單端耦合QD?SOA波長轉換特性研究

摘 要： 通過光場傳輸方程和電子躍遷速率方程，采用細化分段方法，解常微分方程組的四階龍格?庫塔法和求解非線性方程組的牛頓法，建立了針對動態輸入信號的仿真模型。對基于單端耦合QD?SOA的交叉增益調制（XGM）波長轉換器轉換光增益、啁啾特性與有源區長度、輸入光信號功率、注入電流之間的關系進行了研究。結果表明增大泵浦光、減小探測光、增大注入電流都可以增加轉換光啁啾特性，通過增加有源區長度和后端面反射率可以有效提高轉換光增益，而光增益隨注入電流變化不大。

關鍵詞： QD?SOA； 交叉增益調制； 光增益； 啁啾特性

中圖分類號： TN929.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）13?0152?04

Abstract： Simulation model of dynamic input signal was established. Which is based on optical field transmission equation and electron transition rate equation， adopted refining segmentation method， four?order Runge?Kutta method and Newton method. The relationships between conversion optical gain of cross gain modulation wavelength convertor， chirp characteristic， active region length， input optical signal power， injection current for single?terminal coupled QD?SOA are researched. Calculation results show that chirp characteristic can be improved by increasing pump light， reducing probe light and increasing injection current. The conversion optical gain can be enhanced by increasing the length of active region and the reflectivity in rear?end face， and the optical gain has little variation with change of injection current.

Keywords： QD?SOA； cross gain modulation； optical gain； chirp characteristic

0 引 言

隨著現代光纖通信技術的快速發展，用戶大數據容量需求造成了系統出現網絡阻塞，另外現有網絡節點存在的光/電（電/光）轉換電子瓶頸也進一步限制了傳輸帶寬擴大[1]。為了解決這些實際問題，全光通信網絡要求光器件具有高速的全光信號處理能力，其中基于半導體光放大器的全光波長轉換器就是全光信號處理技術的重要應用之一，要求光信號在不經過任何光/電轉換情況下，直接完成光信號交換[2]。在各種類型波長轉換器中，交叉增益調制型（XGM）波長轉換器由于結構簡單、效率高、響應時間快，正成為全光網絡波分復用關鍵技術[3]。另外，量子點半導體光放大器（QD?SOA）與普通半導體光放大器（Bulk SOA）、量子阱半導體光放大器（QW?SOA）相比，具有低溫度靈敏性、低線寬增強因子、低閾值電流、高微分增益、高調制帶寬等優點[4?6]，因此本文主要對基于量子點半導體光放大器XGM型波長轉換器進行了研究。

文獻[7]提出了一種基于單端耦合普通光放大器（Bulk SOA）的波長轉換器結構。本文在采用該結構的基礎上，通過細化分段方法，建立了基于單端耦合QD?SOA的交叉增益調制波長轉換器動態模型，重點分析了有源區長度、輸入光信號功率、注入電流與轉換光增益和啁啾特性之間的關系。

1 動態理論模型

圖1所示為基于單端耦合QD?SOA?XGM全光波長轉換器結構。在圖1結構中，攜帶原始信息泵浦光（[λ1]）和連續探測光（[λ2]）同時耦合進入QD?SOA中。半導體光放大器后端面鍍有反射率為[R2]的增透膜，信號光在有源區內部傳輸，經過后端面反射后，通過光放大器前端面輸出，輸出信號光通過光環行器3端再次輸出。此時輸出的光信號包含泵浦光和經調制后的探測光頻率分量，輸出光信號通過窄帶光濾波器濾除泵浦光后，只保留[λ2]頻率分量。

本文建立的動態模型依據電子在QD?SOA中的速率方程，量子點半導體光放大器有源區能級為浸潤層、激發態和基態的三能級結構。載流子在浸潤層、激發態和基態的躍遷速率方程為[8?10]：

[?Nw?t=JeLw-Nw（1-h）τ2w+NQhLwτ2w-NwτWR] （1）

[?h?t=NwLw（1-h）NQτ2w-hτ2w-h（1-f）τ21+f（1-h）τ12] （2）

[?f?t=h（1-f）τ21-f（1-h）τ12-f2τ1R-iLwgi（wi）PNQσh1wi] （3）

在該動態理論模型中，因光放大器的飽和主要由信號光引起，所以忽略掉了ASE噪聲的影響。在QD?SOA有源區內只有泵浦光和探測光傳輸，其光場傳輸方程可由下式來進行描述[11]：

[dE±dz=±Γ（g（1-jη）-αint）E±] （4）

式中：[z]為光場的傳播方向；[E+]表示沿有源區正向傳播（從左往右為正）；[E-]為光場沿有源區負向傳播；[Γ]為光場限制因子；[αint]是光在QD?SOA有源區內傳輸的有效損耗系數；[j=（-1）12。]方程（4）的邊界條件是：

[E+（0）=（1-r1）Ein+r1E-（0）] （5）

[E-（L）=r2E+（L）] （6）

光在半導體光放大器沿有源區傳播不斷受激放大，同時消耗有源區內部的載流子濃度，變化的載流子濃度引起有源區內部折射率發生變化，最終導致光的相位產生改變。探測光相位的變化是由泵浦光的交叉增益調制和探測光自身相位調制引起的，有源區內光相位的變化可表示為[12]：

[?Φ?z=-12Γαg] （7）

轉換后信號光啁啾為相位的瞬時變化率，其表達式為：

[Δν=-12πdΦdt] （8）

半導體光放大器增益可由輸出功率與輸入功率之比來表示（單位：dB），即：

[Gain=10lg（PoutPin）] （9）

為了更加精確地描述每一段載流子和光子密度的變化情況，采用了細化分段QD?SOA的方法。首先將有源區分成[M]段，并認為每段的載流子濃度都是均勻的，記第[j]段的載流子濃度為[Nj（t），]并將第[j]段再次進行細化分成[N]段，這樣每一小段長度[ΔL=L（M×N），]細化分段模型如圖2所示。

2 數值模擬與討論

為完成QD?SOA動態仿真，首先將有源區整塊分成100段，然后將每段再細化分成30段。利用四階龍格?庫塔法求解式（1）～式（3），輸入信號光為一階高斯信號，信號波長1 500 nm，信號轉換速率為160 Gb/s，峰值最大值為5 dBm。探測光功率為-20 dBm，波長為1 550 nm的連續光，光放大器后端面反射率[R2]為0.1%。轉換后的輸出泵浦光、輸出探測光及轉換光光啁啾如圖3所示。

從圖3可以看到，泵浦光和探測光是反相輸出的，這是由一對輸入光信號的交叉增益調節機制決定的。大功率泵浦光[λ1]和小功率連續探測光[λ2]同時注入到QD?SOA中，當泵浦光邏輯信號為“1”時，可以快速消耗基態的大量載流子，使得有源區內的光增益達到飽和，探測光被飽和吸收，輸出探測光邏輯信號為“0”。當泵浦光邏輯信號為“0”時，消耗QD?SOA的載流子數目非常微弱甚至不消耗電子，此時有源區有大的增益，探測光得到放大，邏輯信號為“1”，這樣輸出的泵浦光和探測光波形呈現出了極性相反一一對應關系，[λ1]攜帶的信息轉換到[λ2]上，完成信息在波長間的轉換。從轉換光啁啾特性曲線看，轉換光前沿對應負啁啾（紅移），轉換光后沿對應正啁啾（藍移）。最大負啁啾為-2.64 GHz，而最大正啁啾為1.19 GHz，這是由于上升沿時間要大于下降沿時間，從而造成了紅移要大于藍移程度。

2.1 轉換光啁啾與注入電流關系

轉換光啁啾與注入電流的關系由圖4給出。從圖4可以看出注入電流增大，轉換光啁啾也越大，這是因為增大注入電流，相當于增大QD?SOA單位時間內載流子的數目，信號光得到更大增益。反過來，信號光放大之后會對載流子濃度產生更大的調制，探測光信號相位進一步發生變化，從而導致光啁啾增大。從圖4中也可以看到，當注入電流大于1 mA時，轉換光啁啾變化不是很明顯，這是因為QD?SOA有源介質開始出現增益飽和。

2.2 轉換光啁啾與泵浦光、探測光關系

圖5給出了轉換光啁啾與泵浦光的關系。從圖中可以看到，在保持單脈沖能量不變的情況下，轉換光啁啾隨著泵浦光功率的增大而不斷增大，并且正啁啾的變化要大于負啁啾的變化。這是因為增大泵浦光功率，光放大器內交叉增益調制更加明顯，有源區的載流子濃度變化更大，光增益材料有效折射率更大，最終導致轉換光啁啾變大。

圖6所示為轉換光啁啾與探測光的關系，信號轉換速率同樣是在160 Gb/s情況下，從圖中可以看到，探測光越大，轉換光啁啾反而越小，這是因為增大探測光功率的同時導致信號光消耗載流子的數目減少，由于泵浦光調制作用的減弱，從而使得轉換光的啁啾效應更小。

通過分析圖5，圖6可知，為了較小轉換光信號啁啾的影響，可以采用增大探測光或減小泵浦光功率的方法。但在實際光通信網絡中，需要提高泵浦光功率和探測光功率來維持好的消光比特性。所以在優化全光波長轉換器結構時，為了實現消光比和啁啾特性之間平衡，必須要適當調節泵浦光功率和探測光功率。

2.3 轉換光增益與有源區長度[L]的關系

轉換光增益與有源區長度[L]的關系由圖7給出。從圖中可以看到轉換光增益隨著有源區長度[L]的增大也越來越大，有源區長度[L]從1.5 mm變化到3 mm，轉換光增益從4.83 dB變化到35.75 dB。由轉換光增益與有源區長度[L]的關系公式[G=exp[（Γg-α）L]]也可以看出，光增益是隨著有源區長度[L]增加不斷變大。另外從圖7中[L]為1.75 mm和2.5 mm兩點的輸出波形可以看出，[L]越大，輸出光信號得到的放大倍數也越大。

2.4 轉換光增益與注入電流關系

圖8所示為轉換光增益與注入電流的關系。從圖中可以看出在輸入泵浦光功率為10 dBm時，轉換光增益隨注入電流變化不大。另外看到轉換光增益隨著后端面反射率增加而增大，這是因為后端面反射率的增加使得后端面輸出功率減小，而前端面輸出功率增加，從而導致單端QD?SOA前端面輸出轉換光獲得更大增益。

3 結 論

本文主要研究了單端耦合QD?SOA全光波長轉換特性，分析表明通過減小泵浦光功率和增大探測光功率都可以降低光啁啾帶來的影響，但為了獲得好的消光比特性，必須要權衡輸入信號光功率大小。增加有源區長度和后端面反射率可以提高前端面轉換光增益，但是通過提高注入電流強度對改變輸出光信號增益效果不大。另外，文中全光波長轉換器光信號轉換速率可達160 Gb/s，輸出轉換光不存在碼型效應，因此其對以后進一步優化單端波長轉換器結構具有重要指導意義。

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