摘要：超快非线性干涉仪(UNI) 是一种基于半导体光放大器(SOA) 的超高速全光开关器件。UNI的开关窗口特性的好坏是评价 UNI 性能的一个重要指标。文章对单臂结构的 UNI 的工作原理进行了描述，并用 Optisystem 3.0 对 UNI 开关窗口特性进行了仿真模拟，详细分析了延时τ、SOA的偏置电流、控制光功率以及连续光功率等因素对 UNI 开关窗口的影响，从而为实现最佳的开关窗口提供了一个理论指导。
引 言
超快非线性干涉仪(UNI) 是一种基于半导体光放大器(SOA) 的超高速全光开关器件。UNI 既可用作光时分复用系统(OTDM) 中的解复用器及上下路复用器，也可以作为全光光开关用于全光 3R 再生系统中的判决门以及光逻辑门[1, 2]。作为光开关，UNI 的性能非常出色，其对数据的再生能力达到了 40Gbps 以上[3, 4]，对 OTDM 数据的解复用能力也达到了 160Gbps[5, 6].
本文对单臂结构的 UNI 的工作原理进行了描述。因为 UNI 开关窗口特性的好坏直接影响 UNI 的性能，因此，在分析 UNI 传输函数的基础上，运用 Optisystem3.0 对 UNI 开关窗口进行了模拟，分析了不同 SOA偏置电流及内部参数，不同控制光功率以及连续光功率条件对 UNI 开关窗口的影响，为实现最佳的 UNI开关窗口奠定了理论基础。
1 UNI 的工作原理
单臂结构的超快非线性干涉仪如图1 所示。图中 Polarizer 是起偏器，也可用作检偏器。BRF1 和 BRF2是长度同的双折射光纤，PC 是偏振控制器。耦合器的分光比 50 :50，SOA 是半导体光放大器。数据脉冲经过起偏器进入双折射光纤 BRF1，起偏器方向与BRF1 的快慢轴方向夹角为45°。数据脉冲经BRF1 后被分成偏振方向垂直，时延为τ 的两束偏振光，τ 的表达式为
式中no, ne分别为 BRF 的快慢轴折射率，L 为 BRF 的长度，c 为数据脉冲在 BRF 中的群速度。由上式可知，时延τ 可由 BRF1 的长度控制。
然后，数据脉冲经过 50 :50 的耦合器与控制脉冲耦合，注入 SOA。当有控制脉冲在数据脉冲的两个偏振光之间插入时，由于控制脉冲的作用，SOA 的折射率和增益将发生非线性变化，这样会使后一束偏振光的相位倒π，经过 BRF2(BRF2 的快轴与 BRF1 的慢轴平行) 后重新合成一束偏振光，该偏振光的偏振方向与数据脉冲的偏振方向成 90°。由于检偏器的方向与起偏器的方向也成 90°，所以合成光的偏振方向与检偏器方向相同，有数据输出。如果没有控制脉冲的插入，两束偏振光将受到相同的相位调制，经过 BRF2 后将合成与数据脉冲偏振方向相同的偏振光，偏振方向与检偏器方向垂直，故无数据输出。滤波器可在数据输出端将控制脉冲滤除，这样就可以通过有无控制脉冲来实现 UNI 的开关功能，输出窗口由时延τ 决定。偏振控制器(PC)可用来分离输入数据在两个偏振方向的功率，使数据脉冲的偏振方向与起偏器的方向一致;调整两个偏振分量进入 BRF1 的功率分配;调整两段 BRF 的快慢轴方向以及合成脉冲进入检偏器的功率。
2 UNI 的传输函数分析
3 UNI 输出窗口特性的模拟和分析
图2 所示是 Optisystem 3.0 软件模拟的实验结构图。其中，控制光波长为1553nm，频率为 40Gbps，脉冲宽度0.15bit;连续光波长为 1536nm。由于模拟软件中没有双折射光纤和保偏光纤，故用偏振分束器、延时器和偏振合束器代替 BRF。在模拟中采用连“1”码进行分析。
3.1 延时τ 对UNI 输出窗口的影响
双折射光纤的快慢轴折射率nx和ny决定了两正交偏振态光经双折射光纤后所产生的延时τ，其大小为
时窗口的幅度较小。当延时τ 在半周期内逐渐增大时，窗口的幅度和宽度都有所增加，此时主窗口幅度大于伴随窗口幅度。当延时τ 达到半周期时，即τ =12.5ps 时，主窗口与伴随窗口的幅度相同，此时窗口性能很差。当延时τ 增大到超过半周期后，主窗口和伴随窗口易位，伴随窗口的形状与 T-τ 时的主窗口相同。但是对 SOA 而言，其增益并不需要完全恢复，只要增益变化幅度足够大，就可以对数据脉冲产生足够的增益和相位调制，从而保证了开关窗口的幅度。UNI 的开关速度和 SOA 增益恢复速度几乎无关，主要和SOA 响应时间有关，因此突破了恢复时间的限制，开关速度可以达到很高的水平。
3.2 SOA 偏置电流对 UNI 输出窗口的影响
SOA 的偏置电流 I 与载流子的恢复速度成正比，与小信号增益也成正比，对 SOA 增益响应有影响。SOA 的交叉增益调制(XGM) 效应和交叉相位调制(XPM) 效应都与载流子密度有关，所以 SOA的偏置电流必然会对 UNI 的输出窗口产生影响。图5 为 SOA 偏置电流分别取 150mA、180mA、200mA、220mA 和 250mA 时所得到的 UNI 输出窗口。控制脉冲功率为 5dBm，连续光功率为-3dBm，延时τ =7.5ps。从图中可以看出，在其它因素不变的情况下，SOA 的偏置电流 I 加大时，载流子密度会相应变大，SOA 的增益也随之增大。SOA 的饱和增益和非饱和增益都会变大，从而 SOA 对前后脉冲的增益和相移的影响都会有所变化，UNI 的输出窗口幅度也会增加。如果电流过大使相位差超过 π，尽管开关窗口的幅度仍会增加，但窗口的形状却会受到影响，将出现幅度的双峰现象。因此注入电流不能过大，以不出现双峰、相位差为π 时的电流为佳。
3.3 控制脉冲功率对 UNI 输出窗口的影响
控制脉冲进入 UNI 系统后会对 SOA 载流子浓度和增益特性产生影响，从而影响SOA 的 XGM 效应和XPM 应。因此，控制脉冲功率对 UNI 开关窗口的特性有着直接的影响。图6 为控制脉冲功率分别取 1dBm、3dBm、5dBm、7dBm 和 9dBm 时所得到的 UNI 输出窗口。此时，SOA 偏置电流为 200mA，连续光功率为-3dBm，延时τ =7.5ps。从图中可以看出，随着控制脉冲功率的增加，输出窗口的幅度也相应增大，与此同时，窗口的幅度虽继续增大，但会出现双峰现象，左右两边也变得极不对称。因此，控制脉冲的功率不能太大，否则会影响开关窗口的特性。当脉冲宽度逐渐变大时，窗口的高度降低，但宽度几乎没有变化，相位差也同时变小了。综合以上两点可以看出，要得到较好的开关窗口需要短而强的控制脉冲。
3.4 连续光脉冲对 UNI 输出窗口的影响
不同的连续光功率会对 SOA 的增益特性产生影响，因此也会对 UNI 的输出窗口产生影响。图7 为连续光功率分别取 3dBm、1dBm、-1dBm、-3dBm 和-5dBm 时所得到的 UNI 输出窗口。此时SOA 偏置电流为 200mA，控制脉冲功率为 5dBm，延时τ =7.5ps。随着连续光功率的增加，输出窗口逐渐减小。这是因为随着连续光功率的不断增加，当连续光功率增加到相对于控制光功率不可忽略时，连续光会加大对 SOA 载流子的消耗，从而使 UNI 输出窗口减小，整体幅度输出下降。
4 结 论
本文对单臂结构的 UNI 的工作原理进行了描述，在结合 UNI 的传输函数分析了光脉冲经过单臂结构的 UNI 后的输出，并运用软件 Optisystem3.0 对 UNI 开关窗口进行了仿真模拟，分析了不同参数条件对UNI 开关窗口的影响。模拟结果表明，当延时τ 取较小值，SOA 的偏置电流较强、控制光采用短而强的脉冲、连续光功率较小时，开关窗口有较好的特性，但应控制 SOA 偏置电流、控制光功率不应过大，以使得开关窗口的幅度较大，且不出现双峰现象时为佳。
参考文献：
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[2] BINTJAS C，KALYVAS M，THEOPHILOPOULOS G，Stathopoulos T. 20Gb/s all-optical XOR with UNI gate [J]. IEEEPhotonics Technology Letters，2000，12(7)：834-836.
[3] A.E.KELLY，I. D. PHILLIPS，R. J. MANNING，et al. 80Gbit/s all optical regenerative wavelength conversion usingsemiconductor optical amplifier based interferometer [J]. Electronic Letters，1999，35(17)：1477-1478.
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[5] C. SCHUBERT，J. BERGER，U. FEISTE，et al. 160-Gb/s polarization insensitive all-optical demultiplexing using again-transparent ultrafast nonlinear interferometer [J]. IEEE Photonic technology Letters，2001，13(11)：1200-1202.
[6] SCHUBERT C，DIEZ S，BERGER J，et al. 160-Gb/s all optical demultiplexing using a gain-transparent ultrafast-nonlinearinterferometer (GT-UNI) [J]. IEEE Photonics Technology Letters，2001，13(5)：475-477.
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作者简介：张孝俊(1981-)，女(汉族)，四川成都人，硕士生，主要研究工作是进行光电检测以及光电防伪技术方面的研究。E-mail: xiaojunzhang028@yahoo.com.cn
