（光学专业论文）基于soa的全光逻辑异或及其在ocdm中的应用研究.pdf

l f 二 卜 二 - f 独创性( 或创新性) 声明 j l llf iii i l l ll f l li l l ll li ll y 17 5 8 7 9 2 本人声明所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：丛蓝k 丝日期：塑：三： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期一兰m 事：y 日期： 型 ! ：主： - ， 疆白 基于s o a 的全光逻辑异或及其在o c d m 中的应用研究 摘要 全光信号处理具有处理高速率、宽带宽、大容量信号的能力，是 未来全光通信网络的关键技术，能突破节点光电光转换所引起的“电 子瓶颈 效应。全光逻辑异或( x o r ) 作为全光信号处理的关键技术 之一，可用于数据编码、信号再生、奇偶校验、标签交换等。 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 o a ) 可产 生多种非线性效应，如交叉增益调制( x g m ) 、交叉相位调制( x p m ) 以及四波混频( f w m ) 等。基于s o a 非线性效应实现的全光逻辑异 或具有结构紧凑、非线性高、功耗低、性能稳定、易于集成等优点， 成为目前研究的热点。 光码分复用( o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e ，0 c d m ) 是将应用 在无线通信领域的码分复用技术与光纤通信技术相结合的一种新技 术，具备很强的技术优势，是未来宽带无源光网络一个非常有前景的 解决方案。将全光逻辑异或应用于o c d m 技术中，将进一步提高数 据安全性，具有重要的研究意义。 本论文主要是对基于s o a 非线性效应的全光逻辑异或及其在 o c d m 中的应用进行了理论分析和仿真研究：首先，阐述了s o a 的 交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频三种非线性效应的基础理论 及其功能应用，并分别对基于这三种非线性机制实现的波长转换功能 进行仿真和性能分析；其次，对基于s o a 非线性效应实现的各种全 光逻辑异或方案进行原理介绍和性能分析比较，通过两种方式对基 于s o a m z i 结构的逻辑异或和解异或方案进行仿真和性能分析， 并找出异或效果最佳的参数点；最后，研究了基于多媒体通信业务 产生的多速率o c d m 系统以及o c d m 加密系统，提出一种基于 s o a m z i 实现的多速率o c d m 加密系统，并对该加密系统进行了仿 真，仿真结果证明了该方案切实可行，将对未来全光安全网络的实现 具有参考意义。 关键词：半导体光放大器非线性效应逻辑异或o c d m 加密 ，l _ 1 v r e s e a r c ho fa l l o p t i c a ll o g i cx o rb a s e d o ns o aa n di t sa p p l i c a t i o ni no c d m a b s t r a c t h a v i n gt h ea b i l i t yo fd e a l i n gw i t hh i g h - s p e e d ，b r o a d - b a n d w i d t h ， g r e a t c a p a b i l i t ys i g n a l ，a l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gb e c o m e sak e y t e e h n o l o g yf o rf u t u r ea l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k sa n dc a nb r e a k t h r o u g h ”e l e c t r o n i cb o t t l e n e c k e f f e c td u et ot h ep h o t o e l e c t r i c p h o t o t r a n s f o r m a t i o no ft h en o d e s a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fa 1 1 o p t i c a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，a l l o p t i c a ll o g i ce x c l u s i v eo r ( x o r ) c a r lb eu s e df o r d a t ae n c o d i n g ，s i g n a lr e g e n e r a t i o n ，p a r i t yc h e c ka n dl a b e ls w i t c ha n ds o o n 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 ) i sa b l et op r o d u c eav a r i e t y o fn o n l i n e a re f f e c t s ，s u c ha sc r o s s g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) ，c r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ( m ) a n df o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) a n d s oo n a l l o p t i c a l l o g i cx o r b a s e do nt h en o n l i n e a re f f e c t so fs o ah a ss om a n ym e r i t s s u c ha s c o m p a c tf a b r i c ，h i g hn o n l i n e a r i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， s t e a d yp e r f o r m a n c ea n de a s yi n t e g r a t e da n ds oo n ，a n dn o wi tb e c o m e s t h eh o tp o i n to fr e s e a r c h o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e ( o c d m ) i san o v e lt e c h n o l o g yw h i c h c o m b i n e sc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e w h i c hi s a p p l i e d i nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nf i e l dw i t ho p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s a n di th a ss t r o n g t e c h n i c a la d v a n t a g e s w h i c hw i l lb e c o m eo n eo ft h er e s o l u t i o n sf o rf u t u r e b r o a d b a n dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k i th a ss i g n i f i c a n tr e s e a r c hs e n s et o a p p l ya l l o p t i c a ll o g i cx o r i n t oo c d mt e c h n o l o g ya n di tw i l li m p r o v e t h ed a t as e c u r i t y a 1 1 o p t i c a ll o g i cx o r b a s e do nt h en o n l i n e a re f f e c t so fs o aa n di t s a p p l i c a t i o n si n0 c d m a r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n ds i m u l a t e di nt h e t h e s i s ：f i r s t 。t h eb a s i ct h e o r i e sa n di t sf u n c t i o na p p l i c a t i o no ft h et h r e e n o n l i n e a re f f e c t so fs o a ，i n c l u d i n gc r o s s g a i nm o d u l a t i o n ，c r o s s p h a s e m o d u l a t i o na n df o u r - w a v em i x i n g ，a r er e p r e s e n t e d c o n v e r s i o nf u n c t ：i o n sb a s e do nt h e s et h r e en o n l i n s i m u l a t e da n da n a l y z e d s e c o n d ，t h ep r i n c i p l e so fv a r i o u sa l l - o p t i c a ll o g i c x o rs c h e m e sb a s e do nt h en o n l i n e a re f f e c t so fs o aa r eg i v e na n dt h e p e r f o r m a n c e c o m p a r i s o n sa m o n g t h e ma r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o n sa n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fl o g i cx o r a n dr e v e r s ex o rs c h e m e sb 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 i nm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( s o a m z i 、) s t r u c t u r ea r em a d eb yt w om e t h o d s a n dt h ep a r a m e t e r p o i n t so fb e s tx o re f f e c ta r ei n v e s t i g a t e d l a s t ，m u l t i r a t e0 c d m s y s t e m a n d0 c d m e n c r y p t i o ns y s t e m b a s e do nm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sa r er e s e a r c h e d a n dan o v e lm u l t i r a t e0 c d m e n c r y p t i o ns y s t e mb a s e do ns o a - m z i i sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e t h i s e n c r y p t i o ns y s t e mi s s i m u l a t e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e st h e f e a s i b i l i t yo ft h i ss c h e m e ，a n di th a sac e r t a i nr e f e r e n c ef o rt h er e a l i z a t i o n o ff u t u r ea 1 1 o p t i c a ls e c u r en e t w o r k s 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 ，n o n l i n e a re f f e c t ，l o g i c x o r ，o c d m ，e n c r y p t i o n 本论文受以下项目资助： 项目资助 国家自然科学基金( 6 0 9 7 7 0 0 2 ) 教育部高等学校博士学科点专项科研基金( 2 0 0 8 0 0 1 3 1 0 0 2 ) - 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 全光逻辑异或的研究背景1 1 3 全光逻辑异或的实现方案及研究概况2 1 4 本论文主要工作3 第二章s o a 的非线性效应4 2 1 引言4 2 2 基于s o a 的交叉增益调制4 2 2 1 交叉增益调制理论及应用4 2 2 2 基于s o a 的交叉增益调制仿真6 2 2 3 基于s o a 的交叉增益调制性能分析1 0 2 3 基于s o a 的交叉相位调制1 5 2 3 1 交叉相位调制理论及应用1 5 2 3 2 基于s o a 的交叉相位调制仿真1 7 2 3 3 基于s o a 的交叉相位调制性能分析1 8 2 4 基于s o a 的四波混频效应2 3 2 4 1四波混频理论及应用2 4 2 4 2 基于s o a 的四波混频仿真2 5 2 4 3 基于s o a 的四波混频性能分析2 9 2 5 本章小节3 2 第三章基于s o a 非线性实现的全光逻辑异或3 4 3 1 基于s o a 逻辑异或的基本原理3 4 3 2 基于s o a - m z i 逻辑异或的仿真分析3 7 3 2 1 基于s o a m z i 逻辑异或的仿真模拟3 7 3 2 2 基于s o a m z i 逻辑异或的性能分析4 1 3 3 基于s o a - m z i 逻辑解异或的仿真模拟4 4 3 4 本章小结4 6 第四章基于s o a 实现的多速率o c d m 加密系统4 7 4 1o c d m 技术简述4 7 4 2 多速率o c d m 系统4 8 4 30 c d m 加密系统4 8 4 4 基于s o a - m z i 实现的多速率o c d m 加密系统4 9 4 4 1 系统基本原理4 9 4 4 2 系统仿真模拟5 0 4 5 本章小结5 6 第五章总结5 7 参考文献5 8 致谢6 l 攻读学位期间发表的学术论文目录6 2 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 随着人们对信息需求量的不断增长，网络通信技术也随之飞速发展，尤其是 近年来各种新型多媒体通信业务的大量涌现和快速增多，如可视电话、视频点播、 高清图像传输、远程视频会议等，需要人们更充分的更有效的利用现有网络通信 系统的传输容量【l 】。 系统传输容量的快速增长给通信交换系统的发展带来了挑战和动力。人们对 网络速率的需求日益增长，传统的使用电信号处理技术的网络，由于各个节点的 光一电光转换，使得系统的总体性能受到了“电子瓶颈 的限制。基于全光信号 处理技术的使用全光交换和全光路由的全光网络( a l lo p t i c a ln e t w o r k ，a o n ) 是 未来通信网络的发展趋势【2 】。传统的电方式只支持单一的业务形式，当有其他协 议接入时，需增加协议转换设备，使得网络管理复杂化。在全光网中，不需要电 信号处理，允许存在多种不同格式的协议和编码形式，使得信息传输透明化。另 一方面，全光交换的存在减少了网络中的光一电一光转换，节省了大量的成本，透 明的光交换使得用户速率的升级变的更加容易【3 】。 全光信号处理具有处理高速率、宽带宽、大容量信号的能力，是未来全光通 信网络的关键技术，能突破节点光一电一光转换所引起的“电子瓶颈”效应【4 】。全 光逻辑运算作为全光信号处理技术中的重要功能之一，可实现信号再生、信息交 换、高速伪随机码生成、信头识别、加密解密、门限判决等功能，成为全光通信 中的研究热点p j 。 1 2 全光逻辑异或的研究背景 随着人们对信息量需求的激增，快速发展的通信业务对带宽和容量都提出了 更高的要求，采用电子信号处理技术的网络已难以满足需求，大容量高速率的全 光通信网络是未来通信网的发展趋势。但现有的光网络对传输信号的处理仍是在 电域中进行，因此必须采用光电光转换，受到“电子瓶颈的限制，难以实现 网络传输速率的提高和信息格式的透明化【3 】。全光信号处理技术具有处理高速 率、宽带宽、大容量信号的能力，成为开发高速全光通信网络的关键技术。 全光逻辑功能的实现主要是利用高非线性材料的非线性特性，如高非线性光 纤材料、光波导材料、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 o a ) 等。特别是半导体光放大器，由于其非线性特性良好，工作波长范围宽，易于集 成，适于制作全光逻辑器件，得到了广泛的研究和应用【3 】。对全光逻辑的研究意 北京邮电大学硕士学位论文 义重大，也是当前迫切需要解决的问题。 全光逻辑运算作为实现全光分组交换的重要组成部分，可应用到很多重要的 节点功能上，而其中的全光逻辑异或更是重中之重。全光逻辑异或( x o r ) 作为 全光信号处理的关键技术之一，可用于数据编码、信号再生、奇偶校验、标签交 换等，对未来的全光信号再生、全光光分组交换、全光波长变换等各方面都具有 十分重要的意义【6 ，7 】，成为目前通信界的研究热点。 1 3 全光逻辑异或的实现方案及研究概况 在各类全光逻辑器件中，全光逻辑异或门尤其重要，网络节点中的光交换、 光判决及光信号编码等功能都离不开全光逻辑异或门。逻辑异或门是全光信号处 理的关键器件之一，能实现光数据编码、标签交换、净荷定位、门限判决、时钟 提取、奇偶校验等多种重要功能。 迄今为止，实现全光逻辑异或的方法有很多种。例如，利用非线性光纤环镜 ( n o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r ，n o l m ) i s j 、s o a s a g n a c 光纤干涉仪【9 1 、超快 速非线性干涉仪【l0 】等。这些方法都是通过利用光纤的非线性效应来实现逻辑异 或，数据处理速度快。但光纤的存在使得异或结构复杂化，不易集成。与此相比， 基于半导体光放大器实现的全光逻辑异或具有结构紧凑、非线性高、功耗低、性 能稳定、易于集成等优点，具有相当好的应用前景【4 ，1 1 1 。 基于s o a 实现的全光逻辑异或大体上可分为两大类：一类是基于s o a 自身 非线性效应实现的，比如利用s o a 的交叉偏振调制( c p m ) b 2 、交叉相位调制 ( x p m ) 、交叉增益调制( x g m ) 1 3 】及四波混频( f w m ) 1 4 】效应等；另一类是 基于s o a 辅助的干涉仪结构【”】，主要包括基于s o a u n i ( u l t r a f a s tn o n l i n e a r i n t e r f e r o m e t e r ，超快速非线性干涉仪) 、t o a d ( t e r a h e r zo p t i c a la s y m m e t r i c d e m u l t i p l e x e r ，太赫兹非对称光解复用器) 、s o a m z i ( m a t h z e h n d e r i n t c r f c r o m c t c r ，马赫曾德尔干涉仪) 及s o a - m i ( m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r ，迈 克尔逊干涉仪) 【7 j 等。 目前很多机构都展开了对全光逻辑异或门的研究，包括香港中文大学、斯坦 福大学、康宁公司研究中心、华中科技大学、北京邮电大学等。在基于半导体光 放大器实现全光逻辑异或的研究领域内，目前国外的科研水平已处于领先地位。 而国内的研究相对滞后，尚处于起步阶段【l6 1 。t h o u b a v l i s 等人在1 9 9 9 年报道，基 于t o a d 设计的方案，对重复频率为5 g h z 的信号光进行逻辑转换，输出信号消 光比可达1 4 6 d b 9 1 。t f j e l d e 等人在2 0 0 1 年报道，基于s o a m i 设计的方案，对 1 0 g b s 的信号光进行逻辑异或，输出消光比可达1 3 d b i l 7 j 。r p w e b b 等人在2 0 0 3 年报道，基于s o a m z i 设计的方案，对4 0 g b s 的信号光进行逻辑异或，输出消光 北京邮电大学硕士学位论文 比大于1 2 d a t l 羽。通过实验验证，目前，基于s o a m z i 设计的逻辑异或门的工作 速率可达1 6 0 g b s 1 1 9 1 ，基于s o a m i 设计的逻辑异或门的工作速率可达2 0 g b s t ：2 0 1 ， 期：s o a u n i 设计的逻辑异或门的工作速率可达4 0 g b s 【2 1 2 2 】，翱：s o a s a g n a c 设计的逻辑异或门的工作速率可达10 g b s 【2 3 】。 1 4 本论文主要工作 本论文在国内外现有成果的基础上，主要是对基于s o a 非线性效应的全光 逻辑异或及其在o c d m 技术中的应用进行了理论分析和仿真研究，主要工作内 容总结如下：， 1 、通过查阅大量的文献资料，了解掌握全光逻辑异或的研究背景、实现方 案及研究概括。 2 、对半导体光放大器中的交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频三种非 线性效应进行基础理论分析。 3 、分别对基于s c a 的交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频非线性效应 实现的波长转换功能进行仿真模拟和性能分析，主要分析了光源线宽、信号光码 率、偏置电流、信号光功率、探测光功率、波长转换间隔等参数对转换信号消光 比和转换效率的影响。 4 、对基于s c a 实现的各种逻辑异或方案进行原理分析与性能比较，并对基 于s o a m z i 实现的逻辑异或模块和解异或模块进行仿真模拟和性能分析，找出 效果最佳的参数点。 5 、研究基于多媒体通信业务产生的多速率o c d m 系统以及o c d m 加密系 统，提出一种基于s o a m z i 实现的多速率o c d m 加密系统，并对该加密系统 进行仿真模拟，仿真结果证明了该方案切实可行，对未来全光安全网络的实现有 参考意义。 3 北京邮电大学硕士学位论文 第二章s o a 的非线性效应 2 1引言 二十世纪六十年代，随着半导体激光器的发明，半导体光放大器的研究开始 被提出来。由于具有增益特性，起初其主要是作为前置放大器、线性放大器以及 功率放大器而被使用，且人们对它的研究主要集中在带宽、噪声、增益、饱和增 益、输出饱和功率等方面。但是由于其噪声特性差、非线性比较严重，随着掺饵 光纤放大器( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 技术的出现和成熟，而后 逐渐被e d f a 取代。不过近年来，随着光通信技术的快速发展，半导体光放大器 非线性特性在全光信号处理中的应用，又引起了广泛的研究兴趣【2 4 】。 随着研究技术的成熟和生产成本的降低，半导体光放大器由于其具有功耗 低、体积小、易于集成以及偏振敏感弱等优点，在光通信方面具有非常好的应用 前景，将成为未来光纤互联网和全光通信网络系统的重要部分。在未来的光通信 网络中，其将被广泛应用于光开关、波长变换、上下路由等各方面。由于航天、 通信、军用及数据网络等应用的不断发展，半导体光放大器的市场发展前景将非 常可观【川。 半导体光放大器是一种利用半导体技术制造的行波放大器，类似于一个去掉 谐振腔的激光器，其本质是一个p n 结。半导体光放大器是具有良好非线性特性 的光子器件，其非线性效应主要有交叉增益调制( x g m ) 、交叉相位调制( x p m ) 以及四波混频( f w m ) 等，基于这些非线性效应可实现波长转换和全光逻辑等 多种功能【5 j 。 本章将分别对基于s o a 的交叉增益调制原理、基于s o a 的交叉相位调制 原理、基于s o a 的四波混频原理进行一一阐述，并对s o a x g m 、s o a x p m 及 s o a f w m 型波长转换系统进行仿真模拟和性能研究。并以输出消光比和转换效 率作为衡量指标来分析各参数对转换光信号质量的影响。 2 2 基于s o a 的交叉增益调制 2 2 1交叉增益调制理论及应用 半导体光放大器的交叉增益调制来源于其自身的增益饱和效应。在注入电流 的作用下，s o a 载流子的分布产生反转，上能级载流子数目多于下能级载流子 数目。光信号注入时，上能级载流子由于受激辐射而被消耗，且由于上能级载流 子数量有限，则小信号输入时其放大倍数较大，大信号输入时其放大倍数较小， 4 北京邮电大学硕士学位论文 甚至没有放大，该现象即为增益饱和效应【2 5 1 。 基于s o a 的交叉增益调制效应的工作机理：连续光( 即探测光) 和脉冲光 ( 即控制光) 同时注入到s o a 中，高功率的脉冲光消耗大量的载流子，从而引 起半导体光放大器的增益饱和，低功率的探测光受到s o a 的增益调制，携带上 与脉冲光反码的信息，此时半导体光放大器的作用相当于一个逻辑非门。基于 s o a 的交叉增益调制效应的工作原理就是通过输入控制光来调制半导体光放大 器有源区的载流子密度，从而通过光烧孔效应将控制光的信息复制到探测光波长 上来【5 1 。 连续探测光( 波长为以) 和脉冲信号光( 波长为a 。) 一同注入到半导体光 放大器中，且信号光功率强于探测光的功率。其消耗的载流子数目随着信号脉冲 强度的起伏发生相应的变化，从而引起s o a 增益饱和的变化，即半导体光放大 器的增益受信号光强度变化的调制，载流子浓度的变化则引起s o a 腔内折射率 的变化。则当探测光经过s o a 时，将受到半导体光放大器增益和折射率的调制。 当信号脉冲处于波峰时，s o a 腔内的增益达到饱和，探测光将得不到增益；当 信号脉冲处于波谷时，s o a 腔内的增益未达到饱和，探测光将获得较大的增益。 最终信号光调制了探测光的幅度和相位，输出的变换光携带上了信号光的调制信 息，且输出变换光是信号光的反码脉冲序列【5 】。 半导体光放大器的非线性增益特性可应用于光开头、光波长变换以及全光逻 辑等方面。若输入的高功率信号光为脉冲序列，它将调制半导体光放大器的增益， 并使连续探测光信号经半导体光放大器后受到增益调制，从而使输出变换光携带 上信号光的调制信息，且是信号光的反码序列，这样就实现了波长变换【5 j 。 基于s o a 的交叉增益调制效应的全光波长变换原理如图2 1 所示：功率较 大的波长为以的幅度调制信号光和功率较小的波长为丸的连续探测光一同注入 到s o a 中，信号光强度的变化将导致s o a 载流子的消耗，从而引起增益饱和， 探测光强也随之发生变化，从而将信号光的幅度信息复制到探测光波长上，不过 转换后得到的变换光信号与原信号光反向。 r 倍号，, , t a b m a ，s o a 探测光名。 转换光名。 5 北京邮电大学硕士学位论文 益变化、光子数目变化以及信号光的相互作用来描述，载流子浓度和光子数目的 变化关系由速率方程来表示，耦合波方程则给出了信号光相互作用的变化关系。 当多个波长的光注入s o a 时，其有源区载流子浓度变化的速率方程为式( 2 。1 ) 所示口6 1 。 掣= 专- r ( n ) 屯c 忉一善半掣 枷， 其中，为s o a 有源区载流子的浓度；，为注入电流；e 为电子电荷量：y 为s o a 有源区的体积；f 表示光场限制因子；只表示对应波长为九的光功率； h 为普朗克常量；d 。为光波的频率；a 为s o a 有源区的有效横截面积。式( 2 1 ) 右边第一项代表由注入电流引起的载流子浓度变化；第二项和第三项代表由自发 辐射复合和非辐射复合引起的载流子消耗；第四项代表由受激辐射导致的载流予 消耗。耦合波方程如式( 2 2 ) 所示，其中，口i n t 指的是s o a 的消耗系数；只为 对应波长为元的光功率闭。 a p _ i ( _ z i , t ) ：只0 。j ) 瞻( j ，力) 一口i n l 】 式( 2 2 ) 基于s o a x g m 的光波长变换具有结构简单、易于集成、变换频谱宽、转 换效率高、偏振不敏感、响应速度快等优点，但也存在着一些缺点：( 1 ) 随着 频率失谐量的增大输出消光比的恶化比较严重；( 2 ) 由于s o a 的载流子数目有 限，而无法提供高功率的输出；( 3 ) 变换光的啁啾较大，输出脉冲产生变形： ( 4 ) 输出变换为入射信号光的反码序列，不适于脉冲窄、占空比大的r z 码高 速通信系统【5 1 。 2 2 2 基于s o a 的交叉增益调制仿真 基于s o a 的交叉增益调制仿真实验系统如图2 2 所示。本模块中信号光是 中心波长为1 5 5 0 n m 、功率为5 d b m 、速率为2 5 g b s 的n r z 调制信号，探测光 是中心波长为1 5 4 2 n m 、功率为5 d b m 的连续光，二者经同向传输泵浦耦合器合 成后，进入s o a ，经s o a 的交叉增益调制后，波长为1 5 4 2 n m 的探测光分量携 带上了信号光的幅度信息，然后利用f b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，光纤布喇格光 栅) 和b p f ( b a n d p a s sf i l t e r ，带通滤波器) 滤波提取出中心波长为1 5 4 2 n m 的 转换光信号，经光电探测及相应的电域处理后，即可得到与原信号同向的波长为 1 5 4 2 n m 的转换光信号。图2 3 、图2 4 分别表示信号光和探测光经s o a 前、后 的频谱图。由图可以看出，经s o a 后1 5 4 2 n m 的波长分量得到较大的功率增益。 6 北京邮电人学硕士学位论文 r 1 ! 誊：! 徊 8 醇a l d y z e l 图2 - 2 基于s o a 的交叉增益调制仿真实验系统 囊 o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r d b lc l c ko no b j e c t st oo p e np r o p e r t i e s m o v eo b j e c t sw i t hm o u s o 一 ” 【 jli ， l | 一b k 1 5 3 9l5 1 4 21 5 4 5 1 5 4 8 1 5 5 1 w a v e l e n g t h ( n - ) 图2 3 信号光和探测光经s o a 前的频谱图 7 o n 口m o _ 暑叠口v h l ，o 工 北京邮电人学硕士学位论文 盈 o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r 2 d b lc l i c ko no b j e c t st oo p e np r o p e r t i e s m o v eo b j e c t sw i t hm o u s e o 一- 口 l i l n l乡名r 口 帅 ；| 丽_ 黼南。 o o 图2 _ 4 信号光和探测光经s o a 后的频谱图 图2 5 、2 - 6 、2 - 7 、2 8 、2 - 9 、2 1 0 分别为原始信号光时域图、两路信号经 s o a 后的时域图、经一级滤波后的时域图、经二级滤波后的时域图、经光电转 北京邮电大学硕士学位论文 i o p 廿c a i1 1 m ed o m a nv i s u a i i z e r 叫c l c i 【0 n o 蜘c i s t o o p e n 印鲥b o q 嘲w 曲m 0 u s 篆 l 口 用 - _ 爪r 4 01 0 n2 0 n3 0 n柏n卯n 伽e i i o 图2 - 7 经一级滤波后的时域图 i o s c i l | o s c o p e i s u 棚i z e r 嘲c | c i c o n 岫切o p e n 呻e 懒m o v e o 蛐蝴眦 1 f i 1 一 i i o p 悄c a lt i m ed o m a i nv i s u a l i z e r 3 d 1 0 1c l c i c o n o b j e c t s t o o p e n i s o p e r t 砖m o v e 0 啭c l s w 孙m o u s e l 01 0 n加n nn卯n 一 、； r r j 1 l 图2 8 经二级滤波后的时域图 e o o e 口 。 口 蚕 o s c o s c o p e su a i i z e 啦 d “a c i 【0 n o t j e c t s t o o p e n l m z f m m o v e o 懒w h i o l 1 0 n 2 0n 3 0 n4 0 n5 0 1 1 t i m l t i 图2 - 9 经光电转换后的时域图图2 1 0 经电域处理后的时域图 ”t-e l t t l e缸t 暑抽d o o o e 5掰肋j _ a j l e n z t h ? e 一口口辱舯j 0 j - m m 7w i d t h f e - 0 0 8肪j 邛a j e i z h t 尻? ；j t o j - m s io ) t i c a lc o n f i m e - , e a tf a c t o r pz i 砌j - m s 7 l o s s 2 7 t t 0 2 0聃2d if 肋j _ a ，l | t i m j f e * 0 2 4_ 暑肋朋a j c a r r l e rd e n s it 7a tt x a n s p a z e ， 肋j _ a jl i n e m id t he n s n c e o e n tf a c t o r l ，sz43000000，k e c o o b i m t i o nc o e f f i c l 。e a t 髓。3 ，s a jk e c o a b i m t1 。0 1c o e f f ic ic l t 埘e s?e-04zjajk e c o e b i l i t i o ac o e f f i c i e a tc 9 - | | | | | | | | e o o 卜 e o o 耵 e o o n e o o r l_，v可=皇-口_l-，vj暑- 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 3 基于s o a 的交叉增益调制性能分析 ( 1 ) 眼图 误码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 指的是接收机判决电路判决比特数据错误的 概率，光纤通信系统通常要求接收机的b e r 应小于等于1 0 一。输出转换光的眼 图可直观地反映出波长转换结果的好坏。“眼图”是所测信号以码元定时作为同 步信号在示波器上显示的波形。信号干扰和失真所产生的畸变，可由眼图直观显 示出来。由于对于二进制信号，眼图波形很像眼睛，因此得名。眼图越清晰、张 开度越大，则对应的信号质量就越好【2 7 1 。 图2 1 2 、2 1 3 、2 1 4 、2 1 5 分别显示的是当信号光源功率为5 d b m ，探测光 源功率为5 d b m ，两光源线宽分别为1 0 m h z 、5 0m h z 、1 0 0m h z 、2 0 0m h z 时 的转换光眼图。由图可知，随着光源线宽的增大，q 值下降，转换光眼图逐渐恶 化。 置 b e r a n a l y z e r 虽 叫c i c ko no b j e d s t oo p e np r o p e d i e s a o 垤o o m t sw 衲m o u s ed r t i m el b i tp e r i o d ) 光源线宽= l o h 肛缸 b e ra n a l y z e r d “徽o n 嘴t o o p e np r o p 吲l i e s 悒蝴w 拍m o u s eo r t n c l b i t p 甜呻 00 5 01 e 2 2 e - 2 8 93 e 猫4 e - 2 8 95 e - 2 8 9 光源线宽硝姗h 图2 1 2 光源线宽= 1 0 m h z 时的眼图图2 1 3 光源线宽= 5 0 m h z 时的眼图 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 b e ra n a l y z e r 囊 d t l ( z c t o n o t j e c t s t o o p e np r 呷e r b m o v e o t 卿t s w 撕) 耙u s e d r t i m e ( b i tp e r 嗍 o 0 51 。 、 n v 八八 f 、 。嵯j。：一：、 1 - 01 92 e 2 3 e 2 圈4 e - 2 8 95 e 2 光源线宽= l o o m - z b e ra n a l y z e r o “c i c ko no t ) j e d st oo p e np r o r 眦，m o v e 懒w i hm o u r nd r t i m e 睫p e r i o m 光源线宽= 扣咖m 图2 1 4 光源线宽= 1 0 0 m h z 时的眼图图2 1 5 光源线宽= 2 0 0 m h z 时的眼图 图2 1 6 、2 一1 7 、2 1 8 、2 1 9 分别显示的是当信号光源功率为5 d b m ，探测光 源功率为5 d b m ，两光源线宽为10 m h z 时，信号光码率分别为2 5 g b s 、5 g b s 、 1 0 g b s 、1 5 g b s 时的转换光眼图。由图可知，随着信号光码率的增大，转换光的 眼图张开度下将。证明了s o a 交叉增益调制型的波长转换对信号光码率不透明， 转换光的质量随着信号光码率的增大而下降。 置 b e ra n a l y z e r f f d c i c t o n o t 知c t s t o o p e np r o p e r t i e s 坩0 慷 c i s 蛐m o u s e d r t i m el b i tp e r i o d ) 信号光码率= 2 j g 讹 图2 1 6 信号光码率= 2 5 g b s 时的眼图 置b e ra n a l y z e r 洲c | c i c o no b j e