（光学工程专业论文）qdsoa的动态仿真模型及其在光信号处理中的应用研究.pdf

摘要 摘要 在当前光网络的发展中，现有网络节点的光电( 电光) 转换的局限已经成 为进一步扩大带宽的“瓶颈”，光分组交换可以解决这一问题。对光信号进行全 光处理成为光分组交换研究中最关键的问题之一。量子点半导体光放大器 ( q d s o a ) 与普通半导体光放大器( b u l ks o a ) 和量子阱半导体光放大器 ( q w - s o a ) 相比，具有低注入电流、低温度灵敏性、低线宽增强因子、高微分 增益、高调制带宽、增益恢复时间快等优点，适合应用于全光信号处理。本文主 要针对q d s o a 的动态仿真模型、放大特性及其在光分组交换网络中全光信号处 理方面的应用进行研究，主要工作内容如下： 1 根据q d s o a 的电子跃迁速率方程和光在q d s o a 中传播的光场方程， 并采用牛顿法和四阶龙格库塔法，建立了q d s o a 的动态仿真模型。 2 利用建立的动态仿真模型，对q d s o a 的一些放大特性进行了数值仿真 研究。包括最大模式增益、有源区的长度、以及基态与激发态的跃迁时 间对输出光信号的消光比、脉宽和增益的影响，对影响因素进行了分析， 提出了优化o d s o a 设计参数应注意的问题。 3 分析了基于q d s o a 交叉增益调制( x g m ) 的波长转换器中，有源区长 度、基态与激发态之间的跃迁时间、信号光功率对输出光的消光比和 脉冲宽度的影响。得出，增加有源区长度、同时增加基态与激发态之 间的跃迁时间、增加输入信号光功率都可以提高输出探测光的消光比、 增加脉冲宽度的结论。 4 提出了一种基于q d s o a 的x g m 全光逻辑或非门方案。对方案的可行 性进行了研究，输出的逻辑门没有码型效应，输出的消光比达到1 l d b ， 信号光速率可以达到4 0 0 g b s 。 关键词：全光信号处理，量子点半导体光放大器，波长转换，光或非门 a b s t r a c t i nt h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a ln e t w o r k ，t h el i m i to ft h eo e ( e o ) c o n v e r s i o ni n t h es w i t c h i n gn o d e sh a sb e e nt h eb o t t l e n e c ko ff u r t h e ri m p r o v i n g t h eb a n d w i d t ho ft h e n e t w o r k o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) c a l ls o l v et h i sp r o b l e m a 1 1 o p t i c a ls i g n a l p r o c e s s i n gi s o n ei m p o r t a n tp a r to ft h er e s e a r c h e so no p s c o m p a r i n gt ob u l k 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 ( s o a ) a n d q u a n t u m w e l ls 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 ( q w - s o a ) ，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 ( q d s o a ) h a v em a n yu n i q u e a d v a n t a g e s ，s u c ha s1 0 w e rt h r e s h o l dc u r r e n t 1 0 w e rt e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y , l o w e rl i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o r , h i g hd i f f e r e n t i a lg a i n ，垃曲m o d u l a t i o n b a n d w i t ha n df a s t e rg a i nr e c o v e r y o w i n gt os om a n ya d v a n t a g e s ，q d s o ai sm u c h m o r ea d a p t e dt ob eu s e di nt h e a l l - o p t i c a ls i g n a lt e c h n o l o g y t h ea m p l i f y i n g c h a r a c t e r i s t i c so fq d s o a ，t h en u m e r i c a lf r a g m e n tm o d e lo fq d s o aa n di t ，s a p p l i c a t i o n si nt h ea l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gr e l a t e dt oo p sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r e1 i s t e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h er a t ee q u a t i o n so ft h ee l e c t r o nt r a n s i t i o na n dt h et r a v e l i n g w a v e e q u a t i o nf o rs i g n a lw a v ei nt h eq d - s o a ，t h en u m e r i c a lf r a g m e n tm o d e lo f q d s o ai se s t a b l i s h e d t h en e w t o nm e t h o di sa d o p t e dt os e a r c ht h ei n i t i a l v a l u e so ft h em o d e la n dt h e4 t ho r d e r r u n g e - k u r am e t h o d i su s e dt o c a l c u l a t et h ed y n a m i cv a r i a t i o n 2 t h er e s e a r c ha c t i v i t i e si n v o l v et h e i n f l u e n c e sf r o mt h e d e v i c e r e l a t e d p a r a m e t e r s ：t h em a x i m u mm o d a lg a i n ，t h el e n g t ho ft h ea c t i v el a y e r , t h e t r a n s i t i o nt i m eb e t w e e nt h ee x c i t e d s t a t ea n dg r o u n d s t a t e t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fo u t p u tp u l s es i g n a li n c l u d i n ge x t i n c t i o nr a t i o ，p u l s ew i d t ha n dg a i nh a v e b e e nc h o s e nt ot h eo b s e r v i n ga n dc o m p a r i n go b j e c t s t h ea n a l y s i si n t h e o r y h a sa l s ob e e np r o v i d e dt oe x p l a i nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s 3 t h e s t u d yo fw 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 sc r o s s g a i n m o d u l a t i o n ( x g m ) f o c u so nt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ee x t i n c t i o nr a t i o s t h ec o n v e r t e dp u l s ew i d t ha n dt h el e n g t ho fa c t i v er e g i o n ，t h ei n p u ts i g n a l p o w e r , t h ee l e c t r o nt r a n s i t i o nt i m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x t i n c t i o nr a t i o a b s t r a c t c a nb ei m p r o v e db yi n c r e a s i n gt h el e n g t ho fa c t i v er e g i o n ，t h ei n p u ts i g n a l p o w e ro rt h ee l e c t r o nt r a n s i t i o nt i m e ，b u tc o m p a n y i n gw i t ht h ei n c r e a s eo f o u t p u tp u l s ew i d t h 4 an o v e ls c h e m eo fa l l - o p t i c a ln o rg a t eb a s e do nt h eg a i np r o p e r t i e so f q d - s o ai sp r o p o s e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e i si n v e s t i g a t e db y s i m u l a t i o n n op a t t e r ne f f e c t si so b s e r v e da tt h eo u t p u t so ft h en o r g a t e t h e e x t i n c t i o no ft h eo u t p u ts i g n a la r eh i g h e rt h a n11d ba n dt h ep r o c e s s i n gr a t e r e a c h e s4 0 0 g b s k e y w o r d s ：a l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，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 l a m p l i f i e r ( q d - s e a ) ，w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，o p t i c a ln o r g a t e i i i 缩略字表 a s e b r f c w d i d f g e a m e d f a e r e s 缩略字表 a m p l i f i e ds e l f - e m i s s i o n b i r e f r i n g e n c ef i b e r c o n t i n u o u sw a v e d e l a yi n t e r f e r o m e t e r 放大自发辐射 双折射光纤 连续波 延迟干涉仪 d i f f e r e n t i a lf r e q u e n c yg e n e r a t i o n 差频 e l e c t r o n i ca b s o r p t i o nm o d u l a t o r 电吸收调制器 e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r 掺饵光纤放大器 e x t i n c t i o nr a t i o e x c i t e ds t a t e s f p - s o a f a b r y - p e r 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 f w mf o u rw a v em i x i n g f w h mf u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m g sg r o u n ds t a t e i w c m i m m i 消光比 激发态 法布里泊罗型 半导体光放大器 四波混频 半高全宽 基态 i n t e r f e r o m e t r i cw a v e l e n g t hc o n v e r t e r干涉型波长转换器 m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r m u l t i m o d ei n t e r f e r o m e t e r 6 迈克耳逊干涉仪 多模干涉 缩略字表 m z i n o l m n d s o p s o t d m s m z q d s o a q w - s o a t o a d t 、 ，- s o a u n i w d m w l x g m x p m x p 0 1 m m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r n o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r n o n d i s p e r s i o ns h i f t 马赫曾德尔干涉仪 非线性光环路镜 非色散位移 o p t i c a lp a c k e ts w i t c h光分组交换 o p f i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g光时分复用 s y m m e t r i cm a c h z e h n d e r 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 l a m p l i f i e r q u a n t u mw e l ls 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 t e r a h e r t zo p t i c a la s y m m e t r i cd e m u l t i p l e x e r t r a v e l i n gw a v es 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 u l t r a f a s tn o n l i n e a ri n t e r f e r o m e t e r w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g w e t t i n gl a y e r 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 7 解复用器 量子点半导体光放大 器 量子阱半导体光放大 器 太赫兹光学非对称 解复用器 行波半导体光放大器 超高速非线性干涉仪 波分复用 湿层 交叉增益调制 交叉相位调制 交叉偏振调制 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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：眇驴年乡月日 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) 繇盔粒 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光分组交换及全光信号处理技术【l - 4 】 随着光纤通信技术的发展，单个波长已经能实现4 0 g b s 的长距离传输，特别 是密集波分复用技术的发展，使得单根光纤的数据传输速率达到了1 0 t b s 。但现 有的s d h 和s o n e t 技术对光纤巨大带宽的利用，仍然是基于以波长为基本传输 单位，在电域进行低速数据流的复用和解复用，在协议上采用i po v e rs d ho v e r w d m 。这种方式使得i p 分组的传输和路由变得非常复杂，线路利用率差，且不 能以灵活、有效的方式动态分享带宽资源。另一方面，基于光电光( o e o ) 转换 的存储转发路由器逐渐成为系统潜在的瓶颈，不能适应光纤传输速率所要求的巨 大存储容量和高速的信号处理能力，出现了所谓的“电子瓶颈”。为了满足下一代 网络的业务需求，要求光网络能够更好地实现带宽资源的共享、实施光层上动态、 灵活的资源分配机制。仅在颗粒巨大的、波长级别的光路交换节点上不可能实现 这些功能，因此需要更细粒度级别上的光分组交换。光分组交换( o p s ) 技术具有 高速率、对数据速率和格式透明、更能适应快速变化的网络环境等灵活可重构特 点，可为运营商和用户带来更大的收益。 光分组交换的关键技术包括：光分组编码方案、光交换矩阵、冲突解决机制、 全光信号处理。全光信号处理技术包括：全光再生技术、光逻辑运算技术、光随 机存储技术、光波长转换技术等。 目前全光逻辑器件大都依靠超高速的非线性效应来实现，相关的结构与器件 包括非线性光环路镜( n o l m ) 、t h z 全光非对称解复用器( t o a d ) 、超高速非线 性干涉仪( u n i ) 、干涉型波长转换器( i w c ) 、马赫曾德尔干涉仪( m z i ) 、延迟 干涉仪( d i ) 、电吸收调制器( e a m ) 和半导体光放大器( s o a ) 等。己试验成功 的全光逻辑器件有全光异或门、与门、或非门、与非门等。 波长转换器可分为全光波长转换器和光电光型波长转换器。全光波长变换器 主要分为两类：基于光调制原理的波长转换器和基于光混频原理的波长转换器。 1 2 光逻辑门技术 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 电子科技大学硕十学位论文 术和集成化都取得了一定发展。但是由于目前光逻辑器件的功能较简单，不能完 成控制部分复杂的逻辑处理功能，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。对于用户与用户之间的信号传输与交换全部采 用光波技术的光分组交换技术主要是在实验室内进行研究与功能实现。但是随着 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。所以，实现 光分组交换系统的关键部件是开发高速光逻辑器件，目前世界各国研究机构正加 紧对此进行研究。 基于s o a 构成的全光逻辑门，从构成原理上大体可以分为两类，一类是基于 干涉原理来实现的，另一类是基于s o a 中的x g m 效应、和x p o l m 效应来实现的。 1 2 1 基于干涉原理构成的全光逻辑门 ( 1 ) 基于s l a l o m 构成的逻辑与门( a n d ) 和逻辑异或f - j ( x o r ) 1 5 - 8 】 英国的研究机构在用s l a l o m 构成逻辑门方面做了许多研究。例如使用 s l a l o m 构成x o r 和a n d 门，并进一步构成全光比特差分全加器、全光比 特差别延时的奇偶校验器和全光伪随机数字产生器等等。他们的核心部分使用的 就是基于s l a l o m 的x o r 。 环形结构s l a l o m 的结构如图1 1 所示： t ) 图1 - is l a l o m 的结构图 它包括一个短光纤环、环两端用一个2 2 的3 d b 耦合器连接、一个稍微偏 第一章绪论 离光纤环中点放置的s o a 和一个波分复用器。偏置量x 为坏的中点到s o a 中 心的距离。假设图1 1 中从c o u p l e r l ( 主耦合器) 进入s l a l o m 的r 信号脉冲 的峰值功率比较小，不能显著改变s o a 中的载流子分布情况；而假设从c o u p l e r 2 进入s l a l o m 的尸l 信号脉冲光波长与岛信号不同，且峰值功率比较大，能使 s o a 迅速达到饱和状态。p 2 信号脉冲通过耦合器后，分成两个分别沿顺时针和逆 时针方向传播的脉冲，c w 脉冲和c c w 脉冲( 这里c w 代表顺时针) 。由于非 线性元件( s o a ) 偏离坏中点一定的距离a x ，两个信号脉冲将在不同的时刻经过 s o a ，彼此之间有2 a t 的时间延迟，其中t 是相应于位置非对称量a x 的时间 非对称量，即a t = a x v 。，v 。为信号光在光纤环内的群速度。若耦合器的功率耦 合比k = 0 5 ，无p l 脉冲时，s o a 对两信号光的作用完全相同，s l a l o m 相当 于一个线性环镜。在端口b 设置一个窄带滤波器，滤出波长在p 2 信号上的光， 那么主耦合器的端口b 无信号输出。如果适当调整a x ，使2 a t 小于s o a 中载 流子的恢复时间，那么当p i 脉冲动态地改变s o a 的载流子浓度时，c w 信号脉 冲和c c w 信号脉冲通过s o a 受到控制脉冲的交叉增益调制( x g m ) 和交叉相位 调凭j i j ( x p m ) 的情况将有可能不同。也就是当p l 和p 2 信号分别为“1 “1 时，在 端口b 可滤出波长在尸2 的光，视作输出为“1 ”；当p 1 和r 信号分别为“0 ”“1 时，也就是上面提到的s l a l o m 作为线性环镜的情况，端口b 没有干涉结果， 视作输出为“0 ；而当p l 和r 信号分别为“0 ”“0 ”和“l ”“0 ”时，端口b 都 不能滤出波长在p 2 的光，输出为“0 ”。于是就实现了一和p 2 信号之间的与门。 可以用s l a l o m 来做逻辑x o r 门。它的原理是：s l a l o m 的端口a 输 入连续光脉冲，从耦合器2 的外接端口输入进行逻辑运算的两路光信号，这两路 光信号之间要有一个约为2 a t ( 约等于s o a 中载流子的恢复时间) 的时延。这样， 当没有信号光输入时，端口b 的输出为“0 ；当两路光信号为“0 1 ”或者“1 “0 ”时，c w 与c c w 光脉冲经历的增益和相位变化不同，端口b 的输出为“l ”； 当两路信号光都为“1 ”时，因为信号光之间的延时为2 a t ，c w 与c c w 光脉冲 之间的延时也为2 a t ，所以，c w 与c c w 光脉冲经历的增益和相位变化相差不大， 这样在端口b 发生干涉后，输出也为“0 ”。因此就实现了异或功能。 ( 2 ) 基于s o a m z i m i 构成的全光逻辑门【8 9 】 由m a c h z e h n d e r 干涉仪构成的解复用器的结构示意图如图1 2 ( a ) 所示， 工作原理为：当无控制脉冲注入时，两路完全相同的信号光经过平衡的m z i 后发 生干涉，在o u t p u t 端口没有输出；当强控制脉冲注入干涉仪后，干涉仪两臂将产 生不同增益和相移( 由于两个s o a 之间相隔x ，信号光和控制光到达s o a 的 电子科技大学硕+ 学位论文 时间不同，信号光经历的s o a 的放大状态不同) ，两路不同的信号光发生干涉， 从而o u t p u t 端口有输出。 ( a ) ( b ) 图1 - 2 由m z i 结构构成的解复用器 图1 2 ( b ) 所示是另一种m z i 的解复用器( s m z ) 。它的输出端需要滤波器 来滤除控制光。假设两个s o a 对称地放置于m z i 两臂，s m z 的开关窗口由两 个控制脉冲之间的时间间隔决定。由于m z i 结构的解复用器构成原理与上面介绍 的s l a l o m 相似，所以也可以用来实现逻辑与门和异或门。 ( 3 ) 基于超快非线性干涉仪( u n i ) 的x o r 1 0 l u n i 采用了单臂干涉结构，利用s o a 作为非线性元件，其结构如图1 3 ( a ) 所示。信号脉冲从左端进入u n i ，经过第1 个保偏器( p s i ) 后保持一定方向的 偏振态，然后经过第1 段双折射光纤( b i u ) 后分离成正交偏振、有一定延时的 两个脉冲。两脉冲先后进入s o a ，被s o a 放大后，获得的增益和相位也会发生 变化。两个脉冲从s o a 输出后，经过5 0 ：5 0 耦合器，随后再经过第2 段b r f ( 快慢轴与第1 段b r f 正交) 后两个光脉冲重合，经过第2 个p s i 后两个脉 冲取得一致的偏振方向并发生干涉，干涉结果从u n i 右端的o u t 端口输出。 4 第一章绪论 ( a ju n i 黝彰j 心o ；惑l 铡 o u t b b ) 璀j “u n i 的x o r 弼l 瑗l 凋 图1 3 基于u n i 的全光x o r 当u n i 用作逻辑x o r 门时，其原理如图1 3 ( b ) 所示，图中实现的是a 信 号与b 信号之间的x o r 。在u n i 的c 端口作适当延时，使a 和b 对应的比 特位进入s o a 的时间分别在左端进入s o a 的第一个脉冲和第二个脉冲前。这样 当a 、b 为“0 ”和“0 时，左端的两个脉冲进入s o a 后增益相同、相移也相 同，那么在输出端发生相消干涉；当a 、b 为“0 ”1 或者a 、b 为“1 ”“0 ” 时，左端的两个脉冲进入s o a 后增益和相移将不同，那么在输出端有干涉结果； a 、b 为“1 ”“l 时，左端的两个脉冲进入s o a 后经历的都是s o a 的饱和状 态，增益和相移相差量很小，那么在输出端基本上看不到干涉结果。因此实现了a 、 b 两路光信号的异或。 ( 4 ) 用干涉型波长转换器( i w c ) 实现x o r 1 1 】 用i w c 实现x o r 的原理如图1 4 所示。在这种结构中信号光脉冲的峰值 功率要比连续光的功率高很多，s o a 的增益特性主要受信号光脉冲的影响。连续 光2 x o r 分为两束进入两个s o a 。当信号1 和2 分别为“0 ”和“0 ”或者“l ” “1 时，两个s o a 的载流子分布和折射率相同，于是在o u t p u t 端没有干涉输 出；只有当信号1 和2 分别为“1 和“0 或者“0 和“1 时，两个s o a 的 载流子分布和折射率不同，2 x o r 在两个s o a 中经历的增益和相移不同，从而在 o u t p u t 端干涉输出。也就实现了信号1 和2 的异或。 电子科技火学硕士学位论文 辩 j 1 缝睡凫 | ；i ，2 g ec h - 2 e l m d e r 十涉仪 x x o t o u t p u t 图1 _ 4 用i w c 实现x o r 综上所述，以上的逻辑门结构由于都是基于干涉原理来实现的，所以器件的 工作稳定性都很好，可重复性高。但是除了s l a l o m 外，用分立元件构成干涉 结构的要求往往也比较高，所以这一类型的逻辑门最好是通过集成来固定。 1 2 2 基于s o a 中的x g m 效应和x p o l m 效应来实现全光逻辑门 ( 1 ) 利用s o a 的x p o l m 特性，实现或非( n o r ) 门【1 2 】 该方案是基于s o a 中的交叉偏振调制( x p o l m ) ，同时利用偏振片的控制， 如图1 - 5 所示。x p o l m 效应就是当探测连续光( c w ) 和控制光一同注入到s o a 中时，探测光受到控制光的偏振和功率影响。当输入逻辑信号的功率发生变化时， 在s o a 输出的c w 光的偏振态相应发生变化。即输入信号光的功率与输出c w 光 的偏振态有对应关系。c w 的偏振态可看成3 种( a ，b ，c ) ，对应于两个信号光 o n - - o n 的情况、只有一个o n 的情况、o f f - - o f f 的情况。调整输入信号光的 偏振态，使得输出的c w 的偏振态只有两种，即o f f - - o f f 为一种，其余情况为 一种。然后，在s o a 输出口的偏振片前面加一个偏振控制器，通过调整这个偏振 控制器，使得o f f - - o f f 下的c w 的偏振态刚好与偏振片平行，即可通过偏振片， 其余情况下的c w 都不能通过偏振片。即只有o f f - - o f f 情况时输出为1 ，实现 了n o r 门。 6 第一章绪论 i n p u tl o g i cs i g n a l j 5 5 6 o 托m 图1 - 5 基于s o a 的x p o l m 特性实现的n o r 门 这个方案的优点是只需要一个s o a ，不需要复杂的与光纤相关的装置，不需要 输入的逻辑信号有相同的波长和相位，不需要额外的同步时钟，缺陷是需要一个 偏振控制器，而且需要对输入信号光的偏振态进行准确控制。 ( 2 ) 利用s o a 的x g m 特性，实现x o r 和n o r t l 3 1 4 】。 图1 - 6 所示的是用两个s o a 实现a 和b 信号之间的x o r 功能。该结构中， 从s o a 右端进入光的光场强度远大于从s o a 左端进入光的光场强度。以s o a l 为例，当a 和b 信号都为“1 ”时，因为s o a l 右端有强泵浦光b 入射，b 将竞 争到s o a 中绝大部分的载流子，信号a 则被饱和吸收，所以s o a l 右端可以视为 无输出，也就是说输出为“0 ”；只有右端无输入时，a 才能被s o a l 放大，输出 为“1 ”。也就是说，上方的s o a l 实现了彳b 运算。同理，下方的s o a 2 实现彳b 。 然后将这两路输出信号耦合到一起，也就是x o r = 么否+ a b 。因此实现了信号a 和b 之间的x o r 。 a b + a b 图1 - 6 基于s o a 的x g m 特性实现的x o r 图1 7 所示的是利用两级级联s o a 实现p i 。，d l 和p i n d 2 信号间n o r 功能的 原理图。左端入射光波长为九，且p i n ，d 1 和p i l l ，d 2 的峰值光功率远大于右端波长为 2 n o r 的p m 2 的峰值光功率。在p 。m 2 端口放置一个滤波器，滤出波长为2 n o r 的光 7 电子科技大学硕七学位论文 信号。左端若有入射光( 即p i n ，d l 和p i n ，d 2 不全为“o ) ，入射光被s o a l 放大再 进入s o a 2 ，受x g m 效应的影响，右端p i 。2 在s o a 2 中不仅不被放大，而且 可能被饱和吸收，所以可以视p o u t 2 端口的输出为“0 ；反之，若g i n ，d l 和p i 。，d 2 为“0 ”“0 ”，那么右端p i n 2 进入s o a 2 以后被放大，所以p o u t 2 端口有输出。这 就实现了p i n ，d l 和p i n ，d 2 信号间的n o r 功能。 图案。 图1 7 级联s o a 实现n o r 原理图 综上所述，基于s o a 的x g m 原理的逻辑门工作原理简单，易于实现，但是 往往需要多个s o a ，而且工作性能不如干涉结构稳定；基于s o a 的x p o l m 原理 的逻辑门需要一个偏振控制器，而且需要对输入信号光的偏振态进行准确控制。 本文第四章提出了一种基于量子点半导体光放大器( q d s o a ) 的x g m 的光或非 门，只需要一个q d s o a ，速率可以达到4 0 0 g b s 。 1 3 波长转换技术 波长转换即为波长的再分配和再利用，以解决交叉连接中的波长竞争，有效 的进行路由选择，降低网络的阻塞率，从而提高网络的灵活性和可扩展性，同时 也有利于网络的运行，管理和控制，以及通道的保护和切换【1 5 1 。 波长转换器可分为全光波长转换器和光电光型波长转换器。光电光性波长转 换器最为成熟，已经在波长复用系统中广泛应用，但在高速通信网络中的应用有 一定的局限性。全光波长转换器实现信息在波长之间的切换完全在光的频域内完 成，满足全光网络的要求，因而具有更好的发展前景。 对全光波长转换器的要求是和其所应用的系统相关，但一般来说，波长转换 器应尽量满足以下的要求【1 6 】：对比特率透明( 至少1 0 g b i t s 以上) 、无消光比退 化、高输出信噪比、对数据格式透明、输入功率适中( 不大于0 d b m ) 、输入信号 动态范围大、输入和输出信号都有很宽的波长范围、无啁啾、输出波长建立时间 短、对输入信号的偏振不灵敏、实现简单、功率消耗低。 第一章绪论 根据其工作原理的不同，全光波长变换器主要分为两类：基于光调制原理的 波长转换器和基于光混频原理的波长转换器。基于光调制原理的波长转换器主要 是利用交叉增益调制( x g m ) 和交叉相位调制( x p m ) ，基于光混频原理的波长 转换器主要利用差频( d f g ) 和四波混频( f w m ) 。 1 3 1 基于光调制原理的波长转换器 基于s o a 交叉增益调制原理的波长转换器如图1 8 所示； k b p f p r o b e s o a s i g n a l c o 几v e 他d- uj i y o il o u 一 - 珲 图l 一8 交叉增益调制波长转换器原理图 交叉增益调制的机理是由于微观上s o a 有源区载流子浓度对于相对大功率的 信号光 1 脉冲放大而降低，对同时输入的小功率探测光的增益达到了饱和；对 信号光“0 ”脉冲放大而消耗的载流子浓度很少，而对于探测光可以得到未饱和下 的增益，因此探测光被相对大功率的信号光调制了。 基于s o a 的x g m 的优点是转换效率高，工作速率高，波长转换范围宽，输 出信号功率大，与偏振无关，但是由于传统s o a 的载流子恢复时间慢，会出现码 型效应，输出消光比低。 为了提高s o a x g m 的消光比，文献 1 7 1 提出了一种基于单端e ls o a 的x g m 的波长转换技术，如图1 - 9 所示，其关键点是一面反射率为1 0 4 ，另一面反射率为 1 0 。信号光和探测光耦合进入s o a ，在另一端面发生反射，被反射回的光经s o a 再次放大后从耦合器的2 端口滤出转换光。这种反射的结构相当于将s o a 的长 度加长了一倍，而在端面的反射则在一定程度上起到了衰减器的作用。 9 。_ 1 k * 帅em c f n l n 嘲i 9 基于单端口耦合光放人器的波k 转换 针对s o a x g m 波长转换会带来啁啾和信号幅度畸变以及高比特率转换信号 对模式依赖的缺点，文献【1 8 】提出了一种改进方案，让s o a 输出的转换信号再通 过一个窄带波导滤波器，用这一窄带滤波器减少波长转换对模式的依赖。 图1 1 0 所示为两种基于m z i 干涉结构的x p m 型波长转换器【”i 。图1 1 0 ( a ) 中，信号光同时注入两个s o a ，由于两个s o a 的非对称性，直流光在两个 臂中产生相位差；而在图1 1 0 ( b ) 中两个s o a 的结构是对称的，但其中只有 个臂中有信号光注入，固此直流光在两个臂中也会产生相位差。两种结构虽然 形式不同，但原理是一致的，都是利用直流光在两个s o a 中传输时产生相位差， 再将两路光进行干涉，产生转换后的光。 几叭 且 煳i 1 0 m z i 型x p m 波k 转换器结构示惹图 针对s o a x p m 波长转换器注入s o a 的光功率动态范围小的缺点，有两种改 进放案，第一种方案是控制干涉仪的s o a 的驱动电流如图1 1 i ( a ) 所示。加 一个探测控制电路，探删输入光功率的变化，并相应地改变两臂s o a 的驱动电流。 第一章绪论 ! 吐：耧二围一l 伊声州一 虽一 l 一二娃4 ：a ( a i 图1 - 11 增加s o a x p m 波长转换注入光功率动态方案 第二种是在干涉仪前加e d f a 放大输入光功率，如图1 1 1 ( b ) 所示，将e d f a 的饱和输出功率设计到干涉仪的最大输入光功率，e d f a 的输入光功率范围约为 4 0 d b ，因此这种方案可以把可以把波长转换器的动态范围提高到约4 0 d b 。e d f a 增益时间恢复时间长，所以，这种方案适于输入光功率慢变的系统。也可以把两 种放案结合起来，如图1 1 1 ( c ) ，既可以增减输入光功率的动态范围，又可以提 高响应速度。 1 3 2 基于光混频原理的波长转换器 1 9 】 在s o a 中，当两个不同波长的光波( 信号光彩。和泵浦光0 3 。) 同时注入s o a 时，两波经过四波混频作用后产生一个频率为绒的新波( 纰= 2 0 3 。一缈，) ，如图1 1 2 所示。此波的强度与输入信号波娥与泵浦波c o 。的强度积成比例，相位和频率也是 两者相位和频率的线性组合，新产生的蛾波谱宽与。信号相同( 但发生了反转) ， 并保持了皱波的相位和振幅信息。四波混频的过程中还会产生0 3 0 ，= 2 0 3 , 一缈。的输 出光，由于纯波与0 3 波的强度比等于泵浦光与信号光之比，通常超过2 0 d b ，因 而选纯为转换后光输出，眈，称为卫星光( s a t e l l i t es i g n a l ) 贝j j 被滤除。 电子科技大学硕士学位论文 b pf l c o o so a l t o p a ，s ji & 1 0 jl c o ，、- ji l 图l - 1 2 四波混频波长转换原理图 f w m 转换器的一个非常严重的缺点是，转换后信号的波长同时依赖于泵浦光 和信号光的波长。因此既使波长转换器的输出波长固定，泵浦光源的波长也必须 可调。此外，这种波长转换器由于对偏振十分灵敏，因此一般需要两个垂直偏振 的泵浦光源来保证变换时偏振无关。 基于差频产生的波长转换，利用了准相位匹配( q p m ) 光栅波导中产生的一种 效应。如图卜1 3 所示，探测光口和信号光0 9 l 耦合后输入到q p m 光波导中，产 生高效率的二阶非线性差额效应，光场之间发生能量的转移，每湮灭一个高频光 子，就产生两个低频光子。所产生的新光场( 也称差频光或空闲光，频率用鳓，表 示) 的频率满足q ，= 0 ) t 一国。，它完全复制了信号光的强度和相位信息，实现了波 长转换。 p r u p 掰茹 点了童了3 ! c l 弘d d l l g 7 i 。d o r 笼 一c 啦d o i f, i g ， ，l 嚣n 彝k 己a t o l1l 葫y t 厂 图1 1 3a i g a a s 波导中的d f g 波长转换 1 2 p 1 8 r _ 栩_ _ ，、 i k 叫 第一章绪论 比较以上几种波长转换技，x g m 波长转换器的结构是各种转换方案中最简单 的，输入信号光的动态范围较大，转换速率也较高，但其缺点是码型效应较严重， 上下转换消光比不对称、啁啾和噪声大不利于传输。从目前国内外波长转换的发 展趋势来看，波长转换器的结构正向简单化方向发展，x g m 波长转换如果能解决 其缺点，将很利于实现实用化。本文第四章利用q d s o a 的x g m 波长转换技术， 可以消除码型效应，提高转换速率。 1 4 量子点半导体光放大器( q d s o a ) 的研究状况 s o a 是利用半导体材料的受激辐射放大原理，实现相干光放大的器件。虽然 目前e d f a 是光通信领域中主要的光信号放大的器件，但响应速度慢、成本高、 不能集成。s o a 具有体积小、增益带宽宽、可集成等优点。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、 光接受机的前置放大器和光分路补偿功率放大器，而且还可以作为非线性器件用 于光开关、光复用解复用器和波长变换器等光信号处理模块。 普通的s o a 有很大的局限性，例如载流子浓度恢复时间慢，造成码型效应 ( p a t t e r ne f f e c t s ) ，图1 1 4 是普通( b u l k ) s o a 、量子阱半导体光放大器( q w - s o a ) 与q d s o a 的增益恢复时间比较副2 ，图中