（光学工程专业论文）基于soa偏振旋转的多包缓存研究.pdf

本学 授权北京 提供阅览 同意学校 ( 保 学位 签字 、 r | 致谢 值此论文完成之际，我想向曾经给我帮助和支持的良师益友表示衷心的感谢。 首先，由衷的感谢我尊敬的导师王健老师。他严谨细致、一丝不苟的作风一 直是我工作、学习中的榜样。他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的 启迪。在此，谨向王老师表示衷心的感谢和崇高的敬意，在此祝愿他身体健康， 全家幸福! 同时我还要感谢吴重庆教授，盛新志教授，王智教授，李政勇老师和 刘岚岚老师两年来给予我的辛勤的教育及无微不至的关怀。 感谢冯震博士在实验方面给予我的指导和支持，感谢刘国栋同学协助我完成实 验。感谢赵爽博士、王拥军博士、余贶碌博士、王亚平博士、毛雅亚博士、高凯强 博士、杨双收博士、尚超博士，他们丰富的工作经验和深厚的专业功底在我遇到难 题时帮助了我。感谢张清涛、张慧源，与他们同窗两年朝夕相处的日子是我一生的 精神财富。 最后，我要深深感谢生我养我的父母。在我进行我的学业的时候，他们在远 方不断的给予我支持、鼓励和关心；我能完成这篇论文，完成我的学业，也有他 们的一份功劳。在此祝愿他们开开心心，身体健康! 中文摘要 摘要： 随着光纤通信技术的飞速发展，光通信网络已经成为现代通信网的基础平台。 但是在网络节点处，仍需将光信号转化为电信号再对其处理，而且由于电子器件 响应时间及交换设备本身带宽的限制，就形成了网络节点处的“电子瓶颈”。全光 缓存器能够在光域内直接完成数据包的存储而不需要经过光一电一光的变换，有 效克服了现存通信网络中的电子速率瓶颈，成为全光包交换网络中交换节点处的 关键器件，是实现光分组同步、竞争解决和流量整形的关键。 本文对基于半导体光放大器( s o a ) 的非线性偏振旋转( n p r ) 效应的多包缓存 技术进行了研究，改进了实验系统，并完成了两级级联的实验。该光缓存器具有 结构简单、易级联、易集成、功耗小、重构速度快、易于控制和成本低等优点。 本文的主要工作如下： 1 分析了半导体光放大器的非线性理论，对半导体光放大器的非线性偏振旋 转理论进行了阐述。 2 完成了s o a 高电流驱动电路和温控电路的焊接调试及集成。 3 完成实验系统的搭建，并对实验系统进行优化，减少了系统的损耗。 4 完成了2 5 g b s 信号源下的两级级联系统的多包缓存，缓存深度达到了 9 0 。 关键词：半导体光放大器( s o a ) ；非线性偏振旋转；光缓存器；多包缓存 分类号：t n 9 2 9 a bs t r a c t a b s 。l r a c i ： w i t l lt h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ff i b e rc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e c o m et h eb a s i cp l a t f o r mi nm o d e mc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k h o w e v e r , i nt h ec o m m o nn e t w o r kn o d e s ，w es h o u l dt r a n s f e ro p t i c a ls i g n a lt o e l e c t r o n i cs i g r l a l ，t h e np r o c e s si t b e c a u s et h er e s p o n s et i m eo fo p t i c - e l e c t r o n i cd e v i c e s a n dl i m i t a t i o n so fs w i t c h i n ge q u i p m e n tb a n d w i d t h , t h e r ei s a ne l e c t r o n s p e e d b o t t l e n e c k i nt h en e t w o r kn o d e a l l o p t i c a jb u f f e rc a nc o m p l e t et h es t o r a g eo fd a t a p a c k e t si no p t i c a ld o m a i nw i t h o u tt h en e e do fo p t i c a l - e l e c t r o n o p t i c a lt r a n s f o r m a t i o n ； e f f e c t i v e l y o v e r c o m et h e e l e c t r o n s p e e d b o t t l e n e c k p r o b l e me x i s t i n g i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a n di th a sb e c o m et h ek e yd e v i c e si na l l o p t i c a lp a c k e t s w i t c h e dn e t w o r k o p t i c a lb u f f e rc a na l s ob eu s e di no p t i c a lp a c k e ts y n c h r o n i z a t i o na n d t r a f f i cs h a p i n g i nt h i sp a p e r , w ed i dal o to fr e s e a r c ho nm u l t i - - p a c k e ts i g n a l sa l l - - o p t i c a lb u f f e r i n g b a s e do ns 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 ) 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 r ) e f f e c t w ei m p r o v et h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，a n dc o m p l e t eat w o - c a s c a d es y s t e m e x p e r i m e n t t h eo p t i c a lb u f f e rh a sas i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt oc a s c a d e ，e a s yi n t e g r a t i o n , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , 州c kr e c o n s t r u c t i o ns p e e d , e a s yt oc o n t r o la n dl o wc o s t t h e m a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 a n a l y s i so f t h en o n l i n e a rt h e o r yo fs 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 ) ，a n d m a k ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no fs 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 ) n o n l i n e a r p o l a r i z a t i o nr o t a t i o nt h e o r y 2 c o m p l e t et h ew e l d i n ga n dd e b u g g i n g o fs o ah i g hc u r r e n td r i v ea n dt e m p e r a t u r e c o n t r o lc i r c u i ta n dt h ei n t e g r a t i o no ft h e s ec i r c u i t s 3 s e tu pt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，w h i c hi so p t i m i z e dt or e d u c et h es y s t e ml o s s 4 c o m p l e t ea2 5 g b ss i g n a l s o u r c em u l t i p a c k e tb u f f e r i n gi nat w o - c a s c a d e s y s t e m , 、析t l lt h eb u f f e rd e p t hr a i s eu pt o9 0 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 ( s o a ) ；n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o n r o t a t i o n r ) ；a 1 1 o p t i c a lb u f f e r ；m u l t i - p a c k e ts i g n a l sb u f f e r i n g c i a s s n ：t n 9 2 9 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 1 绪论1 1 1 全光缓存器的研究意义一l 1 2全光缓存技术的发展1 1 3本文的研究内容与结构5 2半导体光放大器的非线性偏振旋转理论分析6 2 1 半导体光放大器( s o a ) 基本结构及工作原理一6 2 1 1 半导体光放大器( s o a ) 的结构6 2 1 2 半导体光放大器( s o a ) 的原理6 2 1 3 交叉偏振调制( x s m ) 7 2 2 半导体光放大器的非线性偏振旋转效应( n p r ) 产生机制8 3实验方案及关键器件介绍l3 3 1实验总体方案介绍1 3 3 2s o a 驱动电路1 6 3 3关键器件介绍2 0 3 3 1 偏振分束器2 0 3 3 2 偏振控制器2 5 3 3 3 光纤滤波器和光纤耦合器2 6 3 3 4 半导体光放大器2 7 4基于s o a 偏振旋转效应的多包缓存实验结果3 0 4 1基于s o a 偏振旋转效应的全光级联缓存器3 0 4 2偏振主态的调节3 l 4 3多包缓存实验结果3 3 5总结与展望3 9 参考文献4 0 附录as o a 驱动及温控电路4 2 附录bf p g a 控制程序4 4 附录c 缓存单元实物图4 7 作者简历4 8 独创性声明4 9 学位论文数据集一5 0 1 绪论 1 1全光缓存器的研究意义 随着社会的进步，互联网的发展越来越快，人们对信息的需求与日俱增，网 络流量飞速增长。统计表明，由数据业务引起的带宽需求每年以1 8 倍的速度增 长，各种新兴业务如高清电视( h d t v ) 、可视电话等等也在蓬勃发展。这就给通信 容量提出了更高的要求，各国都已开始了大容量光传输系统的研究和建设。利用 现在相对比较成熟的波分复用技术，包括密集波分复用技术( d w d m ) ，光时分复用 技术( o t d m ) 等，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 ，光纤传输的基本问题得到了解决。 但现有技术只提供了原始的传输带宽，需要有功能灵活的节点才能实现高效 灵活的组网能力。目前基于电子技术的通信网中，网络的各个节点要完成光电 光的转换，其中的电子器件受限于器件工作上限速率4 0 g b s ，在适应高速、大 容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由 此产生了通信网中的“电子瓶颈 现象【2 j ，为了解决这一问题，全光网研究的注意 力开始转向光节点，就是直接在光域中进行交换以克服“电子瓶颈，在光层面 上来解决节点的容量扩展问题。从而人们将研究目标转向了光域交换【3 4 】。 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 ) 是飞速发展的光域交换技术之 一。光分组交换简言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。 o p s 是分组级的光信号处理，与波分复用网络相比更加灵活，能有效利用光纤巨大 的带宽资源，它的优点在于：光信号在通过交换单元时不需要进行光一电一光的 变换，因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率和调制 方式透明，可以大大提高交换单元的吞吐量，给下一代网络带来广阔的应用前景。 作为光分组交换的关键技术之一，就是为了要解决竞争而必须采用光缓存器。 1 2 全光缓存技术的发展 对于光缓存器，目前在学术界比较接受的定义为：它是一个无需进行光电变 换且输出数据流( 厶f ) 是输入数据流厶( 0 ，f ) 的拷贝( 三为器件长度) ，而且数据 在一定的色散和失真范围内能够缓存一定的时间f ，如图1 1 所示。 图1 1 全光缓存器不意图 f i g 1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fa l l - o p t i c a lb u f f e r 理论上，光脉冲的缓存时间f = l v ，其中l 是光脉冲的缓存长度，v ，是光 脉冲的群速度。控制缓存时间意味着或者控制缓存长度，或者控制群速度，或者 二者同时进行。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 t ) 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。 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，远远不能满 足网络的实际需要。因此目前阶段慢光型全光缓存器还无法进行实际应用【4 】。 光纤延迟线及光纤环型光缓存器的方案就比较多了，最早被提出来的方案是 利用光纤的延时特性配合光开关来调节延迟时间，就构成了“交换延迟 线”( s w i t c h e dd e l a yl i n e ，s d l ) ，它是由美国m a s s a c h u s e t t s 大学的i c h l a m a t a c 等人 在1 9 9 1 年提出的【5 1 ，其结构如图1 2 所示。但因需要复杂的开关与调节要求，成 本高、数据串音大、而没有得到应用。 j n l 缸2 o u t l o u t 2 s w l s w 2 s w 3 图1 2 交换延迟线( s d l ) f i g 1 2s w i t c h e dd e l a yl i n e 此后有提出了多种光纤型缓存器结构，如2 0 0 5 年北京交通大学刘爱明等人提 出的基于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 l 2 0 j b u f f e r ) 方案，其结构如图1 3 所示【6 】。该缓存器利用了3 3 平行排列耦合器的干 涉特性，由光纤连接耦合器两侧的边端口形成0 0 字型光纤环，数据包的读写控制 则是由放置于环中的半导体光放大器( 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 ) 这一 非线性相移元件来完成。当需要被缓存的数据包经环型器进入耦合器的2 端口， 它在4 、6 端口将被分为等强度的两束光分别沿顺时针和逆时针方向传输。当同步 控制光脉冲不存在时，两束信号光绕行右侧环一周后返回耦合器二次干涉后将由 原输入端口2 反射输出。当同步控制光通过一个波分复用耦合器w d m 引入光纤 环时，由于s o a 中交叉相位调制的作用两束信号光间将会产生一非线性相移。调 节控制光的功率使得该相移达到万时，信号光干涉后将会出现在l 、3 端口，此后 信号光将会一直在o o 字型光纤环中绕行，这就是存储效应。当要读出数据时只需 再次引入控制光脉冲，这样数据包就从2 端口被读出。该方案的优点在于结构简 单易于集成、读写速度快易操作。目前已实现了2 5 g b s 、3 2 圈的数据存储。 图1 3 双环耦合全光缓存器 f i g 1 3d u a l - l o o po p t i c a lb u f f e r 近年来，随着光缓存器的日趋实用化，能够实现对于多个数据包进行缓存的 缓存器结构被提出来。2 0 0 6 年提出的基于交叉光开关( o p t i c a lc r o s s p o i n ts w i t c h o x s ) 矩阵的光缓存器，并利用这种缓存器来完成光包的时隙交换r 7 1 ( t m a e s l o t i n t e r c h a n g et s i ) ，实验方案如图1 4 。开关节点由两个相互垂直的耦合器构成，耦 合器由无源波导与有源介质层叠加构成，当注入电流时，矩阵节点的开关状态由 注入节点有无电流决定。如图1 5 是其实验结果。 这个系统的缺点是由于0 x s 的衰减很大，在环中需要光放大器进行功率补偿， 会造成信号损伤和信噪比下降；节点开关由电流控制，开关速度较慢；每个节点 开关在导通状态需要很大的电流，功耗较大。 3 a h 口t k m 图1 4 基于交叉光开关矩阵的光缓存器来完成时隙交换的实验系统 f i g1 4e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rt s iu s i n gt h eo p t i c a lb u f f e r sa n do x sm a t r i x 7”9+ ”。 、一。一| 蕊二二二二二二：二二 ；p a c k e t 加蝴。：蝴1 3 钧鼬 i 卜，：。终叫- 雾；蠢39 秽47 ； 7 “+ i 4 ：。+ 。 。”“”：“ 4 ”一? 4 一5 n 搴，d k 4 ，函嗍_ 一 ) 2 2 i i s - i 一5 一j j ：5 3 92 。一 + ，_ y 图1 5 时隙交换实验结果图 f i g1 5 t h ee x p e r i m e n tr e s u l to ft s i 2 0 0 8 年北京交通大学程木等人提出了基于s o a 非线性偏振旋转的光缓存器 【3 】，如图1 8 所示。该系统利用s o a 的非线性偏振旋转特性，当信号光通过s o a 时，若偏振态不变，信号直接通过缓存器，从下路端口输出；当信号的偏振态旋 4 转到其正交的偏振态时，其信号通过偏振分束器缓存到光纤环里，从而实现对光 信号的缓存；当需要读出信号时，非线性偏振旋转器件s o a 把缓存信号的偏振态 再次旋转一次，被缓存的信号就可以从光纤环中读出。该方案具有结构简单，易 集成、功耗低、缓存深度高等优点，目前已经实现了2 5 g b s 的1 0 2 4 比特数据的 1 2 圈缓存。 图1 8 基于s o a 偏振旋转的光缓存器 f i g1 8a 1 1 一o p t i c a lb u f f e rb a s e do nn 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 ni ns o a 1 3本文的研究内容与结构 基于s o a 偏振旋转的光缓存器与其它光缓存器相比具有结构简单、易级联、 易集成、功耗小、重构速度快、易于控制和成本低等优点。而且多包缓存这一领 域目前尚未有深入的研究，因此本文对于基于s o a 偏振旋转的多包缓存的研究是 很有意义的。本文的主要结构如下： 第一章绪论介绍了全光缓存器的发展及国内外研究现状，对各种类型的光缓 存器的优缺点进行比较。 第二章介绍了s o a 的非线性理论，对s o a 的非线性偏振旋转效应进行了理论 阐述。 第三章介绍了实验方案，给出了实验系统框图，并对实验中所应用到的关键 器件进行了介绍。 第四章是实验结果部分，我们完成了2 5 g b s 信号源下的两级级联系统的多 包缓存，缓存深度达到了9 0 。 第五章总结了论文所取得的成果，并对未来的工作进行了展望。 5 2 半导体光放大器的非线性偏振旋转理论分析 2 1半导体光放大器( s o a ) 基本结构及工作原理 半导体光放大器在光纤通信系统中有广泛的应用，它可以作为光发送机的功 率放大器、光纤系统的在线中继放大器、光接收机的前置放大器和光分路补偿功 率放大器。s o a 有比较好的非线性以及体积小可集成等优点，正在成为光信号处 理的关键器件，它可以用于高速通信网中的光开关、光复用解复用器和波长变换 器等光信号处理模块的非线性器件。在本章，s o a 作为一种偏振旋转的器件，我 们将介绍它的非线性偏振旋转性能。 2 i i半导体光放大器( s o a ) 的结构 半导体光放大器，其基本结构、原理与特性和半导体激光器非常相似，都是 基于激光半导体固有的受激辐射光放大。半导体光放大器由有源区和无源区构成， 如图2 1 【9 】所示，有源区为增益区，使用i n p 这样的半导体材料制作，与半导体激 光器的主要不同之处是s o a 带抗反射涂层，以防止放大器端面的反射，排除共振 器功效。抗反射涂层就是在端面设置单层或多层介质层。以平面波入射单层介质 层时，抗反射膜的条件相对于厚度为l 4 波长。实际的放大器，传输光是数微米 的点光。 图2 1半导体光放大器的基本结构 f i 醇1b a s i cs t r u c t u r eo fs 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 2 1 2半导体光放大器( s o a ) 的原理 s o a 的工作原理与激光器几乎相同，其主要区别在与是否有谐振腔。当有反射 6 并且形成优良的谐振腔时，振荡阈值很低，它很容易工作在单一频率的激光器状 态，而不能工作在放大状态；当没有反射时，振荡阈值很高，理论上可以无限大， 它就不可能工作在激光器状态，只可以工作在放大状态，称这种状态为行波放大 器t w s o a 。s o a 的工作过程可描述为：首先电流将低能级粒子激发到高能级，然 后输入的光子将高能级粒子激发到低能级，高能级粒子数目减少，光子数增加， 实现光放大。电流再将低能级粒子激发到高能级，高能级粒子数达到平衡，光子 数增加，实现光不断放大。因此在s o a 中，载流子在泵浦电流的作用下跃迁到高 能级，进而使输入的光子在s o a 中产生受激辐射放大，是s o a 中的两个基本过程。 s o a 的一切物理性质都来源于这两个物理过程。 2 1 3交叉偏振调制( x s m ) s o a 具有波导不对称结构，且本身s o a 具有双折射，所以它对t e 模和t m 模的 有效折射率是不同的，从而t e 和t m 模将引进不同的相位变化，经过s o a 后，偏 振态就会发生变化。这种非线性效应就称为交叉偏振调制。这种效用既有利又有 弊，一方面它可以应用于全光波长变化、光逻辑门、光时分复用、光开关和光再 生中【2 5 捌；另一方面，它对s o a 的其它非线性应用会产生不利的影响，比如对基 于s o a 交叉相位调制或四波混频效应的波长转化产生不利影响。 交叉偏振调制需要通过泵浦光调制s o a 中的载流子浓度来实现，设以，为载流 子浓度为零时的模式折射率，r 为光场限制因子，d n d n 为微分折射率。若s o a 有源区中载流子浓度发生a n 的改变时，模式折射率为n e f f = 刀，+ r ( d n d n ) 出v 。 若波长为五的光在s o a 中经过的路程为z ，则t e 与t m 模的相移分别为： a o ，= 2 7 r n a j a z , z a o y = 2 r c n 万，a z , 免 ( 2 1 1 ) 设t e 模电场振动方向和t m 模的横向电场振动方向分别为x 方向和y 方向， 用琼斯矢量来表示任意一个偏振态。设s o a 增益对偏振不灵敏，毛为入射探测光。 当泵浦光为“0 时，s o a 中振幅增益为蜀，载流子浓度为 ，探测光在s o a 中 经过z 的路程后，t e 和t m 模的相移分别为吮1 和矽，1 ，此时其偏振态由既变 为毛： “- 授三搬： 小量：= ： 亿， 泵浦光为“i ”时的振幅增益为岛，载流子浓度为为2 ，探测光在s o a 中进 过路程z 后，t e 模和t m 模的相移分别为丸2 和，2 ，此时探测光的偏振态由 瓦变为骂。 在晶中，琼斯矢量两分量的相位差为唬，+ 吮。一死，- a 办，而在互中则为 唬，+ 丸：一九，- a 办：，即探测光的偏振态受到了泵浦光的调制。偏振态的调制情 况可以用它们的相位差变化丸来表示： 呜：( 死，+ 吮。一九y 一以。) 一( 九，+ 丸：一死y 一哆：) 2 1 3 将上式展开： 妨= ( 2 尬旯) 一( r ，a , , a n r y 西勺五) ( l 一2 ) 2 l4 ) 两模式的相移差如就可以表示交叉偏振调制的效果。 2 2 半导体光放大器的非线性偏振旋转效应( n p r ) 产生机制 s o a 的非线性偏振旋转( n o n li 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 ) 是s o a 的 非线性偏振特性的重要方面。严格说s o a 的非线性偏振特性应包括两个方面，即 偏振相关的增益特性和偏振相关的相移特性。一般情况下，s o a 的非线性偏振特性 指的是偏振相关的增益特性；而s o a 非线性偏振特性的另一个方面偏振相关的相 移特性，曾经未能引起人们的广泛关注，但近年人们正深入全面地研究s o a 的偏 振特性及其应用。半导体光放大偏振相关的增益特性指的是s o a 中不同模式( t e 和 t m ) 获得的增益不相同，从而同偏振态的输入信号的增益不相同。s o a 的偏振相关 的相移特性，是指不同偏振态的光在通过s o a 时发生的相位变化不相同，进而导 致从s o a 中输出的光信号偏振态与进入时不同。s o a 的偏振相关增益特性与偏振相 关相移特性是有联系的，两个效应都会导致输入s o a 的光在输出时功率和偏振态 都会变化，在邦加球上就会表现为非线性偏振旋转( n p r ) ，影响s o a 中的非线性 偏振旋转的因素有s o a 的注入电流、控制光功率以及入射喜欢自身功率变化等。 s o a 的非线性偏振旋转速率可达1 2 0 f s 1 0 1 ，因此受到广泛关注。目前s o a 的非线性 偏振旋转已经在全光信号处理【1 、全光波长变化【1 2 】、全光逻辑门【1 3 1 、全光包头提 取等方面得到了广泛的应用，北京交通大学的赵爽等同学于2 0 0 9 年完成了基于s o a 的偏振旋转效应的波长转换器【1 4 1 。 关于s o a 的非线性偏振旋转( n f r ) 特性方面的理论研究，d o n e n 等人提出了 s o a 工作速率为几十个g h z 时的n p r 理论【1 5 1 ，建立简单的速率方程来对s o a 中 的偏振开关特性进行解释。 8 若器件工作速度为几十个g h z ，可以超快效应忽略。根据n p r 理论，偏振电 场可以分解为横向电场f i e ) 和横向磁场( 田哪分量，t e 与t m 分量独立地在s o a 中传输并通过增益饱和进行间接作用。该理论是在假设偏振分量的增益与相应偏 振方向上空穴数多少相关的前提下提出的。 在s o a 中，将输入信号光的入射偏振态的电场分为平行于波导层面( t e 模) 和垂直于波导层面( t m 模) 两部分，设定与两个模的正交垂直方向为光场的传播 方向。在忽略s o a 带内动态效应时，它们的传输方程可以分别写为： t e 模的光场分量彳厄( z ，f ) 的传输方程为： ( 昙+ 哆主 a r e ( z 力= 三r 陋( 1 + i o n ) g 晒( z ，沪三瑶俨亿f ) ( 2 2 1 ) 彳r e ( z ，) = 柝而眦 ( 2 2 2 ) 其中，a t m ( 乃，) 为光场的复振幅，哆为光波的中心频率的群速度，g 您为模式 增益，f 陋为模式限制因子， 口阿为t e t m 模式的相位调制系数，为模式损 耗，矽阿为相应模式的相位。 t m 模光场分量a t m ( z ，f ) 的传输方程为： g + 乏) 俨( z ，垆_ z 1w o + 州亿力 瑶俨伍力c 2 2 3 ) a 蹦( z ，t ) =小而而矿吼叫) ( 2 2 4 ) 其中，a r u ( z ，f ) 为光场的复振幅，y y 为光波的中心频率的群速度，g 聊为模 式增益，r 脚为模式限制因子，为t e t m 模式的相位调制系数，为模式 损耗，删为相应模式的相位。 s o a 导带中电子数为n a z ，f ) ，沿着x 与y 方向上跃迁的空穴数分别为力，( z ，f ) 、 ，l ，( z ，f ) 。研究表明，刀，( z ，f ) 仅为轻空穴带的数目，而吃( z ，f ) 由2 5 的轻空穴与7 5 的重空穴组成，并且轻空穴要比重空穴容易跃迁，所以t m 方向上的空穴数更易发 生跃迁，这种跃迁的难易程度可通过t e 与t m 模式的非平衡系数厂来计算。 在i i 七弓 a , s o a 单位长度上的光子数量s 删聊( z ，f ) ，s 聊聊注入s o a 光功率 p 愿例之间的关系为： 9 占是增益压缩系数，它在s o a 中的典型值为1 0 一。若我们假设总的空穴数等 于电子数，即为。 n c ( 乏矿了三n x ( z ，t ) + n y ( z ，f )( 2 2 9 ) 其中的n x ，b y 分别为t e 、t m 方向载流子在平衡状态下的平衡值，它们是 由s o a 输入电流所决定的。五是电子与空穴重新结合时间( 约为5 0 0 ps ) ，互为内 部空穴的驰豫时间( 约为l o o ps ) ，( 2 3 1 1 ) 与( 2 3 1 2 ) 式中的最后一项与空穴的 受激重新结合有关。这里我们忽略超快脉冲进入s o a 的情况，所以两个偏振方向 的空穴数紧密结，心与n y 之间有关系： n x ( z ，f ) = f 咒y ( z ，f ) 因而求解( 2 2 1 1 ) 和( 2 2 1 2 ) 时，等式右边的第二项可以略掉。即： 皇竺掣= 一! 毕一g 陋( z ，f ) s 磁( z ，f ) 西z 。 一7 7 里! 掣= 一_ n y ( z , t ) - m g t m ( z ，f ) s t m ( z ，f ) _ 二一= 一一一9 7fz f - 国z 。 ( 2 2 1 3 ) ( 2 2 1 4 ) 非平衡系数厂是用来量度各向异性的一个参数，在无应变张力的半导体块材料 中，各个方向上的增益是相同的，这时厂= 1 ；而在具有张力应变的半导体材料中， t m 模式对应的g 脚大于t e 模式对的增益g 疆，也是就是说，厂 1 ：f 的取值通 常在o 5 1 0 范围内。因此可以得出平衡状态下， - - f n 阮= 衙 ( 2 2 1 5 ) 一 1n v 刀y = 五 ( 2 2 1 6 ) 。 1 + 厂 u 。 其中 丁= 三丁 p i 为注入s o a 的电流，e 为电子电荷基本单位。 可以得出s o a 两个模式对应的放大器增益： g r e = p , f ( f r e g t m - ) 哆】出 g t m = e f ( f r u g t m - ) 】如 ( 2 2 1 7 ) 由( 2 2 1 ) 式和( 2 2 2 ) 式， ( 2 2 1 8 ) ( 2 2 1 9 ) j 匕塞交通太堂亟堂僮i 金塞坐昱佳迸越太墨数韭线性堡握箧整理论筮蚯 同时，利用( 2 2 6 ) 式 t e 、t m 模的小信号增益： 礤= p , g t m 一 、( 2 2 ”式、( 2 2 1 5 ) 式和( 2 2 1 6 ) 式，可以得到 c ( 等) - _ 眠， c ( 若卜o ， ( 2 2 2 0 ) ( 2 2 2 1 ) 本文主要利用s o a 的非线性偏振旋转效应来完成信号的缓存与读出。当 光信号通过s o a 时，由于非线性偏振旋转效应，信号的偏振态将发生变化， 此时通过调节s o a 的驱动电流，使s o a 输出信号的偏振态旋转到与输入信 号的偏振态正交的状态，这样就实现了信号的缓存。信号在光纤环中环绕一 周再次经过s o a 时，偏振态再次旋转，变回到最初的状态，便完成了信号的 读出。具体细节将在下一章进行阐述。 1 2 3 实验方案及关键器件介绍 3 1实验总体方案介绍 基于s o a 非线性偏振旋转的多包缓存实验总体结构方案图3 1 所示，两个光 纤环分别和两个非线性偏振旋转器件( n p r ) 组成个缓存单元。光信号可以在 其中一个和多个缓存单元中缓存。我们所做的实验是将光包分别在两个缓存单元 里缓存并读出，需要将两个缓存单元级联起来。 缓存肇冗i 缓存单元2 图3 1 实验方案结构图 f i g3 1b a s i cc o n f i g u r a t i o nf o re x p e r i m e n t 图3 2 缓存单元细节图 f i g3 2t h ed e t a i lo ft h eb u f f e r i n gu n i t 缓存单元具体细节如图3 2 ，我们参照的是文献 8 】中的方案，并对其进行了改 进。由于我们对环中的损耗进行了有效的控制，使得光信号在进入光纤环中时仍 然保持较大光功率，从而使得下一级的输入有足够的功率，因此我们去掉了光纤 环中的e d f a 。 实验的具体方案如图3 3 ，l d 发出的光信号经过p p g 的调制后输入到缓存单 元中。f p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，可编程逻辑器件，用来产生 控制信号，对s o a 的驱动进行控制。经过p c i 的调节使进入p b s1 的光功率达到 最大，左边p b s l 起偏振分束作用，右边的p b s 2 起偏振合束作用。f i l 是窄带滤 波器，用来来滤除s o a 自发辐射产生的噪声。耦合器c p 右端为1 ：9 的2 个输出 端口，1 端连接至p a 偏振控制器，用来调节系统的偏振主态。9 端经过p c 4 调节 后进入p b s 2 ，当信号缓存时，便由v 端进入光纤环1 ，p c 5 是用来调节光纤环中光 功率的大小。信号不缓存时直接通过h 端输入到下一级的系统中，s c o p 为示波 器，用来观察输出波形。 图3 3 基于s o a 偏振旋转的多包缓存系统图 f i 9 3 3m u l t i - p a c k e ts i g n a l sa l l o p t i c a lb u f f e r i n gs y s t e mb a s e d o i ls o a p o l a r i z a t i o nr o t a t i o n 非线性偏振旋转器件s o a 可以把一束线偏振光的偏振态从一个方向，转化为 与其正交的偏振态。当信号光通过s o a 时，若不需要缓存，f p g a 就会提供一个 低电平给s o a ，此时偏振态不变，信号直接通过缓存器，从下路端口h 输出；当 f p g a 输入高电平给s o a 时，信号的偏振态就会旋转到其正交的偏振态，偏振态 变化后的光信号通过后面的偏振分束器缓存到光纤环里，从而实现对光信号的缓 存；当需要读出信号时，则f p g a 输出继续维持高电平，这样非线性偏振旋转器 1 4 存信号速度很快，因此两个正交偏振之间的转化速度必须非常快，要达到n s 量级 以上；二是光纤中的偏振态是无法实时监测的，为了保证两个正交的偏振态在实 验过程中保持偏振态不变，我们要在实验系统中加入多个偏振控制器，用于稳定 整个系统信号的偏振态。 偏振分束器的作用是将一束光分成两个正交的线偏振光或将两个正交线偏振 光合为一束光。偏振分束器的原理主要有于双折射棱镜、基于偏振薄膜、基于光 子晶体等。设输入光的偏振态为s t m ( 图3 2 偏振分束器h 光纤中的偏振态) ，在 光纤环中的光偏振态为s r e ( 图3 2 偏振分束器v 端光纤中的偏振态) 。踊、硫 是两个正交的偏振态，用斯托克斯矢量表示为： s t m = s r e = 1 0 一c o s 2 万 一s i n 2 万 当输入光的偏振态经过s o a 后偏振态s t m 保持不变时， h 端输出，此时信号光在s o a 中的传输方程为： s t m = m s o a ) s t m ( 3 1 1 ) 光信号将从p b s 2 的 式中m s o a ( i o ) 是s o a 的密勒矩阵，i o 是s o a 的注入电流。 表达式为： m s o a ( i o ) = 三 晓+ 嘞 ， 嘞一嘞 o 0 磕一嘞 g 磊+ 嘞 0 0 0 0 2 g t e g t m c o sa # 2 g t e g t m s i na # ( 3 1 2 ) ( 南) 的 0 o - 2 g t e g t m s i na # 2 g t e g t m c o sa ( 3 1 3 ) 将式3 3 代入3 2 可知，信号不缓存的时候，s o a 的密勒矩阵中的参数 应当满足矽= 0 。 当光信号需要缓存时，便将s o a 的注入电流由低电平i o 变为高电平而，这时 s o a 将发生非线性偏振旋转，使s o a 的输出偏振态变为正交的偏振态。此时 光信号将通过p b s 2 的v 端进入光纤环中缓存，这样光在s o a 的传输方程为： s r e = m s o a ( i l ) s r m ( 3 1 4 ) 式中m s o a ( i l ) 是s o a 的密勒矩阵，而是此时s o a 的注入电流，m s o a ( i l ) 的表 万万0 蛇心 0 u c s ，i_il_lltl，、_iilili_l j b 塞銮适太堂亟堂僮途塞塞坠友塞拯羞键墨住企缉 达式为： ( 矗) = 兰 g 磊+ g 魄一嘞 0 0 硗一嘞 嗑+ 嘞 o o 0 0 2 g t e g t m c o sa 2 g t e g t m s i na 将4 5 代入4 _ 4 可以得到，当信号缓存时，s o a 的密勒矩阵中的参数应 当满足矽= 万。 当信号需要读出时，s o a 再将光信号的偏振态读出一次，光信号就从 p b s 2 的h 输出，这时候的传输方程为： s t m = m $ o a ( i l ) s t e ( 3 1 6 ) 这样还是可以得出= 万，由上可知，利用s o a 的偏振旋转实现光缓存的关 键就是实现两个正交偏振态之间的转化，当s o a 的非线性偏振旋转导致两个模式 的非线性相移差= 万时，s o a 的输出偏振态就会转变为其正交的偏振态，从而 实现数据的写入和读出。 3 2s o a 驱动电路 半导体光放大器的驱动电流大小直接决定了偏振旋转的效果的好坏，提供给 s o a 足够大的电流，才能顺利实现两个模式偏振态的转