基于V型耦合腔激光器和半导体光放大器的全光波长转换技术研究

摘要

全光波长转换技术是下一代光网络发展的关键技术，在光开关、波长路由等技术中有着极为重要的应用，它能克服传统的光，电-光转换技术所面临的“电子瓶颈”问题，可以减少波分复用网络中使用的波长数量，提高光通信网络的可靠性。半导体光放大器和半导体可调谐激光器因其具有体积小、成本低、功耗低、非线性效应好以及易于和其他半导体光电子器件集成等优点，可广泛应用于全光波长转换技术。
　　为了优化半导体光子器件有源区的材料和结构以适应于不同的应用场合，本文首先基于能带工程理论对量子阱半导体光子器件有源层中的阱材料、垒材料、阱宽、垒宽及应变量等参数进行设计，以实现特定的性能。从能带理论出发，建立了一套完善的量子阱理论计算模型，分别利用有限差分法和平面波展开法数值求解薛定谔方程，由阱和垒的材料组分和生长厚度出发，经过应变、带边不连续性、导带及价带的能级和对应的波函数、偏振相关跃迁矩阵元、准费米能级的计算，最终求解出了与偏振相关的增益谱，为半导体光子器件芯片有源区的设计提供了理论依据。
　　其次，本文研究了基于半导体光放大器的全光波长转换技术。基于载流子浓度速率方程和光场传输方程建立了半导体光放大器的稳态模型和动态模型，模拟了连续光与单脉冲信号光或非归零码信号光同时注入半导体光放大器的波长转换输出性能。仿真结果表明，为解决半导体光放大器增益恢复时间缓慢导致的码型效应等问题，在半导体光放大器后级联整形滤波器或采用两个SOA级联的结构可以改善转换光信号的质量。我们搭建了半导体光放大器芯片的测试平台用以测试其性能。
　　最后，本文首次提出了一种结构简单且转换范围较大的基于V型耦合腔可调谐激光器的全光波长转换技术，利用光注入V型耦合腔可调谐激光器引起的波长切换效应实现了2.5Gbit/s非归零码信号的多信道波长转换。理论上，利用时域行波法建立了该全光波长转换器的静态和动态模型，通过改变注入光及调节V型耦合腔激光器信道选择电极上的注入电流可以实现21个间隔100GHz信道中任意两个间的波长转换。实验验证了该方案的可行性，利用啁啾管理技术优化了转换光信号的质量，得到的转换光信号的消光比在4dB以上，眼图质量较好，这在未来的全光信号处理系统中很有潜力。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 本论文的创新点和章节安排

2 全光波长转换技术(AOWC)

2．1 基于商非线性光纤的AOWC

2．2 基于半导体光放大器的AOWC

2．2．1 基于交叉增益调制效应

2．2．2 基于交叉相位调制效应

2．2．3 基于四波混频效应

2．2．4 基于交叉偏振调制效应

2．2．5 提高半导体光放大器增益恢复速率的方案

2．3 基于电吸收调制器的AOWC

2．4 基于半导体激光器的AOWC

2．5 各种类型波长转换技术的比较

2．6 本章小结

3 量子阱能带结构及增益谱的计算

3．1 材料的选取

3．2 应交的计算

3．3 带边不连续性的计算

3．4 能级和波函数的求解

3．4．1 有限差分法

3．4．2 平面波展开法

3．4．3 两种方法的比较

3．4．4 能带结构计算结果

3．5 偏振相关跃迁矩阵元的计算

3．6 准费米能级的计算

3．6．1 导带准费米能级的计算

3．6．2 价带准费米能级的计算

3．7 偏振相关增益谱的计算

3．8 偏振无关1310nmSOA的量子阱层设计

3．9 本章小结

4 基于SOA的全光波长转换技术

4．1 SOA简介

4．1．1 SOA的基本原理

4．1．2 SOA的基本特性

4．2 SOA数值模型的建立

4．2．1 SOA的基本理论方程

4．2．2 SOA的稳态模型

4．2．3 SOA的动态模型

4．3 基于SOA的全光波长转换仿真结果

4．3．1 单脉冲信号光注入情况

4．3．2 NRZ码信号光注入情况

4．4 基于SOA的全光波长转换优化方案

4．4．1 SOA级联滤波器

4．4．2 双SOA级联

4．5 SOA芯片的测试

4．5．1 SOA测试平台描述

4．5．2 SOA测试结果

4．6 本章小结

5 基于V型耦合腔激光器的全光波长转换技术

5．1 V型耦合腔激光器的基本原理

5．1．1 V型耦合腔激光器的基本结构

5．1．2 V型耦合腔激光器的调谐原理

5．2 V型耦合腔激光器时域行波模型的建立

5．3 基于V型耦合腔激光器的全光波长转换技术

5．3．1 基于V型耦合腔激光器的全光波长转换器基本原理

5．3．2 基于V型耦合腔激光器的全光波长转换器仿真结果

5．3．3 基于V型耦合腔激光器的全光波长转换器实验结果

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 研究展望

参考文献

作者简介