基于半导体光放大器的超快全光波长变换研究

摘要

激光器和低损耗光纤的发明引发了光纤通信的诞生与快速发展，而目前光纤通信网络中的光-电-光信号处理器件与系统的带宽“电子瓶颈”严重限制了光纤通信网络带宽的进一步扩展。未来的光纤通信网络将要求网络节点带宽与光纤传输容量匹配，并且对调制格式透明，因此促使全光信号处理的诞生与发展。而其中，全光波长变换是可重构、无阻塞波分复用(WDM)光网络重要组成部分。在诸多用于全光波长变换的非线性器件当中，半导体光放大器具有非线性系数大、体积小、易于集成等特点，基于半导体光放大器的全光波长变换具有结构简单、速度快、功耗低、对信息格式透明等诸多优点，已成为全光信号处理领域研究重点之一。
　　本文介绍了光纤通信发展历史及趋势、基于半导体光放大器的全光波长变换技术发展现状及方向、半导体光放大器的基本理论，并针对基于半导体光放大器的全光波长变换技术进行了详尽的讨论和研究。主要内容为：
　　1．研究半导体光放大器的载流子速率方程和光场传输方程，建立基于有限差分光束传播法的数值模型，对基于半导体光放大器交叉增益调制和交叉相位调制等非线性效应的全光波长变换进行仿真计算，模拟不同速率的归零码信号和非归零码信号的全光波长变换，并搭建实验平台实现10 Gbit/s非归零码信号以及速率高达80 Gbit/s归零码信号的全光波长变换。
　　2．研究基于半导体光放大器的全光波长变换中存在的增益恢复速率慢的原因及解决方案，采用级联半导体光放大器结构(Turbo-switch)实现了增益近4倍加快恢复，并演示了不同速率的非归零码和归零码信号的全光波长变换，获得了消光比高达11.5 dB的波长变换信号。
　　3．提出基于级联半导体光放大器结构全光波长变换当中存在的上升沿过冲问题的有效解决方案。将泵浦光信号分为两路，一路输入至级联半导体光放大器结构中的第二个半导体光放大器，完全消除了上升沿过冲，将全光波长变换功率代价减小至0.3 dB。
　　4．提出级联半导体光放大器结构的单片集成方案，并利用分立器件从实验上证明了该方案的可行性。

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第一章 绪 论

1.1 光纤通信技术的发展

1.2 全光网络的概念

1.3 全光波长变换技术简介

1.4 基于半导体光放大器的全光波长变换技术国内外发展现状

1.5 基于半导体光放大器全光信号处理技术发展方向

1.6 本论文主要工作

1.7 本论文的结构安排

第二章 半导体光放大器的理论基础

2.1 半导体光放大器简介

2.2 半导体光放大器中的非线性效应

2.3 半导体光放大器的理论模型

2.4 模拟仿真分析

2.5 半导体光放大器增益恢复时间实验测量

2.6 本章小结

第三章 基于半导体放大器交叉增益调制效应的全光波长变换

3.1 基于半导体光放大器交叉增益调制效应的全光波长变换仿真

3.2 基于半导体光放大器交叉调制效应全光波长变换实验

3.3 本章小结

第四章 基于级联半导体光放大器结构的全光波长变换

4.1 基于级联半导体光放大器结构的全光波长变换原理

4.2 基于级联半导体光放大器结构的全光波长变换仿真

4.3 基于级联半导体光放大器结构的全光波长变换实验

4.4 级联半导体光放大器结构单片集成方案

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果