（光学工程专业论文）双波长双环全光缓存器的研究.pdf

中文摘要 摘要：全光缓存器能够在光域内直接完成数据包的存储而不需要经过光一电一光 的变换，有效克服了现存通信网络中的电子速率瓶颈，成为全光包交换网络中交 换节点的关键器件。以半导体光放大器为非线性元件的双环全光缓存器是一种新 型的全光缓存器，它具有结构紧凑、读写易操作等优点。以往双环全光缓存器主 要针对单波长，低速信号加以研究，但是随着信息量的增大和密集波分复用系统 的成熟，我们有必要对于双坏全光缓存器的多波长缓存特性进行研究。本文针对 双环全光缓存器对双波长信号应用中的若干关键问题进行了深入研究和探讨，取 得的成果对其它基于半导体光放大器的环路型全光缓存器缓存多波长信号同样具 有重要的参考价值。本文的主要部分包括以下几点： 1 研究了双波长信号在s o a 中的增益特性。 2 对双波长的2 5 g b s 和1 0 g b s 高速信号光在双环全光缓存器( d l o b ) 中的缓 存问题进行了分析和实验的研究 3 利用s o a 的饱和工作点来满足各个比特之间的功率均衡，大大改善了信号的 输出质量，这一点对更多信道信号的缓存同样具有借鉴意义。 4 对8 个波长高速信号在d l b o 中的缓存进行了初步的理论分析和实验的研究 关键词：全光包交换；双环全光缓存器；半导体光放大器；交叉相位调制；多波 长 分类号：t n 9 1 a bs t r a c t a b s t r a c t ：b u f f e t i n g i sa ne f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h ep a c k e tc o n t e n t i o ni no p t i c a l d o m a i nw i t h o u tt h ec o n v e r s i o no f o p t i c a l e l e c t r o n i c - o p t i c a l ( o e o ) a n da l l 。o p t i c a l b u f f 打b e c o m e st h ek e yc o m p o n e n ti no p t i c a ls w i t c h i n gn o d e t h ea l lo p t i c a lb u f f e r w h i c hi sb a s e do nd u a ll o o po p t i c a lb u f f e ri san o v e lo p t i c a lb u f f e r t h eo p t i c a lb u f f e r h a st h ea d v a n t a g e so fs t a b l e n e s s ，c o m p a c t n e s s ，l o wc o s ta n de a s yi m p l e m e n t a t i o n m o s t o fp a s to p t i c a lb u f f e ra ree x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e df o rt h es i n g l ew a v e l e n g t h ，l o w s p e e ds i g n a l sb u f f e r i n g o ru s i n gaf r e q u e n c y - r o u t i n g - t y p et i m ed i v i s i o ni n t e r c o n n e c t i o n n e t w o r k t h er a p i dg r o w t ho fi pa n dm u l t i m e d i as e r v i c e sa r ed r i v i n gd e m a n df o rh i g h c a p a c i t ya n dh i g hs p e e do p t i c a ln e t w o r k s m u l t i w a v e l e n g t ho p t i c a l b u f f e ri sm o r e r e q u i r e dt ob ei n v e s t i g a t e d i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h ed u a l 。w a v e l e n g t hs i g n a l s b u f f e r i n gi no p t i c a lb u f f e rb a s e do nd l o b t h e s ec o n c l u s i o n sc a n a l s ob ea p p l i c a b l e f o ra l lt h eo t h e rs o ab a s e dr e - c i r c u l a ra l l o p t i c a lb u f f e r s w h a tih a v ed o n ea r ea s f o l l l o w s ： 1 w ed ot h er e s e a r c ho nt h eg a i nc h a r a c t e ro fs o a f o rd u a l - w a v e l e n g t ho p t i c a ls i g n a l s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h e o r ya n a l y s i s - 2 w ed or e s e a r c ho n2 5 g b sa n d10 g b sd u a l w a v e l e n g t hd a t ap a c k e t sb u f f e r e di n d l o b 3 w h e nb u f f e r i n gt h ed u a lw a v e l e n g t hs i g n a l s ，t h en o n u n i f o r mi n p u tp o w e r b e t w e e n b i tt 1 ，a n dt 1 + 1 w i l li n d u c eu n b a l a n c e dp o w e rg a i n i n s i d et h ep a c k e t i ti s i m p o s s i b l et os t o r ea l ld u a l w a v e l e n g t hb i t sa t t h es a m et i m ei nt h i sc a s e w es o l v e t h i sp r o b l e mb ym a k i n gs o aw o r ka ti t ss a t u r a t i o np o i n t ( 16 5 m a ) w h e r ea l l b i t s p o w e rw i l lb ea p p r o x i m a t e l ye q u a l t h i si ss oc a l l e d p o w e r e q u a l i z a t i o n 4 w ed or e s e a r c ho n8 10 g b sd a t ap a c k e t sb u f f e r e di nd l o b k e y w o r d s ：a 1 1 o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g n e t w o r k ；d u a l - l o o po p t i c a lb u f f e r ； 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 ；c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ；m u l t iw a v e l e n g t h c l a s s n 0 ：t n 9 1 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，也不包含为获得北京交通大学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：饲岁钥户 签字日期： 哆年夕月7 歹7 同 4 1 学位论文版权使用授权书 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， 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：确煳严 签字日期：御吖年严月哆日 志丫 ，纠，v 耄 年 盈叶 名 ： 签 期 蕞p 了 师 日 导 字签 致谢 值此论文完成之际，我谨向在我人生的这一重要阶段给予我帮助的所有人表 达我最衷心的谢意! 感谢我的导师盛新志教授在学习上和生活上给予我的关心和帮助，他严谨细 致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样。感谢吴重庆教授在科研工作 中给予我的悉心指导，使我顺利的完成了实验室的科研任务，教授严谨的治学态 度和科学的工作方法都给了我极大的帮助和影响。在此，谨向两位老师表示衷心 的感谢和崇高的敬意，祝愿他们身体健康，全家幸福! 感谢我的师兄f 只昌勇博士，他对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。感谢李政勇博士、杨双收博士、程木博士、王亚平 博士、余贶禄博士、赵爽博士，他们孜孜不倦的求是精神潜移默化的影响了我， 鞭策着我在未来的人生之路上要不断迸取。 感谢王雪、张煦、冯震、李雪、赵瑞、宋超、张人元、孟庆文，与他们两年 半朝夕相处的日子是我一生的精神财富，是他们让我感受到了兄弟姐妹般的关怀， 让我沐浴在家庭般温馨的环境中学习生活。 最后，感谢我的家人，感谢他们对我无私的爱以及经济和精神上的巨大付出。 虽然在千里之外，却一直默默地全心全力支持我、。鼓励我和关心我，没有家人的 理解和支持，我不可能在学校专心完成我的学业。 l引言 1 1全光包交换网 近年来，随着因特网及多媒体业务的多样化，网络流量飞速增长，约8 1 5 个 月数据量就会翻番。快速增长的业务流量对网络带宽提出了更高的要求，各国纷 纷采用波分复用技术对已有的网络传输链路进行扩容，链路容量已经不再是网络 瓶颈。网络交换节点处仍需对数据进行光一电一光的变换，虽然路由器制造商已 推出了太比特级的电路由器，电子器件响应时间及节点设备本身带宽的限制形成 了网络节点处的电子速率瓶颈，对超大容量的光纤传输系统仍不适应，互连网拥 塞仍经常发生。电路由器升级空间有限，促使研究目标转向全光包交换网络 ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h ，o p s ) 【1 2 1 。 o p s 是分组级的光信号处理，比波分复用网络灵活，能有效利用光纤巨大的 带宽资源。o p s 的优点还在于：光信号在通过交换单元时不需要进行光一电一光 的变换，因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率和调 制方式透明，可以大大提高交换单元的吞吐量。光交换可以分为两种情况，一是 在光域内交换，控制在电域内完成，称为电控光交换；二是实现全光的交换，由 光控制的光交换，这也是o p s 发展的目标。由于光逻辑器件的功能还非常简单， 不能完成控制部分复杂的控制操作，因此目前的光交换单元还都要由电信号来控 制，即电控光交换【3 】。近年来多种基于o p s 的策略被提出，所有这些策略的共同 点就是采用光电混合对数据包进行处理：包头是在电域处理，净负荷则在光域处 理【4 1 。 o p s 网络节点的结构如图1 1 所示【5 】。主要包括三部分：包同步，用来对入口 数据进行相位校准，在每个输入端口按初始参数无源地对齐光包；包缓存单元， 利用全光缓存器按需求提供一定的延缓时间以便节点进行包头处理，而且当不同 用户争用同一通道时，光缓存器能够提供有效的解决方案，在提高网络节点吞吐 量的同时可降低丢包率；包交换单元，作用是将包发送的合理的路由并实时地解 决冲突，同时管理光包的填充以保证无负载时系统能够正常运行。 目前全光开关和信号处理器件相对成熟，光缓存器的研制成为研究的重点。 l k m 破6 p 蛔豫rs ，恤c i i 拍妇t 冁b u f f e t i n g 跏讯：知l n 鬟m u l t t p l e l e r 1 1 全光包交换网络的：钙点结构 f i g 1 1t h en o d ec o n f i g u r a t i o no fa l l - o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k 1 2 全光缓存器概述 如图1 2 所示，全光缓存器是一个无需进行光电变换且具有光输入与光输出数 据流的器件，输出数据流厶。，( 厶t ) 是输入数据流厶( o ，t ) 的拷贝( 为器件长度) ，数 据在一定的色散和失真范围内能够缓存一定的时间f ，即厶们( 厶t ) 厶( o ，t 一彳) 。 缓存器的写入与读出时间以及数据被缓存的时间则是由外部控制信号控制且是随 机可变的【6 】。图1 3 为缓存器在全光包交换中如何解决数据包冲突的示意图。当来 自a 、b 两个不同信道的数据包同时到达交换节点且需要被路由到相同目的地址 时，缓存器可以让其中一个数据包在其中暂存的同时允许优先级高的数据包通过， 当线路空闲时在释放其中的数据包。 z = 0z = 厶 il 图1 2 全光缓存器的定义示意图 f i g 1 2d e f i n i t i o no fa na l l - o p t i c a lb u f f e r 2 图1 3 全光缓存器在包交换网络中的应用 f i g 1 3o p t i c a lb u f f e rp r o v i d i n gc o n t e n t i o nr e s o l u t i o ni na l lo p t i c a ls w i t c h 除了全光通信系统，全光缓存器还在全光信号处理、射频光子学( 如相位振 列天线) 及非线性光学中有着广泛的应用。 1 3全光缓存器的研究进展 光子是玻色子，如果不把光子转变为其它形式的能量，理论上光子不可能停 下来，唯一的办法是使光信号延迟一段时间，以便对高速光信号进行处理。光信 号的传输时间可表示为t = l ，其中为光传输路径长度，v 。是群速度，所以“光 缓存”可以从两方面着手：一是减慢光的传播速度，一是延长传输路径1 7 j 。目前提 出的全光缓存器可分为两大类：一类是减慢光速的慢光型( s l o wl i g h tt y p e ) 全缓存 器，一类是延长传输路径的光纤延迟线或光纤环型( f i b e rd e l a yl i n eo ff i b e rl o o p t y p e ) 全光缓存器。本论文主要研究第二类。 光纤延迟线或光纤环型全光缓存器主要有以下几种方案：最早提出来的方案 是利用光纤的延时特性，配合光开关就构成了“交换延迟线 ( s w i t c h e dd e l a yl i n e ， s d l ) 来调节延迟时间，由美国m a s s a c h u s e t t s 大学的i c h l a m a t a c 等人在1 9 9 1 年 提出【8 】，结构如图1 6 所示。光子在光纤中传输会产生5 n s m 的时间延时，对于 1 0 g b s 的码流可以容纳大约5 0 比特，对2 5 g b s 的码流可以容纳1 2 个比特。当两 个数据包冲突时，可以将优先低的数据包在延迟线中暂存一定时间后再输出。原 则上该结构的缓存器，可以精确到1 个比特。它的缺点也是显而易见的：首先它 不能进行“读一写”控制，不是真正意义上的缓存器，严格地说只是一个可调延 时器，延时时间也非常有限。存储时问不能随意调节，对于比较复杂的调节要求， c d c d c d 将导致节点数的增加，成本、数据串音都会随之增加。 s w ls w 2 s w 3 幽1 6 交换延迟线( s d l ) f i g 1 6s w i t c h e dd e l a yl i n e 1 9 9 7 年，g l e n nd b a r t o l i n i 等人提出了法布里一珀罗谐振腔( 英文，f p ) 的方案， 其结构见图1 7 所示。其基本思想是在一根光纤的两端分别加一个反射镜和非线性 光纤环路镜( 英文，n o l m ) ，当信号由n o l m 引入光纤后将m 1 调整为反射状态， 光信号在由两个全反射镜组成的f p 腔中来回运动，形成存储效应。当需要将数据 读出时，只需将n o l m 改为透射状态即可。他们报道的实验中实现了3 2 - b i t 数据 包l m s 的存储【9 】。2 0 0 1 年，在该方案的基础上将反射镜m 1 改为n o l m 用于存储 数据包的读写”控制【1 0 1 。 图1 7 基于法布里一珀罗腔的光缓存器 f i g 1 7a l l - o p t i c a lb u f f e rb a s e do nf a b r y - p e r o tc a v i t y 4 9 d oo 哐一 o i 盯一阼 亡卜吨謦枷- ! 璺蹙盟u 锄 踺紫u o o u i , a i o i i ! 图1 8 光纤环耦合方式输出的光缓存器 f i g 1 8a l l - o p t i c a lb u f f e rb a s e do nf i b e rl o o pc o u p l i n g 使用最为广泛是基于光纤环( f i b e rl o o p ，l p ) 的方梨1 0 】。带有功率补偿的光纤 环如果不考虑噪声的积累，理论上信号在里面的存储时间无上限，技术的关键是 如何将信号“写入”和“读出 。文献【l l 】中采用的是光耦合输入一耦合输出的方式， 其结构如图1 8 所示。光纤环中的9 0 ：1 0 耦合器用于耦合输出存储数据包，2 米长 的掺铒光纤在外界泵浦光的作用下对环中数据进行功率补偿，整个光纤环长2 3 5 米，成功实现了1 0 g b s 、1 2 5 k b 数据包的存储。该方案的另一特点还在于它利用 半导体激光二极管的交叉增益调制首次实现了光域的幅度调制，减小了环内信号 的时间抖动，1 9 9 8 年该系统实现了4 0 g b s 、3 0 0 圈的信号存储引。 图1 9 基丁波长变换的环行全光缓存器 f i g 1 9o p t i c a lb u f f e rb a s e do nw a v e l e n g t hc o n v e r t o r 波长变换技术在1 9 9 6 年提出用于光纤环数据的读写操作1 3 1 ，其结构如图1 9 所示，环两侧的阵列波导光栅a w g 起复用和解复用的功能，光纤布拉格光栅f d b 控制缓存器的输出波长为名5 ，光纤环长2 4 米。当数据包需要被缓存4 圈时则初始 数据的波长选择 ，进入缓存器后要先后经历 斗五2 ，名2 一t 3 ，五3 一厶，五。呻五5 这 样的波长变换过程后由左端的光纤布拉格光栅f b g 输出；当初始数据的波长为如 时，则经历五2 专 ，名3 j 厶，名4 寸五5 变换后缓存3 圈输出，依此类推，可通过改变 初始数据的注入波长来控制缓存的圈数亦即存储时间。 图1 1 0 双环耦合全光缓存器 f i g 1 10d l u a l - 1 0 0 po p t i c a lb u f f e r 2 0 0 5 年，基于3 x 3 平行排列耦合器的d l o b 方案被提出，其结构如图1 1 0 所 示。该缓存器巧妙地利用了3 x3 平行排列耦合器的干涉特性，由光纤连接耦合器 两侧的边端口形成字型光纤环，数据包的读写控制则是由放置于环中的s o a 这 非线性相移元件来完成。当需要被缓存的数据包经环型器进入耦合器的2 端口， 它在4 、6 端口将被分为等强度的两束光分别沿顺时针和逆时针方向传输。当同步 控制光脉冲不存在时，两束信号光绕行右侧环一周后返回耦合器二次干涉后将由 原输入端口2 反射输出。当同步控制光通过一个波分复用耦合器w d m 引入光纤 环时，由于s o a 中交叉相位调制的作用两束信号光问将会产生一非线性相移。调 节控制光的功率使得该相移达到万时，信号光干涉后将会出现在1 、3 端口，此后 信号光将会一直在字型光纤环中绕行，这就是存储效应。当要读出数据时只需 再次引入控制光脉冲，这样数据包就从2 端口被读出。该方案的优点在于结构简 单易于集成、读写速度快易操作。 目前已实现了单波长信号2 5 g b s 、3 2 圈的数据存储。 1 4 本文结构 第一章绪论阐述了全光包交换网概念提出的背景及网络中的关键技术。作为 6 全光包交换网络中的核心器件，全光缓存器性能的优劣直接关系到网络节点处的 吞吐量及丢包率等特性。本章综述了全光缓存器的研究进展。 第二章对s o a 的交叉相位调制效应及噪声特性做了详细分析。此外，作为多 波长缓存的基础，对s o a 的多信道放大特性也做了相应的研究，尤其是对s o a 中双波长信号的增益放大特性。 第三章首先详细介绍了基于s o a 的萨格纳克型d l o b 的工作原理，随后对双 波长的2 5 g b s 和1 0 g b s 高速信号光在双d l o b 中的缓存问题进行了详细分析和 实验的研究。实施利用s o a 的饱和工作点来满足各个比特之间功率均衡的方案， 大大改善了信号的输出质量。 第四章对8 个波长的1 0 g b s 高速信号在d l b o 中的缓存进行了理论分析和实 验的研究。同时对立“8 ”结构的d l o b 进行了初步的理论研究。 第五章总结了论文所取得的研究成果。 7 2 半导体光放大器的性能研究 1 9 6 2 年首台半导体激光器研制成功，它的原理是基于激光半导体介质固有的 受激辐射激光放大机制，这种机制不仅可以用于制作相干激光器，也可以用来制 作相干光放大器。当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输入相干光实 现放大f 1 4 l 。8 0 年代人们对光纤的研究取得了突破性进展，推动了光纤通信的快速 发展，人们又开始着力研究半导体光放大器( s o a ：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 ) 并希望它能成为光纤通信线路的中继放大器。1 9 8 9 年掺铒光纤放大器( e d f a ：e r d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 研制成功，由于其高增益、高输出功率、低串音、偏振不灵 敏及连接损耗小等优良特性取代s o a 成为理想的在线中继放大器，对s o a 的研 究就转向了其各种非线性效应【l5 1 。s o a 由于其良好的非线性特性如交叉增益调制 ( x g m ：c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ) l i6 。、交叉相位调制( x p m ：c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ) 0 7 1 及四波混频( f w m ：f o u rw a v e l e n g t hm i x i n g ) 1 8 】，成为全光信号处理的关键器件。 作为d l o b 的关键器件，本章对s o a 的性能进行研究，尤其对交叉相位调制 效应及噪声特性做详细分析。此外，作为多波长缓存的基础，s o a 的多信道放大 特性也是我们的研究内容，尤其是s o a 对双波长信号的增益放大特性。 2 is o a 中交叉相位调制的起源 基于萨格奈克环( s a g n a c ) 的太赫兹光学非对称解复用器( t o a d ) 或半导体光 放大器光纤环镜( s l a l o m ) 【1 9 1 、光开关2 0 1 、马赫一曾德尔结构的干涉仪( m z i ) 【2 1 】等均是利用信号光和控制光在s o a 中发生的交叉相位调制( x p m ) 这一非线性 现象来实现的。 s o a 的非线性源于有源层自由载流子的带间跃迁及带内驰豫。当脉冲宽度f 口 远大于s o a 带内驰豫时间( l p s ) 且忽略波导和材料色散的影响时，光脉 冲的慢变包络振幅a c z ，f ) 按下列方程演化 罢一古鲁=篆别一一14- 2 。彳 c 2 j ， = 一】，月一一f z ：一 i 二i ， 如1 ，。西2 和“ 其中，。是光场群速度，为光频，万是介质折射率，c 为真空中光速，r 为模式 限制因子，z 是介质磁化系数，为s o a 内部损耗系数。z 代表了介质内部的 载流子分布状况，它和载流子密度的关系可表述为【2 2 j z ( n ) = 一兰( 口+ i ) a ( n 一0 ) ( 2 2 ) 缈0 其中口为线宽增强因子，a 是微分增益系数，“为受激辐射速率等于受激吸收速 8 率时的载流子密度，称为透明载流子密度。在整个有源区内载流子密度随时间的 变化及光场所获得的增益g 可用下列方程表示 型：上n g ( n ) i a l 2 ( 2 3 ) 一= 一- j o t g y f ch a ) o g ( ) = f a ( n n o ) ( 2 4 ) 将( 2 4 ) 代入( 2 3 ) 式可求得 重：鱼羔一坐坠( 2 5 ) 西 f c h c o o a r 其中q 是电子电量，1 为注入电流，v 为有源区体积，f 。是载流子寿命，壳缈。为光 子能量，仃为波导模式的横截面，小信号增益g o 定义为 g o = f 洲o ( 如一1 ) ( 2 6 ) 其中j o 为受激辐射速率等于受激吸收速率时的注入电流。若将光场振幅分解为幅 度项与相位项分离a = 尸e x p ( j q 0 ，并引入时间变换量f = t z ，则将方程 ( 2 1 ) 、( 2 2 ) 及( 2 4 ) 、( 2 5 ) 联立可求得下列方程 = ( g 一口i n t 、) r c z ，f ) ( 2 一7 一) _ 2 【g 一口i n t ，f ) l ， 挈：一i 1 昭( v ) ( 2 8 ) 一= 一一，r p zt ll ， j 77 旦曼：墨q 二墨! 三：三! 一g e ( z , r ) a( 2 9 ) a t t ch r o o c r 上述三个方程完整的描述了光场经过s o a 时的功率、相位变化及获得的增益。对 ( 2 8 ) 式积分可得【2 3 】 伊( f ) = 一吾口r g ( z , r ) d z = 一了1a l n g ( f ) 】 ( 27 1 0 ) 由( 2 1 0 ) 可以看到光场经过s o a 时获得的相移和其增益g ( f ) 相关联，x p m 效 应即是源于此物理机制。当信号光和控制光同时通过s o a 时，控制光的存在消耗 掉有源层的一部分载流子从而会改变信号光所获得增益，信号光的相位也随之发 生变化，产生了相位调制作用，调制的深度决定于控制光功率。图2 1 给出了线宽 增强因子取不同值时相移随增益的变化曲线图。由该图可以看到当g ( f ) 1 时，相移小于零，且由增益导致的相移的绝对值与增益 成j 下比，此外同一增益对应的相移的绝对值同线宽增强因子成正比，线宽增强因 子越大，增益导致的相移的绝对值也越大。 9 勺 盘 d 互 c n 器 工 山 图2 1 相移随增益变化曲线图 f i g 2 1p h a s es h i f tv e r s u sg a i no fs o a 在d l o b 中要实现万相移所需的控制光功率仅为几个毫瓦【2 4 1 ，远远低于以光 纤为非线性介质的情形，且使用s o a 使得整个d l o b 结构紧凑易于集成，此外 s o a 在产生非线性相移的同时还可对信号光实现放大，这样对环路损耗起到了补 偿作用，大大增加了信号的缓存时间，所以在d l o b 中选择了s o a 做为环路中的 非线性元件。 2 2s o a 的噪声特性 半导体光放大器是一种基于受激辐射的相干光放大器，同时又存在自发辐射， 该自发辐射是一种固有的非相干光辐射。输入相干光通过放大器后得到了放大， 同时也混入了自发辐射噪声( 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 n ：a s e ) 。即使没有光 输入时，a s e 依旧存在【2 5 1 。自发辐射因子n 。常用来衡量s o a 自发辐射噪声的大 小，定义为闭 n 。：上生r _ ( 2 1 4 ) = 一。= 一 l 厶j q ， 卧 n n qi g 一仅随 其中，o 分别为载流子浓度和透明载流子浓度，r 为模式限n n 子，g ，口i n t 分别 为介质的增益系数和吸收系数。“自发辐射因子”这一概念定义较为复杂，涉及到 半导体内部能级结构，所以人们通常使用“噪声系数”这一概念，它能够更为直 观地来描述s o a 的噪声特性。噪声系数竹定义为放大器输入信噪比和输出信噪 t 0 比之问的比值或理解为放大器输出信噪比的恶化，即【2 7 l 胛：盟2 刀。+ 上t ( 2 1 5 ) ( s n r ) 删 妒 当输入信号 足够大，以致a s e - a s e 之间的比特噪声同信号与a s e 间的比 特噪声相比可以忽略时，脬可以简化为 n f = 2 n 印 ( 2 1 6 ) 对于理想状态下的放大器有聆，。= 1 ，此时n f = 2 ，即理想光放大器的噪声系数 n f = 3 d b 。实验中使用的s o a 是i n p h e n i x 公司产品( s n ：8 6 0 4 0 2 0 5 9 ) ，其性能参 数如表2 1 所示。该参数列表中n f = 8 d b ，即该s o a 的自发辐射因子为3 1 5 。 表2 1s o a 性能参数列表 t a b l e2 1d a t es h e e to ft h et e s t e ds o a p a r a m e t e r s y m b o l v a l u eu n i t p e a kw a v e l e n g t h 兄口 1 5 4 0m 3 d bb a n d w i d t h 如拈 4 5 8 9n l n s m a l ls i g n a lg a i ng1 8 3d b g a i nr i p p l ea tm a xg a i ngo 6d b s a t u r a t i o no u t p u tp o w e r 艺， 8 6d b m n o i s ef i g u r en f8 0d b p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tg a i n p d g0 9d b 图2 2 ( a ) 、图2 2 ( b ) 分别是d l o b 中所使用的s o a 在驱动电流为1 0 0 m a 、1 5 0 m a 和2 0 0 m a 时a s e 的输出光谱图。图2 3 是用功率计测量a s e 的结果，功率计后 没有加窄带滤波器。当驱动电路为6 0 m a 时a s e 仅为1 9 3 , u l , v ，随着驱动电流的 增加a s e 迅速增加，当电流为2 4 0 m a 时a s e 已达8 7 5 3 形。图2 4 给出的是不 同工作电流下测得的a s e 光谱的3 d b 带宽，其值在5 6 7 1 n m 之间变化略大于 s o a 增益谱的3 d b 带宽( 4 5 8 9 n m ) ，是一种宽谱噪声源。3 d b 带宽内a s e 的中心 波长测试曲线如图2 5 所示，较为有趣的是随着工作电流的增加中心波长逐渐减 小，出现蓝移。a s e 中心波长的最大值和最小值分别为1 5 5 8 4 0 8 n m 和1 5 1 1 0 4 6 n m 。 5 0 崛d 矩s ：0 5 ms 日峙：嘞h l da t e ：1s 憎l ：爿- f f 0 s o ad r l | v ec 电r r e m15 0 m a ： 一 毋? k 窖 r 。 影 ? 矿。 ， ， ( a ) 5 b dr e s ：0 5 ms 鹇：n 0 刚h i da 啦：1神l ：目1 f f o s o ad r i v ec u r r e n t l2 0 0 m a 扩。嘲氏 誉 、 、 、k 、 赫 j ( b ) 图2 2s o a 的自发辐射噪卢谱 f i g 2 2s p e c t r u mo fs o aa 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 e s o ad r i v ec u r r e n t m a 图2 3 不同工作电流下s o a 自发辐射噪声功率 f i g 2 3p o w e ro f a s en o i s eu n d e rd i f f e r e n ts o ad r i v ec u r r e n t s o ad r i v ec u r r e n t m a 图2 4 不同丁作电流下s o a 自发辐射噪声的3 d b 带宽 f i g 2 43 d bb a n d w i d t ho f a s en o i s eu n d e rd i f f e r e n ts o ad r i v ec u r r e n t 1 2 ：丑对，io_口ou 增 益 增 盏 图2 6s o a 的增益饱和类型 f i g 2 6t y p eo fs a t u r a t i o ni ns o a 在w d m 或o f d m 多信道通信系统中，传输的总功率可以表示为 p 1 旷 岁- 。a , e x p ( - 叫叫 泣 式中，c c 代表复数共轭项，a j 为第j 通道光振幅，c o j 为第j 通道光载波频率。 由于各信道合成广场较强，光放大器运用于饱和区，非线性饱和特性使各信道光 信号相干叠加时产生了不同信道信号的拍频分量。输出功率可表示为 nn n 一 尸= e + 2 e 最c o s ( f 2 业+ 力一么) ( 2 1 8 ) ，= l， 七 式中已假设4 = 虿e x p ( i 矽j ) ，q 弦= 哆一q 将此式代入 型：i n r ”p ( 2 1 9 ) d t qt “ 警巩n 专 眨2 。， 足，= r v g g = r n ( 一n o ) ( 2 2 1 ) 上式表示载流子浓度n 随注入电流i 和信号功率而变，而信号功率又随载流 子浓度而变，因此两者的变化规律由单模耦合速率方程描述。式中，r 。，为受激辐 射速率，v 。为群速度，足。为自发辐射至信号模中的速率。 发现，载流子以差频q 聩变化，因而增益和折射率亦受到频率为q 浩差频分量 的调制，这种调制称为多信道信号引起的增益和折射率光栅。这种光栅将部分信 号光从个信道散射到另一个信道，由此导致了所谓的信道间的串音。 下面我们以双波长信号为例，介绍一种更为简单的方法来介绍信道间串音的 产生。 图2 7 计算功率分配的曲线分割法 f i g 2 7m e t h o do fc u r v ed i v i d e 如图所示，曲线l 是在一定注入电流下的s o a 的放大特性曲线。设波长为元 的信号光的输入功率为异，位于横轴的点c ，通过一条垂涎c a 于曲线l 交于点a 。 再设波长为丑的信号光输入功率为只，则总功率p = 眉+ 只，处于横轴的点d ，并 通过一条垂线d b 与曲线l 交于点b ，b 点对应的输出光功率就是总的输出功率。 o b 与横轴夹角口的正切t a n 0 就是此时总的放大倍数6 1 。，。 与相交于m ，o o ba c 则m 点对应的输出功率就是五的输出功率。然后，用b d 减去c m ，剩余的长度 b n 就是疋的输出功率。 有这种曲线分割法可知，当只保持不变( 连续光) 而只随时间变化时，则b 带你在曲线l 上来回运动，这样o b 以及t a n 0 也在不断变化，于是c m 和b n 的 长度也在不断变化，于是元的输出不再是连续光。这种现象也称为交叉增益调制。 对于由比特图形决定的信道功率，并随时间变化的直接强度调制( i m ) 系统，这 种交叉增益调制是有害的，它使一个信道的信号增益随相邻信道信号的比特图形 而变，因而放大后的信号将产生或多或少的随机涨落，降低了接收机的有效信噪 比。这种由交叉饱和导致的信道间串扰与信道间隔大小无关，只能通过使s o a 工 作于非饱和区才能避免。 上述多信道系统中的串音机制是在光放大器饱和附近增益随输入功率变化而 引起的，因此为避免串音，光放大器必须工作于饱和电平以下。由于光放大器的 特性可知，放大器在放大强度调制( i m ) 光脉冲信号时，在饱和条件下必定产生 串音，但在放大功率恒定的传输格式光脉冲时，即使在饱和条件下信道间也不存 在串音。 除了非线性引起的串音机制外，在f - p 腔半导体光放大器中，还存在其他串 音机制，这种机制起因于增益峰的谐振频率的增益降低和谐振频率漂移，如下图( a ) 所示。而在行波( t w ) 半导体放大器中，只存在下图( b ) 所示增益降低导致的串音 机制。为避免串音，多信道同时放大时，f p 腔半导体光放大器必须工作于饱和电 平以下。对于e d f a ，串音依赖于调制频率，当调制频率高于1 0 0 k h z 是，就不 会产生串音，对多信道放大，e d f a 的这种特性是非常诱人的。 增益减低 谐振额率平移 增 益 增 益 增 益 ( a ) f p 腔半导体光放人器 增 益 ( b ) t w 半导体光放大器 图2 7s o a 中双波长信号的放大 f i g 2 7d u a l - w a v d e n g t hs i g n a l si ns o a 2 4 本实验所用的s o a 为了了解s o a 的增益特性与驱动电流的关系，下面搭建t n 试系统，图2 8 所 示为s o a 增益特性与驱动电流关系的实验测试系统，图2 9 为两者关系曲线图。 1 6 些立窑堂盘堂亟坐位监奎生曼住越越厶壁曲堆能鲤塞 圈2 gs o a 增益特性0 驱动电流哭系的实验系统 f i g u r e 2 8s o a g a i na n d c t l i t e n td r i v e o f t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m 激光器的波长为1 5 5 65 6 n m ，s o a 对输入光进行放大，滤波器滤除宽满噪声， s o a 驱动可提供可变的驱动电流。激光器输出波长为1 5 5 65 6 n m 直流光，经5 0 ：5 0 的耦合器分成等强度的两路光，一路由光功率计1 检测，作为输入光功率，一路 经s o a 放大，再经滤波器滤除噪声输出，由光功率计2 检测，实验测试结果见下 图；数据见表2 2 ； 圈2 9s o a 增益与驱动电流关系圈 f i g29 t h er e l a t i o n s h i p o f s o ag a i na n d d r i v ec u l t e l i i 衰2 2s o a 增益特性与驱动电流关系数据表 输入光功率3 0 0 微瓦输入光功率4 0 0 微瓦输入光功率6 0 0 微瓦 s o a 增益 输出功率s o a 增益 输出功率s o a 增益输出功率 电流( m a ) d b m 电流( r n a ) d b i l l 电流( m a ) d b m 1 9 0 24 61 9 0 3 1 61 9 0 44 9 18 02 1 2 1 8 0 29 21 8 04 1 5 1 7 0l9 01 7 026 91 7 039 0 1 6 0 1 2 21 6 01 9 51 6 03 3 l 1 5 0 o 6 91 5 01 5 01 5 02 7 1 1 4 00 0 01 4 0o 9 01 4 02 3 0 1 3 0o 6 9 1 3 0 0 1 81 3 0 1 5 6 1 2 01 4 3 1 2 0 一o 5 01 2 0 o 8 5 1 1 02 3 3 1 1 01 6 5 1 1 0 0 1 6 1 0 03 4 8 1 0 02 7 7 1 0 0 0 9 3 9 04 8 5 9 04 9 0 2 2 1 8 06 3 0 8 05 7 68 03 8 5 7 08 4 3 7 07 4 47 05 9 6 6 01 1 0 46 0 一l o6 08 5 2 由图可见，s o a 的增益特性和它的驱动电流有重要的关系，输入光功率分别 为3 0 0 微瓦、4 0 0 微瓦、6 0 0 微瓦，当光功率一定的输入光输入到半导体光放大器 s o a 时，改变s o a