通道同时 不可以不可以可以 转换 l 、结构简单，l 、小啁啾，l 、啁啾反转 优点容易实现2 、转换失真不严重2 、可2 、透明性好3 、可 效率高，带宽大3 、同向和反向转换同时进行多波长 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 转换后光增益较3 、易级联转换 大 1 、消光比退1 、自发噪声 l 、结构较复 化2 、噪声高、啁大2 、转换带宽窄 杂2 、输入动态范 缺点啾大、波形失真较3 、转换效率低， 围小3 、有限透明 严重3 、有限透明而且随着转换范 性 性围增大迅速减小 1 4 全文章节安排 第一章首先简要介绍光纤通信的发展历史以及目前最常采用的两种光信号复用模 式- 珊m 和o t d m ，并对它们的优缺点进行了比较。然后简要介绍了各种全光波长 转换技术，重点对基于s o a 的三种波长转换技术进行了分析和比较，指出了基于 s o a - x g m 效应的全光波长转换技术是目前研究的重点，也是本文要探讨的中心课题， 后面的w d m 和o t d m 之间数据格式转换就是利用s o a - x g m 波长转换技术实现的。 第二章首先以法布里一珀罗谐振腔为物理模型分析了半导体激光放大器的光放大 原理。然后引入半导体激光器速率方程来描述受激辐射状况下腔内光子和载流子之间的 相互作用。接着探讨了半导体激光放大器中光脉冲传输理论。最后从理论上研究了在半 导体激光放大器在光脉冲作用下的增益饱和特性。 第三章首先介绍了基于s o a - x g m 效应的波长转换原理以及数值分析模型。然后 采用分段方法对基于s o a - x g m 效应的波长转换进行了仿真。接着对波长转换后的消光 比特性、啁啾特性、转换效率、噪声和信噪比进行了较为详细的讨论。最后采用双s o a 级联的方法对波长转换进行了改进，并对采用单个s o a 和采用双s o a 级联这两种方法 转换性能进行了比较。 第四章将w d m t o o t d m t o 羽，d m 分为复用、传输和解复用三个子过程。首先仿 真实现了两路w d m 信号转换成一路o t d m 信号，并利用建立的转换误码率检测模型 讨论了信号光功率、探测光功率、信号光消光比、注入电流、信号速率与误码率的关系。 然后采用分步傅立叶法求解非线性薛定谔方程，得到了o t d m 信号在g 6 5 5 光纤中传输 不同距离后波形的变化以及采用e d f a 补偿传输的振幅衰减，再用色散补偿光纤( d c f ) 进行色散补偿前后的眼图对比。最后探讨了解复用的两路探测光同步序列的延迟以及脉 冲占空比对解复用效果的影响，并给出了解复用的波形。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章半导体激光放大器的理论研究 第二章半导体激光放大器的理论研究 2 1 引言 随着光纤传输距离的不断增大，不可避免地要考虑光纤中的损耗和色散作用带来的 影响。其中损耗导致光信号能量降低，色散使得光脉冲发生展宽【2 引。当光信号传输了一 段距离之后，需要利用中继器如光放大器对衰减和失真的信号进行放大和处理【2 9 】。其中 半导体光放大器就是一种常用的全光中继器。 本章在对半导体激光器的理论进行探讨之后，采用速率方程和光脉冲传播理论分析 了半导体光放大器内载流子浓度、光脉冲功率、相位的变化规律。最后着重对半导体激 光放大器的增益饱和特性进行了讨论。 2 2 半导体激光放大器的基本理论 光纤通信中最常用的光源是半导体激光器( l d ) 和发光二极管( l e d ) ，其中半导 体激光器具有体积小、效率高等突出优点，在高速率、大容量的数字光纤传输系统中得 到广泛的应用【3 0 】。 局 一 f l e f l 历口一声 f 1 e e 一皿一 f le e 一2 皿f l 置e 2 再三 巨p 一皿 1 吒 蜀p ?r l r 2 t i e , e 3 乞 i ； m l l 图2 2 1f p 腔的结构 半导体激光放大器是一种基于受激辐射的相关放大器，其基本结构和工作原理和半 导体激光器比较相像。半导体激光放大器的谐振腔可以按照法布里一珀罗谐振腔( f - p 腔) 进行分析【3 l 】。图2 2 1 表示的是由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的f - p 腔。 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章半导体激光放大器的理论研究 设两个谐振腔m 。、m ：的端面间距为l ，反射系数分别为 、r 2 ，透射系数分别为f 、t ：， 初始入射光为互。则f - p 腔输出光为多次透射光之和，可以写成： 耻桀e ， 其中y 为有源层的复传输系数，可表示为： y = 婚g o c o | 2 + j p ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 式中r 为模场限制因子，g 为有源层材料增益系数，为有源层损耗系数，b 为有源层 相位参数，= 2 a n a ，以为折射率。 由式( 2 2 1 ) 可以得到放大器的增益为： 蛳，= 阱2 摇并 一 ( 1 一r i ) ( 1 一r 2 ) q 2 = = = = = - = = = = ：。 一 ( 1 4 r l r 2 q ) 2 + 4 x r i r 2 g ，s i n 2 【万( v v 朋) a v l 】 ( 2 - 2 3 ) 式中r ，= 干、r 2 = 考为端面反射系数，v 肼为f - p 腔谐振频率，a v 工= c ( 2 n l ) 为腔 内纵模间隔，有源层的单程非饱和增益q 可以表示为 q = e x p ( f g 一) 三】 ( 2 2 - 4 ) 在式( 2 2 3 ) 中，当入射光信号的频率v 与f - p 腔的一个振荡频率相等时，增益 g f p ( v ) 出现峰值，当1 ，偏离1 ，埘时增益下降，可计算出放大器的带宽约为【3 2 1 砒= 孚一鼯， ( 2 2 5 ) 为了构成行波( t w ) 半导体激光放大器，我们选择在激光器的两端镀上增透膜， 使其反射率极低( 理想情况下r = o ) 。将r l = o ，r 2 = 0 代入式( 2 2 3 ) ，得到t w 放大器 的增益就是式( 2 2 - 4 ) 。 我们考虑激光器起振的条件。谐振腔将光束锁在腔内，使之形成反馈。若要维持激 光器的稳态振荡，需要满足返回光场的振幅与初始透射光场的振幅相等。也就是说衰减 倍数与放大倍数应相等。即 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章半导体激光放大器的理论研究 r i r 2e x p ( - 2 口妇三) e x p ( 2 9 l ) = 1 从而得到阈值增g ig 晴表达式 ( 2 2 6 ) ，既2 t m + 口= i r = + 壶h 畴) = + 瓦ll n ( 矗。1 万) ( 2 - 2 - 7 ) 式中表示增益介质单位长度的吸收损耗。加是由于解理面反射率小于1 而导致 的损耗。式( 2 2 6 ) 表示为了维持振荡，要求起振时阈值增益必须等于或大于谐振腔的 总损耗+ 护。 相位条件要求在谐振腔t o 形成驻波： m a = 2 l n( 2 2 8 ) 其中m 为正整数，表示在腔内振荡的模式数。 2 3 半导体激光放大器速率方程 茎d r 蒌q v 竺磊0 es)cls r a ( n no)at 协) 靠、 ”+6 ，、 一：型一旦+一乓 一 r 砷 【i + d ) 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章半导体激光放大器的理论研究 婴：等一= - n g ( n 一l 泌一= 一一，v 1 、 旃 g yl 。 ds-：f_pn一_s+ra(iv一i)sd 一= + 一，v _ 。、 t f 糟 f 砷 ” 警= 扣k 叫一珏寺 g ：l ：上 1 + 岱l + 西 ( 2 3 2 ) 式中为光场相位；口为线宽增强因子；a 为有源层增益系数；，为群速度。该方 程组应用于增益阈值之上只有单纵模振荡的情况，且不考虑激光器的噪声。这里认为对 应有源层线宽增强因子和有源层增益系数为常数。式( 2 3 2 ) 中第一个公式为载流子浓 度变化方程。注入电流的增加，载流子寿命减小，由增益引起载流子变化减小都会使得 载流子浓度增加；第二个公式为光子密度变化公式，它由自发辐射引起的光子数增加， 光子寿命引起的光子数的减少和由增益引起的光子数的增加决定。 2 4 半导体光放大器中光脉冲传播理论 关于半导体光放大器中光脉冲传播理论的讨论在很多论文中都出现过【3 5 】【3 6 1 ，一般是 把s o a 假设成简单的二能级系统。这是分析方法对于固体激光器很适用。假定脉冲宽度 f 口远大于s o a 带内驰豫时间( 典型值为1 p s 或是更小) 。在上述近似条件下，有源区内 介质与光场相互作用- ip a 用载流子浓度的速率方程来表示【3 7 1 ： 型a t = 钾2 + 专一芸一型兰竽l e l 2 c 2 4 舢 口yf ，壳刃i n 。 式中n 为载流子浓度；e 为光场强度；d 为半导体的扩散系数：t 为自发复合载流子浓 度；7 l 钒为光子能量，a 为光放大器微分增益；n o 为透明载流子浓度。 电磁波在放大器中的传输的波动方程为： v 2 e 一砉窨= o ( 2 舵) 且有占=露+z(2-4-3) 式中c 为真空中光速；p 为介电常数；为有源层的折射率；x 为电极化率，它表示有 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二犟半导体撇光放大器的理论研冗 源区中载流子对介电常数的影响，是一个关于的函数。这个函数非常复杂。在文献中， 提供了一个简化后的表达式： z ( 忉：一竺里( 口+ f ) 口( 一n o ) ( 2 - 4 - 4 ) 式中万为有效模式指数；a 为线宽增强因子，表征s p m 效应，典型值为3 8 ；一o 为反转粒子数。 方程( 2 - 4 1 ) 到( 2 - 4 - 4 ) 是半导体中光脉冲传播的基本理论模型，在实际应用中需 要做若干简化。通常我们考虑的是理想的行波半导体光放大器，假定其有源区尺寸只能 保证光放大器单纵模工作，入射光是线偏振的，并且在传输中也保证线偏振，这样可以 写出( 2 - 4 1 ) 的解： e ( x ，y ，z ，d = 舅去 f ( x ，力彳( z ，f ) e x p i ( k o z - w o t ) + c c ) ( 2 4 5 ) 式中叠为单位偏振波矢量；f ( x ，y ) 表示波导中的模场分布= 万t g o c ；a ( z ，f ) 为z 方向 上光脉冲的缓变包络函数。将( 2 - 4 5 ) 代入到( 2 - 4 1 ) 中，并忽略么对z ，t 的二次微 分项，我们得到 警+ 警埘- - 2 ) 譬肛吻 ( 2 4 6 ) 瓦+ 万+ ( 瞄卅) 寸f 到国 旺4 罢l土丝：譬列一三么(2-4d- -7)o = _ 二一，月一一f z 月 - ， 瑟 1 ，。t2 勋“ 2 “ 式中y g - c 肋g 为群速度，刀g = 刀+ ( 鼍) 为群折射率，有源层光场限制因子 r ：照型：丝 ( 2 舢) 1 e 3 f ( 训) 1 2 蛐 解( 2 - 4 6 ) 式可以得到横向的模式分布f ( x ，力和有效模式指数万。解( 2 - 4 7 ) 式 可以得到在光脉冲包络的振幅彳( z ，f ) 沿放大器长度方向的变化规律。考虑到一般放大器 的腔长比较短= o 5 1 2 r a m ) ，典型脉冲f p l p s ，因此脉冲通过光放大器的时间远小于 脉冲比特周期，即彦l 专害i ，故可以忽略( 2 - 4 - 7 ) 左边第二项。 考虑到( 2 - 4 1 ) 中有源区的宽度w 和厚度d 都远小于半导体材料的扩散长度， 壹室坚皇奎堂堡圭堕塞生堂垡堡苎 一一一 j g - - 章_ 半导体激光放大器的理论研究 一 一：= ：= ：= ：= ：= ： 因此忽略其扩展项。可以认为载流子浓度在半导体光放大器的横截面上分布是均匀的。 因此对有源因此通过对有源层横向上取平均，我们得到了一个很好的近似，于是( 2 - 4 1 ) 式可以进一步简化为： 詈= 歹i 一_ ng 仃( n ) i 彳1 2 ( 2 4 - 9 ) 一= 一4 l j - d ul a 口yr 仃a ， 。7 式中增益可以表示为 g ( ) = r 口( 一o ) ( 2 - 4 - 1 0 ) 将上式两边对f 求导得到 o 钟g _ r a o 西n 砒陟i _ ng 斜( n ) i1 2 ( 2 - - 4 - 1 1 ) 对式( 2 4 - 9 ) 求透明时满足的稳态解，令詈= o ，可得 i o = q l t ? ，o r 。( 2 - 4 - 1 2 ) 将( 2 - 4 1 2 ) 代入( 2 - 4 - 1 1 ) 中，并令g o f f if a n o ( i i i o 1 ) ，式中的厶为透明时注入 电流：g 。为未饱和小信号增益系数，于是式( 2 4 1 1 ) 可以进一步简化为 鲁= 墨孚一壳c o s l f a c 2 州3 ) 街 f ， 式中s = w d 为有源层横截面积；h 2 表示规范后的功率。定义半导体光放大器的饱 和能量 = 壳w o s f a ( 2 - 4 1 4 ) 当光脉冲能量高于时，光放大器深度饱和。一般来说，对于折射率波导半导体 光放大器，的典型值在5 到l o p , 方程( 2 4 7 ) 、( 2 - 4 1 3 ) 描述了放大器中脉冲传输的基本规律。为了进一步求 解上面的方程，我们引入随信号而运动的参考坐标系 f=fzvs(2-415) 这样一来既便于衡量随着脉冲传输，对应包络的变化，又分离了包络函数的幅度和 相位。 a = - f f f e x p ( i 4 ) ( 2 - 4 1 6 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章半导体激光放大器的理论研究 式中p ( z ，f ) ，( z ，f ) 分别表示功率和相位。结合( 2 - 4 - 7 ) 、( 2 4 - 1 3 ) 、( 2 4 _ 4 ) 、( 2 _ 4 1 0 ) 可以得到下边一组方程： 竽：( g 一) p 彩 a 西 1 言一五昭 ( 2 - 4 1 7 ) ( 2 - 4 1 8 ) 塑：量型一壁( 2 - 4 1 9 ) a f t ce 哦 其中式( 2 - 4 1 7 ) 描述了光功率沿半导体长度方向的变化；式( 2 - 4 1 8 ) 描述了增益 饱和特性与线宽增强因子引起的的自相位调制( s p m ) 特性；式( 2 _ 4 1 9 ) 描述了脉冲 增益随时间的变化。它们是描述光脉冲在半导体光放大器中传输和变化的基本方程。 2 5 光脉冲作用下的增益饱和特性 当求解脉冲在光放大器中传输时，对方程组( 2 4 1 7 ) ( 2 - 4 1 9 ) 往往采用数值解 法。但是如果口i n t g ，就有可能给出封闭解。我们假设= 0 ，将( 2 - 4 1 7 ) 和( 2 - 4 - 1 8 ) 沿着半导体光放大器长度方向积分，可以得到 ( r ) = 最( r ) e x p h ( r ) 】 ( 2 - 5 1 ) 虹( f ) = 九( f ) 一去砌( f ) ( 2 - 5 2 ) 式中圪( f ) 和九( f ) 为输入光地功率和相位。办( f ) 表示脉冲波形上每个点在光放大 器整个长度的积分增益，表示为 办( f ) = f g ( z , r