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基于半导体光放大器的全光网络关键技术研究与应用

王敏学

   全光信号处理技术是实现未来高速、大容量、高可信型全光网络的关键所在。近年来,半导体光放大器(SOA)以其体积小、功耗低、易于与其他光学器件集成等优势成为全光网络中实现全光信号处理技术的关键器件之一。本论文主要基于SOA的两种非线性效应,非线性偏振旋转(NPR)效应和交叉相位调制(XPM)效应,对全光网络关键技术进行了深入的研究。主要研究了全光波长变换,全光2R再生,全光开关键控一偏振位移键控(OOK-PolSK)码型转换,全光频率上变换,全光可调谐梳状滤波,同时多波道时分复用(OTDM)解复用技术等。 论文首次提出并实现了一种基于SOA-NPR效应的偏振不灵敏的全光2R再生和同时正、反相波长变换技术。首先研究了线偏振态保持模式下,偏振不灵敏SOA的输出偏振态与探测光功率、泵浦光功率、偏置电流、泵浦光偏振态以及波长等参量的变化关系。计算得到了泵浦光输入SOA引起NPR效应时,适合进行2R再生的阶梯状(Step-Like)非线性功率传输函数。其次,实验中首次实现了仅在一支偏振分束器(PBS)两端口同时得到两路正、反相波长变换信号的实验结果,并且输出信号伴有2R再生效果。实验中,一方面测量了PBS两端口的偏振开关现象,证明了通过合理的调整泵浦光双电平的功率,单支PBS就能够同时输出两路正、反相的信号;另一方面,实验测量了输入、输出10Gb/s信号的时域波形图、光谱图、以及误码率(BER)值。与背对背的传输相比,BER为10-9时,加载ASE噪声后的信号功率代价为1.8dB,但是经过SOA-NPR效应转换后的信号功率代价有所减小,反相信号的功率代价降低了1.2dB,正相信号降低了0.8dB,证明了同时输出的正、反相两路信号得到了再生。该技术具有偏振不敏感,同时正、反相输出、信号可再生、且可应用于整个C波段的特点。 论文首次提出并实现了基于SOA-NPR效应中线偏振态保持模式下的全光OOK-PolSK码型转换与波长变换技术。应用两支SOA级联的结构,消除了交叉增益调制(XGM)对输出功率波动的影响,相比采用单支SOA,功率波动由10dB以上降低至小于0.6dB,得到了功率均衡的输出信号,利用NPR效应完成了强度信息到偏振信息的转换。再经过起偏器进行偏振到强度的转换,得到的两路正、反相信号消光比(ER)大于30dB。该技术具有可处理偏振调制码型,以及整个C波段应用的优点。 论文首次提出并实现了一种基于SOA-NPR效应的波长与波长间隔均可调的Lyot双折射梳状滤波器。该滤波器由两片偏振片夹着光纤型差分群时延线(DGDL)和一个SOA构成,具有波长及波长间隔均可独立进行调谐的功能。滤波器的波长间隔或自由光谱范围(FSR)可通过调整可编程DGDL进行调整,转换时间约为250μs,调节范围为±45ps。滤波器中心波长的调谐是基于SOA-NPR效应完成的。我们首次提出一种基于SOA-NPR效应的光控相位差连续可调技术,这种技术使用注入SOA的光束强度来控制SOA在产生NPR效应过程中,输入探测光TE和TM分量之间的相位差。实验证明,当输入光强从-10dBm到17dBm变化时,所产生的相位差从0到π具有连续可调的特性。实验中,通过改变输入SOA泵浦光的功率值,从而实现了Lyot双折射梳状滤波器快速而连续的中心波长调谐。在不同的滤波器波长间隔条件下,当泵浦光从-10dBm到17dBm变化时,该可调滤波器的波长调谐范围均能达到波长间隔或FSR的50%。 论文首次提出并且实验验证了一种基于SOA-XPM效应的新型可级联全光串并变换技术,并将其应用到同时多波道OTDM解复用技术中。在泵浦-探测模式下,将复用信号作为探测信号,速率减半的时钟信号作为泵浦信号将同时注入SOA中。基于XPM效应,泵浦时钟的上沿将对探测信号调制一个负啁啾,相应的光谱将会产生红移;而泵浦时钟的下沿将对探测信号调制一个正啁啾,相应的光谱将会产生蓝移。因此,探测信号的两个信道能够通过XPM效应从光谱上分隔开来,再使用一个同时能将两个信道滤出的滤波器,就能够完成1:2解复用。对于20Gb/s OTDM信号进行了解复用验证性实验,使用阵列波导光栅(AWG)同时对称的滤出了并行的两路10Gb/s的信号。其中红移信道眼图的ER达到了9.65dB,蓝移信道的ER达到9.1dB。BER测试中,红移信道功率代价为1dB,蓝移信道为2dB。该方案具有结构简单、对称滤波、高速率、可级联和同时多波道输出的优点。……   
[关键词]:全光信号处理;半导体光放大器;全光2R再生;全光码型转换;可调滤波器;OTDM解复用
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:北京邮电大学2010年