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1、四川大学 博士学位论文 全光波长变换 姓名：刘刚 申请学位级别：博士 专业：原子与分子物理 指导教师：杨向东 20040410 二 OJJJbj 四川大学博士论文 全光波长变换 原子与分子物理专业 研究生 刘刚指导教师 杨向东 光与物质的相互作用的研究不仅有重要的理论意义， 而且有广泛的应用价 值，在通信和信息处理领域也不例外。本文较详细而全面的研究了不同实现方 法下全光波长变换。 首先研究了 光在半导体光放大器中的交又增益波长变换过程。利用非线性 薛定谬方程建立半导体光放大器的哨啾模型，并且通过分析该模型研究了其变 换过程中的哨啾特性，以 及利用载流子速率方程研究了消光比、 信噪比与误码 率
2、间的关系。最后利用计算机模拟了入射功率、波长和偏置电流的变化对变换 信号特性的影响。研究结果表明: 饱和增益越大S O A明啾越小，入射光子能量 越高明啾也越低， 减小入射功率也可以 减小S P M带来的惆啾。 增加有缘层长度 与有效截面面积，也有利于减小S O A的惆嗽。自 发辐射对信噪比的影响较大， 增大变换信号的消光比可以 减小了码间干扰，探测光功率增加有利于提高信噪 比， 而不利于提高消光比。 S O A交叉增益型波长变换即可以向长波方向 变换也 可以向短波方向变换。 减小S O A偏置电流的时， 信噪比恶化严重， 码间干扰大。 本文进一步研究由半导体光放大器组成马赫一 增德尔千涉仪光
3、路实现的波 长变换。通过把光路损耗集中处理，解决了光功率在马赫一增德尔干涉仪两臂 上分布式损耗所带来的研究困难，不仅研究了全光变换的强度噪声，和相对强 度噪声， 而且仿真了泵浦波长、 信号波长与偏置电流对其变换信号特性的影响。 研究得到以下结论:在以光纤为克尔介质时，噪声指数和损耗系数与长度积密 切相关。 当a L 1 时， 对应的就是损耗集中在输入端的情况; 相反当a L + 1 时 对应的就是损耗集中在输出端的情况。当在N M Z I 量子阱限制下，相位不敏感 的干涉仪的噪声指数在3 d B左右。探测光相对噪声提高因子随信号光功率的增 加而增加，当信号光功率到一定值时，提高因子也将会趋于某
4、一定值。探测光 功率的增加可以减小探测光相对噪声提高因子，并且随着探测光功率的增加， 宋经作老， ., .知城.兜 叨全文公布 C a 己 G a 丫 四川大学博士论文 提高因子逐渐减小到某一定值。在小的信号光功率与大的探测光功率作用下， 当M a c h - Z e n d e r 干涉仪信号光与探测光反向输入时， 变换信号可获得小的相对 强度噪声。另外大的探测光功率与大的信号光功率可以更加有效的获得两臂的 相位差，但是大的信号光功率可以加大相对噪声强度，对系统不利。同时大的 探测光功也率会对输出信号产生大的T啾。高探测光功率变换后信号要略好于 低探测光功率下的变换信号大的 S O A偏置电
5、 流下变换后信号要明 显好于小的 S O A的偏置电流下的变换信号。变换信号既可以向长波长 方向变换也可以向短 波长方向变换，但是向短波长方向 变换后的信号更利于在光纤中传输。 如何利用半导体光放大器的高阶非线性实现四波混频效应的波长变换本文 也进行了详细研究。在现有的四波混频理论分析方法中引 入了 高 频失谐条件， 研究了 频率夫谐时泵浦波长及泵浦功率对输出 变换光脉冲的影响 为简化研究， 最终建立了四 波混频完成全光波长变换的集总模型，并且通过计 算机模拟输出 变换 信号的光 谱图、 眼图以 及变换信号的 转换效率。 研究结 论显 朱: 当 探测光 角频率低于泵浦光角频率( 角频率差。 -
6、 2 ; r ) 时， 获得的祸合光 幼率明显较大， 这 符 合 能 量由 高 频向 低频 转 移的 趋 势。 祸 合 光的 变 换 效 率 大 约 在负2 0 d B到 负 3 0 d B之间。 对四波混频原理的全光波长变换根据泵浦方式 得不间 努三种情形进 行了讨论.并且对输出 信噪比 做了比 较。 根据模拟结果，当 信 粤究为泵浦光时 在强 泵浦 弱 探 测光的 条 件下 ， 探 测 光 波 长 对变 换 信号 波 长 的 琳 摘 凭争 不 存 在。 当 泵 浦光功 率为2 m W, 增 加探测光功率到1 m w时， 可以 得出 赞换光的 变换效 率下降到一7 0 d B以下，效率非常低
7、 第四基于物质在光场作用下，电荷分布发生形变形成等效偶极子体系的物 理思想， 用分段处理并建立简化模型的方法研究了利用A I G s A s 的和频效应以及 差频效应实现全光波长变换的物理特性。在研究和频变换时，得到了和频变换 效率的最优条件。 通过研究发现影响A I G s A s 的和频效应变换效率除了泵浦光和 探测光的功率外，主要是波导损耗的影响，结果与实验结果符合的较好。同样 在考虑大的传输损耗的条件下，泵浦光功率和和频光功率成线性关系。所以为 了获得大的和频光功率应尽可能的使用大的泵浦功率和信号功率。 而差频效应实现全光波长低的变换效率主要来自 于均匀反应长度限制，损 耗和相位失谐条
8、件的影响， 并对相位失谐条件对变换光脉冲的影响进行了计算。 首 先分析了准相位匹配条件改变对差频变换输出光强的影响。 相位匹 配的正负 四川大学博士论文 失谐都会对差频输出光强造成严重的影响。传输损耗对变换光输出 光强也有一 定程度的影响。当传输损耗为一 6 d 8时， 变换光的强度随 器件的长度增加而逐 渐增加， 当 长度达到5 m m时增加趋势变缓并逐渐趋于某一定值。 传输损耗为一 1 2 d B时，开始变换光强度随长度的增加而增加，但是当长度为3 . 5 m m左右时， 变换光强度随长度增加逐渐减弱。所以 在传输损耗的影响下，器件有一个最佳 长度。 研究结果说明了 利用这个模型所做的 理
9、论分析和试验结果符合得较好。 最后在上述研究基础上提出了了时分复用与波分复用信道间的全光多路波 长变换方案， 并论证了 方案的 可行性。该方案使用了 全新的设计思想。 仿真结 果显示该设计方案可以 有效的进行时分复用与波分复用网间的高速数据交换。 论文在重点研究全光波长变换理论的同时， 也进行了大量的计算机数值仿真 与设计以期得到不同方法下的全光波长变换以 及全光多路转换的适用范围与最 优结构参数。 关健词: 全光波长变换半导体光放大器全光多路变换 四川大学博士论文 A l l O p t i c a l Wa v e l e n g t h C o n v e r s i o n A t o
10、 m i c a n d Mo l e c u l a r P h y s i c s A d v i s o r : L i u G a n gT u t o r : Y a n g X i a n g - d o n g S t u d i e s o f i n t e r a c t i o n b e t w e e n o p t i c a l a n d s u b s t a n c e n o t o n l y h a v e w e i g h t i l y a c a d e m i c v a l u e s b u t a l s o h a v e w id
11、e l y a p p l i e d v a l u e s e s p e c i a l ly i n c o m m u n i c a - - t i o n f i e l d . I n t h i s d i s s e r t a t i o n p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a f e w a l l o p t i c a l w a v e - - l e n g t h c o n v e r s i o n ( A O WC ) m e t h o d s a r e a m p ly r e s
12、 e a r c h e d . I n s e c o n d c h a p t e r n u m e r i c a l m o d e l o f A O WC i s e s t a b l i s h e d w h i c h i s b a s e o n c r o s s g a i n m o d u l a t i o n i n a s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r . N o n l i n e a r s c h r o d i n g e r e q u a t i o n i
13、s u s e d f o r s t u d y i n g c h i r p c h a r a c t e r i s t i c i n w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n p r o c e s s . A n d i n c i d e n c e p o w e r , w a v e l e n g th a n d b i a s c u r r e n t a ff e c t c o n v e r s i o n p u l s e a r e s i m u l a t e d . R e s u l t s a s f
14、o l l o w s : R e d u c i n g o f S O A c h ir p i n c o n n e c t i o n w i t h i n c re a s i n g o f S O A g a i n o r p h o t o n e n e r g y ; R e d u c i n g in p u t l i g h t p o w e r o r i n c r e a s in g l e n g t h a n d e ff e c t i v e a r e a o f a c t i v e l a y e r , w e c a n r e
15、 d u c e t h e S O A c h i r p ; C o d e i n t e r f e r i n g c a n b e r e d u c e d w h e n e x t i n c t i o n r a t i o o f c o n v e r s i o n s i g n a l i s i n c r e a s e d ; E n h a n c i n g p o w e r o f p r o b l i g h t , w e c a n i m p r o v e s i g n a l - n o i s e r a t i o ; W a
16、 v e l e n g t h c o n v e r s i o n o f c r o s s g a in m o d u l a t i o n o f S O A t r a n s f o r m a l o n g w i t h s h o rt w a v e d i r e c t i o n o r l o n g w a v e d ir e c t i o n t o o ; Wh e n b i a s c u r r e n t i s r e d u c e d s i g n a l - n o i s e r a t i o n w i l l b e w o r s e n a n d c o d e i n t e r f e r i n g w i l l b e a u g m e n t e d . I n t h e n e x t c h a p t e r Ma c h - Z e h n d e r A O WC i s re s e a r c h e d . D i s t r i b u t e d l o s s
