（光学工程专业论文）基于半导体光放大器的全光全减器的研究.pdf

j ， 南京邮电火学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 全光信号处理在高速光通信网络和光计算中有广泛应用，而全光逻辑门是光信号处理 中的关键器件，是实现光分组交换、光计算和未来高速大容量光传输的关键器件。半导体 光放大器( s o a ) 因为具有体积小、工作波长范围宽、响应时间短及良好的非线性特性等 优点，十分适合用来实现全光逻辑功能，成为研制高速全光逻辑器件的首选。本文利用偏 振移位键控( p o l s k ) 调制格式，基于s o a 中的双泵浦四波混频效应，实现了全减器这一 逻辑功能，并对这种全减器做了深入的理论研究，具体内容如下： ( 1 ) 在广泛查阅文献的基础上，分析了全光逻辑的研究背景、意义，概括了全光逻 辑的实现方案和研究状况。 ( 2 ) 研究了s o a 用于全光信号处理的理论基础，推导了s o a 中最基本的光场传输 方程和载流子速率方程，分析了各种非线性效应的原理及其应用，总结了迄今为止几种常 用的s o a 理论模型及其各自的适用范围。 ( 3 ) 提出了采用p o l s k 信号，基于s o a 中双泵浦f w m 效应实现全光全减器的方案。 p o l s k 调制信号的功率恒定特性使得本方案克服了基于s o a 器件的码型效应，该方案结构 紧凑、能够实现超快运算。 ( 4 ) 建立了基于p o l s k 调制格式的双泵浦f w m 型全减器的完整的宽带理论模型。在 宽带理论模型中，对s o a 有源区和放大自发辐射( a s e ) 谱都进行了分段，并且考虑了s o a 的材料增益谱、载流子的空间分布、光场的纵向空间分布等。宽带理论模型是对全减器进 行性能分析的基础。 ( 5 ) 利用建立的基于p o l s k 调制格式的双泵浦f w m 型全减器的宽带理论模型，通过 数值模拟的方法，理论上实现了全减器这一逻辑功能，分析了输入泵浦光波长、信号光波 长、s o a 注入电流、有源区长度以及输入光功率的变化对输出逻辑“1 ”峰值光功率的影 响。 关键词：全减器；半导体光放大器；双泵浦四波混频；偏振移位键控 南京邮电大学硕士研究生学位论义a b s t r a c t 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 gw i l lp l a yag r e a tr o l ei nf u t u r eh i g h - - s p e e do p t i c a ln e t w o r k sa n d o p t i c a lc o m p u t i n g t h eo p t i c a ll o g i cg a t e s ，a sa ni m p o r t a n tp a r to fo p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，h a v e r e c e i v e dm u c ha t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，a n da l s oa r et h ec r u c i a li m p l e m e n t si np a c k e ts w i t c h i n g s y s t e m ，o p t i c a lc o m p u t i n ga n do p t i c a lt r a n s m i s s i o ni nf u t u r e 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 ( s o a s ) h a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss m a l ls i z e ，w i d eb a n d w i d t ha n dl o wr e s p o n s et i m e ，w h i c h m a k et h e mas t r o n gc a n d i d a t et or e a l i z ea l l o p t i c a ll o g i cg a t e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an o v e l s c h e m ef o ra n a l l o p t i c a l f u l ls u b t r a c t o rb a s e do n d u a l - - p u m pf w mi n s o a sw i t h p o l a r i z a t i o n s h i r k e y i n g ( p o l s k ) m o d u l a t e ds i g n a l si sp r o p o s e d t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h i s s u b t r a c t o ri sp r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，a p p l i c a t i o n sa n da c h i e v e m e n t so fa l l o p t i c a ll o g i cg a t e sa r e c l a r i f i e d ( 2 ) t h eb a s i cp r i n c i p l ef o rs o a b a s e da l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gi si n v e s t i g a t e d t h e p r o p a g a t i o ne q u a t i o nf o rt h eo p t i c a lf i e l da n dt h er a t ee q u a t i o nf o rt h ec a r r i e rd e n s i t yi ns o a a r e d e r i v e d a n dt h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o n sf o rn o n l i n e a r i t i e so fs o aa r ed i s c u s s e d d i f f e r e n t s o am o d e l sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa r es u m m a r i z e d ( 3 ) an o v e ls c h e m ef o ra na l l o p t i c a lf u l ls u b t r a c t o rb a s e do nd u a l p u m pf w m i ns o a s w i t hp o l s km o d u l a t e ds i g n a l si sp r o p o s e d i nt h i ss c h e m e ，t h ep o l s km o d u l a t i o nf o r m a ti su s e d ， s op a t t e m d e p e n d e n td e g r a d a t i o nc a nb er e d u c e d t h ep r o p o s e da l l - o p t i c a lf u l ls u b t r a c t o ri s c o m p a c t ，a n dc a na c c o m m o d a t eu l t r a h i g h s p e e do p e r a t i o n ( 4 ) t h ec o m p r e h e n s i v eb o r a d b a n dd y n a m i cm o d e lo faf u l ls u b t r a c t o rb a s e do nd u a l p u m p f w mi ns o a sw i t hp o l s km o d u l a t e ds i g n a l si sp r e s e n t e d i nt h eb r o a d b a n dd y n a m i cm o d e l ， s o aa n dt h ea m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) s p e c t r u ma r ed i v i d e di n t om a n ys u b s e c t i o n s c r i t i c a lf a c t o r s ，e g ，t h em a t e r i a lg a i np r o f i l e ，t h el o n g i t u d i n a lv a r i a t i o no ft h eo p t i c a lf i e l d ，t h e c a r r i e rd e n s i t y , p h o t o nd e n s i t y , a n dt h eb r o a d - b a n ds p o n t a n e o u sn o i s ee m i s s i o n ，a r ec o n s i d e r e di n t h em o d e l t h i sb r o a d b a n dd y n a m i cm o d e li st h et h e o r e t i c a lb a s i so faf u l ls u b t r a c t o rb a s e do n d u a l - p u m pf w m i ns o a s ( 5 ) u s et h eb r o a d b a n dd y n a m i cm o d e l ，u l t r a h i g h s p e e df u l ls u b t r a c t o ri st h e o r e t i c a l l y i i 南京邮电大学硕上研究生学位论文 a b s t r a c t r e a l i z e d a n dt h ee f f e c t so ft h ev a r i a t i o no ft h ei n p u ts i g n a lw a v e l e n g t ho nt h eo u t p u t p e r f o r m a n c e so ft h el o g i cg a t e sa r ea n a l y z e d a n dt h ee f f e c t so fi n je c t i o nc u r r e n t ，a c t i v ea r e a l e n g t ho 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 ra n di n p u ts i g n a lp e a kp o w e r so ft h i ss u b t r a c t o ra r e a n a l y z e d k e yw o r d s ：f u l ls u b t r a c t o r ；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 ；d u a l p u m pf o u rw a v em i x i n g ； p o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n gm o d u l a t i o n i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 全光逻辑的实现方案及研究概况2 1 2 1 基于s o a 中x g m 效应的全光逻辑门2 1 2 2 基于s o a 中x p m 效应的全光逻辑门4 1 2 3 基于s o a 中瞬态交叉相位调制( t - x p m ) 效应的全光逻辑门7 1 2 4 基于s o a 中x p oim 效应的全光逻辑门7 1 2 5 基于s o a 中f w m 效应的全光逻辑门8 1 3 本文的工作q2 第二章s o a 的理论模型14 2 1 引言1 4 2 2s o a 的基本方程和非线性效应14 2 2 1 光场传输方程14 2 2 2s o a 中的载流子速率方程16 2 2 3s o a 中的非线性效应17 2 3 常用的s o a 模型简介2 0 2 4 本章小结2 3 第三章基于p o i s k 调制格式的双泵浦f w m 型全减器的理论分析2 4 3 1p ois k 调制2 4 3 2 双泵浦f w m 效应2 6 3 3 全减器的工作原理2 7 3 4 本章小结3 0 第四章基于p o i s k 调制格式的双泵浦f w m 型全减器的理论模型3 1 4 1 引言3 1 4 2iu m p 模型3 1 4 3 宽带理论模型3 4 4 3 1 增益模型3 5 4 3 2 光场传输方程3 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 4 3 3a s e 噪声4 3 4 3 4 载流子速率方程4 4 4 4 本章小结4 5 第五章基于p o is k 调制格式的双泵浦f w m 型全减器的性能分析4 6 5 1 数值模拟程序的流程图4 6 5 2 全减器仿真结果：4 8 5 3 全减器性能分析5 0 5 3 1 泵浦光s 3 波长对输出逻辑“1 ”峰值光功率的影响5 1 5 3 2 信号光s 2 波长对输出逻辑“1 ”峰值光功率的影响5 2 5 3 3s o a 注入电流对输出逻辑“1 ”峰值光功率的影响5 3 5 3 4s o a 有源区长度对输出逻辑“1 ”峰值光功率的影响5 4 5 ：3 5 泵浦光s 3 功率对输出逻辑“1 ”峰值光功率的影响5 5 5 4 本章小结5 6 第六章总结5 8 致谢6 0 参考文献6 1 硕士期间公开发表论文6 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 2 l 世纪是一个以网络为核心的信息时代，人们对信息的需求与同俱增，i p 业务的服务 范围已从初期单纯的e m a i l 发展成商务和多媒体服务。各类新型业务，诸如可视电话、高 清晰度电视( h d t v ) 、远程医疗、家庭办公等正在蓬勃发展。但在现有基于电子技术的 通信网中，网络的各个节点要完成光一电一光的转换，其中的电子器件受限于器件工作上 限速率4 0 g b s ，在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串 话、高功耗等缺点，由此产生了通信网中的“电予瓶颈”现象，难以完成高速宽带综合 业务的传送和交换处理。只有基于光纤的全光网络方案才能提供高速、大容量的传输及处 理能力，打破信息传输的瓶颈，可以在很长的时间内适应高速宽带业务的需求。 全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要经过 光一电一光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内【2 】，从 而具有良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性。 目前的全光网络并非是整个网络的全部光学化，而是指光信息流在传输和交换过程中 以光的形式存在，用电路方法实现控制部分。当前光电子元器件发展的关键技术尚未成熟， 这决定了进行全光信号处理，实现整个网络全光化的研究还处于实验室水平。 在过去的十几年里，全光交换和全光信号处理吸引了众多学者参与研究。随着光子技 术史无前例地迅速发展，实现全光信号处理也比以往任何一个时候更具有可行性。尽管前 面还有一段很长的路要走，但是它能避免光一电转换，实现超快运算，并会由此吸引通信 运营商。随着全光交换和全光信号处理技术的成熟，第一个商用模块现已投放市场【3 】。全 光信号处理包括光开关、判决、再生和计算等，而全光逻辑门正是其中的关键器件。 除了用于全光网络以外，全光逻辑器件也是实现光子计算机的基础。由激光的放大和 抑制，可实现“与”、“或”、“非”三种基本的逻辑运算，还可制成加法器、双向振荡 器、单稳态和双稳态触发器等逻辑器件，以实现光运算。光子的传播速度是3 1 0 8 米秒， 是电子传播速度的5 0 0 倍，因而光子计算机具有超高的运算速度。由于光子计算机采用了 非冯诺伊曼工作方式，突破了电子计算机的“瓶颈效应”和时钟歪斜等限制，从而在理 论上可以使光子计算机的计算速度达1 0 2 3 次秒，在技术上可实现1 0 1 2 1 0 1 5 次秒的计算速 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 度和1 0 0 g b s 传输能力【4 】。光子计算机具有超并行性工作的能力，极高的信息存储能力， 还具有通信频带宽、抗干扰能力强、容错性好等优点。虽然光子计算机还未诞生，但随着 光子学和光子技术的发展，人们已能认识到光子计算机的巨大潜力。 早期，实现全光逻辑的方案主要是利用光纤中的克尔( k e r r ) 效应。随着对半导体光 放大器( s o a ) 研究的深入，人们认识至i j s o a 具有很强的非线性，以及功耗低、尺寸小和 易于集成的优点，近年来纷纷把目光投向利用s o a 实现全光逻辑。基于s o a 的全光逻辑门 在全光网络中的应用十分广泛：利用全光逻辑与( a n d ) 门和全光逻辑异或( x o r ) 门可 构成全光加法器；全光与门可用作全光三极管；全光或非( n o r ) 门可用作全比特误码监 控；全光异或门在多协议标签交换( m p l s ) 网络节点用作对帧头( 或标签) 进行识别、 修改、替换等【5 1 。 1 2 全光逻辑的实现方案及研究概况 基于s o a 实现全光逻辑的方案利用的是s o a 的四种非线性效应，即：交叉增益调制 ( x g m ) 6 1 效应，交叉相位调制( x p m ) 7 1 效应，交叉偏振调制( x p o l m ) 【8 】【9 l 效应，四 波混频( f w m ) 【l o 】效应。下面将介绍近年来国内外报道过的基于s o a 实现全光逻辑的方 案。 1 2 1 基于s o a 中x g m 效应的全光逻辑门 榴 蜜 注入泵浦光功率 图1 1s o a 中的增益饱和特性 当一束连续的弱探测光和带有调制信息的强泵浦光耦合进s o a 中时，强泵浦光在被放 南京邮电火学顾士研究生学位论文第一章绪论 大的同时将引起s o a 中载流子的消耗，因而引起增益随输入光功率增大而减小的现象，即 增益饱和，如图1 1 所示。出现增益饱和效应后，增益将会出现与输入泵浦光相反的调制作 用，呈反向调制的增益又对连续的探测光进行调制，这就是x g m 效应。 2 0 0 2 年，基于s o a 中的x g m 效应，韩国科技学院的j h k i m 等人利用2 个s o a 实现了不 需外加输入光的1 0 g b s 全光x o r f - j 】。其原理如图1 2 所示。 该方案中，从s o a 右端进入的光的光强远大于从s o a 左端进入的光。以s o a l 为例， 弱探测光a 和强泵浦光b 反向输入其中，当b 为“1 ”时，由于s o a 的增益饱和效应，b 将竞 争到s o a 中绝大部分载流子，弱探测光a 进入s o a l 后被饱和吸收、将不再获得增益放大， 当b 为“0 ”时，弱探测光a 可以通过s o a l 并获得放大，因此，s o a l 实现了彳百运算；同 理，s o a 2 的输入信号则是强泵浦光a 与弱探测光b ，所以s o a 2 输出为a b 运算，将这两路 信号耦合输出，实现了信号a 与b 的逻辑x o r 。 a b a b + a b 图1 2 不需外加输入光实现全光异或的方案图 a b 图1 3 基于3 个s o a 的全光半加器原理图 在这个全光x o rf - 1 的基础上，s h k i m 等人于2 0 0 5 年设计出利用三个s o a 中的x g m 效应的全光半加器【2 1 。其原理如图1 3 所示。半加器是一种实现两个一位二进制数相加求 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 得和数及向高位进位的逻辑电路，其结构和真值表如图1 4 和表1 1 所示。 通过逻辑结构图和真值表可以看出，半加器是由一个异或门和一个与门构成的。其中， 逻辑x o r 功能的实现与不需外加输入光的全光异或方案相同，同时将输出的a b 信号作为 泵浦光，和探测光a 反向输入到另一s o a 中产生a 和b 的逻辑a n d 。 基于s o a 的x g m 型器件虽然结构相对简单、容易实现，但它却存在着一些x g m 型器 件都有的缺点：( 1 ) 对于s o a 中的x g m 效应来说，即使输入信号的消光比为无穷大，输出 信号的消光比也是有限的，因此基于s o a 的x g m 型全光逻辑门的输出消光比特性欠理想； ( 2 ) 由于s o a 有源层载流子浓度的变化将引起探测信号较大的频率啁啾，增加了色散对 传输系统的影响；( 3 ) 由于s o a 中的x g m 效应的速度依赖于s o a 中的载流子寿命，载流子 寿命一般为几百个皮秒量级，因此受载流子寿命的限制，基于单个s o a 的x g m 型器件的最 大速率为4 0 g b s 。 图1 4 半加器逻辑结构图 表1 1 半加器真值表 数据a数据b 和( x o r )进位( a n d ) o0o0 o l lo 1010 l1ol 1 2 2 基于s o a 中x p m 效应的全光逻辑门 一束连续的探测光和带有调制信息的泵浦光同时祸合进s o a 中，强度调制的泵浦光将 引起有源区中载流子浓度的调制，载流子浓度的变化在引起增益变化的同时也会引起有源 区有效折射率的变化，从而对探测光的相位进行调制，这就是s o a o ? 的x p m 效应。由于x p m 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 引起的是相位的变化，因此s o a 必须采用干涉结构将相位调制信息转变成强度信息。x p m 型全光逻辑门中研究较多的是基于马赫一泽德干涉( m z i ) 的结构。 2 0 0 0 年，丹麦技术大学f 内t f j e l d e 等人利用基于s 0 a 的m z i 结构，实现了2 0 g b s 的全光 x o r i 1 3 】。其原理如图1 5 所示。 波长为气j 和2 i , 以的两束信号光分别输, , k m z i 能j 1 端口3 1 1 2 端口，另有一束波长为旯础 的连续光输入3 端口。两束信号光分别调制上下两个s o a 的载流子浓度，从而引起s o a 中 折射率的变化，导致连续光通过上下s o a 时产生相位调制。当其中一束信号为“0 ”，另一 束为“1 ”时，不同的相位调制产生了一个7 的相位差，连续光在4 端口发生相长干涉，输 出为“1 ”；当两束信号都为“0 ”或者都为“1 ”时，相位差为0 ，连续光发生相消干涉， 输出为“0 ”，从而实现了这两束信号光的x o r 运算。 输入信号。 兰型卜 连续光 输入信号2 m z i 图1 5m z i 实现全光x o r 的方案图 在此基础上，为了克f g s o a 中载流子寿命的限制，提高基于s o a 的m z i 型逻辑门的工 作速率，美国朗讯的h c h e n 等人于2 0 0 2 年采用差分输入的基于s o a 的m z i 结构，实现了 1 0 g b s 的全光x o r f - i 1 4 】。为了实现高速全光逻辑功能，2 0 0 4 年，德国柏林技术大学的 s r a n d e l 等人提出一种利用基于s o a 的m z i j j h 延时干涉( d i ) 结构( 在基于s o a 的m z i 后再 接一个d i ) 的方案，提高了x o r 输出的消光比，从理论上实现了1 6 0 g b s 的全光x o r f - l t l 5 】。 m z i 结构不仅具有输入能量要求低、结构简单、易于集成、稳定性好等优点，而且其 输出消光比高、再生能力强、啁啾小、适于高速工作，因此m z i 结构被广泛用来实现全光 逻辑门。 太赫兹非对称光解复用器( t o a d ) 是另一种常用的干涉结构。2 0 0 4 年，北京邮电大 学的周云峰等人利用t o a d 结构，实现了2 0 g b s 的全光a n d 门【1 6 】。其原理如图1 6 所示。 t o a d 是一种非对称的光纤环路，其工作原理为：从端口c 输入的探测光通过耦合器 南京邮电大学硕：l ：研究生学位论文第一章绪论 1 ，分为强度相等的两部分，分别沿环以顺时针和逆时针方向传输，称为c w 和c c w 光， 而控制光从端口a 经耦合器2 输入环路中。无控制光输入时，由于c w 和c c w 光在环中 所获得的相移相同，当它们再次回到耦合器l 时由端口c 输出。有控制光输入的情况下， s o a 在环路中的非对称放置使c c w 在控制光之前、c w 在控制光之后到达s o a ，所以 c w 光将获得额外的非线性相移，再次经过耦合器1 后由端口d 输出。即当输入到端口a 和b 的信号都为“1 ”时，端口d 的输出才是“1 ”，否则输出为“0 ”，实现全光a n d 运 算。 冲出 cd 图1 6 基于t o a d 的全光与门原理图 利用这种结构还可以实现两束信号光的逻辑o r 功能。其原理如图1 7 所示。要进行 逻辑操作的两束信号s 1 、s 2 耦合进入端口a ，用作控制光。另有一束连续光经由端口c 进入t o a d 。那么，只要s 1 和s 2 中有一束为“1 ”，端口d 输出就为“1 ”，实现了s l 与 s 2 的全光o r 运算。 c 图1 7 基于t o a d 的全光或门原理图 d 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 2 3 基于s o a 中瞬态交叉相位调制( t - x p m ) 效应的全光逻辑门 2 0 0 6 年，华中科技大学的董建绩等人采用单个s o a 辅助以光带通滤波器( o b p f ) 实 现了全光半加器【1 7 】。其原理如图l 。8 所示。 由于s o a 中的t - x p m 效应，探测脉冲的上升( 下降) 沿将产生频率蓝移( 红移) ， 导致探测光谱展宽，通过调节窄带滤波器中心波长相对于探测光中心波长的位置，滤出蓝 移分量，可实现多种逻辑功能。当信号a 和b 都为“l ”时，探测信号的波长会变化九。i l ， 通过窄带滤波器滤出这个展宽的光谱成分，可得两信号光间的逻辑a n d ；当信号a 或b 为“l ”时，由于此时输入光强只有前一种情况的1 2 ，探测信号的波长会发生不同的变化 九们，通过窄带滤波器滤出这个展宽后的光谱成分，便得到了两信号光间的逻辑x o r ； 当a 、b 都为“0 ”时，探测光谱不发生展宽，所以不能滤出展宽后的探测光。 图1 8 基于s o a 和o b f 的全光半加器原理图 利用s o a 辅助b p f 是一种新型的加速s o a 增益恢复、实现全光逻辑门的有效途径， 这种方案关键在于要合适地选择探测信号的蓝移( 或红移) 啁啾分量。该方案仅采用单个 s o a ，结构简单。但是要求输入信号光的脉冲宽度比较窄，否则探测光脉冲展宽太小，而 无法滤出不同的频移成分。 1 2 4 基于s o a 中x p olm 效应的全光逻辑门 2 0 0 1 年，墨西哥的h s o t o 等人第一次利用s o a 中的交叉偏振调制效应实现了5 g b s 的全 光x o r r - 1 引，其原理如图1 9 所示；2 0 0 2 年，他们采用相同的方法实现了全光a n d i - 1 9 】； 2 0 0 3 年，他们基于s o a 中的交叉偏振调制效应又实现了两输入信号光和三输入信号光的全 光n o r r - 2 0 】：至l j t 2 0 0 4 年，他们又提出了利用s o a 中的交叉偏振调制效应实现了全光n o t x o r f t 2 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 激光器l 激光器2 补偿器 检偏器 j 9单个soa实现全光xor的方案图 x输出 该方案要求两束输入光具有相同的功率、相同的偏振态且波长相近。当两输入光 “0 ”时，输出自然为“0 ”；当两输入光都为“1 ”时，调节相位补偿器和检偏器，使 c 出射线偏光，并且其偏振方向与检偏器的透光轴正交，这时输出为“0 ”；当其中一 入光为“l ”，另一束为0 ”时，c 处出射光的偏振态c o n 7 0 f f 与两束都为1 时的偏 c o n 7 0 n 相比，会发生变化，一部分光功率可以透过检偏器，使输出为1 利用s o a 中x p o l m 效应的全光逻辑门结构紧凑，易于集成，但是需要精确控制 光的偏振态，同时由于检偏器的存在，需使用前置放大器补偿损耗，引入白发辐射噪 输出消光比较 1 2 5 基于s o a 中f w m 效应的全光逻 信号光1 信号 s 频率( 图1 0s o a 中f w m 效应的输出频谱示 两束不同波长的光以。和以2 耦合到s o a 中，在s o a 中发生f w m 效应。对于f w m 南京邮电火学硕：k r o f 究生学位论文 第一章绪论 经典描述是：两输入光在s o a 中形成增益光栅和相位光栅，折射率光栅散射光波以。产生一 个新的频率为t = 2 以：一以的光，称之为共轭光，同样光波以：被光栅散射也会产生一个 新频率以= 2 以。一以：，称之为卫星波。其中产生的共轭光和卫星波的强度比值就是以。和 旯。2 的强度比值。图1 1 0 给出t s o a 中f w m 效应的输出频谱示意图。 利用s o a q h 的f w m 效应很容易实现逻辑a n d f 3 2 扪。图1 11 所示为基于s o a 的f w m 型 全光逻辑a n d 门的结构示意图，两束信号光经耦合器耦合至i s o a 中，在s o a 中发生f w m 效应。只有当两输入信号都为逻辑“1 ”时，f w m 效应产生的共轭光比较强，可认为此时 共轭光输出为逻辑“1 ”，当两输入光只要有一个为逻辑“0 ”，则f w m 效应产生的共轭光 就很微弱，可认为此时共轭光输出为逻辑“0 ”，从而实现了全光逻辑a n d 门。 以l 图1 1 l 基于s o a 的f w m 型全光逻辑a n d 门的结构示意图 舷一f = 办一fo 破j f + i ) 缸j = 以一j0 丸 ( f + l ， 图1 1 2 基于r z d p s k 调制的f w m 型全光x o r 门的方案图 南京邮电大学硕：l - j i ) f 究生学位论文第一章绪论 2 0 0 4 年，中国香港中文大学的k i tc h a n 等人采用r z d p s k 信号，基于s o a 中f w m 效应 实现t 2 0 g b s 雕j 全光x o r f - j t 2 3 1 。 f w m 效应产生的一个边频光的光场可以表示为： e 1 3 2 = ( a i a 3 ) r ( c o l 一国3 ) 彳2 e x p j ( c o l + 缈2 一国3 ) f + ( 么+ 改一织) ( 1 1 ) 其中a 疋l ，2 ，3 ) ，0 9 ，分别表示三输入光的光场幅度、角频率以及相位，r ( c o 。- - 0 9 ，) 表示转换效率。输入光相位取值为“0 ”或“万”，因此，该边频光的相位取值有四种可能： 0 、7 、2 z r 和一7 ，由于相位具有周期性，可认为相位只取“0 ”和“7 ”两种。 d p s k 利用前后相邻码元的相位变化表示数字信息，如果相邻码元的相位差用表 示，那么矽= 万表示数字信息“l ”，矽= 0 表示数字信息“0 ”。三输入光经过r z d p s k 调制，其码元表达式为： k t - f = 办jo 办- ( h ) k z f = 欢jo 改j h ) ( 1 2 ) k 3 j = 死一fo 丸- ( ，- 1 ) 其中下标f 表示第i 个码元。则四波混频输出码元表达式为： k 1 3 2 一j2 ( 识一f0 改一fo 九一f ) o ( 么_ ( h ) o2 j h ) o 九_ ( 川) ) = k i fo k 2 一fo 缸一f ( 1 3 ) 从而实现输入信号的逻辑异或运算。 该方案的结构示意图如图1 1 2 所示，图中显示的是一个两端输入的情况，则式( 1 1 ) 应该改为： e 1 2 l = ( a l a 2 ) r ( c o i 一彩2 ) 4x e x p j ( 2 c o i 一缈2 弦+ ( 2 么- 4 2 ) 】 ( 1 4 ) 由于2 识对应的相位变化为7 ，办对应的相位变化为x 2 ；而矽：对应的相位变化为7 r 。 假设上下两个输入端输入的信号a 、b 分别为：1 0 1 1 1 0 1 1 l o ，0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 。x o r f - j 的实 现过程见表1 2 所示。 表1 2 基于r z d p s k 的f w m 型全光x o rfj 编码后ao万2万2o万20 o刀2o兀| 2巧 2 编码后b 0 o7 o万1 万7 ooo 2 识织 0万 00o7 r7 0o 7 7 输出信号 l lo0l。ol olo 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 2 0 0 6 年，美 n c e n t r a lf l o r i d a 大学的z “等人采用p o l s k 输入信号，基于s o a 中的f w m 效应，通过调节输x s o a 的信号光的相对偏振态，得n y x o r 、x n o r 、a n d 、n o r 等六 种逻辑功能的全光多功能逻辑门【2 4 1 ，其原理如图1 1 3 所示。 o0 0lo 1 00 10011101 0101010 0 d i ，五 ( a ) 。 。 d lod 2 ( x n o r ) ( c ) p b s 001101l0 1 0101 011 d 2 ，如 ( b ) q o d 2 ( x o r ) ( d ) d l d 2 ( a n d ) 0 l ooo0 o o l0o01o o1 d i - d 2 0 o1oool0 图1 1 3 基于p o l s k 调制的f w m 型全光逻辑门的方案图 二进制p o l s k 调制格式中，“1 ”代表光偏振态为给定的线偏振态，“0 ”代表与给定线 偏振态相垂直的光偏振态。调节输入信号的相对偏振态，使它们的两个偏振分量平行。这 样，输入至0 s o a 的信号就会在两个偏振方向上满足f w m 效应的偏振选择原理，分别发生 f w m 过程。由于p o l s k 调制信号的两个偏振分量携带的强度信号互为逻辑“非”，则两个 偏振方向上发生的f w m 效应可以实现不同的逻辑功能；而且，对f w m 效应产生的共轭输 出光，既可以忽略其偏振信息，直接探测其强度信息，也可以通过偏振分束器( p b s ) 分 离出两个偏振态，又可以分别得到不同的逻辑功能。 波长分别为丑和厶的两束p o l s k 调制信号光d l 、d 2 输入到s o a 中，当d i 和d 2 的偏 振念互相平行时，直接探测s o a 中输出的共轭光，忽略它的偏振信息，则可实现逻辑x n o r 功能；如果用p b s 把两个偏振念分离，则可分别实现逻辑a n d 和n o r 功能。同样，当 d i 和d 2 的偏振态互相垂直时，直接探测共轭光，忽略它的偏振信息，则可实现逻辑x o r 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 功能；如果用p b s 把两个偏振态分离，则可分别实现逻辑口d ：和d ，d ：功能。 这科t 基于p o l s k 调制的f w m 型全光逻辑门结构简单、可实现多种逻辑功能。p o l s k 信号的功率恒定特点消除了s o a 中的码型效应，提高了工作速率。 综上所述，基于s o a 的四种非线性效应实现全光逻辑门的方法各有优缺点：基于x g m 的方法较容易实现，且逻辑功能只与输入功率有关，不需要进行精确的相位控制，但一般 需要多个s o a ；基于x p m 的方法一般适合高速信号处理，但是需要精确的相位控制，对实 验条件有一定要求；基于x p o l m 的方法只需要一个s o a ，但要求两个输入信号偏振相同以 及波长匹配，而且加入检偏器，需e d f a 前放补偿损耗，会引入自发辐射噪声：基于f w m 的方法产生的共轭光不仅携带了信号光的幅值信息也携带了相位信息，因此它对调制格式 和调制速率严格透明，但受限于f w m 的转换效率。 目前，利用s o a 的非线性效应能实现较多的简单全光逻辑运算。但是，单个逻辑运算 单元的信号处理能力毕竟有限，为了进一步提高网络的可承载信息容量，需要发展具有复 杂逻辑运算功能的全光逻辑运算电路。半加器、半减器、全加器、全减器、比较器、译码 器等是构成许多更复杂逻辑运算电路的基础元件。国内外对复杂的全光逻辑运算研究还不 是很多，而且大多集中在加法器方案的提出和理论研究上，对于减法器特别是全减器的研 究不多。 本文提出了基于p o l s k 调制格式的双泵浦f w m 型全光全减器的新型方案，并对该方案 进行了比较详细的理论研究。 1 3 本文的工作 目前，国内外对全光逻辑器件的研究仍处于实验室阶段，与相应的电子器件相比，其 性能、复杂性、稳定性等多个方面还相差甚远。而国内在这方面的研究在深度和广度上与 国外存在着定的差距。本文围绕基于p o l s k 调制格式的双泵浦f w m 型全减器做了深入的 研究，理论上建立了完整的宽带理论模型，并利用这个理论模型，通过数值模拟的方法， 研究了器件的参数选取对全光逻辑门各种特性的影响。本文中具体的工作如下： 第一章为绪论。介绍了全光逻辑门的研究背景和意义，综述了近年来国内外在基于 s o a 实现全光逻辑门方面的研究概况，阐述了基于s o a 的x g m 型全光逻辑门、x p m 型全 光逻辑f - $ n f w m 型全光逻辑门的工作机理，比较了这几类全光逻辑门各自的优缺点。 第二章研究t s o a 用于全光信号处理的理论基础。推导y s o a 中最基本的光场传输方 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 程和载流子速率方程，讨论t s o a 中的各种非线性效应，尤其是三阶非线性效应；总结了 迄今为止几种常用的s o a 理论模型以及各自的适用范围。 第三章介绍t p o l s k 调制格式的基本内容，指出p o l s k 技术具有抗非线性、谱资源利用 率高以及抗噪声干扰等方面的优点；描述了双泵浦f w m 的基本原理，指出平行双泵浦f w m 可以在很宽的转换范围内保持较高的转换效率，正交双泵浦f w m 可以解决f w m 对信号光 泵浦光的偏振敏感f u j 题；最后，提出了采用p o l s k 信号，基于s o a 中双泵浦f w m 效应实现 全光全减器的方案，该方案结构紧凑、能够实现超快运算。 第四章介绍了基于s o a 的双泵浦f w m 效应的简洁、直观、使用方便的l u m p 模型，并建 立了基于p o l s k 调制格式的双泵浦f w m 型全减器的完整的宽带理论模型。在宽带理论模型 中，对s o a 有源区和放大自发辐射( a s e ) 谱都进行了分段，并且考虑了s o a 的材料增益 谱、载流子的空间分布、光场的纵向空间分布等。宽带理论模型是对该全减器进行性能分 析的基础。 第五章利用建立的基于p o l s k 调制格式的双泵浦f w m 型全减器的宽带理论模型，通过 数值模拟的方法，理论上实