基于QD-SOA-XPM的全光波长转换器的研究

摘要

随着全光网络的逐步建立，利用量子点半导体光放大器(Quantum-dot semiconductor optical amplifier,QD-SOA)实现的波长转换器以其具有较好的温度不敏感性、较低的阈值电流以及较高的信号处理速度和量子效率等特点逐渐成为研究的热点。
　　本文根据QD-SOA的理论模型，建立了静态和动态仿真模型，并通过牛顿迭代法和龙格-库塔法来求解仿真模型。建立了基于QD-SOA的交叉相位调制(Cross-phasemodulation,XPM)型的全光波长转换(All-optical wavelength converter,AOWC)系统，详细研究了输入泵浦光功率(Pump power)、有源区长度、泵浦光脉冲宽度(Pulse width)和最大模式增益等参数对转换后探测光的相位差、转换信号的Q因子(Q factor)特性和啁啾(Chirp)特性的影响。
　　1.研究了通过干涉仪两臂的探测光相位差随时间的变化规律。结果表明，输入泵浦光脉冲宽度、最大模式增益、输入泵浦光功率以及有源区长度均能改变探测光的相位差和转换光功率的大小。其中增大最大模式增益、输入泵浦光功率、脉冲宽度和有源区长度，均能够增大转换光功率。
　　2.仔细分析了线宽增强因子、损耗系数、输入泵浦光功率和脉冲宽度以及最大模式增益对转换光啁啾的影响。研究表明，减小线宽增强因子、增大损耗系数、减小泵浦光功率和最大模式增益以及增大脉冲宽度，能够减小转换光的啁啾，从而提高转换光的质量。取线宽增强因子为0.1、损耗系数为300m-1、泵浦光功率为-10dBm、最大模式增益为1000m-1、脉冲宽度为1.0ps，得到输出转换光的正啁啾和负啁啾的峰值分别为4.90MHz、4.40MHz，而相同条件下，交叉增益调制(Cross-gain modulation,XGM)型全光波长转换器的转换光正啁啾和负啁啾的峰值分别为0.70GHz、0.60GHz，这是XPM型波长转换器的一个优势。
　　3.以Q因子作为一个性能指标研究了全光波长转换器的输出信号质量，结果表明：对于输入泵浦光功率，存在一个最大值(-12dBm)使得波长转换器的Q因子最大达到8.82dB，而较小的泵浦光脉冲宽度和最大模式增益、较大的有源区长度都能够得到高的Q值。在实现波长转换的基础上，优化各参数数值，得到的Q因子达到16.68dB，输出信号质量较好。但是输入泵浦光功率、脉冲宽度和有源区长度的选取必须适当，因为同时获得高的消光比(Extinction ratio,ER)和Q因子存在一定的矛盾，因此选取参数时要兼顾Q因子和消光比,以提高全光波长转换器的转换质量，减小误码率。
　　4.对比了QD-SOA-XPM型波长转换器和XGM型波长转换器在相同条件下的Q因子特性。结果表明：最大模式增益、脉冲宽度、输入泵浦光功率以及有源区长度均对两种全光波长转换器的Q因子产生影响，并且XPM型波长转换器的Q因子特性优于XGM型波长转换器。在能够保证输出转换光信号质量的条件下，基于XPM效应的全光波长转换器对有源区长度和脉冲宽度的要求更低，泵浦光功率的可变化范围更广。

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第1章 绪论

1.1 光纤通信

1.2 全光网络

1.3 半导体光放大器

1.4 基于XPM效应的全光波长转换器

1.5 论文安排

第2章 基于量子点半导体光放大器的理论基础

2.1速率方程

2.2 静态模型

2.3 QD-SOA静态模型的求解方法

2.4 动态模型及求解方法

2.5 本章小结

第3章 XPM效应波长转换器的相位特性

3.1 基于XPM效应的全光波长转换器

3.2探测光的相位差

3.3 啁啾

3.4 小结

第4章XPM效应波长转换器的Q因子特性

4.1 XPM效应的波长转换器的Q因子

4.2 XPM效应和XGM效应的Q因子特性的对比

4.3总结

第5章 总结与展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢