（物理电子学专业论文）基于半导体光放大器的全光逻辑门.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 高速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， 近年来受到国内外广泛的关注。半导体光放大器( s o a ) 因为具备良好的非线性特性，十 分适合用来实现光逻辑功能。本文在国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划 - g 2 0 0 0 0 3 6 6 0 5 ) 项目的资助下，对基于s o a 的全光逻辑运算功能进行了较为完整的理 论和实验研究，取得了一定的研究成果。主要内容如下： ( 1 ) 在广泛查阅文献的基础上，分析了全光逻辑的研究背景和研究意义，概括了全 光逻辑的实现方案和研究状况。结合实际情况，选择了s o a 环镜和基于s o a 中的x g m 效应实现的逻辑门作为研究对象。 ( 2 ) 从s o a 中的载流子速率方程和光功率的传输方程出发，采用s o a 的分段模型， 数值模拟了s o a 的动态和静态增益饱和特性，并分析比较了计算结果。 ( 3 ) 分析了s o a 环镜的基本工作原理，推导了s o a 环镜透射端和反射端输出功率 的表达式，并在此基础上模拟了s o a 环镜的透射窗口的输出特性，根据模拟结果讨论 了s o a 环镜的物理参数和控制脉冲参数对其窗口特性的影响。 ( 4 ) 提出了基于两级级联s o a 的x g m 效应实现逻辑与门的结构，分析了这种方案 的实现原理，并对这种结构的与门的输出特性进行了理论分析。根据分析结果发现，选 择使用单端耦合的s o a 并合理控制第一级输出信号光功率可以有效的改善逻辑门的输 出特性。从实验上分别实现了两路2 5 g b s 和1 0 g b s n r z 信号的逻辑“与”运算，实验 结果与理论分析结果基本吻合。 ( 5 ) 根据s o a 环镜透射端和反射端输出功率的表达式，数值模拟了1 0 g b s n r z 信 号输入s o a 环镜后得到的输出结果，分别在s o a 环镜的透射和反射端实现了逻辑非门 和逻辑异或功能。基于s o a 环镜进行了2 5 g b s 的n r z 信号的逻辑“非”和环内的c w 、 c o w 两路信号的逻辑异或运算的实验研究，实验结果与理论分析结果基本吻合。 关键词：半导体光放大器全光逻辑交叉增益调制 半导体光放大器光环镜 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hs p e e da l l o p t i c a ll o g i cd e v i c ei sr e c e i v i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sf o ri t sw i d e a p p l i c a t i o n si na l l - o 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 lc o m p u t e r a n d o p t i c a lt r a n s m i s s i o n i nf u t u r e 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 ) i sv e r yf i t f o r o p t i c a ls w i t c h i n ga n d a l l o p t i c a ll o g i co p e r a t i o nd u e t oi t sn o n l i n e a rp e r f o r m a n c e s u p p o r t e db yi m p o r t a n tn a t i o n a l b 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 g 2 0 0 0 0 3 6 6 0 5 ) ，t h i sp a p e rp r e s e n t st 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 ll o g i co p e r a t i o nb a s e do ns o a t h e m a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a t i o no fa l l o p t i c a ll o g i ci s i n t r o d u c e d t h e p r i m a r yt e c h n i c a ls o l u t i o n sf o ra l l o p t i c a ll o g i ca r er e v i e w e d a c c o r d i n gt oo u re x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s ，t h es o a l o o pm i r r o ra n d t h el o g i cg a t eb a s e do nt h ex g mi ns o aa r ec o n s i d e r e d t ob es t u d i e d ， ( 2 ) b a s e do nt h ec a r r i e r r a t e e 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 aa r e s i m u l a t e d ，a n dt h er e s u l t so f n a 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 dd i s c u s s e d ( 3 ) t h et r a n s m i t t e da n dr e f l e c t e do u t p u tp o w e r so fs o al o o pm i r r o ra r ed e r i v e d ，o nt h e b a s i so fw h i c ht h ew i n d o wp r o p e r t i e sa tt h et r a n s m i t t e dp o r to fs o al o o pm i r r o ra r e s i m u l a t e d t h ei n f l u e n c e so ft h e p h y s i c a lp a r a m e t e r s o ft h es o al o o pm i r r o ra n dt h e p a r a m e t e r so f t h ec o n t r o ls i g n a l so nt h ew i n d o w p r o p e r t i e sa r ed i s c u s s e d ( 4 ) an o v e la l l o p t i c a ll o g i ca n dg a t eb a s e do nc r o s s g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) i nt w o c a s c a d e ds o a si s d e m o n s t r a t e d ，t h ep r i n c i p l e o fw h i c hi s a n a l y z e d a n dt h e o u t p u t p e r f o r m a n c e i ss i m u l a t e d s i n g l e - p o r t - c o u p l e ds o a sa r ee x p l o i t e dt oi m p r o v e l o g i co p e r a t i o n o u t p u tp e r f o r m a n c e t h eo u t p u ts i g n a lp o w e ra n de x t i n c t i o nr a t i o f r o mt h ef i r s t s t a g e w a v e l e n g t hc o n v e r s i o na r ec r i t i c a lt ot h ea l l - o p t i c a ll o g i ca n d o p e r a t i o n b a s e do nt h et w o c a s c a d e ds o a sl o g i cg a t et h el o g i ca n d o p e r a t i o no f 2 5 g b sa n d10 g b sn r z s i g n a l si s a c h i e v e di ne x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e d ( 5 ) t h et r a n s m i t t e da n dr e f l e c t e do u t p u tp o w e ro fs o al o o pm i r r o ra r es i m u l a t e da t i i 华中科技大学硕士学位论文 1 0 g b sn r z s i g n a l s a l l o p t i c a lx o r a n dn o t l o g i co p e r a t i o nb a s e do ns o al o o p m i r r o r a r ed e m o n s t r a t e d t h e o r e t i c a l l y b a s e do n s o a l o o pm i r r o r , 2 5 g b sa l l o p t i c a lx o r o p e r a t i o n b e t w e e nc wa n dc c ws i g n a l si sa c h i e v e da tt h et r a n s m i t t e dp o r to fs o al o o pm i r r o gw h i l e a 1 1 o p t i c a ln o to p e r a t i o no fi n p u ts i g n a li sa c h i e v e d a tt h er e f l e c t e d p o r ta tt h es a m e t i m e k e y w o r d s ：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 ) a l lo p t i c a ll o g i c c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) 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 rl o o p m i r r o r 1 1 1 独创性声明 本入声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，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，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王赖 日期：州年5 月8 同 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，即：学校有 权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。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：互颠 日期：如- 0 4 年占月8 日 指导教师签名：了铲杉 日期：占州年r 月? 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章将介绍全光逻辑的研究背景、研究意义，以及全光逻辑的实现方案和研究状况， 最后简要介绍了本文的主要工作。 1 ，l 全光逻辑的研究背景 随着人们对通信业务需求的不断增加，大幅度提高通信容量、发展全光网络已经成 为热点。虽然目前实验室可以实现速率为4 0 g b s 的电时分复用系统，然而受电子运动 速率的限制，其传输速率已很难再提高了。而且电方式只支持单一的业务形式，当其他 协议接入它所支持的协议时，需要增加转换设备，并且使整个网络的管理趋于复杂化。 相对而言，在全光网络中，由于无需电信号的处理，所以允许存在各种不同的协议和编 码形式，使信息传输具有透明性。而且全光交换减少了网络中的光一电一光转换，节省 了大量的投资，透碉的光交换使得用户速率更容易升级到未来的更高的传输速率。 全光网中，光交换方式分为：光线路交换( 包括波长交换、光纤光缆空间交换) 、 光分组交换和光突发交换( 包括光标签交换) i l 】。目前对光线路交换和光突发交换的研 究已经比较成熟了。光分组交换可以看作是电分组交换概念在光域的延伸。由于交换设 备必须具备处理最小分组的能力，所以光分组交换技术要求节点的处理能力非常强，对 光部件的性能要求也就很高。而光开关是大型分组包交换系统的核心器 卑和决定网络 性能的关键因素，所以也是全光网中的关键器件。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 辑器件的功能还较简单，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。现在如果要确保用户与用户 之间的信号传输与交换全部采用光波技术，这样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。 除了光交换以外，现在的计算机也受到“电子瓶颈”问题的限制，而光子是提高计算 机计算速度的关键所在。光学逻辑的发展是实现电计算转向光计算和全光数据交换的基 础，例如全光x o r ( 异或门) 是光判决和比较回路里非常关键的逻辑功能。而全光时 分交换网中对光信头的识别和处理都将采用全光数字信息处理技术，它不仅可以克服 华中科技大学硕士学位论文 “电子瓶颈”限制，提高网络容量，还可实现对网络信息码流的全光3 r 再生，有效地降 低信号噪声和串扰积累问题，并能够真正实现按需分配带宽。 除此之外，目前的超高速光网络带宽很宽，其中传输的是基于二进制被调制的光脉 冲群的。在这样的网络中，信号处理需要实现高速地址确认、数据包头部信息更改、数 据完整性确认等功能。由于传输的光包都是高速率的，一项十分艰巨的工作就是研究适 合如此高速率的基于光信号的加密技术了。加密算法可以使用传统的算法，但是必须在 高速光逻辑器件上实现。 综上所述，全光逻辑的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。s o a ( 半导体光放大器) 因为具备良好的非线性性能，十分适合用作光开 关和实现光逻辑功能。目前国内外对s o a 用作光开关已经作了广泛而深入的研究，也 正在尝试着用s o a 用来实现一些全光逻辑功能。 1 2 全光逻辑的实现方案及研究概况 基于s o a 构成的全光逻辑门，从构成原理上大体上可以分为两类，一类是基于干 涉原理来实现的，另类是基于s o a 中的x g m ( 交叉增益调制) 效应来实现的【2 1 。 迄今为止，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- - e e 重要 结构s l a l o m ( s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r l o o p m i r r o r ( 半导体光放大器光环镜) ， 也叫作t o a d ( t e r a o p t i c a l a s y m m e t r i c d e m u l t i p l e x e r t 赫兹光非对称解复用器) ) 为例， 基于它的研究仍然集中在s l a l o m 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o a d m ，同时还能解复用来自o t d m ( 光 时分复用) w d m ( 波分复用) 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。 除此之外，国外也从理论和实验两方面，对基于s o a 中的x g m ( 交叉增益调制) 效应来实现的逻辑门也作了大量研究。 下文力求对这些实现方案加以总结和概括。 1 2 1 基于干涉原理构成的全光逻辑门 ( 1 ) 基于u n i ( 超快非线性干涉仪) 的x o r ( 异或门) 【3 】【4 】 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 1 ( a ) 所示。 信号脉冲从左端进入u n i ，经过第1 个p s i ( 保偏器) 后保持一定方向的偏振态，然后 2 华中科技大学硕士学位论文 经过第l 段b r f ( 双折射光纤) 后分离成正交偏振、有定延时的两个脉冲。两脉冲 先后进入s o a ，被s q 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。 现在假设这样一种情况：左端输入的信号光功率比较低，而从右端的c o n t r o l 端口 入射的信号光功率比较高；在左端的前一脉冲先经过s o a 后，后一个光脉冲进入s o a 前，u n i 右端的c o n t r o l 端口输入控制脉冲，并通过耦合器输入到s o a ，接着左端的后 一脉冲再通过s o a 。由于左端的前一个入射脉冲的光强度较小，s o a 中不会产生增益 非线性，而左端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，从而获得附 加相移。这样两个脉冲经过第2 段b r f 后，重新在时间上重叠。由于两个脉冲有一相位 差，当它们通过一个4 5 。检偏器( 第2 个p s i ) 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。 ； 专 i l c o n t r o l l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j ( a ) u n i 的结构示意图 o u t a b ( b ) 基于u n i 的x o r 原理图 图1 - 1 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 1 ( 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， 华中科技大学硕士学位论文 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。 这种结构的异或门的缺点就是对实验条件的要求比较苛刻，比如要求精确延时，使 控制信号a 、b 进入s o a 的时间分别恰好在左端两个脉冲之前，这对实验的要求比较 高。但这种结构具备输出结果稳定的优点。 ( 2 ) 用i w c ( 干涉型波长转换器) 实现x o r i 习 用i w c 实现x o r 的原理如图】一2 所示。在这种结构中信号脉冲的峰值功率要比连 续光的功率强的多，s o a 的增益特性主要受信号脉冲的影响。连续光丸x o r 分为两柬进 入两个s o a 。当信号l 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“l ”和0 或者 “0 ”“l ”时，两个s o a 的载流子分布和折射率不同，h 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。 信号1 连麓盎 信号2 m e c h z e h n d e r 干涉仪 h ! 一! 惑罾 也。| ! 恻 工x o r 0 u t 口u t 圈1 - 2 用t w c ( 干涉型波长转换器) 实现x o r 这种方案特点在于：结构非常紧凑，十分适合集成，但是使用分立器件来实现就比 较困难了。 ( 3 ) 基于s l a l o m 构成的逻辑与门和逻辑异或f - j i 6 1 3 】 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 3 所示。 4 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 3s l a l o m 的结构图 它包括一个短光纤环、环两端用个2 x 2 的3 d b 耦合器连接、一个稍微偏离光纤 环中点放置的s o a 和一个波分复用器。偏置量d x 为环的中点到s o a 中心的距离。假 设图1 3 中从c o u p l e r l ( 称作主耦合器) 进入s l a l o m 的p 2 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p l 信号脉冲光波长与p 2 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 v v 脉冲( 这里c w 代表顺时针) 。由于非线性元件( s o a ) 偏离环中点一定的距离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z x x 的时间非对称量，即a t = a x v 。，v g 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x ，使2 a t 小于s o a 中载流 子的恢复时间，那么当p l 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 o 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 ) 和交叉相位调制( 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 ”“l ”时，在端口b 可滤出波长在p 2 的光， 视作输出为“l ”；当p l 和p 2 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 ；丽当当p l 和p 2 信号分别为0 “0 ” 和“1 ”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p l 和p 2 信 号之间的a n d 。 华中科技大学硕士学位论文 当2 a t 小于s o a 中载流子的恢复时间时，s l a l o m 可以实现p i 和p 2 信号间的 a n d 。如果调整2 a t 使它大约等于s o a 中载流子的恢复时间，则可以用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 “l ”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“1 ”；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 o 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x o r 功能。 ( 4 ) 基于m a c h z e h n d e r 干涉仪构成的逻辑门 由m a t 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i - 4 ( a ) 所示，其工作原 理与环形结构的s l a l o m 相似：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，o u t p u t 端口有输出。 ( a ) c p m z ( b ) s m z 图1 4 由m z i 构成的解复用器 这种m z i 的解复用器，被称作c p m z ( c o l l i d i n gp u l s em a c h z e h n d e r ) 。与环形结构 不同的是，m z i 中控制光与信号光相向传输，输出端口无需滤波器，而且控制光能够无 6 华中科技大学硕士学位论文 附加耦合损耗地被耦合进干涉仪。 图1 - 4 ( b ) 所示是另一种m z i 的解复用器一s m z ( s y m m e t r i cm a c h - z e h n d e r ) 。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。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。 由于m z i 结构的解复用器构成原理与s l a l o m 非常相似，所以，也可以用来实现 逻辑a n d 和x o r 功能。 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 的x g m 原理构成的全光逻辑门 除了使用干涉结构外，文献还报导了一些使用多个s o a 来构成逻辑门的方案。 ( 1 ) 利用s o a 的x g m 特性，实现x o r 功能 1 5 1 图1 5 所示是用两个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 右端进入的光光强远大于从s o a 左端进入的光。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，也就是输出为“o ”；只有右端无输 入时，a 才能够被s o a 放大，输出为1 。也就是说，上方的s o a l 实现了a 雪运算。 同理，下方的s o a 2 实现j 曰。然后将这两路输出信号耦合到一起，也就是 x o r = a b + a b 。因此实现了信号a 和b 之间的x o r 。 b + 一占 图卜5 基于s o a 的x g m 特性实现x o r 的原理图 这种方案特点在于只需输入在一个波长上的信号光，不需要额外的光源，原理也十 分简单，易于在实验室里完成。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 利用两级级联s o a 实现n o r ( 或非) 功能1 6 i 图i - 6 所示的是利用两级级联s o a 实现p i n , d l 和p h d 2 信号间n o r 功能的原理图。 图1 - 6 基rs o a 的x g m 特性实现n o r 的原理例 左端入射光波长为九，且p i 。d i 和p i 。，啦的峰值光功率远大于右端波长为o r 的p i 。o 的光功率。在p o u l 2 端口放置一个滤波器，滤出波长为x n o r 的光信号。左端若有入射光 ( 即p 叫i 和p j 。皿不全为0 ) ，入射光被s o a i 放大再进入s o a 2 ，受x g m 效应的影响， 右端p h 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 。l 2 端口的输 出为0 ：反之，若p i n , d 1 和p i 。- d 2 为0 “0 ，那么右端p i 。2 进入s o a 2 以后被放大，所以 p 。f 2 端口有输出。这就实现了p 。d l 和p j 。啦信号间的n o r 功能。 因此，基于s o a 的x g m 原理来构成逻辑门，原理简单，易于实现。 11 3 本文选取的研究方案 综上所述，基于干涉原理和s o a 的x g m 原理来实现逻辑功能的方案都有各自的优 缺点。基于干涉原理的逻辑门，工作稳定性好，可重复性高，但是除了s l a l o m 外， 其他结构在实验室内很难用分立元器件实现；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。 从实验室的现有条件出发，主要还是依靠分立元器件来实现逻辑功能，所以在基于 干涉原理的逻辑门中，只能选择s l a l o m ，而基于s o a 的x g m 原理的逻辑门对实验 条件没有太多的限制。所以在本文的理论研究和实验研究上，选取这两种方案作为主要 的研究对象。 1 4 本文的工作 本文在国家重大基础研究计划( 9 7 3 计划0 2 0 0 0 0 3 6 6 0 5 ) 项目的资助下，对基于半 导体光放大器的全光逻辑运算功能进行了较为完整的理论和实验研究。文章各部分的具 体内容组织如下： 第一章为绪论，介绍全光逻辑的研究背景、研究意义，以及全光逻辑的实现方案和 华中科技大学硕士学位论文 研究状况。 第二章给出了s o a 中的载流子速率方程，对s o a 的增益饱和特性进行了数值模拟， 为后续章节的模拟和讨论奠定基础。 第三章介绍了s o a 环镜的基本工作原理，模拟和分析了s o a 环境的窗口特性，讨 论了s o a 环镜的物理参数和控制脉冲参数对其窗口特性的影响。 第四章介绍了基于级联s o a 的x g m 效应实现逻辑与门的原理，并分别进行了数 值模拟和实验研究，根据模拟结果和实验结果作了比较分析。 第五章给出了基于s o a 环镜实现逻辑非门和逻辑异或功能的原理，并分别进行了 数值模拟和实验研究，根据模拟结果和实验结果作了比较分析。 第六章总结了全文工作。 9 华中科技大学硕士学位论文 2s o a 增益饱和特性的理论分析 s o a 在光传输系统中既可以用作光发送机后的功率放大器。也可以用作在线中继 放大器，以及激光接收机的前置放大器和光分路补偿功率放大器。此外，基于s o a 中 的非线性，s o a 还可以作高速通信网中的光开关、波长转换器、全光3 r 再生以及全光 逻辑等等。本文阐述的就是利用s o a 的非线性在全光逻辑方面的应用。当利用s o a 中 的非线性效应时，s o a 往往是工作在饱和状态下的，因此有必要分析s o a 的增益饱和 特性。本章介绍了s o a 的增益饱和特性，给出了经典的s o a 数学模型，并根据这个模 型数值模拟了s o a 中的静态和动态增益饱和特性。 2 1s o a 的增益饱和特性 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，即出现了饱和。另 一方面，当注入电流为一定值时，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 子参与受激辐射复合，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m 】。 2 2 本文采用的s 0 a 数学模型 本文采用的s o a 的数学模型是基于s o a 有源区内载流子浓度的速率方程和光功率 传输方程。描述载流子浓度变化的速率方程是 1 8 - 2 5 】： 了3 n ( z , t ) ：台一r ( | v ) 一s 。口( ) 一了f g ( n , l ) p ( z , t ) ( 2 - 2 1 ) 其中，为s o a 有源区内载流子的浓度；p 为对应波长为九的光的光功率；，为注入电 流；e 为电子电荷量：矿为s o a 有源区体积：厂为光场限制因子；h 为普朗克常数；” 为光波的频率；a 为s o a 有源区的横截面积。方程( 2 2 1 ) 右边第一项代表载流子的注 入，第二项代表自发辐射复合和非辐射复合引起的载流子消耗；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：第四项代表入射信号光引起的受激辐射引起的载 流子消耗。该方程描述的是只有一个波长的光信号被s o a 放大的情况，当多个波长的 光进入s o a 时，方程右端第四项应该是各个波长信号光引起的受激辐射消耗的载流子 1 0 华中科技大学硕士学位论文 的总和，如下所示： 堂笋= 专叫) - ( ) _ 善堡范卑亿，) ( 2 - 2 锄 丝毒盟：p w ( z , t ) r g 。( ，丑。) - - g c i r 。 ( 2 - 2 3 ) 挈= ( 枷畛陬( m 卜训_ r r ( ) n h o w ( 2 - 2 - 4 ) 蹦m 岛若笋( 2 , wz , i 凤+ 堡耪矗悯， ( 2 _ ：书 其中，脚标w 代表不同波长分量的入射光，即p ，。对应波长为 ，的光功率：符号“+ ” 和“”分别代表光波沿+ z 和方向传播：6 c 。，为有源波导内的损耗系数。方程( 2 - 2 4 ) 中的b 为自发辐射速率，通常用经验公式来等效： r，()=夕；。c2n2(2-26) 式中，。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：旬为双分子复合系数。 r ( n ) 为总的非辐射复合速率，一般等效为： r ( ) = q n + c 2 _ v 2 + q n ( 2 2 7 ) 其中，o ，为缺陷、表面复合导致的非辐射复合系数，旬即前面提到的双分子复合系 数，旬为俄歇复合系数。也可以引入载流子寿命r 来描述不包含受激辐射时总的载流子 复合时间：r ( ) = f ，该式表明了载流子寿命与载流子浓度的关系。式( 2 2 2 ) n 式 ( 2 - 2 5 ) 中的翻为对应波长为2 。的增益系数，它与载流子浓度和光波波长的关系是： g 。= g ( 一n 叩) 一吩( a 。a ，) 2 + ，3 ( 旯。一2 , p ) 1 ( 2 - 2 8 ) 五p=丑pko(一mp)(229) 其中，g 为微分增益系数： 为透明载流子浓度；砧为对应的增益峰值波长； 印 为透明时的波长；r 2 和r 3 为增益常数，1 2 与s o a 的增益带宽有关，如与增益谱的非对 称性有关；七0 为波长漂移系数。 在小信号入射的情况下，a s e 噪声对增益和有源区内载流子浓度的分布影响较大； 华中科技大学硕士学位论文 但是当入射光功率比较大时，a s e 噪声的影响就可以忽略不计了。本文研究的对象是 全光逻辑，s o a 用作全光逻辑门时，一般都是工作在深饱和状态，所以为了简化计算， 在以下的数值计算中忽略a s e 噪声的影响是可行的。 对上述方程组，我们采用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 个等长度的子段串联而成，当m 足够大时，可近似认为这些子段中的载流子浓 度是均匀的，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问和时 间的变化。本文的数值模拟都是基于m = i o 完成的。 p i n = p l - _ 卜 n 1n 2n in m 图2 - 1s o a 的分段模型 那么在每个子段中的载流子浓度速率方程和光功率传输方程就是 1 a n 厂( t ) = 万i 一月( m )d fe p j 莓巡h u 字a 舭)拿 。 p o u t = p m 十l i ( 2 2 - 1 0 ) 掣：p 。( = ，) f g ( n ，旯。) 一口。】( 2 - 2 1 1 ) 假设 n a d d ，。= ：三- 【 。一 ，+ k 。( 。一n ，) 】2 一：- l 【a 。一 ，+ k o ( n 。一n ，) r ( 2 - 2 1 2 ) g 。 g n 则增益系数盈。可以表示为： g = g ( | ，一一n a d d i ，) ( 2 2 1 3 ) 2 3s o a 的稳态增益饱和特性 因为采用分段模型来计算s o a 的稳态增益饱和特性，所以当s o a 处于稳态情况下 时，每个子段内载流子浓度是不随时间变化的，也就是说州田= 0 。 那么对应第i 子段内的载流子浓度方程为： 警：o = 专叫 军警 ，m 假设各段的长度均为a z ，方程( 2 - 2 1 i ) 可解得对应第i 子段内光功率传输方程： 华中科技大学硕士学位论文 c 扎。= c 。- e x p r g ( l 一f p n a d d ) 一d 】z ) ( 2 - 3 - 2 ) 由此可知每一子段的增益为 2 2 1 ： g 。= 三# = e x p f g ”( ，一n t , p n a d d , ，。) 一a 。】缸) ( 2 - 3 - 5 ) 从而整个s o a 的增益即为： 牛警= 警瓮每筇g ：一- g 陋s 蜘 只要给定边界条件，即入射光功率p ，、，的大小，就可以根据( 2 3 1 ) 和( 2 3 2 ) 式，得 到第- - 4 , 段的载流子浓度n j ，然后计算出p ：。，同理由p 。，可以计算得到m ，再由m 得到p l 十，。从而得到整个s o a 中和尸的空间上的稳态分布，进而算出整个s o a 的 增益。 以上计算中采用的参数如表2 - 1 所示f 2 3 】： 表2 1 计算采用的参数值 s o a 的长度l ( m )5 0 1 0 4 损耗系数a ( m 一) 2 0 0 0 s o a 的宽度w ( r n )2 0 x 1 0 。光场限制因子r 0 3 s o a 的厚度d ( m )0 1 5 x1 0 4增益常数r 2 ( m 一3 )7 4 1 0 1 8 微分增益系数g n ( m 2 ) 2 5 1 0 2 0增益常数h ( m - 4 )3 1 5 5 1 0 2 5 复合系数c 1 ( s ) 2 5 x l o b波长漂移系数i ( o ( m 4 )3 0 x1 0 3 2 复合系数。2 ( m 3 s 1 ) 1 0 x1 0 1 6 透明载流子浓度n 。( m 一3 ) 0 9 x1 0 2 4 复合系数。3 ( m 3 s - 。) 9 4 xa o - 1 透明波长 。( m ) 1 6 0 5 1 0 4 2 3 1 单光束入射下s o a 静态增益饱和特性的研究 由式( 2 - 2 8 ) 和( 2 2 9 ) 可知，s o a 的增益系数因注入光波长的不同而变化，因此若假 设s o a 有源区内载流予浓度是均匀分布的，就可以得到不同v 值下增益系数舟，与 入射光波长k 的关系，如图2 2 所示。 因为s o a 只有每个子段内的载流子浓度是可以近似认为均匀的，但是图2 - 2 是假设 s o a 内载流子浓度均匀的前提下得出的，所以计算的结果与实际情况肯定有差异。即便如 此，增益系数随波长的变化