（光学工程专业论文）量子点半导体光放大器在光信息处理中的应用研究.pdf

摘要 摘要 由于光通信系统的发展，基于半导体光放大器( s o a ) 的非线性效应的全光 信息处理( 如3 r 再生，光功率均衡等) 有着广泛的应用前景。但受限于载流子恢 复时间，s o a 的增益和相位恢复时间都很长，在现在越来越追求高速的光信息传 输系统中，体现出处理速度的问题。出于减小载流子恢复时间的考虑，一种基于 量子点结构的新型半导体光放大器( q d s o a ) 便应运而生。 本文在建立q d s o a 数值模型的基础上，分别提出了基于q d s o a m z i 结构 和四波混频非线性效应的光信息处理方面的应用。具体工作内容如下： ( 1 ) 建立了q d s o a 数学模型，并分别采用分段模型、牛顿法和4 阶龙格 库塔法来处理仿真模型。通过调节输入光和载流子浓度变化来研究q d s o a 的增 益饱和特性与输入光功率、载流子浓度的关系。 ( 2 ) 推导出q d s o a m z i 输出光功率与输入光功率的关系，通过合理设置工 作点如初始相位值等，实现了基于q d s o a m z i 的光硬限幅器和光功率均衡器， 分析不同注入电流，载流子跃迁时间和脉冲宽度对其输出性能的影响。实现了基 于q d s o a m z i 的n r z 码到r z 码的码型转换器，并对其输入时钟信号的脉冲宽 度和功率对输出信号的影响进行了研究。 ( 3 ) 通过合理的假设，简化了原始的q d s o a 四波混频数值模型。在数值仿 真时，研究了输入探测光、泵浦光功率和频率失谐量对四波混频转换效率的影响。 以泵浦光为采样信号，探测光为被采样信号实现了基于q d s o a 四波混频的光采 样，研究了泵浦光功率、探测光功率和频率失谐量对采样信号的影响。 关键词：量子点半导体光放大器，增益饱和特性，四波混频，光信息处理 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , a l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g b a s e do nn o n l i n e a re f f e c to 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 ) h a sa l le x t e n s i v e a p p l i e dp e r s p e c t i v e s h o w e v e r , t h eg a i na n dp h a s er e c o v e r yo fc u r r e n ts o a si sl i m i t e d b yt h et e m p o r a lr e s p o n s eo fc a r r i e rr e c o v e r y ，w h i c hl i m i t st h ep r o c e s s i n gs p e e do f c u r r e n tu l t r a h i g hs p e e da l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g an o v e ls o ab a s e do nq u a n m t u m d o t ，w h i c hh a sas i g n i f i c a n tf a s t e rc a r r i e rr e c o v e r y , i se m e r g e da st h et i m e sr e q u i r e s i nt h i st h e s i s ，t h ea p p l i c a t i o n so fs i g n a lp r o c e s s i n ga r ep r e s e n t e d ，w h i c hb a s e do n f o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) o fq d s o a sa n dm z lw i t ht w oq d - s o a si ne a c ha l t 1 t h e m a i nc o n t e n t sa r eg i v e na sf o l l o w i n g ： ( 1 ) m a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fq d s o ai s s e tu pa n do p t i m i z e db ys u b s e c t i o n m o d e l i n g ，n e w t o nm e t h o da n df o r t h o r d e rr u n g e k u t t am e t h o d t h eg a i ns a t u r a t i o n p r o p e r t i e so fq d s o aa r ea n a l y z e db yr e g u l a t i n gt h ei n p u ts i g n a la n dc a r r i e ri n t e n s i t y ( 2 ) t h et o t a lo u t p u to p t i c a lp o w e ro fq d - s o a m z ii sm a t h e m a t i c a ld e d u c t e d a n dn o v e lo p t i c a lp o w e re q u a l i z e r ( o p e ) a n do p t i c a lh a r dl i m i t e r ( o h l ) b a s e do n q d - s o a - m z ia r ei n t r o d u c e db ya d j u s t i n gw o r k i n gp o i n t t h ep e r f o r m a n c eo fo p ea n d o h li sa n a l y z e db ya d j u s t i n gt h ei n j e c t i n gc u r r e n t ，e l e c t r o nr e l a x a t i o nt i m ea n di n p u t p u l s ew i d t h an o v e lc o n v e r s i o no f n r zt or zb a s e do nq d - s o a m z ii sr e a l i z e da n d a n a l y z e db yc h a n g i n gt h ep u l s ew i d t ha n dp o w e r o f i n p u tc l o c ks i g n a l ( 3 ) m a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fq d s o a sf w mi s o p t i m i z e d t h ef w m c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sa n a l y z e db ya d j u s t i n gf r e q u e n c yd e t u n i n g ，p u m pa n dp r o b e s i g n a lp o w e r s o p t i c a ls a m p l i n gb a s e do nf w m o fq d - s o ai sr e a l i z e dw h e np u m pa n d p r o b es i g n a l sa r ec o n s i d e r e da ss a m p l i n ga n ds a m p l e ds i g n a l s t h ep e r f o r m a n c eo f o p t i c a ls a m p l i n gi sa n a l y z e db ya d j u s t i n gf r e q u e n c yd e t u n i n g ，p u m pa n dp r o b es i g n a l k e y w o r d s ：q u a n t u md o 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 ，g a i ns a t u r a t i o np r o p e r t i e s ， f o u r - w a v e m i x i n g ，o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g i i 图形列表 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图形列表 交叉偏振实验图。3 四波混频现象4 量子点中电子跃迁示意图7 q d s o a 分段模型9 o d s o a 的归一化输入和输出脉冲波形1 3 q d s o a 增益随输入光功率变化图1 4 s o a 增益随输入光功率变化图1 4 q d s o a 有源区中各层载流子浓度沿光传播方向的分布情况1 5 q d s o a m z 的基本结构1 7 加入光硬限幅器的用户接收机框图1 9 q d s o a m z i 的增益和厂的关系1 9 光硬限幅器输入输出波形图2 0 通过q d s o a m z i 光硬限幅器的光脉冲输入输出峰值图。2 0 不同情况下光硬限幅器的品质因子变化图( a ) 不同注入电流( b ) 不同 w l 到e s 的电子跃迁时间( c ) 不同脉冲宽度2 1 未修正前的光脉冲输入输出峰值图2 3 不同q d s o a 增益下，q d s o a m z i 的光脉冲输入输出峰值图( a ) 最 大增益系数为2 9 0 0 ( b ) 最大增益系数为2 8 0 0 ( c ) 最大增益系数为2 7 0 0 ( d ) 最大增益系数为2 6 0 0 2 4 光功率均衡器输入输出波形图2 5 不同情况下光功率均衡器的品质因子变化图( a ) 不同注入电流( b ) 不 同w l 到e s 的电子跃迁时间( c ) 不同脉冲宽度2 5 在不同输入电流的情况下，s o a m z i 的光脉冲输入输出峰值图2 6 基于q d s o a m z i 结构的n r z 码到r z 码的码型转换器2 8 n r z 码到r z 码的码型转换数值仿真图( a ) 被转换的n r z 码型输入信 号( b ) r z 码型时钟信号( c ) 转换后的r z 码型输出信号2 8 v 图形列表 图3 1 4 图3 1 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 不同功率的r z 码型时钟信号下，输出信号的波形图3 0 基于s o a m z i 结构的n r z 码到r z 码的码型转换图( a ) 被转换的n r z 码型输入信号( b ) 占空比为o 5 的输出信号( c ) 占空比为0 2 的输出信 号( d ) 占空比为0 0 5 的输出信号3 1 两个频率分别为u 和的光波混频产生两个三阶边带3 3 四波混频效率叩f 聊随输入泵浦光功率变化图3 7 四波混频效率叩随输入探测光功率变化图3 8 四波混频效率，7 f 删变化图( 输入泵浦光和探测光功率同比增加) 3 9 四波混频效率叩f 聊随频率失谐量变化图3 9 基于q d s o a 四波混频的光采样图( a ) 输入采样光信号( 泵浦光) ( b ) 输入被采样光信号( 探测光) ( c ) 输出采样光信号( 混频光) ( d ) 归一化 的输入输出光信号4 0 频率失谐量为1 t h z 和1 0 0 g h z ，归一化的输入输出光信号图。4 1 泵浦光脉冲峰值功率为o d b m 和2 0 d b m ，归一化的输入输出光信号4 2 探测光脉冲峰值功率为1 0 d b m 和2 0 d b m ，归一化的输入输出光信号 z i ：! 基于异质结结构的s o a 四波混频的光采样，归一化的输入输出光信号 4 3 v i 表格列表 表格列表 表2 1q d s o a 仿真模型参数1 2 表3 1q d s o a m z i 和s o a m z i 结构的光功率均衡器的对比2 7 表4 1f w m 仿真模型参数3 7 v 缩略字表 x g m x p m c p m f w m s o a q d - s o a f 纥 e s g s m z i o c d m a n r z r z 缩略字表 c r o s s g a i nm o d u l a t i o n c r o s s p h a s em o d u l a t i o n c r o s s p o l a r i z a t i o nm o d u l a t i o n f o u r - w a v em i x i n g 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 q u a n t u m d o ts e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r w e t t i n gl a y e r e x c i t e ds t a t e g r o u n ds t a t e m a e h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s n o n - r e t u l t l t o z e r oc o d e r e t u r n t o z e r oc o d e v i i i 交叉增益调制 交叉相位调制 交叉偏振调制 四波混频 半导体光放大器 量子点半导体光放 大器 润湿层 激发态 基态 马赫一曾德干涉仪 光码分多址 非归零码 归零码 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名骼林日期：z 卯9 年午月2 0e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：粒林导师签名： e t 期：z o o r f 年牛月7 oe t 第一章绪论 1 1 全光信息处理的研究背景 第一章绪论 随着人们对通信业务需求的不断增加，大幅度提高通信容量、发展全光网络 已经成为热点。虽然目前实验室可以实现速率为4 0 g b s 的电时分复用系统，然而 受电子运动速率的限制，其传输速率已很难再提高了。而且电方式只支持单一的 业务形式，当其他协议业务接入时，需要增加转换设备，不仅增加了成本，而且 使整个网络的管理趋于复杂化。相对而言，在全光网络中，由于无需电信号的处 理，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，使信息传输具有透明性。而且全 光交换减少了网络中的光电光转换，节省了大量的投资，透明的全光交换使得用 户速率更容易升级到未来的更高的传输速率。 全光网中，光交换方式分为：光线路交换( 包括波长交换、光纤光缆空间交 换) 、光分组交换和光突发交换( 包括光标签交换) 【l 】。目前对光线路交换和光突 发交换的研究已经比较成熟了。光分组交换可以看作是电分组交换概念在光域的 延伸。由于交换设备必须具备处理最小分组的能力，所以光分组交换要求节点的 处理能力非常强，对光部件的性能要求也就很高。光开关是大型分组包交换系统 的核心器件和决定网络性能的关键因素，所以也是全光网中的关键器件。近年来， 半导体光逻辑门、热光开关、机械光开关、液晶光开关等光开关技术和集成化都 取得了一定发展。但是由于目前光信息处理器件的功能比较简单，不能完成控制 部分复杂的处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制， 即所谓的电控光交换。现在只能确保用户与用户之间的信号传输全部采用光光波 技术，光控光交换技术主要还是在实验室内进行研究与功能实现。随着光器件技 术的发展，光交换技术的最终发展趋势仍然是光控光交换。 s o a ( 半导体光放大器) 因为具备良好的非线性性能，可以用作光开关和实 现光信息处理。目前国内外对s o a 用作光开关已经做了广泛而深入的研究，正在 尝试着用s o a 来实现各种全光信息处理功能。 电子科技大学硕士学位论文 1 2s o a 的非线性效应的研究概况 目前国内外已报道的基于s o a 的光信息处理大多是依靠s o a 的非线性效应 实现的，s o a 的非线性效应应可归纳为4 种形式，交叉增益调制( x g m ) 、交叉 相位调制( x p m ) 、交叉偏振调制( x s p ) 和四波混频效应( f w m ) 【2 1 。 1 2 1 交叉增益调制 s o a 中的交叉增益调制来自于它的增益饱和效应。在一定的注入电流下，s o a 形成一个载流子反转的分布，上能级的载流子数量大于下能级的载流子数量。当 有光信号进入时，受激辐射消耗上能级的载流子，由于上能级的载流子数目有限， 在小信号输入时增益较大，而大信号输入时增益较小，甚至出现无放大的情况。 这种小信号增益大，大信号增益小的现象称为增益饱和效应。 当有两个波长元和凡的光注入s o a ，其输入功率为p i n ( 2 q ) 和p i n ( 2 2 ) ，且有 r 行( 丑) p i n ( 如) ，此时可认为s o a 的放大倍数g 主要取决于p i n ( ? q ) 。由此可见， 改变一个波长光信号( p i n ( 4 ) ) 功率的大小，就可以改变另一个光( p i n ( x = ) ) 的 放大倍数，这就是交叉增益调制。基于x g m 的方案结构简单 3 巧】，功能实现仅依 赖于光功率，而不需要精确地控制光的相位。 1 2 2 交叉相位调制 交叉相位调制也是来自于s o a 中的载流子饱和现象，载流子分布随注入光子 数的改变而改变，从而导致折射率改变。当放大器载流子密度变化时，将引起 复折射率n = 玎+ j n ”变化，其实部分影响光场相位的延迟，虚部描述器件的损耗或 增益，二者之比就可以定义为线宽增强因子倪： 一d n ：口竺 ( 1 1 )= 口ll l ， 可以证明，s o a 中因增益饱和而引起的相移为： 她) 一丢北 g ( 明 ( 1 2 ) 当有两个波长( 分别是波长为a 的控制光和波长为如的信号光) 的光注入 s o a ，控制光功率为p i n ( _ a ) 和信号光功率为p i n ( 2 2 ) ，_ 且p i n ( a a ) 砌( 友) 。由公 式( 1 - 1 ) 、( 1 2 ) 式可以看出，只要改变p i n ( 2 a ) ，就可以改变相移。假定改变p i n ( 4 ) 2 第一章绪论 前的信号光p i n ( a 2 ) 的增益g 1 ，改变后的增益是g 2 ，这样由于控制光存在而导致的 附加相移为： 矽：织一办：丢洮导( 1 - 3 ) 二 u 2 由此可以看出，控制光光功率变化的相对大小，决定了非线性相移的大小， 基于交叉相位调制实现的光信息处理方案纠4 1 具有较高的消光比，所需的控制光功 率较小。 1 2 3 交叉偏振调制 交叉偏振调制是半导体光放大器中的另一种非线性效应，已引起了研究者广 泛的兴趣。目前，大多数商用的半导体光放大器都具有较好的偏振无关性。但实 际上，由于半导体光放大器波导结构的不对称性，其本身仍部分地存在双折射。 而t e t m 模之间较小的折射率的差异就能够引起两种模式之间的较大的相对相 移。所以当光波经过半导体光放大器后，其偏振态就会发生旋转。另外，在抽运 光探测光应用中，抽运光会引起额外的双折射，从而调制探测光的偏振态。这就 是交叉偏振调制效应。 交叉偏振调制效应导致光的偏振态发生变化，一方面会给半导体光放大器的 某些应用带来不利影响，如降低四波混频波长转换的转换效率，消弱交叉相位调 制型干涉器件的干涉效果；但另一方面，也可以利用它来实现光逻辑、光解复用 以及波长变换等。 偏振控制器1i s o 环行器 图1 - 1 交叉偏振实验图 图1 1 所示为观察交叉偏振现象的实验原理图。l a s e r l 发出的信号光( 波长 1 5 5 2 6 0 n m ) 通过偏振控制器，在偏振分析仪的邦加球上将出现一个偏振态。然后 加入由l a s e r 2 发出的控制光( 波长1 5 5 2 9 2 n m ) 首先观察到信号光的输出光功率 3 电子科技大学硕士学位论文 会发生变化，这主要是交叉增益调制所引起的。同时，在偏振分析仪的邦加球上 将观察到偏振态的演化。这说明除了交叉增益调制外，还有存在一种与控制光有 关的偏振旋转，一般被称为非线性偏振旋转。 1 2 4 四波混频 当两束光在s o a 中传输的时候，由于非线性作用，将产生新的波长的现象称 为四波混频。对于s o a 中f w m 的半经典解释是：两束不同波长的光进入s o a 时，介质中的载流子形成一个与入射光强的分布有关的载流子光栅。在s o a 中， 至少有三种机制对光栅的形成有贡献，它们分别为：载流子密度调制、动态载流 子加热和散射。s o a 中的f w m 是三者共同作用的结果，其转换效率随抽运光和 探测光的失谐下降很快。新的波长由几束光波共同作用产生，如果记抽运光的频 率为劬，探测光的频率为劬，那么两束新波长的频率就分别为2 劬一0 9 2 和2 0 9 2 一劬 ( 见图1 2 ) ，而且两个新频率光还会与旧频率光产生新的f w m ，所以被称为“混 频”。f w m 的转换效率与波导的色散、偏振和长度紧密相关，等效作用长度越长， 色散越小，则变换效率越高。半导体波导的损耗约为2 d b c m ，等效长度限制在l c m 以内，其色散可以忽略不计，这时转换带宽可达2 0 n m 。对于功率为1 7 d b m 的抽运 光，典型的转换效率为2 0 d b 左右。四波混频的转换效率虽然比较低，但是它的转 换时间也很低，为亚皮秒级，因此更适合于高速的信号处理。【1 5 】 一l 2 q c 0 2 2 c 0 2 一q s o ab f p q c 0 2 图1 2 四波混频现象 1 3 半导体量子点的量子尺寸效应 虽然随着光通信系统的发展，基于s o a 非线性效应的全光信息处理( 如3 r 再生，光功率均衡等) 的应用已受到了很多国内外专家、学者的关注，也发表了 许多该方面的研究成果。但受限于载流子恢复时间( 通常可达几十到数百纳秒) ， s o a 的增益和相位恢复时间相对较长，在现在超高速的光信息传输系统中，体现 4 第一章绪论 出处理速度不足的缺点。出于减小载流子恢复时间的考虑，一种基于半导体量子 点结构的新型光放大器便应运而生。 半导体量子点，也称为半导体纳米晶粒，典型尺寸为1 1 0 n m ，包含几十个到 上万个原子，介于宏观固体与微观原子、分子之间。从宏观角度看，量子点可当 作“小固体( s a m l ls o l i d ) ，例如i i v i 族化合物半导体纳米晶粒，当包含大约 2 0 0 个以上原子时，具有与体材料相同的晶体结构，可看作是固体的一个小部分； 从微观角度看，量子点又可当作“大分子”( 1 a r g em o l e c u l e ) ，例如瓯0 0 时为向下波长转换， 当q 0 时为向上波长转换。假设泵浦光、探测光和混频光在q d s o a 的有源区仅 激发t e 基模传输，且传输方向相同，则泵浦光、探测光和频率为2 y ，一的混频 光在q d s o a 中的光功率传输方程为： ! = 告 g ( 1 一衄) 一卜g ( 1 2 + i41 2 ) ) 4 宓z ( 4 5 ) 一鲁( 叩芦彳；4 p 一他) 第四章q d s o a 四波混频的研究及应用 警= 扣g ( 1 嘞) 喝】_ g ( 吲引怫i - 4 , 1 2 ) ) 4 一i g ( 7 k + 仇p ) 彳g a 。j p , 一i a t z - , 一。i ( 7 k + ) 彳g 。1 一 警= 三1 g ( 1 砌) 飞】一g ( 14 1 2 + 2 ) ) 4 一詈。2 岛a * p - i a k z j 1 ( 4 6 ) ( 4 7 ) 其中4 、么。和么。分别代表探测光、泵浦光和混频光的光强，露。、七：和气分别对应 探测光、泵浦光和混频光的波矢。口代表q d s o a 的线宽增强因子，代表损耗 系数，因子叩。代表光场4 和彳，在光强度上迭加所形成的折射率光栅的耦合系数。 由于q d s o a 直线型结构和低色散的特点【3 4 1 ，我们可以认为j = 2 k ：一k 。一k ，* 0 。 在q d s o a 中，至少有三种机制对形成这种折射率光栅有作用，分别为载流子密 度调制、光谱烧孔和载流子加热，它们的作用效果在因子仉中体现出来。在公式 ( 4 5 ) ( 4 7 ) 中，第一项包括增益饱和和内部损耗对光场的影响，第二项代表 探测光、泵浦光和混频光之间相互的作用，最后一项体现了载流子密度调制、光 谱烧孔和载流子加热对光场的影响。 公式( 4 - 5 ) ( 4 7 ) 能够较准确的描述探测光、泵浦光和混频光在q d - s o a 中的传输过程，但由于其计算繁琐、计算量大，所以需要对其做出一定的简化。 我们假设泵浦光功率要远大于探测光和混频光的功率，则探测光和混频光对泵浦 光的影响可以忽略，公式( 4 6 ) 中第二项和第三项直接和间接的代表了探测光和 混频光对泵浦光的影响，将之忽略。公式( 4 5 ) 和( 4 7 ) 中，7 ki 么p1 2 的值要远 大于i41 2 ，ia p1 2 要远大于i41 2 ，将较小的一项忽略。简化后的公式为： - 犯- d ；- 22 扣咖 一i 们4 ( 4 - 8 ) 一i g ( 群4 ) 警= 扣( 1 也h 0 】) 4 ( 3 5 电子科技大字由贝士字但论又 一一_ 一 警= 扣( 1 啦一o 】_ g i a , 1 2 ) 4 一g 7 7 朋彳p 2 以口1 , 】( 4 - 1 0 ) 公式( 4 8 ) 。( 4 1 0 ) 是光功率的表达式，当替代以电场形式并加入载流子的 变化因素： 冬：冬h + 岱船】 ( 4 1 1 ) 警= 争”鹏驴聪喇2韶 z ( 4 12 ) 一1 2h ( 干q ) e 瓦 其中 日( q ) = 2 a o g o j a 爿) ( q ) ( 4 1 3 ) ( q ) - ( 1 州啦+ 争( 古巾丹毒2 盯1 ( 4 - 1 4 ) 。o 且 yu r y ：( - j r 2 + 旦+ 1 - _ _ a + 上+ a o s 1 半筹+ 1 - _ z f + 拿静 其中i z 和厂分别代表激发态和基态的载流子占据几率，f _ i ，0 。w 代表润湿层的载 流子数。甑、锁和觚分别代表润湿层、激发态和基态的载流子由于四波混频而 产生的诱变情况，它们有如下的关系： 等= c 等+ 警t 2m 一皿+ 等+ 去+ 去r “。6 ， mf w 2 ， f w 2z 2 w z 诚 筹= c 去+ 1 - _ a h ) h q + 等去 +丝t+警一筹芦半+i+i+与产】-1w2 1 - hh 吃1 i - lf ：2f w 2 乃wz 2 1 4 1 2 不同参数对q d s o a 的四波混频性能的影响 将公式( 4 1 1 ) ( 4 1 7 ) 代入q d s o a 的数值模型，可以得到q d s o a 四波 3 6 第四章q d s o a 四波混频的研究及应用 混频的曲线。由于四波混频涉及到光场耦合效应，光场方程由简单的线性方程转 变为非线性方程，无法得到解析式，所以在仿真过程中涉及求解光场的方程( 4 1 1 ) 和( 4 - 1 2 ) 时，作者采用4 阶龙格库塔法进行数值计算。在仿真过程中四波混频 的性能优劣关键在于其转换效率的高低，我们引入参数聊对其性能进行评价， 其表达式为： 聊= 4 ( 输出端) 4 ( 输入端) ( 4 - 1 8 ) 图4 2 图4 5 是计算得到的四波混频效率孙胁与探测光、泵浦光和频率失谐 量的关系曲线。在输入光波形中，我们采用连续波形。表4 1 是仿真所采用的部分 参数值。 表4 啊1f w m 仿真模型参数 符号值 q 5 1 0 1 4 m 2 l w 0 2 p m 形 2 p m 2 r a m 3 2 硎7 口 l 口 g m “ 1 4 c 所。j 5 6 x1 0 1 7 c m 2 3 7 电子科技大学硕士学位论文 图4 - 2 四波混频效率r 册a , t 随输入泵浦光功率变化图 图4 2 是在相同的输入探测光功率以= 一3 0 d b m 和频率失谐量q = 一i o g h z 情 况下，四波混频效率r 1 月v m 随输入泵浦光功率变化的情况。从图中可以看出，当输 入泵浦光功率增加时，四波混频效率7 7 f g q t i 也会随之增加。但r i f w m 的增加并非是线 性的。当强泵浦光输入时，r l r m , t 会变得平坦，不可能靠一味增加泵浦光输入来提 高q d s o a 四波混频的效率。 图4 3 是在相同的输入泵浦光功率a 。= l o d b m 和频率失谐量q = 一i o g h z 情况 下，四波混频效率r l f 删随输入探测光功率变化的情况。从图中可以看出，当输入 探测光功率增加时，四波混频效率叩f 删不仅不随之增加，反而成减小趋势，且探 测光功率越大，r l f 聊越小。这是因为探测光功率的增加虽然会增大混频光功率， 但其转换效率不高，导致最后叩f 聊不增反降。但是如果我们一味减小输入探测光 功率来提高叩f 聊，会造成输出混频光太弱而无法探测。如何选择合理的平衡点， 需要根据不同的场合进行考虑。而对比图4 2 和4 3 ，2 0 d b 的输入泵浦光功率变化 带来了2 5 d br l r v m 的改变，而2 5 d b 的输入探测光功率变化却仅不到2 d b r i f 聊的改 变。 3 8 第四章q d s o a 四波混频的研究及应用 输入探测光功率( d b m ) 图4 - 3 四波混频效率叩f 删随输入探测光功率变化图 图4 - 4 是在相同的输入泵浦光和探测光功率比彳。以= 3 0 d b 和频率失谐量 q = - i o g h z 情况下，四波混频效率r l f w m 变化的情况。图4 4 中，四波混频效率r r w a 4 的变化情况与图4 2 类似。但由于探测光功率也同时增加的影响，r r ，v - m 的增益并 不如图4 2 中那么迅速。从前面的分析可以预见，在光功率增加的情况下，探测光 对，7 的影响逐渐增大，而泵浦光逐渐减小。当两光同比增加到一定程度时，探 测光的影响可能会超过泵浦光，使得，7 呈下降趋势。不过由于器件等因素的限 制，使得过强的输入光功率分析变得毫无意义。 图4 - 4 四波混频效率叩f 腑变化图( 输入泵浦光和探测光功率同比增加) 图4 - 5 是在相同的输入泵浦光功率a p = 1 0 d b m 和探测光功率4 = 一3 0 d b m 情 况下，四波混频效率卵f 聊随频率失谐量变化的情况。频率失谐量的增加意味着泵 3 9 电子科技大学硕士学位论文 浦光和探测光的信道间隔增大，则意味着两光波的群速度差别大，破坏了相互之 间的相位匹配条件，从而降低了四波混频效率。 图4 - 5 四波混频效率聊随频率失谐量变化图 4 2 基于q d s o a 的四波混频原理的光采样 脉冲测量在超高速光通信、激光光谱学、光纤传感器、激光雷达等领域均有 着非常重要的应用。在未来的高速光时分复用系统中，应用光采样实现在线质量 监测和脉冲测量将变得十分关键。到目前为止，一些满足皮秒时间分辨力的全光 采样系统已经得到了论证。除了相关线性光采样技术【3 5 1 ，其它光采样技术应用了 非线性光学的方法，如应用非线性晶体的和频效应、光纤或半导体光放大器的四 波混频效应【3 6 1 、半导体中的双光子效应【，7 】和基于半导体光放大器的光开关等。因 为半导体光放大器体积小，适合于单片集成，非线性效应明显，成为了实现光采 样的主要器件。本节将在q d s o a 四波混频数值模型的基础上，研究了一种新型 的基于q d s o a 四波混频的光采样技术，并对其性能进行分析。 4 2 1 光采样的工作原理 q d s o a 中实现光采样的四波混频过程是准连续波四波混频，泵浦光和探测 光信号都是短光脉冲，因此也被称为脉冲四波混频。在采样中，以泵浦光为采样 信号，探测光为被采样信号，当两光波经过q d s o a 后，新产生的混频光将保留 第四章q d s o a 四波混频的研究及应用 与泵浦光相似速率和脉冲宽度的短光脉冲，同时又复制了探测光的光强信息。当 我们采样相应的混频光峰值时，就可以完成对探测光信号的采样。 图4 - 6 是在频率失谐量为1 t h z ，泵浦光脉冲宽度为l p s ，峰值功率强度为o d b m ， 探测光脉冲宽度为l o p s ，峰值功率强度为1 0 d b m 情况下，基于q d s o a 四波混频 的光采样图。从图中可以看出，混频光的最大峰值功率出现( 即最大转换效率) 与被探测光基本重合。虽然在采样光脉冲的上升沿有一定的前移，下降沿有一定 的后移，使得采样后的脉冲出现略微的展宽和畸变，但整体保持了较好的波形。 ： 。i卜 051 01 52 02 5 3 0 3 54 04 5i f 0 t ( p s ) ( c ) 图4 - 6 基于q d s o a 四波混频的光采样图 ( a ) 输入采样光信号( 泵浦光) c o ) 输入被采样光信号( 探测光) ( c ) 输出采样光信号( 混频光) ( d ) 归一化的输入输出光信号 4 1 m 眦 圳 瞄 瞄 科 他 。 饥 n 乱 n n 乱 ev米棼张丑察 电子科技大学硕士学位论文 4 2 2 基于q d s o a 的四波混频原理的光采样。l 土l a i - z 月匕b 分析 图4 7 是在泵浦光脉冲宽度为l p s ，峰值功率强度为o d b m ，探测光脉冲宽度为 l o p s ，峰值功率强度为1 0 d b m 情况下，不同频率失谐量对输出波形的影响。从图中 可以看出当频率失谐量减小时，脉冲更接近于输入波形。但从计算结果可知其输 坷砥1 口口 4 皿 g u 婴 辜 1 皿 图4 7 频率失谐量为1 t h z 和1 0 0 g h z ，归一化的输入输出光信号图 出功率( 即四波混频转换效率) 也较小。频率失谐量为1 t h z 时其最大输出功率只 有频率失谐量为1 0 0 g h z 时的三分之一左右。 图4 8 是在探测光脉冲宽度为1 0 p s ，峰值功率强度为1 0 d b m ，频率失谐量为 i o o g h z 情况下，不同泵浦光脉冲功率对输出波形的影响。从图中可以看出，在选 择强泵浦光脉冲情况下，不仅输出信号光功率更强，而且输出的波形更接近于输 入的信号光。因此，我们在选择泵浦光时，应尽可能的选择强泵浦光脉冲输入， 以获得最佳的输出信号。 4 2 第四章q d - s o a 四波混频的研究及应用 槲 督 g 妲 基 县 图4 8 泵浦光脉冲峰值功率为o d b m 和2 0 d b m ，归一化的输入输出光信号 褥 督 g 妲 s l 县 图4 9 探测光脉冲峰值功率为1 0 d b m 和2 0 d b m ，归一化的输入输出光信号 图4 - 9 是在泵浦光脉冲宽度为l p s ，峰值功率强度为o d b m ，频率失谐量为 i o o g h z 情况下，不同探测光脉冲功率对输出波形的影响。从图中可以看出，在低 功率信号光时，采样的光脉冲更接近与输入的信号光，会取得更好的效果。 4 3 电子科技大学硕士学位论文 岂 参 宝 _ 嚣 嘎 舌 0 z 图4 1 0 基于异质结结构的s o a 四波混频的光采样，归一化的输入输出光信号 图4 1 0 是基于传统的异质结结构的s o a 四波混频进行的光采样【3 9 】，归一化 的输入输出光信号图。图中的混频光相较信号光整体出现前移，这是由于较宽的 探测光脉冲使得s o a 出现了明显饱和，s o a 增益下降导致采样脉冲的采样值偏小， 导致整体输出前移。相对而言，由于q d s o a 由于增益恢复速度快，所以能保持 较好的波形。 4 3 小结 本章在构建q d s o a 四波混频模型的基础上，提出了一种新型的基于q d s o a 四波混频的光采样技术。主要结论有： ( 1 ) 通过合理的假设，简化了q d s o a 四波混频数值模型。在数值仿真时，通 过调节输入探测光、泵浦光功率和频率失谐量，发现四波混频转换效率随泵浦光 功率的增加而增加、随探测光功率和频率失谐量的增加而减少。 ( 2 ) 以泵浦光为采样信号，探测光为被采样信号，仿真实现了基于q d s o a 四 波混频的光采样，并发现在高泵浦光功率、低探测光功率和低频率失谐量情况下 能得到较好的采样信号。 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l o l o n 0 o o o 0 o o o 第五章全文总结 第五章全文总结 随着光通信系统的发展，s o a 由于价格便宜、集成度高等优点受到青睐，基 于s o a 的非线性效应的光信息处理( 如3 r 再生，光功率均衡等) 有着广泛的应 用前景。但受限于载流子恢复时间，s o a 的增益和相位恢复时间都很长，光信息 处理速度因此受到限制，无法有效地适应追求高速的现代光信息传输系统。出于 减小载流子恢复时间的考虑，一种基于量子点结构的新型半导体光放大器便应运 而生。 本文在建立q d s o a 数值模型的基础上，分别提出了基于q d s o a m z i 结构 和四波混频非线性效应的光信息处理方面的应用。论文研究的主要内容和得到的 结论如下： ( 1 ) q d s o a 的理论模型和饱和增益特性。建立了q d s o a 数学模型，采用分 段模型处理仿真模型所遇到的载流子和光场分布不均匀问题、采用牛顿法处理初 始值计算问题、采用4 阶龙格库塔法处理载流子动态计算的可靠性。通过对 q d s o a 的增益饱和特性的研究，证明了q d s o a 相对于传统的异质结结构的 s o a 优越性。分析了光功率的变化和量子点多层的能级结构对载流子浓度变化的 影响。 ( 2 ) q d s o a m z i 结构及其应用。通过推导出来的q d s o a m z i 输出光功率 公式和仿真得到输出增益和基态载流予浓度的关系，为光硬限幅器和光功率均衡 器的实现确定工作范围。合理设置工作点实现了基于q d s o a m z i 的光硬限幅器 和光功率均衡器，并通过仿真得出注入电流，载流子跃迁时间和脉冲宽度对其输 出性能的影响。实现了基于q d s o a m z i 的n r z 码到r z 码的码型转换器，发现 通过调节输入时钟信号的脉冲宽度和功率可以方便的控制输出r z 码的占空比和 较好的输出波形。 ( 3 ) q d s o a 四波混频的研究及其应用。通过合理的假设简化了的q d s o a 四 波混频数