（通信与信息系统专业论文）soa交叉增益调制及发射组件互换性特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 基于半导体光放大器的交叉增益调制( s o a x g m ) 全光波长转换器 ( a o w c ) 有许多优点，诸如结构简单，易于和其它光电器件集成，响应速度 快，变换频域宽和偏振不敏感，在波长转换同时可以将转换后携带信号的光波 进行放大，因此引起人们的关注，成为光通信器件研究领域里的热点。 本文先从s o a x g m 型波长转换器模型和s o a 分段模型出发，利用载流子 速率方程以及信号光和探测光在s o a 中的传输方程，对s o a 内部载流子浓度 变化规律和波长转换器输出消光比退化做仿真研究；搭建s o a x g m 金光波长 转换器实验系统，实现从1 5 3 0 r i m 到1 5 5 0 r i m 向上转换2 0 n m 的波长转换；同时， 利用相位渗透理论，数值计算了垂直腔半导体光放大器( v c s 0 a ) 中的有效腔 长。研究结果表明：为提高s o a 响应速度，应增加s o a 偏置电流和输入光功 率；为提高输出消光比，应选择大功率信号光、小功率探测光以及适当的波长 转换间隔和向下转换方式：在分布布喇格反射器( d b r ) 相对折射率差为0 0 5 到0 2 范围内，相位渗透深度变化比较快，且随d b r 周期数增大而增大；有效 腔长使实际增益峰值比f p 腔简化模型的预测值要小，但对半值全宽带宽的影 响相对较弱。 根据飞通光电品质部反映发射组件性能差的情况，通过实验对组件中的互 换性问题和相对强度噪声进行测试，讨论了单模光纤中极短距离内的基模形成 情况的规律。测试数据表明：提高l d 的光场分布与光纤基模的匹配度和插芯 长度都可以控制互换性问题。这些分析和结果对发射组件封装有一定参考价值。 关键词：半导体光放大器：波长转换；交叉增益调制；互换性；有效腔长 注t 作者从2 0 0 4 年7 月一直到论文完成，都在深圳飞通光电股份有限公司实习，实习内容 为组件性能测试和蝶型封装，实习导师是前t o s a 部门经理彭斌。本文第三章前半部分和 第四章均在飞通光电公司完成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s tr 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 r ( a o w c ) b a s e de l l s o a x g mh a sb e e np a i dm o r e a t t e n t i o nb c c a n s eo fi t sv i r t u e ss u c ha ss i m p l es t r u c t l l r e e a s yi n t e g r a t i o nw i t ho t h e rp h o t o e l e c t r i c d e v i c e s ，f a s tr e s p o n s e 。w i d ef i c q u c n c yr a n g ef o rc o n v e r s i o n , i n s e n s i t i v ep o l a r i z a t i o n e t c s oi t h a sb e c o m et h eh o t p o i n ti nt h e6 c l d o f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s f r o mt h em o d e l so fs o a - x g mc o u v e r t e ra n ds e g m e n t e ds o a ，t h ei n t e r i o rc a r r i e rd e n s i t y a n do u t p u te x t i n c t i o nr a t i oh a v eb e e ns i m u l a t e db yu s i n gt h ec a r r i e rr a t e e q u a t i o n sa n dt h e p r o p a g a t i o ne q u a t i o n so fs i s h a la n dp r o b ei n s i d es e a t h ee x p e r i m e n ts y s t e mo fa o w c h a s b e e nc o n s t l u c t e d 。a n dt h ew a v e l e n g t hi sc o n v e r t e df r o m1 5 3 0 h mt o1 5 5 0 n m t h ee f f i c i e n tc a v i t y l e n g t ho fv e r t i c a lc a v i t ys 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 rf v c s o a l i sc a l c u l a t e dw i t ht h et h e o r y o f p h a s ep e n e t r a t i n g t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e r e s p o n s er a t eo fs e a c a nb ei n c r e a s e dw i t hl a r g e r b i a sc u r r e n t 。m o r ei n p u to p t i c a lp o w e r w i t hl a r g e rs i g u a lp o w e r , s m a l l e rp r o b ep o w e r , s u i t a b l e c o n v e r s i o ni n t e r v a la n dd o w n w a r d sc o n v e r s i o nm o d e ，t h eo u t p u te x t i n c t i o nr a t i oc a nh ee n h a n c e d ， t h ep h a s ep e 雠协岖n gd e p t hv a l = i e sf a s tw h e nt h ed i 敷髓n c eo fr e l a t i v er e f r a c t i v ei n d e xi n d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r s ( d b r ) b e t w e e no 0 5a n d0 2 ，a n di ti n c r e a s e sw i t hd b r sp e r i o d n u m b e r t h ea c t u a lg a i np e a kv a l u ei sm u c hs m a l l e rt h a nt h es i m p l i f i e dm o d eo ff - pc a v i t y , b u t t h ee f f e c ti sl i g h tt ot h ef u l lw i d t ha th a l fm a ) 【i r a u mw i t ht h em o d eo fe f f i c i e n tc a v i t yl e n g t h t h e i n t e r c h a n g e a n dr e l a t i v e i n t e n s i t y n o i s eo ft r a n s m i t t e d s u b a s s e m b l y a r et e s t e d r e s p e c t i v e l y t h ef o r m i n g o fb a s i cm o d ei sd i s c u s s e di nt h eu l t r as h o r td i s t a n c eo ft h e s i n g l e - m o d ef i b e r t h et e s td a t ai n d i c a t e st w o e a s i b km e t h o d st oc o n t r o lt h ei n t e r c h a n g e ，w h i c h c a ne n b a et h em a t c h i n gb e t w e e nt h eo p t i c a l 丘c l do fl da n dt h eb a s i cm o d ef i e l d a n di n c r e a s e t h es t u bl e n g t h t h er e s u l t sw i l lh eu s e f u lf o rt h ep u c k i n go f t m n s m i r e d s u b a s s e m b l y k e yw o r d a ：s o a ；w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ；c r o s s g a i nm o d u l a t i o n ；i n t e r c h a n g e ；e f f i c i e n tc a v i t y l e n g t h ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 在波长转换器中，现在关注的热点是半导体光放大器( s o a ) 。它有一个明 显的优点：在转换波长的同时，还可以对信号光进行放大，并因为s o a 在性能、 价格及集成度上都比其他类的光放大器如光纤光放大器有优势，所以基于s o a 的波长转换器的文献在最近国内外的期刊上多有报道【1 吗】。波长转换中有交叉增 益调制( x g m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、四波混频( f w m ) 等技术，而基于 s o a 的x g m 型( s o a x g m ) 波长转换器有很多优点，诸如结构简单，易于和 其他光电器件集成，响应速度快，变换频域宽和偏振不敏感等，因此引起人们 关注【4 】。本章将先对波长转换器的来历、s o a 的结构特点、s o a x g m 型波长 转换器的研究现状及应用前景做一简单介绍，然后说明本文的结构和论文所取 得的成果。接下来的几章内容将对s o a - x g m 型波长转换器做仿真和实验研究， 同时也对新型半导体光放大器的有效腔长做理论分析和探索研究，并对发射组 件中插拔互换性和相对强度噪声进行测试分析。 1 2 波长转换器来历 1 9 7 0 年，半导体激光器室温连续振荡试验的成功和低损耗光纤的实现拉开 了光通信时代的序幕。现在我国的主干信息通信网几乎全部都实现了光通信， 今后光纤也将进入每个家庭。伴随着i n t e r n e t 的出现与多媒体业务的迅猛发展， 个人和公司对带宽资源提出了越来越高的要求。为满足光通信网络传输的交互 性、灵活性的要求，在物理层和网络层上提出了光波分复用( w d m ) 和密集波 分复用( d w d m ) 技术，在波长域中提高传输容量，对光纤带宽资源进行了充 分的利用。在许多这样的波长路由网络的交互连接中，一些关键的问题必须要 引起注意，包括网络问的互联性、可扩展性和透明性。因此波长转换器就被提 出和设计研究了。 波长转换器( w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 是w d m 实现这些优秀特性所需要的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 一个关键功能器件。波长转换器在关键的网络节点处发挥着非常重要的作用， 它能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，并且 从总体上看，在动态传输模式下更好的利用网络资源。 1 3s o a 的结构特点 半导体光放大器( s o a ) 的定义：是一个用向半导体有源区注入载流子生 成反转分布状态，光信号被激发产生并放大后输出的器件。它比光纤放大器的 体积更小，功耗更低，它是利用和光通信用的半导体激光器相类似的工艺制成 的。和石英光纤放大器相比，s o a 更适于基干长距离传送系统，并适于光纤网 络高性能化后光电器件多且性能各异的情况。利用s o a ，有利于光通信性能的 扩大、体积减小、功耗降低和成本降低。 s o a 是一种单程光放大的行波器件，具有类似于半导体激光器( l d ) 的结 构，它是由半导体材料如i n p 的有源区部分和无源区部分组成。 s o a 应具有的性能：高饱和输出、高增益、无偏光依存性、低噪声等。与 l d 一样，为了获得高增益，有源区可以设计成多重量子阱结构，价电子带宽是 分裂的，但这样会有偏光依存性；若是将有源区做成矩形的，偏光依存性就很 小；同时还要求端面有光抗反射层，抗反射层的反射率要控制在1 0 4 以下，这 样获得的光谱波纹才能在l d b 以下。端面的低反射率层，是一种多层介质层构 成的抗反射膜。整个s o a 放大过程的简单示意图如图1 - 1 所示。 f i g 1 - 1t h es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fs o a 图1 - 1 半导体光放大器示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 4s o a - x g m 型波长转换器的研究现状 迄今为止，已报导了多种结构和机制的全光波长转换器，大体上可以分为 以下几类：其一是以s o a 为基础的包括： ( 1 ) 采用交叉增益调制( s o a x g m ) 光波长转换器； ( 2 ) 采用交叉相位调制干涉型( s o a - x p m ) 的波长转换器； ( 3 ) 利用四波混频效应( s o a f w m ) 光波长转换器等。 其二是以半导体激光器为基础的包括： ( 1 ) 利用分布布喇格反射( d b r ) 激光器或y 型l d 中光吸收增益饱和机 制的波长转换器； ( 2 ) 利用边注人的光双稳型波长转换器； ( 3 ) 基于半导体激光器或光纤中的四波混频效应或不同频率产生( d f g ) 的全光波长变换器以及非线性光纤环型腔( n l o m ) 型波长变换器。 在上述波长转换器方案中，基于l d 和光纤的波长转换器与基于s o a 的波 长转换器相比，存在许多不足，性能也难以同步提高。因此目前研究的主要方 向是用s o a 作非线性器件，并向光学集成化方向发展。 s o a 具有处理高速信号( 1 0 g b s ) 的能力，且易于和其它半导体光电器件 集成在一个芯片中，或者提高s o a 的性能，或者利用s o a 配合其他器件构成 新的转换器结构o m 。其中，s o a x p m 的方案已经相对成熟，其研究重点转向 光学集成，即在同一基片上同时集成m z i 和泵浦激光器，或者同时集成m z i 和预放f 6 l 。s o a f w m 的波长转换器不仅可以实现全光波长复用分组网络中波长 路由的功能，而且其转换输出光为输入信号光的共轭光，可以有效地进行传输 系统的色散补偿等。另外，s o a f w m 的波长转换对调制方式、码速率完全透 明，信号速率高，具有高达l o o g b s 的信号变化潜力；s o a f w m 的变换范围 也大，最大变换范围可以达到8 0 r i m ，可以同时将一组输入波长变换到另一组波 长。并且f w m 还保留了原始信号的相位和幅度信息，是具备严格透明性的波 长变换方案，因而s o a f w m 的波长转换技术的研究也成为目前的热点”w 。而 垂直双泵浦四波混频对偏振不敏感，有较好的转换效率和消光比，成为f w m 中最有发展前景的技术。目前垂直双泵浦方面的研究工作主要集中在变换效率 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 方面，对于双泵浦f w m 的噪声还没有研究。除此之外，对超短脉冲波长转换 和多波长进行全光转换的研究也逐渐增加。 虽然基于s o a 的波长转换器的转换速率受到s o a 的限制，输出消光比有 限且引入了啁啾，而一种新的转换技术采用铌酸锂波导技术的波长转换器 可以避免这些问题，转换效率可以达到- 1 0 d b 。朗讯( l u c e n t ) 已经研制出利用 。晚进行转换的光波转换器，光波导是周期极状。d 3 光波导。由此看来， 开发更新更好的技术也是今后研发的重点。 在国外的理论研究中，2 0 0 3 年c o r t e 和e l m i r g h a n i 对2 5 g b s 速率下的 s o a ，x g m 型波长转换器研究了在放大的自发辐射噪声下的精确噪声特性【l 们； 2 0 0 2 年，叶亚斌等对s o a x g m 型波长转换器中的信号光波长的选择和啁啾特 性做了深入研究【1 1 隅，指出为得到转换后信号最大的消光比，信号光波长应该 比s o a 的小信号增益峰值波长长。2 0 0 0 年t z a n a k a k i 和m a h o n y 分析了信号光 和探测光在相向传输上的情况【1 3 】；1 9 9 9 年，韩国学者又对s o a - x g m 型波长 转换器的频率啁啾和消光比做了理论分干斤【“；1 9 9 8 年和2 0 0 0 年o b e r m a n n 等 分别对s o a x g m 型波长转换器的性能和误码率做了相对全面的分析f 1 5 l 明。 在国内的研究中，2 0 0 1 年张新亮等对s o a x g m 型波长转换器在考虑放大 自发辐射下，基于误码率特性分析对有源区腔长和内部损耗、转换波长间隔、 探测功率和平均抽运功率等参数进行了优化；李猛等在s o a 增益谱特性基础上 深入分析了消光比退化的原因；随后，张新亮及谢光等分别对s o a - x g m 型波 长转换器做了实验研究，进行了2 5 g b s 非归零码光脉冲的波长转换，向上转 换间隔大于1 4 r i m ，消光比大于1 0 d b ，光信噪比大于3 0 d b t l 7 】；2 0 0 2 年，叶宏 又对s o a x g m 型波长转换器的特性做了全面分析和对比。 1 5 论文的结构与研究成果 1 5 1 论文的结构 本论文共分四章，分别涉及了三个方面的研究： ( 1 ) 利用s o a x g m 模型和分段模型仿真分析s o a 内部载流子变化规律 和输出消光比退化的情况； ( 2 ) 对s o a - x g m 型全光波长转换器做实验研究，并对新型垂直腔半导体 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 光放大器( v c s o a ) 的有效腔长作理论分析，并积极探索v c s o a - x g m 型转 换器内部特性； ( 3 ) 实验测试发射组件中插拔互换性和相对强度噪声性能，找出互换性产 生的原因并加以控制；根据测试数据给出合理组件r i n 内控指标。具体如下： 第1 章绪论部分，简要回顾s o a x g m 型波长转换器的出现背景、技术发 展；简单介绍s o a 的特点，概要性描述该领域内的最新研究动态和论文的结构 及取得成果。 第2 章理论模型介绍及仿真研究分析部分，从s o a 的分段模型出发，对 s o a 内部载流子浓度的变化规律和输出消光比退化做仿真分析。 第3 章全光波长转换器实验研究和探索新型v c s o a x g m 型波长转换器 研究。搭建转换系统，从实验数据上分析s o a - x g m 型波长转换器的性能，并 对v c s o a 的有效腔长做了深入的理论分析，结合分段模型研究了v c s o a 内 部载流子浓度变化规律。 第4 章发射组件中插拔互换性和r i n 测试，用实验研究互换性的原因和解 决方案；对r 烈进行测试系统搭建，测量并确定组件的r i n 噪声内控指标。 最后是本文的结论、致谢和攻读硕士学位期间发表的论文。 1 8 2 论文的工作及成果 本文主要的研究成果在于全光波长转换器的实验研究、新型垂直腔半导体 光放大器的有效腔长的理论分析和利用实验找出发射组件中互换性问题的原因 并加以控制。波长转换器实验中，采用商用c w d m 中d f b 模块作为两个光源 进行实验，并向上转换2 0 n m , 实验也给出了转换的光谱和眼图；国内首次提出 v c s o a 中有效腔长的理论分析，可对将来的v c s o a 设计提供正确的理论参考； 在企业中进行发射组件的互换性问题实验分析，从而确认互换性问题跟l d 发 射的光场、插芯长短及光纤同心度的关系，为提高产品成品率和直通率做出贡 献。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 2 1 引言 第2 章模型理论及仿真研究 全光波长转换器( a o w c ：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 ，简称波长转换 器) 的定义：一种能把带有信号的光波从一个波长输入转换为另一个波长输出的 器件，可以用来实现光波长的再利用和再分配，避免波长争用。 波长转换器是解决相同波长争用同一个端口时的信息阻塞的关键。理想的 波长转换器应具备有较高速率( 1 0 g b s 以上) 、较宽的波长转换范围、高信噪 比、高消光比且与偏振无关。使用波长转换可扩大全光网络的规模，节约光纤 和波长资源、简化网络管理，并降低网络互联的复杂性。波长转换可以分为光 电、光栅和波混合三种类型。光栅机理器件有s o a 交叉相位调制、非线性光环 路反射镜和s o a 交叉增益调制。但是前两种只能提供有限的透明性，第三种可 以提供完全的透明性。 交叉增益调制( x g m ) 的机理是由于微观上半导体光放大器( s o a ) 有源 区载流子浓度对于相对大功率的信号光的1 脉冲放大而降低，对同时输入的小 功率探钡4 光的增益这到了饱和；对信号光“o 脉冲放大而消耗的载流子浓度不 大，对探测光就可以得到未饱和下的增益，因此探测光被相对大功率的信号光 调制了。同时，输出消光比特性是波长转换器的一个重要品质参数，它决定了 波长转换器的输出特性和串联能力。x g m 型波长转换虽然装置简单、转换效率 高，但其输出消光比特性比较差，具体表现为消光比的退化，尤其是在相同波 长间或向长波长转换时，退化严重，不利于输出信号传输、读取和波长转换器 的串联。因此本章接下来将会对s o a 内部的动态特性、输出消光比方面做理论 分析和仿真研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 波长转换器模型和分段模型 2 2 1s o a - x g m 型波长转换器模型 波长转换器是波分复用( w d m ) 全光网中的关键器件，它可以降低光交叉 互连( o x c ) 节点处的阻塞率，避免波长路径间的碰撞，实现波长的分区重复 使用，提高波长路由的效率，简化网络的结构及其管理。如果可调谐波长转换 器再加上固定输出滤波器阵列，便可实现高效的光空间交换了。由于s o a x g m 型波长转换器的突出有点，下面就介绍其转换器的模型。 当一束相对大功率的携带有信号的信号光( s i g n a l ，丑) 与一束相对小功率 的连续探测光( c w ，a 。) 同时经由一3 d b 光耦合器耦合进s o a 。s o a 在所加的偏 置电流( b i a sc u r r e n t ) 下内部有源区的有限载流子数产生反转，对输入光进行 放大。但是因为偏置电流作用下产生有限载流子浓度，使得放大增益有限，称 作增益饱和。由于增益饱和效应，输入的大功率的信号光便调制了s o a 的载流 子浓度及增益，进而调制探测光的增益，实现信号由信号光向探测光的转换。 关于信号光和探测光的输入方向，可以同向输入，也可以相向输入。相向输入 方式下模型可以减少一个光滤波器，降低了转换器的成本。图2 1 是s o a x g m 型波长转换器同向输入方式下的转换系统示意图，可见转换输出后的信号与原 来的信号正好反相。 b i a sc i l r r g n t f i g 2 - 1t h es c h e m a t i co fs o a x g m 图2 - 1s o a - x g m 型波长转换器的示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 2s o a 分段模型 众所周知，s o a 的载流子恢复时间大于几百个皮秒，这样的响应速度按经 典低通特性计算得到的最高转换带宽最大仅为几个吉赫兹，但在实验上进行基 于s o a 的波长转换时，转换带宽均达到了4 4 0 g h z 。对于s o a 如此的宽度调制 特性，本文介绍用分段模型来分析研究。分段模型示意图如下图2 - 2 所示呻】： - - - - - - - + - - - - - - - - + c w 以圈 f i g 2 2t h es o a s e c t i o n a lm o d e 图2 - 2 s o a 的分段模型 模型中将s 0 a 分成若干段，光进入每一段都会有这一段的载流子浓度变化、 光子浓度等参数。其中信号光在第一段的光子浓度变化可以表示为： a s o , 盘，蛾。晔一连娑蟹 1 ， 。= 蛾( 晔一巴i 二：j ( 2 一) 探测光在第一段的光子数浓度变化为： 。r 譬幻产话 笳嚣一蝴东意兰 ( 2 - 2 ) 其中光子浓度变化：笛。= & t ，f = l i i o 。，光子数己= 2 壳k v ；，只。是 输出功率，= 2 万厶，厶= c a ，丑是输入光波长，平均光子浓度：瓦= 以i v v = l x w x d 。式中为载流子有效寿命，r 为限制因子，g 为材料增益，匕为 群速度，为调制角频率，国a 为差分增益，6 产为第一段的单程增益，l 为 段长度，晶为平均光子浓度。从式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可以看出信号光和探测光的调制 是反相的，而且信号光信道雠。具有高通特性，探测光信道s 篡。具有低通 蓦f f 孙 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 特性。 第n 段的载流子浓度响应是与前一段光子浓度变化郜。有关的，它可以 表示为： 巩：一型篮笔翠嫂 协3 ) 1 t j c z “ 式中载流子有效寿命：t = i ( a n + 丑2 + c 3 ) ，a ，b ，c 是复合系数：群速 度：v 。= c l n 。，c 是光在真空中的速度，是群折射率增益系数g = ( 一n ，) ， 是微分增益系数( 妇i d n ) ，n 是载流子浓度，是透明载流子浓度。第，l 段输出的信号光子浓度为： s 2 ，= ( s 嚣川+ 蛾，。) ( 掣+ f ( 0 9 2 o n ) j v , l ) ( 2 4 ) 探测光在第n 段输出的光子浓度为： s 翟。= ( j 嚣。4 + s 三z 。_ 1 ) ( g 十r ( 船：”a ) 。l ) ( 2 5 ) 信号在s o a 中传输时引起的载流子浓度变化之和为： a n ：罗垡鲨攀型坚垒鲨! 兰! ( 2 - 6 ) 1 十f 吼t 。 载流子浓度变化引起的增益变化之和为： 占= a , , a n l ( 2 7 ) 其中，靠为增益系数，h 为s o a 的分段数目。 输出消光比( e x t i n c t i o nr a t i o ) 特性是波长转换器的一个重要品质参数，它 决定了波长转换器的输出特性和串联能力。交叉增益调制波长转换虽然装置简 单、转换效率高，但其消光比特性比较差，具体表现为输出消光比退化，特别 是在相同波长间或向长波长转换时，退化严重，不利于输出信号传输、读取和 波长转换器的串联。所以我们也给出了计算输出消光比的简单研究方法，仿真 输出消光比特性。 假定信号光( i = 1 ) 与探测光( i = 2 ) 在s o a 中的功率变化与载流予浓度满 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 足以下方程： 挚= ( 殛l 一口) p l ( 2 8 ) 孕= ( r g ：一口) 岛 ( 2 - 9 ) 百o n = 专州) _ 蚤辫( z ) ( 2 - 1 0 ) 以上( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 式中，g l , 9 2 为在信号光、探测光波长 ，五处且载 流子浓度为n 的增益系数；r 为模场限制因子；a ，p ：为信号光、探测光的功 率，g i ( ) 为波长丑的光在载流子浓度为时的增益系数，a 为吸收损耗，j 为 注入电流，e 为电子电量，y 为有源区体积，s 为s o a 有源区有效截面积，h 为 普朗克常数，r c n ) = a n + 矾r 2 + c 3 为自发发射复合速率，三项分别对应于非 辐射复合、双分子复合、俄歇复合，a 、b 、c 为常数。增益系数g ，g ：不仅同载 流子浓度有关，而且同注入光的波长有关。s o a 的增益谱一般是非对称的抛 物线型，根据实验的经验值，s o a 增益谱随载流子的消耗而向长波长方向迁移。 这一特性对输出消光比有很大影响，s o a 的不对称增益谱线可由下式给n 9 l ： g l ( ) = a c n n o ) 一t ( 一h ) 2 + r 2 ( 五一矗) 3 ( 2 一1 1 ) 式中，a 为增益常数，毛为由实验确定的常数，矗为载流予浓度为n 时的峰 值增益波长，眠为s o a l 日u 达到透明的载流子浓度。s o a 偏置电流的变化，形成 载流子浓度的变化，造成s o a 增益谱的峰值波长的变化。一般情况下，随着注 入电流的增加，s o a 的增益峰值波长将发生变化；注入信号光和探测光的光强 的变化同样会消耗s o a 的载流子浓度，从而也使增益谱的峰值波长发生漂移。 峰值波长与载流子浓度的关系可表示为： 矗= 九一b c n n o ) ( 2 1 2 ) 式中，凡为透明峰值波长，6 为由实验确定的常数。将( 2 1 2 ) 式代入( 2 1 1 ) 式可得： g i ( ) = a ( n - n o ) 一( 五一凡- o c n 一o ) ) 2 + 吒( 五一凡- b ( n n o ) ) 3 ( 2 - 1 3 ) 由( 2 1 8 ) 式可得： 鼠( z ) = n ( o ) e x p i 。【f g f ( ) 一a d z ( 2 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 从( 2 1 4 ) 式可知，一定长度的s o a 的内部损耗，可近似地等效于起始注入光 功率的耦合效率，而光在放大器内的传输可近似地认为是无损耗的传输。设载 流子浓度n 在s o a 中为均匀分布，则( 2 1 4 ) 式可化为： 胁( z ) = 只( o ) c x p ( r g i ( n ) 一a z ( 2 1 5 ) 将( 2 1 5 ) 式代入( 2 9 ) 式可得： an：土一r()一yfgi(n)pi(o)expfgl(n)-az ( 2 1 6 ) a fe v 、。l “- - t p s h c m 当输入信号光为1 时，由于s o a 中的光功率增加，载流予消耗增大，载流子浓 度t i 靶u n 。；当输入信号光为“o 时，由于s o a 的光功率降低，载流子浓度上 升到n 。由( 2 1 5 ) 式可得： e r o , r = 1 0 1 0 9 景黔= 1 0 l o g e x p i m i ( m “) 喈f ( 一) 】l 1 ) ( 2 - 1 7 ) 通过对( 2 1 3 ) 、( 2 - 1 6 ) 和( 2 。1 7 ) 式数值计算，即可求出s o a x g m 型波长转换 器输出消光比特性。 2 3 波长转换器的特性分析 2 3 1s o a 内部载流子 通过s 0 a 的分段模型，利用m a t l a b 仿真软件对s o a 内部载流子浓度进行 了数值计算。图2 3 为载流子浓度分别在s o a 的前端、中部和后端的响应变化曲 线，由此可以看出在s o a 的前端载流子浓度对高频的响应是很弱的，随入射光 束在s o a 中径向传输，载流子浓度对高频的变化明显增强。当用s o a 进行光信 号处理时，如波长交换，由于s o a 的前端对低频分量的响应较强，对高频分量 则响应较弱，信号光的低频分量的变换主要是在s o a 的前端完成的，但随信号 光在s o a 中传输，s o a 对低频的响应越来越小；在s o a 的后端，低频信号的响 应变弱，由于饱和滤波效应，它对输入信号的高频分量却有较强的响应，信号 的高频部分主要是在后部完成从信号光到探测光的转换。由于s o a 前端和后端 对信号光的不同频率而有的不同响应，所以实现了对宽带信号的变换。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 4 2 0 - 2 f 一一s b o u t r l p r o o u 10 1 f r e q u e n c y ( g h z ) f i g 2 - 3t h er e s p o n s ec u r v eo f c a r r i e r si nd i f f e r e n tp a r to fs o a 图2 - 3s o a 内部不同位置的载流子响应变化 本文计算中所取各参量如下表3 一l 所示。 t a b 3 - it h ec o n s t l u c tp a r a m e t e rv a l u e so fs o a 表3 - 1s o a 的结构参数值 呐f c a l l l e rt r a n s p a r e n c ed e n s i t y c o n f i v c m e o tf a c t o r f 强c i e n tc a v i t yh n 群h d e l e c tr e c o m b i n a t i o nl i f o t i m e $ p o , * a n e o u sp h o t o ne m i s s i o n a u g e rr e c o m b i n a t i o n m i f rr e f l e c t i o n 9 1 0 7 c m 一3 0 3 l 5 0 0 m 1 5 瑚 2 5 4 m ，j 9 4 1 0 - c m 6 s o 0 0 0 0 5 在图2 3 中，$ o a 前端、中部和后部载流子浓度响应随调制频率而变化的关 一出p)竹cod坤a苟la叱 心 r l 扩 口 c 异 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 系，本文取输入光功率为2 1 0 d b m ，s o a 增益为3 0 r i b 。一般来说，在设计宽带s o a 时，应尽量使其模场限制因子，微分增益和其长度增加，这样会提高s o a 的饱 和滤波效应，使其调制带宽变宽，一旦s o a 设计好，要增加其调制带宽，就只 有增加入射光功率和增加偏置电流( 增加增益) ，这也是许多基于s o a 的高速 响应器件均在入射光功率很大的情况下工作的原因，而光功率的增加所带来的 带宽的提高归根结底还是由s o a 的饱和输出决定的，所以影响s o a 调制带宽的 这些因素是相互联系的，要设计一个宽带的s o a ，需根据实际需求，综合以上 几方面因素来考虑。 2 3 2s o a 输出消光比 为分析方便，假设入射信号光消光比足够大，这种假设不影响分析结果。 引起输出消光比退化的原因，主要与s o a 自身特性、输入光波长和功率、注入 电流、转换速率等有关，其中放大器的特性是影响输出消光比的根本原因| 1 9 】。 我们的计算结果是在转换速率低于1 0 g b $ 时得出的，当转换速率大于1 0 g b s 时， 输出消光比将降低。本文中选择探测光的波长为1 5 0 0 h m ，探测光功率为0 0 2 m w ， 信号光的“0 ，信号光功率为0 1 m w ，光放大器的偏置电流为1 5 0 m a ，在不同的信 号光“l ”信号光功率下，转换信号的输出消光比与探测光波长的关系如图2 4 。 i l飞 7 卜。，一 f i g 2 4t h ee x t i n c t i o nr a t i oa n d t h ep r o b e w a v e l e n g t h 图2 - 4 探测光波长和输出消光比的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 由图可知，上转换时消光比总比下转换时退化严重，而且探测光波长越长， 则消光比退化越严重，这正是由放大器增益谱特性决定的。 图2 5 为输出消光比与信号光波长的关系图。由图可知，在信号光波长为 1 6 0 0 h m 附近消光比有一最大值。而在其它波长，消光比退化相对严重，这是因 为不同波长的信号光引起放大器饱和程度不同。波长在1 6 0 0 h m 附近的信号光， 由于位于放大器饱和增益谱峰值增益处，此模型中增益峰值为1 6 1 5 n m ，因此增 益最大，使放大器饱和程度最深，消光比相对就高，而在其它波长，由于不能 使放大器深度饱和，因而消光比退化严重。 i 玲一 、 r 、 j | 3 i s i g n a lw a v e l e n g t h ( n m ) f i g 2 - 5t h ee x t i n c t i o nr a t i oa n dt i cp u m pw a v e l e n g t h 图2 - 5 消光比和信号光波长的关系 图2 6 为输出消光比与探测光功率之间关系，由图可知，适当降低探测光 功率，可以改善输出消光比。而增加探测光功率，引起放大器非调制饱和，使 由信号光产生的调制饱和受到影响，输出消光比退化严重。 对图2 - 6 进一步分析可看出，适当增加信号光功率，放大器饱和加深，输 出消光比可以得到改善，并且由于增益谱移特性，其消光比最优时的信号光波 长也向长波长方向迁移。 如图2 - 7 所示，随着信号光波长的增加，向下转换间隔增大，输出消光比也 增大，且在最佳的信号光波长时有最大的消光比。然而最佳波长随信号光功率 的增加向长波方向移动。这是由于强的信号光消耗了半导体增益区内的载流子， (日p)o口m叱co!l。c口v(了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 而导致增益谱的峰值波长向长波方向漂移。一般情况下，将信号光波长选择在 增益谱峰值波长附近，以获得最大的增益调制深度，而得到最大的消光比。 a 3 已 q 叱 c q 芑 c 艾 l u e 一 、 ) | i p r o b ep o w e r ( d b m ) f i g 2 - 6t h ee x t i n c t i o nr a t i oa n dt h es i g n a lp o w e r 图2 - 6 消光比和信号光功率的关系 、 l 1 65 n m j 丫毒一 c o n v e r t e di n t e r v a l ( n m ) f i g 2 - 7t h ee x t i n c t i o nr a t i oa n dt h ec o n v e r s i o ni n t e r v a l 图2 7 消光比和转换间隔的关系 一血p)o拳叱co茹uc；山 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 4 小结 由上面的分析可知：增加s o a 的偏置电流、微分增益、输入光功率和模场 限制因子都能使s o a 的响应速度( 载流子浓度响应速度) 加快，而这些影响s o a 调制带宽的因素是互相联系的，要设计一个宽带的s o a ，需综合以上几方面因 素来考虑。 根据s o a 的载流子速率方程以及信号光、探测光在光放大器中的传输方程， 建立了s o a x g m 型的波长转换的理论模型。重点讨论了放大器的偏置电流、 信号光参数以及探测光特性对转换后信号消光比特性的影响。结果表明，要获 得大的消光比，应选择大的信号光功率，小的探测光功率以及合适的转换波长 间隔。大的偏置电流虽然能获得大的消光比，但是受到放大器实际的工作电流 的限制，放大器的偏置电流不宜选择太大。 理想的波长转换器应有比较大的波长转换间隔，并且转换后输出特性稳定。 但在x g m 转换中，向上转换时随转换间隔增加，输出消光比明显降低，退化 严熏；而向下转换时，随转换间隔增加，输出消光比明显升高。 另外，注入电流对输出消光比也有影响。注入电流的变化，直接影响的是 载流子浓度变化，进而影响增益峰值变化。注入电流低，放大器中的增益小， 不会产生大的增益饱和，输出消光比退化严重；相反，增加注入电流，可一定 程度上改善输出消光比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 1 引言 第3 章全光波长转换器的实验和探索 首先利用本人在深圳飞通光电股份有限公司实习的机会，学习了一些光器 件基本操作和试验测试理论，同时也由于机缘，飞通公司在2 0 0 2 年的时候曾经 封装过一只半导体光放大器( s o a ) ，它的封装类型是先进的蝶型封装 ( b u t t e r f l y ) ，因此便提出要做s o a x g m 型波长转换器的实验。整个实验 都是本人独立搭建并测试完成的，所以也存在许多不足。这次实验将对以后的 实验及工作都有很好的借鉴作用。随后，本人又对先进的新型垂直腔半导体光 放大器( v c s o a ) 做了有效腔长的理论分析，并通过与s o a 的对比，大胆展 望了基于新型垂直腔半导体光放大器的交叉增益型( v c s o a x g m ) 波长转换 器的性能分析。 f i g 3 1t h et r a n s c e i v e rm o d u l ei nc w d m 圈3 - 1c w d m 收发一体模块 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 2s o a x g m 型波长转换器实验 3 2 1 全光波长转换系统建立 本次实验主要采用了图2 1 的模型，最大区别就是在光源部分使用c w d m 收发一体模块中的d f b 激光发射部分。实际用到