浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，不同類型的光網(wǎng)絡(luò)不斷出現(xiàn)，而與其對應(yīng)的最 佳光調(diào)制格式也在改變著。當(dāng)信號要在不同網(wǎng)絡(luò)間傳輸時，需要在網(wǎng)絡(luò)之間的交 換節(jié)點(diǎn)對信號進(jìn)行光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換。非歸零碼( n i 濕) 和歸零碼( r z ) 是光通信系統(tǒng) 中最常見的兩種光調(diào)制格式。因此n r z 和r z 之間的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換將成為未 來光網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要技術(shù)。 目前國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)上述調(diào)制格式的轉(zhuǎn)換主要是基于非線性光纖和半導(dǎo)體光放 大器( s o a ) 的非線性效應(yīng)，這些調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器能直接在光域上實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換操 作，無需經(jīng)過光電光的轉(zhuǎn)換過程?；诜蔷€性光纖構(gòu)成的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換速度快、 效率高，但是光纖的非線性性能較低，需要較長的光纖來達(dá)到所需的非線性量值； 半導(dǎo)體光放大器的非線性性能高，但是作為有源器件它對輸入光功率限制比較 大，因此本課題采用硅光子波導(dǎo)器件( 如硅光波導(dǎo)、硅微環(huán)器件等) 來實(shí)現(xiàn)光通 信中調(diào)制格式的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)化和集成化。 硅光子波導(dǎo)器件具有顯著的非線性效應(yīng)，且滿足薛定諤方程。利用m a t l a b 實(shí)現(xiàn)硅光子波導(dǎo)器件的建模，在驗(yàn)證模型的正確性之后，通過o p t s i m 光通信系 統(tǒng)軟件搭建基于該器件的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。當(dāng)泵浦光和探測光耦合進(jìn)入硅光 子波導(dǎo)器件，會產(chǎn)生自相位調(diào)制( s p m ) ，交叉相位調(diào)制( x p m ) ，四波混頻( f w m ) 等非線性效應(yīng)，進(jìn)而引起兩束輸入光頻譜的變化。通過合理地設(shè)置光學(xué)帶通濾波 器( o b p f ) 的中心頻率和帶寬，可以實(shí)現(xiàn)從n r z 到r z 的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換此外， 硅光波導(dǎo)中雙光子吸收( t p a ) 和自由載流子吸收( f c a ) 不僅會使信號衰減，而且 會引起光譜畸變，t p a 會引起光譜變窄，f c a 會引起光譜藍(lán)移，因此在調(diào)制格 式轉(zhuǎn)換的研究中t p a 和f c a 不能忽略。研究結(jié)果表明，r z 信號的脈寬可以通 過不同的方法實(shí)現(xiàn)脈寬可調(diào)；光學(xué)帶通濾波器的帶寬和失諧量，以及泵浦光的峰 值功率和脈寬都可以改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率和r z 信號的質(zhì)量。 關(guān)鍵詞光通信、格式轉(zhuǎn)換、交叉相位調(diào)制、四波混頻、硅光波導(dǎo)、硅基微環(huán) n 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d i f f e r e n tt y p e so fo p t i c a l n e t w o r k sa r ee m e r g i n g ，a n dd i f f e r e n tn e t w o r k s h a v ed i f f e r e n t o p t i m a lo p t i c a l m o d u l a t i o nf o r m a t s w h e nt h es i g n a lc o m m u n i c a t e sa c r o s st h en e t w o r k , i ti s n e c e s s a r y t oc o n v e r tt h eo p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a tb e t w e e nt h ee x c h a n g en o d e si nt h e n e t w o r k n o n - r e t u r n - t o z e r o ( n r z ) a n dr e t u r n - t o z e r o ( r z ) a r et h em o s tp o p u l a r o p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t si nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o ，t h eo p t i c a l m o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o nb e t w e e nn r za n dr zw i l lb e c o m ea ni m p o r t a n t t e c h n o l o g yf o rf u t u r eo p t i c a ln e t w o r k s n o w ，t h ea b o v em o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o ni sm a i n l yb a s e do nt h en o n l i n e a r e f f e c t s i nn o n l i n e a ro p t i c a lf i b e r sa n ds e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s ( s o a ) a t h o m ea n da b r o a d t h e s em o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r t e r sc a nd i r e c t l yr e a l i z et h ef o r m a t c o n v e r s i o ni nt h eo p t i c a ld o m a i n , w i t h o u tt h ec o n v e r s i o np r o c e s s i o no fo p t i c a l e l e c t r i c a l - o p t i c a l t h eo p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o nb a s e do nn o n l i n e a r f i b e r si sw i t hh i g hs p e e da n de f f i c i e n c y , b u tt h el o wn o n l i n e a rc o e f f i c i e n to ft h e n o n l i n e a rf i b e r sr e s u l t si nal o n gi n t e r a c t i o nl e n g t h t h en o n l i n e a rc o e f f i c i e n to fs o a i sh i g h ，b u ts o ai sak i n do fa c t i v ed e v i c et h a tr e q u i r e sc u r r e n ti n j e c t i o ne l e c t r o n i c s a n dah e a t - s i n kp l a t f o r m s ow eu s es i l i c o np h o t o n i cw a v e g u i d ed e v i c e s ，s u c ha s s i l i c o no p t i c a lw a v e g u i d e sa n ds i l i c o nm i c r o - r i n gd e v i c e s ，t oa c h i e v et h eo p t i c a l m o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o n , i no r d e rt oa c h i e v et h ea l l o p t i c a ln e t w o r ka n d s i l i c o np h o t o n i cw a v e g u i d ed e v i c e sh a v es i g n i f i c a n tn o n l i n e a re f f e c t s ，a n d s a t i s f yt h es c h r o d i n g e re q u a t i o n s m o d e lt h es i l i c o np h o t o n i cw a v e g u i d ed e v i c e s u s i n gt h em a t l a bs o f t w a r e ，a n db u i l dt h eo p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o ns y s t e m b a s e do nt h ed e v i c e sb yo p t s i mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e ms o f t w a r e w h e nt h e p u m pa n dt h ep r o b ea r ec o u p l e di n t ot h es i l i c o np h o t o n i cw a v e g u i d ed e v i c e s ，t h et w o s i g n a l s w i l l p r o d u c e t h en o n l i n e a re f f e c t so fs e l f - p h a s e m o d u l a t i o n ( s p m ) ， c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) a n df o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) ，a n dc a u s et h ec h a n g e s h i 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文a b s t r a c t o ft h e i n p u ts i g n a l ss p e c t r a b ys e t t i n gt h ec e n t e rf r e q u e n c ya n db a n d w i d t ho ft h e o p t i c a lb a n d p a s sf i l t e r ( o b p f ) r e a s o n a b l y ， w e c a na c h i e v et h e o p t i c a l m o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o nf r o mn r zt or z i na d d i t i o n ，t w o - p h o t o na b s o r p t i o n ( t p a ) a n df r e ec a r r i e ra b s o r p t i o n ( f c a ) i nt h es i l i c o nw a v e g u i d ew i l ln o to n l yr e d u c e t h eo p t i c a lp o w e r , b u ta l s oc a u s et h es p e c t r a ld i s t o r t i o n ，s ot p aa n df c a c a nn o tb e i g n o r e di nt h eo p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c h a n g e a b l eb a n d w i d t ho ft h eo b p fl e a d st ot u n a b l e p u l s e w i d t hr zs i g n a l t h e c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ( c e ) a n dt h ep a t t e r ne f f e c to ft h er zs i g n a la r ea t t r i b u t e dt ot h e p a r a m e t e r so ft h ep u m pp u l s ea n dt h eo b p e k e y w o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，f o r m a tc o n v e r s i o n ，c r o s s p h a s em o d u l a t i o n , f o u r - w a v em i x i n g ，s i l i c o nw a v e g u i d e ，s i l i c o nm i c r o - r i n g i v 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 致謝 致謝 光陰似箭，馬上就要離開玉泉校區(qū)了回想起這兩年半的碩士學(xué)習(xí)和生活， 有歡樂和痛苦，有成功也有失敗，但是點(diǎn)點(diǎn)滴滴都讓我受益匪淺 在論文完成之際，我要對我的導(dǎo)師宋牟平副教授致以最真摯的感謝。在攻讀 碩士學(xué)位期間，宋老師在生活、科研、學(xué)習(xí)上都給予了我很大的幫助和受益匪淺 的指導(dǎo)從我剛開始對科研的一無所知，到明確研究方向、獨(dú)自承擔(dān)項(xiàng)目、順路 的發(fā)表小論文到現(xiàn)在完成畢設(shè)，我的每一點(diǎn)進(jìn)步都和宋老師的幫助有莫大的關(guān) 系。此外，宋老師儒雅謙和、平易近人的學(xué)者風(fēng)范，求是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)，深刻 敏銳的學(xué)術(shù)見解，精益求精的科研態(tài)度都給我留下了極其深刻的印象，是我以后 學(xué)習(xí)和工作的榜樣。 同時，我要感謝很多同學(xué)的關(guān)心和幫助。感謝男友楊楠陪我共同走過這兩年 半的美好時光，在我不開心和失敗時給我極大的鼓勵，對我的科研也給予支持和 配合感謝鄒良港師兄、鄧圓博士，王皖君博士、邱晨博士對我的幫助和指導(dǎo)， 感謝勵志成、謝杭同學(xué)，和他們的交流拓寬了我的思路，為課題的推進(jìn)起到了很 大的幫助和實(shí)驗(yàn)室的朋友們一起學(xué)習(xí)和科研的日子，是我美好的回憶 最后感謝我的家人，二十多年來，他們給了我無私的愛和無限的關(guān)懷，他們 的支持是我學(xué)習(xí)工作的動力來源。 張博琳 2 0 1 2 年1 月4 日 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 1 緒論 隨著人們對信息量與日俱增的迫切需求，高速且超大容量傳輸系統(tǒng)已成為下一代金 光網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向之一為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，波分復(fù)用技術(shù)( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 和光時分復(fù)用技術(shù)( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， o t d m ) 技術(shù)隨之出現(xiàn)并發(fā)揮著重要作用 i - 3 w d m 本質(zhì)是光域的頻分復(fù)用技術(shù)，它根 據(jù)一定的頻率( 或波長) 間隔將光纖的低損耗窗口劃分為若干個信道，每個波長信道占 用一段光纖的帶寬，且多個信道同時在同一段光纖中進(jìn)行傳輸。o t d m 技術(shù)是一種先 把多個電時分復(fù)用信號( e t d m ) 調(diào)制成為具有同一光頻的不同光信道，經(jīng)復(fù)用后這些光 信道能在同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)臄U(kuò)容技術(shù)。在o t d m 系統(tǒng)中，所有光信道中傳輸?shù)?光波的中心波長相同，而不同的光信道占用不同的時隙，這些不同光信道中傳輸?shù)牡退?率數(shù)據(jù)流可以通過時分復(fù)用技術(shù)( t d m ) 而得到高速率的數(shù)據(jù)流【4 1 。 w d m 和o t d m 為高速超大容量全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有效的方法，且具有 構(gòu)建技術(shù)簡單、光纖帶寬資源利用率高、性能價格比合理、系統(tǒng)傳輸容量大等優(yōu)勢。未 來的全光網(wǎng)絡(luò)將會是w d m 和o t d m 的混合系統(tǒng)，兩者的組合因互取技術(shù)優(yōu)勢而將更 有效地提高光通信的容量和速率【5 1 1 1 全光網(wǎng)路光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換 在構(gòu)建高速超大容量的w d m 和o t d m 全光網(wǎng)絡(luò)的過程中，所采用的全光信號處 理技術(shù)起到了關(guān)鍵作用6 1 全光信號處理完全是在光域內(nèi)對光信號進(jìn)行處理的，這樣可 以避免傳統(tǒng)電信號處理和“光信號電信號光信號”處理過程中由電子瓶頸而帶來的限 制 1 1 1 全光網(wǎng)絡(luò)中常用光調(diào)制格式 在光通信系統(tǒng)中，光載波可以表示為e ( t ) = 毒ac o s ( t o t + ) 其中占為信號的偏振態(tài)， 月為振幅，c o 是頻率，妒是相位。由上述公式知道，光載波可提供的調(diào)制參量包括偏振 態(tài)、幅度、頻率以及相位，對應(yīng)這四種調(diào)制參量可以有四種把信患加載到光波上的方法 但是，由于普通光纖不能保持光信號的原偏振態(tài)，因而一般在實(shí)際光傳輸系統(tǒng)中較少使 用偏振態(tài)調(diào)制技術(shù)；幅度調(diào)制技術(shù)相對較簡單，相位調(diào)制技術(shù)的傳輸性能優(yōu)良，所以這 l 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 兩種技術(shù)在全光網(wǎng)絡(luò)中得到了很好的應(yīng)用；光傳輸系統(tǒng)中的色散對頻率調(diào)制技術(shù)的影響 較大，在濾波時也很容易影響信號的質(zhì)量，所以相對全光網(wǎng)絡(luò)來說，頻率調(diào)制技術(shù)主要 被應(yīng)用在無源光網(wǎng)絡(luò)( p o n ) 中 在全光網(wǎng)絡(luò)中，常用的光調(diào)制格式主要分為兩大類：幅度調(diào)制格式和相位調(diào)制格式 ( 以及這兩種調(diào)制格式的混合實(shí)現(xiàn)) ，如圖1 1 所示由于不同的光調(diào)制格式有不同的 波形和頻譜特性，它們的傳輸性能和接收性能也有差異非歸零碼( n r z ) 的產(chǎn)生裝置簡 單，成本較低；歸零碼( r z ) 具有較高的光信噪比( s n r ) 和較好的非線性容限；載波抑制 歸零碼( c s i 邏) 的色散容限較高；差分相移鍵控碼( d p s k ) 有很好的抗非線性能力，所采 用的平衡接收器有高出3d b 的接收靈敏度；雙二進(jìn)制碼( o d b ) 具有最窄的光譜寬度和最 好的色散容限等。 i 幅度調(diào)制，i 相位調(diào)制 、 ：二進(jìn)制?：多級，偽多級，：進(jìn)制j，：多級j o o k 、 m - a s kc s - r z7 j ：無兩啾：啁嗽：， a m l 非巋零一”歸零，j ! 非歸零? 巋霉、 、 n r z d p s k r z - d p s kn r z d q p s kr z - d q l p s k ，7 7 n r z - d g p s kr z - d s p s k 非歸零，( 歸零j 7 非歸零 r ：歸零，j n r zr zc n 也c r z 。 圖1 1 光調(diào)制格式分類 1 1 2 光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究背景 正如上面所探討的那樣，不同的光調(diào)制格式有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。一般來說，用于短 途距離傳輸?shù)墓庹{(diào)制格式希望其所在的光傳輸系統(tǒng)的接收端和發(fā)射端的成本較低；而長 途距離傳輸?shù)墓庹{(diào)制格式對抗非線性能力、抗色散能力和帶寬利用率的要求較高；對于 用于接入網(wǎng)，特別是用于無源光網(wǎng)絡(luò)中的光調(diào)制格式，則希望其在實(shí)現(xiàn)再調(diào)制的同時能 方便接收基于這樣的需求，我們把光調(diào)制格式分為以下三類：1 、城域網(wǎng)中所使用的 光調(diào)制格式，包括n r z 和d u o - b i n a r y ；2 、廣域網(wǎng)中長途距離傳輸使用的光調(diào)制格式， 包括r z ，c s r z ，d p s k ，r z d p s k ，q p s k ；3 、接入網(wǎng)中所使用的光調(diào)制格式，包括 f s k 和d p s k 。 針對不同類型的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求，需要應(yīng)用不同的調(diào)制方法和調(diào)試格式以達(dá)到 最優(yōu)的效果。因此，在不同的網(wǎng)絡(luò)接口處，需要有相應(yīng)的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換裝置，使得在 保持信息內(nèi)容不變的情況下，不同的光網(wǎng)絡(luò)能傳輸最適合自已的光調(diào)制格式，并且能實(shí) 現(xiàn)無縫連接。隨著光網(wǎng)絡(luò)通信速率和容量等需求的增長，以及新型調(diào)制格式的不斷出現(xiàn)， 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 近年來金光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換越來越受到重視 1 1 3 光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究現(xiàn)狀 在國際上，丹麥技術(shù)大學(xué)( d t u ) 、法國三五實(shí)驗(yàn)室、美國普林斯頓( p r i n c e t o n ) 大學(xué)、 朗訊( l u c e n t ) 公司、貝爾( b e l l ) 實(shí)驗(yàn)室、日本n t t 公司、荷蘭埃因霍溫技術(shù)大學(xué)、德國s h f 公司、意大利比薩大學(xué)、日立公司、韓國光州大學(xué)等眾多研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)已經(jīng)開展了多 年的研究工作，并取得了顯著的研究成果。在國內(nèi)，浙江大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大 學(xué)、華中科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、香港理工大學(xué)、香港中文大學(xué)等也對其進(jìn)行了深入 研究，在某些方面也取得了突出成果。 實(shí)現(xiàn)金光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換的方法種類繁多，但是本質(zhì)上都是利用有源或無源光學(xué)非線 性器件來實(shí)現(xiàn)如半導(dǎo)體放大器( s o a ) 及其干涉裝置( s o a m z i 、s o a l o m 等) 【7 。0 1 、色 散位移光纖( d s f ) 【1 1 1 、光子晶體光纖( p c f ) 【1 2 1 3 】等半導(dǎo)體光放大器的非線性性能高，但 是作為有源器件它對輸入光功率限制比較大?；诜蔷€性光纖構(gòu)成的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換速 度快、效率高，但是光纖的非線性系數(shù)較低，需要較長的光纖才能實(shí)現(xiàn)光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換 所需要的非線性性能；因此本課題采用硅光子波導(dǎo)器件( 如硅光波導(dǎo)、硅基微環(huán)器件等) 來實(shí)現(xiàn)光通信中調(diào)制格式的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)化和集成化 1 2 硅光子波導(dǎo)器件 硅光子學(xué)將光子學(xué)和硅材料或者硅基材料結(jié)合在一起，形成了一個獨(dú)特的學(xué)科研究 方向，其研究內(nèi)容是在硅材料或者硅基材料上實(shí)現(xiàn)多種硅光子波導(dǎo)器件的制作與集成 【1 4 】。隨著硅集成電路制造工藝的不斷提高和用戶對通信帶寬的不斷需求，基于成熟硅 集成電路制造工藝的硅光子波導(dǎo)器件正逐步成為硅光子學(xué)的研究熱點(diǎn)【1 5 】 1 2 i 硅光波導(dǎo)特性 絕緣體上硅材料( s o l ，s i l i c o n - o n i n s u l a t o r ) 和硅集成電路制造工藝的迅速發(fā)展使得 高集成化硅光波導(dǎo)的研制成為可能如圖1 2 所示，s o l 是具有“頂層硅材料絕緣氧化 硅埋層硅材料襯底”三層結(jié)構(gòu)的材料這種材料不僅與c m o s 數(shù)字集成電路兼容，便 于硅光子器件的集成，而且s o l 頂層硅材料的薄膜厚度不受限制，可以制成截面尺寸較 大的s o i 硅光波導(dǎo)，便于降低硅光波導(dǎo)與光纖的耦合損耗另外，s o l 材料可以完全隔 離硅光波導(dǎo)的薄膜材料和襯底材料，減輕襯底對硅光波導(dǎo)的影響，降低硅光波導(dǎo)對材料 ， 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 的寄生效應(yīng)，從而使硅光波導(dǎo)的工作性能得到很大提高【1 6 1 圖1 2s o l 材料 由s o l 材料研制的硅光波導(dǎo)在非線性應(yīng)用方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。在基于s o l 材 料的硅光波導(dǎo)中，由于硅材料和空氣之間的折射率差很大，且硅光波導(dǎo)的尺寸很小( 一 般在亞波長量級) ，因此硅光波導(dǎo)對輸入光束具有很強(qiáng)的約束能力，即使是較弱的激光 束也能夠獲得很高的光功率密度。目前硅光波導(dǎo)中的光功率密度是普通光纖的1 0 0 0 倍以 上，這種現(xiàn)象使得基于硅光波導(dǎo)非線性效應(yīng)的研究和應(yīng)用成為可能，如分別基于硅光波 導(dǎo)的自相位調(diào)制( s p m ) ，交叉相位調(diào)銅j ( x p m ) 、和四波混頻( f w m ) 效應(yīng)能實(shí)現(xiàn)不同的光 信號處理。 1 2 2 硅基微環(huán)諧振器特性 1 9 6 9 年，m a r e a t i l i 等人在研究彎曲波導(dǎo)時，提出了環(huán)形諧振腔可以作為頻帶分割濾 波器( c h a n n e ld r o p p i n g f i l t e r ) 被應(yīng)用在光信號處理中的方法，自此集成環(huán)形諧振腔的概 念被提出【1 7 1 1 9 7 1 年，w e b e r 首次在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了環(huán)形諧振腔的存在【1 8 】他們在底面直 徑為l o 毫米的玻璃柱表面上覆蓋著一層有源材料，該有源材料被用作硅光波導(dǎo)的芯層； 然后他們利用棱鏡耦合的方法將輸入光耦合進(jìn)環(huán)形諧振腔，并得到從環(huán)形諧振腔中耦合 出來的光，從而制造出了環(huán)形激光器2 0 世紀(jì)八十年代到九十年代，利用擴(kuò)散工藝且基 于l i n b 0 3 材料和玻璃基而制作的環(huán)形諧振腔得到了發(fā)展，但由于采用擴(kuò)散工藝而制作 出來的硅光波導(dǎo)的折射率差較小，因此所對應(yīng)的環(huán)形諧振腔的尺寸都較大1 9 9 8 年， l i t t l e 等人首次利用高折射率差的s i s i 0 2 制作出了品質(zhì)因子q 值約3 勺2 5 0 、半徑僅為3 微米 的微型環(huán)形諧振腔【1 9 1 從此，基于s o i 材料的環(huán)形諧振腔在微電子制作工藝的驅(qū)動下而 得到迅速發(fā)展 硅基微環(huán)諧振器的原理是利用波導(dǎo)來引導(dǎo)光場從而形成一個閉環(huán)，再通過一根或兩 根總線波導(dǎo)將環(huán)形諧振腔內(nèi)的模式耦合出來，如圖1 3 所示如果光場經(jīng)過環(huán)形波導(dǎo)后 4 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 形成正反饋，則光場將在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的激勵諧振模式。微環(huán)諧振器的諧振作用會 進(jìn)一步提高諧振器對位于諧振頻率處的光場的非線性作用，這為使用硅基微環(huán)器件以獲 得高非線性效應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)。由于s o l 材料的折射率對比度很高，它能夠更大程度 地將光限制在微環(huán)諧振器中進(jìn)行傳輸，同時它使得微環(huán)諧振器在半徑為l 1 0m m 處仍能 具有低的彎曲損耗，因此基于s o i 的微環(huán)諧振器具有體積小和q 值高等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的 光學(xué)諧振器不同，多個硅基微環(huán)可以組合在一起，從而得到一些有特殊功能的硅基微環(huán) 器件。比如，將多個微環(huán)并列耦合在一起，可以得到c r o w 結(jié)構(gòu)；將多個微環(huán)串聯(lián)組合 在一起則可以得n s c i s s o r 結(jié)構(gòu)，而它們都能完成硅基單環(huán)諧振器所不能完成的信號處 理工作【2 0 】。 h p u t 圖1 3 ( a ) 單總線耦合的微環(huán)諧振器；( b ) 雙總線耦合的微環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)圖r r ：微環(huán)諧振器( r i n g r e s o n a t o r ) ，b w g ：總線波導(dǎo)( b u sw a v e g u i d e ) 1 3 論文的主要內(nèi)容與章節(jié)安排 本論文主要對基于硅光波導(dǎo)非線性效應(yīng)的非歸零碼到歸零碼的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換進(jìn) 行理論研究和模擬仿真，所使用的非線性效應(yīng)有自相位調(diào)制( s p m ) ，交叉相位調(diào)制( x p m ) 和四波混頻( f w m ) 效應(yīng)。同時也對硅光波導(dǎo)中存在的雙光子吸收( t p a ) 和自由載流子效 應(yīng)( f c ) 進(jìn)行研究，探討這些效應(yīng)對光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換的影響程度。由于硅基微環(huán)諧振器的 諧振腔特性能進(jìn)一步提高它的非線性性能，本文也對硅基微環(huán)諧振器進(jìn)行了探討，并利 用硅基微環(huán)諧振器的交叉相位調(diào)制進(jìn)行非歸零碼到歸零碼的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換，這將進(jìn)一 步提高光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器的集成化和芯片化。論文的主要結(jié)構(gòu)如下： 第一章簡要介紹全光網(wǎng)絡(luò)中常用光調(diào)制格式，光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究意義和現(xiàn) 狀，硅光波導(dǎo)和硅基微環(huán)器件的特性以及利用它們的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換的 優(yōu)勢。 s 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 第二章先詳細(xì)介紹自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、雙光子吸收和自由載流 子效應(yīng)的理論；然后對硅光波導(dǎo)進(jìn)行建模，通過模擬仿真實(shí)現(xiàn)基于交叉相位調(diào)制的非歸 零到歸零碼的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 第三章對硅光波導(dǎo)進(jìn)行建模，通過模擬仿真實(shí)現(xiàn)基于四波混頻和交叉相位調(diào)制的單 通道非歸零碼到四通道歸零碼的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 第四章分別詳細(xì)介紹硅基微環(huán)諧振器的線性特性和非線性特性，對硅基微環(huán)進(jìn)行建 模，實(shí)現(xiàn)基于硅基微環(huán)交叉相位調(diào)制的非歸零碼到歸零碼光調(diào)制格式的轉(zhuǎn)換。 在課題研究中，本人所做的工作主要分為以下幾個部分： 第一，查找和閱讀國內(nèi)外與該研究課題有關(guān)的文獻(xiàn)，對現(xiàn)有的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換技術(shù) 有一個比較全面的了解。對硅光波導(dǎo)和硅基微環(huán)諧振器中的自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、 四波混頻、雙光子吸收和自由載流子效應(yīng)等機(jī)理做了深入的分析與響應(yīng)的數(shù)值推導(dǎo)，并 利用m a t l a b 軟件對硅光波導(dǎo)和硅基徽環(huán)進(jìn)行建模。 第二，采用光通信專業(yè)仿真軟件o p t s i m 搭建光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過模擬仿真 實(shí)現(xiàn)基于硅光波導(dǎo)各種非線性效應(yīng)以及硅基微環(huán)交叉相位調(diào)制的非歸零碼到歸零碼的 格式轉(zhuǎn)換，并得到相應(yīng)的結(jié)果 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于硅光波導(dǎo)x p m 的n r z 到r z 光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換 2 基于硅光波導(dǎo)x p m 的n r z 到r z 的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換 非歸零碼( n r z ) 和歸零碼( i 屹) 是光通信系統(tǒng)中兩種最常見的光調(diào)制格式因 此n r z 和r z 之間的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換將成為未來光網(wǎng)絡(luò)的一個重要技術(shù)。 2 1 理論分析 非線性光學(xué)器件中的非線性效應(yīng)包括兩種：第一種是散射效應(yīng)，即受激布里 淵區(qū)散射( s b s ) 和受激拉曼散射( s r s ) 等；第二種與折射率密切相關(guān)的克爾效應(yīng)， 包括自相位調(diào) j ( s p m ) ，交叉相位調(diào)制( x p m ) 和四波混頻效應(yīng)( f w m ) 其中前二 者會引起光譜的展寬，f w m 效應(yīng)會在兩個邊帶處分別產(chǎn)生新的頻率的光，而本 文就是基于這種克爾效應(yīng)進(jìn)行研究的。此外非線性光學(xué)器件中還會產(chǎn)生雙光子吸 收( t w op h o t o na b s o r p t i o n ，t p a ) ，進(jìn)而又會引起自由載流子效應(yīng)( f r e ec a r r i e r e 疏c t s ，f c 效應(yīng)) ，包括自由載流子色散( f r e ec a t t i e rd i s p e r s i o n ，f c d ) 和自由載流子 吸收( f r e ec a r r i e ra b s o r p t i o n ，f c a ) 在輸入光功率比較小的情況下，我們可以忽 略雙光子吸收效應(yīng)和自由載流子效應(yīng)的作用。但是當(dāng)輸入光功率較大時，雙光子 吸收和自由載流子效應(yīng)會影響輸出光的效果，此時我們不能忽略這兩種效果 2 1 1 硅光波導(dǎo)中的非線性效應(yīng) 對于硅光波導(dǎo)中非線性效應(yīng)的強(qiáng)弱，我們通常使用非線性相移( 妣) 來表示： 妣= y ( 2 1 ) 該式對應(yīng)自相位調(diào)制引起的非線性相移，而交叉相位調(diào)制引起的非線性相移是自 相位調(diào)制效應(yīng)的兩倍式中y 是非線性系數(shù)，p 是峰值功率，k 是有效長度， 且滿足式子匕= 1 - e x p ( - a l ) a 。在有效長度的式子里，口是硅光波導(dǎo)中的線 性損耗系數(shù)，三為硅光波導(dǎo)的實(shí)際長度。在理想情況下，硅光波導(dǎo)中無線性損耗， 則o = ，但是實(shí)際中的有效長度鋤要比要小 光信號在硅光波導(dǎo)中傳輸時，受到線性損耗、色散、自相位調(diào)制、交叉相位 調(diào)制和四波混頻等影響，此時其傳輸信號滿足如下的非線性薛定諤方程【2 1 】： 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于硅光波導(dǎo)x p m 的n r z 到r z 光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換 警= 一詈4 一主盧：等州w + 2 h 1 2 + 2a f + 2 a , o m + ( 譏群4 + 2 i y ，4 厶，4 ) ( 2 2 ) 誓一_ a 2a ，一礦i 可0 2 a p 叫劉鄺i = + za , i = + 2 1 4 1 = + 2a = ，1 2 ) 4 + ( f 彳乞，+ 2 i y p 4 4 群) ( 2 3 ) 警一a 2a 。一j ip ：可a 2 a 。嘶刪2 + 2 w + 2 卅+ 2 ) 4 + ( 帆群4 + 2 i y 。4 4 疋，) ( 2 4 ) 警= 一詈厶一言反等+ f ( i 厶i = + 2 1 a , i = + 2a , i = + 2a 。2 ) + ( f y 刪彳4 + 2 f 4 4 4 ) ( 2 5 ) 式( 2 2 ) - - - ( 2 5 ) ，4 。塒分別表示輸入探測光、輸入泵浦光、反斯托克斯光( 由 四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的高頻邊帶) 、斯托克斯光( 由四波混頻過程產(chǎn)生的低頻邊帶) ， 包含幅度和相位信息口表示硅光波導(dǎo)中的線性損耗系數(shù)，廈表示硅光波導(dǎo)的 二階色散系數(shù)。九 。劇分別表示輸入探測光、輸入泵浦光、反斯托克斯光和斯托 克斯光的非線性系數(shù)，且y = ( 力：) ( d 紡) 其中傷為非線性折射率系數(shù)，c o 為 不同的光對應(yīng)的角頻率，c 為光速，如為波導(dǎo)有效面積 式( 2 2 ) 右邊第一項(xiàng)一曇4 表示探測光在硅光波導(dǎo)中傳輸時所受到的線性損 耗；第二項(xiàng)一j i 蘆：爭表示硅光波導(dǎo)對探測光產(chǎn)生的二階色散效應(yīng)；第三項(xiàng)中的 i r , l a , 1 24 表示探測光對其本身產(chǎn)生的自相位調(diào)制效應(yīng)，f 九( 2 1 4 1 2 + 2 1 4 1 2 + 2 i 厶1 2 ) 4 表示探測光對泵浦光、反斯托克斯光和斯托克斯光產(chǎn)生的總的交叉相位調(diào)制效 應(yīng)；第四項(xiàng)( 譏彳；群+ 2 譏4 厶，4 ) 表示探測光、泵浦光，斯托克斯光和反斯托克 斯光發(fā)生四波混頻效應(yīng)后的結(jié)果 在一般情況下，式( 2 2 ) ( 2 5 ) 所表示的非線性薛定諤方程不適合解析求解【2 2 】， 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于硅光波導(dǎo)x p m 的n r z 到r z 光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換 為了表達(dá)硅光波導(dǎo)的非線性效應(yīng)，我們通常需要對上述非線性薛定諤方程做數(shù)值 處理。目前這些數(shù)值方法可以分為兩類，有限差分法和偽頻譜法。同時分布傅立 葉方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到解非線性色散介質(zhì)的脈沖傳輸問題中 2 3 1 ，相對于大多 數(shù)有限差分法來說，該方法有較快的處理速度，下面對分布傅立葉方法的原理進(jìn) 行介紹和修正 為了了解分布傅立葉方法的基本原理，把上述非線性薛定諤方程改寫為如下 形式【2 4 1 ： 娑：( d + 力) 彳 ( 2 6 ) 其中西是差分算符，它表示硅光波導(dǎo)的線性損耗和色散；力是非線性算符，它決 定了硅光波導(dǎo)對其中傳輸?shù)墓饷}沖的非線性效應(yīng)，包括自相位調(diào)制、交叉相位調(diào) 制和四波混頻效應(yīng) 分步傅立葉方法假定沿硅光波導(dǎo)傳輸方向上的傳輸過程中，光場每通過一小 段距離h ，色散和非線性效應(yīng)是分別作用的，從而得到相應(yīng)的結(jié)果更準(zhǔn)確地說， 從坐標(biāo)z 到坐標(biāo)為z + h 的傳輸過程中分三步進(jìn)行，且把這距離為h 的小段平分為 兩個小半段圖2 1 表示的是用于數(shù)值計算的對稱分布傅立葉方法，如此可以比 較方便的得出方程( 2 6 ) 的數(shù)值解。 第一步，在第一個距離為h 2 的小半段內(nèi)，光場只受到色散和線性損耗的作 用，此時方程( 2 6 ) 中的力為0 ，則有 彳( z + 蘭，r ) e x p ( 寶d ) 彳( z ，r ) ( 2 7 ) 第二步，在坐標(biāo)為z + 姿的位置處，光場只受到非線性作用，此時方程中的6 為0 ，則 彳c z + 蘭，r ，e x p c 對，彳c z + 嘗，r ，= e x p c ，y l 彳c z + 蘭，r ，1 2 ，彳c z + 考，f ， c 2 8 ， 第三步，在第二個距離為h 2 的小半段內(nèi)，光場又只受到色散和線性損耗的 作用，此時府為0 ，則有 酢帆凇e x p ( 抄縱z + 和 ( 2 9 ) 9 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于硅光波導(dǎo)x p m 的n r z 到r z 光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換 只考慮色散和損耗只考慮非線性效應(yīng) a(， t ) l ，) i i z 圖2 1 用于數(shù)值計算的對稱分步傅立葉方法示意圖 求解方程( 2 6 ) 數(shù)值解的一個難點(diǎn)是對式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 中包含的差分算符d 的 處理，該算符包含了光場對時域t 的二階導(dǎo)數(shù)，用f 非替微分算符a a ，則對d 的處理則轉(zhuǎn)化到傅立葉域內(nèi)進(jìn)行 4 ( z + 百h ，f ) = e x p ( hd ) a ( z , t ) = 耳1 e x p - h 2d ( i e o ) 日彳( z ，f ) ) ( 2 10 ) 式中，斤1 表示反傅立葉運(yùn)算，為傅立葉中的頻率，乃表示傅立葉運(yùn)算。 因此，一旦確定了輸入光信號的初始幅度值a ( 0 ，f ) ，就可以通過以上公式得到傳 輸一定距離后的信號。值得一提的是，雖然此方法相對簡捷，但是需要小心選擇 步長以保證精度要求。為了提高計算精度，有時需要減小步長，不過這樣會消耗 很大的計算機(jī)內(nèi)存和計算時間。 2 1 2 雙光子吸收和自由載流子效應(yīng) 雙光子吸收是最常用的多光子吸收過程，指在強(qiáng)光激發(fā)下，介質(zhì)分子同時吸 收兩個光子后從基態(tài)躍遷到高能級激發(fā)態(tài)的過程，當(dāng)然在吸收光子的同時，介質(zhì) 會消耗在其中傳輸?shù)墓庑盘柟β试谳斎氲墓夤β时容^小時，可以忽略由t p a 引起的光功率損耗；當(dāng)輸入光功率較大時，就必須考慮由t p a 引起的功率損耗， 而且這種損耗與入射光功率的平方成正比，所以隨著輸入光功率的逐漸增大，這 種功率損耗也將越來越大在雙光子吸收發(fā)生的同時，介質(zhì)形成了電子空穴對， 從而生成了自由載流子( f r e ec a r r i e r ) ，自由載流子吸收使光信號得到進(jìn)一步的衰 減，自由載流子色散還會對光信號的光譜產(chǎn)生影響。因此我們在研究硅光波導(dǎo)時， 要考慮硅光波導(dǎo)中的雙光子吸收和自由載流子效應(yīng) 1 0 趼江大學(xué)壩士學(xué)位論文 基于硅光波導(dǎo)x p m 的n r z 到r z 光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換 光信號在硅光波導(dǎo)中傳輸時，考慮到線性損耗，二階色散，自相位調(diào)制，雙 光子吸收和自由載流子效應(yīng)，對應(yīng)的傳輸方程用如下表示： 罷= 一詈彳一i i 殷礦a 2 a 蚓, 彳瀘，彳 ( 2 11 ) 式中a 表示輸入的信號光，a 是硅光波導(dǎo)中的線性損耗系數(shù)，屈是硅光波 導(dǎo)的二階色散系數(shù)；饑i 彳1 2 彳項(xiàng)包括了自相位調(diào)制和雙光子吸收效應(yīng)，其中的匕 是電子非線性系數(shù)；徊，彳項(xiàng)體現(xiàn)了自由載流子效應(yīng)，且以和盧，分別用以下式子 表示： 驢y + 三冬 泣 艫薏 ( 2 1 3 ) 伽 盧，= 魯蘆n f + c2 口，】 ( 2 “) 玎， 。 在( 2 1 2 ) 式中，屏是雙光子吸收系數(shù)，如是硅光波導(dǎo)的有效模場面積。在 ( 2 1 3 ) 式中，他是非線性折射率系數(shù)，是輸入信號光對應(yīng)的角頻率，c 光速； 武( 2 1 4 ) 中，刀o = 3 4 8 是材料折射率，? l i = 2 7 6 表示硅光波導(dǎo)的有效折射率，以，和 吩分別表示自由載流子色散系數(shù)和自由載流子吸收系數(shù)，它們都和硅光波導(dǎo)中 電子空穴對的濃度有關(guān) = 一8 8 1 0 - n , - 8 5 x l o 砌孵+ 8( 2 1 5 ) 吩= 8 5 x 1 0 。1 8 m + 6 0 x 1 0 m( 2 1 6 ) m 、m 分別表示硅光波導(dǎo)中電子和空穴的濃度，它們的單位是c m 3 ；口，的 單位是c m ，刀無量綱。假如硅光波導(dǎo)中的電子和空穴都是由雙光子吸收效應(yīng) 引起的，那么電子和空穴的濃度相等，即札= = n ，其中是自由載流子濃 度。此時( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 可以簡化為 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于硅光波導(dǎo)x p m 的n r z 到r z 光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換 其中o f c _ 的單位是c m 2 。 2 1 3 載流子濃度 - - 8 8 x 1 0 啦n - 8 5 x 1 0 1 8 n o - 8 a ，= 仃，c _ = 1 4 5 x 1 0 1 7 n ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 要對傳輸方程( 2 1 1 ) 進(jìn)行數(shù)值計算，我們還需要知道硅光波導(dǎo)中的載流子濃 度硅光波導(dǎo)中的自由電子和空穴在生成之后，它們可能會發(fā)生如下三種運(yùn)動： ( 1 ) 擴(kuò)散運(yùn)動，即自由電子和空穴隨著分子熱運(yùn)動從濃度高的地方向濃度低的地 方擴(kuò)散；( 2 ) 漂移運(yùn)動，即自由電子向硅光波導(dǎo)中電勢高的地方漂移，空穴向電 勢低的地方漂移；( 3 ) 自由電子和空穴對的重新結(jié)合。從整體來看，擴(kuò)散運(yùn)動、 漂移運(yùn)動和自由電子空穴對的重新結(jié)合會使載流子濃度減小，雙光子吸收的存 在會使載流子濃度增大，因此在整個過程中，硅光波導(dǎo)中載流子濃度是一個 動態(tài)變化量2 5 1 t p a 的強(qiáng)度與入射光功率的平方成正比，因此載流子濃度也 與硅光波導(dǎo)中的光功率有關(guān)，且由下述方程描述 墜器一inot ( 2 1 9 ) 一= ：一一一 z 1 7 - 2 殼彳二f 、 式中，第一項(xiàng)表示自由載流子快速產(chǎn)生的過程；第二項(xiàng)表示自由載流子緩 慢消亡的過程其中屏是雙光子吸收系數(shù)，i 彳1 4 為光強(qiáng)的平方，l 為普朗克常數(shù)； f 。是自由載流子壽命，大約在亞納秒量級，它表示自由電子和空穴發(fā)生上述三種 運(yùn)動所需要的時間。 采用差分方法對方程( 2 1 9 ) 中的微分算符進(jìn)行近似處理，t = z ( c n ，) ，則 詈學(xué)= 爛一等 泣2 。， 刀， z 二月c u h 以二rl 如z 取半個步進(jìn)h 2 ，同時令 召= 器 眨2 ， 2 7 i 編彳三r 則可以推出 1 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于硅光波導(dǎo)x p m 的n r z 到r z 光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換 娟一是帥警 ( 2 2 2 ) 類似第2 i 1 節(jié)的推導(dǎo)過程，我們同樣可以采用分步傅立葉方法對方程( 2 1 1 ) 進(jìn)行數(shù)值計算：在第一個距離為h 2 的小半段內(nèi)，彳只受到線性損耗、色散和自 由載流子效應(yīng)的作用；在坐標(biāo)為z + h 2 的位置處，a 只受到非線性效應(yīng)和雙光子 吸收效應(yīng)的作用；在第二個距離為h 2 的小半段內(nèi)，彳又只受到線性損耗、色散 和自由載流子效應(yīng)的作用。 2 2 工作原理 圖2 2 ( a ) 是基于硅光波導(dǎo)交叉相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)1 0g b s 非歸零碼到歸零碼光調(diào) 制格式轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)框圖，圖2 3 是用o p t s i m 搭建的對應(yīng)的仿真結(jié)構(gòu)圖。在 n r z o o k 發(fā)射器中，中心波長為1 5 4 0h i 1 ( 砧的連續(xù)光輸入到馬赫曾德爾調(diào)制 器( m z m ) 中，同時該馬赫曾德爾調(diào)制器被1 0g b s 長度為2 8 一l 的偽隨機(jī)二進(jìn)制 序歹 j ( p r b s ) 驅(qū)動，此時產(chǎn)生1 0m w 的n r z 信號作為探測光，其對應(yīng)的光譜如圖 2 2 ( b ) 所示脈沖源產(chǎn)生1 0g h z 的周期脈沖序列作為泵浦光，對應(yīng)的中心波長是 1 5 5 3 5n l n ( ，平均功率值是5 0m w ，脈寬