基于半导体光放大器的多比特全光比较器的研究

全光比较器是全光帧头识别、业务等级管理等数字信号处理模块的基本功能器件，是将来构建"光防火墙"，保障全光网络安全的光域方案的根本器件。但是目前仍没有真正意义的多比特全光比较器，本项目申请"基于半导体光放大器的多比特全光比较器的研究"，具有很高的理论价值和学术水平，对全光分组交换网络节点的技术发展有重要意义，对长远发展的全光网络的全光安全有重要前瞻性。本项目结合理论研究与仿真分析方法，研究SOA中多个非线性物理过程和损耗、色散、噪声等对信号传输的作用。分别采取串行级联比较和并行逐位比较两种方案，研究SOA的噪声积累、时延抖动、比特同步、信号劣化等内容；解决时延和相位的精确控制，信号损伤与信号质量的改善，比特复制与串并变换，多波长信号在全光比较器中的行为等关键问题。分别在2.5Gbps和10Gbps速率下，实验研究单波长和8波长DWDM系统的1、2、4、8bit全光比较器。

在SOA器件和全光信号处理方面进行了基础理论、数值仿真和实验探索研究。基于多能级结构和载流子速率方程理论，采用经典的分段算法和分步傅里叶方法，建立了半导体光放大器的理论模型，扩展到量子点半导体光放大器的理论模型，完成了相关的基础理论研究。从理论上研究了SOA的增益、相位、啁啾、色散、四波混频等基本动力学特性，并研究了基于SOA的多种复杂结构的增益、相位、相干特性。研究非均匀电流注入与非正规SOA的增益特性，讨论了基于非正规SOA的环形腔激光器的光谱特性，实验研制了基于SOA的波长扫描/傅里叶域锁模环形腔激光器。.理论研究并仿真分析SOA中四波混频效率与泵浦功率、信号功率、注入电流、SOA长度、波长间隔等因素的关系；利用四波混频现象，仿真实现了100Gbps DPSK信号全光异或逻辑，100Gbps DQPSK信号的全光波长变换。.对多种逻辑方案进行了详细的仿真研究，对全光开关和缓存中连续脉冲流的码型效应和图样失真进行了详细的仿真和理论研究。.理论与仿真研究了基于SOA-MZI及其级联结构的全光异或逻辑和多比特全光比较器，输出端的信号可用于控制光网络节点中的光触发器。信号速率100Gbps的3位比较器输出脉冲的峰值功率超过了7mW，输出脉冲的半高全宽为8.5ps，消光比是48dB。信号速率500Gbps的8比特比较器，输出脉宽大约0.1ps。.提出了一种基于增益谱的测量SOA色散的方法，准确地测得了实验室的SOA色散谱。利用微调架和自聚焦透镜，研制了基于微调架的空间光时延可调系统，两个方向行程的插入损耗较低，而且一致性较好，平移精度达到5um，可控制延迟精度为17fs。利用相位调制器和M-Z干涉仪实现了对10Gb/s的超快微分，获得了100Gb/s速率的信号。在两个不同波段的SOA中分别利用XPM效应实现全光异或逻辑XOR，可对传输数据进行加密，经传输后在接收端利用XOR解密，在实验室实现了2.5Gbps的系统，输入信号消光比代价小于3dB，偏振相关性仅约1dB。利用SOA实验研究了基于偏振编码的双极性乘法器，基于环形激光器级联结构的全光判决器。