（光学工程专业论文）光纤通信中的全光采样和信号再生技术研究.pdf

。，0 二f ! 一， ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：殷照企日期：2 口矽年4 月2 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑盛叠 导师签名：妻型当 日期：2 0 1 0 年4 月2 日 一 i 一， 摘要 摘要 光纤通信发展迅速，单波长的传输速率己从上世纪7 0 年代的4 4 7 m b s 增加到 现在的4 0 g b s 。但在光纤通信网的节点处，仍然采用电子信号处理方式，存在着光 电光的转换瓶颈、信号处理速率与传输速率不匹配、以及能耗大等难题。这就促 使人们研究在光域内直接对光信号进行处理，充分发挥光信号处理技术高速率、 低功耗的优点，避免光电光的转换和电子信息处理所带来的瓶颈问题。本论文所 研究的全光采样和全光再生，是全光信号处理中的两个重要研究内容。 利用半导体光放大器的非线性效应实现全光信号处理是国际上的主流研究方 向。半导体光放大器具有体积小、非线性系数大、利于光子集成的优点，可以实 现交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频、偏振旋转等多种非线性效应。本论 文的工作主要基于半导体光放大器的偏振旋转效应。 信号采样是模拟信号向数字信号转换的第一步，为数字信号处理奠定基础。 全光信号采样利用光脉冲比电脉冲具有更窄的脉宽和极低时间抖动的优势，可以 达到良好的采样效果。本论文中的全光信号采样系统设计，基于半导体光放大器 偏振旋转效应，仿真计算和实验测试均实现了4 0 g h z 的光脉冲信号对2 5 g h z 的原 始模拟光信号的采样。 信号在光纤中传输时，由于各种非线性效应以及传输损耗等原因，造成信号 在经过一段距离的传输后衰减变形，这时要通过信号再生器对信号进行再放大 ( r e a m p l i f i n g ) 、再整形( r e s h a p i n g ) 、再定时( r e - t i m i n g ) ，g l j 3 r 再生。如果只包括前 两者，则为2 r 再生器。在时域畸变不大的中短距离光纤传输系统中，2 r 再生的研 究显得尤为重要。本文研究了一种新型的全光2 r 再生器。这种再生器基于半导体 光放大器的偏振旋转效应，其偏振旋转效应由输入信号自身引起。计算仿真和实 验测试均表明，该结构可以达到良好的2 r 再生效果。在1 0g b i t s 的信号速率下，通 过全光2 r 再生后，信号光的消光比提高了8 3 d b 。在误码率测试方面，功率代价改 善了6 d b 。 关键词：全光信号处理，全光采样，全光2 r 再生，半导体光放大器，偏振旋转效 应 - 乞 一 f - 一1 ， h - ， 工 a b s t r a c t a b s t r a c t f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eb e e nr a p i d l yd e v e l o p e d , t h eb i tr a t eo ft h e s i n g l ec h a n n e lw a s4 4 7 m b si n19 7 0 s ，i n c r e a s i n gt o4 0 g b sn o w a d a y s h o w e v e r , i nt h e n o d e so fo p t i c a ln e t w o r k s ，t h et r a n s m i s s i o ns i g n a li sp r o c e s s e di nt h ee l e c t r o n i cd o m a i n , f a c i n gm a n yd i f f i c u l t i e ss u c ha so p t i c a l t o e l e c t r i c a l - t o o p t i c a l ( o z o ) b o t t l e n e c k ，l a r g e p o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ec a p a c i t ym i s m a t c hb e t w e e nt h ef i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m a n de l e c t r o n i cs i g n a lp r o c e s s i n g a l l - o p t i c a lp r o c e s s i n g ，i e s i g n a lp r o c e s s i n gp e r f o r m e d i nt h eo p t i c a ld o m a i n , a t t r a c t sc o n s i d e r a b l er e s e a r c ha t t e n t i o n , b e c a u s ei tc a np r o v i d e u l t r a - f a s t o p e r a t i o ns p e e d ，s m a l lp o w e rc o n s u m p t i o n , a n da l s o c a l lr e m o v eo e o b o t t l e n e c k i nt h i st h e s i s ，w ep r o p o s ea n dd e m o n s t r a t ean o v e ls c h e m et or e a l i z e a l l o p t i c a ls a m p l i n ga n da l l o p t i c a l2 r ( r e - a m p l i f y i n ga n dr e s h a p i n g ) r e g e n e r a t i o n , w h i c ha r ev e r yi m p o r t a n tf u n c t i o nb l o c k si nt h ef i e l do fo p t i c a ls i g n a 】p r o c e s s i n ga r e a i nt h ea l l o p t i c a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s ，t h eu t i l i z a t i o no ft h en o n l i n e a re f f e c t so f s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r s ( s o a s ) i sam a i n s t r e a mr e s e a r c ht o p i c ，s i n c et h e s o a b a s e da p p r o a c h e so f f e rs o m ee s s e n t i a la d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，l a r g en o n l i n e a r e f f i c i e n c y , s m a l lf o o t p t i n t , a n dc a p a b i l i t yf o rl a r g e s c a l eo p t i c a li n t e g r a t i o n i ng e n e r a l ， t h es o ah a ss e v e r a ln o n l i n e a re f f e c t ss u c ha sc r o s sg 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 ) ，f o u rw a v em i x i n g ( f w m ) ，n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ( n p r ) ，e ta 1 i nt h i st h e s i s ，w eu s et h en p re f f e c tt or e a l i z ea l l - o p t i c a ls a m p l i n ga n d a l l o p t i c a l2 rg e n e r a t i o n a l l - o p t i c a ls a m p l i n gi sa f u n d a m e n t a lp a r ti nt h es t r u c t u r eo ft h ea n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r s i o n ( a d c ) p r o c e s s i n g ，w h i c hi sn e c e s s a r yf o rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g i nt h e o p t i c a ls a m p l i n g ，u l t r a s h o r to p t i c a lp u l s e sa r eu s e dt os a m p l ea n a l o go p t i c a ls i g r l a l c o m p a r et o e l e c t r o n i cs a m p l i n gp u l s e s ，t h ew i d t ho fo p t i c a lp u l s e sc a nb em u c h n a r r o w e r , a n dt h ej i t t e ro fi tc a nb em u c hs m a l l e r , t h u so p t i c a ls a m p l i n gc a na c h i e v e m u c hb e t t e rr e s u l t s w eu s et h en p re f f e c ti ns o at or e a l i z ea l l o p t i c a ls a m p l i n g 4 0 g h zo p t i c a lp u l s e ss a m p l e d2 5 g h za n a l o gs i g n a li sd e m o n s t r a t e db o t hi ns i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o ni si m p o r t a n tt om a i n t a i nt h es i g n a lq u a l i t yi nt h eo p t i c a l n w o r k ss u c c e s s f u l l y w ea c h i e v ea ne x t i n c t i o nr a t i oi m p r o v e m e n to f8 3 d ba tab i t - r a t eo f 10 g b i t s i nt h eb i t e r r o r r a t em e 龇e m e m s ，t h e p o w e rp e n a l t yi si m p r o v e d b y6 d b k e y w o r d s ：a l l o p t i c a lp r o c e s s i n g ，a l l - o p t i c a ls a m p l i n g ，a l l o p t i c a l2 rr e g e n e r a t i o 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 , n o n i i i l e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n n l 一 ， - ， - - 目录 目录 第一章绪论1 1 1 全光信号采样的发展概况及现状2 1 1 1 全光信号采样技术简介2 1 1 2 全光采样的国内外发展概况3 1 1 3 全光采样的发展方向5 1 2 全光信号再生的发展概况及现状5 1 2 1 光信号再生简介5 1 2 2 全光再生的国内外发展状况6 1 2 3 全光再生的发展趋势7 1 3 本论文的主要工作8 第二章半导体光放大器的偏振旋转效应9 2 1 引言9 2 2 半导体光放大器简介9 2 2 1 半导体光放大器的结构9 2 2 2 半导体光放大器的主要技术参数1 1 2 2 3 半导体光放大器中常见的非线性效应1 2 2 2 4 半导体光放大器的应用1 3 2 3 半导体光放大器偏振旋转效应1 4 2 4 偏振旋转效应的计算仿真15 2 4 1 半导体光放大器的基本传输方程1 5 2 4 2 半导体光放大器的速率方程1 6 2 4 3 仿真计算的意义1 8 2 4 4 仿真模型中参数的选取1 8 2 4 5 半导体光放大器内载流子浓度的求解过程2 0 2 4 6 半导体光放大器的偏振旋转的仿真结果2 0 2 5 本章小结2 2 第三章基于半导体光放大器非线性旋转效应的全光采样。2 3 附录 5 8 攻硕期间取得的研究成果“ v 3 4 5 5 6 1 1 2 4 5 7 7 7 7 9 9 9 o 3 3 4 8 9 0 o 1 2 3 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 5 5 5 多 孓 - ， 第一章绪论 第一章绪论 光纤通信技术是信息时代的关键技术之一。正如2 0 0 9 年诺贝尔奖评委会在将物 理学奖颁发给“光纤之父”高锟时描述的那样：“光流动在细小如线的玻璃丝中，它 携带着各种信息数据传递向每一个方向，文本、音乐、图片和视频因此能在瞬间 传遍全球。 1 9 6 6 年，高琨发表了题为光频率介质纤维表面波导的论文，开创 性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，并指导制造出世界上第一根光导纤 维。这就是后来人们熟知的光纤。1 9 7 6 年，世界上第一条速率为4 4 7 m b s 的光纤通 信系统在美国亚特兰大诞生。2 0 世纪9 0 年代的信息化时代开始，i n t e r n e t 的迅速普 及和宽带综合业务数字网的快速发展，对光纤通信系统的传输速度和容量不断提 出更高的要求。目前，商用化的光纤通信系统传输速度已经在1 0 g b s 以上，下一步 将会在4 0 g b s 乃至10 0 g b s 以上。 光纤通信网络有两大支撑技术：传输和交换。由于波分复用技术的成熟以及 光纤损耗的降低，单根光纤的传输容量大幅度增加，传输技术已基本能够满足下 一代光纤通信网络的要求。然而在网络节点处实现交换功能时，目前采用的电子 信息处理技术正面临着巨大的挑战，即“电子瓶颈”问题。目前常用的解决方案 是将高速光数据流解复用到多个低速的光数据流通道，分别进行光电转换，电子 信号处理，电光转换，最后复用形成高速数据流，返回到系统中继续传输。 事实上，对很多光通信中的功能模块，如果将光数字信号在光域直接进行处 理，避免光电光的转化过程，会具有很多传统电子处理技术所不具有的优势。一 般来说，光信号处理具有更高的处理速度，更低的能量损耗，以及潜在的对调制 格式、传输速度等的透明性【l 】。本论文研究的正是其中两种重要的应用一全光采样 和全光再生技术。 全光采样，利用锁模激光器产生的超短光脉冲在光域内直接对模拟光信号进 行信号采样。相对于电采样，具有高速、时间抖动小、结构简单、功耗小的显著 特点。全光采样不仅是全光模数转换器【2 j 的最重要组成部分之一，还是高速全光示 波器f 3 棚、以及光纤通信系统中光信号质量监测【9 - 1 2 】等应用的重要组成部分。 全光再生，利用某些光学材料一些特有的效应对光纤通信系统中劣化的光信号 进行恢复。完整的光信号再生包括再放大、再整形、再定时，即3 r ( r e a m p l i f y i n g ， r e s h a p i n g ，r e t i m i n g ) 再生器。如果只包括前两项功能，即再放大、再整形，则称为 其基本思想是每次采样信号波形上的一个点，通过使用重复的准实时采样门采样 随时间变化的波形，采样门每次采样对应的的波形采样点不同，采样结束后通过 软件重建的方式构成波形。采样门的开关由一个窄的采样脉冲触发，所以该采样 2 第一章绪论 脉冲脉宽要尽量窄，时钟抖动要尽可能小。这种结构的优点是降低了对后续模数 转换器采样速率的要求。缺点是只能对周期性光信号进行采样，而且需要高质量 的同步触发信号。 对非周期性的实时变化信号，最直接的办法是采用合适的技术，一次完成全 部信号点的采样。这就要求采样脉冲脉宽要远远小于信号的脉宽。实现光采样的 关键因素包括：高的分辨率、低的时钟抖动、适当的采样峰值功率、偏振相关度 小、灵敏度好、动态范围大。由于全光采样技术采用超短光脉冲采样光信号，整 个过程在光域进行。它克服了电采样的许多缺点，实现了更小的时间抖动，更窄 的脉冲宽度，可以实现高速的信号全光采样。关于这几种不同信号方式的采样示 意图，参见c h r i s t o p h ed o r r e r 关于高速光信号测量的综述性文章中1 1 0 】第三部分图6 。 1 1 2 全光采样的国内外发展概况 全光采样技术在国外开展研究较早，发展非常迅速。 光纤作为一种理想的双折射非线性介质，较早的应用于全光采样。在文献 2 中，研究人员采用光纤环结构，利用光纤的交叉相位调制效应，实现了纳秒光脉 冲对毫秒级光信号的采样。并说明：如果采用色散平坦光纤代替该实验中的常规 光纤，其采样分辨率可以提高到1 0 0 飞秒。同一年，贝尔实验室的p a a n d r e k s o n 利用光纤的四波混频效应，实现了皮秒级脉冲对毫秒级信号光波的采样【3 】，并最终 将技术转为实用化【6 】，成功将全光示波器推向市场。在该结构中，时间分辨率由采 样脉冲脉宽和信号光波与采样脉冲之间的群时延共同决定。采用较长的光纤，可 以降低对光脉冲强度的要求，但四波混频的效率会降低；采用较短的光纤可以降 低群时延，但要求增大入射光功率。总体说来，基于光纤非线性效应的全光采样 结构，均需要较长的光纤和高功率的光脉冲，所以体积较大，而且高功率的光脉 冲源价格比较贵。日本东京大学先进技术研究中心同样利用了光纤的四波混频效 应开发出了6 4 0 g h z 超高速全光采样示波器1 7 j ，与p a a n d r e k s o n 等人研究的全光示 波器的不同主要是系统中的光纤锁模器激光器不同和完成波形重建的软件设计不 同。 与使用光纤作为非线性光学器件相比，基于半导体光放大器( s o a ) 的高速光采 样系统具有简单、稳定、低成本、易于控制和可集成的特点f 1 5 06 】。且因其具有增 益放大效应，所以可以用来测量非常微弱的信号。s o a 交叉增益调制可用于对脉 宽小于s o a 中载流子寿命的短脉冲进行采样【l 刀，通过使用光纤环重复器来控制采 量了长度大于1 0 0 皮秒的光波形。 国内对全光采样技术的研究尚处于起步阶段。2 0 0 3 年清华大学采用固定频差 法异步全光采样1 0 g h z 光周期信号波形【2 6 】；2 0 0 4 年利用电吸收调制器( e a ) 实现波 形监测中的全光采样【2 7 1 。2 0 0 6 年北京理工大学报道了基于半导体光放大器四波混 4 第一章绪论 频效应的全光采样系统的理论分析【2 引，在后续工作中建立了新的四波混频理论模 型，并对光采样过程进行了仿真分析1 2 引。2 0 0 7 年电子科技大学开展了全光模数转 换器( a d c ) 研究，报道了基于半导体光放大器偏振旋转效应的全光采样【3 0 3 1 1 。该 采样方法所需最大光功率仅为0 5 m w ，远远小于前面所介绍的方法。而且由于采 样过程中信号波长变换与文献 3 2 中的波长变换器相似，所以可以预见该结构的全 光采样系统速度可以达到与 3 2 中波长变换同样高的工作速率3 2 0 g b p s 。 对任意全光采样的系统，超短光脉冲源和超快采样转换机制都是必不可少的。 不断发展更短脉宽的脉冲源，可以使很多受限于采样脉冲带宽的全光采样结构获 得升级；另一方面，探索新的全光采样方法和途径，从而实现更简单、高速、低 功率、低成本的采样机制。 1 1 3 全光采样的发展方向 全光采样系统的衡量指标有两个：采样速率和采样带宽。对全光采样系统的 提升，也主要是从这两个方面入手。针对超宽光脉冲的采样，主要是不断提高系 统的采样分辨率；针对超快的光脉冲，提高采样速率是首要的目标。 新一代的通信系统正逐步采用新的调制格式，例如差分移相键控( d p s k ) 、光 差分正交相移键控( d q p s k ) 等，用以提高接收机的灵敏度，实现更快的传输速率。 一些研究者已经将视线转移到新型调制格式下的光信号采样技术研究中【3 3 】。新调 制格式下的信号采样不仅需要采样幅度信息，而且需要实时的相位信息。由于电 子采样系统需要将光信号转换为电信号，而光电探测器只能探测光的强度信息， 所以电子信号采样将不能实现对相位调制型光信号的采样，全光信号采样将是实 现的这一功能的最好方式。 1 2 全光信号再生的发展概况及现状 1 2 1 光信号再生简介 在光纤通信系统中，由于光纤的非线性、群速度色散、偏振模色散和各类串 扰不可避免，会使光信号在传输的过程中消光比和信噪比下降、时间抖动增加。 当信号劣化到一定程度时，需要通过中继再生提高信号质量后才可以继续传输。 一个完整的信号再生包括再放大、再定时、再整形三部分，又称3 r 再生。对于理 想的信号再生，有以下几方面要求：对数据格式透明；功耗低；对输入定时抖动 第二种情况。 1 2 2 全光再生的国内外发展状况 e v m a m y s h e v 在1 9 9 8 年提出了一种基于光纤自相位调制和光滤波器配合组 成的光再生器【3 4 】，是目前基于光纤非线性效应研究和应用最为广泛的光再生器。 6 - 第一章绪论 它具有不需要泵浦源、结构简单的特点。基于光纤四波混频效应的再生器具有潜 在高速的特点，因为该效应的时间常数远远小于其它效应，与半导体光放大器的 混频效应相比，基于光纤这种被动非线性光学器件的再生器，光信噪比更高，缺 点是非线性系数小，转换效率低【3 5 】。 基于半导体光放大器( s o a ) 非线性效应的全光2 r 再生，其中一大类是利用半 导体光放大器的相位调制效应，采用标准的对称m a c h - z e h n d e r 干涉结构【3 6 1 ， m i c h e l s o n 干涉仪结构【3 7 1 ，非对称的m a c h - z e h n d e r 结构【3 8 】，或m a c h z e l a n d e r 干 涉与m m i s o a 结合【3 州实现再生功能。这类再生器的特点是结构相对比较复杂。 半导体光放大器的四波混频f f w m ) 效应同样可以应用于光再生【删，缺点是需要较 高的工作光功率，而且再生后信号的信噪比较低。文献【4 1 报道了基于s o a 交叉 增益调制效应同时实现波长转换和信号再生的全光再生系统，但对信号编码“0 ”的 噪声抑制很差，而且工作速率比较低。文献 4 2 】报道了对1 6 0 g b s 的光信号实现全 光再生的系统是迄今为止已知的最高工作速率的全光再生器。 其他半导体器件也可用于实现全光信号再生功能。文献 4 3 报道了利用半导体 饱和吸收器( e a ) 实现全光再生，但它对“1 ”上的光强度噪声抑制能力比较差。这正 好与前面提过的基于半导体交叉增益调制的再生特性相辅相成。如果将半导体饱 和吸收器与半导体光放大器级联【训5 1 ，可以有效地降低逻辑“0 ”和“1 ”上的噪声，从 而提高信号再生质量，而且可以实现光子集成【4 5 1 。缺点是由于e a 的工作机理， 该结构的插入损耗非常大。 国内开展全光再生研究的单位比较多，北京邮电大学，天津大学、华中科技 大学、电子科技大学等先后开展了这方面的工作。1 9 9 9 年，北京邮电大学报道了 基于非线性光学环路镜( n o l m ) 的全光再生器的优化设置和噪声分析【4 6 】。在此之后 陆续发表了若干全光再生方面的理论研究以及新型设计1 4 7 4 9 】。天津大学在2 0 0 2 年 开始进行研究【5 0 1 ，在2 0 0 7 年提出一种新型的4 0 g b s 全光3 r 再生器方案【5 l 】。该方 案主要是采用高精细度法布里一珀罗滤波器进行时钟提取；全光判决部分采用双半 导体光放大器串联增大非线性性能，提高了判决门的响应速度。电子科技大学从 2 0 0 4 年开始这项工作，主要研究的是基于半导体光放大器的非线性效应来实现全 光再生 5 2 - 5 4 j ，本文的工作隶属于其中的一部分。 1 2 3 全光再生的发展趋势 目前，简单有效的2 r 再生器在1 0 g b s 系统上已经得到成功地验证，人们正 7 电子科技大学硕士学位论文 在积极发展4 0 g b s 或更高速率的全光再生器。光再生器发展的另一个方向是对多 波长信号同时实现再生，从而进一步简化w d m 系统的结构，并在很大程度上降 低系统的费用 5 5 - 5 6 。此外，各种新型非线性光学材料及器件的研究也为全光再生 技术注入活力。例如，高非线性微结构光纤 4 r l ，具有适当的色散条件和高非线性 ( h n l ) 系数，可以替代普通光纤，更好的实现全光再生功能。基于相位的新调制格 式下的再生技术研究对下一代光纤通信系统具有重要的意义。 1 3 本论文的主要工作 由前所述，半导体光放大器是一种非常具有优势的非线性光学器件。本文的 主要工作是对半导体光放大器的偏振旋转效应进行了理论上的分析和计算仿真。 设计了一种新型的基于偏振旋转效应的全光采样系统，并从理论和实验上都证明 了它的可行性。除了将偏振旋转效应用于对模拟信号的处理外，本文还将它用来 实现对数字信号的处理全光再生功能。各章节的基本内容如下： 第二章中，将介绍半导体光放大器的基本原理、功能以及常见的非线性效应。 着重介绍了半导体光放大器的偏振旋转效应的产生机理和仿真模型。概括来说： 偏振旋转效应，主要是由于强泵浦光输入到半导体光放大器后，将引起t e 、t m 两 个模场方向上光在经过半导体光放大器传输后，各自获得的增益和相位改变量不 一致，导致了输出光的偏振状态相对输入光发生了旋转。 第三章中，提出了一种基于半导体光放大器偏振旋转效应的全光采样结构， 利用了偏振旋转这种非线性效应，实现了对模拟信号的近似线性采样。以偏振旋 转效应的仿真模型为基础，实现对该全光采样系统的仿真，从仿真计算上证明了 该系统的可行性。最后通过实验，验证了这种设计的可行性。 第四章中，提出了基于偏振旋转效应的一种新型全光2 r 再生系统。在介绍了 2 r 再生器的实现原理、衡量标准的基础上，详细分析了全光2 r 再生系统的工作原 理，并通过仿真和实验证明了该系统的可行性。 最后一章是对本文主要工作的总结以及对下一步工作的展望。 8 第二章半导体光放大器的偏振旋转效应 2 1 引言 第二章半导体光放大器的偏振旋转效应 全光信号处理主要利用某些光学器件中的非线性效应来实现。目前被广泛使用 的光学器件有三种：光纤，周期性极化铌酸锂晶体，和基于i v 族半导体材料的 半导体光放大器。光纤和和周期性极化铌酸锂晶体能够实现极快的信号处理速度。 但是，由于光纤的非线性系数比较小，通常需要几公里的普通光纤才能实现光信号 处理。当采样超短光脉冲在其中传输时很容易产生漂移，系统的稳定性较差。周期 性极化铌酸锂晶体的工作温度通常在摄氏1 0 0 度到2 0 0 度之间，系统往往需要增加 额外的温度控制模块来满足要求，这无疑增加了系统的复杂性和成本。半导体光放 大器具有非线性系数大( 大约为同样长度普通光纤的一百万倍) ，所需光功率低的特 点。而且，光信号在进行信号处理的同时还会被放大，提高了输出信号的信噪比。 另外，从光子集成的角度来看，光纤或周期性极化铌酸锂晶体无法与其他光功能部 件大规模地集成在芯片上，而基于i v 族半导体材料的半导体光放大器可以方便 的应用现有的集成光学技术，与其他有源和无源器件在光学芯片上实现大规模的集 成。正因为如此，半导体光放大器以其巨大的优势，成为全光信号处理中研究的主 流1 1 5 , 1 6 1 。本课题的研究也是基于这种优良的非线性光学器件。 在本章中，我们首先将对半导体光放大器的机构、特性做一个简单的介绍。然 后介绍半导体光放大器的一种重要非线性效应偏振旋转效应。在此基础上，借 鉴前人的成果，利用m a t l a b 软件建立半导体光放大器偏振旋转效应的仿真计算 模型，并利用该模型计算了偏振旋转效应的增益特性和相位特性。最后是本章小结。 2 2 半导体光放大器简介 2 2 1 半导体光放大器的结构 一个典型的半导体光放大器的结构如图2 1 【5 8 】所示。其中，器件的有源区根据 不同的工作波长要求，掺杂不同的杂质。外加泵浦电流提供信号放大的能量源，嵌 入的波导将载流子和光场限制在指定的光敏区域传输，从而大幅度提高了器件的注 9 电子科技大学硕士学位论文 入效率和受激辐射效率。 半导体光放大器的工作原理与半导体激光器的工作原理非常类似，即在外加泵 浦电流的作用下，入射信号光注入后，受激辐射产生的光子数将大于受激吸收的光 子数，实现光相干放大。两者的不同点在于为了避免端面间的来回反射在增益谱中 引入起伏噪声，半导体光放大器的端面一般涂覆有高质量的抗反射膜并配合使用波 导端面倾斜和窗结构，从而尽可能降低端面反射的影响。 导区 图2 1 半导体光放大器的基本结构 根据端面抗反射膜的涂覆情况，半导体光放大器可以分为两类f p 腔型半 导体光放大器( f p s o a ) 和行波型半导体光放大器( t w - s o a ) 。f p s o a 两个端面构 成f p 谐振腔，入射光在f p 腔中来回反射，获得多次放大。t w - s o a 的两个端面 涂覆有抗反射模，反射系数可以小于1 0 一，信号在t w - s o a 腔内是单程放大的。 f p s o a 与t w - s o a 相比较，前者对偏置电流、温度、信号偏振特性等更为敏感。 由于t w - s o a 的端面反射率基本为0 ，对自发发射谱内的输入信号波长都可以进行 放大，所以t w - s o a 的增益带宽比f p s o a 的增益带宽大很多。 f p s o at w 二s o a 图2 2 半导体光放大器的两种基本类型 1 0 出 第二章半导体光放大器的偏振旋转效应 2 2 2 半导体光放大器的主要技术参数 ( 1 ) 增益特性 增益特性是放大器最重要的参数。半导体光放大器的增益与输入信号的光强度 有很大的关系。当输入信号的光功率很低时，输出信号的光功率随着输入信号的功 率变化而线性变化，即小信号情况。如果当输入信号的功率达到一定程度后，输出 信号的功率不再随输入信号功率的增加线性增加，而是呈现一定的饱和状况。如果 用增益系数来表征，则在小信号输入情况下，增益系数不变，当输入信号增大到饱 和区后，增益系数开始迅速减小。增益饱和特性在半导体光放大器用作线路放大、 功率放大时要尽量避免。但作为半导体光放大器的非线性特性之一，常常用在全光 信号处理的许多功能性器件上。 ( 2 ) 偏振灵敏度 半导体光放大器是偏振相关的，即半导体光放大器的增益特性、相位特性等都 与输入光的偏振态相关，这是由多方面原因造成的。首先，半导体光放大器是波导 结构，有源区的横向和侧向尺寸差异很大。其次，半导体波导结构中抗反射膜的偏 振依赖性。最后，半导体光放大器的增益特性也会引起偏振敏感。偏振灵敏度的定 义是：如果将输入光分为t e 模和t m 模两个正交的偏振态，t e 模方向上的增益g 。r e 和t m 模方向上的增益g 州之间的绝对差值即为半导体光放大器的偏振灵敏度。 ( 3 ) 噪声系数 噪声系数用来衡量半导体光放大器的噪声特性。定义为输入信号的信噪比除以 输出信号的信噪比。半导体光放大器是一种基于受激辐射的相干光放大器，在放大 输入信号的同时也放大了输入的噪声。总的噪声包括自发辐射噪声、散粒噪声、各 项拍频噪声。在半导体光放大器输出中，拍频噪声一般比散粒噪声大很多。其中， 自发辐射噪声是广谱噪声，半导体光放大器后经常接窄带滤波器，滤除拍频噪声和 大部分的自发辐射噪声，但在同时也降低了带宽。一般情况下，半导体光放大器的 内部噪声指数( 不计耦合损耗) 为7 1 2 d b 。s o a 与光纤的耦合损耗约为3 d b ，因此外 部噪声指数通常为1 0 1 5 d b 。 ( 4 ) 非线性 半导体光放大器的非线性效应产生的根本原因在于当有入射光注入时，半导体 光放大器有源区内载流子浓度是一个快速动态变化过程，这一动态变化使得有源区 内增益系数和折射率也随着时间和空间变化而不断变化。一般来说，非线性效应会 造成诸如频率啁啾以及输入信号的二阶、三阶交叉调制产物。但是，非线性效应也 电子科技大学硕士学位论文 可以用来构成许多功能性的器件，例如全光波长转换器、信号再生器、全光缓存等。 下- - d , 节将详细介绍半导体光放大器的各种非线性效应。 2 2 3 半导体光放大器中常见的非线性效应 半导体光放大器中存在的非线性效应有交叉增益调制效应、自相位调制、交叉 相位调制效应、四波混频调制效应和偏振旋转效应。 2 2 3 1 交叉增益调制效应( x g m l 交叉增益调制效应产生的基础是半导体光放大器的增益饱和特性。从频率谱来 看，半导体光放大器中的载流子浓度变化对所有的入射光波长具有等同的作用。当 某个波长的高功率入射光导致半导体光放大器增益饱和时，通过载流子浓度变化的 影响，将作用于另外波长的光信号，这就是交叉增益效应。典型的系统如图2 3 所 示。一束强的信号光和一束弱的连续光一起注入到半导体光放大器内，由于半导体 光放大器的交叉增益调制效应，连续探测光将会具有与信号光同样的调制。经过窄 带滤波器将信号光滤除，就完成了将调制信号从一个波长转换到另一个波长的功 能，这一点已经被用做波长转换器。 信号 探测 nn r )一 、 l s o a j r jl - - - - - 输出光( x 2 ) 滤波器 图2 - 3 基于x g m 的波长交换器 2 2 3 2 自相位调制效应( s p m ) 、交叉相位调制效应( x p m ) 在半导体光放大器中，高强度的光波将引起介质电极化作用，导致介质折射率 发生变化，传输光波将产生一个非线性相移，这就是自相位调制效应。当不同波长 的光波同时入射到半导体光放大器中时，如果某一波长入射光的功率足够强，介质 电极化作用产生非线性折射率效应，导致其他入射光也产生非线性相移，这就是交 叉相位调制。严格来说，此时的非线性相移一部分为交叉相位调制，另一部分为自 身的自相位调制贡献。对光功率较小的输入光，集中表现为交叉相位调制。由于相 1 2 第二章半导体光放大器的偏振旋转效应 位调制与入射光光强的关系，而入射光强的大小也会引起增益的改变，所以折射率 的非线性变化与增益的非线性变化是相互联系的。在本文的分析中我们使用相位调 制因子来表征相位变化与增益变化之间关联的强弱。定义为： 亿d n ，| 弧 o g = 一一二一。 九a g 。d n 其中，九是自由空间的波长，聆。为半导体光放大器波导的有效折射率，g 。为 材料的增益系数，n 是载流子的密度。 在实际构建系统中，由于光波的相位是无法进行直接探测的，所以常常采用干 涉结构将相位的变化转化为光强的变化，然后进行探测。 2 2 3 3 四波混频效应( f w m ) 四波混频是一种相干非线性效应，一般要求入射的泵浦光( 频率为) 和信号光 ( 频率为( o f 2 ) 具有同样的偏振态，且在传输过程中满足一定的相位匹配。两者经过 半导体光放大器后，输出中将包括由非线性混频产生的新波长光波( 频率为m + f 1 ) 。 四波混频中，入射信号光的调制态将被转移到新产生的拍频信号上。它的转换速度 非常快，在要求超高速的全光系统中已经有广泛的应用。缺点是引起四波混频效应 所需的泵浦光功率高，而且系统转换效率很低。 l 厂 厂 r ：)- s o a r j l j ￥门 q+ q 输出光频谱 图2 - 4 四波混频效应 本文中构建的新型全光采样系统、全光2 r 再生系统都是基于偏振旋转效应，下 一节中将单独对其作详细的论述。 2 2 4 半导体光放大器的应用 半导体光放大器的应用可以分为两个方面：线路放大和功能性应用。当半导体 光放大器用作线路放大时，半导体光放大器工作在线性区，常常被用作前置放大器， 线路中继器和功率放大器。构成功能性器件时主要是应用半导体光放大器的各种非 的光强度的改变。在文献 5 9 1 中，入射到半导体光放大器中的光包括信号光和高功 率泵浦光，其中高功率的泵浦光导致半导体光放大器发生增益饱和，从而引起信号 光的t e 模和t m 模之间产生额外相位差，使得经过检偏器干涉后的输出光发生变 化。事实上，这种结构与马赫一曾德尔干涉仪的工作机理类似，干涉仪的两臂由原 来的不同光路替代为t e 模和t m 模这两种不同的模式。 半导体光放大器内的载流子动态响应包括导带和价带间的带间效应，以及导带 内、价带内的带内效应。带间的载流子效应是空穴与电子之间的，一般为包括受激 1 4 第二章半导体光放大器的偏振旋转效应 辐射、受激吸收和自发辐射等，反应时间由载流子复合时间决定，一般是几百皮秒。 带内的载流子相互作用速度比带间效应要快的多，带内效应主要包括载流子的加热 效应、载流子冷却效应、空间烧孔以及光谱烧孔效应。它的反应时间由空穴与空穴、 电子与电子的相互作用时间决定，典型值为5 0 1 0 0 飞秒。在本文中，主要处理的 是信号速度在4 0 g h z 及以下的，所以考虑带问效应对载流子恢复的影响是主要的。 2 4 偏振旋转效应的计算仿真 根据偏振旋转效应的机理，对偏振旋转的仿真，就是将t e 模和t m 模分别作 为独立的光波经过半导体光放大器进行传输。这两个模式之间通过半导体联系起 来，半导体光放大器的非线性饱和效应导致了t e 模和t m 模方向上的增益和相位 变化不一致，引起输入光的偏振态发生改变。 本文中的计算仿真模型主要建立在半导体光放大器中光波基本传输方程和载 流子速率方程的基础上。光波的基本传输方程描述了输入光波在半导体光放大器中 的传输过程；载流子的速率方程描述了载流子浓度随时间和空间的变化情况。在本 文中，忽略了载流子浓度在半导体光放大器有源区中的空间差异，仅仅考虑了载流 子浓度随时间的变化。通过求解载流子速率方程，进一步获得半导体光放大器内的 载流子分布、增益特性和输出光信号特性的描述。本文建立的半导体光放大器偏振 旋转效应的仿真模型与d o r r e nh js ，e ta l 5 9 】中类似，各参数数值的选取也基本一致。 模型建立完成后，利用m a t l a b 软件作为计算工具，根据下面提到的速率方 程数值模型进行求解。在具体到实际应用时，对涉及到的具体参数作进一步优化设 置，从而可以在未进行具体实验前，初步获得对所设计系统的基本评价。在这一节 中，我们将依次介绍该仿真模型的理论基础、参数选取、和计算结果。 2 4 1 半导体光放大器的基本传输方程 首先，我们定义半导体光放大器波导结构中的坐标。如图2 - 5 所示，x ，y 轴分 别对应于t e 与t m 模的偏振方向，光场沿着z 轴传播。把任意一束入射线偏振光 的电场分为两部分：平行于波导层( t e 模) 分量和垂直于波导层( t m 模) 分量。 同的价带间。更深