（通信与信息系统专业论文）基于量子点半导体光放大器交叉增益调制效应的全光逻辑门研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 量子点半导体光放大器( q d s o a ) 与其它光学放大器相比具有阈值电流低、增益 响应快、噪声指数低、差分增益高和频率带宽大等优越的性能，非常适用于实现全光波 长转换器和全光逻辑门。基于q d s o a 的全光波长转换器和全光逻辑门具有高速信息 处理能力，将成为下一代全光网络中关键的组成部分。 本课题首先针对q d s o a 典型的三维受限理论模型，建立了分段模型并进行数值 求解，详细分析了q d s o a 有源区的载流子分布情况和快速增益恢复等基本特性。从 理论上研究了利用q d s o a 的x g m 原理实现的全光波长转换系统，重点讨论了波长 转换后信号的啁啾特性。通过引入a s e 噪声等效模型，分析了噪声对基于q d s o a m z i 结构的波长转换系统性能的影响以及如何优化系统参数使得噪声的影响最小。同时，本 课题还利用q d s o a 的x g m 效应建立了基于q d s o a o m z i 结构的全光逻辑或门理论 模型，并数值分析了逻辑门的性能：建立了控制脉冲作用下的基于q d s o a m z i 结构 的全光逻辑异或门理论模型，分析了逻辑门的性能以及控制脉冲对逻辑门性能的影响。 结果表明：( 1 ) q d s o a 具有快速增益恢复特性，提高注入电流或减小载流子从 润湿层到激发态的弛豫时间都可以缩短载流子恢复的时间，加快q d s o a 的恢复进程。 ( 2 ) 提高注入电流，增大信号光功率、减小探测光功率、提高输入信号速率以及增大 线宽增强因子都可以使得转换后信号的啁啾变大，啁啾对输入信号的波长变化不敏感， 因此通过优化这些参数可以使得啁啾的影响最小。此外，a s e 噪声会使波长转换系统 性能恶化，但通过合理优化注入电流、信号光功率和探测光功率的取值，可以使得转换 后同相信号的反差比提高，码型效应减弱。( 3 ) 增大注入电流、减小从润湿层到激发态 的弛豫时间、增加信号光功率、减小线宽增强因子和限制因子可以获得较高的或门输出 信号质量。输入信号脉冲宽度的变化也会影响或门性能，其存在一个最佳的值使得或门 输出信号质量最高。( 4 ) 增大注入电流、减小从润湿层到激发态的载流子弛豫时间、减 小输入信号光功率和脉冲宽度可以提高异或运算输出信号的质量。增加控制脉冲，可以 提高逻辑异或门的性能，但同时，控制脉冲功率的增加也会使输出信号恶化，因此需要 合理选择控制脉冲的功率。 关键词：量子点半导体光放大器；交叉增益调制；啁啾；或门；异或门 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t q u a n t u m - d 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 s ( q d - s o a ) a r er e g a r d e da sap r o m i s i n g c a n d i d a t ef o ra 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 sa n dl o g i cg a t e sd u et ot h e i ru n i q u ea d v a n t a g e s o v e ro t h e ro p t i c a la m p l i f i e r ss u c ha sl o wt h r e s h o l dc u r r e n t , u l t r a f a s tg a i nr e c o v e r y , l o wn o i s e f i g u r e ( n f ) ，h i g hd i f f e r e n t i a lg a i n , a n dh i g hm o d u l a t i o nb a n d w i d t h a l l o p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v e n e r sa n dl o g i cg a t e sb a s e do nq d s o ah a v et h ec a p a b i l i t yo fh i g h - s p e e di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，a n db e c o m ek e yc o m p o n e n t si nt h en e x t g e n e r a t i o nf l e x i b l ea l l o p t i c a ln e t w o r k s i nt h i sw o r k ，t h ep r o p a g a t i o no ft h ep h o t o n si nt h ea c t i v er e g i o ni sc a l c u l a t e db yd i v i d i n g t h es o ai n t os e v e r a ls e c t i o n s f o re a c hs e c t i o n , t h en u m e r i c a li n t e g r a t i o no ft h e3 - l e v e lr a t e e q u a t i o n sf o rt h eq d - s o a i sp e r f o r m e d , a n dt h ec a r t i e rd e n s i t i e sa r ec o n s i d e r e dc o n s t a n tf o r e a c ht i m es t e p a tf i r s t , t h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c si nt h ea c t i v er e g i o no fq d - s o as u c h a st h ec a r d e rd i s t r i b u t i o na n df a s tg a i nr e c o v e r yh a v eb e e nr e s e a r c h e d s e c o n d , w ea n a l y z e t h e c h i r pc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a v e l e n g t hc o n v e r t e ds i g n a lb a s e d o nt h e c r o s s - g a i n m o d u l a t i o n ( x g m ) i nq d s o a b yi n t r o d u c i n gt h ea m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) n o i s ee q u i v a l e n tm o d e l ，w ea n a l y z et h ei n f l u e n c eo fn o i s eo nt h ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n s y s t e mb a s e do nq d - s o a - m z ic o n f i g u r a t i o n , a n do p t i m i z et h es y s t e mp a r a m e t e r st o m i n i m i z et h ee f f e c t so fn o i s e b e s i d e s ，i nt h ec a p a b i l i t yo f16 0g b so p e r a t i o no fa l l o p t i c a l l o g i co rg a t ea n dx o rg a t eb a s e do nq d s o a - m z ic o n f i g u r a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d , a n d t h ep e r f o r m a n c eo fl o g i cg a t e sh a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i l n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a t , t h eg a i nr e c o v e r yt i m ef o rt h eq d - s o ai ss h o r t e rt h a nt h a t f o rt h eb u l k - s o a ，a n dm o r e o v e r , t h er e c o v e r yp r o c e s sc a nb ea c c e l e r a t e db yi n c r e a s i n gt h e i n j e c t i o nc u r r e n td e n s i t ya n dt h ee l e c t r o nr e l a x a t i o nt i m ef r o mt h ew l t ot h ee s i na d d i t i o n , t h ec h i r po ft h ec o n v e n e ds i g n a lc a nb ei n c r e a s e db yi n c r e a s i n gt h ei n j e c t i o nc u r r e n t , p u m p s i g n a lp o w e r , a n di n p u ts i g n a lr a t e ，a n dc a na l s ob ei n c r e a s e db yd e c r e a s i n gt h ep r o b es i g i l a l p o w e r q d s o ai ss u i t a b l ef o rw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nd u et ot h el o wl i n e w i d t he n h a n c e m e n t f a c t o ra sw e l la si tr o b u s tt ot h eo p t i c a lw a v e l e n g t h t h e r e f o r e w e 啪o p t i m i z et h e s e p a r a m e t e r st oo b t a i nt h el o wc h i r p b e s i d e s ，t h ea s en o i s ec a nd e t e r i o r a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o n v e n e r h o w e v e r , t h en o i s et r a n s f e ri nt h ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o nc a nb es u p p r e s s e df o r l l i 曲i n j e c t i o nc u r r e n td e n s i t ya n dl o wp r o b ep o w e r m e a n w h i l e ，h i 曲c o n t r a s tr a t i oa n dl o w p a t t e r ne f f e c to f t h ec o n v e n e ds i g n a jc a l lb ea c h i e v e db yo p t i m i z i n gt h ep u m pp o w e r t h er e s u l to fa l l - o p t i c a lo rl o g i cg a t es h o w st h a t , h i g hp e r f o r m a n c ec a l lb ea c h i e v e db y i n c r e a s i n gt h ei n j e c t i o nc u r r e n ta n dp u m ps i g r l a lp o w e r , a sw e l la sd e c r e a s i n gt h ee l e c t r o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 r e l a x a t i o nt i m ef r o mt h ew lt ot h ee s t h el i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o ra n dc o n f i n e m e n t f a c t o r 1 1 1 ei n p u ts i g n a lp u l s ew i d t hc a na l s oa f f e c tt h ep e r f o r m a n c e a n dt h e r ei sa no p t i m u m v a l u ew h i c hl e a d st ot h eh i g h e s tq u a l i t yo fo rl o g i cg a t e t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f x o r o p e r a t i o n , w ec a ni n c r e a s et h ei n j e c t i o nc u r r e n to rd e c r e a s et h ee l e c t r o nr e l a x a t i o nt i m e f r o mt h ew lt ot h ee s i n p u ts i g n a lp o w e ra n dp u l s ew i d t h i na d d i t i o n , t h ep e r f o r m a n c eo f x o r l o g i cg a t ec a nb ei m p r o v e db ya d d i t i o n a lc o n t r o lp u l s e h o w e v e r , t h ei n c r e a s eo fc o n t r o l p u l s ep o w e rw o u l dd e t e r i o r a t et h eo u t p u ts i g n a l ，a n dt h e nt h ec o n t r o lp u l s ep o w e rs h o u l db e c h o s e np r o p e r l y k e yw o r d s ：q u a n t u m d o ta m p l i f i e r ；c r o s s g a i nm o d u l a t i o n ；c h i r p ；o r ；x o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章基于全光网络中光信息处理技术的发展需要，阐述了在全光网络中量子点半导 体光放大器应用于全光逻辑门技术的研究背景和意义，介绍了国内外基于量子点半导体 光放大器的波长转换和光逻辑门研究现状，并简单叙述了本文的内容安排和主要工作。 1 1 课题的研究背景和意义 随着1 0 0 g b i t 以太网( e t h e r n e t ) 的到来，日益增长的容量需求和网络透明性要求网 络中的光学器件具有全光高速信号处理能力。近年来，低成本系统中波分复用( w d m ) 技术的广泛应用在增加网络的数据传输速率的同时，使得高功率宽带应用的要求迅速提 高【l 】。此外，可以预期未来密集波分复用( d w d m ) 系统容量的增加离不开高功率和宽 带放大器。这种情况引发了各种光学放大器的发展，如掺铒光纤放大器( e d f i a ) 、光纤 拉曼放大器和半导体光放大器1 2 4 j 等。1 9 7 0 年i b m 公司的两位专家l e s a k i 和i lt s u 提出 了超晶格概念【5 】，预示着量子点( q d ) 材料研究的开始。此后，从1 9 9 4 年开始，以g a a s 为基质的自组装i n c m a s 半导体量子点材料应运而生并被广泛应用于半导体激光器的研 究当中【6 】。量子点半导体光放大器( q d s o a ) 与其他光学放大器相比具有更加优异的非 线性性能，如阈值电流低、噪声指数低、功耗低、饱和输出功率高以及皮秒量级的超快 增益恢复时间等【_ 卜1 0 1 。而且，q d s o a 工作在高功率情况时，q d 的超快增益响应在增益 饱和制度( 模式效应) 下可以有效地抑制信号失真。 全光波长转换器和全光逻辑门已成为下一代全光网络中不可或缺的重要组成部分。 波长转换器是多波长光传送网的关键组成部分，可以在光域上提供输入信号无失真的波 长转换，起着提高波长重复利用率、降低网络阻塞率和简化网络管理的重要作用i l 。全 光逻辑技术被广泛应用于时钟提取、光计算、光判决、全光再生、高速全光分组路由、 全光传输、全光交换和光学加密等操作过程【l2 1 。而这一技术发展的一个重要步骤是光逻 辑器件的使用，全光逻辑器件的引入克服了光网络“电子瓶颈”的限制，扩大了光网络 的工作容量需求，有效地降低了信号噪声和串扰积累问题，从而提高了光网络的传输速 率。全光逻辑门是实现光计算功能的关键器件，可以用于伪随机码的产生、全光逻辑运 算电路、全光奇偶校验、全光包地址和载荷的分离、标签交换掣1 3 】。这就要求全光波长 转换器和全光逻辑器件具有高速的全光信息处理能力，而具有优异性能的q d s o a 的出 现恰好可以满足这一要求。 近年来，q d s o a 与传统半导体光放大器( b u l k s o a ) 和量子阱半导体光放大器 ( q w - s o a ) 相比具有独特的非线性性能，因而受到了广大研究者的青睐i l 引。基于 q d s o a 优异性能实现的全光波长转换器和全光逻辑门不但具有超高速的工作能力，且 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 稳定性得到了显著提高，可以使得下一代全光网络具备高速的信息处理能力，因此其应 用前景非常广阔。 1 2 国内外研究现状 目前，全光逻辑门主要依赖于光学器件的非线性效应来实现，如半导体光放大器 ( s o a ) 、马赫一曾德尔干涉仪( m z i ) 、太赫兹光非对称解复用器( t o a d ) 、非线性光 纤环路镜( n o l m ) 掣1 8 】。由于基于这些器件实现的逻辑门运算速率受限( 一般不超 过4 0 g b s ) ，而q d s o a 有着其他非线性器件无法比拟非线性性能，非常有利于实现全 光波长转换和全光逻辑功能。目前，国内外利用q d s o a 实现全光信号再生器、全光波 长转换器和超高速全光逻辑门的研究已经成为热点课题。 1 2 1 基于q d s o a 的波长转换研究 全光网络的各个节点中一个非常关键的器件就是全光波长转换器，迄今为止，已经 有很多文献从理论和实验上实现了基于q d s o a 的交叉增益调制( x g m ) 效应和四波混 频( f w m ) 效应的全光波长转换器。如a b i l e n c a 等人从实验上证明了利用q d s o a 的 x g m 效应和f w m 效应实现的工作波长为1 5 5 0 n m 的宽带波长转换【1 9 】；j o s eep i n a 等人 也已经利用q d s o a - m z i 结构实现了波长转换方案1 2 0 。国内北京邮电大学的杨伟等人从 理论上研究了基于q d s o a m z i 结构的n r z - t o r z 的码型格式转换【2 1 1 。下面介绍的是基 于这两种原理的几种典型结构实现的全光波长转换方案。 ( 1 ) 基于单个q d s o a 的x g m 效应的全光波长转换 基于单个q d s o a 的x g m 效应的全光波长转换器如图1 1 所示1 2 2 。当波长为五。、 强度较强的信号光和波长为厶、强度较弱的连续探测光一起通过q d s o a 时，由于 q d s o a 的受激辐射，信号光将消耗量子点中的载流子，调制探测光的光强，从而使得 探测光携带了信号光的信息，即输出端的探测光脉冲为信号光脉冲的波长转换信号。此 结构简单易于实现，且转换效率高，已经有很多文献对此做了研究1 2 3 冽。但其存在着转 换后信号是原始输入信号脉冲反相的不足，容易产生码型效应。 疋 砧 厂 q d s o a 珈 o b p f 图1 1 基于q d s o a 的x g m 实现的全光波长转换结构i 2 2 f i g 1 - 1 w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do nx g mi nq d - s o a ( 2 ) 基于q d - s o a 的太赫兹光非对称解复用器( t o a d ) 的全光波长转换 西南交通大学硕士研究生学位论文页 图1 2 所示的是基于q d s o a t o a d 结构的全光波长转换示意图，其是由一个 q d s o a 和光环路镜组成的，可以利用q d s o a 的x g m 效应实现全光波长转换1 2 5 j 。非 色散位移光纤( d s f ) 构成了光环路镜，且q d s o a 的位置距离光环路镜中心为缸。波 长为以的探测信号从端口1 处注入，并被耦合器c 1 分成相同的两束信号，即为沿光环 路镜顺时针方向传播的信号( c w ) 和沿光环路镜逆时针方向传播的信号( c c w ) ，且c w 到达q d s o a 的时间比c c w 提前品。泵浦信号( 厶) 和附加周期信号组成的控制信号 通过耦合器c 2 注入到光纤环路中，其中泵浦信号到达q d s o a 的时间比周期信号提前 。通过定时调整，改变c w 到达q d s o a 的时间，使其比泵浦信号晚衍2 ，而c c w 比周期信号晚到达q d s o a 。当泵浦信号为“1 ”脉冲时，c w 和c c w 在q d s o a 中获得 的增益相同，则二者在输出端干涉相消，即端口2 无信号输出；当泵浦信号为“0 ”脉冲时， c w 和c c w 经过q d s o a 时增益不等，二者在输出端的干涉增强，则端口2 输出具有 波长以的光信号，从而实现了全光波长转换。 p r o b es i g n a l 毛 o u t p u ts i g n a l 毛 图1 2 基于q d s o a t o a d 的全光波长转换方案图口5 】 r i g 1 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fa l l - o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do nq d - s o a t o a d ( 3 ) 基于q d s o a 和延迟干涉仪( d i ) 的全光波长转换 基于一个q d s o a 和一个d i 组成的全光波长转换结构如图1 3 所示，s s y g l e t o s 等 人已经对此做了详细地研究 2 6 3 。分别携带有数据信号的泵浦光( 波长为a ) 和探测信号 的连续光( 波长为九) 一起注入到q d s o a 中，由于探测信号的强度远小于数据信号， 它们在q d s o a 中通过交叉增益调制从而发生波长转换，在q d s o a 输出端获得的是携 带有输入数据信号信息且波长为探测光波长厶的反转脉冲。当转换后的信号注入到d i 中时，泵浦信号被阻断，其被分成两束脉冲分别注入到干涉仪的上下两臂，并发生一个 比特周期的微分延迟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 该结构中利用了一个预编码的操作用来恢复原始数据，从而实现位( 比特) 模式的 逻辑转换。如图所示，序列为“1 1 0 1 0 1 1 的输入信号口。与其一个比特的延迟反馈信号在 异或门中进行了差分编码，并产生一个序列为“0 1 0 0 1 1 0 1 的信号6 ，注入到调制器中， 从而产生一个波长为 的预编码光学脉冲。这个脉冲与探测光在经过q d s o a 中时发生 x g m 并输出一个波长为厶的反相信号，其经过d i 处理之后得到的逻辑输出信号序列与 逻辑输入信号序列口。的相移信号a 川相同。因此，q d s o a 和d i 组成的差分解码器恢复 了差分编码信号。 i n p u td a t a 业一 q ：鼎。 7 溉以7x o r咋 p 图1 - 3 基于q d s o a - d i 的全光波长转换原理方案 f i g 1 - 3 o p e r a t i o np r i n c i p l eo f d is c h e m ef o rw a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni nq d - s o a 1 2 2 基于q d s o a 的光逻辑门研究 近些年的研究表明，全光逻辑技术已经获得了重大发展，出现了各类逻辑门器件。 其主要是利用光纤、s o a 等非线性元器件的非线性效应实现的，如x g m 效应、交叉相 位调制( ? m ) 效应、四波混频( f w m ) 效应、交叉偏振调制( o l m ) 、k e r r 效应等。 国内外很多研究机构和高校已经在理论和实验方面做了广泛而深入的研究【2 7 - 3 2 ，如欧洲 也有专门从事全光逻辑信息处理技术的项目d i g i t a lo p t i c a ll o g i cm o d u l e s ，并在高性 能半导体器件、高速激光光源、全光逻辑门、移位存储器等器件方面取得了重大成果【2 5 1 。 国内的华中科技大学、北京邮电大学等部分高校也已经在这方面做了大量的理论和实验 研究 3 3 - 3 4 。q d s o a 是一种新型的光放大器，国内外的很多研究机构开始青睐于利用其 良好的非线性性能来实现全光逻辑门的研究。下面介绍几种基于q d s o a 的典型的全光 逻辑门实现方案。 ( 1 ) 基于q d s o a m z i 的全光逻辑与门 基于对称的m z i 结构并且利用q d s o a 的x p m 效应的全光逻辑与门实现方案如图 1 4 所示p 引。波长为五的输入信号脉冲a 从端口l 注入到m z i 上臂的q d s o a 中，而输 入信号脉冲经过一定时间的延迟之后从端口2 注入到m z i 下臂的q d s o a 中。同时，携 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 带了与门逻辑运算结果波长( 厶) 的输入信号脉冲b 通过端口3 注入到m z i 中。当输入 信号脉冲a 为“1 ”时，由于信号延迟的关系，上下两臂之间存在一个相位差，而这个相 位差最终充当同一时间输入信号b 的相位门( 判决) 。如果m z i 上下两臂不存在相位差， 则其处于平衡状态，输出端无信号输出。因此，只有部分输入信号b ( 为“1 ”的信号脉 冲) 可以通过这个相位门并使得m z i 处于不平衡状态，从而到达输出端1 34 。此外，输 入信号脉冲b 自身也会在q d s o a s 中引起相位变化，但是这个相位变化是平衡的且很 小，不会改变干涉输出。当输入信号a 为“o 时，干涉仪中无相位差存在，输出端无信 号输出。即只有当a 和b 同时为“1 时，干涉仪输出端为“1 ，从而实现逻辑与运算。 d a t as i g n a la s o a m z i 图1 - 4 基于q d s o a m z i 的全光逻辑与门方案图f 3 习 f i g 1 - 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a l l - o p t i c a la n dl o g i cg a t eb a s e do nq d - s o a m z i ( 2 ) 基于q d s o a - d i 的全光逻辑或门 利用q d s o a 的x g m 效应和增益饱和特性构建的q d s o a d i 结构可以实现全光逻 辑或门，示意图如图1 5 所示1 3 引。信号脉冲a 、b 和连续探测光一起注入到q d s o a 中， 并在其中发生交叉增益调制。，经过调制后的探测光被耦合器分成相等的两部分沿顺时针 和逆时针方向一起注入到偏振保持环路镜( p ) 中，p m f 是由有着双折射效应的光纤 环构成的。两路探测光由于延迟的关系存在一个光学增益差，并在输出端发生干涉，产 生输出信号。h s u n 等人已经就此做了详细研究p 6 j 。 p m f a c w b 图1 5 基于q d - s o a - d i 的全光逻辑或l - j 方案刚蚓 f i g 1 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a l l - o p t i c a lo rl o g i cg a t eb a s e do nq d - s o a - d i 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 3 ) 基于q d s o a m z i 的全光逻辑异或门 经研究表明，s o a - m z i 结构具有紧凑、工作稳定的特点，因此基于其实现的全光逻 辑异或门非常适用于复杂的逻辑电路。基于对称的q d s o a 的m z i 结构实现的异或逻辑 门方案图如图1 - 6 所示1 3 m 引。波长为 的信号脉冲a 和波长为乃的信号脉冲b 分别输入 到m z i 上下两臂的q d s o a 中，同时，波长为厶的连续探测光通过端口3 被分成相同的 两束信号分别注入到两臂的q d s o a 中。当输入信号a 和b 相同( a _ b = o 或者a = b = i ) 时，其在上下两臂的q d s o a 中调制所产生的光学增益是相等，此时，干涉仪处于平衡 状态，输出信号在输出端干涉相消，即端口4 输出为“o 。当a 和b 不同时，其经过 q d s o a 时所产生的光学增益不同，存在一个增益差使得m z i 处于不平衡状态，因此输 出信号在输出端干涉增强，即为“1 ”，从而实现异或逻辑运算。 d a t as i g n a la - - - - - - - - - l 五l c w 也3 d a t as i g n a lb - - - 2 力2 s o a m z i 图1 - 6 基于q d s o a - m z i 的全光逻辑异或门方案图 3 7 1 f i g 1 - 6 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a l l - o p t i c a lx o rl o g i cg a t eb a s e do nq d s o a - m z i 综上所述，由于q d s o a 的超快增益恢复特性，利用其x g m 效应构建的m z i 结构 实现的全光波长转换方案可以同时获得同相和反相的转换信号，且比利用t o a d 和d i 结构实现全光波长的方案具有更加简单的结构。但是相比较而言，基于m z i 结构实现的 逻辑门与其它结构的相比具有可重复性高、工作性能稳定等优点，因此，基于 q d s o a - m z i 结构实现的全光逻辑门功能，可以在保持结构简单的同时提高工作性能。 1 3 论文的安排和主要工作 本课题选取了具有快速增益恢复特性的q d s o a 作为元器件，建立了基于q d s o a 的x g m 效应的全光波长转换实现方案，并详细分析了转换后信号的啁啾特性。基于 q d s o a - m z i 结构的波长转换方案可以同时获得同相和反相的转换信号，本文通过借鉴 放大自发辐射( a s e ) 噪声的等效模型，分析了噪声对同相转换信号质量的影响。本文 选取了q d s o a 的x g m 效应作为主要研究对象，建立了基于的q d s o a - m z i 结构的 全光逻辑门方案，实现了全光逻辑或运算和异或运算。 三乃 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 论文主要分为以下几个部分： 第一章，绪论。阐述了课题的研究背景和意义，综述了全光波长转换和全光逻辑门 的国内外研究现状，介绍了几种典型的全光波长转换和全光逻辑门实现方案，并简述了 本文的安排和主要工作。 第二章，q d s o a 的基本特性。介绍了q d s o a 的理论模型，通过数值模拟分段模 型分析了q d s o a 的载流子分布情况和快速增益恢复特性。 第三章，基于q d s o a 的x g m 效应的波长转换特性。通过利用q d s o a 的x g m 效应，分析了基于x g m 效应的波长转换后信号的啁啾特性；同时，还建立了基于 q d s o a - m z i 结构的波长转换系统并借鉴了a s e 等效噪声模型，分析了噪声对系统性能 的影响以及如何通过优化系统参数来减小噪声的影响。 第四章，基于q d s o a - m z i 的全光逻辑或门研究。建立了基于q d s o a 的m z i 结 构的全光逻辑或门数值模型，实现了1 6 0 g b s 的归零码信号运算，并分析了逻辑或门运 算信号的性能。 第五章，基于q d s o a m z i 的全光逻辑异或门研究。数值模拟仿真实现了控制脉冲 作用下基于q d s o a m z i 结构的全光异或逻辑门运算，详细地分析了逻辑门的性能并考 虑了增加控制脉冲对逻辑门性能的影响。 最后，是对本文工作的总结和展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章q d s o a 的基本特性 q d s o a 是自组装量子点材料全新的应用，不但具备b u l k s o a 所有的非线性特性， 而且还有其所不具备的高增益和调制带宽等特性，非常适用于高速全光信息处理。本章 针对q d s o a 的理论模型，通过数学建模讨论分析了q d s o a 有源区的载流子浓度、增 益等基本特性。 2 1q d - s o a 的理论模型 根据量子力学的分析，量子点系统都是离散状态的，因而量子点中的载流子密度都 是离散的态密度。量子点材料的物理特质决定了q d - s o a 具有高增益、高功率、啁啾小 和调制频率宽的优异性能。如图2 1 所示，q d - s o a 的有源区是由许多量子点构成的， 这也是其与b u l k s o a 和q w - s o a 的主要区别【3 9 1 。 、- i 。_ 7 焉w h e t 。t 。i n ，g 蜘l k代广一一一 翩q f - i n i l j ij x c i t e dii s t a t e - r o u n d l1 1 如 g t 置t e - - 图2 1q d s o a 的三维能级结构示意图1 3 9 f i g 2 1 e n e r g ys t a t e so f t h e3 - l e v e lq d - s o a m o d e l 量子点不仅可以和其他半导体结构一样可以自由选择波长，也大大地扩大了带宽。 例如，波长范围满足增益值、噪声指数、3 d b 饱和输出功率地要求，这主要是由于注入 到纳米量子点中的载流子浓度在经过电流密度( 受限于热效应) 最大的费米能级时大幅 增加。另外，量子点的超快增益响应，在增益饱和的情况下可以有效的抑制信号失真， 避免出现码型效应( p a t t e r ne f f e c t ) ，使得q d s o a 非常适合在高功率下工作。因为这个 特点，无失真输出功率高达2 3 d b m ，这在所有半导体光放大器中是最高的，而且已经实 现1 4 0 1 。q d s o a 的这些特点再结合偏振不灵敏性可以实现全向形量子点。 q d s o a 的有源区是由激发态( e s ) 、基态( g s ) 两个能级和一个二维的润湿层( w l ) 构成的三维受限的典型模型。假设光脉冲沿z 轴方向传播的渐变振幅包络为a ( z ，r ) ，忽 略色散不计，则s o a 在时域中的光场传输方程为【4 1 4 2 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 了oa(z,t)+上塑盟：磐z彳(和)(2-1)0瑟 v。t2 劢“一7 式中c 是自由空间的光速，万是有效折射率，v 。是群速度，z 是磁化率： z ：望堕塑d ( 2 - 2 ) 此处，口是为线宽增强因子，口妇是材料吸收系数，g 为模式增益【4 3 】： g = r 去q ( 鳓) ( 2 z n ( 2 3 ) 这里r = a t 咐为每个量子点的限制因子，为量子点层数，是量子点的表面密度，口是 量子点的平均尺寸，k 是s o a 波导的有效光宽度，仃，( ) 代表信号频率范围内量子点 的有效横截面积，、囊分别是每个量子点中基态( g s ) 和激发态( e s ) 的电子占有概 率。假设量子点中的电子和空穴是均匀分布的，即z = f 、曩= h ，则方程( 2 - 3 ) 可以 简单表示为g = g 一( 2 厂一1 ) ，g 。为最大模式增益。引入转换坐标系f = t - z v g ，并利 用公式彳= x 序- e x p ( j o ) 分离幅度和相位，则由方程( 2 1 ) 可以推导出功率尸和相位。分 别为： 竽：( g 一口i m ) p ( 2 _ 4 ) _ = 2 【g 一口i mj ， u 4 ， 罢：一i 1 口。( 2 - 5 ) ( j r一= 一一，y u s 为平均光子密度： + 即，) 2 器 ( 2 6 ) 旦掣：g 础( 2 一1 ) sclarets(2-7) 彳够是q d s o a 的有源区有效横截面积，z = 0 是输入面，z = l 是输出面，l 为有源区长 度。为简单起见，假设q d s o a 的端面反射为理想状态，且增益饱和时的放大自发辐射 ( a s e ) 噪声忽略不计。w l 、e s 、g s 相应的载流子速率方程可以表示为【4 2 删： 盟：一j 一丛：g = 坐4 - 型一丝 ( 2 8 1 一=：一-二-一一-二二- i ，l o t 2 吒。t w r 丝：丝：墨芝! ! 二竺一必一尘丝丛生堕( 2 - 9 ) o t f 。2乇。 乞l2 墨0 t2 竿一掣一篆一薏s 赤r 一= 一一、- 吉! = _ i l - l 乞l气2q r 口 方程中，j 是注入电流密度，e 是电子的电量，l 是有源区厚度，：是电子从润湿层到 激发态的弛豫时间，吒。是电子从激发态到润湿层的跃迁时间，乇，是电子从激发态到基 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 态的跃迁时间，：是电子从基态到激发态的跃迁时间，f 非、q 月分别是电子在润湿层和 量子点的自发辐射时间，虬是润湿层中的电子密度，占，是介电常数。 方程( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 7 ) 结合载流子速率方程，可以得出q d s o a 的时域积分增 益和脉冲相移为：、 g ( r ) = e x p ( r g ( ：，胁) ，( 2 - 1 1 ) ( ，) = 一a 2 ( r g ( z ：f 肋) 为了研究q d s o a 各能级的载流子分布情况和增益变化，本文采用分段模型来进行 分析，即将q d s o a 的有源区均分为等长的m 小段，如图2 - 2 所示f 2 s l 。各段的长度为 a z = 三m ，各段的传输时间为a t = 勤a z c ，近似认为各段的载流子浓度分布是均匀的， 即折射率也是相同的，传输时间f 相等。 r 扎 。叫 i n p u ts i g n a l p 1 1l 1 p 1 2 叫2 m l f 1 w p i w 图2 - 2q d s o a 的分段模型圆 f i g 2 - 2 s e c t i o n a l i z e dm o d e lo fq d - s o a 2 2q d s o a 有源区的载流子分布 广扒 o 叫 o u t p u ts i g n a l 假设输入光脉冲是速率为1 6 0 g b i t s ，脉冲宽度( f w h m ) 为1 2 5 p s 的l 阶高斯脉冲 模拟信号，我们通过建立q d s o a 有源区的分段模型，对方程( 2 7 ) 至( 2 1 0 ) 进行了 数值求解，并对q d s o a 各能级的载流子分布情况和增益变化情况进行了分析。文中所 用到的q d s o a 典型参数值如表2 1 所示 4 2 , 4 4 1 。 图2 3 中给出了不同注入电流密度的情况下，q d s o a 有源区润湿层载流子浓度以 及基态、激发态电子占有概率的变化情况。随着注入电流密度的增大，q d s o a 有源区 润湿层所产生的载流子数目越来越多，但由于保持输入信号光功率不变，消耗的载流子 数目是恒定的，因而润湿层中的载流子浓度也随之迅速增大。而同时，基态和激发态的 电子占有概率也随之发生变化，如图2 3 的( b ) 、( c ) 所示。当增大注入电流密度时，基 态和激发态的产生大量的电子一空穴对，其电子占有率明显变大。此外，还可以从中发 现，高注入电流密度的情况下，基态和激发态电子占有率的恢复明显比低注入情况下要 快，这也说明了注入电流密度是q d s o a 增益恢复特