（物理电子学专业论文）利用soa偏振旋转效应实现全光缓存的初步研究.pdf

中文摘要 摘要：近年来光纤通讯飞速发展，光通信网络成为现代通信网的基础平台。然而， 在网络节点处仍需将光信号先转变为电信号再对其进行处理，由于光电转换器件 响应时间及电子交叉互连，形成了网路节点处的电子速率“瓶颈 ，全光的包交换 网可消除“电子瓶颈”，实现数据在光域中透明传送，是未来超快速光网络的必然 选择。克服电子速率瓶颈的办法是直接进行光信号处理，即建设全光通信网。全 光包交换网络( o p s ) 属分组级的光信号处理，能够有效利用带宽，提高带宽资源 的利用率，成为未来高速全光网络的必然选择。 包交换技术实质上是一种存储一转发技术，如何在光域中完成光信号的存储 和转发成为全光包交换网络的关键技术之一。全光缓存器作为o p s 网络中的关键 器件，光存储器的好坏直接决定了全光包交换网的性能。目前提出的光纤型全光 缓存器主要有两种：前向结构的光纤延迟线和反馈结构的f p 腔或者光纤环。光 缓存技术的研究都是针对光纤延迟线，利用耦合器来进行的缓存。但是在实际中， 我们在利用s o a 的偏振旋转效应的同时发现，s o a 的偏振旋转特性可以用来进行 偏振开关的研制，而以s o a 为主要器件制成的偏振开关配以一定的光纤环路，通 过s o a 的偏振旋转，可以实现缓存效果。本文对此方面进行了研究，据我们所知， 本文的工作属于首次利用s o a 的偏振旋转特性实现全光的缓存。 本论文针对全光存储器主要做了以下工作： 1 、分析了s o a 的非线性偏振特性 2 、调试了半导体光放大器( s o a ) 的保护电路和温控电路 3 、利用s o a 的偏振旋转效应，初步讨论和搭建了基于s o a 偏振旋转效应的 全光缓存器实验系统。并在实验中，实现了速率为6 2 2 m b i t s 的单圈缓存和 2 5 g b i t s 数据的多圈缓存。 关键词：非线性偏振旋转，半导体光放大器( s o a ) ，偏振控制，缓存 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nf i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e c o m et h eb a s i cp l a t f o r mi nm o d e mc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k i nt h ec o m m o nn e t w o r kn o d e s ，w es h o u l dt r a n s f e ro p t i c a ls i g n a lt oe l e c t r o n i c s i g n a l ，t h e np r o c e s si t a si tn e e d st i m ef o ro p t i c - e l e c t r o n i ce l e m e n t sa n de l e c t l o n i c c r o s ss w i t c ht ot r a n s f e rs i g n a la n dp r o c e s si t ，t h e r ei sa ne l e c t r o ns p e e d b o t t l e n e c k ，i n t h en e t w o r kn o d e i no r d e rt oo v e r c o m et h e b o t t l e n e c k ”，w es h o u l dd i r e c t l ys w i t c ha n d p r o c e s st h eo p t i c a ls i g n a l t h a tm e a n sw es h o u l dd e v e l o pt h ea 1 1 o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k a st h ea l l o p t i c a lp a c k e ts w i t c h ( o p s ) n e t w o r kc a ns w i t c ha n dp r o c e s ss i g n a l m u c hf a s t e ra n du s et h en e t w o r kb a n d w i d t hm o r ee f f i c i e n t l y , o p sn e t w o r ki s ag o o d s e l e c t i o ni nt h ef u t u r e su l t r a f a s ts p e e dn e t w o r k t h ep a c k e t s w i t c ht e c h n o l o g yi sas t o r ea n df o r w a r dt e c h n o l o g y i ti so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e st os t o r ea n ds w i t c ht h eo p t i c a ls i g n a li nt h eo p t i c a lf i e l df o r t h eo p sn e t w o r k a l l - o p t i c a lb u f f e r , a st h ek e ye l e m e n ti nt h eo p sn e t w o r k ，t h e p e r f o r m a n c eo fo p t i c a ls t o r a g ed e c i d et h ep e r f o r m a n c eo fa l l o p t i c a lp a c k e ts w i t c h n e t w o r k a tp r e s e n t ，t h e r ea r et w ot y p e so p t i c a lb u f f e rb a s e do nf i b e r ：s l o wl i g h tt y p e a n df i b e r d e l a yl i n e o rf i b e rl o o p t y p e ，b u tr e s e a r c hi sf o c u s e do nt h es e c o n d o n e p r a c t i c a l yw ef i n du s et h en p r ( n o l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ) t or e a l i z et h e p h e n o m e n o no fb u f f e rw h i l ew er e s e a r c ht h es o an p r a s 陆a sw e k n o w , w er e a l i z e b u f f e rb a s e do nt h es o a n p rf o r t h ef i r s tt i m e t h ew o r k st h a tr e a l i z et h ep h e n o m e n o no fb u f f e rb a s e do nt h es o a n p r a r ea s f o l l o w s ： 1 a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co fs o a n p r 2 t e s ta n dr e v i s et h ep r o t e c te l e c t r o c i r c u i ta n dt e m p e r a t u r e - c o n t r o lc i r c u i to fs o a 3 o n e c i r c l eb u f f e r i n go f6 2 2m b i t sa n dm u l t i c i r c l e sb u f f e r i n go f2 5g b i t si s d e m o n s t r a t e di nt h ee x p e r i m e n tb yu s i n g p h e n o m e n o no fb u f f e rb a s eo nt h es o a n p r k e yw o r d s ：n o 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 ) ；s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f e r s ( s o a ) ；p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e d ：b u f f e r i n g 学位论文版权使用授权书 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， 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：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 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，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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：签字日期：年月日 5 9 致谢 值此论文完成之际，我想向曾经给我帮助和支持的良师益友表示衷心的感谢。 首先，由衷的感谢我尊敬的导师王智教授。他严谨细致、一丝不苟的作风一直是 我工作、学习中的榜样。他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。 在此，谨向王老师表示衷心的感谢和崇高的敬意，在此祝愿他身体健康，全家幸 福! 同时，感谢程木博士、王拥军博士、王亚平博士、赵爽博士、李政勇博士， 他们丰富的工作经验和深厚的专业功底在我遇到难题时帮助了我。感谢已经毕业 的季江辉、鹏朋、赵阳、郭伟倩、张建亮，这些师兄师姐们在生活和学习上给予 我的帮助。感谢张人元、冯震、孟庆文，与他们同窗两年，朝夕相处的日子是我 一生的精神财富。 最后，我要深深感谢生我养我的父母。在我进行我的学业的时候，他们在远 方不断的给予我支持、鼓励和关心；我能完成这篇论文，完成我的学业，也有他 们的一份功劳。在此祝愿他们开开心心，身体健康! 1 1全光网的发展 1 引言 随着社会的进步，能极大丰富和改善通信效果和质量的宽带视频、多媒体业 务、基于i p 的实时业务等新兴数据业务的社会需求不断增长。由于新兴业务占用 的带宽资源较多，对通信容量提出了越来越高的要求，高速宽带综合业务网络己 成为本世纪通信网络的发展趋势。而光通信技术的出现给通信领域带来了蓬勃发 展的机遇。 光纤通信的优势之一是其近3 0 t h z 的巨大潜在带宽容量。贝尔实验室于2 0 0 0 年在世界上首次通过单根光纤进行了每秒t 比特级的长距离无差错传输实验。每 秒t 比特的带宽足以同步传输5 0 万部电影，而实现这一记录的关键是贝尔实验室 在光学领域中的最新突破- 在一根光纤中承载1 0 0 0 个信道或波长。可以预见， 随着技术的进展，用户将可以得到几乎无限的带宽。 光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中， 如果网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈” 的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光电 和电光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网的概念。 由于世界范围内全光网仍处在研究阶段，尚未形成统一的标准，因此没有严 格定义的全光网。当今所指的全光网，是指信息在网中的传输及交换时始终以光 信号的形式存在，而不需要经过光r 电、电，光转换，从而有可能提高网络的交换速 度，并且使整个网络对光信号透明。由此可见，只有基于光纤的全光网络方案能 提供高速、大容量的传输及处理能力，打破信息传输的“瓶颈”，可以在很长的时 间内适应高速宽带业务的带宽需求。 传输和交换是光纤通信网络中的两个重要的技术。 在传输技术方面，光时分复用( o t d m ) 和波分复用( w d m ) 是能利用巨大 的光纤带宽资源的两个主要的可行技术。目前单波长速率已经达到1 6 0 g b si l l 。在 w d m 中，传输容量的增加是通过波长的增加来实现的。在常规的c 带内 ( 1 5 3 0 - 1 5 6 5 n m ) ，基础速率为2 5 g b p s 1 0 b p s 的8 波、1 6 波、3 2 波、4 0 波乃至8 0 波的d w d m 系统已经商用，各光波道间隔将缩d , n2 5 g h z ( 0 2 r i m ) 。新的全波光 纤此类光纤系统可利用的光谱是1 2 8 0 1 6 1 5 n m ，是常规可用波长范围的数倍，复用 波长数大大增加，从而经济有效地解决网络扩容问题。近来，日本n e c 和法国阿 尔卡特公司在实验室中分别实现了总容量为1 0 9 t b i t s ( 2 7 3 x 4 0 g b i t s ) 和1 0 2 t b i t s ( 2 5 6 x 4 0 g b i t s ) 的传输容量的最新世界纪录t 2 - 3 1 。目前t b i t s 级w d m 系统已 经开始大量商用，并且光纤的价格已经非常低，具备了超大容量传输的坚实基础， 世界上许多国家采用w d m 技术对已铺设的光纤线路进行扩容。光纤传输的基本 问题已解决。 但现有技术只提供了原始的传输带宽，需要有功能灵活的节点才能实现高效 灵活的组网能力。目前通信网络节点仍需光电、电光转换和电信号处理，y 6 电转 换器件响应时间及电交叉连接、上下路设备本身带宽的限制，形成了网络节点的 电子速率“瓶颈”。为了解决这一问题，全光网的研究注意力开始转向光节点，就 是直接在光域中进行交换以克服电子“瓶颈 ，在光层面上来解决节点的容量扩展 问题。 在理想的全光网中，信号的交换、选路、传输和时钟恢复等所有功能都以光 的形式进行。目前的全光网络并非是整个网络的全部光学化，而是指用户信息在 传输和交换过程中以光信号的形式存在，而控制部分既可以以电的形式进行，也 可以在光域中进行。从当前光电子元器件的现状和发展趋势来看，力图实现整个 网络的全光化是不现实的。 因特网中流量的突发性使得短时流量非常高，但平均流量却非常低。这样每 个波长的带宽利用率非常低，同时需要的波长资源将会大大增加，但波长资源毕 竟相对有限，以波长路由为基础的全光网难以适应各种承载要求，造成带宽利用 率低和波长资源的浪费。光分组交换( o p s ) 可以有效地解决上述交换的问题。目 前国际范围o p s 的研究还是集中在光电混合模型里，i ! p o p s 电域控制和电域光包头 信号处理、全光的分组数据交换，在光域中的包头识别和控制仍需时日。光分组 包含光包头和净负荷，光包头携带地址信息，净负荷可以是固定时间长度或者可 变时问长度。光包头在电域内完成识别和处理，净负荷在整个光网络中透明传输。 o p s 节点能够最大效率的利用网络资源和满足数据流量对网络带宽的需求1 4 1 0 光分组交换网具有以下优势： ( 1 ) 其带宽资源是共享的，每个波长通路可以同时承载多个光分组通道，实现 统计复用，灵活快速地把空闲带宽资源分配给各个业务源，具有较高的网络资源 利用率； ( 2 ) 它直接在光域中完成分组的打包与复用、传送与交换，若能实现超高速光 分组头处理，则可彻底解决通信网络的电子瓶颈问题； ( 3 ) 光分组网中，交换粒度可以实现多样化，易于实现多样化终端业务的接入， 并便于实施流量管理； ( 4 ) 光分组网具有较高的灵活性，可以提供面向连接的服务，如采用广义多协 2 议标签g m p l s 或者类似协议，以及无连接的服务，如采用i p 寻址： ( 5 ) 光分组网对数据速率、格式以及高层协议透明，进而信令、计费和网管比 较简单，有利于降低运营成本，并且具有较好的可扩展性； ( 6 ) 根据数据业务突发性较大的特点，光分组网可以将多个突发分组一并进行 路由和控制，即突发交换( o b s ) 机制，因此，它适应承载突发性大且分布对称的突 发数据业务；还可采g m p l s 机制来简化控制和开销，实现快速路由； ( 7 ) 从网络层面来看，采用光分组交换层作为电网络层与密集波分复用( d w d m ) 传送层之间的适配层，从而有效地简化网络层次，真正实现紧凑的i po v e rd w d m 集成网络模型。 光分组交换网络降低了对光时分交换的比特级光器件性能的要求，具有比光 波长交换技术更灵活有效的资源利用率。它将完全发挥光传输层的大容量的优势， 是最具发展潜力的光核心网络方案。因此，光分组网是未来光网络中承载话音与 数据等多种业务的理想平台。 1 2 全光缓存技术的发展 基于光交换的全光网是通信网的必然趋势，光数字分组交换是全光网的最终 选择，要实现全光网的包交换，需要解决一系列的关键技术，也就是要把由电子 电路来完成的第一层( 物理层) 和第二层( 介质访问控制子层m a c 与逻辑链路控 制子层l l c ) 的功能在光域中完成。包交换技术实质上就是存储一转发技术，因此 在光域中完成光信号的存储，就成为包交换的关键之一。全光缓存器是全光数字 分组交换网的关键部件，是全光网调度和控制包转发的基础，它不仅能有效地提 高全光包交换网络节点的吞吐量，降低丢包率，提供延缓时间以便节点进行包头 处理，而且当不同的用户争用同一个通道时，缓存器能有效地提供解决竞争的方 案。全光缓存器最潜在的应用是光包交换网中的全光路由器。在过去2 0 年中光通 信突飞猛进，随着掺饵光纤放大器和波分复用系统的出现，实验室中光纤传输系 统的容量已经高达1 0 t b s 。尽管电的路由器已经达到了亚太比特每秒级，但与超 大容量的光传输仍然不适应，从而引起了互联网拥塞。电路由器向更高吞吐量扩 展是十分困难的，对于供电和空间的需求也变得十分不理想，只有全光包交换网 络能够潜在地解决这个瓶颈。在路由器中包交换的关键包括交换矩阵、信号处理 单元和缓存器。全光开关和信号处理的器件相对成熟，而全光缓存器还没有明确 的技术途径，因此全光缓存器就成为全光路由器的关键。使用全光缓存器，一个 包可以在缓存器中暂存，而允许其他包先传送，直到所有的其他包都已经在输出 端清零，才释放缓存器中的包，从而大大减轻全光网中业务流的阻塞。 3 如图1 1 所示，目前全光缓存器还没有一个统一的概念，本文采用的全光缓存 器定义如下：全光缓存器首先是一个无需进行光电变换且具有光输入与光输出数 据流的器件，输出数据流五小( l ，f ) 是输入数据流厶( o ，f ) 的拷贝( 为器件长度) ，而 且数据在一定的色散和失真范围内能够缓存一定的时间f ，即 厶鲥( 厶f ) 厶( o ，t - t ) 。缓存器的写入与读出时间以及数据被缓存的时间则是由外 部控制信号控制且是随机可变的。 理论上，光脉冲的缓存时间f = l v 2 ，其中三是光脉冲的缓存长度，v 。是光脉 冲的群速度。控制缓存时间意味着或者控制缓存长度，或者控制群速度，或者二 者同时进行。 图1 1 全光缓存器的定义示意图 f i g 1 1d e f i n i t i o no fa na l l - o p t i c a lb u f f e r 输出 光子是玻色子，如果不把光子转变为其它形式的能量，理论上光子是不可能 停下来的，唯一的办法是使光信号延迟一段时间，以便对高速光信号进行处理。 光信号的传输时间可表示为t = l 1 ，其中l 为光传输路径长度，1 ，是群速度，所 以“光缓存 可以从两方面着手：一是减慢光的传播速度；另一方面是延长传输 路径。目前提出的全光缓存器按存储体来分类的话，主要有以下三种：以啁啾光 栅为存储体的光栅型缓存器；基于电诱导透明( e i t ) 原理的以半导体量子点、原子 气和固态材料为存储体的慢光缓存器；以光纤为存储体的光纤环路缓存器。 1 、以啁啾光栅为存储体的光栅型缓存裂训 在具有非常慢的群速度的高色散结构中，光的传输已经被广泛关注，其中莫 尔光栅能够降低光的群速度。莫尔光栅的折射率分布刀= ， l 砌。嘁2 忽a ) o 喊2 忽内， 其中人是布拉格周期，人。是莫尔周期。理论分析表明，光在传输带宽内的群速度 将在非常小的信号带宽范围内明显降低， 着减慢因子的增加，传输带宽急剧下降， 不能在高速率下使用。 对于1 5 m 的减慢因子q 可达1 5 0 。然而随 当q 达到3 时，带宽只有不足1m t t z ，因此 另一种慢波器件结构是取样光栅。已经报道了慢波谐振强度调制器。在这种 调制器中，取样光栅被写在g a a s a 1 g a a s 材料构成的m _ z 波导调制器的一个臂上， 4 在15 4 3n m 波长减慢因子达到2 9 。取样光栅由长度为x 和间隔为s 的均匀光栅组成。 总的长度为x + s 并重复n 个周期。在均匀光栅的阻带波长内，取样光栅的作用类似 于f - p i 旨振器，并降低光的速度。因此取样光栅能够增强m - z 调制器的调制作用。 2 、基于电诱导透明( e i t ) 原理的慢光缓存器 基于电诱导透明( e l e c t r o m a g n e t i c a l l yi n d u c e dt r a n s p a r e n c y , e i t ) 原理的超低速 和停止光脉冲的最初实验是利用原子气在超低温和8 0 c 下实现的【6 j 。减慢因子 q ( 与真空中的光速相比) 高达7 个数量级。但是实验系统过于复杂，目前还看不出 在光通信中有什么应用前景。 最近，减慢和停止光也在掺镨硅酸钇晶体固体材料( p r ：y2 s i 0 5 ) 中实现【7 】。所 观测到的群速度为3 3r n s ，对应于7 0m h 通过了31 1 1 1 1 1 长的晶体( 对应的缓存时间 为o 0 9m s ) 。预期的光速减低几个数量级。由于基态旋转跃迁是非均匀展宽，因此 光速不取决于线宽，而取决于非常小的均匀展宽。在这种材料中，停止的光存储 时间达到0 5m s ，这正是p r 离子基态旋转跃迁的相干时间，实验在近5k 的温度 下进行。 类似于e i t 的现象在温度达3 0 k 的g a a s a 1 g a a s 量子阱中也曾观察到吲( 如图 1 2 ) ，但是线宽大且多体互作用不是很理想。近年来c h a n g - h a s n a i n 等人的理论计算 表明，在室温下利用新的多泵浦方案可以得到4 0 左右的减慢因子，对于1 0 g b s 的系 统有8 7 n s 的缓存且不会出现脉冲的展宽和失真 9 1 ，试验中光速已减慢到了 9 6 0 0 m s 1 1 0 l 。但目前仍然停留在对样品材料的测定阶段。 另外，所有的上述实验都是在控制光与信号光均为连续直流光的条件下对材 料进行的，虽然号称是对缓存器的研究，实际上仅限于对于存储体的研究。尽管 缓存时间是一个重要指标，但是为了有效地进行写入与读出，以便适应数据包长 度的变化和控制的需要，读写速度也是一个基本的性能。目前上述实验都还没有 涉及到这个重要问题。 s t a c l 耐q d 图1 2 基于半导体量子点慢光缓存器 f i g 1 2s c h e m a t i co fa no p t i c a lb u f f e rb a s e do ns e m i c o n d u c t o rq ds t r u c t u r e s 3 、以光纤为存储体的光纤环路缓存器 5 由于光子是玻色子，它的静止质量为零，不能停止运动，所以光子的存储必 须采用一种光子能在其间运动的介质，这种介质可以称为存储体。光纤就是一种 比较理想的存储体，它不仅可以使光子在其中运动，而且可以比较方便地做成所 需要的形状，比如一个封闭的光纤环，如果它是理想的无损光纤，那么光子将在 其内永远的运转下去。但实际上光纤是有损耗的，为了补充光子的损失，必须加 入光放大器，这样就会引入噪声。虽然如此，在不自激的前提下的有放大器的光 纤环，可以使光子在光纤环内存活一定的时间。 关键的问题是如何将光子引入到光纤中( 写) 和如何从光纤中取出( 读) 。 由于光子从光纤中取出后，光纤中存储的信息也就随之消失了。所以这种只能读 一次光存储器( m e m o r y ) 只能称为缓存器( b u f f e r ) 。要想做到多次读出，毖须 在读出的时候，还要重新写一次( 刷新) 。国际上对全光缓存器( a l lo p t i c a lb u f f e r ) 或者全光存储器( a l lo p t i c a ls t o r a g em e m o 巧) 的研究十分重视，已经提出很多方 案和进行了一系列的实验。 光纤延迟线：最早被提出来的方案是利用光纤的延时特性配合光开关来调节 延迟时间，就构成了“交换延迟线 ( s w i t c h e dd e l a yl i n e ，s d l ) ，它是由美国 m a s s a c h u s e t t s 大学的i c h l a m a t a c 等人在1 9 9 1 年提出的【1 1 】，其结构如图1 3 所示。 光子在光纤中传输会产生5 n s m 的时间延迟，对于1 0 g b s 的码流可以容纳大约5 0 比特，对2 5 g b s 的码流可以容纳1 2 个比特，原则上该结构的缓存器可以精确到1 个比特。当两个数据包冲突时，可以将优先低的数据包在延迟线中暂存一定时间 后再输出。但它的缺点也是显而易见的：首先它不能进行“读一写控制，并不 是真正意义上的缓存器，严格地说只是一个可调延时器，延迟时间也非常有限。 此外，存储时间不能随意调节，对于比较复杂的调节要求，将导致节点数的增加， 成本、数据串音都会随之增加。 妞i i f l 2 o u t l 0 u t 2 s w i s w 2 s w 3 图1 3 交换延迟线( s d l ) f i g 1 3s w i t c h e dd e l a yl i n e 基于反射光纤( f p 腔) + 光开关的方案【1 2 】：如图1 4 ，基本思想是在一根光纤 的两端，分别加一个透过率( 反射率) 可调的镜片构成。当需要把光信号引入时， 可将m 1 调整到透光状态。待光信号进入光纤后，m i 立刻转换为全反射状态，m 2 此时也是全反射状态，于是光信号就在由两个全反射镜组成的f p 腔中来回运动， 6 被存储于光纤中。当需要读出的时候，只需将m 2 改成透光状态即可。原则上，光 子可以在f p 腔中存活相当长的时间。改变透过率的方法有很多，最常见的可以是 非线性环路镜n o l m ，t o a d 或n f s if n o n l i n e a rf i b e rs a g n e ci n t e r f e r o m e t e r ) 等光 开关。目前，他们已经取得了较大的进展，可以将3 2 b i t 的1 g b s 的信号存储时间 长达l m s 以上。2 0 0 1 年在该方案的基础上将反射镜m i 该为非线性光纤环路镜 ( n o l m ) 用于存储数据包的“读写 控制【l 弘h j 。 瓢蚺o 删r m l m 2 - l 叫 图1 4 基于法布里一珀罗腔的光缓存器 f i g 1 4a l l o p t i c a lb u f f e rb a s e do nf a b r y - p e r o tc a v i t y i 亡卜吨酬y 垫塑塑。l j 铂 翟髫佻 g o d 0 。1 a m r 图1 5 光纤环耦合方式输出的光缓存器 f i g 1 5a l l - o p t i c a lb u f f e rb a s e do i lf i b e rl o o pc o u p l i n g 使用最为广泛的是基于光纤环( f i b e rl o o p ) 的方案【15 1 。带有功率补偿的光纤 环如果不考虑噪声的积累，理论上信号在里面的存储时间无上限，技术的关键是 如何将信号“写入”和“读出”。文献1 1 6 采用的是光耦合输入一耦合输出的方 式，其结构如图1 5 所示。光纤环中的9 0 ：1 0 耦合器用于耦合输出存储数据包，2 7 米长的掺铒光纤在外界泵浦光的作用下对环中数据进行功率补偿，整个光纤环长 2 3 5 米，成功实现了1 0 g b s 、1 2 5 k b 数据包的存储。该方案的另一特点还在于它 利用半导体激光二极管的交叉增益调制首次实现了光域的幅度调制，减小了环内 信号的时间抖动，1 9 9 8 年该系统实现了4 0 g b s 、3 0 0 圈的信号存储【1 7 1 。 波长变换技术在1 9 9 6 年提出用于光纤环数据的读写操作【1 8 以9 】，其结构如图1 6 所示，环两侧的阵列波导光栅a w g 起复用和解复用的功能，光纤布拉格光栅f d b 控制缓存器的输出波长为厶，光纤环长2 4 米。当数据包需要被缓存4 圈时则初始 数据的波长选择五，进入缓存器后要先后经历五一五，乃专五，五一无，五。专丑 这样的波长变换过程后由左端的光纤布拉格光栅f b g 输出；当初始数据的波长为 如时，则经历五一五，五j 气，允4 专以变换后缓存3 圈输出，依此类推，可通过 改变初始数据的注入波长来控制缓存的圈数亦即存储时间。 图1 6 基于波长变换的环行全光缓存器 f i g 1 6o p t i c a lb u f f e rb a s e do nw a v e l e n g t hc o n v e r t o r 2 0 0 5 年基于3 3 平行排列耦合器的双环耦合全光环缓存器( d l o b ：d u a l 1 0 0 p o p t i c a lb u f f e r ) 方案被提出，其结构如图1 7 所示【2 0 】。该缓存器巧妙地利用了3 3 平 行排列耦合器的干涉特性，由光纤连接耦合器两侧的边端口形成o o 字型光纤环， 数据包的读写控制则是由放置于环中的半导体光放大器( s o a ：s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ) 这一非线性相移元件来完成。当需要被缓存的数据包经环型器进 入耦合器的2 端口，它在4 、6 端口将被分为等强度的两束光分别沿顺时针和逆时 针方向传输。当同步控制光脉冲不存在时，两束信号光绕行右侧环一周后返回耦 合器二次干涉后将由原输入端口2 反射输出。当同步控制光通过一个波分复用耦 合器w d m 引入光纤坏时，由于s o a 中交叉相位调制的作用两束信号光间将会产 8 生一非线性相移。调节控制光的功率使得该相移达到万时，信号光干涉后将会出现 在1 、3 端口，此后信号光将会一直在字型光纤环中绕行，这就是存储效应。当 要读出数据时只需再次引入控制光脉冲，这样数据包就从2 端口被读出。该方案 的优点在于结构简单易于集成、读写速度快易操作。目前已实现了2 5 g b s 、3 2 圈 的数据存储。 一尼p c 控制光入 | 4 信号输入旦镬环行器 信号输出r 3 l w d m s o a e v o a 5 主环 e v o a 图1 7 双环耦合全光缓存器 f i g 1 7d u a l - l o o po p t i c a lb u f f e r 9 w d m 制光出 i p c 2 半导体光放大器的非线性效应的理论分析 2 1 半导体光放大器基本结构及工作原理 半导体光放大器在光纤通信系统中有广泛的应用，不仅可作为光发送机的功 率放大器、光纤系统的在线中继放大器、 大器，还可用于高速通信网中的光开关、 处理模块的非线性器件。 光接收机的前置放大器和光分路补偿放 光复用解复用器和波长变换器等光信号 2 1 1 半导体光放大器( s o a ) 的结构 半导体光放大器是一种把发光器件一半导体激光器结构作为放大装置使用的 器件，因为具有能带结构，所以其增益带宽比采用光纤放大器的宽。另外，通过 改变所使用的半导体材料的组成可以使波长使用范围超过l o o n m ，这是半导体光放 大器的一个突出特点。半导体光放大器由有源区和无源区构成，如图2 1 所示， 有源区为增益区，使用i n p 这样的半导体材料制作，与半导体激光器的主要不同 之处是s o a 带抗反射涂层，以防止放大器端面的反射，排除共振器功效。抗反射 涂层就是在端面设置单层或多层介质层。以平面波入射单层介质层时，抗反射膜 的条件相对于厚度为1 4 波长。实际的放大器，传输光是数微米的点光，可以研 究假想波导模严格的无反射条件。 层 无反射层窗口 图2 1 半导体光放大器的结构 f i 9 2 1s t r u c t u r eo fs e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f e r 去除端面反射影响的另一种方法，也可以采用使端面倾斜的方法和窗结构。 把光放大器作为光通信中继放大器使用，入射光的偏振方向是无规则的，最好是 偏振波依赖性小的放大器。为了消除这种偏振波依赖性，可以引入运用窄条结构 使激活波导光路近似正方形断面形状的方法和施加抗张应力，以增大t m 波增益的 应变量子阱结构。目前，实现偏振无关半导体光放大器的方法有很多种，如张应 1 0 变量子阱结构、应变补偿结构、同时采用张应变量子阱和压应变量子阱的混合应 变量子阱结构等。 图2 2 1 3 , u m 偏振无关半导体光放大器结构示意图 f i g2 21 3p mp o l a r i z a t i o n - i n s e n s i t i v es 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 图2 2 为采用脊型波导结构的应变量子阱光放大器基本结构图。有源区采用 4 c 3 t 混合应变量子阱结构，即4 个压应变量子阱，3 个张应变量子阱，压应变和 张应变量子阱之间用与i n p 晶格匹配的1 2 n m 宽的i n g a a s p 垒层隔开；上下波导层 分别为波长1 1 5l am 的i n g a a s p 匹配材料；包层为p 型i n p ，接触层为重p 型掺 杂i n g a a s 材料，材料的外延法生长过程中，1 3 型掺杂源为硅烷( s i h 4 ) ，p 型掺杂 源为二甲基锌( d m z n ) ；材料生长完成后，采用标准的光刻、反应离子刻蚀、湿法 腐蚀、蒸发、溅射等工艺制作脊型波导结构。 2 1 2 半导体光放大器( s o a ) 的原理 半导体光放大器的原理与掺稀土光纤放大器相似但也有不同，其放大特性主 要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。它虽然是粒子数反转放大发光，但 发光的媒介是非平衡载流子即电子空穴对而非稀有元素。半导体的发光可根据激 发方式的不同分为光致发光、电致发光和阴极发光等。光致发光是指用半导体的 光吸收作用来产生非平衡载流子，实际上是一种光向另一种光转换的过程。电致 发光是指用电学方法将非平衡载流子直接注入到半导体中而产生发光，这常借助 于p n 结来完成。在半导体中电子的能级限制在导带和价带两个带内，在导带中电 子充当移动载流子，在价带中空穴充当载流子。半导体在外界激发下，可将价带 中的电子激发到导带中，同时在价带中留下空穴，所产生的电子和空穴分别跃迁 到导带底和价带顶，这一过程只与晶格交换能量而不产生光发射，称为无辐射跃 迁，与此同时，导带底的电子还要跃迁到价带顶与空穴复合，并同时发射光子， 二者形成动态平衡，与热平衡状态下的情况不同，这时的电子和空穴为非平衡载 流子，载流子的分布不再是费米统计分布。由于电子从导带底跃迁到价带顶的时 间常数即辐射寿命( 1 0 母s ) 与无辐射跃迁的时间常数( 1 0 0 2 1 0 1 3 s ) 相比相对较 长，所以可以认为电子和空穴各自保持热平衡状态，对载流子的这种准平衡状态 分别用准费米能级e m 和e r r 来表示。半导体的辐射跃迁包括自发跃迁和受激跃迁 两个过程。自发辐射跃迁是指占据高能态的电子可以自发地跃迁到低的空能态与 空穴复合，同时发射一个光子，这一过程称为自发辐射发光；受激辐射跃迁是指 与一个理想的光子相互作用后导致的受激辐射。这两个过程类似于e d f a ( 掺铒光 纤放大器) 中的自发辐射和受激辐射过程。其实半导体的两个能带所扮演的角色 类似于e d f a 中的能带e 1 和e 2 所起的作用，只是它的能带比e d f a 的能带更宽。 一个带隙e k 把处在下面的导带和上面的价带分开，这样，从一个能带转移到另一 个能带内所发生的能量改变至少是k ，因此，若h v e g ，则半导体吸收光子，当吸 收了泵浦光子后就会在导带中产生电子，而在价带中留下空穴，然后电子和空穴 都迅速向能带的最底点驰豫，并通过发射一个能量为禁带宽度能量的光子复合。 如果泵浦源的强度越来越大，电子将会趋向于累积在导带的底部，空穴趋向于累 积在价带的顶部，直到电子空穴对的产生和复合达到动态平衡为止。如果假设带 内驰豫过程比带间复合速率快得多，那么可以利用准费米能级e m 和e r r 来描述电 子( 空穴) 的数目。于是导带底和e v s 之间的每个态都被添满，而价带顶和e r r 之 间的所有态都是空的，从而实现光放大。通过适当的选择半导体材料，就可获得 能使发射或吸收波长处于光通信所需要的范围( 如1 3 0 0 n m 或1 5 5 0 n m ) 内的带隙。 2 2 半导体光放大器的非线性效应 半导体光放大器是具有良好非线性特性的光子器件，它的非线性效应主要有 交叉增益调制效应、交叉相位调制效应、四波混频和交叉偏振效应，这些非线性 效应可以用来实现波长变换、光开关和多种全光逻辑功能。下面各小节将分别进 行描述。 2 2 1 交叉增益调制效应( x g m ) 理论 基于交叉增益调制( s o a - x g m ：c r o s s g a i nm o d u l a t i o n ) 效应的工作机理：一 连续光( 探测光) 和一脉冲光( 控制光) 同时输入s o a ，高功率的控制光吸收大量的载 流子引起s o a 增益饱和，此时，探测光在s o a 内受到s o a 增益的调制从而携带 与控制光反码的信号，这时s o a 起到一个逻辑非门的功能。 1 2 图2 3 同向入射情况下的s o a x g m 效应 f i 9 2 3s o a - x g m w i t hc o - p r o p a g a t i v eo p t i c a li n j e c t i o n 基于半导体光放大器的交叉增益调制效应( s o a x g m ) 的工作原理是利用输入 的信号光调制s o a 的有源区载流子浓度，通过光烧孔效应把载波信息复制到探测 光波长上来实现的。 p 椭 p 嘁 s o a 图2 4 异向入射情况下的s o a x g m 效应 f i 9 2 4s o a o x g m 谢lc o u n t e r - p r o p a g a t i v eo p t i c a li n j e c t i o n 如图2 3 和图2 4 所示，波长为乃的连续探测光与波长为五的信号光共同注入 到s o a 中，其中信号光功率较强，由于信号脉冲强度的起伏，使其消耗的载流子 数也发生相应的变化，引起s o a 增益饱和变化，也就是信号光强变化调制了s o a 的增益，同时载流子的变化会引起s o a 腔内折射率的变化；所以当探测光通过s o a 时，将会受到s o a 增益和折射率的调制，对于信号脉冲的波峰处，s o a 腔内增益 达到饱和，探测光获得不到增益，而在信号脉冲的谷底处，s o a 腔内增益没有达 到饱和，探测光获得很大的增益，最终的结果就是探测光的幅度和相位受到信号 光的调制，输出的探测光携带信号光的调制或编码信息，而且从s o a 输出的变换 光是信号光的反码脉冲序列。需要指出的是，在图2 3 中两束光同向输入s o a ， 在输出端需要有一个滤波器滤出允信号，而在图2 4 中，两束光反向输入s o a 时， 在输出端就不再需要滤波器，这样便可以简化结构。 s o a 的这种非线性增益特性可以用来实现波长变换、光开关和多种全光逻辑 功能。在图2 3 和图2 4 中，如果输入的强信号光为脉冲序列，它首先对s o a 的 增益进行了调制，使作为探测光的连续信号经过s o a 后受到s o a 增益的调制， 于是输出的探测光携带了信号光的调制或编码信息，而且从s o a 输出的变换光是 信号光的反码脉冲序列，这便实现了一个波长变换的过程。如果输入的强脉冲序 列信号a 为1 0 1 0 ，则输出的探测光便被调制为其反码形式0 1 0 1 ，即a ，这便实现 1 3 了逻辑非门的功能。 输入控制信号刊1 j 1 j 1 i 输出信号1 m 砸 连续光 输出信号u 1 盯 a b 图2 5 基于s o a - x g m 效应的波k 转换工作原理图 f i 9 2 5c o n f i g u r a t i o no f w a v e l e n g t hc o n v e r t e rb a s e do ns o a - x g m s o a 的x g m 型交叉增益波长变换原理如图2 5