单端耦合QD?SOA波长转换特性研究

摘 要： 通过光场传输方程和电子跃迁速率方程，采用细化分段方法，解常微分方程组的四阶龙格?库塔法和求解非线性方程组的牛顿法，建立了针对动态输入信号的仿真模型。对基于单端耦合QD?SOA的交叉增益调制（XGM）波长转换器转换光增益、啁啾特性与有源区长度、输入光信号功率、注入电流之间的关系进行了研究。结果表明增大泵浦光、减小探测光、增大注入电流都可以增加转换光啁啾特性，通过增加有源区长度和后端面反射率可以有效提高转换光增益，而光增益随注入电流变化不大。

关键词： QD?SOA； 交叉增益调制； 光增益； 啁啾特性

中图分类号： TN929.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）13?0152?04

Abstract： Simulation model of dynamic input signal was established. Which is based on optical field transmission equation and electron transition rate equation， adopted refining segmentation method， four?order Runge?Kutta method and Newton method. The relationships between conversion optical gain of cross gain modulation wavelength convertor， chirp characteristic， active region length， input optical signal power， injection current for single?terminal coupled QD?SOA are researched. Calculation results show that chirp characteristic can be improved by increasing pump light， reducing probe light and increasing injection current. The conversion optical gain can be enhanced by increasing the length of active region and the reflectivity in rear?end face， and the optical gain has little variation with change of injection current.

Keywords： QD?SOA； cross gain modulation； optical gain； chirp characteristic

0 引 言

随着现代光纤通信技术的快速发展，用户大数据容量需求造成了系统出现网络阻塞，另外现有网络节点存在的光/电（电/光）转换电子瓶颈也进一步限制了传输带宽扩大[1]。为了解决这些实际问题，全光通信网络要求光器件具有高速的全光信号处理能力，其中基于半导体光放大器的全光波长转换器就是全光信号处理技术的重要应用之一，要求光信号在不经过任何光/电转换情况下，直接完成光信号交换[2]。在各种类型波长转换器中，交叉增益调制型（XGM）波长转换器由于结构简单、效率高、响应时间快，正成为全光网络波分复用关键技术[3]。另外，量子点半导体光放大器（QD?SOA）与普通半导体光放大器（Bulk SOA）、量子阱半导体光放大器（QW?SOA）相比，具有低温度灵敏性、低线宽增强因子、低阈值电流、高微分增益、高调制带宽等优点[4?6]，因此本文主要对基于量子点半导体光放大器XGM型波长转换器进行了研究。

文献[7]提出了一种基于单端耦合普通光放大器（Bulk SOA）的波长转换器结构。本文在采用该结构的基础上，通过细化分段方法，建立了基于单端耦合QD?SOA的交叉增益调制波长转换器动态模型，重点分析了有源区长度、输入光信号功率、注入电流与转换光增益和啁啾特性之间的关系。

1 动态理论模型

图1所示为基于单端耦合QD?SOA?XGM全光波长转换器结构。在图1结构中，携带原始信息泵浦光（[λ1]）和连续探测光（[λ2]）同时耦合进入QD?SOA中。半导体光放大器后端面镀有反射率为[R2]的增透膜，信号光在有源区内部传输，经过后端面反射后，通过光放大器前端面输出，输出信号光通过光环行器3端再次输出。此时输出的光信号包含泵浦光和经调制后的探测光频率分量，输出光信号通过窄带光滤波器滤除泵浦光后，只保留[λ2]频率分量。

本文建立的动态模型依据电子在QD?SOA中的速率方程，量子点半导体光放大器有源区能级为浸润层、激发态和基态的三能级结构。载流子在浸润层、激发态和基态的跃迁速率方程为[8?10]：

[?Nw?t=JeLw-Nw（1-h）τ2w+NQhLwτ2w-NwτWR] （1）

[?h?t=NwLw（1-h）NQτ2w-hτ2w-h（1-f）τ21+f（1-h）τ12] （2）

[?f?t=h（1-f）τ21-f（1-h）τ12-f2τ1R-iLwgi（wi）PNQσh1wi] （3）

在该动态理论模型中，因光放大器的饱和主要由信号光引起，所以忽略掉了ASE噪声的影响。在QD?SOA有源区内只有泵浦光和探测光传输，其光场传输方程可由下式来进行描述[11]：

[dE±dz=±Γ（g（1-jη）-αint）E±] （4）

式中：[z]为光场的传播方向；[E+]表示沿有源区正向传播（从左往右为正）；[E-]为光场沿有源区负向传播；[Γ]为光场限制因子；[αint]是光在QD?SOA有源区内传输的有效损耗系数；[j=（-1）12。]方程（4）的边界条件是：

[E+（0）=（1-r1）Ein+r1E-（0）] （5）

[E-（L）=r2E+（L）] （6）

光在半导体光放大器沿有源区传播不断受激放大，同时消耗有源区内部的载流子浓度，变化的载流子浓度引起有源区内部折射率发生变化，最终导致光的相位产生改变。探测光相位的变化是由泵浦光的交叉增益调制和探测光自身相位调制引起的，有源区内光相位的变化可表示为[12]：

[?Φ?z=-12Γαg] （7）

转换后信号光啁啾为相位的瞬时变化率，其表达式为：

[Δν=-12πdΦdt] （8）

半导体光放大器增益可由输出功率与输入功率之比来表示（单位：dB），即：

[Gain=10lg（PoutPin）] （9）

为了更加精确地描述每一段载流子和光子密度的变化情况，采用了细化分段QD?SOA的方法。首先将有源区分成[M]段，并认为每段的载流子浓度都是均匀的，记第[j]段的载流子浓度为[Nj（t），]并将第[j]段再次进行细化分成[N]段，这样每一小段长度[ΔL=L（M×N），]细化分段模型如图2所示。

2 数值模拟与讨论

为完成QD?SOA动态仿真，首先将有源区整块分成100段，然后将每段再细化分成30段。利用四阶龙格?库塔法求解式（1）～式（3），输入信号光为一阶高斯信号，信号波长1 500 nm，信号转换速率为160 Gb/s，峰值最大值为5 dBm。探测光功率为-20 dBm，波长为1 550 nm的连续光，光放大器后端面反射率[R2]为0.1%。转换后的输出泵浦光、输出探测光及转换光光啁啾如图3所示。

从图3可以看到，泵浦光和探测光是反相输出的，这是由一对输入光信号的交叉增益调节机制决定的。大功率泵浦光[λ1]和小功率连续探测光[λ2]同时注入到QD?SOA中，当泵浦光逻辑信号为“1”时，可以快速消耗基态的大量载流子，使得有源区内的光增益达到饱和，探测光被饱和吸收，输出探测光逻辑信号为“0”。当泵浦光逻辑信号为“0”时，消耗QD?SOA的载流子数目非常微弱甚至不消耗电子，此时有源区有大的增益，探测光得到放大，逻辑信号为“1”，这样输出的泵浦光和探测光波形呈现出了极性相反一一对应关系，[λ1]携带的信息转换到[λ2]上，完成信息在波长间的转换。从转换光啁啾特性曲线看，转换光前沿对应负啁啾（红移），转换光后沿对应正啁啾（蓝移）。最大负啁啾为-2.64 GHz，而最大正啁啾为1.19 GHz，这是由于上升沿时间要大于下降沿时间，从而造成了红移要大于蓝移程度。

2.1 转换光啁啾与注入电流关系

转换光啁啾与注入电流的关系由图4给出。从图4可以看出注入电流增大，转换光啁啾也越大，这是因为增大注入电流，相当于增大QD?SOA单位时间内载流子的数目，信号光得到更大增益。反过来，信号光放大之后会对载流子浓度产生更大的调制，探测光信号相位进一步发生变化，从而导致光啁啾增大。从图4中也可以看到，当注入电流大于1 mA时，转换光啁啾变化不是很明显，这是因为QD?SOA有源介质开始出现增益饱和。

2.2 转换光啁啾与泵浦光、探测光关系

图5给出了转换光啁啾与泵浦光的关系。从图中可以看到，在保持单脉冲能量不变的情况下，转换光啁啾随着泵浦光功率的增大而不断增大，并且正啁啾的变化要大于负啁啾的变化。这是因为增大泵浦光功率，光放大器内交叉增益调制更加明显，有源区的载流子浓度变化更大，光增益材料有效折射率更大，最终导致转换光啁啾变大。

图6所示为转换光啁啾与探测光的关系，信号转换速率同样是在160 Gb/s情况下，从图中可以看到，探测光越大，转换光啁啾反而越小，这是因为增大探测光功率的同时导致信号光消耗载流子的数目减少，由于泵浦光调制作用的减弱，从而使得转换光的啁啾效应更小。

通过分析图5，图6可知，为了较小转换光信号啁啾的影响，可以采用增大探测光或减小泵浦光功率的方法。但在实际光通信网络中，需要提高泵浦光功率和探测光功率来维持好的消光比特性。所以在优化全光波长转换器结构时，为了实现消光比和啁啾特性之间平衡，必须要适当调节泵浦光功率和探测光功率。

2.3 转换光增益与有源区长度[L]的关系

转换光增益与有源区长度[L]的关系由图7给出。从图中可以看到转换光增益随着有源区长度[L]的增大也越来越大，有源区长度[L]从1.5 mm变化到3 mm，转换光增益从4.83 dB变化到35.75 dB。由转换光增益与有源区长度[L]的关系公式[G=exp[（Γg-α）L]]也可以看出，光增益是随着有源区长度[L]增加不断变大。另外从图7中[L]为1.75 mm和2.5 mm两点的输出波形可以看出，[L]越大，输出光信号得到的放大倍数也越大。

2.4 转换光增益与注入电流关系

图8所示为转换光增益与注入电流的关系。从图中可以看出在输入泵浦光功率为10 dBm时，转换光增益随注入电流变化不大。另外看到转换光增益随着后端面反射率增加而增大，这是因为后端面反射率的增加使得后端面输出功率减小，而前端面输出功率增加，从而导致单端QD?SOA前端面输出转换光获得更大增益。

3 结 论

本文主要研究了单端耦合QD?SOA全光波长转换特性，分析表明通过减小泵浦光功率和增大探测光功率都可以降低光啁啾带来的影响，但为了获得好的消光比特性，必须要权衡输入信号光功率大小。增加有源区长度和后端面反射率可以提高前端面转换光增益，但是通过提高注入电流强度对改变输出光信号增益效果不大。另外，文中全光波长转换器光信号转换速率可达160 Gb/s，输出转换光不存在码型效应，因此其对以后进一步优化单端波长转换器结构具有重要指导意义。

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