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图 1所示为浸润层(wetting layer, WL)、激发态(excited state, ES)和基态(ground state, GS)所构成的QD-SOA的三能级结构[13]。
其中WL的载流子浓度变化以及电子在ES和GS的占有几率变化用三能级跃迁速率方程表示为[14]:
式中,NWL表示浸润层中的载流子浓度; Nq表示表面量子点密度; Lw, σ分别表示有源区厚度以及有源区横截面积; J, e分别表示注入电流密度和电子电量; h表示电子在激发态中的占有几率,f表示电子在基态中的占有几率; τWR, τ1r分别表示电子在浸润层中的自发辐射时间以及电子在量子点中的自发辐射时间; τ2w表示电子从激发态到浸润层的跃迁时间,τ21表示电子从激发态到基态的跃迁时间,电子从浸润层到激发态的弛豫时间为τw2,电子从基态到激发态的跃迁时间为τ12; h1ωi表示光子能量,ωi为光频率; h1为电子在激发态中占有几率的初始值; gi表示第i段的模式增益; P为输出光功率。
假设QD-SOA的端面反射率为0,而且忽略放大自发辐射(amplified spontaneous emission, ASE)噪声,即QD-SOA处于理想状态时,输入光在QD-SOA中传输的光场方程表示为[15]:
式中, 光场限制因子为Γ,z表示光场传输方向,E+, E-分别表示输入光沿z方向(+z)以及沿z的相反方向(-z)传播的光场强度,η和α分别表示线宽增强因子和波导损耗系数, g为模式增益,可简单表示为g=gmax(2f-1), 其中gmax是最大模式增益。
用(6)式和(7)式来表示光场传输方程(4)式和(5)式的边界条件:
式中, Ein是初始输入光场强度,r1为前端面反射系数,r2为后端面反射系数。
沿着光的传输方向,探测光受到抽运光的调制以及自身相位的调制,从而导致探测光相位发生改变,由下式来表示探测光的相位变化[16]:
对(8)式沿着QD-SOA有源区+L方向积分,得到(9)式,即相位随时间的变化可表示为[17]:
式中,g(z, t)是引入转换坐标系后的模式增益。
图 2所示为QD-SOA细化分段模型。首先将QD-SOA分成等长的M小段,当M足够大时,将各段中的载流子近似看作是均匀的,并将第j段内的载流子浓度记作Nj(t)。为了对每一段有源区内的载流子变化情况有更精确的描述,将第j段再细化分成N段,此时将每一小段记作ΔL=L/(M×N)。
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利用MZI结构实现全光逻辑异或门(exclusive OR, XOR)方案,如图 3所示。在干涉仪的上下两臂分别放置两个完全相同的QD-SOA,波长为λ1的探测光通过分波器C1分解成两束完全相同的光,波长为λ2的信号分别和两束探测光经过耦合器C2, C3输入到干涉仪的QD-SOA1和QD-SOA2中。由于信号的输入功率大于QD-SOA的最大线性输入功率,使得信号光在经过QD-SOA时会对探测光进行相位调制。通过干涉仪两臂后的探测光将在耦合器C4中发生干涉,实现全光逻辑异或门。
当data A, data B都为“0”时,由于不存在输入光信号,所以输出信号不存在,即输出信号表示为逻辑“0”;当data A, data B不同时,例如data A为“1”,data B为“0”时,经过MZI上臂QD-SOA1的探测光受到data A的调制,而经过MZI下臂QD-SOA2的探测光没有受到调制,此时通过上下两臂的探测光相位差为π,因此二者发生干涉相消后输出信号表示为逻辑“1”;当data A, data B都为“1”时,经过QD-SOA1和QD-SOA2的探测光均会受到信号光的调制,此时相位差为0,因此二者发生干涉相长后输出信号表示为逻辑“0”,从而实现了逻辑异或运算,并且输出光实现了波长转换。将输出光功率表示为[18]:
式中, Pprobe是输入探测光信号的功率,G1(t), G2(t)是探测光分别通过干涉仪QD-SOA1、QD-SOA2后的增益,ϕ1(t), ϕ2(t)分别是经过MZI上下两臂QD-SOA的探测光受到调制后的相位,k1, k2表示耦合器的耦合系数,取值为k1=k2=0.5。表 1所示为全光逻辑异或运算的真值表[19]。
A B C(A⊕B=C) 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 Table 1. Truth table of XOR gate
1.1. QD-SOA模型
1.2. 工作原理
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为了研究基于QD-SOA-MZI结构的全光异或逻辑门的相位差特性,利用牛顿法和4阶龙格-库塔法求解(1)式~(5)式,所取参量如表 2所示[20]。
parameter value optical confinement factor Γ 0.5 absorption coefficient of the material αint 300m-1 thickness of wetting layer Lw 0.2μm surface density of QD Nq 5×1014m-2 spontaneous radiative lifetime in QD τ1r 0.4ns spontaneous radiative lifetime in WL τWR 2ns electron escape time from GS to ES τ12 1.2ps electron relaxation time from ES to GS τ21 0.16ps electron escape time from ES to WL τ2w 1ns electron relaxation time from WL to ES τw2 3ps Table 2. Parameters for numerical calculation
在对QD-SOA-MZI逻辑异或门进行数值模拟时,假设探测光波长λ1=1550nm,输入data A和data B是脉冲宽度为0.4ps的1阶高斯脉冲信号,data A和data B的波长λ2=1500nm,取输入的光信号峰值功率Pp=-5dBm,采用细化分段模型对QD-SOA进行建模,取分段数N=100。图 4所示为数值模拟实现的全光逻辑异或运算结果。
当探测光通过干涉仪的上下两臂时,由于QD-SOA1和QD-SOA2内载流子浓度的改变影响了折射率,导致探测光产生相位变化,经过光的干涉作用,这种相位变化会转变成输出光功率的变化。将通过QD-SOA1和QD-SOA2后输出的探测光相位之差定义为相位差,表示为:
图 5所示为通过MZI两臂的探测光相位随时间的变化。其中, 图 5a和图 5b分别为干涉仪两臂输出的探测光相位,图 5c为经过调制后探测光的相位差。下面将分别讨论有源区长度、最大模式增益、抽运光功率、以及输入抽运光脉冲宽度对全光逻辑异或门相位差的影响以及随着相位差的改变输出光功率的变化。
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由图 6a可知,随着有源区长度的增加,光增益增大,载流子发生受激辐射的概率增加,导致QD-SOA中载流子消耗加快,此时有源区的折射率提高,使得连续光分别通过MZI中QD-SOA1和QD-SOA2后产生的相位差增大。图 6b更清楚地显示出随着有源区长度增加,探测光的相位差不断增大。当有源区长度为1.5mm时,探测光的最大相位差为0.0774π;当有源区长度为2.0mm时,探测光的最大相位差为0.1932π。但是当QD-SOA的有源区长度太长时,会导致自发辐射噪声增大,此时信号光的输出波形会受到影响。
Figure 6. a—relationship between phase difference and time with different lengths b—relationship between phase difference and length of the active regions
图 7中给出了探测光最大相位差分别为0.07π, 0.10π时的输出波形图像。当探测光的最大相位差为0.07π时,输出光峰值功率为1.2699×10-5dBm;当探测光的最大相位差为0.10π时,输出光峰值功率为7.7471×10-5dBm。容易看出,当相位差较大时,输出光功率较大。这是由于有源区长度不断增加使得探测光相位差不断增大,经过光的相互干涉,相位差的改变进而转化为输出光功率的变化。因此随着相位差的增加,输出光功率不断增大。
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图 8a为最大模式增益gmax取1800m-1, 2600m-1, 3000m-1时相位差随时间的变化规律。可以看出,最大模式增益不同, 得到的随时间变化的相位差的极值不同; 最大模式增益增大,探测光相位差不断增大。图 8b更清楚地显示了gmax对探测光相位差的影响。当gmax=1800m-1时,探测光的最大相位差为0.0192π;当gmax=2600m-1时,探测光的最大相位差为0.1138π;当gmax=3000m-1时,探测光的最大相位差为0.1933π。这是因为增大gmax,光增益随之增大,QD-SOA有源区内载流子与输入光发生受激辐射的概率增大,而且速率也会增加,导致载流子快速消耗,然而消耗速率加快使得有源区内的载流子得不到及时的补充,所以相位差增大。
如图 9所示,当探测光的最大相位差为0.03π时,输出光峰值功率为1.3320×10-6dBm;当探测光的最大相位差为0.08π时,输出光峰值功率为1.3718×10-5dBm;当探测光的最大相位差为0.15π时,输出光峰值功率为9.6443×10-5dBm。这是由于最大模式增益增大使得探测光的相位差增大,经过光的干涉作用,这种相位差的变化转变为输出光功率的变化,从而使得输出光功率随着相位差的增大而增大。
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如图 10a所示,当抽运光功率不断增大时,由于QD-SOA有源区中迅速降低的载流子浓度引起有效折射率快速变化,导致连续光通过干涉仪的QD-SOA1和QD-SOA2调制后产生的相位差增大。图 10b中进一步说明了探测光相位差与抽运光功率的关系。当抽运光功率为-5dBm时,探测光的最大相位差为0.1933π;当抽运光功率为0dBm时,探测光的最大相位差为0.2711π;当抽运光功率为5dBm时,探测光的最大相位差为0.3277π。因此,随着抽运光功率增加,探测光相位差增大。
Figure 10. a—relationship between phase difference and time with different pump power b—relationship between phase difference and pump power
图 11所示为探测光最大相位差分别是0.20π, 0.25π, 0.30π时的输出波形图像。由图可知,输出光功率随着探测光相位差的增大而增大。当探测光的最大相位差为0.20π时,输出光峰值功率为2.6882×10-4dBm;当探测光最大相位差为0.25π时,输出光峰值功率为4.4908×10-4dBm;当探测光最大相位差为0.30π时,输出光峰值功率为7.3254×10-4dBm。这是因为随着抽运光功率不断增大,探测光相位差不断增加,由于光的干涉作用,相位差的变化进而引起输出光功率的变化。所以当探测光相位差增大时,输出光功率不断增大。
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图 12a显示了脉冲宽度为0.10ps, 0.90ps, 1.50ps时测得的相位差随时间的变化规律。由图可知,脉冲宽度不同时测得的随时间变化的相位差极值不同。这是由于保持输入脉冲的功率不变,增加脉冲宽度,使得载流子更早发生受激辐射,而且载流子消耗速率加快,导致相位差快速增大;但是当脉冲宽度增大到一定程度时,有源区内载流子浓度变化逐渐减缓,使得相位差缓慢减小。图 12b更清晰地显示出探测光相位差随脉冲宽度的变化。可知当脉冲宽度为0.10ps时,探测光的最大相位差为0.0978π;当脉冲宽度为0.90ps时,探测光的最大相位差为0.1930π;当脉冲宽度为1.50ps时,探测光的最大相位差为0.1904π。由此可见,当脉冲宽度增大时,探测光相位差先增大之后趋于平缓再不断减小。
Figure 12. a—relationship between phase different and time b—relationship between with phase different and pulse width
如图 13所示,当探测光的最大相位差为0.14π时,输出光峰值功率为8.4209×10-5dBm;当探测光的最大相位差为0.19π时,输出光峰值功率为2.1935×10-4dBm。可见随着相位差的增大,输出光功率增大。这是由于增大脉冲宽度,探测光相位差会发生改变,经过光的干涉作用,这种相位差的变化转变为输出光功率的变化,从而使得输出光功率随着相位差的增大而增大。