全光波长变换器

全光转换
全光型波长转换器是指不经过电域处理，直接把信息 从一个光波长转换到另一个光波长的器件。在光域中 直接实现波长转换可以克服光-电-光波长转换器中电 器件的速度瓶颈、透明性低等不足。
波长转换器分类
全光波长变换器分类
基于光调制原理 ü交叉增益调制 ü交叉相位调制
全光波长变换器
基于光混频原理 ü差频 ü四波混频
非线性光学效应
全光波长转换器有很多种实现方法。从所采用的基本原 理来看，一般是利用了光学媒质的各种光学非线性效应。
利用信号光携带的信息调制有源介质的增益， 从而调制在同一介质中传播的探测光(通常是连 续光)的放大倍数，使其强度产生调制，实现信 息从信号光到探测光的转换。它实际上可以看 作是特殊的光控光开关。
当信号光和探测光共同传播时，信号光强度信号能够调 制非线性介质的有效折射率，从而改变探测光的传播相 位。如果利用干涉仪将探测光分成两路，并利用信号光 改变两路光之间的相差，在输出端发生相长或相消干涉， 就可使得信号光的信息同相或反相地转换到了探测光上。 常用的干涉仪有马赫一曾德千涉仪、迈克尔逊干涉仪等。
ü 缺点：
转换效率低，转换后信噪比恶化 上转换效率比下转换低 转换范围小 偏振相关
基于四波混频效应
ü 针对FWM-WC的缺点，人们不断在改进。 1. 增加SOA有源区长度，提高转换效率，增加信噪比。 2. 注入短波长补助光，提高转换效率。 3. 采用垂直偏正双泵浦消除偏正相关的影响，提高转换 的范围。 4. 优化非线性介质，提高转换效率。 5. 研究单个波长转换器件的同时，也研究级联器件。
2013211210班 2013211092 刘瑞琦
全光波长转换器研究意义
如今我国光纤通信技术和光纤产业得到了迅猛的发展，现在我 国的主要信息通信网几乎全部实现了光通信，今后光纤也将进 入每个家庭。目前DWDM技术被广泛应用到当前的通信领域。目 前我国传输网的最大容量为160×10Gbit/s，即1.6Tbit/S DWDM。我们国家通信网络的下一步发展目标是向全光网络发展， 要实现全光网的目标，必须在光逻辑和光存储方面有重大的突 破以实现真正的光交换，这样才有可能成为真正的全光网。光 波长变换器赋予光网络的灵活性和扩容性，是未来全光网络的 核心部件。
半导体激光器FWM全光波长变换器
• 基于激光器的FWM过程，利用激光器自激光作为 泵浦，无需其他泵浦光源，与外信号简并形成 FWM。由于饱和效应，激光器FWN的转换效率 不高。 • 利用光纤外栅外腔SOA实现四波混频的方法，以 光栅OFG外腔激光器的一反射面，以两边分别镀 减反膜与高反膜的SOA为有源介质。信号光从 OFG那边注入SOA，与激震波发生四波混频。信 号功率小于1mW时，2.5Gbit/s转换速率误码率小 于10^-9
基于差频过程（DFG）
ü 差频产生（二阶非线性效应）
0 p s
基于差频过程（DFG）
ü 优点：
幅度，频率和相位具有严格的透明性 不会附加噪声 输出信号啁啾反转 可实现多波长转换 输出频谱反转，可以进行信号的色散补偿
ü 缺点：
波导制作难度大，成本高 低波长光的耦合 转换效率比较低
DFG-WC与FWM-WC比较
参考文献
• 1 吴重庆,刘爱民,刘彦辉,董晖;《全光缓存器的研 究进展》 • 2 李亚安,徐德民;《非线性动力系统的状态空间重 构》 • 3 陈建肖,陶振宁,吴德明,徐安士;《全光波长转换 技术研究 》 • 4 张彤,崔一平;《集成光学国际研究进展》 • 5 李明,吴亚明;《非对称Y分支波导结构的理论分 析》
波长转换器相当于一个信号处理器，能够输入、输出和加载
控制信号，就如同真空管时代的晶体管和三极管，因此波长 转换器将具有更广阔的应用空间 ü 今后的发展趋势是可集成，可调谐，高性能和实用化。
总结
本文介绍了全光波长转换器在光网络中 的作用，并介绍了几种常见的波长转 换器及其优缺点（光-电-光，XGM-WC， XPM-WC，FWM-WC，DFG-WC），同时介 绍了一种SFG-DFG型的可调谐光纤转换 器，最后对全光波长变换器的创新和 发展前景提出了思考
什么是波长转换？
定义：光波长转换器是把光信号从一 个波长转换为另一个波长的器件。 控制单元：变换到任意指定的波长。
波长转换技术的意义
波长转换器在光交叉互连(OXC)、 光网络管理等领域中得到了广泛 的应用。 实现波长的分配及管理、光信息 的交换及路由，解决网络中波长 竞争，增加网络管理的灵活性。
四波混频是一种重要的三阶非线性效应。在量子力学中 的定义是：一个或几个光波的光子被湮灭，同时产生了 几个不同频率的新光子，且在此参量过程中，净能量和 动量是守恒的。 光纤中的四波混频现象是有利还是有害，将取决于其具 体应用在什么方面。在WDM系统中，FWM能够引起信道间 的窜话，限制了系统的通信质量，因此将尽量降低FWM 现象。然而正是由于FWM能够颇为有效地产生新的光波， 人们已对它进行了广泛地研究，FWM现象又可被利用实 现完全透明的全光波长变换。
FWM-WC 本质 SOA中的三阶非线性 DFG-WC PPLN的二阶非线性
转换效率
转换范围 卫星频率
变化大（>20dB）
小 有
低（一般在-17dB）
大，且平坦 无
偏振敏感
多通道同时转换 透明度
单泵浦时强烈
好
不敏感
好
基于LLPN实现波长变换
对全光波长变换器的创新 • 课题考虑了全光波长转换器的创新，对基 于半导体激光器AOWC的转换器产生了兴 趣。此类激光器应基于交叉增益调制和四 波混频效应FWM来实现。创新讨论FWM效 应的全光波长变换器
基于四波混频效应
ü FWM的四个频率
s p
信号频率 泵浦频率
0 2 p s 0 ' 2s p
基于四波混频效应
ü 优点：
调制格式透明，任何信息（幅度，相位和频率） 都能保留下来 能同时转换多个波长 作用距离短，对相位匹配不敏感 转换后信号光谱反转，因此可以用于色散补偿
交叉相位调制（XPM）型
SOA-MZI-XPM原理示意图
交叉相位调制（XPM）型
SOA-MI-XPM原理示意图
交叉相位调制（XPM）型
ü 优点：
输入信号功率小 频率啁啾小或负啁啾 消光比大大提高 便于集成，工作稳定，适用方便
ü 缺点：
输入功率的动态范围比较窄，所以必须对输入信号的功 率进行严格控制，只有采用单片集成技术才能得到较 好的效果
交叉增益调制（XGM）型
利用SOA的增益和 特点 利用增益介质中 的载流子浓度来 复调制 输入与输出完全 相反。
交叉增益调制（XGM）型
ü 优点：
结构简单、容易实现 转换效率高 波长转换范围宽 对偏振不敏感
ü 缺点：
输入输出信号反相 输出消光比退化（上转换时“能带倒空”，退化严重（ 增加SOA有效长度来改进，级联） 比特率透明有限 噪声指数高 啁啾大
元器件的参数指标
前景展望
ü 对于下一代高容量光网络，基于波混频的全光波长转换在下 一代光网络中具有较大的优势，因为它能够实现完全透明的 波长转换，这对于高级光交换至关重要。在这些波长转换技
术中，最终谁将胜出，在一定程度上也取决于网络的体系结
构。 ü 波长转换器件的应用不只局限于光网络。从更广的视角看，