（通信与信息系统专业论文）基于loaxgm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 全光逻辑门是实现光分组交换、光计算和未来高速大容量光传输的关键器 件，其发展对未来的光分组交换、光计算和光传输等方面具有十分深远的影响： 交叉增益调制( x g m ) 型波长转换的技术具有输出信号啁啾( c h i p ) 小、信噪 比( s n r ) 高、消光比( e r ) 高、便于集成等优点，具有良好的商业化前景。 目前主要对基于半导体光放大器( s o a ) 的x g m 来实现逻辑门作了大量研究。 然而，一种新的线性光放大器( l o a ) 因为其良好的线性增益特性，十分适合 用作实现波长转换以及全光逻辑功能，比传统的s o a 更能实现大容量二高速率 的信息处理。 本文主要对基于l o a x g m 的一些基本特性以及作为全光逻辑门进行了研 究。首先从速率方程出发，构建了l o a x g m 的基本理论模型，利用该模型对 l o a 的增益特性、消光比特性以及啁啾特性进行详细分析；然后，在x g m 的 基础上，利用s i m u l i n k 对级联l o a 建模，数值模拟实现了全光逻辑或非运算功 能，分析了不同注入电流的组合对于逻辑输出结果的影响：最后，利用s i m u l i n k 建模便于模块修改的优点，在逻辑或非门模型的基础上，搭建了逻辑与门的模 型，分析了l o a 每个子段的有源区内载流子浓度随时间的变化以及不同输入参 数对于逻辑输出结果的影响，以达到优化设计的效果。 研究结果表明：( 1 ) 由于垂直光场的增益钳制作用，l o a 的增益波动范围 比s o a 小、增益恢复时间短；减小探测光功率以及选择合适的波长间隔和注入 电流都有利于获得较大的消光比。但是，在一定范围内减小探测光功率和增加 抽运光功率也会造成啁啾的增大，因此合理的选择这些参数，能够达到消光比 与啁瞅之间的平衡。( 2 ) l o a 进行逻辑或非运算时，由于其线性增益特性，使 得输出信号所产生的畸变比利用s o a 进行逻辑运算时小；适当的选择级联l o a 的工作电流组合，有利于改善最后的逻辑输出结果。( 3 ) l o a 进行逻辑与门运 算时，适当的选择输入探测光波长和抽运光波长范围，以及适当的增加抽运光 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a 的光功率，都有利于改善最后的逻辑输出结果；再与s o a 的逻辑输出结果做 了比较，进一步证明了l o a 的性能优于s o a 。 关键词t 线性光放大器：交叉增益调制：或非门；与门 注：该项工作得到教育部科学技术研究重点项目( 10 51 4 8 ) 、宽带光纤传输通信 网技术教育部重点实验室开放基金( n o ：k f 2 0 0 6 ) 资助 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s tr a c t a l lo p t i c a ll o g i ci st h ek e yd e v i c e so fo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gs y s t e m ，o p t i c a l c a l c u l a t i o na n dg r e a tc a p a c i t yt r a n s m i s s i o nw h i c hs h o u l db ei n f l u e n c e dh e a v i l yi nt h e f u t u r e c r o s s g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) h a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l lc h i r p ， h i 曲s i g n a ln o i s er a t e ( s n r ) ，h i g he x t i n c t i o nr a t e ( e r ) a n dc o n v e n i e n tf o r i n t e g r a t i o n a tp r e s e n t ，m a n yr e s e a r c h e so fl o g i cg a t ew h i c hb a s e do nx g mo f 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 ) h a v eb e e nd o n e h o w e v e r , b e c a u s eo ft h e h n e a rg a i nc h a r a c t e r i s t i c ，l o ai sq u i t es u i tf o rw a v e l e n g t hc o n v e r s i o na n do p t i c a l l o g i cf u n c t i o n ，a n da c h i e v i n gh i g h e rc a p a c i t ya n dr a t ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt h a n t r a d i t i o n a ls o a t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dl o g i c g a t eo fl o aw a ss t u d i e d f i r s t l y , a t h e o r e t i c a lm o d e lo fl o a x g mi se s t a b l i s h e db a s e do nv e l o c i t ye q u a t i o n ，t h eg a i n ， e x t i n c t i o nr a t e ( e r ) a n dc h i r pc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e dp a r t i c u l a r l yu s i n gt h i s m o d e l s e c o n d l y , b a s e do nx g m ，n u m e r a ls i m u l a t i o nr e a l i z e dt h eo u t p u tr e s u l t so f l o g i cn o ro p e r a t i o n ，u s i n gs i m u l i n kf o rs e t t i n gu pam o d e lo fc o n n e c t l o ai s p r e s e n t e dt ot h ei n f l u e n c e so fo u t p u tr e s u l t sw i t ht h ed i f f e r e n ti n p u tc u r r e n tg r o u p f i n a l l y , b a s e do nl o g i cn o rg a t e ，am o d e lo fa l l o p t i c a ll o g i ca n dg a t ei sp r e s e n t e d ， w i t ht h ee x c e l l e n c eo ft h es i m u l i n km o d e l i n g ，w h i c hi sc o n v e n i e n tf o ra m e n d i n g t h ec a r t i e rc o n s i s t e n c yi sc h a n g e dw i t ht i m ea n dt h ei n f l u e n c e so fo u t p u tr e s u l t sw i t h d i f f e r e n tp a r a m e t e r so fl o aa r ea n a l y z e d ，t h e ya r eu s e df o rt h ep u r p o s eo f o p t i m i z i n gd e s i g n t h er e s u l t ss h o wt h a to w i n gt ot h ee x i s t e n c eo fv e r t i c a l - c a v i t yl a s e r ( v c l ) ，t h e g a i nf l u c t u a t i o no fl o a i ss m a l l e rt h a ns o a s ，a l s ot h eg a i nr e c o v e r yt i m ei ss h o r t e r l o w e rp r o b ep o w e ra n ds u i t a b l ew a v e l e n g t hs p a n s ，w h i c hb e t w e e np u m pa n dp r o b e ， a n dt h ei n p u tc u r r e n th a v et h ea d v a n t a g e st oa c h i e v et h eh i g h e ro u t p u te r b u tl o w e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 p r o b ep o w e ra n dh i g h e rp u m pp o w e ri nc e r t a i ns p e c t r u m sc a na l s oi n c r e a s ec h i r p ，s o s u i t a b l ec h o i c eo ft h e s ep a r a m e t e r sc a na c h i e v eb a l a n c eo fe ra n dc h i r p t h e d i s t o r t i o no fa l l - o p t i c a ll o g i co p e r a t i o no fl o ai ss m a l l e rt h a na l l o p t i c a ll o g i c o p e r a t i o no fs o a p r o p e ri n p u tc u r r e n tg r o u p sh a v et h ea d v a n t a g e st oa c h i e v eb e r e t l o g i co p e r a t i o ne f f e c t i nt h el o g i ca n do p e r a t i o no fl o a ，p r o p e rw a v e l e n g t hs c o p e o fp r o b ea n dp u m p ，a n dh i g h e rp o w e ro ft h ei n p u ts i g n a lah a v et h ea d v a n t a g e st o a c h i e v eb e r e rl o g i co p e r a t i o ne f f e c t c o m p a r e dw i mt h eo u t p u tr e s u l t so fs o a ，i ti s f u r t h e rp r o v e dt h a tt h ec a p a b i l i t yo fl o ai sm o r ee x c e l l e n tt h a ns o a k e yw o r d s ：l i n e a ro p t i c a la m p l i f i e r ；c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ；n o rg a t e ；a n dg a t e 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密口”，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名穆 日期训缪骖7 中 锄7 ：裾 名 彩 獬 出 师 老 导期曙日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文首先从l o a 的载流子速率方程、垂直光场光子速率方程以及光功率的 传输方程出发，建立了l o a 的x g m 基本理论模型，数值模拟了l o a 和半导 体光放大器( s o a ) 增益压缩和恢复过程、消光比特性，以及a o w c 变换光脉 冲啁啾变化特性。最后根据单端l o a 的分段模型利用s i m u l i n k 模块搭建了全 光逻辑或非门和与门的模型，数值模拟实现了全光逻辑或非运算和与运算功能， 对l o a 和s o a 的性能进行分析，并且选择合适的输入参数，来优化逻辑输出 结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的研究背景 1 1 1 全光波长转换技术 第l 章绪论 全光波长转换( a o w c ) 是组成光传送网的一项关键技术u 卅，它能实现在 通信网络内的波长重用，有效解决网络内受有限波长网络数量限制的波长争用， 提高网络的容量利用率和传输速率，提高网络灵活性和可扩充性，实现对网络 便捷灵活的管理，而波长转换器( w c ) 又是波分复用( w d m ) 系统关键器件 专一【5 司】 _ o 根据网络的要求，波长变换器件应具有如下特征：从信号质量方面考虑， 波长变换器输出信号应满足信噪比高、啁啾低、信号失真小、消光比无恶劣等， 这些参数在很大程度上是保证传输系统的误码率性能要求和波长变换器件的级 联性的决定因素：从系统配置方面考虑，波长变换器应满足输入功率适中、输 入输出信号带宽宽( 在较大波长范围内响应平坦、转换效率高) ；偏振不敏感 等，且尽量减少滤波元件的使用；从系统性能方面考虑，要求波长变换速率快 ( 至少在1 0 g b s 以上) 、转换效率高、对不同比特和模式的信号透明；从器件 应用的角度考虑，要求波长变换器件实现简单，易于集成【8 10 1 。 近年来，已经发展了多种全光波长转换技术，而基于s o a 的波长转换技术 由于转换速率快、转换带宽大、转换效率高、结构简单、易于集成等优点，成 为主要的研究方向 11 1 8 。基于s o a 的波长转换技术主要有：采用交叉增益调制 ( s o a - x g m ) 的全光波长转换【1 9 】，采用交叉相位调制( s o a x p m ) 的全光波 长转换【2 0 】，利用半导体光放大器中四波混频效应( s o a f w m ) 的全光波长转 换【2 1 】。表1 1 为对于这几种波长转换技术进行的综合比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 表1 1 几种转换技术主要性能的比较 t a b l e 1 - 1 c o m p a r i s o no fc h a r a c t e r si ns e v e r a lc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y 1 1 2 全光逻辑控制技术 随着因特网的迅猛发展，以突发性为显著标志的口业务呈爆炸性增长， 并且在总业务量中越来越大的比例，对网络宽带的需求不断的扩大。密集波分 复用技术的高速发展，充分挖掘光纤的巨大带宽，并将交换功能从电域向光域 转移，实现波分路由成为可能。以波长为基本交换粒度的自动交换光网络 ( a s o n ) ，其交换方式属于线路交换的范畴，决定了其灵活性和宽带利用率都 较差。由于波长资源有限，如果仅仅以波长粒度承载各种业务就显得太粗，而 且即使是几个用户占用一个波长，也会造成资源的极大浪费，因此由波长路由 为基础的网络难以适应各种承载要求。为了适应这种变换，光传送网以波长为 粒度的光波长交换网向以分组为粒度的光分组交换网过渡。从理论上讲，光分 组交换能对密集波分复用( d w d m ) 的巨大带宽进行更灵活、更有效的分配， 比线路交换有着更多的优势，同时由于其路由和交换都在光域进行，也克服了 所谓的电子瓶颈问题。全光分组交换的这一系列优势使其成为未来光网络架构 的首选方案。 要实现全光网的分组交换，需要解决一系列的关键技术，也就是要在光域 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 中完成传统的分组交换网中由电子电路来完成的第一层物理层功能和第二层数 据链路层功能，其中超高速全光逻辑器件是未来全光分组交换网络中的至关重 要的基础元件，它对于网络节点中的时钟提取、信号再生、信头识别i 净荷定 位以及光分组自路由等处理功能都是必不可少的。基本的全光逻辑控制技术包 括光计算、光缓存和广互连，其中光计算主要指光逻辑门运算。 光计算是用光子代替电子进行大容量信息处理。由于光的并行性和高速性 等物理性质，有可能开发远远超过电子技术的高性能信息处理系统。因此光计 算已成为引入注目的研究领域。光计算将成为未来全光信息网络的支撑技术， 使用全光信号处理技术的光网络将是未来网络的发展趋势。而全光逻辑门又是 光计算的关键功能，它可以用于实现全光头信号提取、全光地址识别、标签交 换、数据编码、奇偶效验、信号再生以及全光开关等。光计算所要解决的首要 问题就是要在光域实现这些原来由电子技术完成的逻辑运算。 迄今为止，国外已从理论和实验两方面，对基于s o a 中的x g m 效应来实 现的逻辑门也作了大量研究。国内对全光逻辑门的研究报道还非常有限。以实 现全光逻辑的一种重要结构s o a 光环镜，也叫做太赫兹光非对称解复用器 ( t o a d ) 为例，基于它的研究仍然集中在s o a 光环镜性质的理论分析上，实 验研究比较少，关于用s o a 环镜进行全光逻辑运算的实验报道也屈指可数。相 比之下，国外已经从实验上用s o a 环镜解复用出8 0 g b i t s 数据流，并成功的用 于光分插复用( o a d m ) ，同时还能解复用来自光时分复用( o t d m ) w d m 多 路光波长信道的数据流，此外还利用s o a 环镜实现一些逻辑功能，并基于这些 功能构成了全光加法器、帧校验器等等。 1 ) 利用太赫兹光非对称解复用器( t o a d ) 实现全光逻辑f - j r 2 2 】 t o a d 是采用s a g n a c 干涉仪结构的s o a 环形镜，它利用s o a 中x g m 和 x p m 非线性效应实现全光开关，并可实现全光与门和全光或门的操作。 t o a d 结构如图1 1 所示。3 d b 耦合器1 将一段光纤首尾相连，作为非线 性元件的s o a 非对称的置于光纤环路中；它偏离环路中心的光程为t 2 。耦合 器2 将控制脉冲从端口a 引入环路，而探测脉冲从端口c 注入。在应用中应满 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 足两个条件：( 1 ) 探测光很弱，它不改变s o a 的光学特性( 即不引起s o a 的 非线性效应) ，顺时针方向和逆时针方向探测光仅用以探测由强控制信号引起的 s o a 的折射率变化。( 2 ) 控制信号足够强，可以引起s o a 的非线性效应。 冲出 图i - it o a d 结构示意图 f i g i - i s c h e m a t i cs t r u c t u r eo f t o a d t o a d 作为光开关的工作原理：探测脉冲从端口c 输入，被耦合器1 分为幅 度相等的两部分，分别沿顺时针( 称为c w 光) 和逆时针方向( 称为c c w ) 传 输。在没有控制光的情况下，c w 和c c w 均可获得s o a 的小信号增益，当他们 再次回到耦合器1 时所获得的相移也相等，因此j 两束光会在端口d 发生相干相 消，而光全部从端口c 反射，。当控制光从端口a 输入，控制光经耦合器2 注入 环路中，适当调制探测光和控制光之间的时延，使得c c w 在控制光之前，而c w 在控制光之后达到s o a ，这样在控制光的作用下，c w 将获得额外的非线性相移， 经耦合器1 再次耦合后，由端口d 输出，从而实现光开关的功能。 从以上对t o a d 的工作原理的分析可以看出，探测光在端口d 的输出实际上 是控制光与探测光的逻辑与运算的结果，因此t o a d 可以作为逻辑与门。 如果要将t o a d 用做全光或门，只需将要进行逻辑操作的两束信号光a 和b 作为控制光，经耦合器耦合注入到t o a d ，则探测光在d 端口的输出就是a 与b 的逻辑或。 基于t o a d 的全光逻辑与门、或门方案，具有结构简单、可高速操作等优势， 在实现逻辑操作的同时可实现波长变换，逻辑结果的输出承载与探测光的波长上， 因此或门方案还具有可扩展性，即能够实现多个具有不同波长的数据流的操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 此外，如果使用的s o a 偏振无关的话，这些逻辑门还可以实现偏振无关性。 2 ) 利用s o a 的x g m 效应实现逻辑与门( a n d ) 【2 3 】 早期的全光逻辑器件的实现方案利用了光纤中的k e r r 效应，近来，由于s o a 具有很强的非线性效应，以及其功耗低、易于集成等优点，引起了研究者极大 兴趣，已经有不少方案问世。如图1 2 所示，该方案的本质是基于x g m 型波长 转换来实现全光逻辑与门，因而其理论模型与基于s o a x g m 实现波长转换的 过程类似。其工作原理为：特定速率的信号光发送后，经掺铒光纤放大器( e d f a ) 放大后再经耦合器1 分成两路，其中一路信号光a 和可调谐激光器提供的连续 光( 探测光) 经耦合器合路，再经环行器送入s o a l 。在s o a l 中可以实现基于 x g m 效应的波长转换，信号光携带的信息会转换到探测光上，但与原信号反相。 第一级s o a l 输出的信号经环行器输出，再经过e d f a 2 放大后，由带通滤波器 l ( 对准探测光波长) 滤出波长转换后的信号。 围圈 图1 - 2基于s o a 的x g m 特性实现a n d 门结构示意图 f i g 1 - 2 s c h e m a t i cs t r u c t u r eo f a n db a s e do i ls o a - x g m 另一路信号光b 经可调谐延时线延时后，和第一级转换输出的信号一起经 耦合器和环行器耦合进s o a p ，适当控制第一级转换输出的信号功率远远大于延 时后的信号光功率。这样，当第一级转换输出的信号为比特“1 时，s o a 2 的 增益被抑制，无论信号光为“1 ”还是“0 ，输出均为“0 ”；而当第一级转换输 出信号为比特“0 ，信号光为“1 时输出为“1 ，而信号光为“0 时输出为 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 “0 ，因此经带通滤波器2 ( 对准信号光波长) 滤出的信号就是信号光a 和适 当延时后的信号光b 的逻辑与运算结果。 该方案具有结构简单、容易实现、工作波长范围宽、可实现转换效率高等 优点，能实现任意格式的全光逻辑与运算功能，其中第二级s o a 的输入信号功 率和消光比对逻辑与运算的输出性能起决定性的作用。 3 ) 利用超快非线性干涉仪( u n i ) 作为光逻辑门【2 4 】 u n i 采用单臂干涉结构，利用s o a 作为非线性元件，其结构如图1 3 所示。 其工作原理为：信号脉冲输入u n i ，经过起偏器保持一定方向的偏振态，经过 双折射光纤( b r f ) 分离成具有不同偏振态相互正交且有一定延时的两个脉冲， 其中前一个脉冲先进入s o a ，然后控制脉冲通过耦合器1 输入到s o a ，接着相 互正交的后一脉冲再经入s o a 。由于前_ 脉冲强度较小，s o a 不会产生增益非 线性，而后一脉冲将会遇到强的控制脉冲导致的s o a 增益非线性，从而获得一 附加相移。当两个脉冲经过快慢轴与b r f l 正交的b r f 2 后，重新在时间上重 叠。由于两个脉冲有一相位差，当他们通过一个4 5 度检偏器后将会产生干涉， 从而有输出。如果没有控制脉冲，那么这两个脉冲将会遇到相同的增益特性， 没有相位差，在检偏器中不能形成干涉，也就没有输出。 信号光 输入 b l 心1 b r f 2 a 控制信号b 图1 3u n i 结构示意图 f i g 1 - 3 s c h e m a t i cs t r u c t u r eo fu n i 当利用u n i 作为逻辑门时，时钟信号作为信号光输入u n i ，再利用耦合器 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 输入a 和b 两个逻辑控制信号代替u n i 原来的控制信号，就可以获得或门和 异或门。假设检偏器的通过面的取向与第二段的b r f 的x 轴夹角为p ，当设置 口= ( 一1 4 ) # ，则输出为或门；一当设置口i ( 1 4 ) 万，则输出为异或门。 由于u n i 干涉稳定，利用反向控制光可以实现光逻辑异或门的运算，而且 信号光和控制光可以同波长工作，加之采用s o a ，具有结构简单紧密、易于集 成的特点，因此用作全光信号处理具有很强的竞争力。 4 ) 基于马赫曾德尔干涉仪( m z i ) 的全光逻辑异或门【2 5 加】 利用s o a 构成的m z i ，可以制作s o a m z i 结构的全光异或门，基于 s o a m z i 全光异或门原理如图1 - 4 所示。s o a l 和s o a 2 对称的放置于干涉仪 两臂。连续的探测光厶通过一个3 d b 耦合器分解成两束，注入到干涉仪两臂。 波长为丑的两路强度调制的信号光分别注入到s o a i 和s o a 2 ，信号光的峰值功 率高于s o a 的最大线性输入功率。当输入功率超过s o a 的最大线性功率时， s o a 有源区内载流子密度就会发生变化，。即x g m 和x p m 。探测光经过s o a 后就会携带上信号光的信息。两路经过相位调制的探测光在耦合器中发生干涉， 将相位调制转换成振幅调制，完成两路信号的异或运算。 事 劂光 五 五。 a 和b j 运算鲜 号光b丑 图1 _ 4基于s o a - m z i 全光逻辑x o r 门的结构示意图 f i g i - 4 s c h e m a t i cs t r u c t u r eo fx o rb a s e do ns o a - m z i m z i 型结构中，s o a 的位置可以通过集成来固定，这样可以加强器件的工作 稳定性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 2 新型光放大器 在2 0 0 1 年的世界光纤通信大会( o f c 2 0 0 1 ) 上，g e n o a 公司展出了一种新型 的半导体光放大器。如图1 5 ，这种光放大器采c r o s sc a v i t y t m 技术，使用一个 内置的激光器结构，在行波半导体光放大器有源区引。入垂直光场( v c l ) ，形成 增益钳制，增大了增益的线性范围，减少信道间的串扰。因此，g e n o a 将这种半 导体光放大器命名为线性光放大器( l o a ) 。 图1 5l o a 结构示意图 f i g 1 - 5 s c h e m a t i cs t r u c t u r eo fl o a 这种新型的光放大器问世后，由于其良好的线性增益特性，在光放大领域 展示出魅力【2 7 2 9 1 。2 0 0 2 年9 月，t r a n s m o d e 和v t e s s e 公司成功地完成了应用l o a 的系统实验，使传输距离由8 0 k m 增加到1 2 0 k m ，克服了疏波分复用( c w d m ) 距离受限的缺点。l o a 的成本和传统的e d f a 差不多，但它可以工作在c w d m 整个波长范围内而不是狭小的窗口，它的问世填补了c w d m 和d w d m 间的差 距，增大了传输距离，增强了c w d m 在市场竞争能力。2 0 0 3 年3 月，n e c 公 司把新型第二代、单芯片l o a 集成到了一个1 0 g b s 光转发器模块上。 利用l o a 非线性效应的全光信号处理也表现出比传统s o a 优越的性能。 例如，在o f c 2 0 0 2 世界光纤通信大会，l e u t h o l d 和d r e y e r 使用l o a 作为波长 转换器件，利用l o a 的x p m 调制效应将1 0g b s 信号的波长由1 5 5 0 n m 转换为 1 5 5 8 n m 。输出信号的眼图清晰可辨，消光比高，脉冲未出现展宽，当比特误码 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 率( b e r ) 1 0 g b i t s ) 的能力，而且 还易于与其它半导体光电器件集成。因此利用s o a 进行波长转换一直是研究的 重点。基于s o a 的x g m 波长转换具有输出信号啁啾小、信噪比高、消光比高、 与偏振无关和结构紧凑等优点，具有良好的商业化前景【3 8 ，3 9 l 。 由于传统的s o a 在用于x g m 波长转换时，常工作在增益饱和区，在多信道 情况下，可能出现严重的串扰。l o a 利用有源区两侧的分布式布拉格反射镜 ( d b r ) 对入射光的增益形成了钳制，使l o a 能更好地应用于多信道系统 4 0 , 4 1 1 。 l e u t h o l d 的实验进一步验证了l o a 用于波长转换时，性能优于传统的s o a t 3 0 】。 五i a s 图2 - 1 基于l o a x g m 的示意图 f i g 2 - 1 s c h e m a t i cs t r u c t u r eo fc r o s s g a i nm o d u l a t i o ni nl o a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 基于l o a 的x g m 波长转换器的原理为：当抽运光( 波长为无，具有一定调 制深度的载有信息的调制光) 注入到l o a 后，使l o a 中的载流子随抽运光强而 变化，从而使l o a 的增益也得到调制。随着调制光强的增加，l o a 的增益将减 小，但当调制光强减弱时，放大器的增益将恢复到原来的数值。所以，同调制 信号相比较，l o a 的增益呈反相调制。当另一波长( 厶) 的光( 称为探测光) 耦合进l o a 后，呈反相调制的增益将对连续的探测光作调制，同时使抽运光载 有的信息通过增益调制而传递给探测光。如图2 1 所示。 2 2 基于l o a 中x g m 的动态特性 2 2 1 增益特性 对于l o a 的x g m 实现全光转换，首先要确立l o a 的增益特性方程。l o a 的 载流子浓度以及l o a 垂直入射光方向的v c l 光子浓度s 满足以下方程 【4 2 胡】： 詈e v 州忉一乏羚f ( z n 如邮 ( 2 1 ) a 一急如机卅一p p 7 a 纠s = r l v , g l ( 九) 弘丢帆印( 忉 ( 2 2 ) 式中下标所表抽运光或探测光，p ，为抽运光或探测光的功率，下标三代表 垂直光场，为注入电流，e 为电子电量，矿为有源区体积，r 为模场限制因子， r ( ) = 删+ 删2 + c 3 为自发发射复合速率，如为有源层增益区截面积，为 抽运光或探测光的增益系数，表达式同( 2 5 ) ，m 为光子能量；k 为群速率， g 工为垂直光场增益。 式中r 。为v c l 限制因子： p 丢( 1 + 警蹿丢 q 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 其中d 为有源区厚度，畋为垂直光场有效长度，r 为v c l 传输常数，g ( 五，) 为 v c l 增益，v c l 激射波长九的典型值为1 5 5 0 r i m 。是光予寿命，器件的阈值 增益为g , h ，则【4 5 】 去= 寥。( + 石1m 一1 ( 2 - 4 )肺 “工 “ 欠：为有源区上下两端d b r 的反射率。与自发辐射相关的载流子复合速率 心朋= , o 。a n + p b b n 2 + p , c n 3 ，这里定义自发辐射因子屈a = a ，b ，c ) ，它表征自发辐 射对激射模的贡献份额【4 6 j 。 为了能准确模拟l o a 增益，使用下面的函数【4 7 】： g l ( 丸，) = a o ( ，一n o ) - r ，( 九一九) 2 + 以( 丑一九) 3 ( 2 5 ) 式中a 。为微分增益系数，o 为透明载流子浓度， 与放大器的增益带宽有关， 如与增益谱的非对称性有关，“= 九一k o ( n - n o ) 是载流子浓度为n 时的峰值增 益波长，v c l 激射波长丸的典型值为1 5 4 5 n m 。九是n = n o 时峰值增益波长，岛 用于表示增益峰值波长随载流子浓度漂移。 注入l o a 光强度沿l o a 的z 轴方向传播变化满足： 解( z ) 瑟= p a z ) r a n ( z ) - o 】一露( z ) ( 2 6 ) 式中为l o a 损耗系数，a 为增益因子，为简化计算，假定口d 可以忽略。所 有参数含义可参见表2 。1 。 表2 - 1l o a 的典型参量 t a b l e2 - 1 t y p i c a lp a r a m e t e r so fl o a m 4 1 2 l s y m b o l v a l u e d e s c r i p t i o n l 1 0 0 0 阳m 如 1 弘m d 0 2p , m d l4 岬 a c t i v er e g i o nl e n g t h a c t i v er e g i o nw i d t h a c t i v er e g i o nt h i c k n e s s e f f e c t i v ec a v i t y1 e n g t l lo ft h ev c l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 口 2 0 c m - a b s o r bl o s s 2 5 x i o - 3 # i n - 1 m a t e r i a ll o s s o0 9 xl0 6 胂。 c a r r i e rd e n s i t ya tt r a n s p a r e n c y r0 3c o n f i n e m e n tf a c t o r 2 5 x1 0 - 8 时d i f f e r e n t i a lg a i nc o n s t a n t 乃7 4 时3 g a i ns p e c t r u mc b c f f i c i c n t1 了t3 1 。5 5 心 g a i ns p e c t r u mc o e f e c i c n t2 心3 x l o - 8 一 m a t e r i a lg a i nc o n s t a n t 彳0 1n s 一1n o n r a d i a t i v er e c o m b i n a t i o nc o e f f i c i e n t b 2 5 x 1 0 川# i n 3 n sb i m o l e c u l a rr e c o m b i n a t i o nc o e f f i c i e n t c9 4 xi 0 1 4 # m 6 n s a u g e rr e c o m b i n a t i o nc o e f f i c i e n t p1 0 - s p o n t a n e o u sc m i s s i o nc o u p l i n gc o e f f i c i e n t 0 9 9 6 d b r r e f l c c t i v i t y 。7 5 x10 4 # m n s g r o u pv e l o c i t y 考虑输入脉冲为已e x p ( - t 2 f ；) 型高斯分布，兄为峰值功率，t p 表征脉宽 ( t = 4 6 p s ) 。图2 2 为s o a 和l o a 的增益压缩与恢复曲线对比。此时，s o a 和l o a 工作于非线性区域，抽运光与探测光之间形成了交叉增益调制。由图中 可以看出，由于v c l 的增益钳制作用，l o a 的增益波动范围比s o a 小，变化 范围为1 i d b 左右小于s o a 的增益变化范围( 1 5 d b ) ，而s o a 中由于抽运光 信号消耗了大量的载流子，导致增益急剧下降。更有意义的是l o a 比s o a 的 增益恢复时间短，大约在0 8 n s ，s o a 的增益恢复时间大约在i n s ，s o a 较长的 增益恢复时间限制了信号处理速率。因此，l o a 能够更好地处理高信号。图中 还可以看出l o a 的增益恢复时间与注入的探测光功率大小也有关系，随着探测 光功率的增加，l o a 增益恢复时间减小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 2l o a 和s o a 增益压缩与恢复过程 f i g 2 - 2 l o aa n ds o a 昏i i i lc o m p r e s sa n dd e c o m p r e s sp r o c e s sa td i f f e r e n tr a d i o 2 2 2 消光比特性 消光比是指信号中“0 信号的强度与“1 信号的强度的比值，并用分贝 来表示。传输信号消光比的大小直接关系到信号误码率的大小，因此，消光比 是衡量光通信系统质量的一个重要的物理量。 在l o a 中传输的抽运光和探测光满足如下微分方程： a ” 半= ( - a ) p f ( 2 7 ) 仍 式中口为吸收损耗。只需要考虑“o 信号及“1 ”信号的注入功率下波长转换情况， 当光放大器中注入o ”信号和“1 ”信号时，可认为放大器工作在稳态情况下。求 解稳态方程时，假设a n a t = 0 和瓠岔= 0 ，即忽略“o ”及“1 ”信号的跳变而引起 的载流子浓度和v c l 光子浓度的变化。但是载流子浓度的分布，特别是沿着z 轴 的分布不具有均匀性，因此可以将l o a 的增益区划分为许多段，并且认为每段 增益区的载流子分布是均匀的。对( 2 7 ) 式光功率传播沿l o a 方向积分，可得： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 p f ( z ) 9 - p f ( o ) e x p 【r g f ( ) 一口】z ， ( 2 8 ) 由于l o a 的x g m 型波长变换的变换信号呈反向特性，使得输出变换信号即 探测光输出信号光功率与抽运光功率的对应关系为：p ? ( z ) - - 9 , p ：0 ( o ) ， p ；o ( z ) - 9 ( o ) ，探测光所获得的增益可表示为：g 2 ( 动手 q ( z ) ，凹( z ) ，其 中括号中的0 和z 分别表示入射端和出射端，上标0 和l 分别表示对应于 系统中输出信号为0 和l 的情况。对于输出信号的消光比可以用下面两 式得到： 6 2 ( z ) = e x p ( f 9 2 一o f ) z 】 ( 2 - 9 ) e i i 它o u t = 船= 鬻( 2 - 1 0 ) l 为线性光放大器的总增益区长度。 选择抽运光“0 ”信号的功率为0 1 m w ，抽运光“1 ”信号的功率为l m w ，探测 光功率为1 0 r o w ，光放大器的偏置电流为8 0 m a h o ，在不同的探测光波长下，转 换信号的输出消光比与抽运光波长的关系如图2 3 所示： 抽运光波长在1 5 3 0 n m - - 1 5 5 0 n m 范围内，由于v c l 的增益钳制作用，增益 对波长变化不是很敏感【3 6 1 ，反映为输出消光比随抽运光波长的变化不明显。超 过1 5 5 0 n m 范围后，由于增益饱和效应，l o a 增益曲线斜率很大，由x g m 的 物理过程可知，增加了调制幅度，使其消光比增大。另外可以看出，随着探测 光波长的增加，载流子浓度越小，“o ”与“1 ”信号之间的增益差值就越小，所以 消光比越来越小。 维持光放大器的参数不变，不同的注入电流下输出消光比与探测光功率的 关系示于图2 - 4 。适当的增加电流以提供足够的载流子，保证转换后“1 信号 的功率。但是增大注入电流的负面影响是l o a 处于深度饱和，增大了自发辐射 噪声，从而产生较严重的消光比退化。从图中可以看出，电流为9 0 m a 时的消 光比比电流为8 0 m a 时增加了4 1 d b ，然而当电流再增加到1 0 0 时，消光比反而 降低了2 5 d b 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 3 探测光波长为参变量，抽运光波长与输出消光比关系 f i g 2 3e rv e r s u sp u m pw a v e l e n g h w i t hd i f f e r e n tp r o b ew a v e l e n g t h 口 、 比 u j 图2 -