基于半导体光放大器的全光高速二进制数据序列的识别

摘要

在光纤通信系统中,光信息安全的重要性日益凸显。全光高速二进制数据序列识别,作为光信息安全的关键技术,也得到了研究人员的关注。目前全光高速二进制数据序列识别系统主要基于相关器和全光逻辑门。基于相关器的系统结构相对比较简单,但是由于相关器输出信号的信噪比相对较差,阈值检测中阈值比较难以设定。同时高速系统的工作速率对器件提出了更高的要求。本文将重点研究基于全光逻辑门的全光高速二进制数据序列识别。因为半导体光放大器(Semiconductor optical amplifier, SOA)具有较高的非线性光学效应及潜在的集成优势,被广泛地应用在全光逻辑门中。基于全光逻辑门的全光二进制数据序列识别系统得到了研究人员的深度研究,但是在工作速度和新结构上仍然有很多值得研究的地方。本文将着重对基于半导体的全光高速二进制数据序列识别系统进行研究。
　　本文就基于半导体光放大器的全光高速二进制数据序列识别,将从从理论和实验两方面展开研究,具体的研究工作如下:
　　(1)首次对全光高速二进制数据识别系统进行了理论分析。系统中全光逻辑门都是基于SOA构建的,所以本文首先建立了SOA的模型。该模型根据已有的模型进行简化,可以明显加快系统的仿真效率。同时该模型考虑了 SOA中重要的物理过程,因此能够准确把握 SOA的增益恢复特性和相位恢复特性。
　　基于已建立的SOA模型,本文首次仿真实现了40Gb/s的全光高速二进制数据序列识别系统。首先对“异或”门、“与”门和信号再生器分别进行仿真。在此基础上,本文分别进行了4-32位的数据序列识别。通过精确地调整输入输出光功率和时延,同时合适地选择“与”门的泵浦光和探测光,来保证信号经过多次循环后的质量。该结构不仅能够成功识别目标数据序列,同时可以精确定位出目标序列出现的位置。最后我们将仿真结果和已有的实验结果进行比较,二者能够很好地吻合。
　　(2)对系统中的高速全光开关进行了实验研究,以便进一步的提高系统工作速率。我们首次提出了集成加速开关的概念,并在实验中验证集成加速开关的工作特性。之后我们基于集成加速开关,完成了42.4Gb/s、84.8Gb/s和169.6Gb/s的逻辑“与”门。在实验中我们得到了逻辑“与”门的输入输出眼图和波形,验证了集成加速开关在更高速系统中的应用前景。
　　(3)对全光高速二进制数据序列识别的新方法进行了探索。我们首先提出了一种并行方案。通过将循环后的目标序列和待识别数据序列进行“同或”运算。再通过对待识别数据序列的N次循环移位完成识别。该结构仅需一个逻辑门就可以完成识别,但是在分析时需要手动添加窗口,对信号同步提出了很高的要求,无疑加大了结果分析的难度。为了解决这个问题,我们提出了一种改进方案,通过加入“与”门在比较时引入一个比较窗口。该结构需要增加一个逻辑门,可以降低识别结果分析的难度。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2全光高速二进制数据识别的应用

1.3全光高速二进制数据识别的研究现状

1.4本文工作

第二章 半导体光放大器的理论分析模型

2.1半导体光放大器的结构与工作原理

2.2半导体光放大器的理论模型与数值仿真

2.3本章小结

第三章 基于SOA-MZI的全光高速二进制数据序列识别的数值仿真

3.1全光二进制数据序列识别的工作原理

3.2全光高速二进制数据序列识别的数值仿真

3.3本章小结

第四章 集成加速开关的设计

4.1加速开关

4.2集成加速开关的设计与性能

4.3基于集成加速开关的“与”门的实验探究

4.4本章小结

第五章 全光高速二进制数据序列识别的新方法

5.1全光二进制数据序列的并行识别新方法

5.2全光二进制数据序列并行识别方案的改进

5.3本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录 缩略词

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文和专利