（电路与系统专业论文）基于soa非线性偏振旋转效应的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 半导体光放大器( 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 ，s o a ) 作为全光信号处理中的关 键器件之一，在波长转换、光学逻辑门、波长路由、高速光开关等领域有着广泛的应用。 基于s o a 非线性效应的全光信号处理，避免了“电子瓶颈”的限制，提高了数据传输的 透明性、灵活性，因而逐渐成为光通信领域的研究热点。在大多数传输和网络应用中， 器件对输入信号偏振态的敏感程度是一个必须考虑的因素。s o a 作为偏振敏感器件，一 方面，会受到偏振效应的作用降低其应用效果；另一方面，可以利用s o a 中的偏振效应 实现波长转换、全光缓存等功能。因此，基于s o a 的偏振相关特性受到了广泛的关注， 而s o a 中偏振相关特性的研究主要集中在非线性偏振旋转效应( n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o n r o t a t i o n ，n p r ) 。随着传输速率的不断提高，又使s o a - n p r 效应朝着超快方向应用。 论文首先从考虑超快载流子动态特性的s o a - n p r 理论模型出发，在原有模型基础 上，引入载流子加热( c h ) 及光谱烧孔( s h b ) 两个带内效应，数值求解扩展后的模型 方程，验证了在超短脉冲输入情况下，两个带内效应对相位变化的影响。同时，研究了 基于扩展模型的偏振相关增益特性、相位特性及啁啾特性。并能与文献实验结果基本吻 合。其次，对光在s o a 中偏振态的演化采用穆勒矩阵法及邦加球法进行分析。数值计算 出代表光偏振态的偏振方位角及椭圆方位角随注入光功率的变化曲线。并分析了椭圆方 位角的变化曲线在提高基于s o a - n p r 的波长转换的消光比方面的作用。给出了由s o a 双折射引起的模式相差、模式增益等随注入泵浦光功率或注入电流的变化关系。最后， 利用扩展后的超快s o a - n p r 理论模型，传输r z o o k 、r z d p s k 两种不同的调制格式 以及实现2 0 0 g b i t s 的反向波长变换。 研究结果表明：在超快s o a - n p r 模型中，当入射泵浦光的偏振态与t e t m 方向一 致时，探测光的t e t m 模式获得的增益较大；相位特性上则分为由载流子加热效应引起 的相位变化快速区域和载流子密度脉动引起的缓慢变化区域；对于同一种t e t m 模式而 言，红移啁啾的幅度要大于蓝移啁啾的幅度。在利用穆勒矩阵分析s o a - n p r 模型中，得 到了t e t m 的模式相移差随注入光功率的增加而逐渐增加，相移角度超过1 8 0 。；模式间 的相移也随注入电流的增大而增大，当注入电流为2 5 0 m a 时，相移角度可达4 5 。；由于 a s e 的存在，出射光的偏振度会随注入光功率的增加而变大。输入不同调制格式的情况 下，经过s o a - n p r 效应，出射的r z d p s k 信号q 因子要比r z o o k 信号提高近2 扭； 基于超快s o a - n p r 效应的反向波长变换存在比较严重的模式效应，计算出波长变换后的 r z o o k 信号的q 因子为1 2 7 6 d b 。 关键词：半导体光放大器；非线性偏振旋转；穆勒矩阵；调制格式；波长转换 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t 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 so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t si nt h ea l l o p t i c a l s i g n a lp r o c e s s i n ga r e af o ri t sw i d e l ya p p l i c a t i o n si nw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，o p t i c a ll o g i cg a t e s ， w a v e l e n g t hm u t i n ga n dh i 曲一s p e e do p t i c a ls w i t c h a l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y b a s e do ns o an o n l i n e a re f f e c t s ，a si t sa d v a n t a g e sf o ra v o i d i n gt h e “e l e c t r o n i cb o t t l e n e c k r e s t r i c t i o n sa n di m p r o v i n gt h et r a n s p a r e n c yo fd a t at r a n s m i s s i o n ，t h u s ，h a sb e c o m er e s e a r c h f o c u si nt h ef i e l do fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n i nm o s to ft h et r a n s p o r ta n dn e t w o r ka p p l i c a t i o n s ， t h es e n s i t i v i t yo fi n p u ts i g n a lp o l a r i z a t i o ns t a t ei nt h ed e v i c e si sak e yf a c t o rt h a ts h o u l db e c o n s i d e r e d t h e r e f o r e ，t h ep o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs o aw h e r en o n l i n e a r p o l a r i z a t i o nr o t a t i o nf n p r ) i sm o s tc o n c e r n e dh a v ea t t r a c t e dal o to fa t t e n t i o n f o rt h e c o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft r a n s m i s s i o nr a t e ，s o a - n p re f f e c ti s d e v e l o p e dt o w a r dt h e u l t r a - f a s ta p p l i c a t i o n s f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fu l t r a f a s tc a r r i e rd y n a m i c sb a s e do nt h es o a - n p r m o d e l ，c a r r i e rh e a t i n g ( c h ) a n ds p e c t r a lh o l eb u r n i n g ( s h b ) e f f e c tw e r ei n t r o d u c e dt ot h e n u m e r i c a le q u a t i o n s w i t ht h eu l t r a s h o r tp u l s ei n p u t t i n gi n t os o & t h ei m p a c to ft h ep h a s e c h a n g ei n d u c e db yt h ec ha n ds h bi s w o r t hc o n s i d e r i n g m e a n w h i l e ，t h ep o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tg a i nc h a r a c t e r i s t i c s ，p h a s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc h i r pc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e di n v i e wo ft h ei m p r o v e dm o d e l t h er e s u l ti sh i 曲l ya c c o r d a n c ew i t ht h a to ft h ee x p e r i m e n ti n r e f e r e n c e s e c o n d l y , t h ep o l a r i z a t i o ne v o l u t i o no fl i g h ti ns o ai sa n a l y z e dw i t l lt h ep o i n c a r e m e t h o da n dm u e l l e rm a t r i xm e t h o d t h e nw ec a nn u m e r i c a l l yo b t a i nt h ep o l a r i z a t i o na z i m u t h a n dt h ee l l i p t i c a la z i m u t hc u r v eo ft h ei n j e c t e do p t i c a lp o w e r t h ea p p l i c a t i o no fe l l i p t i c a z i m u t hc u r v e sf o ri m p r o v i n gt h ee x t i n c t i o nr a t i oo fw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do n s o a - n p ri sa n a l y z e d f u r t h m o r e ，t h ep h a s ed i f f e r e n c ed u et ot h eb i r e f i - i n g e n c ei ns o a ，t h e m o d eg a i na n ds oo na r ed e m o n s t r a t e dt oc h a n g ew i t ht h ei n j e c t e do p t i c a lp o w e ro rc u r r e n t f i n a l l y , b a s e do nt h ei m p r o v e du l t r a f a s tm o d e lo fs o a - n p r , t h ee f f e c t so ft h en p ro nt h et w o d i f f e r e n tm o d u l a t i o nr z o o ka n dr z d p s kh a so b t a i n 缸t h e nt h er e v e r s ew a v e l e n g t h c o n v e r s i o nc a nb er e a l i z e d s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t , w h e nt h ei n p u tp u m pl i s t h sp o l a r i z a t i o ni sa tt h es a m e d i r e c t i o nw i t ht e t mm o d e ，t h et e t mm o d eo ft h ep r o b el i g t h tw i l lg e tm o r eg a i n ；t h e v a r i a t i o no fp h a s es h i f tc a nd i v i d et ot w or e g i o n ：t h er a p i da n dt h es l o w t h ec he f f e c tp l a ya k e yr o l ei nt h er a p i dr e g i o na n d t h ec d pe f f e c ta c ti nt h es l o wr e g i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e c h i r ps h o wt h a t ：n om a t t e rw h a tm o d ei ti s ，t h ea m p l i t u d eo fr e d s h i f tc h i r pi sg r e a t e rt h a nt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 q m m l ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! g ! ! 篁 b l u e s h i f tc h i r p 。鼢t h em u l l e rm a t r i xa n a l y z i n gt h ee v o l u t i o no ft h el i g h tp o l a r ia f i o n , w ec a l l g e tt h a tt h ep h a s es h i f tb e t w e e nt ea n dt m m o d ei n c r e a s e s 谢lt h ei n j e c t e do p t i c a lp o w e r , a n d t h ep h a s es h i f tc a na c h i e v e18 0 。m e l lt h ei n j e c tc u r r e n ti n c r e a s e s t h ep h a s es h i f ti n c r e a s e s t o o ，a n da c h i v e4 5 。a st h ep r e s e n c eo fa s e ，t h ed e g r e eo fp o l a r i z a t i o no fl i g h tw i l li n c r e a s e a f t e rt h es o a n p re f f e c t , t h eo u t p u to ft h er z - d p s ks i g n a li s2d b d bb e t t e rt h a nt h e r z o o ks i g n a l t h er e v e r s ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do nt h eu l t r a f a s tm o d e ls u f f e r s s e r i o u se f f e c t sb e t w e e nd i f f e r e n tm o d e sa n dt h eqf a c t o ri s1 2 7 6d b k e yw 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 r s ；n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n m u l l e r m a t r i x ；m o d u l a t i o nf o r r n a t ；w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n 西南交通大学囱南爻逋大字 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 不保密彩使用本授权书。 ( 请在以上方框内打”) 学位论文作者签名：黄锰移 日期：2 d f 口d 多，7 指导老师签名： 3 日期：2d d 口歹，7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 )对考虑超快动态特性的s o a n p r 模型引入影响相位变化的载流子加热和光谱烧孔 两个带内效应，数值求解扩展后的模型，分析了偏振相关的增益特性、相位特性及 啁啾特性。 2 )利用穆勒矩阵法和邦加球法分析光在半导体光放大器中偏振态的变化，得到描述光 偏振态的偏振方位角和椭圆方位角随着注入光功率的变化情况。数值求解出t e t m 模式间的相位差与注入泵浦光功率及注入电流的关系。分析了出射光偏振度随注入 泵浦光功率的变化和t e t m 模式增益随注入泵浦光功率的变化。 3 )利用扩展后的s o a - n p r 模型，传输r z o o k 信号和r z d p s k 信号，得到了不同调 制信号产生的n p r 效应。并基于该模型，数值求解了2 0 0 g b i t s 的反向波长转换。 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己经发表或撰写过的 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说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：酋缸谤 日期：血f 矿口占，7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 9 6 0 年，第一台红宝石激光器的诞生】、1 9 6 2 年，第一台半导体激光器的出现【2 】、 1 9 6 6 年，高锟博士提出的利用光导纤维进行信息传输【3 】、1 9 7 0 年，美国康宁公司在低损 耗石英光纤的研制上取得成功【4 】【引，标志着现代光通信时代的到来。伴随着波分复用 ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x ，简称w d m ) 技术的问世及迅速实用化陋3 【7 1 ，光纤的传 输容量得到了极大地提高，为高速大容量宽带综合业务网的传输提供了有效的途径 s 】【9 1 。 全光通信系统有效克服了电交换面临的速率瓶颈，极大地扩大通信网的整体容量和性能。 因此，基于全光信号处理技术的全光网络( a o n ：a l lo p t i c a ln e t w o r k ) 将是未来网络的 发展趋势。 全光信号处理技术主要依靠器件的非线性效应实现，这些器件主要包括：半导体光 放大器( 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 ，s o a ) 、非线性光纤环镜、光子晶体、波导等 等。其中，半导体光放大器凭借其体积小、非线性效应强、直接电流泵浦以及易于集成 等特点，在光纤通信系统中起着重要的作用【i o 】【】。半导体光放大器在光通信系统中主要 有三个方面的应用：首先，s o a 由于较光纤放大器具有更宽的增益带宽特性，因而能够 应用于中继光信号的线性放大作用，例如，可作为功率放大器 12 ；其次，s o a 有源介质 具有很强的非线性效应，比如交叉增益调制( x g m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、四波混频 ( f w m ) 效应以及非线性偏振旋转( n p r ) 效应，使其作为全光逻辑门【1 3 - 1 6 、光开关”n 、 光再生器件 1 9 】、波长转换器件刚等应用于光信号处理方面；第三，它的放大自发辐射 ( a s e ：a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ) 谱的宽带特性可以作为可调谐激光器及多波长 激光器的增益介质【：。 在大多数情况下，s o a 对输入信号的偏振态是敏感的，因此，偏振态的相关性就成 为决定其应用效果好坏的一个重要因素。通常情况下，偏振相关性对基于s o a 的非线性 效应的应用会产生不利的影响，例如：在利用f w m 实现波长转化过程中，偏振敏感特 性会降低转换效率。但是也可以充分利用非线性偏振旋转效应实现多种应用，例如全光 逻辑和波长转换等。在s o a 中，与偏振态相关的特性主要体现在增益特性和相位特性上。 由于t e t m 模式的光在s o a 内获得的增益和相移的不同，从而导致了出射光的偏振态 发生改变，即引起了非线性偏振旋转效应。相比于其他几种主要非线性效应，n p r 效应 能对偏振敏感的s o a 的偏振态进行有效的考虑，因此，基于s o a n p r 效应的研究也逐 渐受到了人们的重视。 1 2 非线性偏振旋转效应的国内外研究现状 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 随着构成光网络功能的光器件结构、光信号处理技术地不断发展，s o a 作为实现这 些网络功能的关键器件得到了更加广泛的关注。而s o a 的非线性效应在全光信号处理上 的应用，又使其成为各大通信公司及机构研究热点的重中之重。s o a 中的各种非线性效 应总的来说，主要是来自于输入信号对s o a 有源区中载流子浓度的调制作用，从而导致 了s o a 内部增益和折射率的改变。可归纳为以下4 种形式： 1 ) 交叉增益调制( c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ，x g m ) 交叉增益调制( x g m ) ，利用了s o a 的增益饱和特性，当输入信号为“1 ”时，较 高的光功率使s o a 发生了受激辐射，从而消耗了大量的载流子导致探测光在信号光为“1 ” 的持续时间内经历的增益较小；而当信号光为“0 ”时，由于注入电流的作用，使被消耗 的载流子逐渐得到补充，所以这个时间段内探测光经历的增益变大1 7 _ 。基于s o a x g m 的波长变换原理图如图1 1 所示。 彳t p u m p 图1 1 基于s o a x g m 的波长变换原理图 f i g1 - 1s t r u c t u r eo f w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do ns o a - x g m 2 ) 交叉相位调制( c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ，x p m ) 交叉相位调制( ) a ，m ) ，主要依赖于s o a 有源区中载流子浓度的变化，进而改变s o a 中折射率的变化。折射率的改变又将对耦合到s o a 中的光信号的相位进行调制。由于相 位的变化是很难探测出来的，因此，可以利用干涉效应把相位调制的变化改变成强度调 制的变化输出，实现信号光和探测光的交叉相位调制。基于s o a x p m 的波长变换原理 图如图1 2 所示。 c w ：三广 o u t p u ts i g n a l 图1 2 基于s o a x p m 的波长变换原理图 f i g 1 - 2s t m c t u r eo f w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do ns o a - x p m 迦肌 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 3 ) 四波混频( f o u rw a v em i x i n g ，f w m ) 四波混频( f w m ) ，亦称为四声子混合，是非线性介质三阶极化实部作用产生的一 种光波间的耦合效应，是因不同波长的两三个光波相互作用导致在其他波长上产生新的 混频产物，或边带的新光波瞄3 1 。与其他的转换技术相比，四波混频效应最大的优点就是 转换速率快以及调制格式、比特率的透明，并且还具有多波长同时转换的能力。基于 s o a f w m 的原理图如图1 3 所示。 |l 6 ) s ji 2 0 9 p - o g s 2 s _ p j l 个 图1 3 基于s o a - f w m 的原理图 f i g 1 - 3s t r u c t u r eo fs o a - f w m 4 ) 非线性偏振旋转( n o n 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 o a 的偏振相关特性包括增益的偏振相关性和相位的偏振相关性【2 4 1 。由于s o a 本 身结构的不对称性，所以它存在固有的双折射，再加上入射泵浦光在s o a 中引入的附加 双折射，所以出射信号光的t e 模式和t m 模式在s o a 中经历的有效折射率不同，致使 t e 模式和t m 模式的光的相位变化不相同，再加上t e 、t m 模式在s o a 中获得的增益 的不同，共同导致了出射光的偏振态不同于入射光的偏振态，称为非线性偏振旋转效应。 基于s o a n p r 的波长变换原理图如图1 _ 4 所示。 p r o b el i g h t p u m pl i g t h t 图l - 4 基于s o a - n p r 的波长变换原理图 f i g 1 - 4s t r u c t u r eo f w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do i ls o a - n p r 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 近年来，基于半导体光放大器非线性偏振旋转效应的研究正逐渐展开。早在2 0 0 3 年， 荷兰埃因霍温大学的x y a n g 、d l e n s 仃a 、及gd k h o e 等人就开始了对亚皮秒量级的偏 振光脉冲在s o a 中的传输建立速率方程，并首次将偏振光分成t e 模式和t m 模式两个 垂直的方向进行处理，对超快情况下增益饱和、双光子吸收、自由载流子吸收、自相位 调制、交叉相位调制等效应产生的影响包括到了所建立的模型当中；同时，对脉宽为2 0 0 届 的超短脉冲进行数值求解，得到的结果与实验相吻合【2 5 1 。然后，在2 0 0 4 年，同一研究小 组的a k m i s h r a 、x y a n g 、d l e n s 订a 等人则在实验上利用n p r 效应实现了再注入控制 脉冲为1 0 的情况下，转换效率达到1 2 拈的1 2 0 届的波长转换二引。2 0 0 5 年，研究人员 又把兴趣投向了利用n p r 效应实现锁模光纤激光器的作用上【7 】【孙 。j j v e g a so l m o s 和 i t a f u rm o n r o y 在2 0 0 6 年利用n p r 效应制作出了一个全光标签与分组信息的分离器口哪。 而2 0 0 7 年，则有m p r e s i 和s g u p m 提出通过n p r 效应实现d p s k 分组信息的功率均 衡。 国内方面，华中科技大学的研究小组在s o a 的应用研究方面一直处于领先地位，同 时，北京邮电大学、北京交通大学、电子科技大学的研究人员在这方面也做出了不错的 研究成果。基于s o a n p r 效应，北京交通大学成功将正、反向波长变换与2 r 全光再生 同时实现【3 ”；探索了占空比可调的全光n r z o o k 信号到r z o o k 信号的格式转换| 3 ：j ； 在r o f 领域，实现了4 个信道2 5 g b s 的光子频率向上转换【3 3 】；并且还对连续可调的多 波长光纤激光器做了研究| 3 4 1 。北京邮电大学则利用基于s o a - n p r 效应结合红移滤波的 方法做了波长变换、格式转换方面的研究【l6 】 3 刚。而电子科技大学将此效应应用在了全光 采样上f 3 7 】。 1 3 论文主要工作 目前，由于光通信系统的发展，基于s o a - n p r 效应的光信号处理已经受到了很多国 内外专家、学者的关注，也有很多这方面的研究成果。本文在广泛学习国内外相关研究 成果的基础上，在半导体光放大器的几个重要非线性效应中，以非线性偏振旋转效应为 主要研究对象，改进了s o a - n p r 超快动态特性的理论模型，分析了偏振相关的基本特性。 本文的组织结构如下： 第一章：绪论。介绍本论文的研究背景、对s o a - n p r 效应的国内外研究现状进行分 析并对论文的主要工作进行说明。 第二章：半导体光放大器非线性偏振旋转理论模型。介绍了s o a 的波导结构和 s o a - n p r 的理论模型，并在此基础上把影响相位变化的带内效应载流子加热及光谱烧孔 效应引入到原有的理论模型当中，分析了改进模型中的偏振相关特性。 第三章：穆勒矩阵在s o a - n p r 效应中的应用。对穆勒矩阵进行介绍，数值求解出描 述光偏振态变化的椭圆方位角和偏振方位角的变化，并利用邦加球直观地显示出光偏振 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 态的改变。 第四章：基于s o a - n p r 的调制格式和波长转换研究。以第二章中的改进模型为基础， 传输r z o o k 及r z d p s k 两种不同的调制方式，得到两种不同调制方式引起的偏振旋 转效应，并分析所引起的效应的差异。同时，研究了基于s o a n p r 效应的波长转换。以 考虑超快效应的s o a n p r 模型为基础，对反向波长转换进行分析。 最后是结论、致谢和攻读硕士学位期间发表的文章。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章半导体光放大器非线性偏振旋转数值扩展模型 2 1 引言 在全光网络中，半导体光放大器( s o a ) 由于其具有高非线性、低能耗以及易于集 成等优点，是未来实现全光信号处理和补偿损耗的重要器件。因此，越来越多的研究小 组利用s o a 对全光信号进行处理。s o a 的波导结构如图2 1 所示。 图2 - 1s o a 的波导结构 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r eo fs o a sw a v e g u i d e 在大多数传输和网络应用中，器件对输入信号偏振态的敏感程度是一个必须考虑的 因素，因此，基于s o a 的偏振相关特性受到了广泛的关注。s o a 的非线性偏振旋转效应 是个重要的方面，近年来受到人们的重视。许多研究人员利用s o a 的非线性偏振旋转 特性展开了很多研究工作：2 0 0 3 年，h j s d o r r e n 等人在考虑s o a 非线性偏振特性时 提出了将输入光场分解为t e 和t m 两个方向进行处理，建立了相应的理论模型、并利用 非线性偏振旋转( n p r ) 效应在实验上实现了光的缓存【38 】；波长转换方面：yl i u ，m t h i l l 等在2 0 0 3 年应用n p r 效应在单个s o a 上实现了l o g b i t s 的波长转换【3 9 1 、2 0 0 5 年 l q g u o 和m j c o n n e l l y 则在体材料型s o a 上进行了基于n p r 效应的2 5 g b i t s 的波 长转换i 4 ”j ；在全光逻辑门的应用上，主要有：h s o t o ，c a d i a z 等把非线性偏振旋转用 于全光逻辑与门的实现【4 1 | 、2 0 0 7 年北京邮电大学的研究人员利用n p r 效应与红移边带滤 波结合的方法在实验上实现了2 0 g b i t s 的全光逻辑或f - j l 拍】；而在全光格式变换【4 二】【4 3 】、全 光采样1 37 j 畔j 以及光纤激光器【4 5 】【4 州上，n p r 效应也起到了很大的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 半导体光放大器中非线性偏振旋转效应的原理及扩展模型 在s o a 中，非线性偏振旋转是由两种原因产生：第一，光的t e 模式和t m 模式在 s o a 中获得的增益不同，这样，t e 模式和t m 模式之间的增益比值发生变化，导致出射 光的偏振态发生改变；第二，s o a 本身的固有双折射以及泵浦光在s o a 中引入的附加双 折射的存在，因而光的t e 模式t m 模式会在s o a 中经历不同的折射率，致使t e 模式t m 模式的相位变化不同。因此，当光波经过s o a 时，其偏振态会发生改变，这就是非线性 偏振旋转效应【3 5 1 。 2 2 1 非线性偏振旋转效应的产生机制 为了简化分析，分别将光的t e 模式方向和t m 模式方向设为与z 轴和y 轴方向重合， 行波方向设为z 轴。假设入射到s o a 中的光为线极化态，并且极化方向与s o a 的t m 轴， 也即y 轴成9 角，输入信号光的振幅为e ，初始相位为丸( 通常设为o ) ，u 旭。是水平( 或 垂直) 轴的单位矢量，如下图所示： f i g 2 2t h es c h e m a t i co f t h es o a - n p r 进入s o a 的初始光场表达式为【3 6 】： e o = es i n ( o ) e x p ( i 谚o ) f i r e + ec o s ( o ) e x p ( i b o ) f r m ( 2 - 1 ) 其中，o o 为入射光场的初始相位；f i r e 、分别为t e t m 方向的单位矢量。在s o a 中传输时，利用琼斯矩阵表示的光场为： 甜一圳侈刳 磊，珊是在s o a 中传输光场的t e t m 分量，姑，珊为t e t m 模式的相移量；瓦，脚 的表达式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 j = g e s i n ( o ) 历r e 【= e e o s ( 0 ) ( 2 - 3 ) 其中，g 是t e 模式与t m 模式的单程增益比。t e t m 两个模式的相移虹，跏则定 义为： 两个模式之间的相移差为： 虹= _ 2 z l 广n r e ：2 z l - n r m 以 虹一删= 虹一办m ( 2 _ 4 ) ( 2 5 ) 这里，是s o a 有源区的长度，a 是为光信号的波长，n t e 珊是两个模式的有效折 射率。由上可以看出，模式间的单程增益比g 和模式间的相移差虹一埘的大小共同决定 了输出信号的偏振态闭。 2 2 2 半导体光放大器的非线性偏振旋转效应数值扩展模型 2 0 0 3 年x y a n g 等人提出的超快载流子特性的s o a 的n p r 模型：5 1 中，已经把带问 效应对相位变化的影响进行了分析，伴随着基于s o a 的信号处理速度的提高，s o a 中各 种带内效应对信号脉冲的影响越来越大，所以，在分析s o a 超快动态特性时，载流子加 热( c a r r i e r sh o t f i n g ，c h ) 及光谱烧孔( s p e c m l i nh o l eb u r n i n g ，s h b ) 这两个带内效应 对相位的影响也是值得重视的。以考虑超快动态特性的s o a 理论模型为基础，加入了载 流子加热( c h ) 和光谱烧孔( s h b ) 两个带内效应对脉冲相位变化的影响，从而能更精 确的描述s o a 的超快相位动态特性。 s o a - n p r 超快特性模型中，当输入超短脉冲的情况下，带内效应产生的影响是不能 忽略的，因此，加入载流子加热( c h ) 及光谱烧孔( s h b ) 效应，能更全面地分析超短 脉冲的相位变化。 在s o a 中，不考虑偏振效应时的光场传输方程就可以写为t 47 j ： 笔碧= 1 f g ( z , r ) 一丢r ：f 1 2 ( 1 + i a 2 ) ，f ) 1 2 一i 1 。一吾r 展姒v ) 一展纵印) 】 + 圭 a g ( z ，f ) j r a c h g 删( z ，r ) + o ! s h b g 册( z ，瑚) ( 2 - 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 式中，右边第一项为增益的贡献，r 为光学限制因子；第二项表示的是双光子吸收 ( t p a ) 项，r ，为相应于t p a 效应的光学限制因子，晟为双光子吸收系数，a ，为相位 调制系数；第三项为损耗项，第四项和第五项分别表示为导带和价带的自由载流子吸收 ( f c a ) ，历，表示导带和价带的自由载流子吸收系数，n 为导带和价带的载流子浓度； 第六项表示的是与增益有关的相位项，其中包括载流子密度脉动以及载流子加热及光谱 烧孔，a 为相位调制系数，a r 为相应于载流子加热效应的线宽增强因子，口。瑚为相应 于光谱烧孔的线宽增强因子。其中g ( z ，f ) 为s o a 中的总增益，g ( z ，f ) 为仅由带间载流 子浓度所引起的增益变化，a g 倒( z ，f ) 为载流子加热所引起的增益变化，g 册( z ，f ) 为带 内过程光谱烧孔所引起的增益变化，表达式如下译7 j ： g ( z ，t ) = 二口( 纰) 行。( z ，f ) + ，z ，( z ，f ) 一o 】 ( 2 7 ) k 1 g ( z ，f ) 。手口( ) ，z 她f ) + 刀沁f ) 一o ( 2 - 8 ) 1 a g c t ，( z , t ) = - - ia ( c o o ) n 一刀如f ) + 瓦一，z 沁f ) ( 2 - 9 ) 1 a g s 珊( z , t ) 2 手口( ) 他( z ，) 一绣- i t v ( 圳) 一瓦 ( 2 1 0 ) 其中，准费米平衡态刀。( z ，t ) 定义为，2 加( z ，t ) = n o f ( 庀， ，t ，( z ，f ) ，t ，) 。当载流子温 度驰豫到晶格温度时，此时准费米平衡态为t c ，( z ，f ) = 0 f ( e 庀f i , , 正，e ，) 。 考虑偏振相关性，应该将输入s o a 中的任意入射光场分解成t e 和t m 两个分量， 并假定与两个模式分量都垂直的方向为光场的传输方向。入射光的总电场可以写为【：5 】： e r e r m ( z ，t ) = i a 陋( z ，t ) k + a 刑( 刎夕p 州删+ c c s t e t m ( z ，f ) = a 删删( z ，f ) 1 2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 其中，k o = ( n ( c o o ) e ) o o ，n ( o o ) 为入射光场中心角频率c o o 处的折射率。 由( 2 6 ) 式，把文献 4 7 中的t e 和t m 模式在s o a 中的传输方程分为强度公式和 相位公式，强度公式如下所示： 笙o 塑z = r e g r e ( 舻) 一口嘶一r 诬厦心f ) 一r 旭屈心f ) 铲( 邵) 一r ：殷 警( 邵) + 铲( 邵) 等( v ) ( 2 - 1 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 其中 字= r m g t m 亿巾”r 协c ( z ，帆亿f ) ( z ，f ) 一r ：展 串( 印) + 铲( v ) 甲( v 相位公式可以扩展为： 掣：一i li r 口t e g t e ( z ，f ) + a 叫t e 越- - 矾t er z ，f ) + a 汕t e 甥- - 册t el , z ，f ) 化z 。 。 一三口：r ：殷 s 。t e ( z ，r ) + s t ( z ，f ) 掣：一i r 口肼g ( z + a 叫t m g 凹t m ( 印) + a 册t m g 器( v ) o z。 。 一丢啦：履 $ 小s t ( z 一 ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) a r e 珊( 印) ：扫丽啄五一 ( 2 17 ) 彳冽( z ，f ) 为光场中t e t m 两个模式的慢变包络近似，口聊删为t e t m 模式的相 位调制系数，f t e 聊为t e t m 模式的限制因子，g t e 删为t e t m 模式增益，口i n t t e 删为 t e t m 模式损耗，倒删为t e t m 模式的相位。n c ( z ，f ) 、n x ( z ，f ) 、n y ( z ，f ) 分别为s o a 中总电荷数及电子、空穴数。 t e t m 两个模式的增益为【2 5 】： g 陋( v ) 2 i 1 口尼( 砒如m ( v ) 一“】 g 埘( z ，r ) ：_ 1 口册( ) 心( z ，r ) + ( z ，f ) 一0 】 v g 。 ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 其中，a t m ( c o o ) 为增益系数，“为受激发射的总的态数。为了计算出t e t m 模式增 益，则必须计算出本地载流子密度，它们满足以下的方程： 掣一半_ v g g 蚋印h g r m 亿辩( z ，f ) - - r c ( z , t ) 鼽 $ ( 邵) + 铲( 印) ( 2 2 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 垫笋：一丛生掣飞g 您( 即) 串( v ) 一n x ( 卵) 屈k $ ( 印) + 铲( z 一 c i ft ， 。 。 ( 2 - 2 1 ) 垫笋：一丛生学型- v g g m ( v ) 铲