（通信与信息系统专业论文）超快非线性干涉仪（uni）的理论及实验研究.pdf

天津大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 随着光纤通信和宽带业务的飞速发展，o t d m 系统逐渐成为世界范围的研 究热点。与此同时光交换逐渐成为制约光网络速率的瓶颈，全光3 r 再生技术是 解决此问题的种非常重要的全光处理技术。光判决门即超快全光开关是这两种 技术的核心部分。本论文主要围绕一种全光开关超快非线性干涉仪( u n i ) 展开下 述几方面的工作： l 、对方案中的核心器件光半导体放大器( s o a ) 的特性进行了论述，讨论了 光脉冲在s o a 内传输的数学模型，并用软件o p t i s y s t e m 2 2 对s o a 的动态增益特 性进行了模拟仿真。 2 、为研究s o a 的交叉增益调制( x g h d 和交叉相位调制( x p m ) ，在模拟仿真 的基础上同时进行了基于x g m 的波长变换实验，并讨论了不同条件对波长变换 输出的影响，为u n i 中利用x p m 实现光开关提供了理论和实验基础。 3 、对u n i 的工作原理进行了描述，通过琼斯矩阵做了进一步的分析。在此 基础上，对u n i 开关窗口进行了数值分析，得到了窗口的数学描述。运用软件 m a t l a b 6 5 对s o a 增益响应、x p m 效应、u n i 开关窗口进行了模拟，并模拟分 析了当实验条件改变时对u n i 开关窗口的影响，为实现得到最佳的开关窗口提 供了理论依据。 4 、进行了1 0 g b p s 和2 0 g b p s 的u n i 全光开关的实验，与上一章的理论模拟 相对照，通过改变实验条件来观察对开关窗口的影响。分析了实验中偏振控制器 的作用，并通过实验数据初步得出了窗口消光比的变化情况，讨论了得到上述结 论的原因。 关键词： 全光开关、超快非线性干涉仪( u n i ) 、半导体光放大器( s o a ) 、交叉 相位调带a j ( x p m ) 、开关窗口 天津大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i b e r o p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n db a n d w i d t h s e r v i c e s ，o t d ms y s t e mh a sb e e nt h ef o c u so f r e s e a r c hi nt h ew o r l d a tt h es a n l et i m e t h et r a n s m i s s i o ns p e e da n dd i s t a n c eo ft h eo p t i c a ls i g n a l si sl i m i t e db yt h eo p t i c a l s w i t c h i n g t h i sp r o b l e mc a nw e l lb es o l v e db yu s i n ga l l o p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o n t h e o p t i c a ls w i t c hi st h ek e yo ft h e s et w ot e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e r , w es p r e a do u rw o r k o nu n ii nf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 、a st h e k e yc o m p o n e n to fu n i ，s o ai ss t u d i e si nd e t a i lt h e o r e t i c a l l y a m a t h e m a t i c a lm o d e li sg i v e nb yo p t i s y s t e m2 1t oi n v e s t i g a t et h ew a yo ft h e o p t i c a lp u l s ep a s s e di ns o a a n dt h eg a mr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fs o a 2 、t h ex g ma n dx p mi ns o ai ss t u d i e db yp r o c e e d i n gs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h i sw o r kg i v e st h es i m u l a t i v ea n de x p e d m e n t a lc o n d i t i o n f o ra c h i e v i n gu n i o p t i c a ls w i t c h 3 、t h eb a s i cp r i n c i p l eo fu n ii sg i v e na n ds t u d i e db yu s i n gj o n e sm a t r i xm e t h o di n d e t a i l t h es w i t c h i n gw i n d o wo fu n ii ss i m u l a t e da n dw eg o ti t sm a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n i t ss w i t c hw i n d o wc h a r a c t e r i s t i c ，t h eg a i nr e s p o n s ea n dt h ex p m c h a r a c t e r i s t i c so fs o aa r ea n a l y z e df o rt h ec o n d i t i o n so fe x p e r i m e n t ，s u c ha st h e d g do fp m d ，d i f f e r e n tp a r a m e t e r so fs o a ，t h ec o n t r o lp u l s ea n dt h ed a t ap u l s e i ti su 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 ep e r f o r m a n c e so fu n ia t10 g b i t sa n d2 0 g b i t sa r ea n a l y s e dt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t s c o m p a r e dw i t ht h et h e o r ya b o v e ，w ec h a n g et h ec o n d i t i o n so f e x p e r i m e n tt oo b s e r v et h er e s u l to fe x p e r i m e n t i ti sf o u n di nt h ee x p e r i m e n tt h a t w ec a no p t i m i z et h es w i t c hw i n d o wb ya d j u s t i n gt h eb 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 ) w eg o tt h et r e n do ft h ee x t i n c t i o nr a t i oo fu n io p t i c a ls w i t c hb y a n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n dd i s c u s st h er e a s o no f i t k e yw o r d s ：a 1 1 o p t i c a ls w i t c h ，u l t r a f a s tn o n l i n e a ri n t e r f e r o m e t e r ( u n i ) ， 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 - p h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) ， s w i t c h i n gw i n d o w 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，也不包含为获得叁注盘堂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。 学位论文作者签名：王辞敞 签字日期：。口弘年月 日 学位论文版权伊用授权书 本学位论文作者完全了解鑫连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗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b j 复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本拶权说明) 学位论文作者签名：i - 卑垃 导师签名：计 - - 1 l 必 签字日期：立c 。妒年，月) 日签字日期：御中年月7 目 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自电报、电话发明后百余年的时间内，人类信息的传输都是依靠金属导线。 开始时用对称线，传输速率和容量极其有限：到本世纪的4 0 年代，同轴电缆开 始投入使用。这种传输导线解决了对称线间频率越高串音干扰越严重的问题，使 通信容量得到了突破性的进展。到6 0 年代中期，同轴电缆已成为通信网的主体， 通话最高容量达到1 万模拟话路，通话带宽为6 0 m h z 。但由于同轴电缆的损耗 很大，每隔2 公里就需加一个再生中继，再要增加传输带宽显然是很困难的。直 到1 9 7 0 年，美国康宁公司第一根损耗为2 0 d b k m 单模光纤闻世，才给人们点 燃了另一束灿烂的希望之光。起初大概是每隔4 年通信容量增大4 倍，至9 0 年 代中期每两根光纤可开通2 5 g b p s ，约3 万多话路。尤其是进入9 0 年代后期， 光纤通信的波分复用系统( w d m ) 进入实用化后两根光纤上可开通3 2 、6 4 甚至 1 0 0 多个通道，每个通道可开通2 5 g b p s 系统或1 0 g b p s 系统。光传输技术的发 展主要表现在：1 、点到点的传输系统容量的迅速提高；2 、革命化的波分复用 ( w d m ) 传输网的发展；3 、接入网与局域网的快速增长。 经过大概十年的发展，1 9 8 0 年b e l l 实验室铺设的4 5 m b p s 、7 k m 的传输系统 拉开了光纤通信的大幕“，几年之内就发展到1 7 g b p s 、5 0 k m 2 路w d m 的水平 1 2 1 。光纤通信从8 0 年代中期进入实用化，9 0 年代，随着单信道速率提高、w d m 技术的应用、e d f a 的商业化，使得系统大踏步地达到了2 5 g b p s x 8 0 ，1 0 g b p s x 4 0 的水平中继距离达到6 4 0 k m 3 】- 【s 】。每根光纤的通话路数从8 0 年的6 7 2 路增长 到1 9 9 9 年的5 1 6 0 0 0 0 路，增长了7 6 7 8 倍。 i n t e r n e t 应用的飞速增长以及宽带综合业务量的快速发展，要求光纤通信系 统的传输速率和总容量应有巨大增长。这对电信骨干网带宽提出越来越高的要 求。单信道的传输速率目前1 0 g b p s 已经实现商用系统。 进一步提高系统的通信容量可以从以下三个方面考虑： 1 、提高频带利用率 2 0 0 2 电子元件与技术会议上报道了1 0 g b p s ，信道间隔为2 5 g h z 的d w d m 超连续谱光源 9 1 ，使之实现c 波段内1 5 0 信道的d w d m 系统。但是信道的密集 化对系统合波器、分波器及光源的线宽和波长稳定性等要求进一步地提高。伴随 着的是系统成本的大幅度提高。 2 、扩展传输带宽 天津大学硕士学位论文第一章绪论 目前所利用的长波长通信带宽在1 5 3 0 n m 1 5 6 5 n m 的c 波段，对更宽频的 开发利用( 包括l 波段和s 波段) 正在受到各国研究工作者的关注【lo 】。 3 、提高单信道传输速率 现阶段商用的单信道的最高速率为4 0 g b p s ，已经接近电子器件速率的极限。 0 1 r i ) m 技术是利用超短光脉冲在时域的分插复用，使得单波长信道速率数倍增 长。它在只占用e d f a 很窄的频谱宽度的情况下就能有效增加光网的传输容量。 i t u - t 就全光网和i p 技术起草了一系列新的建议，明确指出光时分复用( o t d m ) 和光波分复用( w d m ) 是提高光纤通信传输容量的两种有效的方法，都是全光网 不可分割的组成部分。因而o t d m 的商品化有巨大的市场推动力，因此o t d m 技术成为各国通信行业研究的热点。 i p 网络的高速发展对网络的带宽提出了空前的需求。而光网络恰恰提供了 巨大的带宽，满足i p 网络的流量需求和服务质量的要求。随着w d m 技术、光 放大技术、色散补偿技术、波长转换技术、o t d m 技术、光包交换技术的发展， 节点光交换速率正由3 t b p s 到几十t b p s 过渡。光节点交换的颗粒度正由以光波 长为单位向以光的i p 包为单位的方向发展。现有的网络是以电子交换为核心的， 已经不能满足应用需求，信息的交换必须借用新的媒体即以全光包交换为特征的 光网络。 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 光时分复用系统( o t d m ) 及其关键技术 o t d m 系统具备e t d m 系统的优点，并且超越了e t d m 的电子瓶颈的限制。 它与d w d m 相结合，能够进一步地提高单位带宽的传输容量，从而提高总的通 信容量。如果二者有机地结合，将在未来的光纤通信领域中实现更大的飞跃。 o t d m 系统的许多关键技术目前正属于全世界范围内的研究热点，近年来 也不断有这方面的相关报道【l l 】【b 】，国内对o t d m 系统及关键技术的研究也很重 视。先后在“8 6 3 ”计划和国家自然基金重点项目中给予支持。 o t d m 系统关键技术包括超短脉冲光源、全光时钟提取、o t d m 解复用、 超短脉冲在光纤中的传输及色散补偿等。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 全光3 r 再生技术 在光网络和波分复用( w d m ) 长途传输干线中，光纤的非线性效应，例如自 相位调制( s p h d 、交叉相位调$ 1 i ( x p m ) 、四波混频( f w m ) 等与群速度色散( g v d ) 联合作用，光放大器的自发辐射噪声( a s e ) ，增益饱和引起的非线性，以及由器 件引起的串话等不利因素，造成了脉冲序列达到时间抖动、光信号脉冲形状和频 谱的畸变、消光比下降，限制了网络节点级联的数量，最终限制了整个系统和网 络的传输速率和距离。因此，就需要适时地采用3 r 再生( 再放大、再定时、再整 形) 技术。 目前采用的3 r 再生技术仍属于电3 r 再生方式，只能在电域里进行，光信 号必须经历光电、电光转换。因受电子器件本身速率的物理限制，电3 r 再生 成为速率提高的“电子瓶颈”影响了全光网传输的透明性、灵活性和可靠性。光 3 r 再生被认为是一种更为理想的再生方式，可以突破传输速率的“电子瓶颈”， 符合全光网和未来光网络的使用要求。光3 r 再生原理( 图1 1 ) 与电3 r 再生不同， 它的再放大、再定时、再整形都是在光域中实现的。 i 。i 。i 一： 时钟提取全光开关 ； 3 r 再生后的 ： 咖。儿一一。儿一 信号 ：o u t p u t 小心叫蚴l 出儿 图卜l 全光3 r 再生框图 全光3 r 再生实现了信号的幅度再生、波形再生和再定时，在长距离、高速 率的通信干线上，它可以用来克服信号传输过程中的噪声、串扰和非线性积累， 提高信号的消光比，减小时间抖动，大大扩展了信号的传输距离。与目前的各种 补偿技术相比，采用再生技术不需要考虑不同信号的恶化原因，如群色散、偏振 模式色散或各种非线性效应等，只是对失真后的信号进行再生，故比采用各种补 偿技术的线路，大大简化了系统，提高了系统的性能。 其次，采用信号再生技术可保证网络的灵活性和可扩展性，因为在未来的全 光网络中，由于复杂的光交叉互联和光交换过程，无法确定信号从源端到目的端 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的节点数。在这种情况下，目前的固定色散补偿等技术无法克服色散带来的影响。 另外，在全光3 r 再生中，由于输出波长可以选择，故在网络中同时可以完成波 长变换的功能。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，它 在未来的高速光网络，尤其是在未来高速率基于w d m 技术的波长路由网络中有 着非常重要的应用前景。 随着全光网络技术的成熟和发展，全光3 r 技术的应用前景是非常广阔的。 正是由于意识到了该技术的重要性，3 r 再生技术正在成为全世界范围的研究热 点。国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、北京大学、清华大学等院校都开展了相 关的研究工作。本课题组在全光信号处理和全光时钟提取上进行了大量的理论研 究和实验工作，并于2 0 0 1 年完成了i o g h z 、2 0 g h z 的全光时钟提取实验【i 卟【i 吲， 2 0 0 2 年完成了2 5 g h z 的t o a d 光判决门理论研究及实验，2 0 0 3 年完成了1 0 g b s 和2 0 g b s 的u n i 光判决门理论研究及实验。为进一步的高速率的全光3 r 中继 的研究打下了良好的理论研究和实验基础。 i 4 光判决门 1 4 1 光判决门的应用 光判决门作为一种新兴的技术在光通信领域，尤其是o t d m 系统和全光3 r 再生系统中有着广泛的应用。 在设计时，往往期望光判决门能够满足以下几点要求：( 1 ) 对数据格式和速 率透明：( 2 ) 低功率消耗：( 3 ) 对输入定时抖动和功率波动不敏感；( 4 ) 高消光比和 低啁啾；( 5 ) 简单有效，成本低：( 6 ) 偏振不敏感；( 7 ) 大的输人功率动态范围。 1 、o t d m 系统中的解复用技术 o t d m 信号的解复用可分为电光解复用和全光解复用，前者适用于速度较 低的o t d m 系统，一般通过电光调制器或电吸收调制器实现：后者可用于高速 o t d m 信号的解复用，速率最高可达t b p s 量级。实现全光解复用的关键器件是 全光开关，即光判决门。全光开关相当于一个光的“与”门，o t d m 数据信号 和光时钟信号输出到全光开关时，相“与”后输出一路支路信号。 2 、o t d m 信号的分插复用( a d d d r o p ) 光分插复用器( 0 a d m ) 是o t d m 网络的重要组成部分。在o t d m 网络的节 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 点，利用o a d m 从输入的o t d m 比特流中取出一路或几路支路信号，同时将本 地的支路信号插入到o t d m 数据流中，然后向下一个节点传输。o a d m 一般包 括时钟恢复、解复用和复用等部分。 o a d m 中的关键器件是高速光开关。光开关器件在解复用一路( 或几路) 支路信号时，如果能够彻底去掉o t d m 数据流中被解复用的信道脉冲，并让剩 下的数据信号基本不受影响的通过，则这样的光开关器件非常适合于o t d m 信 号的分插复用。在取出支路信号之后，本地支路信号的插入将变得十分简单，只 需将本地的信号脉冲正确插入到剩下的o q t d m 数据信号中的空闲时隙即可 1 7 1 8 1 1 9 1 。 3 、o t d m - w d m 的格式转换 在光网络中，为了将o t d m 和w d m 两种技术统一起来并增加组网的灵活 性，需要在o t d m 与w d m 的接口处具有相互转换的功能。将几个波长的w d m 信号转换成单一波长的o t d m 信号或相反的过程需要波长转换和光时分复用解 复用两个功能。如果复用，解复用信道数目较多时，将上述两个过程独立完成的 方法便过于繁杂，很不经济。用全光开关可以将两个过程同时完成【2 0 j 【2 ”。 4 、全光3 r 再生系统中的全光开关技术 全光3 r 再生主要包括光放大、时钟恢复和光判决等技术【2 2 】【2 3 1 。目前光放大 已经比较成熟，因此光3 r 再生的关键在于时钟恢复和光判决，如图l 所示。数 据信号进入再生器后分为两路，一路信号进入时钟提取单元产生时钟信号，本文 在后续的章节中称为数据脉冲；另一路信号经放大后，作为控制信号与光时钟脉 冲同步注入光开关，决定光时钟脉冲能否通过光开关，输出载有被判决信号的信 息且波形很好的脉冲序列，从而实现剐光信号的再生。 1 4 2 几种光判决门简介 本文的主要工作围绕高速光判决门展开，利用光开关可以实现光判决门。目 前常用的光开关有：利用光纤x p m 效应的非线性光学环镜( n o l m ) 忙4 j i 硎、利用 s o a 的x p m 效应的马赫曾德干涉仪( s o a - m z i ) 【2 6 】【2 7 1 、t h z 光学非对称解复用 器( t o a d ) 【2 8 】雎9 1 【3 0 】以及超快非线性干涉仪( u n i ) 、基于电吸收调制器( e a h d 川【3 2 】 的全光开关等。由于本文的工作重点是u n i 全光开关，先简要介绍t o a d 和 s o a - m z i 两种全光开关，研究它们对u n i 的原理的深入理解有很大帮助，而且 这两种光开关应用也十分广泛。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 、t h z 光学非对称解复用器( t o a d ) t o a d 是非线性光学环镜( n o l m ) 和半导体光放大器( s o a ) 相结合的产 图1 - 2 t o a d 的基本结构示意图 物，在充分发挥了二者的优势的同时又避免了它们的不足。 t o a d 的基本结构如图1 2 所示。在普通的光纤环镜( n o l m ) i 内非对称的放 置一个半导体光放大器( s o a ) 即构成t o a d 。控制脉冲从w d m 复用器输入，由 时钟提取模块得到的时钟脉冲通过耦合器后分为顺时针( c w ) 和逆时针( c o w ) 方 向传播的两路相向信号。由于s o a 偏离环的中点距离x ，两路信号在不同时刻 经过s o a ，时间相差2 a t 。当无控制脉冲时，相当于0 码，s o a 对两路时钟脉 冲作用相同，t o a d 相当于一个环镜，输入的光时钟完全反射，耦合器端口3 无信号输出，光开关处于关的状态。当有控制脉冲输入时，相当于1 码，功率较 大的控制脉冲使得s o a 的载流予密度发生动态改变。而c c w 信号和c w 信号 先后经过s o a ，它们受到控制脉冲的交叉增益调制( x g m ) 和交叉相位调带t ( x p m ) 的情况将有所不同。它们回到耦合器时形成干涉，产生相位差，光信号从端口3 输出，此时光开关处于开的状态。在此过程中，t o a d 打开了一个宽度约2 a t 的时间窗口，该窗口由控制脉冲产生。 t o a d 具有开关能量低、响应快、稳定性好、结构紧凑、易于集成的优点， 成为有前途的光判决方案之一，目前己用于1 0 0 g b p s 的全光解复用器p o 】。本课 题组先前对t o a d 方案进行了大量的理论分析和实验。但是在实际的实验中， 由于环内偏振态的影响示输出窗口极不稳定，严重影响了能达到的速率，这是有 待进一步研究的问题。 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 2 、基于s o a 的马赫曾德干涉仪( s o a - m z i ) 基于s o a 的m z i ( m a c h - - z e h n d e ri m 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经历不同 的相移，控制时钟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x 1 j i l 从 时钟脉冲x 2 心j 姒 延时x 1 输出辣冲x2 i | l 从 图1 3 基于s o a 的马赫增德干涉仪( s o a m z l ) 的原理图结构 s o a 基于对称马赫泽德干涉仪m z i 的光开关如图1 3 所示。控制脉冲分为 时延差为t 的两路信号( f 小于比特周期t ) 耦合进m z i 。同时时钟脉冲从端口 3 同向输入m z i 。输入控制脉冲引起的s o a 的载流子的消耗很快，s o a 的折射 率的变化与载流子浓度成反向，控制脉冲引起的s o a 的载流子的消耗在m z i 的 两臂产生了相位差( d 。在s o a 中由于延迟的控制脉冲的到来，比较慢的载流子 的恢复被中止，这样形成一个几乎方形的窗口，函数为s i n ( t o l 一【p 2 ) ，时钟脉冲被判 决，从端口3 传输到端口4 。对于m z i 由于载流子的消耗很快，而比较慢的载流 子的恢复中由于延迟的数据脉冲的到来被终止，所以该技术可望用于更高速率。 与t o a d 相比，s o a m z i 尺寸较小，更重要的是s o a 可以与m z i 集成在 一起，具有更好的实用化前景。采用差分工作使其工作速度与s o a 的载流子慢 恢复特性无关，这种技术已经实现了4 0 g b p s 的光判决【3 ”。但是为了能够稳定工 作，需要将s o a 与m z i 集成在一起。使结构变得复杂。另外m z i 对制作工艺 要求很高，比如说要求两臂长度完全相等、s o a 的特性完全一致，而这一点很 难做到，m z i 有较大的偏振敏感性使得输出的信号不稳定，有较大的温度敏感性， 使得m z i 的两臂长度发生改变，这些都对s o a m z i 的稳定工作造成较大的影响， 从而使光开关的性能变差。 3 、 超快非线性干涉仪( u n i ) 超快非线性干涉仪u n i ( u l t r a f a s tn 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s o a 的交叉相位调制x p m 效应，对数据的再生能力达到了数十g b p s 以上，是名副 7 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 其实的“超快”。由于本文主要围绕u n i 展开，在这里就不过多的介绍，具体钓 工作原理在以后的章节中分别加以论述。 1 5 本论文的主要工作 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”中的一部分即全光3 r 再生关键技术之一的 光判决门技术。本文的主要工作如下： l 、针对全光开关在目前光网络中的应用，分析了现有的几种全光开关及它 们各自的优缺点，并最终选择了超快非线性干涉仪( u n 0 方案。 2 、s o a 是现有全光开关方案中的关键器件，针对s o a 的特性进行了理论 分析，并通过波长变换的模拟仿真具体的研究了控制脉冲功率、连续光 功率、s o a 内部参数对波长变换输出的影响，同时进行了实验验证，为 u n i 全光开关的理论及实验打下良好的基础。 3 、对u n i 的中的器件通过琼斯矩阵和传输函数进行理论分析，得到u n i 开关窗口的数学描述。对u n i 的开关窗口进行数值模拟研究s o a 内 部参数、控制脉冲、数据脉冲各自特性对开关窗口的影响，为开关窗口 的最优化设计提供理论基础。 4 、基于以上的理论分析和模拟仿真，对u n i 进行了实验研究，得到了 1 0 g b p s 和2 0 0 b p s 的开关窗口，验证了实验中各因素对开关窗口的影响， 并通过得到的实验数据初步分析了当这些因素变化时开关窗口的消光比 变化情况。 天津大学硕士学位论文第二章半导体光放大器( s o a ) 的仿真与实验 2 1 引言 第二章半导体光放大器( s o a ) 的仿真与实验 半导体光放大器( s o a ) 在通信和逻辑系统中有广泛的应用，大致可分为线性 放大和非线性应用。线性放大是指通信线路中的后置放大、线路放大和前置放大； 非线性应用是指基于s o a 的波长转换器及2 r 和3 r 再生。s o a 作线性应用时工 作在未饱和状态，而作非线性应用时则工作在饱和状态。由于s o a 的噪声指数 要大于掺饵光纤放大器( e d f a ) 的，一般为7 8 d b ，另外它在多信道放大中也 容易产生信道串扰和四波混频等不利的非线性效应，因而相对于s o a 在线性放 大方面的应用，其非线性应用则更具魅力，能充分发挥其便于集成、载流子寿命 短的优点【3 4 】一 3 6 】。光判决门中的非线性器件选择的就是s o a 。 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 ( l o g b p s ) 的能力闻，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，尤其是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速度慢一直影响着s o a 的进一步应用。 一个激光二极管随着注入电流的加大，粒子数反转达到一定程度后其内部开 始出现增益，而s o a 的结构与之相似。当介质变为透明时的注入电流即为s o a 的阀值电流，超过此电流，s o a 就开始出现放大功能。s o a 有两种基本的结构： 带谐振腔的f a b r y - - p e r o t 型放大器f p a 和无谐振腔的行波放大器t w a 。f p a 是 一种f a b r y p e r o t 型的具有平行反射腔面的内部光反馈机构，而t w a 中入射光只 是单程放大或者说只有单程增益【3 8 1 。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，本文中的s o a 都是指t w a 型的。 2 2 s o a 内光脉冲传输的理论模型 s o a 是全光开关中的关键器件，它对输入光脉冲的增益和相位都有影响， 从而会影响到最终开关窗口特性。因此在研究u n i 光开关之前，有必要对s o a 内光脉冲传输的情况作一番讨论，它是研究u n i 光开关的基础。 假设s o a 的入射光脉冲宽度大于s o a 的带内驰豫时间，且光脉冲在传输过 程中的偏振方向不变，沿s o a 纵向z 的传播方程可以表示为p 圳： _ o a ( - z , t ) + 土型磐+ 丢f 嬲( 2 , t ) 4 ( z , t ) 一丢g ( z , t ) 爿( z , t ) ：一丢。彳( 列) ( 2 1 ) 天津大学硕士学位论文 第二章半导体光放大器( s o a ) 的仿真与实验 式中4 ( z ，t ) 为光脉冲的慢变包络，v 。为s o a 中的群速度。a 为线宽增强因子， g ( z ，r ) 为增益，a - n t 为内部损耗。g ( z ，f ) 可以定义# j 3 9 1 ： g ( z ，f ) = f a , ( n 一。) ( 2 2 ) r 为模式限制因子，a 。为增益系数，n o 为透明载流子密度。 采用以群速度v 。移动的参考系进行讨论，作变换： t = f z v ， ( 2 3 ) 利用( 2 3 ) 式可得： aa ra如alaa 瑟出a r 出8 zv 。a r 如 aa ra出aa 乱西a 丁a f 昆a r 将( 2 4 ) 、( 2 5 ) 代入( 2 1 ) 可得： ( 2 4 ) ( 2 5 ) a a _ ( z , r ) + l ，i a g ( z , 丁) 么( z ，丁) 一丢g ( 毛r ) 彳( 厶r ) = 一寻口h 4 ( z ，r ) ( 2 - 6 ) o z2zz 而s o a 对光场的响应通常用如下载流子密度速率方程来描述”0 1 ： 百3 n = 专i n 一器z f q 7 其中n 为载流子浓度， i 为注入电流，q 为电子电荷，v 为有源区的体积，k 为载流子自发寿命， 为光子能量，s 为有源区横截面面积。将( 2 2 ) 式代入( 2 7 ) 可得： 了a g ( z , t ) 一g o - g ( z , t ) 掣f ) i z 2 8 忧 fd 删 式中g o 为小信号增益，由下式给出： g 。= f a 。0 ( i h o 一1 ) ( 2 9 ) 其中，o = q v n o # 。为透明电流。从此式可以看出，增益系数与s o a 的偏置 电流i 有关，表明s o a 的输出功率与s o a 的偏置电流有关。 量。为饱和能量，其表达式为： = h c o o s f a g = h c o o c r a g ( 2 1 0 ) 其中a 为模式横截面积。 将( 2 5 ) 代入( 2 8 ) 式可得： 1 0 g ( z f , t ) 一g o - g ( z , t ) 掣t ) 1 2 2 1 1 天津大学硕士学位论文 第二章半导体光放大器( s o a ) 的仿真与实验 将光脉冲的振幅和相位分离，可将a ( z ，t ) 写成： a ( z ，r ) = 厕e x p t i ( z ，r ) 】 ( 2 1 2 ) 式中e ( z ，d 代表功率，妒( z ，r ) 代表相位。将其代入( 2 _ 6 ) 式得： 土杀翌字+ f 掣! + ! f a g ( 妒) ! = 一k(213)2 p (z ，r 、 a z如2 。2 2 将实部、虚部分离，化简后可得： 翌霉：【g ( z ，r ) 一i i 。m ，丁) ( 2 1 4 ) 旦丝垡! ：一三嬲k n ( 2 1 5 ) 出2 忽略s o a 的损耗，将( 2 1 4 ) 式两边对s o a 的长度积分： f 志掣出= 胁啦 积分后得：p ( z ，t ) = p ( o ，t ) e x p h ( z ，r ) 】 ( 2 1 6 ) 式中h ( z ，丁) 为放大函数，也称作积分增益，它的物理意义是光脉冲从入射点( z = 0 ) 到z 点之间的积分增益，定义为： ( 丁) ：e g ( z ，t ) d z ( 2 1 7 ) 将( 2 15 ) 两边对长度积分： f 驾导出= 一 2 c tr g ( z , 丁) 出 积分得：庐( z ，r ) = ( o ，r ) 一- ；a h ( z ，f ) ( 2 - 1 8 ) 根据以下各式： 只( 7 1 ) = p ( o ，丁) ；只。( r ) = p ( l ，7 ) ：九( 丁) = 庐( o ，t ) ；丸。( r ) = ( 工，r ) 以及( 2 1 6 ) 、( 2 1 8 ) 式可得： p 。( 丁) = 只，( 丁) e x p 【矗( 7 1 ) 】 ( 2 1 9 ) 丸。( 丁) = 九( 丁) 一a h ( t ) 2 ( 2 2 0 ) 由上两式可以看出，如果入射脉冲的功率和相位已知，只要求出而( 丁) 即可 求得输出脉冲的功率和相位。h ( t ) 可以由下面的推导得出： 将( 2 1 2 ) 代入( 2 1 1 ) 式可得： i g g ( z , t ) 一g o - g ( z , t ) 里盟弛丁) ( 2 2 1 ) a 7 f 。e 一 天津大学硬士学位论文第二章半导体光放大器( s o a ) 的仿真与实验 将上式曲边对s o a 的长度积分得： r 警t 出= f 牮出一f 警p ( z 舭 m a m f m e 。 7 其中： f 等出= 嘉心出= 面d h ( t ) f g o 2 = g 。= 忽略s o a 损耗，即a 。= 0 ，( 2 1 4 ) 式可化为： g ( ：，r ) 尸( z ，丁) ：鲨嬖盟 化 将上式两边对s o a 的长度积分化简得： f g ( z ，r ) 即，t ) d z = 圪( r ) 唧阶( f ) 卜1 将( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 代入( 2 2 2 ) 化简可得： d h ( t ) ：h o - h ( r ) 一p m ( t ) e x p 【l i l ( r ) 卜l d t f 。e “。 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 对上式进行数值求解，即可求得h ( t ) ，进而可得到s o a 的输出脉冲形状与 相位，以便进行进一步深入的研究。 2 3s o a 的增益响应及输出脉冲的模拟与实验 要得到经过s o a 后的输出脉冲的功率和相位，必须先已知输入脉冲的功率 和相位。最常见的输入脉冲是高斯脉冲【4 ”，光脉冲的能量、峰值功率、脉冲宽 度和脉冲形状有对应的关系，为了方便以后的讨论，本节对最常见的输入脉冲形 状高斯脉冲给出其数学描述。 对入无啁啾的高斯脉冲，其慢变包络可写为： 爿，。( r ) = 只。e x p ( 一；万) ( 2 2 7 ) 式中只一为输入脉冲的峰值功率， 的功率为： w 川汗= 。x p ( 一争 t 0 为其半宽度( 在强度的1 e 处) 。入射脉冲 ( 2 2 8 ) 我们定义( 丁) = ( f ) 曲代表从脉冲前沿到f 丁时所包含的能量。由此可得： 天津大学硕士学位论文第二章半导体光放大器( s o a ) 的仿真与实验 既2 【，。( ) 2 l p , ( o a tr 2 2 9 ) 瓦表示整个脉冲的能量。将( 2 2 8 ) 代入( 2 2 9 ) 式可得： e 。= e x p ( 一鲁) 衍= 瓦动。 ( 2 。3 0 ) 对上式变行整理可以求得入射脉冲峰值功率： 只。= 告 ( 2 3 1 ) 0 - q 咒 因此高斯脉冲可以由能量表示，表达式为： w ) = 南e x p ( 一争 亿3 2 ) 在实际当中常常用半极大全宽z 南。来代替t o ，它们的关系在高斯脉冲时为： 弓。= 2 ( x l n2 ) t o = 1 6 6 5 t o ( 2 3 3 ) 2 3 1 载流子寿命 s o a 的增益与输入光信号功率密切相关 述s o a 中某一点的增益情况【38 】： g ( z ) 2 砸g o 只 在这里我们引入增益系数g 来描 ( 2 3 4 ) b ( z ) 是从输入端算起在距离z 处的输入功率，只是饱和功率，取决于增益 介质参数( 如荧光时间z 和跃迁截面盯) ，g 。是小信号增益系数，即无输入光的 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。 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。因为在一定的偏置电流下，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 ( z ) ，功率较大的强光会使载流子数量( 导带中的电) 减少，以至于增加的外来光 子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，s o a 的放大需要载流予恢复，这里引入了载流子寿命的概 念。 载流子寿命，又叫载流予复合寿命、本征载流子寿命，是s o a 的一项重要 的动态参数。当s o a 的用于光开关时，载流予寿命是影响性能的关键因素。考 虑了非辐射跃迁、双分子复合和俄歇复合过程等情况的载流子复合寿命的表达 天津大学硕士学位论文第二章半导体光放大器( s o a ) 的仿真与实验 式为： 1 f c2 a + b n + c n 2 f 2 3 5 ) 其中a 、b 和c 分别为无辐射复合、自发辐射以及俄歇过程【4 3 】的复合系数，n 是载流子密度，它与偏置电流i 和信号功率p 的变化关系由载流子密度速率方程 ( 2 7 ) 来描述。 一般认为，基于s o a 的光开关的速度受到本征载流子寿命的限制。通常所 用的载流子寿命是指从载流子被激发到复合之间的时间，也可以理解为，电子从 导带跃迁到禁带的时间【4 0 】，体现在在增益恢复中的情况是指：增益恢复到接近 最大值( 通常取比最大值小3 d b ) 时所用的时间。它决定了当强光耗尽了导带中 的载流子之后，导带中的载流子恢复所需要的时间。 在这里引入有效载流子恢复时间的概念，其定义为载流子密度从开始恢复到 恢复结束之间的时间。载流子密度以l 为时间常数呈指数恢复，公式如下【4 3 l ： j = ，+ ( n o n s ) 【l