（通信与信息系统专业论文）全光3r再生系统中的光判决技术研究.pdf

摘要 全光网络的高速发展对信号的长距离传输提出了更高的舞求，光信号在长距 离传输过程中，各种不利因素导致信号质量交差，狠剃了系统豹传输遮率帮鼹离。 全光3 r ( r e a m p l i f y i n g ，r e - s h a p i n g ，r e - t i m i n g ) 再嫩技术糍够很好的解决遮一 瀚趱，丽光判决是全光辣再生的谈心部分。本论文就悲翔决骄采嗣的t h z 党学 非对称解复用器( t o d ) 方察主要展开了以下几方两工作： 1 、蔼单分辑了各耱光判决方寨熊基本愿建鄹性能，对各自豹特点避行了溺滚， 比较了糟种光判决方案的优劣。 2 、对半譬体光放大器( s o a ) 进蠢了较为诲细的瑾论分橇，并用数值模羧方法 求解了鬯的增益传输方稷，研究了它的增_ 益响应及其恢复特性，讨论了s o a 在各参数改变瓣它肫增簸变亿祷况，避行了1 0 6 b i t s 藏机码s o a 的波长变 换实验，讨论了备参数变化时输出波形的变化，葳点讨论了外加连续光的影 响，宅爨一耱燕效减零载流予泼复时辩，加快王作速率的方法。 3 、从理论上分析了t o a d 的基本原理，通斌m a t l a b 数值模拟分别讨论了耦合 器、s o a 以及控铡脉砖对t o a d 窗口戆影响，对其开关特性有了较先深入的 分析，并提出了设计t o a d 时应考虑的因索。 4 、结合实验对t o a d 的经能进行丁避一步豹验诞，将实验褥到龄t o a d 的_ 歼关 窗口，通过对实黼；情况的分析，相应的调整了模拟参数，得到了和实验相符 的模数蹬形，褥出了较为合理躲解释，说明理论和实验是程符合豹，厨辩初 步分析了偏振对t o a d 的影响。这些工作有一定的创新褴，对跌后的工佟有 指导借鉴作用。 关键字：全光网络、光判决、交叉增益调制( x g m ) 、交叉相位调制( x p m ) 一一 些! ! ! ! ! ! a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fa l lo p t i c a ln e t w o r k s o p t i c a ls i g n a l so ft h e l o n g h a u lt r a n s m i s s i o nh a v e t ob ei m p r o v e d t h e o p t i c a ls i g n a l s w i l lb ed e g r a d e d b y m a n y f a c t o r s ，w h i c hl i m i tt h et r a n s m i s s i o ns p e e da n dd i s t a n c eo ft h eo p t i c a ls i g n a l s t l l i s p r o b l e m c a nw a l lb es o l v e db yu s i n ga l l - o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o n o p t i c a l d e c i s i o ng a t ei sav i t a lc o m p o n e n ti na l l - o p t i c a l3 r r e g e n e r a t i o n i nt h i sp a p e r , w e s p r e a d0 1 1 1 w o r k o nt o a di nf o l l o w i n g a s p e c t s 1 a tf i r s t ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c eo f s e v e r a ld e c i s i o ng a t e sa r e a n a l y z e d ，t h e nt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sf i r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v a l y a tl a s tt h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a r ec o m p a r e d 2 s o ai ss t u d i e di nd e t a i l t h e o r e t i c a l l y g a i nr e s p o n s e a n dr e c o v e r c h a r a c t e r i s t i c sf i r ea n a l y z e db ys o l v i n gt h et r a n s m i s s i o ne q u a t i o nn u m e r i c a l l y a n di t s g a i n i sd i s c u s s e da s p a r a m e t e r s f i r ea l t e r e d t h e e x p e r i m e n t o f 1 0 g b i t sw a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni sd o n e b yu t i l i z i n gt h ec o n t i n u e dw a v e ( c w ) a s s i s t l i g h t ，t h er e c o v e r y t i m e o f c f i r r i e r i sr e d u c e d f r o m l 8 0 p s t o5 0 p s 3 t h eb a s i cp r i n c i r i l eo ft o a di ss t u d i e di nd e t a i l 。i t ss w i t c hw i n d o wi s d i s c u s s e da st h ep a r a m e t e r so f c o u p l e r , s o a a n dg a u s s i a np u l s ea r ca l t e r e d s w i t c hc h a r a c t e r i s t i c so ft o a d a r ea n a l y z e di nd e t a i l w eb r i n gf o r w a r dt h e m e t h o do f d e s i g n i n gat o a d 4 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo ft o a di sm o r ev a l i d a t e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s w e c o m p a r e t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t sw i t ht h ed i a g r a m so f c o m p u t e rs i m u l a t i o n w e g e tt h ed i a g r a m so fc o m p u t e r s i m u l a t i o nw h i c ha c c o r dw i t l lt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t sa n da n a l y z et h ee x p e r i m e n t s w h e nw ea l t e r e dt h ep a r a m e t e r s s o e x p e r i m e n t s o ft o a da n dt h et h e o r ya l ea c c o r d a n t 1 1 1 ep o l a r i z a t i o n s e n s i t i v i t yo ft o a d i s a n a l y z e d a i lt h e s ew o r ki s c r e a t i v ei ns o m ew a y , w h i c hw i l li n s t r u c tt h ef u t u r ew o r k k e y w o r d s ：a l lo p t i c a ln e t w o r k s ，o p t i c a l d e c i s i o n ，c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ( x o m ) ， c r o s sp o t e n t i a lm o d u l a t i o n ( x p m ) , 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和取得的 研究成果，除了文中特别加阻标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 专l l 匕附签字日期： 蛐哆年 f 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘鲎可以将学位论文的全部或都分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：刘玉刚 签字日期：油o j 年j 月7 日 导师签名寺 豸乡厶 签字日期：m ；年f 月7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近几年来，i n t e m e t 网上各种形式的数据业务量急剧增长。据统计，世界范 围内，话音业务量的年增长率为1 0 ，数据业务的年增长率为4 0 ；而在中国， 话音业务最年增长率为1 4 ，数据业务量年增长率更高达4 0 0 。由于新兴业务 占用的带宽资源较多，高速宽带综合业务网络已成为本世纪通信网络的发展趋 势。光纤具有巨大的带宽。在1 5 5 1 x m 波长附近2 0 0 h m 范围内，传输损耗较低。 一根光纤可提供的理论传输带宽约为5 0 t h z 。但是，目前串行电信号传输速率一 般低于4 0 c j b p s ，即使用此速率在光纤上传输，也仪利用了光纤容景的千分之一。 在众多的网络技术实现方案中，基于电子技术的网络方案由于受限于器件工作上 限速率4 0 g ，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理，网络中还会出现带 宽“瓶颈”。如果网络节点处仍然以电信号处理信息的速度进行交换，则节点将变 得庞大而复杂超高速传输所带来的经济效益将会被昂贵的光电和电光转换费 用所抵消。为了解决这个问题，人们提出了全光网的概念。 从原理上讲全光网络就是在网络中，直到端用户节点之间的信号通道一直保 持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。这样，网络内光信号 的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难 以提高的困难。 1 2全光3 r 再生系统 光信号的全光3 r ( r e a m p l i f i c a t i o n ，r e s h a p i n g ，r e t i m i n g ) 再生就是对经过长 距离传输质量变差的光信号进行再放大、再整形和再放大，以提高信号质量，优 化系统性能1 】【2 】，所以全光3 r 再生技术随着全光网络的高速发展变得越来越重 要。 1 i2 1 全光3 r 再生技术研究的目的和意义 在将来的全光网络中光信号经过带有e d f a 的长距离光纤线路传输和中间 节点的光处理，由于光纤的非线性效应，即自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制 ( x p m ) 、四波混频( f w m ) ，与群速度色散( g v d ) 的联合作用会导致光信号脉冲的 形状和频谱发生畸变：光放大器的白发辐射噪声( a s e ) 也会使信号质量变差； 星二童堕笙 所有这些因素造成了信号的严重损伤，限制了网络节点级联的能力，最终限制了 系统和网络的传输速率和距离。 单模光纤中的主要色散是群时延色散，此外还有高阶色散和偏振模色散，这 些色散使脉冲展宽，导致信号畸变产生码间干扰和接收机误码率的增大，因而， 限制了传输距离，尤其是对高速通信系统更为明显，例如：在g 6 5 2 光纤上 2 5 g b i t s 的色散受限距离为9 2 8 k m 左右，但l o g b i t s 系统的色散受限距离为 5 8 k m ，而4 0 g b i t s 系统的色散受限距离仅为3 6 k m 。偏振模色散( p m d ) 是由于光 纤不是理想的圆柱形，引起线偏振光的两个偏振态分量的传输速率不一致。它与 光纤制造工艺、受外界影响的自身应力状态、双折射效应等因素有关，并且具有 随机性，其值随光纤所处的环境变化而发生波动。对于低速率光传输系统p g d 的影响可忽略不计，但是随着系统传输速率的提升，p m d 的影响逐渐显现出来， l o g b i t s 的系统，传输距离就会因p m d 的存在而大大缩短，因此p m d 可能成为 限制高速光通信系统容量和距离的最终因素。 在光网络中，节点引入的非线性很弱，一般只考虑光纤的非线性影响。光纤 的非线性不仅带来能量的损耗、信号的失真，还会使网络中某一光通道的信号强 度和相位受到其他信道的影响，形成串扰，从而对系统的性能造成不良的影响。 与光强度相关的克尔效应是一种重要的非线性效应，它主要包括自相位调制 s p m 、交叉相位调制x p m 和四波混频f 删。s p m 是指当输入光强度变化时，光纤的 折射发生变化，引起光波相位的变化，将导致频谱展宽，并随着传输长度的增加 而积累，光功率变化越快，导致的光频率变化越大，对系统中高速窄脉冲影响较 大。x p m 发生在多波长系统中，它会引起通路间的串音，并逐渐地使信号频谱展 宽。f w m 是指当多个较强的光波信号在光纤中混合传输时，产生其它新的光波长， 引起串扰。 掺铒光纤放大器可以使光信号获得很高的增益。但也带来了白发辐射噪声， 使光信噪比下降，影响到光接收机的灵敏度。 为了降低以上因素对信号带来的不利影响，需要对信号进行再生。传统的光 电再生方法把光信号转变为电信号，在电域内进行再生后转化为光信号，由于电 子器件本身的物理极限，随着传输速率的提高，这种再生方式成为提高传输速率 的瓶颈，而且影响了全光网对传输速率的透明性、灵活性等优点a 因而，全光再 生是最理想的再生方式 3 1 。全光3 r 再生是解决上述问题的最有效的方法。全光 3 r 再生技术主要应用于高速率光纤通信系统及全光网络，在长距离、高速率的 通信干线上，它, - p a 用来克服信号传输过程中的噪声、串扰和非线性积累。大大 扩展了信号的传输距离。与目前的各种补偿技术相比，采用再生技术不需要考虑 不同信号的恶化原因，如群色散、偏振模式色散或各种非线性效应等，只是对失 第一牵绪谂 囊蜃豹信号送簿霉生，数魄较采_ 醒l 备耪零 偿技术戆线臻，大大蓑纯了系统，撼裹 了系统的性能；而在朱来的垒光网络中，由予光交叉飘联和光交换过程，使得无 法礁怒信号从源端到鼹的端躲节点数。在这秘馕提下，基兹豹霆定色数零 偿等技 术难以克服色散带来的影响，所以必须采用信号再生技术来保证网络的灵活性和 可扩鼹。另钋，在全光3 r 再生中，出于输出波长可以选择，敬在网终中同时霹 以完成波长变换的功能。因此，全光倍号再生技术被认为是未来全光网络韵基本 技术1 4 】，它在米来的惠速光网络，尤葵是在未米高速率基于w d m 技术的波长路 由网络中有着非常重藤的应用前景。 就全光3 r 再生技术本身瓶言，除了本身的应用外。由予窀实际涉及到了企 光信碍处理技术。虽然磊前全光信号处理技术还不成熟，但是由于全光处理在速 度上具有的不可比拟的优势，被认为魑未来个重要的发展方向。3 r 技术应该 是对运个技术领域豹个有益豹初步尝试。 1 ，2 + 2 全巍3 r 霉生技术熬发展现状 随着全光网络技术的成熟和发展，全光3 r 技术的应用前景是非倦广阔的。 正是出于意谈到了该技术静爨要往，3 r 再鸯援术正农成为全键界范豳豹研究热 点。阑外各大通信技术公司都投入了大量的人力、物力，对该技术展歼了预研工 作。在国内，天津大学、北京都电大学、华中科技大学等辩磷院掰都野展了禚关 的研究工作。我们课题组在全光信号处理和全光时钟提取上进行了大擞的理论研 究和实验工佟，并予2 0 0 1 年宠成了1 0 g h z 、2 0 g i - l z 嚣金悫酵辩提取实验择磺，为 进一步的高速率的全光3 r 中继的研究打下了良好的研究基础。目前看到的资料， 各国簇本在阚一莛藏线上，翔暴l 够在菜垫努藩率巍敬得突破，将丈大挺嵩我窝 在全光信号处理领域的地位。 金巍3 鬟秀生静荧键援拳是辩镑提取帮巍粼决，3 r 霉垒器戆基零维穆翔图 1 1 所示。其工作原煺是：数据信号进入再生器后被分成两路，一路佰号进入时 镶鬟取萃元产生瓣镑僖号；舞一鼯绩弩经e d f a 敷太器，捧为受羯决强靛控测必 与光时钟脉冲同步注入光判决门，从而实现对光信号的再生。 信 l i n e e d f a 圈1 1垒光3 弑再生嚣缍捧蓠圈 3 情号 第一章绪论 时钟提取技术是同步传输系统中的关键技术，而全光时钟提取技术是o t d m 通信系统、全光3 r 再生技术以及全光交换技术的核心技术。目前时钟提取技术 主要有以下几种方案：1 光电混合技术；2 注入锁定技术，采用注入锁定进行时 钟提取的方法很多，主要有：( 1 ) 基于光纤锁模激光器的时钟提取( 2 ) 基于自 脉动d l 毋激光器的时钟提取( 3 ) 基于半导体锁模激光器的时钟提取( 4 ) 基于 n o l m 振荡器的时钟提取；3 光的p l l 技术；4 光谐振电路( 0 p t i c a lt a n k c i r c u i t ) 技术 光判决门也是全光3 r 再生系统中的核心部分，其开关特性是影响全光3 r 再 生的关键因素。光判决门的基本作用就是控制光开关适时的开启，让我们希望的 信号通过光开关，抑制噪声信号。常用的光判决门主要有：1 n o l m 全光开关， 2 t o a d 全光开关，3 s o a 基于马赫一曾德干涉仪( m z i ) 的光开关，4 基于 e a m 的光开关，5 超快非线性干涉仪( u i n ) ，6 l o t o s 光开关等。 1 3 光判决门的性能比较 光判决门的性能直接影响3 r 再生系统性能的优劣。我们的主要从事的工作 主要是3 r 再生系统中光判决部分，下面我们对在3 r 再生系统中主要的光判决 方法进行较为详细的介绍和比较。 1 3 1 非线性光学环镜( n o l m ) 全光开关9 】 非线性光学环镜( n o l m ) 作为 一种全光开关器件，不仅结构简单。 而且具有超快的响应速度。非线性光 学环镜1 是利用了光纤自身的克尔 ( k e r r ) 效应，而这种效应响应时间 为2 4 p s ，所以n o l m 有超快的响应 速度。n o l m 全光开关的基本结构如 图1 2 所示。时钟信号脉冲a l 从主耦 合器端口1 输入，经过耦合器分为顺 r e n e c t a ：r m t p 砒舢 图1 2n o l m 时针、逆时针方向传播的脉冲a 3 、。当有控制脉冲输入时，在其作用下，顺 时针、逆时针方向传播的时钟信号a 3 、a 4 产生了相位差，在耦合器内形成干涉。 当相位差为7 c 时，光信号从端口2 输出，此时光开关处于完全“开”的状态。而 无控制脉冲时，则顺时针与逆时针传输的时钟信号的相位差为0 ，则时钟信号完 全从1 端反射，此时光开关处于完全“关的状态。【1 2 】【1 3 】【1 4 1 第一章绪论 n o l m 全光解复用器，有两个问题需要特别引起关注。一是n o l m 偏振敏 感性的有效克服：二是n o l m 开关窗口剖面的合理设计。n o l m 采用了s a g n a c 干涉仪结构，理应具有抵抗温度、振动等环境变化的能力。但普通的n o l m 却 是不稳定的。这种不稳定来自于n o l m 的偏振敏感性。它的敏感性有两方面的 含义。首先，为了使光纤环具有较大的非线性，光纤环往往需要长达数公里的量 级，这样当温度、振动等外界因素变化时就会改变光纤的双折射特性，从而引起 相向传播的时钟信号光之间的偏振态( s o p ) 的改变【1 5 】，n o l m 从而变的不稳 定。为r 克服这一点。可以采用保偏光纤。即使采用保偏光纤，n o l m 解复用 器也常常是偏振相关的，因为时钟信号和控制光的偏振态一般是不固定的，即使 能够固定本地产生的时钟信号的偏振态，控制光经过长距离传输，其偏振态会随 环境变化而变化，时钟信号在光纤环内受到的交叉相位调制( x p m ) 也会改变， 从而引起n o l m 解出信号产生随机起伏，严重影响系统的性能。 n o l m 全光开关的开关窗口剖面对o t d m 光接收机的b e r 性能有很大的影 响，这要结合控制脉冲与时钟信号之间的定时抖动进行理解。所以，理想的开关 窗口为方形，宽度接近输入信号的时隙宽度。实际的n o l m 无法做到严格的方 形剖面，但应使开光窗口尽可能平坦，此时解复用器的开关窗口形状接近于梯形。 所以，虽然n o l m 尽管结构简单，但必须精心设计参数才能保证开关的优良性 能。 非线性光学环镜( n o l m ) 有响应速度快的优点，而且理论和实验都已经比 较成熟，已有报道利用n o l m 成功完成的1 6 4 0 g b i t s 单信道解复用已证实了 其高速工作的潜力【1 6 1 。而且由于长的光纤，造成大的损耗，所以需要时钟信号 要有大的输入功率。还有，信号脉冲和控制脉冲间的走离会使开关窗口偏离中心 位置，加大开关窗口宽度，降低开关效率，过大的走离将严重展宽开关窗口，如 何设法减小走离将成为设计n o l m 解复用器的一个重要问题。 1 3 2t h z 光学非对称解复用器( t o a d ) 全光开关 在普通的n o l m 内非对称的放置一个半导体光放大器( s o a ) ，就构成了 t o a d 的基本结构【1 7 】- 【嘲，如图1 3 所示。工作原理与n o l m 大体相同，其区别 在于：c w 信号和c c w 信号受到s o a 的调制，当有控制脉冲输入时，c w 信号 和c c w 信号在经过s o a 时受到控制脉冲的交叉增益调制( x g m ) 和交叉相位 调制( x p m ) 。由于s o a 偏离中心位置，所以两路信号受到的调制不同，将产 生不同的增益和相移，回到主耦合器发生干涉使端口2 有信号输出，这时光开关 开启。 第章绪论 t o a d 全光开关，结合了n o l m 和 s o a 的优点。s o a 具有大的非线性，不 必氖n o l m 要用很长的光纤，克服了光 纤弱的非线性带来的不足，也避免了控 制脉冲和信号脉冲之间的走离对开关窗 口的不良影响，同时这也使t o a d 集成 化成为可能。光纤开关窗口由s o a 的偏 离量决定，具有较高的开关速率，可应 用于t h zo t d m 系统。又因为t o a d 实 际上基于s a g n a c 干涉仪基础上的，它对 外界的变化不敏感。所以它比其它干涉 i n p u t 1 2 o u t p u t 图1 3t o a d 仪型全光开关( 如m a e h z e h n d e r 型光开关) 更稳定、更有应用潜力。 在实验过程中，我们发现t o a d 对偏振还有敏感，尤其是用光纤连接的话， 这种偏振敏感性更为突出。但由于整个环路的长度有限，所以采用傈偏结构的成 本要比n o l m 小。我们在3 r 再生系统中就采用了t o a d 做为光判决模块，在 后面章节中通过数值模拟分析了它的基本原理，进行了相关实验，并解释了实验 现象，为以后的工作做了有益的探索。 1 3 3s o a 基于l v l z i 的光开关 基于马赫一曾德干涉仪基础上，在两个臂对称的放置两个半导体光放大器 ( s o a ) 就构成了它们的基本结构。控制脉冲又可有两个输入方向，一种控制脉 冲和信号脉冲同向输入，另一种为反向输入分别称为碰撞脉冲型马赫一曾德干 涉仪( c p m z ) 和均衡型马赫一曾德干涉仪( s m z ) ，结构分别如图1 4 、1 5 所 示。在控制脉冲作用下两臂信号脉冲经历的不同的相移，在输出端耦合器发生干 涉使得信号脉冲从输出端输出。在输出端均衡型需要加一个滤波器以滤除控制信 号，而碰撞型则不需要。这两种光开关的开关窗口宽度由输入的两路控制脉冲的 偏移量决定。标准窗口宽度可表示为 l ：w i 。= a x e s 。 两信号光分别在两路不同的光路中传输，分别由两个s o a 进行调制。通过 调节两臂控制脉冲的间隔来调节开关窗口的宽度，这样使器件工作速度不受载流 子恢复时间的限制。可以看出输出脉冲的宽度完全由信号脉冲问的时延t 决 定，与载流子恢复时间无关，开关速度可望达到约l p s ，它要求的光功率也比较 低，而且m z i 易于集成化。但是，它也有它的缺点：m z i 对制作工艺要求非常 高，它要求两臂完全对称，这就要求两臂长度完全相等，而且也要求s o a 的性 能要完全一致，这一点实际很难做到。首先，外界温度等因素的影响，使两臂长 第一章绪论 度发生改变，再者当两个s o a 驱动电流不同时，也会使s o a 的性能发生改变， 而且m z i 有大的偏振敏感性，这都将造成输出信号的不稳定，还有它的成本也 比较高。 o p m z尚 矗 8 翟z i t ! 渺刚 图1 4c p m z 图1 5s l v i z 1 3 4 基于电吸收调制器( e a m ) 的光开关2 9 1 1 3 0 j i 3 1 】 电吸收调制器e a m ( e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r ) 是电光开光。e a m 具有 驱动电压低、对偏振不敏感、尺寸小、易于集成等优点，近年来引起了人们广泛 的研究兴趣。利用e a m 的交叉吸收调制( x a m ) 效应，可以得到高开关比的光 开关。在最近大量的系统式实验中，e a m 是关键的开关器件。 图1 6 e a m 简图 e a m 光开关的结构如图1 6 所示，当探测脉冲( 时钟脉冲) 和信号脉冲( 数 据脉冲) 同时注入时，e a m 对探测脉冲的吸收随输入信号的强弱而变化，当输 入信号脉冲为逻辑“l ”时，e a m 对探测信号没有吸收，此时探测脉冲透过e a m ， 当输入信号为逻辑“0 ”时，e a m 对探测脉冲强烈吸收，e a m 的输出为“0 ”， 故输出脉冲序列再现了输入信号的信息。e a m 的交叉吸收效应与输入信号功率 及反向偏压的大小有关，通过优化信号的输入功率及工作偏压，可以获得良好的 再生信号。理论上e a m 与偏振无关，输入信号的相位畸变与频率啁啾都不会转 7 第一章绪论 移到探测信号中去。 e a m 具有驱动电压低、对偏振不敏感、尺寸小、容易与半导体激光器及其 它波导器件集成等优点，用它作为光开关可提高开关窗口的性能，尤其它的偏振 不敏感特性更有利于它的实用化。而且其结构简单、紧凑，性能稳定可靠。就目 前工艺水平，e a 调制器已能满足1 0 0 g b i v s 以上速率的o t d m 系统，不仅降低 了系统的复杂性，而且可以充分利用成熟的电信号处理技术，可望使 4 0 g b i t s o t d m 网络尽快实用化。但是，e a m 为光开关利用的是交叉吸收调制 ( x a m ) 效应，与s o a 一样耍受恢复过程度影响，产生码型效应，而且它的消 光比比较低，对于应用带来了不便，还有它的成本比较高。 1 3 5 超快非线性干涉仪( u i n ) 1 3 4 u n i ( u l t r a f a s t - n o n l i n e a ri n t e r f e r o m e t e r ) 超快非线性干涉仪作为光开关有窗口 小，开关能量低，偏振不敏感的特点，它利用的是非线性波导( 如s o a ) 的交 s i g n a lp u l s e s 圈1 7 u 】m 简图n l w g ：n o n l i n e a r w a v e g u i d e b c l - 2 ： b i r e f r i n g e n tc r y s t a l s p l ：p o l a r i z e r 叉相位调制x p m 效应。u n i 是一种理想的光开关，已用于1 6 0 g b s 的解复用和 4 0 g b s 及8 0 g b s 的3 r 再生。 如图1 7 所示。信号脉冲1 ，2 ，3 经过双折射晶体1 后变成了两个互相垂直 的偏振分量，并且之间有t 的延时。这个延时在经过双折射晶体2 之后被抵消， 两分量重合，而且这两分量的相位差将决定重合的信号的偏振态。这些脉冲按如 图的顺序通过非线性波导时，插在2 脉冲的两个分量之间的控制脉冲会引起非线 性效应，使后续的脉冲发生相位改变。对于两个分量没有发生相移的情况，如脉 冲分量1 ，1 ，所重合得到信号的偏振态不受控制信号影响，最后的偏振器的偏振 方向与1 和1 呈4 5 度角，即与两者重合所得到信号的偏振方向垂直，所以此时 没有信号输出。对于脉冲分量2 和2 。与2 相比2 由于受到非线性效应的作用 会产生相位差，一般是兀。这样两者重合的信号的偏振方向会与检偏器的偏振方 向一致。所以有信号2 输出。而对于脉冲分量3 和3 ，两者在非线性波导处会有 蔫一鬻缝谂 超嗣鹅攘移，掰溢这獭情嚣与l 耪骰，没毒倍母埝爨。u n i 簸逡襻实魏了毙嚣美 的功能。 l 。3 ，巷b o 攀o s l 0 l d s 楚n t t 疆戮懿一簿拳簿抟灞嚣绩褥i n g a a s p i n p 稳滋生长惩开关，它 利用了焖w 的日 线性饱和吸收特性，谢超快的载流子恢复时间，可控制在几百飞 移至足争受秒灏。l o t o s 其褰羧裹戆游龙疆：，z 终波长麓蓬较爨，嚣兼戆塞羝， 温度稳定性好。但l o t o s 的歼必特性岛输入倍悸的偏掇态有关。l o t o s 可以工牛冒 在受巍耱速率上，箕鸯受囊辩熬湛麦稳定毪，萼簪在未寒瓣垒毙瓣络孛扮演重要角 色。 1 4 本论文的主要工作 本论文雅禽8 6 3 瓷麓矮蠢：“鹳攀灵活静垒巍3 r 褥誊技术醑究”黻放牮必禽 作项曝“全光3 r 再嫩器”，擞要工作避光判状部分，游重截以下几个蠢面做了 一鎏互露： 比较了备种光判决方案的优劣。 分耩了s o a 特馁，覆数穰方法浓瓣了当戆罐整转辍方疆，游谂了在势器条 件改磷时它的增益变他情况，并进行丁s o a 的波长变换实验。 分搴嚣了t o a d ) 靛1 1 1 终羰瀵，整嚣了透射攀公式，羧篷_ 壤羧了在器耱祷爨下 的开关窗口，掇出了t o a d 谈计时成漪虑的闯题。 褥劐了2 。5 h z 掩剃敬；串佟臻- ft o a d 嚣焚整鏊，瓣实验溪豢迸豁了较努套 瑾的解释。通过实验褥潮的群兼窗口，糨前筒的理论势析和数饿模羧储糯表磷褥 起来鸯定熬鼹，逶遵瓣实黪漩瀑豹分辑，穗疲豹调熬了模拟参数，键爨了较必 合理酌解释，裙步分辨了偏搽的影响，这些王作有一淹的宅新住，对驻搿的工僚 毒一定倦鉴臻翔。 整三童堂警接光放大爨( s o a ) 戆理论势撬及箕特性磅戴 第二章 半导体毙放大器( s o a ) 鹩理论分析及英特性研究 2 1 概述 半静体毙藏犬器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 ) ，又称半导体激 光放大器s l a ( s e m i c o n d u c t o rl a s e ra m p l i f i e r ) ，s o a 的性能巍接影响t o a d 的 开关特性。新黻全嚣了解s o a 豹特毪对于全面7 解t o a d 的程是十分努要魏， 对以后t o a d 的实验工作将会有十分必簧的指导作用。 s o a 是一耱结鞫类钕予双辩震络激毙= 摄篱( d hl d ) 靛篡有光增髓豹光毫 器件。只激光二极管，随着注入电流的加大，粒子数反转达到一定程度，二极 管鑫嚣始出理穗益。与奔痰交梵透饔穗麓瘦懿彀流帮为s 泌懿鞠僮毫浚。莲过越 电流，= 极管就开始出现放大功能。若再增大注入电流，达到更高的增谶时，则 会密瑗嚣静情魏；一耱楚提供爨骞平静菠嚣整甏熬内帮先羡镄撬揍( 翔卜p 整， 面发射二极管的垂直反射腔) ，增益又能超过材料内部的总损耗，此时二极管表 现为激必器；鬟耱悸援是在簿个爨嚣镀上撬及懿貘，鼗霹裁苓熊建立激悫震荡， 即使注入电流超过激射的i 。，= 极管也只能袭现为对输入光的放大作用，直至 壤益趋予瞧羁。 s o a 有两种基本结构：即卜p ( f 8 b r y p e r o t ) 腔型放大器和行波( t r a v e l l i n g w a v e - i 、并) 型放犬爨，分别楚称为f 强颠t 鞑。f p 矗熬端嚣反射搴铰丈( 3 溅左右) ， 它在两个端面形成的腔之间发生再生谐振放大，可使外泉的光信号获得较大的膝 内增益。但是这釉放大撼，爨要输入信号与f - p 腔谐振模之阕有精密的频率匹配， 以获得最大的储噪比，所以它的增益带宽很窄，基本上怒个f - p 腔的纵模线宽。 为保镊入射光能褥到较大的增懿，要求f p a 有怒够高的湿度稳定性( 0 。0 5 。c ) 和电流稳定性( 0 1 5 m a ) ，磷则谐振腔的共掀频率和增益数值将不稳定。t w a 实质是一种激光嚣的解离箍完全增透的f p a 。投该放大器中，入射光只能单程放 大。所以要得刘较大的信号增菔，必须把驱动嘏流增大羽透明点阈值电流的2 3 倍。t w a 比f p a 的应用更为广泛，因为t w a 有较大的带宽，它的3 d b 带宽比f p a 要大三个数量缀，而且其有较黼的饱和能量和较低的偏振敏感住。所醚光网络审 的s o a 一般是指t w a 。强然增懿带宽了，相应的噪声带宽也宽，所以在高速光纤 系统中黉辅以窄带光学滤波器才能褥剿所要求的信嗓阮或误码攀。如没有特莠撩 明，本文中的s o a 都悬指t w a 溅的s o a 。 本章基予s o a 的璞论努桥，分橱了s o a 对光脓i 串静灞盏稿斑及萁绫复特栏， 提出了一个用于减少载流子恢复时间使s o a 可以工作予高速率的方案。 1 a 第二章半导体光放大器( s o a ) 的理论分析及其特性研究 2 2 s o a 的理论分析 2 2 1 s o a 的增益及其饱和特性 f p a 的增益表达式更有一般性，可写为： g 一2 等2 石丽面甬( 1 - g 丽i ) ( 1 面- r 2 而) g , 矿丽硼 ) 式中，r 。、r 。为端面功率反射系数，v 。为f - p 腔谐振频率，a v l = c ( 2 l ) 为腔 内纵模间隔，为有源层损耗系数，g , = e x p ( rg - c x 。) l 为有源层的单程非饱和 增益，相应于行波( t w ) 半导体光放大器的增益。 为简化分析，我们不去深入分析有源层的能带结构，设峰值增益随载流子浓 度n 线性增大，增益系数可表示为 g = ( r d 。v 胁一n o ) ( 2 2 ) 式中，r 为限制因子，a 。称增益截面，v 为有源层体积，n 。为受激辐射速率等于 受激吸收速率时的载流子浓度称为透明载流子浓度。 载流子浓度n 随注入电流i 和信号功率而变，而信号功率又随载流子浓度而 变，因此两者的变化规律可由单模耦合速率方程描述，即 一d n ：三一盟一r ( 2 3 ) f srpdt q i d p2 如，+ 一i p r 。= f v 。g = r ( 一n o ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，r 。为受激辐射速率，v 。为群速，k 为自发辐射速率，r ，= r | c n 。，1 3 。为自发 辐射因子，g 为电子电荷量，t 。为载流予寿命，q 为光子寿命。 在放大连续波或脉宽t 远长于k 的光脉冲时，可令d i n = 0 ，可得n 的稳态解， 代入( 2 3 ) 发现，当 豇n 2 盘 姐6 时，光增益发生饱和，p ( z ) 是从输入端算起在距离z 处的信号功率，凡是饱和功 率，g o 是小信号增益系数，即无信号光的情况下单位长度上的不饱和增益，取决 于放大器的注入电流。 下面利用式( z 4 ) 来计算放大器的输出功率和饱和增益，沿放大器长度光功 率按下式变化， 警= 扩= 蒜与 汜， 利用初始输入功率p ( 0 ) = p ( l ) = g p t n ，而g 决定于下式，即 一苎三童堂量堡堂墼查壁! ! 坠! 塑望笙坌堑墨基壁垡堡塞 犯g 。e x p ( 一等寺) 汜s ， 式中，g 产e x p ( g t ，l ) 为p 仉儿 p 。时的小信号增益，g 为大信号增益，随输出功率而 降低。 饱和输出功率p 5 。是光放大器的另一个重要参数，它定义为小信号增益g 。 降低3 d t 所对应的输出功率，可由式( 2 8 ) 求得 ：尝只 ( 29 ) 饱和输出功率p ：。约比有源层饱和功率p 。小3 0 。p 8 。的典型值为 ( 5 一l o ) m w 。饱和输出功率都是对一定的注入电流而言的，因为增益系数与s o a 的注入电流i 有关，g 又可写为 g = r 口g ( 一1 ) ( 2 1 0 ) i 。是增益透明所需的电流， n 。是载流予密度阀值。 “ 图2 2 为s o a 增益曲线图， 2 5 其中实线是理论计算值，虚线为 2 0 实验所测的数据。所用s o a 的曼1 5 p s o u t = 7 3 3 d b m ，注入电流2 5 0 m a 。 。】n 当在小输入功率的情况下，实验 一 中测得的增益比模拟值大，是因 为实验中包含了s o a 的a s e 噪 声。从上图可以看出随着输入光 功率的增加，增益逐渐变小，发 ： ： q ：， 、冬、 i 、心 3 02 52 0一1 5一1 050 p i n ( d b m ) 鬻2 1 增益与输入功率的关系 生增益饱和。当输入功率为1 5 d b m 时，增益比小信号增益有大约3 d b 的减小 此时输出功率约为7 2 5 d b m 与给出的数据7 3 d b m 一致。 2 2 2 关于载流子 载流予寿命，又叫载流子复合寿命、本征载流子寿命，是s o a 的一项重要的 动态参数。一般是指从载流子被激发到复合之间的时间，也可以理解为，电子从 导带到禁带的时间。它决定了当强光耗尽了载流孑之后，载流子恢复所需要的时 间。当s o a 用于光开关时，载流子寿命是影响性能的关键因素。载流子复合寿命 r 。的表达式为 f 一：上一 ( 2 1 1 ) f c2 a + b n + c n 2 l 塞兰搴半导体光放大器( s o a ) 的理论分析及其特性研究 a 、b 和c 为复合系数，n 是载流子密度。 般认为，基于s o a 的光开关的速度受到 本征载流子寿命的限制。载流子寿命大约 0 5 n s ，由此决定的s o a 光开关的速度大约只 有几个g s 。实际上，s o a 的增益不一定需要 完全饱和，也不一定要完全恢复，特别是基于 x p m 效应的s o a 光开关。通常所用的载流子寿 命是指从载流予被激发到复合之间的时间，体 现在增益恢复中的情况一般是指：增益恢复到 比最大值小l o 时所用的时间。 我们引入有效载流子时间的概念，其定义为载流子密度从开始恢复到恢复结 束之间的时间。很明显，在载流子完全恢复的情况下，两者是一致的。载流子密 度以t 。为时间常数呈指数恢复，公式如下： j = ，+ ( 0 一r ) 1 一e x p ( 一f 。) 】 ( 2 1 2 ) n ，是t 。时刻的载流子密度，n ，是载流子开始恢复时的密度，n 。载流子完全恢 复时的载流子密度值，k 是载流子寿命。 如图2 2 ，t 2 是载流子寿命。对应增益从开始恢复到比最大值小3 d b 所用的 时间，如虚线所示。实线表示的是，在增益恢复的过程中，由于有另外一个脉冲 的到来，使增益不再恢复转而减小，而增益恢复的这段时间t l 即为有效载流予 时间。 另外，载流子寿命除了与s o a 的一些本征参数有关之外，要受注入电流i 和 信号功率p 的影响。我们可以提高注入电流i 和加大信号功率p 的方法来减小k 从而加快载流子恢复速度，缩短有效载流子时间。另外我们可以注入连续光，消 耗一定量的载流予，是载流子浓度的最大值0 变小。所以载流子恢复到最大值 的时间即载流予恢复时间变短。体现在s o a 的增益上。无法恢复到原来的小信号 增益。这就是后面还要详细介绍的外加连续光法。 2 2 3 瞬态放大方程与瞬态增益 假设光脉冲在传播过程中偏振方向不变，并且忽略增益非线性效应，则光脉 冲沿纵向z 的传播方程为： i o a ( z d ) + i 1 百t o a ( z , 0 + 互i 删旷丁g ( z o ) 。 ( 2 1 3 ) 4 ( ：，) 为光脉冲的慢变包络 至堂堂量堡些垫查堡! ! ! ! ! 塑望笙坌堑墨基堡丝婴塞 将a 分解为振幅和相位两部分 缸r ) = e 州z , t 瓦鬲( 2 1 4 ) 由式2 2 和2 3 得 警= 掣一学 ( 2 1 5 ) 班 t ：e 其中e 。为饱和能量 e 。，= h v ( c r 。o g ) ( 2 1 6 ) a 。为波导模式的横截面。 由式2 1