利用硅基波导的相干编码信号全光波长转换研究

摘要

随着信息时代的到来，传统的通信系统已经不能够满足未来通信的需求，高速大容量的全光通信网络得到了广泛关注。增大通信容量的有效方法有两种:一是使用多进制相干编码提高单位符号上的信息容量;二是采用复用技术增加信道数。在波长路由全光通信网络中，实现全光波长转换对于提高波长的重用率、避免波长碰撞而引起的阻塞具有重要意义。同时，集成波导器件因其稳定性高、可靠性强、重复性好、尺寸小、潜在成本低等突出优点，已成为光电子器件的长远发展方向。因此，本论文利用硅基波导中的四波混频效应，针对多进制相干编码信号，实现了全光波长转换以及组播功能，为全光通信网络的光信号处理提供了集成化解决方案以及有价值的参考。论文的具体内容包括:
　　1、基于绝缘体上硅(SOI)波导，实验实现了QPSK和16QAM相干编码信号的全光波长转换和组播功能。采用单个和两个连续的泵浦光，实现了20 Gbit/s QPSK信号的波长转换和五通道组播，测试了信号光、转换闲频光和组播闲频光的眼图、星座图和误码率，在误码率为3×10-3时，转换和组播功率代价均小于0.7 dB。对于36 Gbit/s16QAM信号，在误码率为3.8×10-3时，转换和组播功率代价均小于0.96 dB。
　　2、基于SOI波导，实验实现了偏振复用(PDM)、波分复用(WDM)、正交频分复用(OFDM)的相干编码信号的全光波长转换和组播功能。在单个SOI波导中，利用具有一定偏振角度的泵浦光，实现了PDM-QPSK信号的全光波长转换和组播，在误码率为3×10-3条件下，两个偏振信道的功率代价均小于2.0 dB。提出了兼容WDM技术的自适应OFDM信号的全光波长转换，并针对2×11.64 Gbaud/s的不同载波调制的OFDM信号进行了实验验证，在不增加转换功率代价的情况下，将信号速率提高了近12 Gbit/s。
　　3、提出了一种硅/富硅氮化硅(Si/SRN)混合硅基波导并用于相干编码信号的全光波长转换。设计优化并制作了Si/SRN混合硅基波导，测试了该波导的线性和非线性特性，测得的非线性克尔系数介于Si和SRN之间，TPA系数小于Si。基于该混合硅基波导实现了20 Gbit/s QPSK信号的全光波长转换，在误码率为3×10-3时，转换功率代价为0.39 dB，比SOI波导中的转换功率代价更低。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 背景

1．2 全光波长转换技术

1．3 全光波长转换材料和器件

1．3．1 硅材料

1．3．2 氮化硅材料

1．4 调制解调技术

1．4．1 多进制相位调制格式和相干探测

1．4．2 复用技术

1．5 论文主要内容和创新点

1．5．1 论文主要内容

1．5．2 论文的创新点

2 光学非线性效应理论

2．1 光学非线性效应起源

2．2 硅和富硅氮化硅材料中的光学非线性效应

2．3 波导中的四波混频效应

2．4 波导的设计原理

2．4．1 模场分布

2．4．2 色散管理

2．5 本章小结

3 基于SOI波导的相干编码信号全光波长转换

3．1 基于SOI波导的全光波长转换技术

3．1．1 全光波长转换技术

3．1．2 基于硅波导的全光波长转换器件

3．2 基于SOI波导的QPSK信号的全光波长转换

3．2．1 QPSK信号的调制解调

3．2．2 单泵浦光下QPSK信号的全光波长转换

3．2．3 双泵浦光下QPSK信号的全光波长组播

3．3 基于SOI波导的QAM信号的全光波长转换

3．3．1 QAM信号的调制解调

3．3．2 双泵浦下16QAM信号的全光波长组播

3．4 本章小结

4 基于SOI波导的复用相干编码信号的全光波长转换

4．1 复用技术简介

4．1．1 复用技术的分类

4．1．2 复用技术的研究现状

4．2 基于SOI波导的偏振复用信号的全光波长转换

4．2．1 单泵浦下PDM-QPSK信号的全光波长转换

4．2．2 双泵浦下PDM-QPSK信号的全光波长组播

4．3 波分复用自适应OFDM信号的全光波长转换

4．3．1 CO-OFDM的理论基础

4．3．2 波分复用自适应OFDM信号的全光波长转换

4．4 本章小结

5 硅／富硅氮化硅混合硅基波导器件的制备及应用

5．1 氮化硅的沉积方式

5．2 硅／富硅氮化硅混合硅基波导的设计与制备

5．2．1 Si／SRN混合硅基波导的设计

5．2．2 Si／SRN混合硅基波导的制备

5．3 硅／富硅氮化硅混合硅基波导的测试

5．3．1 线性测试

5．3．2 非线性测试

5．4 基于Si／SRN混合硅基波导的QPSK信号的全光波长转换

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文内容的总结

6．2 对后续工作的展望

参考文献

作者简历

在攻读博士学位期间发表的学术论文