基于SOA非线性偏振旋转效应的研究

论文摘要

半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifiers, SOA）作为全光信号处理中的关键器件之一,在波长转换、光学逻辑门、波长路由、高速光开关等领域有着广泛的应用。基于SOA非线性效应的全光信号处理,避免了“电子瓶颈”的限制,提高了数据传输的透明性、灵活性,因而逐渐成为光通信领域的研究热点。在大多数传输和网络应用中,器件对输入信号偏振态的敏感程度是一个必须考虑的因素。SOA作为偏振敏感器件,方面,会受到偏振效应的作用降低其应用效果；另一方面,可以利用SOA中的偏振效应实现波长转换、全光缓存等功能。因此,基于SOA的偏振相关特性受到了广泛的关注,而SOA中偏振相关特性的研究主要集中在非线性偏振旋转效应（Nonlinear Polarization Rotation, NPR）。随着传输速率的不断提高,又使SOA-NPR效应朝着超快方向应用。论文首先从考虑超快载流子动态特性的SOA-NPR理论模型出发,在原有模型基础上,引入载流子加热（CH）及光谱烧孔（SHB）两个带内效应,数值求解扩展后的模型方程,验证了在超短脉冲输入情况下,两个带内效应对相位变化的影响。同时,研究了基于扩展模型的偏振相关增益特性、相位特性及啁啾特性。并能与文献实验结果基本吻合。其次,对光在SOA中偏振态的演化采用穆勒矩阵法及邦加球法进行分析。数值计算出代表光偏振态的偏振方位角及椭圆方位角随注入光功率的变化曲线。并分析了椭圆方位角的变化曲线在提高基于SOA-NPR的波长转换的消光比方面的作用。给出了由SOA双折射引起的模式相差、模式增益等随注入泵浦光功率或注入电流的变化关系。最后,利用扩展后的超快SOA-NPR理论模型,传输RZ-OOK、RZ-DPSK两种不同的调制格式以及实现200Gbit/s的反向波长变换。研究结果表明：在超快SOA-NPR模型中,当入射泵浦光的偏振态与TE/TM方向一致时,探测光的TE/TM模式获得的增益较大；相位特性上则分为由载流子加热效应引起的相位变化快速区域和载流子密度脉动引起的缓慢变化区域；对于同一种TE/TM模式而言,红移啁啾的幅度要大于蓝移啁啾的幅度。在利用穆勒矩阵分析SOA-NPR模型中,得到了TE/TM的模式相移差随注入光功率的增加而逐渐增加,相移角度超过180°；模式间的相移也随注入电流的增大而增大,当注入电流为250mA时,相移角度可达45°；由于ASE的存在,出射光的偏振度会随注入光功率的增加而变大。输入不同调制格式的情况下,经过SOA-NPR效应,出射的RZ-DPSK信号Q因子要比RZ-OOK信号提高近2dB；基于超快SOA-NPR效应的反向波长变换存在比较严重的模式效应,计算出波长变换后的RZ-OOK信号的Q因子为1.276dB。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 非线性偏振旋转效应的国内外研究现状
• 1.3 论文主要工作
• 第2章 半导体光放大器非线性偏振旋转数值扩展模型
• 2.1 引言
• 2.2 半导体光放大器中非线性偏振旋转效应的原理及扩展模型
• 2.2.1 非线性偏振旋转效应的产生机制
• 2.2.2 半导体光放大器的非线性偏振旋转效应数值扩展模型
• 2.3 半导体光放大器非线性偏振旋转特性的数值求解结果
• 2.3.1 非线性偏振旋转相关的增益特性
• 2.3.2 非线性偏振旋转相关的相位特性
• 2.3.3 非线性偏振旋转相关的啁啾特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 穆勒矩阵在SOA-NPR效应中的应用
• 3.1 斯托克斯矢量表示光的偏振态
• 3.2 穆勒矩阵分析SOA中光的偏振态变化
• 3.2.1 数值模型
• 3.2.2 偏振方位角及椭圆方位角的变化
• 3.3 数值求解结果及分析
• 3.3.1 载流子浓度随腔长的变化
• 3.3.2 偏振方位角及椭圆方位角与入射光功率的关系
• 3.3.3 TE与TM模式间的相位差的变化
• 3.3.4 邦加球分析光偏振态的变化
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于SOA-NPR的调制格式和波长转换研究
• 4.1 基于SOA-NPR效应的调制格式研究
• 4.1.1 光传输系统中的调制格式
• 4.1.2 RZ-OOK调制格式与RZ-DPSK调制格式
• 4.1.3 不同调制格式引起的NPR效应
• 4.2 基于SOA-NPR效应的波长变换
• 4.2.1 基于SOA非线性效应的波长转换
• 4.2.2 基于SOA-NPR效应的波长转换工作原理
• 4.2.3 数值求解结果及分析
• 4.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文