基于电吸收调制(EAM)的波长变换器的研究和实现

基于电吸收调制(EAM)的波长变换器的研究和实现

蒋超，魏立华，林鹏

北京邮电大学

摘要：

全光波长变换器（AOWC）技术是实现波分复用（WDM）光网络的关键技术之一，其主要作用是防止WDM光网络中交叉连接（OXC）时可能遇到的波长阻塞现象或作为全光WDM网络的波长适配器，便于WDM网络之间的互连，使波分复用（WDM）光网络具有灵活性，可扩性和自愈性。而基于电吸收调制（EAM）的波长变换器由于其突出的优点而备受关注。本文就对EAM（电吸收调制）的原理和我们所实现的基于EAM波长变换器的软硬件进行了介绍。

关键字：电吸收调制（EAM），全光波长变换器（AOWC）

1.简介：

随着通信领域各种业务特别是多媒体、高清晰度电视、IP业务的高速发展, 对传送网的容量要求越来越高, 国内外已普遍把WDM 技术投入商用,并且对光传送网络(OTN)进行了深入的研究。引入波长变换技术，可以实现波长的再利用，解决OXC中的波长竞争问题，可以有效地进行路有的选择，降低网络阻塞率，从而提高WDM网的灵活性和可行性。同时，也有利于网络的运行，管理和控制，以及光通道保护倒换。全光波长转换器（AOWC：All-optical Wavelength

Converter）是光纤通信系统中的一个关键部件，它的主要特点是，把带有信号的

光从一个波长（λin）转换为另一波长（λout），实现波长的再利用和再分配，避免了波长争用，提高了网络系统的容量。

全光的波长转换技术的基本要求是：转换速度快；对光信息流的各种传输格式透明；有较宽的转换范围；对输入信号光功率要求不太高；偏振敏感度小；啁啾噪声低等。

上世纪九十年代以来，电吸收调制器由于其低啁啾，高速率，大消光化，低驱动电压，稳定性好，体积小，以及偏振不敏感等特性，引起了人们的关注。集成了电吸收调制的分布反馈激光器，作为在高质量、高速率脉冲源，获得了商业应用。同时，在波长转换、光交叉连接、冲整形和再生方面，电吸收调制器也有很好的应用前景。

近几年来，基于电吸收调制器中交叉吸收调制效应的波长变换技术得到了广泛的研究。和基于SOA中的交叉增益调制、交叉相位调制以及四波混频效应比起来，该方案具有自己的优势，具有很大的潜力。

2.电吸收调制（EAM）的原理：

波长转换主要应用了电吸收调制器的饱和吸收特性以及交叉损耗效应。实验原理如图1[1]所示。信号光(λ1) 和连续光(λ2) 共同入射到某一偏置电压下的电吸收调制器。当信号光功率较低时(即为低电平“0”时)，电吸收调制器的吸收还未饱和，连续光和信号光均被电吸收调制器很好地吸收，则出射信号光和连续光功率均较低(均为低电平“0”)；当信号光功率较高时(为高电平“1”时)，电吸收调制器的吸收达到饱和，对波长为λ2的连续光吸收将会变得较小，则出射的连续光(λ2) 功率较强(即连续光的电平为“1”)，这样，连续光(λ2) 将会受信号光(λ1) 强度的调制，即实现了波长变换，通过优化电吸收调制器的偏置电压、信号光和连续光的光功率，则可以实现高质量的波长变换。

图1：实验原理图（同向传输）[1]

下面我们通过量子阱电吸收调制器（QW—EAM）给出电吸收调制（EAM）较为详细的数学分析：

我们一下的分析都是基于这种结构的EAM：反向偏压的PIN二极管。光信号进入PN结，被内部P区和n区（双异质结）的不同折射率所导引。量子阱（QW）在内部和连接部分相平行。通过PN结的光激发出了载流子，然后载流子填充了QW，从而减小了自由态的电子数，这样使吸收也减小了。然后，它们逃逸出了量子阱，在反向偏压下漂移。我们假设电子和空穴在量子阱中按指数分布[3]。

因为通常导带的载流子的浓度要小于价带，受激饱和主要是由电子的状态控制的，而不是空穴状态。在时间t沿着传播方向z上的电子数的动态变化是由从量子阱中逃逸出来的载流子和光生电子的平衡来决定的。所以这现象可以有以下的等式表示：

12(,)(,)[1(,)]exc exc exc e

N z t N z t W N z t τt ∂=−+⋅−∂ (1)[2] 右边的第一项是电子的指数逃逸，第二项表示光生载流子数。在（1）中，是归一化的受激电子数（当所有的电子态被占据时，它为1），(,)exc N z t e τ是电子逃逸时

间。[1代表在受激情况下，可得的载流子数目，而是考虑到光功率大小，代表着产生载流子的的可能性。它可以被写为(,)]exc N z t −12W 12()a W t σ=Φ。这里a σ表

示该区域的体积，所以被称为交叉部分，因为它表示在光纤放大器中的电子吸收。是通过量子阱的光子流，()()/t Q t A Φ=ΓA 是光信号穿过的部分，是单位时间通过装置的总光子数，Γ是重叠因子。

()Q t 沿着器件光子流的变化主要是由QW-EAM 中的每一部分吸收的光子所决定的。这个变化依赖于可被占据的电子状态。所以光子的连续性可以表示为[2]：

12(){[1(,)]}exc dQ t W N z t Adz ρ=−⋅−⋅ (2)

这里ρ是在QW 中的可得状态的总浓度。

使用的表达式（2）可以表示为[2]：

12W ()(1)()

a exc dQ t N Q t ρσdz =−Γ⋅ (3) 对（3）沿装置长度积分，忽略内部损耗，可以得到QW-EAM 的对数增益表达式[2]：

()ln(()(0)

tot Q L B N t C Q =⋅− (4) 这里/a B A σ=和a C L σρ=，表示沿着装置的受激电子总数

()tot N t 0()(,)L

tot exc N t A N z t dz ρ=∫ (5) [2] 把（5）代入（2）中，然后沿z 方向积分，写出总电子数目的时间变化率：

()tot N t ()()()()(1)tot BN t C tot tot e

dN t N t Q t e dt τ−=−+⋅− (6)[2] 载流子的逃逸时间和交叉部分值依赖于QW 中的电场，该电场由反向偏压所形成，而又被载流子生成的电场减弱。应用光生载流子的高斯分布，后一电场分布可以很容易被计算出来。知道了QW 中的电场分布，我们可以估计电子和空穴的逃逸时间。