（信号与信息处理专业论文）基于半导体光放大器四波混频效应的慢光特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 全光存储和缓存是光分组交换网络在解决输出端数据竞争问题、实现全光路由的 关键技术，如何使光波群速度减慢来实现光存储和光信息处理已经成为近年来国内外 研究的热点问题之一。半导体光放大器( s o a ) 拥有体积小、可集成性强、与光纤通信系 统兼容等特点，利用它的四波混频( f w m ) 效应可以在室温下获取快光和慢光。本文以 行波s o a 为研究对象，对基于s o a 近简并四波混频效应的慢光时延特性和光增益特 性进行了理论分析和数值计算，主要内容如下： ( 1 ) 采用s o a 分段模型，分析了行波s o a 的增益饱和特性。结果表明输入光功率 过大会导致s o a 出现增益饱和，增大偏置电流可以在一定程度上缓解增益饱和，但同 时却会降低s o a 的饱和输入功率。 ( 2 ) 讨论了基于s o a 近简并f w m 效应的光增益特性，分析了共轭光转换效率、 信号光透过率随线宽增强因子、输入泵浦光功率、偏置电流等参数的变化规律。增大 偏置电流和线宽增强因子，或者合理地增加输入泵浦光功率均可以提高共轭光转换效 率，并能增大信号光透过率随频率失谐的变化范围，过高的输入泵浦光功率会导致共 轭光转换效率及信号光透过率的下降。 ( 3 ) 根据行波s o a 的四波混频效应，讨论了稳态条件下的慢光时延特性。定量分 析了信号光时延量与偏置电流、频率失谐、泵浦光功率的数值关系，以及泵浦光功率、 载流子寿命的改变对慢光工作带宽造成的影响。通过有限差分法对瞬态情况下输出信 号光脉冲时延量及峰值功率随频率失谐、偏置电流等参数的变化规律进行了数值分析。 在利用s o a 近简并f w m 效应获取慢光( 快光) 时，信号光时延量( 超前量) 可以通过 调节频率失谐、偏置电流、输入泵浦光功率等参数来进行控制，在s o a 还未饱和前， 信号光时延量会随着偏置电流和输入泵浦光功率的增加而增加；过高的输入泵浦光功 率会引起信号光时延量的下降，而且偏置电流越大，导致时延量下降的临界泵浦光功 率会越小；增加输入泵浦光功率可以获取较高的慢光工作带宽，较大的载流子寿命虽 然可以提升最大时延量，但却会对工作带宽造成一定的压缩。 关键词：慢光；四波混频；增益饱和；频率失谐：半导体光放大器 a b s t r a c t a 1 1 o p t i c a ls t o r a g ea n dc a c h ea r et h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rr e s o l v i n gt h ec o m p e t i t i o no f t h eo u t p u td a t aa n da c h i e v i n ga 1 1 o p t i c a lr o u t i n gi no p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k h o wt o m a k eo p t i c a ls t o r a g ea n do p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs u c c e s s f u lb ys l o w i n gd o w nt h e g r o u pv e l o c i t yo fl i g h tw a v eh a sb e c o m eo n eo f t h eh o tt o p i c sb o t ha th o m ea n da b r o a di n r e c e n ty e a r s 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 ) i ss m a l li nc u b a g e ，e a s i l yi n t e g r a t e d a n dc o m p a t i b l ew i t ho p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h u sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，b o t ho f f a s ta n ds l o wl i g h tc a nb eo b t a i n e dv i at h ef o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) e f f e c ti ns o a t h e t h e s i s s e l e c t st r a v e l l i n gw a v es o aa st h er e s e a r c hm a t e r i a la n dc o n d u c t s at h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft h et i m ed e l a yc h a r a c t e r i s t i c so fs l o wl i g h tb a s e do n n e a r l yd e g e n e r a t ef o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) i n s o a 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 ha n a l y z e st h eg a i ns a t u r a t i o ne f f e c to ft r a v e l i n gw a v es o ab ya p p l y i n g s e g m e n tn u m e r i c a lm o d e lo fs o a t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a te x c e s s i v ei n p u t o p t i c a lp o w e rl e a d st og a i ns a t u r a t i o np h e n o m e n o ni ns o a i n c r e a s i n gt h eb i a s c u r r e n t ，t o s o m ee x t e n t , r e l i e v e st h es a t u r a t i o ne f f e c t , b u ta tt h es a m et i m e i tw i l lr e d u c et h ei n p u t s a t u r a t i o np o w e ro fs o a ( 2 ) t h et h e s i se x p l o r e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eo p t i c a lg a i nb a s e do nn e a r l yd e g e n e r a t e f w me f f e c ti ns o a ，a n di ta n a l y z e st h ev a r i a t i o no fc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h ec o n j u g a t e l i g h t , t r a n s m i t t a n c eo fs i g n a ll i g h tw i t hr e s p e c t t ol i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o r ，i n p u tp u m p p o w e ra sw e l la s b i a sc u r r e n t t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h ec o n j u g a t el i g h t c a nb e i m p r o v e db yi n c r e a s i n gt h eb i a sc u r r e n ta n dl i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o ra n db ya d d i n g i n p u tp u m pp o w e rr e a s o n a b l y t h ev a r i a t i o nr a n g eo ft r a n s m i t t a n c e o fs i g n a ll i g h tw i t h r e s p e c tt of r e q u e n c yd e t u n i n gc a na l s ob ee n l a r g e db yt h e s et w om e t h o d s e x c e s s i v ei n p u t p u m pp o w e rl e a d st ot h ed e c l i n e o fc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h ec o n j u g a t el i g h ta n d t r a n s m i t t a n c eo fs i g n a ll i g h t ( 3 ) t h er e s e a r c hd i s c u s s e st h et i m ed e l a yc h a r a c t e r i s t i c so f s l o wl i g h tu n d e rs t e a d ys t a t e c o n d i t i o n sa c c o r d i n gt on e a r l yd e g e n e r a t ef o u r - w a v em i x i n ge f f e c to fs o a f i r s t l y , t h et h e s i s q u a n t i t a t i v e l ys i m u l a t e st h e n u m e r i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nt h ed e l a yo fs l o wl i g h ta n db i a s c u r r e n t ，f r e q u e n c yd e t u n i n g ，a s w e l la sp u m pp o w e r s e c o n d l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h e i n f l u e n c eo ft h et r a n s f o r m a t i o no fi n p u tp u m pp o w e ra n dc a r r i e rs p o n t a n e o u sr a d i o a c t i v e l i f e t i m eo nt h eo p e r a t i n gb a n d w i d t ho fs l o wl i g h t f i n a l l y , b yt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ， t h ea u t h o rc o n d u c t san u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fc o u p l e dw a v ee q u a t i o n si n t h ec a s eo f 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 t r a n s i e n tf w m ，a n a l y z i n gt h ev a r i a t i o no fs u c hp a r a m e t e r8 st h es i g n a ll i g h tp u l s ed e l a y v o l u m ea n dp e a kp o w e r 诵mt h ef r e q u e n c yd e t u n i n g ，b i a sc u r r e n t i nt h ep r o c e s so f o b t a i n i n gs l o wa n df a s tl i g h t 、析t l ln e a r l yd e g e n e r a t ef o u r - w a v em i x i n g e f f e c to fs o a ，t h ea m o u n to fs i g n a ll i g h t d e l a yc a nb ec o n t r o l l e db ya d j u s t i n gs u c h p a r a m e t e r sa sf r e q u e n c yd e t u n i n g ，b i a sc u r r e n ta n dp u m pp o w e r b e f o r et h es o aw o r k si n s a t u r a t i o nr e g i m e ，d e l a yo fs i g n a ll i g h ti n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fb i a sc u r r e n ta n di n p u t p u m pp o w e r e x c e s s i v ei n p u to p t i c a lp o w e rl e a d st ot h ed e c l i n eo ft h ea m o u n to fs i g n a ll i g h t d e l a yt h eg r e a t e rt h eb i a sc u r r e n t ，t h es m a l l e rt h ep u m pp o w e rr e s u l t i n gi nt h ed e c l i n eo ft h e a m o u n to fs i g n a ll i g h td e l a yi s ah i g h e ro p e r a t i n gb a n d w i d t ho fs l o wl i g h tc a nb ea c h i e v e d b yi n c r e a s i n gt h ei n p u tp u m pp o w e r r e l a t i v e l yl a r g ec a r r i e rl i f e t i m ee n h a n c e st h em a x i m u m a m o u n to ft i m ed e l a y , b u tm e a n w h i l ei tt os o m ee x t e n tc o m p r e s s e st h eo p e r a t i n gb a n d w i d t h k e yw o r d s ：s l o wl i g h t ；f o u r - w a v em i x i n ge f f e c t ；g a i ns a t u r a t i o ne f f e c t ；f r e q u e n c y d e t u n i n g ；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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 全光缓存是光分组交换( o p s ) 网络实现全光路由的关键技术【l 】，它不仅可以解决 o p s 网络输出端分组数据的竞争问题，还可以提供处理分组头内地址信息时所需的必 要时延，从而保持交换节点输入端的光分组同步。光波在介质中的传播时间为，= l ， 其中三是介质路径长度，1 ，是光波在介质中的传播速率，因此可以从两个方面实现全光 缓存：一、增加介质路径的长度，二、减慢光波在介质中的传播速率。通过改变介质 路径长度来进行全光缓存不需要突破现有的物理原理，目前已经实现的有光纤延迟线 和多种环形结构等方案】。但是，这种方法存在着明显的缺点，首先，由于光纤延迟 线和环状结构的实际长度是固定的，所以产生的光信号时延也是固定的；其次，不能 对输入光信号所需的时延进行调节，限制了缓存器件在动态重构网络中的应用；最后， 由于光波的传输速率很大，因此要产生较大的时延就需要大量的光纤设备，这给光缓 存器在光网络中的应用带来了极大的不便。正因如此，学者们纷纷把目光转向了利用 对光速的控制进行全光缓存的研究当中。 通常情况下，光信息是以脉冲的形式在介质中进行传输，每一个光脉冲并不是单 一频率的单色光，而是由一系列频率成分叠加而成的，称之为波包。由于波包上不同 位置点的传播速度是不一样的，所以不能简单地用相速度来表示波包的传播速度。在 这里引入群速度的概念，将同一波包到达空间中两个不同点的时间差称为波包的传输 时间，故波包的群速度v 。可表示为【5 】： k = 坐d k = ( 1 - 1 ) r 一= 孚 。以 d w 方程( 1 1 ) 中，w 为光波角频率，k 为光频矢量。从上式可以看出，增大介质的折射率刀 或者增大月的相对变化率幽d w 均可实现波包群速度的减慢，但是通过改变普通介质 的背景折射率所能获得的光波群速率时延是非常小的。所以，可行的途径是通过改变 幽d w 的值来控制光波的群速率。当砌d w 为很大的正值时，对应正常色散，光波群 速率将远远小于真空中的光速；当砌d w 为负值时，对应反常色散，此时将会出现 v 。 c 的情况，即超快光的产生。 1 2 国内外研究现状 上世纪9 0 年代以前，由于当时的实验条件有限，有关光波在色散介质中传播时产 生的群速度减慢实验进展缓慢，但随着光器件制造水平的逐步提高，高色散光器件的 出现令慢光技术在理论与实验方面都取得了较大的进展，下面介绍几种不同物理机制 下的慢光研究方法及成果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 电磁诱导透明技术实现慢光和快光 e i t 技术( e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c e dt r 锄s p a r e n c y ) 的物理机制是：利用量子相干效应， 将功率较大的泵浦光与信号光耦合后照射到某些光学不透明介质上时，介质的吸收和 色散特性会发生剧烈变化，此时信号光可以无损耗地通过介质，并保持高色散性。 利用e i t 技术产生慢光的思想最初是由s t a n f o r du n i v e r s i t y 的s e h a r r i s 等人提出 的，他的研究小组首次在冷却的原子蒸汽中观察到了e i t 现象l o j ，1 9 9 9 年，哈佛大学 的l vh a u 等人于n a t u r e 发表了利用4 5 0 r t k 超低温钠原子蒸汽获得1 7 m s 超慢光速的 实验结果【刀之后l vh a u 的研究小组又成功地将光波群速度降低为零，实现了光脉 冲在非线性介质中的存储【引。2 0 0 2 年a vt u r u k h i n 的研究小组成功地利用e i t 技术在 固体介质中实现了慢光传输，他们在含有稀土元素的y 2 s i 0 5 晶体中将光波群速度降至 4 5 m s 1 9 l 。于此同时，e i t 技术还可以用于获取超快光，2 0 0 6 年qh e m a n d e z 等人在8 7 r b 体系中同时实现了快光与慢光传输【lo j 。 到目前为止，虽然人们已经依靠e i t 技术获取了极慢光速甚至光存储，但由于e i t 技术对实验条件及装置的要求极高，尤其是对实验温度要求极其苛刻，所以并不具备 实际应用价值。 1 2 2 相干布局振荡技术实现慢光和快光 对于加宽机制为均匀加宽的介质，在强泵浦光的作用下，当功率较小的信号光通 过介质时，如果泵浦光和信号光的频率失谐小于或等于粒子弛豫时间的倒数，信号光 的吸收曲线上就会出现一个很窄的烧孔【1 1 】。由k r a m a s k r o n i g 关系可知，这个很窄的 烧孔会使信号光的群速度发生剧烈变化。 2 0 0 3 年，罗切斯特大学的m s b i g e l o w 等人利用相干布局振荡技术( c o h e r e n t p o p u l a t i o no s c i l l a t i o n s ) 分别在室温下的红宝石和紫翠玉中实现了超慢光传输【1 2 1 【1 3 】，其 中，在红宝石中的光波群速度被降低到5 7 5 士0 5 m s 。2 0 0 6 年a s c h w e i n s b e r g 等人在掺 铒光纤中运用c p o 技术获得了超光速和慢光【i4 1 。2 0 0 7 年，c s y e l l e s w a r a p u 等人运用 c p o 技术在噬菌调理素溶液中将光波群速度降低至3 m s ，并且得到了较大的延时带宽 积【”】。2 0 0 4 年以来，我国哈尔滨工业大学的y d z h a n g 等人也利用c p o 技术在红宝 石及掺铒光纤中开展了一系列慢光和快光研究实验【1 6 。引。 与e i t 技术相比，c p o 技术对实验条件的要求相对较低，它能在室温下的固体介 质尤其是掺铒光纤中实现慢光和快光传输，并且利用这种技术产生的光波延时量较大。 但同时c p o 技术也存在一些不足之处，比如带宽范围太小，信号透过率不高等。 1 2 3 利用光纤非线性产生的慢光和快光 作为光通信系统中最常用的传输介质，如果能够控制普通光纤中的光波群速度那 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 注定意义非凡。利用光纤的非线性效应可以构成光学放大器，在放大的过程中会伴随 强烈的色散效应，从而导致光波群速度的改变。目前已经实现的有利用光纤的布里渊 散射( s b s ) 、拉曼散射( s r s ) 以及光参量放大( o p a ) 这三种非线性效应获取慢光的方法。 ( 1 ) 利用光纤受激s b s 效应实现慢光光纤中的受激布里渊效应是指强度较大的泵浦光 与反向s t o k e s 光通过声波场发生的非线性耦合现象，利用光纤s b s 效应改变光波群速 度的构想最初是在2 0 0 4 年由d u k eu n i v e r s i t y 的d j g a u t h i e r 等人提出的i l9 1 。2 0 0 5 年， k y s o n g 等人首次利用s b s 效应实现了光纤中的慢光传输，使脉宽为l o o n s 的光信 号延时达到3 0 n s 2 0 j 。2 0 0 7 年d j g a u t h i e r 研究组实现了慢光缓存技术，他们成功地获 得了6 个归一化脉冲时延【2 1 1 。同时，针对光纤布里渊效应产生的慢光带宽较小这一问 题，很多国外学者都展开了相关研究。2 0 0 6 年z m z h u 等人报导了获得了1 2 6 g h z 的增益带宽，并使脉宽为7 5 p s 的信号光延时达4 5 p s 2 2 j 。2 0 0 7 年k y s o n g 等人利用 双泵浦调制结构，使3 7 p s 的信号光延时量超过1 0 9 p s ，对应带宽为2 5 g h z 2 3 】。2 0 0 9 年英国的v i k o v a l e v 还从理论上验证了当泵浦光频谱展宽到一定大小时，信号光的 延时带宽积将不再增加【z 训。 ( 2 ) 利用s r s 效应实现慢光拉曼散射效应产生慢光的物理机制与布里渊散射效应相 似，但其能够获取的带宽却比s b s 效应大很多。2 0 0 5 年c o m e l lu n i v e r s i t y 的j e s h a r p i n g 等人利用光纤s r s 效应在1 千米的非线性光纤中实现了飞秒级信号光可调谐 时延，使脉宽为4 7 0 f s 的信号光最大延时为3 7 0 f s ，尽管脉冲延时量较小，但延时带宽 却达到了t h z 量级【2 5 】。随后，该组成员y o k a w a c h i 等人还在8 毫米长的硅波导中运 用s r s 效应使3 p s 的短脉冲延时达到4 p s ，对应的群速度变化量为o 1 5 删。日本学者 g q i n 等人也曾利用s r s 技术在亚碲酸盐玻璃中观测到的慢光传输现象 2 7 1 。尽管s r s 慢光技术可获取的增益带宽较大，但其增益系数却比s b s 技术小很多，并且其能获得 的慢光绝对时延量很小。 ( 3 ) 利用o p a 效应实现慢光利用o p a 技术实现慢光传输的本质是基于光纤的f w m 效应，其优势在于可获取的慢光带宽较大，并且在完成慢光传输的同时还能实现波长 转换功能。2 0 0 6 年以色列t e c h n i o n 大学的e s h u m a k h e r 研究组利用窄带光纤的f o p a 效应分别对1 0 g b i t s 和4 0 g b i t s 信号进行了慢光实验和模拟仿真【2 8 】【2 9 1 ，其中，在1 0 g b i f f s 慢光实验中，信号光最大延时量5 6 p s ，且信号失真很小。2 0 0 7 年我国上海交通大学的 义理林等人也根据不同码型的1 6 0 g b i t s 光信号延时情况，分析出f o p a 技术适合应用 于宽带信号当中【3 0 1 。2 0 0 9 年，u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i as a nd i e g o 的s m o r o 研究组在运 用双泵浦光对1 0 g b i t s 信号光进行波长转换时，获取了延时量为7 2 0 n s 的慢光p 1 1 。 1 2 4 基于s o a 的慢光和快光 半导体光放大t 器( s o a ) 拥有优良的非线性效应，亦可以作为产生慢光和超快光的介 质。与e i t 、c p o 技术相比，基于s o a 非线性效应的慢光对实验条件要求较低，并且 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 s o a 可集成性强，能和光纤通信系统相兼容，利用它产生的慢光更具实用价值。和基 于光纤非线性效应的慢光相比，s o a 的非线性系数更高，而且体积非常小，可以在较 短的传输距离内使光信号产生一定延时。利用s o a 产生慢光的原理主要为四波混频效 应，这种方法可以在常温下获取延时量可控、透过率高的慢光和快光【3 2 。7 】。目前，在 此领域贡献较为突出的主要有u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i ab e r k e l e y 的c c h a n g h a s n a i n 研 究小组，t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo f d e n m a r k 的j m o r k 研究组，以及u n i v e r s i t yo f i l l i n o i sa t u r b a n a c h a m p a i g n 以l c s h u n 教授为首的研究小组。 图1 1 利用级联s o a e a 获取慢光的实验装型弛 f i g 1 - le x p e r i m e n t a ld e v i c ef o ro b s e r v a t i o no fs l o wl i g h ti nt w os o a e as e c t i o n s 2 0 0 5 年j m o r k 等人利用级联的半导体光放大器( s o a ) 和电磁吸收体( e a ) ，在调制 频率为1 5 g h z 的情况下，获得了一定的光波相移量及时延量【3 2 1 。如图1 1 所示，首先 利用网络分析仪对连续泵浦光作用产生1 5 g h z 的弱强度调制信号光，接着信号光依次 经历e d f a 放大及偏振控制器后进入到s o a e a 装置中，通过对e a 偏置电压以及信 号光输入功率的改变( 通过可变衰减器控制) ，可以得到不同的信号光延时量及净增益， 实验所获得的最大相移量为3 8 度，对应的时延为7 p s 。随后，j m o r k 还在慢光实验中 发现载流子自发辐射寿命会对光波最大时延量造成一定的影响p 川。 图卜2 利用量子阱s o a 获取慢光( 超快光) 的实验装置p 叫 f i g 1 - 2e x p e r i m e n t a ld e v i c ef o ro b s e r v a t i o no f s l o wa n df a s tl i g h ti nq u a n t u mw e l ls o a b yf w m e f f e c t 2 0 0 6 年u n i v e r s i t yo fc a l i f o m i ab e r k e l e y 的b p e s a l a 等人利用量子阱s o a 中的 f w m 效应，获取了延时量可控的慢光和快光【3 4 l 。图1 2 为b p e s a l a 等人的实验装置， 首先利用偏振控制器使调制后的弱信号光与强泵浦光偏振态保持平行，接着将两束光 波耦合后输入到s o a 中，其两端均装置了隔离器以阻碍后向反射光的进入，在s o a 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 输出端将光信号分离为两部分，利用高速光探测器将9 0 的光信号转换为电信号输入 到示波器，其余1 0 的光信号则进入到光谱分析仪中。实验通过调节信号光与泵浦光 之间的频率失谐，得到了延时量不同的慢光和快光，使脉宽为2 n s 的正弦光信号产生 了1 6 n s 的延时调谐范围，对应的延时带宽积达到o 8 ，其中当频率失谐为5 g h z 时， 得到了超前量为0 3 5 2 n s 的快光，当失谐为1 5 g h z 时，则获得了最大延时量为1 2 n s 的慢光。 2 0 0 7 年，该课题组又利用s o a 四波混频的带内非线性效应( 光谱烧孔及载流子加 热) 实现了带宽为t h z 量级的可调谐慢光【3 5 】，使脉宽为7 0 0 f s 的信号光时延量超过了脉 宽的2 5 0 ，当s o a 偏置电流从2 0 0 m a 被调节至5 0 m a 时，信号光延时量达到了1 9 p s 。 于此同时，国外学者们也在利用s o a 四波混频效应获取快光的技术方面举得了一 定的进展。2 0 0 6 年u n i v e r s i t yo fi l l i n o i sa tu r b a n a c h a m p a i g n 的l c s h u n 研究小组利 用量子点( q d ) s o a 的非简并四波混频效应( n d f w m ) 获得了超前量为0 p s - 1 6 0 p s 的可调 谐快光，并给出了光超前量的解析模型【3 6 】，当偏置电流从1 5 0 m a 逐渐增加时，信号光 出现负延时( 即超前量) 现象，当电流增至4 0 0 m a 时，光超前量达到超过1 5 0 p s 。另外， 他们还根据解析模型得出了优化系统延时带宽积的设计标准。 2 0 0 9 年a m a r t i n e z 等人还利用q d s o a 的n d f w m 和c p o 效应实现了超快光传 输【3 7 1 ，通过增加s o a 的偏置电流，实验获取了延时量不同超快光，当频率失谐为 2 5 0 m h z 时，将偏置电流增至2 4 0 m a ，可得到最大超前量1 3 6 p s ，当失谐为2 g h z 时， 虽然只得到了5 5 p s 的最大超前量，但对应的延时带宽积却更大。 1 2 5 其他方案实现的快光及慢光 除了上述的几种方案以外，实现慢光和超快光的技术还有很多，例如2 0 0 6 年澳大 利亚悉尼大学的j t m o k 研究小组首次利用光纤光栅的克尔效应实现了无色散的可调 谐慢光【3 8 】：日本科学家t k u n i h i r o 等人利用光纤中的孤子共振现象实现了可调谐慢光 和快光，并使脉宽为4 1 p s 的脉冲最大延时达到7 3 p s 【3 9 】。此外，还有利用光子晶体波 导【删【4 l 】、微环技术获取慢光的方法【4 2 】【4 3 】。 1 3 本文的工作 本文根据行波s o a 的近简并f w m 效应，对不同参数条件下的慢光时延特性及光 增益特性进行了理论分析和数值计算，具体工作如下： 第1 章绪论。介绍了慢光技术的概念及其在o p s 网络中的应用。对几种不同物 理机制下的慢光技术的基本原理及研究成果作了简要的综述，并分析了各个方案的优 缺点。最后，对本文的主要内容及结构划分做了简单介绍。 第2 章行波s o a 分段模型及增益饱和特性。采用分段模型分析了s o a 的增益饱 和特性，为后续对s o a 慢光特性的理论分析和数值计算奠定了基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第3 章s o a 近简并f w m 效应的光增益特性分析。介绍了s o a 非简并四波混频 ( d f w m ) 的工作原理，讨论了不同物理机制下d f w m 效应的类型划分及主要区别。给 出了c d p 效应下的近简并f w m 耦合波方程组。分析了共轭光转换效率、信号光透过 率随线宽增强因子、输入泵浦光功率等参数的变化规律。 第4 章基于s o a 近简并f w m 效应的慢光特性研究。介绍了利用s o a 近简并 f w m 效应获取慢光的工作原理。在稳态f w m 情况下对信号光时延特性进行了数值分 析，讨论了不同参数对信号光时延量的可控性，以及提高慢光工作带宽的途径。在瞬 态f w m 情况下通过有限差分法对耦合波方程组进行数值求解，分析了输出信号光脉 冲时延量及峰值功率随频率失谐、偏置电流等参数的变化规律。 最后，是对本文的总结和对后续工作的思考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章行波s o a 分段模型及增益饱和特性 作为光通信系统中的重要器件，利用s o a 的四波混频、交叉相位调制等非线性效 应可以实现波长转换、全光逻辑门等光处理技术，并能在常温下获取延时量可控的快 光和慢光。在讨论行波s o a 的非线性效应时，s o a 往往会进入到饱和工作状态，呈现 出增益饱和的特性。本章在介绍了行波s o a 的两个基本方程后，利用分段模型对行波 s o a 的增益饱和特性进行了分析。 2 1 行波s o a 的基本方程 载流子速率方程和光场传输方程是分析s o a 非线性效应时需要的两个基本方程， 其中，载流子速率方程描述的是s o a 中的载流子浓度在入射光作用下随时间的变化， 光场传输方程所描述的则是缓变包络近似情况下s o a 内光场随时间和空间的变化。 2 1 1 载流子速率方程 当入射信号光的脉宽大于l p s 时，只考虑单模入射情况，并忽略三阶及以上的非 线性效应，可以根据密度矩阵方程得到行波s o a 中的载流子速率方程为m l ： 掣= d v 2 n ( r , t ) 4 万i 一半如( ) - 桨i e l 2 ( 2 - z ) 上式中，( ；，f ) 为t 时刻，位置的载流子浓度，d 是半导体材料扩散系数，为s o a 偏置电流，g 是单位电荷，v 表示s o a 有源区体积，f 。是载流子自发辐射寿命，壳为 归一化普朗克常数，w 是光波角频率】。方程等号右边第一项表示s o a 内不同位置之 间的载流子浓度扩散，第二项表示s o a 的偏置电流所提供的载流子，第三项代表非辐 射复合、自发辐射对载流子的消耗，s 傩( ) 是放大自发辐射导致的载流子消耗，最后 一项是入射光信号受激辐射对载流子的消耗1 4 纠。 考虑到半导体材料的扩散长度远远小于s o a 有源区长度，故忽略s o a 内不同位 置之间n ( r ，f ) 的扩散，而且s o a 有源区的宽度和厚度都很小，则认为n ( r ，f ) 在s o a 横截面方向的分布是均匀的，只需考虑n ( r ，f ) 在z 方向的变化，方程( 2 - 1 ) 可以化简为】： 型弓一半一()-盟iel2(2-2)ot va h w 一= 一一d i v - 一一 口f 4 “、 。 2 1 2 光场传输方程 光波在s o a 中传输时，其波动方程可由m a x w e l l 方程组得到【删： v 2 e 专警= 。 。3 ) 方程( 2 - 3 ) 中，介电常数= 2 + x ，n b 是介质的背景折射率，z 为复电极化率。) c 通常 情况下可以写成( z ，f ) 的函数【删： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 x ( ) = 一兰( 0 c + f ) g ( ) ( 2 4 ) 其中，荔为有效模式折射率，f 为真空中光速，w 为光波角频率，0 c 为线宽增强因子。 假定入射光的偏振态为线偏振且始终保持不变，则s o a 中的电场强度可表示为【删： e ( ；，) = ；去 ，( z ，y ) a ( z , t ) e x p ，( z w o ，) 】+ c c ) ( 2 - 5 ) 上式中，x 是单位波矢偏振，k o = w o n c 为光频率在w o 处的波数，f ( x ，y ) 为s o a 有源 区内的波导分布函数，a ( z ，t ) 是缓变包络函数。利用方程( 2 3 ) - ( 2 - 5 ) ，通过傅里叶变换 法可以得到光场传输方程【4 5 1 ： 挈+ 掣= 三( 1 一娩) g ( ) 心，f ) 一1o c i n t a ( z f ) ( 2 - 6 ) 2 2 i n t 玉 v 口a f 、”、7 7”7 其中，仅h 是内部散射损耗系数。为了便于分析方程( 2 6 ) ，将a ( z ，f ) 的幅度与相位分离， 即a ( z ，f ) = 尸( z ，f ) e x p i 妒( z ，f ) 】，其中p ( z ，t ) = l a ( z ，) | 表示光功率，妒( z ，f ) 表示光波相位。 在入射光脉宽较大时，引入运动坐标系f = f z v 。，可得到光波功率及光波相位随空 间坐标变化的一组方程【删： 下o p ( z , t ) = p ( z , t ) 【g ( ) - - o c i n t 】( 2 - 7 ) 坐字= 一i 1a g ( ) ( 2 8 ) 通常情况下，可将增益系数g ( ) 表示成n 的函数【锎： g ( n ) = f a ( n 一o )( 2 - 9 ) 其中，n o 为透明载流子浓度，r 是光场限制因子。 2 2 行波s o a 分段数值模型 亡= = 冷 i n p u ts i g n a l 啼p l 。1 呻弓，l l p 1 2 j 啼b ，m j 啼q w 啼p j ，w 图2 1 行波s o a 分段模型 f i g 2 - 1s e g m e n t e dm o d e lo fs o a 亡、 - - 1 ， o u t p u ts i g n a l 为了进一步研究s o a 中的载流子浓度与传输光功率之间的数值关系，采用s o a 分段模型，如图2 1 所示，将行波s o a 看作是由脚个长度一致的子段串联成的，如果 m 的值足够大，则认为在每一子段的分布是均匀的，不随空间位置变化，在不考虑 s 。踞( ) 的情况下，每一子段内的载流子速率方程和光功率传播方程为【4 6 】： d n j ( t ) ：上n j ( t ) 型型丽( 2 - 1 0 ) 一= 一- _ - ，i z f - d t q v气。h w o a 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 a pr z n 半= 弓( z ，t ) x g ( n j ) 一0 f i n t 】 ( 2 - 1 1 ) 方程( 2 - 1 0 ) 、( 2 11 ) 中，n j ( f ) 代表第_ 子段中的载流子浓度，g ( z ，f ) 表示第_ ，子段的平 均光功率，现假设每一子段的长度为址，根据方程( 2 1 1 ) 得到第_ ，子段的输出光功率： 弓+ l = 乞e x p ( g ( n j ) 一a i n t ) x t u r , 】 ( 2 - 1 2 ) e + 。和乞分别表示第_ ，+ 1 子段和第，子段的输入功率，且有h 6 】： 一g 一1 ( z ，f ) _ 高o ( 2 - 1 3 ) q 表示第，子段的增益： p q = 子= e x p ( g ( n j ) 一a i n t ) 址】 ( 2 - 1 4 ) l j 由以上推导可知，如果已知入射光功率丘，就可以根据方程( 2 - l o ) ，得到第一子段的载 流子浓度m ，然后通过方程( 2 一1 2 ) 计算出最，重复上述算法，便可得到s o a 每个子段 内的载流子浓度以及光功率的分布。 2 3 行波s o a 的增益饱和特性 量 子 各 = 谜 袋 m 憾 锚 s o a 长度，p m 图2 - 2 输入光功率不同时载流子浓度沿s o a 长度方向的变化 f i g 2 - 2t h er e l a t i o n s h i po ft h ec a r r i e rd i s t r i b u t e di ns o a w i t hd i f f e r e n ti n c i d e n to p t i c a lp o w e r 在偏置电流不变的情况下，当输入光功率较小时，根据方程( 2 1 2 ) 可知，光功率在 s o a 中会呈指数式的增长。但是随着输入光功率的增加，大量的载流