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 eN 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()(,)Ltot 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 edN 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。

一般电吸收调制器都是反向偏压的，这相当于提高了禁带宽度。

当输入脉冲的能量小的时候，受激吸收很大，能量被用来将载流子从价带泵浦到导带。

如果能量继续增加，当载流子浓度接近透明的时候，此时受激吸收很小。

吸收的能量主要消耗在调制器的内部损耗上。

图2[1]显示了电吸收调制器的非线性吸收特性，同时显示了电吸收调制器对短波长的光吸收得更强烈些。

图2：吸收非线性示意图[1]3.EAM波长变换器的硬件和软件实现：3.1．硬件部分：我们所设计的EAM波长变换器的驱动电路是利用MCU控制两个SOA的偏置电流和制冷电流，以及EAM的反向偏压来完成波长变换的能力。

为了人机交互的方便，我们在驱动电路中加入了LCD显示模块和键盘模块。

而且为了将该部分作为整个光网络系统中的一部分，我们加入的网管接口。

下面就是我们所设计的EAM波长变换器的驱动电路的硬件原理结构图：图3：驱动电路的结构图电路硬件各部分实现说明：温度控制:采样电路通过不断采集热敏电阻上的电压从而调整施加到SOA的电流,通过玻尔贴效应制冷---有自动温度控制电路。

偏置电流:采用恒定电流源为SOA提供所需要工作(放大)的PN节偏置电流。

偏置电压:调整EAM的偏置电压可以使EAM工作在不同的波长范围,这对我们的实验很有用,可以通过DAC(数模变换)实现。

键盘:负责人工输入，并送入CPU中处理。

LCD显示:LCD负责显示EAM和SOA状态及键盘输入内容。

网管接口:负责接收来自网管的控制信号和返回自身的工作状态信息。

3.2.驱动软件部分：我们所编的电路的驱动程序的主要目的有以下几点：1.让MCU的SPI总线输出相应的值，对应于偏流电路输出端输出相应的电流值，该电流将驱动SOA；2.设置MCU内部的寄存器，让MCU的D/A口输出的模拟电压（经反向后）作为EAM 的反向偏压；3.让MCU接收制冷电流的反馈，在LCD上显示制冷电流的大小，制冷电路根据热敏电阻的状态相应地调整制冷电流的大小。

下面是软件的流程图：图4：驱动软件的流程图4.总结波长变换器在未来宽带高速光通信网中具有重要作用，它可有效克服波分复用网络中光交叉连接过程中的波长阻塞问题，从而有效降低网络的阻塞概率，增加其动态路由能力，对可用波长数有限，节点数较多的大型网状网络，其作用尤为明显。

由于EAM波长变换器的一系列优点，我们有理由相信它将在以后的智能光网络（ASON）中有更加广泛的应用。

5.参考文献：[1] Sune Højfeldt, All-Optical Wavelength Conversion and Signal Regeneration Using an Electroabsorption Modulator, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 2000[2]P. Ghelfi,Numerical model of the dynamic absorption variation in QW-EAM for ultrafastall-optical signal processing, IEE Proceedings online, 2003[3]Cavaill"es, Simultaneous measurement of electron and hole sweep-out from quantum wells and modeling of photoinduced field screening dynamics, IEEE J. Quantum Electron., 1992The research and design based on Wavelength Converter using electronic absorption modulatorJiang Chao，Wei Lihua，Lin PengBeijing University of Posts and TelecommunicationsAbstractThe technique of all-optical wavelength converter (AOWC) is the key technique in wavelength division multiplexing (WDM) network. It can be used for avoiding wavelength jam in OXC of WDM network, as well as for the wavelength adapter in all-optical WDM network. It can also be very convenient to connect a WDM network to another with AOWC. So using AOWC in WDM network, we can make the WDM network more flexible, more extensible and can make WDM network to be healed by itself. Wavelength converter using electronic absorption modulator (EAM) attracts more attention because its prominent virtue. In this paper, we introduce the principle of EAM and the hardware and software design of wavelength converter using electronic absorption modulator (EAM).Keywords：Electronic absorption modulator (EAM), all-optical wavelength converter (AOWC)。