（物理电子学专业论文）全光波长变换和频率上变换技术的研究.pdf

全光网络中波长变换和频率上变换技术的研究 摘要 基于各种光学非线性效应实现的全光波长变换和全光频率上变 换技术是未来d w d m ( 密集波分复用) 全光网络和r a d i oo v e rf i b e r 宽带无线接入中的关键技术。尤其是基于半导体光放大器( s o a ) 中 的交叉增益调制、交叉相位调制和四波混频以及菲线性光纤中的各种 非线性效应的应用尤为重要，是目前光纤通信领域研究的热点。论文 对全光网络中高速波长变换和频率上变换技术进行了研究，主要工作 如下： ( 1 ) 论文完善了s o a 的动态模型，使之包含载流子加热( c h ) 、 光谱烧孔( s 船) 、双光子吸收( t p a ) 这几种超快的非线性现象，从 而使其可以应用于超高速的全光信息处理领域。论文在建立动态模型 的基础上，对1 6 0 g h z 滤波器辅助型的高速波长变换进行了深入的讨 论，尤其是对辅助滤波器的特性进行了仿真和阐述，并从物理原理上 给出了解释。 ( 2 ) 提出并实验验证了一种新型的实现全光频率上变换的方案。 论文中利用半导体光放大器和高非线性光纤的非线性偏振旋转效应 成功地实现了4 信道2 0 g h z 、4 0 g h z 的频率上转换，并对上转换后的 信号进行了解调分析。 关键词：半导体光放大器、全光波长变换、全光频率上变换、非线性 偏振旋转、r a d i oo v e rf i b e r 。 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 na n da l l o p t i c a lf r e q u e n c y u p c o n v e r s i o n a st h ek e yt e c h n o l o g i e si nd w d mn e t w o r ka n dr a d i oo v e rf i b e r ( r o b ) s y s t e m ，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 na n d a 1 1 o p t i c a l f r e q u e n c yu p c o n v e r s i o na r et h eh o tt o p i c si nt h er e s e a r c ha r e ao fa l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gb yu s i n g n o n l i n e a r d e v i e es u c ha 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 o a ) a n dh i g hn o n l i n e a rf i b e r ( h n f ) t h et h e s i si n c l u d e st w om a i n p a r t s ： ( 1 ) at h e o r e t i c a lm o d e lo fs o ai sp r o p o s e d ，w h i c hi n d u d e sc a r r i e r h e a t i n g ，s p e c t r u mh o l eb u r n i n ga n dt w o - p h o t o na b s o r p t i o n u s i n gt h e m o d e l ，c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) ，c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) a n df o u r - w a v em i x i n g ( v - w m ) c a nb es u c c e s s f u l l ye x p l a i n e d e s p e c i a l l y t h em o d e lw a su s e dt of u r t h e rr e s e a r c hw a v e l e n g t hc o n v e r s i o no fs o a a s s i s t e db yat u n a b l ef i l t e ru n d e rt h ed i f f e r e n tf i l t e rs h a p e sa n df i l t e r c e n t r a lw a v e l e n g t h s ( 2 ) b a s e do nn 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 l ， an e w s c h e m ew a s p r o p o s e d t or e a l i z e d m u l t i w a v e l e n g t hf r e q u e n c y u p 。c o n v e f s i o n a t 2 5 g b i t s 2 0 g h z 4 0 g h zu s i n gs o aa n dh n f , r e s p e c t i v e l y 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 , w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ，f r e q u e n c yu p c o n v e r s i o n ，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 ， r a d i oo v e rf i b e r 独创性( 或创新性) 声明 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己在论文中 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：万纬咱 日期：砰 7 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：甭f 爷五气日期：砷i ； 导师签名： 日期；2 刁j ， 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 本章主要讨论了为什么要进行全光波长转换和频率上变换的研究，分别概述 了全光波长转换和频率上变换的种类及发展概况，简单讨论了各种全光波长转换 和频率上交换的机理及优缺点，并对本论文的工作做了概述。 1 1 研究全光波长变换的意义 众所周知，光纤通信系统由于具有巨大的通信带宽，必将在未来的宽带通信 中发挥难以替代的作用，在通信系统中占的比例也会越来越大。然而传统的光纤 通信系统受电子学瓶颈和光纤色散的限制，实现4 0 6 b s 以上的高速通信会带来 很多问题。而采用密集波分复用技术被公认为是实现超大容量光纤通信的最有效 途径。利用密集波分复用技术提高通信系统的容量有两种基本的途径：一是增加 系统中的波长数目，但是由于很多因素的限制，例如激光器、信道f b j 隔、光纤中 的色散、非线性，中继放大器的增益带宽等等，实际中可利用的波长数是有限的。 这就要求我们要充分的考虑波长的再利用；二是采用波长路由技术，以构成基于 密集波分复用、光时分复用相结合的全光通信网。在这两种方案中全光波长转换 发挥关键性作用，近十年来一直受到国内外广泛的关注。 全光波长变换实现从一个波长到另一个波长的转换，它可以实现开放式密集 波分复用系统中信息从一个波长到另一个波长的转发，能实现波长的再利用、增 加现有波长信道的利用率、降低波分复用系统的阻塞率、分散网络管理、提高系 统的灵活性和可靠性，从而实现可重构的波分复用系统。因而全光波长变换的研 究是一项极具现实意义的课题。 1 2 全光波长变换的种类和研究概况 1 2 1 基于激光器的波长变换 利用外界光注入引起激光器中载流子浓度的改变而实现全光波长转换是一 种可行的方式。1 9 9 3 年g h o u a n 1 等报道了利用激光器中的饱和吸收效应实现 了波长转换，1 9 9 8 年h k t s a n g 利用f p 激光器 2 j 和1 9 9 2 年w i d l e r 3 利用 y 型激光器的注入锁定分别实现了2 0 g b i t s 和2 5 g b i t s 的波长转换。总的来 说，基于激光器的全光波长转换器具有结构简单、高转换效率、消光比改善和转 换波长可调等优点，但存在不能实现同波长转换、需要滤波器、对偏振灵敏、高 北京邮电人学硕士学位论文 输入信号功率、转换后数据格式反转和对泵浦波长的选择性等缺点。 1 ，2 2 基于半导体光放大器的波长变换 基于半导体光放大器的全光波长变换主要工作于三种方式：交叉增益调制 ( x g 1 ) 、交叉相位调制( x 蹦) 和四波混频( f 删 。出于半导体光放大器的易于 集成性、对输入功率要求低等优点，近些年来对他的研究越来越重要。特别是交 叉增益调制的波长变换已接近商用。 交叉增益调制是基于半导体光放大器中的增益饱和效应而工作的，具有结构 简单、转换效率高、转换波长范围宽等优点。但是缺点是转换后信号与原信号反 相、输出消光比减小等。1 9 9 3 年 4 贝尔实验室的科研人员首先实现了l o g b s 速率下的交叉增益调制波长变换，此后交叉增益调制型的波长变换实现方案不断 得到改进，1 9 9 6 年月麦的s l d a n i e l s e n 5 等人利用两个级联的半导体光放大 器进行了4 0 g b s 的全光波长变换的实验。1 9 9 8 年英国的a d e 1 l i s 6 等人利用 光纤光栅与2 m 的半导体光放大器相结合首次实现了l o o g b s 的交叉增益调制全 光波长变换。另外意大利的b c l e s c a 7 等报道了将交叉增益调制应用于 8 x l o g b s 的w d m 系统中。 对于交叉相位调制，调制的泵浦光引起半导体光放大器中有源区载流子密度 的变化，进而引起有效折射率的变化，而折射率的变化会引起另一束同时耦合进 放大器的连续光的相位变换，然后通过某种结构使这种相位变化转换为强度的变 化，就构成了交叉相位调制型的波长变换。a e k e l l y 8 等人已经成功地实现了 8 0 6 b s 的交叉相位调制的波长变换。随着光电子集成技术的发展，利用马赫曾 德尔或者迈克耳逊干涉仪结构的交叉相位调制波长变换得到了更多的重视，这种 波长变换机制具有啁啾小并且正负可控制、输出消光比高、偏振无关、结构紧凑 等许多优点，但也存在着实现条件比较苛刻，利用分离型的元件较难实现等缺点。 四波混频则基于三阶非线性效应而工作。具有一定功率的连续泵浦光与信号 光相互作用，产生一个新的频率的光，并且携带有信号光的信息。由于四波混频 对输入信号的功率和相位都很灵敏，所以它对调制格式、调制速率都有很好的透 明性，并且结构简单，可同时实现多波长的波长变换。但是四波混频波长变换会 随波长间隔加大，转换效率急剧降低，而且偏振特性也不好。1 9 9 8 年a e k e l l y 9 等人成功地实现了1 0 0 g b s 的四波混频的波长变换。 1 0 u m o r g a n 等 人于1 9 9 9 年实现了从c 波段到l 波段间隔达8 0 n m 的波长变换。 ，2 3 其他类型的波长变换 利用光纤或者其他非线性波导器件也可实现全光的波长变换。将泵浦光与信 号光同时耦合进光纤或者非线性波导，在二阶或者三阶非线性作用下，形成折射 2 北京邮电大学硕上学位论文 率光栅，在其作用下会形成一转换波和一闲频光，这种方案同样具有对调制格式、 调制速率透明的特点。但是由于闲频光的存在容易引起w d m 信道问的串扰。 利用非线性光纤环镜实现全光的波长变换，这种方法多基于光纤的克尔效 应，泵浦光的调制引起光纤折射率的调制，进而引起探测光相位的调制，然后利 用光纤环将探测光的相位调制转换为强度调制，从而实现波长变换。 1 1 d m a h g e r e f t e h 等人利用非线性光纤环镜实现了1 5 51 1m 到1 3 1pm 的全光波长 变换。但是如果采用全光纤的结构，大约需要2 k m 长的光纤，结构不紧凑，容易 受外界影响。d a 0 d a v i e s 和a d e 1 l i s 等人 1 2 一1 4 利用基于半导体光放 大器的非线性光纤环镜分别实现了2 0 6 b s 和4 0 0 b s 的全光波长变换，这种方式 增加了系统的稳定性。 由此可见实现全光波长变换的方案有很多种，它们各有自己的优缺点，但是 其中基于半导体光放大器的波长变换技术最为成熟，最具有商用化的前景。 1 3 研究全光频率上变换的意义 随着信息通信业的飞速发展，无线化和宽带化已经成为了整个信息业的热 点。无线通信以其无可比拟的优势引起越来越多的重视。同时人们对带宽的需求 也越来越高，可以将数据、i n t e r n e t 、话音、视频和多媒体应用传送到商业和家 庭用户的需求也越来越明显。在现有的无线宽带接入技术中，如w b a n 的唧a n ( i e e e 8 0 2 2 0 ) 、w m a n 的w i 姒x ( i e e f 8 0 2 1 6 ) 以及w l a n 的w i f i ( i e e e 8 0 2 1 l b ) 都采用o f d m ( 正交频分复用方) 的调制方式，实现从i m b p s 到数l o m b p s 的无线 接入速率。但上述无线接入技术的接入速率都比较低，还远远达不到宽带通信的 要求。 为了解决这个问题，提出了r a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) 技术，该技术充分结 合光纤和高频无线电波( 2 4 g h z 或6 0 g h z ) 传输的特点 1 5 、 1 6 ，能实现大容 量、低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接入( 1 g b i t s ) 。但是，一方面 2 4 g h z 或6 0 g h z d 的工作频率，在空气中的损耗加大，传输距离减小，各个蜂窝 覆盖的面积也减小，所以需要更多的基站提供足够的覆盖面积，另一方面这些高 频的毫米波器件十分昂贵。这就使得r o f 系统地提出成为必然。在r o f 系统中可 以将昂贵的设备集中在中心局( c o ) ，而一个中心局可以控制很多个基站( b s ) ， 这就使得系统成本大大降低。而且数据通过光纤传输可以大大拓展业务覆盖的面 积 1 7 。 作为一种重要的、应用于未来宽带无线接入的技术，r o f 系统中的一项关键 的技术一一频率上变换的实现便成了r o f 系统中的关键，如图1 3 1 所示。由于 北京邮电大学硕士学位论文 毫米波器件实现的复杂性和高成本，利用全光的方法来实现频率上变换越来越引 起了各国研究人员的重视。另一方面，为了充分的体现r o f 系统的宽带宽和高的 频谱利用率，r o f 系统与城域w 嗍环型网、星状w d m s c m 复用网络的融合也越来 越重要 3 l 卜 3 3 。 w d m 图1 3 1r o f 系统中的频率上变换框图 1 4 全光频率上变换的研究现状 过去的几年罩，已经提出了很多利用光学的方法实现频率上变换，同时对上 变换后的信号在光纤中的传输特性也进行了广泛的研究。这些技术包括利用强度 调制器 3 3 、 3 4 ，光锁相技术 3 5 、远程上变换技术 3 6 、各种波长变换技术 等等。这里我们主要讨论以下几种。 ，4 1 基于电吸收调制器的全光频率上变换 基于电吸收调制器( e 枷) 实现全光频率上变换的原理是交叉吸收调制效应。 即调制器由于对不同波长信号光的吸收不同，从而实现频率上变换。实验原理如 图1 4 1 所示。两束波长不同的l o 光和i f 光同时入射到某一偏执电压下的e a k l 两束光的功率较低时，e a m 还未吸收饱和，这样两束光都被很好的吸收，则出射 光功率较低；当l o 光较强时，使e a m 的吸收达到饱和，e a g 对i f 光的吸收就会 减小，则出射后i f 光就会较强，这样i f 光就会受到l o 光的调制，即实现频率 上变换。通过优化偏置电压、l o 光和i f 光的功率，可以实现高质量的频率上变 换。 图1 4 1 ( a ) 给出了利用交叉吸收调制实现全光光频率上变换的系统框图 3 7 。 这种实验方案利用两个可调激光光源( t s l ) 和调制器来产生l 0 本振的载波 光信号和中频( i f ) 信号，然后分别通过e d f a ，使其功率在e a m 中可以达到很 4 北京邮电丈学硕士学位论文 好的交叉吸收调制效应，通过环行器同时输入e a m 中，最后通过环行器的3 端口 观测上变换后的信号。变换后的光信号的消光比更多地取决于原始i f 信号光和 l 0 本振光的光功率和消光比。在l o 本振光一定的条件下，变换后的信号的消光 比随原始i f 信号光功率的增加而增加，当达到一定功率值后( 约1 2 d b m ) ，在继 续增加i f 信号的光功率，变换后的光信号的消光比无明显的变化。图1 4 1 ( b ) 给出了上变换后的频谱分布图， 3 7 文献中还给出了上边带2 6 g h z 处的上变换的 相位噪声- 7 6 8 d b c h z 。由此可以看出，利用e a m 可以很好的实现全光的频率上 变换。 j ih h iz 0r 口b h zj iu r b ! u b z 搴r b “1 0 k h ：拳u b w1 日k h zs p6 30 0 口c ( b ) 图1 4 1 ( 8 ) 利用e , t m 实现全光频率上变换实验装置图：( b ) 上变换后的频谱图 文献 3 7 很好的讨论了利用图1 4 1 ( a ) 装置实现频率上变换的信号特性。 但是由于电吸收调制器的交叉吸收调制效应在多波长同时操作的情况下，性能会 严重下降，这就限制了其在w d m 系统中的应用。另外基于e a m 的波和吸收特性进 行频率上变换存在码型效应，变换后信号脉冲有拖尾现象发生，这主要是由于光 生载流子产生的电场屏蔽了部分外加电场，使得当l o 光脉冲刚消失的时候，i f 光并没有及时地被吸收，从而产生了拖尾现象。随着e a m 偏压的增加，e 圳的吸 收恢复时自j 会更小，码型效应将会有所减小，但由于在高的偏置电压下损耗更大， 使得发生饱和吸收所需的光功率更高，同时这也会引起变换后信号的消光比下 商 产穿 北京邮电大学硕 学位论文 降，不利于全光频率上变换的实现。因此再利用e a m 实现频率上变换得时候，在 入射光功率一定的情况下，需要选择适当的偏执电压，达到使码型效应较小，吸 收恢复时问也相对较小。 1 ，4 2 基于半导体光放大器的全光频率上变换 基于半导体光放大器在波长变换中的深入研究，其在频率上变换中的应用也 引起了人们的重视。 文献 3 8 3 提出了利用半导体光放大器的交叉增益调制实现频率上变换的方 案。这种频率上转换利用的是半导体光放大器中载流子耗尽机制引起的增益饱和 特性，如图1 4 2 ( a ) 所示。 当载有调制信号的i f 光与载波信号l o 光同时入射到s o a 中时，功率较高的 l o 光就会与注入载流子相互作用，消耗了s o a 的载流子浓度，使相对于i f 光的 增益达到饱和。由于增益饱和效应，l o 本振光强的变化使s o a 的增益受到调制。 即当输入l o 光是“l ”脉冲时，消耗的载流子多，则s o a 的增益小；反之，消耗 的载流子少，则s o a 的增益大。因此，可以说此时的光放大器相当于一个光控光 开关，当l o 光强低时，i f 光直接放大，并通过光放大器；当l o 光强高时，i f 光由于增益深度饱和，几乎不能通过光放大器，输出光不再是放大的。从而使注 入s o a 中的i f 光受到l o 光的调制，这样就把i f 光携带的信息上变换到了高频 的l 0 载波上。图1 4 2 ( b ) 给出了经过半导体光放大器频率上变换后的频谱分 布图，这种频率上变换比利用电吸收调制器的一个明显优点在于，s o a 能为变换 后的上下边带提供约5 一l o d b 的增益。 ( a ) 6 北京邮电大学硕上学位论文 f r 聊l u e n c y 伶h z ) ( b ) 图i 4 2 ( a ) 利用半导体光放大器实现全光频率上变换；( b ) 频率上变换后的频谱分布图。 出前面的分析可以看出，基于s o a 的x g m 全光频率上变换是一种实现简单、 转换速率相对高的技术。但是在利用x 6 m 的频率上变换输出信号的消光比较差， 而小的消光比将导致光信噪比和误码性能都比较差，而且由于s o a 增益随波长和 载流子浓度变化的不对称性，导致了向长波长和短波长变换时消光比不同，短波 长方向的消光比明显大于长波长方向。另外s o a 有源区载流子浓度的变化将引起 转换信号的啁啾较大，信号前沿产生蓝移，后沿产生红移，对于常规的g 6 5 2 光纤，将加剧了色散对传输系统的影响。同时s o a 的自发辐射噪声也是提高信噪 比的一个主要障碍。 总面言之，交叉增益调制频率上变换方法的优点是装置简单、转换效率高， 易于实现。但这种方法也有其缺点：噪声指数高、啁啾大、波形畸变大，不利于 在光纤中的长距离传输、消光比退化等。同时由于s o a 中载流子恢复时间的限制， 使得s o a 的交叉吸收调制在4 0 ( ；h z 或者6 0 6 h z 的r o f 系统中的应用受到了很大的 限制。 7 北京邮电大学硕士学位论文 丘声= 1 5 g h z f r e q u e n c y 【h z ( b ) 田t 4 3 ( a ) 利用半导体光放大器的马赫曾德尔结构实现全光频率上变换；摘自 4 4 1 ( b ) 频率上变换后的额谱分布图。 2 0 0 4 年文献【4 4 1 中提出了利用半导体光放大器的交叉相位调制实现全光频 率上变换的实验方案，如图1 4 3 ( a ) 所示，这种实验装置的重点是要控制进入 s o a - m z i 的l o 光和l f 光的功率，使得s o a 工作于非增益饱和区，以最大程 度的避免交叉增益调制的影响。实验中选取的l o 光的功率2 0 d b m ，i f 光的功 率为3 0 d b m 到1 0 d b m 之阃。实验中利用马赫曾德尔干涉仪结构的s o a 成功地 实现了3 0 g h z 频段的全光上变换，图1 4 3 ( b ) 给出了信号上变换后的频谱分 布图，而且频率上变换后的上边带相位噪声为7 9 2 d b 明乜。 利用这种结构的优点在于具有较高的转换效率、对偏振不敏感、相位噪声比 较低，并且可以在较低的信号功率下实现频率上变换。但缺点是很大程度的增加 8 一p j jeo也一8c。mi| 北京邮电人学硕十学位论文 了系统的成本。 另外利用半导体光放大器中的四波混频型也可以实现全光频率上变换。由于 新产生的频率包含了振幅和位相信息，因而四波混频型转换具有严格的透明性， 并且可以同时实现多波长转换，这是目前研究的重点。但是产生四波混频需要较 大的泵浦光功率，转换效率很低，若且随泵浦光和信号光之间的频率失谐量增大 而急剧减小。 对基于半导体光放大器的几种实现频率上变换的工作方式而言，它们各有优 缺点：交叉相位调制型输出性能很好，但实现条件很苛刻，不利于分离器件的实 现；四波混频型转换效率低，但优点是可以实现多波长操作；交叉增益调制型虽 然输出消光比特性欠理想、啁瞅大，但因为结构简单、容易实现、转换效率高仍 然最具有实用化前景，也是目自u 研究的热点。 1 4 3 基于高非线性光纤的全光频率上变换 利用高非线性光纤的交叉相位调制、四波混频等效应进行频率上变换也是一 种非常有前景的方案 3 9 卜 4 2 。 众所周知四波混频( f w m ) 是一种典型的三阶参量过程，与受激散射过程不一 样，在参量过程中介质起被动作用。通常，三阶参量过程涉及到四个光波的互作 用，包括诸如三次谐波的产生，四波混频等现象。由于四波混频在几乎所有介质 中都能观测到，而且变换形式很多，所以四波混频已得到许多很有意义的应用。 光纤中的四波混频效应是一种能对输入信号透明的，它同时还可将一组波长的信 号转换到另一组波长上去，转换速率可达l o o g b i t s 以上，2 0 0 5 年( 3 9 中利用 高非线性光纤中的四波混频效应成功地实现了8 路2 5 g h z w d m 信号的频率上变 换。但由于这些效应是参量过程，需要满足相位匹配条件，并且转换效率很低， 而且要求泵浦光的功率较高，对1 7 d b m 的泵浦光典型的转换效率为一2 0 d b 左右。 所以这些缺点都限制了f w m 在全光频率上变换中的应用。 鉴于四波混频的一些不足，2 0 0 6 年 4 2 中提出了利用非线性光纤的交叉相 位调制实现多波长频率上变换的实验，实验装置如图1 4 4 所示。( 实际上是一 个t o a d 开关结构。) 9 北京邮电大学硕上学位论文 图1 4 4 利用高非线性光纤的交又相位调制实现频率上变换【摘自 a 2 1 ) 实验中利用非线性光纤环镜( n o l m ) 来实现l o 本振光对i f 光的开光功能。 n o l m 开关的原理在于两相向传输的脉冲之问的相位差，而这种相位差来源于控 制脉冲对信号脉冲的交叉相位调制作用。n o l m 的开关特性受群速度色散作用的 影响，如果环采用色散位移光纤，控制光和信号光的波长取在零色教波长的对称 两侧，使其具有较小的群速度差，我们就可以只考虑控制脉冲与信号脉冲之间的 群速度差异而忽略脉冲自身的群速度色散效应。 4 2 利用x g m 效应成功地实现了 1 6 路w d m 信号的同时频率上变换功能。 与电吸收调制器和半导体光放大器来实现全光频率上变换相比，非线性光纤 的优点在于操作速率很高，由于光纤中的非线性效应多在f s 量级，这就使得光 纤完全可以应用到6 0 g h z 的频率上变换中；但是光纤的缺点是各种非线性效应的 系数很小，这就使得所需的光纤较长，系统的稳定性大大降低。而且所需的l o 本振光的功率较高，约1 9 d b m 。 1 4 4 其他类型的全光频率上变换 为了实现r o f 系统中的上下路( 频率上变换、频率下变换) 功能，近些年来 提出了其他很多实验方案。2 0 0 6 年j u n h y u ks e o 等人 4 3 提出利用s o b 和e a m 的级联束同时实现r o f 系统的上下路功能。图1 4 5 给出了上下路的实现框图。 ( a ) 图1 4 5( a ) 下路( 频率上变换) 的实验原理图； 理图( 摘自【4 3 】) 1 0 ( b ) ( b ) 上路( 额率下变换) 的实验原 北京邮电大学硕士学位论文 | j 善 ( 8 ，( b ) 图1 4 6( a ) 下路( 频率上变换) 的光谱图；( b ) 上路( 频率下变换) 的光谱图( 摘 自1 4 3 1 ) 为了实现频率上变换图1 4 6 ( a ) 所示，l 0 本振光包含两个边带，相距 。 i f 光也包含上下两个边带，同l o 光一起经光纤传输后，从中心局到达基站，在 基站中l o 光通过s o a 对i f 光进行上变换。之后利用e a m 的光电探测特性获得上 变换后的电信号，通过天线发出。对于下路信号图1 4 6 ( b ) ，经过同一个e a m 的混频作用实现。图1 4 6 给出了图示实现上下路功能的信号光谱图。 这种方案的优点在于，利用e a m 和s o a 的级联可以同时实现r o f 系统中 两个关键的技术，但是缺点是加重了基站的成本，也使得基站的设计复杂了。 1 5 本论文的工作 本论文主要讨论全光频率上变换技术和波长变换技术，第二章重点讨论了半 导体光放大器的理论模型：第三章利用这一模型对滤波器辅助型的高速波长变换 进行了深入的研究t 第四章提出了一种新型的实现全光频率上变换的方案，并分 别利用半导体光放大器和非线性光纤进行了实验研究。第五章是论文总结和工作 展望。 1 1 北京邮电大学硕士学位论文 第二章半导体光放大器的理论分析 本章主要讨论了半导体光放大器的数学模型，重点集中于对半导体光放大器 中超快现象的讨论，从而来更好地攒述超短脉冲在半导体光放大器中的变化。 2 1 引言 近些年来半导体光放大器在全光信号处理中的应用越来越引起了重视，尤其 是在波长变换、光逻辑门、全光解复用和时钟提取等方面的应用得到了广泛的研 究 1 8 2 0 。其中主要涉及s o a 中几种明显的非线性效应：交叉增益调制c r o s s g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) 、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 和四 波混频f o u r w a v em i x i n g ( f w m ) 效应。 为了更好的理解这些非线性作用，对它们建立数学仿真模型是十分必要的。 文献 2l 的作者对自相位调作出了详细的论述，但其模型并不能处理两束光在 s o a 中相互作用的情况，并且作者也没有考虑类似载流子加热c a r r i e rh e a t i n g ( c h ) 光谱烧孔s p e c t r a lh o l eb u r n i n g ( s h b ) 等这些超快的带内现象，所以该 模型并不能用于皮秒、亚皮秒的系统中。r j m a n n i n g 2 2 ，1 9 9 4 提出了一个 新的模型来处理两束光在s o a 中的相互作用，但是他的模型同样没能解释以上的 几种超快现象。随着高速光通信的发展，4 0 g b i t s 甚至1 6 0 g b i t s 的系统已经 出现，为了将s o a 应用于这些系统中，就必须考虑s o a 中超快现象的影响。j m t a n g 2 3 ，1 9 9 8 成功地解释了c h ，s f l b 和双光子吸收t w o - p h o t o na b s o r p t i o n ( t p a ) 这些超快过程，并且深入讨论了皮秒脉冲在s o a 中传播的情况。基于上述 工作，论文建立了一个考虑c h 、s b b 、t p a 的理论模型，又能用于处理两束光相 互作用的计算机仿真模型，论文利用该模型成功解释了s o a 在超高速( 1 6 0 g b s ) 波长变换中的应用， 2 2 半导体光放大器数学模型的建立 当一束光通过s o a 的有源层的时候，将双光子吸收t p a 考虑在内，由文献 2 4 ，载流子的动态变化可以表示为( 2 - 1 ) 式： anf(t,z)i望字一v,gs+鼽邸2(2-i)ef打 f r 这里代表有源区载流子密度，e 是基本的电荷电量，矿是有源区的体积， 北京邮电大学硕士学位论文 f ，是载流子寿命，p 。是光的群速度，r 代表限制因子，r 2 是与t p a 有关的限制因 子，卢，双光予吸收系数。，是s o 的泵浦电流。光子密度s 可以表示为： 。p f p o - 一 h 0 , o v j p j 0 是光信号的慢变振幅，p 代表光信号的功率。 从( 2 一i ) 式可知输入光的作用仅体现在( 2 1 ) 式右边的最后两项中。因此 如果两束或者更多束光同时在s o a 中传输，可以唯象的把另一束光的作用加到 ( 2 一i ) 的右边。例如对泵浦和探测光来说， 型o t 一专一半一k 庐+ 幔九 w 。v b g p s ，+ ”g ，卢2 ，5 p 2 p 这罩矽代表探测光。文中所有以p 为下标的字母均代表相应的探测光参数。 ( 2 2 ) 式中右边第一项代表出于注入电流引起的载流予密度的增加；第二 项表示自发复合引起的载流子密度减小；第三项是受激辐射引起载流子密度的减 小；第四项代表双光子吸收引起的载流子密度的增加。最后一项表示由探测光引 起的载流子密度的相应变化。 ” 由 2 3 】中可知s o a 材料增益g 为： 您，( n ，a ) 一9 2 ( h m o v t ) 2 s 2 。 r ( 1 + l h 6 0 0 v j s ) 8 1 。h a j o v s ， ，。! ! 型 ( h o l y g ) 其中o ( o ；w d r ) 是有效的横截面积( w 和d 分别是有源区的宽度和厚度) 。 毛非线性增益压缩因子。毛是t p 矗引起的非线性增益压缩因子。白是线性增益， 它与载流子密度和入射光的波长有关。 为了更准确的描述泵浦光和探测光在s o a 中的相互作用，必须考虑他们在 s o a 中由于波长的不同而引起的增益系数的不同。这可以用一个经验性的公式来 表示。 毋( ，一( 一 0 ) - r 。似一气) 2 + y ： 一九) 3 ， a n 和 0 分别是常规增益系数和透明载流子密度。九是增益峰值波长。r 。 和r 2 是经验常数。n - 0 0 7 4 c m 。1 棚- 2 ，r 2 - 3 1 5 5 x 1 0 - 4 c r t l 一1 m 1 4 。 由模式增益g - ，得到， 北京邮电大学硕上学位论文 必a t 一击詈 ( 2 - 3 ) r 口珊 、 再由麦克斯韦方程可知， v ：e 一三驾。0 c 。讲。 介电常数s 可以表示为 一2 + z ( ，l ) 这里是背最折射率，瓦是载流子湿度。 由 2 3 可知 挈+ 毒掣i 三篙俐一2 a s g - a r c 华萨卜r ，g q 一( r 2 芦：+ 疋詈一：) 吉h 2 4 ( z f ) 一j 1a 。4 乜力 口。代表损耗系数，吐。是与温度有关的线宽增强因子， 口，是传统的线宽 增强因子，n ，是非线性折射率。一是非线性限制因子。 这罩为了简化，我们仅仅在方程( 2 - 2 ) 中考虑两束光，泵浦光和探测光， 的相互作用，而忽略他们在( 2 4 ) 中的相互作用。并且除了f ，c 2 和外，所 有的其他参数对于泵浦光和探测光来说我们取相同的值。 利用方程( 2 2 ) 一( 2 4 ) ，我们可以得到关于泵浦光一探测光的相位、增益和振 幅的变化方程。对于泵浦光： 竺。g - 8 2 p 2 p 一2 f e z , ! p 2 一口“只( 2 - 5 ) oz1 + p。 “ 警l 一三卜g 一等警卜三一z 仁回 詈-型j警一酱旨p+丽f2aup2p2ev一嚣篇4 - 己。厶乃 玉 f ， 鑫口( 1 + l p ) ( 是d ) 2 p 矗甜p 仃( 1毛只) ， ，n r n p t p ： 0 m p 盯) 2 p f g _ r r l ( a 一 o ) 2 一r y 2 ( 一厶) 3 + r 4 n ， a ( a ，2 z c ) 是泵浦光波长g f ，b 和分别是探测光的增益、功率和 圆频率。从方程( 2 5 ) 一( 2 - 7 ) 可以看出探测光将影响泵浦光的相位、功率和增益 的变化。 1 4 北京邮电人学硕士学位论文 同样，对于探测光我们可以得到， 誓；等己-2i：f121p，21 o r 弓 七 + e 1 只 啊 鲁一扣嘞警卜t o ：弓 竖。里丛一竺盟一尘坚! 二垒竺! p + 垦! ! 垒笠一a s ( g - e 2 p 2 ) p i 。万一了一可石而+ 瓦万一面( 1 托矿( 2 1 r 2 卢2 p 2 + 面币= - q = r r l 以一九) 2 一：怫一九r + n h 虬 至此，由方程( 2 - 5 ) 一( 2 - l o ) 组成了一个封闭的方程组，这组闭合的方程组成 功地考虑了载流子加热、光谱烧孑l 和双光子吸收这三种超快现象，使这一数学模 型可以用束处理皮秒或者亚皮秒量级的光脉冲在半导体光放大器中的相互作用， 使其可以更好的应用于4 0 6 b s ，甚至1 6 0 g b s 的高速信息处理领域。 北京邮电大学硕士学位论文 第三章半导体光放大器的数值模型及其在高速波长变换中 的应用 本章主要基于第二章的数学模型，通过计算机仿真深入讨论了滤波器辅助的 1 6 0 6 b s 高速波长变换。 3 1 数值模型的建立 基于( 2 5 ) ( 2 一1 0 ) 这组耦合的方程组，论文利用叠带的四阶r u n g e - k u t t a 方法和快速傅里叶变换进行数值解。整个仿真程序有以下三大部分组成如图 ( 3 1 1 ) 所示：第一部分是输入泵浦光和探测光的产生；第二部分是他们在s o a 中的传输；第三部分是输出的处理和显示。 泵浦光和探测光的产生 上 s o a 中的传输 ( f o u n hr km e t h o d ) 上 输出探测光 囤3 1 1 计算机仿真的三大部分 3 2 对自相位调制的研究 为了确定模型的正确性，首先对s o a 中自相位调制进行了验证性的研究。由 于载流子恢复的时间较长，约l o o p s ，所以输入的脉冲宽度与此相当或小于8 0 p s 的光脉冲经过s o b 后将会在时域和频域内均产生畸变。 1 6 北京邮电大学硕1 ：学位论文 s y m b o l d e s c r i p t i o n v a l n gu n i t l s o a l e n g t h 5 0 0a n w a c t i v el e g i o nw i d t h 1 5 b n da c t i v er e g i o nd e p t ho 3n n i j e q e q u i v a l e n tr e f r a c t i v ei n d e x 3 2 2 n _ c a r r i e rd e n s i t ya tt r a n s p a r e n c y 2 1 0 ”m - 3 口 g e n e r a lg a i nc o e f f i c i e n t 2 8 x 1 0 。 埘2 a a t i n t e m a ll o s s2 咖 肌一l 七 s i g n a lp u l s ew a v e l e n g t h 1 5 5 0 0 甩，n 厂t r a d i t i o n a lc o n f i n e m e n tf a c t o r 0 3 9 t 谢f t i o n a ll i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o rl ，8 a a r c t e m p e r a t u r el i n ee n h a n c e m e n tf a c t o r 1 1 表3 2 1 仿真中的参数 表( 3 1 ) 中给出了仿真中用到的主要参数取值。这里输入脉冲为高斯型脉 冲，它的峰值功率是o d b m ，半高全f w h mf 。( ：6 p s ) 。图3 2 1 给出了仿真后 输出脉冲在时域和频域内的波形。由于输入脉冲宽度远小于载流子恢复时间 8 0 p s ，载流予并不能得到充分的恢复，这样就导致脉冲的上升沿相对于它的下降 沿来说将会感受到更多的载流子复合，也就是说会有更大的增益，那么在输出的 时域波形中上升沿将会比下降沿有更高的光功率，如图3 2 1 ( a ) 所示，整个 脉冲形状产尘向上升沿倾斜的畸交；而在频域中上升沿将会产生红移，而下降沿 将会产生蓝移现象，如图3 2 1 ( b ) 所示。并且随着小信号增益的增加，这一 畸变也会变得更加明显。 1 7 北京邮电人学硕士学位论文 固3 2 1 输出脉冲的特性。q 时域波形；( b ) 频域波形；( 输入脉冲为非啁啾的高斯脉冲) 图3 2 2 输出脉冲的特性( & ) 时域波形；( b ) 额域波形：( 输入脉冲为非啁啾的三阶超高 斯脉冲) 当输入脉冲是3 阶超商斯脉冲时，输出脉冲的特性如图3 2 2 所示。由图可 知，对于超高斯脉冲来说，他们在时域和频域的畸变更甚于高斯脉冲，这是由于 超高斯脉冲具有更为陡峭的上升沿和下降沿的缘故。 上述结果与a g r a w a l ( 非线性光纤光学) 的分析一致。 3 3 对直流辅助光提高波长变换特性的研究 为了加速载流子的恢复，同时用一束辅助光入射进s o a 是一种很好的办法。 在这里辅助光的功率和波长分别选用2 d b m ，1 5 4 8 n m 。对于t 0 6 b i t s 和4 0 6 b i t s 的输入信号我们分别进行了仿真。图3 3 1 给出了它们的结果对比。尤其是对于 4 0 6 b i t s 的输入，s o a 的增益没有足够的时丑j 恢复到最初值，所以由图3