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1、毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名： 日期： 年 月 日摘 要全光分组交换网是光通信网络的未来发展方向，全光交换的实现，不仅可以克服电子瓶颈的限制，而且也使全光分组交换网具有灵活、高速、交换粒度多样化以及网络资源利用率高等优势。而全光信号处理是实现全光分组交换网的关键所在，全光信号比较器作为全光信号处理技术的重要组成部分,对未来的光
2、分组交换、光计算等方面具有十分深远的影响。半导体光放大器（SOA）因为具备良好的非线性和高可集成性，十分适合用来实现光逻辑功能。本文研究了一种基于SOA中的交叉增益调制（XGM）效应的全光比较器方案。对这种基于SOA的XGM型全光比较器进行了深入的理论研究，具体内容如下：（1）分析了全光比较器的研究意义，概括了全光比较器的种类和研究现状，选取了基于SOA中XGM效应实现全光比较器的方案。（2）阐述了基于SOA中XGM效应的全光比较器的工作原理。然后简单介绍了 SOA的理论模型，利用理论模型，可以很好地模拟分析这种全光逻辑门的各种输出特性。 （3）利用仿真软件OptiSystem7.0对基于SO
3、A的XGM型全光比较器进行了仿真，分析了全光比较器的各种特性，如输出功率和输出消光比与输入泵浦光功率、探测光功率、SOA注入电流之间的关系。关键词：全光比较器，半导体光放大器，交叉增益效应，输出功率，消光比ABSTRACTOptical packet switching (OPS)network is believed to be the future developing direction ,in which the realization of all optical switching will not only overcome the electrical bottleneck b
4、ut offer the network dominances of scalability，ultra-high speed, switching granularity diversity and high esources efficiency etc. The all-optical signal processing is to achieve all-optical packet switching network key, Optical signal comparator as the important components of all-optical signal Pro
5、cessing have far-reaching influence on all-optical signal regeneration, optical computing and so on. Semiconductor optical amplifier（SOA）, due to its good nonlinear and high integration, is very suitable for the realization of optical logic functions.A novel scheme for all-optical Comparator based o
6、n cross-gain modulation in semiconductor optical amplifiers is researched. In the paper, we have a theoretical study in all-optical Comparator based on cross-gain modulation in semiconductor optical amplifiers. The main contents are as follows:（1）First of all-optical comparator of significance. Then
7、 outlines the types of all-optical comparator and the current research, Cross-gain modulation for all-optical comparator proposed SOA-based all-optical comparator program.（2）First analyzes the XGM effect in SOA-based all-optical comparator works. Then introduces the SOA theoretical model, the use of
8、 mathematical models can simulate the analysis of such a variety of all-optical logic gate output characteristics. （3）This all-optical comparator based on cross-gain modulation in semiconductor optical amplifiers is simulated by simulation software OptiSystem7. 0. The influence of the input pump pow
9、er, the probe optical power, injection current of SOA on the properties, such as output power, output extinction ratio, are analyzed.Key words：All-optical comparator, Semiconductor optical amplifier, Cross-gain modulation, Output power, Extinction ratio显示对应的拉丁字符的拼音字典目 录第一章 绪论11.1研究全光比较器的意义11.2全光比较器的
10、种类以及研究概况21.3本文选取的方案71.4本文的主要工作8第二章 基于SOA的XGM型全光比较器理论模型82.1 引言82.2基于SOA的XGM型全光比较器的工作原理92.3 基于SOA的XGM型全光比较器的理论模型112.4 本章小结15第三章 基于SOA的XGM型全光比较器的性能分析163.1引言163.2 基于SOA的XGM型全光比较器的模拟仿真163.3 性能分析183.4仿真结果分析193.5 本章小结23第四章 全文总结24致 谢25参考文献26附录 注释表27第一章 绪论1.1研究全光比较器的意义超高速的全光信号处理技术是构建全光网络的关键技术之一，高速全光逻辑器件是作为突破
11、“电子瓶颈”，实现超高速全光信号处理的重要器件，近年来受到了国内外的广泛关注。全光逻辑器件作为超快全光信号处理技术中的一个关键组成部分，可应用到信头处理、静荷定位、时钟提取、信号再生和光信号编码等节点功能上。全光逻辑器件的发展是实现电计算转向全光计算的基础，全光逻辑器件的成熟程度直接决定着未来全光网络的发展程度。全光信号处理是实现全光分组交换网的关键所在。在实现光控光交换方式的光网络节点中，高速全光比较器、高速全光缓存单元以及大容量可升级的高速光交换矩阵是至关重要的功能单元。其中全光比较器件技术己经成为决定光分组交换网发展趋势的关键因素之一，信号再生、时钟提取、光分组自路由等节点功能都要依靠它
12、来实现。目前，世界上有很多的研究机构都在从事全光比较器的研究。虽然全光比较器目前仍处于实验室研究阶段，但一直是热点所在，并己取得了一些成果。高速全光比较器的实现大都借助于媒质的超高速非线性效应。早期的全光比较器的实现方案主要利用了光纤中的Kerr效应，后来，由于半导体光放大器(SOA)具有很强的非线性，以及功耗低、易于集成等优点，人们的研究兴趣就转向了对半导体光放大器中各种非线性效应的利用。SOA也被誉为下一代光网络中的“晶体管”，其中基于双异质结构和量子阱结构SOA的制作工艺最成熟，这也是目前商用SOA所采用的结构。采用SOA作为非线性材料，按照逻辑门的实现原理主要依靠SOA自身的非线性效应
13、来完成逻辑运算，这些非线形效应包括交叉偏振调制(EPM)、交叉相位调制(XPM)、交叉增益调制(XGM)和四波混频 (FWM)。到目前为止，主要研究的全光逻辑门按逻辑功能分主要包括:逻辑与、逻辑与非、逻辑或、逻辑或非、逻辑异或和逻辑同或等。在国内，己有部分高等北京交通硕士学位论文引言院校开始关注此方向的研究，但限于相关材料和器件的研究起步较晚，理论研究居多。而本文将探讨的基于SOA中XGM型全光比较器是全光通信网络关键器件，全光比较器件技术己经成为决定光分组交换网发展趋势的关键因素之一，信号再生、时钟提取、光分组自路由等节点功能都要依靠它来实现。因此，全光比较器越来越受到人们的重视，也是目前研
14、究的前沿和热点课题。1.2全光比较器的种类以及研究概况全光比较器就是将输入的光数据包与本地的数据包进行比较然后输出一个判决信号的器件。本地数据包可由本地的另一个数据源产生，或者由特定的匹配装置产生。无论什么样的光比较器，其功能模块都如图所示：功能模型(a)是速率及编码格式均相同的两路数据包同步输入比较器,当两数据包完全相同/相异时,比较器输出一个脉冲作为判决信号,否则输出为“0”。功能模型(b)是被比较数据包注入分配了特定数据包信息的装置。当被比较数据包信息与特定数据包信息一致时,装置输出干涉或相关函数峰值作为判决脉冲。按实现光比较器的原理来分,基本上可分为基于SOA的高非线性效应、串并转换、
15、大规模集成电路(VLSI);按结构分为SOA-MZI结构、TOAD结构、FBG阵列、时域4-f光学系统;按功能分为判决信号输出及逻辑输出。光比较器功能模型近20年来SOA被广泛用于全光比较器器件。其原理为基于SOA中交叉增益调制(XGM)，交叉相位调制和四波混频(PWM)效应。“与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑运算，反应了逻辑电路中最基本的逻辑关系，很多逻辑运算都可以通过这三种逻辑来实现。下面对基于全光逻辑实现的各种全光比较器的方案进行了概述，并针对其中几种进行了具体介绍，其中既包括简单的逻辑，也有基于简单逻辑构造的复杂逻辑。1.2.1基于PolSK调制格式的FWM型全光比较器该全光比较器
16、利用了SOA中FWM效应的偏振选择原理,即输入到SOA中的两路信号光,当它们的偏振态满足一定条件时才会发生简并的FWM效应。对于近简并FWM效应来说,当两输入光的偏振态相互平行时,FWM效应最强,而当两输入光的偏振态相互垂直时,则不会发生FWM效应。该比较器采用的输入信号光为PolSK信号,它是通过调节光波的偏振态,使两个正交偏振态分别表示二进制中的逻辑“0”和“1”。对于PolSK信号,其两个偏振分量在功率上互为逻辑“非”。PolSK信号自身具备接收灵敏度高、功率恒定和对发射激光的相位噪声不敏感等优良特性。图1为基于PolSK调制的FWM型超快全光比较器的结构示意图。图中S1和S2分别表示输
17、入PolSK信号光1和输入PolSK信号光2,PC为偏振控制器,OC为耦合器,BPF为带通滤波器,PBS为偏振分光器。首先调节两束输入PolSK信号光的偏振态,使二者的偏振分量互相平行,以满足FWM效应的偏振选择原理,然后使这两束信号光经过OC分成两部分,再交叉输入到两个SOA中,在SOA中发生FWM效应。注意:输入到SOA2的S2经过了一个半波片,其偏振态旋转了90,使S2的逻辑“0”变为“1”、“1”变为“0”。分别滤出两个SOA的输出共扼光。对SOA1,直接探测共轭光,可以实现逻辑XNOR功能。对SOA2,用偏振分束器把两个偏振态分离,则可分别实现逻辑-S1S2和S1-S2功能。输出的逻
18、辑XNOR、-S1S2和S1-S2结合起来可以实现全光比较器。表1为XNOR、-S1S2和S1-S2的真值表,它们组合即为比较器。该方案由于采用了功率恒定的PolSK信号光,可以消除基于SOA的码型效应;利用SOA中的FWM效应,不仅结构紧凑、便于集成,还可以实现高速工作。图1.基于PolSK调制的FWM型超快全光比较器的结构示意图表1.逻辑XNOR、-S1S2和S1-S2的真值表1.2.2基于SOA的XNOR门比较器2005年B.S.Gopalakrishnapillai提出了基于半导体光放大器(SOA)的XNOR门。其原理图如图2所示。波长为的帧头信号X经SOA1变为波长为的,并分为两束,
19、分别作为SOA2的探测光及SOA3的泵浦光。同时,波长为的本地信号y也被分为两束,分别作为SOA2的泵浦光及SOA3的探测光。利用SOA的XGM实现同或运算输出。图2.基于SOA的XNOR门比较器对于多位比较,此装置不具备真正意义的比较器的功能。例如,多位NRZ码帧头x、y全相同时,输出为长连“1”,即脉宽较宽的判决脉冲;但x、y非全相同时,只有x、y全异才没有脉冲输出,其他情况还有脉冲(脉宽比判决脉冲窄的一个宽脉冲或多个脉冲)输出。另外,因为调节光纤延迟线不能精确地实现高速率信号同步,所以不适用于10Gb/s以上系统。1.2.3基于SOA-MZI异或门的级联式比较器2006年，J. M. M
20、artinez等人提出了基于级联SOA-MZI结构异或门的比较器,实现了2比特10Gb/s信号的比较。装置如图3所示。Data A与B分别为输入帧头信号、本地信号,经过SOA-MZI1输出第一比特的异或结果(单脉冲)。两路信号经耦合器分路后,经过光纤延迟线与第一比特异或结果同步输入SOA-MZI2,输出第二比特异或结果。如此级联,要实现几比特的比较,就应有几个SOA-MZI级联。当两路信号完全相异时,最后一级SOA-MZI输出一个单脉冲作为判决脉冲;当两路信号某比特相同时,与该比特对应的异或门及此后各级就不再有单脉冲输出。图3.基于SOA-MZI异或门的级联式比较器1.2.4基于SOA-MZI
21、异或门的反馈式比较器为了克服级联式结构的复杂性, J. M.Martinez接着提出了利用反馈式异或门的比较器。图4为其结构图。其原理与级联式相同,只是每比特的异或结果通过外部的反馈环输入SOA-MZI,作为下一比特的探测光。此方案克服了级联式高成本、结构复杂的缺点,但是,相对于光脉冲的宽度而言,脉冲在反馈光纤中的延迟是不可忽略的,因此限制了信号的速率。同时,光脉冲在反馈光纤中相位及偏振态的变化,往往造成系统不稳定。图3.基于SOA-MZI异或门的反馈式比较器基于SOA-MZI异或门的比较器是一种对称结构,从理论上可实现任意编码格式及比特位的信号比较,但由于SOA的噪声累积及SOA增益恢复时间
22、限制,实际上只实现了2比特10 Gb/s信号比较。另外,利用两路信号光作为控制光对SOA进行交叉相位调制,要求两路信号脉冲光功率一致,才能获得较高的输出消光比。因此,要调节帧头信号与本地信号脉冲光功率一致。针对该问题,可以注入直流辅助光抑制SOA的自发辐射噪声,采用差分相位法解决载流子恢复时间对信号处理速度的限制,可实现4比特以上40 Gb/s信号比较。1.2.5基于NRZ码XOR逻辑的光比较器基于NRZ码XOR逻辑的光比较器实现了针对NRZ码帧头进行识别的光比较器，对于全光帧头识别是很有意义的。利用NRZ码全光异或逻辑，将进行异或逻辑的两路控制信号分别用来自上游的数据包帧头、本地帧头信号替换
23、，可实现用于NRZ码帧头识别的光比较器。实验系统如图所示。波长分别为, 的两直流光经WDM及2.5Gb/s外调制器调制(调制格式为11001100)，再经过反射光纤光栅产生延迟，形成本地帧头信号与到达节点的数据包帧头信号。辅助连续光和作为探测光的帧同步信号分别由LD3、LD4产生。信号间的同步由系统的控制单元进行控制。该方案利用已经成熟的异或门容易实现比较功能,但实现多比特比较时,成本较高, SOA累积噪声问题无法克服,多级级联以及调节延迟信号与异或输出脉冲的同步问题较难解决。1.2.6 基于平行排列3x3藕合器的反馈式光比较器应用33耦合器还可实现结构更紧凑的比较器，其原理图如图所示。其优点
24、在于结构简单、易于集成、系统干涉稳定。右环可以实现两路控制光信号单比特的比较，左环通过隔离器实现单比特判决脉冲的反馈。在t时刻，两路不同波长的信号光通过WDM作为控制光分别从端口A、B注入到SOA中，为了抑制SOA的ASE噪声不同于信号光波长的直流辅助光也注入SOA。一个同步的时钟脉冲E1作为探测光从藕合器1端口注入并在4、5、6端口输出。基于3x3耦合器反馈式光比较器的原理图1.3本文选取的方案全光信号处理是高速光通信网络和全光计算的关键技术。全光逻辑门作为全光信号处理器件的重要组成部分,在光交换节点的大多数功能单元中都起着至关重要的作用，在逻辑器件中,比较器可用于高速光通信系统的时钟同步和
25、比特判别、高速模/数转换器中的比较量化、逻辑及控制系统中,其性能在很大程度上决定着整个系统的性能。而半导体光放大器(SOA)由于具有高非线性、工艺成熟、功耗低、体积小易集成、非线性系数大等优点，因而目前已被广泛应用。因而本文采用的是基于SOA的XGM型全光比较器的方案，该方案结构简单，用分立元件容易实现，逻辑运算只与输入光功率有关，不需要进行精确的相位控制，与偏振无关；但是需要四个SOA，器件的性能不如XPM型稳定。其优点是结构简单，性能稳定、有效，可适用于更高速率的逻辑运算；缺点是需要进行精确的相位控制，用分立元件很难实现，而必须采用集成器件。其原理图如图所示： 全光比较器组合逻辑方案1.4
26、本文的主要工作本课题是通过对SOA的稳态和动态特性的了解，研究基于SOA中XGM效应的全光比较器的实现方案，并且利用Optisystem模拟研究这种全光比较器的工作特性。主要实现比较器功能，并对SOA的结构参数和工作参数进行优化，提高基于SOA的XGM型全光比较器的输出特性。全文各部分内容组织如下： 第一章为绪论，介绍了全光比较器的研究意义、全光比较器的种类和研究概况，并根据实际情况选取基于SOA中的XGM效应型的全光比较器器作为研究对象。第二章首先阐述了基于SOA中XGM效应的全光比较器的工作原理。然后简单介绍了 SOA 的理论模型，利用理论模型，可以很好地模拟分析这种全光逻辑门的各种输出特
27、性。第三章采用Optisystem7.0对于基于SOA的XGM型全光比较器的方案进行仿真，并对其性能进行分析主要包括输出功率以及输出消光比。第四章:对全文进行了总结。第二章 基于SOA的XGM型全光比较器理论模型2.1 引言SOA是利用半导体材料的受激辐射放大原理，实现相干光放大的器件，其原理和结构与半导体激光器相似。SOA的有源区通常采用体双异质结构和量子阱结构。当注入电流在阈值以下接近阈值时，有源区半导体内的导带与价带间由于非平衡载流子的注入而形成粒子数分布反转，在入射光作用下通过受激跃迁产生光增益，使输入光信号得到放大。但由于噪声大，功率较小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合损耗大、非线性比
28、较严重等原因，迄今为止，其性能与EDFA相比仍有较大的差距。然而经过数十年的发展，SOA的研究进入了一个新的空间，SOA的性能得到全面和大幅度的提高，特别是增益的偏振灵敏度、噪声指数已明显降低，饱和输出功率、小信号增益也有显著提高。全光比较器是一种十分重要的逻辑器件，全光比较器可以将连续时间信号转换为阶跃信号的器件，是所有实现模拟信号到数字信号转换的核心。本文提出的比较器实现方案，基于SOA中的XGM效应，较容易实现，且逻辑功能只与输入功率有关。本章首先解释了基于SOA中XGM效应的全光比较器的工作原理，然后给出了本方案采用的理论模型，为下一章全光比较器各性能参数的分析提供了理论基础2.2基于
29、SOA的XGM型全光比较器的工作原理基于SOA-XGM效应的工作机理:如图2-1，一束连续光(探测光)和一束脉冲光(控制光)同时输入SOA，高功率的控制光吸收大量的载流子引起SOA增益饱和(如图2-2a所示)，探测光在SOA内受到SOA增益的调制从而携带与控制光反码的信号，这时SOA起到一个逻辑非门的功能，如图2-2b所示。图2-1 同向入射情况下SOA-XGM效应图2-2 a SOA增益饱和曲线图2-2 b 逻辑非门功能的实现原理图2-3 异向入射情况下的SOA-XGM效应基于半导体光放大器的交叉增益调制效应(SOA-XGM)的工作原理是利用输入的信号光调制SOA的有源区载流子浓度，通过光烧
30、孔效应把载波信息复制到探测光波长上来实现的。如图2-1和图2-3所示，波长为1的连续探测光与波长为2的信号光共同注入到SOA中，其中信号光功率较强，由于信号脉冲强度的起伏，使其消耗的载流子数也发生相应的变化，引起SOA增益饱和变化，也就是信号光的强变化调制了SOA的增益，同时载流子的变化会引起SOA腔内折射率的变化;所以当探测光通过SOA时，将会受到SOA增益和折射率的调制，对于信号脉冲的波峰处，SOA腔内增益达到饱和，探测光获得不到增益，而在信号脉冲的谷底处，SOA腔内增益没有达到饱和，探测光获得很大的增益，最终的结果就是探测光的幅度和相位受到信号光的调制，输出的探测光携带信号光的调制或编码
31、信息，而且从SOA输出的变换光是信号光的反码脉冲序列。需要指出的是，在图2-1中两束光同向输入SOA，在输出端需要有一个滤波器滤出1信号，而在图2-3中，两束光反向输入SOA时，在输出端就不再需要滤波器，这样便可以简化结构。SOA的这种非线性增益特性可以用来实现波长变换、光开头和多种全光逻辑功能。在图2-1和图2-3中，如果输入的强信号光为脉冲序列，它首先对SOA的增益进行了调制，使作为探测光的连续信号经过SOA后受到SOA增益的调制，于是输出的探测光携带了信号光的调制或编码信息，而且从SOA输出的变换光是信号光的反码脉冲序列，这便实现了一个波长变换的过程。如果输入的强脉冲序列信号A为1010
32、，则输出的探测光便被调制为其反码形式0101，即A，这便实现了逻辑非门的功能。基于SOA中的XGM效应的全光组合逻辑,可以实现包括一位比较器、带控制端口的2线-1线优先编码器、2线-4线译码器、2选1选择器。利用扩展端口可进行多个组合逻辑级联,从而实现多端口、多位全光组合逻辑。利用以上原理可以实现本文中的基于SOA中的XGM型的全光比较器。比较器用来比较两个二进制A、B的大小。因为二进制只有两个状态1或0,所以有三种可能:AB(A=1、B=0),用()=1作为AB的输出信号;AB(A=0、B=1),用()=1作为AB(A=1、B=0),用()=1作为AB的输出信号;AB(A=0、B=1),用(
33、)=1作为AB的输出信号;A=B,用AB=1作为A=B的输出信号。探测光A与泵浦光B进入SOA1输出(),输出逻辑AB。探测光B与泵浦光A输入SOA3，输出()，输出逻辑AB。输出信号经滤波器后于连续光信号C输入SOA3，输出信号D=。SOA1的输出经滤波器后作为SOA4的泵浦光，和另一路SOA3中输出的探测光D=一起输入SOA4，输出=，输出逻辑A=B。图4-1基于SOA的XGM型全光译码器的仿真结构图仿真中所用的主要参量为:两路输入信号光A和B的码型都为非归零码（NRZ）。其中A的波长为1558nm,比特序列为010101。B的波长为1550nm,比特序列为110011。C为波长为1552
34、nm的连续光。输入到SOA1的信号A的功率为-20dBm，输入到SOA2的信号A的功率为20dBm；输入到SOA1的信号B的功率为20dBm，输入到SOA2的信号B的功率为-20dBm。在高斯滤波器后加时域观测仪，可以观察三个个SOA的输出时域波型。输入信号A、B和三个SOA的输出时域波形如图4-2所示。根据时域波形图可以看出， 三个SOA的输出依次为000100，100010，011001，分别对应信号A和B的逻辑、和。因此，利用本方案可以实现全光比较器的逻辑功能。 （a） (b) (c) (d)（e）图4-2（a）（e）依次为信号A,B,和SOA-1,2,3的输出从图4-2（a）（e）的输
35、出波形图中可以发现，在输出比特“0”的地方有一个小峰，这是由于信道对SOA的增益抑制不完全，导致探测光的比特被放大的结果。仿真时设置合理的参数，可以适当抑制小峰，改善最后的输出结果。3.3 性能分析在全光比较器中,逻辑“1”的输出峰值光功率和输出消光比是评价比较器质量的两个很重要的参数,低的逻辑“1”输出峰值光功率和输出消光比将会引起大的误码率。因此,我们研究了全光比较器的逻辑“1”输出峰值光功率和输出消光比这两个参数随泵浦光功率、探测光功率、SOA的注入电流的变化情况。全光比较器的输出消光比定义为输出“1”信号的平均功率与“0”信号的平均功率之比，可以表示为：3.4仿真结果分析3.4.1逻辑“1”的输出峰值功率特性研究（1） 泵浦光功率对逻辑“1”的输出峰值功率的影响保持系统中各器件参数不变，改变输入泵浦光的功率。图4-3给出了输入泵浦光功率在15到25dBm范围内，比较器的逻辑“1”的输出峰值功率的变化情况。因为SOA3的泵浦光是SOA1的输出，所以研究的是SOA3的逻辑“1”的输出峰值功率随SOA1的泵浦光功率的变化。由图4-3可以看出，随着输入泵浦光功率的增大，SOA1和SOA2中载流子的消耗就越多，增益饱和现象就越明显，因此逻辑、的逻辑“1”的输出峰值功率减小；SOA1输