基于高非線性器件的全光邏輯信號處理技術(shù).pdf

1、全光邏輯信號處理技術(shù)在光交換節(jié)點的大多數(shù)功能單元中都起著至關(guān)重要的作用，比如分組頭處理、凈荷定位、時鐘提取、信號再生、光分組自路由以及光信號編碼等節(jié)點功能都要依靠邏輯器件來實現(xiàn)。因此，一旦此技術(shù)獲得突破，不僅能為目前的光網(wǎng)絡(luò)開辟新的發(fā)展方向，而且具有極其廣泛的應(yīng)用，它將會給人類信息社會帶來一場深刻的、革命性的變革，如同晶體管及集成電路技術(shù)在20世紀(jì)信息社會中的地位和作用一樣。
　　 鑒于此，本論文著眼于光網(wǎng)絡(luò)中基于高非線性器件的

2、全光可重構(gòu)多邏輯門的實現(xiàn)技術(shù)，包括全光AND、OR/NOR、XOR和NOT門等。本論文的主要工作如下：
　　 一、半導(dǎo)體光放大器（SOA）的非線性偏振特性及理論模型
　　 介紹了SOA中非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)制，以及SOA非線性偏振相關(guān)的理論模型，從理論上熟悉NPR效應(yīng)的物理層含義；然后建立了與實驗中SOA參數(shù)吻合的理論模型，分析研究了SOA偏振相關(guān)的增益特性、相位特性和啁啾特性。實驗方面，首次研究了S

3、OA的NPR與偏振相關(guān)增益（PDG）之間的關(guān)系。通過研究SOA的PDG，巧妙地利用泵浦-探測結(jié)構(gòu)在單個SOA中實現(xiàn)了對NPR與PDG關(guān)系的研究，得到結(jié)論：1）當(dāng)泵浦光在SOA的增益峰值波長處，SOA中NPR效應(yīng)最強(qiáng)；2）SOA的PDG越大，NPR效應(yīng)越強(qiáng)。同時還研究了輸入光功率、偏振態(tài)對SOA中NPR效應(yīng)的影響。實驗表明，選擇合適的SOA和輸入光功率、波長及偏振態(tài)對于基于SOA中NPR的影響很大。為之后基于SOA中NPR效應(yīng)的多邏輯門研

4、究做了扎實的準(zhǔn)備工作。
　　 二、基于SOA中NPR效應(yīng)的全光可重構(gòu)多邏輯門技術(shù)
　　 基于上述SOA的理論模型，仿真研究了基于SOA中NPR和窄帶濾波特性的開關(guān)器件的性能，為后面基于NPR和窄帶濾波特性的邏輯門研究做了鋪墊工作。
　　 在完成對NPR和窄帶濾波的實驗及仿真研究基礎(chǔ)上，首先提出了一種基于SOA中NPR效應(yīng)和窄帶濾波特性的全光可重構(gòu)多邏輯門實現(xiàn)方案。仿真上實現(xiàn)了速率為10Gbit/s、Q因子分別為1

5、5.95、8.35、20.84、12.89的AND、XOR、OR、NOT和NOR門。實驗方面，在2.5Gbit/s的實驗平臺上同時實現(xiàn)了（）·（）和（）·（）門，驗證了XOR門的可行性。通過研究調(diào)制碼長和調(diào)制速率對輸出結(jié)果的影響，得到結(jié)論：如果采用增益恢復(fù)時間更快的SOA，該方案可工作在更高速率上。該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、可集成、可重構(gòu)的優(yōu)點。
　　 三、基于高非線性光纖（HNLF）中交叉相位調(diào)制（XPM）效應(yīng)的全光可重構(gòu)多邏輯門技

6、術(shù)
　　 鑒于HNLF的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?，論文提出一種基于HNLF中XPM效應(yīng)的可重構(gòu)多邏輯門實現(xiàn)方案。該方案有三個顯著的優(yōu)點：1）只采用了一種非線性效應(yīng)（即XPM），2）輸入只有兩路信號光（沒有附加的探測光），3）在不改變輸入光功率、波長、偏振等參數(shù)的條件下，只需通過調(diào)節(jié)輸出端濾波器中心波長的設(shè)置即可實現(xiàn)高質(zhì)量的無誤碼輸出。實驗實現(xiàn)了速率為10Gbit/s的XOR、OR和AND門，各邏輯門相應(yīng)的消光比分別為：14.0dB、16.

7、5dB和22.2dB，功率代價分別為：5.9 dB，2.9 dB和-1.0 dB。由于該方案基于快速響應(yīng)的Kerr效應(yīng)，該方案可工作在速率高于100Gbit/s的系統(tǒng)。
　　 仿真深入研究了該方案在波長范圍內(nèi)的適用性，就接收靈敏度與波長之間的關(guān)系做了仿真驗證和分析；最后研究了系統(tǒng)性能與高非線性光纖長度的關(guān)系。研究表明，該方案在波長間隔大于5nm的整個C波段范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)高性能無誤碼的輸出，并且由于走離效應(yīng)和自相位展寬的存在，選

8、擇合適長度的高非線性光纖可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。
　　 四、基于自級聯(lián)電吸收調(diào)制器（EAM）的光開關(guān)技術(shù)
　　 在高速光信號處理技術(shù)中，高重復(fù)頻率超短光脈沖的產(chǎn)生是實現(xiàn)系統(tǒng)運行的必需條件。因此，本論文探索了超窄脈沖的產(chǎn)生技術(shù)。實驗研究基于自級聯(lián)EAM的短脈沖產(chǎn)生技術(shù)，產(chǎn)生了10.2ps的10GHz窄脈沖信號，相對于基于單個EAM產(chǎn)生窄脈沖的技術(shù)，基于自級聯(lián)EAM的結(jié)構(gòu)可以讓脈沖寬度壓縮50％以上。通過對自級聯(lián)EAM的開關(guān)