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基于半导体光放大器的高速全光信号处理

作　者: 翁奇炜
导　师: 杨学林
学　校: 上海交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 半导体光放大器加速开关全光边沿检测器全光存储器全光信号处理
分类号: TN911.74
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光纤通信技术推动了互联网的发展,使网络的数据流量以“摩尔定律”的趋势不断增长,导致“电子瓶颈”的出现。全光信号处理,直接在光域上对信号进行各种处理,避免了光/电、电/光等转换过程,从而消除“电子瓶颈”,实现高速的信号处理和数据传输。全光信号处理包括放大、波长转换、信号再生、逻辑、缓存、分插复用/解复用、时钟提取等各种全光处理功能。由于节省了光/电/光转换和各种昂贵的高速电子设备,全光信号处理将在构建下一代节能、高效、低成本的光网络中发挥非常重要的作用。半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)具有非线性光学系数高、可集成、体积小、功耗低等许多优点。应用SOA的交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频和交叉偏振调制等非线性效应,可以完成以上各种全光信号处理功能。本文围绕基于SOA的高速全光信号处理开展了以下研究工作: SOA的时域模型本文完成了一个SOA时域建模,并提供了一个详细的数值解法。该模型包含了SOA内部的多种物理效应,包括带间跃迁和带内跃迁过程,如载流子加热(Carrier Heating, CH)过程、频谱烧孔(Spectrum Hole Burning, SHB)过程,同时考虑了SOA的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission, ASE)噪声及其增益色散等因素的影响。基于SOA的加速开关加速开关(turbo-switch)是一种全新的结构,由2个SOA和1个光带通滤波器组成,可有效地提高SOA的响应速度。本文针对加速开关做了以下研究工作:(1)在国际上首次研究了加速开关的工作机理。通过仿真详细分析了加速开关如何提高SOA响应速度,包括:SOA2补偿SOA1增益响应曲线中较慢的恢复部分,带通滤波器防止泵浦光消耗SOA2中的载流子。仿真结果与实验结果一致,加速开关可有效提高SOA的响应速度至原来的4倍。(2)仿真分析了加速开关实现160 Gb/s的全光波长转换的实验,证实了加速开关可以减小SOA的模式效应(pattern effect),提高其工作速率的可行性。(3)研究新型加速开关结构。理论研究了多个SOA级联结构的开关,探讨进一步提高开关整体响应速度的方案。仿真结果表明,当3个SOA级联在一起时,整个开关的响应时间将减小到约10 ps。(4)研究SOA偏置电流对加速开关的影响。仿真和实验结果表明:减小SOA1的电流将降低输出信号的消光比,而改变SOA2的电流可以达到减小模式效应的作用。因此,加速开关比较理想的工作方式是,给SOA1较高的偏置电流,然后调整SOA2的偏置电流来优化开关的响应速度。基于SOA的高速全光存储器高速全光存储器是光分组交换网络中的核心器件之一。本论文提出了一种基于SOA的全光存储器,具备对高速光数据包进行长期存储的能力。仿真研究的结果表明,该全光存储器可以实现对20、40和80 Gb/s的全光数据包的无误码、长时间的存储。该全光存储器是由一个AND门和一个再生器组成的环形结构。数据在环形结构中不断循环并再生,得以保存下来。其中,AND门和再生器都是基于SOA-MZI结构的,因此该全光存储器具有完全可集成的特点,方便大规模量产,从而降低器件的成本和体积。基于SOA的高速全光边沿检测器本论文提出了一种新的基于SOA的全光边沿检测器方案,用来检测NRZ (非归零)光信号的上升沿和下降沿。检测器的输出方式为ps脉冲,可以用来实现时钟提取,NRZ到PRZ码型转换,超宽带信号的生成等功能。该全光边沿检测器仅使用一个SOA-MZI,具有结构简单、可集成的优点,适合于高速数据。该方案的基本原理是:通过在SOA-MZI上、下臂各加载NRZ和NRZ反相(complementary)信号,使得上、下臂的探测光的绝对相位差值,在除了NRZ光信号的上升、下降沿之外的时间,始终保持在?。因此,SOA-MZI的相干相长(constructive)端口的输出将是一串脉冲序列,而且每个脉冲刚好对应于输入NRZ光信号的上升沿或下降沿的位置。仿真结果表明,该全光边沿检测器可以很好地工作在20和40 Gb/s的速度下,而且输出信号具有很高的质量,其质量因子(Q-factor)大于20 dB,消光比大于11 dB。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-21
  1.1 引言  11-14
    1.1.1 光纤通信技术的发展  11-12
    1.1.2 互联网的发展  12-13
    1.1.3 下一代光网络  13-14
  1.2 全光信号处理  14-17
    1.2.1 全光信号处理的范畴  15
    1.2.2 全光信号处理的实现  15-17
  1.3 基于SOA 的全光信号处理  17-20
    1.3.1 SOA 的特点  17-18
    1.3.2 国内外的研究现状  18-20
  1.4 本文的主要内容  20-21
第二章半导体光放大器(SOA)  21-37
  2.1 引言  22-23
  2.2 SOA 的非线性效应及其应用  23-27
    2.2.1 交叉增益调制  24-25
    2.2.2 交叉相位调制  25-27
    2.2.3 四波混频  27
    2.2.4 交叉偏振调制  27
  2.3 SOA 模型  27-35
    2.3.1 SOA 时域模型  28-31
    2.3.2 SOA 模型的数值解法  31-34
    2.3.3 SOA 模型的参数  34-35
  2.4 本章小结  35-37
第三章基于 SOA 的加速开关  37-55
  3.1 引言  37-39
  3.2 仿真结果及分析  39-47
    3.2.1 加速开关的增益/相位动态曲线  40-42
    3.2.2 利用加速开关减小SOA 的模式效应  42-44
    3.2.3 利用加速开关实现160 Gb/s 的波长转换  44-47
  3.3 新型加速开关结构的讨论  47-50
    3.3.1 多个SOA 级联的开关  47-48
    3.3.2 偏置电流对加速开关的影响  48-50
  3.4 加速开关偏置电流实验  50-53
  3.5 本章小结  53-55
第四章基于 SOA 的高速全光存储器  55-67
  4.1 引言  55-57
  4.2 工作原理  57-59
  4.3 仿真结果及分析  59-66
    4.3.1 AND 门和再生器的仿真结果与分析  59-61
    4.3.2 全光存储器的仿真结果与分析  61-66
  4.4 本章小结  66-67
第五章基于 SOA 的高速全光边沿检测器  67-75
  5.1 引言  67-69
  5.2 工作原理  69-70
  5.3 仿真结果及分析  70-73
  5.4 本章小结  73-75
第六章总结与展望  75-78
附录缩略词  78-81
参考文献  81-93
致谢  93-94
攻读硕士学位期间的科研成果  94-96

基于半导体光放大器的高速全光信号处理

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