Transcript 非线性效应及其应用
信息光电子研究所 姚敏玉 －学科前沿课 2001.10 1 SOA非线性效应及其应用 半导体光放大器(SOA)简介 SOA的非线性效应 增益饱和 & 自相位调制 (SPM) 交叉增益调制 （XGM） 交叉相位调制 （XPM） 四波混频（FWM） SOA非线性效应在光通信及光网络的应用 波长变换 光“控”光开关 全光再 生 中点谱反转色散补偿 2 光时钟信号提取 半导体光放大器(SOA)简介 半导体光放大器发展简史 1962年 半导体激光器诞生，而后研制SOA 80年代 光纤取得突破性进展后，又开始大力研 究SOA，希望成为光中继放大器 1989年 EDFA研制成功，取代SOA成为性能良好的 全光中继放大器 1990年 广泛开展了利用SOA非线性效应的全光信 号处理 1999年 SOA作为WDM系统的中继放大重新引起关注 3 半导体光放大器(SOA)简介 行波半导体光放大器（TWSOA）的设计 半导体材料折射率 3.4 端面反射率：32％ 消反射膜的设计 max 1 G R1R2 GFP G min 1 G R R GFP 1 2 2 G 2dB G R1R2 0.17 G 30dB R1R2 1.7 104 消反膜 4 半导体光放大器(SOA)简介 半导体光放大器特性参数 (典型值) 带宽（3dB） 增益（纤对纤） 25~30dB 增益纹波 (ripple) 0.1-0.3dB 饱和输出功率 噪声系数： 70nm 7~10 dBm 6~8 dB 偏振依赖性：1~2 dB 25 Fiber-to-fiber gain [dB] 20 15 10 p ola r iza tion : 5 TE TM 0 1 4 50 15 0 0 1 55 0 W a v ele n gth [nm] 1 6 00 5 SOA非线性效应及其应用 半导体光放大器(SOA)简介 SOA的非线性效应 增益饱和 & 自相位调制 (SPM) 交叉增益调制 （XGM） 交叉相位调制 （XPM） 四波混频（FWM） SOA非线性效应在光通信及光网络的应用 生 波长变换 光“控”光开关 中点谱反转色散补偿 全光再 6 光时钟信号提取 SOA的非线性效应 SOA中非线性效应的物理机制 导带 带内驰豫 带间过程 受激辐射 受激吸收 自发辐射 k 双光子吸收 价带 SOA非线性源于半导 体介质中自由载流子 － 带间跃迁 (载流子寿命：几百皮秒) 光子与载流子相互作用， 强 受激辐射、受激吸收、自发辐射 载流子数目 折射率 － 带内驰豫 （几十~几百飞秒） 载流子之间及载流子与声子, 弱 光谱烧孔(50-100 fs)、载流子加热 (载流子吸收、双光子吸收; 0.5-1ps） 测量方法: 时域 pump-prob 频域 四波混频 7 SOA的非线性效应 *带间跃迁: 输入光脉冲较宽时，载流子密度脉动 带内弛豫: 输入脉宽<1ps，带内超快非线性显现 带间载流子受激过程 引起的增益变化 载流子密度，折射率 （受激吸收） 载流子密度，折射率 （受激辐射） 8 SOA的非线性效应 比较光纤与SOA的非线性效应 SOA 光纤 物理机制 自由载流子弛豫,脉动 束缚电荷非线性极化 非线性系 大 3～4数量级 2.36×10-20 m2/W 需要长光纤 数 < 1mw ~ 1W (峰值) 控制光功 ~ 载流子寿命 快, 几皮秒 率 体积小, 可集成 成本低廉 响应速度 易控制,可实现光“控” 稳定性较差 色散及偏振模色散 光功能 主要特点 9 SOA的非线性效应 理论模型 g z,t g 0 g z,t g z,t P z,t t c 1 Pz,t Psat c g z,t Pz,t P z,t z 1 Pz,t z,t 1 g z,t z 2 1 Pz,t n n0 g 0 ( dn dN P Psat ) dg dN 1 P Psat Re 3 Im 3 N N 4 dn dN dg dN 3 igN N 0 1 i 与非线性效应相关的主要参数 增益压缩因子 ~2 线宽增强因子 5 - 8 10 SOA的非线性效应 增益饱和 短光脉冲在SOA内传输特性（p <<c） 脉冲前沿获得全部增益, 消耗大量载流子使SOA饱 和，后沿只获得很小增益 －脉冲畸变 增益饱和时间与注入脉冲 有关 (典型值：几皮秒） G0 G G0 G0 1exp E0 E sat 11 SOA的非线性效应 增益饱和 SOA的增益饱和导致的信号畸变 12 SOA的非线性效应 增益饱和 SOA的增益恢复 注入电流，使增益恢复 dN tot t I N t NT L tot dt e eV e 增益恢复时间与载流子寿命(自发辐射寿命)有关 2 3 2 3 1 典型值: 300-500 ps e eV C I 3 减小载流子寿命的途径 外注入光 采用长腔长器件 13 SOA的非线性效应 -自相位调制 SPM的起源: 脉冲增益饱和引起的瞬态相位调制 增益gz, 载流子密度 非线性折射率 相位 1 c g ( z, ) z 2 L 1 1 c 0 g z, dz c lnG 2 2 自相位调制引起的频率啁 啾 1 d c out in 2 d c Pin G 1 4E sat 自相位调制导致脉冲红移 Pout Pin 2 Psat n20 L Pout c 14 SOA的非线性效应 -自相位调制 输出脉冲光谱 输出脉冲频率啁啾 光谱主峰向低频方向偏移 (红移) G0 红移量 (3－5) 10 ps 脉冲 频移 100 GHz 15 SOA的非线性效应 -交叉增益调制 交叉增益调制(XGM)起源 两束光波通过SOA时，信号光通过增益饱和调制SOA 增益，使另一束光(控制光)的光强受到调制 信输 号入 增 益 s c CW SOA c 折 射 率 信输 号出 16 SOA的非线性效应 -交叉增益调制 SOA交叉增益调制主要特性 • 控制光可反向输入 (反向工作) • 输出波长变换 • 输入信号功率：> 0 dBm • 输出信号消光比较低（8 dB） • 输出信号有畸变、啁啾 • 输出信噪比较差（7－9 dB) • 工作速率与消光比的矛盾 17 SOA的非线性效应 -交叉相位调制 交叉相位调制(XPM)起源 两束光波通过SOA时,信号光调制SOA载流子密度即 调制了折射率，使另一束光(控制光)的相位发生变化 CW c SOA1 SOA1 MZI s 信输 号入 c 载 流 子 折 射 率 SOA2 N Ps 信输 号出 Pc Ps Ps 啁 啾 18 SOA的非线性效应 -交叉相位调制 SOA中XPM的主要特性 • • • • 消光比 15 dB 输出信号畸变、啁啾减小 信噪比 提高 3 dB 输入信号动态范围: 3 dB ( 消光比 > 12 dB ) SOA中XPM和XGM相伴存在 19 SOA的非线性效应 -四波混频 四波混频 (FWM) 起源 SOA中两个光波相互作用，通过载流子密度调制, 载流子加热,光谱烧孔机制形成增益(载流子)和折射 率(相位)光栅. 泵浦光和信号光波在光栅上的散射 产生新频率波(s; 2P-s)；(P; 2s-p ) s c CW SOA s s Pump Satellite signal input signal Mixing signal f 20 SOA的非线性效应 -四波混频 四波混频(FWM)效率: 泵浦光功率平方 Ec Es* E p2 H 信号光功率 FWM Pc Ps 0 泵浦光~信号光失谐量 21 SOA的非线性效应 -四波混频 SOA四波混频主要特点： 无需相位匹配 反转信号相位共 响应速度快 格式透明 偏振有关 ASE噪声 轭 22 SOA的非线性效应 SOA器件参数与非线性效应 有效长度--器件长度及限制因子决定 有效长度 XGM, XPM带宽, 四波混频效率 有效长度 载流子寿命 , 增益及ASE 线宽增强因子() 大, 可减小XPM中伴随的增益调制, FWM效率高 透明电流密度 关系到FWM中SNR及XGM和XPM波长变换信号 ASE噪声 增益 在非线性应用中不是十分重要 23 SOA的非线性效应 24 SOA非线性效应及其应用 半导体光放大器(SOA)简介 SOA的非线性效应 增益饱和 & 自相位调制 (SPM) 交叉增益调制 （XGM） 交叉相位调制 （XPM） 四波混频（FWM） SOA非线性效应在光通信及光网络的应用 生 波长变换 光“控”光开关 中点谱反转色散补偿 全光再 25 光时钟信号提取 SOA非线性效应及其应用 SOA 光子开关（光控光功能）：两种基本结构 单个SOA s c CW s c 光开关(XGM, FWM) ； SOA SOA 脉冲 c wp+w ws-w • 工作速率受限 • 码型效应 • 消光比较差 • 响应快 • 开关窗口取决于控制 脉冲峰功及脉宽 26 SOA非线性效应及其应用 干涉型光开关 (XPM) 优点: • 低开关能量(1fJ/脉冲) SOA1 SOA1 MZI SOA2 • 输入信号动态范围大 • 稳定, 偏振无关 • 高频及宽带 delay Mach-Zehnder 干涉仪开关 缺点: • 码型效应 • SOA噪声 27 SOA非线性效应及其应用 基于SOA的非线性环路反射镜(SLALOM, Sagnac 干涉仪开关 SOA TOAD) • SOA偏离中心放置 • CW及CCW传输光经历不 同相移 • CW与CCW光相位差为时 输出端有信号(透射); 相位 差为0, 无信号输出(反射) • 开关窗口主要由SOA偏离 SLALOM自开关 位置决定 28 SOA非线性效应及其应用 SOA非线性环路反射镜(SLALOM, TOAD) SOA 光控光功能(光“与”门) SLALOM--Nonlinear optical Loop mirror base on SLA TOAD-- Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer 29 SOA非线性效应及其应用 SOA 单臂干涉仪 (UNI 超快非线性干涉仪) BRF BRF Signal SOA PSI PC PC OUT PSI Control • 第一段高双折射光纤使两偏振分量信号走离 • 两偏振分量信号在SOA中经历不同相移 • 后一段高双折射光纤与前一段高双折射光纤等长, 快慢轴正交 • 两偏振分量信号干涉合成不同偏振态,经检偏器输出 30 SOA非线性效应及其应用 SOA光子开关在光通信及光网络中的应用 TOAD/SLALOM/Sagnac 光开关 光逻辑门 解复用 光再生 信号处理 计数器/加法器 光存储 MZI光开关 (已有集成器件) 解复用 波长变换 NRZ与RZ码的转换 光再生(判决门) UNI光开关 光逻辑门 信号处理 解复用 光再生 光存储 31 SOA非线性效应及其应用 TOAD/SLALOM/Sagnac干涉开关作为OTDM系统解复用器 SOA Clock in,1.3mm Data in,1.55mm • DEMUX from 880Gbps to 10Gbps was achieved in HHI Lab • 8 wavelength channels and 8 TDM channels in one WDM channel • Less than 2dB power penalty for optical demultplexing 32 SOA非线性效应及其应用 波长变换器 s CW c s c CW SOA 基于XGM效应 c SOA1 SOA1 MZI s s c SOA2 基于XPM效应 s c CW SOA 基于FWM效应 转换后信号反相 转换后信号同相 转换后信号相共轭 结构简单 两SOA需匹配, 集成器件 与信号格式无关 转换效率较高 转换效率高 转换效率较低 转换速率 10 Gb/s 转换速率 >10 Gb/s 转换速率 40 Gb/s 输出信号消光比劣化 输出信号消光比>12dB 偏振相关性 高速工作有明显码型 效应 有码型效应 转换效率~失谐量 转换信号啁啾小，负啁啾 有很强的ASE噪声 输出信号为正啁啾 33 SOA非线性效应及其应用 Logic XOR Gate with UNI PMF PMF CLK S SOA PBS 450 PBS 0 45 45 70:30 U CLK A 0 0 1 1 B CLK X 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 50:50 Control A Control B • Control pulse A and B are the logical inputs to the UNI gate • Logical operation A XOR B is written on the input clock signal • Clock appears at output S when A OR B are present • Clock appears at output U when A and B are present, or both zero • 20Gbps Boolean XOR Gate has been achieved 34 SOA非线性效应及其应用 全光3R技术 SOA1 SOA1 MZI SOA2 delay SOA filter ISO EA ISO 10GHz coupler PC 35 SOA非线性效应及其应用 中点谱反转色散补偿 3ps ATT 5ps EDFL EDFA SMF+DSF filter1 50km SMF Pump EDFA filter4 filter3 SOA EDFA SHG 50kmSMF EDFA filter2 • 10GHz ,3ps pulse transmission over 100km SMF • 10Gb/s NRZ transmission on 260km SMF (power penalty=1.8dB) 36 SOA非线性效应及其应用 小 结 增益饱和SOA的各种非线性效应在未来光通信及 光网络中有十分重要的应用前景, 引起世界广泛 的关注 随着单信道速率不断提高, SOA的各种非线性应用 速率必须大于40Gb/s 有限载流子寿命对工作速率的限制 码型效应的抑制 低成本高性能的SOA集成器件的研发 37