【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 比較器實(shí)現(xiàn)方案，基于SOA中的XGM效應(yīng)，較容易實(shí)現(xiàn)，且邏輯功能只與輸入功率有關(guān)。本章首先解釋了基于SOA中XGM效應(yīng)的全光比較器的工作原理，然后給出了本方案采用的理論模型，為下一章全光比較器各性能參數(shù)的分析提供了理論基礎(chǔ)基于SOAXGM效應(yīng)的工作機(jī)理:如圖21，一束連續(xù)光(探測(cè)光)和一束脈沖光(控制光)同時(shí)輸入SOA，高功率的控制光吸收大量的載流子引起SOA增益飽和(如圖22a所示)，探測(cè)光在SOA內(nèi)受到SOA增益的調(diào)制從而攜帶與控制光反碼的信號(hào)，這時(shí)SOA起到一個(gè)邏輯非門的功能，如圖22b所示。圖21 同向入射情況下SOAXGM效應(yīng)圖22 a SOA增益飽和曲線圖22 b 邏輯非門功能的實(shí)現(xiàn)原理圖23 異向入射情況下的SOAXGM效應(yīng)基于半導(dǎo)體光放大器的交叉增益調(diào)制效應(yīng)(SOAXGM)的工作原理是利用輸入的信號(hào)光調(diào)制SOA的有源區(qū)載流子濃度，通過(guò)光燒孔效應(yīng)把載波信息復(fù)制到探測(cè)光波長(zhǎng)上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖21和圖23所示，波長(zhǎng)為λ1的連續(xù)探測(cè)光與波長(zhǎng)為λ2的信號(hào)光共同注入到SOA中，其中信號(hào)光功率較強(qiáng)，由于信號(hào)脈沖強(qiáng)度的起伏，使其消耗的載流子數(shù)也發(fā)生相應(yīng)的變化，引起SOA增益飽和變化，也就是信號(hào)光的強(qiáng)變化調(diào)制了SOA的增益，同時(shí)載流子的變化會(huì)引起SOA腔內(nèi)折射率的變化。所以當(dāng)探測(cè)光通過(guò)SOA時(shí)，將會(huì)受到SOA增益和折射率的調(diào)制，對(duì)于信號(hào)脈沖的波峰處，SOA腔內(nèi)增益達(dá)到飽和，探測(cè)光獲得不到增益，而在信號(hào)脈沖的谷底處，SOA腔內(nèi)增益沒有達(dá)到飽和，探測(cè)光獲得很大的增益，最終的結(jié)果就是探測(cè)光的幅度和相位受到信號(hào)光的調(diào)制，輸出的探測(cè)光攜帶信號(hào)光的調(diào)制或編碼信息，而且從SOA輸出的變換光是信號(hào)光的反碼脈沖序列。需要指出的是，在圖21中兩束光同向輸入SOA，在輸出端需要有一個(gè)濾波器濾出λ1信號(hào)，而在圖23中，兩束光反向輸入SOA時(shí)，在輸出端就不再需要濾波器，這樣便可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。SOA的這種非線性增益特性可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)變換、光開頭和多種全光邏輯功能。在圖21和圖23中，如果輸入的強(qiáng)信號(hào)光為脈沖序列，它首先對(duì)SOA的增益進(jìn)行了調(diào)制，使作為探測(cè)光的連續(xù)信號(hào)經(jīng)過(guò)SOA后受到SOA增益的調(diào)制，于是輸出的探測(cè)光攜帶了信號(hào)光的調(diào)制或編碼信息，而且從SOA輸出的變換光是信號(hào)光的反碼脈沖序列，這便實(shí)現(xiàn)了一個(gè)波長(zhǎng)變換的過(guò)程。如果輸入的強(qiáng)脈沖序列信號(hào)A為1010，則輸出的探測(cè)光便被調(diào)制為其反碼形式0101，即A，這便實(shí)現(xiàn)了邏輯非門的功能?；赟OA中的XGM效應(yīng)的全光組合邏輯,可以實(shí)現(xiàn)包括一位比較器、帶控制端口的2線1線優(yōu)先編碼器、2線4線譯碼器、2選1選擇器。利用擴(kuò)展端口可進(jìn)行多個(gè)組合邏輯級(jí)聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)多端口、多位全光組合邏輯。利用以上原理可以實(shí)現(xiàn)本文中的基于SOA中的XGM型的全光比較器。比較器用來(lái)比較兩個(gè)二進(jìn)制A、B的大小。因?yàn)槎M(jìn)制只有兩個(gè)狀態(tài)1或0,所以有三種可能:AB(A=B=0),用()=1作為AB的輸出信號(hào)。AB(A=0、B=1),用()=1作為AB的輸出信號(hào)。A=B,用A⊙B=1作為A=B的輸出信號(hào)。利用 “與”模塊,圖24所示為一位比較器全光組合邏輯方案。信號(hào)A、B的波長(zhǎng)分別為、,C為波長(zhǎng)連續(xù)光信號(hào),D=,輸出信號(hào)中：Y0=(),Y1=(),Y2=A⊙B=()。因此，利用此方案可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)全光比較器。真值表如圖所示： 圖24比較器全光組合邏輯方案比較器真值表 基于SOA的XGM型全光比較器所采用的理論模型基于SOA的XGM型全光比較器原理如圖24所示，輸入的泵浦光和連續(xù)的探測(cè)光異向輸入SOA中引起SOA的增益飽和，探測(cè)光經(jīng)過(guò)SOA獲得增益并且受到調(diào)制，這樣探測(cè)光就攜帶了泵浦光的調(diào)制信息?；谏鲜鲈恚⑷缦禄赟OA的XGM型全光比較器的理論模型。在建立基于SOA的XGM型全光比較器的理論模型之前，首先，假定SOA是理想的行波放大器，即端面反射為零，對(duì)于本文的方案采用的是XGM效應(yīng)，可以忽略SOA中的群速度色散效應(yīng)、載流子擴(kuò)散效應(yīng)，以及所有3階非線性效應(yīng)。如圖25所示，將整個(gè)SOA看成由m個(gè)等長(zhǎng)度的子段串聯(lián)而成，當(dāng)m足夠大時(shí)，可近似認(rèn)為這些子段中的載流子濃度是均勻的，不隨空間坐標(biāo)變化，這一模型可以模擬SOA有源區(qū)中載流子濃度的空間和時(shí)間變化。其中i為采樣時(shí)間點(diǎn)的序號(hào)，j為子段序號(hào)，表示第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)j子段的載流子濃度，相應(yīng)的表示第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)第j子段的光功率。如果每一子段的長(zhǎng)度均為，光功率采樣的時(shí)間間隔為，二者之間具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即：其中為有源區(qū)的有效折射率；c為真空中的光速。圖25 SOA 分段模型示意圖在每個(gè)子段中有下面的載流子濃度速率方程和光功率傳輸方程： （） （）其中，N為SOA有源區(qū)內(nèi)載流子的濃度；P為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λ的光的光功率；I為注入電流；e為電子電荷量；V為SOA有源區(qū)體積；Γ為光場(chǎng)限制因子； h為普朗克常數(shù)；為光波的頻率；A為SOA有源區(qū)的橫截面積。方程()右邊第一項(xiàng)代表載流子的注入，第二項(xiàng)代表自發(fā)輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合引起的載流子消耗；第三項(xiàng)表示ASE引起的載流子消耗；第四項(xiàng)代表入射信號(hào)光引起的受激輻射引起的載流子消耗。該方程描述的是只有一個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)被SOA放大的情況，當(dāng)多個(gè)波長(zhǎng)的光進(jìn)入SOA時(shí)，方程右端第四項(xiàng)應(yīng)該是各個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)光引起的受激輻射消耗的載流子的總和，如下所示： （）由于受激輻射的同時(shí)存在自發(fā)輻射，信號(hào)通過(guò)SOA 放大后將會(huì)疊加一定的噪聲。不僅如此，ASE引起的載流子消耗還會(huì)造成信號(hào)增益的下降，分段模型下ASE的光傳輸方程和引起的載流子消耗可以表示為： （） （）其中，腳標(biāo)w代表不同波長(zhǎng)分量的入射光，即對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為的光功率；符號(hào)“+”和“”分別代表光波沿+z和z方向傳播；為有源波導(dǎo)內(nèi)的損耗系數(shù)。在小信號(hào)入射的情況下，ASE噪聲對(duì)增益和有源區(qū)內(nèi)載流子濃度的分布影響較大；但是當(dāng)入射光功率比較大時(shí)，ASE噪聲的影響就可以忽略不計(jì)了。本文研究的方案是基于SOA中的XGM效應(yīng)，此時(shí)SOA一般工作在深飽和狀態(tài)下，ASE受到很強(qiáng)的抑制。所以為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在以下的數(shù)值計(jì)算中忽略ASE噪聲的影響。方程（）中的為自發(fā)輻射速率，通常用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)等效： （）式中，為自發(fā)輻射耦合因子，表明總的自發(fā)輻射復(fù)合中只有一部分耦合到相應(yīng)光場(chǎng)中；為雙分子復(fù)合系數(shù)。為總的非輻射復(fù)合速率，一般等效為： （）其中，為缺陷、表面復(fù)合導(dǎo)致的非輻射復(fù)合系數(shù)，即前面提到的雙分子復(fù)合系數(shù)，為俄歇復(fù)合系數(shù)。也可以引入載流子壽命τ來(lái)描述不包含受激輻射時(shí)總的載流子復(fù)合時(shí)間：，該式表明了載流子壽命與載流子濃度的關(guān)系。增益系數(shù)g不僅與載流子濃度N有關(guān)，而且同注入光的波長(zhǎng)λ有關(guān)。SOA的增益譜一般是非對(duì)稱的拋物線型，可以用經(jīng)驗(yàn)公式式（）模擬，其中為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為的增益系數(shù)。SOA注入電流的變化引起載流子濃度N發(fā)生變化，增益譜的峰值波長(zhǎng)也會(huì)隨之變化。一般情況下，隨著注入電流的增加，SOA的增益峰值波長(zhǎng)將發(fā)生藍(lán)移；此外注入光強(qiáng)的變化同樣會(huì)消耗SOA的載流子，從而也使增益譜的峰值波長(zhǎng)發(fā)生漂移。峰值波長(zhǎng)與載流子濃度N的關(guān)系可以表示為式（）。 （） （）其中，為微分增益系數(shù)；為透明載流子濃度；為對(duì)應(yīng)的增益峰值波長(zhǎng)；為透明時(shí)的波長(zhǎng)；和為增益常數(shù)，與SOA的增益帶寬有關(guān)，與增益譜的非對(duì)稱性有關(guān)；為波長(zhǎng)漂移系數(shù)。用來(lái)表示由增益色散引起的附加透明載流子濃度: ()則增益系數(shù)可以表示為: ()根據(jù)以上建立的半導(dǎo)體光放大器的分段模型。給定入射光功率Pin（即P1），就可以根據(jù)公式（）（）算出Nm和Pm+1。因此就可以確定整個(gè)半導(dǎo)體光放大器有源區(qū)內(nèi)載流子濃度N和光功率P在空間上的靜態(tài)分布，進(jìn)而算出整個(gè)有源區(qū)上的增益。在求出有源區(qū)各段內(nèi)部載流子濃度分布的初始值,再基于該初值結(jié)合龍格－庫(kù)塔方法算出輸入光功率變化引起的有源區(qū)載流子濃度的變化,載流子濃度求出后就可以算出隨時(shí)間變化的輸出光功率。當(dāng)兩束光同時(shí)入射 SOA 時(shí)，由載流子速率方程和增益系數(shù)方程可得 （） （）其中 i=1，2 分別對(duì)應(yīng)探測(cè)光和泵浦光。經(jīng)過(guò) SOA 傳輸后，兩束光的功率及相位可表示為：設(shè)泵浦光為幅度調(diào)制的，那么根據(jù)式（），泵浦光強(qiáng)度變化會(huì)導(dǎo)致 SOA載流子密度的改變，而載流子密度變化會(huì)通過(guò)式、和公式（），使 SOA內(nèi)的增益系數(shù) g(z,t)、積分增益 h(t)發(fā)生改變，這種改變會(huì)通過(guò)相位公式最終使探測(cè)光的強(qiáng)度、相位產(chǎn)生變化。這種探測(cè)光強(qiáng)度（增益）、相位隨控制光強(qiáng)度變化而變化的現(xiàn)象即為 SOA 的 XGM 效應(yīng)。除了影響強(qiáng)度及相位，有源區(qū)載流子密度的變化同樣會(huì)對(duì)探測(cè)光的瞬時(shí)頻率產(chǎn)生影響，即產(chǎn)生啁啾，對(duì)相位表達(dá)式求導(dǎo)，可得到啁啾的表達(dá)式：根據(jù)載流子速率方程可知，影響 SOA 載流子密度的因素包括偏置電流、輸入光強(qiáng)度、及 SOA 器件各項(xiàng)參數(shù)（載流子壽命、有源區(qū)長(zhǎng)度、線寬增強(qiáng)因子）等。因此，在基于 XGM實(shí)現(xiàn)光光調(diào)制的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于特定的 SOA，選擇合適的偏置電流