用于全光信號處理的量子阱半導體光放大器器件特性改善.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、光通信網(wǎng)絡取得了快速的發(fā)展,目前傳輸網(wǎng)絡中的通信容量已經(jīng)達到了Pb/s量級,但在交換節(jié)點為了實現(xiàn)Pb/s量級的交換容量,傳統(tǒng)的光電光的電域處理方式面臨著越來越大的功耗壓力和光電轉(zhuǎn)換的速率瓶頸,越來越難以滿足超高速大容量光通信網(wǎng)絡的發(fā)展要求;而全光信號處理避免光電光轉(zhuǎn)換過程,能降低功耗、提高處理速率,為高速光交換技術(shù)提供了新的途徑。
  全光信號處理一般是基于器件的非線性效應來實現(xiàn)。在各種實現(xiàn)全光信號處理器件中,半導體光放大器(SO

2、A)因為具有非線性系數(shù)高、體積小、便于集成、非線性效應豐富等優(yōu)點,受到持續(xù)的關注和研究。尤其是量子阱SOA,既能通過能帶工程實現(xiàn)非線性效應的選擇性調(diào)控,又能利用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)方法進行大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn),在各種非線性應用中被廣泛采用。本文以用于全光信號處理的量子阱SOA為主要研究對象,針對波長轉(zhuǎn)換、碼型轉(zhuǎn)換和信號再生等全光信號處理應用,通過優(yōu)化能帶結(jié)構(gòu)和改善工作條件,選擇性增強不同的非線性效應,得到了最佳的應用輸出性

3、能。概括全文的研究成果和貢獻,有如下幾個方面:
  (1)研究了用于全光信號處理的量子阱SOA理論模型。首先改進了量子阱SOA能帶結(jié)構(gòu)求解算法,在求解精度不變的情況下,求解時間減少為原來的1/103,求解內(nèi)存減少為原來的1/333。其次將量子阱SOA的能帶結(jié)構(gòu)求解和密度矩陣方程結(jié)合起來,建立了量子阱SOA能帶結(jié)構(gòu)設計和材料極化率調(diào)控之間聯(lián)系;進行了模塊化編程,實現(xiàn)了主流Ⅲ-Ⅴ族量子阱材料極化率的計算。然后面向不同的應用場景,將能帶

4、結(jié)構(gòu)求解、極化率計算和超快動態(tài)模型構(gòu)建聯(lián)系起來,建立了量子阱SOA載流子加熱模型和超快偏振模型。最后詳細分析了量子阱SOA能帶結(jié)構(gòu)對材料增益、微分增益、折射率變化、微分折射率變化、線寬增強因子、偏振相關增益和三階非線性極化率等SOA特征參數(shù)的影響,為用于全光信號處理量子阱SOA有源區(qū)設計提供了很好的參考標準。
 ?。?)理論研究了基于交叉增益調(diào)制(XGM)、交叉相位調(diào)制(XPM)、瞬態(tài)交叉相位調(diào)制(T-XPM)和四波混頻(FWM)

5、效應的波長轉(zhuǎn)換技術(shù),分析了存在的關鍵問題,提出了相應的改善方案。針對基于XGM效應的波長轉(zhuǎn)換,通過調(diào)控載流子向阱區(qū)的注入過程可實現(xiàn)XGM效應的增強和載流子恢復時間的加快。針對基于XPM效應的波長轉(zhuǎn)換,利用量子阱SOA傳輸方向的差異性可實現(xiàn)慢恢復過程的抑制,改善波長轉(zhuǎn)換性能。針對基于T-XPM效應的波長轉(zhuǎn)換,利用帶凹陷的泵浦光實現(xiàn)了量子阱SOA中帶內(nèi)過程和帶間過程相對強弱的調(diào)控,在無濾波器輔助的情況下載流子恢復時間只有2.75皮秒,工作速

6、率可達到640Gb/s。針對基于FWM效應的波長轉(zhuǎn)換,優(yōu)化量子阱SOA能帶結(jié)構(gòu)可將三階非線性極化率增強2.3倍。
  (3)理論和實驗研究了光通信網(wǎng)絡中不同調(diào)制格式之間的碼型轉(zhuǎn)換。首次實現(xiàn)了帶有再生和波長轉(zhuǎn)換功能的40Gb/s非歸零差分相移鍵控(NRZ-DPSK)信號到歸零開關鍵控(RZ-OOK)信號的碼型轉(zhuǎn)換;通過延時干涉儀(DI)或者失諧帶通濾波器對歸零差分相移鍵控(RZ-DPSK)、非歸零正交相移鍵控(NRZ-QPSK)和歸

7、零正交相移鍵控(RZ-QPSK)信號進行預處理,可進一步實現(xiàn)帶有再生和波長轉(zhuǎn)換功能的RZ-DPSK/NRZ-QPSK/RZ-QPSK到RZ-OOK的碼型轉(zhuǎn)換;更進一步優(yōu)化了量子阱SOA有源區(qū)結(jié)構(gòu),增強了非線性效應,提高了碼型轉(zhuǎn)換性能和效率。對于NRZ到RZ的碼型轉(zhuǎn)換,提出了XGM效應占主導作用的新方案,實驗證明基于XGM效應的碼型轉(zhuǎn)換性能遠好于之前基于XPM效應的方案;最后基于新方案實現(xiàn)了2×80Gb/s偏振復用(PDM)NRZ-QPS

8、K到PDM RZ-QPSK碼型轉(zhuǎn)換。
 ?。?)理論和實驗研究了基于交叉增益抑制(XGC)效應的相位調(diào)制信號的幅度再生。首次基于XGC實現(xiàn)了NRZ-DPSK信號的幅度再生,在1×10-9誤碼處再生了2.77dB;對實驗中用到的兩個非線性效應和設計需求完全不同量子阱SOA,進行了非線性效應的選擇性調(diào)控,使得每個SOA都工作在最佳狀態(tài)。進一步簡化了XGC的實驗裝置,實現(xiàn)了兩路RZ-DPSK信號的幅度再生和量子阱SOA結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最后研究

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