（信号与信息处理专业论文）基于线性光放大器的波长转换和光逻辑异或门研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 线性光放大器( l o a ) 通过在有源区内引入垂直光场( v c l ) ，对增益 形成了钳制、减小了信道间的串扰。以其良好的线性增益特性不仅在波分复 用( w d m ) 系统中得到广泛的应用，而且还可作为全光信号处理模块中的 非线性器件，用于波长转换、光逻辑门、波长路由、高速光开关等领域，解 决“电子瓶颈”的限制，实现大容量、高速率的信息处理。 借鉴半导体光放大器( s o a ) 、垂直腔半导体光放大器( v c s o a ) 和垂 直腔面发射激光器( v c s e l ) 的一些理论和方法，基于l o a 的速率方程， 建立了分段模型。利用s i m u l i n k 并行处理和模块化的优点，考虑了端面反射、 放大的自发辐射噪声和v c l 的增益钳制作用，首次开发出l o a 的可视化动 态仿真模型，模型能有效地仿真l o a 基本动态和静态特性。利用该模型分 析了l o a 的增益钳制特性；将l o a 模型扩充为马赫一曾德尔干涉仪( m z i ) 结构的全光波长转换和光逻辑异或门模型，研究了l o a 的非线性应用。具 体工作如下： ( 1 ) 分析有源区内载流子和v c l 光子密度的变化，揭示了增益钳制的物 理机理。建立两个前向传输的信道，模拟增益饱和、串扰、弛豫振 荡、交叉增益调制等动态特性。 ( 2 ) 模拟了1 0g b s 信号的波长转换。以分布式布拉格反射镜( d b r ) 反 射率为参变量，分析了输出信号的消光比、啁啾、眼图等性能指标 与信号光、探测光、电流等参数的关系。 ( 3 ) 利用差分相位法克服了载流子恢复时间对信号处理速率的限制，实 现了两路4 0g b s 的异或运算。模拟了输入功率、系统参数等对输出 脉冲波形、消光比、眼图等参数的影响。与s o a m z i 进行对比，分 析了l o a 用于异或门的优点。 研究结果表明：l o a 中的v c l 具有增益钳制作用，对输入信号的扰动 具有不敏感性，并且能缩短载流子恢复时间；在c 频段，l o a 具有平坦的增 益频谱；作为放大器用于w d m 时，能减小信道问的串扰；模拟结果很好地 拟合已有的理论和实验结果，能解释l o a 用作非线性器件时，表现出的与 s o a 的差异。与s o a m z l 相比，l o a m z i 用于波长转换时有较宽的输入功 率范围：可以通过提高d b r 反射率，增大v c l 的强度，提高转换信号的性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 能；提出了合理控制输入信号光和探测光的功率，调整干涉仪两臂注入电流 的强度，能获得良好的转换信号。延迟时间的取值对异或门的性能有较大的 影响，对延迟时间精度的要求可以通过增大输入脉冲的宽度来降低；l o a 用 于m z i 型异或门时性能优于s o a ，表现为：能避免两路信号发生串扰，输 出信号消光比高，眼图张开度较大，对输入信号的波形依赖小。 关键词：线性光放大器；马赫一曾德尔干涉仪；波长转换；光逻辑异或门 增益钳制；差分相位法 注：该项工作得到教育部科学技术研究重点项目( 1 0 5 1 4 8 ) 、国家自然科学基 金( 1 0 1 7 4 0 5 7 ；9 0 2 0 1 0 1 1 ) 、国家重点实验室开放课题( 2 0 0 2 k f ) 、四川省应 用基础科学研究( 0 3 j y 0 2 9 0 4 8 1 ) 资助 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a 。b s t r a c t t h r o u l g ht h eb u i l do fv e r t i c a lm i c r o c a v i t yl a s e r ( v c l ) i na c t i v em e d i u m ，l i n e a ro p t i c a l a m p l i f i e r ( l o a ) c l a m p sg a i na n ds u p p r e s s e sc r o s s t a l k c h a r a c t e r i z i n gw i t hr e m a r k a b l e l i n e a rg a i n ，l o ai sw i d e l yu s e di nw d m s y s t e m f u r t h e r m o r e ，i ti sa l s oap r o m i s i n g c a n d i d a t ea san o n l i n e a rd e v i c ei n a l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，s u c ha sw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ，l o g i cg a t e ，w a v e l e n g t hr o u t e r , h i g h s p e e do p t i c a ls w i t c h i n g ，t oo v e r c o m et h e l i m i t a t i o n so fe l e c t r o n i cb o t t l e n e c ka n da c h i e v eh i g h c a p a c i t y a n dr a t ei n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g u s i n gs o m et h e o r i e sa n dm e t h o d so fs 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 ) ，v e r t i c a l c a v i t ys 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 ( v c s o a ) a n dv e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ( v c s e u ，t h em u l t i s e c t i o nm o d e lo fl o aw a sb u i l tb a s e df i b r a t ee q u a t i o n s u t i l i z i n gt h e a d v a n t a g e so fp a r a l l e lp r o c e s s i n ga n dm o d u l a r i z a t i o no fs i m u l i n k ，ad y n a m i cv i s u a lm o d e l o fl o ah a sb e e nd e v e l o p e df o rt h ef i r s tt i m e t h em o d e lt o o ki n t oa c c o u n tt h er e f l e c t i o na t i n p u ta n do u t p u tf a c e ，a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o nn o i s ea n dg a i nc l a m p i n gb yv c l i t c a ns i m u l a t et h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fl o ae f f e c t i v e l y b a s e do nt h em o d e l ， t h e g a i nc l a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c s w e r e a n a l y z e d ；i n o r d e rt o a n a l y z et h en o n l i n e a r a p p l i c a t i o n ，t h em o d e lw a se x t e n d e dt ow a v e l e n g t hc o n v e r s i o na n do p t i c a ll o g i cx o rg a t e m o d e l sb a s e do nm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( m z i ) b ya d d r e s s i n gt w ol o a si nt w oa r m s o fm z i s e v e r a lt h e o r e t i c a ls t u d i e sh a v eb e e nc a r r i e do u ta sf o l l o w i n g ： ( 1 ) a n a l y z i n gt h ec a r r i e rd e n s i t ya n dp h o t o nd e n s i t yo fv c li na c t i v er e g i o n ，t h e p h y s i c a lm e c h a n i s mo fg a i nc l a m p i n gw a sr e v e a l e d t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ， i n c l u d i n gc r o s s t a l k ，r e l a x a t i o no s c i l l a t i o na n dg a i ns a t u l a t i o nb e h a v i o r s ，w e r e s t u d i e db yc o n s t r u c t i n gas y s t e mw i t ht w of o r w a r d p r o p a g a t i n gs i g n a lc h a n n e l s ( 2 ) w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nw a ss i m u l a t e da td a t ar a t eo f1 0g b s t h ep e r f o r m a n c e s o fo u t p u ts i g n a l sw e r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e dw i t hv a r i a t i o n so fs i g n a lb e a m ，p r o b e b e a ma n ds i g n a lr a t ei nt h ed i f f e r e n tr e f l e c t i v i t yo fd i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ( d b r ) m i r r o r s ( 3 ) u t i l i z i n gad i f f e r e n t i a lp h a s es c h e m e ，t h el i m i t a t i o n so fs i g n a lp r o c e s s i n gr a t e i m p o s e db yc a r r i e rr e c o v e r yt i m ew e r es o l v e d a l l o p t i c a ll o g i cx o ro p e r a t i o n w a sd e m o n s t r a t e da td a t ar a t eo f4 0g b s t h eo p t i m i z a t i o no fs y s t e mp a r a m e t e r s w a sf a v o r a b l et oe n h a n c et h el o g i cx o r o p e r a t i o np e r f o r m a n c e t h ea d v a n t a g e s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 o fl o g i cx o r g a t eu s i n gl o a w e r es u m m a r i z e d t h et h e o r e t i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a t ，t h ev c lo fl o ac l a m p st h eg a i n ，i m p r o v e s t o l e r a n c ea g a i n s ts m a l ls i g n a ld i s t o r t i o n sa n dr e d u c e st h ec a r r i e rr e c o v e r yt i m e ；l o ah a sa n i n h e r e n t l yf l a tg a i ns p e c t r u mi ncb a n d ；a sal i n e ra m p l i f i e ri nw d ms y s t e m ，i tp e r f o r m s w e l l w i t hi t se f f e c t i v ec r o s s t a l ks u p p r e s s i o n ；t h es i m u l a t e dr e s u l t sa c c o r d e dw e l lw i t h t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ；i ta l s oc a ne x p l a i nt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nl o aa n d s o a ，w h e nt h e ya r eu s e da san o n l i n e a re l e m e n t c o m p a r e dw i t hs o a - m z i ，l o a - m z ih a s aw i d e rp o w e rc o n v e r s i o nr a n g ei nw a v e l e n g t hc o n v e r s i o no p e r a t i o n ；t h ep e r f o r m a n c e so f w a v e l e n g t hc o n v e r t e ds i g n a lc a nb ee n h a n c e db yt h ei m p r o v e m e n to fr e f l e c t i v i t yo fd b r ；i t i sp u tf o r w a r dt h a t ，t h r o u g hr a t i o n a li n p u ts i g n a la n dp r o b ep o w e ra n di n j e c t i o nc u r r e n to f i n t e r f e r o m e t e ra r m s ，t h ep e r f o r m a n c e so fo u t t ，u ts i g n a lc a nb ee n h a n c e di nh i g hd a t ar a t e t h eb e t t e rx o rr e s u l t sc a nb ea c h i e v e db yc h o o s i n gt h ed e l a yt i m ep r o p e r l y ；u t i l i z i n ga w i d e rp u l s e ，t h er e q u i r e m e n tf o ra c c u r a c yo fd e l a yt i m ec a nb ed e g r a d e d ；l o a m z il o g i c x o r g a t eh a sa b e t t e rp e r f o r m a n c et h a ns o a - m z ii nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h ea v o i d a n c e o fc r o s s t a l k ，h i g h e re r ，o p e ne y ed i a g r a ma n dl i t t l ep a t t e r ne f f e c to fi n p u ts i g n a l k e yw o r d s ：l i n e a ro p t i c a la m p l i f i e r ；m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ；w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ；o p t i c a ll o g i cx o rg a t e ；g a i nc l a m p i n g ；d i f f e r e n t i a lp h a s es c h e m e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着信息化程度的不断加深，人们对通信容量、速度、质量以及服务种 类的要求也越来越高。个人计算机和i n t e r n e t 的普及、数据业务以及各种宽 带接入技术的飞速发展都给通信网络提出了革命性的要求，并给整个网络的 技术模式、整体架构及节点的实现方式、组网形态、业务能力等诸方面都带 来深远的影响。在以i p 为代表的数据业务量“井喷”式增长和新型业务不断 涌现所导致的巨大带宽需求的刺激下，全球通信网络的主导业务正在由以话 音业务为中心向以数据业务为中心过渡，与此同时，网络体系架构也正向高 速率、大容量和高质量服务方向发展。 光纤通信有着巨大的潜力，带宽资源大( 约5 0 t b i t s ) 、损耗低( o 2 d b k m ) 、 体积小、重量轻、保密和防干扰性能好、成本低，必将在宽带通信中发挥难 以替代的作用。波分复用( w d m ) 技术极大地提高了光纤的传输容量，几 十、上百g b s 乃至上t b s 的传输容量已在商用系统和实验室实现1 1 “。w d m 技术很好地解决了通信容量需求问题，但如此高的传输容量反过来又对传统 的光电光骨干网络节点设备带来沉重的负担。在网络节点，尤其是枢纽节 点，典型的情况是约有7 5 8 0 的业务量是直通的，为了少量的业务不得不 全部进行光电变换处理，将光信号转变为电信号，进行交换与选路，然后再 将其变换为光信号，送到适当的光路中。其中的电子器件在适应高速、大容 量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串扰、高功耗等缺点， 形成“电子瓶颈”。而且，节点变得庞大而复杂，w d m 所带来的经济性将 被昂贵的光电和电光转换费用所抵消。 许多国家投入大量人力、物力研究和开发全光网络，就是为了克服“电 子瓶颈”的限制，实现大容量、高速率的信息交换。以光分插分用( o a d m ) 、 光交叉连接( o x c ) 全光节点代替传统的光电电光交换节点。信息从源节点 到目的节点的传输过程中始终在光域内，没有任何光电变换器，网络对信号 具有透明性。波长成为全光网络的最基本单元，可以通过波长选择器件实现 路由选择。各节点只需对属于本节点的上下路或交叉互连信道进行处理，而 其余大部分波长信道均可透明传输。具有容量大、透明性、可重构性、易扩 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 容性等优点，成为下代高速( 超高速) 宽带网络的首选1 5 叫。 目前世界上许多国家和地区都在进行全光实验网的建设，例如美国 a r p a 一期计划( o n t c 、a o n 等) 和二期全球网计划( m o n e t 、n t o n 、 i c o n 、w e s t 等) ；欧洲的r a c e 和a c t s 光网络计划；日本有n t t 、n e c 和富士通等大公司和实验室进行的研究开发项目；在我国则有中科院、高等 院校和科研院所进行的国家“8 6 3 ”计划重大项目“中国高速信息示范网 c a i n o n e t ”等。 1 2 问题提出 半导体光放大器( s o a ) 是现代光纤通信系统中不可缺少关键器件之一， 虽然与掺铒光纤放大器( e d f a ) 相比，s o a 用于线性放大时，存在着噪声 大、功率较小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合时损耗大、工作稳定性较差 等缺陷1 8 o j 。但是s o a 具有体积小、结构简单、成本低、易于集成，在技术 上已比较成熟等优点。而且，近期的研究显示，s o a 作为光信号处理模块的 非线性器件，在波长转换、光逻辑、波长路由、高速光开关、信号再生等领 域大放异彩。作为代替传统光电光交换节点的方案之一，基于s o a 的光信 号处理模块具有尺寸小、功耗低、并且易于集成等优点，将在全光通信网中 得到广泛的应用 1 1 - 1 8 j 。 s o a 从诞生开始，结构和制造工艺不断改进。从同质结到单异质结，从 双异质结到量子阱、量子点，并采用量子溅射工艺制作。结构的每次变化都 改进了s o a 的性能。在2 0 0 1 年的世界光纤通信大会( o f c 2 0 0 1 ) 上，g e n o a 公司展出了一种新型的半导体光放大器，这种光放大器采用c r o s sc a v i t ，m 技术，使用一个内置的激光器结构，在行波半导体光放大器有源区引入垂直 光场( v c l ) ，形成增益钳制，增大了增益的线性范围，减少信道间的串扰。 因此，g e n o a 将这种半导体光放大器命名为线性光放大器( l o a ) 。l o a 使 用金属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 技术制造，展出的l o a 尺寸为1 0 5 0 1 5 m m ；v c l 阈值电流约为1 0 0 m a ；正常工作电流为2 0 0 3 0 0 m a ；工 作在c 频段( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) ；最大线性输出功率1 0 d b m ；增益为1 7 d b 1 9 】。 此后，l o a 以其良好的线性增益特性，作为线路放大器在w d m 系统中 得到广泛的应用 2 0 - 2 2 i 。而且，在非线性应用领域，利用l o a 的波长转换、 光信号再生、时钟信号恢复等实验获得了比传统s o a 性能优秀的信号【2 3 25 1 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 验证了l o a 是一种有发展潜力的全光信号处理器件。但是对l o a 的理论研 究f 2 6 ，2 7 1 相对滞后，尤其是基于l o a 的全光信号处理研究更是如此。 1 3 本文的工作 在课题组研究垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 、垂直腔半导体光放大器 ( v c s o a ) 和马赫一曾德尔干涉仪( m z i ) 工作的基础上【2 8 。”，建立了l o a 这种新型的半导体光放大器的模型，研究了l o a 的基本特性。模拟了基于 l o a m z | 波长转换和光逻辑异或门，探讨了优化系统性能的方法。通过与 s o a m z i 的比较，总结出l o a m z i 的优点。为l o a 的非线性应用提供了 理论依据和仿真模型1 3 2 删】。具体工作如下： 第一章介绍了课题研究的背景，分析了现有光电光信号处理的缺点， 实现基于光信号处理的全光网的必然性。说明了半导体光放大器用于全光信 号处理的优点，引入本文研究的对象l o a 。简要介绍了l o a 的结构特 点和基本参数，以及在线性放大和信号处理领域的应用。 第二章从l o a 的结构特点出发，借鉴v c s e l 和v c s o a 的理论，建 立了l o a 中垂直光场方程；将s o a 的分段模型应用于l o a ，并对模型改进， 提高了计算精度；利用s i m u l i n k 并行处理和可视化的优点，在时域上建立了 l o a 的模型，模型考虑了端面反射和放大的自发辐射噪声；模块化的结构使 模型很容易进行修改和扩充。 第三章利用上一章的模型模拟了l o a 的增益钳制特性。分析l o a 内 部载流子、v c l 光子密度和增益之间的关系，揭示了l o a 形成增益钳制的 物理机理；建立了两个前向传输的信道，模拟了增益饱和、串扰、弛豫振荡、 交叉增益调制等动态特性；验证了l o a 用于线性放大和非线性信号处理时 性能优于s o a ，并从器件物理结构上给出了解释。 第四章将l o a 模型扩充为l o a m z i 波长转换模型，模拟了1 0g b s 信号的波长转换，改变注入电流获得了同相和反相的转换信号；以分布式布 拉格反射镜( d b r ) 反射率为参变量，分析了输出信号的消光比、啁啾、眼 图等性能指标与信号光、探测光、电流等参数的关系。寻找提高转换速率和 优化转换性能的途径。 第五章建立了基于l o a m z i 光逻辑异或门模型，模拟了两路信号的逻 辑异或运算。通过提高探测光缩短载流子的恢复时间，提高了处理高速信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的能力。利用差分相位法实现了两路4 0 g b s 的异或运算，模拟了输入功率、 系统参数等对输出脉冲波形、消光比、眼图张开度等参数的影响；与s o a - m z i 进行对比，分析了l o a 用于异或门的优点。 最后对本文的研究结果进行了总结，提出优化系统性能的方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1 引言 第2 章线性光放大器数值模型 为了放大光信号，一般s o a 的结构是在半导体衬底上生长叠层结构的有 源区，从侧面经透镜注入光信号，光信号通过有源区以后被放大。有源区材 料根据放大光信号的波长不同而不同。传统的s o a 在w d m 系统中用于线性 放大时，存在增益的非线性、增益随波长变化大、串扰较大和偏振敏感等缺 点。增益钳制型半导体光放大器( g c s o a ) 在有源区左右两侧放置分布式布 拉格反射镜( d b r ) ，建立频率选择腔，对增益形成钳制，提高了增益的线 性。然而，d b r 使这种放大器结构变得复杂、对外界条件变化敏感【1 9 , 2 6 j 。 在o f c 2 0 0 1 世界光纤通信大会，g e n o a 公司展出一种新的半导体光放大 器l o a 。这种的半导体光放大器结构独具匠心，如图2 - 1 所示。与g c s o a 在有源区两侧设置d b r 不同，l o a 在有源区的上下两侧之间设有d b r ，相 当于s o a 和垂直腔面发射激光器( v c e s e l ) 在一个有源区上的集成。就增 益钳制的物理机制而言，在垂直光信号的入射方向上，v c s e l 在有源区的上 下两侧的高反射d b r 形成了激光振荡，建立了垂直光场( v c l ) 。基于此 种结构，l o a 的增益和d b r 的反射率乘积为常数。因此，当d b r 的反射率 一定时，其增益值保持不变。对增益形成了钳制，保证了l o a 的线性增益 特性、减少了信道问的串扰。同时这种结构也使l o a 的集成度更高、对外 界条件的变化不敏感【1 9 , 2 6 1 。 图2 1l o a 结构示意图【1 9 】 f i g 2 - 1 s c h e m a t i cs t r u c t u r eo fl o a 这种新型的光放大器的问世后，由于良好的线性增益特性，在光放大领 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 域展示出魅力1 2 0 之2 1 。2 0 0 2 年9 月，t r a n s m o d e 公司和v t e s s e 公司成功地完成 了应用l o a 的系统实验，使传输距离由8 0 k i n 增加到1 2 0 k m ，克服了疏波分 复用( c w d m ) 距离受限的缺点。l o a 的成本和传统的e d f a 差不多，但 它可以工作在c w d m 整个波长范围内而不是狭小的窗f i ，它的问世填补了 c w d m 和d w d m 问的差距，增大了传输距离，增强了c w d m 在市场上竞 争的能力。2 0 0 3 年3 月，n e c 公司把新型第二代、单芯片l o a 集成到了一 个1 0g b s 光转发器模块。 利用l o a 非线性效应的全光信号处理也表现比传统s o a 优越的性能。 例如，在o f c 2 0 0 2 世界光纤通信大会，l e u t h o l d 和d r e y e r 使用l o a 作为波 长转换器件，利用l o a 的x p m 调制效应将1 0g b s 信号的波长由1 5 5 0 n m 转换为1 5 5 8 n m 。输出信号的眼图清晰可辨：消光比高；脉冲未出现展宽； 当b e r ，v ( v e ) ，因此可以忽略v ( v e ) 项。 为了更好地研究l o a 中的非线性现象，将感应电极化矢量分成线性和 非线性两部分 卢( ，f ) = 卢( i ，t ) + j z ( ，f ) ( 2 - 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 式中线性电极化矢量磊对应l o a 透明时产生的背景极化部分，非线性电极 化矢量芦。代表l o a 动态性质引起的，对应载流子在价带和导带之间跃迁产 生的谐振极化部分 3 6 , 3 7 j 。 为了便于讨论，假设入射光是线偏振的，并且在传输过程中也保持线偏 振，光信号的电场矢量啻( i ，t ) 可表示为 雷( f ，f ) = 毒去 ，o ，y ) e ( z ，f ) + c c 】 ( 2 - 3 ) 式中l 表示单位偏振矢量，f 0 ，y ) 表示有源区内波导分布。对于l o a 有源区 材料可以看成各向同性介质，线性和非线性电极化矢量表示为 元( 力) i 争f ) p l ( z 力+ c c 】 ( 2 4 ) p k ( i ，f ) 一主圭【( x ，y ) f ( x ，y ) p k ( z ，f ) + c c 】 ( 2 5 ) 式中w ( x ，y ) 为随x 和y 位置变化的函数，在有源区内部w ( x ，y ) = 1 ；而在有源 区外部，载流子密度为0 ，因而有w ( x ，y ) = 0 。将式( 2 2 ) ( 2 5 ) 代入式( 2 - 1 ) 中，并对横向坐标z 和y 积分，可得到l o a 中的一维波动方程【3 8 1 害一堕一!害_0导【pl(z,t#ooo ) + 1 (2_6)oi 一一t 一一c 2 可萨l j + f p l ( z , t ) j “。0 式中r 为模场限制因子，代表有源区对横向场分布的限制作用，表示为 r 上! ! 堡：兰! ! 丝( 2 7 ) r 。rf f ，y ) f d x d y 式中w 和d 分别表示有源区宽度和厚度。 当光脉冲宽度大于1 0 0 f s 时，光场幅度变化与光波频率( 1 0 “h z ) 相比要 慢得多，可以对光场作慢变化包络近似 e ( z ，t ) ；a ( z ，t ) e x p ( i k o z 一洒o t ) ( 2 - 8 ) 式中a ( z ，t ) 为电场强度，k 。= n o m o c 为光波频率在处的波数，为不同模式 的有效折射率。对e ( z ，f ) 、p l ( z ，f ) 和p 。( z ，f ) 作傅立叶变换，分别表示豆( z ，m ) 、 p l ( z ，m ) 和( t m ) ，并有以下关系 虎( z ，) ie o x l ( c o ) e ( z ，) ( 2 - 9 ) p 舰( z ，) = 。z 0 ，c o ) e ( z ，m ) ( 2 - 1 0 ) 式中屁佃) 为光放大器透明时的极化率，z o ( z ，) 为一阶极化率。对式( 2 - 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 两边作傅立叶变换，并代入上述关系式，可得到 警( 小等盼k m ) + i w l z o c r o e _ o ( 2 _ 1 1 ) 式中 ) - c o n ( c o ) c ，1 1 2 ) - l + x z ( w ) 。对a ( z ，f ) 作傅立叶变换得j ( 乙q ) ，由式 ( 2 8 ) 可得 啻( z ，) 一j 乜，q ) e x p ( i k 。z ) ( 2 - 1 2 ) 式中q 一一o ) 0 ，通常有f 2 c o 。 5 d b m 时，l o a 处于深度饱和状态，消光比 减小。而且，由于l o a 处于深度饱和状态，v c l 的增益钳制失去作用，对 “0 ”信号的扰动不再具有抗干扰性。 i n p mp r o b e p o w w ，d b r r 图4 - 6d b r 反射率为参变量的探测光功率与消光比关系 f i g 4 - 6e rv e r s u sp r o b ep o w e rw i t hd i f f e r e n td b rr e f l e c t i v i t y 随着探测光波长的增加，线宽增强因子口的最大和最小值之间差变大 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 如图4 7 所示。探测光的相位被调制幅度随之加深，表现为转换信号的消光 比增加，如图4 - 8 所示。因此，向长波长转换时可获得较高的消光比。 图4 7 探测光波长与 线宽增强因子关系 f i g 4 - 7 l i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o r v e r s u sp r o b ew a v e l e n g t h 4 3 2 转换信号的啁瞅特性 2 呈1 ；o 5 1 毛0 2 50 50 7 50 10 2 50 1 50 1 7 5 0 2 jn s p r o b e w _ h n g m i n m 图4 - 8d b r 反射率为参变量， 探测光波长与消光比关系 f i g 4 - 8 e rv e r s u sp r o b ew a v e l e n g t h w i t hd i f f e r e n td b r r e f l e c t i v i t y h m 剥 ”“”t i 品m o “”“”5 ” 图4 - 9 同相转换信号的波形( 上) 和 图4 1 0 反相转换信号的波形( 上) 和 啁啾( 下)啁啾( f ) f i g 4 - 9 i n - p h a s ep u l s ep a t t e r n ( u p p e r ) f i g 4 - 9o u t p h a s ep u l s ep a t t e r n ( u p p e r ) a n dc h i l p ( 1 0 w e r ) o fc o n v e r t e ds i g n a l a n dc h i r p ( 1 0 w e r ) o fc o n v e n e ds i g n a l 图4 - 9 为同相转换信号波形和啁啾，同相转换信号的前沿为红移，后沿 为兰移，这对信号在常规光纤中传输是有利的；图4 1 0 则为反相转换信号的 波形和啁啾，其前沿为兰移，后沿为红移，这将使信号在常规光纤中传输时 5 4 3 2 1 o 2，d，； l、l i o ，山s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 2 页 更易展宽，对高速信号的长途传输是极不利的p 。从图中还可以得出，无论 是同相还是反相转换，红移比兰移大，这是由于入射信号为超高斯波形，上 升与下降沿比较陡峭，载流子恢复时间呈指数变化所致。 图4 - 1 1 为转换信号的啁啾和信号光平均功率的关系。由图中可得出，随 着信号光功率的增加，转换信号的啁啾也在逐渐增大。这是由于信号光功率 较大时，载流子密度随着信号光的波形变化很大，因此转换信号的啁啾也比 较大，此时转换信号的消光比较高。图4 1 2 为信号光波长与峰值啁啾关系。 与消光比类似，由于l o a 的增益钳制作用，啁啾随信号光波长变化也不明 显。并且随着d r b 反射率的增加，啁啾变小，曲线更为平坦。 图4 - 1 1d b r 反射率为参变量， 信号光平均功率与峰值啁啾关系 f i g 4 1 1 p e a kc h i r pv e r s u sa v e r a g e s i g n a lp o w e rw i t hd i f f e r e n td b r 图4 1 2d b r 反射率为参变最， 信号光波长与峰值啁啾关系 f i g 4 - 1 2 p e a kc h i r pv e r s u ss i g n a l w a v e l e n g t hw i t hd i f f e r e n td b r r e f l e c t i v i t yr e f l e c t i v i t y 图4 1 3 为转换信号啁啾和探测光功率的关系。转换信号的啁啾随着探测 光功率的增加在逐渐降低。这是由于探测光功率越大，消耗的载流子数也就 越多，载流子波动幅度随之减小，转换信号啁啾降低。图4 1 4 为探测光波长 与转换信号峰值啁啾的关系。由上文分析可知，探测光波长增加，探测光的 相位被调制幅度随之加深，表现为转换的信号峰值啁啾的增加。l o a 的小信 号增益峰值为1 5 5 0 n m ，但是当信号在l o a 中传输时，不断得到放大，消耗 的载流子数目也不断增大。而峰值增益随载流子密度的降低向长波长方向漂 移，偏移到1 5 6 5 n m 附近。因此当探测光波长为1 5 6 5 n m 时，l o a 中载流子 密度变化最大，此时，转换信号的啁啾最大。增大d r b 反射率，输出信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 的啁啾变小。 图4 1 3d b r 反射率为参变量， 探测光功率与峰值啁啾关系 f i g 4 - 1 3p e a kc h i r pv e r s u sp r o b es i g n a l p o w e rw i t hd i f f e r e n td b rr e f l e c t i v i t y 4 3 3 转换信号的眼图 p r 曲啪w k m g t h ，r m 图4 1 4d b r 反射率为参变量， 探测光波长与峰值啁啾关系 f i g 4 1 4 p e a kc h i r pv e r s u sp r o b e w a v e l e n g t hw i t hd i f f e r e n td b r r e f l e c t i v i t y 图4 1 5眼图张开度和峰值啁啾与信号速度关系 f i g 4 - 1 5 e o ra n dp e a kc h i r pv e r s u ss i g n a ls a t e 为了保证信号的正确接收和判决，眼图的张开度( e o r ) 应大于1 0 d b 。 由图4 1 5 可以得出，当信号速率小于2 0g b s 时，对于同相和反相转换，眼 图张丌度均保持不变，同相转换时眼图张开度较大。当信号速率大于2 0g b s ， 眼图张开度开始随信号速度的增加而下降，同相转换信号的眼图张开度下降 较快。在3 0g b s 时眼图张开度小于l o d b 。啁啾随着信号速度的增加在不断 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 的增大。这是因为随着信号速率的增加，载流子密度变化的速度也越来越快， 导致啁啾也随之增大。 4 4 本章小节 在l o a 模型基础上进行修改和扩充，建立了l o a m z i 波长转换模型。 模拟了1 0g b s 信号的波长转换。以d b r 反射率为参变量，分析了信号光和 探测光的功率、波长以及信号速率与转换信号的消光比、啁啾和眼图张开度 的关系。 仿真结果表明，可以通过调节注入电流的大小来控制干涉仪两臂的相位 差，实现信号的同相或反相转换；干涉仪两臂注入电流的匹配对转换信号的 波形、消光比、啁啾和眼图张开度有很大影响；转换后信号具有啁啾独立性； 在一定范围内，增大信号光功率和降低探测光功率可以增大换后信号的消光 比，同时啁啾也会随之增大，因此需要合理控制信号光和探测光的功率以实 现消光比和啁啾之问的平衡；向长波长转换时，容易获得较高的消光比。 l o a m z i 波长转换性能优于s o a m z i ，表现为：l o a 中v c l 对增益 具有钳制作用，对“0 ”状态失真具有不敏感性，并且能提高对于相位调制小 于z 的信号转换性能；可以通过提高l o a 中的d b r 反射率，增大v c l 的强 度，提高消光比和降低啁啾；由于l o a 增益对波长的平坦特性，转换信号 的消光比和啁啾受信号光波长影响很小；与s o a m z i 相比，l o a m z i 有较 宽的功率转换范围。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 5 1 引言 第5 章全光逻辑异或门研究 全光信号处理技术具有处理宽带宽、高速率、大容量信号的能力，在通 信和计算领域将有广泛的应用。光逻辑异或门( x o r ) 作为全光信号处理的 关键器件之一，可以用于标签交换、数据编码、奇偶校验、信号再生等【4 “4 ， 目前实现全光异或门的方法有多种。利用光纤的非线性效应实现异或门具有 处理高速信号的能力，例如，非线性光纤环镜1 4 7 j 、s o a s a g n a c 光纤干涉仪【4 9 j 、 超快非线性干涉仪【5 0