（物理电子学专业论文）交叉增益调制型全光波长转换研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 二 l 随着光子时代的来临和光通信的飞速发展，全光波长转换器将成为未来全光网的关 ：键性器件之一。波长转换器能减少光交叉连接节点处的波长阻塞，提高光网络的灵活性。 利用半导体光放大器的非线性效应实现全光波长转换最具实用化的前景。钵文主要研究 基于半导体光放大器的交叉增益型全光波长转换。主要内容有： 1 ) 在查阅国内外文献的基础上，论述了全光波长转换器在未来全光网中的重要作 用；阐述了目前几种热门波长转换器的工作原理和研究现状。 2 ) 研究了基于半导体光放大器的交叉增益调制型全光波长转换器的理论基础。从 麦克斯韦方程出发，得出了半导体光放大器中光功率传输方程，从密度矩阵方程出发得 出载流子的速率方程。在没有考虑三阶极化的情况下，这两个方程是交叉增益调制型波 长转换的理论基础。 3 ) 进行了交叉增益调制型波长转换的性能研究。研究了输出消光比，噪声特性， 对泵浦光和探测光同向工作方式和相向工作方式进行了比较，讨论了提高转换速率的几 种途径，研究了交叉增益调制型波长转换中的啁啾问题，最后讨论了量子阱半导体光放 大器在波长转换器中的应用。 4 ) 2 5 g b s 的交叉增益调制型波长转换的实验研究，还进行了两种改进方案的实验： 4 单端耦合的波长转换，能改善转换效果：以及无需探测光的可调谐的波长转换，在 ：1 5 2 s n m 到1 5 6 5 n m 范围内，输出信号波长连续可调。 关键词：全光波长转换半导体光放大器交叉增益调制 l 华中科技大学硕士学位论文 a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n b a s e do nc r o s s g a i nm o d u l a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go fp h o t o na g ea n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ， a l l - o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e n e r s ( a o w c s ) a l ee x p e c t e dt ob e c o m ek e yc o m p o n e n t si nt h e f u t u r e a l l o p t i c a l n e t w o r k s t h ec o n v e r t e r si n o p t i c a l n e t w o r k sc a na v o i d w a v e l e n g t h b l o c k i n gi no p t i c a lc r o s sc o n n e c t s ，i n c r e a s et h ef l e x i b i l i t yo ft h eo p t i c a ln e t w o r k s u s i n g n o n l i n e a r i t i e si ns 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 ( s o a s ) t op e r f o r m w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n i s p r o m i s i n g i nt h i sp a p e r , t h ef o c u si s o nt h ew o r kt o w a r d sa o w c s u s i n gc r o s s g a i n m o d u l a t i o n ( x g m ) b a s e d o ns o a s t h em a i n p a r t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) b a s e do nt h ew i d e l yl e a r n i n go fr e f e r e n c e s ，t h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so fa o w c s i n t h ef u t u r ea l l - o p t i c a ln e t w o r k sa r ea d d r e s s e d ；s e v e r a lt y p e so fw a v e l e n g t hc o n v e r t e r sa n d t h e i rb a s i c p r i n c i p l e sa n d 1 a t e s tr e s e a r c h p r o g r e s sa r ei n t r o d u c e d 2 ) t h e o r e t i c a lb a s i sf o rx g m a o w cb a s e do ns o a si s s t u d i e d t h e p r o p a g a t i o n e q u a t i o n f o raw a v e t r a v e l i n gt h r o u g h t h ea m p l i f i e ri sd e r i v e df r o mm a x w e l l s e q u a t i o n s ，a n d t h er a t ee q u a t i o nf o rt h ec a r r i e rd e n s i t yi sd e r i v e df r o md e n s i t ym a t r i xe q u a t i o n s w h e nt h e t h i r d - o r d e rn o n l i n e a rs u s c e p t i b i l i t yi sn e g l i g i b l e ，t h ef u n d a m e n t a le q u a t i o n s y i e l dac o m p l e t e d e s c r i p t i o no f x g m - a o w c b a s e do ns o a s 3 1t h ep e r f o r m a n c e so fx g m - a o w cb a s e do ns o a sa r e i n v e s t i g a t e d o u t p u t e x t i n c t i o nr a t i oa n dn o i s ec h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e d ，t h ec o p r o p a g a t i n gc o n f i g u r a t i o na n d t h e c o u n t e r p r o p a g a t i n gc o n f i g u r a t i o na r ec o m p a r e d ，s o m eg u i d e l i n e s f o ra c h i e v i n gh i g h m o d u l a t i o nb a n d w i d t ha r e i n t r o d u c e d ，t h ec h i r p c h a r a c t e r i s t i c sa r e s t u d i e d ，m q w 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 ra p p l i e d t ox g m - a o w ca r ea l s od i s c u s s e d 华中科技大学硕士学位论文 4 、2 5 g b sx g m - a o w ch a sb e e ni n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y ，a n dt w oh o v e is c h e m e s a r cs t u d i e d ：x g m a o w cb a s e do ns i n g l e - p o r t - c o u p l e ds o a i nw h i c ht h ep e r f o r m a n c ei s i m p r o v e d ，a n d at u n a b l eo u t p u tw a v e l e n g t hf r o m1 5 2 5 n mt o1 5 6 5 n mx g m a o w c i nw h i c h 气t h ep r o b e l a s e rh a sb e e nl e f to u t k e y w o r d s ：a l l - o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ( a o w c ) 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 ) c r o s s g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) 一 m 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 。随着人类社会信息化时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。光纤有着e 大的频带资源和优异的传输性能，是实现高速率、大容量传输的最理想的物理媒质。3 1 年来光纤通信技术在发掘、利用光纤带宽资源，扩展光纤传输能力方面进展神速。因术 网业务和其他新型数据通信业务的爆炸式增长，导致的直接后果是“光纤耗尽”现象币 对带宽的“无限渴求”现象。 密集波分复用( d w d m ，d e n s ew 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 ) 技术被公认蔓 是实现超大容量光纤通信的最有效途径。波分复用技术利用一根光纤可以同时传输多f 不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分为若干个波段，每个波段片 作一个独立的通道传输一种预订波长的光信号。d w d m 技术对网络的升级扩容、发展费 带新业务、充分挖掘和利用光纤带宽能力、特别是在现有光纤用完而铺设十分困难的惺 况下实现超高速通信具有十分重要的意义。d w d m 及相关技术在2 0 世纪9 0 年代中期羽 始走向成熟并进入商业化应用。 在点对点d w d m 系统的基础上，以波长路由为基础，引入光交叉连接( o x c ) 和光贫 插复用( o a d m ) 节点，建立具有高度灵活性和生存性的光网络，被认为是可行且有发甩 前途的方案。d w d m 全光通信网有如下的优点： 可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐容量，适应未来高速宽带通信冈 j 的要求。 o x c 和o a 蹦对信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种电通信格式的、 透明的光传送平台。 以波长路由为基础，可实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高废 灵活性和生存性的光传送网。 总之，d w d m 全光网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性 等优点。现在“e d f a + d w d m ”已成为高速光纤通信网发展的主流，代表新一代的光纤遍 信技术。全光波长转换器可用在d w d m 系统和未来全光网中发挥关键性作用，近十年舞 一直受到国内外的广泛关注。“1 1 华中科技大学硕士学位论文 1 2 波长转换器在d w i ) m 系统中的应用 波长转换器实现传输信息从一个波长向另个波长上的转换。波长转换技术减少了 d w d m 系统所需用的波长数目，波长在链路上逐段分配，避免了在一个d w d m 网内进行波 长分配的难度，提高了波长利用率，减少了波长竞争导致的网络阻塞，提高了网络管理 的灵活性，并且易于实现升级“”。 如图i 2 - i 的光网络，a 、b 为交叉连接点，l 、2 、3 、4 、5 是接入点，若在交叉节 点a 、b 处采用波长转换技术，可以实现对波长 ，如，如的再利用。在含有许多节点的 光纤通信网络中，利用波长转换器，可以在同一网络的不同节点上使用同一波长，这种 波长再利用无疑能提高波长的利用率和整个网络的运行效率。有理论计算表明。”，只需 8 个波长就可以支持1 0 0 0 万个节点。 图1 2 - in f f ) m 系统中波长的重复利用 波长转换能减少网络阻塞。利用波长转换器重构网络的能力，能将某一业务拥挤、 阻塞或暂时失效的信道( 波长) 转移到另一信道上，这不但能提高网络效率，而且提高 了网络的可靠性，也使网络易于管理。如图1 2 2 ，图( a ) 有两个光连接， 岛( 如) 和s 3 ( ) ，分别代表节点2 到节点4 ，节点3 到节点6 的光信号。现在需要建 立一个从节点1 到节点5 的新连接。解决方案如图( b ) ，加入波长转换器w c ，使得s 的 前半部分使用 的工作波长，后半部分使用赴的工作波长，这样并不引起连接冲突。 2 华中科技大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图1 2 - 2 波长转换器解决波长阻塞 如图1 2 - 3 ，波长转换器还可构成路由器。信号要从节点1 传输到节点a ，可以 通过波长转换器构成的路由器传输到节点j 上，再经一路由器将信号选择到节点a 这种路由选择中无需电信号的引入，有利于传输速率的提高。 图1 2 - 3 波长转换器作路由选择 如图1 2 - 4 ( a ) 、( b ) 所示，波长转换器可用作空间开关。图( a ) 为地址分配器，； 用可调输出波长转换器的不同输出，将信号分配到不同地址。图( b ) 是n 选1 地址选； 器，由n 个固定输出的波长转换器输出n 个波长，再利用可调滤波器选择一路信号。j 种简单的光子开关便于集成，在光交换、光计算技术中都可以发挥重要的作用。 华中科技大学硕士学位论文 周定输出固定输出 波长转换器 ( a )( b ) 图1 2 - 4 波长转换器用作空间开关 波长转换器还可构成光分插复用器( o a d m ) ，此外，利用波长转换器还可实现中途 谱反转，它是利用半导体光放大器的光相位共轭，将系统中某一具有正色散的波长 。 上的信息在系统的中点转换到另一具有负色散的波长 ：上，实现色散补偿，可以提高 光纤通信系统的色散受限距离。 波长转换器对d w d m 全光网的性能究竟有多大的改善，是近年来的一个研究热点。 现在比较一致的看法是：波长转换器对一个波长数量固定、且业务量接近饱和的网络的 作用不大；对于集中管理的网络和环行网的影响也不明显，而对大容量的网格形网，波 长转换器的加入却能大大降低网格的阻塞率。如果节点的数目加大，效果会更明显。事 实上，波长转换器的作用与d w d m 全光网的节点数、波长数、波长从源到宿所经过的节 点数和业务量都密切相关。 综上所述，波长转换器在d w d m 系统中有着广泛的应用，它将在未来的全光网中发 挥重要的作用，是未来全光网的关键性器件之一。 1 3 波长转换器简介及研究概况 一般从三个方面来研究波长转换器的特性： i ) 转换器性能：转换效率、转换带宽、限制速率、透明性： 2 ) 对光信号的处理和器件配置要求：偏振相关性、光学滤波器要求、输入光信号动 态范围、系统稳定性及控制要求； 4 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 转换信号质量：决定传输中误码率和可级联性的光学噪声指数、啁啾、失真程鹰 消光比。 从通信系统要求出发，一般来说，理想的波长转换器应具有以下性能： 高可靠性 低电功率损耗 实现和操作简单 对输入信号偏振不灵敏 能实现同波长转换， 消光比不退化 啁啾小 信噪比( s n r ) 不退化，多个波长转换器能级联 输入功率动态范围大，输出功率稳定 波长转换范围大( 2 0 n m 3 0 n m ) 比特率透明( l o g b s ) 。 实现波长转换有多种途径，根据信号路由机制，可分为光电光波长转换器和全光扔 长转换器( a o w c ：a l l - o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) ：根据信号性质分为可变输入匿 定输出转换器、可变输入可变输出转换器和固定输入可变输出转换器：根据变换功能币 控制信号的形成，大致可分为三类：光电混合型、光阀型和光波混和型。 下面将对几种主要的波长转换器作简要的介绍。 1 3 i 光电光型波长转换器2 1 光电光型波长转换器的结构如图1 3 - i 所示，通常由一个背靠背的光接收机和光发 送机构成，在物理结构上由一个光检测器、一个r f 放大器( 或再生器) 和一个直接调 制或外调制激光器组成。波长为 。光信号由光电二极管变换为电信号，由r f 放大后 调制一个激射波长为 。的激光器，使输出光波长为 c 。 这种波长变换技术的优点是技术比较成熟，并且在变换过程中可对信号整形和再 生，s n r 高，波形质量好，变换效率高，动态范围大。其缺点是采用光电转换，电功率 消耗大，连接的透明性差，最高转换速率受“电子瓶颈”的限制。 5 华中科技大学硕士学位论文 图1 3 - 1 光电光型波长转换器结构图 由于e d f a 在光纤通信系统中的大量使用和人们对全光网的憧憬，网络运营者都尽 量保持光层的透明性，避免光电转换，因此人们现在主要致力于全光波长转换的研究。 1 3 2 基于半导体光放大器的交叉增益调制型波长转换嚣盯3 基于s o a 的波长转换器传输的比特率高，将来可达l o o g b s ，能够满足光纤通信超 大容量的需求，并且易于单片集成、性能稳定、输出消光比高、低啁啾、结构简单，通 过采用可变波长激光器作新波长输入，能够实现可变波长转换，是一项很有希望的转换 技术。 交叉增益调制型全光波长转换器( x g m - a o w c ) 是本文研究的重点，它是利用半导体 光放大器( s o a ) 的增益饱和效应工作的，原理详见以后各章的论述。它的优点：结构 简单、易于实现、转换效率高。缺点：转换信号与原信号反相、消光比退化、产生附加 啁啾。x g m - a o h c 结构如图1 3 2 。 c w 图i 3 - 2x g m a o w c 结构图 贝尔实验室1 9 9 3 年实现了1 0 g b s 速率下的x g m 型波长转换；1 9 9 4 年又实现了 2 0 g b s 速率下的转换“”：1 9 9 6 年丹麦的c j o e r g e n s e n 等人率先将转换速率提高到 4 0 g s 。此后交叉增益波长转换器的实验方案不断得到改进，性能也不断提高。丹麦的 s l _ d a n i e l s e n 等人利用两个级联的1 2 0 0 m 长的s o a 进行了4 0 g s 的x g m 波长转换 6 华中科技大学硕士学位论文 等人利用光纤光栅与2 m m 长的半导体光放大器相结合首次实现了l o o g b s 的x g m 波长转 换“1 。 国内对半导体光放大器作波长转换器的研究始于9 0 年代中期，在转换速率上与国 、 际先进水平差距很大。目前仅华中科技大学、武汉邮科院、北京邮电大学、清华大学在 进行x g m 和f 嘲型全光波长转换的研究“”1 。清华大学的x g m - a o w c 转换速率已达 l o g b s 。华中科技大学光电系光纤教研室在多年研究行波半导体光放大器的基础上，利 用自行研制的半导体光放大器进行波长转换实验，先后成功实现了 1 4 0 m b s ，6 2 2 m b s ，2 5 g b s 转换速率的x g m - a o w c 。华中科技大学光纤教研室的2 5 g b s 的x g m - a o w c 基本能满足实用化要求，正在开发成产品。几年以后转换速率2 5 g b s ( 或 者更高) 的实用化x g m - a o w c 的产品将问世。 1 3 3 基于半导体光放大罱的交叉相位调制型波长转换器她们 交叉相位调制型全光波长转换器( x p m a 0 w c ) 利用s 0 a 有源区的载流子浓度和折射 率的调制特性，当波长为 ，的信号光注入s o a ，消耗载流子，使折射率受到调制，并 引起输入波长为九。的连续探测光相位的调制，通过某种结构将相位变化转变成强度的 变化，实现波长转换。采用马赫一泽德干涉仪或者迈克尔逊干涉仪结构可实现将相位变 化变成强度的变化。 马赫一泽德型交叉增益调制波长转换器的原理性结构如图1 3 3 所示，波长为 。 的信号光光强变化时，s o a 有源区的载流子浓度和折射率随之变化，使经过s o a 的另一 波长为x 。的探测光相位得到调制，由此波长为x 。的探测光上携带了波长为x 。的信号 光上的调制信息。注意：耦合进s o a 中的光功率不同，从而产生相位差，再把相位差转 变成强度变化，实现了波长转换。基于这种机制的波长转换器有两种结构，一种工作于 增益曲线的正斜率区域，可实现同相的波长转换；一种工作于增益曲线的负斜率区域， 可实现反相的波长转换。增益曲线即输出光功率与泵浦光功率的关系曲线。在这些 x p m - a o w c 中，只需要一个很小的输入信号功率就可以在干涉仪两臂产生石相位差，不 管是上转换( 。 九；) 还是下转换( 。 。) ，输出信号都能获得高的消光比。 x p m a o w c 的优点：能减少啁啾失真，无消光比退化现象，噪声特性好，便于级联， 转换信号与输入信号既可同相，也可反相；缺点：结构比较复杂，输入信号动态范围小， 一 7 华中科技大学硕士学位论文 比特率透明有限。 图i 3 - 3x p m a o w c 结构图 x p m - a o w c 由于采用了干涉结构，易受外界因素干扰。为了工作稳定，只有采用单 片集成技术，将s o a 、耦合器和波导等集成在一个基片上，最大限度地减少外界干扰。 近年来，随着光电子集成技术的发展，它的优势逐渐体现出来，被认为最具有实用价值 的全光波长转换器。据国外报道，x p m - a o w c 的最高转换速率已达1 6 8 g b s “。另外，阿 尔卡特l o g b s 的x 雕一a o w c 已实用化。 1 3 4 基于半导体光放大曩的四波混频垂波长转换矗“9 当多束光在非线性介质中传输时，由于非线性作用将产生新的波长，此波长的强度 正比于泵浦光强，其波长与泵浦光波长是线性关系，新波长包含泵浦光的强度和相位信 息。四波混频型波长转换器( f w m a o w c ) 利用s o a 的三阶非线性效应。s o a 的增益特性 使得在s o a 中发生f w m 的效率要比在无源波导中的高，非线性作用也要强。在s o a 中至 少有三种机制对形成载流予光栅有贡献，它们分别是：载流子浓度脉动、动态载流予加 热和光谱烧孔过程。s o a 中的f w m 是这三方面共同作用的结果。当信号光 。和探测光 一同时注入s o a 时，由于非线性作用后产生新波( 。= 2 入，一 ；) 。新波长包含有信 号光的强度和相位信息。如图1 _ 3 - 4 。s o a 中f w m 效率随着泵浦光和探测光的失谐下降 很快，其变化的非对称性是由于s o a 增益的非对称引起的。虽然s o a 的增益可以使f w m 的效率达到o d b ，但转换信号的信噪比也会由于s o a 所引入的噪声而有所下降。 以 4 c w 图i 3 - 4f 删一a o w c 结构图 8 华中科技大学硕士学位论文 f 删一a o w c 啁啾相反，是一种能对输入信号进行透明变换的全光波长转换器，它还 可以同时把一组波长的信号变换到另一组波长上去，其缺点是转换效率低，因为这些效 应是参量过程，需要满足相位匹配条件；转换信号的信噪比随着转换波长间隔增大而降 低，这样转换间隔就受到限制；不能实现同波长转换，偏振特性也不好。 理论上f w m - s o a 型a o w c 的波长转换间隔大，是基于s o a 的其他类型波长转换技术 所不能比的。目前已有人实现了8 0 n m 间隔的波长转换“”：最高转换速率的报道达到 8 0 g b s 、l o o g b s 。 1 3 5 基平非缝性光环镜的波长转换“0 1 非线性光学环镜( n l o m ) 实质上是一个以光纤为非线性介质的s a g n a c 干涉仪，能 将相位的变化转变成强度的变化，原理类似于基于s o a 的x p m - a o w c ，只是所用的器件 不同而已。其结构如图1 3 5 ：连续波探测光由5 0 ：5 0 的光纤耦合器分为两部分，并 沿两个方向传输，并在耦合器中发生干涉。由于其中一束探测光与泵浦光同向传输，在 k e r r 响应的作用下使两束探测光产生受泵浦光强调制的相位差，经过干涉后此相差反 映在光强上，如果相位差在0 和万之间变换，就实现了波长转换功能。环中偏振控制器 作偏振态控制之用。全光纤系统要求有超过2k m 长的光纤，由于光纤局部折射率的变 化，输出会出现不稳定现象。 转换信号 图1 3 - 5n l o m - a o w c 的结构图 n o l m 最大的缺点是由于其为无源介质，使得转换效率较低，并且不便于集成。若 在光纤中插入s o a 作为非线性介质，这样比全光纤系统紧凑得多。华中科技大学曾进行 过这方面的研究，在速率不高的情形下，输出光的消光比和信噪比都得到了极大的改善。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 3 6 光纤光栅外腔波长转换器1 光纤光栅外腔激光器由一个法布里一珀罗( f _ p ) 腔半导体激光器芯片和一段光纤光 栅( f b g ) 耦合而成，激光器恒定在某直流驱动下单频输出，工作波长由f b g 的选择反 馈决定。结构如图1 3 - 6 。分布反馈激光器的输出作为波长转换器的输入信号，经3 d b 耦合器注入光纤光栅外腔激光器。在对入；光信号放大的同时，由于芯片内有源区增益 饱和均匀展宽特性，激活区的载流子浓度被消耗而减少，于是在 。的波长上的增益和 输出功率也受到了调制，从而把 。波长上的信号转移到九。波长上，经过滤波器得到 波长为 。的输出信号，从而实现波长转换。这种转换器也是基于载流子耗尽的机制， 所以输出信号与输入信号反相。也可用环行器代替耦合器，信号光 。经光纤环行器注 入外腔激光器，转换信号由环行器另一端口输出。 图1 3 - 6 光纤光栅外腔波长转换器结构图 光纤光栅外腔波长转换器的优点：它将波长变换介质和所需波长的光源合为一体， 结构简单，使用方便：转换波长由光纤光栅的b r a g g 波长决定，波长稳定性好，碉啾极 低，对信号脉冲的影响小。 此外，还有其他类型波长转换器，如基于半导体激光器的波长转换器，包括利用四 波混频( f 删) 或者不同频率产生( d f g ) 的转换器，和它利用外界光注入而引起激光器 载流子浓度的交叉增益调制型波长转换器；利用电吸收调制器的波长转换器；基于其他 波导介质的波长转换技术，如光纤中的非线性光混频技术，铌酸锂波导中的差频发生技 术，基于高非线性光纤中的调制不稳定技术，全光纤声光频率变换技术。 由上可见，实现波长转换的方法很多，基于s o a 的全光波长转换技术是最有希望的。 x g m a o w e 将是本文的研究重点。 l o 华中科技大学硕士学位论文 1 , 4 本文的主要工作 全光波长转换器将是未来全光网的关键性器件之一，基于半导体光放大器的交叉增 益调制型全光波长转换是本文研究的重点。本文系统地论述了基于半导体光放大器的交 叉增益调制型波长转换的基本理论，进行了提高波长转换性能的讨论，并进行了一系列 实验。全文结构如下： 第一章绪论，讨论了波长转换器在d w d m 网中的应用，介绍了几种热门波长转换器 的原理、优缺点和研究概况。 第二章首先简单介绍了半导体光放大器，然后详细阐述了基于半导体光放大器的交 叉增益调制型全光波长转换的基本理论，包括半导体光放大器中的功率传输方程和载流 子速率方程的建立。 第三章讨论了交叉增益调制型波长转换的性能研究，包括消光比、噪声特性、啁啾、 多量子阱半导体光放大器的在波长转换中的应用等方面。 第四章进行了基于半导体光放大器的交叉增益调制型全光波长转换的实验研究。 第五章总结课题的研究工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 基千s o a 的交叉增益型波长转换的基本理论 2 1 引言 半导体光放大器( s o a ) 在光纤通信系统中有着广泛的应用，不仅可作光发送机后 的功率放大器、光纤通信系统的在线中继放大器、光接收机的前置放大器和光分路补偿 功率放大器，而且可用于高速通信网中的光开关、波长转换器、全光再生器( 3 r ) 等光 信号处理模块的非线性器件。s o a 作在线放大时工作于未饱和状态，作非线性应用时工 作于饱和状态。 分析s o a 用作波长转换器时，应从载流子速率方程和光传输方程出发。从而研究其 中的波长转换机理。本章首先简单介绍了s o a 和研究非线性现象的基本方程，然后着重 分析了基于s o a 的交叉增益型波长转换器的机理。 2 2s o a 的简单介绍 1 9 6 2 年半导体激光器，又称激光二极管( l d ，l a s e rd i o d e ) 问世后，研究者即着 手研究半导体光放大器( s o a ，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 ) ，2 0 世纪8 0 年代 研究出半导体光放大器。s o a 与l d 从基本结构、原理和特性来说非常相似。l d 与s o a 区别在于前者是增益介质内部受激辐射产生的光子在谐振腔内来回振荡，并在振荡过程 中放大，而光放大器是由于外部进入增益介质的光子引起受激辐射并得到放大。s o a 相 对于光纤放大器有独特的优点：体积小、功耗低、能与其他半导体光电子器件集成“。 s o a 跟l d 一样，由双异质结构成的有源层结构，采用电流注入产生载流子，通过 从电子能量高的受激能级导带向低能级价带的跃迁实现光放大。s o a 的放大特性主要决 定于有源层的介质特性和激光腔的特性。典型s o a 结构见图2 2 - 1 。 s o a 又分为f p 腔型s o a 和行波型s o a ( t w - s o a ) 两类。采用f - p 干涉仪的标准理论可 以得到f p s o a 的增益，如式2 2 一l 。其中蜀、r ：分别为两端腔面反射率；g 为单程增 益，g = e x p ( f g a ) l 】tf 为光场限制因子，g 为增益系数，口为内部损耗；v 。= m c 2 n l 是长度为，模折射率为n 的第m 个模的纵模频率；a v 。= c 2 n 。上表示纵模间隔( 门。是 1 2 华中科技大学硕士学位论文 一一 ( 1 一r 1 ) ( 1 一r 2 ) g g c2 瓦习乖了而面覆嵩砺瓦而 = ! 墅z 兰罂 图2 2 - 1 典型s o a 的结构图 f p s o a 的3 d b 带宽为式2 2 - 2 。 叱争。 厅i 1 一g 4 r 1 r 2 ( 4 g 扭再) i ( 2 2 - 1 ) ( 2 2 - 2 ) 为了获得较大的增益，g 蜀r ：应该接近1 ，但这使带宽变窄，若要求增益起伏程 s 3 芝a g 2 g 。g 。i 。 2 ，则需要满足g r 1 胄2 o 1 7 。f p s o a 的带宽只是f - p 腔自由 谱区的很小一部分( 例如，a v ；“1 0 0 g h z ，而a v 。 1 0 g h z ) 。如此小的带宽，使得f p s o a ， 不适合用在光通信系统中，而主要用于信号处理。f p s o a 的带宽远小于t w - s o a 的带 t 宽，在以后备节中，如果不作特别说明，s o a 均指t w s o a 。 如果端面的反射反馈能得到抑制，这就是行波放大器。降低反射反馈的最简单办法 是在端面镀增透膜。行波半导体光放大器( t w s o a ) 的端面剩余反射率 1 0 ，使得注入 光子只在有源区内单程放大，减少了由剩余折射率引起的谐振效应。制作反射系数极小 的增透膜是非常困难的，因此寻求其他途径来降低剩余反射率。降低腔面的剩余反射率 通常可以采取两种结构，如图2 2 - 2 ，( a ) 为倾斜波导结构，有源区波导与解理端面的 垂直方向倾斜一个小角度( 典型值为7 。) ，端面反射光束与正向光束分开当然还会产 1 3 华中科技大学硕士学位论文 ( b ) 为掩埋面结构( 又称窗结构) ，有源层末端和端面之间加一透明区，透明区不形成 波导，可视为体传输，光束到达半导体一空气界面之前先扩散，反射光束扩散得更多， 反射光束尺寸的扩大使得反射光只有很小的一部分耦合进很薄的有源区，同时采用增透 膜端面，可以得到很低的剩余反射率( 1 0 “) 。 关于剩余反射率对s o a 增益的影响可以参看第四章的s o a 增益与波长的关系测试曲 线和理论计算。 透明区、 匡至 囊吨蜀 ( a ) 图2 2 2t w - s o a 减少剩余反射率的倾斜结构和掩埋面结构 s o a 的特性参数包括增益( 纤对纤) 、增益带宽、增益纹波、饱和输出功率、偏振 无关性、噪声指数等等。 虽然s o a 在光纤通信系统中具有应用潜力，但目前其增益、输出功率、瞬态特性、 非线性失真、连接损耗等诸多特性均不如e d f a ，因此目前光纤通信系统中普遍采用e d f a 作为光放大器。s o a 的菲线性效应在全光信号处理中有重要应用。例如可用作光子开关， 它是利用s o a 的饱和特性，当控制光为“1 ”时，s o a 饱和，输入光不放大；可将s o a 作为一种非线性元件产生的光子开关功能构成全光解复用器；利用s o a 的非线性产生的 波长转换功能做成全光网节点的波长转换器：中点谱反转色散补偿；光时钟恢复；3 r 再生( 光开关+ 时钟提取) 。 2 3s o a 中的基本方程 2 3 is o a 的非线性 s o a 的非线性源于半导体介质中的自由载流子，s o a 的非线性物理机制包括两个方 面，参见图2 3 - 1 ： 1 ) 带间跃迁( 几百皮秒) ： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 光子与载流子相互作用，包括受激辐射、受激吸收、自发辐射，表现为载流子浓度 脉动效应( c d p ：c a r r i e r d e n s i t y p u l s a t i o n s ) 。c d p 效应是指载流子浓度随着输入光 功率以a r o 谐振。 2 ) 带内弛豫( 几十几百飞秒) ： 载流子与声子相互作用，表现为光谱烧孔( s h b ：s p e c t r a l h o l e b u r i n g ) 效应、载 流子加热( c h ：c a r r i e r h e a t i n g ) 效应。载流子分布变化，响应速度由各过程特征时间 及非线性压缩因子决定。 由此可知：输入光信号脉宽较宽时，s o a 的动态增益由载流子浓度脉动效应决定： 当脉宽 几p s ，带内弛豫过程将对s o a 动态增益产生很大影响。 2 3 2s o a 中功率传输方程3 】 图2 3 1s o a 的非线性效应 ，所有的电磁现象的研究都可以由m a x w e l l 方程出发 v x 豆一o b。 西 v 豆确 掣i - f 7 0 e 一十刃 d f v ( o e + p ) = 0 v b = 0 ( 2 3 1 ) ( 2 3 - 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 - 4 ) 1 5 华中科技大学硕士学位论文 这里豆、雪为电场强度、磁感应矢量，胁、氏、仃。为真空中磁导率、介电常数、 介质的传导率，户为感应电极化矢量，7 为电流密度( 在s o a 中注入电流恒定，故7 与 时间无关) 。取式( 2 3 - 1 ) 的旋度，并将式( 2 3 - 2 ) 代入，并利用真空中光速c = l 磊石 可以得到波动方程： 乳v + a 0 0 o 詈+ 吉等一胁警 。嘞 为了简化式( 2 3 - 5 ) ，利用矢量恒等式：v v 雷= v ( v 豆) 一v 2 后，在线性、各向 同性介质中v 豆= 0 ，在非线性下，即使在各向同性条件下仍有v 置0 。但是在大多 数情况下，i v ( v 虏) i 1 0 0 f s 时，光场幅度变化与光波频率( 1 0 “) 相比要慢得多，通常可 对光场作慢变化包络近似如下，并作f o u r i e r 变换，设q = r e 一。，得出： e ( z ，t ) = a ( z ，t ) e x p ( i k o z i ( o o ，) 言( z ，r e ) = j ( z ，q ) e x p ( i k 。z ) 将式( 2 3 - 1 5 ) 代入式( 2 3 - 1 3 ) 中，因为q f 。，由密度矩阵方程可得 以下速率方程： 掣= 专叫) - s 一) - 訾1 量 2 + d v 2 n ( 2 3 - 2 4 ) 这里，( f ，r ) 为载流子浓度，为注入电流，e 3 0 基本电荷，y 为有源区体积， 壳 为p l a n k 常数，d 为载流子扩散系数。式( 2 3 2 4 ) 右边第一项表示载流子的注入，第 二项表示自发辐射和非辐射符合引起的载流子消耗，第三项表示放大自发辐射引起的载 流子消耗，第四项表示受激辐射引起光信号放大而消耗的载流子，第五项表示s o a 不同 部分之间的载流子扩散。 下面简化式( 2 3 2 4 ) ，s o a 有源区宽度和高度一般来说小于载流子扩散长度，而有 源区长度远远大于载流子扩散长度，从而扩散引起的载流子浓度的改变可以忽略。相对 于纵向的不均匀，载流子浓度在有源区的横向基本上是均匀的，所以引入载流子平均浓 度是一种很好的近似。从而可以得出： 丁o n ( z , t ) = 万i 一一蹦) 一旦a 盟h c o 嘲)西e 矿、7 这里u ( z ，f ) 是有源区纵向z 处载流子平均浓度，4 是有源区的横截面积。 式( 2 3 - 2 3 ) 和式( 2 3 2 5 ) 是分析s o a 中增益饱和效应的基本方程( 传输方程来考虑 f 三阶非线性极化，不能用于四波混频效应) ，由此可以知道s o a 中载流子浓度分布、增 益特性和输出特性。 2 4 基于s o a 的交叉增益型波长转换器理论 本文主要研究x g m a o w c 。但是为了对基于s o a 的三种波长转换机理的优越性有个 大致的了解，可以参见后面的表2 4 - 1 。x g m - a o w c 可分为两种工作方式：信号光和探 测光同向注入方式；信号光和探测光相向注入方式。其结构如图2 4 1 ，图2 4 2 。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 表2 4 - ix g m 、x p m 、f 吼三种工作方式的比较“1 、工作方式 x g m _ a 0 w cx p m - a o 霄c f m 卜a o w c 雠 1s o a 、1 连续激光器， 2 s o a ，1 连续激光器，i s o a ，2 连续激光器， 需要的器件1 耦合器，2 - - 3 个耦合器，1 滤2 耦合器， 1 滤波器波器1 滤波器 透明程度对幅度透明对幅度透明严格透明 频率转换关系 0 9 。w2 m ko j o u t2 f ，= 2 m 月一m 能否同波长转换能能不能 l 一2 n sl - 2 n si r e s 输出建立时间( 。) 最高速率( 己实现)l o o g b s1 6 8 g b sl o o g b s 再生能力不能2 ri r 噪声特性r i n 州 r i n hr i n 。 r i n l 。噪声指数 2 0 d b 消光比e r e r i 。e r 。e r 。 转换效率( d b ) 8- 2- 7 结构简单容易实现能减少啁啾失真，有很强的a s e 噪声 转换效率高。转换无消光比退化现象对信号格式和比特 范围宽输入动态范围小、率透明 消光比退化，上转结构较复杂转换效率与失谐量 换更严重便于集成有关，转换效率低，转 其他优缺点高速工作有明显码输出、输入信号既换范围小 型效应，比特率透明可同相，也可反相转换后信号相位共 有限可实现偏振态轭 噪声指数大、输出转换可同时进行多波长 正啁啾转换 转换信号与原信号 反相 华中科技大学硕士学位论文 图2 4 1x g m o a o w c 同向传输结构图 以 砧 图2 4 2x g m - a o w c 相向传输结构图 高强度的信号光 。( 作泵浦光) 和微弱的连续探测光 。注入s o a 中，如图2 4 - 3 ， 随着注入泵浦光功率的增加，s o a 增益反而减小，这就是s o a 的增益饱和现象。由图 2 4 3 可以看出来，信号光对增益为反相调制，探测光在传输过程中，受到反相调制的 增益的调制，从而探测光上携带了信号光上的反相调制信息，实现了波长转换。值得指 出的是：转换后信号与原信号反相，即输入信号为“1 ”，输出信号为“o ”；输入信号为 “o ”，输出信号为“1 ”，这种反相现象给波长转换器在通信系统中的应用带来了不便。 il l ll 一l 厂一 注入泵浦功率 图2 4 3x g m a o w c 的工作原理 在x g