（信号与信息处理专业论文）wdmpon系统中波长重用技术的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 w d m p o n 系统中波长重用技术的研究 摘要 波分复用无源光网络( w d m p o n ) 是一种高速率、长距离、易升级、网络安全性 高的光接入技术。由于接入网的成本决定了它的推广和应用，光网络单元( o n u ) 又是 w d m p o n 的主要组成部分之一，因而对w d m p o n 中o n u 的实现方法的研究有着重要 的意义。w d m p o n 系统中波长的重用可以实现无色o n u ，避免了在每个o n u 端独立使 用光发射机，降低了o n u 端的复杂性，及w d m p o n 系统的初期建设投资和长期运营成 本。 本文以分析半导体光放大器( s o a ) 的工作原理为出发点，对s o a 的各种非线性特性 和增益特性进行了理论分析，并应用反射半导体光放大器( 1 璐o a ) 、s o a 和高非线性光 纤( 麟l f ) 仿真实现了w d m p o n 系统中o _ n u 端波长重用，具体工作如下： 1 介绍了w d m p o n 系统波长重用的研究意义、研究历史以及现状，总结了几种目 前常见的根据不同效应实现的w d m p o n 系统波长重用的方案。 2 介绍了光的吸收和辐射，半导体光放大器的非线性效应、半导体光放大器的工作 原理，半导体光放大器的增益特性以及s o a 的分类及应用。 3 研究基于r s o a 的w d m p o n 系统的波长重用，r s o a 替代昂贵的可调激光器 或其他波长选择器件，使w d m p o n 系统成本降低，简化了网络的维护和管理。 通过研究w d m p o n 系统波长重用的理论模型和实现方案，仿真实现了采用波 长重用的2 5 g b s w d m p o n 系统，最后对仿真结果进行了讨论。 4 研究基于s o a 的w d m p o n 系统的波长重用，以s o a 和调制器代替r s o a 做 为光源，没有r s o a 反射率的影响，并且可以很方便的改变调制方式。通过研究 w d m p o n 系统波长重用的理论模型和实现方案，仿真实现了采用波长重用的 2 5 g b s w d m p o n 系统，最后对仿真结果进行了讨论 5 研究基于s o a 的w d m p o n 系统波长重用的改进。第一部分建立了基于级联 s o a 的w d m p o n 系统波长重用的理论模型和实现方案，级联s o a 可以多级 浙江工业大学硕士学位论文 擦除下行信号，使下行信号的擦除更彻底，仿真实现了2 5 g b sw d m p o n 系统 的波长重用，并讨论了仿真结果，但是结果存在比较严重的o n w 和o a n 第二 部分建立了基于删l f 的w d m p o n 系统波长重用的理论模型和实现方案，这 种方案可以很好的消除s o a 所产生的o a n 和0 n w ，使下行信号的擦除更彻底， 仿真实现了2 5 g b ，sw d m p o n 系统波长重用。 关键词：波分复用无源光网络，半导体光放大器，高非线性光纤，光网络单元，光线 路终端，增益饱和 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g y o fr e u s e ，a v e l e n g t h si nw d m p o ns y s t e m a b s t r a c t w a v e l e n g md i v i s i o nm u l t i p l e x i n gp 嬲s i v eo p t i c a ln e 帆o r k ( w d m p o i sal i g h t c e s st e c h n o l o g ) rb e c a u s eo fl l i g l lr a t c ，l o n gd i s 伽ee 嬲yt 0u p g r a d e 锄dh i 曲o f 铆o r k s e c u r i t ) r d u et 0t h ec o s to fm ea c c e s s m o f i ( sd e t e n n i n ei t sp o p u l 撕z a t i o n 锄da p p l i c a t i o na n d 0 i p t i c a ln e 似o r ku 1 1 i t ( o n i st i l em a j nc o n l p o n e n to fw d m p o n ，血e r e a l i z a t i o nm e m o do f o n ui i l 也er e s e a r c hh 鹤t l 地v i t a ls i 嘶f i c a n c e w a v e l e n g md e u c 锄r e a l i z et l l ec o l o r i e s so n u o fw d m p o n ，s ov o i do fu s i n g 孤o p t i c a l 的n s m i 骶rme a c ho m7e n d ，r e d u c et l l ec o i n p l e x i 饥 觚d d u c ec o s to fc o n s n 眦t i o ni l l v e s 仃i l e n t 觚dl o n g - t e m l0 p e r a t i o ni i lw d m p o n b 孙e do nt h e 锄a l y s i so ft l l ew o 幽n gp r i n c i p l eo f 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 “s o a ) ， s t a j t i n gf b m t l l ev 暑l r i o u sr 1 0 l l l i n e 甜c h a r a c t e r i s t i c so fs o a 觚dg a i nc h a r a c t e r i s t i c sa r e 锄a j y z e d 廿1 e o r e t i c a l l y ，龇l d s i m u l a t i o nw d m p o ns y s t e mb y 印p l i c a mr e f l e c t i v es e m i c o n d u c t o r o p t i c a la n 巾l i f i e r ( r s o a ) ，s o a 舭d 烈l f t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e d 弱f o l l o w s 1 1 k o 巧r e s e a r c hi nt l l es i 嘶f i c 锄c e 锄d 圮m s t 0 巧觚dt l 硷s t a n j so fw d m p o n s m 姗a 矗z e so fs e v e r a lc u r r e n tw d m p o n c o r d i n gt od i f r e r e n te f r e c t 托a l i z a t i o nw a v e l e n g m 托u s e 2 n e o d rr e s e a r c ho fi i g h ta b s o r b e d 锄dr a d i a t i o i l i i l 仃o d u c es e v e r a ln o l l l i n e a re 仃c c t s 锄d p 血c i p l eo fs o a 锄dm ec h a r a c t e r i s t i c so fg a i na 1 1 dt 1 1 cc l 嬲s i f i c a t i o no fs o a 3 as c h e m ef o rm ) m p o ns y s t e mb 勰e do nr s o ai si n v e s t i g a t e d e x p e 璐i v e 删u s t a b l e l 弱e ro ro m 盯w a v e i e n g t l ld e v i c e sa 陀r 印l a c e db yr s o ar e d u c ew d m - p o n s y s t e mc o s t 锄d s i m p l i 匆n e 咖r km a i l a g e m e n t 1 沁s e a r c ho ft l l e m e o r e t i c a im o d e lo fw d m p o n n e w a v e l e n g t i lr e u s eo fw d m p o na t2 5g b si sr e a j i z e db ys i m u l a t i n g f i n a l l yd i s c u s s e db y 姐a j y z i n gs i m u l a t i n gr e s u l t s 4 as c h e m ef o rw d m p o ns y s t e mb 嬲e d s o ai si n v e s t i g a t e d r s o ai s 陀p l a c e db y s o a 觚dm o d u l a t o r d o n th a v et l l ei n f l u e n c eo fr s o ar e f l e c t i v i 饥s 0m i ss c h e m ec 弛c h a n g e m o d u i a t i o nm o d ee 嬲i l y r e s e 盯c ho ft i l et t l e o 陀t i c a lm o d e lo fw d m p o n t h ew a v e l e n g t t l j “ 浙江工业大学硕士学位论文 r e u s eo fw d m p o na t2 5g b si sr e a l i z e db ys i m u l a t i n g f i n a j l yd i s c u s s e db y 觚a l y z i n g s i m u l a t i n gr e s u l t s 5 as c h e m ef o rw d m p o ns y s t e mb 硒e do ns o ao fi m p r o v e si si n v e s t i g a t e d t h ef i r s t p a i ti sb u i l tb 嬲e do nt 1 1 ec a s c a d eo fs o a ；ac 嬲c a d eo fs o ac 姐e r 弱es i g n a lo fd o w n ，b u th a v e o a n 趾do n w 圮、 ，a v e l e n g t l lr e u s eo fw d m p o ni sr e a l i z e db ys i m u l a t i n g 锄dd i s c u s s e d b ya i l a l y z i n gs 妇u l a t i n gr e s u l t s t h es e c o n dp a r ti sb u i l tb a s e do nm 儿f 1 1 1 i ss c h e m ec 觚 e l i m i n a t eo a na l l do n w m a l 【es i 弘a 1o fd o w ne r ：豳i n gm o r ct l l o r o u g l l l y t h ew a v e l e n g lr e u 0 fw d m p o ni sr e a l i z e db ys i m u l a t i n g 锄dd i s c u s s e db y 锄m y z i n g s i m u l a t i n gr e s u l t s k e yw b r d s ：w a v e l e n 舀hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gp 嬲s i v eo p t i c a ln e t 、v o r k ( w d m p o ， s e 血c o n d u c t o r 0 p t i c a l锄p l i f i e r( s o a ) ， l l i g h l y n o n l i n e 缸 f i b e r ， o p t i c a ln e 铆o r ku i l i t ( o n ，o p t i c a ll i 鹏t e n i 】【i n a j ( o l t ) ，s a t u r a t e dg a i l l 浙江工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1w d m p o n 系统中波长重用的研究意义 近年来，随着宽带用户规模以及用户对网络接入带宽需求的日益增长，尤 其是可视电话、视频点播、高速数据等高带宽业务的发展，代表光接入网的发展 趋势的波分复用无源光网络( w a v e l 蛐g t l ld i v i s i o nm u l t i p l e x i i l gp 鹤s i v c 叫i c a l n 酣0 d 【，w d m p o n ) 受到国内外的广泛关注，w d m p o n 是采用波分复用作 为接入技术的无源光网络，是一种高速率、长距离、易升级、网络安全性高的光 接入技术。w d m p o n 采用波分技术，技术难度相对较小，成本相对较低，且 w d m p o n 具有众多的技术优势，比如可以进一步节约主干光纤和用户成本费 用，w d m p o n 系统可以实现单纤3 2 4 0 波长，并可以进一步扩展至8 0 波。 无源光网络( p o n ) 可以分为功率分割型无源光网络( p s p o 和波分复用 型无源光网络( w d m p o n ) 。p s p o n 采用星形网络，蚧行信号传送都采用 时分复用方式实现信道带宽的共享，加上功率的分隔，从而限制了w d m p o n 系 统中o n u 的数量。而w d m p o n 使用多个波长信道从而增加系统容量，具有支 持无多用户的容量和能力。w d m p o n 系统对速率、业务完全透明，无需任何 封装协议，各波长相互独立工作；w d m p o n 系统具有极高的安全性，同一p o n 口下所有o n u 物理隔离；在系统的维护上，w d m p o n 系统可以避免o t d r 由 于高插入损耗对光纤线路测量等的限制，从而更易进行维护等。同时考虑到接入 网作为国家信息基础结构的重要组成部分。w d m 技术具有长远的生命力，并且 质优价廉的w d m 器件将不断出现，因此，把w d m 技术引入接入网是一个发展 趋势。 w d m p o n 主要包括三部分，一、位于局端的o l t ( o p t i c a jl 访et 锄i n a l ， 光线路终端) 二、终端o n u ( o p t i c a ln e t 、v o r ku i l i t 光网络单元) 三、o d l n ( 叫i c a ld i s 仃i b u t i n e t 、o r k ，光分配网) p o n “无源 是指o d n 全部由阵列 波导光栅( a w g ) 等无源器件组成，不含有任何电子器件及电源。图1 1 为、胁m p o n 系统结构简图。 浙江工业大学硕士学位论文 a 酬g 图1 1w d m p o n 系统结构简图 o n u 是w d m p o n 的主要组成部分之一，由于接入网的成本决定了它的推 广和应用，因而对于w d m p o n 中o n u 的实现方法的研究有着重要的意义。尽 管波分复用无源光网络有很多的优点，但在每个光网络单元( o p t i c a ln 鲍o r k u i l i t ，o n u ) 端单独使用一个激光器，这将大大增加用户的成本，限制了它的推广 和应用，从而人们提出了“无色”o n u 的方案，这样将大大减少用户的成本。 实现“无色”饼州有很多方案，可调激光器方案、频谱分割宽带光源方案、波 长重用方案。本文重点研究具有最低成本潜力的波长“重用 w d m p o n 方案。 图1 2 为o n u 端波长重用w d m p o n 系统结构简图。 所谓波长重用，是指上下行信号共享同一光载波，通过对下行信号进行“擦 除 ，使“o ”电平和“1 电平的电压值几乎相等，把上行信号调制在已擦除的 下行信号光载波上，从而实现波长的“重用 和上行信号的传输。 目前，文献中报道的实现波长重用的方法，主要是采用反射半导体光放大器 ( r e n e c t i v es 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 ，r s o a ) 的增益饱和特性和反向调制 特性来实现，这种方案具有很多优点，但也存在一些问题，如r s o a 对反射公差 的要求比较高、要求相对较低的输入信号消光比等【l 】。【8 】。 2 浙江工业大学硕士学位论文 图1 2 波长重用w d m p o n 系统结构简图 1 2w d m p o n 系统中波长重用的研究现状及实现方案 在基于反射式波长重用w d m p o n 实现的研究领域，国外科研水平一直处 于领先地位，国内的研究相对比较滞后，尚处于起步阶段。基于各种反射原理的 波长重用w d m p o n ，根据实现方式的不同，可以分为注入锁定f - p 激光器，反 射式半导体光放大器( r s o a ) 、反射式电吸收调制方案以及半导体光放大器 ( s o a ) 方案。以下是目前几种常见的根据不同反射方式的波长重用的实现方案。 1 注入锁定f p 激光器 f a b 科p e r o t ( f p ) 激光器腔内有多个纵模( 波长) 。但是只有当有适当的外部 信号注入时，f a b 巧p e r o t ( f p ) 激光器才会只有一个共振模式处于激活的状抖9 1 。 此时f p 激光器就称为单模f p 激光器，发射出激光的波长就是该波长，这种方式 称之为注入锁定。通过认真设置激光器的偏置电流，调制指数及外部注入信号的 光功率等可以提高注入锁定”的工作效率【1 0 】。在文献1 的方案中，光线路终 端( o l t ) 中下行信号光源采用宽带光源，该宽带光源一般是r s o a 、掺铒光纤 放大器( e d f a ) 的放大自发辐射( a s e ) 噪声或者s l e d 。然后此宽带光源通过 w d mp o n 系统中的阵列波导光栅分路器( a w gs p l i 他r ) 产生分割出的连续光 浙江工业大学硕士学位论文 用来“注入锁定 o n u 中的f p 激光器。在o n u 中的f p 激光器与普通的f p 激光 器不同，o n u 中的f p 激光器的前解理面反射率相对较低，而后解理面的反射率 被增强。所以，与注入信号波长( 对应于a w g 频谱通带) 所对应的f p 激射模式 ( 波长) 会被放大，并产生激光，同时被上行数据调制，然后通过上行网络，返 回到o l t 中。如图1 3 所示。注入锁定f p 激光器也具有增益饱和效应，可以有效 减小频谱分割产生的剩余强度噪声。图1 3 采用基于非对称反射f p 激光器实现的 反射式w d m p o n 方案【1 2 】 图1 3 基于非对称反射f p 激光器实现的反射式w d m p o i n 方案 应用于普通的f p 激光器的芯片比应用于w d m p o n 系统中的注入锁定f p 激光器短。这样应用于、加m p o n 系统中的注入锁定f p 激光器可以减小腔内模 式间的距离，从而在a w g 的频谱通带内有更多的波长，即可以支持更多的州。 该方案被用于验证在光纤中传输超高速数字用户线路( v d s l ) 服务【b 1 。该方案 还被韩国电信( k o r 明t e l e c o m ) 应用于f j b e 卜t b 啊t h e c u r b ( f t t c ) 网络中，并成功实 现1 6 路的w d mp o n 系统，每路带宽1 0 0 m b s ，共用一根光纤的接入网【1 4 】。最近 的研究表明，通过改善光源的偏振特性【1 5 】和使用c w 光源减小强度噪声( 烈) 【1 6 j ， 可以实现2 5 g b 旭和1 0 g b s 上行信号速率的基于注入锁定f p 激光器方案的 w d m p o n 。 4 浙江工业大学硕士学位论文 2 基于偏振相关r s o a 实现的反射式w d m p o n 方案 在w d mp o n 系统中使用r s o a 的方案，由于注入锁定f p 激光器与r s o a 作 为发射机的工作方式有所不同。通过将前解理面的反射率减小到几乎为零和后解 理面的反射率增高到9 9 ，r s o a 中没激射模式。其增益频谱特性是宽频谱的络 仑兹曲线【l7 1 ，增益特性相对比较平坦，是一种带宽较宽的放大器。这样可支持 w d m p o n 系统中更多个波长( 3 2 个) 的放大。r s o a 的后解理面的反射率越大， 越多的信号经r s o a 放大反射回o l t 端。r s o a 经过在设计和制造方面不断的改 进，如使用有源层波导与解理面成一定角度，有源层弯曲，集成模式扩展器等。 虽然此基本设计思想早在1 9 8 7 年就已提出，其后这些改进减小了反射率，降低了 激射效果，但近年来r s o a 才开始商用。图1 4 采用基于偏振相关r s o a 实现的反 射式w d m p o n 方案【1 2 】 图1 4 基于偏振相关r s o a 实现的反射式w d m p o n 方案 r s o a 有两种类型，一种是和输入信号的偏振相关的，另外一种是和输入信 号的偏振无关的。一般和偏振相关的r s o a 的温度特性比较好，增益相对比较高， 有时可高达3 0 d b ( 1 甜。采用和输入信号的偏振有关的r s o a ，w d mp o n 系统中需 要在o l t 端使用无偏振光源，此无偏振光源可以采用宽带光源分割频谱产生。这 样，使用注入锁定f p 激光器的w d m p o n 方案和使用偏振相关r s o a 的 5 浙江工业大学硕士学位论文 w d m p c ) n 方案相似。而偏振无关的r s o a 则减少了另外一些性能，比如偏振无 关的r s o a 增益较小，有时低至2 0 d b 【1 8 l 。采用与偏振无关的r s o a ，那么在w d m p o n 系统的o l t 端的光源可以采用单一固定波长的激光器，比如分布式反馈激光 器。使用分布式反馈激光器作光源，一方面激光线宽窄，减小了传输过程中色散 的影响。另一方面避免了使用宽带光源分割频谱时产生的额外噪声【l9 1 。所以可 以容纳更多的信道，并以更高的速率传输更长的距离。然而在实际当中当使用同 一根光纤传输上下行信号时，会因为相干后向瑞利散射产生新的噪声源【2 0 】。解 决的方法是用两根光纤分别传输上下行信号。如图1 5 所示。 u ul - ”“ 1 r r e f l e c t i v e s 锄i c o n d u d 【o r 1r o p t i c a la m p “f - e r 入1 ( r s o a ) l s e e d - a s e n r o n un - f 数据- is 训啾rn i 。 xl ，入2 xn 入m。 y 1 1 ，丈xn 7 i l r e f l e c t i v e s 哪c o n d u c “吖 i r x1 p h l 1r o p t i c a la m p l i f e r n ( r s o a ) i 咖i 。 图1 5 偏振无关r s o a 的反射式w d m p o n 方案 r s o a 的调制速率与注入电流的大小和载流子的寿命的长短有关。在文献【2 1 】 中，通过将r s o a 工作在增益饱和状态下，降低了载流子的有效寿命，实际的调 制速率达到5 g b s 。特别令人感兴趣的是：使用r s o a 同样可以实现一种波长重用 的w d m p o n 系统。前面的一种方案中上行信号与下行信号使用的是不同的波 长。而且在w d m p o n 系统中需要为上下行信号分别准备光源。而在使用r s o a 的波长重用的w d m p o n 中，利用r s o a 的增益饱和效应可以擦除下行信号中 的信息。然后便可以直接调制该波长来传输上行信号了。这个方案在整个w d m p o n 系统中每一路只需要在o l t 端设置一个发射机一个波长，简化了w d m p o n 系统网络的维护和管理，降低了用户成本，并且对所用的下行信号的编码格 6 浙江工业大学硕士学位论文 式是“透明 的。在此种方案中波长重用的难点在于对下行信号的擦除是否彻底。 3 反射式电吸收调制器( 心狐m ) 方案 采用r s o a 作为o n u 中发射机的反射式方案中，由于r s o a 载流子的辐射寿 命( 纳秒级) 导致上行信号的调制速率受限( 4 0 g b ，s ) 田】。剐弘m 所需驱动电压低( q v ) ，且具有很高的内阻，所以r e 舢订 的功耗很小。这使得在要求o n u 中的设备需要尽可能低的电能的应用中，采用 较低数据传输率的i 也j 蝴的方案非常有竞争力。目前砌认m 已应用于拓展 v a d s l 的w d m p o n 和r o f ( r a d i o0 nf i b e r ) 应用中【2 忱5 1 此外删具有功耗 小、成本低、温度特性好、偏振无关性、插入损耗低等特点。 然而在o n u 中使用融认m 的问题是，缺少使用l 毽o a 时的放大作用。因而为 克服传输过程中的功率损失，需要加大中心局源发射机的输出功率。在数据传输 速率较高的应用中，发射机应为激光器，而不是宽带光源。又由于使用激光器会 带来后向瑞利散射的问题，就需要使用两根光纤分别传输上行信号和下行信号。 此外，由于r e a m 的调制状态与工作波长相关，意味着，需要针对入射波长( 即 不同的o my ) 进行相应的偏置点设置，因此，不能实现真正意义上的“无色 化。采用i 冱蝴的反射式w d m p o n 方案如图1 6 所示。 7 浙江工业大学硕士学位论文 图1 6r e j m 的反射式w d m p o n 方案 从长远来看，期待有新的器件出现以应用于无色o n u 中。这些器件将会结 合i 也a m 和r s o a 各自的特点。既具有较高的信号调制速率( r e a m ) ，又拥有 较高的增益、输出功率和波长无关性( r s o a ) 。而有这些器件构成的w d m - p o n 可以支持更多的用户，并传输更长的距离【2 7 】。 1 3 本文的工作 第一章为绪论，介绍了w d m p o n 系统波长重用的研究意义、研究历史以 及现状，总结了几种目前常见的根据不同效应实现的w d m p o n 系统波长重用 的方案。 第二章介绍了光的吸收和辐射，半导体光放大器的非线性效应、半导体光放 大器的工作原理，半导体光放大器的增益特性以及s o a 的分类及应用。 第三章基于r s o a 的w d m p o n 系统的波长重用，通过研究w d m p o n 系统波长重用的理论模型和实现方案，仿真实现了2 5 g b s w d m p o n 系统波 长重用，最后对仿真结果进行了讨论。 第四章基于s o a 的w d m p o n 系统的波长重用，通过研究w d m p o n 系统波长重用的理论模型和实现方案，仿真实现了2 5 g b s w d m p o n 系统的 2 浙江工业大学硕士学位论文 波长重用，最后对仿真结果进行了讨论 第五章基于s o a 的w d m p o n 系统波长重用的改进。第一部分建立了基 于级联s o a 的w d m p o n 系统波长重用的理论模型和实现方案，仿真实现了 w d m p o n 系统的波长重用，并讨论了仿真结果，但是结果存在比较严重的 o n w 和o a w 。第二部分建立了基于m 儿f 的w d m p o n 系统波长重用的理 论模型和实现方案，仿真实现了2 5 g b sw d m p o n 系统波长重用。 第六章为总结和展望。 本论文采用加拿大o p t i w a v e 公司o p t i s y 呶釉3 0 版本的系统仿真软件对系统 进行仿真，验证结果的正确性。o p t i s y s t 锄是专门用于光通信系统的设计软件， 也是一套创新的光通信系统仿真软件。系统的仿真模块是根据实际的光纤通讯系 统的模型而设计，具有强大而新的环境仿真和组件及系统的真实等级定义。软件 的能力可以随着使用组件和接口的增加而延伸到更广泛的应用工具，具有一定的 权威性。全面的图形用户界面控制光子器件设计、器件模型和演示。巨大的 有源和无源器件的库包括实际的、波长相关的参数。参数的扫描和优化允 许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响因为是为了符合系统 设计者、光通讯工程师、研究人员和学术界的要求而设计的，o p t i s y s t e m 满足了急速发展的光子市场对一个强有力而易于使用的光系统设计工具的 需求。它的广泛应用包括：物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计、 信道设计、放大器和接收器设计、色散图设计、不同接受模式下误码率( b e r ) 和系统代价( p e n a l t y ) 的评估等。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章半导体光放大器 半导体光放大器的非线性效应主要有增益饱和、交叉增益调制( x g m ) 、交 叉相位调制( ) a ? m ) 和四波混频( f w m ) 效应，可以利用s o a 的这些非线性效应实 现全光逻辑和全光波长转换的功能。在光纤通信系统中，发射机发射的光信号在 沿光纤传输的过程中会产生衰减。而其他一些光器件如复用器和耦合器也会引入 损耗。这就需要光放大器恢复信号的强度波形。相对于传统的光电光再生器，光 放大器不受传输信号格式和比特率的限制，利于系统升级。同时光放大器具有较 大的增益带宽，可以同时放大多个波长，适用于波分复用系统。半导体光放大器 是光放大器的一种，其放大原理是基于原子的受激辐射。 半导体光放大器广泛应用于光通信系统中，除了用作光信号放大器外，还被 广泛用于光信号处理，如光调制、光开关、波长转换和光逻辑器件等。然而，半 导体光放大器会引入附加噪声。增益饱和效应使得增益与输入信号的功率有关。 本章将介绍半导体光放大器的原理及与应用有关的工作特性。 2 1 光的吸收和辐射 根据量子力学原理，任何物理系统( 比如原子) 都存在于一组离散能级。这 里考虑一个原子两能级系统。如图2 1 所示两个能级分别为e 1 和e 2 ，并且有 e e 1 。所谓光的吸收是指当原子处于能量e l 的低能态，由于从外界吸收了一 个能量为e 的光子而达到能量为e 2 的高能态，这一过程称为光吸收。所谓光 的辐射是指当原子从高能态跃迁到低能态时，必将发射出能量为hv = e 2 e l = e 的光子，这一过程称为光辐射。而光辐射有两种情况，一种情况是原子自发地由 高能态跃迁到低能态，这个过程称为自发跃迁，相应的辐射称为自发辐射。另一 种情况是在外界的影响下原子由高能态跃迁到低能态，这一过程称为受激跃迁， 相应的辐射称受激辐射。原子辐射的分类如图2 1 所示。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 l h v - ( a 、 原子 由高 能级 向低 能级 跃迁 e 2 e 1 h v 1 r e 2 e 1 图2 1 光的吸收和辐射 h v h v - h v 1r ( c 、 广戡跃一鲅耐 l 受激跃一受激辐射 受激 图2 2 原子辐射的分类 e 2 e 1 普通光源中的原子发光都是自发辐射过程。光源中的大量原子各自处于不同 的激发态，并且各自独立地向基态跃迁，所发出的光的频率、振动方向、传播方 向及相位都各不相同，所以彼此是不相干的。原子在某一能态停留的平均时间， 就是该能态的平寿命，用t 表示。处于高能态的原子中，在单位时间内从高能 态e 2 自发跃迁到低能态e 1 的原子数比率a2 l ，称为原子自发跃迁频率，自发 跃迁的概率越大，该能态的平均寿命就越短。一般激发态自发跃迁的概率都很大， 所以激发态的平均寿命极其短暂，约为l o 喝s 处于高能态e 2 的原子在自发跃 迁之前，若受到能量为hv = e 的外来光子的扰动，就可能发生感应跃迁，从 高能态e 2 跃迁到低能态e l ，同时发生受激辐射，既发出一个与外来光子同频 率、同相位、同振动方向和同传播方向的光子。这样，连同入射的那个光子，将 得到两个同样的光子。如果入射一个光子可得到两个处于相同状态的光子，那么 能否得到三个、四个乃至更多的同频率、同相位、同振动方向和同传播方向的光 子呢? 如果发生这种被称为光放大的过程，那么我们就能获得一束单色性和相干 浙江工业大学硕士学位论文 性都很好的高强度光束，这就是激光，如何发生光放大呢? 这取决于发光系统中 的原子所处的状态。 除了受激辐射过程外，在原子中还存在着受激吸收过程。同样，如果入射到 原子上的光子频率满足hv = e 2 - e l 的条件，则处于低能级e l 的原子可能吸收这 个光子的能量，被激发到较高能级e 2 上去。这时不但得不到两个光子，反而消 失了一个光子，这就是受激吸收过程。如上图所示2 1 ( a ) 所示。 在一般情况下，当光子通过发光系统时，光吸收过程和受激辐射过程都有可 能发生，而要发生光放大过程，必须使受激辐射过程占优势。理论分析表示，而 发光原子系统发生受激辐射过程与发生吸收过程的概率之比等于处于高能态的 原子数n 2 与处于低能态的原子数n l 之比，既n 2 n 1 所以，发生光放大过程 必须满足n 渊l l ，也就是说，要使大量原子处于高能态，而处于高能态的原子 数很少。但是，在一个温度t 的平衡态原子系统中，处于能态的原子数必定遵从 玻耳兹曼分布，由玻耳兹曼分布可以得到处于高、低两个能态上的原数之比为 ， 竺生= p 一目一易) 7 盯= p 。丛，j 盯 l 其中，e l ，e 2 为能级1 1 和能级2 的能量值；n l 和n 2 为能级1 和能级2 上 的原子数；k = 1 3 8 1 0 2 3 腿为玻耳兹曼常数；t 是热平衡时的热力学温度可 见，在平衡状态下，处于高能态的原子数总少于处于低能态的原子数，并且能级 间越大，两能级上原子数的这种差别就越悬殊。上面所说的实现光放大过程，必 须满足n 2 n l ，而这种分布显然是违背玻耳兹曼分布规律的。所以，将 n 2 n l 这种分布方式称为粒子数反转，粒子数反转是实现光放大过程的基本条 件。 如果入射光子的能量力d ( d 是入射光的频率，h 是普朗克常量) ，等于能级 间的能量差丝= 岛一日。则光子的能量被处于e l 能级的原子吸收，该原子从 e l 能级跃迁至e 2 能级，如图2 一l ( a ) 。通常情况下所有物质都会有吸收入射光 的现象发生，s o a 也不例外。在没有外加电源和电流驱动的情况下，入射光经 过s o a 会大幅衰减，就是因为光子被半导体材料中的原子吸收的缘故。处于e 2 高能级的原子并不稳定，会以一定几率跃迁到e l 能级，同时释放出能量为j ，d 的 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 光子。这就是自发辐射，如图2 1 ( b ) 自发辐射过程产生的光子的方向，偏振 态和相位都是随机的，因而对光放大并没有贡献相反会产生噪声，将会在下文 中继续讨论。当处于高能级e 2 上的原子在频率为d = 假一骂) 办的辐射场激励 作用下，或在频率为d = 皈一骂) 厅的光子诱发下，向低能级e l 跃迁并辐射出 一个与激励辐射场光子或诱发光子的状态( 包括频率、运动方向、偏振方向、相 位等) 完全相同的光子的过程称为受激辐射跃迁。其示意图见图2 1 ( c ) 。根据量 子力学理论，受激辐射和受激吸收过程发生的概率相同，当有入射光场存在时， 受激辐射和受激吸收过程同时发生。那个过程是主要的取决于原子密度在两个能 级上的分布。当高能级上具有较多的原子时，则受激辐射过程是主要的，就会对 入射光产生放大作用。 2 2s o a 的非线性效应 2 2 1 交叉增益调制( x g m ) 效应 图2 3 是基于s o a 的x g m 效应的示意图，连续探测光( 波长为入c ) 与脉冲 控制光( 波长为入s ) 一起注入s o a ，由于控制光的功率高，并且s o a 的载流子浓 度主要受大功率信号的影响，所以在脉冲控制光的波峰处，s o a 有源区内的载 流子几乎被耗尽，引起s o a 增益饱和，在脉冲控制光的峰谷处s o a 增益恢复， 即信号光的强度变化调制了s o a 的增益，而同在s o a 内的探测光又会受到s o a 增益变化的调制，信号光波峰处，s o a 增益饱和，探测光就获得较小增益，信 号光波谷处，s o a 增益未饱和，探测光就获得较大增益，相当于探测光间接受 到信号光的调制，携带了与控制光相反信号，最后再将滤波器对准连续光波长进 行滤波，将携带信息信号的波长从入s 转换到入c 一1 q 4 铲。、。1 7 。id 工o m p 岍仉) 。 s o a 滤、瘐器 r i 图2 3s o a x g m 效应示意图 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 交叉相位调制( x p m ) 效应 基于半导体光放大器的交叉相位调制效应( s o a 沁m ) 的工作原理是基于 s o a 有源区内载流子的有效折射率被信号光调制，间接调制输入连续探测光的 相位，这样就可以实现波长变换以及一些逻辑功能图2 4 是利用马赫一曾德尔 干涉仪 亿i ) 实现) a p m 的结构图，两个s o a 分别被对称放置在m z i 的两臂上， 信号光脉冲( 波长为入s ) 入射到m z l 中，被分成两束不等强度的光，由于s o a l 和s o a 2 腔内受不同强度光信号的调制，两个s o a 的折射率变化不同，然后在 m z i 的输出端干涉叠加，信号光携带的信息由此传递给探测光，从而实现波长变 换。由于基于s o a ? m 的波长变换利用干涉原理实现，所以可以通过调节s o a l 和s o a 2 的注入电流改变干涉的效果，实现同码或者反码输出【2 习 p 酬队) 图2 4 实现波长变换的m z i 结构图 2 2 3 四波混频( f w m ) 效应 四波混频( f w m ) 是基于非线性介质的三阶非线性效应，一般采用s o a 等有 源介质进行四波混频。 对于高强度电磁场中的电介质，电偶极子的极化强度尸和电场e 的非线性 关系为【4 j ： p = 岛 z 1 e + z 2 ：e e + z 3 ；脚+ ( 2 - 1 ) 介质中的四波混频效应可通过公式( 2 一1 ) 中的三阶极化项来解释： = 岛z 3 ；e e e 1 4 ( 2 - 2 ) 浙江工业大学硕士学位论文 式中e 为电场，为感j 匝非线性极化强厦，翮为冥空中的介电系数，考虑振动 频率分别为i 、眈、n b 和明，沿z 方向线偏振的四个光波，总电场可写成： e = 昙三壹易甑p 【_ ，( 屯一1 ) 】+ 凹 ( 2 3 ) ，- l 式中传播常数妒种，吩是折射率。假设所有光波沿同一z 方向传播，把方程 ( 2 3 ) 带入( 2 - 2 ) ，则可表示成如下形式： ：要三圭弓e x p 【j f ( 1 z 一哆，) 】+ c r ( 2 4 ) ，- i 由上式可以看出，巧( 产l 2 ，3 ，4 ) 由许多包含三个电场积的项组成，其中： 只寺也 日巨1 2 巨+ 2 ( 1 骂1 2 + l 巨1 2 + i 岛1 2 ) 巨+ 2 互与马e x p ( 以) + 2 巨最日饯p u 晓) + - 】 ( 2 5 ) 式中： ，_ ，i 乞t 毛一气一q + 鸭+ 鸭一红 ( 2 6 ) 【晓= ( 毛+ 屯一毛一七4 ) z q + 鸭一呜一q ， 、 方程( 2 5 ) 中正比于的项对应于自相位调制( s p m ) 和交叉相位调制( ，m ) 效 应，其他项对应的是四波混频效应。这些项在参量耦合中起作用，取决于函和 之间的相位失配，即良、a 。只有相位失配几乎为零时，才会发生显著的四波 混j 顷效应。 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 c 0 n m l p s i q l al i ，e f t e d 础e ll 2 哆一鸭哆 鸭2 鸭一 国 图2 - 5f w m 效应下的频谱 对s o a 中四波混频的半经典解释是：两束不同波长的光进入s o a ，设泵浦 光角频率唧，信号光角频率，s o a 中的载流子根据入射光强的分布形成载流 子光栅，如果载流子的响应足够快，载流子光栅的效率是稳定的，否则形成光栅 的效率会下降。泵浦光被光栅散射后形成角频率为2 唧咖，的变换光，信号光被 光栅散射后形成角频率为2 r 的闲频光。如图2 5 所示，变换光强度大于闲频 光，可作为波长变换的输出。 2 2 4 增益饱和效应 行波放大器的增益与s o a 的具体参数有关： g = e x p 【( r g 一口) 明 ( 2 - 7 ) 式中r 为封闭系数，表征将光波限制在有源区的程