基于高非線性器件的全光邏輯信號(hào)處理技術(shù).pdf

1、全光邏輯信號(hào)處理技術(shù)在光交換節(jié)點(diǎn)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(shí)鐘提取、信號(hào)再生、光分組自路由以及光信號(hào)編碼等節(jié)點(diǎn)功能都要依靠邏輯器件來(lái)實(shí)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(kāi)辟新的發(fā)展方向，而且具有極其廣泛的應(yīng)用，它將會(huì)給人類信息社會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)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(huì)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(mén)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，包括全光AND、OR/NOR、XOR和NOT門(mén)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guò)研究SOA的PDG，巧妙地利用泵浦-探測(cè)結(jié)構(gòu)在單個(gè)SOA中實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(zhǎng)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(shí)還研究了輸入光功率、偏振態(tài)對(duì)SOA中NPR效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)表明，選擇合適的SOA和輸入光功率、波長(zhǎng)及偏振態(tài)對(duì)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(mén)研

4、究做了扎實(shí)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(mén)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(kāi)關(guān)器件的性能，為后面基于NPR和窄帶濾波特性的邏輯門(mén)研究做了鋪墊工作。
　　 在完成對(duì)NPR和窄帶濾波的實(shí)驗(yàn)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(mén)實(shí)現(xiàn)方案。仿真上實(shí)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(mén)。實(shí)驗(yàn)方面，在2.5Gbit/s的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了（）·（）和（）·（）門(mén)，驗(yàn)證了XOR門(mén)的可行性。通過(guò)研究調(diào)制碼長(zhǎng)和調(diào)制速率對(duì)輸出結(jié)果的影響，得到結(jié)論：如果采用增益恢復(fù)時(shí)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(jiǎn)單、可集成、可重構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。
　　 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(mén)技

6、術(shù)
　　 鑒于HNLF的優(yōu)勢(shì)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(mén)實(shí)現(xiàn)方案。該方案有三個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：1）只采用了一種非線性效應(yīng)（即XPM），2）輸入只有兩路信號(hào)光（沒(méi)有附加的探測(cè)光），3）在不改變輸入光功率、波長(zhǎng)、偏振等參數(shù)的條件下，只需通過(guò)調(diào)節(jié)輸出端濾波器中心波長(zhǎng)的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的無(wú)誤碼輸出。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了速率為10Gbit/s的XOR、OR和AND門(mén)，各邏輯門(mén)相應(yīng)的消光比分別為：14.0dB、16.

7、5dB和22.2dB，功率代價(jià)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(zhǎng)范圍內(nèi)的適用性，就接收靈敏度與波長(zhǎng)之間的關(guān)系做了仿真驗(yàn)證和分析；最后研究了系統(tǒng)性能與高非線性光纖長(zhǎng)度的關(guān)系。研究表明，該方案在波長(zhǎng)間隔大于5nm的整個(gè)C波段范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)高性能無(wú)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(zhǎng)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(jí)聯(lián)電吸收調(diào)制器（EAM）的光開(kāi)關(guān)技術(shù)
　　 在高速光信號(hào)處理技術(shù)中，高重復(fù)頻率超短光脈沖的產(chǎn)生是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)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(shí)驗(yàn)研究基于自級(jí)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(hào)，相對(duì)于基于單個(gè)EAM產(chǎn)生窄脈沖的技術(shù)，基于自級(jí)聯(lián)EAM的結(jié)構(gòu)可以讓脈沖寬度壓縮50％以上。通過(guò)對(duì)自級(jí)聯(lián)EAM的開(kāi)關(guān)