（光学工程专业论文）基于增益透明soa的全光缓存器的研究.pdf

中文摘要 摘要： 随着用户需求的不断增长，光纤通信的传输容量也随之飞速增长。通信网络 交换节点处的光电光变换造成的“电子瓶颈”成为通信网络向更高速发展重要限 制因素之一。全光包交换网络( o p s ) 作为一种新型、有效的光域交换解决方案具有 广阔的应用前景。全光缓存器作为全光包交换网络中克服“电子瓶颈”，解决竞争 和拥塞的关键器件，因而具有重要的研究意义。本文在已提出的双环耦合全光缓 存器方案基础上，以增益透明半导体光放大器( g t - s o a ) 替代1 5 5 0 n m 半导体光放 大器，提出一种新的实现光缓存方法，在保持原方案结构紧凑，“读写 易操作等 优点的同时，还能够消除“漏光”。本文同时提出了基于g t - s o a 的全光光开关方 案，这些都为基于半导体光缓存器的研究提出了一种新思路，具有一定的研究价 值。 本论文研究基于g t - s o a 的双环光纤全光缓存器( d l o b ) ，是在原有的横“8 字型结构的缓存器方案基础上更换核心器件，利用g t - s o a 对于1 5 5 0 n m 信号光的 增益透明效应实现一种新的“读写”方法。先测定g t - s o a 的工作性能，发现其 对于1 5 5 0 n m 信号光的增益透明效应以及增益无关性，观察到了偏振旋转现象，再 通过一系列实验，包括信号光与控制光的同步实验，光开关实验，环长测量实验， 缓存读写实验，实现了对数据帧的缓存；并对缓存器结构进行细致研究，提出了 改进方案，在实现环内功率补偿的同时避免了“伪”漏光的产生。此外还实现了 基于g t - s o a 的n o l m 环光开关和偏振旋转光开关，取得了预期的实验结果。 关键词：增益透明半导体光放大器；全光光开关；双环耦合光缓存器 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h eg r o w i n go fu s e rd e m a n d ，t h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n c a p a c i t yo ft r a n s m i s s i o na l s og r e wr a p i d l y o e oc o n v e r s i o ni n t h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k se x c h a n g en o d e sc a u s e d ”e l e c t r o n i cb o t t l e n e c k ”，w h i c hh a sb e c o m eo n eo ft h e i m p o r t a n tc o n s t r a i n t st o t h ed e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k a l l - o 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 ( o p s ) ，a san e wa n de f f e c t i v eo p t i c a ls w i t c h i n g s o l u t i o ni no p t i c a ld o m a i n ，h a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s a l lo p t i c a lb u f f e r sh a v e i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e s ，b e c a u s ei tc a no v e r c o m et h e ”e l e c t r o n i cb o t t l e n e c k ”i no p s a n d a tt h es a m et i m ei ti st h ek e yd e v i c et or e s o l v et h ec o m p e t i t i o na n dc o n g e s t i o n i nt h i s p a p e r , an e wm e t h o dt or e a l i z ea l l o p t i c a lb u f f e rh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do n t r a d i t i o n a la l l - o p t i c a ld u a l l o o pb u f f e rp r o g r a m i nt h en e wp r o g r a m ，15 5 0 n ms o ah a s b e e nc h a n g e db yt h eg a i nt r a n s p a r e n ts 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 ( o t - s o a ) t h i s n e ws t r u c t u r em a i n t a i n st h e s ea d v a n t a g e s ：o r i g i n a lc o m p a c t ，e a s yt o ”r e a d w r i t e ”，w h i c h i sa l s oa b l et oe l i m i n a t et h e “l e a k a g el i g h t ”a l l o p t i c a ls w i t c h i n gp r o g r a m sb a s e do n g t - s o ah a v ea l s ob e e np r o p o s e d a l lo ft h i sg i v ean e wt r a i no ft h o u g h tt ot h er e s e a r c h o fo p t i c a lb u f f e rb a s e do ns o a ，a n dc o n t a i nc e r t a i nv a l u e t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c hd u a l - l o o po p t i c a lb u f f e r ( d l o b ) b a s e do ng t - s o a ， w h i c hi sf r o mh o r i z o n t a l ”8 ”s h a p e ds t r u c t u r eb u tc h a n g e dt h ec o r ed e v i c eo fo r i g i n a l b u f f e rp r o g r a m an e w ”r e a d w r i t e ”m e t h o di sa c h i e v e d ，w h i c hm a d et h eu s eo f g t - s o a st r a n s p a r e n c ye f f e c t st ot h e15 5 0 n ms i g n a ll i g h t f i r s t l y , t h ep e r f o r m a n c eo f g t - s o ah a sb e e nd e t e r m i n e da n dt r a n s p a r e n c ye f f e c t st ot h es i g n a ll i g h th a v eb e e n f o u n d ，a n dp o l a r i z a t i o nr o t a t i o np h e n o m e n o nh a sa l s ob e e no b s e r v e d t h e nt h r o u g ha s e r i e so fe x p e r i m e n t s ，i n c l u d i n gt h es y n c h r o n o u se x p e r i m e n t so fs i g n a ll i g h ta n dc o n t r o l l i g h t ，o p t i c a ls w i t c h i n ge x p e r i m e n t s ，l o o pl e n g t hm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t s ，t h e “r e a d - w r i t e e x p e r i m e n t s ，a n ds t o r a g eo fd a t af r a m e si sr e a l i z e d m e t i c u l o u sr e s e a r c h e s o fb u f f e rs t r u c t u r ea r em a d e ，s u g g e s t i o n st oi m p r o v et h ep r o g r a ma r ep r o p o s e d ，a n d p o w e rc o m p e n s a t i o ni nt h el o o pi sr e a l i z e d ，a sw h i l ea sa y o i d i n gt h eg e n e r a t i o no f ”f a k e ”l e a k t h en o l ms w i t c ha n dp o l a r i z a t i o nr o t a t i o ns w i t c hb a s e do ng t - s o aa r e p r o p o s e di nt h i st h e s i s ，a n da l lt h ed e s i r e dr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d k e y w o r d s ：g a i nt r a n s p a r e n ts 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 - l o o po p t i c a l b u f f e r ；a l l - o p t i c a ls w i t c h i n g j 匕立交道太堂亟堂僮途塞独剑性岜 明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 f 学位论文作者签名：做 签字日期：?渺7 年7 月 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：穗过 导师签名： 签字醐：研年1 肌日 签字醐：叼年1 月铲日 致谢 值此论文完成之际，我想向所有曾经给予我帮助和支持的老师，同学，朋友 们表示感谢。 首先，要感谢我的导师王智教授的悉心指导，他严谨的治学态度和科学的工 作方法给了我极大的帮助和影响，在此由衷地感谢两年来王老师对我的关心和教 导。祝愿他工作顺利，家庭幸福。 吴重庆教授和盛新志教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 王拥军博士悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向他表示特别的谢意。在两年的学习过程中，实 验室各位师兄师姐以及同窗好友的热情相助和融洽相处使我记忆深刻，在此向王 亚平，杨双收，赵爽，余贶禄，高凯强，赵曦，宋听，刘锐等表达我的感激之情。 另外也要感谢远方一直以来默默支持我的家人，没有他们的理解和爱我不可 能完成我的学业。最后还要感谢张焱同学，不断的鼓励和关心是我前进的动力， 大家给予我的爱我也会铭记于心。 = i 竖 塞交 道 太堂亟堂僮途室绪途 1 1 全光缓存器的研究意义： 绪论 随着用户需求的不断增加，因特网以及多媒体业务的多样化，使得网络传输 的信息量飞速增长。据统计，由数据业务引起的带宽需求每年以8 倍的速度增长【l 】， 因而各国都已丌始了大容量光传输系统的研究和建设。已经相对成熟的波分复用 技术都对已有的网络传输链路进行了很大程度的扩容，目前商用的最高光纤传输 容量以达到了1 6 t b s 2 钏。与此同时，光传输模块生产技术的改进和标准化以及各 种光放大器的性能提升使得信号的传输距离也在不断延长，可以认为在当前情况 下，光纤链路容量已不是网络进一步发展的限制因素。通信网络的另一重要组成 一一交换部分，在网络的交换节点处依旧是采用对数据进行光电光 ( o p t i c a l e l e c t r i c a l o p t i c a l ：o e o ) 的变换方式，在这种变换过程中，交换节点处 由于电子响应时间造成的“电子瓶颈 与大容量的光纤传输系统不能很好的兼容， 进而引起互连网的拥塞。为了解决这种拥塞就必须提升交换路由部分的工作性能， 但是传统的电路由器升级空间已经有限，使得人们将研究目标转向了光域交换【5 羽。 目前为止人们已经提出了多种光域的交换方案，光分组交换【7 - 9 1 ( o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ：o p s ) 就是其一。光分组交换简述之就是以光分组的形式承载数据业务， 以光数据包为传输单位，整个传输过程在光域中实现，可以看作是分组交换技术 向光域的渗透和延伸。在o p s 中光信号在通过交换单元时不用进行光电光的变 换，因此就不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，可以大大提高交换 单元的吞吐量，能有效利用光纤巨大的带宽资源，给下一代网络带来广阔的应用 前景。 光分组交换中传送数据的基本单元是光分组，每一个光分组都包含两个组成 部分：净负荷( p a y l o a d ) 与包头( p a c k e th e a d ) 1 0 - 1 1 】。其中包头主要是是光分组 的控制信息，如目的地址，包长等信息；净负荷就是要在网络中传输的用户数据， 只要使这些有效数据处于光域中就能保障o p s 的网络性能。在o p s 中光交换可以 分为两种情况：一是在光域内交换，但控制还必须在电域内完成，称为电控光交 换；二是控制也在光域内完成，实现全光的交换，这是o p s 发展的终极目标。近年 来提出的多种基于o p s 方案的一个共同点就是采用“光电混合 的方式对光分组 进行处理即：包头是在电域内完成处理，净负荷则在光域内进行处理【1 2 】。一个典型 的o p s 网络节点的结构如图1 所示： 7 l 2 n 1 2 n 图1 1o p s 节点的基本结构 f i g 1 1at y p i c a ls t r u c t u r eo fo p sn o d e 光的物理特性决定了光子无法像电子那样被固定的存储起来，光子只能通过 各种方法延缓其传播时间，即“缓存”。同时，在光分组交换中缓存单元又起着了 解决竞争，保证网络流量等关键作用，因此对于光缓存器的研究已成为o p s 研究 的一个重点和热点。在网络的交换节点处使用光缓存器，可以根据数据包的业务 等级来确定其发送时间，从而可以大大的减轻全光网中业务流的阻塞，解决竞争 的同时缓解拥堵。光的缓存简言之就是光的延迟传输。对于光缓存器，目前还未 有严格明确的定义，在本文中我们将它定义为一种无需对光信号进行光一电变换， 同时还能其传输时间的器件【l3 1 。可以直观的用下图所示的模型来解释： c o n t r o lu n i t ： ，、 )s o u t l k t r a n s m i s s i o nm e d i u m k r ，r l 0 f t a t ) l l l 图1 2 光缓存器的定义模型 f i g 1 2d e f i n i t i o no f a l lo p t i c a lb u f f e r 这种缓存器模型中必须保证输入的光信号s i n ( o ，t f ) 和输出的光信号s o u t ( l ，t ) 应该一致，同时允许存在一定的失真和信号损伤。从图中可以看出，光信号被延 迟的时间f 可以表示为：f 屯 。，其中l 就是光信号在导光介质中的传输路径总 长度，而1 ，。则是光信号在该介质中的群速度。缓存器的输入与输出时间( 即缓存时 间) 应该受外部控制可变的。从缓存时间的表达式中可以看出，控制缓存时间有以 下几种方法：控制群速度y e ，控制缓存长度l ，或者两者同时进行，而这几种方 法也正是目前研究光缓存器的基本方向和分支。 1 2 全光缓存器国内外研究状况 由于“光缓存”可以从减慢光的传播速度是与延长传输介质长度两方面考虑。目 前提出的全光缓存器主要可分为两大类：一类是慢光( s l o wl i g h o 型全缓存器；一 类是光纤延迟线( f i b e rd e l a yl i n e ：f d l ) 型全光缓存器。 目前已提出的慢光型缓存器方案按原理可分为以下三种：基于电诱导透明e i t 原理的光缓存器，利用光纤受激布里渊散射实现慢光效应，利用光纤受激拉曼散 射实现慢光效应。其中电磁诱导透明技术( e l e c t r o m a g n e t i c a l l yi n d u c e dt r a n s p a r e n c y , e i t ) 是利用量子相干效应消除电磁波传播过程中介质影响的一种技术【l4 1 。2 0 0 5 年y o s h i t o m o 等人报道了室温条件下利用普通单模光纤的受激布里渊散射( s b s ) 效 应实现了光速减慢【l5 1 。和e i t 比较，s b s 的优点在于实验条件简单，能在室温条 件下实现，但s b s 慢光最大的问题是存在带宽限制，而目前全光网的发展趋势是 高速大容量，因此这种慢光技术目前也同样无法满足实际需求。j a ye s h a r p i n g 等 人在s b s 慢光的基础上提出了利用光纤中的受激拉曼散射( s r s ) 来实现慢光效 应【l 昏1 。7 1 。同s b s 相比，s r s 的增益带宽可达3 0 t h z ，但其阈值也相对较高。在文 献 1 6 】报道的实验中，当泵浦光功率为2 6 w 时，对宽度为4 7 0 f s 的超高速脉冲实 现了3 7 0 f s 的延迟。 以上所提及的慢光型光缓存器都是在控制光与信号光均为直流光的条件下进 行的，实际上仅限于对于存储体的研究。尽管能实现一定的缓存时间，但是并不 能进行有效的数据写入与读出，同时成本昂贵、工艺复杂，处于实验室研制阶段。 基于s b s 和s r s 原理的慢光型缓存器虽然在室温条件下即可实现光速减慢且实验 装置和工艺相对简单，但需要的控制光功率高，实现的最大延迟也仅为几十纳秒， 远远不能满足网络的实际需要。 通过以上介绍可见慢光型光缓存器存在许多技术问题，因而光纤延迟线型光 缓存器【l 驯( f d l ：f i b e rd e l a yl i n e ) 就成为光缓存器的是又一个重要的研究方向。f d l 型光缓存器又可分为前向型和反馈型。前向型是用不同长度的f d l 组成不同的延 迟选择通路，数据包只会被光开关选择一次，结构简单易实现，衰减小信号质量 好，但是光纤的利用率很低，通常物理结构会十分庞大。反馈型是利用选择开关 使得数据包在光纤组成的反馈结构中来回反复绕行，光纤利用率很高，大大缩小 了缓存器的物理尺寸。反馈型结构中最常见的是光纤环结构( f i b e rl o o p ) ，光开关 先将数据流引入环路，然后让数据在换路中绕行。带有功率补偿的光纤环如果不 计噪声的积累，理论上信号在环里面的存储时间无上限。两种类型的光纤缓存器 结构示意图如下图1 3 所示： 9 器黟1 ”弼 x 戮，麓 f d l 锤彩1 二y 坼獭 础一唧 p 赫k l i ，x t y 石p i c p 誓k e 吐 p a 吐c t 3 氖，鬻 跏曲 f d l s ，酗：暑 ( a ) 前向型( b ) 反馈型 图1 3f d l 型光缓存器的类型 f i g 1 3b a s i cc o n f i g u r a t i o no fo p t i c a lb u f f e r sb a s e do no p t i c a lf i b e rd e l a yl i n e s ( a ) t r a v e l i n gb u f f e r ；( b ) r e - c i r c u l a t i n gb u f f e r 1 3s o a 在光纤缓存器中应用的研究状况 半导体光放大器( s o a ：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 ) 的原理与半导体激光 器非常相似，都是基于增益介质的受激辐射放大机制，同时具有尺寸小，频带宽， 增益大的特点，因此受到广泛的重视和应用。s o a 内的有源介质会产生多种的非 线性效应，包括交叉增益调s t j ( x g m ) ，交叉相位调f f i t ( x p m ) ，交叉偏振调制( x p o l m ) 和四波混频( f w m ) ，而这些光光相互作用均被广泛应用在波长转换，全光开关， 全光缓存方面。 下面就简要的介绍几种利用s o a 的全光缓存器方案。2 0 0 2 年，基于3 3 平 行排列耦合器的双环耦合全光环缓存器( d l o b ：d u a l 1 0 0 po p t i c a lb u f f e r ) 方案被 提出【1 9 】，该方案就是利用s o a 内部的x g m 和x p m 效应实现缓存。其结构如图 1 4 所示。 图1 4 基于s o a 的双环耦合全光缓存器 f i g 1 4d o u b l e l o o po p t i c a lb u f f e rb a s e do ns o a 环中的s o a 作为核心器件用于控制光信号的存储和读出。3 x 3 耦合器组成o o 字型光纤环，。信号光经环行器后进入环中，3 x 3 耦合器将信号光分成顺时针方向 和逆时针方向功率相等的两部分。当不需缓存时，没有控制光脉冲加入，此时， o 两个方向信号光的相移相等沿光环行器输出；当需要缓存时，将控制光脉冲注入 s o a ，使顺时针方向的信号光产生冗相移，逆时针方向不变，两者之间有7 【相位 差，信号光在3 x 3 耦合器处分为2 端口进入副环，因此信号光将在环内之间环行， 即完成了“写”操作；当需要读出数据时，再次使顺时针的光再次产生兀相移， 两个方向信号光的相移为2 兀，经过在3 x 3 耦合器时，信号光再从环行器输出，实 现“读 操作。 上述的缓存器方案可以通过级联的方法实现更长时间，更大动态范围，粒度 丰富的全关缓存。2 0 0 8 年本小组在原有基础上提出了级联型d l o b 缓存器【2 0 】，如 图1 5 所示： 。1 - i 一1 i i 一一i l 图1 5 级联d l o b 的基本结构 f i g 1 5b a s i cc o n f i g u r a t i o nf o rc a s c a d e dd l o b 假设单级d l o b 缓存单元s e c t i o n0 s e c t i o nk 的单位缓存时间分别为 互，互，数据包在各个缓存单元绕行的圈数分别为n a ，仇，则总的缓存时间为： 岛。跏，= 互木，1 1 + + 瓦奉靠t ( 1 1 ) 通过合理配置各缓存单元的环长，气协可以实现较大的动态范围变化。如果各 个环的延迟时间分别为t ，1 0 t ，1 0 扣1 t ，数据包在各个环的缓存圈数被控制在肌9 之间变化，就可以得到一个十进制的光缓存器。最小的环长决定缓存器的调节的 粒度，对于4 级d l o b 的级联，动态可调的延迟范围达到0 9 9 9 9 个基本延迟，而 = i 竖立交道太堂 亟堂位途塞 绪 诠 延迟粒度小到5 2 5 n s ，这种级联d l o b 可以同时实现小缓存粒度和大延迟范围， 同时具有相对小的物理尺寸，具备实用化的基本条件。 此外，利用s o a 的偏振旋转效应的光缓存器方案也被提出【2 l 】。该方案利用 s o a 和偏振分束器相结合，同时通过改变s o a 的工作电流，使得信号光的某一个 偏振态发生偏振旋转，实现信号光在光纤环内的“读、写 操作。其结构示意图 如图1 6 所示： 图1 6 基于s o a 偏转旋转的光缓存器 f i g 1 6o p t i c a lb u f f e rb a s e d0 1 1s o a sp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n 在这种结构的缓存器中，当不需要缓存时调节s o a 的工作电流和偏振控制器， 使得信号光从v 口完全输出，缓存时，改变s o a 的工作电流，使得信号光偏振矢 量发生旋转，达到一定值时信号光会转到h 口输出，从而进入光纤环绕行，达到 缓存的目的。 1 4 增益透明半导体光放大器的研究 本文是利用1 3 1 0 r i m 工作波段s o a 对1 5 5 0 n m 光的“增益透明”作用，结合 上文提出的d l o b 结构，提出一种新型的光缓存器方案。因此，核心器件就是 1 3 1 0 n m 波段的s o a 。目前国内外不论是实验研究还是实际应用都是以1 5 5 0 n m 波 段为主，但是也有不少针对1 3 1 0 n m s o a 的研究和实验【2 2 斟】。 已知的关于1 3 1 0 n m s o a 的研究主要是利用其交叉相位调制，四波混频效应等 实现波长转换。例如，德国的s d i e z 、r l u d w i g 等人的研究小组1 9 9 7 2 0 0 2 年间 针对1 3 1 0 n m s o a 做了一系列这方面的研究，实现了皮秒脉冲的波长转换【2 3 1 还提 出了一种新型的增益透明的四波混频交换结构【2 4 】，如图1 7 所示： 1 2 c o n t r o li n ，1 3p m d a t a i n 1 5 5y m 图1 7 利用g t - s o a 的四波混频效应的波长转换实验 f i g 1 7e x p e r i m e n t a ls e t u po fg t - f w ms w i t c h 在该结构中，两束控制光的波长分别为1 3 1 0 n m 和1 3 0 2 n m ，且两者之间通过 可调延迟器实现了一定的时间延迟，和15 5 0 n m 的信号光一起耦合进入s o a 中，利 用该1 3 1 0 n m s o a 对1 5 5 0 n m 信号的增益透明，且1 3 1 0 n m 与1 3 0 2 n m 控制光间的 f w m 效应，实现了1 6 0 g b s 速率的波长转换。 1 5 本文的研究内容与结构 本文的结构安排如下： 绪论部分介绍了全光缓存器作为o p s 中的核心器件之一的研究进展，并介绍 了s o a 在光缓存器中的应用状况，同时还介绍了同是利用1 3 1 0 n m 波段s o a 的相 关研究。 第二章，首先介绍了增益透明s o a 的概念，给出了实验中使用的s o a 具体参 数。同时介绍了用于搭建实验系统主要仪器的研制过程，基本参数和工作特性。 第三章，主要介绍基于g t - s o a 的全光缓存器控制系统的基本组成，“读”、 “写”控制方式工作原理，以及实现同步控制的解决方法，同时介绍了f p g a 的相 关知识。 第四章，在测试增益透明s o a ( g a i n t r a n s p a r e n ts o a ：g t - s o a ) 的工作特性基础 上，研究了利用该s o a 作为关键器件的两种光开关现象，即n o l m 环和偏转旋 转开关。以增益透明s o a 为核心并对原有的双环耦合光缓存器( d l o b ) 进行改进， 提出了基于g t - s o a 的新型光缓存器方案，并简要阐述了该缓存器的工作原理。 第五章，在原有d l o b 的基础上重新搭建了基于g t - s o a 的光缓存器实验系 统，并成功的对数据包进行了4 圈缓存实验。本章中会主要介绍实验中所遇见的 各种问题，比如：“增益透明”效应不明显，出现“伪”漏光等，分析产生这些问 题的原因。最后在分析实验结果的基础上，提出一些改进方案。 第六章小结了论文所取得的研究成果，并指出了以后的研究方向。 1 3 | 豆至煎盍堂亟生焦垃童增盏蓝明q 曲性能测酋 2 增益透明s o a 的性能测试 2 1 增益透明s o a ( g t - s o a 、 所谓的增益透明s o a 是指工作波长范围在1 3 1 0 r a n 左右的s o a 。此类s o a 的自发辐射增益( a s e ) 处于以1 3 1 0 r i m 为中心的1 0 0 r i m 的范围内，当向增益在 1 3 1 0 r i m 的s o a 中注入1 5 5 0 n m 波段的信号光，由于s o a 上下能级之间的间隔大 于波长为1 5 5 0 r i m 的光子能量，因此1 3 1 0n m 窗口的s o a 不会对1 5 5 0 n m 的光产 生受激吸收，1 5 5 0 n m 的光可以透过s o a 。这种对信号光不产生受激吸收的s o a ， 我们称之为增益透明的s o a ( g a i nt r a n s p a r e n ts o a ，以下简称为g t - s o a ) 图 2 l 为增益透明s o a 的实物图： 镛蟋淞 幽2 - ig t _ s o a 实物图 f i g2 lt r u e p h y s i c a l i m a g e o f g t - s o a 实验中用到的1 3 1 0 n m s o a 是由美国i n p h e n i x 公司生产，具体工作参数如下表 2 1 所示： 表211 3 1 0 r a n s o a 的j 作参数 t a b l e2 1s p e c i f i c a t i o n s o f l3 0 1 g a i n - t y p es o a d e v i c e 1 4 脚的蝶形封装见图2 2 ，及引脚功能f 见右侧表) 韭立奎通盘生熊主生芷监毫增益透明sq 盐性能捌试 图2 31 5 5 0 m n 光在增益透明s o a 中的光谱 f i g2 3s p e c t r a f o r g t - s o a ( 1 3 1 0 m ) a n d l5 5 0 n ms i g n a l 实验测量时，s o a 工作电流为1 2 0 m a ，直流光强约为1 m w ，从该图可以直 观的看出，虽然s o a 的主要工作波段是在1 3 1 0 n m 附近，但是1 5 5 0 r a n 波段的光 能够透过s o a 的增益区阳j 传输，这就是g t - s o a 对于1 5 5 0 r i m 光的增益透聪效应。 同时还可以发现，信号光虽然能够透过增益区问，但是却有了很大的功率衰减， 这是由于s o a 内部的波导损耗，粒子散射耦舍等因素的影响，所以必须指出这种 “增益透明”是相对的。 2 2 其他实验仪器及性能 本小节将简要介绍一f 用于整个实验系统中的几个重要实验仪器，包括研制过 程，基本特性用途以及使用方法。该小节由两部分组成，将分别介绍有源器件 j 匕塞交遭太堂亟堂僮途塞增董透明墨q 的性能测达 ( 包括1 3 1 0 n m 波段s o a 和- 1 3 1 0 n m 控制光激光器) 和无源器件( 包括3 x 3 耦合 器，波分复用器，光环行器和偏振控制器等) 。 2 2 11 3 l o n m s o a 驱动电路 半导体光放大器的电路部分由三部分组成：电流驱动；温控电路；显示电路。其 中，s o a 的电流驱动用于保证缓存时发生兀相移偏转所需的电压，温控电路用于保 证s o a 工作在相对稳定的状态，显示电路则是显示s o a 的当前工作状态的数值。在 光开关实验和缓存实验中要求的电流动作范围包括：直流偏置电流大约在7 0 m a ，最 大值1 0 0 m a ，交直流同时工作产生7 【相移电流估计在2 0 0 m a 左右。 在本实验系统里我们选择的电路驱动芯片，其调制电流可以达到4 0 0 m a ，偏置 电流为4 0 m a ，适当调节调制电流和偏置电流的关系，可以适当提高偏置电流，同时 还可以兼顾高速与低速两个部分。 “i 佛噍s p 刚饿锄锄峨i p o w e r m d l 且s - f 2 v s 岬晰 _ 4 w t o - 55 v l l s m a 一1 2 v s u p p l y v )- - 0 v t o 一1 2 v 4 2 0 r o a “ r f “ e c l 如雠脚科s ，叫瑚 b i a s l0 协4 0 m a o fa , 4 _ z t v d l a g e - v t o - v + 2 v 0 1 0 b 4 0 嘶a l o f j 咖, 删l a g e - v l o _ v + 1 w o u t p u tj 跏e 咖c a h 叫擅 r f o u tc _ a i r s 柑o e t p u t n 1 0 5 0 f l h 棚毽m b s l i n e l o w c m r d a l ：8 t s ih 帅( a l f r 鞠l = m o d i r f 。u tt r m i s l m l 。i i il o f e e i m a x r e f o u t- v 巧v 图2 4 电流驱动芯片管脚功能和- t 作参数 f i g 2 4p i nd e f i n i t i o na n ds p e c i f i c a t i o n s 驱动部分的具体实现电路参见附录( a ) 温控部分选取的温度控制芯片输出调节电压的典型值最大时4 8 7 v ，最大输出 电流为3 a ，具有电流及当前工作电压下产生热量的故障显示功能，同时具有高 效率低产热的优点。因为当对s o a 采用电控制方法时，s o a 的工作电流值会有 1 5 0 m a 左右的上下变化，因而必须加上温控部分实现对s o a 的温度监测和调节， 以保证仪器正常工作。 其管脚功能和实现电路如下图2 5 所示。l m c ( 1 ) 用于将温度变化的电压信 号进行运放并以信号v c 输入到温控芯片中，最大可以达到5 v 的电压输出，l m c ( 2 ) 的作用在于设置温度调节的基准电压作为s e t 信号，电压的范围可以在2 5 v 到0 v 之间调节。温控芯片的作用在于将信号v c 和信号s e t 进行进一步的运放， 并且将运放后的信号分别输入到s o a 自身携带的制冷装置的t e c + 和t e c 一端，驱 动制冷器工作实现温度控制的目的。 1 6 图2 5 温控芯片内部原理图和温控实现电路 f i 9 2 5i n t e r n a ls c h e m a t i cd i a g r a ma n dt h ec i r c u i to ft e m p e r a t u r ec o n t r o l 显示部分实现起来相对简单，且同组其他题目中已作了详细介绍在此就不再 赘述。 2 2 21 3 1 0 n m 控制光源 接着介绍的就是控制光源，在实验中我们用到1 3 1 0 n m 波段的激光器作为控制 光，其功率相较信号光( 1 5 5 0 n m 波段) 功率要大很多。原理上是通过注入s o a 的1 3 1 0 n m 控制光的功率不同，改变s o a 内部载流子的数量来改变s o a 内部折射 率，进而使得通过s o a 的信号发生相位便宜达到相移开关的作用。 出于实验条件的限制和经济因素的考虑，选择了由四川九州光电子生产的 j z d l 3 p f c a p c 3 afg 型激光器，其实物图片及管脚分布如下： 参数符号最小值典型值最大值单位测试条件 出纤功率p o 2 5m w i f = i t h + 2 0 m a 阈值电流 i t h 1 0 m a c w - t 作电流l f 4 0m ac w 工作电压v o1 11 5 v i f = i o p 光谱宽度 九o 1l啪 c w ，p o 中心波长7 , e1 2 9 01 3 1 01 3 3 0n m i f = l o p 上升、下降时间弋n t o 3o 5n s i f = i 监视电流 i m o 3m a i f = i o p 光电二极管结电容 c p d 1 0 p fi f = i 传输速率 e 1 2 5g b i t s i t = l o p 截止频率 1 2g h z 图2 71 3 1 0 n m 激光器主要工作参数 f i g 2 7t h em a i nw o r k i n gp a r a m e t e r so f1310 n ml a s e r 该激光器采用m q w - d f b 量子阱结构，内带隔离器，采用f 型管脚封装，主 1 7 要工作参数见上图。由该激光器产生的控制脉冲如下图所示： c 竺兰 。r r - t 一- r 1 一r m阳- 一- j h - 。i i “ i j l 一。“一_ i ：- 5 0 n s d i v 1 0 0 p w d i v 2 2 3 主要无源器件 图2 81 31 0 r i m 控制光源产生的控制脉冲 f i 9 2 8c o n t r o lp u l s eg e n e r a t e db y1310 n ml a s e r ( 一) 、平行排列的3 x 3 耦合器 首先要介绍的是平行排列的3 x 3 耦合器，这是一种特殊类型的耦合器，它采 用熔融拉锥法制成【2 5 】。其中三根光纤平行排列，三个端口之间的输入、输出值可 以通过一个传输矩阵丁来表示： e 4 e 5 e 6 = te 易i ，( 2 1 ) el jj 其中巨、巨、岛分别为耦合器1 、2 、3 端口的输入光场，e 、e 、& 分别 为耦合器的4 、5 、6 输出光场，传输矩阵丁【2 6 。2 7 1 是在拉锥制作过程中就被定义为一 个定值： t = 1 2 i 点 2 - 1 2 i r 2 2 0 i x 2 2 - 1 2 i x 压2 1 2 ， ( 2 2 ) 将传输矩阵r 代入式( 4 4 ) 中可以得到3 x 3 耦合器的特殊分光比特性：当信号 光从2 端口输入时，耦合器4 、5 、6 端口的分光比为5 0 - o ：5 0 1 改为从l 或3 端 口输入时，耦合器4 、5 、6 的分光比为2 5 ：5 0 ：2 5 。实验中用到的3 x 3 耦合器使 用的是c o m c o r e 公司的产品，结构如下图2 9 所示： j 匕立交适太堂亟堂位途塞增蕉适明sq 的性能测试 p 0 r t 2 ( b l u e ) p o r t 3 ( c l e a r ) r e d ) p o n 5 ( b l u e ) p o r t 6 ( c l e a r ) 图2 93 x 3 耦合器结构图 f i g 2 9t h es t r u c t u r eo f3 x 3c o u p l e ( 二) 、波分复用器( w d m ) 波分复用器是一种特殊的耦合器，它将若干路不同波长的信号复合后送入同 一根光纤中传送，或者将在同一根光纤中传送的多波长信号分解开。系统中在右 侧光纤环中使用了4 个w d m ，其中两个放置在g t - s o a 的两侧，用于引入和引出 1 3 1 0 n m 的控制光；另外两个是改进方案时添加的，放置e d f a 的两侧用于隔离其 中的泵浦光。当进行缓存控制时，控制系统会引入一个与顺时针的光信号同步的 1 3 1 0 n m 控制光信号，两者通过w d m 进行耦合注入s o a 中。经过s o a 后又必须 用w d m 将控制光引出，使光纤环中只留有信号光。实验中使用的w d m 结构图 如下图2 1 0 所示： c o m ( b l a c k ) r e f l e c t 图2 1 0w d m 结构示意图 f i g 2 1 0t h es t r u c t u r eo f w d m 系统中的信号光和控制光脉冲分别从一个w d m 的r e f l e c t 端和p a s s 端输入， 合成一路从c o m 端输出，两者同时进入s o a 内。通过控制光对s o a 的折射率的 调制作用使得与之同步的信号光发生相位变化，顺逆时针的两路光产生相移差。 通过s o a 后再从另一个w d m 分离，控制光流经r e f l e c t 端而信号光由p a s s 端输 出。一般而言w d m 的p a s s 端口对反射波长隔离度比r e f l e c