SOA全光波长转换技术及其研究进展
CWDM标准与关键技术
CWDM
1 CWDM的技术标准
CWDM是指信道之间的波长间隔较大的一种波分复用，即人们所称的粗波分复用。CWDM（粗波分复用）技术的出现使运营商找到一种低价格、高性能的传输解决方案，由于CWDM具有低成本、低功耗、小体积等诸多优点，在城域传送网已经有了一定应用。许多国内外制造商也开始研发和陆续推出产品，ITU也在加速其标准化进程。CWDM技术提高了光纤利用率，给运营商和用户以更大的灵活性。
ITU－T的CWDM建议。
“针对WDM应用的光谱间隔：CWDM波长间隔”。在1270～1610nm范围内，建议了波长间隔20nm的18个可用波长，可以在光纤上使用，如图所示。
IEEE的10GbE系列标准。
该系列主要包括850nm窗口的10GBaseSX-4 CWDM和1310nm窗口的10GBaseLX－4CWDM两个标准。10GBaseLX-4 CWDM同］TU－T建议1310nm窗口的标准相似，只是其波长间隔为，即WWDM。由于仅采用了4个波长，波长间隔较大的信道之间能够容许更大的色散，每个信道传输速率可以达到s，传输距离超过10km。在1310nm窗口建议的可选信道波长为：（～）；（～）；（～）：（～）。
0IF的VSR－5标准。
在40Gb/s的VSR5中的4×10CWDM方案中，4路传输速率为s至s的并行数据信号，分别驱动4个波长在至的激光器。每个激光器的中心波长间隔为，同IEEE的标准一致。从这些激光器发出的光经一个光复用器耦合到一根普通的单模光纤中，复用后的光信号以s至s的速率在光纤链路上传输。 以上几个国际建议标准，趋向于统—采用波长间隔的IEEE和0IF建议。这样在1260～1625nm的波长范围内，可用波长数为17个，16个波长可以在城域网或者局域网的范围内分配给用户使用，剩余一个波长用做管理信道。
2 CWDM系统优点
CWDM系统的最大的优势在于成本低，其主要表现在器件、功耗、集成度几个方面。
基于光纤中SRS效应的全光波长转换
第３４卷第５期 ２０１３年９月 应用 光学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏ１．３４ ＮＯ．５ Ｓｅｐ．２０１３
文章编号：１００２－２０８２（２０１３）０５—０８８２—０７
基于光纤中ＳＲＳ效应的全光波长转换
徐军华 ，赵 云 ，冷 斌。，巩稼民 ，惠战强
（１．西安邮电大学理学院，陕西西安７１０１２１；２．西安邮电大学电子工程学院，陕西西安７１０１２１； ３．西安邮电大学通信与信息工程学院，陕西西安７１０１２１）
摘 要：提出利用光纤中非线性效应——受激喇曼散射（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＳＲＳ）实
现波长转换的原理方案和相应的理论分析模型，并进行实验验证，将经过放大后的信号光和连
续探测光同时注入光纤，在光纤中进行ＳＲＳ放大，实现信号之间的转换。结果表明：利用ＳＲＳ
可实现波长转换，可实现跨几个ＴＨｚ的波长之间的转换。得到最大转换效率和消光比分别为
一１７．３ ｄＢ和１５．７ ｄＢ。通过改变探测光的波长，可实现相隔几个ＴＨＺ光信号的全光波长转换
和可调谐波长转换。
关键词：光通信；光纤光学；受激喇曼散射；全光波长转换
中图分类号：ＴＮ９２９．１１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１３３４．０５０８００１
Ａｌｌ—ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ
Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ
ＸＵ Ｊｕｎ—ｈｕａ ，ＺＨＡｏ Ｙｕｎ ，ＬＥＮＧ Ｂｉｎ。，ＧＯＮＧ Ｊｉａ—ｍｉｎ ，ＨＵＩ Ｚｈａｎ—ｑｉａｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１２１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１２１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ａｌｌ—ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒ—
全光信息处理
全光信号处理
摘要
光信号处理涉及光学和信号处理的许多方面，即非线性器件与非线性处理
器，模数信号，和先进的数据调制格式—以实现高速信号处理功能可在光纤通信
线路速率运行。信息可以被编码在振幅，相位光波波长，极化和空间特征实现高
容量传输。我们重新在导致最近的研究在光信号处理为被编码在一个或多个这些
方面的数字信号的关键使能技术的进步。各种光学非线性和色散已显示使密钥子
系统的应用，如波长转换，多播，复用，解复用，并且可调谐光学延迟。我们审
查的最新进展在均衡，再生，灵活的信号生成和光控制信息（光逻辑和相关性）
的区域高速光信号处理应用。
关键词：调制格式，非线性，光逻辑，光信号处理，正交幅度调制（QAM）。
I引言
科技使人们在各行各业产生，存储和传输大量的数据。最近，在高速干线数
据网络的技术进步，与带宽要求苛刻的应用，例如数据和视频共享，云计算和数
据收集系统的不断增长的趋势一起，导致在信号传输和信号处理需要更高的容
量。例如，在YouTube独自在每一分钟，超过10年的视频正被观看和过72小
时的新内容正在上传[1]，其中约25％的从移动设备传来的流量。预计这一流量
将增加，因为高容量的网络基础设施提供激励新的应用程序，反之亦然发展的平
台。由于其相对大的带宽，光学互连和通信已被认为是一种可能的解决方案，以
帮助电子传输高数据容量[2]。
众所周知，一个透镜做傅立叶变换[4];然而，透镜未被使用内部计算机以执
行数字信号处理，因为无论是输入或输出应在光域开始与和它可能是难以自圆其
说的电子信号转换成
光学和回到电子用于进行傅立叶变换。然而，光信号处理最近一直由于在光通信
技术，直接影响光的五个不同地区的重新审视，以最新进展的信号处理。这些技
术可以使一个令人信服的理由，为什么某些功能可以执行的光，如图1注意。先
进的光调制技术和相干检测一起使用的高速电子（数字信号处理）可以编码和访
问上的振幅，相位，偏振四光学领域的信息，和每一空间模式的波长。重要的是，
NOLM全光波长变换的优化设计
【机械与电子工程】
NOLM全光波长变换的优化设计3
贾东方
(天津大学精密仪器与光电子工程学院,教育部光电信息技术科学重点实验室,天津 300072)
摘 要:通过理论分析和数值模拟研究了构成非线性光学环镜(NOLM)的光纤长度和泵浦脉冲峰值
功率对采用NOLM实现波长变换的系统输出脉冲的影响。研究表明:在较高泵浦功率和较短NOLM环长
度下,可以实现在最高转换效率的同时,波长变换脉冲无展宽,并且在此情况下波长变换信号有较好的信
噪比;与此同时,分析了波长变换脉冲的啁啾特性和频谱特性。
关键词:全光波长变换;NOLM;XPM
中图分类号:TN911.74 文献标志码:A 文章编号:1673-4939(2007)03-0125-04
未来超高速光纤通信系统将是光时分复用
(OTDM)和波分复用(WDM)的混合通信网络系统,
全光波长变换是实现OTDM和WDM网络接口变换
复用器和WDM子网内部光学交换系统的关键技术
之一[1,2]。目前采用半导体光学放大器(SOA)的增
益饱和效应[3]和交叉相位调制(XPM)效应[4]的全
光波长变换器件,由于受到SOA较低载流子寿命影
响,变换速率较低。由于光纤内的非线性响应可以
近似认为是瞬时的,所以采用非线性光学环形镜
(NOLM)的全光纤波长变换系统变换速率快,有望
成为突破Tb/s通信系统光交换技术的首选方
案[5,6],而且NOLM全光波长变换还具有耦合效率
高、结构简单和全光纤化等优点。采用NOLM的全
光波长变换系统正在向更高转换速率和更宽变换间
距发展。文献[7]报道了利用高非线性光纤构成的
NOLM进行了80Gbit/s的波长变换,文献[8]报道
了利用NOLM实现了2.4GHz,1532～1544nm
全光波长变换,但是利用NOLM进行波长变换会
由于走离效应导致变换信号的展宽,限制了波长变
换系统的带宽。采用群速度均衡NOLM可以有效
地抑制波长变换信号的展宽[9],另外,Emmanuel
Rossi等人采用一种新型的群速度补偿方案实现了
模拟除法器
1 目 录
一 题目要求与方案论证 ....................................................................................... 2
1.1模拟除法器 ........................................................................................................................ 2
1.1.1题目要求 .................................................................................................................. 2
1.1.2 方案论证 ................................................................................................................. 2
1.2（实训题题目）波形发生器与计数器 ............................................................................. 2
1.2.1题目要求 .................................................................................................................. 2
1.2.2方案论证 .................................................................................................................. 3
基于非线性光纤四波混频的波长转换
基于非线性光纤四波混频的波长转换
作者： 许建慧
来源：《科技视界》 2013年第22期
许建慧
（广东宜通世纪科技股份有限公司，广东 广州 510630）
【摘 要】波分复用的发展为通信网信息量的爆炸性增长提供了带宽支持，是未来大容量、高速率的光子网络的基础。链路上的高速率对通信节点的吞吐和交换能力提出了要求，目前使用的O-E-O波长转换受电子瓶颈的约束，将无法应付未来100Gbit/s以上的网络速率，而全光波长转换器可以胜任。基于高非线性光纤FWM的波长转换，结构简单且灵活，并由于非线性固有特征具备超高速、全透明转换能力，未来有着广阔的应用前景。
【关键词】FWM；波长转换；极化控制；相位匹配；零色散波长；双折射
0 介绍
WDM技术的进步促进了光纤物理链路上可用带宽快速发展，目前WDM的单通路传输速率商用化产品达到了40Gbit/s。高容量的传输加大了交换负荷。对于100Gbit/s的网络速率，电子交换显得很吃力，而光分组交换具有纳秒级甚至更高的交换速率，能够应付未来更高速率网络。光分组交换是不含O-E-O的全光交换，交换的颗粒度达到数据包级，同时支持波长交换。OXC是光波长交换中一个关键成员，其中的全光波长转换器能够解决OXC中的阻塞，即光域中的波长竞争，使波长可进行link-by-link的分配，增加了有限波长资源的利用率。
非线性光学领域的研究在最近十几年发展迅猛。研究显示通过部署高比特率的多波长系统及光放大器产生的XPM,SPM及FWM等非线性效应[1]可用于全光波长转换，并都通过了实验证实，例如在SOA中[2]、在光纤中[3-4]和在晶体中[5]等等。其中，基于光纤FWM的波长转换具飞秒响应、低插入损耗、非退化信号消光比及低噪声等固有特性，有希望实现Tbit/s的高速性能。德国的Huettl 和丹麦的Galili已进行了联合实验：在1100m长的高非线性光纤中利用FWM实现了320Gbit/s差分四相移键控（QDPSK）信号的波长转换[6]。
【国家自然科学基金】_半导体光放大器(soa)_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
序号科研热词推荐指数序号科研热词1半导体光放大器181半导体光放大器2光纤通信72光通信3全光帧时钟提取43四波混频4全光信号处理34交叉增益调制5消光比25半导体光放大器(soa)6波长转换器26光纤通信7法布里珀罗滤波器27偏振移位键控8差分交叉相位调制28偏振旋转9光纤环形腔29信噪比10驱动电路110频移键控11非线性光学111非线性过程12量子阱混杂112非线性偏振旋转13输出光谱113锁模14误差分析114辅助光15色散补偿115色散16自增益调制116群速度色散17脉冲复制117电吸收调制器(eaw)18离子注入118混沌19瞬态交叉相位调制119消光比20相干时间120洛伦兹方程21环形腔光纤激光器121波长转换22激光器122法布里-珀罗滤波器23波长转换123折射率动态特性24法布里-珀罗滤波器124强超短光脉冲25正码波长变换125延迟干涉仪26有源光纤环脉冲复制器126帧时钟提取27掺铒光纤放大器127多波长激光器28干涉条纹可见度128多波长29带通滤波器129复用/解复用30多速率130增益饱和31多点传送131增益透明32增益恢复时间132增益色散33四波混频133半导体光放大器环形激光器34啁啾控制134分组交换35可调谐激光器135全双工36动态增益136全光逻辑门37全光逻辑门137全光通信38全光逻辑138全光译码器39全光缓存器139全光波长变换40全光包交换140全光比较器41光纤耦合器141全光半减器42光纤环形激光器142全光包交换43偏振混沌143全光再生44偏振旋转144光缓存器45偏振延时干涉仪145光纤通信技术46偏振主态146光纤环形腔47交叉相位调制147光纤激光器48交叉增益调制148光纤无线通信49二极管149光毫米波产生50上升时间150光标记交换51fabry-perot滤波器151光数据包复制器52光控偏振开关2008年2009年53光信号处理54偏振态位移键控55偏振复用/解复用56偏振合束器57偏振主态58交叉偏振调制59中间跨度谱反转60wigner分布61soa理论模型62mueller矩阵方法63mach-zehnder(m-z)干涉仪64l-波段
适用于PolSK调制的FWM型全光波长转换器
２０１０年第２期 （总第１５８期） 光通信研究 ＳＴＵＤＹ ｏＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴ１０ＮＳ ２０１Ｏ．０４ （Ｓｕｍ．ＮＯ．１５８ ） 光电器件研究与应用 适用于ＰｏｌＳＫ调制的ＦＷＭ型全光波长转换器 吴杨，李培丽，施伟华 （南京邮电大学光电工程学院，江苏南京 ２１０００３） 摘要：文章提出了一种利用半导体光放大器（ＳＯＡ）中的四波混频（ＦＷＭ）效应、适用于偏振移位键控（Ｐｏ１ｓＫ）调制的全光波长 转换器方案。注入的辅助光可以缩短ＳＯＡ增益恢复时间，增大饱和功率，提高波长转换效率。通过数值模拟从理论上实现了 这种全光波长转换器，研究了输入泵浦光、信号光和辅助光功率对全光波长转换器输出特性的影响。 关键词：全光波长转换器；四波混频；偏振移位键控；半导体光放大器 中图分类号：ＴＮ２５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—８７８８（２０１０）０２—００３７—０３ Ａｎ ＦＷＭ＿。ｂａｓｅｄ ａｌｌ＿。ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｆｏｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｗｕ Ｙａｎｇ，Ｌｉ Ｐｅｉｌｉ，Ｓｈｉ Ｗｅｉｈｕａ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ＆Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ；Ｎａｎｉｉｎｇ ２１０００３；Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ａｌｌ—ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｓｃｈｅｍｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｆｏｒ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－Ｓｈｉｆｔ—Ｋｅｙｉｎｇ（ＰｏｌＳＫ）ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａ— ｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｏｕｒ Ｗａｖｅ Ｍｉｘｉｎｇ（ＦＷＭ）ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ（ＳＯＡ）．Ｉｎｊｅｃｔｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｌｉｇｈｔ ｃａｎ ｓｈｏｒｔｅｎ ＳＯＡ ｇａｉｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｉｍｅ，ｗｈｉｌｅ ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ ａｌｌ—ｏｐ— ｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｉｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｉｎｐｕｔ ｐｕｍｐ ｌｉｇｈｔ，ｓｉｇｎａｌ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ ｌｉｇｈｔ ｏｎ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｌｌ—ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＦＷＭ；ＰｏＩＳＫ；ＳＯＡ 全光波长转换器是未来全光网络中十分重要的 一种功能器件，它能够提高子网间的互联性，解决波 长竞争，消除阻塞，提供虚波长路由。目前，对全光 波长转换器的研究很多，但大多集中在开关键控 （ＯＯＫ）信号和差分相移键控（ＤＰｓＫ）信号的波长转 换方面，而对偏振移位键控（ＰｏｌｓＫ）信号的全光波 长转换器研究很少。Ｐｏ１ＳＫ信号具有接收灵敏度 高、功率恒定和对发射激光的相位噪声不敏感等优 良特性口 ｊ，因此研究ＰｏｌＳＫ信号的波长转换具有 重要的意义。目前只有清华大学的韩柳燕等人利用 半导体光放大器（ＳＯＡ）中的四波混频（ＦＷＭ）效 应，在实验中实现了１０ Ｇｂｉｔ／ｓ的ＰｏｌＳＫ信号的全 光波长转换［ 。但由于ＦＷＭ效应比较弱，因此这 种波长转换的效率较低。为了提高转换效率，我们 提出一种性能改善方案：注入一束处于ｓｏＡ的透 明波长处的连续辅助光［５］，可以有效地加快载流子 的恢复，缩短增益恢复时间，提高ＳＯＡ的响应速 度，这种方案可以实现快速高效的波长转换。我们 利用宽带理论模型，从理论上实现了这种全光波长 转换器，并模拟研究了输入泵浦光功率、信号光功率 和辅助光功率对全光波长转换器输出特性的影响。 １ 工作原理 本文提出的全光波长转换器，利用了ＳＯＡ中 ＦＷＭ效应的偏振选择原理，即输入到ＳＯＡ中的两 路信号光，它们的偏振态必须满足一定的条件才会 发生简并的ＦＷＭ效应，如果两输人光的偏振态相 互垂直，就不会发生ＦＷＭ效应。本方案中输入信 号光是二进制的ＰｏｌＳＫ信号，它是通过调制光波的 偏振态使两个正交偏振态分别表示二进制中的逻辑 “０”和“１”的。 Ａ Ａｐ Ａ 图１ 一 纛 适用于ＰｏｌＳＫ调制格式的 意图。图中， ＦＷＭ型全光波长转换器 。为信号光， 结构示意图 。为泵浦光， 是处于ＳＯＡ透明波长处的连续辅助光，这３束光 通过光耦合器（Ｏｃ）耦合到ＳＯＡ中。调节偏振控制 器（ＰＣ），使得输入泵浦光 和输入信号光 的两个 偏振态分别呈４５。，这样，输入到ＳＯＡ的信号光和 泵浦光就会在两个偏振方向上满足ＦＷＭ效应的偏 收稿日期：２００９ １１ １９ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０７０７００６）；江苏省高校自然科学研究项目（０９ＫＪＢ５１０００９）；南京邮电大学引进人才科研启动基金 资助项目（ＮＹ２０７１４２） 作者简介：吴杨（１９８２一），男，安徽蚌埠人，硕士研究生，主要研究方向为光通信与光信号处理。
基于准相位匹配技术的全光波长转换
》髑ｌｌ７２镫黝瞅ｌ麟 基于准相位匹配技术的全光波长转换 提要本文回顾了全光波长转换的 研究历程，介绍了基于准相位匹配技术的 全光波长转换技术研究的最新进展，着重 介绍了基于准相位匹配技术的不同构型 和不同二阶非线性效应下的波长转换方 案的基本原理和实现方法，讨论了准相位 匹配技术在全光波长转换过程中应用的 意义和前景． 关键词；全光波长转换；准相位匹配： 二阶非线性效应；单通构型；双通构型 中图分类号：Ｆ４９文献标识码：Ａ 一、引言 众所周知，全光波长变换是ＷＤＭ光 网络中提供波长路由和波长再利用的关 键技术。它利用有限的波长资源，支持不 同波长之间的连接，可以增强网络的重构 能力和生存能力，提高网络的灵活性和效 率。波长转换器件的另一个重要用途是实 现不同光网络间的波长匹配，可以把不同 波长系列产品统一到同一波长标准上，实 现网络间的通信。随着对波长转换技术的 研究，目前已有多种不同的技术用于实现 全光波长转换。基于半导体的全光波长变 换器件由于非常紧凑所以很容易集成，并 可以利用成熟的硅集成电路的制造方法， 所以在实际当中基于半导体光放大器 （ＳＯＡ）的波长转换技术得到了较为广泛 的应用。根据实现原理的不同，这种波长 转换器件可以利用交叉增益调制 （ＸＧＭ）、交叉相位调制（ＸＰＭ）和四波混 频三种效应来实现波长变换。除此之外， 利用光纤的非线性效应也可以实现波长 转换。目前，基于光纤中四波混频效应的 波长转换器以及非线性光学环镜型波长 转换器发展得很快，并且在复用、解复用、 交叉连接等方面显示了广泛的能力。但由 固 口文／鹿建江 于需要的光纤的长度很长（１一ｌＯｋｍ），基 于光纤非线性效应的波长转换器在集成 方面有较大的缺陷。还有・种基于电吸收 调制器中交叉吸收调制效应的波长转换 技术在近几年来也得到了广泛的研究，不 过此技术需要输入信号光的功率比较高， 一般要求达到１６—１９ｄＢｍ，因此器件的效 率不高，而且长期在大功率情况下工作， 可靠性也不高。 相对于上面介绍的波长转换技术而 言，利用准相位匹配（ＱＰＭ）技术也能够实 现全光波长转换，且具有许多独特的优 势。它利用非线性效应产生新频率光场来 实现波长转换，可完全复制原信号光的强 度和相位信息，并且非线性作用响应时间 极短（飞秒量级），所以是唯一严格意义上 的对信号光速率和调制格式完全透明的 全光波长转换技术。此外，该技术还具有 独特的多波长同时转换能力，转换过程噪 声指数极低，转换后波形无畸变，并且潜 在的可转换带宽对光纤工作波段透明，所 以引起了人们极大的兴趣。自Ｃ．Ｑ．Ｘｕ等 人于１９９３年首次报道了基于ＰＰＬＮ光波 导的差频效应的１．５ｐ，ｍ波段全光波长转 换技术以来，基于准相位匹配技术的全光 波长转换器逐渐受到研究者的重视。１９９８ 年开始，Ｇ．Ｐ．Ｂａｎｆｆ等人又提出并实现了基 于ＰＰＬＮ波导的级联二阶非线性倍频 （ＳＨＧ）＋差频（ＤＦＧ）效应的波长转换器， 不再使用０．７８ｐ，ｍ波段的泵浦光，而是采 用１．５５ｐ，ｍ波段的经ＥＤＦＡ放大的单模 激光作为初始泵浦源。利用级联ＳＨＧ＋ ＤＦＧ效应使得所有注入波导的光波都在 １．５５ｐｔ，ｍ波段以ＴＭ００基模形式耦合进波 导，解决了０．７８ｐ，ｍ光难以与单模光纤模 式耦合的难题。基于级联和频（ＳＦＧ）＋差 频（ＤＦＧ）效应的波长转换方案，由Ｃｈｅｎ 和Ｘｕ等人于２００４年提出，两个泵浦源 的使用提高了泵浦带宽，同时增加了泵浦 波长选择的灵活性。随后Ｙｕ和Ｇｕ等人 又提出了双通构型的基于级联ＳＦ＿Ｇ＋ＤＦＧ 效应的波长转换方案，相对于单通构型而 言，双通构型转换效率更高，而且分析过 程也可以得到简化。目前，利用准相位匹 配技术实现全光波长转换已成为波长转 换领域的研究热点。因此，本文对准相位 匹配技术在全光波长转换过程中的应用 作了介绍，分析了基于准相位匹配技术的 全光波长转换的基本原理和实现方法，并 以单通ＳＨＧ￣ＤＦＧ波长转换器为例对基 于准相位匹配技术的波长转换实验进行 了说明，最后指出了准相位匹配技术在此 领域中应用的前景和意义。 二、基于准相位匹配技术的全光波长 转换的基本原理 基于准相位匹配技术的全光波长转 换器主要是利用周期极化晶体中的二阶 非线性效应来实现波长转换的，据此我们 可以把他们分为直接基于差频效应的波 长转换器、基于级联二阶非线性倍频 （ｓＨＧ）＋差频（ＤＦＧ）效应的波长转换器和 基于级联二阶非线性和频（ｓＦＧ）＋差频 （ＤＦＧ）效应的波长转换器。如果再根据波 长转换过程中生成的倍频光，和频光在晶 体里传输的次数进行细分的话，基于 ＳＨＧ＋ＤＦＧ和基于ＳＦＧ＋ＤＦＧ效应的波长 转换器又有单通和双通两种构型，其中单 通构型波长转换器中倍频光，和频光沿着 通光方向只传输一次，而双通构型中倍频 光，和频光沿着通光方向传输了两次。下 面分别对他们的基本原理进行说明： １、基于差频效应的光波长转换。差频 发生（ＤＦＧ）是由一束强泵浦光 与一束 通常较弱的信号光∞ 混合，通过二阶非 《合作经济与科技》
基于SOA的全光波长转换器及其研究进展
科技信息 ０机械与电子０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２００８年第１期
基于ＳＯＡ的全光波长转换器及其研究进展
刘林邵钟浩 （南京邮电大学光电工程学院江苏南京２１０００３） 【摘 要】全光波长转换器是波分复用光网络的关键器件，本文介绍并比较了三种典型的基于半导体光放大器（ＳＯＡ）￣－光波长转换器 ，并且 介绍了国内外最新的基于ＳＯＡ的全光波长转换器的实现方案 【关键词】ＳＯＡ；全光波长转换器；交叉增益调制；交叉相位调制；四波混频；瞬态交叉相位调制 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＳＯＡ－ｂａｓｅｄ Ａ１１ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｌｉｕ Ｌｉｎ．Ｓｈａｏ Ｚｈｏｎｇｈａｏ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００３） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｌｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ＷＤＭ ｎｅｔｗｏｒｋ． ｒｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｉｃａｌ ＳＯＡ— ｂａｓｅｄ ａｌｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ． Ｉ１ｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｌｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． 【ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ＳＯＡ；ａｌｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｃｒｏｓｓ ｇａｉｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｃｒｏｓｓ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｆｏｕｒ ｗａｖｅ ｍｉｘｉｎｇ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ，ｃｒｏｓｓ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ，
１．前言 全光波长转换器在高速全光通信网中具有重要作用，它增加了波 长的可重用性，克服了交换节点处因波长争用所造成的网络阻塞问题， 因而增强了波长路由光网络的动态路由能力，对可用波长数有限、节 点数较多的大容量网格网络而言效果极其明显。随着传输速率及容量 的迅速提高，全光波长转换器的开发变得越来越重要。实现全光波长 转换的四种主要机制包括非线性材料中的参量转换、基于半导体光放 大器的交叉增益调制（ＸＧＭ）、基于ＳＯＡ的交叉相位调制（ｘｐＭ１和参量 混频。采用ＳＯＡ的全光波长转换器具有体积小易集成、转换效率高、 宽带宽等特点而成为全光波长转换领域的研究热点。 本文在分析比较基于ＳＯＡ交叉增益调制ｆＸＧＭ），交叉相位调制 （ＸＰＭ），四波混频（ＦＷＭ）的三种典型的全光波长转换器的基础上，介绍 了国内外最新的全光波长转换技术。 ２ 基于ＳＯＡ的全光波长转换器 ２．１半导体光放大器ｆｓＯＡ） 半导体光放大器是一种具有光增益的光电器件，它是利用半导体 激活介质能够给通过的传输光提供增益的机理，使光信号得到放大。 半导体激光放大器尺寸小，频带很宽，增益也很高，但最大的弱点是与 光纤的耦合损耗太大，易受环境温度影响，因此，稳定性较差。半导体 光放大器容易集成，适于与光集成和光电集成电路结合使用。 半导体光放大器的非线性系数相比较普通光纤，光子晶体光纤等 无源非线性介质来说要大很多，而且在半导体光放大器中存在着四种 光一光相互作用，即交叉增益调制（ＸＧＭ）、交叉相位调制（ＸＰＭ）、交叉偏 振调制（ＸＳＭ）及四波混频（ＦＷＭ）。因此利用半导体光放大器不仅能实 现放大光信号，而且可以利用它的非线性特性进行全光信号处理，如 全光波长转换．全光时钟恢复，全光逻辑等。 ２．２基于ＳＯＡ—ＸＧＭ的波长转换 交叉增益调制型的全光波长转换的原理如下： 当一强度调制信号光进入ＳＯＡ后，由于增益饱和效应，随着信号 光强度的增大，ＳＯＡ的增益将减小，当信号光强度减小时，ＳＯＡ增益将 得到恢复。因此，当信号光和连续波探测光同时进入ＳＯＡ时，此连续 波将受ＳＯＡ增益变化的影响而携带和输入信号光相同的强度调制信 息。 基于ＳＯＡ—ＸＧＭ的波长转换器具有较高的转换效率、输出信号增 益较大、对偏振不敏感、结构简单等优点，不过也存在着输出信号有啁 啾成分．消光比劣化及从短波长转换至长波长时效率较低等问题。 ２．３基于ＳＯＡ—ＸＰＭ的波长转换 基于交叉相位调制的波长转换器利用ＳＯＡ中载流子饱和引起的 折射率变化这一现象。输入信号光的强度变化通过消耗载流子改变半 导体的折射率，进而改变探测光的相位，因此输入信号光的瞬时强度 变化反映在探测光的相位上，通过干涉仪将相位调制转换成强度调制 即实现全光波长转换。交叉相位调制通常使用马赫一曾德（Ｍａｅｈ— Ｚｅｈｎｄｅ０或者麦克尔￣（Ｍｉｅｈｅｌｓｏｎ）干涉仪，基本结构如图ｌ所示。 基于ＳＯＡ—ＸＰＭ的波长转换具有高消光比、高效、波长转换范围 较宽等优点。此外，与ＸＧＭ相比，ＸＰＭ的增益波动较小，因此波长转 换时的啁啾变小。但ＸＰＭ对功率敏感，输入光功率的动态范围比较 小。