专利名称：一种改善基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度的方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，集成光学领域以及光电信号处理领域，它特别涉及改善基于半导体光放大器偏振旋转全光采样线性度的方法。
背景技术：
基于半导体光放大器(SOA)偏振旋转的全光采样技术是一种光控光的信号变换技术(见文献张尚剑张谦述李和平等.基于半导体光放大器非线性偏振旋转效应的全光采样[J].半导体学报，2008，四(6) :1031-1035)，利用模拟信号光对半导体光放大器中的载流子浓度和增益的调制作用，使得采样脉冲光的偏振态发生旋转，通过检偏器把脉冲光的偏振态调制转换成强度调制，得到强度被信号光调制的采样脉冲光，以此实现高重频脉冲光对模拟信号光的高速采样。由于该方案基于非线性效应机理，采样过程中必然存在非线性失真，采样系统的非线性将直接影响全光模数转换器的转换精度。因此，改善采样系统的非线性是十分必要的。半导体光放大器的光增益对输入光功率呈现非线性变化的特性是产生非线性失真的重要因素，可以在半导体光放大器中引入增益钳制结构(Gain-clamped)对载流子浓度调制效应进行控制，减小半导体光放大器的光增益的非线性(见文献CHEN G X, LI W， XU C L et al. Time and spectral domain properties of distributed feedback type gain-clamped semiconductor optical amplifiers[J]. IEEE Photon. Tech. Lett. ,2006, 18(8) :932-934)，增益钳制结构包括分布反馈结构、分布布拉格反射器结构、光纤布拉格光栅结构和环形腔结构等几种类型，实现这几种结构的生产工艺复杂，成本较高，不适用于一般半导体光放大器的应用场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度的方法，该方法通过注入合适功率的保持光减小半导体光放大器光增益的非线性，提高全光采样系统的线性度。它具有实现方式简单、效果明显等特点。为了方便的描述本发明内容，首先做术语定义定义1半导体光放大器的偏振旋转效应在半导体光放大器中，可以将输入的任意振动方向的线偏振光分成平行于波导层面和垂直于波导层面两个部分，即TE模与TM模。TE模与TM模在SOA中并不是完全独立传播的，它们通过载流子间接的联系起来，具有不同的增益和折射率，从而这两个模式在经过SOA之后产生增益差及相位差，引起偏振方向发生改变。在SOA之后连接一个偏振合束器，TE模与TM模在偏振合束器的透光轴上干涉，得到强度受到调制的线偏振光，这就是半导体光放大器的偏振旋转效应。(Dorren HJS, Lenstra D，Liu Y et al. Non-linear polarization rotation in a semiconductor amplifiers Theory and applicationto all-optical flip-flop memories[J]. IEEE J.Quantum Electron. ,2003,39(1) 141-147)。定义2全光采样的线性度与转换效率根据信号分析理论，周期信号通过傅里叶级数展开其频谱为离散谱；非周期信号通过傅里叶变换其频谱为连续谱；周期信号与非周期信号，傅里叶级数与傅里叶变换，离散谱与连续谱，在一定条件下可以互相转换并统一起来。因此对单个频率信号采样失真分析是讨论任意模拟信号光采样失真的基础。一般引入线性度与转换效率两个指标对采样系统进行评价，输入的单频余弦信号(设强度为Atl，频率为ω)经过采样系统后，输出信号在频谱上将出现输入频率的倍频成分0ω，3ω，…)。输出信号中二次及二次以上谐波分量与基波分量之比表征谐波失真，即Dk = VA^k = 2,3,…)，其中Ak为k次谐波分量的频谱强度，A1为基波的频谱强度。Dk越大说明谐波失真越严重，反之则越小。输出信号基波分量的强度与输入基波强度之比表征转换效率，也可看成采样传输曲线的斜率，即& = A1A0, 其中Atl是输入基波信号强度。本发明提出了一种改善基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度的方法，其特征是它包含以下步骤步骤1全光采样系统构成如图2所示，全光采样系统由输入光纤1，输入光纤2，输入光纤3，第一偏振控制器 6，耦合器7，半导体光放大器8，第二偏振控制器9，光带通滤波器10，偏振合束器11和输出光纤5依次通过光连接构成；步骤2光学工作参数的确定步骤加从半导体光放大器8的技术说明文件确定半导体光放大器8的工作电流 I、最大输入光功率Pm、以及被采样信号光的功率变化范围[PpPh]；步骤2b 在半导体光放大器8的输入电极4输入强度为I的工作电流，在输入光纤1中输入光功率为Pp的小信号连续光，同时保证Pp小于P1，在输出光纤5的输出端测量光功率大小；步骤2c 把第一偏振控制器6的偏振方向与半导体光放大器8的波导层夹角θ a 设为45度，偏振合束器11的透光轴与半导体光放大器8的波导层夹角β设为45度，调整光带通滤波器10的中心波长至输入光纤1中输入光波长，滤出光纤1中的小信号连续光。 调整第二偏振控制器9偏振方向与半导体光放大器8的波导层夹角θ b，从而为TE模与TM 模引入附加相差Φρ。，使得从输出光纤5输出的光功率最�。徊街�2d 在45度附近调整第一偏振控制器6的偏振方向与半导体光放大器8的波导层夹角θa，当输出光纤5中的光功率为零时记录ea，β的值；步骤2e 在被采样模拟信号光的功率变化范围[P1, Ph]内改变输入光纤2中输入光功率Ps，在输出光纤5的输出端记录输出光功率。得到没有注入保持光时的输出光功率随输入光功率变化的传输曲线；步骤2f 在输入光纤3中输入光功率为Pb的连续光，同时保证Pb小于Pm，重复步骤2c e的过程，得到有保持光注入时的采样传输曲线，改变输入到光纤3中的保持光光功率Pb的大�。馗床街�2c e的过程，得到注入不同功率的保持光时的若干条采样传输曲线，如图3所示；
步骤3注入保持光功率的确定观察得到的若干条传输曲线，折中选取其中的一条采样传输曲线，使得其在[P1, PJ内线性度与转换效率均符合要求，该条曲线所对应的光功率即为输入光纤3中的保持光功率；步骤4全光采样的实现步骤如设置半导体光放大器8的工作电流I和输入光纤3中的保持光功率Pb， 同时在输入光纤2中输入功率大于P1小于1\、频率为fv的模拟信号光；步骤4b 在全光采样系统的输入光纤1的输入端输入重复频率为fs，峰值功率为 Pp的采样光脉冲，在输出光纤5的输出端得到光功率随输入信号光强度线性变化的光脉冲， 从而完成了全光采样，同时实现了对采样线性度的改善。经过以上步骤就完成了对基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度的优化。需要说明的是，步骤2c中把第一偏振控制器6的偏振方向与半导体光放大器8的波导层夹角θ a 设为45度，是为了使偏振旋转效应最强。步骤2c和2d中调整第二偏振控制器9偏振方向与半导体光放大器8的波导层夹角θ b，以及在45度附近调整第一偏振控制器6的偏振方向与半导体光放大器8的波导层夹角θ a，使输入光纤2中没有输入光时，从输出光纤5输出的光功率最小并且为零，这样是为了保证在步骤2e中从输出光纤5中输出的光功率随输入光纤2中信号光功率的增大而增大，即获得斜率为正的采样传输曲线。步骤3中为了获得线性度好的传输曲线，需要增大保持光功率，但是增益饱和效应将导致半导体光放大器对信号的放大能力下降，所以保持光功率不宜过高，以保证较高的转换效率。本发明的改善基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度方法的工作过程是(如图2所示)在全光采样系统的输入光纤1的输入端输入重复频率为fs的小信号采样光脉冲序列，设置输入光纤3中保持光功率为一合适值，使得采样传输曲线在输入光纤2中的模拟信号光功率变化区间[P1Ah]内具有良好的线性特性，当输入光纤2中输入待采样的模拟信号光时，从输出光纤5的输出端得到光功率受到输入模拟信号光线性调制的光脉冲，从而实现对全光采样线性度的优化。本发明的实质就是通过注入合适光功率的保持光消耗掉部分TE与TM方向上的载流子，从而影响TE与TM模式的增益和相位差，抑制了与增益起伏相关的非线性失真，从而完成对采样系统线性度的优化。发明的优点或积极的效果本发明提出的优化采样线性度的方法避免了在半导体光放大器中引入复杂的增益钳制结构，抑制了半导体光放大器的非线性失真，提高了全光采样的线性度，扩大了被采杆光信号的动态范围。并且操作简便易行，可以通过调节注入保持光的功率实现对采样线性度的动态控制。
图1是经过优化的全采样系统原理示意图其中1为采样脉冲光输入端，2为模拟信号光输入端，3为保持光输入端，4为系统光输出端。图2是全光采样系统结构示意图其中1为采样脉冲光输入光纤、2为被采样模拟信号光输入光纤、3为保持光输入光纤，4为半导体光放大器8的输入电极，5为输出光纤，6为第一偏振控制器，9为第二偏振控制器，7为耦合器，8为半导体光放大器，10为光带通滤波器，11为偏振合束器。图3是全光采样系统在没有注入保持光以及注入不同功率保持光时的采样传输曲线示意图。图4是全光采样系统采样后的光脉冲信号示意图。1为输出采样脉冲包络曲线，2为其中的一个采样脉冲。
具体实施例方式通过对如图2所示全光采样装置系统的一个实例模拟数值仿真验证本发明提出的改善基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度的方法。所有步骤、结论都在 matIab 7.0上验证正确。步骤1全光采样系统构成步骤加从半导体光放大器8的技术说明文件确定半导体光放大器5的工作电流 550mA、最大输入光功率10mW、以及被采样信号光的功率变化范围W. 2mW 0. 9mff]；步骤2b 在半导体光放大器8的输入电极4输入强度为550mA的工作电流，在输入光纤1中输入光功率0. Imff的小信号连续光，在输出光纤5的输出端测量光功半大�。徊街�2c 把第一偏振控制器6的偏振方向与半导体光放大器8的波导层夹角θ a 设为45度，偏振合束器11的透光轴与半导体光放大器8的波导层夹角β设为45度，调整光带通滤波器10的中心波长至输入光纤1中输入光波长，滤出光纤1中的小信号连续光。 调整第二偏振控制器9偏振方向与半导体光放大器8的波导层夹角θ b，为TE模与TM模引入附加相差θ pc为100度，使得从输出光纤5输出的光功率最小；步骤2d 在45度附近调整第一偏振控制器6的偏振方向与半导体光放大器8的波导层夹角θ 3为30度时，输出光纤5中的输出光功率为零；步骤加在输入光纤2中输入光功率Ps大于0. 2mff小于0. 9mff的连续光，改变Ps 的大�。谑涑龉庀�5的输出端记录输出光功率，得到没有注入保持光时的输出光功率随输入光功率变化的传输曲线；步骤2f 在输入光纤3中输入光功率0. 5mff的连续光，重复步骤2c e的过程，得到注入0. 5mW保持光时的采样传输曲线。改变输入到光纤3中的保持光光功率Pb的大�。� 使之为lmW，重复步骤2c e的过程，得到注入ImW保持光时的采样传输曲线，得到3条采样传输曲线，如图3所示；步骤3保持光功率的确定观察得到的这3条传输曲线，没有注入保持光时的传输曲线转换效率很高，但是线性度较差；保持光功率为ImW时的传输曲线线性度很好，但是转换效率较低；为了得到线性度优良的传输曲线，同时保证较高的转换效率，所以折中选取功率值0. 5mW作为输入光
6纤3中的光功率。步骤4全光采样的实现步骤如设置半导体光放大器8的工作电流为550mA，输入光纤3中的保持光功率为0. 5mff,同时在输入光纤2中输入功率大于0. 2mff小于0. 9mW、频率为500MHz的模拟信号光；步骤4b 在电光采样系统的输入光纤1的输入端输入重复频率为IOGHz，峰值功率为0. Imff的采样光脉冲，在输出光纤5的输出端得到光功率随输入信号光强度线性变化的光脉冲，从而完成了全光采样，同时实现了对采样线性度的改善。经过以上步骤就完成了对基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度的优化，例如在没有注入保持光时，输出信号的二次谐波失真D2 = O.观13，三次谐波失真D3 = 0. 0244，四次谐波失真D4 = 0. 0066，转换效率& = 3. 4486 ；当保持光功率为0. 5mW时，二次谐波失真D2 = 0. 1529，三次谐波失真D3 = 0. 0124，四次谐波失真D4 = 0. 0031，转换效率Ef =2. 3706 ；当保持光功率为ImW时，二次谐波失真D2 = 0. 0510，三次谐波失真D3 = 0. 0042， 四次谐波失真D4 = 0. 0012，转换效率& = 1. 2746 ；可见，适当提高保持光功率对改善采样系统线性度的效果是十分明显的。下一代光学模数转换器、超高速电子器件特性的实时无扰测量需要小型化、集成化、超高速且非线性失真小的全光采样器件。采样系统的非线性失真是制约模数转换精度的重要因素。因此，本发明提出的改善基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度的方法能够为提高下一代光学模数转换器的转换精度起到有力的推动作用，具有广泛的应用前景。
权利要求
1.本发明提出了一种改善基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度的方法， 其特征是它包含以下步骤 步骤1全光采样系统构成全光采样系统由输入光纤(1)，输入光纤O)，输入光纤(3)，第一偏振控制器(6)，耦合器(7)，半导体光放大器(8)，第二偏振控制器(9)，光带通滤波器(10)，偏振合束器(11)和输出光纤( 依次通过光连接构成； 步骤2光学工作参数的确定步骤加从半导体光放大器(8)的技术说明文件确定半导体光放大器(8)的工作电流 I，最大输入光功率Pm，被采样信号光的功率变化范围[PpI3h]；步骤2b 在半导体光放大器(8)的输入电极(4)输入强度为I的工作电流，在输入光纤⑴中输入光功率为Pp的小信号连续光，同时保证Pp小于P1，在输出光纤(5)的输出端测量光功率大�。徊街�2c 把第一偏振控制器(6)的偏振方向与半导体光放大器(8)的波导层夹角θ a 设为45度，偏振合束器(11)的透光轴与半导体光放大器(8)的波导层夹角β设为45度， 调整光带通滤波器(10)的中心波长至输入光纤(1)中输入光波长，滤出光纤(1)中的小信号连续光，调整第二偏振控制器(9)偏振方向与半导体光放大器(8)的波导层夹角eb，从而为TE模与TM模引入附加相差Φρ。，使得从输出光纤(5)输出的光功率最小；步骤2d:在45度附近调整第一偏振控制器(6)的偏振方向与半导体光放大器(8)的波导层夹角θ a，当输出光纤(5)中的光功率为零时记录ea，β的值；步骤加在被采样模拟信号光的功率变化范围[P1, PJ内改变输入光纤⑵中输入光功率Ps，在输出光纤(5)的输出端记录输出光功率，得到没有注入保持光时的输出光功率随输入光功率变化的传输曲线；步骤2f 在输入光纤(3)中输入光功率为Pb的连续光，同时保证Pb小于Pm，重复步骤 2c e的过程，得到有保持光注入时的采样传输曲线，改变输入到光纤(3)中的保持光光功率Pb的大小，重复步骤2c e的过程，得到注入不同功率保持光时的若干条采样传输曲线.一入 ，步骤3注入保持光功率的确定观察得到的若干条传输曲线，折中选取其中的一条采样传输曲线，使得其在[P1,1\]内线性度与转换效率均符合要求，该条曲线所对应的光功率即为输入光纤(3)中的保持光功率；步骤4全光采样的实现步骤如设置半导体光放大器(8)的工作电流I和输入光纤(3)中的保持光功率Pb， 同时在输入光纤⑵中输入功率在[P1, Ph]内的、频率为fv的模拟信号光；步骤4b 在全光采样系统的输入光纤(1)的输入端输入重复频率为fs，峰值功率为Pp 的采样光脉冲，在输出光纤(5)的输出端得到光功率随输入信号光强度线性变化的光脉冲，从而完成了全光采样，同时实现了对采样线性度的改善；经过以上步骤就完成了对基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度的优化。
全文摘要
本发明提供了一种改善基于半导体光放大器偏振旋转效应全光采样线性度的方法。该方法通过注入适当功率的保持光，抑制半导体光放大器的光增益的非线性效应，减小输出采样脉冲包络的谐波失真，提高全光采样系统的线性度。该方法不必改变半导体光放大器的结构，具有操作简便、效果明显的特点。本发明为提高下一代光学模数转换器的转换精度起到有力的推动作用，具有广泛的应用前景。
文档编号G01D5/28GK102360149SQ20111019119
公开日2012年2月22日 申请日期2011年7月8日 优先权日2011年7月8日
发明者刘永, 刘永智, 包小斌, 叶胜威, 张尚剑, 张衎, 陆荣国 申请人:电子科技大学
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