适用于偏振复用高级调制格式信号的全光信号处理集成芯片基础问题研究

Polarization division multiplexing (PDM) can further double the transmission capacity on top of the time division multiplexing and wavelength division multiplexing technique. It is nowadays widely used in high speed and large capacity fiber optics communication system, and the PDM based Quaternary Phase Shift Keying (PDM-QPSK) format is recognized as the best candidate for single wavelength 100G transmission. All optical signal processing schemes for PDM signal were achieved by demultiplexing, processing separately and multiplexing, based on several discrete devices. In this project, we will develope the dual-polarization model of the semiconductor optical amplifier, explore the way to enhance the four wave mixing nonlinear effect and mitigate the crosstalk between the two polarization states. A hybrid integrated deviced, which consists of a Si based passive polariztion controller and an active SOA using as the nonlinear device, will be proposed and used for PDM signal processing. The investigation will be performed from the theoretical analysis,device design and fabrication, and experimental demonstration. Based on the proposed and fabricated hybrid device, various signal processing for 100Gb/s PDM-QPSK signals will be achieved. Furthermore, all optical signal processing for multi-dimension multiplexed system can be expected.

偏振复用（PDM）技术在时分复用和波分复用基础上，能进一步加倍传输容量，近年来广泛应用于高速大容量光纤通信系统中，基于PDM的四相相移键控信号QPSK格式是业界公认的实现单波长100G首选格式。针对PDM信号的全光信号处理研究尚处于初级阶段，且需要将信号解偏后分别处理再偏振合束，利用多个分立器件来实现。本项目拟在深入开发半导体光放大器双偏振态模型的基础上，分析增强其四波混频效应和减小双偏振态之间串扰途径，突破混合集成工艺难点，提出基于硅基无源偏振控制器件和半导体光放大器有源非线性器件的混合集成器件，提出适用于偏振复用系统的集成器件原型，并探索适用于偏振复用系统的全光信号处理新方案。从理论分析、器件设计制作、系统测试验证三个方面出发，最终基于制作出的器件，实验实现100Gb/s PDM-QPSK信号的各种信号处理功能。并以此为突破口，开拓针对多维复用信号的全光信号处理器件及应用的研究。

偏振复用（PDM）技术能在波分复用（WDM）和时分复用（TDM）的基础上进一步加倍传输容量，近年来广泛应用于高速大容量光通信系统中。针对PDM信号的全光信号处理研究尚处于初级阶段，一般是通过偏振分集技术分别处理PDM信号的两个偏振分量，且大部分研究均是基于分离器件，极大地增加了成本和复杂度。能缩小器件尺寸、降低功耗的单片集成芯片正吸引着广大研究者的关注。.在该项目中，我们深入研究了纳米波导中的偏振机理及减小串扰途径，建立了完善矢量线性和非线性模型，开发了适用于PDM信号的Si基无源器件、InP基有源半导体光放大器（SOA）以及结合二者的混合集成芯片原型，探索了多种针对PDM信号的片上全光处理方案。.主要研究内容可总结如下：.1. 针对硅基无源纳米波导，建立了片上偏振调控模型；针对有源SOA，在面向不同速率需求的量子阱动态模型基础上，提出了具有普适性的矢量非线性传输理论模型。为片上PDM信号处理打下了理论基础。.2. 开发设计了多种硅基偏振处理器件，包括偏振无关滤波器、偏振分束旋转器、信号上传下载器、PDM信号接收机等。基于这些器件验证了44 Gbit/s OOK信号的偏振无关时钟恢复、100 Gbit/s WDM-PDM DPSK信号解调、40 Gbit/s PDM OOK信号探测、160 Gbit/s WDM-PDM OOK信号上传下载等多种针对偏振光场的线性预处理功能。在此基础上，分析并抑制了双偏振态之间的串扰，结合SOA实现了80 Gbit/s PDM DPSK及PDM QPSK信号的全光相位再生及160 Gbit/s WDM-PDM PSK信号的全光幅度再生等非线性信号处理。.3. 开发了InP/Si基材料的混合集成工艺，并设计制作了混合集成波导。制作了InP基SOA有源光子器件与Si基延时干涉仪混合集成原型器件。.这些研究内容丰富了光网络节点处片上光信号处理功能，使得全光信号处理能兼容新型复用技术，一定程度上完善了单片和混合集成芯片的研究。