单向和双向控制脉冲TOAD 的开关窗口研究(可编辑)

单向和双向控制脉冲TOAD 的开关窗口研究(可编辑) 单向和双向控制脉冲TOAD 的开关窗口研究 第28 卷第2 期 光电技术应用 Vol.28 ，No.2 7>2013 年4 月 ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGY APPLICATION April ，2013 ??测试、试验与仿真?? 单向和双向控制脉冲TOAD 的开关窗口研究 1,2 1,2 石万军 ，李唐军 (1.北京交通大学全光网络与现代 通信网教育部重点实验室，北京 100044; 2.北京交通大学光波技术研究所，北京 100044) 摘 要:详细研究了单控制脉冲TOAD (terahertz optical asymmetric demultiplexer )结构开关窗口的非对称缺陷及其产生机 理。通过理论分析和optisystem 仿真证实了双控制脉冲TOAD 结构能够很好地解决单控制脉冲TOAD 结构的开关窗口缺陷。仿 真结果显示，双控制脉冲TOAD 获得了波形对称、对比度更高的开关窗，详细解释了仿真中出现的双峰现象。 关键词:太赫兹光学非对称解时分复用器TOAD ;控制脉冲;半导体放大器 + 中图分类号:O432.1 2 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2013 )-02-0071-05 ResearchonSwitchWindowofTOADwithUnidirectional andBidirectionalControlPulse SHI Wan-Jun1,2 , LI Tang-Jun1,2 1. Key Laboratory of All-optical Network & Advanced Telecommunication Network, Ministry of Education, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Institute of Lightwave Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China Abstract:Asymmetric shortcomings and production principles of structure switch window of terahertz optical asymmetric demultiplexer TOAD with unidirectional control pulse are researched in detail. The shortcomings are well resolved by the TOAD structure of bidirectional control pulse on the basis of theoretical analysis and optisys? tem simulation. The simulation results show that the switch windows with symmetric waveform and higher contrast are got by bidirectional control pulse TOAD. And double peak phenomena in simulation process are explained. Key word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 s:terahertz optical asymmetric demultiplexer TOAD ; control pulse; semiconductor amplifier SOA [1] 1 单控制脉冲的TOAD 结构 TOAD 型 (太赫兹光学非对称解复用器)光开 关是目前研究很热的高速处理器件，可应用于时分 [2] [3] [4] 传统的TOAD 结构如图1所示，由信号光、控制光 解复用 、码型转换 以及波长转换 等全光处理领 以及一个带有高非线性器件(一般为SOA)的光纤环路 域。传统的TOAD 结构采用单一控制脉冲来控制 组成。当不放置SOA 时，输入数据信号经过3 dB 耦合 SOA 的非线性效应，其开关窗口具有明显的非对称 器后分成相位差为π/2 的CW(clockwise)和CCW(counter [5-7] 缺陷，同时信道间串扰也比较大 。 clockwise)两路光，这两路光在光纤环路中的相位差为 首先研究了传统TOAD 结构开关窗口的不对称缺 0。当CW、CCW光重新回到主耦合器后，会在输出端口 [8] 1形成π相位差，两路光相干相消，因此没有光信号输出; 陷，然后从理论上证明了双控制脉冲的TOAD 结构 能 够得到对称的开关窗口，并结合仿真进行了验证。 在输出端口2 的相位差为0 ，因此相干加强，即光信号全 收稿日期:2013-01-16 基金项目:国家863计划(2007AA01Z258 );国家自然科学基金(60807003 ，61177012 );中央高校基本科研业务费专项资金(北京交通大学 2009YJS005 ) 作者简介:石万军(1986-)，男，陕西安康人，硕士研究生，主要从事高速光通信和光信号处理及光网络等方面的研究. 72 光 电 技 术 应 用 第28 卷 [9] 调整， 初始时延设为20 ps 。在输出端口1采用滤波 部被TOAD 反射回去 。 器滤除 控制光信号。 3 dB CW 光和CCW光经过SOA放大后的波形如图2a 所 SOA 辅耦合器 示。图2b 为输出端口1输出的信号波形。由图2a 可知， CW CCW 光时延器 CW、CCW 经SOA 放大后的波形存在很大的差异，主要 控制脉冲 有AB 、BC 、CD 三段的非线性差异比较大，最终形成了 输入数据信号 输出端口1 图2b 中的三个波峰a、b、c 。另外CW、CCW 的小信号增 环形器 3 dB 滤波器 益也不尽相同，最终形成其他的基底噪声。 主耦合器 输出端口2 SOA 对正反向光的非线性差异可以由图3 来研 图1 单控制脉冲的TOAD 结构 究，图中控制脉冲传播方向与CW 信号光方向一致， 当在光纤环路的非对称位置放置SOA 后，由于 并且此时 可调光时延器的时延设置为0 ，即CW、CCW 控制脉冲和信号光一起通过SOA 会产生XGM (交叉 光同时进 入SOA。 增益调制)和XPM (交叉相位调制)，如果使CW 和 SOA CCW 光在不同时刻通过SOA ，则会使两路光产生额 外的相位差，导致在输出端口1 的总相位差不再是 CW 信号光 π。即输出端口1将有光信号输出。 D C B A 为了研究CW 和CCW 光在光纤环内的传输特性 [10] CCW 信号光 A 1 B1 C1 D1 是否相同，利用optisystem 搭建TOAD 仿真环境 ，仿 真中参数设置如下:输入数据信号采用波长为1 554 控制脉冲 nm、功率为-10 dBm 的连续光;控制脉冲为脉宽为 (a )控制脉冲未进入SOA 的情况 100 ps 、功率为5 dBm、比特率为1 Gbit/s 的时钟信号; SOA 为普通的TW 型半导体放大器，经测量，其增益 SOA 饱和上升时间约为90 ps ，增益饱和恢复时间约为 CW 信号光 100 ps 。SOA 的非对称位置由一个可调光时延器来 -3 E D C B A ×10 3 CCW 信号光A 1 B1 C1 D1 E1 2 C 控制脉冲 A W D / 率 功 1 B CW 信号光 (b )控制脉冲进入SOA 但还未出射的情况 0 CCW 信号光 SOA 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 2TSOA CW 信号光 -9 时间/s ×10 (a )CW、CCW 光经过SOA 放大后波形 CCW 信号光 2TSOA G F E D C B A -4 A B C D E F 控制脉冲 ×10 1 1 1 1 1 1 b 6 (c )控制脉冲离开SOA 的情况 图3 CW、CCW 光通过SOA 示意图 W 4 / 率 a 功 2 c 图3a 为控制脉冲还没有进入SOA 的情况，此时 通过 SOA 的CW 光和CCW 光被完全放大，如图3a 中 0 AB 段 和A B 段。BC 段和B C 段还没有从SOA 中出 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 1 1 1 1 -9 时间/s ×10 射， 只被部分放大。图3b 为控制脉冲进入SOA 但还 (b )输出端口1输出的信号光 未出射 的情况，此时AB 和A B 段为完全放大，BC 、 图2 单脉冲TOAD CW 、CCW 光信号波形 1 1 B C 和 C D 段都为部分放大，CD 段为部分饱和。图 和输出端口1输出的信号光 1 1 1 1 第2 期 石万军等:单向和双向控 制脉冲TOAD 的开关窗口研究 73 3c 为控制脉冲离开SOA 的情况。记控制脉冲在SOA 控制脉冲2 3 dB 内的传输时间为T ，则BD 和B C 段时间为 2T 。 辅耦合器2 SOA 1 1 SOA 此时，AB 段和A B 段为完全放大，CE 为完全饱和， SOA 1 1 3 dB B C 为部分放大即部分饱和效应，C D 为完全饱和， 光时延器 1 1 1 1 辅耦合器1 CW CCW EF 和D E 段为相同的部分饱和。即CCW 信号光的 控制脉冲1 1 1 B C 和CW 信号光的BD 段产生了完全不一致的非线 输入数据信号 输出端口1 1 1 性效应。 环形器 3 dB 滤波器 由以上分析可知，由于控制脉冲在SOA 内具有 输出端口2 主耦合器 一定的传输时间TSOA ，使得CCW 光会先于CW 光发生 图5 双向控制脉冲的TOAD 结构 不完全的增益饱和效应。因此，就算光时延器设置 为0 ，即SOA 放置在光纤回路的中间，由于CW、CCW CW、CCW 信号光通过SOA 时的增益变化可由图 信号光的非线性差异性，使得输出端口1也有光信号 6 表示， 图6 中CP1(control pulse )和CP2 表示沿CW 方 输出。 向和CCW 方向传播的控制脉冲。 如图4 所示为时延为0 时通过SOA 的CW、CCW SOA 信号波形。图4 中，CW 和CCW 光的增益开始下降的 CW 信号光 -3 ×10 D C B A 3 A C CCW 信号光 A 1 B1 C1 D1 CP1 CP2 2 D W / (a )控制脉冲还没有进入SOA 的情况 率 B 功 1 CW 信号光 SOA CW 信号光 CCW 信号光 0 F E D C B A 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 -9 ×10 CCW 信号光 时间/s A B C D E F 1 1 1 1 1 1 图4 时延为0 时的CW、CCW 信号波形 CP2 CP1 (b )两个控制脉冲CP1、CP2 已经相遇， 时间差，即图中AB 两点的时间差约为26 ps 。该时间 但还没有从SOA 出射的情况 差实际上就是光在SOA 内的传输时间TSOA 。图2a 时 SOA 延为20 ps 时的CW、CCW 信号波形图中，相应两点的 CW 信号光 时间差约为46 ps ，刚好为光在SOA 内的传输时间和 F E D C B A 时延20 ps 的和。 CCW 信号光A 1 B1 C1 D1 E1 F1 CP2 CP1 2 双控制脉冲的TOAD 结构 (c )CP1、CP2 离开SOA 的情况 图6 双向控制脉冲时CW、CCW 光通过SOA 第1节研究了单控制脉冲的TOAD 结构，由于控 制脉冲在SOA 内具有一定的传输时间，导致CW、 图6a 为控制脉冲还没有进入SOA 的情况，此时 AB 和A B 为全放大，BC 和B C 为部分放大;图6b 为 CCW 光具有完全不一样的增益曲线，最终使得输出 1 1 1 1 端口1 的输出信号脉冲宽度较宽、多个波峰同时存在 两个控 制脉冲CP1、CP2 已经相遇但还没有从SOA 出 且不对称。 射的情况，此时CW 和CCW 光都将受到CP1 和CP2 既然正是由于控制脉冲在SOA 具有一定传输时 的共同作用，其中虚线部分为沿着信号光传播方向 间才导致了这种差异，不妨在SOA 两个方向都加入 的控制脉冲对其的影响。以CW 光为例，虚线CE 段 相同的控制脉冲，每个控制脉冲功率为单控制脉冲 受到CP1 的 影响发生增益饱和，实线BD 段受到CP2 时的一半，其结构如图5 所示。 的影响发生不完全增益饱和。合起来CE 段为增益 74 光 电 技 术 应 用 第28 卷 饱和，BC 为不完全增益饱和。图6c 为CP1 和CP2 离 100 ps ，同时假设SOA 饱和增益上升和恢复都是线性 开SOA 的情况。以CW 光为例，AB 段为全放大，BC 的，则理想情况下，其CW 和CCW 光增益曲线如图8a 段为不完全增益饱和，CD 段为完全增益饱和，DE 段 所示，时 延设置为10 ps 。 为不完全增益饱和。CCW 光的增益情况与CW 光完 又TOAD 开关窗口的输出增益可由式(1)表示[12] 全一 致。 ?G +G - ? CW CCW ? ? G t 0.25 通过以上分析，在TOAD 中加入双向控制脉冲 TOAD ? ? 2 G G cos φ -φ è CW CCW CW CCW ? 时，CW 和CCW 光的增益情况不再具有差异性，输出 (1) 信号波形必定能够克服单CP 时的种种缺陷。图7 为 其中，GCW 和GCCW 分别为CW、CCW 光通过SOA 时的增 仿真测得的CW、CCW 光增益曲线和输出端口的输出 益，φ 和φ 为各自产生的相位差。如果再假定 CW CCW 信号波形，初始时延为20 ps 。 -3 SOA 的相位变化和增益变化呈线性关系，同时默认 ×10 SOA 发生完全增益饱和效应时的相位变化为π，则 3 B D CW 和CCW 信号的相位差可表示为 φ -φ π G -G (2 ) CW CCW CW CCW 2 W 1 / A E 率 功 1 CW 信号光 0.8 ) CCW 信号光 0 G C / 0.6 G 0 / ( 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 益 -9 0.4 时间/s ×10 增 (a )CW、CCW 光增益曲线 0.2 CW 信号光 -5 ×10 CCW 信号光 6 b 0 20 40 60 80 100 120 140 c 时间/ps 4 (a )CW、CCW 光增益曲线 W / 率 0.5 功 2 d 0.4 a ) 0 0 G / 0.3 G 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 / ( -9 时间/s ×10 口 0.2 窗 (b )输出信号波形 关 图7 双控制脉冲TOAD 的CW、CCW 光增益曲 开 0.1 线和输出信号波形 0 20 40 60 80 100 120 140 时间/ps 图7a 中可以清晰地看出，CW 和CCW 光的波形 (b )开关窗输出增益 完全相同，只不过CCW 光较CW 光有20 ps 的时延。 图8 饱和增益快速上升时的CW、CCW 图中A 、B 、C、D 四点为CW 和CCW 光相交的四个位 光增益曲线和开关窗输出增益 置。AB 、BC 、CD、DE 段的差异分别形成了图7b 中的 波峰a 、b、c 、d 。图7b 中输出波形形成了两个主峰，这 图8b 为经过线性简化后的TOAD 开关窗输出增 是由于所使用SOA 的饱和增益上升时间和恢复时间 益曲线。 由图8a 可知，由于SOA 的饱和增益上升时 约为90 ps 和100 ps ，属于同一个量级，造成下降沿和 间很快，恢复时间比较缓慢，使得CW 和CCW 光在增 上升沿的坡度相当，因而会形成两个相当的波峰。 益下降的区域差别很大，在增益恢复的区域差别很 若采用饱和增益上升更快的SOA ，必然能获得 小。因此 会使图7b 的波峰b 增强，波峰c 受到抑制。 [11] 理 想情况下会形成图8b 所示开关窗口。 单波峰的且输出功率更大的输出信号 。例如若 SOA 的饱和增益上升时间和恢复时间约为10 ps 和 综上所述，双控制脉冲的TOAD 结构使得CW 和 第2 期 石万军等:单向和 双向控制脉冲TOAD 的开关窗口研究 75 CCW 光通过SOA 时具有相同的增益曲线，输出信号 [4] Durhuus. All-optical wavelength conversion by semiconduc? 波形对称且对比度高。采用饱和增益上升时间很 tor optical amplifiers[J]. Journal of Lightwave Technology, 快，增益恢复时间比较缓慢的SOA 能获得质量更高 1996, 14(6 ): 942-954. 的单波峰输出信号。 [5] Le-Minh. Terahertz optical asymmetric demultiplexer switch with a symmetrical switching window[J]. London 3 结 论 Communications Symposium, 2008: 89-92. [6] Kane M G. Analysis of an all-optical switch[J]. Applied Op? 详细研究了单控制脉冲TOAD 结构开关窗口的 tics, 1994, 33(29 ): 6833-6842. 非对称缺陷。通过理论分析和仿真证实了采用双控 [7] Sokoloff. Performance of a 50 Gbit/s optical time domain 制脉冲可以很好地解决单控制脉冲TOAD 的输出窗 multiplexed system using a terahertz optical asymmetric de? 口缺陷。研究表明，双控制脉冲TOAD 在不增加器件 multiplexer[J]. Photonics Technology Letters, IEEE, 1994, 6 复杂度和功率消耗的情况下获得了性能更好的开关 (1): 98-100. 窗口。 [8] Le Minh, Z Ghassemlooy, W P Ng. Characterization and per? formance analysis of a TOAD switch employing a dual con? 参考文献 trol pulse scheme in high-speed OTDM demultiplexer[J]. Communications Letters, IEEE, 2008, 12(4 ): 316-318. 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