基于半導(dǎo)體光放大器和光學(xué)濾波器的高速全光信號處理.pdf

1、隨著光傳輸技術(shù)的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)中單個信道的比特率越來越高，而信道數(shù)目也在不斷增加，這就要求光交換技術(shù)從光-電-光交換向全光交換轉(zhuǎn)變。全光信號處理技術(shù)，如波長轉(zhuǎn)換、邏輯門和3R再生等將是實現(xiàn)全光交換技術(shù)（包括光突發(fā)交換和光分組交換等）的基本功能單元。 半導(dǎo)體光放大器（SOA）在全光信號處理技術(shù)中具有非常大的吸引力，表現(xiàn)為非線性系數(shù)高、功耗低、輸出效率高、體積小、成本低、易于和其他光電子器件集成等。根據(jù)實驗室現(xiàn)有的40Gbit/s

2、高速光通信平臺和各種不同性能的SOA器件進行高速全光信號處理技術(shù)的實驗研究，全光信號處理技術(shù)覆蓋了全光波長轉(zhuǎn)換、全光碼型轉(zhuǎn)換、全光邏輯門及其組合邏輯、超寬帶（UWB）射頻信號的光學(xué)產(chǎn)生等。概括全文的研究成果和貢獻，有如下幾個方面： (1)研究了SOA實現(xiàn)全光信號處理的基本原理，推導(dǎo)了SOA中最基本的光場傳輸方程和載流子速率方程，分析各種非線性效應(yīng)的原理及其應(yīng)用?？偨Y(jié)了迄今為止幾種常用的SOA理論模型及其各自的適用范圍，并根據(jù)本文

3、的全光信號處理要求提出了一種超快SOA模型，提供了數(shù)值計算方法求解。 (2)首次從系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)了基于瞬態(tài)交叉相位調(diào)制（T-XPM）效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換解析公式，該公式直觀的解釋了基于T-XPM效應(yīng)實現(xiàn)同相和反相轉(zhuǎn)換的原理，并將文獻中的實驗報道和公式計算結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果十分吻合。從實驗上分別實現(xiàn)了從10Gbit/s到40Gbit/s的同相和反相波長轉(zhuǎn)換，當濾波器失諧量較小時，得到反相的波長轉(zhuǎn)換結(jié)果，此時交叉增益調(diào)制（XGM）

4、占主導(dǎo)作用，而濾波器的失諧起到加速增益恢復(fù)的作用；當濾波器失諧量較大時，可以得到同現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，此時交叉相位調(diào)制（XPM）占主導(dǎo)作用，而濾波器起到提取啁啾信息的作用。 (3)將SOA和失諧濾波器相結(jié)合，研究各種全光碼型轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法。首先從理論上提出了基于T-XPM效應(yīng)的非歸零（NRZ）到歸零（RZ）的碼型轉(zhuǎn)換，同時對碼型轉(zhuǎn)換的性能參數(shù)做了深入的分析。其次，將SOA和濾波器相結(jié)合，可以實現(xiàn)NRZ到偽歸零（PRZ）的轉(zhuǎn)換，可以得到反

5、相的波長轉(zhuǎn)換，輸出結(jié)果取決于濾波器的失諧量。最后，利用SOA的自相位調(diào)制（SPM）效應(yīng)實現(xiàn)了NRZ到PRZ的轉(zhuǎn)換和NRZ信號的2R再生功能，當濾波器選擇藍移時，就可以抑制NRZ信號的畸變，從而實現(xiàn)信號的2R再生，反之當濾波器選擇紅移時，就能提取這種過沖脈沖，而抑制信號的直流分量，最終實現(xiàn)NRZ到PRZ的轉(zhuǎn)換。 (4)全面研究了基于SOA的各種邏輯門及其高級邏輯組合器件。首先提出并實驗報道了基于T-XPM效應(yīng)的全光邏輯NOR和OR

6、門，工作速率為40Gbit/s，從理論上也研究了線寬增強因子和輸入信號脈寬對輸出信號質(zhì)量的影響。其次考慮四波混頻（FWM）效應(yīng)，首次實現(xiàn)了可重構(gòu)的多功能邏輯門，包括NOR門、OR門、NOT門、AND門和XNOR門，工作速率同樣為40Gbit/s。最后從理論上提出了基于單個SOA和若干個并聯(lián)的濾波器組合的全光半加器和全加器。濾波器相對于探測光中心波長進行不同的漂移就可以提取不同的邏輯輸出，得到“進位”位和“求和”位。 (5)系統(tǒng)研

7、究了基于SOA的全光超寬帶（UWB）射頻信號產(chǎn)生方法。首先利用T-XPM效應(yīng)實現(xiàn)了超寬帶monocycle脈沖，濾波器選擇藍移和紅移分別得到一對極性相反的monocycle脈沖。其次利用SOA的增益飽和效應(yīng)，直接從dark RZ信號中提取monocycle波形，實驗研究了注入電流、輸入信號脈寬和波長對超寬帶頻譜的影響。接著提出了一種基于XGM效應(yīng)的無濾波方案產(chǎn)生monocycle脈沖，實驗表明當信號波長在C波段變化或者輸入功率從-10d

8、Bm到6dBm之間變化時，輸出結(jié)果穩(wěn)定。最后利用單模光纖的色散特性對NRZ-DPSK信號進行微波濾波，從而獲得超寬帶doublet脈沖和triplet脈沖。 (6)研究了基于SOA的FWM效應(yīng)的全光信號處理技術(shù)。首先給出了SOA的FWM理論模型，然后根據(jù)該模型從理論上提出并模擬了一種全光比特誤碼檢測器，該器件是利用兩級級聯(lián)的SOA的邏輯NOT門和AND門來完成的，結(jié)果表明該方案對于40Gbit/s的RZ信號和10Gbit/s的N