QD-SOA的超快动力学过程及全光比较器

摘要

光分组交换直接在光域对高速传输的光分组进行交换，避免了在各个节点的光/电/光转换以及“电子瓶颈”的限制，是光通信网络未来主要发展方向之一。光分组交换的关键技术是高速全光信号处理。
　　与体结构半导体光放大器和量子阱半导体光放大器相比，量子点半导体光放大器(QD-SOA)具有低温度灵敏性、低线宽增强因子、高微分增益以及增益恢复时间快等优点，适合于高速全光信号处理。本文建立QD-SOA的多能级动态物理模型，包括信号光子数、导带和价带各能级载流子数的速率方程，包括经光谱分割后的自发辐射光子数速率方程。对QD-SOA的超快动态特性及基于它的全光比较器进行了理论与仿真研究。
　　论文主要研究工作如下:
　　1.利用简化的二能级和三能级模型，得到了QD-SOA的有源区长度、能量效率与饱和功率及输入功率的关系。利用多能级模型和光谱分割方法得到了QD-SOA的自发辐射特性，随着外部注入光功率增加，ASE功率降低，显示了信号光对自发辐射过程的抑制。
　　2.研究了QD-SOA的增益、相位、啁啾等超快动态过程。高速光脉冲经过QD-SOA，相位动态过程超过增益动态过程，随着输入脉冲峰值功率的增大或者有源区长度的增加，相位超前增益更多。同时，频率啁啾导致光谱分裂，且随着输入脉冲能量增大，红移量减小，蓝移量增大。
　　3.提出了一种有源区纵向不均匀的QD-SOA结构，分析了有源区不均匀对QD-SOA增益性能的影响，理论研究表明，平均宽度相同时，增益特性与有源区宽度不均匀无关，仅与高度不均匀有关。数值研究了几种不同高度变化曲线时的模式增益和光信号增益，结果表明，当非均匀QD-SOA中基态电子占用概率方差最小时，光信号增益最大。
　　4.分析了基于QD-SOA的马赫曾德干涉仪(QD-SOA-MZI)的传输函数，仿真实现了500Gb/s与、非、异或等多种高速全光逻辑运算，逻辑输出信号Q因子随注入电流的增大而增大，随输入信号单脉冲能量增大而减小，随脉冲宽度减小而增大。提出了一种级联QD-SOA-MZI全光8位比较器结构，仅当输入信号各比特完全相同时，比较器在最后一个比特位置输出光脉冲。
　　5.研究了QD-SOA中四波混频(FWM)效率的影响因素。增大泵浦光功率，增大QD-SOA有源区长度，或者增加注入电流，FWM效率明显增大，而泵浦光和探测光的波长间隔增大会降低FWM效率，探测光功率的增大使FWM效率小幅降低。利用QD-SOA中的FWM效应同时在三个波长位置实现了100Gb/s DPSK信号的“异或”逻辑，仿真实现了100Gb/s RZ-DQPSK信号和NRZ-DQPSK信号的波长变换。
　　6.仿真研究了控制光和探测光经增益透明QD-SOA共同传输后的增益和相位动态过程，结果表明输出探测光强度没有明显变化，但相位受到了控制光的调制，且控制光功率越大，探测光的相位变化越大。仿真研究了基于增益透明QD-SOA的NOLM环开关特性;提出了一种基于增益透明QD-SOA的RZ/NRZ-OOK信号到DPSK信号的码型变换方案，仿真实现了250Gb/s的码型变换。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 全光信号处理

1．1．1 全光分组交换

1．1．2 全光信号处理技术

1．2 半导体光放大器在光信号处理中的应用

1．2．1 SOA中的非线性效应

1．2．2 基于SOA的全光信号处理技术

1．3 量子点半导体光放大器研究现状

1．3．1 量子点半导体光放大器介绍

1．3．2 量子点制备

1．3．3 量子点半导体光放大器结构和特点

1．3．4 量子点半导体光放大器研究现状

1．4 本论文的研究工作

1．5 本论文的主要创新之处

参考文献

2 量子点半导体光放大器理论

2．1 引言

2．2 能级结构计算

2．2．1 原理与方法

2．2．2 第一性原理VASP软件

2．2．3 能级计算结果

2．3 体结构半导体光放大器

2．3．1 半导体光放大器模型

2．3．2 光信号在SOA中的传输过程及噪声特性

2．3．3 噪声对光纤中信号传输的影响

2．4 QD-SOA理论模型

2．4．1 QD-SOA三能态系统解析模型

2．4．2 两能级模型

2．4．3 QD-SOA的最佳能量效率和最佳有源区长度

2．4．4 QD-SOA多能态系统数值模型

2．5 小结

参考文献

3 量子点半导体光放大器的超快动力学特性

3．1 引言

3．2 数值模拟结果与讨论

3．2．1 光信号脉冲的时域频域变化

3．2．2 量子点半导体光放大器的增益特性

3．2．3 量子点半导体光放大器的相位特性

3．2．4 量子点半导体光放大器的频率啁啾特性

3．2．5 不同类型光脉冲经QD-SOA传输比较

3．3 非均匀结构QD-SOA

3．4 小结

参考文献

4 基于量子点半导体光放大器的全光比较器

4．1 引言

4．2 基于半导体光放大器的全光逻辑

4．2．1 基于交叉增益调制效应实现全光异或逻辑门

4．2．2 基于马赫-曾德尔干涉仪构成的全光逻辑门

4．2．3 基于四波混频效应实现全光与逻辑门

4．3 基于QD-SOA-MZI的全光逻辑研究

4．3．1 SOA-MZI传输函数

4．3．2 基于QD-SOA-MZI的异或逻辑门研究

4．3．3 基于QD-SOA-MZI的非逻辑门研究

4．3．4 基于QD-SOA-MZI的与逻辑门研究

4．4 基于SLALOM的多种全光逻辑

4．4．1 方案原理

4．4．2 理论结果

4．5 基于SOA-MZI级联结构的全光3位比较器

4．5．1 SOA-MZI级联结构工作原理

4．5．2 仿真结果、讨论

4．6 基于QD-SOA MZI级联结构的全光8位比较器

4．7 小结

参考文献

5 基于四波混频效应的全光相位调制信号处理

5．1 引言

5．2 QD-SOA中的四波混频效应

5．2．1 四波混频效应的理论模型

5．2．2 四波混频数值模拟结果及讨论

5．3 DPSK信号的异或逻辑

5．3．1 DPSK信号介绍

5．3．2 DPSK信号实现异或逻辑的操作原则

5．3．3 DPSK信号实现异或逻辑模拟结果及讨论

5．3．4 多个XOR逻辑同时实现

5．4 DQPSK信号实现波长变换

5．4．1 DQPSK信号介绍

5．4．2 基于四波混频效应的DQPSK信号的波长变换原理

5．4．3 RZ-DQPSK信号的波长变换结果

5．4．4 NRZ-DQPSK信号的波长变换结果

5．5 小结

参考文献

6 增益透明现象及其应用

6．1 引言

6．2 增益透明SOA的工作方式

6．3 基于增益透明QD-SOA的新型NOLM环光开关

6．3．1 基于增益透明QD-SOA的NOLM环光开关原理

6．3．2 模拟结果

6．4 OOK信号到DPSK信号的码型转换

6．4．1 码型转换原理

6．4．2 码型转换模拟结果

6．5 小结

参考文献

7 总结与展望

7．1 本文工作总结

7．2 未来工作展望

缩写词索引

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集