專利名稱：一種可集成的高速全光波長轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及全光信號處理技術(shù)，具體指一種全光波長轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術(shù)：
在波分復(fù)用的光通信網(wǎng)絡(luò)中，波長轉(zhuǎn)換是解決波長競爭，實現(xiàn)波長重新利用和無阻塞波長路由的關(guān)鍵技術(shù)。它將需要進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的泵浦光信號載有的數(shù)字信號調(diào)制到另一路與泵浦光信號波長不同的探測光信號上，如圖1所示，在波長轉(zhuǎn)換裝置的光輸入端1輸入波長為λ p_的載有數(shù)字信號的脈沖光作為泵浦光，同時在光輸入端2輸入波長為Xprabe 的連續(xù)光作為探測光，在輸出端6可獲得波長為λ probe的載有數(shù)字信號的探測光，該數(shù)字信號與泵浦光所載有的數(shù)字信號一致，從而實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的波長轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)為光-電-光型的結(jié)構(gòu)，它將需要進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的光信號先轉(zhuǎn)換成電信號，再用電信號調(diào)制所需波長的激光器從而實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。光-電-光型的波長轉(zhuǎn)換裝置采用的原理比較簡單，但主要缺點是功率消耗大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且經(jīng)過光-電-光轉(zhuǎn)換后，原先光信號的相位，幅度等信息會丟失，不能實現(xiàn)對光信號的完全透明傳輸，且最高速率受限于電子瓶頸。全光結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換裝置因能夠成功克服速率瓶頸，提高網(wǎng)絡(luò)的透明性，并具有功耗低、體積小的特點，是波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的必然發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)"Liu Y, Tangdiongga E, et al. Error-Free 320-Gb/s All-Optical Wavelength Conversion Using a Single Semiconductor Optical Amplifier[J]. Lightwave Technol, 2007, 25 (1) :103-108. ”報道了一種基于半導(dǎo)體光放大器的全光波長轉(zhuǎn)換裝置，該裝置如圖2所示，包括一個光功率耦合器7和一個半導(dǎo)體光放大器3 ；從光輸入端1輸入波長為λ ρ_的載有數(shù)字信號的脈沖光作為泵浦光，同時在光輸入端2輸入波長為Xprabe的連續(xù)光作為探測光，在半導(dǎo)體光放大器3的輸出端可獲得波長為的載有數(shù)字信號的探測光，該數(shù)字信號與泵浦光所載有的數(shù)字信號一致，從而實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。該裝置主要基于半導(dǎo)體光放大器的交叉增益效應(yīng)來實現(xiàn)波長裝換，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的特點，其原理是當(dāng)泵浦光和探測光兩束光同時進(jìn)入半導(dǎo)體光放大器時，沒有信號泵浦光輸入時，半導(dǎo)體光放大器對探測光正常放大，增益較高，輸出的探測光功率較高；但當(dāng)有強(qiáng)功率的信號泵浦光輸入時，由于信號泵浦光的光強(qiáng)較強(qiáng)，使半導(dǎo)體光放大器增益達(dá)到飽和，從而導(dǎo)致探測光增益變小，輸出的探測光功率較低，這就是交叉增益調(diào)制效應(yīng)。這樣，通過信號泵浦光對半導(dǎo)體光放大器進(jìn)行增益調(diào)制，進(jìn)而調(diào)制探測光的光強(qiáng)，實現(xiàn)了信息從信號光到探測光的轉(zhuǎn)移，完成了全光波長轉(zhuǎn)換。由于受載流子壽命的限制，半導(dǎo)體光放大器的增益恢復(fù)時間一般只能達(dá)到幾十或幾百皮秒，對于較高速率的輸入信號，會導(dǎo)致輸出的轉(zhuǎn)換信號產(chǎn)生碼型效應(yīng)即輸出信號的脈沖上升沿和下降沿會出現(xiàn)不對稱的現(xiàn)象而影響后續(xù)傳輸， 進(jìn)而制約了所有基于半導(dǎo)體光放大器的全光波長轉(zhuǎn)換裝置的最高速度，是阻礙其發(fā)展的最大障礙。
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為了消除碼型效應(yīng)，并獲得較高的信噪比，R.J. Manning等人在文獻(xiàn)“Maiming R J,et al. Cancellation of Non-Linear Patterning in Semiconductor Amplifier Based Switches[C]. //Optical Society of America. Whistler,Canada,2006 :paper OTuC1. "φ 提出了一種采用兩個級聯(lián)的半導(dǎo)體光放大器和一個可調(diào)諧濾波器組成的波長轉(zhuǎn)換裝置，如圖3所示，包括一個光功率耦合器7、第一半導(dǎo)體光放大器3、可調(diào)諧濾波器9和第二半導(dǎo)體光放大器5。該裝置利用第二個半導(dǎo)體光放大器的自身增益效應(yīng)來消除第一半導(dǎo)體光放大器所產(chǎn)生的碼型效應(yīng)，從而實現(xiàn)高速全光波長轉(zhuǎn)換，并利用可調(diào)諧濾波器將泵浦光濾除。該方案由于需要可調(diào)諧濾波器將泵浦光濾除，但是現(xiàn)在所用的濾波器都屬于無源器件，而半導(dǎo)體光放大器屬于有源器件，二者很難集成在一起，這就導(dǎo)致波長轉(zhuǎn)換裝置體積較大，無法實現(xiàn)集成化，小型化，產(chǎn)品化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可集成的高速全光波長轉(zhuǎn)換裝置，它具有波長轉(zhuǎn)換速度快、體積小、易于集成等特點。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種可集成的高速全光波長轉(zhuǎn)換裝置，如圖4所示，包括一個光功率耦合器7、第一半導(dǎo)體光放大器3、一個電吸收調(diào)制器4和第二半導(dǎo)體光放大器5 ；波長為λ ρ_的載有數(shù)字信號的脈沖光作為泵浦光從光功率耦合器7的一個輸入端1輸入，波長為λ probe的連續(xù)光作為探測光從光功率耦合器7的另一個輸入端2輸入，泵浦光和探測光經(jīng)光功率耦合器7耦合后輸入第一半導(dǎo)體光放大器3 ；第一半導(dǎo)體光放大器3將波長為λ ρ_的泵浦光上載有的數(shù)字信號調(diào)制到波長為λ probe的探測光上，實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換；從第一半導(dǎo)體光放大器3 中輸出的泵浦光和探測光一同進(jìn)入電吸收調(diào)制器4，通過調(diào)節(jié)電吸收調(diào)制器4的控制電壓， 使得波長為λ p_的泵浦光被電吸收調(diào)制器4吸收、而波長為Xprate調(diào)制了數(shù)字信號的探測光從電吸收調(diào)制器4的輸出端輸出；從電吸收調(diào)制器4的輸出端輸出的波長為Xprabe調(diào)制了數(shù)字信號的探測光經(jīng)第二半導(dǎo)體光放大器5整形以消除碼型效應(yīng)后，從第二半導(dǎo)體光放大器5的輸出端輸出最終波長轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號脈沖。上述技術(shù)方案中，所述第一半導(dǎo)體光放大器3、電吸收調(diào)制器4和第二半導(dǎo)體光放大器5集成于同一半導(dǎo)體基片上。需要說明的是，利用第一半導(dǎo)體光放大器3中的交叉增益調(diào)制效應(yīng)實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換時，輸出的探測光信號會與泵浦光信號反相，例如，如果泵浦光信號是一系列的正脈沖數(shù)字信號，則輸出的探測光信號就是一系列的負(fù)脈沖數(shù)字信號。利用電吸收調(diào)制器4的電吸收效應(yīng)實現(xiàn)濾波功能，而濾波性能則取決于制作電吸收調(diào)制器4的材料光吸收譜邊緣的陡峭程度，從圖5中不難看出，光吸收譜邊緣越陡峭，則電吸收調(diào)制器4作為濾波器的3dB帶寬越窄，性能越好。研究顯示，多層量子阱材料中的電吸收效應(yīng)是塊體材料的50倍左右，且吸收譜的邊緣更加陡峭，可以通過優(yōu)化設(shè)計多層量子阱材料的結(jié)構(gòu)從而優(yōu)化電吸收調(diào)制器4的濾波性能。(見文獻(xiàn)WOOD，T. H. Multiple Quantum Well(MQff)Waveguide Modulators[J]. Lightwave Technol,1988,6(6) :743-757.)本發(fā)明的實質(zhì)是對基于兩極級聯(lián)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光放大器的波長轉(zhuǎn)換器的一種改進(jìn)，將連接于兩極半導(dǎo)體光放大器之間的可調(diào)諧濾波器替換成電吸收調(diào)制器。利用電吸收調(diào)制器對光的電吸收效應(yīng)實現(xiàn)濾波功能，同時由于電吸收調(diào)制器通常為半導(dǎo)體材料，易于半導(dǎo)體光放大器相集成。其中電吸收效應(yīng)是指，在某些半導(dǎo)體材料中，材料對特定頻率的光子吸收率隨外電場變化而變化的現(xiàn)象，會產(chǎn)生這種效應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱之為電吸收調(diào)制器。當(dāng)光子能量小于禁帶寬度時，不能把價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶去，所以被材料吸收的概率較小，但是當(dāng)光子能量大于禁帶寬度時，光子就容易在激發(fā)電子的同時被吸收。圖5為在不同外電場條件下的電吸收調(diào)制器的光吸收譜示意圖，可以看出，不加電壓(V = 0V)，即沒有外電場存在的情況下，在光子能量與禁帶寬度相接近時，即波長1550nm附近，吸收率曲線呈現(xiàn)比較陡峭的階躍狀變化，稱之為“吸收峰”；當(dāng)施加電壓，即V興OV時，外電場會使電吸收調(diào)制器的能級發(fā)生傾斜，從而使有效禁帶寬度減小，改變吸收峰的位置。(見文獻(xiàn) WOOD, Τ· H· Multiple Quantum Well(MQff)Waveguide Modulators[J]. Lightwave Technol, 1988,6(6) :743-757.)。從第一半導(dǎo)體光放大器3中輸出的泵浦光和探測光一同進(jìn)入電吸收調(diào)制器4，利用電吸收調(diào)制器4的電吸收效應(yīng)，通過調(diào)節(jié)電吸收調(diào)制器4的控制電壓，改變電吸收調(diào)制器4材料的有效禁帶寬度，從而改變電吸收調(diào)制器4吸收峰值的位置，使得波長為λ p_的泵浦光位于電吸收調(diào)制器4的吸收峰值處，而波長為λρηΛε的探測光位于波長大于吸收峰值波長的透明區(qū)域，這樣，泵浦光被吸收，探測光順利通過，從而實現(xiàn)濾除泵浦光的功能。從電吸收調(diào)制器4輸出的探測光信號進(jìn)入第二半導(dǎo)體光放大器5，利用第二半導(dǎo)體光放大器5的自身增益效應(yīng)對不對稱的探測光脈沖信號進(jìn)行整形。圖6中虛線是第二半導(dǎo)體光放大器5的輸入探測光信號，實線是第二半導(dǎo)體光放大器5的輸出探測光信號，從圖中可以看出，輸入探測光信號的增益下降沿很陡峭，功率下降很快，由于增益恢復(fù)時間的限制，第二半導(dǎo)體光放大器5增益上升較慢，來不及作用于脈沖的增益下降沿，但對于恢復(fù)緩慢的脈沖增益恢復(fù)沿來說，第二半導(dǎo)體光放大器5的增益上升縮短了增益恢復(fù)沿的恢復(fù)時間，這樣，第二半導(dǎo)體光放大器5就利用自身的增益動態(tài)特性補(bǔ)償了第一半導(dǎo)體光放大器 3較慢的恢復(fù)特性，在輸出光纖6的輸出端得到較高質(zhì)量的輸出信號，完成高速信號的全光波長轉(zhuǎn)換。綜上，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供了一種基于兩極級聯(lián)的半導(dǎo)體光放大器之間連接電吸收調(diào)制器的全光波長轉(zhuǎn)換裝置，該裝置在基于半導(dǎo)體光放大器的交叉增益效應(yīng)實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，并利用半導(dǎo)體光放大器的自身增益效應(yīng)對波長轉(zhuǎn)換輸出信號進(jìn)行整形的基礎(chǔ)上，首次采用了電吸收調(diào)制器實現(xiàn)濾波功能。本發(fā)明是一種全光波長轉(zhuǎn)換裝置，克服了電子速率瓶頸，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和透明性，減少了裝置能耗；本發(fā)明尤其是一種易于集成的全光波長轉(zhuǎn)換裝置，其兩級半導(dǎo)體光放大器和電吸收調(diào)制器可集成于同一半導(dǎo)體基片上，克服了以往全光波長轉(zhuǎn)換裝置體積較大，難以集成的困難，從而具有體積小、易于集成的特點。


圖1是全光波長轉(zhuǎn)換裝置原理示意圖。圖2是現(xiàn)有的一種基于半導(dǎo)體光放大器的波長轉(zhuǎn)換裝置示意圖。圖3是現(xiàn)有的兩級級聯(lián)半導(dǎo)體光放大器之間連接可調(diào)諧濾波器的全光波長轉(zhuǎn)換
5裝置示意圖。圖4是本發(fā)明提供的一種可集成的全光波長轉(zhuǎn)換裝置示意圖。圖1至4中1為光功率耦合器的泵浦光輸入端，2為功率耦合器的探測光輸入端， 3為第一半導(dǎo)體光放大器，4為電吸收調(diào)制器，5為第二半導(dǎo)體光放大器，6為波長轉(zhuǎn)換裝置輸出端，7為光功率耦合器，9為可調(diào)諧濾波器。圖5是電吸收調(diào)制器在不同外電場下的光吸收譜示意圖。其中橫坐標(biāo)為光子能量 (或波長)，縱坐標(biāo)為吸收系數(shù)。圖6是10(ib/S的波長轉(zhuǎn)換下，第二半導(dǎo)體光放大器5的輸入輸出對比圖。其中虛線是第二半導(dǎo)體光放大器5的輸入光信號，實線是第二半導(dǎo)體光放大器5的輸出光信號。
具體實施例方式一種可集成的高速全光波長轉(zhuǎn)換裝置，如圖4所示，包括一個光功率耦合器7、第一半導(dǎo)體光放大器3、一個電吸收調(diào)制器4和第二半導(dǎo)體光放大器5 ；波長為λ ρ_的載有數(shù)字信號的脈沖光作為泵浦光從光功率耦合器7的一個輸入端1輸入，波長為λ probe的連續(xù)光作為探測光從光功率耦合器7的另一個輸入端2輸入，泵浦光和探測光經(jīng)光功率耦合器7耦合后輸入第一半導(dǎo)體光放大器3 ；第一半導(dǎo)體光放大器3將波長為λ ρ_的泵浦光上載有的數(shù)字信號調(diào)制到波長為λ probe的探測光上，實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換；從第一半導(dǎo)體光放大器3 中輸出的泵浦光和探測光一同進(jìn)入電吸收調(diào)制器4，通過調(diào)節(jié)電吸收調(diào)制器4的控制電壓， 使得波長為λ p_的泵浦光被電吸收調(diào)制器4吸收、而波長為Xprate調(diào)制了數(shù)字信號的探測光從電吸收調(diào)制器4的輸出端輸出；從電吸收調(diào)制器4的輸出端輸出的波長為Xprabe調(diào)制了數(shù)字信號的探測光經(jīng)第二半導(dǎo)體光放大器5整形以消除碼型效應(yīng)后，從第二半導(dǎo)體光放大器5的輸出端輸出最終波長轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號脈沖。本發(fā)明在下述具體參數(shù)下，對本發(fā)明提供的高速全光波長轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了模擬仿真。其中兩個半導(dǎo)體光放大器的有源區(qū)長度為3mm，載流子壽命為60ps，工作電流為800mA， 模式損耗為27CHT1，TE模限制因子為0.2，TM模限制因子為0. 14 ；泵浦光為波長λ p_為 1550nm、重復(fù)頻率為10(ib/S、脈沖寬度為2ps、脈沖峰值功率為20mW的高斯脈沖光；探測光為波長1565nm，平均功率為ImW的直流光。圖6是10(ib/S的波長轉(zhuǎn)換下，第二半導(dǎo)體光放大器5的輸入輸出對比圖。其中虛線是第二半導(dǎo)體光放大器5的輸入光信號，實線是第二半導(dǎo)體光放大器5的輸出光信號。從圖中可以看出，輸入探測光信號的增益下降沿很陡峭，功率下降很快，由于增益恢復(fù)時間的限制，第二半導(dǎo)體光放大器5增益上升較慢，來不及作用于脈沖的增益下降沿，但對于恢復(fù)緩慢的脈沖增益恢復(fù)沿來說，第二半導(dǎo)體光放大器5的增益上升縮短了增益恢復(fù)沿的恢復(fù)時間，這樣，第二半導(dǎo)體光放大器5就利用自身的增益動態(tài)特性補(bǔ)償了第一半導(dǎo)體光放大器3較慢的恢復(fù)特性，在輸出光纖6的輸出端得到較高質(zhì)量的輸出信號，完成高速信號的全光波長轉(zhuǎn)換。上述具體實施方式
實現(xiàn)了數(shù)字信號從波長1550nm到1565nm的轉(zhuǎn)移，完成了全光波長轉(zhuǎn)換，可達(dá)到10(ib/S以上的波長轉(zhuǎn)換速率。下一代光網(wǎng)絡(luò)的路由實現(xiàn)需要小型化、集成化、超高速的全光波長轉(zhuǎn)換器件。從本發(fā)明的具體實施例可知，本發(fā)明提出的基于半導(dǎo)體光放大器和電吸收調(diào)制器的易于集成的高速全光波長轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能夠滿足器件對高速的要求以及小型化、集成化趨勢。因此，本發(fā)明提出的基于半導(dǎo)體光放大器和電吸收調(diào)制器的易于集成的高速全光波長轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能夠為下一代光網(wǎng)絡(luò)的路由實現(xiàn)提供有力的推動作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種可集成的高速全光波長轉(zhuǎn)換裝置，包括一個光功率耦合器(7)、第一半導(dǎo)體光放大器(3)、一個電吸收調(diào)制器(4)和第二半導(dǎo)體光放大器(5)；波長為λ p_的載有數(shù)字信號的脈沖光作為泵浦光從光功率耦合器(7)的一個輸入端(1)輸入，波長為Xprabe的連續(xù)光作為探測光從光功率耦合器(7)的另一個輸入端( 輸入，泵浦光和探測光經(jīng)光功率耦合器(7)耦合后輸入第一半導(dǎo)體光放大器(3)；第一半導(dǎo)體光放大器C3)將波長為泵浦光上載有的數(shù)字信號調(diào)制到波長為Xprabe的探測光上，實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換；從第一半導(dǎo)體光放大器(3)中輸出的泵浦光和探測光一同進(jìn)入電吸收調(diào)制器G)，通過調(diào)節(jié)電吸收調(diào)制器的控制電壓，使得波長為λ ρ_的泵浦光被電吸收調(diào)制器(4)吸收、而波長為調(diào)制了數(shù)字信號的探測光從電吸收調(diào)制器的輸出端輸出；從電吸收調(diào)制器的輸出端輸出的波長為XprabJ周制了數(shù)字信號的探測光經(jīng)第二半導(dǎo)體光放大器( 整形以消除碼型效應(yīng)后，從第二半導(dǎo)體光放大器(5)的輸出端輸出最終波長轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可集成的高速全光波長轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體光放大器(3)、電吸收調(diào)制器(4)和第二半導(dǎo)體光放大器( 集成于同一半導(dǎo)體基片上。
全文摘要
一種可集成的高速全光波長轉(zhuǎn)換裝置，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。主要包括兩只半導(dǎo)體光放大器與電吸收調(diào)制器的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。利用第一半導(dǎo)體光放大器中的交叉增益調(diào)制效應(yīng)，將泵浦光上的信號調(diào)制到另一不同波長的探測光上；利用電吸收調(diào)制器的電吸收效應(yīng)，濾除泵浦光；利用第二半導(dǎo)體光放大器的自身增益效應(yīng)，補(bǔ)償高速波長轉(zhuǎn)換時輸出光信號的碼型效應(yīng)，從而實現(xiàn)高速全光波長轉(zhuǎn)換。本發(fā)明在全光波長轉(zhuǎn)換裝置中首次采用了電吸收調(diào)制器實現(xiàn)濾波功能，在完成全光高速波長轉(zhuǎn)換的同時具有體積小、易于集成的特點?？蓱?yīng)用于下一代光網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)中。
文檔編號G02F1/35GK102289129SQ20111025784
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者劉永, 劉永智, 努爾買買提, 張尚劍, 徐天翔, 楊惠姣, 陳立功 申請人:電子科技大學(xué)