（光学工程专业论文）超快全光光开关技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着信息需求量不断增加和各种新型业务的迅速发展，电信网络需要具有更 大的带宽和更高的灵活性。全光3 r 再生( r e - a m p l i f i c a t i o n ，r e - s h a p i n g ， r e t i m i n g ) 是解决问题的最佳方案之一。超快全光光开关是全光3 r 再生的核心 部分。本论文就采用超快全光光开关太赫兹光学非对称解复用器( t o a d ) 作为的 方案主要展开了以下几方面工作： 1 对太赫兹光学非对称解复用器中的关键器件半导体光放大器( s o a ) 进行 理论分析，用0 p t i s y s t e m 2 1 软件仿真s o a 的动态增益响应特性。在仿真的基 础上，进行s o a 的交叉增益调制实验，通过调制后的信号的功率和相位变化，研 究在不同情况下s o a 的交叉增益效应和交叉相位效应，为在t o a d 中利用s o a 的交叉相位调制效应实现光判决提供了理论依据和实验基础。 2 理论分析并实验验证了外加连续光用于减少s o a 有效载流子恢复时间， 减弱码型效应的方案。在1 0 g b i t s 随机码实验中实现了有效载流子恢复时涮从 1 8 0 p s 减少到5 0 p s 。 3 阐述了t o a d 的工作原理，通过模拟讨论了s o a 、控制脉冲、s o a 非对 称偏移量及时钟光脉冲相对于控制脉冲的时延对t o a d 的开关特性的影响，为 开关窗口的最优化提供了理论基础。 4 进行了光开关的实验研究，实现2 5 g h z 的开关窗口。通过对实验结果的 分析，提出并实验验证了通过调节偏振态改善开关窗口，增加窗1 2 1 高度，并减小 伴随窗口的调节方法。 关键字：3 r 再生、光开关、半导体光放大器、交叉增益调制、交叉相位调制、 太赫兹非对称解复用器 a b s t t a c t a b s t r a c t t o c o p e w i t ht h ec o n s t a n ti n c r e a s eo ft h et r a f f i cv o l u m ea n dt o f a c et h e d e v e l o p m e n to fn e wi n t e m e ts e r v i c e s ，m o r e b a n d w i d t ha n dm o r ef l e x i b i l i t ya r e r e q u i r e d f o rf u t u r et e l e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s r e g a r d l e s s o ft h e t y p e o f a p p l i c a t i o n s ，3 rr e g e n e r a t i o n ( r e a m p l i f i c a t i o n ，r e - s h a p i n g ，r e - t i m i n g ) i sc o n s i d e r e d a sak e y e n a b l i n gf u n c t i o nt op r e s e r v et h ed a t aq u a l i t yw h i l ea c c o m m o d a t i n gs y s t e m s r e q u i r e m e n t s u l t r a ：f a s ta l l - o p t i c a ld e c i s i o ng a t ei sa v i t a lc o m p o n e n ti na l l o p t i c a l3 r r e g e n e r a t i o n i n t h i s p a p e r ，w e f o c u so u rw o r ko n t o a d ( t e r a h e r zo p t i c a l a s y m m e t r i cd e m u l t i p l e x e r ) i nf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a st h ek e yc o m p o n e n ti nt o a d ，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 ) i s s t u d i e di nd e t a i lt h e o r e t i c a l l y am o d e lw a sg i v e db yo p t i s y s t e m2 1 t oi n v e s t i g a t e t h eg a i nr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fs o a x g m ( c r o s s g a i nm o d u l a t i o n ) a n dx p m ( c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ) i ns o a a r es t u d i e di nd i t t e r e n tc o n d i t i o n sn u m e r i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y 王as c h e m ef o rm d u c i n gt h ep a r e me f f e c ti ns o ai sd i s c u s s e dn u m e r i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y b yu t i l i z i n gt h ec o n t i n u o u sw a v e ( c w ) a s s i s tl i g h t ，e f f e c t i v ec a r r i e r r e c o v e rt i m ei sr e d u c e df r o m18 0 p st o5 0 p s 3 t h eb a s i c p r i n c i p l e o ft o a di ss t u d i e di n d e t a i l ，i t s s w i t c hw i n d o w s c h a r a c t e r i s t i ci s a n a l y s e df o rd i f f e m n tp a r a m e t e r so fs o a a n dg a u s s i a np u l s e i ti s u s e f u lf o rd e b u g g i n gt h es w i t c hw i n d o w si ne x p e r i m e n t s 4 t h e p e r f o r m a n c eo f t o a da t2 5 0 b i f f si sa n a l y s e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s i t i sf o u n di nt h ee x p e r i m e n tt h a tw ec a no p t i m i z et h es w i t c hw i n d o w b ya d j u s t i n gt h e b i r e f r i n g e n tp o l a r i z a t i o nc o n t r o l e r ( p c ) k e y w o r d s ：3 rr e g e n e r a t i o n ，a l l o p t i c a ls w i t c h ，s o a ，x g m ，x p m ，t o a d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茔或其他教育机构的。产位或 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， 。 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 嗣金 签字同期： 年月i f l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：o - 翅笠， 新繇1 飘 导师签名：刀i ，孑席 签字同期：i p ) 年 f 月f 日签字同期：钐p ) 年f 川眵| _ 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高速大容量光纤通信系统的发展 从2 0 世纪9 0 年代开始，以i p 为代表的数据业务以前所未有的速度增长， i n t e m e t 上的数据量每1 0 0 天就翻一番，用户数以1 6 5 的年增长率在全球扩展， i p 网络数据业务的增长已成为当前网络通信业务的主要增长因素。同时，其服 务范围已不再局限于初期单纯的e m a i l ，各种新型业务如：电子商务、视频点 播、远程医疗、家庭办公以及高清晰度电视等多媒体宽带综合数字业务正在蓬勃 发展。各种新型业务的不断涌现，使社会对信息的需求量呈爆炸性增长。随着网 络时代的到来，人们对信息的需求与日俱增，这种需求推动着光纤通信系统向着 高速率、大容量和长距离的方向不断发展。 目前提高光网络的容量主要有两种途径。一种是采用波分复用( w d m ) 技 术，w d m 系统能够按波长对信号进行透明的复用，而且不用考验同步的问题。 在网络节点，能够提供灵活的波长路由和动态资源配置能力，使组网更加灵活。 另一种有效的途径是采用光波时分复用( o t d m ) 技术，因为根据通信理沦，在 有限传输频带范围内通过提高单信道传输速率可以有效的提高通信系统的容量， 与电的时分复用( e t d m ) 类似，o t d m 是利用在时间轴上对不同信道的比特分 配时隙，使单波长信道速率得到提高，o t d m 在只占用很窄的频谱宽度的情况 下就能有效增加光网络的传输容量。因此，o t d m 具有比w d m 更高的带宽利 用率，而且不存在w d m 面临的波长稳定性、放大器的增益平坦等问题。这两种 技术有各自的优点和技术难点，如果将这两种技术结合，可大大提高对光纤带宽 的利用率，将来的通信系统很有可能是o t d m 和w d m 的综合系统。 在过去的二十年里，光纤传输技术经历了飞速的发展历程。自1 9 8 0 年b e l l 实验室铺设的4 5 m b i t s 的光传输系统开始i l 】，在短短的几年之内就发展到 1 7 g b i t s 两路w d m 的水平p l 。到了9 0 年代，e d f a 的应用使得w d m 系统速 率和中继距离大大提高。达到了2 5 g b i t s 8 0 、1 0 g b i t s x 4 0 的水平，中继距离达 到6 4 0 k m p “j 。每根光纤的传输容量，以每十年增长1 0 0 倍的速度发展。在密集 波分复用技术方面，单波长速率已经从2 5 g b i t s ，1 0 g b i t s 发展到4 0 g b i t s ：同时 d w d m 系统的波长间隔也更加密集，已从2 0 0 g h z 、1 0 0 g h z 、5 0 g h z 、2 5 g h z 逐步发展到1 2 5 g h z ，而且仍在探索更密的波长间隔，如2 0 0 1 年o f c 报道的法 国a l c a t e l 公司实现的1 0 2 4 t b i t s 的传输系统( 2 5 6 x 4 0 0 b i t s ) 和n e c 实现的 1 0 9 2 t b i t s ( 2 7 3 x 4 0g b i f f s ) 传输系统。此外，随着喇曼放大器技术逐渐成熟， 第一章绪论 d w d m 可用的波长范围也从c + l 波段扩展到s + c + l 波段，从而使得一定波长 间隔下的可供波长复用的波长数得到扩展。通过综合使用e d f a 和拉曼放大技 术，d w d m 系统无中继的传输距离可达数千公里。从图l 一1 可以清楚地看到 w d m 通信系统的发展轨迹。 在w d m 技术迅速发展的同时，0 t d m 技术自二十世纪九十年代以来，在器件、 圈单信道速率g b i t s 口复用的波长数 2 7 0 日单根光纤的速率t b s 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 1 l 圈 1q q 7 1 2 8 团， 1 9 9 8 l6 圜 1 9 9 9 图i - 1w d m 通信系统的发展 系统、网络诸方面也取得了长足的发展。普林斯顿大学和麻省理工学院等高校对 超快0 t d m 网络尤其是o t d m 局域网进行了研究9 ”1 ，1 9 9 9 年普林斯顿大学演示了 1 0 0 g b s 的0 t d m 计算机网。日本n t t 公司在0 t d m 高速传输方面做了大量的工作， 1 9 9 6 年实现1 t b i t s ( 1 0 0 g b i t s 1 0 ) o t d m w d m 传输，其中1 0 0 g b i t s 信号由 o t d m 复用而成1 ：1 9 9 8 年完成了6 4 0 g b i t so t d m 传输并且研制出1 2 0 g b i t s 0 t d m 系统样机“；2 0 0 0 年，又成功进行了单通道速率为1 2 8 t b i t s 的o t d m 传 输实验1 。尽管0 t d m 技术目前还不十分成熟，尚未达到商用水平，但其在研究 过程中发展起来的各种相关技术对当今和今后光纤通信技术的发展都具有重要 的意义。 光纤通信技术在过去的二十年来一直持续发展，其发展速度甚至超过了由摩 尔定律所限定的交换机和路由器的发展速度，成为近年来发展速度最快的技术， 但还是远远不能满足社会对信息的需求，发展迅速的各种新型业务对电信网络提 出了革命性的要求：一方面要求通信网络具有更高的传输速率和更大的通信容 量，另一方面还要求网络节点能够灵活地可靠地对高速数据进行处理。波分复用 ( w d m ) 技术的采用使网络容量得到了很大的提高，相对而言，高速率信号处理 技术的发展则明显滞后，传统的电信号处理的速度受到“电子瓶颈”的限制，目 前电信号能够实现的最高速率为4 0 g b i t s ，已接近了电子器件的速率极限，再 进步提高变得非常困难。所以为了满足日益增长的带宽要求，必须采用全光信 号处理技术，避开电子瓶颈。另一方面，建立下一代高速率全光网络的呼声日益 高涨，尤其是i po v e rw d m 、i po v e ro p t i c a l 等构想的提出，使对高速率的全 光信号处理技术的要求变得日益紧迫，全光信号处理也成为最近一段时问以来通 图圈豳圈圉龇 第一章绪论 信界关心和研究的热点。 全光3 r 中继技术( r e a m p l i f i c a t i o n ，r e - s h a p i n g ，a n dr e t i m i n g ) 是其中一种 非常重要的全光处理技术。在长途干线上，它可以用来克服信号传输过程中的衰 减、噪声、串扰和非线性积累，大大扩展了信号的传输距离。而在未来的全光网 络中，由于光交叉互联和光交换过程，使得无法确定信号从源端到目的端的节点 数，也就是说经过的光纤长度变得不可预测。在这种情况下，现有的固定色散补 偿等技术无法克服色散带来的影响，必须采用信号再生技术来保证网络的灵活性 和可扩展性。因此，全光信号再生技术被认为是未来全光网络的基本技术。 1 2 全光3 r 再生技术的发展现状 1 2 13 r 再生技术研究的目的和意义 在w d m 系统中，e d f a 的采用使得信道的平均光功率和中继距离得到大大 的改善，系统不再受光纤损耗的限制。但是随着单信道速率的提高和复用的波长 间隔不断变小，色散和非线性效应成为了限制系统的重要因素，它们会对信号造 成严重损伤，降低消光比，产生定时抖动，使信号的波形畸变，限制了网络节点 的级联能力，最终限制了系统和网络的传输速率和距离。 在光纤损耗已大为降低的今天，色散对高速通信系统影响就显得更为突出。 色散会使脉冲展宽，导致信号产生畸变，增大接收机误码率，因而限制了传输距 离和系统速率的提高。而随着系统速率的提高，色散的限制作用越来越明显。例 如：在标准单模光纤g 6 5 2 光纤上2 、5 g b 州s 的色散受限距离为9 2 8 k m & 右，但 1 0 g b i v s 系统的色散受限距离为5 8 k i n ，而4 0 g b i v s 系统的色散受限距离更是仅为 3 6 k m 。 单模光纤中的色散除了主要的群时延色散。此外还有偏振模色散和高阶色 散。偏振模色散( p m d ) 是由于光纤的双折射效应，引起线偏振光的两个偏振态分 量的传输速率不一致而引起的。它会随光纤所处的环境变化而发生波动，其值具 有随机性。对于低速率光传输系统p m d 的影响可忽略不计，但是随着系统传输 速率的提升，p m d 的影响逐渐显现出来。与群时延色散不同，偏振模色散具有 随机性，还没有一个成熟的补偿方案。 e d f a 在增大功率的同时，使得平均功率提高从而引起了光纤的非线性效应。 光纤的非线性不仅带来能量的损耗、信号的失真，还会使网络中某一光通道的信 号强度和相位受到其他信道的影响，形成串扰，从而对系统的性能造成不良的影 响a 非线性效应包括：受激拉曼散射、受激布里渊散射和克尔效应。前两者的影 响可以通过很好的控制功率来抑制。而光强度相关的克尔效应会对信号质量带来 第一章绪诡 狠大的影桷。壳尔效应指由于光纤韵李斤射率随着光强的变化而弓i 起的非线性现 象，主要毯撅：鑫攘位谖裁s p m 、交叉楣住滚镣x 强稠蹬波混频猎瓣。s 淄是撂 当输入光强腱变化时，光纤的折射率发生变化，而引起光波相位的变化，在色散 奔震中，这姆导数频谱爨宽，著遮羞祷狳长袋鹣增熟褥积累，虽警逝功率变豫越 快( 如在高速窄脉冲情况) ，导致的光频率变化越大。对系婉影响较大。x p m 也 会弓l 熬多波长系绫中逮潦溺戆率音，并逐渐遗镬藉譬频谱震宽。f w m 燕指童多 个较强的光波信号谯光纤中混台传输时，产生其它鞭的光波长，凝g l 起率拢。 w d m 系统中，l j ；j 菲线性器件( 眈知波长转换器) 有限的晌_ | 燕时间引起的波 形失囊馥x p m 效凌会带来撄穗，套必要进行3 r 再生。受辨，e 1 ) f a 还会带柬 了自发辐射噪声，会使光信噪比下降，影响到光接受机的灵敏度。 在实舔翡砖输系绞中，主述鹣毽素是嚣辩存在，豆辕影璃蕊。在技术主黎实 际工糨上对傲们进行各自补偿非常困难。采用博生技术对已经损伤的信号进行全 覆鹣替偿楚一个勰鞭瑾恕的解决方法。 2 。2 全囊勰莠囊援术 程实嚣的竞溺终中，光荣鸯经过妖鼯寒巍纾线蹲簧输帮中鬻节点魏楚理萋， 都会出现畸变、幅度和时蚓抖动铸严重损伤，圜此对髂号进行再生燹褥十分重要。 传统酌光电褥生方法把光信号转交为电信号，在电城内避行再生后转化为光信 号，爨予电予器 串零曳熬谚理投限，随萋传输速率的提裹，这穆嚣艇方式成为撬 高传输速率的瓶颈，而且影响了企光嗣对传输速率的透明性、灵活性等优点。因 瑟；全光霉垒是囊毽惩鹣髯生方式。全巍3 r ( r e a m p l i f i c a t i o n ，r e s h a p i n g ，r e t i m i n g ) 再生是解决上述问题的最肖效的方法。全光3 r 再生实现了信号的幅度弼生、波 形蒜生及孬窥霹，蔓耍或磺予蓠遮率巍评逶穑系统藏全党网络。在长距离、高速 率的邋信干线上，露可以用来克服信号传输过程中的噪声、串扰秘非线，积累， 提高髂号静潲先毙，减小时间擗动，大大扩展了信号的传输距离。与目前的各种 补偿技术摆魄，采爆再生技术不篱要考虑不爨信号戆恶键添因，热瓣色救、镶擞 模式德散或备种非线性效成等，只是对失真后的信号j 茳行辩生，故比采刚各种补 偿技术懿线黪，大大篱纯了系绫，夔赢了系统辩注憝；其次，采薅信号再生羧术 可保证网络的灵活僬和可扩展性，因为在未来的全光网络中，由于复杂的光交叉 互联鞠竞交攘建程，无法疆定绩蟹麸澈漆嚣毯鹣端靛节点数。在这种情况下，西 前的阻定色散 偿等技术凭法克服色散辩来的影响。另癸，在全毙3 r 髯生中， 蠢予输出渡畿可以选择，敌在两络中同时可以宪成波长变换的功能。因此，全光 信号褥生技术搜认淹是寒寒全巍溺终的基本技术，宅在泰来懿高遮瓷鼹终，芜其 是在术来高道率基予w d m 技术的波长路由网络中材着非常重要的应用胁景。 第一章绪论 就全光3 r 再艇技术本身而畜，除了本身的应用外，实际涉及到了全光信号 处理技术。摄然曩藏全光信号缝理技术还不成熬，傻是出予全光处理在速度上具 有的不可比拟的优势，被认为怒未来个重要的发展方向。3 r 技术应该是对遮 令技术镶域瓣一令窍盏的拐步尝试。 随着垒光网络技术的成熟和发展，全光3 r 技术的应用前景怒非常j “阔的。 正是海于蠹识戮了该援术鹩重娶洼，3 r 再生技术琵在成为全毽羿范围豹研究热 点。围外各大通信技术公司都投入了大量的人力、物力，对该技术展开了预研工 作。在国内，天津大学、北京邮电大学等科研院所都开展了相关的研究工作。本 课题缀在全党信号处理秘全光融镑提取上进程了大爨数理论硬究秘实验王馋，莠 于2 0 0 1 年究成了1 0 g h z 、2 0 0 h z 的龛光时钟提取实验【1 4 】。( 1 6 】，为进一步的高遮 率款金走3 r 中继戆疆究蠡下了嶷努翡磅究羹蒌凄。嚣藩已鸯粒资籽来看，各国蕊 本在同一起跑线上，如果能够在某些方面率先取得突破，将太大提高我固在全光 信号簸理领域鹃遗位。 o 滞0 1p 黼s l g r a l l 缸n m 如啪o n c l o c k e n e o 枷g 柏喈憎由嚼 i n 蠢 ，、 气毒 - l # 曛 l o l o u k 扣- l 帕盹一囊_ 两 硼 岫删爆 i 豳l - 23 r 爵生结鞠擞蹦 仝光3 r 再生的关键技术是时钟提取和超快全光光玎关，相应的，3 r 再生器 静基本结构氛括对释捷取模块移光开关模块，翔圈l t 所示。其工作原理是：数 据信母进入辫生器膝被分成两路，一路信号进入时钟提取单元产生时钟傣号；熨 一路信号经放大后，作为进行光判决的判断信母，与光时钟脉冲同步注入光开关， 决定光时钟脉冲能餐通过光开关，从露实现对兜售号救再蔓三。本论文黪二= 俸主要 是超快全光光开关。 1 2 3 超快黛光光开关的研究 趣快全光光开关是全光3 r 张生中的关键技术，它根据信号脉冲来决定用时 钟提取模块生成的默冲是秀通过，从藤实瑷光傣号的判决，商眩穆之为光判决f j 。 目前全光3 r 再生中作为判决门的超快垒光光开关有以下几种常见的结构： 兰二空堑堡一 1 基于光纤的非线性光学环镜( n o l m ) 1 8 心6 1 n o l m ( k o n l i n e a fo p t i c a l l o o pm i r r o r ) 是题一段沌纾将一2 2 藕合纂懿嚣个 输出端相连形成环状而形成的s a g n a c 干涉仪，所以又称之为s a g n a c 干涉仪丌关。 剥鬟豹是巍纤静s a g n a c 干涉踩理帮党纤中交叉稳位谲隶l 产生翡菲线性褶移。 b 图l - 3n o l m 原理圈 从信号中提取的光时钟脉冲从藕合器l 翻入射剩n o l m 的竣入端，经过3 d b 的耦合器等功率地分为沿顺时针c w 、逆时针c c w 方向传播的两列脉冲，与时 $ 幸辣净同步戆控铡( 售号) 脉冲俸戈控制黥羚通蓬w d m 藕合器从强豹禁一稷l 注 入环镜。注入的控制光脉冲的波长与时钟脉冲不同，经过耦合器3 口输出后将被 滤波嚣滤簿。若输入控制稼狰为“0 ”对，环中相翻传播豹两辩镑赫_ 率经历相等 的相移，回到耦合器干涉后，端口b 输出为“0 ”。若输入控靠4 脉冲为“l ”时， 顺时针传播的时钟脉冲序列中的某一个脉冲会受到控制脉冲的作用，产生非线性 掘移由c w ，两逆时针健播的慰钝脉冲序列光中蛉脉砖要受到嵌与之掇遇款控 制脉冲引越的x p m 的影响，也要产生一非线性相移由c c w ，假是其值与ac b c w 翊魄缀小。由予控铡黥砖嚣信号毙懿鞠袋差发叟了改交，经藕合器予涉，在 端口b 输出“l ”的信号。 n o l m 结梅簿单，舆有趋快豹确寝速瘦，特嗣适合奁箱高速通信系统使爝。 然而它也有许多不足之处：首先，由于光纤的非线燃很小，器实现强关完全开囊， 需要很长的光纤或较高酾控制光功率；其次，时钟脉冲和控制脉冲间的迮离需爱 进行控制以遐到会适的寮日；是强，虫子n o l m 母兹光缍缀长，巧境黯光熬倘 振特性的扰动致使n o l m 稳定性变差。因此，如何使n o l m 与偏振无关是个 比较难处理的越繇。 2 基于电吸收调制器e a m 的光开关1 2 7 1 3 。l 毫啜浚调麓嚣e a m ( e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r ) 的工彳笮源理：当时钟脉 冲和控制脉冲( 数据脉冲) 同时注入时，e a m 对时钟脉冲的吸收随输入信号的 6 - 第一章绪论 强弱而变化，当输入信号脉冲为 1 时，e a m 对时钟信号没有 吸收，此时时钟脉冲透过e a m ， 当输入信号为0 时，e a m 对 时钟脉冲强烈吸收，e a m 的输 出为“0 ”，因此，输出脉冲序列 再现了输入信号的信息。理论上 e a m 与偏振无关，输入信号的 相位畸变与频率啁啾都不会转 移到探测信号中去。 图1 4e a m 原理图 e a m 具有驱动电压低、对偏振不敏感、尺寸小、结构简单、性能稳定可靠、 容易与半导体激光器及其它波导器件集成等优点。文献【2 8 】报道了e a m 的 4 0 0 b i f f s 的光3 r 再生传输实验。就目前工艺水平，e a m 调制器已能满足1 0 0 g b i t s 以上速率的o t d m 系统，但是，e a m 光开关利用的是交叉吸收调制x a m 效应， 与半导体光放大器器s o a ( 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 ) 一样要受恢复过程 度影响，产生码型效应。而且e a m 开关消光比差的问题一直没有解决，目前最 好的消光比为1 2 d b e 2 7 1 。 3 基于s o a 对称结构的马赫曾德干涉仪( m z i ) 3 1 1 1 3 2 】 基于s o a 的m z i ( m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ) 干涉仪利用的是s o a 的x p m 效应，输入控制脉冲( 信号脉冲) 造成干涉仪两臂上传输的时钟脉冲( 探测信号) 经历不同的相移，控制探测光在干涉仪输出端口的相长或相消，由此控制脉冲在 输出端口的有无。 控制脉冲 1 u 叭 时钟脉冲 2 延时 输小脉冲x2 l 从 幽l - 5 基于s o a 对称结构的m z i 原理图 s o a 基予对称马赫泽德干涉仪m z i 的光开关原理如图1 - 6 所示。高速r 2 码来判决光时钟。数据信号分为时延差为t 的两路信号( t 小于比特周期t ) 耦 合进m z i a 同时时钟脉冲从端口3 同向输入m z i 。输入数据脉冲引起的s o a 的 载流子的消耗很快，如图1 - 6 所示。s o a 的折射率的变化与载流子浓度成反向， 数据脉冲引起的s o a 的载流子的消耗，在m z i 的两臂产生了相位差中。在s o a 苎二蹩堕堡二一 输入脉冲 输出脉冲 嘲1 - 6 基于s o a 的m 烈工作原理篷 中i 期于延迟的数据脉冲的到来，比较慢 酶载流予戆薮复竣中壹，这样彩或一个 几乎方形的窗口，函数为s i a ( ( i ) l - d ) 2 ) 时肇中踩冲禳判决，麸端口3 传输到端口 4 。对于m z l 由于载溅子的消耗很快， 而比较慢韵载流予的恢复中由于延迟的 数据辣沸豹到来羧终止，疑以该技术司。 望用于更商速率。 与n o l m 耨滗，s o a 狱z 1 尺寸较 小，更重要的是s o n 可以与m z i 或m i 集成在一勰，其有更好的实用化前豢。 采熙差分工作使蔟工作速度与s o a 躯 载流子慢恢复特性无关，这种技术已经 实瑰了4 0 g b i t s 瞧光判决f 3 2 1 。健是为了能够稳定王佟，嚣委疼s o a 与m z i 集痰 在一起，使结构变得复杂n 4 ，超抉菲线瞧干涉纹( u i n ) 3 3 1 + 【3 鬟 超快非线性干涉仪u n i ( u l t r a f a s t n o n l i n e a ri n t e r f e r o m e t e r ) 利用的是非线性 渡警( 如s o a ) 瀚交叉相位调制x p m 效应，其有开关能量低。 阁1 7u n i 光歼关原理豳 b c i 2 ：躐折射晶体p l ：梭攮嚣 如图1 ，7 所示，时钟脉冲1 ，2 ，3 经过双折射晶体1 厢变成了两个互相垂直 戆镳摄努蘩，著嚣之阊窍t 静延嚣孪。这个延时在经过双掰 鸯| 晶体2 之爝被抵消， 两分量重含，而且这两分量的相位差将决定黧合的信号的偏振态。这些脉冲按如 图的颁痔通过s o a 时，插在2 脉冲的两个分重之间的控制脉冲会引起非线性徽 应，使后续的脉冲发生稠位改变。对予嚣个努量没蠢发生糖穆黪l 骞堤，翔脉冲分 量l ，1 所蘑合褥到信号的偏振态不受控制信号影响，最后的检偏器p l 的偏振 方嗣与l 秘1 呈5 废是，露与嚣者羹台瑟褥裂信弩静镳缀方自囊壹，掰馥藏对 没有信号输出。对于脉冲分量2 和2 ，2 与2 相比由于受到非线性效应的作用 会产生相鬣差，般楚7 1 ：。这样两者璧合的信号豹俪振方向会与稔偏器的偏振方 向一致，所以有信号2 输出。而对于脉冲分爨3 和3 ，两鬻在经过s o a 时会鸯 第一章绪论 相同的相移，所以这种情况与1 相似，没有信号输出。u n i 就这样实现了光丌关 的功能。 u n i 是一种理想的光开关，己用于1 6 0 g b i t s t 圳的解复用和4 0 g b i t s 及 8 0 g b i t s 的3 r 再生【3 5 】。但是由于其干涉仪结构的限制，u n i 需要采用相位稳定 技术，因为外界温度变化会带来相移噪声d “。 5 太赫兹光学非对称解复用：器- ( t o a d ) 太赫兹光学非对称解复用器t o a d ( t e r a h e r zo 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 ) 结构简单，采用s a g n a c 干涉仪的结构，对外界的变化不敏感， 比其它干涉仪型全光开关更稳定、更有应用潜力，本课题采用t o a d 作为光判 决方案，下面还将进行详细的介绍和分析。 1 3 本学位论文的主要研究内容与创新点 本论文研究工作是8 6 3 资助项目：“码率灵活的全光3 r 再生技术研究”以 及华为合作项目“全光3 r 再生器”，围绕作为全光3 r 再生关键技术之一的光判 决门技术，着重在以下几个方面开展了研究工作：着重在以下几个方面做了一些 工作： 1 对t o a d 光开关中的关键器件s o a 进行了理论分析，通过仿真软件 o p t i s y s t e m 2 1 模拟了基于s o a 的交叉增益调制的波长变换器，在此基础上， 具体分析研究了s o a 对于不同的信号光功率、注入电流、线宽增强因子和探测 光功率的动态增益特性。并通过实验进行了验证，为利用s o a 的交叉相位调制 效应实现光开关提供了理论依据和实验基础。 2 理论分析并实验验证了外加连续光的方案，用来减少s o a 有效载流子恢 复时间，消除码型效应。 3 描述了t o a d 的原理，研究了s o a 的特性对t o a d 的影响，通过模拟 分析了影响t o a d 的开关特性的各因素，为开关窗口的最优化提供了理论基础。 4 进行了光开关的实验研究，得到2 5 g h z 的开关窗口。通过对实验结果的 分析，提出并研究了偏振对开关窗口的抑制作用。 本论文的创新点： l 、从载流子寿命和有效载流子恢复时间的角度分析了s o a 对光脉冲的增益响 应及其恢复特性。 2 、分析并实验验证了利用外加连续光来减少s o a 有效载流子恢复时阳j 的方案， 在1 0 g b i t s 的波长变换实验中，通过外加连续光将有效载流予恢复时问从 1 8 0 p s 减少到5 0 p s 。 第一章绪论 3 、提出并实验验证了偏振对窗口的抑制作用。 4 、完成了2 5 g h z 系统下的t o a d 光开关窗口实验。 鹕二章s o a 的理论分析及 c 特性研究 2 1 概述 第二章s o a 的理论分析及其特性研究 半导体光放大器s o a ，又称s l a ( s e m i c o n d u c t o rl a s e ra m p l i f i e r ) ，是光判 决方案t o a d 中的关键器件。t o a d 又被称为s l a l o m ( s e m i c o n d u c t o rl a s e r a m p l i f i e r i nal o o pm i r r o r ) ，简单的说，t o a d 就是在s a g n a c 干涉仪中加上一个 s o a 构成的。由此可见，s o a 的特性对于t o a d 输出的信号质量有着很大的影 响。因此对s o a 的各项特性进行深入的研究有助于分析t o a d ，具有重要的意 义。 s o a 是一种具有光增益的光电器件。响应速度比较快，具有处理高速信号 ( 1 0 0 b i t s ) 的能力【37 1 ，而且结构紧凑，使用电流泵浦，易于和其它半导体光 电器件集成。基于s o a 的光电处理器，尤其使全光波长变换器受到了广泛的重 视和研究。但是偏振相关和载流子恢复慢一直影响着s o a 的进一步应用。 s o a 的结构类似于双异质结激光二极管。随着偏置电流的加大，激光二极 管中的粒子数反转达到定程度，二极管内开始出现增益。介质变为透明时对应 的电流即为s o a 的阀值电流。超过此电流，二极管就开始出现放大功能。对于 s o a 的两种结构：带谐振腔的f a b r y p e r o t 型放大器和无谐振腔的行波放大器 t w a ( t r a v e l l i n gw a v ea m p l i f i e r ) ，增大偏置电流，达到更高的增益时，会出现 两种不同的情况。在f a b r y p e r o t 型放大器的两端镀有反射膜，形成具有平行反 射腔面的内部光反馈机构，增益超过材料内部的总损耗，此时二极管表现为激光 器；行波放大器t w a 的两个端面镀有抗反射膜，此时不能建立激光振荡，二极 管仅表现为对输入光的放大，直至内部增益趋于饱和。对于行波放大器t w a 而 言，入射光只是单程放大或者说只有单程增益【3 酊。 t w a 比f p a 的应用更为广泛，因为t w a 有较大的带宽，较高的饱和能量 和较低的偏振敏感性。t w a 的3 d b 带宽比f p a 要大三个数量级，所以光网络中 的s o a 一般是指t w a 3 s 。如没有特别指明，本文中的s o a 都是指t w a 型的 s o a 。 本章基于s o a 的理论分析，分析了s o a 对光脉冲的增益响应及其恢复特性， 明确的区分了载流子寿命和有效载流子恢复时间的概念，并提出了一个用于减少 载流子恢复时间使s o a 可以工作于高速率的方案，并通过实验得到验证。 苎三兰! 堂塑里丝坌堑墨茎堑丝竺塞一 2 2s o a 的理论分析 2 2 1 增益特性 s o a 的增益不仅与放大器任何一点的光强度有关，而且还与入射光的波长 有关。在我们的方案中，光的波长接近s o a 的峰值波长，可以忽略波长的影响。 我们引入增益系数g 来描述s o a 中某一点的增益情况： 毋对2 高 p ( ：) 是从输入端算起在距离z 处的信号功率，只是饱和功率，取决于增益介 质参数( 如荧光时间z 和跃迁截面口) ，g 。是小信号增益系数，即无信号光的情 况下单位长度上的非饱和增益，取决于放大器的偏置电流。 放大增益g 定义如下： ( 2 2 ) 增益g 与增益系数g ( z ) 的关系 g = e x p g ( z ) l 】= e x p f ( g 。一口。) l ( 23 ) 其中r 为限制因子，口。损耗系数( 内部损耗) ，g 。材料增益系数，g ( z ) 增 益系数g ( z ) = r ( g 。一口。) 。 从上式看，在其他条件不变的情况下，输出功率会始终随着输入光功率以增 益g 变大，而且增益会随s o a 的长度增加。实际上，当输入光强太大时，增益 系数会减小，而且增加长度也只能使增益增加到一定值，这就是增益饱和现象。 因为在定的偏置电流下。s o a 中某一位置z 的增益系数是由此处的载流子密 度决定的，而载流子密度又取决于此处的输入功率p i 。( z ) ，功率较大的强光会使 载流子数量( 导带中的电子) 减少，以至于增加的外来光予数无法再从导带激发 电子到价带，也就是说，不会再产生受激的光子，无法再对输入光进行放大。通 过式2 + 1 可以看出输入功率对增益系数的影响。 我们一般用饱和输出功率来描述s o a 的增益饱和特性，饱和输出功率是指 放大器增益g 从小信号增益g 。降低一半( 或3 d b ) 的输出功率【3 8 】： 门l n 艺，= 拦只 ( 2 4 ) j 龟一z 小信号增益g o = e x p ( g 。l ) 是增益的非饱和值，即无信号光或p 。 2 时咒“( i n 2 ) 只= 0 6 9 只基本与瓯无关。另外，饱和输 强地入一匕椭 一 出 g 输示表剐分和 匕： ，为中示式表以可 蘩二谁a 蛇理论癸错及葜特性镂究 塞功率都燕霹一定豹馁漫宅浚蠢言豹，嚣为缮盏系数与s o a 豹编萋毫滚i 有关， 忽略口。损耗系数，关系式如下： g _ f a x n , “丢。1 ) 5 ) 。是透明所需的电流，n * 是栽流子密度阀值，凡是微分增益系数。 3 0 2 5 鐾2 0 o 。1 5 蜊 辫i o s 0 i l 7 。_ h - ， 1 - 1 、 、 、 0 弋 一3 02 s一2 8一 5一1 05 输 功率p i n ( d b m ) 图2 1 增益与输入功率的芙策 综合公式2 i 2 3 进行模拟，其中f ：，= 7 3 3 d b m 偏鼍电流2 5 0 m a 。模拟结 粟翔蚕2 1 中的实线繇示，寝线鸯实验襞溅鹣数撵。辕入功率较，l 、霹，实验中渊 得的增益比模拟值大，是因为测量的s o a 的输出功率中包含了a s e 噪声，在小 功率下情况下更黯显著。扶上黼可戬看出随着输入光功率静增翻，增益逐渐交小， 发生增益饱和。当输入功率为，1 5 d b m 时，增益比小信号增益有大约3 d b 的城小， 此时输出功率约为7 2 5 d b m 与给出的数据7 3 d b m 一致。 2 2 2 载流子 载瀛予寿命，又骶载流予复合寿命、本征载流子寿命，是s o a 的项蘸要 的动态参数。一般是指从载流子被激发到复合之阍的时阍，也可以理解为，电子 从挣带跃迁到禁带的时间【3 9 】。它决定了当强光耗尽了导带中的载流子之后导 带中的载漉子恢复酝爨要鲍对耀。豢s o a 巍勺弱予兜嚣美游，载滚子黪愈是影螭 性能的关键因索。考虑了非辐射跃迁、双分子复合和俄歇复合过程等情况的裁流 孑复合寿愈t 懿袭这式菇： f = ! r ，、 。量+ b n + c n 2 “ a 、b 和c 为复台系数，n 是载流予密度，它与偏鬣电流i 和信号功率p 的 变亿关系爨载滚子密度速率方程来摇逑i 努】； 第二章s o a 的理论分析及j c 特性研究 型：塑一f a ( n - n , h ) p 一业( 2 。7 ) o t q v w d h o r 。 w 是有源区宽度，d 是有源区高度，h o 为光子能量，q 为电子电荷，v 是 有源区体积。 掣表示偏置电流改变而引起有源区内载流子浓度的改变， 口v 墨型掣p 表示受激辐射复合而引起的载流子浓度变化， w a 门。 坐盟表示自发辐射复合和非辐射复合引起的载流子浓度降低。而增益系数与载 f 。 流子浓度有如下的关系： g = f a g ( n - n , ) ( 2 8 ) 所以，由光的传播方程和裁流子密度速率方程，可以得到增益随偏置电流i 和信 号功率p 的变化关系。假设光脉冲在传播过程中偏振方向不变，并且忽略增益非 线性效应，则光脉冲沿纵向z 的传播方程为h o 】： 警+ 古了o a ( z t ) + 扣。池旷孚讹删 眩。， 一( “) 为光脉冲的慢变包络 将a 分解为振幅和相位两部分 a ( ：r 】= p 。一( 7 ，7 ) 、j ；云j 再( 2 1 0 ) 则上两式可化为： 挈：堡! 业一坠芒业( 2 1 1 ) a r f 。e 删 。 将上式对长度积分，并整理得到： 警= 半一等晰】 晓 放大函数 = r g ( z ，