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半导体光放大器及其在全光信号处理技术中的应用 张新亮 第一部分半导体光放大器及其应用基础 半导体光放大器基本概念半导体光放大器理论模型半导体光放大器应用的基本原理 一 半导体光放大器基本概念工作原理特点存在问题及解决方案 半导体光放大器原理及性能 工作原理与半导体激光器类似 受激辐射不同点 1 LD中激发受激辐射的光子产生于自发辐射 放大的自发辐射 SOA中激发的光子是外界的输入信号 放大光信号 2 LD中端面反射率越高 越容易激射 镀增反膜 SOA中镀增透膜 特点 优点 体积小 便于集成 大规模阵列 增益带宽宽 可适合工作波长范围 1200 1700nm 载流子恢复时间快 动态特性好 便于光信号处理 存在问题 端面剩余反射引起的增益纹波噪声指数 放大的自发辐射噪声 有限的饱和输出功率 增益饱和 偏振相关性 解决方案 增益纹波 1 直腔的端面反射率需要控制在10 6量级 2 目前普遍采用斜腔 镀膜 Fiberinput Fiberoutput 3 掩埋窗口 解决方案 噪声指数 粒子数反转参数 过剩噪声参数 输入端耦合效率 噪声指数与输入端耦合效率相关 与SOA单片集成模斑变换器 实用的技术 锥形光纤 透镜光纤 解决方案 偏振相关性 1 体材料SOA中 偏振相关增益 可以做成方形 亚微米级宽有源区 应变量子阱SOA 解决方案 偏振相关性 2 压应变 无应变 张应变 解决方案 偏振相关性 3 张应变量子阱中 适当条件 偏振不相关 需要比较大的应变 解决方案 偏振相关性 4 张应变体材料 引入比较小的张应变 Alcatel 锥形有源区 器件纤到纤增益达29dB 偏振相关性小于0 3dB 解决方案 增益线性 1 放大外界光信号与内部激射光对载流子消耗 受激辐射 的竞争 解决方案 增益线性 2 集成的垂直腔激光器对放大器的增益进行钳制 State of art 3dB带宽bandwidth70nm 增益GAIN Fiber to fiber 30dB 增益波纹 gainripple 0 1 0 3dB 饱和输出功率 saturatedoutputpower 17dBm 噪声指数 noisefigure 6 8dB 偏振相关性 polarizationdependance 1dB 其它技术 量子点SOA 量子点SOA增益带宽可达300nm 最大输出功率可接近20dBm 噪声指数小于5dB 载流子恢复时间更快 体材料1ns 量子阱400ps 量子点几十ps 其它技术 光泵浦垂直腔SOA 980nm泵浦提供粒子数反转 放大1310nm光信号 但目前增益只有13dB左右 1550nm尚无法实现 二 半导体光放大器理论模型 载流子速率方程 载流子注入 缺陷复合 自发辐射复合 俄歇复合引起载流子消耗 放大自发辐射 受激辐射 引起的载流子消耗 放大外界输入光信号 受激辐射 引起的载流子消耗 动态数值分析模型 考虑载流子的沿有源区长度方向分布的不均匀性 将SOA分成M段 每一小段看成一个整体 Nk R1 R2 SOA中第K段 放大自发辐射噪声及引起载流子消耗的处理 等效矩形法 方法简单 适用于考虑放大自发辐射引起载流子消耗 谱分段法 适用于模拟输出ASE谱 更精确的等效矩形法 放大自发辐射的传播 增益纹波的处理 考虑端面剩余反射的情况下 ASE谱不会是光滑的 而会出现左图所示的调制 与谐振腔的驻波频率相关 谐振腔的纵模间隔 光谱分段的宽度 考虑的光谱范围 载流子寿命 有效载流子恢复时间的概念 增益色散性和增益谱非对称性 边界条件 动态方程的解法 稳态解的确定 提供解动态方程的初始条件或计算稳态特性 1 假设SOA已处于稳定状态 用任意的初始值去试 然后按照一定的迭代逼近法去逐渐逼近稳态值 载流子速率方程等式右边为0 打靶法 2 按照入射光在SOA中传播的路线 一步步往前计算 最后计算得到前后两次载流子浓度相差小于某一个判据 动态解的确定 SOA 稳态输出光谱 蒋中计算结果 三 半导体光放大器应用的基本原理 光场传播方程 一阶非线性极化 增益的饱和 增益的调制和折射率的调制 三阶非线性极化 载流子密度脉动 载流子加热和光谱烧孔 对应半导体光放大器中的静态非线性效应 与频率失谐无关 主要由光谱烧孔和载流子加热两种带内过程引起 对应半导体光放大器中的动态非线性效应 与频率失谐有关 由光谱烧孔和载流子加热两种带内过程以及载流子密度脉动这种带间过程三种效应共同引起 l m对应Bogatov效应 强泵浦情况下的信号增益不对称 对应四波混频效应 SOA中的非线性效应 和频 四波混频 简并四波混频 自相位调制 双光子吸收 增益或损耗饱和 交叉相位调制 喇曼增益 SOA中的非线性效应 pump probe方案探测 各种动态效应的响应时间 瞬态效应 双光子吸收 光学克尔效应50 200fs 光谱烧孔 载流子加热600fs 1ps 载流子致冷1ps 10ps 空间传播100ps 1ns 载流子恢复 SOA中的增益饱和 Inputsignal Pump CW Outputsignal 基于交叉增益调制的全光波长转换 目前采用2mm长的SOA可以实现100Gb s的全光波长转换 SOA中的相位调制 输入功率随时间变化 SOA载流子浓度随时间变化 SOA有源区折射率随时间变化 传播常数随时间变化 相移量随时间变化 相位调制 关键如何提取出相位变化量 基于SOA的马赫泽德干涉仪 SOA MZI 1 一个SOA有泵浦光经过 另一个SOA没有泵浦光经过 探测光经过两个SOA会经历不同的相移 在干涉仪的输出端口产生干涉 将相位差信息转变成强度信息 2 泵浦光经过耦合器分路后 以不相等的功率经过两个SOA 引起不同的折射率改变 探测光感生不同的相移 经干涉将相位差信息变成强度信息 t Inputsignal CW Outputsignal Regenerationandwavelengthconversion 40Gbit s 基于SOA的迈克耳逊干涉仪 半透半反端面 迈克耳逊干涉结构 泵浦光引起SOA1中的相位调制 连续光从SOA1和SOA2的后端面反射 经耦合器产生干涉 端口2输出的连续光波长上携带泵浦光上的调制信息 1 2 基于SOA的非线性光环镜 SOALOM SOA偏离环镜的中心位置 输入信号经耦合器分成顺时针方向和逆时针方向的两路信号 在不同的时刻经过SOA 而SOA在控制光经过之后 在不同的时刻载流子浓度不同 恢复阶段 因而不同方向的两路信号经过SOA之后会感生不同的相移 同时到达输出端口产生干涉 将相位差信息转变成强度信息 基于SOA的延时干涉结构 SOA DI 信号光和控制光经SOA后产生交叉增益调制效应的同时还会产生交叉相位调制 对于连续的信号光来说 由于不同的时刻有不同的载流子浓度因而有不同的感生相移 窄带滤波器滤出信号光 再经耦合器将信号光分成两路 但这两路光将经历不同的延时到达输出端口 反而言之 在输出端口相遇的两路光是在不同的时刻经过SOA的 因而有不同的相移 相位差 经干涉将这种相位差信息变成强度变化信息 基于SOA的超快非线性干涉仪 SOA UNI 信号光经偏振保持光纤 存在快轴和慢轴 之后 分成相互正交间隔一定时隙的两路信号光 控制光经过SOA之后 SOA中不同的时刻有不同的载流子浓度 相互正交的两路信号光经过SOA时会感生不同的相移 而这两路光再经过相等长度的PMF 快慢轴与前一个相反 合在一起 经检偏器产生干涉 SOA中的四波混频效应 谱反转 泵浦光为连续光 用于波长转换和中途谱反转 色散补偿 泵浦光为脉冲光 用于光采样和解复用 光逻辑 四波混频效应中的传输方程 泵浦光场 信号光场 转换光场 SOA中的交叉偏振调制效应 SOA的载流子浓度受到信号光的强度调制 从而同时影响探测光的强度和相位 导致探测光的偏振态发生改变 XGM与XPM的综合作用 利用偏振控制器和检偏器将这种偏振态的调制转化为强度调制 得到转换后的信号光 CPM SOA波长转换器的结构原理图 SOA环腔激光器 波长转换全光逻辑超短光脉冲 第二部分全光信号处理某些关键技术 引言关键技术 全光放大 全光波长转换 全光3R再生 全光逻辑和全光解复用 1 引言 什么是 全光信号处理 利用全光的方法对光信号进行处理 放大 光束变换 信息提取 信息运算等 用光来控制光 避免光电和电光转换 对光信号 carrier 上携带的信息进行处理 利用光信号对另一个光信号的振幅 相位或频率信息进行变换和控制 涉及的关键技术 全光放大 全光波长转换 全光3R再生 全光逻辑 全光运算功能 例如 全光编码 全光误码计算 全光缓存 全光采样 全光解复用 全光分插复用 全光时域信号 空域信号转换 全光模拟信号 数字信号转换 全光OTDM信号 DWDM信号转换 全光波长转换是各种全光信号处理技术的基础 SOA的特点 体积小 便于集成 大规模阵列 增益带宽宽 可适合工作波长范围 1200 1700nm 载流子恢复时间快 动态特性好 便于光信号处理 存在问题 端面剩余反射引起的增益纹波 噪声指数 放大的自发辐射噪声 有限的饱和输出功率 增益饱和 偏振相关性SOA中的交叉增益调制 交叉相位调制 自相位调制 四波混频和交叉偏振效应等被广泛利用来实现各种全光信号处理功能 基于SOA的关键器件 长有源区SOA 量子点SOA SOA MZI SOA MI SOA DI SOALOM SOA UNISOA环形腔激光器 级联的XGM波长转换器 2 全光信号处理的关键技术 全光放大全光波长转换全光3R再生全光逻辑全光解复用 全光分插复用 全光放大 掺铒光纤放大器 EDFA EDFA性能稳定 增益高 噪声指数3 4dB 高饱和输出功率 10w输出 便于多信道放大 存在问题 增益平坦 增益瞬态 增益带宽拓宽 全光放大 喇曼放大 RA RA噪声低 分布式放大 用普通传输光纤作为增益介质 但增益较低 10dB左右 所需泵浦光功率较大 容易损伤光纤 采用多个泵浦波长泵浦 可实现80nm范围内增益平坦 全光放大 半导体光放大器 SOA A1550nmsemiconductoropticalamplifierusingaInGaAsPchip SOA做线性应用 放大 与探测器集成做前置放大 SOA与阵列波导光栅集成构成光开关矩阵 最大优势 集成 可实现增益带宽200nm 电光效率高 SOA最大的问题 ASE噪声 交叉增益调制 全光放大还有全光参量放大 掺镨光纤放大器 光纤布里渊放大器 全光波长转换 SOA交叉增益调制 SOA Inputsignal Pump CW Outputsignal 100Gbit sconversionover5nmusingspeciallyoptimizedSOAA D Ellisetal ElectronicsLetters vol 34 No 20 SOA XGM型波长转换结构简单 容易实现 转换效率高 输入功率动态范围大 可以偏振不敏感 但输出消光比退化严重 高速波长转换时码型效应严重 载流子恢复时间限制 高速与消光比之间是个矛盾 长有源区 高的模场限制因子SOA有助于高速和高输出消光比 同时大的增益调制会伴随大的啁啾 全光波长转换 SOA交叉相位调制 MZI XPM SOA MZI型波长转换器输出信号质量好 啁啾可控制 输出可反转也可不反转 偏振不敏感 可级联性好 用途广 可广泛用于其它应用中 但缺点是 输入功率动态范围小 需要单片集成 难以调整和控制 采用差分干涉结构最高可实现80Gb s的波长转换 全光波长转换 SOA交叉相位调制 其它结构 半透半反端面 1 2 迈克耳逊干涉结构 SOA DI SOALOM SOA UNI 相位调制的同时 会伴随增益调制 对输出消光比有影响 可以采用增益透明SOA 产生很大相移的同时 增益调制很小 SOA增益峰值1300nm 工作在1550nm窗口 全光波长转换 SOA四波混频型FWM SOA pump signal Outputsignal 谱反转对称 泵浦光为连续光可实现中途谱反转和波长转换 可同时实现多波长转换 对速率和格式完全透明 无论SOA是否偏振无关 都具有内在的偏振相关性 转换效率较低 随转换间隔加大急剧降低 光信噪比较差 上转换和下转换效率有差别 CDP和CH之间的相对位相与频率失谐 的正负无关 而CDP和SHB之间的相对位相则与 的正负有关 0时二者则产生有益的干涉作用增强四波混频效应 采用2mm长SOA可实现100Gb sFWM波长转换 2004年采用双泵浦 1480nm辅助光方案实现10G的80nm范围内转换效率大于 10dB 全光3R再生 基本概念 3R Re amplification Re timing Re shaping解决噪声 串音和抖动问题2R Re amplification Re shaping解决噪声和串音问题 全光2R一般用干涉型波长转换器可以实现 全光3R关键是全光时钟恢复和光判决门 RZ信号再生包括时钟恢复和光判决 而NRZ信号再生还需要先进行码型转换 将NRZ信号转换成RZ信号或PRZ信号 进行时钟恢复 利用恢复出的时钟进行光判决 全光3R再生 时钟恢复 Self pulsatingmulti sectionDFB LD 自脉动效应的多段结构DFB激光器等效于两个DFB激光器加上相位调整区 两个DFB激光器 不同的布拉格光栅 的模式之间相互干扰 中间相位区引入相移和时延 调整相移 两个模式之间拍效应引起自脉动输出 可实现160Gb s的全光时钟恢复 Phase lockedloopwithSLALOM SLALOM作鉴相器 可调锁模激光器TMLL的重复频率取决于压控振荡器VCO PD是慢响应 带宽100MHz 的光探测器 只有当VCO的频率等于输入信号的基频时 PD的输出会是DC信号 其幅度取决于输入信号与控制信号之间的相位差 另一个PD是为了使相位比较信息变成双极性信号 构成闭环控制 自动调整到输入信号的基频 目前已能从160G的OTDM信号中提取出10G的光时钟 MZI和UNI也可作为PLL的鉴相器 全光3R再生 时钟恢复 单片集成的锁模LD 利用光学同步的方法最高可实现480GHz的光时钟恢复 基于SOA的光纤环形腔激光器 8字型激光器 输入光脉冲引起SOA的增益调制 进而引起环形腔激光器的调制 形成主动锁模 实现光时钟恢复 右边的环的透射率受输入数据的调制 相当于引起左边环内部增益的调制 SLALOM透射特性 码型效应比较严重 SOA MZI实现全光3R再生 80G 全光3R再生 光判决门 SOA DI实现全光3R再生 168G SLALOM实现全光3R再生 SOA UNI实现全光3R再生 全光3R再生 全光码型转换 NRZ信号 PRZ信号 方案简单 输出信号质量较好 在上升沿提取光脉冲 需要较窄的光滤波器 如果做成与SOA集成的窄带滤波器 应该具有极大的研究价值 SOA中的自相位调制效应 单片集成有源麦克尔逊干涉仪实现RZ to NRZ转换 RZ信号从其中一个干涉臂注入 引起该干涉臂上SOA的折射率和位相变化 由于载流子浓度的调制带宽有限 注入的RZ光脉冲会展宽 这种脉冲展宽效应再结合干涉仪的正弦传输方程就可以实现RZ to NRZ转换 非对称马赫曾德干涉仪 AMZI 实现NRZ to PRZ转换 NRZ PRZ 时钟恢复 当AMZI满足消光干涉条件时 通过调整 L或 AMZI就将NRZ信号转换成PRZ信号 单片集成SOA DFB激光器实现NRZ to RZ转换 由于SOA的增益饱和特性 输入 1 码时 DFB激光器没有光输出 即输出 0 码 反之 输入 0 码 DFB输出 1 码 这样就得到了交叉增益调制 XGM 型波长转换 如果用时钟信号来开关DFB部分 电控制 就得到了与时钟信号同步的RZ信号 SLALOM实现全光码型转换 不同条件可以分别实现NRZ RZ RZ NRZ和NRZ PRZ转换 半导体光放大器延迟干涉 SOA DI 装置实现RZ to NRZ转换 通过调节延迟干涉装置两臂的延时和位相差 使两路信号分量满足相消干涉条件就可以实现RZ to NRZ的转换 全光逻辑门 基本概念 全光逻辑与门 全光波长转换 全光解复用的内在联系 同相的波长转换相当于输入信号与连续光的与运算 SOA中的XPM FWM和CPM可用作这种波长转换 全光3R中的光判决门可看成输入信号与光时钟信号的逻辑运算 此时光时钟重复频率等于光信号传输速率 全光解复用和全光采用可看成输入光信号与某一重复频率短脉冲光信号的与运算 此时该短脉冲信号重复频率低于光信号传输速率 如 OTDM信号中的基频速率 通常专门讨论的逻辑门是指两路数据信号之间的逻辑运算 但在工作机理上并没有差别 全光XNOR门 SOA中的FWM和XGM同时作用 S1和S2的四波混频 产生新频率光信号上是AND门 S1和S2共同作用在另外一个光时钟信号上 得到一个或非门的结果 分别滤出这两个结果 用耦合器耦合到一起 得到XNOR门 全光XOR门 交叉相位调制 交叉增益调制 交叉偏振调制 四波混频 可工作在较高速率 需要采用DPSK信号 只需要一个SOA 需要精确控制输入输出光的偏振态 结构简单 无需精确相位控制 偏振无关 输出消光比不如XPM 全光逻辑与门 单个SOA中的交叉偏振调制实现全光逻辑与门 5G 级联的XGM效应 SOA中FWM和SOA UNI都可以实现全光逻辑与门 全光逻辑OR门 耦合器 SOA 是否可以实现或门 全光逻辑NOR门 级联XGM效应 任意布尔运算功能全光逻辑门 SOA中FWM的偏振选择性 三路信号输入时也必须满足一定偏振态选择条件 才会产生非简并的四波混频过程 如当其中特定的一路信号与其它的两路正交偏振时就不会产生四波混频效应 首先要根据逻辑运算的真值表 利用解复用器 偏振分束器和位相延迟器对输入信号进行预编程 通过控制在不同的输入支路中是否放置位相延迟器就可以实现任意的布尔运算功能 关键 偏移键控发射机 全光分插复用 用于OTDM系统中的OADM 区别于DWDM系统中的OADM 对同一波长上的时分复用信号进行操作 上载信道直接采用耦合器即可 关键是下载信道 基于SOALOM 在SLALOM的输入端口用环形器取出某一信道下载之后的数据 光时钟信号作为控制光 调整延时 可使反射和透射的曲线互补 关键 在高速信号中 载流子恢复速度不够 较难得到 的位相差 需要选择合适控制光和数据光功率 40GHz光时钟的系统可工作 基于SOA UNI 两段完全对称的PMF难以完全匹配 开关窗口取决于PMF长度 上面结果分别对应 t 8 6ps和4 3ps时 下载端口和反射端口的传输特性 该方案工作在80GHz时仍能提供大于10dB的消光比 全光解复用 SOA UNI 注意 采用的是1310nm的控制光脉冲 使用的SOA增益峰值波长在1310nm 从1550nm160Gb s的OTDM信号中分理处10Gb s的信号 普通方案的UNI实现脉冲位置调制信号的解复用 类似于OTDM信号 类似的方案实现40G到20G的解复用 使用金红石晶体 TiO2 SOA中的四波混频 利用SOA阵列与集成的平面光波回路实现160G到20G的解复用 利用PANDA光纤中的四波混频效应已能实现最高达500Gb s信号的解复用 利用时间抖动小于100fs 脉宽小于1ps的超连续光脉冲作为500Gb s的信号和10GHz的泵浦光脉冲 从500Gb s的光信号中成功解复用出了10Gb s的信号脉冲 并可以实现无误码操作 利用SOA已能实现200Gb s信号的偏振无关的解复用 正交的FWM实现10G到2 5G的解复用 SOALOM THz非对称解复用器TOAD 基于光纤的NOLM可实现640Gb s的信号解复用 基于SLALOM可实现160Gb s的信号解复用 单片集成是方向 SOA MZI 单片集成是最大的优势 但目前可工作的速率不高 需要采用差分延迟干涉结构 3 课题组取得的主要进展 单端耦合SOA器件设计和研制 偏置电流200mA 小信号增益大于20dB 3dB增益带宽大于35nm 降低制作难度 提供双程增益 用作波长转换器的单端SOA参数优化 用作全光波长转换时 后端面反射率