（光学工程专业论文）适用于多种调制格式的fwm型超快全光波长转换器的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学 光学工程 研究方向：光通信与光信息处理 作 者： 指导教师： 吴杨 施伟华副教授 l i i i i i iii i i i i i i i ii llli ii 1 7 5 5 0 8 8 题目：适用于多种调制格式的f w m 型超快全光波长转换器的研 究 英文题目：u l t r a h i g h - s p e e da l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e a e rb a s e do n f w mf o rm u l t i m o d u l a t i o nf o r m a t s 主题词：全光波长转换器，半导体光放大器( s o a ) ，四波混频( f w m ) ， 偏振移位键控( p o l s k ) ，差分移相键控( d p s k ) ，辅助光 k e y w o r d 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 , a l l - o p t i c a l w a v e l e n g t h c n n v f 哦e r f o u l 。 p o l a r i z a t i o n s h i f t - k e y i n g ，d i f f e r e n t i a l r - w a v em m m g r o l a n z a u o ns n l r tk e y i n g c o n v e r t e r ， 【 ， 。 ， p h a s e s h i f tk e y i n g ，a s s i s tl i g h t 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 全光波长转换器在光纤通信中有着广泛的应用，尤其在基于波分复用的全光网络中将 发挥关键性的作用，全光波长转换器可以提高子网间的互联性，解决波长竞争，消除阻塞， 提供虚波长路由，从而使波分复用系统的管理更为灵活、合理、可靠。本文基于半导体光 放大器( s o a ) 中四波混频( f w m ) 效应，提出了适用于多种调制格式的超快全光波长 转换器。该全光波长转换器不仅能对传统的二进制振幅键控( o o k ) 调制格式信号进行 波长转换，还能对偏振移位键控( p o l s k ) 调制格式信号和差分移相键控( d p s k ) 调制 格式信号进行波长转换。由于辅助光的注入可以加快s o a 载流子恢复，缩短增益恢复时 间，提高s o a 器件响应速度，从而提高波长转换效率。本文对这种适用于多种调制格式 的超快全光波长转换器做了深入的理论研究，具体内容如下： 1 1 分析了进行波长转换技术研究的重要意义，较为全面地概述了波长转换器的种类 和发展状况。 2 ) 对s o a 的理论基础进行了研究。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，讨论了s o a 中的各种非线性效应。 3 ) 利用s o a 中的f w m 效应，提出了一种适用于多种调制格式信号的全光波长转换 器方案。该方案不仅能对传统的o o k 调制信号进行波长转换，还能对p o l s k 调 制格式信号和d p s k 调制格式信号进行波长转换。而辅助光的注入，可以提高波 长转换效率和输出信噪比。 4 ) 利用宽带理论模型，从理论上实现了这种全光波长转换器，并对这种波长转换器 进行了仿真研究，深入研究了其转换效率，信噪比、输出消光比特性和输入泵浦 光功率、信号光功率、辅助光功率、注入电流之间的关系。比较了输入辅助光前 和输入辅助光后，波长转换器的输出性能，结果表明：输入辅助光后，这种波长 转换器有了更好的输出性能。 关键词：全光波长转换器，半导体光放大器，四波混频，偏振移位键控，差分移相键控， 辅助光 南京邮电大学硕士研究生学位论文 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 lw a v e l e n g t hc o n v e r t e ri sv e r yi m p o r t a n ti no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，e s p e c i a l l yi n a l lo p t i c a ln e t w o r k sb a s e d - o nw a v e l e n g hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) a l l - o p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v e r t e rc a ni m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fc o n n e c t i n gs u b n e t w o r k ，r e s o l v ew a v e l e n g t hc o n t e n t i o n ， a v o i db l o c ka n dp r o v i d ev i r t u a lw a v e l e n g t hr o u t i n g i nt h i sp a p e ran o v e ls c h e m ef o r u l t r a h i g h s p e e da l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r t e rb a s e d o nf o u r - w a v em i x i n g ( f w 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 ) f o rm u l t i - m o d u l a t i o nf o r m a t si sp r o p o s e d u s i n gt h i s s c h e m e ，n o to n l yo n o f fk e y i n g ( o o k ) b u ta l s op o l a r i z a t i o n - s h i f t - k e y i n g ( p o l s k ) a n d d i f f e r e n t i a lp h a s e - s h i f tk e y i n g ( d p s k ) c a nb ew a v e l e n g t hc o n v e r t e d i n j e c t i n ga l la s s i s tl i g h t c a na c c e l e r a t ec a r r i e rr e c o v e r yo fs o a ，s h o r t e ns o ag a i nr e c o v e r yt i m ea n di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) t h es i g n i f i c a n c eo fi n v e s t i g a t i o no na l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni sd e s c r i b e d t h e d e v e l o p m e n to fa l lk i n d so fa l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r t e r si so u t l i n e d 2 ) t h e o r e t i c a lb a s i sf o rs 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 ri si n v e s t i g a t e d t h ep r o p a g a t i o n e 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 t h en 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 3 ) a n o v e ls c h e m ef o ru l t r a h i g h s p e e dm u l t i f u n c t i o n a la l l - o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r t e r b a s e do nf w mi ns o af o rm u l t i m o d u l a t i o nf o r m a t si sp r o p o s e d u s i n gt h i ss c h e m e ， n o to n l yo o km o d u l a t e ds i g n a lb u ta l s op o l s ka n dd p s km o d u l a t e ds i g n a l sc a nb e w a v e l e n g t hc o n v e r t e d t h es o ag a i nr e c o v e r yt i m ei ss h o r t e n e db yi n j e c t i n ga na s s i s t l i g h t ，t h ec o n v e r t i o ne f f i c i e n c ya n ds i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) a r ea l s oi m p r o v e d 4 ) t h e e f f e c t so ft h ei n p u tp u m pp o w e r s ，s i g n a lp o w e r s ，a s s i s tp o w e r sa n di n j e c t i o nc u r r e n t o nt h ec o n v e r s i o ne f f i e n c y , s n ra n de x t i n c t i o nr a t i o n a r ea n a l y z e d t h eo u t p u t p e r f o r m a n c e so f t h ew a v e l e n g t hc o n v e r t e rw i t ha n dw i t h o u ta s s i s tl i g h ta r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ew a v e l e n g t hh a sb e t t e ro u t p u tp e r f o r m a n c e sw i t ht h ea s s i s tl i g h t k e yw o r d s ：a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r t e 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 , f o u r - w a v e m i x i n g ，p o l a r i z a t i o n - s h i f t - k e y i n g ，d i f f e r e n t i a lp h a s e s h i f tk e y i n g ，a s s i s tl i g h t i i 1 3 全光波长转换器的分类以及研究概况l 1 3 1 交叉增益调制型波长转换器2 1 3 2 交叉相位调制型波长转换器3 1 3 3 交叉偏振型波长转换器4 1 3 4 四波混频型波长转换器4 1 3 4 其他类型的全光波长转换器6 1 4 本文的主要工作7 第二章半导体光放大器的理论基础9 2 1 引言9 2 2s o a 中的行波速率方程9 2 3s o a 中的非线性效应1 2 2 4 本章小结1 5 第三章适用于多种调制格式的f w m 型超快全光波长转换器的工作原理1 6 3 1 引言1 6 3 2p o l s k 调制格式1 6 3 3d p s k 调制格式18 3 4 工作原理2 0 3 5 理论模型2 1 3 5 1 增益模型2 1 3 5 2s o a 中光的传输方程2 3 3 5 3a s e 噪声2 6 3 5 4 载流子的速率方程2 8 3 6 本章小结2 9 第四章适用于多种调制格式的f w m 型超快全光波长转换器的性能分析3 0 4 1 引言3 0 tt t 南京邮电大学硕上研究生学位论文目录 4 2 全光波长转换模拟结果3 0 4 3 输出特性研究j 。3 3 4 3 1 转换效率特性研究3 4 4 3 2 信噪比特性研究3 6 4 3 - 3 消光比特性研究3 9 4 4 总结4 0 第五章论文工作总结和展望4 2 5 1 工作总结4 2 5 2 工作展望4 3 致谢4 4 参考文献4 5 附录l 攻读学位期间发表的学术论文目录4 9 附录2 论文计算中所用参数值一5 0 附录3 注释表一5 2 i v 光纤通信自从问世以来，给整个通信领域带来了一场革命，它使高速率、大容量的通 信成为可能。光纤通信由于具有损耗低、传输频带容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、 不易串音等优点而备受业内人士的青睐，发展非常迅速。现在我国的主要信息通信网几乎 全部实现了光通信，今后光纤也将进入每个家庭。伴随着电信业务的发展，尤其是数据业 务的飞速增长和视频业务的引入，个人和公司对光网络质量和容量提出了更高的要求。为 满足光通信网络传输的交互性、灵活性的要求，提出了波分复用( w d m ) 技术，对光纤 带宽资源进行了充分的利用。w d m 的实现使得光纤到户已不再是遥不可及的梦想。w d m 系统不仅仅能使系统的容量成倍增长，同时它可以利用波长完成路由和交换等功能。虽然 w d m 网络的带宽可以满足每个用户的需求，但是系统的波长数目仍然大大少于实际的节 点数目和用户数目。这就使得当两个或多个波长信号内相同节点连接时造成波长竞争，这 时w d m 网络会有很高的阻塞率。 全光波长转换器( a 1 1 o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 是w d m 实现上述特性所需要的一 个关键器件，全光波长转换器能实现信号从一个波长向另一个波长的转换，它能实现波长 的再利用，在不同的子网中使用同一个波长，构成可任意扩展的波分复用网络；在光交叉 连接中实现波长路由；在光分组交换网络中实现标签交换；降低波分复用网络的阻塞率； 分散网络的管理，提高波分复用网络的灵活性和可靠性【1 5 】。因此，全光波长转换器越来越 受到人们的重视，也是目前研究的前沿和热点课题。 1 3 全光波长转换器的分类以及研究概况 理想的全光波长转换器应该具有如下特征：转换码率较高，至少要达到1 0 g b i t s ，以 妻室堂皇奎堂堡主塑壅竺堂垡丝苎 墨二茎丝堡 满足高速传输的要求；输出信号消光比和信噪比不能恶化，使多个转换器可以级联；输入 功率要低，大约0 d b m ；输入输出的波长范围要宽，满足w d m 网的波长要求；转换时引 入的啁啾要小；对输入偏振不敏感，输出响应快；应用要简单等。 目前实现波长转换主要有光电光型【6 ，7 】和全光型。光电光型技术上比较成熟，工作 稳定，已经在光纤通信系统中用于波长转换器，有成熟的商业产品。缺点是装置结构复杂， 成本随速率和元件数增加，功耗高，这使它在多波长通道系统中的应用受到限制。全光型 波长转换器( a o w c ) 是指不经过电域处理，直接把信息从一个光波长转换到另一个光波 长的器件。在光域中直接实现波长转换可以克服光一电光波长转换器中电器件的速度瓶颈、 透明性低等不足。对于解决全光传输网中的波长争用问题，提高波长重用率和网络配置的 灵活性等均有重要意义。 目前利用非线性元件中的非线性效应能实现简单全光波长转换。由于s o a 在传统通 信波段范围内具有强非线性、低功耗、易于集成等诸多优点，成为全光波长转换器研究中 首选的非线性材料之一。 基于s o a 的全光波长转换器主要有四种工作方式：交叉增益调制( x g m ) ，交叉相位 调制( x p m ) ，交叉偏振调制( c p m ) ，四波混频( f w m ) 。 1 3 1 交叉增益调制型波长转换器 交叉增益调制型波长转换器是利用半导体光放大器的增益饱和效应柬实现波长转换 的。如图1 1 所示。把探测光以和信号光五一起输入s o a ，当输入信号的功率足够强时， s o a 增益饱和，探测光将得到放大。通过用输入信号光五调制s o a 的增益，把输入信号 光以携带的信息转移到了探测光上丸。再用滤波器滤出探测光波长信号疋，即实现了波长 转换。 图1 - 1 基于s o a - x g m 的全光波长变换原理图 s o a x g m 波长转换器具有结构简单、转换效率高和转换波长范围宽等优点，自上世 堕室坚皇查兰堡主堕窒生堂垡丝塞笙二皇丝堡 纪8 0 年代末期以来一直是国际上研究的热点，也是目前研究最为成熟和最具实用化前景 的波长转换器，但也存在一些缺点，如输出消光比退化严重，尤其是向上转换时退化更严 重；由于s o a 有源层载流子浓度的变化将导致转换信号的啁啾加大，增加了色散对传输 系统的影响。1 9 9 8 年英国的e l l i s a d 等用光纤光栅和2 m m 长的s o a 相结合实现1 0 0 g b i t s 的波长转换【8 】；英国b r i s t o l 大学的m f c s t e p h e n s 等利用分布反馈激光器集成半导体光放 大器实现了4 0 g b i t s 的r z 信号到n r z 信号的波长转换f 9 】；2 0 0 0 年，中国华中科技大学的 张新亮等人进行了基于单端耦合s o a 的x g m 型波长转换器的研究，实现了2 5 g b i t s 的、 高消光比的波长转换【io 】；2 0 0 4 年，日本的t y a z a k i 等人通过向s o a 中注入反向辅助光的 方法，在1 0 g b i t s 的传输速率下，降低了x g m 型波长转换器的频率啁啾，提高了输出质 量【1 1 1 。 1 3 2 交叉相位调制型波长转换器 交叉相位调制型波长转换器是利用调制的泵浦光引起光放大器有源区载流子浓度的 改变，进而引起有效折射率的改变，而折射率的变化会引起传播光的相位的变化，再将相 位的变化转换为光强的变化，从而实现波长转换。主要采用集成的马赫泽德干涉仪( m z i ) 或者迈克耳逊干涉仪( m i ) 结构。基于m z i 的x p m 型全光波长转换器的结构如图1 2 所示： 信号龅 图1 - 2 基于s o a 的交叉相位调制的波长转换 交叉相位调制型波长转换器具有啁啾小、同相转换和反相转换可控制、输出消光比高、 输出光信噪比高和偏振无关等优点，但相对来说实现条件比较苛刻，采用分离元件很难实 现，而且由于受s o a 中载流子寿命的限制，基于s o a 的x p m 型全光波长转换器工作速率比 较低。贝尔实验室的j l e u t h o l d 等报道了输入功率为1 4 d b m ，转换速率为1 0 g b i t s 的归零 ( i 屹) 信号的波长转换【1 2 1 ；同本n t t 光子实验室利用s o a 和平面波导环路( p l c ) 混合集 成的方法实现了1 0 g b i t s 的n r z 信号的波长转换【1 3 】；丹麦技术大学的s l d a n i e l s e n 等利用功 率均衡的办法提高输入功率的动态范围【1 4 1 。 南京邮电大学硕：上研究生学位论文第一章绪论 1 3 3 交叉偏振型波长转换器 由于波导的不对称性，s o a 中存在固有的双折射效应，t e 和t m 模通过s o a 后产生 一定的相差，同时这个相差会随着注入光功率的增加而单调变化。当信号光和直流光同时 注入s o a 时，直流光的t e 和t m 之间的相差将随信号光功率的改变而改变，因此出射的 直流光的偏振态将随着信号光强度的改变而改变，这就是s o a 中的c p m 效应。 基于交叉偏振调制的全光波长转换器的方案，其优点是器件易集成，一般只需一个 s o a 就可以实现。并且这种波长转换器既可以实现j 下相转换，也可以实现反相转换。而且 转换后信号可得到较高的消光比。正相转换后信号上升沿啁啾为负，有利于传输。其缺点 是要求输入光有相同的功率、相同的偏振态、波长相近，这是不切实际的；还需要精确控 制输入输出光的偏振态，用分立元件很难实现；此外输出光的消光比不好，因为加入了检 偏器，需掺铒光纤放大器前放补偿损耗，还要引入自发辐射噪声。 2 0 0 5 年，清华大学的腾翔等人在信号码率为1 0 g b s 的s o a c p m 波长转换实验中， 采用光带宽为0 3 n m 的j d s 滤波器优化转换信号的波形，基本消除了转换信号中长“l ”码 和长“0 ”码的码型效应，并将正相转换信号和反相转换信号的功率代价分别改善了3 d b 以 上。2 0 0 5 年，t u r k i e w i c zjp 等人利用s o a c p m 实现了从1 3 1 0 n m 到1 5 5 0 n m 的1 0 g b s n r z 的波长转换，功率代价小于l d b 1 5 】；同年，c o n t e s t a b i l eg 等人利用s o a c p m 实现了4 0 g b s 的波长转换【1 6 】。 1 3 4 四波混频型波长转换器 四波混频型波长转换器是基于半导体光放大器的三阶非线性效应工作的，两束不同波 长的光厶和五，耦合到s o a 中，在s o a 中发生f w m 效应。对于f w m 的半经典描述是： 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厶。产生一个新的频率 为乃= 2 冬：一冬。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 k ，= 2 以。一冬：，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。和以：的 强度比值。在s o a 中至少有三种机制对形成载流子光栅有作用，它们分别为：载流子浓 度脉动效应，动态载流子热效应和频谱烧孔效应。这些机制具有不同的载流子生存周期和 散射长度，s o a 中的f w m 效应是这三方面共同作用的结果。图1 3 给出了s o a 中f w m 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 效应的输出频谱示意图。 恸僦 嗡吨 频衩q 图1 - 3s o a 中f w m 效应的输出频谱示意图 这种波长转换器的优点是传输速率及调制形式透明，它的啁啾小，波长转换范围较大， 能实现高速转换，且有对输入、输出波长连续可调的潜力。然而，基于s o a 的f w m 型全光 波长转换器也存在一些严重的缺点，这些缺点大大阻碍了它的应用。 首先，由于f w m 效应是一种三阶非线性效应，其效率很低。从目前的国内外的研究来 看，提高f w m 效率的方法主要有几种：增长s o a 的长度或者优化s o a 有源区的结构；注入 辅助光的方法；寻找非线性效应强的光学介质作为f w m 介质；改进器件的结构等。 其次，f w m 效应的效率随波长失谐量( 两输入光波长之差) 的增大迅速下降，当失谐量 从l n m 增大到l o n m 时，效率可以下降2 0 d b 。这主要是由于在大失谐量情况下快速带内过程 ( s h b 效应和c h 效应) 占主导地位，在失谐量小的情况下带间过程( c d p 效应) 占主导地位， 而快速带内过程比带间过程弱导致了f w m 效率随波长失谐量的增大迅速下降。 影响f w m 应用的另一个缺点是它的偏振相关性。f w m 效应要求两输入光具有相同的 偏振态，而且所用器件也应是偏振无关的。垂直双泵浦f w m 效应是被研究最多的用来实现 偏振无关的一种方案。 在s o a 的f w m 效应中，a s e 噪声比较大。通过增长s o a 的长度或者优化s o a 有源 区的结构，可以提高信噪比。已经证实不仅f w m 的效率与s o a 长度的平方成正比，而且 输出共轭光的信噪比与s o a 的长度也成正比，但并不意味着s o a 越长越好；注入辅助光 的方法也可以提高f w m 型全光波长转换器的信噪比特性；采用新的非线性介质也可以实 现低噪声的f w m 型全光波长转换器。 即便如此，此种波长转换器仍引起了广泛的关注，成为近年来研究的热点。1 9 9 8 年， a e k e l l y 等利用2 m m 长的s o a 和布拉格光纤光栅结合，实现了1 0 0 g b i t s 的四波混频型 波长转换【1 7 】；2 0 0 2 年i s h a k e 等利用s o a 阵列集成平面波导环路的四波混频效应实现 1 6 0 g b i t s 光时分复用的解复用【1 8 1 ；2 0 0 4 年，g i a m p i e r oc o n t e s t a b i l e 等利用s o a 的四波混 频效应实现多波长转换，可以应用于w d m 系统的多播功能；2 0 0 5 年，华中科技大学的李 5 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一章绪论 培丽等人利用基于半导体光纤环形腔激光器( s f r l ) 的四波混频( f w m ) 效应实现了可 调谐全光波长转换器【1 9 1 。 1 3 5 其他类型的全光波长转换器 利用光纤或者其他非线性波导器件也可以实现全光波长转换。 利用非线性光纤环镜实现全光的波长变换，这种方法多基于光纤的克尔效应，泵浦光 的调制引起光纤折射率的调制，进而实现波长变换。d m a h g e r e f t e h 等人利用非线性光纤环 镜实现了1 5 5 , u m 到1 3 1 , u m 的全光波长转换。但是如果采用全光纤的结构，大约需要2 k m 长的光纤，结构不紧凑，容易受外界影响。d a o d a v i e s 和a d e l l i s 等人利用基于半导体 光放大器的非线性光纤环镜分别实现了2 0 g b s 和4 0 g b s 的全光波长转换，这种方式增加 了系统的稳定性。 基于电吸收调制的全光波长转换器。电吸收调制器( e a m ) 是一种损耗调制器，它利用 f r a n z e k e l d y s h 效应和量子约束s t a r k 效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。9 0 年代 后随着高速率长距离通信的发展，电吸收调制器的研究受到重视。将信号光( 丑) 和探测 光( 五。) 以相同方式注入固定电压偏置的e a m ，在信号光高功率情况下，光生载流子引 起的内部电场会改变波导的吸收特性。根据饱和吸收的变化调制连续探测光，从而达到波 长转换的目的。基于电吸收调制的全光波长转换器通常具有低啁啾、低噪声、波长转换间 隔宽，应用前景广阔。但其转换速率受到饱和吸收恢复时间的限制和器件长度以及输入光 功率的影响。 综上所述，目前对各种波长转换器的研究主要集中在o o k 调制格式信号和d p s k 调 制格式信号的波长转换方面。 虽然在光通信系统中，二进制非归零振幅键控( n r z o o k ) 调制是最简单的一种调 制方式。由于调制和解调设备都很简单，具有良好的传输性能和频谱效率等，在光纤通信 系统中被广泛采用，但在高速、长距离、大容量的w d m 系统中，n r z 调制格式不能有效 地抵抗色散、非线性和噪声影响，有其固有的缺陷。因此，各种新型光调制格式应运而生。 这些先进调制格式能够有效地减少信道问隔，增加频谱利用率，增强光信号在传输过程中 抵抗运输损伤的能力，有效地提高了整个光通信系统的传输距离和容量。 当前新型光调制格式可以按照其信息承载的对象分为三类：基于强度调制原理的o o k 系列、基于相位调制原理的p s k 系列、基于偏振调制原理的p o l s k 系列。 6 堕室堂皇奎堂堡主堑窒竺兰篁堡苎笙= 童堑垒 ( 1 ) 基于强度调制的新型光调制格式主要有：归零调制格式( r z ) 、载波抑制归零调 制格式( c s r z ) 、预啁啾归零调制格式( c i 屹) 、单边带调制格式( s s b ) 、残留边带调制 格式( v s b ) 、双二进制调制格式( d m ) 和相位整形二进制传输调制格式( p s b t ) 。 ( 2 ) 基于相位调制的新型调制格式主要有：d p s k 、差分正交相移键控调制格式 ( d p q p s k ) 、差分八级相移键控调制格式( 8 - d p s k ) 。 ( 3 ) 基于偏振调制的新型光调制格式主要有：双二进制偏振位移键控调制格式 ( d p o l s k ) 、比特间插偏振调制格式( i p d m ) 。 在这些新型调制格式中，d p s k 调制具有接收机灵敏度高、抗非线性能力强和适合于 高频谱效率传输等优点，在长距离大容量的w d m 传输系统中显示出了很强的优势，因此 受到广泛关注；基于偏振调制原理的p o l s k 调制在传输系统中具有功率代价低、消光比高、 可以消除自相位调制效应、在掺铒光纤放大器中不存在偏振烧孔效应等优点，并可以克服 d p s k 调制在传输系统对相位噪声敏感的缺点。所以，p o l s k 调制格式和d p s k 调制格式 一起被认为是使整个光通信系统的传输距离和容量有效提高的两种新型调制格式。 因此，对p o l s k 调制格式的波长转换的研究非常重要。目前，对p o l s k 调制格式的研 究很少。本论文基于s o a 中f w m 效应的偏振选择原理，提出了适用于多调制格式的超快 全光波长转换器。该全光波长转换器不仅能对传统的o o k 信号进行波长转换，还能对 p o l s k 调制格式信号和d p s k 调制格式信号进行波长转换。适用于多种调制格式的f w m 型超快全光波长转换器具有结构紧凑、便于集成、性能优良等多方面的优点，而且采用新 型的调制格式信号例如p o l s k 信号、d p s k 信号，可以克服基于s o a 器件的码型效应，因 此，该波长转换器表现出相当大的研究价值。 1 4 本文的主要工作 第一章阐述了研究全光波长转换器的意义，综述了全光波长转换器的种类和研究概 况。 第二章研究了s o a 用作全光波长转换器的理论基础。介绍了s o a 的基本方程以及 s o a 的各种非线性效应，重点介绍了s o a 的四波混频效应。 第三章介绍了p o l s k 调制格式和d p s k 调制格式，提出了适用于多种调制格式的f w m 型超快全光波长转换器的方案，该方案不仅能对传统的o o k 调制信号进行波长转换，还 能对p o l s k 和d p s k 信号进行波长转换。 第四章从理论上实现了这种全光波长转换器，研究了其转换效率，信噪比、输出消光 7 雨京邮电大学硕士研冗生学位论文 第一章绪论 比特性和输入泵浦光功率、信号光功率、辅助光功率、注入电流之间的关系。比较了输入 辅助光前和输入辅助光后，波长转换器的输出性能，结果表明：输入辅助光后，这种波长 转换器有了更好的输出性能。 第五章对全文进行了总结并对未来工作进行展望。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章半导体光放大器的理论基础 2 1 引言 第二章半导体光放大器的理论基础 s o a 是伴随半导体激光器的发明而提出来的。它是一种基本结构类似于无反馈或反馈 量不足以引起振荡的半导体激光器。s o a 在正偏压、强注入电流作用下，有源区半导体内 的导带与价带间由于非平衡载流子的注入而形成粒子数分布反转，在入射光作用下通过受 激跃迁产生光增益，使输入光信号得到放大。但由于噪声大，功率较小、对串扰和偏振敏 感、与光纤耦合损耗大、非线性比较严重等原因，迄今为止，其性能与掺铒光纤放大器相 比仍有较大的差距。然而经过数十年的发展，s o a 的研究进入了一个新的空间，s o a 的 性能得到全面和大幅度的提高，特别是增益的偏振灵敏度、噪声指数已明显降低，饱和输 出功率、小信号增益也有显著提高。通过利用s o a 中的非线性效应，如利用s o a 中的x g m 、 x p m 、c p m 、f w m 等效应，使进入s o a 的光信号的强度、相位、偏振态和频率受到调制， 从而可以实现光开关、信号再生、光标签交换以及光波长转换器等。 2 2s o a 中的行波速率方程 ( 1 ) 光场传输方程 由于s o a d p 无自由电荷、无感应磁极化、注入电流密度与时间无关，同时在由m a x w e l l 方程推导s o a 波动方程中，假设s o a 只能基模传输，入射光波是频率为国，的一组单色线 偏振波，其中角标用于标示不同频率的光波，并且在s o a h h 传输时光波的偏振态保持不 变，则可得到一维波动方程【2 0 】： 丁a 2 e ( z , t ) 一掣 学= 学 亿。， 其中e ( z ，t ) 为光波的电场矢量，p o 为真空中的磁导率，c r o 为介质的电导率， c = l 瓜为真空中的光速，为真空中的介电常数，p ( z ，f ) 为感应电极化矢量。 e ( z ，f ) = 弓( z ) e x p ( 一哆f ) ( 2 2 ) i p ( z ，f ) = p j ( z ，t ) e x p ( - i c o j t ) ( 2 3 ) j 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章半导体光放大器的理论基础 为了能够进一步深入研究s o a 中的非线性现象，将感应电极化矢量分为： p ( z ，t ) = p 工( z ，f ) + p 1 ( z ，f ) + p 2 ( z ，f ) + p 3 ( z ，f ) + ( 2 4 ) 其中等式右边第一项p ( z ，t ) 为线性极化矢量，对应透明状态- f s o a 中的感生电极化 矢量，后面几项分别为一阶非线性极化项、二阶非线性极化项、三阶非线性极化项等，它 们来源于s o a 的有源特性，与导带与价带之间的跃迁有关。对于s o a 这种具有对称分子结 构的非线性介质，所有的( 2 n ) 阶非线性极化都为0 。本文为了便于研究增益饱和现象和 f w m 现象，忽略了s o a 中超过三阶的非线性极化项。 一般情况下，研究的光脉冲宽度都大于1 0 0 飞秒，光场幅度变化与光波频率( 1 0 1 5 h z ) 相比要慢得多，通常可对光场作慢变化包络近似，则有： e ( z ，) = 么( z ，) e x p ( i k o z - i c o o ) ( 2 5 ) p ( 3 j ( z ，f ) 。p 3 ( z ，t ) e x p ( i k o z i c o o t ) ( 2 6 ) 其中a ( z ，f ) 、p 3 ( z ，f ) 分别为电场强度和三阶非线性极化的慢变化包络，k o = n o c o o c 为在对应光波频率c o o 处的波数，为对应不同模式的有效折射率。 经过推导可得s o a 在时域中的基本传输方程： 专掣+ 掣扣卅妒o r i a t 肥，f ) + 去缈) ( z 力一警刍 ( 2 7 ) 式中的g ( n ) 、口和r 分别为材料的增益系数、线宽增强因子和模场限制因子，分别 定义为 2 1 , 2 2 】： g ( ) ：一堕i m l ( ) ) c n o ( 2 8 ) 口：塑亟塑业型 ( 2 9 ) a l m , z o t ( n ) a n 、 r = f 驴( x ，y ) l 撕ee y ) 1 2 蛐 ( 2 1 0 ) 线宽增强因子的物理起源是相对于其它激光增益介质，半导体中载流子浓度变化在引 起增益变化的同时伴随产生的折射率改变，从而引起相位的改变。它与s o a 增益谱的不对 称性相关。一般情况下认为线宽增强因子是一个常数，取值范围约在3 1 0 之间。实际测 量表明，线宽增强因子是信号波长和载流子浓度的函数 2 3 】。有研究指出，在计算相位时， 如果把线宽增强因子当作常数，会导致百分之五十的误差【2 4 1 。 堕塞坚皇奎兰堡：生堕塞竺堂篁丝壅星三兰兰量笪垄垫盔塑塑型笙苎墅 模场限制因子代表s o a 有源区对横向光场分布的限制作用。彩和d 表示有源区宽度和 厚度。一般r 取值在0 3 - 0 5 范围内。 式( 2 7 ) 就是s o a 中的基本传输方程。对于s o a 在不同的应用中有不同的近似，其 传输方程也有不同的表达形式。在对短光脉冲的传输特性进行分析时，还可以引入运动坐 标系t 。= t z 圪，这样式( 2 7 ) 就可以被简化为： 掣= 扣( 卅训飞纠) + 去彬3 k ，f ) 一掣】 ( 2 1 1 ) 另外，光场的慢变化振幅包络可以表示为： a ( z ，f ) = 4 e ( z ，t ) e x p i 矽( z ，f ) 】 ( 2 12 ) 其中p ( z ，t ) 和矽( z ，t ) 分别是t 时刻和位置z 处光信号的功率和相位，n 而i l a ( z ，f ) 1 2 就与 光功率相对应。 ( 2 ) s o a 中的载流子速率方程 在s o a 中，除了光波的基本传输方程外，描述载流子浓度变化的速率方程也是一个非 常重要的基本方程。要计算s o a 的载流子浓度分布、增益特性和输出特性，对速率方程和 基本传输方程联立即可求解。 速率方程是采用唯象的方法来描述非线性增益和位相的动态变化2 5 ，2 6 1 ，对描述皮秒 和亚皮秒脉冲在s o a 中的传播非常有效，脉宽的最低限约在1 0 0 飞秒量级。 目前，光纤通信中使用的光信号脉冲宽度一般要大于1 皮秒，因而在单模输入条件下， 由密度矩阵方程可得以下的速率方程【2 7 】： 下o n ( r , t ) = 专叫) _ s a 则) 一警阡d v 2 n ( 2 1 3 ) 其中n ( r ，f ) 为；处、t 时刻的载流子浓度，i 为注入电流，p 为电子基本电荷量，矿为 有源区体积，壳为归一化p l a n c k 常数，d 为载流子扩散系数。等式右边第一项表示载流子 的注入，第二项表示自发辐射复合和非辐射复合引起的载流子消耗，第三项表示放大自发 辐射引起的载流子消耗，第四项表示放大输入信号光诱发的受激辐射导致的载流子消耗， 而最后一项则表示s o a 不同部分之问的载流子扩散。由于s o a 有源区的长度远大于载流子 的扩散长度，而其横向尺寸小于扩散长度，因此在纵向上载流子扩散引起的载流子浓度的 改变通常可以被忽略，在横向上的分布则认为几乎是均匀的。另外，光信号在传输过程中 得到不断的放大，引起的载流子消耗也不断增加，因而s o a 中的载流子浓度只与z 有关。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章半导体光放大器的理论基础 引入纵向z 处的平均载流子浓度n ( z ，t ) ，式( 2 1 3 ) 可演变为： 下o n ( z , t ) = 专叫) - s a s z ( n