基于半導(dǎo)體光放大器和光學(xué)濾波器的高速全光信號(hào)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(gè)信道的比特率越來(lái)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(hào)處理技術(shù)，如波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、邏輯門和3R再生等將是實(shí)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(hào)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(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的40Gbit/s

2、高速光通信平臺(tái)和各種不同性能的SOA器件進(jìn)行高速全光信號(hào)處理技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，全光信號(hào)處理技術(shù)覆蓋了全光波長(zhǎng)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(hào)的光學(xué)產(chǎn)生等。概括全文的研究成果和貢獻(xiàn)，有如下幾個(gè)方面： (1)研究了SOA實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)處理的基本原理，推導(dǎo)了SOA中最基本的光場(chǎng)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(hào)處理要求提出了一種超快SOA模型，提供了數(shù)值計(jì)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換解析公式，該公式直觀的解釋了基于T-XPM效應(yīng)實(shí)現(xiàn)同相和反相轉(zhuǎn)換的原理，并將文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)報(bào)道和公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果十分吻合。從實(shí)驗(yàn)上分別實(shí)現(xiàn)了從10Gbit/s到40Gbit/s的同相和反相波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，當(dāng)濾波器失諧量較小時(shí)，得到反相的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換結(jié)果，此時(shí)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(dāng)濾波器失諧量較大時(shí)，可以得到同現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，此時(shí)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(shí)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(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)NRZ到偽歸零（PRZ）的轉(zhuǎn)換，可以得到反

5、相的波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了NRZ到PRZ的轉(zhuǎn)換和NRZ信號(hào)的2R再生功能，當(dāng)濾波器選擇藍(lán)移時(shí)，就可以抑制NRZ信號(hào)的畸變，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的2R再生，反之當(dāng)濾波器選擇紅移時(shí)，就能提取這種過(guò)沖脈沖，而抑制信號(hào)的直流分量，最終實(shí)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(jí)邏輯組合器件。首先提出并實(shí)驗(yàn)報(bào)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(qiáng)因子和輸入信號(hào)脈寬對(duì)輸出信號(hào)質(zhì)量的影響。其次考慮四波混頻（FWM）效應(yīng)，首次實(shí)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(gè)SOA和若干個(gè)并聯(lián)的濾波器組合的全光半加器和全加器。濾波器相對(duì)于探測(cè)光中心波長(zhǎng)進(jìn)行不同的漂移就可以提取不同的邏輯輸出，得到“進(jìn)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(hào)產(chǎn)生方法。首先利用T-XPM效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了超寬帶monocycle脈沖，濾波器選擇藍(lán)移和紅移分別得到一對(duì)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(hào)中提取monocycle波形，實(shí)驗(yàn)研究了注入電流、輸入信號(hào)脈寬和波長(zhǎng)對(duì)超寬帶頻譜的影響。接著提出了一種基于XGM效應(yīng)的無(wú)濾波方案產(chǎn)生monocycle脈沖，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)信號(hào)波長(zhǎng)在C波段變化或者輸入功率從-10d

8、Bm到6dBm之間變化時(shí)，輸出結(jié)果穩(wěn)定。最后利用單模光纖的色散特性對(duì)NRZ-DPSK信號(hào)進(jìn)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(hào)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(cè)器，該器件是利用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的SOA的邏輯NOT門和AND門來(lái)完成的，結(jié)果表明該方案對(duì)于40Gbit/s的RZ信號(hào)和10Gbit/s的N