（通信与信息系统专业论文）全光通信网中若干关键光器件的研究与应用.pdf

_ 学位论文版权使用授权书 iyltll111llll7lllll8lll1llll17lllt,17ll!117llllly 1 7 8 1 7 7 7 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，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：夕萨即 导师签名： 签字日期：f 。年7 月篁日签字日期：函b 年7 月岁日 参 中图分类号：t n 9 2 9 1 u d c ：0 8 1 0 0 1 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 博士学位论文 全光通信网中若干关键光器件的研究与应用 i n v e s t i g a t i o na n da p p l i c a t i o no fk e y p h o t o n i cd e v i c e s i na u o p t i c a ln e t w o r k 作者姓名：卢丹 导师姓名：简水生 学号：0 5 1 1 1 0 3 0 职称：教授，中科院院士 学位类别：工学学位级8 0 - 博士 学科专业：通信与信息系统研究方向：光网络、光器件 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 l 致谢 本论文的工作是在导师简水生院士的悉心指导和热切关怀下完成的。导师严 谨的治学态度、执著的学术追求、广博的专业知识、强烈的创新意识和拳拳的报 国之心常常令我敬重于心。导师不仅为我树立了一名科研工作者的榜样，教会了 我实验和理论两条腿走路的科研方法，还在潜移默化中赋予我为中华振兴而努力 奋斗的精神动力。在我生活上遇到困难的时候，导师给予了我热切的关怀和鼓励， 在此我谨向恩师表达内心深处最真挚的敬意与感激! 衷心感谢余思远教授在b r i s t o l 大学一年来的指导，他教会我对科研持有更朴 实与平和的态度，并在半导体环腔激光器的实验和理论仿真工作上给予了我大量 的指导，在此衷心感谢他无私的教导! 感谢娄淑琴教授、延凤平教授、李唐军教 授、陈根祥教授、王均宏教授、裴丽教授、宁提纲教授、江中澳教授等老师们从 课堂慢慢将我带领进入光通信领域，并在学习上对我的帮助和指点。感谢王目光、 谭中伟、刘艳、董小伟、李艳涛等老师们，你们这么一群年轻有为的老师，让我 在光波所的生活充满了积极向上的氛围。感谢在同一个科研小组中一起努力奋斗 过的曹继红、陈勇、秦曦、张峰、吕博等博士师兄师姐们和一直相伴同行的陈明、 龚桃荣、贾楠、钟康平博士。正是和你们的热烈讨论，才使实验工作得以顺利开 展。同时感谢3 0 4 本硕博连读班的全体同学：毛向桥，陆玉春，李宏雷，耿蕊， 姚磊，刘利松，彭健，冯素春，任文华等同学，你们与我同敲科学之门，在其中 或困顿、或喜悦、或受挫、或兴奋，这些感受正因为有你们同行，才显得更为深 切，谢谢你们! 衷心感谢国家留学基金委为我提供交流学习的机会。感谢英国b r i s t o l 大学光 子小组中b e il i 和m e m o n m u h a m m a di r f a n 合作完成本文第二、三章的系统实验； 感谢p i s uj i a n g ，z h u o r a nw a n g ，g u o h u iy u a n ，z h o n gr e n ，y is h u 和布里斯托公 派留英的朋友们，在远离家乡的日子里对我生活和学习的帮助。 在此，我更要感谢我的爸爸卢震云先生和我的妈妈胡翠英女士，感谢他们对 我的养育之恩。父母一直以来都默默支持着让我专心完成学业，他们对于知识的 崇尚也一直鼓舞着我坚定不断进取的信念。你们辛苦了! 感谢我的姐姐卢娟，她 总是在我最关键的时候站在我的身边，虽与我年纪相当，但却一身担起了照顾家 庭的责任。这篇博士论文也是我献给这些挚爱的家人们的微薄回报! 最后，向所有直接或间接帮助过我的老师、同学，以及论文的评阅老师表示 感谢，谢谢您们! 北京交通大学博士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：全光通信网传输速率的不断提高对网络节点提出了更高的要求。因此， 能够支持网络节点实现具有透明性、可扩展性和可重构性功能的光器件与相关技 术受到了研究者的广泛关注。集成半导体环腔激光器具有可集成、低功耗等优点 和独特的非线性特性，是实现全光网节点关键功能的新型光器件。目前在国内外， s i 也s 在全光网络中的应用研究都还处于起步阶段，许多新特性及其应用的研究亟 待拓展。本论文结合欧盟框架计划下信息科学领域方向的i o l o s 项目 仃p 6 2 0 0 5 一i s t - 5 ) “i n t e g r a t e do p t i e a ll o g i ca n dm e m o r yu s i n gu l t r a - f a s tm i c r o - r i n g b i s t a b l es e m i c o n d u c t o rl a s e r s ”，以及国家8 6 3 项目“1 6 0 g b s 一泵多纤光传输技术 的研究”和“全光波长交换关键技术 ，对应用于全光网络的集成半导体环腔激光 器( s i 也s ) 、光时分复用( o t d m ) 时钟提取与解复用器、以及支持光层组播的光 交叉连接( o x c ) 设备等关键光器件进行了深入研究，获得了以下创新性成果： 1 深入分析了s r l s 中独特的注入锁定下的腔内增强型四波混频( c e f w m ) 特性。提出了改进型注入锁定实验配置方式，使s r l s 能够在1 0 n m 的波长 范围中实现2 0 个谐振波长的任意锁定，大大提高了注入锁定的稳定性和灵 活性。系统给出了多阶共轭光功率与注入信号光的功率、与锁定主模之间的 波长间隔、与谐振腔之间的波长失谐量之间的关系。并在此基础上，首次探 讨了四波混频( f w m ) 效率在s r l s 中高于半导体光放大器( s o a ) 及法布 里珀罗( f p ) 激光器的深层物理原因，有效解释了s i 也s 中c e f w m 特有 的多阶共轭光产生的原因。 2 首次建立了适用于分析集成半导体环腔激光器注入锁定下c e f w m 特性的 多模速率方程理论模型，并验证了理论模型的有效性。该模型突破了传统双 模速率方程模型的限制，将能拓展用于分析集成半导体环腔激光器中外注入 下的各种多模耦合现象。基于该模型，分析了多阶共轭光的幅度与相位关系， 提出了利用偶数阶共轭光的相位信息“擦除”特性，可以实现相位调制码型 ( c s r z 、d p s k 和m d r z ) 到非相位码型( i 屹) 转换的方案。 3 首次提出利用集成半导体环腔激光器中的注入锁定与c e f w m 特性实现新 型的光层组播方案，并成功实现了2 5 g b s 一到多的波长转换与数据分发。 该光层组播方案具有消光比高，性能稳定，波长和组播数量可配置的优点； 且在一到七信道的组播中，仅需两个激光源，避免了传统方法中1 ：n 组播 需要n 个泵浦源引起的成本过高问题。在此基础上，分别实现了基于s r l s 的注入锁定和c e f w m 的2 5 g b s 光信号的“与 和“异或”逻辑门，以及 北京交通大学博士学位论文中文摘要 4 g b s 光生毫米波方案。这些全新的应用成果拓展了集成s r l s 在全光网中的 应用。 4 提出了一种基于级联电吸收调制器的光电反馈环，实现了o t d m 时钟提取 与解复用。该结构能够在o t d m 信号单次通过的情况下同时完成时钟提取 与解复用，且性能稳定，时钟抖动均方根( r m s ) 在反馈锁定工作下由2 4 p s 降至3 3 8 f s 。实现了8 0 g b s 、1 6 0 g b s 速率下1 0 0 k i n 的传输及传输后无误码 的时钟提取与解复用，功率代价在l x l 0 。9 时分别为1 5 d b 与3 d b 。实验和理 论研究了光学非对称解复用器( t o a d ) 在8 0 g b so t d m 实验系统中的解复 用性能，探讨了t o a d 制作的关键参数，并解释了实验中观察到的幅度抖动、 串扰及基底噪声等现象的成因。 5 在“新型分布式波分纤分光路交换网”的基本构思与网络架构下，提出了利 用改进型d a c ( d r o pa n dc o n t i n u e ) 元件在新型光路交换网中实现光层组播 的方案。改进型d a c 中均匀光栅由啁啾光纤光栅取代，可同时实现波长选择 和色散补偿功能；通过与网络中的信令系统和网管系统结合，实现了具有鲁 棒性、无阻塞性、资源可配置性和区分单播组播带来的功率有效性等优点的 组播功能。实验完成了视频信号和1 0 g b s 数据信号的组播。 关键词：全光网；半导体环腔激光器；光交叉连接( o x c ) ；四波混频；注入锁定； 组播；解复用；时钟提取 d i s t i n g u i s h e dn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s h o w e v e r , t h er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no f s r l si na l l - o p t i c a ln e t w o r kn e e dt ob ef u r t h e re x p l o r e du r g e n t l y u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , w ec o n d u c tad e e pt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s e v e r a lk e yp h o t o n i c sd e v i c e si na l l o p t i c a ln e t w o r ki e s r l s ，o t d mc l o c kr e c o v e r y m o d u l ea n dd e m u l t i p l e x e r , a n dm u l t i c a s te n a b l i n go x c t h ew o r ki sj o i n t l ys u p p o r t e d b ye u r o p e a n u n i o nu n d e rt h es i x t hf r a m e w o r k p r o g r a m i o l o s p r o j e c t 伊p 6 2 0 0 5 - i s t - 5 ) i n t e g r a t e do p t i c a ll o g i ca n dm e m o r yu s i n gu l t r a - f a s tm i c r o - r i n g b i s t a b l es e m i c o n d u c t o rl a s e r s ”，n a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g i e sd e v e l o p m e n tp r o g r a m ( 8 6 3 ) “k e yt e c h n o l o g i e si n 16 0 g b so t d mt r a n s m i s s i o ns y s t e m 璐堍m u l t i - f i b e r p u m p a n dn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n “s t u d yo na l l o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g t e c h n o l o g y ”t h em a i na c h i e v e m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s 1 t h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so fc a v i t ye n h a n c e df o u rw a v em i x i n g ( c e - f w m ) u n d e ri n j e c t i o nl o c k i n gi ns r l sa r ei n v e s t i g a t e dc o m p r e h e n s i v e l y t h ei n f l u e n c e o fi n j e c t e dp o w e r , w a v e l e n g t hi n t e r v a l sb e t w e e ni n j e c t e ds i g n a la n dl o c k e dm a i n m o d e ，a n dt h ew a v e l e n g t hd e t u n i n gb e t w e e ni n j e c t e ds i g n a la n dc a v i t yo nt h e p o w e ro ft h eg e n e r a t e dm u l t i - c o n j u g a t e ds i n g a l si sg i v e n d e t a i l e dc o m p a r i s o n s o ff w mc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yb e t w e e ns o a , f pl a s e r sa n ds r l sa r ec o n d u c t e d t h ed e 印一i np h y s i c a le x p l a n a t i o no f h i g h l ye f f i c i e n ts i m u l t a n e o u sm u l t i c o n j u g a t e s i g n a l sg e n e r a t i o ni nc e - f w mi sp r o v i d e d 2 am u l t i m o d er a t e e q u a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e dw h i c hc a na n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i c so fc e - f w mi nm o n o l i t h i cs r l s t h ep h a s ea n da m p l i t u d e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm u l t i c o n j u g a t es i g n a l si sd e r i v e du s i n gt h em o d e l b a s e do n t h ep h a s ee r a s i n gc h a r a c t e r i s t i c si ne v e no r d e rc o n j u g a t es i g n a l so fc e f w m ，a l l a l l o p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o ns c h e m ef r o mp h a s em o d u l a t e df o r m a t s ( c s r z 、d p s k 、m d r ze t c ) t on o n - p h a s em o d u l a t e df o r m a t s ( r ze t c ) i s m 北京交通大学博士学位论文a b s t r a c t p r o p o s e d 3 an o v e l a l l o p t i c a l m u l t j c a s ts c h e m eb a s e do nc e f w mi nm o n o h t h i c a l l y i n t e g r a t e ds r l si sf i r s t l yp r o p o s e d b ye m p l o y i n ga l li n j e c t i n go p t i c a l s i g n a l r e s o n a n t 谢也ac a v i t ym o d eo ft h es r l ，o n e t o - s e v e na l l - o p t i c a lm u l t i c a s tb y m e a n so f h i g h l y e f f i c i e n ts i m u l t a n e o u s m u l t i w a v e l e n g t h c o n v e r s i o ni s e x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e du pt om u l t i - g i g a b i td a t ar a t e s t h es c h e m eo f f e r s s e v e r a la d v a n t a g e si n c l u d i n gl o wp o w e rp e n a l t y , r e c o n f i g u r a b i l i t y , m o n o l i t h i c i n t e g r a t i o na n dl o wc o s t f u r t h e r m o r e ，2 5 g b sa l l - o p t i c a lx o ra n da n dl o g i c ， 4 g b sm i l l i m e t e r - w a v eg e n e r a t i o ns c h e m eb a s e do nc e f w ma r er e a l i z e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t se n l a r g et h es c o p eo fs r l s a p p l i c a t i o n si na l l - o p t i c a l n e t w o r k 4 an o v e lo p - e l e c t r i cf e e d b a c kl o o pi sp r o p o s e df o ra c h i e v i n gc l o c kr e c o v e r ya n d 8 0 g b s ，16 0 g b s t o10 g b s d e m u l t i p l e x i n gs i m u l t a n e o u s l y t h ej i t t e r o f r e c o v e r e dc l o c kd e c r e a s e sf r o m2 4 p st ol e s st h a n3 38 f s b a s e do nt h el o o p ，e r r o r f r e e16 xl0 g b so t d mlo o k mt r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e d 、析t l l3 d bp o w e rp e n a l t y a tlxl0 一i na d d i t i o n ，t h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft e r a b i to p t i c a la s y m m e t r i c d e m u l t i p l e x e r ( t o a d ) i n8 0 g b so t d ms y s t e mi sa n a l y z e de x p e r i m e n t a l l ya n d t h e o r e t i c a l l yt h en o n - i d e a l i t i e si e a m p l i t u d ej i t t e r , c r o s s t a l ka n db a s e l i n en o i s e a r ed i s c u s s e d 5 b a s e do nt h en o v e l “d i s t r i b u t e dw a v e l e n g t h - d i v i d e da n df i b e r - d i v i d e do p t i c a l c i r c u i ts w i t c h i n g 黟s t e m ”f r a m e ，an o v e lo p t i c a ll a y e rm u l t i c a s ts c h e m ew i t h i m p r o v e dd a ce l e m e n t si sp r o p o s e da n dr e a l i z e di no u re s t a b l i s h e ds w i t c h i n g n e t w o r k , w h i c hp r o v i d e sar e a l - t i m e ，h i g hq u a l i t ya n dl o wc o s tm u l t i c a s t i n g v i d e os i g n a la n d10 g b sd a t as i g n a lm u l t i c a s t sa r er e a l i z e d k e y w o r d s ：a l l o p t i c a ln e t w o r k ；s e m i c o n d u c t o rr i n gl a s e r s ；o p t i c a lc r o s sc o n n e c t o r ( o x c ) ；f o u r - w a v em i x i n g ；i n j e c t i o nl o c k i n g ；m u l t i c a s t ；d e m u l t i p l e x e r ；c l o c kr e c o v e r y i v 目录 i i i i 1 1 现状2 ：1 1 2 2 集成半导体环腔激光器在全光网的应用研究现状。3 1 3 高速光时分复用系统中关键技术的研究现状5 1 4 全光交换网的研究现状与发展前景7 1 5 本论文的主要工作与创新点8 第二章集成半导体环腔激光器特性的实验与理论研究1 6 2 1 引言16 2 2 集成半导体环腔激光器的器件结构1 6 2 2 1 集成半导体环腔激光器的设计1 7 2 2 2 实验中使用的集成半导体环腔激光器2 0 2 3 集成半导体环腔激光器中非线性光学特性的实验研究2 3 2 3 1 双向稳态特性2 3 2 3 2 注入锁定特性2 6 2 4 注入锁定下的腔内增强型四波混频特性的实验研究2 9 2 4 1 注入信号光功率的影响3 2 2 4 2 注入信号光与主模之间波长间隔的影响3 4 2 4 3 注入信号光与谐振腔之间波长失谐量的影响3 6 2 4 4 多阶共轭光之间的相位锁定特性3 8 2 5 集成半导体环腔激光器的多模速率方程理论模型3 9 2 5 1 注入锁定下的多模速率方程模型4 0 2 5 2 各阶共轭光的幅度关系4 7 2 5 3 各阶共轭光的相位关系5 1 2 5 4s r l s 与s o a ，f p 激光器中f w m 效率的比较。5 2 2 6 本章小结5 6 第三章集成半导体环腔激光器在全光网中的应用。6 3 3 1 引言6 3 北京交通大学博士学位论文 3 2 基于集成s r l s 中c e f w m 的可配置光层组播 3 2 1 实验原理。6 4 3 2 2 实验结果与讨论6 6 3 3 基于集成s r l s 中c e f w m 的光布尔逻辑门6 9 3 3 1 实验原理6 9 3 - 3 2 实验结果与讨论7 1 3 4 基于集成s r l s 中c e f w m 的毫米波信号产生7 2 3 4 1 实验原理7 5 3 4 2 实验结果与讨论7 6 3 5 讨论7 8 3 6 本章小结8 0 第四章高速光时分复用系统中时钟提取与解复用器的研究8 4 4 1 引言。8 4 4 2 基于光电反馈环的o t d m 解复用与时钟提取。8 4 4 2 1 级联电吸收调制器的光电反馈环工作原理。8 5 4 2 28 0 和1 6 0 g b so t d m 时钟提取与解复用8 6 4 2 3 实验结果与讨论9 0 4 3 基于光学非对称解复用器的o t d m 信号解复用的研究9 2 4 3 1t o a d 的工作原理。9 2 4 3 2 基于t o a d 的8 0 g b so t d m 解复用实验9 4 4 3 3 基于行波方程的t o a d 解复用性能的理论研究与讨论9 6 4 4 本章小结。1 0 2 第五章新型波分纤分光路交换网中光层组播的实现1 0 5 5 1 引言。1 0 5 5 2 新型波分纤分光路交换网的体系结构与基本功能1 0 5 5 3 基于光纤光栅波长路由的光层组播功能的实现1 0 9 5 3 1 支持光层组播的o x c 种类1 0 9 5 3 2 基于改进型d a c 元件的光层组播方案1 1 2 5 3 3 网络中光层组播的具体实现1 1 4 5 4 本章小结1 1 7 第六章结束语1 1 9 6 1 本论文主要研究成果一1 1 9 6 2 下一步拟进行的工作1 2 1 缩写词索引1 2 2 2 北京交通大学博士学位论文 目录 作者简历。1 2 5 1 以第一作者发表和录用的论文一1 2 5 2 以合作者身份发表和录用的论文1 2 5 3 以合作者申请的专利1 2 7 独创性声明1 2 9 学位论文数据集131 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自英籍华人高锟( k c g u o ) 1 9 6 6 年提出石英纤维可作为新型的通信媒质实现 信号传输以来，通信领域开启了光纤通信时代。之后，光纤通信技术日新月异， 不断刷新了人类在传输速率、传输距离和传输带宽上的记录，并为光网络的发展 带来了前所未有的繁荣。近几年来，互联网业务量的爆炸式增长对网络的容量和 速率提出了更高的要求。为了支撑这种业务的需求，光通信技术呈现出以下发展 趋势。 在光传输方面，主干网传输带宽和速率的提升仍有很大需求。思科公司预测 2 0 1 2 年i p 业务( 3 g ，i p t v ) 量到2 0 1 2 年将达到平均每月4 4 e b ( 1 e b = 1 0 9 g b ) ， 是2 0 0 7 年的六倍，并且将以每两年翻一番的速率不断增长【l 】。在这样快速增长的 带宽需求推动下，研究者们通过各种关键器件和技术的创新，在超长距离和超大 容量( u l h ，u l t r al o n gh a u l ) 的传输中不断实现了突破。到2 0 0 9 年为止，光传 输的新记录包括：利用超低损耗光纤实现3 2 t b s ( 3 2 0 x 1 1 4 g b s ) 偏振复用8 q a m 传输5 8 0 公里【2 j ；利用全链路拉曼放大器实现4 0 x 4 0 g b sc s r z d p s k 传输1 0 0 0 0 公里 3 1 ；以及1 3 5 t b s 正交频分复用( o f d m ) 相干系统传输6 2 4 8 公里 4 1 。 而这种主干网传输速率的不断升级，也对网络的交换节点提出了更高的要求。 人们致力于在光网络中实现具有透明性，可扩展性和可重构性的交换节点，因此 近年来对能够实现这些节点功能的光器件与相关技术的研究引起了研究者们的重 视。全光网络中的关键光器件包括光交叉连接设备，光波长路由设备、光放大与 再生设备等，能够实现网络节点处的波长转换、标签交换、时钟提取、信号再生、 码型转换等多种功能，从而有效地支持网络的动态组网和资源配置。 光器件的创新始终是推动全光网发展的主要动力。近年来就有许多新型的光 器件产生。如由美国康奈尔( c o m e l l ) 大学【5 】和香港中文大学1 6 提出的硅基微纳波 导、德国f r a u n h o f e r 通信研究室等提出的周期性极化反转的铌酸锂波导( p p n l ) 1 7 1 、澳大利亚c u d o s 研究所采用的高非线性硫化物玻璃( h i g h l yn o n l i n e a r c h a l c o g e n i d ef i b r e s ) 【8 j 和各种有机聚合物或纳米晶复合材料等等。这些新型光器件 在响应速率性能上有所提高并具有丰富的可利用的非线性效应，同时也体现出未 来光器件可集成化，低功耗化的发展趋势。 光子集成不仅能够从根本上改善器件的响应速率和耦合效率，还能够减小器 北京交通大学博士学位论文 件的功耗和串扰，大大提高器件的稳定性、可靠度和成品率，从而降低芯片的整 体造价，使器件走向实用化成为可能【9 ，1 0 1 。具有光子集成潜力的器件能够灵活地与 其他器件集成设计，从而实现更多更高级的网络节点功能，满足未来全光网技术 的要求。由此可知，可集成将是未来全光网中光器件的要求之一。 本论文结合欧盟框架计划下信息科学领域方向的i o l o s 项目 ( f p 6 - 2 0 0 5 - i s t - 5 ) “i n t e g r a t e do p t i c a ll o g i ca n dm e m o r yu s i n gu l t r a - f a s tm i c r o r i n g b i s t a b l es e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，以及国家8 6 3 项目“1 6 0 g b s 一泵多纤光传输技术 的研究”和“全光波长交换关键技术”的实施，对应用于全光网络的新型集成半 导体环腔激光器( s r l s ) 、光时分复用( 0 t d m ) 时钟提取与解复用器、以及支持 光层组播的光交叉连接( o x c ) 设备等关键光器件进行了深入研究。 1 2 集成半导体环腔激光器的研究意义与现状 1 9 8 0 年，加州大学伯克利分校a n d r e w 研究小组成功制备了第一个半导体环 腔激光器( s i 也s ，s e m i c o n d u c t o rr i n gl a s e r s ) 1 l j ，如图1 1 ( b ) 所示。s r l s 是一 种环形谐振腔完全由半导体材料构成的激光器。它的环腔半径在5 6 0 0 # m 范围。 随着半导体制造技术的不断提高，可以进一步降低环腔半径从而使整个环长在微 米量级。s r l s 的这种微环腔结构使其具有了许多“新 的特性，从而使s r l s 光 器件具有很多性能上的优势。 ( a )( b ) 图1 1 环腔激光器：( a ) h e - n e 环腔激光器；( b ) 半导体环腔激光器 1 2 1 集成半导体环腔激光器的优势 首先，集成s r l s 从结构上不存在解理面，所自有的环形闭合腔有效避免了解 理面带来的波导的“断裂 ，非常适合与其它器件一起进行集成设计眩1 3 1 ，因此是 2 第一章绪论 一种集成性极佳的光器件，满足未来全光网中光器件集成化发展的趋势。因此， s r l s 作为一种可集成的激光源被人们广泛关注。另外随着制作工艺的不断提高， s r l s 环腔长度可以缩小至微米量级。这种微环腔将使环腔内模式的间隔变大，从 而使s r l s 作为光源极易实现单模激射且不需要额外的选频器件。图1 1 ( a ) 为传 统的环腔激光器【1 4 1 5 1 ，它的这种多球面反射镜形成的谐振腔无法做到微米量级。 而在光纤材料的光纤激光器中，光纤损耗在微米量级的环半径下会随着半径的减 小将急剧增加，从而带来了极大的腔内损耗。 再次，s r l s 在军事上具有特殊的应用，可用于实现导航激光陀螺仪。s i 也s 环腔内的模式与f p 腔不同，是行波模式而非驻波模式。因此不存在增益曲线上的 空间烧孔现象。当环形激光器绕着垂直光路平面的轴线转动时，两列行波在谐振 频率上会发生符号相反的移动，迭加后产生的拍频与转动角速度成正比，从而精 确测量到与环形激光器相联的飞行器上的转速，实现军事上重要的导航设备：激 光陀螺仪【蛉1 9 】。 同时，s r l s 的半导体微环腔不仅可作为激光器的选频器件，同时由于其较大 的非线性系数，也使s r l s 同时具有许多独特的非线性现象，为其在全光网络的应 用提供了基础。 1 2 2 集成半导体环腔激光器在全光网的应用研究现状 以往，人们多关注于s r l s 在激光源和陀螺仪中的应用，但对s r l s 在全光网 中的应用研究却一直处在空白。 图1 - 2s r l s 用于光触发器( f l i p - f l o p ) 的实现 北京交通大学博士学位论文 2 0 0 2 年，m a r cs o r c l 首次报道了具有方向双稳态的集成s r l s 2 0 2 1 】。图1 2 给 出了s r l s 在方向双稳态区域中的正反两个方向上的输出特性。由图可知，s r l s 的输出激射方向在外界注入光后会发生反转，且在注入光撤消后，仍能稳定激射 在该方向上。这样的特性就使得s r l s 本身就如同电子器件中的触发器( f l i p f l o p ) ， 具有了相应的逻辑功能。在此报道之后，布里斯托大学研究小组相继报道了利用 s r l s 的方向双稳态特性实现光开光，信号再生、逻辑门的实现和标签交换等研究 成果 2 2 粕j ，开启了s r l s 在全光网中的应用。 研究者对s r l s 在全光网中的应用前景充满了期待。它不仅能够以其优越的可 集成性和光控光特性成为未来光子计算机中理想的逻辑器件，还能够在不加载电 流时，作为一个微环谐振腔实现效率增强的波长转换或在自由载流子的注入下产 生谐振腔频率变化来完成全光开关或解复用等【2 7 3 0 1 。同时，若将多个有源和无i | 的s r l s 结合起来进行集成设计，能实现大部分全光网节点所需的功能，因此对 所进行的研究是非常有意义的。 表1 - 1 集成s r l s 与不同非线性器件的性能比较【3 1 j c h a r a c t e r i s t i c ss r l ss o an o n l i n e a rf i b e r 器件大小 。2 0 x 2 0 9 m 2 10 0 0 x 3 0 0 p m 2k m 量级 集成性优一般无 偏置电流 l o d b )低 的a s e 噪声 非线性系数高高w - 1 k i n - 1 量级 不需要泵浦光，激光器本 逻辑性需要泵浦光需要泵浦光 身具有自稳定 触发信号的功率小，通常在2 0 d b m较高较高 功耗低高功耗无功耗 器件大小与处理速随着处理速度的提高，器随着处理速度的提高， 不断增加 率之比件尺寸更小器件尺寸不断增加 表1 1 给出了s r l s 与常用非线性器件性能的比较。从表中可以看出，s r i 的激光特性使其输出的信号消光较高，并且载流子的浓度会始终保持在阈值处葡 4 第一章绪论 不随电流增加而增大，因此s r l s 能够克服s o a 中的高自发辐射噪声的缺点；同 时s r l s 具有器件尺寸小，所需的偏置电流约为几十毫安，因此比s o a 中几百毫 安的偏置电流大大降低，在器件功耗上大大降低；同时，s r l s 随着处理速度的提 高，器件尺寸会不断减小，更适合于高速光网络中的集成应用。而s o a 中却需要 加大器件尺寸来得到更大的非线性效应，这样，随着速率的不断提高，s o a 的尺 寸将会不断增大，从而限制它在高速网络中的应用。非线性光纤用于实现全光网 节点功能时，常常需要千米量级的长度来保证非线性效应足够大，所需要的泵浦 光也在瓦特( w ) 量级，功耗较大，并且在可靠性和稳定性上也存在一定的不足。 由此可以看出，s r l s 具有非线性系数高，集成性好，功耗低，阈值电流和所 需触发信号功率小等优点，在全光网的应用中具有很大的性能优势。 目前，欧盟i o l o s 项目支持下的英国布里斯托( b r i s t 0 1 ) 大学【3 2 ，3 6 】，格拉斯 哥( g l a s g o w ) 大学【3 7 】，意大利的帕维亚( p a v i a ) 大学【3 8 】，布鲁塞尔自由大学( v r i j e ) 大学【3 9 】共同对s r l s 开展了大量的实验和理论研究，在器件制作上具备成熟的技 术，是s r l s 在全光信号处理研究领域中的开启者与带头者。其他研究机构则包括： 美国加州大学伯克利分校，新墨西哥大学，加拿大的英国哥伦比亚大学，他们在 s r l s 的制作以及在陀螺仪中的应用上进行了相关研究【4 0 】；中国香港城市大学、希 腊的雅典( a t h e n ) 大学【4 1 】和澳洲的悉尼大学【4 2 】也刚开展一些理论研究，但在实验 方面却尚未开展。而在国内，对s r l s 的研究同样处于起步阶段，还没有制备成功 的器件。因此，s r l s 在全光网中的应用有许多工作尚待进行。 此外，s r l s 目前在全光网中的应用主要是基于其方向上的双稳态特性，研究 者通过增加外注入保持光的条件下，还得到了多个拓展后的稳态特性。基于这些 特性，使s r l s 在全光网的应用得到进一步拓展，如单稳态( m o n s t a b l e ) 特性【3 2 】、 门限特性【3 3 1 和两个注入光下的磁滞现象1 3 4 ，3 5 】等实现了光逻辑、信号再生等。然而， 随着s r l s 中许多新型非线性特性的不断发现，针对这些非线性特性及其在全光网 中的应用也都还需要进一步的探索与拓展。 本文对s r l s 的主要研究工作是针对s r l s 中最新报道的注入锁定和腔内增强 型四波混频特性展开的。文中对s r l s 进行了深入的实验和理论研究。在实验上， 系统研究了c e f w m 的特性，并从三个应用方向拓展了s r l s 在全光网中的应用 【4 3 】7 1 1 2 4 ；在理论上建立了适用于分析s r l s 多模耦合现象的速率方程模型。这些研 究成果均属于对s r l s 全