CN102289129B - 一种高速全光波长转换的集成装置 - Google Patents

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Abstract

一种高速全光波长转换的集成装置，属于光电子技术领域。主要包括两只半导体光放大器与电吸收调制器的级联结构。利用第一半导体光放大器中的交叉增益调制效应，将泵浦光上的信号调制到另一不同波长的探测光上；利用电吸收调制器的电吸收效应，滤除泵浦光；利用第二半导体光放大器的自身增益效应，补偿高速波长转换时输出光信号的码型效应，从而实现高速全光波长转换。本发明在全光波长转换装置中首次采用了电吸收调制器实现滤波功能，在完成全光高速波长转换的同时具有体积小、易于集成的特点。可应用于下一代光网络的路由技术中。

Description

一种高速全光波长转换的集成装置
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及全光信号处理技术，具体指一种可实现高速全光波长转换的集成装置。
背景技术
在波分复用的光通信网络中，波长转换是解决波长竞争，实现波长重新利用和无阻塞波长路由的关键技术。它将需要进行波长转换的泵浦光信号载有的数字信号调制到另一路与泵浦光信号波长不同的探测光信号上，如图1所示，在波长转换装置的光输入端1输入波长为λpump的载有数字信号的脉冲光作为泵浦光，同时在光输入端2输入波长为λprobe的连续光作为探测光，在输出端6可获得波长为λprobe的载有数字信号的探测光，该数字信号与泵浦光所载有的数字信号一致，从而实现波长转换。
传统的波长转换装置结构为光-电-光型的结构，它将需要进行波长转换的光信号先转换成电信号，再用电信号调制所需波长的激光器从而实现波长转换。光-电-光型的波长转换装置采用的原理比较简单，但主要缺点是功率消耗大，电路结构复杂，而且经过光-电-光转换后，原先光信号的相位，幅度等信息会丢失，不能实现对光信号的完全透明传输，且最高速率受限于电子瓶颈。
全光结构的波长转换装置因能够成功克服速率瓶颈，提高网络的透明性，并具有功耗低、体积小的特点，是波长转换技术的必然发展趋势。
文献“Liu Y，Tangdiongga E,et al.Error-Free 320-Gb/s All-Optical Wavelength ConversionUsing a Single Semiconductor Optical Amplifier[J].Lightwave Technol,2007,25(1):103-108.”报道了一种基于半导体光放大器的全光波长转换装置，该装置如图2所示，包括一个光功率耦合器7和一个半导体光放大器3；从光输入端1输入波长为λpump的载有数字信号的脉冲光作为泵浦光，同时在光输入端2输入波长为λprobe的连续光作为探测光，在半导体光放大器3的输出端可获得波长为λprobe的载有数字信号的探测光，该数字信号与泵浦光所载有的数字信号一致，从而实现波长转换。该装置主要基于半导体光放大器的交叉增益效应来实现波长装换，具有结构简单、易于实现的特点，其原理是当泵浦光和探测光两束光同时进入半导体光放大器时，没有信号泵浦光输入时，半导体光放大器对探测光正常放大，增益较高，输出的探测光功率较高；但当有强功率的信号泵浦光输入时，由于信号泵浦光的光强较强，使半导体光放大器增益达到饱和，从而导致探测光增益变小，输出的探测光功率较低，这就是交叉增益调制效应。这样，通过信号泵浦光对半导体光放大器进行增益调制，进而调制探测光的光强，实现了信息从信号光到探测光的转移，完成了全光波长转换。由于受载流子寿命的限制，半导体光放大器的增益恢复时间一般只能达到几十或几百皮秒，对于较高速率的输入信号，会导致输出的转换信号产生码型效应：即输出信号的脉冲上升沿和下降沿会出现不对称的现象而影响后续传输，进而制约了所有基于半导体光放大器的全光波长转换装置的最高速度，是阻碍其发展的最大障碍。
为了消除码型效应，并获得较高的信噪比，R.J.Manning等人在文献“Manning R J,et al.Cancellation of Non-Linear Patterning in Semiconductor Amplifier Based Switches[C].//OpticalSociety of America.Whistler,Canada,2006:paper OTuC1.”中提出了一种采用两个级联的半导体光放大器和一个可调谐滤波器组成的波长转换装置，如图3所示，包括一个光功率耦合器7、第一半导体光放大器3、可调谐滤波器9和第二半导体光放大器5。该装置利用第二个半导体光放大器的自身增益效应来消除第一半导体光放大器所产生的码型效应，从而实现高速全光波长转换，并利用可调谐滤波器将泵浦光滤除。该方案由于需要可调谐滤波器将泵浦光滤除，但是现在所用的滤波器都属于无源器件，而半导体光放大器属于有源器件，二者很难集成在一起，这就导致波长转换装置体积较大，无法实现集成化，小型化，产品化。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速全光波长转换的集成装置，它具有波长转换速度快、体积小、单片集成等特点。
本发明技术方案如下：
一种高速全光波长转换的集成装置，如图4所示，包括一个光功率耦合器7、第一半导体光放大器3、一个电吸收调制器4和第二半导体光放大器5；所述第一半导体光放大器3、电吸收调制器4和第二半导体光放大器5集成于同一半导体基片上；波长为λpump的载有数字信号的脉冲光作为泵浦光从光功率耦合器7的一个输入端1输入，波长为λprobe的连续光作为探测光从光功率耦合器7的另一个输入端2输入，泵浦光和探测光经光功率耦合器7耦合后输入第一半导体光放大器3；第一半导体光放大器3将波长为λpump的泵浦光上载有的数字信号调制到波长为λprobe的探测光上，实现波长转换；从第一半导体光放大器3中输出的泵浦光和探测光一同进入电吸收调制器4，通过调节电吸收调制器4的控制电压，使得波长为λpump的泵浦光被电吸收调制器4吸收、而波长为λprobe调制了数字信号的探测光从电吸收调制器4的输出端输出；从电吸收调制器4的输出端输出的波长为λprobe调制了数字信号的探测光经第二半导体光放大器5整形以消除码型效应后，从第二半导体光放大器5的输出端输出最终波长转换后的数字信号脉冲。
需要说明的是，
利用第一半导体光放大器3中的交叉增益调制效应实现波长转换时，输出的探测光信号会与泵浦光信号反相，例如，如果泵浦光信号是一系列的正脉冲数字信号，则输出的探测光信号就是一系列的负脉冲数字信号。
利用电吸收调制器4的电吸收效应实现滤波功能，而滤波性能则取决于制作电吸收调制器4的材料光吸收谱边缘的陡峭程度，从图5中不难看出，光吸收谱边缘越陡峭，则电吸收调制器4作为滤波器的3dB带宽越窄，性能越好。研究显示，多层量子阱材料中的电吸收效应是块体材料的50倍左右，且吸收谱的边缘更加陡峭，可以通过优化设计多层量子阱材料的结构从而优化电吸收调制器4的滤波性能。（见文献WOOD,T.H.Multiple Quantum Well(MQW)Waveguide Modulators[J].Lightwave Technol,1988,6(6):743-757.）
本发明的实质是基于两极半导体光放大器级联结构的高速波长转换的一种集成结构，将连接于两极半导体光放大器之间的可调谐滤波器替换成电吸收调制器。利用电吸收调制器对光的电吸收效应实现滤波功能，同时由于电吸收调制器为同时由于电吸收调制器通常为半导体材料，易与半导体光放大器完成单片集成。其中电吸收效应是指，在某些半导体材料中，材料对特定频率的光子吸收率随外电场变化而变化的现象，会产生这种效应的半导体材料称之为电吸收调制器。当光子能量小于禁带宽度时，不能把价带中的电子激发到导带去，所以被材料吸收的概率较小，但是当光子能量大于禁带宽度时，光子就容易在激发电子的同时被吸收。图5为在不同外电场条件下的电吸收调制器的光吸收谱示意图，可以看出，不加电压（V=0V），即没有外电场存在的情况下，在光子能量与禁带宽度相接近时，即波长1550nm附近，吸收率曲线呈现比较陡峭的阶跃状变化，称之为“吸收峰”；当施加电压，即V≠0V时，外电场会使电吸收调制器的能级发生倾斜，从而使有效禁带宽度减小，改变吸收峰的位置。（见文献WOOD,T.H.Multiple Quantum Well(MQW)Waveguide Modulators[J].LightwaveTechnol,1988,6(6):743-757.）。从第一半导体光放大器3中输出的泵浦光和探测光一同进入电吸收调制器4，利用电吸收调制器4的电吸收效应，通过调节电吸收调制器4的控制电压，改变电吸收调制器4材料的有效禁带宽度，从而改变电吸收调制器4吸收峰值的位置，使得波长为λpump的泵浦光位于电吸收调制器4的吸收峰值处，而波长为λprobe的探测光位于波长大于吸收峰值波长的透明区域，这样，泵浦光被吸收，探测光顺利通过，从而实现滤除泵浦光的功能。
从电吸收调制器4输出的探测光信号进入第二半导体光放大器5，利用第二半导体光放大器5的自身增益效应对不对称的探测光脉冲信号进行整形。图6中虚线是第二半导体光放大器5的输入探测光信号，实线是第二半导体光放大器5的输出探测光信号，从图中可以看出，输入探测光信号的增益下降沿很陡峭，功率下降很快，由于增益恢复时间的限制，第二半导体光放大器5增益上升较慢，来不及作用于脉冲的增益下降沿，但对于恢复缓慢的脉冲增益恢复沿来说，第二半导体光放大器5的增益上升缩短了增益恢复沿的恢复时间，这样，第二半导体光放大器5就利用自身的增益动态特性补偿了第一半导体光放大器3较慢的恢复特性，在输出光纤6的输出端得到较高质量的输出信号，完成高速信号的全光波长转换。
综上，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于两极级联的半导体光放大器之间连接电吸收调制器的全光波长转换集成装置，该装置在基于半导体光放大器的交叉增益效应实现波长转换，并利用半导体光放大器的自身增益效应对波长转换输出信号进行整形的基础上，采用了电吸收调制器实现滤波功能。本发明是一种全光波长转换的装置，克服了电子速率瓶颈，大大提高了网络的吞吐量和透明性，减少了装置能耗；本发明尤其是一种可实现高速波长转换的集成装置，其两级半导体光放大器和电吸收调制器集成于同一半导体基片上，克服了以往全光波长转换装置体积较大，难以集成的困难，从而具有体积小、单片集成的特点。
附图说明
图1是全光波长转换装置原理示意图。
图2是现有的一种基于半导体光放大器的波长转换装置示意图。
图3是现有的两级级联半导体光放大器之间连接可调谐滤波器的全光波长转换装置示意图。
图4是本发明提供的一种高速全光波长转换的集成装置示意图。
图1至4中：1为光功率耦合器的泵浦光输入端，2为功率耦合器的探测光输入端，3为第一半导体光放大器，4为电吸收调制器，5为第二半导体光放大器，6为波长转换装置输出端，7为光功率耦合器，9为可调谐滤波器。
图5是电吸收调制器在不同外电场下的光吸收谱示意图。其中横坐标为光子能量（或波长），纵坐标为吸收系数。
图6是10Gb/s的波长转换下，第二半导体光放大器5的输入输出对比图。其中虚线是第二半导体光放大器5的输入光信号，实线是第二半导体光放大器5的输出光信号。
具体实施方式
一种高速全光波长转换的集成装置，如图4所示，包括一个光功率耦合器7、第一半导体光放大器3、一个电吸收调制器4和第二半导体光放大器5；波长为λpump的载有数字信号的脉冲光作为泵浦光从光功率耦合器7的一个输入端1输入，波长为λprobe的连续光作为探测光从光功率耦合器7的另一个输入端2输入，泵浦光和探测光经光功率耦合器7耦合后输入第一半导体光放大器3；第一半导体光放大器3将波长为λpump的泵浦光上载有的数字信号调制到波长为λprobe的探测光上，实现波长转换；从第一半导体光放大器3中输出的泵浦光和探测光一同进入电吸收调制器4，通过调节电吸收调制器4的控制电压，使得波长为λpump的泵浦光被电吸收调制器4吸收、而波长为λprobe调制了数字信号的探测光从电吸收调制器4的输出端输出；从电吸收调制器4的输出端输出的波长为λprobe调制了数字信号的探测光经第二半导体光放大器5整形以消除码型效应后，从第二半导体光放大器5的输出端输出最终波长转换后的数字信号脉冲。
本发明在下述具体参数下，对本发明提供的高速全光波长转换装置进行了模拟仿真。其中两个半导体光放大器的有源区长度为1mm，载流子寿命为60ps，工作电流为400mA，模式损耗为17cm-1，TE模限制因子为0.2，TM模限制因子为0.14；泵浦光为波长λpump为1550nm、重复频率为10Gb/s、脉冲宽度为2ps、脉冲峰值功率为20mW的高斯脉冲光；探测光为波长λprobe为1565nm，平均功率为1mW的直流光。
图6是10Gb/s的波长转换下，第二半导体光放大器5的输入输出对比图。其中虚线是第二半导体光放大器5的输入光信号，实线是第二半导体光放大器5的输出光信号。从图中可以看出，输入探测光信号的增益下降沿很陡峭，功率下降很快，由于增益恢复时间的限制，第二半导体光放大器5增益上升较慢，来不及作用于脉冲的增益下降沿，但对于恢复缓慢的脉冲增益恢复沿来说，第二半导体光放大器5的增益上升缩短了增益恢复沿的恢复时间，这样，第二半导体光放大器5就利用自身的增益动态特性补偿了第一半导体光放大器3较慢的恢复特性，在输出光纤6的输出端得到较高质量的输出信号，完成高速信号的全光波长转换。
上述具体实施方式实现了数字信号从波长1550nm到1565nm的转移，完成了全光波长转换，可达到10Gb/s以上的波长转换速率。
下一代光网络的路由实现需要小型化、集成化、超高速的全光波长转换器件。从本发明的具体实施例可知，本发明提出的高速全光波长转换集成装置能够满足光网络中全光波长转换器件在高速工作速率以及小型化、集成化的要求，能够为下一代光网络的路由实现提供有力的推动作用，具有广泛的应用前景。

Claims (1)

1.一种高速全光波长转换的集成装置，其特征在于，包括一个光功率耦合器（7）、第一半导体光放大器（3）、一个电吸收调制器（4）和第二半导体光放大器（5）；所述第一半导体光放大器（3）、电吸收调制器（4）和第二半导体光放大器（5）集成于同一半导体基片上；
波长为λpump的载有数字信号的脉冲光作为泵浦光从光功率耦合器（7）的一个输入端（1）输入，波长为λprobe的连续光作为探测光从光功率耦合器（7）的另一个输入端（2）输入，泵浦光和探测光经光功率耦合器（7）耦合后输入第一半导体光放大器（3）；第一半导体光放大器（3）将波长为λpump的泵浦光上载有的数字信号调制到波长为λprobe的探测光上，实现波长转换；从第一半导体光放大器（3）中输出的泵浦光和探测光一同进入电吸收调制器（4），通过调节电吸收调制器（4）的控制电压，使得波长为λpump的泵浦光被电吸收调制器（4）吸收、而波长为λprobe调制了数字信号的探测光从电吸收调制器（4）的输出端输出；从电吸收调制器（4）的输出端输出的波长为λprobe调制了数字信号的探测光经第二半导体光放大器（5）整形以消除码型效应后，从第二半导体光放大器（5）的输出端输出最终波长转换后的数字信号脉冲。
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