全光波长转换及全光信号处理集成器件的研究

摘要

随着互联网应用的蓬勃发展，人们对网络带宽提出了更高的要求。通过波分复用(WDM)等技术，光纤中可以传输极大的数据量。然而，在路由节点或光网络数据中心，光纤中的光信号将被解复用、同步、整形、再生、提取头信息、转换波长后再路由到下一链路，这一过程中还有很多功能依赖于电域处理。光-电-光(O-E-O)转换成为制约通信带宽的重要因素。全光通信是指将光信号的处理更多实现在光层面，跨越电子瓶颈，在更低功耗、更低成本的情况下获得更大带宽。这是通信网络的一个重要发展方向。本文基于半导体光放大器(SOA)的交叉调制和半导体激光器的注入锁定原理，提出了全光波长转换和触发式光缓存的实现方式。
　　V型耦合腔激光器(VCL)是一种基于半波耦合器选模，通过两个有微小光程差的谐振腔的游标效应实现大范围波长调谐并有很高的边模抑制比(SMSR)的激光器。它不需要光栅，制作工艺简单，十分便于集成。本文基于Ⅲ-Ⅴ位移量子阱集成平台(Offset QuantumWell Integration Platform)，优化了量子阱结构设计，结合V型耦合腔激光器，提出了延时马赫曾德干涉型(DI-MZI)的SOA交叉相位调制(XPM)波长转换结构，包括延时波导、多模干涉耦合器(MMI)、SOA、有源无源耦合器等器件，可实现10Gb/s归零码型全光波长转换，获得10dB以上消光比。将此结构进行扩展与级联，我们提出了一种光纤间信道的全光路由体系。
　　凭借成熟的CMOS工艺、低廉的价格及高折射率差，Si成为理想的光路集成平台。然而Si为间接带隙半导体，并不适用于做发光器件，因此，Ⅲ-Ⅴ/Si是实现超紧凑光子集成系统一个重要途径，通过结合Ⅲ-Ⅴ材料的高发光效率，可以实现有源无源器件的片上集成。本文基于聚合物BCB辅助晶片键合(DVS-BCB Adhesive Layer Bonding)，完成了混合集成平台的非归零码(NRZ)12.5Gb/s单SOA的全光波长转换，并在40Gb/s下获得清晰眼图。SOA有源长度仅为500μin。在40Gb/s时，10-5误码率下，功率代价小于3dB，转换波长覆盖1545 nm到1560nm，功耗小于250mW。
　　除了光纤通信领域，在微波无线通讯中，也可以用光学方法得到更高效、便捷的解决方案。双波长激光器可以通过拍频获得太赫兹(THz)信号载波，并把此信号通过光纤传输，以极低损耗，覆盖更大范围，消除无线信号盲区。本文提出了一种基于SOI混合集成平台的双波长激光器，通过微环上覆盖光栅，达到对称单模劈裂，通过调节光栅反射系数及微环与波导的耦合系数，可以获得0～1nm波长间隔可变的双波长激光。
　　SOA在用于交叉调制时，需要工作在饱和区，伴以高功率的光信号注入。并且，为了获得更快的载流子回复时间，需要有大电流注入，这就伴随而来高功耗及芯片散热问题。在器件紧密集成的时候，热串扰是影响芯片性能的一个重要因素。为了能使芯片更为紧凑，功耗更低，基于VCL，我们实现了2.5Gb/s200 GHz信道间隔的NRZ波长转换，消光比(ER)达4dB以上，边模抑制比(SMSR)达36dB。
　　通过对VCL的优化设计，我们发现了其波长切换的双稳态效应。通过将VCL偏置在调谐回线的中间点，注入波长与激光器双稳态的一对波长之一相符的一个控制信号，即可达到激光器触发式工作状态切换。在WDM系统中，可用于光信号头信息的提取和存储。触发脉冲光信号只需1pJ，激光器存储和擦除的响应时间仅为150ps左右。

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 光集成技术方案

1．2．1 Ⅲ-Ⅴ单片集成

1．2．2 Si基混合集成

1．3 集成光通信芯片发展现状

1．3．1 集成光电子发展趋势概述

1．3．2 集成光芯片突出成果举例

1．4 小结

1．5 本论文章节安排及创新点

1．5．1 论文章节安排

1．5．2 论文创新点

2 全光波长转换

2．1 基于光纤的AOWC

2．2 基于EAM

2．3 基于半导体激光器

2．4 基于SOA

2．4．1 XGM

2．4．2 XPM

2．4．3 FWM

2．4．4 交叉偏振调制(XPoM)

2．5 本章小结

3 基于SOA的全光波长转换

3．1 单片集成平台

3．1．1 量子阱结构计算

3．1．2 偏振非敏感量子阱结构设计

3．2 基于位移量子阱集成平台的全光波长转换器设计

3．2．1 集成平台

3．2．2 无源器件

3．2．3 有源器件

3．3 基于全光波长转换器的全光路由体系

3．4 本章小结

4 混合集成平台

4．1 混合集成SOA

4．1．1 工艺步骤

4．1．2 测试结果

4．2 基于混合集成平台的双波长激光器

4．2．1 结构介绍与理论分析

4．2．2 模拟结果

4．3 本章小结

5 基于VCL的全光信号处理

5．1 基于VCL的全光波长转换

5．1．1 原理介绍

5．1．2 实验系统和测试结果

5．2 基于VCL的触发式光缓存

5．2．1 理论分析

5．2．2 实验结果

5．3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间的主要学术成果