（物理电子学专业论文）基于半导体光放大器全光码型转换的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 未来提高光通信网络容量的方案之一是结合波分复用( w d m ) 和光时分复用 ( o t d m ) 技术。由于超快的o t d m 系统偏向于使用归零( i 呓) 码，而速率相对较低( 如 1 0 0 b i t s ) 的w d m 网络多采用非归零( n r z ) 码，因此在超快的o t d m 系统与较低速的 w d m 网络接口处，全光r z 和n r z 码的相互转换就非常重要。此外，将n r z 信号 转换为包含时钟分量的r z 信号或伪归零( p r z ) 信号有利于n r z 信号的全光时钟提 取，因此在全光时钟恢复中全光码型转换十分重要。本文在国家重大基础研究计戈u ( 9 7 3 计划) 的资助下，对基于半导体光放大器( s o a ) 的全光码型转换进行了理论和实验研 究。主要内容有： ( 1 ) 介绍了未来光通信网络的可能发展趋势，分析了全光码型转换的意义，阐述 了全光码型转换的研究现状。 ( 2 ) 从载流子的速率方程、光功率的传输方程出发，采用s o a 的分段模型，对 s o a 的静态和动态增益饱和特性进行了模拟，并对数值模拟得到的结果进行了分析和 总结。 ( 3 1 基于半导体光放大器延迟干涉( s o a d i ) 装置实现了1 0 0 b i t s 全光r z 码到 n r z 码以及n r z 码到p r z 码转换的数值模拟。模拟了转换输出的波形，以及转换过 程中信号光经历的增益和位相变化，同时还分析了实现码型转换所需的条件及注入电 流对码型转换的影响。 ( 4 ) 基于环内含有半导体光放大器的光纤环镜( s o a 环镜) 实现了1 0 0 b i t s 全光 n r z 码到p r z 码转换的数值模拟。模拟了转换输出的波形，以及转换过程中信号光 经历的增益和位相变化。最后分析了两种码型转换方案的异同。 ( 5 ) 基于s o a 环镜实现了2 5 0 b i t s 全光n r z 码到p r z 码的码型转换，同时实现 了反向的波长转换。实验结果与理论计算吻合。 ( 6 ) 基于s o a - d i 装置进行了2 5 0 b i f f s 的n r z 码到p r z 码转换的实验研究。实 验中不能得到稳定的码型转换结果，对此分析了造成输出波形不稳定的主要原因，并 提出了可行的解决方案。 关键词。半导体光放大器全光码型转换非归零码归零码伪归零码 一 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b o t hw 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 d m ) t e c h n o l o g ya n do p t i c a lt i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o t d m ) t e c h n o l o g y a r el i k e l yt oe m p l o y e dt oi m p r o v et h ec a p a c i t yo ff u t u r e o p t i c a le o m m u u i c a t i o nn e t w o r k t h er e t u r n - t o - z e r o ( r z ) f o r m a ti sp r e f e r r e di nu l t r a f a s t o t d m s y s t e m ，w h i l et h en o n - r e t u r n - t o - z e r o ( n r z ) f o r m a ti sp r e f e r r e di nl o w e rs p e e d ( f o r e x a m p l e1 0 0 b i t s ) w d mn e t w o r k t h e r e f o r e ，a l l o p t i c a l r z - t o - n r zc o n v e r s i o na n d n r z - t o - r zc o n v e r s i o na r ee s s e n t i a li ni n t e r f a c i n gt h eu l t r a - f a s to t d m s y s t e m sa n dt h e l o w e rs p e e dw d mn e t w o r k s f u r t h e r m o r e , i ti sh e l p f u lf o rn r z s i g n a lt or e a l i z ea l l o p t i c a l c l o c ke x t r a c t b yc o n v e r t i n g f r o mt h en r z s i g n a l t ot h er z s i g n a l o rt h e p s e u d o r e t u r n - t o z e r o ( p r z ) s i g n a li n c l u d i n gc l o c kc o m p o n e n t t h e r e b y ，a l l o p t i c a ld a t a f o r m a tc o n v e r s i o ni sv e r yi m p o r t a n ti na l l - o p t i c a lc l o c kr e c o v e r y s u p p o r t e db yi m p o r t a n t n a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ( 9 7 3p r o g r a m ) ，t h i s p a p e rp r e s e n t s t h e t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so na l l - o p t i c a ld a t af o r m a tc o n v e r s i o nb a s e do n 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 ( s o a ) t h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep o s s i b l ed e v e l o p m e n tt r e n d o ff u t u r e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki s i n t r o d u c e d ；t h es i g n i f i c a t i o no fa l l - o p t i c a ld a t af o r m a tc o n v e r s i o ni sa n a l y z e d ；a n dt h el a t e s t r e s e a r c hp r o g r e s s e so f a l l - o p t i c a ld a t af o r m a tc o n v e r s i o na r ea d d r e s s e d ( 2 ) b a s e do nt h ec a r r i e rm t ee q u a t i o n , o p t i c a lp o w e rp r o p a g a t i n ge q u a t i o na n dt h e s e g m e n t e dm o d e lo fs o a ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cg a i ns a t u r a t i o np r o p e r t i e so fs o a a l e s i m u l a t e d ，a n dt h er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e d ( 3 ) b a s e do n t h es 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 - d e l a yi n t e r f e r e n c e ( s o a d i ) c o n f i g u r a t i o n ，i o o b i t sa l l - o p t i c a lr z - t o - n r z a n dn r z t o - p r zd a t af o r m a tc o n v e r s i o ni s s i m u l a t e dn u m e r i c a l l y t h ec o n v e r t e do u t p u tw a v e f o r m sa n dt h ec h a n g e so fg a i na n dp h a s e o f s i g n a ll i g h td u r i n gc o n v e r s i o n a r es i m u l a t e d t h e nt h er e q u i s i t ec o n d i t i o n st or e a l i z ed a t a f o r m a tc o n v e r s i o na n dt h ei n f l u e n c eo f i n j c o t e dc u r r e n ta r ea n a l y z e d ( 4 ) b a s e do nt h es o a l o o p - m i r r o r , 1 0 g b i t sa l l - o p t i c a l n r z t o p r zd a t af o r m a t c o n v e r s i o ni ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l y t h ec o n v e r t e do u t p u tw a v e f o r m sa n d t h ec h a n g e so f g a i na n dp h a s eo fs i g n a ll i g h td u r i n gc o n v e r s i o na r es i m u l a t e d t h e n t h es i m i l a r i t i e sa n d i i 华中科技大学硕士学位论文 d i f f e r e n c e sb e t w e e ns o a - d i c o n f i g u r a t i o na n ds o a l o o p - m i r r o ra r ec o m p a r e d ( 5 ) b a s e do nt h es o a l o o p m i r r o r , 2 5 g b i t s a l l - o p 6 c a ln r z t o p r zd a t af o r m a t c o n v e r s i o ni sr e a l i z e d ，a n di n v e r t e dw a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni sr e a l i z e ds i m u l t a n e o u s l y t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ei na c c o r d a n c ew i t ht h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n ( 6 ) b a s e do n t h es o a - d i c o n f i g u r a d o n ，2 5 g b i t sa l l o p t i c a ln r z t o ，p r zd a t af o r m a t c o n v e r s i o ni si ne x p e r i m e n t a ls t u d y b e c a u s eo f t h eu n s t a b l ed a t af o r m a t c o n v e r t i n gr e s u l t s ， t h em a i nc o u r s e so fu n s t a b l eo u t p u tw a v e f o n na r ea n a l y z e d ，a n dt h ep o s s i b l es o l u t i o ni s p r e s e n t e d k e y w o r d s ：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 ra l l o p t i c a ld a t af o r m a tc o n v e r s i o n n o n - r e t u r n - t o - z e r o ( n 购d a t ar e t u r n - t o - z e r o ( r z ) d a t a p s e u d o - r e t u r n - t o - z e r o ( p r z ) d a t a i l l 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 本章将介绍未来光通信网络的可能发展趋势，研究全光码型转换的意义及国内外 的研究概况，最后简单介绍本论文的主要工作。 1 1未来光通信网络的可能发展趋势 构筑更高速率、更大容量的光通信网络是全球性的研究热点。要实现更高的传输 速率和更大的传输容量，目前采用的主要技术是波分复用( w d m ) 技术和光时分复用 t d m ) 技术。 1 1 1w d m 技术简介【“列 w d m 本质是光域的频分复用技术，它根据一定的频率( 或波长) 间隔将光纤的 低损耗窗口划分为若干个信道，每个波长信道占用一段光纤的带宽。在每个波长信道 上运行一个系统( 各个系统的传输速率可以是一致的，也可以不一致) 。这样，通过 增加工作波长的数量，达到增加传输容量的目的。 利用w d m 技术，可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的容量比单波 长传输时增加几十倍。多个波长在光纤中传播，可以大大节约光纤和其它器件，对早 期安装的芯数少的光缆，利用w d m 技术可以比较方便的进行扩容而不必对原有系统 做较大的改动。由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因此可以透明的传输通信 业务类型完全不同的各种信号。另外，还可以利用w d m 技术选路来实现网络交换和 恢复，从而实现未来透明的具有高度生存性的网络。典型的点对点波分复用系统如图 1 1 所示： 蔓 n 算 用 置 用 量 先纤 量 图1 1 点对点w d m 系统 在发送端，利用光波作为载波，用波分复用器( 合波器) 将承载不同信号的不同 波长的光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，用解复用器( 分波器) 将 华中科技大学硕士学位论文 不同波长的光载波分开来分别接收。由于不同波长的光载波相互独立( 不考虑光纤的 非线性时) ，从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输。 由于光纤非线性效应以及光放大器的增益平坦范围等因素的影响，w d m 系统可 复用的波长数和传输距离都是有限的。通过采用o t d m 技术，可以提高单波长信道 的通信容量，从而构成更高速率，更大容量的光通信系统。 1 1 2o t d m 技术简介 o t d m 是用多个电信道信号调制具有同一光频的不同光信道，经复用后在同一根 光纤中传输的扩容技术 3 1 。典型的点对点o t d m 系统如图1 2 所示 4 1 ： 图1 - 2 点对点o t d m 系统 如图所示，o t d m 是一种利用时隙传送信息的技术。在发送端，每个时隙到达图 1 2 中所示的a 点后将沿n 个不同的路径( 距离不同的光纤延迟线) 到达b 点输出， 精确控制光纤延迟线的长度就可以得到n 个相等的时隙组成的一帧，即信息得到了复 用。在接收端，帧信息通过解复用器分配给指定的用户。整个传输过程中需要保持时 钟同步，使发送端与接收端的时隙准确一一对应。 由于o t d m 是在一根光纤中只传输单一波长的光信号，通过提高信号传输速率 来提高传输容量。其优点是：它对光放大器的增益平坦度要求较低，从而简化了光放 大器的应用管理；不存在各路功率叠加而产生的四波混频( f w m ) 串扰和拉曼散射问 题；由于o t d m 是在一根光纤上传输单一波长的光信号，所以便于利用光交叉连接 f o x c ) 技术实现上，下话路。缺点是设备较复杂，另外，由于o t d m 系统必须采用归 零( r z ) 码超短脉冲，所以占用带宽宽。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 1 3 未来光通信网络的可能组网趋势 如上所述，单独利用o t d m 技术或w d m 技术都可以构筑大容量的光纤通信网 络，但困难也很大，尤其在构筑全光网上。实际上，o t d m 技术与w d m 技术并不相 互排斥，如果将o t d m 技术和w d m 技术结合在一起，就可以扬长避短，有利于构 筑出高速、大容量、性能价格比合理的光纤通信网络。例如，可以用w d m 构成子网， 而用o t d m 高速信道将多个w d m 子网互连，组成更大规模的光通信网。因此， w d m o t d m 系统将成为未来高速率、大容量光通信网络的组网趋势之一。 1 2 全光码型转换的意义 如上所述，未来高速率、大容量光通信网络可能是用w d m 构成子网，而用o t d m 高速信道将多个w d m 子网互连而成。在速率相对较低( 如l o g b i t s ) 的w d m 网络中， 普遍采用的是非归零( n r z ) 码的调制格式，因为与r z 码相比，n r z 码具有简单、价 格便宜、对带宽需求低，时间抖动容忍度大等优点。而o t d m 系统则必须采用r z 码的调制格式，以便在时域上间插( i n t e r l e a v i n g ) 不同的信号，而且与n r z 码相比，r z 码的平均光功率低，对光纤非线性、偏振模色散( p m d ) 的容忍度更高，还有利于时钟 恢复。由于采用的调制格式不同，所以在o t d m 高速信道与w d m 子网的接口处， 全光r z 和n r z 码的相互转换就非常重要。 另外，就全光通信中的关键技术即全光时钟恢复技术而言，目前大多数应用都局 限于对r z 码的时钟恢复。与n r z 码相比，由于r z 码本身带有时钟分量，因而实现 起来比较容易；而对于不包含时钟分量的n r z 码，实现全光时钟恢复就很困难。对 于这个闯题，目前采用的多数方案是先把n r z 码转换成r z 或伪归零( p r z ) 码，然后 再从转换得到的信号中提取出时钟分量。因此，全光n r z 与r z 或p r z 码的相互转 换十分重要，有很高的实用价值。 1 3 全光码型转换的研究概况 由于全光码型转换技术的重要性和实用性，各国的学者对这一课题进行了深入广 泛的研究，报道了多种方案。下文对这些方案进行简单的概括。 1 3 1 用保偏光纤与偏振片实现n r z t o p r z 转换1 5 1 该n r z t o - p r z 转换装置实际是一个无源光干涉仪，由保偏光纤和偏振片组成， 3 华中科技大学硕士学位论文 如图l - 3 所示，其中图( a ) 为装置图，图( b ) 为时序图。 t 出兀n 几n 几几n ( a ) 装置图( b ) 时序图 图1 - 3 用偏振光纤和偏振片实现n r z - t o - p r z 转换 输入信号的偏振方向与保偏光纤的快轴成4 5 。角，保证光纤中传输信号的快轴和 慢轴模式等振幅。另外，经过保偏光纤后，两种模式之间的传输延迟约半个比特周期。 为了保证两种模式之间能产生干涉，放置在光纤输出端的偏振片的光轴亦设置成与光 纤的快轴成4 5 。角，由时序图可知，当信号的两种模式之间满足消光干涉条件时，该 装置实际完成了异或操作，这样就实现了n r z t o - p r z 转换。 这种方案的缺点在于，两种模式间的传输延迟是由保偏光纤的长度控制的，而很 多外在因素都会对光纤的长度产生影响，所以这种方案的稳定性不高。 1 3 2 偏振双稳垂直胺表面发射激光器( v c s e l ) 实现全光码型转换【6 】 实验装置如图l - 4 所示： 图l - 4 用v c s e l 实现全光码型转换的实验装置图 装置利用了偏振双稳v c s e l 的记忆特性和阙值特性。实现全光r z - t o - n r z 转换 时，需要将0 。偏振的r z 信号与9 0 。偏振的r z 信号( 延迟1 个比特周期) 同时注入 v c s e l ，时序图如图1 5 ( a ) 所示。只有0 。偏振的“l ”码注入时，v c s e l 输出0 。偏振 的“1 ，码；同样，只有9 0 。偏振的“l ”码注入时，v c s e l 输出9 0 。偏振的“1 ”码； 4 华中科技大学硕士学位论文 而o 。偏振的“1 ”码和9 0 0 偏振的1 码同时注入时，v c s e l 输出0 6 偏振的“1 ”码， 这样就实现了r z t o n r z 转换。 进行全光屹- t o r z 码转换时要求同时注入o 。偏振的n r z 信号，0 0 偏振的时钟 脉冲及9 0 。偏振的时钟脉冲( 延迟半个比特周期) ，时序图如图1 - 5 ( b ) 所示。当“1 ” 码的n r z 信号和0 。偏振的时钟信号注入v c s e l 时，输出为0 。偏振的“l ”码。当“l ” 码的n r z 信号与9 0 0 偏振的时钟注入v c s e l 时，输出就变成9 0 。偏振的“1 ”码，这 样就实现了n r z 和r z 码转换。要注意的是，用v c s e l 实现全光码型转换可以同时 得到o o 偏振的输出信号和9 0 。偏振的输出信号，两路信号互为反码。 ( a ) r z 4 0 - n r z 转换时的时序图( b ) n r z - t o r z 转换时的时序图 圈1 - 5v c s e l 实现全光码型转换时的时序圈 1 3 3 单片集成有源麦克尔逊干涉仪实现r z t o - n r z 转换网 实验装置如图卜6 所示： 图1 - 6 单片集成有源m i c h e l s o n 干涉仪实现r z - i o - n r z 转换。 在单片集成有源麦克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪中，干涉臂上的半导体光放大器 ( s 0 a ) 起到移相器的作用。r z 信号从其中一个干涉臂注入，引起该干涉臂上s o a 的 折射率和位相变化，由于载流子浓度的调制带宽有限，注入的r z 光脉冲会展宽a 这 5 华中科技大学硕士学位论文 种脉冲展宽效应再结合干涉仪的正弦传输方程就可以实现r e - t o n i l e 转换。 1 3 4 非对称马赫曾德干涉仪( a m z i ) 实现n r z t o p r z 转换1 1 0 - 1 3 1 实验装置如图1 - 7 ( a ) 所示，时序图如图1 7 ( b ) 所示： | i 工j_ l 门| jlli l苴 。乃缠 碰 zn雠 雌 | l咀呲 ( a ) 实验装置图( b ) 时序图 图1 7a m z i 实现n r z t o p r z 转换 假设a m z i 两臂的光程差为l ，a ( t ) 为输入的n r z 信号的幅度变化，n 为纤芯 折射率，九为信号波长，t 和筇分别代表a m z ! 两臂闻豹时延和位相差，则a i ：z i 的光功率传输方程为； 即) = 竿+ 坐4 丛弓a ( ，) 弘咖o s ( 鳓 ( 1 - 3 - 1 ) 其中： f：hal(1-32) f = 一 一， 卸= 兰要址 ( 】3 3 ) 当a m z i 满足消光干涉条件时，通过调整l 或九，a m z i 就将n r z 信号转换成 p r z 信号。由图可知，a m z i 实际完成了异或操作。 1 3 5 基于s o a 自相位调制( s p m ) 的n r z t o p r z 转换【1 4 ，1 5 】 典型的实验装置如图1 - 8 所示。装置的工作原理为：波长为九的n i l e 信号通过 s o a 时将消耗s o a 的增益，导致在n r z 信号的上升沿处产生过冲( o v e r s h o o t ) ，如 果将这一过冲提取出来就得到了n r z 信号的时钟分量。由于s o a 的自相位调制( s p m ) 效应，n p , z 信号上升沿附近的波长会出现啁啾，向长波长方向移动从，如果将波长 为九的n r z 信号过滤掉，并将产生的中心波长为n 酞的时钟分量提取出来，就实现 6 华中科技大学硕士学位论文 了n r z t o - p r z 转换。要注意的是，s o a 有源区内载流子的恢复时间会限制了信号处 理的速率，因此这种方案不适合高速率的应用。 图1 - 8 ( a ) 与图1 - 8 ( b ) 的差别在于，图1 - 8 ( a ) 中，n r z t o p r z 转换器由s o a 和窄带 光栅滤波器( o b f l ) 构成，并采用光纤锁模激光器来提取时钟；而图1 - s c o ) ， n r z t o p r z 转换器由s o a 和光纤布拉格光栅( f b g ) 组成，采用两段式分布反馈激 光器( t s d f b ) 来提取时钟。 分变量 ( a ) 方案一 攘大元嚣墨 ( b ) 方案二 图卜8 基于s o a 的s p m 的n r z - t o - p r z 转换器 1 3 6 单片集成s o a d f b 激光器实现n r z - t o r z 转换1 6 t 7 1 如图1 9 ( a ) 所示，实验中用到的主要器件是单片集成s o a d f b 激光器，图1 - 9 ( b ) 为实验装置。其工作原理基于器件放大部分( s o a ) 的增益饱和特性，其中，d f b 激光 器的激射波长为k 。当s o a d f b 激光器偏置在闽值之上时，如果将波长为h 的n r z 信号注入到器件的放大部分，由于s o a 的增益饱和特性，输入“1 ”码时，d f b 激光 7 华中科技大学硕士学位论文 器没有光输出，即输出“0 ”码；反之，输入“0 ”码，d f b 输出“1 ”码，这样就得 到了交叉增益调制( x o m ) 型波长转换。在此基础上，如果用时钟信号来开关d f b 部 分，就得到了与时钟信号同步的r z 信号。要注意的是，这种装置得到的转换信号是 输入信号的反码。 增遗置 懈 絮譬墨区 - 馥米_ - 一量米+ 增透一 ， 砉差茬瞒 硪m z ， 党一 1 ) 控慰 华中科技大学硕士学位论文 用n o l m 实现全光码型变换的实验装置如图1 - 1 1 所示，图1 一1 1 ( a ) 为n o l m 实现 r z m - n r z 转换，图1 - 1 1 0 ) 为n o l m 实现n r z t o r z 转换。 ( a ) n o l m 实现r z - t o n r z 转换 ( b ) n o l m 实现n r z - t o - r z 转换 图卜i in o l m 实现全光码型转换 n o l m 实现r z m - n r z 转换时，信号光为连续光，控制光为r z 脉冲。不加控制 光时，通过调整环内的偏振控制器l ，使得n o l m 工作在全反射的方式下。这样，在 加入控制光( r z 脉冲) 后，当r z 脉冲为“0 ”码时，端口2 没有信号光输出，当r z 脉冲为“1 ”码时，端口2 有信号光输出，即输出信号k 实际复制了r z 控制信号的 波形。实验发现当信号光与控制光的走离( w f l k o 达到一定程度时，变换信号波形发 生畸变，脉冲开始展宽。走离越大，展宽越明显，这样连“1 ”的码就会发生交叠， 利用这一现象就实现了r z - t o - n r z 变换。 n o l m 实现n r z _ l o r z 转换时，信号光为n r z 脉冲，控制光为时钟信号，不加 控制光时，n o l m 也工作在全反射的方式下，因而工作原理与r z - t o - n r z 转换类似， 不同点在于实现n r z - t o r z 转换时，要避免信号光与控制光的走离引起的波形畸变， 因此要求信号光与控制光的走离越小越好。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 3 8 s o a 环镜实现全光n r z - t o p r z 转换【2 4 】 根据1 3 7 中提到的s a g n a c 干涉仪的工作原理，如果s o a 环镜为对称结构，即 s o a 位于环路的中心位置时，由于在环形镜中沿顺时针( c w ：e l o c k w i s e ) 和逆时针 ( c c w ：c o u n t e rc l o c k w i s e ) 方向传输的两路信号分量的传输路径相同，因而这两路信号分 量沿环路传输完后产生的位相差和增益差为0 ，导致在耦合器中干涉产生的信号光完 全从端口1 输出。如果将s o a 非对称放置在光纤环镜中，即s o a 偏离环路的中心位 置时，由于两路信号分量通过s o a 的时间不同，沿环路传输完后就出现了位相差和 增益差，导致在耦合器中干涉产生的信号光可能从端1 22 输出。同时，由于s o a 中 的x g m 和x p m 效应，两路信号分量在环路中获得的增益和位相变化还与控制光的 强度有关。因此，通过仔细调节s o a 的偏移位置和控制光的强度，使两路信号分量 满足相消干涉条件时，就可以实现全光码型转换。实验装置如图1 - 1 2 所示，实现 n r z t o p r z 转换时，控制光为n r z 脉冲，信号光为连续光。 图1 1 2s o a 环镜实现全光n r z - t o - p r z 转换 1 3 ，9 半导体光放大器延迟千涉( s o a - d i ) 装置实现r z - t o - p , 浓z 转换口5 2 9 1 实验装置如图1 1 3 所示： 图1 1 3s o a - d i 装置实现r z - t o - n r z 转换 1 0 华中科技大学硕士学位论文 其中，s o a - d i 装置是一块单片集成的芯片。由于s o a 的增益饱和效应，作为控 制光的r z 脉冲将对作为信号光的连续光( c w ：c o n t i n u o u sw a v e ) 的幅度和位相进行调 制，通过调节延迟干涉装置两臂的延时和位相差，使两路信号分量满足相消干涉条件 就可以实现r z t o 小限z 的转换。 1 4 研究方案的选取 如前所述，保偏光纤与偏振片组成的时钟提取装置基于正交的两种偏振模式间的 干涉特性，而基于偏振双稳v c s e l 的装置也利用了信号的两种偏振态，由于很多外 在因素都会影晌信号的偏振态，因而这两种方案都必须对偏振进行严格的控制。基于 s o a 自相位调制效应的方案由于受s o a 有源区内载流子恢复时间的限制，因而不适 合高速率的应用。 从实验室的现有条件出发，很难对那些基于集成芯片的实验装置，例如单片集成 有源麦克尔逊干涉仪，单片集成s o a d f b 激光器等进行实验研究。a m z i 和s o a d i 装置如果不是集成芯片，而采用分立器件构成，那么装置的稳定性不高，调整时将十 分困难。与s o a 环镜相比，n o l m 对光源输出功率的要求较高，所以我们最终选择 了s o a 环镜作为实验研究的方案。另外，尽管s o a - d i 装置的结构与s o a 环镜不同， 但两者的工作原理十分相似，因此在理论研究时，本文对s o a - d i 装置和s o a 环镜 均进行了数值模拟。同时还对分立器件构成的s o a - d i 装置进行了阶段性实验研究。 1 5 本文的主要工作 w d m o t d m 系统将成为未来高速率、大容量光通信网络的组网趋势之。由于 超快的o t d m 系统偏向于使用r z 码，而速率相对较低( 如l o o b i v s ) 的w d m 网络则 普遍采用n r z 码，因此在o t d m 与w d m 的接口处，全光r z 和n r z 码的相互转换 就非常重要。此外，将n r z 码转换成r z 码或p r z 码有利于n r z 信号的时钟提取， 因此具有很高的实用意义。本文从理论和实验两个方面对基于s o a 的全光码型转换 进行深入的研究，具体内容如下： 第一章为绪论，介绍了未来光通信系统的可能发展趋势，分析了全光码型转换的 意义，阐述了目前这一课题的研究概况，并选取了研究方案。 第二章对s o a 的增益饱和特性进行了数值模拟。深入研究了s o a 的静态和动态 增益饱和特性，为后继章节的研究做出铺垫。 华中科技大学硕士学位论文 第三章对基于s o a d i 装置的全光码型转换进行了理论研究。通过数值计算模拟 了转换输出的波形以及转换过程中信号光的增益和位相变化，同时还分析了实现码型 转换所需的条件及注入电流对码型转换的影响。 第四章对基于s o a 环镜的全光码型转换进行了理论研究。通过数值计算模拟了 转换输出的波形以及转换过程中信号光的增益和位相变化，同时还分析了两种码型转 换方案的异同。 第五章对基于s o a 环镜的全光码型转换进行了实验研究。描述了实验方案和具 体的实验步骤，然后给出了实验研究的结果，最后对实验结果进行了分析和总结。 第六章对基于s o a d i 装置的全光码型转换进行了实验研究。描述了实验方案和 具体的实验步骤，然后给出了实验研究的结果，最后分析了不能得到稳定输出波形的 原因。 第七章总结了课题的研究工作。并在最后列出了参考文献和攻读硕士学位期间发 表的学术文章。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 s o a 增益饱和特性的理论研究 s o a 是光通信研究中的热点器件之一，在光纤通信系统中有广泛的应用。s o a 不仅可以放在光发送机后作为功率放大器，还可以用作在线中继放大器，以及光接收 机的前置放大器和光分路补偿功率放大器。此外，s o a 还可以用于高速通信网中的光 开关，波长转换器，全光3 r 再生器等非线性应用中。s o a 用作在线放大时通常工作 在非饱和状态，利用的是s o a 的小信号增益特性；而在非线性应用时通常工作在饱 和状态，利用的是s o a 的增益饱和特性。本章首先简单介绍了s o a 的增益饱和特性， 然后给出经典的s o a 数学模型，接着对该数学模型进行了合理的简化并用数值计算 方法对s o a 的静态和动态增益饱和特性进行了数值模拟，最后对数值模拟得到的结 果进行了分析和总结。 2 1s o a 的增益饱和特性【3 0 】 s o a 的增益饱和特性表现在两个方面。一方面，随着注入电流的增加，放大器的 增益将增加，输出功率也相应增加，但电流增加到某一值后，受载流子增益恢复时间 的限制，增益受到抑制，进一步增加电流，增益不但不增加，反而下降( 等效于损耗 的增加) ，即出现了饱和。另一方面，当注入电流为某一定值时，在未达到饱和前， 输出光功率随着输入光功率的增加相应增加，光增益通常为常数。当输入光功率增加 到某一很高的值时，由于大量的载流予参与受激辐射复合，得不到及时的补充就出现 增益饱和甚至增益下降，表现为输出光功率增大的趋势随着输入光功率的增加而减 缓。 2 2 经典的s o a 数学模型 s o a 的数学模型基于s o a 有源区内载流子的速率方程和光功率传输方程。在运 动坐标系下可以表示为： 3 1 - 3 6 1 罟笋= 专一；墅出搿趔氐( m ) 叫， c 聊= 芦鼍铲趔纸+ 掣争型执陋：国 1 3 华中科技大学硕士学位论文 塑掣哦列飞聃，1 ( 2 2 锄 丝掣：【r g 朋飞 p t a s e ( “：，f ) 一盟掣型 2 z r 2 2 - 4 ) 其中，脚标w 代表不同波长分量的入射光；“+ ”和“”分别对应光波沿+ z 和 一z 方向传播。n 为s o a 有源区内载流子的浓度；p 。为对应h 的光功率；i 为注入 电流；e 为电子电荷量；v 为s o a 有源区体积；r 为光场限制因子；h 为普朗克常 数；v 为光波的频率；a 为s o a 有源区的横截面积；啪为有源波导的损耗系数；凡 为自发辐射速率，通常用经验公式来等效： r，()=卢0c2n2(2-25) 式中，p 。为自发辐射耦合因子，表明总的自发辐射复合中只有一部分耦合到相应 光场中；c 2 为双分子复合系数。 载流子速率方程等号右边第一项为载流子的注入速率，第二项表示所有入射信号 光引起受激发射所消耗载流子的速率；第三项s a s e 表示放大的自发辐射( a s e ) 引起的 载流子消耗速率；第四项r 为总的非辐射复合速率，一般用下式等效： 置( ) = c l n + c 2 n 2 + 岛n 3 ( 2 - 2 - 6 ) 其中，c l 为缺陷、表面复合导致的非辐射复合系数，c 2 即前面提到的双分子复合 系数，c 3 为俄歇复合系数。式( 2 - 2 1 ) n 式( 2 2 - 4 ) 中的g 。为对应h 的增益系数，它与 载流子浓度和光波的波长有关： g ，= g ( n n 即) 一r 2 ( a ，一a p ) 2 + ( 五。一a p ) ( 2 - 2 - 7 ) 旯，= ，一k o ( n 一0 ) ( 2 - 2 - 8 ) 其中，卧为微分增益系数； b 为透明载流子浓度；如为对应的增益峰值波长； 。为透明时的波长；岛为波长漂移系数；r 2 和r 3 为增益常数，r 2 与s o a 的增益 带宽有关，r 3 与增益谱的非对称性有关。 对上述方程组，一般采用s o a 的分段模型来求解，如图2 1 所示，将整个s o a 看成由m 个子段串联而成，当m 足够大时，可近似认为这些子段中载流子浓度不随 空间坐标变化，从而可以模拟s o a 有源区中载流子浓度随空间( 纵向) 和时间的变 化。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 图2 _ ls o a 的分段模型 2 3s o a 的静态增益饱和特性 2 ，2 节中给出的经典s o a 数学模型实际是关于s o a 有源区内载流予浓度n 和光 功率p 的方程组。由于方程组中包含非线性方程，因而不能推导出n 和p 精确的解析 解，只能采用数值计算的方法求得n 和p 的一系列数值解。 尽管a s e 噪声对s o a 的影响不可小觑，尤其是在小信号的情况下，由于a s e 噪 声将消耗一部分载流子，因此考虑a s e 噪声计算得到的小信号增益比不考虑a s e 噪 声得到的结果要小。但在特定的情况下，例如s o a 处于深饱和状态时就可以忽略a s e 噪声的影响。在本文研究的全光码型转换方案中，s o a 工作在饱和状态，为了简单起 见，以下的数值计算中都没有考虑a s e 噪声的影响。 2 3 1 方程组的离散化 采用分段模型计算s o a 的静态增益饱和特性，假设各段的长度均为止，计算中 对2 2 节中的方程组进行如下的处理： 首先对载流子浓度n 进行离散化，用n i 来表示图2 i 中第i 小段内载流予的浓度 值，并假设： n a d d 叫2 号 九一+ 七0 ( f 一) 】2 _ 号【九一2 , a w + k o ( i 一) 】3 ( 2 - 3 - 1 ) 则增益系数g 可以离散化为： g ，。= g ( n f - n 一n a d d 叫) ( 2 - 3 - 2 ) 将式( 2 2 3 ) 离散化得到： 只。l = r j e x p + f g ( f 一婶一n a d d ，) 一 缸) ( 2 - 3 - 3 ) 由于计算的是静态增益饱和特性即各个子段内载流予的浓度不随时间变化，即： 警= 。= 专一c c ，j + c ：研+ c ，埘，一莓穹蒉竿 c ：。t ， 经过简化和离散化处理后，只要给定边界条件，即入射光功率p w , l 的大小，就可 华中科技大学硕士学位论文 以通过求解非线性方程( 2 - 3 哪得到第一小段的载流子浓度n 1 ，然后根据公式( 2 3 3 ) 计 算出p w , 2 ，依次类推，由p w , i 可以计算得到n i , 再由n j 得到p 。i 十1 从而得到n 和p 的静态分布。 根据增益的定义有：【3 5 】 g 。，= 二詈丝= e x p + f g ( f m p n a d d ，) 一口d 止) ( 2 3 5 ) l “r 。：等：笋：等等笋氐g g 。朋 ( 2 3 - 0 7 ) = 十= 一2 u t u l ，一- i z j l 只。h只。1只只朋一1只，l “”。”、 7 2 3 2 单光束入射下s o a 静态增益饱和特性的研究 计算中采用的参数如表2 - 1 所示：f 3 6 l 表2 - l 计算采用的参数值 有源区的长度l ( m )s o 1 0 - 4损耗系数od ( m