（通信与信息系统专业论文）基于soa的全光码型转换的理论研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 全光信号处理技术，逐渐成为全光网络系统中前景广阔的领域之一。目前，有关 高速光数据信号码型转换方面的研究工作已经逐渐受到了人们的重视，它是采用不同 码型的两个光网络互联的关键技术之一。半导体光放大器( s o a ) 由于具有高非线性 特性、低开关功率和尺寸较小等优点，非常适合用来实现全光码型转换。 本文首先对光通信系统中的几种常用调制码型进行了简单的介绍。其次，对全光 码型转换的核心器件一s o a 的特性进行了论述，结合s o a 的经典理论模型，集中研究 了基于s o a 的两种全光码型转换方案： 1 、非归零码( n r z ) 与归零码( r z ) 之间的转换 利用文献报道的基于s o a 和光带通滤波器( o b p f ) 的全光码型转换器结构，通 过对输入控制光信号引起的s o a 中载流子密度的变化，s o a 输出端探测光相位的变化 及频率啁啾的研究，分析了o b p f 与探测光中心波长之间的失谐量造成转换后的波形 正相及反相的原因。并通过仿真给出了4 0 g b i t s 传输速率下的r z 到n r z 以及n r z 到 r z 的两种码型转换结果。 2 、归零开关键控码( r z o o k ) 到二相移键控码( b p s k ) 及光双二进制码( d u o b i n a r y ) 的转换 改进了基于s o a - m z i 结构的全光码型转换方案，采用一种由单只s o a 和光纤延时 线构成的马赫曾德尔干涉仪( m z i ) 结构的全光码型转换方案，并对方案进行了数值 模拟。通过调节输入信号的光功率以及对温度的控制，给出了基于该方案的4 0 g b i t s 传输速率下的全光r z o o k 到r z b p s k 以及r z 到d u o b i n a r y 的两种码型转换结果。 关键词：半导体光放大器，调制码型，码型转换，归零码，非归零码，移相键控码， 光双二进制码 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a bs t r a c t m 1o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gi so n eo ft h ep r o m i s i n gt e c h n o l o g i e si nf u t u r ea l lo p t i c a l n e t w o r k s r e c e n t l na l lo p t i c a lf o r m a tc o n v e m i o nh a sr e c e i v e dm u c hi n t e r e s t i tb e c o m e sa k e yt e c h n o l o g yt oi n t e r c o n n e c tf u t u r eo p t i c a ln e t w o r k s ，w h i c hc o u l de m p l o yd i f f e r e n t m o d u l a t i o nf o r m a t sa c c o r d i n gt ot h en e t w o r ks c a l e sa n da p p l i c a t i o n s 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 ( s o mi sv e r yf i tf o ra l lo p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o nd u et o i t sh i 曲 n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s ，l o w e rs w i t c hp o w e ra n ds m a l ls i z e i nt h i st h e s i s ，w ef i r s ti n t r o d u c e ds o m ek i n d so fo p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t s t h e n , w e d i s c u s s e dt h ef e a t u r e so ft h es o a ，w h i c hi st h ec o r ec o m p o n e n t so ft h ea 1 1o p t i c a lf o r m a t c o n v e r s i o n , a n de s t a b l i s h e dat h e o r e t i c a lm o d e lw h i c ha c c u r a t e l yd e s c r i b e ds o a f i n a l l y , w e f o c u so i lt w os c h e m e so ff o r m a tc o n v e r s i o n sb a s e d0 1 1s o aa sf o l l o w s 1 m o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o n sb e t w e e nn o n r e t u r n - t o - z e r o ( n r z ) a n dr e t u r n - t o - z e r o ( r z ) w eu s e dt h ep r o p o s e ds c h e m eo fa l lo p t i c a lm o l u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o n ，w h i c hi s c o n s t i t u t e db ys o aa n do p t i c a lb a n dp a s sf i l t e r ( o b p f ) t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ec h a n g e o ft h ec a r r i e rd e n s i t yc a u s e db yi n p u tc o n t r o ls i g n a l ，t h ec h a n g eo ft h ep h a s ea n dt h e f r e q u e n c yc h i r po ft h ep r o b el i g h t ，w ea n a l y z e dt h ei m p a c tt oc o n v e r t e ds i g n a ld u et ot h e d e t u n i n go ft h eo b p et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sg i v e nw i t ht h et r a n s m i s s i o nr a t e a t 4 0 g b i t s 2 m o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o nf r o mr e t u m - t o - z e r o - o n - o f f - k e y i n g ( r z - o o k ) t or e t u r n - t o z e r o - b i n a r y - p h a s e - - s h i f t - k e y i n g ( g z - b p s k ) a n dd u o b i n a r y w e p r o p o s e das c h e m eo f a l lo p t i c a lf o r m a tc o n v e r s i o n ，w h i c hi sb a s e do ns o a - m a c h z e h n d e r ( m z i ) s t r u c t u r ea n dc o n s t i t u t e db yas i n g l es o a a n dt h ef i b e rd e l a yl i n e t h r o u g h a d j u s t i n gt h ei n p u ts i g n a lp o w e ra n dc o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t so ff o r m a tc o n v e r s i o nf r o mr z - o o kt or z - b p s ka n dd u o b i n a r yw a sg i v e nw i t ht h e t r a n s m i s s i o nr a t ea t4 0 g b i t s k e yw 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 ；m o d u l a t i o nf o r m a t ；m o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e y s i o n ；r e t u r n - t o z e r o ；n o n - r e t u r n - t o - - z e r o ；b i n a r y - p h a s e - - s h i f t - k e y i n g ；d u o b i n a r y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者签名：计圣李 日期：劲d 占，歹 燧轹和 日期： 砂i 。，b 。i 弓 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、在广泛调研国内外相关文献的基础上，结合半导体光放大器的经典理论模型， 对基于s o a 和o b p f 结构实现的n r z 与r z 之间的全光码型转换方案进行了仿真分析。 通过对输入控制光信号引起的s o a 中载流子密度的变化，s o a 输出端探测光相位的变 化及频率啁啾的研究，分析了o b p f 与探测光中心波长之间的失谐量造成转换后的波 形正相及反相的原因。并通过仿真给出了4 0 g b i t s 传输速率下的r z 到n r z 以及n r z 到r z 的两种码型转换结果。 2 、对现有文献提出的基于s o a m z i 结构的全光码型方案进行改进，采用一种由 单只s o a 和光纤延时线构成的m z i 结构的全光码型转换的设计方案。并对方案进行 了数值模拟，通过调节输入信号的光功率以及对温度的控制，给出了基于该方案的 4 0 g b i t s 传输速率下的全光r z o o k 到r z b p s k 以及r z 到d u o b i n a r y 的两种码型转 换结果。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：计毒窜 日期：2 0 1 0 多3 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 全光码型转换器的作用 全光码型转换是采用不同调制码型的两个光网络互联的关键技术之一，主要应用 于不同类型光网络之间的全光联接。区域性光网络一般覆盖的距离比较短，从性能和 成本的考虑，通常采用传输性能一般但是发送和接收比较简单的开关键控码型( o o k ) ， 如非归零码( n i 屹) 和归零码( i 屹) 。在光纤通信方面，r z 码由于具有占空比小等优 点，因此在光时分复用( o t d m ) 系统中得到普遍的应用。而在波分复用( w d m ) 系 统中，n r z 码由于具有高的频谱效率而得到广泛的应用【2 3 j 。因此在o t d m 系统与 w d m 系统的接口处实现全光r z 码和n i l e 码之间的码型转换就具有重要的应用价值。 而广域光网络覆盖范围大，为了实现信号长距离低误码的传输，需要选用新型码型， 比如移相键控码型。有相关研究表明，二相移键控码型( b p s k ) 信号在长距离传输中 比传统的o o k 信号的性能更为优越，差分相移键控码型( d p s k ) 信号可以改善接收 机灵敏度。在抗非线性效应方面，相位调制信号的所受的非线性效应也远低于o o k 信 号【3 ，4 1 。目前，b p s k 码型已经成为长途传送网络的首选码型。因此，为了实现这两种 网络的互联，有必要在边缘节点进行码型转换。 除了传统的调制码型之外，大量的研究集中于各种特殊码型，如四相移键控码型 ( q p s k ) 、双二进制码型( d u o b i n a r y ) 、传号交替反转码( a m i ) 等码型。它们具有不 同的抗色散性能和抗非线性性能，根据网络需要被应用于不同的传输系统中【3 j 。在未来 的光网络中，不同的网络依据网络的规模以及数据传输速率来选择相应的码型。因此， 在网络间的节点处就需要全光码型转换1 1 j 。 1 2 全光码型转换器的研究现状 目前的全光码型变换器主要采用非线性介质中的非线性效应来进行码型变换，已 报道的技术方案主要分为两大类：一类是利用特种光纤中的非线性效应来实现的全光 码型转换方案卜7 1 ，其基本结构如图1 1 所示。文献 4 】中使用2 4 0 0 m 的高非线性光纤实 现了n r z o o k 到r z b p s k 及r z q p s k 的转换。文献 5 中使用了l o o m 的双折射光 纤，实现了4 0 g b s 速率下r z 。o o k 到r z b p s k 转换的实验结果。文献 6 中采用具有 高非线性的光子晶体光纤，实现了4 0 g b s 速率下r z o o k 到r z b p s k 转换。使用特 种光纤可以实现高速率的码型转换，但为了得到足够大的非线性效应，往往需要很长 的光纤来实现，因此这类方法很难集成。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 控制光 探测光 图1 1 基于非线性光纤的全光码型转换方案 号 另一类则是基于s o a 中的非线性效应来实现的全光码型转换方案。由于s o a 具 有高非线性系数、尺寸较小、反应速度较快等特点，基于s o a 的全光码型转换具有结 构简单、转换效率高、响应快、转化范围宽、易于集成等优点。因此利用半导体光放 大器实现全光码型转换成为研究者研究的热点，得到了研究者们的重视，是最具有实 用化前景的一种方案。目前，基于s o a 的全光码型变换器的研究大致可以分为两大类， 一类是基于传统o o k 信号的r z 和n r z 之间的转换；。另一类是o o k 与p s k 之间的 转换。 国外在基于s o a 实现全光码型转换器的研究方面，美国的贝尔实验室，美国南加 州大学，美国普林斯顿大学，美国马里兰大学帕克分校，日本的大阪大学，韩国的光 州大学等均在基于s o a 实现全光码型转换器的研究上取得了进展。在r z 与n r z 之间 的转换方面，n o r t e d 等人在1 9 9 6 年运用两级级联的s o a 实现了基于s o a 交叉增益 调制的r z 到n r z 的码型变换裂引。这种方案具有工作原理简单，对偏振不敏感等优 点，但是需要用两级s o a 级联，因此该方案结构复杂，不易控制。2 0 0 3 年，美国的普 林斯顿大学的l e ix u 等人运用s o a m z i 结构实现了传输速率为1 0 g b s 的全光r z 和 n r z 之间的相互转换1 9 】。该方案原理简单且对偏振不敏感，但需要两只s o a ，不利于 成本控制。2 0 0 5 年，韩国的光州大学的c h u n gg h i ul e e 等人采用基于s o a 非线性光 纤环镜的结构实现了传输速率为1 0 g b s 的全光r z 到n r z 的转换【l 们，此方案只需单 只s o a ，有利于成本的控制，但对偏振敏感。2 0 0 8 年，n o k i as i e m e n sn e t w o r ks a 的 t i a g os i l v e i r a 等人运用单只s o a 和带通滤波器串联的结构实现了传输速率为4 0 g b s 的n r z 到载波抑制归零码( c s r z ) 的全光码型转换 1 1 | ，这种方法具有结构简单，控 制参量少，稳定性高等特点，并且对偏振不敏感。2 0 0 9 年，l b a n c h i 等人在o f c 会议 上发表文章，利用两只s o a 级联结构实现了r z 到n r z 的转捌眩】。此外，在o o k 信 号与p s k 信号之间的转换方面，2 0 0 7 年，日本的大阪大学的k e nm i s h i n a 等人运用 s o a m z i 结构实现了传输速率为1 0 7 g b s 的n r z o o k 到r z b p s k 及r z q p s k 的 码型转换【l 引。2 0 0 9 年，k e nm i s h i n a 等人运用三臂的s o a m z i 结构实现了传输速率为 1 0 7 g b s 的n r z o o k 到r z q p s k 的码型转换4 | 。 在国内，从事基于s o a 的全光码型转换的大学和科研机构目前有华中科技大学、 上海交通大学、中国科学院西安光学精密机械研究所，上述科研机构都在基于s o a 的 全光码型转换方面取得了一定的成果。华中科技大学在2 0 0 3 年运用半导体光放大器延 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 迟干涉装置实现了传输速率为1 0 g b s 的全光r z 到n r z 的码型转换1 1 ”。随后又于2 0 0 7 年利用单只s o a 和带通涟波器串联的结构实现了传输速率为4 0 g b s 全光n r z 到r z 的码型转换【 叫”。2 0 0 8 年，中国科学院西安光学耪密机械研究所利用单只s o a 和带 通滤波器串联的结构实现了传输速率为2 0 g b s 全光r z 到n r z 的转换1 ”l 。在o o k 到 b p s k 的转换方面，2 0 0 7 年，华中科技大学利用增益透明型的s o a 傲为相位调制嚣， 通过仿真给出了o o k 到b p s k 的码型转换结果， 13 光通信系统中常用码型介绍 光载波的一般表达式为： o ) = ；a c o s ( a x + r p ) ( 1 i ) 式中，i 是偏振方向：a 是幅度：出是载波的角频率：口是初始相位。光载波的物 理量可以用柬承载信息光调制码型也可以按信息承载的对象( 光载波的物理量) 大 致可分为三类，主要包括以下几种码型：幅度键控码，相移键控码频移键控码。开 关键控码通过控制光的有无柬对数据进行编码，它包括n r z 、r z 、d u o b m a r y 和a m i 。 相移键控码包括b p s k 和q p s k 。频移键控码包括连续相位频移键控码，塌小频移键控 码口】。频率调制受光纤传输系统中色散的影响较大，频率调制技术在高遮光通信系统中 的应用比较少，主要应用于无源光网络中。而幅度调制凭借其较简单的调制与接收技 术，相位调制凭借其优良的传输性能得到了人们的重视，在高速光传输系统中得到了 很好的应用l 。总体上来说由于不同的码型拥有不同的波形及特性，它们的传输性能 和接收性能也有差异。下面对其中最为常用的几种重要码型作简单介绍。 l 、n r z ： n r z 的产生方法是所有码型中最为直接的它能够通过对一个半导体激光器的外 调制或直接调制产生。由于n r z 实现简单，技术成熟频谱效率较高，信号完整性好， 因而广泛应用于目前的商用化波分复用传输系统中口】。但由于n r z 码型不能有效地抵 抗色散、非线性和噪声的影响，h i 利于长距离光纤通信系统的传输。n r z 信号的眼图 如图1 2 所示。 t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - u - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一0 d 1- ”0 24 a 图i o n r z 信号的眼冒 互蜜銮鎏盔主鎏圭望茎兰主堡鎏塞兰：要 2 、p , z r z 是指占空比小于1 0 0 的开关键控码型，与n r z 相比r z 具有更大的非线性 容忍度，目前在实际工作中一般采用两级调制器级联的方式来产生r z 码。另外，由于 r z 信号占空比小脉宽窄在o t d m 系统中有报大优势。r z 码信道删相互作用时间 短，也减小了交叉相位调制的影响但其色散容忍度较差”。p , z 信号的眼图如图1 3 所示。 崩 一一 j 一 脚1 3p , z 信号的鼹图 双二进制码也属于幅度键控码型如果两个“1 比特之削有奇数个o 则相位反转 a ，如果有偶数个叮，则相位不变“。光双二进制信号造成的脉冲之闻的相位反转是其 具有很大的色散容忍度的一个重要原因。如图1 - 4 所示，当“1 0 1 ”码元脉冲在光纤中传 输一段距离后，由于色散导致了脉冲展宽。对于光双二进制信号因为在l 码元具有 相嗣的强度但是相位相反因此二者在o 码元的叠加结果是相互抵消，使”l 码元的能 量仍保持在本码元的时间范田内，而0 码元仍维持原来的强度，从而使色散容忍度进 一步增大”i 。因此，与传统o o k 码型相比，d u o b i n a r y 码型有更好的色散容忍性能。 实际工作中d u o b i n a r y 码型是由两个m z 调制器级联产生，并需要电上预编码【“。仿真 得到的d u o b i n a r y 信号的眼圈如圈1 5 所示。 仃瓜趟删 厂 厂_ 黝2 - 产槲 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 图1 5d u o b i n a r y 信号的眼图 4 、b p s k 近几年来，b p s k 码型受到了广泛的关注，因为它与传统的开关键控码相比，能 在接收时得到3 d b 的灵敏度优势。并且具有较高色散容忍度及高非线性容忍度【2 】。所 谓的b p s k 信号就是用不同的相位( 0 或冗) 来表示不同的信息，而d p s k 则是进行了 差分编码的b p s k ，即该比特与前一比特相同，则发出的信号中带有0 的相位信息，反 之则带有兀相位。b p s k 信号的调制方式有两种，可以使用马赫曾德尔调制器或相位 调制器进行【2 】。仿真得到的r z b p s k 信号的眼图如图1 - 6 所示。 图1 - 6 b p s k 信号的眼图 总之，光纤传输系统中传输码型的选择与整个系统的总体设计有关，在传输物理 效应方面，不仅要考虑色散和信道间非线性效应，而且还要考虑信道内非线性效应的 影响【2 1 。表1 1 所示是常用调制码型的基本性能及应用场合： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 表1 1 常用调制码型的基本性能及应用场合【1 】 1 4 本论文的研究工作 本文在广泛调研国内外相关研究成果后发现，目前基于s o a 实现的全光码型转换 方案主要分为两大类，一类是基于传统o o k 信号的全光i 屹与n r z 之间的转换，另 一类是o o k 信号与p s k 信号的转换。目前基于s o a 实现的r z 与n r z 之间的多种码 型转换方案中，基于s o a 和o b p f 串联结构的码型转换方案由于结构简单且对偏振不 敏感，是研究的重点。然而在现有文献中，未对此方案中o b p f 的失谐量造成转换后 波形正相及反相的物理机理做详细的论述。本论文主要就是利用s o a 中的非线性光学 效应，结合s o a 的经典理论模型，通过对输入控制光信号引起的s o a 中载流子密度 的变化，s o a 输出端探测光相位的变化及频率啁啾的研究，分析了o b p f 与探测光中 心波长之间的失谐量造成转换后的波形正相及反相的原因。并通过仿真给出了4 0 g b i t s 传输速率下的r z 到n r z 以及n r z 到r z 的两种码型转换结果。 另外，现有文献报道的基于s o a 的全光码型转换方案主要是针对o o k 之间的码 型转换。相比o o k 之间的码型转换的研究而言，o o k 到p s k 的转换的研究还相对有 限。本文对现有的s o a m z i 结构的全光码型转换方案进行了改进，采用单只s o a 和 光纤延时线构成的m z i 结构实现了r z o o k 到r z b p s k 以及d u o b i n a r y 的全光码型 转换，此方案有利于成本的控制。本文的主要工作和章节安排如下： 第一章：绪论。介绍本论文的研究背景、基于s o a 的全光码型转换的作用及其在 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 国内外的研究概况。并对光纤通信系统中的常用码型做以简单的介绍。 第二章：s o a 的理论模型及数值仿真方法。介绍了s o a 的结构和理论模型，并对 s o a 的交叉增益调制、交叉相位调制等非线性效应做以简要的介绍。在此基础上，对 s o a 的数值仿真方法做了详细的说明。 第三章：基于s o a 和光带通滤波器( o b p f ) 的n r z 与r z 之间的全光码型转换。 通过对输入控制光信号引起的s o a 中载流子密度的变化，s o a 输出端探测光相位的变 化及频率啁啾的研究，分析了o b p f 与探测光中心波长之间的失谐量造成转换后的波 形正相及反相的原因。并通过仿真给出了4 0 g b i f f s 传输速率下的l 屹到n r z 以及n r z 到r z 的两种码型转换结果。 第四章：基于s o a m z i 结构的全光r z o o k 到r z b p s k 的码型转换。采用一种 由单只s o a 和光纤延时线构成的马赫曾德尔干涉仪( m z i ) 结构的全光码型转换方案， 并对方案进行了数值模拟。通过调节输入信号的光功率以及对温度的控制，给出了基 于该方案的4 0 g b w s 传输速率下的全光r z o o k 到r z b p s k 的码型转换结果。并分 析了探测光及辅助光的输入功率对转换后光信号的消光比及增益的影响。 第五章：基于s o a m z i 结构的全光r z 到d u o b i n a 巧的码型转换。在第四章给出 的方案基础上，通过改变输入的控制光及探测光信号，通过数值仿真给出了4 0 g b i 佻 速率下的r z 到d u o b i n a w 的全光码型转换结果。 第六章：对全文进行总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 第2 章s o a 的理论模型及数值模拟方法 半导体光放大器是利用半导体p n 结的光电子学特性，通过正向偏置电流的作用， 产生非平衡载流子，使半导体材料处于粒子数反转分布状态，从而使信号光因受激辐 射得到放大【2 8 1 。同时，由于s o a 具有良好的非线性特性，与其他非线性介质相比，半 导体光放大器具有较宽的增益谱、便于集成、成本较低、超快增益响应等优点。因此 s o a 在光纤通信系统中有着广泛的应用，不仅可做光发送机的功率放大器、线路的中 继放大器、光接收机的前置放大器和光分路补偿放大器，而且还可以作为非线性器件 用于光逻辑门和码型转换器等光信号处理模块1 2 9 1 。本章简要介绍了半导体的基本结构 和原理，给出了s o a 的经典理论模型。并在此基础上介绍了s o a 中的交叉增益调制 ( x g m ) 和交叉相位调制( x p m ) 效应对输入光信号的影响，为下文提出的设计方案 及数值模拟奠定了理论基础。 2 1s o a 的结构与理论模型 2 1 1s o a 的基本结构 亡= 爿 输入信号 注入电流 有源层( 增益g ) 图2 1 半导体光放大器结构示意图 s o a 是一种有源器件，在适当的工作条件下对输入光束进行功率放大。图2 1 给 出了一个简单的半导体光放大器的结构示意副3 0 】。事实上，半导体光放大器类似于一 个无反馈或反馈量不足以引起激射的半导体激光器，其基本结构是一个半导体p n 结。 s o a 两端施以抗反射涂层，以减小半导体材料与空气分界面上的菲涅尔反射。半导体 光放大器还包括了数个外延生长的材料层，其中最主要的是有源层，有源层内的载流 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 子是由加在半导体p - n 结上的正向偏置电流注入的。在电流注入的情况下，s o a 的 有源区内的载流子跃迁到激发态，使输入光场受激辐射，从而获得增益。通常使用的 s o a 是行波放大器，两个端面均镀增透膜，光场只在s o a 内部传播一次，这样可以减 少增益纹波【3 0 1 。如无特别交代，本文所指的s o a 均为行波s o a 。s o a 是以其强的非 线性效应应用于全光码型转换的，因此，研究基于s o a 的全光码型转换的理论基础， 首先应该研究s o a 的理论模型和非线性效应。 2 1 2s o a 的理论模型 载流子速率方程反映的是半导体光放大器中载流子的变化规律【2 8 1 。 方程为【1 6 】： 3 n ( z , t ) ：三一丛盟一v 墅! 型( 三：塑p 一：= 一 y - 一广t a f e v 乙午五k 如1 载流子的速率 式中，n 为s o a 有源区内载流子的浓度；p 为对应波长为五的光的光功率；i 为注 入电流；e 为电子电荷量；v 为s o a 有源区体积；t 为自发辐射载流子寿命，且 t = ( 彳+ 鲋+ c 2 ) 一；f 为光场限制因子；h 为普朗克常数；，为光波的频率；如为 s o a 有源区的横截面积。g ，【( z ，f ) 为增益，下标i 表示不同的输入光信号。为了能准 确模拟s o a 的增益，使用下面的函数【1 6 】： g ， ( z ，f ) 】= o t n ( z ，t ) 一0 卜托( 五一氐) 2 + 托( 五一氐) 3 ( 2 - 2 ) 式中，o t 为微分增益，o 为透明载流子密度，九是载流子密度为n 时的峰值增 益波长，假定它和载流子密度成线性关系，厶= 磊- k o n ( z ，t ) - 0 ，磊是n = n o 时 的峰值增益波长，用于表示增益峰值波长随载流子密度的飘移。托、携为增益系数， 用于拟合增益曲线的参数，分别用来表示增益带宽和增益的不对称性。 光波在s o a 的传播过程中引起s o a 载流子受激辐射，光功率经历放大过程，其 功率和相位的传输方程如下【1 6 , 3 2 】： 望掣= r g ( z ，f ) 卜) 鼻( 驯) ( 2 3 ) 塑婴：一丢硝g f ( 纠) ( 2 - - 4 ) 式中，鼻为对应波长为五的光的光功率；r 为光场限制因子；g ，表示增益系数； 表示材料损耗；屈为线宽增长因子，式中的下标i 均表示不同的输入光信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 2 2s o a 中的非线性效应 在利用s o a 进行光信号处理时主要是利用s o a 中的非线性效应来实现的。在s o a 中，主要有四种非线性效应：交叉增益调制、交叉相位调制、交叉偏振调制、四波混 频【2 8 】。本文所提出的全光码型转换器都是基于s o a 的交叉增益调制及交叉相位调制效 应实现的，因此在本节中主要对s o a 中的交叉增益调制和交叉相位调制效应进行简要 的介绍。 2 2 1s o a 中的交叉增益调制效应 s o a 中的交叉增益调制来自于它的增益饱和效应。s o a 的增益受其输入光功率及 放大过程中的内部噪声的影响。当输入光功率超过s o a 的最大线性功率时，输入光功 率越高，其获得的增益越低，如图2 2 所示，当输入功率达到图中横坐标中虚线所示 的值时，输出的信号光的增益将下降3 d b 。这种小信号放大倍数大，大信号放大倍数 小的现象称为增益饱和效应。 当有两个波长的p 1 和p 2 光注入s o a ，如图2 3 所示，且p 1 p 2 ，此时可认为 s o a 的放大倍数g 主要取决于p 1 。当p 1 输入为“o ”时，p 2 受到s o a 的放大而输出较 高的功率；当p 1 输入为“1 ”时，由于增益饱和，p 2 信号的输出功率将较低。由此可见， 改变一个波长光信号( p 1 ) 功率的大小，就可以改变另一个光( p 2 ) 的放大倍数，这 就是交叉增益调制。 图2 - 2 典型的s o a 增益曲线 2 5 】 m p n 2 溷叫 一j 图2 3s o a 中的交叉增益调制现象 p 要盯 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 2 2 2s o a 中的交叉相位调制效应 s o a 有源区的折射率并不是一个常数，而是与半导体光放大器中的载流子密度( 也 就是材料的增益) 有关。注入半导体光放大器中的光信号会引起载流子密度的变化，改 变有源区的有效折射率，从而改变其相位【2 引。当两束或者两束以上的信号注入半导体 光放大器时，s o a 的载流子密度主要受大信号影响，因此，小信号的相位会随着发生 变化，即引起了交叉相位调制，因为交叉位调制仅仅引起信号相位的改变，所以如果 需要把相位的改变转换为信号强度的改变，就必须利用某种形式的干涉结构。 2 3 数值模拟方法 由于沿着光传输的方向存在受激辐射，因而，载流子浓度是不断发生变化的。结 合2 2 节中s o a 的经典理论模型，为了计算s o a 中载流子和光功率的关系，将s o a 沿长度方向平均分成若干段，并假设在每一小段中载流子和光子均匀分布，如图2 4 所示，设s o a 的长度为l ，把其沿着光传输的方向( 设为z 方向) 均分成1 1 段，则每段 的长度a t = l n 。在上述方法所划分的每小段中，可认为载流子浓度在空间上保持不 变，下面以第j 段s o a 为例进行分析。 p i ，o ( op l l ( f ) p u ( 0p u d 国p u ( f )p 州( f ) p 聊0 ) 呻 p 2 , o ( t ) p 1 ( c ) p2 2 ( 0 p 圳0 )p v ( f ) p 和4 0 ) p2 , n ( 0 图2 4s o a 的分段模型 设第j 段s o a 的平均载流子浓度为，( t ) ，并设经由第j 段s o a 输出的光功率为 p 4 j ( f ) ( 其中，i = 1 ，2 分别表示探测光与控制光；j = 1 ，2 ，3 ，n 表示分段序号) 。 如图2 - 4 所示，对于第j 段s o a ，设控制光或探测光在此段中的平均光功率为 尸，( f ) ，则尸，( f ) 可表示为： 硝沪瓦1 ，p i ，, j - 1 e x p r g ；帆) 】- 】z ) 龙 一 一1 2 丽4 j * p 彬荆( 2 - 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 式中，g i ，j = e x p ， 丙( f ) 】- 】虬 ；r 为模式限制因子；为内部损耗； g ，i n ，( f ) 为第j 段s o a 的增益系数。 而第j 段s o a 的平均载流子浓度( f ) 满足以下方程： 掣= 上一下n j ( t ) e v一喜紫h v ，a g r 飘r ， 协6 ， 击 c智 叫v7 。 且经由第j 段s o a 输出的光功率p 。o ) 及相位满足以下行波方程( 对于第j 段s o a ， 下述方程中z ( j - 1 ) 址j 址 ，且p 埘( f ) 是当只( z ，f ) 取z - - j 刖2 时的t 的函数) ： 望掣： r g f - 巾) - ) 只( 圳) ( 2 7 ) 塑字：一丢昭g ， 丙以) 】 ( 2 - 8 ) o zz 根据式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) ，以及光功率只- l ，就可求得只，、仍，、n 。实际 计算时可以从口。= 只砌( 输入光功率) 开始，可以依次求出在每段s o a 中的载流子密 度以及各波长光信号功率和相位。从而得到s o a 输出端探测光的光场分布为【1 6 】： e ( f ) = 扣西e x p f 妒( f ) ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 中尸( f ) 为s o a 的输出探测光功率，矽( f ) 为s o a 的输出探测光的相位。 高斯型带通滤波器的频域表达式为 1 6 】： h ( c o ) = e x p 一2 1 n 2 ( 下0 9 - - a f _ l ) 2 ( 2 1 0 ) “ 式( 2 - 1 0 ) 中，彩为滤波器的中心角频率与探测光的中心频率之间的失谐量，鼠为 滤波器的3 d b 带宽。 经过滤波器后的输出光功率为【1 6 】： ( f ) = f 叫 日( 妫用e ( f ) ) ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 中，f 和，- 1 分别表示傅里叶变换和傅里叶反变换。 最终经o b p f 输出的光功率可表示为【1 6 】： ( f ) = l ( f ) 1 2 ( 2 1 2 ) 用上述计算方法，对基于s o a 的全光码型转换方案进行数值模拟。计算过程中采 用的参数如表2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 表2 - i 数值模拟采用的参数【1 6 】 2 4 本章小结 本章简要介绍了半导体的基本结构和原理。从s o a 载流子的速率方程出发，给出 了s o a 的经典理论模型。并对s o a 中的非线性效应一交叉增益调制和交叉相位调制 效应做以简单的介绍。最后，对s o a 的数值模拟方法做了详细的介绍，为下文给出的 全光码型转换方案的模拟奠定了基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 第3 章基于s o a 和o b p f 结构的全光n r z 与r z 之间的 码型转换 3 1 引言 目前光纤通信系统广泛采用光波分复用系统和光时分复用系统，而r z 码和n r z 码又是数字通信领域应用的最为广泛的两种码型。在光纤通信方面，r z 码由于脉宽窄、 占空比小且具有较高的非线性容忍度等优点，在o t d m 及长距离w d m 系统中获得广 泛的应用。而n r z 码由于具有窄的谱宽，目前在城域或区域w d m 系统中的到普遍的 应用【2 3 4 1 。因此在使用这两种不同码型的系统接口处实现全光r z 码和n r z 码之间的 码型转换就具有非常重要的应用价值。目前基于s o a 实现的r z 与n r z 之间的多种码 型转换方案中，基于s o a 与o b p f 串联结构实现的全光r z 与n r z 之间的码型转换方 案【16 1 8 】由于结构简单且对偏振不敏感，是目前研究的热点。本章主要对s o a 与o b p f 串联结构的码型转换方案进行了仿真分析，通过对输入控制光信号引起的s o a 中载流 子密度的变化，s o a 输出端探测光相位的变化及频率啁啾的研究，分析了o b p f 与探 测光中心波长之间的失谐量造成转换后的波形正相及反相的原因。最后，数值仿真给 出了4 0 g b i t s 传输速率下的全光r z 和n r z 之间的码型转换结果。 3 2o b p f 的失谐量对波长变换结果的影响 s o a 与o b p f 串联结构早期被广泛应用于全光波长变换方案中，该方案需要输入 两路中心波长为k 的控制脉冲信号和k 的连续光作为探测光，如图3 1 所示。控制脉 冲信号和探测光经过一个光功率耦合器同时注入s o a 后，通过调整输入的光功率，当 控制光的峰值功率高于s o a 的最大线性输入功率时，s o a 有源区内的载流子密度就会 发生改变，使得s o a 内部发生交叉增益调制现象。由于s o a 内部发生了交叉增益调 制现象，探测光受到控制脉冲信号光的调制，使得探测光的幅值发生改变，携带了控 制脉冲信号光的信息，从而实现了信息从波长为k 的控制光到波长为k 的探测光的全 光波长转换。然而此时得到的探测光的脉冲形状与控制信号光相比恰好为反相。 刀亿 控制光 探测光 图3 1 基于s o a 与o b p f 串联结构的全光波长转换方案 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 当s o a 与o b p f 串联结构运用于全光码型转换方案时，需要在输出端得到与控制 信号光同相的转换后的探测光。若想在o b p f 的输出端得到同相的转换结果，通过调 节o b p f 的中心波长与探测光中心波长之间的失谐量即可实现。这是由于高速光脉冲 的注入会导致s o a 内部有源区的有效折射率发生改变，从而引起了交叉相位调制现象， 这反映在s o a 的输出频谱图上就出现了明显的展宽，在探测光中心波长附近出现很多 新的频谱成份。然后选择合适带宽的光学带通滤波器并通过调节光学带通滤波器和探 测光中心波长之间的失谐量，滤出探测光频谱的特定成份，即可得到正相的探测光信 j 昌【3 5 ，3 6 】 7 o 下面通过数值仿真详细分析o b p f 的失谐量对转换后的探测光波形的影