量子點(diǎn)半導(dǎo)體光放大器波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的Q因子特性

李 雯， 王海龍*， 崔樂(lè)樂(lè)， 張 國(guó)， 龔 謙

(1. 山東省激光偏光與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 曲阜師范大學(xué) 物理系， 山東 曲阜 273165；2. 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200050)

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量子點(diǎn)半導(dǎo)體光放大器波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的Q因子特性

李 雯1， 王海龍1*， 崔樂(lè)樂(lè)1， 張 國(guó)1， 龔 謙2

(1. 山東省激光偏光與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 曲阜師范大學(xué) 物理系， 山東 曲阜 273165；2. 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200050)

為了改善全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換性能進(jìn)而提高輸出信號(hào)質(zhì)量，研究了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的Q因子特性。采用牛頓迭代法和四階龍格庫(kù)塔法解光場(chǎng)傳輸方程和躍遷速率方程，分析了輸入信號(hào)光功率、脈沖寬度、最大模式增益和有源區(qū)長(zhǎng)度4個(gè)因素對(duì)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的Q因子特性的影響，并將得到的結(jié)果與相同條件下的輸出消光比比較。結(jié)果表明:增大輸入信號(hào)光功率，Q因子先增大后減小，并且在-12 dBm時(shí)取得最大值8.819 dB；Q因子隨著脈沖寬度的增加而不斷下降；增大最大模式增益和有源區(qū)長(zhǎng)度，Q因子增大。在實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上,優(yōu)化各參數(shù)數(shù)值，得到的Q因子達(dá)到16.680 dB,輸出信號(hào)質(zhì)量較好。要同時(shí)獲得高的消光比和Q因子，提高輸出信號(hào)的質(zhì)量，必須選取適當(dāng)?shù)妮斎胄盘?hào)光功率、脈沖寬度、最大模式增益和有源區(qū)長(zhǎng)度。

量子點(diǎn)半導(dǎo)體光放大器； 全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換； 交叉相位調(diào)制；Q因子

1 引 言

光纖通信是一種以光波作為信息載體的通信方式，具有成本低、傳輸頻帶寬、抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。自1982年以來(lái)，光纖通信迅速發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸速度在短短幾十年間以指數(shù)的速度增長(zhǎng)，使高速率、大容量的通信成為可能。然而迅速增長(zhǎng)的各類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)通信的帶寬和容量的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的光-電-光的信號(hào)傳輸方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的需要，基于波分復(fù)用技術(shù)，即直接在光域進(jìn)行信息交換，可以避免電子瓶頸[2]。波分復(fù)用技術(shù)導(dǎo)致了全光網(wǎng)的產(chǎn)生，今后光纖通信發(fā)展的主要方向是主干網(wǎng)絡(luò)向高速率、超大容量、超長(zhǎng)距離的光傳送網(wǎng)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)。

所謂全光網(wǎng)絡(luò)，是指光信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和交換始終以光的形式實(shí)現(xiàn)，而不需要經(jīng)過(guò)光-電、電-光變換。中間沒(méi)有電信號(hào)的參與或者光-電-光的轉(zhuǎn)換，能夠極大地提高網(wǎng)絡(luò)速率。目前全光網(wǎng)的發(fā)展仍處在初期階段，但從其發(fā)展趨勢(shì)上看，建立全光網(wǎng)絡(luò)，消除電子瓶頸已經(jīng)成為未來(lái)光通信發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。而全光信號(hào)處理是實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵,主要是利用全光的方法對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理。通過(guò)全光信號(hào)處理技術(shù)，可以提高網(wǎng)絡(luò)速率和帶寬利用率等。因此，全光信號(hào)處理技術(shù)是未來(lái)光通信網(wǎng)絡(luò)的基石，在光網(wǎng)絡(luò)中具有極其重要的作用[4]。在光通信中，全光信號(hào)處理的范圍比較大，涉及到全光放大、全光邏輯、波長(zhǎng)變換等多個(gè)環(huán)節(jié)。

全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(All-optical wavelength converter,AOWC)在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)及全光交換網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮了重要作用，自20世紀(jì)90年代以來(lái)一直受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[5]。目前在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中所用的光電型的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器從功耗、體積和日益顯現(xiàn)的電子瓶頸等方面很難適應(yīng)超高速、大容量的要求。而全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是在光的頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足了全光通信網(wǎng)絡(luò)的要求，具有更好的發(fā)展前景[6]。實(shí)現(xiàn)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的方式主要有基于交叉增益調(diào)制(Cross gain modulation,XGM)型、四波混頻(Four wave mixing, FWM)型和交叉相位調(diào)制(Cross phase modulation,XPM)型等，其中XPM-AOWC具有高消光比、高轉(zhuǎn)換效率、小啁啾和低功率運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

量子點(diǎn)半導(dǎo)體光放大器(Quantum-dot semiconductor optical amplifier,QD-SOA)相比于量子阱半導(dǎo)體光放大器(Quantum well semiconductor optical amplifier,QW-SOA)和體材料半導(dǎo)體光放大器(Bulk semiconductor optical amplifier，bulk-SOA)，具有較好的溫度不敏感性、較低的閾值電流和較高的信號(hào)處理速度和量子效率[7-8]。本文主要以Q因子作為衡量波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換性能的指標(biāo)，分析了基于QD-SOA的XPM型全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，討論了輸入信號(hào)光功率、信號(hào)光脈沖寬度和最大模式增益等因素對(duì)Q因子的影響，并同時(shí)參考消光比(Extinction ratio,ER)的變化規(guī)律，從理論上設(shè)定了XPM-AOWC的最佳工作條件。

2 理論模型

2.1 速率方程

量子點(diǎn)半導(dǎo)體光放大器是一種非常重要的半導(dǎo)體光放大器，其工作原理和其他半導(dǎo)體光放大器一樣，只是有源區(qū)內(nèi)的增益介質(zhì)是用不同材料生長(zhǎng)的具有不同形狀和尺寸的量子點(diǎn)(圖1)。量子點(diǎn)在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)形成浸潤(rùn)層(Wetting layer)。QD-SOA的有源區(qū)可分為3個(gè)能級(jí)：浸潤(rùn)層、激發(fā)態(tài)(Excited state)、基態(tài)(Ground state),采用的三能級(jí)速率方程分別描述了有源區(qū)內(nèi)浸潤(rùn)層的載流子濃度以及電子在激發(fā)態(tài)和基態(tài)的占有率[9-11]：

(1)

(2)

(3)

圖1 QD-SOA的結(jié)構(gòu)圖

其中Nw為浸潤(rùn)層中載流子的濃度，h為電子在激發(fā)態(tài)中的占有幾率，f為電子在基態(tài)的占有幾率，Lw為有源區(qū)的厚度，NQ為表面量子點(diǎn)的密度(一般取值為5×1010cm-2)，τw2是電子從浸潤(rùn)層到激發(fā)態(tài)的躍遷時(shí)間，e為電子的電量，τ21是電子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷時(shí)間，J為注入電流密度，τwR是電子在浸潤(rùn)層中的自發(fā)輻射時(shí)間，h1ωi是光子能量，ωi為光的頻率，τ2w是電子從激發(fā)態(tài)到浸潤(rùn)層的躍遷時(shí)間，σ為有源區(qū)的橫截面積，τ12是電子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷時(shí)間，τ1R是電子在QD中的自發(fā)輻射時(shí)間。

采用下面的光場(chǎng)方程來(lái)描述光在QD-SOA中的傳輸過(guò)程[12]：

(4)

(5)

其中，E是輸入信號(hào)光的電場(chǎng)強(qiáng)度，E+、E-分別是沿z和-z方向傳播的電場(chǎng)，z為光場(chǎng)傳輸方向，Γ是光場(chǎng)限制因子，α是光在波導(dǎo)中傳輸?shù)膿p耗系數(shù)，η是線(xiàn)寬增強(qiáng)因子，j=(-1)1/2。方程(4)和(5)的邊界條件為：

E+(0)=(1-r1)Ein+r1E-(0),

(6)

E-(L)=r2E+(L),

(7)

沿著光傳輸方向探測(cè)光相位的變化為：

(8)

沿QD-SOA有源區(qū)+L方向積分，由式(8)可得到相位隨時(shí)間的變化：

(9)

2.2 工作原理

交叉相位調(diào)制效應(yīng)是通過(guò)載流子濃度的變化引起折射率的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)QD-SOA工作于XPM模式時(shí)，由于輸入信號(hào)光消耗載流子，導(dǎo)致有源區(qū)內(nèi)的載流子濃度發(fā)生變化，從而可調(diào)制激活介質(zhì)層中的折射率。折射率的變化會(huì)引起探測(cè)光相位的變化，通過(guò)馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x(Mach-Zehnder interferometer,MZI)可以把相位的變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換[13-14]。

圖2 基于QD-SOA-XPM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器原理圖

Fig.2 Schematic diagram of QD-SOA-XPM wavelength converter

如圖2所示，波長(zhǎng)為λ2的探測(cè)光平均分成兩路分別耦合進(jìn)干涉儀的兩臂，波長(zhǎng)為λ1的信號(hào)光同時(shí)注入到干涉儀的上臂中。當(dāng)注入上臂的連續(xù)探測(cè)光通過(guò)激活介質(zhì)時(shí)，其相位被信號(hào)光調(diào)制，而另一條臂中由于沒(méi)有注入信號(hào)光使得探測(cè)光未被調(diào)制，則兩臂中探測(cè)光的相位變化是一個(gè)定值。這樣探測(cè)光在通過(guò)兩臂后產(chǎn)生相位差，經(jīng)過(guò)干涉轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)變化，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。輸出端的探測(cè)光功率[15]為：

cos(φ1-φ2)],

(10)

其中定義Pprobe是探測(cè)光功率,φ1(t)、φ2(t)是分別經(jīng)過(guò)MZI兩臂的QD-SOA后探測(cè)光的相位，G1(t)、G2(t)是分別經(jīng)過(guò)MZI兩臂的QD-SOA后探測(cè)光的增益。

3 數(shù)值模擬

把QD-SOA進(jìn)行細(xì)化分段，并通過(guò)牛頓迭代法[16]和四階龍格-庫(kù)塔法[17]分別對(duì)QD-SOA的靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。輸入的探測(cè)光和信號(hào)光的波長(zhǎng)分別為1 550 nm 和1 500 nm，設(shè)定QD-SOA1的注入電流為40 mA，QD-SOA2的注入電流為35 mA，其他基本參數(shù)見(jiàn)表1[18]。得到同相波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，即輸入信號(hào)光和輸出轉(zhuǎn)換光是同相的，如圖3所示。

為了更方便地衡量出轉(zhuǎn)換信號(hào)的質(zhì)量，選取Q因子作為衡量波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器性能的指標(biāo)，Q因子[19]

表1 基本參數(shù)[18]

圖3 全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換前后的對(duì)比圖。(a) 轉(zhuǎn)換前;(b) 轉(zhuǎn)換后。

Fig.3 Comparison chart of all optical wavelength converter. (a) Before. (b)After.

定義為：

(11)

3.1Q因子和輸入信號(hào)光功率的關(guān)系

圖4顯示了Q因子隨信號(hào)光功率的變化規(guī)律。由圖可知，增大輸入信號(hào)光功率，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的Q因子先增大后減小。當(dāng)輸入信號(hào)光功率為-12 dBm時(shí)，Q因子達(dá)到最大值8.819 dB。當(dāng)信號(hào)光為高電平“1”時(shí)，有源區(qū)內(nèi)的載流子消耗數(shù)量也增大，探測(cè)光獲得增益飽和；而信號(hào)光為“0”時(shí)，有源區(qū)內(nèi)載流子濃度基本不變，探測(cè)光獲得的增益增大。即增加信號(hào)光功率，探測(cè)光在信號(hào)光為高、低電平時(shí)獲得的增益差值變大，Q因子增大。但是隨著信號(hào)光功率大于-12 dBm，QD-SOA的增益飽和效應(yīng)使得探測(cè)光的增益大大降低，增益差減小，Q因子在達(dá)到最大之后逐漸減小。

圖4 信號(hào)光功率與Q因子的關(guān)系,插圖為信號(hào)光功率在-15～-10 dBm之間的Q因子變化。

Fig.4 Relation betweenQfactor and the input signal power. Inset is the changing ofQfactor with the input signal power from -15 to-10 dBm.

圖5為信號(hào)光功率與消光比和Q因子的關(guān)系。在信號(hào)光功率小于-12 dBm時(shí)，兩條曲線(xiàn)的變化規(guī)律一致；但是當(dāng)信號(hào)光功率大于-12 dBm時(shí)，兩曲線(xiàn)的趨勢(shì)完全相反。所以要獲得較高的消光比和Q因子，就要適當(dāng)選取信號(hào)光功率。

Fig.5 Variation ofQfactor and extinction ratio with the input signal power

3.2Q因子和輸入信號(hào)光脈沖寬度的關(guān)系

圖6是Q因子隨脈沖寬度的變化規(guī)律。由圖可知，增大信號(hào)光脈沖寬度，Q因子是不斷下降的。輸入信號(hào)光的脈沖寬度增加，導(dǎo)致有源區(qū)內(nèi)的載流子濃度的變化比較緩慢，并且相鄰兩個(gè)脈沖之間的影響作用增大，降低了輸出轉(zhuǎn)換光的質(zhì)量，使得Q因子減小。

圖7同時(shí)給出了消光比和Q因子與信號(hào)光脈沖寬度的關(guān)系。兩曲線(xiàn)的趨勢(shì)是相反的，所以要獲得較高的Q因子和高的消光比，選取脈沖寬度時(shí)要適當(dāng)，要同時(shí)考慮Q因子和消光比。

圖6 脈沖寬度與Q因子的關(guān)系

圖7 脈沖寬度與消光比和Q因子的關(guān)系

Fig.7 Variation ofQfactor and extinction ratio with the pulse width

3.3Q因子和最大模式增益的關(guān)系

圖8描述的是最大模式增益與Q因子和消光比的變化規(guī)律。增大最大模式增益，Q因子和消光比都逐漸減小。這是因?yàn)樽畲竽Ｊ皆鲆嬖龃螅庠鲆婢蜁?huì)隨之增大，有源區(qū)內(nèi)載流子與輸入信號(hào)光的受激輻射的速率增大。而不能及時(shí)補(bǔ)充被快速消耗的載流子，會(huì)導(dǎo)致消光比和Q因子減小。所以，減小最大模式增益，可以提高消光比和Q因子的值，改善波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換性能。

圖8 最大模式增益與消光比和Q因子的關(guān)系

Fig.8 Variation ofQfactor and extinction ratio with the maximum modal gain

3.4Q因子和有源區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系

圖9是Q因子隨有源區(qū)長(zhǎng)度的變化曲線(xiàn)。由圖可知，增大有源區(qū)長(zhǎng)度，Q因子也會(huì)隨之增大。這是因?yàn)樵龃笥性磪^(qū)長(zhǎng)度，輸入信號(hào)光與載流子發(fā)生受激輻射的幾率也會(huì)變大，從而增大光增益，探測(cè)光獲得的增益差增大。當(dāng)有源區(qū)長(zhǎng)度L>0.9 mm時(shí)，Q>6 dB,可以獲得較好的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換性能。

圖9 Q因子與有源區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系

Fig.9 Relation betweenQfactor and the length of the active layer

圖10為有源區(qū)長(zhǎng)度與消光比和Q因子的關(guān)系。兩曲線(xiàn)的趨勢(shì)是相反的，所以要獲得較高的Q因子和高的消光比，有源區(qū)長(zhǎng)度的選取也必須適當(dāng)。

圖10 有源區(qū)長(zhǎng)度與消光比和Q因子的關(guān)系

Fig.10 Variation ofQfactor and extinction ratio with the length of the active layer

4 結(jié) 論

為了改善全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換性能進(jìn)而提高輸出信號(hào)質(zhì)量，研究了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的Q因子特性。對(duì)于輸入信號(hào)光功率，存在一個(gè)最大值-12 dBm，使得Q因子的值最大為8.819 dB。而較小的信號(hào)光脈沖寬度和最大模式增益、較大的有源區(qū)長(zhǎng)度都能夠得到較高的Q值。在實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，優(yōu)化各參數(shù)數(shù)值，得到的Q因子達(dá)到16.680 dB,輸出信號(hào)質(zhì)量較好。但是輸入信號(hào)光、脈沖寬度和有源區(qū)長(zhǎng)度的選取必須適當(dāng)，選取參數(shù)時(shí)要兼顧消光比和Q因子。

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QFactor Characteristics of Wavelength Conversion Based on Quantum Dot Semiconductor Optical Amplifiers

LI Wen1, WANG Hai-long1*, CUI Le-le1, ZHANG Guo1, GONG Qian2

(1.ShandongProvincialKeyLaboratoryPolarizationandInformationTechnology,DepartmentofPhysics,QufuNormalUniversity,Qufu273165,China;2.StateKeyLaboratoryofFunctionalMaterialsforInformatics,ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:hlwang@mail.qfnu.edu.cn

In order to optimize the conversion performance of all-optical wavelength converter and improve the quality of output signal,Qfactor of wavelength converter was studied. Newton iteration method and four order Runge Kutta method were used to solve the transition rate equation and light propagation equations. The effects of the input signal power, optical pulse width, maximum mode gain, and length of the active layer onQfactor of the all-optical wavelength converter were also studied, and they were compared with the output extinction ratio under the same conditions. With the increasing of the input signal power,Qfactor increases up to the maxima 8.819 dB which appears at -12 dBm of the input signal power, and then begin to decrease.Qfactor decreases with the increasing of the optical pulse width, and increases with the increasing of the maximum mode gain and the length of the active layer. On the basis of the realization of the wavelength conversion, by optimizing the best parameter value, the value ofQfactor reaching 16.680 dB is obtained, and the output signal quality is high. In order to obtain the high extinction ratio andQfactor at the same time to improve the quality of the output converted optical signal, the appropriate input signal must be selected for the optical power, pulse width, maximum mode gain, and length of the active layer.

quantum-dot semiconductor optical amplifier; all-optical wavelength converter; cross phase modulation;Qfactor

李雯(1990-)，女，山東菏澤人，碩士研究生，2013年于菏澤學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光通信與光組網(wǎng)的研究。

E-mail: liwen_219@163.com

王海龍(1971-),男，山東莘縣人，教授，博士生導(dǎo)師，2000年于中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光通信、半導(dǎo)體光電子學(xué)等方面的研究。

E-mail: hlwang@mail.qfnu.edu.cn

2015-10-28；

2015-12-16

山東省自然科學(xué)基金 (ZR2014FM011); 信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放課題(SKL201307)資助項(xiàng)目

1000-7032(2016)03-0346-07

TN929.11

A

10.3788/fgxb20163703.0346