李 雯， 王海龍*， 崔樂樂， 張 國， 龔 謙

(1. 山東省激光偏光與信息技術重點實驗室， 曲阜師范大學 物理系， 山東 曲阜 273165；2. 中國科學院上海微系統與信息技術研究所 信息功能材料國家重點實驗室， 上海 200050)

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量子點半導體光放大器波長轉換的Q因子特性

李 雯1， 王海龍1*， 崔樂樂1， 張 國1， 龔 謙2

(1. 山東省激光偏光與信息技術重點實驗室， 曲阜師范大學 物理系， 山東 曲阜 273165；2. 中國科學院上海微系統與信息技術研究所 信息功能材料國家重點實驗室， 上海 200050)

為了改善全光波長轉換器的轉換性能進而提高輸出信號質量，研究了波長轉換器的Q因子特性。采用牛頓迭代法和四階龍格庫塔法解光場傳輸方程和躍遷速率方程，分析了輸入信號光功率、脈沖寬度、最大模式增益和有源區(qū)長度4個因素對全光波長轉換器的Q因子特性的影響，并將得到的結果與相同條件下的輸出消光比比較。結果表明:增大輸入信號光功率，Q因子先增大后減小，并且在-12 dBm時取得最大值8.819 dB；Q因子隨著脈沖寬度的增加而不斷下降；增大最大模式增益和有源區(qū)長度，Q因子增大。在實現波長轉換的基礎上,優(yōu)化各參數數值，得到的Q因子達到16.680 dB,輸出信號質量較好。要同時獲得高的消光比和Q因子，提高輸出信號的質量，必須選取適當的輸入信號光功率、脈沖寬度、最大模式增益和有源區(qū)長度。

量子點半導體光放大器； 全光波長轉換； 交叉相位調制；Q因子

1 引 言

光纖通信是一種以光波作為信息載體的通信方式，具有成本低、傳輸頻帶寬、抗電磁干擾、傳輸質量高等優(yōu)點，在現代電信網絡中得到了廣泛應用[1]。自1982年以來，光纖通信迅速發(fā)展，光纖通信系統的傳輸容量和傳輸速度在短短幾十年間以指數的速度增長，使高速率、大容量的通信成為可能。然而迅速增長的各類業(yè)務對通信的帶寬和容量的要求越來越高，傳統的光-電-光的信號傳輸方式已經不能滿足系統的需要，基于波分復用技術，即直接在光域進行信息交換，可以避免電子瓶頸[2]。波分復用技術導致了全光網的產生，今后光纖通信發(fā)展的主要方向是主干網絡向高速率、超大容量、超長距離的光傳送網發(fā)展，最終實現全光網。

所謂全光網絡，是指光信息在網絡中的傳輸和交換始終以光的形式實現，而不需要經過光-電、電-光變換。中間沒有電信號的參與或者光-電-光的轉換，能夠極大地提高網絡速率。目前全光網的發(fā)展仍處在初期階段，但從其發(fā)展趨勢上看，建立全光網絡，消除電子瓶頸已經成為未來光通信發(fā)展的必然趨勢[3]。而全光信號處理是實現全光網絡的關鍵,主要是利用全光的方法對光信號進行處理。通過全光信號處理技術，可以提高網絡速率和帶寬利用率等。因此，全光信號處理技術是未來光通信網絡的基石，在光網絡中具有極其重要的作用[4]。在光通信中，全光信號處理的范圍比較大，涉及到全光放大、全光邏輯、波長變換等多個環(huán)節(jié)。

全光波長轉換器(All-optical wavelength converter,AOWC)在波分復用網絡及全光交換網絡中發(fā)揮了重要作用，自20世紀90年代以來一直受到國內外的廣泛關注[5]。目前在光纖通信網絡中所用的光電型的波長轉換器從功耗、體積和日益顯現的電子瓶頸等方面很難適應超高速、大容量的要求。而全光波長轉換器是在光的頻域內實現光的波長轉換，滿足了全光通信網絡的要求，具有更好的發(fā)展前景[6]。實現全光波長轉換的方式主要有基于交叉增益調制(Cross gain modulation,XGM)型、四波混頻(Four wave mixing, FWM)型和交叉相位調制(Cross phase modulation,XPM)型等，其中XPM-AOWC具有高消光比、高轉換效率、小啁啾和低功率運轉等優(yōu)點。

量子點半導體光放大器(Quantum-dot semiconductor optical amplifier,QD-SOA)相比于量子阱半導體光放大器(Quantum well semiconductor optical amplifier,QW-SOA)和體材料半導體光放大器(Bulk semiconductor optical amplifier，bulk-SOA)，具有較好的溫度不敏感性、較低的閾值電流和較高的信號處理速度和量子效率[7-8]。本文主要以Q因子作為衡量波長轉換性能的指標，分析了基于QD-SOA的XPM型全光波長轉換器，討論了輸入信號光功率、信號光脈沖寬度和最大模式增益等因素對Q因子的影響，并同時參考消光比(Extinction ratio,ER)的變化規(guī)律，從理論上設定了XPM-AOWC的最佳工作條件。

2 理論模型

2.1 速率方程

量子點半導體光放大器是一種非常重要的半導體光放大器，其工作原理和其他半導體光放大器一樣，只是有源區(qū)內的增益介質是用不同材料生長的具有不同形狀和尺寸的量子點(圖1)。量子點在生長過程中會形成浸潤層(Wetting layer)。QD-SOA的有源區(qū)可分為3個能級：浸潤層、激發(fā)態(tài)(Excited state)、基態(tài)(Ground state),采用的三能級速率方程分別描述了有源區(qū)內浸潤層的載流子濃度以及電子在激發(fā)態(tài)和基態(tài)的占有率[9-11]：

(1)

(2)

(3)

圖1 QD-SOA的結構圖

其中Nw為浸潤層中載流子的濃度，h為電子在激發(fā)態(tài)中的占有幾率，f為電子在基態(tài)的占有幾率，Lw為有源區(qū)的厚度，NQ為表面量子點的密度(一般取值為5×1010cm-2)，τw2是電子從浸潤層到激發(fā)態(tài)的躍遷時間，e為電子的電量，τ21是電子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷時間，J為注入電流密度，τwR是電子在浸潤層中的自發(fā)輻射時間，h1ωi是光子能量，ωi為光的頻率，τ2w是電子從激發(fā)態(tài)到浸潤層的躍遷時間，σ為有源區(qū)的橫截面積，τ12是電子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷時間，τ1R是電子在QD中的自發(fā)輻射時間。

采用下面的光場方程來描述光在QD-SOA中的傳輸過程[12]：

(4)

(5)

其中，E是輸入信號光的電場強度，E+、E-分別是沿z和-z方向傳播的電場，z為光場傳輸方向，Γ是光場限制因子，α是光在波導中傳輸的損耗系數，η是線寬增強因子，j=(-1)1/2。方程(4)和(5)的邊界條件為：

E+(0)=(1-r1)Ein+r1E-(0),

(6)

E-(L)=r2E+(L),

(7)

沿著光傳輸方向探測光相位的變化為：

(8)

沿QD-SOA有源區(qū)+L方向積分，由式(8)可得到相位隨時間的變化：

(9)

2.2 工作原理

交叉相位調制效應是通過載流子濃度的變化引起折射率的變化來實現的。當QD-SOA工作于XPM模式時，由于輸入信號光消耗載流子，導致有源區(qū)內的載流子濃度發(fā)生變化，從而可調制激活介質層中的折射率。折射率的變化會引起探測光相位的變化，通過馬赫曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)可以把相位的變化轉化為光強的變化，從而實現波長轉換[13-14]。

圖2 基于QD-SOA-XPM的波長轉換器原理圖

Fig.2 Schematic diagram of QD-SOA-XPM wavelength converter

如圖2所示，波長為λ2的探測光平均分成兩路分別耦合進干涉儀的兩臂，波長為λ1的信號光同時注入到干涉儀的上臂中。當注入上臂的連續(xù)探測光通過激活介質時，其相位被信號光調制，而另一條臂中由于沒有注入信號光使得探測光未被調制，則兩臂中探測光的相位變化是一個定值。這樣探測光在通過兩臂后產生相位差，經過干涉轉化為光強變化，從而實現波長轉換。輸出端的探測光功率[15]為：

cos(φ1-φ2)],

(10)

其中定義Pprobe是探測光功率,φ1(t)、φ2(t)是分別經過MZI兩臂的QD-SOA后探測光的相位，G1(t)、G2(t)是分別經過MZI兩臂的QD-SOA后探測光的增益。

3 數值模擬

把QD-SOA進行細化分段，并通過牛頓迭代法[16]和四階龍格-庫塔法[17]分別對QD-SOA的靜態(tài)模型和動態(tài)模型進行數值模擬。輸入的探測光和信號光的波長分別為1 550 nm 和1 500 nm，設定QD-SOA1的注入電流為40 mA，QD-SOA2的注入電流為35 mA，其他基本參數見表1[18]。得到同相波長轉換，即輸入信號光和輸出轉換光是同相的，如圖3所示。

為了更方便地衡量出轉換信號的質量，選取Q因子作為衡量波長轉換器性能的指標，Q因子[19]

表1 基本參數[18]

圖3 全光波長轉換前后的對比圖。(a) 轉換前;(b) 轉換后。

Fig.3 Comparison chart of all optical wavelength converter. (a) Before. (b)After.

定義為：

(11)

3.1Q因子和輸入信號光功率的關系

圖4顯示了Q因子隨信號光功率的變化規(guī)律。由圖可知，增大輸入信號光功率，波長轉換器的Q因子先增大后減小。當輸入信號光功率為-12 dBm時，Q因子達到最大值8.819 dB。當信號光為高電平“1”時，有源區(qū)內的載流子消耗數量也增大，探測光獲得增益飽和；而信號光為“0”時，有源區(qū)內載流子濃度基本不變，探測光獲得的增益增大。即增加信號光功率，探測光在信號光為高、低電平時獲得的增益差值變大，Q因子增大。但是隨著信號光功率大于-12 dBm，QD-SOA的增益飽和效應使得探測光的增益大大降低，增益差減小，Q因子在達到最大之后逐漸減小。

圖4 信號光功率與Q因子的關系,插圖為信號光功率在-15～-10 dBm之間的Q因子變化。

Fig.4 Relation betweenQfactor and the input signal power. Inset is the changing ofQfactor with the input signal power from -15 to-10 dBm.

圖5為信號光功率與消光比和Q因子的關系。在信號光功率小于-12 dBm時，兩條曲線的變化規(guī)律一致；但是當信號光功率大于-12 dBm時，兩曲線的趨勢完全相反。所以要獲得較高的消光比和Q因子，就要適當選取信號光功率。

Fig.5 Variation ofQfactor and extinction ratio with the input signal power

3.2Q因子和輸入信號光脈沖寬度的關系

圖6是Q因子隨脈沖寬度的變化規(guī)律。由圖可知，增大信號光脈沖寬度，Q因子是不斷下降的。輸入信號光的脈沖寬度增加，導致有源區(qū)內的載流子濃度的變化比較緩慢，并且相鄰兩個脈沖之間的影響作用增大，降低了輸出轉換光的質量，使得Q因子減小。

圖7同時給出了消光比和Q因子與信號光脈沖寬度的關系。兩曲線的趨勢是相反的，所以要獲得較高的Q因子和高的消光比，選取脈沖寬度時要適當，要同時考慮Q因子和消光比。

圖6 脈沖寬度與Q因子的關系

圖7 脈沖寬度與消光比和Q因子的關系

Fig.7 Variation ofQfactor and extinction ratio with the pulse width

3.3Q因子和最大模式增益的關系

圖8描述的是最大模式增益與Q因子和消光比的變化規(guī)律。增大最大模式增益，Q因子和消光比都逐漸減小。這是因為最大模式增益增大，光增益就會隨之增大，有源區(qū)內載流子與輸入信號光的受激輻射的速率增大。而不能及時補充被快速消耗的載流子，會導致消光比和Q因子減小。所以，減小最大模式增益，可以提高消光比和Q因子的值，改善波長轉換性能。

圖8 最大模式增益與消光比和Q因子的關系

Fig.8 Variation ofQfactor and extinction ratio with the maximum modal gain

3.4Q因子和有源區(qū)長度的關系

圖9是Q因子隨有源區(qū)長度的變化曲線。由圖可知，增大有源區(qū)長度，Q因子也會隨之增大。這是因為增大有源區(qū)長度，輸入信號光與載流子發(fā)生受激輻射的幾率也會變大，從而增大光增益，探測光獲得的增益差增大。當有源區(qū)長度L>0.9 mm時，Q>6 dB,可以獲得較好的波長轉換性能。

圖9 Q因子與有源區(qū)長度的關系

Fig.9 Relation betweenQfactor and the length of the active layer

圖10為有源區(qū)長度與消光比和Q因子的關系。兩曲線的趨勢是相反的，所以要獲得較高的Q因子和高的消光比，有源區(qū)長度的選取也必須適當。

圖10 有源區(qū)長度與消光比和Q因子的關系

Fig.10 Variation ofQfactor and extinction ratio with the length of the active layer

4 結 論

為了改善全光波長轉換器的轉換性能進而提高輸出信號質量，研究了波長轉換器的Q因子特性。對于輸入信號光功率，存在一個最大值-12 dBm，使得Q因子的值最大為8.819 dB。而較小的信號光脈沖寬度和最大模式增益、較大的有源區(qū)長度都能夠得到較高的Q值。在實現波長轉換的基礎上，優(yōu)化各參數數值，得到的Q因子達到16.680 dB,輸出信號質量較好。但是輸入信號光、脈沖寬度和有源區(qū)長度的選取必須適當，選取參數時要兼顧消光比和Q因子。

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QFactor Characteristics of Wavelength Conversion Based on Quantum Dot Semiconductor Optical Amplifiers

LI Wen1, WANG Hai-long1*, CUI Le-le1, ZHANG Guo1, GONG Qian2

(1.ShandongProvincialKeyLaboratoryPolarizationandInformationTechnology,DepartmentofPhysics,QufuNormalUniversity,Qufu273165,China;2.StateKeyLaboratoryofFunctionalMaterialsforInformatics,ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:hlwang@mail.qfnu.edu.cn

In order to optimize the conversion performance of all-optical wavelength converter and improve the quality of output signal,Qfactor of wavelength converter was studied. Newton iteration method and four order Runge Kutta method were used to solve the transition rate equation and light propagation equations. The effects of the input signal power, optical pulse width, maximum mode gain, and length of the active layer onQfactor of the all-optical wavelength converter were also studied, and they were compared with the output extinction ratio under the same conditions. With the increasing of the input signal power,Qfactor increases up to the maxima 8.819 dB which appears at -12 dBm of the input signal power, and then begin to decrease.Qfactor decreases with the increasing of the optical pulse width, and increases with the increasing of the maximum mode gain and the length of the active layer. On the basis of the realization of the wavelength conversion, by optimizing the best parameter value, the value ofQfactor reaching 16.680 dB is obtained, and the output signal quality is high. In order to obtain the high extinction ratio andQfactor at the same time to improve the quality of the output converted optical signal, the appropriate input signal must be selected for the optical power, pulse width, maximum mode gain, and length of the active layer.

quantum-dot semiconductor optical amplifier; all-optical wavelength converter; cross phase modulation;Qfactor

李雯(1990-)，女，山東菏澤人，碩士研究生，2013年于菏澤學院獲得學士學位，主要從事光通信與光組網的研究。

E-mail: liwen_219@163.com

王海龍(1971-),男，山東莘縣人，教授，博士生導師，2000年于中國科學院半導體研究所獲得博士學位，主要從事光通信、半導體光電子學等方面的研究。

E-mail: hlwang@mail.qfnu.edu.cn

2015-10-28；

2015-12-16

山東省自然科學基金 (ZR2014FM011); 信息功能材料國家重點實驗開放課題(SKL201307)資助項目

1000-7032(2016)03-0346-07

TN929.11

A

10.3788/fgxb20163703.0346