（光学工程专业论文）全光帧同步器中的帧头提取与光信号复制技术研究.pdf

j e 塞童垣鑫堂亟堂焦迨童生塞垣噩 中文摘要 摘要：光通信已成为电信网络、数据网络、有线电视网络和光互联网等各种信息 网络中的最重要的信息传输方式，随着业务量的激增，新一代光纤通信技术的研 究重点已转移到光网络交换领域。作为一种有望解决光电光转换发展瓶颈问题的 方法，全光分组交换技术受到越来越多的关注。本文围绕实现全光分组交换关键 技术之一的光数据包帧头提取以及光数据脉冲复制技术，进行分析和研究。主要 研究内容如下： 1 对已有的帧头提取方案进行了分析，得出：对于基于m z i 的提取方法，由于 m z ! 易受外界因素的干扰，不易保持稳定，不易调节，使方案的实施和应用受 到限制：对于基于t o a d 的帧头提取方案，要实现帧头的正确提取，需要使帧 头的比特间隔大于s o a 的增益恢复时间，而净荷的比特间隔应该远小于s o a 的载流子寿命时间。 2 对上述方案进行改进，提出了基于e d f a 的增益恢复特性进行帧头提取的方法， 并进行了初步实验，在实验中使用e d f a 代替t o a d 中的s o a 进行帧头提取 实验，通过理论分析和实验研究验证了方案的可行性。 3 针对基于光纤环形腔的光数据包循环复制技术。提出一种采用功率均衡提高复 制次数的新方法，并进行了理论分析和实验研究，实验得到了较为理想的光数 据包复制信号，实现了光分组2 0 次以上的复制。 4 从理论上分析了影响输出的复制信号消光比的因素，推导了输入信号与输出信 号的消光比之间的关系；并从理论上分析了构成光纤环形腔的祸合器的不同分 光比与复制出的信号的消光比之间的关系。 关键词：全光分组交换；帧头提取；半导体光放大器；光纤环形腔；光脉冲复制 分类号：t n 9 1 e 塞至亟太竺亟堂焦论塞旦s ! ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：o p t i c a lc o m m t m i c a t i o nh a v ee v o l v e da st h em o s ti m p o r t a n tt r a n s m i s s i o n m o d ei na l m o s ta l li n f o r m a t i o nn e t w o r k s ，s u c ha st e l e e o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，d a t a n e t w o r k , c a b l et e l e v i s i o nn e t w o r ka n do p t i c a li n t e r n e t 。w i t he v e r - i n c r e a s i n gd e m a n do f t r a n s m i s s i o ns e r v i c e 牡o b v i o u st r e n di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hi s t o a l l o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k s a sah o p e f u ls o l u t i o no ft h eo e e ob o t t l e n e c k o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) a t t r a c t si n c r e a s i n ga t t e n t i o n 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do n t h eh e a d e re x t r a c t i o na n dt h eo p t i c a lp a c k e tr e p l i c a t i o nw h i c ha r ek e yp r o b l e m si n o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g , a n dt h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 as c h e m ep r o p o s e do fo p t i c a lh e a d e re x t r a c t i o ni nd o c u m e n ti sa n a l y z e da n dt e s t e d b ye x p e r i m e n t s ，w h i c hi sb a s e do i lt o a d a n dt h e n , m o d i f i c a t i o ni sm a d et ot h e s c h e m ew i t hs u b s t i t u t i n gae d f af o r t h es o ai nt o a d a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s p r o v et h ef e a s i b i l i t yo f t h em o d i f i c a t i o n 2 an e ws c h e m eo fo p t i c a ls i g n a lr e p l i c a t i o ni sp r o p o s e dw i t l lm o d i f i e do p t i c a lf i b e r r i n gc a v i t yr e s o n a t o r , a n da n a l y z e da n dt e s t e db ye x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w st h es c h e m ei sv e r i f i e d 3 t h ef a c t o r sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yw h i c hl o w e rt h eq u a l i t yo ft h er e p l i c a t i o n o u t p u ta n dt h eo u t p u te x t i n c t i o nr a t i o t h er e l a t i o n s h i pi sd i s c u s s e db e t w e e no u t p u t e x t i n c t i o nr a t i oa n di n p u te x t i n c t i o nr a t i o t h er e l a t i o n s h i pi sa n a l y z e d m a t h e m a t i c a l l yb e t w e e nc o u p l i n gr a t i oa n de x t i n c t i o nr a t i o k e y w o r d s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ；h e a d e re x t r a c t i o n ；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 ；o p t i c a lf i b e rr i n gc a v i t y ；o p t i c a ls i g n a lr e p l i c a t i o n c l a s s n o ：t n 9 1 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： 导师签名： 签字日期：年月 e t签字日期：年月 日 韭塞銮适厶堂亟堂焦论塞丝剑馑岜明 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。 学位论文作者签名：签字日期： 年 月 日 5 3 致谢 本论文的工作是在我的导师盛新志和吴重庆教授的悉心指导下完成的，教授 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。在此衷心感谢三年 来导师对我的关心和指导。 盛新志和吴重庆教授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，在此向两位老师表示衷心的谢意。 王智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。 在实验室工作及撰写论文期间，王亚平、杨双收、高凯强、彭鹏等同学对我 论文中的实验研究工作给予了热情帮助， 还要感谢师兄王拥军、李政勇、程木等， 研究工作 在此向他们表达我的感激之情。另外， 他们的热心指导帮助我顺利完成了实验 j e立窑塑厶堂亟堂位论塞i i 直 1 引言 在全光分组交换( o p s ) 网络中，对传输的全光信号进行各种处理是必不可少 的，全光信号处理技术受到了越来越多的关注。本文围绕全光帧同步器的有关技 术进行一些探讨和研究。 1 1 课题提出的背景及意义 随着时代的发展，促进了通信技术的不断变革。由于电交换技术的固有缺陷， 核心交换节点的处理能力已逐渐成为阻碍通信网进一步发展的瓶颈。现在传送网 正处于由“电”时代向“光”时代过渡。光交换有效克服了电交换面临的速率 瓶颈，在透明性、灵活性、速率、容量和功耗等方面均具有电交换无法比拟的优 势。可以说，光交换是未来支撑通信网发展的关键技术之一。 现有光网络上的波长交换实质上是颗粒巨大的电路交换，于是人们提出了光 分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ：o p s ) 技术，以光分组作为最小的交换颗粒来 承载业务数据，净荷的传输和交换都在光域中进行，帧头处理和控制可在光域或 电域中完成，具备高速、高效、高度灵活性、透明性、可升级性、可重构性和控 制管理简单等诸多优势。 光分组交换网是光通信网络的未来发展方向，而全光信号处理是实现全光分 组交换网的关键所在。全光帧同步器是实现全光分组交换的关键技术之一。本文 围绕全光帧同步技术中的帧头提取和光数据包的循环复制技术进行了理论分析和 实验研究。 1 2 先进的交换技术 分组交换技术源于1 9 6 1 年，由p a u lb a r r a n 博士等人提出，并在1 9 6 4 年公布 于世。最初的想法是出于通信保密的需要，将信息拆分成小块( 即分组) ，以分组 为单位发送信息，各个分组通过存储一转发方式经由不同的路径到达接收端，然 后再被组合复原。 分组交换和电路交换相比有以下优点：一、在通道上实施动态统计时分复用， 带宽等网络资源的利用率很高，因而更经济：二、向用户提供灵活而透明的异构通 信环境，能在速率、编码、同步方式、控制规程不同的终端之间实现互联互通：三、 可逐个对分组检错纠错进而降低误码率，并且可以选择新路由绕开网络故障区域， j e夏銮亟厶堂亟 堂 位迨 塞 i l直 因此可靠性更高：第四、以分组为单位来处理和存储信息，降低了对交换机存储容 量等性能的要求，进而降低了成本。 光分组交换( o p s ) 是分组交换技术向光层的渗透和延伸，最早提出是在2 0 世 纪9 0 年代初期，它们的研究开始仅在北美以及欧洲的实验室中，后来世界上比较 大的公司联合高校开展了o p s 网络项目研究，建立了o p s 的试验系统。我国以及 亚洲的其它一些国家也己开始进行o p s 网络的研究。这些o p s 网络的研究成果在 o f c 等国际会议、i e e e 等国际期刊上都有报道，研究内容涉及到从器件、系统、 子系统到网络结构、网络流量、分组组装等各个层面。 o p s 作为先进光交换技术，它是以光分组信号的形式来承载各种业务数据， 光分组信号由净荷和帧头( 信头或标签信号) 组成，其中净荷的传输和交换在光 域中进行，而帧头处理和控制在光域或电域中完成。p i 、s d h 、a t m 等都可看作 光分组网的业务层，业务层的数据在o p s 网络边缘节点处打包并装入净荷，然后 加上光信头或光标签构成光分组。交换和控制功能在o p s 核心节点实现，在光域 完成交换功能，而帧头的处理和控制可能经光电光变换完成，也可以直接在光 域中完成，这样可以彻底解决电子瓶颈问题。o p s 边缘节点负责同客户层之间的 连接与任务处理，包括流量整形、净荷压缩、复用、光信号再生和端到端的传输 监控。 1 3 全光逻辑门技术 全光逻辑门是是实现o p s 网络中的关键器件之一，它在光交换、光判决、全 光3 r 再生、光子计算、伪随机序列( p r b s ) 的产生等操作中扮演重要的角色。采用 全光逻辑门，有助于克服传统网络中的电子瓶颈的影响，实现光纤通信系统中单 波长信道的超高速率传输。目前，有众多研究机构在从事全光逻辑门的研究，包 括麻省理工大学，丹麦工业大学，南加州大学，韩国科技大学，香港中文大学等。 由于电子瓶颈的影响，光纤通信系统中单波长信道的速率不能超过4 0 g b s 。 要想真正突破电子瓶颈，实现全光信号处理，必须实现全光逻辑运算。全光逻辑 门是光分组交换网络中非常关键的器件，它在光交换、光判决、全光3 r 再生、光 子计算、伪随机序列( p p b s ) 的产生等操作中都必不可少。世界上有很多的研究机 构都在从事全光逻辑门的研究。目前全光逻辑器件大都依靠超高速的非线性效应 来实现，相关的非线性媒质包括非线性光环路镜州o l m ) 、t h z 全光非对称解复用 器( t o a d ) 、超高速非线性干涉仪( o n 0 、干涉型波长转换器( i w c ) 、马赫一增德尔 干涉仪( m z i ) 、延迟干涉仪( d i ) 、电吸收调制器( e 舢田和半导体光放大器( s o a ) 等。 已试验成功的全光逻辑器件有全光异或门、与门、或非门、与非门等。这些全光 逻辑门的运算速率大多在4 0 g b s 以下，且稳定性也有待提高。由于光逻辑器件尚 不成熟，o p s 目前普遍使用电控光交换的混合解决方案：传输与交换在光域中实 现，路由和转发功能则在电域实现。由于光分组交换对全光器件的性能要求比较 高，而目前全光逻辑器件的功能还比较简单，不能完成控制部分所需要的复杂处 理功能，因此国际上现有的光分组交换单元还要由电信号来控制。随着全光器件 技术的发展，将来最终发展趋势将是光控光交换。 此外组成o p s 的关键技术还包括光分组路由算法、光分组网中q o s 问题，流 量的识别和分类，流量整形，接入控制、通道保护和恢复机制、信号损伤及相应 的补偿策略、网问互连所涉及的信号转换、速率转换、光分组网中业务模型及其 对网络的影响等。 1 4 全光信号处理技术 在o p s 网络中，对传输的光分组信号的各种处理必不可”。如图1 1 所示， o p s 网络中的节点按实现功能区分大体上可分为四个子系统，即交换矩阵、路由 控制处理器、输入模块和输出模块，其中输入模块可实现光信号的预放大和同步、 净荷定位、信头提取、光信号缓存，也可能具有波长转换或光电转换功能。在同 步o p s 中，输入端的同步主要完成数据包在时间上和相位上的校准，以消除传输 时延差。交换矩阵和交换控制单元负责光分组的路由或上、下路，解决冲突，并 完成必要的信头擦除工作。交换矩阵和输出输入模块之间要配置光缓存单元，从 而在信头处理和交换配置过程中缓存数据净荷。由光交换单元组成的交换矩阵是 o p s 节点的核心组件，它在很大程度上决定了节点的交换速率、吞吐量、可靠性 和可扩展性等性能。输出模块可进行数据缓存、净荷定位、信头插入、输出同步、 信号放大，也可能含有波长转换和光电转换、以及2 r 3 r 再生功能。输出端的缓 存有助于净荷定位与信头插入操作，或解决资源冲突。 入曩袋变换矩障鲁出徘 图1 1 组成0 p s 节点的功能块 鸭鸭 j e基 窑 煎 厶 堂亟堂焦盈塞l直 1 5 先进光网络中的无源光器件 各种光学器件是光纤通信系统的重要组成部分，是实现先进光交换网的重要 技术手段”1 。伴随着通信系统的迅速发展，作为光通信的基础元件的光器件技术也 在迅速发展，参数更优良、功能更齐全的新型光器件不断涌现。研制先进的无源 光器件，对于提高光网络传输性能、实现对光信号的快速处理具有重大意义。此 外，只有各种光器件的技术革新和成本下降，才可能实现真正意义上的先进光交 换网络。现有的无源光器件包括各种光纤连接器、光纤波导祸合器、光开关、光 衰减器、光隔离器、光波分复用器等。其中，波分复用技术和光开关技术不仅已 经实用，也是当前研究的热点，并且产生了多种实现方式。 光波分复用器件( w d m ) 是对光波波长进行分离与合成的无源器件。随着因特网 的迅速崛起，基于语音、图象、数据等数据信息量迅猛增长，传统的依靠电时分 复用的方式扩大通信容量的潜力已走到尽头，扩大网络容量已成为当务之急。采 用密集波分复用( d w d m ) 技术可以在一根光纤上承载上千个波长信道，可大幅度提 高光纤带宽的利用效率。目前，最高的传输带宽记录已经达到了t 比特量级。2 0 0 3 年，贝尔实验室的a a g a g r w a l 等人，实现了5 1 2 t b s 的超密集波分复用( u o w i ) m ) 系统( 1 2 8 4 2 7 g b s ) ，该系统的信道间隔为5 0 g h z ，无电中继传输距离达到 1 2 8 0 k m 。在2 0 0 5 年o f c 会议上，n t t 公司报道了超过i 0 0 0 个信道，单信道容量 为2 5 g b s ，信道间隔为6 2 5 g b s 的u d w i ) m 系统。与此同时，n e c 公司报道了无 电中继传输距离达到4 ，3 0 0 k m 的4 2 8 g b s x 3 2 的w i ) m 系统。综上所述，目前船m 技术的研究正在向传输频谱密度高、传输距离长的方向发展。w d m 技术具有许多优 越性，如利用其扩容，不需铺设新的光纤线路即可实现系统扩容升级，降低了建 网费用；采用w i ) m 技术系统可以随时升级扩容，以满足用户及未来新业务的需求； 基于w d m 的通信网络具有协议透明、格式透明的优点，可以方便地将现有的电网 络迭加到光网络上；将w d d 与技术成熟的光纤放大器( 例如e d a f ) 组合使用，不仅 可提高网络的传输容量，而且具有较高的灵活性和经济性等。w d m 器件是w d m 通信 系统的核心器件，其性能的优劣对系统的传输质量有决定性的影响。根据制作方 法的不同，可将w d m 器件分为熔融拉锥全光纤型、干涉膜滤光型、光纤光栅型和 波导阵列光栅型等，而对于u d w d 4 系统的实现，采用这些器件难以实现如此狭窄 信道的波分复用。这时，往往采用光交叉复用( i n t c r l e a v c l ) 技术解决这一难题。现 有的i n t c r l c a v c r 器件有基于光纤型或波导型的马赫一泽德干涉仪型、偏振光干涉型、 阵列波导光栅法、单腔m i 干涉型等。 光开关是实现全光交换的核心元件。在先进o p s 网络中，集成大规模光开关 矩阵能够完成开关、路由以及主要网络中枢的交叉连接的任务。智能型光开关发 4 展可以简化复杂的o p s 光网络系统，解决光网络节点处光信号的上传，下载、光交 叉连接、信号的路由选择以及自愈保护等方面的问题。已报道的光开关有机械式、 m e m s 、声光、热光、磁光，电光、全息、气泡、液晶以及基于马赫一泽德干涉仪 结构的全光开关等。光丌关的主要性能表现在：交换速度、损耗、串扰、偏振敏感 性、可靠性、开关矩阵规模、以及可扩展性等方面。在目前的o x c 应用中，最令 人瞩目的方案是基于m e m s 技术的大规模开关矩阵。 除上述两种光器件之外，其余类型的器件诸如光环行器、光隔离器等也对网 络传输性能的完善与增强起很大作用，其中，光环行器与光纤光栅联合使用在 o a d m 、循环色散补偿等功能实现方面具有广泛应用；而光隔离器能够滤去回传 光束，有助于减少网络串扰，实现系统信号的稳定传输。 1 6 本文的主要工作 本文的工作主要包括两部分： 第一部分：设计搭建实验系统，对光数据包的帧头和净荷分离进行了实验验 证。分别用s o a 和e d f a 作为非线性元件接入帧头提取系统进行实验，并对实验结 果进行了分析。 第二部分：对光数据包的循环复制进行了实验研究，实现了光数据包的循环 复制。分别对不同分光比的耦合器构成的环形腔进行了循环复制的实验研究，并 进行了理论分析，分析了影响信号复制因素并对输出信号消光比进行了分析。 j e 塞窑煎厶望亟堂包迨塞q 塑星垒数擅苴绝塑挂挂筮蚯 2s o a 和e d f a 的增益饱和特性分析 半导体光放大器( s 锄i c o n d u c t d ro p t i c a la m p l i f i e r ，s o a ) j 搪- 良好的非线性特 性，适合用来集成光子器件，可实现高速通信网中的光开关、波长转换器、全光 3 r 再生以及全光逻辑运算功能等等。当利用s o a 中的非线性效应时，s o a 往往 工作在饱和状态下。本文后面介绍的帧头提取系统和光信号复制系统中采用s o a ， 利用了s o a 的增益饱和特性，因此有必要分析s o a 的增益饱和特性。 2 1s o a 的增益饱和特性 s o a 的增益饱和特性表现在两个方面。一方面，随着注入电流的增加，s o a 的增益将增加，输出功率也相应增加，但当电流增加到某一值后，受载流子增益 恢复时间的限制，增益受到抑制，再进一步增加电流，增益不但不增加。即出现 饱和。另一方面，当注入电流为一定值时，在s o a 未达到饱和时，输出光功率随 着输入光功率的增加而相应增加，光增益通常为常数。大的输入光信号使过量的 载流子参加受激辐射复合，而得不到及时补充，此时出现的增益饱和表现为输出 光功率增大的趋势随着输入光功率的增加而减缓。本章介绍s o a 的增益饱和特 性，给出的s o a 数学模型，并根据这个模型数值模拟s o a 中的静态和动态增益 饱和特性。 2 1 1s o a 的稳态增益饱和特性 本章采用的s o a 的数学模型是基于s o a 有源区内载流子浓度的速率方程和 光功率传输方程【z ，j 。描述载流子浓度变化的速率方程是 掣= 专一尺( ) 一( ) 一掣 ( 2 1 ) 式中，为s o a 有源区内载流子的浓度，助对应波长为入的光的光功率，为 注入电流，p 为电子电荷量，r 为s o a 有源区体积，厂为光场限制因子， 为 普朗克常数，功光波的频率，a 为s o a 有源区的横截面积。方程( 2 1 ) 右边第一项 表示载流子的注入，第二项是自发辐射复合和非辐射复合引起的载流子消耗；第 三项s a s e 是放大的自发辐射( a s e ) i 起的载流子消耗：第四项表示入射信号光引起 的受激辐射造成的载流子消耗。该方程描述的是只有一个波长的光信号被s o a 放 大的情况，当多个波长的光进入s o a 时，方程右端第四项应该是各个波长信号光 6 t o n ( z , t ) = 万1 叫卟k 莓掣( z ，r ) ( 2 2 ) 兰笋= r ( 列) r g 。( ，钆) 一。， ( 2 3 ) 掣：( 九z ，f ) 瑁。( 九) r - 掣 ( ) - 学( 埘舰+ 噼( 枷m ( 2 5 ) 其中，脚标矿代表不同波长分量的入射光，即尸，对应波长为 ，的光功率：符 号“+ ”和“一”分别代表光波沿+ z 和z 方向传播；a 如。是有源波导内的损耗系 教。方程( 2 2 ) 中的厅为自爱辐射谏率。通常用绎赊公式桌等兹! 墨( ) = 艮c 2 2 ( 2 6 ) 式中，”为自发辐射耦合因子，表明总的自发辐射复合中只有一部分耦合 到相应光场中；凹为双分子复合系数。r o y ) 为总的非辐射复合速率，一般等效为： 母( ) = q n + c 2 n 2 + q 一 ( 2 7 ) 其中，e l 为缺陷、表面复合导致的非辐射复合系数，凹即前面提到的双分子 复合系数，印为俄歇复合系数。也可以引入载流子寿命r 来描述不包含受激辐射 对总的载流子复合时间：厦助= f ，该式表明了载流子寿命与载流子浓度的关 系。式( 2 2 ) 到式( 2 5 ) 中的耵为对应波长为五，的增益系数，它与载流子浓度和光波 波长的关系是： g w = g ( 一印) 一乏( 九一一) 2 + 石( 丸一乃) 3 ( 2 8 ) 乃= 一k o ( n 一印) ( 2 9 ) 其中，为微分增益系数；m 印为透明载流子浓度； ，为对应的增益峰值波 长； c 衲透明时的波长；n 和力为增益常数，力与s o a 的增益带宽有关，1 3 与 增益谱的非对称性有关；如为波长漂移系数。 在小信号入射的情况下，a s e 噪声对增益和有源区内载流子浓度的分布影响 较大；当入射光功率比较大时，a s e 噪声的影响可忽略不计。本文研究的对象中， j b 鏖窑遵盘堂亟堂位j 金塞q 塑量垒曲擅蕉鲍垂! 挂性垃扳 s o a 一般都是工作在深饱和状态，所以为简化计算，在以下的数值计算中可忽略 a s e 噪声的影响。 对上述方程组，我们采用s o a 的分段模型来求解，如图2 1 所示，将整个 s o a 看成由m 个长度相等的子段串联而成，当m 足够大时，可近似认为这些子 段中的载流子浓度是均匀的，不随空间坐标变化，从而可以模拟s o a 有源区中载 流子浓度随空间和时间的变化。本章的数值模拟是基于m = 1 0 完成的。 p 0 - p l - - 图2 一ls o b 的分段模型 在每个子段中的载流子浓度速率方程和光功率传输方程就是： 掣= 专叫廿莓擀以) 掣= 只。( z ；，) r g 。( ；a 。) 4 。 p 。i - - 卜 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 心广至g n k 一+ 岛( 弼一) 2 一言r 一+ ( 弼一印) 3 ( 2 1 2 ) 则每一段的增益系数鲥r 可以表示为： = g n 一一n a 。，) ( 2 1 3 ) 由于采用分段模型来计算s o a 的稳态增益饱和特性，所以当s 0 a 处于稳态 时，每个子段内载流子浓度是不随时间变化的，即口i vd t = 0 ，则对应第i 子段内 的载流子浓度方程为： 警= 万i r ( j ) 一莓乌h v m 。= 。 。( 2 1 4 ) 假设每个子段的长度均为4 z ，可以得到第i 个子段内光功率的传输方程： 昂= 最。唧 r g ，( 一品一n a ) 一i z ( 2 1 5 ) 则每一段的增益为： q ，= 每= 唧 岵”( f 一一，) 一口m z ( 2 1 6 ) 整个s 0 内部的增益就是： g 。：竽：警鲁髟争g 水g 饥2 百2 瓦i 五瓦锄“一矾胁 ( 2 1 7 ) 设波长为1 5 5 0 n m 的连续光注入s o a ，在不同注入电流( i = 8 0 m a ，4 0 m a ) 下， 增益g 与入射光功率h 的关系如图2 2 所示。 目2 - 2 不同注入电蔫下嗣队的增益与入射先功率的关系 从上述结果可以看出，当注入电流提高时，s o a 的小信号增益显著提高，但 饱和输入光功率( 增益b y , 4 信号增益低3 d b 时的入射光功率) 却下降。这是因为， 增加注入电流时，s o a 有源区内的载流子浓度会增加，于是入射光获得更大的增 益而使载流子的消耗速率加快，从而s o a 更容易达到饱和。若针对某一固定的注 入电流，当提高入射光功率时，s o a 的增益呈现出显著的饱和特性。这是因为， 随着入射光功率的提高，受激辐射引起载流子的消耗速率加快，有源区内载流子 得不到及时补充就在一个较低的水平上达到新的平衡，因此增益下降。 2 1 2s o a 的动态增益饱和特性 s o a 增益特性的动态变化主要由波导有源区的s o a 带间效应和带内效应引 起。一般可以用增益恢复时白j 来衡量s o a 的动态增益特性。1 。所谓增益恢复时问， 9 j l 塞至垣厶主硒堂鱼j 佥塞sq 塑星坠曲擅蓝鲍塑拄挂岔伍 是指当一路光脉冲经过s o a 有源区后，s o a 的增益从它的稳态值的1 0 上升到 9 0 所需要的时间，其典型值为几百皮秒。增益恢复时问的大小直接决定s o a 用 作全光信号处理时输出的码型效应、输出消光比以及最高可实现的工作速率，因 而是s o a 中非常重要的性能指标， 采用上述分段模型，假设每段长度均为4 历并以光通过这个子段的时间4 作 为采样时间，则有 a t = 止7 哳c( 2 1 8 ) 其中”巧为s o a 有源区的有效折射率，取 矿- 3 5 ，c 为真空中的光速。式( 2 ，1 5 ) 将空间分割和时间分割联系在一起。 用下标i 表示时间分段，- ，表示空间分段，则和嘞分别表示在第i x d t 时 刻，在第小段内载流子浓度和光功率尸的值，则式( 2 2 ) 可以转化为关于时 间t 的微分方程： 厂( ) = i d i v ，, j = 专一r ( ) 一莓甓鲁 ( 2 r 1 9 ) 应用欧拉法解得： ，= j ，+ 垃厂( m ，) ( 2 2 0 ) 他= + f 矿( 坼) 1 2 2 1 ) ：至墨 ( 2 2 2 ) = 易e 印 艮，( o ，乃) 一， z ( 2 ) 根据增益的定义有： q 。= 誓= 唧 ( 丸) 一 止j ( 2 2 4 ) q ：孕：警：挚粤孚咆倪q ( 2 2 5 ) 号由 最i异j ，最村一1 只_ i “2 。一 。、， 光束通过是产生的相位变化 妒一手m ( 2 2 6 ) 其中 o i e 塞至迪厶堂亟堂焦j 金塞s q 麴星坠鳆擅蕴塑趔拉缝盆短 g o = e x p r g 。【o 一一云( 扣_ ) 2 + 丢( n 以) 3 卜一三 为小信号增益，其中n o = 等，f 为载流子寿命。 ( 1 ) 单脉冲作用下s o a 的饱和特性 稳态情况下，连续光在s o a 中传播时，s o a 有源区内载流子浓度与空间位置 有关。当超高斯光脉冲射入s o a 时，有源区中不同位置的载流子浓度还会随时间 的不同而发生变化。 当注入电流为8 0 m a ，入射的高斯光脉冲波长为1 5 5 0 n m 时，在输入不同脉宽和 峰值功率的光脉冲的情况下，对s o a 内载流子浓度随时间的变化情况如图2 3 所 示。从图中可以看出，在输入脉冲上升沿到达之前，s o a 各小段中载流子的浓度 保持为小信号值，在输入脉冲上升沿到达之后，各小段内载流子浓度随入射光功 率的增加而开始迅速下降，开始达到饱和，随着入射光功率的增加，饱和程度加 深。越靠近s o a 后断面的位置，载流子浓度下降越多。在入射光脉冲的峰值到达 之前，载流子浓度的变化趋势就已经开始变缓慢，当光功率开始下降后，载流子 浓度开始恢复。可以看到，载流子浓度恢复的过程比浓度下降的过程要长。所以， 入射脉冲不同的部分获得的增益不同，这导致输出光脉冲的波形发生畸变。脉宽 相同时，入射光脉冲的峰值功率越高，载流子浓度下降的幅度越大；入射脉冲的 上升沿越陡峭，载流子浓度的下降过程越短。 ( 2 ) 光脉冲序列作用下s o a 的饱和特性 如果输入的光脉冲序列重复周期大于s o a 的载流子寿命，那么在两个相邻的 光脉冲之间，s o a 的载流子浓度可以恢复，每个光脉冲在s o a 内经历的放大过程 可以等效为单个脉冲的放大过程。如果光脉冲序列的重复周期小于s o a 的载流子 寿命，那么在两个相邻的光脉冲之问s o a 的载流子浓度不能完全恢复，这样前 面的光脉冲必将影响到后面进入s o a 的光脉冲的放大。下面讨论光脉冲序列的重 复周期小于s o a 载流子寿命的情况。设注入电流为8 0 m a ，入射光波长为1 5 5 0 n m 、 脉宽为0 d b m 的超高斯脉冲序列。 在光脉冲序列作用下，s o a 有源区内载流子浓度随时间变化的情况如图2 4 所示。从图中可以看出，第一个脉冲进入s o a 后，各段载流子的浓度分布与单个 脉冲注入时相似。在第一个脉冲进入后第二个脉冲进入s o a 前，各段载流子浓度 处于缓慢恢复过程中。在各段载流子浓度还未恢复到稳态时，第二个脉冲已经到 来，于是各段内载流子浓度开始新一轮的下降和恢复。所以，从图中可以看到s o a 内载流子浓度沿时间轴呈锯齿状分布，而且从整体看，前半部分明显下降，后半 j e 塞窑堂塞堂亟堂位i 金塞 sq 塑! 至垒鳆埴苴地盘! 挂挂筮垣 部分趋于平稳。 ( a ) p _ = o d l 细，脉宽l o p s ( c ) p _ ：o d b l ，脉宽l o o p s ( b ) p ，= 1 0 d 踟，脉宽l o p s ( d ) p “= 1 0 d b m ，脉宽1 0 0 p s 图2 3 不同脉宽和峰值功率的超高斯脉冲引起的s 0 矗有源区内载流子的浓度变化情况 图2 4 在光脉冲序列的作用下，s o a 有源区内载流子浓度的变化情况 光脉冲序列输入后，输出光脉冲波形的畸变情况如图2 5 所示。输出的前两 2 个光脉冲波形差别比较大，而后面的输出波形基本上没有太大变化。第一个光脉 冲与前面所述的单脉冲入射时的情况相同，后面的光脉冲进入s o a 时，s o a 内的 载流子浓度尚未恢复，因此输出脉冲峰值较小，倾斜程度较低。经过几个光脉冲 后s o a 内的载流子浓度在整体上趋于平稳，因此输出的光脉冲波形峰值基本稳定。 图2 5 光脉冲序列输入s o a 后的输出波形 2 2e d f a 的增益饱和特性 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益表示e d f a 的光放大能力，是输出功率与输 入功率之比，通常在1 5 4 0d b 范围内。光纤掺铒浓度、泵浦光功率、光纤长度、 泵浦光的波长等因素都会影响增益的大小。泵浦功率小时，输出光功率增加快， 随着泵浦功率的不断加大，光放大器增益出现饱和，此后即使泵浦功率增加很多， 增益将基本保持不变。在后面的光数据包循环复制实验中将利用e d f a 的光放大 能力进行功率补偿；在帧头提取的改进方案中将利用e d f a 的增益饱和特性。本 节重点讨论e d f a 的增益饱和特性。 2 2 1e d f a 的原理和结构 ( 1 ) 掺铒光纤e d f 的能级跃迁【2 2 l e d f a 的增益介质是掺杂铒离子的单模光纤一掺铒光纤e d f ，放大器的特性 主要由掺杂元素e ，决定。e ，的能级结构如图2 6 所示： 上图表示e ，能级跃迁中的三个主要的跃迁过程： 1 ) 从基态4 i j 耽到激发态4 1 l l ，2 ，对应于9 8 0 r i m 波长 2 ) 从基态4 i j 北到亚稳态4 1 1 3 ，2 ，对应于1 4 8 0 r i m 波长 3 ) 从亚稳态4 i z 弛到基态4 i t 姬，对应于1 5 5 0 r i m 波长。 4 i l 耽 图2 6e ，能级结构简图 铒离子从基态4 1 1 粥到激发态4 i 。l ，2 的跃迁过程为：当粒子被激发到高能态 4 i l 们上，然后以非辐射跃迁的方式转移衰变到亚稳态4 i l 北，4 1 l l ，2 到4 i i 3 2 的热弛豫 时间常数仅为几个纳秒。但是处于4 1 1 3 ，2 能级寿命约为1 0 m s ，因此可以形成激光 粒子数反转，整个过程相当于三能级系统。 铒离子从基态4 1 1 5 ，2 到亚稳态气3 ，2 的跃迁只涉及基态能级4 1 1 妮和亚稳态能级 4 1 1 3 ，2 ，4 i j m 的能级寿命约为1 0 1 2 m s 。同样可以实现粒子数反转。这一过程相当 于二能级系统。虽然是一个二能级系统，但其受激吸收和受激辐射并不是同一波 长。这是因为亚稳态4 i m 实际上并不是一个能级，而是一个能带，所以二者波长 不一致是可以理解的1 1 1 。 4 1 1 3 ，2 与4 1 1 5 ，2 之间的能级为0 8 e v ，与1 5 5 0 n m 波长的光子能量相近。当1 5 5 0 r i m 波长的信号光的光子入射进己被泵浦光激发至粒子数反转的掺铒光纤时，两者之 间存在量子力学的谐振效应，导致亚稳态离子返回基态，释放出与入射波长相同 的额外光子，形成光放大。当然，入射光也可能使处于基态的离子激发到亚稳态 而被吸收，但只要铒离子处于粒子数反转分布态，则谐振辐射总是大于吸收，导 致入射光的增强，产生光放大。1 4 8 0 r i m 泵浦光的波长与9 8 0 r i m 的波长相比，1 4 8 0 r i m 的光子能量更接近1 5 5 0 n m 波长，因此从能量的转换效率看，1 4 8 0 r i m 光的转换效率 更高。但二能级系统的不和因素是存在泵浦波长上的受激辐射过程，将消耗处于 激发态的粒子数，从而引起放大器饱和增益和噪声特性的劣化。采用三能级系统 ( 9 8 0 n m 泵浦) 时，采用9 8 0 n r n 泵浦的e d f a 不存在泵浦上的受激辐射过程，所以 1 4 业塞銮迪厶堂亟土堂僮监塞q 塑基q 的擅益塑塑挂挂盆蚯 从光子的转换效率( 1 5 5 0 n m 的受激放大的光子数与9 8 0 n m 泵浦的光子数之比) 的 角度看，9 8 0 n m 的光子转换效率更高。同样，由于1 4 8 0 n m 存在较严重的自发辐射， 所以噪音特性也不好。 ( 2 ) e d f a 的结构 根据泵浦光与被放大的光( 称为信号光) 的传输方向不同，可将e d f a 分为 同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种。掺铒光纤放大器e d f a 的基本结构由掺铒 光纤、泵浦源、波分复用耦合器以及隔离器等器件组成。泵浦源般为具有高可 靠性和高输出功率的半导体激光二极管，它的功率决定e d f a 的最大输出功率， 泵浦源的功率在l o o m w 3 0 0 m w 之内。在e d f 输入侧的波分复用耦合器w d m 用 于将泵浦光与信号光耦合到掺铒光纤e d f 内，而在e d f 输出侧的波分复用耦合器 w d m 用于将e d f 内的泵浦光与信号光分离，以便在信号光向传输光纤输出的时 候，泵浦光不至于进入到传输光纤。在e d f a 的输入端的光隔离器用于阻止e d f 产生的噪声光( 被称为自发辐射a s e 噪声) 反向沿光纤返回损伤信号光的光源。 输出端的隔离器用于防止在输出端可能的反射，以避免放大器发生激射。 泵浦光在沿着e d f 传输的时候，它一方面存在石英光纤对它的吸收而引起损 耗( 石英光纤在9 8 0 呵的吸收损耗相对大一些) ，另一方面也会由于铒离子的受激 吸收而产生损耗，所以总损耗是很大的。在铒光纤的输入端，信号光很小，产生 饱和的可能性小，需要的泵浦功率也小。到输出端，信号光的功率已经变得比较 大，较容易产生饱和，这时希望有更大的泵浦功率。同向泵浦在输入端泵浦功率 大，输出端的泵浦功率小时，比较容易饱和，所以不宜作为功率放大器。而反向 泵浦恰恰相反，因此比较适合作功率放大器。但是噪声性能恰恰相反，因为噪声 性能主要由前置放大级决定。我们可以把一个e d f 分成若干段，放大器的噪声主 要由最开始的那一段决定，噪声系数主要由自发辐射因子或者粒子数不完全反转 因子所决定。同向泵浦在e d f 的输入端的泵涌功率强。所以粒子数基本完全反 转，一。；1 ，因此总的噪声要小。反向泵浦则相反，因为到达e d f 始端的光功率已 经很小，粒子数转换不完全，一。，1 ，因此噪声指数大。所以前向泵浦适合于作为 低噪声的前置放大器。双向泵浦可以使整个e d f 上的泵浦功率均衡，所以同时具 有较大的输出功率和较低的噪声、线性范围宽，适合于作为线路放大器。 2 2 2e d f a 的增益特性 放大器的小信号增益定义为当输入信号远小于饱和功率时的信号增益。在 e d f a 中，信号光放大和自发产生a s e 光都会消耗上能级粒子数。如果泵浦光功 率足够大而信号光与a s e 都很弱，上下能级的粒子数反转度很高，可认为沿e d f b 壅窑堑厶望亟堂位监塞sq 塑曼q 趋增益地垂! 拄性岔丘 长度方向上的上能级粒子数保持不变，放大器增益可达很高的值，并且随输入信 号光功率的增加仍维持恒定。这时的增益就是小信号增益，一般小信号增益可达 4 0 5 0 d b 以上。 在e d f a 中影响小信号增益的参数主要有：( a ) 掺铒光纤的长度；( b ) 掺铒光纤 的掺杂浓度：( c ) 泵浦功率。通过解前述的传输方程得到。实验发现：在每个泵浦 功率下，存在个最佳的光纤长度，在此长度下，信号增益最大。当超过这个光 纤长度时，在这段光纤中没有足够的粒子反转，信号在光纤中会被吸收，反而降 低整体的放大系数。e d f a 的小信号增益g 与掺铒光纤长度三和归一化输入泵浦 功率p p ( 0 ) 的关系为 l i h l q 。一吼工十& ( 1 + 彳) e a o ) t e x p 石砑i n q 一番- 一a t l 】) ( 2 2 7 ) 毛= q ，口。( 2 2 s ) 彳= ( 仉一) ( 1 + 仉) (