（光学工程专业论文）全光触发器及其应用的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 硼ii i i i i l l tl l l t l l t l llllll l t l 1 t l l ll l l l u l y 17 8 1 7 8 1 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 提供阅览服务，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：敞 签字日期：年月同 之芎，吨五 导师签名：乡) u 崩 签字日期：年月日 中图分类号：t n 9 2 9 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 博士学位论文 全光触发器及其应用的研究 i n v e s t i g a t i o no fa l l o p t i c a lf l i p - f l o pa n d i t sa p p l i c a t i o n 作者姓名：赵爽 导师姓名：吴重庆 学位类别：工学 学科专业：光学工程 学号：0 7 118 3 5 5 职称：教授 学位级别：博士 研究方向：光纤通信 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 首先，衷心的感谢我的导师吴重庆教授在科研学术方面对我的悉心指导。攻 读硕士、博士的五年问，吴老师认真的治学态度、严谨的科研作风、独到的学术 观点、敏锐的思维方式给我留下了深刻的印象，并时刻伴随着我的成长。五年来， 吴老师传授给我们的不仅仅是专业学科知识，更多的是独立科研的能力、处理问 题的方法及做人的道理，而这些都是我今后人生之路的珍宝。 五年的科研道路遇到很多不顺心的事情，吴老师和师母李老师总是语重心长 地开导我，帮助我克服困难，我深受感动，再次衷心谢谢两位长者对我的关心和 帮助。 盛新志教授、王智教授、王健副教授、刘岚岚副教授、李政勇老师及北京邮 电大学的王拥军老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表 示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王亚平、杨双收、余贶碌、高凯强、冯震、 毛雅亚、孙振超等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助。在此向他们表达 我的感激之情。五年来，同学们心无芥蒂的探讨学术、相互帮助、相互支持，携 手面对困难，大家一起营造了一个和谐温暖的实验室环境，这是我得以快速成长 的契机，我的成长和进步与实验室同学们的帮助是密不可分的。 最后要感谢我的家人。感谢我的父母，他们时时刻刻挂念着我的学习和生活， 无私的给与我他们所拥有的一切，在人生道路上，我取得的每一点进步都与他们 息息相关。感谢我的姐姐、姐夫，他们在我最困难的时候给我帮助和关怀，感谢 他们对我的理解和支持。还要感谢我的爱人李鑫，在北京生活的五年间，他时时 刻刻与我相伴，与我一起分享成功的喜悦，陪伴我经历失败的痛苦，并鼓励我继 续前行。家人们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 中文摘要 摘要：全光触发器是数字光信号处理的基础技术之一，也是全光分组交换网 的关键技术之一。本文对基于法布里珀罗激光器、耦合环形激光器以及耦合偏振 光开关等三种结构的全光触发器进行了深入的理论分析和实验研究，优化光触发 器的分析方法，并研究了翻转时间、触发时间、触发光功率等一系列触发器的关 键问题。据我们所知，本文首次对另一项全光信号处理技术同步脉冲展宽技 术进行了研究，提出利用光触发器和可调光延迟线实现可调脉宽的同步展宽方案。 这些工作对于推进全光信号处理技术以及全光分组交换、全光路由、全光计算等 领域的发展，都有重要的意义。 本文取得的研究成果包括以下内容： 1 提出了一种利用单个法布里珀罗( f p ) 激光器实现全光触发器的结构。该结 构使用两个波长不同的布拉格光纤光栅对f p 的输出光进行反馈，使多纵模的 f p 激光器只剩下两个竞争波长，从而实现了双波长稳态的光触发器；并利用 自制的可调的温度稳定模块，实现了波长的稳定，波长漂移小于0 0 1 n m 。实 验结果证实了该光触发器的技术可行性。这种方案具有结构简单、低成本、易 集成等特点。 2 针对基于两个互耦合的环形腔激光器所构成的全光触发器，首次应用解非线性 方程的图解法来分析基于半导体光放大器( s o a ) 的光纤环形激光器( s - f r l ) 的振荡过程，从而确定了这种触发器的翻转时间。提出一种利用改变光纤环反 馈系数来调节翻转时间的方法和一种增加外部注入光功率加速抑制激光过程 的方法。 3 通过图解法分析了耦合系数对于双环耦合双稳态触发器的影响，提出了一种通 过合理配置耦合系数来优化该触发器的方法：耦合系数较小的端口应该用于构 成环形谐振腔，耦合系数较大的端口应该用于抑制另外的激光器产生激光。通 过实验证实了该方法的有效性。 4 首次将邦加球分析法用于研究半导体光放大器( s o a ) 中的非线性偏振旋转 ( n p r ) 效应。提出了一个描述输出偏振念沿邦加球纬线旋转的方位角与s o a 工作参数的简明表达式，指出s o a 增益的相对变化量和线宽增强因子的偏振 相关性是影响n p r 的两个主要因素，简化了n p r 的分析过程。分析了耦合偏 振开关光触发器的触发特性和输出光信号的上升沿和下降沿，指出了在耦合偏 振丌关中，连接两个s o a 的光纤长度决定了触发光脉冲的持续时间，同时也 影响着触发器输出波形的上升沿和下降沿。 5 提出了一种基于非线性光纤环路镜( n o l m n o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r ) 测 量s o a 中线宽增强因子的偏振相关性的方法，测量了不同输入光偏振态所对 应的s o a 线宽增强因子的具体数值，实验结果证实了该方法的有效性。 6 提出了全光同步脉冲展宽的概念和种实现方案，并具体使用光缓存器作为可 调光延迟线，与双环耦合光触发器共同构成了同步脉冲展宽器，实现了将0 5 p s 光脉冲同步展宽到4 4 9 s 和6 8 9 s 。 关键词：全光包交换；全光信号处理；全光触发器；半导体光放大器：非线性偏 振旋转；法布里珀罗腔激光器；半导体环形光纤激光器；光学双稳态：全光同步 脉冲展宽 分类号：t n 9 2 9 f a bs t r a c t a b s t r a c t ：a l l o p t i c a lf l i p f l o p s ( a o f f ) a r ek e yd e v i c e s f o r r e a l i z i n gm a n y f u n c t i o n a l i t i e si no p t i c a ln e t w o r k sa n do p t i c a lc o m p u t i n g , e s p e c i a l l ya sa l l o p t i c a l m e m o r i e sf o rt h et e m p o r a r ys t o r a g eo fd e c i s i o n si np h o t o n i cp a c k e tr o u t e r s i nt h i s p a p e r , w ei n v e s t i g a t e dt h r e ek i n d so fa o f f st h e r i t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h e c o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r es i g n i f i c a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ea l lo p t i c a ls i g n a l p r o c e s s i n g t h ef o l l o w i n g sa r es o m ei n n o v a t i v ew o r k sih a v ed o n e ： 1 an o v e lo p t i c a lf l i p f l o pb a s e do ns i n g l ef a b r y - p e r o tl a s e rd i o d e ( f p - l d ) w a s p r o p o s e d t w of i b e rb r a g gg r a t i n g sw i t hd i f f e r e n tw a v e l e n g t hw e r eu s e dt or e f l e c t t h eo u t p u tp o w e ro ft h ef p l d ，a n dm a k et h ef p l dw o r ku n d e rt h eb i s t a b i l i t y c o n d i t i o n t h i ss c h e m ei sl o w e rc o s t ，e a s yf o ri n t e g r a t i o n ，a n dr e d u c e st h ea f f e c to f w a v e l e n g t hf l u c t u a t i o nt ot h ea o f f 2 t h eg r a p h i cm e t h o di sp r o p o s e dt oa n a l y s i st h ef i b e rr i n gl a s e r ( f r l ) f o rt h ef i r s t t i m e t h eg r a p h i cm e t h o dg e t sr i do fc o m p l e xc a l c u l a t i o n sa n di su s e dt oa n a l y z et h e l a s i n ga n dq u e n c h i n gp r o c e s so ft h ef r l a c c o r d i n gt ot h eg r a p h i cm e t h o d ，w e o b t a i nt h a tt h el a s e r i n ga n dq u e n c h i n gp r o c e s si si n f l u e n c e db yt h ef e e d b a c kf a c t o r o ft h ef r l t h ee t e r n a li n j e c to p t i c a lp o w e ri sa l s oak e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h e l a s e rs u p p r e s s i o n ，t h eb i g g e rt h ep o w e ri sa n dt h es h o r t e rt h el a s e rs u p p r e s st i m ei s 3 t h eg r a p h i cm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h eb i s t a b i l i t yp r o p e r t yo ft h ec o u p l e df r l t h ei m p o r t a n tf a c t o ro ft h ec o u p l e rs t r u c t u r et or e a l i z eb i - s t a b i l i t yi st h ec o u p l es p l i t r a t i ob e t w e e nt h et w of r l s t h eg r a p h i cm e t h o di sa l s ou s e dt oa n a l y z et h e f u n c t i o n a lp r o p e r t i e so ft h ea o f f 4 t h ep o i n c a r es p h e r em e t h o di su s e dt oa n a l y z et h en o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ( n p r ) e f f e c to fs o a f o rt h ef i r s tt i m e t h ep sm e t h o di sa p p l i e dt od e s c r i b et h e v a r i a t i o n so fe l l i p t i c i p ya n g l ea n da z i m u t ho fs o a o u t p u ts t a t eo fp o l a r i z a t i o n ( s o p ) i n d u c e db yp o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tg a i n ( p d g ) a n dp o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tp h a s e s h i f t ，r e s p e c t i v e l y t h et h e o r e t i c a lr e s u l t sr e v e a lt h a tt h ep o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c eo f 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 r ( l e f ) a n dt h ev a r i m i o no fs o ag a i na r e s i g n i f i c a n tf a c t o r sf o rt h en p r t h ee v o l u t i o n so fo u t p u ts o po nt h ep su n d e r q u a s i - c o n t i n u u mc o n d i t i o nh a v eb e e nd e m o n s t r a t e de x p e r i m e n t a l l y t h i sp o i n c a r e s p h e r em e t h o dh a sb e e nu s e dt oo p t i m a z i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa o f fb a s e do n p o l a r i z a t i o ns w i t c h v 5 t h ep o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c eo fl e fh a sb e e nm e a s u r e df o rt h ef i r s tt i m e t h er e s u l t r e v e a l st h a tt h ep o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c eo fl e fp l a y sa ni m p o r t a n tr o l li nt h en p r e f f e c to fs o a 6 t h ec o n c e p to fs y n c h r o n o u sp u l s ee x p a n d i n gh a sb e e np r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e , w h i c hi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yf o rt h eo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r kn o d e t h es y n c h r o n o u sp u l s ee x p a n d i n gs c h e m eo fa o f fc a s c a d e dw i t ho p t i c a lb u f f e rh a s b e e nd e m o n s t r a t e d i nt h ee x p e r i m e n t ，t h en a r r o wi n p u tl i g h tw i t ho 5 p sp u l s ew i d t h h a sb e e ns y n c h r o n o u s l ye x p a n d e dt o4 4 i t sa n d6 8 i t sr e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：a l l o p t i c a lp a c k e ts w i t c h ；a l lo p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g ；a l lo p t i c a l f l i p f l o p ；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 ；n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ；f e b r y - p e r o t l a s e r d i o d e ；s e m i c o n d u c t o r f i b e r r i n gl a s e r ；o p t i c a l b i s t a b i l i t y ；a l l o p t i c a l s y n c h r o n i z a t i o np u l s e - e x p a n d i n g c i 。a s s n o ：t n 9 2 9 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t v 目勇乏v i i 1 绪论1 1 1全光信号处理概述l 1 2全光触发器的概念及应用3 1 3光学双稳态7 1 4全光触发器的研究进展11 1 4 1 以偏振态作为输出状态的光触发器1 l 1 4 2 以波长作为输出状态的触发器1 2 1 4 3 以光强作为输出状态的触发器1 4 1 4 4 以模式作为输出状态的触发器1 5 1 5全光同步脉冲展宽的概念1 6 1 6论文主要内容与结构1 8 2 基于法布里一珀罗激光器的光触发器2 l 2 1 引言2 l 2 2f p 激光器工作特性2 l 2 3法佰旱一珀罗型光触发器的实验研究2 4 2 3 1 光学双稳态和注入锁定测量2 4 2 3 2 双耦合f p 腔光触发器工作原理2 6 2 3 3 单f p 光触发器实验研究2 7 附录：法布里一珀罗型光触发器的稳定问题3 0 2 4本章小结3 2 3 耦合环形激光器光触发器3 5 3 1引言3 5 3 2耦合环形激光器光触发器原理3 5 3 3光触发器的的图解分析法3 6 3 3 1 图解法分析环形半导体激光器3 6 3 3 2 图解法分析耦合结构双稳态特性及触发特性4 0 3 4双环耦合光触发器的实验研究4 4 3 5本章小结4 8 4 耦合偏振开关光触发器的研究4 9 4 1 引言一4 9 4 2耦合偏振开关触发器的工作原理4 9 4 3 邦加球方法分析半导体光放大器的偏振现象5 0 4 3 1 半导体光放大器中偏振态演化的邦加球分析方法一5 2 4 3 2 半导体光放大器中线宽增强因子的偏振相关性测量6 0 4 4 耦合偏振开关光触发器的优化6 4 4 4 1s o a 偏振开关性能优化6 4 4 4 2 光触发器性能优化6 7 4 5本章小结7 3 5 同步脉冲展宽技术研究7 5 5 1 引言7 5 5 2全光同步脉冲展宽的技术方案7 5 5 2 1 全光同步脉冲展宽原理一7 5 5 2 2 大范围可调光纤延迟线一7 6 5 3脉冲展宽实验研究7 9 5 4基于偏振开关的光纤延迟线构成同步脉冲展宽器的方案8 l 5 5本章小结8 3 6 。总结与展望8 5 6 1本文工作总结8 5 6 2未来工作展望8 6 参考文献8 8 附录a 9 5 缩写词索引9 6 作者简历。9 8 独创性声明9 9 学位论文数据集10 0 绪论 1 绪论 1 1 全光信号处理概述 高锟博士在1 9 6 6 年发表了一篇具有划时代意义的论文，提出利用带有包层的 玻璃纤维做通信的传输媒质，从此光通信领域的研究工作发展起来。光纤具有抗 干扰、低损耗、高带宽等特性，因此它是目前为止传输层唯一的有效传输媒介。 随着全球信息化的发展，人们对通信容量的需求与同俱增。为了实现超高速，大 容量通信，各种相关技术随之发展起来。如密级波分复用d w d m 卜刁( d e n s ew a v e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术、光时分复用o t d m 【j 叫( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) 技术、掺饵光纤放大器e d f a ( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 、拉曼放大器等，如今 在通信线路上实现长距离无中继高速数据传输已经成为现实。日本的y y a m a d a 等人在2 0 0 2 年就应用w d m 技术实现了速率为2 t b i t s 、距离为9 2 4 0 k m 的信号传 输【5 1 。随着光信号传输性能的不断提高，研制可靠、高速、智能以及支持多业务的 交换节点成为人们研究的重点。 但是，传输系统和交换系统之间的带宽失配现象严重影响了高速光网络的交 换功能。在交换节点中，光信号必须经过光电光的转换，这限制了网络速率的进 一步提高和网络带宽的充分利用，即“电子瓶颈。为了克服这一现象，研究人 员提出在光域内完成光信号交换过程，这就减少了系统的光电转换部分，即消除 了电子瓶颈，同时还具有功耗小，交换结构简单等优点。目前光域内的交换技术 主要有三种：光路交换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h ) 睁n ，光突发交换( o p t i c a lb u r s t s w i t c h ) 2 】和光分组交换( o p t i c a lp a c k a g es w i t c h ) t 1 0 15 1 。这三种交换技术各有其特 点和应用背景，但从长远角度考虑，光分组交换以其带宽利用率高、交换粒度小、 传输延迟短等优势，成为未来光网络中的主要交换技术。欧盟委员会资助的 i s t - l a s a g n e ( t h ei n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g i e s - - a l l - o p t i c a ll a b e ls w a p p i n g e m p l o y i n go p t i c a ll o g i cg a t e si nn e t w o r kn o d e s ) 1 6 j 课题，美国的l a s o r ( l a b e l s w i t c h e do p t i c a lr o u t e r ) 【r 7 】项目都旨在设计智能化、高速率、低功耗的全光交换节 点。对数据包的帧头进行处理是包交换的首要任务，图1 1 是i s t - l a s a g n e 项目 中提出的标签交换和数据包路由结构图【i6 】，其中使用了大量全光信号处理器件， 如全光异或逻辑门、全光触发器、全光帧头提取、全光波长转换等，因此，全光 信号处理是未来光交换网的重要技术支撑。 北京交通大学博士学位论文 图1 1l a s a g n e 的枥；签交换和数据包路由结构图 f i g 1 1e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no fl a s a g n el a b e ls w a p p e ra n dp a c k e tr o u t e r 在光通信中，全光信号处理涉及到信号的复用、交换、再生、同步、存储、 计算等多方面的操作，主要有全光逻辑器件1 8 - 2 0 、全光波长转换裂2 1 。2 2 1 、全光3 r 器件2 3 。2 4 】、全光缓存器【2 5 】、全光复制裂2 6 】等。人们早已对全光信号处理技术展开 了全面的研究 2 7 - 3 2 ，正因如此，市场上已经出现了相关产品，如集成 s o a m z i ( 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 - m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ) 。要在光 网络中真正有所应用，全光信号处理器件必须具备如下几个特点【2 8 】： ( a ) 可处理高速信号，且结构简单 ( b ) 功耗小，应尽量小于电器件的能量消耗 ( c ) 便于集成 ( d ) 在应用领域能发挥上述的优点 全光信号处理的实现方案多种多样，可以利用高非线性光纤的三阶非线性效 应( 自相位调制、交叉相位调制、四波混频等) 【3 3 出】，也可以利用硅光子晶体片的高 阶非线性效应3 5 3 6 】。目前，有源半导体光器件以其体积小、便于集成、功耗小等 特点，成为全光信号处理的主要实现介质，得到了科研人员的普遍关注。我们看 到，全光信号处理技术已经取得了长足的进步，尽管如此，这些器件跟上述的四 点要求还有一定差距，在光通信领域，全光信号处理技术要完全取代电信号处理 器件，还有很长的一段路要走。 2 绪论 1 2全光触发器的概念及应用 全光触发器( a o f f ，a l l o p t i c a lf l i p f l o p ) 是具有记忆功能的光逻辑器件，通过 它们的组合可以实现高速光信号处理的各种功能，如时钟恢复、再生、帧头分离、 帧头识别、数据恢复等。全光触发器是光信号处理器件中最基本的处理单元。 触发器是用于对二迸制信息“1 ”或“0 进行记忆的基本逻辑单元，称对1 信号记忆的为正逻辑，称对o 信号进行记忆的为负逻辑。无论什么样的触发器， 它的功能模型都如图1 2 所示【j q ： 图1 2 触发器的功能模型 f i g 1 2m o d e lo f a o f f 在触发器输出端，一个触发器只能处于相互排斥的两个状态之一，不能处于 二者的中间态或第3 态( 互斥性) 。这两个状态能且只能在触发信号的“触发”下转 换。当没有触发信号触发的时候，它将“一直”保持原有状态不变( 单稳态触发器 只能保持一段时间) ，这就是触发器的状态记忆功能( 记忆性) ；而一旦有触发信号 触发时，它的输出状态一定要翻转。 为使输出状态发生翻转，在触发器的输入端至少需要一个( 也可以多个) 输入的 触发信号。所谓触发，意味着必须有一定的阈值，触发信号达不到阈值，触发器 的输出状态不翻转；但一旦超过阂值将迅速翻转( 触发性) 。触发信号也可以由时钟 信号来担任，如d 触发器，这样可以保持与时钟同步。 还有一个并不必需但很重要的要求，即触发信号与状态信号的一致性问题( 可 级联性) 。这样，不同的触发单元才便于连接。如果不一致，就要增加许多转换环 节，使系统变得复杂。如电触发器可用电平信号触发，也可用边沿触发，边沿触 发又分为上升沿和下降沿。如果触发信号是电平信号，那么输出状态最好也是电 平信号，这样才便于多个触发器的连接。如果触发信号是边沿信号，而输出是电 平信号，则两个触发器级联时，就要额外增加一个微分电路。 从上面的分析可以看出，光触发器首先要解决两个问题：第一是以什么量作 为触发器的状态。目前国际上针对光触发器提出了多种方案，其输出状态各不相 同，分别有波长、偏振态、光强、模式等。使用不同的输出状态将导致光触发器 3 北京交通大学博士学位论文 具有不同的性能。现有的各种触发器方案见表1 1 ： 表1 1 不同输出状态的光触发器性能比较 t a b l e1 1c o m p a r a t i v er e s u l t sb e t w e e nd i f f e r e n ta o f f 输出状态波长偏振光强模式 互斥性好不好不好不好 记忆性 好不好一般一般 触发性不好好一般不好 可级联性不好好好一般 耦合激光器，耦耦合m z i 、双向耦合 方案v c s e lm m i b l d 合偏振丌关器双稳态激光器 参考文献 【3 8 ，【3 9 ，【4 0 【4 1 1 ， 4 2 】【4 3 ，【4 4 ， 4 5 】【4 6 ， 4 7 】 相应时间 n s i n s 7 p sp s n s l l s 对比度4 0 d b 左右较小 1 0d b 左右1 0d b 左右 第二个问题是以什么作为触发信号。目前提出了三种方案，一是光平( 光强) 触发，此时触发阈值用光功率来表示，只要触发信号的光功率超过阈值，触发器 就会实现翻转，因此这种方案便于操作。二是波长触发，使用不同波长的触发信 号使触发器的状态翻转，这一方案也便于操作。三是偏振态，使用正交偏振态来 控制触发器的输出状态翻转，这一方案对光的偏振要求严格。 目前对触发器的性能指标还缺少深入的研究。由于实现触发器的方案很多， 所以很难找到统一的评价指标。总体来说，可以从两方面对光触发器的性能进行 比较： 功能方面，主要有三个要素需要考虑： 一是触发器的阈值，对不同的触发信号，阈值的物理意义也不同，一般情况 下，阈值的取值应有一个恰当的范围，不可太大，也不可太小。 二是触发器输出状态的互斥性。因为输出状态不同，所以难以用统一的标准 来描述这种互斥性。目前尚处于定性的描述阶段。 三是触发器的噪声容限。噪声可引起误触发，噪声容限描述了防噪声误触发 的能力。当前，人们的研究重点仍在光触发器实现方面，噪声容限问题还未引起 足够重视。 技术指标方面，主要有： 触发能量：指输出状念有效翻转所需的能量。它与阈值不是同一概念。用光 功率表示，单位通常为d b m 。 输出对比度( c o m r a s tr a t i o ) ：指两个输出状态的光强对比度，单位为d b 。它与 4 绪论 互斥性不同，但有一定联系。 响应时间：指从触发信号出现到触发器输出状态有效翻转所需要的时间。光 触发器的响应时间要尽量短，未来的目标应达到p s 的量级。 可集成性：集成化光器件是光逻辑器件发展的必然趋势，因此在设计光触发 器的同时也要考虑该触发器的可集成性。 其它如成本、发展前景等也是需要考虑的重要因素。 作为最基本的全光信号处理器件，全光触发器在数据包交换节剧1 1 , 1 6 】、全光 移位寄存器【4 8 】及全光比特级数据缓存器【4 9 】中都有所应用。 图1 3 是h j s d o r r e n 等人提出的1 x 2 全光数据包示意图】，其中光触发器 是重要组成部分。帧头提取技术将进入交换节点数据包的帧头提取出来进行处理， 产生了光脉冲对触发器进行触发操作，使其产生波长为五或五的连续光，用来控 制波长转换器。与此同时，数据包中的静载荷部分经过了一定的延迟时间，也进 入了波长转换器，并由触发器输出光控制，转换成波长为a 或五的数据包，经过 波分复用器从不同的路径输出，从而实现了数据包路由。 数捌包结构 光纤延迟线 图1 3l x 2 全光数据包交换：1 了点示意图 。 f i g 1 3s y s t e mc o n c e p tf o r1 2a l l - o p t i c a lp a c k e ts w i t c h 图1 4 是由两个级联光触发器实现的全光移位寄存器示意副4 引。其中的光触发 器是以波长作为触发状态的，因此输入的光信号要先经过波长变换，转换成光频 率调制，即波长五代表二进制中的1 ，波长 代表二进制中的o 。波长转 换器的输出光注入了光触发器l ，光触发器l 的输出光直接注入光触发器2 ，由于 注入每个光触发器的光功率都小于触发阈值，因此在时钟脉冲到来前，两个触发 器都保持原有的输出状态不变。此方案中，时钟脉冲的作用是对两个光触发器清 零，它被分成两部分，一部分直接注入触发器2 ，使触发器2 输出状态受到触发器 1 的输出状态影响，从而发生变化；另一部分经过了一定的时延注入触发器1 ，使 触发器1 的输出状态跟波长转换后的状态一致，但其输出结果并不会对触发器2 产生影响。上述的操作是在一个时钟周期内完成的，触发器2 的输出端信号是输 入信号的在时域内的移位，这就实现了移位寄存器。 5 北京交通大学博十学位论文 。 l no u t- - - o o - - - - -1 1 1 l o u t l- - - o 光触发器l 光波k 转换 ： 0 i n 2o u t 2- - - - o ： iilli 怜巳 一 光时钟脉冲 图1 4 全光移位寄存器示意图 f i g 1 4s c h e m e t i cd i a g r a mo f a l lo p t i c a lr e g i s t e r 图1 5 是日本的t a k e ok a t a y a m a 等人提出的四比特光缓存器示意图【4 9 1 。可以 看出，这种方案的基本器件是四个光触发器a 1 、a 2 、b 1 和b 2 ，a 1 ，a 2 组成移位 寄存器l ，b l 和b 2 构成了移位寄存器2 ，将这两个移位寄存器并联使用，可实现 四比特光缓存。 图1 6 是缓存器的时域图。输入四比特数据a l ，a 2 ，a 3 ，a 4 ，s e t 脉冲的光功率较小， 只用当s e t 与输入数据光功率和大于触发阈值时，触发器的输出状态才会改变；而 r e s e t 脉冲的光功率大于触发阈值，可独立使光触发器的状态发生反转。由a 2 和 b 2 的输出端可以看出移位寄存器l 是对a l ，a 3 这两个比特进行缓存，出移位寄存器 2 是对a 2 ，2 l 4 这两个比特进行缓存，在输出端经过一定的光纤延迟，将两组缓存结 果合并，实现了4 比特数据缓存。 此方案中的光触发器基于v c s e l ( v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n gl a s e r s ) 中偏振 双问题现象，是以偏振态做为输出状态的，因此在触发器的输出端用到了起偏器 ( p o l a r i z e r ) 。由于偏振态的变换速度很快，所以这种方案可以实现0 5 g b i t s 的四位 比特数据的缓存。 晶g f - 百群- l a t 驴翻签r el )商t e 【 刚9 。搬h 北驴酽型2 6 绪论 d a t a a 哝，。3 11 兰蛊塞：翌：三! 宝签盗：兰! j 笠： d a t ab ( b i t 2 ，哇2 口b 口d 口臼口i 口- s e t r e s e t l 尹_ - _ 1 矿_ - - _ _ l _ _ _ _ _ - _ 刁r - _ p 一 ( a 1 ) o u t p u t 厨蕊算婴匿霉茏图函墨婴婴婴圈圈芦 ( 8 1 ) 。u t p u ti l 豳豳豳艮l 孝豳豳暇k l r 跚r mga掀一一一：l，l二矿且eset2 ( a 2 ) o u t p u t 广等二二= 二王l 且1 ( b 2 ) 。u t p u t 忍墨盔圆基乒亚墨翟墨习盈巫互 m e m o r y 。u 唑歪d 醯鲨篓：譬o u t p ? ： i ： 【。i i ：l ：互：竺! ! ! ! ! ：譬 图1 6 光缓存器的时域图 f i 2 1 6t i m ec h a r to ft h eb u f f e r 1 3光学双稳态 基于光强的光学双稳态早有研究，但是真正实现光学双稳态是随着激光器的 出现而变得比较实际。基于光强的光学双稳态是指，在一定的条件下，输出光强 与输入光强呈现出二值特性，如图1 7 所示，在一定的输入光强范围内，一个输入 光强( p i n ) 值对应两个可能的输出光强( p o u t ) ，。至于具体输出哪个值取决于前一输 出状态，因此具有记忆性，可以用来构成全光触发器。 p o u f i g 1 7 光学双稳态示意图 f i g 1 7s c h e m a t i cg r a p h i co fo p t i c a lb i s t a b i l i t y 通常认为，产生光学双稳现象必须具备两个条件( 5 0 5 1 】：一是非线性光学介质， 二是正反馈结构。光学介质通常分为本征型或混合型两种，本征型非线性光学介 质有许多，如n a 蒸汽、吸收染料、红宝石晶体、砷化镓( g a a s ) 、硫化镉( c d s ) 、 磷化铟0 n p ) 、硫化锌( z n s ) 等；而混合型光学介质通常是具有非线性效应的调制器 件，如利用电光、磁光和声光晶体等产生电一光、磁光、声光等物理效应而构成 7 北京交通人学博+ 学位论文 的分离器件或波导、集成器件【5 1 1 。 下面以半导体法布里珀罗( f p ) 光放大器的光强双稳态为例，分析双稳态 导体器件中实现过程。对f p 腔半导体光放大器来说，输出功率p 0 m 和注入光 之间的关系为5 2 】： 。 研券舞艨丽卜 耻 一 p m ( 1 2 ) 壶= i n + 警h ( 1 3 )一= 一+ 一 ，11 、 牡l y r 一7 ( 1 1 ) 式是f p 腔多模干涉表达式，( 1 2 ) 式为f p 腔内部光功率表达式，( 1 3 ) 式 是由载流子速率方程得到的表达式。r l 、r 2 分别为f p 腔两个解理面的的反射率； l = 0 1 e r n 为谐振腔长；只v 为f p 激光器腔内的平均光强；，为f p 激光器的驱动电 流：是半导体激光器内部的自由载流子数目；r e 为载流子寿命。g 为电荷数；r 为限制因子。g 为半导体激光器的净增益，g 。为材料增益，可写成【5 5 1 g = 工。g m 一口( 1 4 ) g m = a ( n n o )( 1 5 ) 其中口为损耗系数；a 为半导体材料的增益常数，m 是激光器内部透明载流子 数。( 1 1 ) 式中口表示f p 腔内注入光与原激光之间的相位差： 螂+ 等( _ ，驰r o ) 丽d n ( 1 6 ) 口l叫v 其中皖为原始相位差，五是注入光波长，d n d n 为腔内折射率随载流子浓度的 变化率。由公式( 1 3 ) 和( 1 5 ) 可以得到： g m = 高 ( 1 7 ) 其中，g o = a ( i r e q l 一o ) ，只= 壳( f a r e ) ，由( 1 5 ) 、( 1 7 ) 两式得 = 羔l + n ( 1 + 只，p 。) a ” 将( 1 8 ) 式带入( 1 6 ) 式可得到 秒：o o + 一g o