SOA全光波长转换技术及其研究进展
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与 ＸＧＭ 不同， 交叉相位调制通常需要两个 ＳＯＡ 以构成 Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ 或 Ｍａｃｈ－ Ｚｅｈｎｄｅｒ 干涉仪， 利用光波 在两臂中传播产生的相位差来实现交叉相位调制［１， ２］。
相 对 于 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 技 术 ， ＸＰＭ－ ＳＯＡ 技 术 使 波 长 转换信号的消光比和啁啾特性有了极大改善。它的波 长相关性非常弱， 能在数十纳米的输入波长范围内表 现出非常平稳的转换性能， 代价小于 ０．５ｄＢ， 不会出现 ＸＧＭ 中的消光比不对称。而且 ＸＰＭ－ ＳＯＡ 能实现同一 波长上的信息转换， 这在 ＷＤＭ 网络交换中是种非常 优秀的性能。ＸＰＭ－ ＳＯＡ 中啁啾的改善主要有两个原 因： 第一， ＸＰＭ 对载流子密度的调制相对较小， 因此啁 啾也很小； 第二， 如果波长转换器工作于同相转换方 式， 则输出信号在上升沿产生红移啁啾（ 频率下降， 波 长增大）， 而在下降沿产生蓝移啁啾（ 频率上升， 波长 减小） ， 即可以获得具有负啁啾效应的波长转换信号 脉冲输出。这种脉冲在反常色散光纤（ 如普通单模光
本文对利用交叉增益调制（ ＸＧＭ） ， 交叉相位调制 （ ＸＰＭ） 和 四 波 混 频 调 制 （ ＦＷＭ） 等 物 理 效 应 实 现 的 半 导体光放大器（ ＳＯＡ） 波长转换技术进行了较为全面的 分析与讨论。在此基础上， 对国际上在 ＳＯＡ 波长转换 方面的最新进展和各种先进技术方案的性能与特点 进行了分析与比较。
四波混频是 （ ＦＷＭ） 一 个 或 几 个 光 波 的 光 子 被 湮 灭， 同时产生几个具有不同频率新光子的过程。在此 参量作用过程中， 整个相互作用体系的能量和动量守 恒。从波动光学理论的角度来看， 四波混频过程是一 个通过泵浦光形成动态光栅， 而信号光在此光栅中被 散射的过程。
值得注意的是 ＳＯＡ 输出三束光波， 需要外置滤波 器将转换后信号波从输入信号光和探测光中分离出 来。从这个角度看， ＦＷＭ－ ＳＯＡ 结构相对复杂。由于三 阶非线性效应较弱， 这种技术的转换效率也很低， 而 且受四波混频带宽的限制， 其效率随转换范围的增大 迅速减小， 波长转换范围受到很大限制。另外， ＦＷＭ 与 生俱来的偏振敏感性也成为该技术发展不可忽视的 一个方面。
但 与 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 和 ＸＰＭ－ ＳＯＡ 波 长 转 换 技 术 相 比， ＦＷＭ－ ＳＯＡ 最大的优势是波长转换透明性。它可以 保留输入信号相位和幅度的全部信息， 不仅能转换调 幅信号， 还可以转换模拟调幅和调频信号。尤其引人 注目的是 ， ＦＷＭ－ ＳＯＡ 可以 实现在同 一设备上同 时实 现 多 波 长 的 转 换 ， 而 无 论 是 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 还 是 ＸＰＭ－ ＳＯＡ 都无法做到这一点。
１ 引言
作为波分复用光网络中的关键器件， 波长转换器 在全光系统中可以实现波长路由选择， 光交换和光开 关等功能。通过波长转换技术， 可以在不同的通信子 网络中重复利用同一波长， 从而提高波长利用率， 避 免光交叉连接（ ＯＸＣ） 时出现的波长阻塞， 使多波长网 络管理更加合理， 提高了波分复用系统的灵活性和可 扩展性。基于半导体光放大器（ ＳＯＡ） 的全光波长转换 器 具 有 转 换 效 率 高 、宽 带 宽 、结 构 简 单 、体 积 小 和 易 于 集成等显著的优点 ， ［１￣４］ 近年来逐渐成为全光波长转换 技术领域的重点研究方向， 并得到迅速发展。为使 ＳＯＡ 波 长转换技术 尽 快 达 到 可 实 用 化 水 平 并 在 Ｇｂ／ｓ 高速光网络系统中投入实际商业应用， 目前的研究工 作 主 要 集 中 在 设 法 提 高 器 件 的 转 换 效 率 、输 出 消 光 比 和 信噪比 ， 以及 降 低 器 件 的 寄 生 啁 啾 、波 长 依 赖 性 和 偏振相关性等几个主要的方面。
消光比是波长转换器的一个重要品质参数， 它决 定了波长转换器输出信号的特性。目前有大量的研究
!" 光通信技术 ２００６ 年第 ６ 期
图 ２ 消光比变化曲线图（ ＳＯＡ 注入探测功率为 ２ｍＷ， 实线为两个 Ｓ ＯＡ 级联， 虚线为一个 Ｓ ＯＡ， 增益控制器 Ａ＝－ ２１．９ｄＢ）
专题聚焦Biblioteka 姜宏波， 等： ＳＯＡ 全光波长转换技术及其研究进展
这 类 改 进 方 案 可 以 有 效 的 改 善 单 独 使 用 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 时输出功率恶化现象， 从而提高消光比。图 ４ 为 将 ＳＯＡ 用于 Ｓａｇｎａｃ 干涉仪中， 在 １５４０～１５５０ｎｍ 波长 范围内的输出光功率图， 与通常情况下单独使用 ＳＯＡ 时只有 ＸＧＭ 一个非线性效应相比， 可以看到改进后 由 于交叉偏振 调制 效 应 抵 制 了 ＸＧＭ 的 功 率 恶 化 ， 输
工作致力于消光比的优化和改善。文献［９］在实验设备 上进行改进， 采用两个 ＳＯＡ 级联的实验结 构， 使消光 比大幅度提高。试验装置如图 １ 所示。两 ＳＯＡ 间增设 了一个滤波器， 目的是确保只有探测波注入到 ＳＯＡ２ 中， 以避免放大自发辐射（ ＡＳＥ） 的累积。工作原理为： 泵浦信号光同时注入两个 ＳＯＡ， 而连续探测光则依次 通 过 ＳＯＡ１ 和 ＳＯＡ２， 注 入 ＳＯＡ２ 的 泵 浦 信 号 光 与 ＳＯＡ１ 中输出的探测光同相。设置一个增益为 Ａ 的增 益控制器来调节注入 ＳＯＡ２ 的探测光功率， 若记 ＳＯＡ１ 的增益为 Ｇ（Ｐｐ，１，Ｐｓ）， 其中 Ｐｐ 为探测光功率 Ｐｓ 为信号光 功 率 ， 则 输 入 ＳＯＡ２ 的 探 测 光 功 率 为 Ｐｐ，２＝Ｐｐ，１ＡＧ（Ｐｐ，１， Ｐｓ）， 所以两个 ＳＯＡ 级联的增益为 Ｇ（Ｐｐ，１，Ｐｓ）ＡＧ（Ｐｐ，２，Ｐｓ）， 此 增益方程说明增加 ＳＯＡ 的数目， 会得到更好的转换后 信号消光比。
为了验证这一结果， 在实验模型上注入 １０Ｇｂ／ｓ 的 非归零（ ＮＲＺ） 码， 将输入泵浦信号光功率置于 ２ｍＷ 以 得到最佳转换后信号消光比。图 ２ 为其输出消光比与 输入消光比的差值随输入消光比变化的曲线。从图中 可以看出， 当输入信号消光比在 ４￣１０ｄＢ 范围变化时， ２ 个 ＳＯＡ 级联后输出信号消光比最小为 ９ｄＢ， 最高可 达 ２０ｄＢ， 比通常只采用 １ 个 ＳＯＡ 的波长转换器高出 ５￣１０ｄＢ。不仅如此， 此级联型双 ＳＯＡ 波长转换器还可 以缩短增益恢复时间， 达到皮秒级， 更加适合在高速 全光网络中的使用。 ３．２ 基于 ＳＯＡ 的 Ｓａｇｎａｃ 干涉仪波长转换技术
出功率增加了 ３．６ｄＢ。 通过调节 ＯＴＤＬ 增大 ＳＯＡ 在 Ｓａｇｎａｃ 环中位 置的
非对称 性， ＸＧＭ、ＸＰＭ 和交叉偏 振调制三种 非线性效 应就会同时作用于干涉。图 ５ 为应用该技术所得到的 实验结果［１１］。在 输入功率 相 同 的 情 况 下 ， 虽 然 使 用 了 Ｓａｇｎａｃ 环后的转换信号仍为反相信号输出， 但由于三 种非线性效应的相互作用， 消光比明显好于单独使用 ＳＯＡ 的情况， 误码特性也好于一般的 ＸＧＭ 技术。 ３．３ 双泵浦和辅助光 ＦＷＭ－ Ｓ ＯＡ 波长转换技术
专题聚焦
中文核心期刊
Ｓ ＯＡ 全光波长转换技术及其研究进展
姜宏波， 陈根祥 （北京交通大学 光波技术研究所， 北京 １０００４４）
摘 要： 对基于半导体光放大器（ ＳＯＡ） 全光波长转换技 术的性能和特点进行了分析与比较。在此基础上， 介 绍了基于半导体光放大器（ ＳＯＡ） 全光波长转换技术的 最新改进方案和研究进展， 并对其应用前景和发展方 向进行了展望。 关键词： 全光波长转换； 半导体光放大器； 交叉增益调 制； 交叉相位调制； 四波混频 中图分类号： ＴＮ２４８ 文献标志码： Ａ
都是只用到 ＸＧＭ、ＸＰＭ 或 ＦＷＭ 等 一 种 非 线 性 效 应 ， 而文献［１０］和文献［１１］中基于 ＳＯＡ 构成的 Ｓａｇｎａｃ 干涉 仪 却 利 用 ＸＧＭ、ＸＰＭ 和 交 叉 偏 振 调 制 三 种 非 线 性 效 应的相互作用， 有效改善了转换器的性能。
这种模型的主要改进之 处就是利用 ＳＯＡ 和光纤 构成非对称 Ｓａｇｎａｃ 干涉仪， 如图 ３ 所示。探测光波经 由 ５０：５０ 光耦合器被均分成顺时针（ ｃｗ） 方向和逆时针 （ ｃｃｗ） 方向两路， 若 ＳＯＡ 处于干涉环的中心对称位置， 两路光经过 ＳＯＡ 获得相同的增益 ， 产生同样大 的相 移， 此时 ＸＧＭ 和 ＸＰＭ 在干涉仪中的作用微乎其微， 只有交叉偏振调制成为影响干涉和调制的主要因素。 为 了 使 ＸＧＭ、ＸＰＭ 和 交 叉 偏 振 调 制 三 种 非 线 性 效 应 同时存在并相互作用， 实验中将 ＳＯＡ 置于干涉环的非 对称中心处， 两路光（ 顺时针方向和逆时针方向） 在幅 度、相位和偏振态上的改变都会反应到干涉中。
２００６ 年第 ６ 期 光通信技术 !"
专题聚焦
姜宏波， 等： ＳＯＡ 全光波长转换技术及其研究进展
纤） 中传输时将与光纤所引起的色散啁啾效应相抵 消， 即其啁啾现象会在传输过程中逐渐减弱。这表明 ＸＰＭ 非常适合使用于现有的长距离光纤网络系统［７］。
ＸＰＭ 除了通过消 光比和啁啾 来改进输 出 信 号 质 量外， 还可以抑制输入信号的噪声部分， 适合于级联 使用。ＸＰＭ 干涉仪对功率敏感， 输入功率的一个微小 变化， 就会导致输出功率的极大变化， 因此输入光功 率的动态范围很小， 如果不加以任何控制， 输入功率 的动态范围仅为 ３～４ｄＢ［８］。 ２．３ 利用 Ｓ ＯＡ 四波混频（ＦＷＭ）效应实现波长转换
２ ＳＯＡ 波长转换技术的基本原理与特点
２．１ 利用 Ｓ ＯＡ 交叉增益调制（ ＸＧＭ） 实现波长转换 基于 ＳＯＡ 的 ＸＧＭ 效应实现的波长转换技术具有
结构简单和易于实现的特点。 由于半导体光放大器 ＳＯＡ 自身存在增益， 所以相
对于 ＸＰＭ－ ＳＯＡ 和 ＦＷＭ－ ＳＯＡ 来说， 使用 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 在转换过程中输出信号的增益较大， 具有较高的转换 效 率 ； 而 且 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 的 自 发 辐 射 非 常 小 ， 可 以 获 得 很高的光信噪比， 最高可达 ３０ｄＢ 左右［５， ６］ 。凭借这两种 优势， 可实现将一个泵浦光信号同时转换到多个不同 波长的探测光上， 也使得两个或多个 ＸＧＭ 波长转换 器的级联变为可能。ＸＧＭ－ ＳＯＡ 波长转换技术已经成 功应用于高速率网络实验系统， 比特速率可达 １０Ｇｂ／ｓ 和 ２０Ｇｂ／ｓ［１， ９］， ４０Ｇｂ／ｓ 实验网络中的应用也有过报道［４］。 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 的 发展一直存 在一个严重 的制约因 素 ， 就 是消光比退化十分严重 （ 约 ８ｄＢ） ， 且不对称 。针对 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 消光比改善的研究有许多［１６］。ＸＧＭ－ ＳＯＡ 的 另一显著缺点是 ＳＯＡ 腔内载流子密度的 剧烈变化所 引起的啁啾现象十分严重。此外， ＸＧＭ 还存在着只能 反相转换， 噪声大， 波形失真严重等问题， 有待更多的 研究和改善。 ２．２ 利用 Ｓ ＯＡ 交叉相位调制（ ＸＰ Ｍ） 实现波长转换
收稿日期： ２００６－ ０３－ ０６。 基 金 项 目 ： 北 京 交 通 大 学 科 技 基 金 项 目 （ ２００５ＳＺ００４） 资 助 ； 国 家 自 然 科 学基金项目（ ６０５７７０２１， ６０４３７０１０） 资助。 作 者 简 介 ： 姜 宏 波 （ １９８２－ ） ， 女 ， 硕 士 生 ， 研 究 方 向 为 光 网 络 与 半 导 体 光 器件。
目 前 大 量 基 于 ＳＯＡ 波 长 转 换 技 术 的 研 究 和 实 现
图 １ 双 ＳＯＡ 级联波长转换器原理结构图
３ 改进的技术方案
通过前面的 比较和分析 可以 看 出 ， ＸＧＭ， ＸＰＭ 和 ＦＷＭ 三种 ＳＯＡ 波长转换技术方案各具特点， 在全光 ＷＤＭ 网络中有很大应用潜力， 但同时也存在许多影 响其性能和转换信号质量的不足之处。因此， 国内外 大 量 的 研 究 工 作 都 致 力 于 从 原 理 、器 件 和 实 验 方 法 上 针对具体应用对 ＳＯＡ 波长转换器的性能进行改进， 推 动 ＳＯＡ 波长转换技术的实用化进程。 ３．１ 双 ＳＯＡ 级联波长转换技术
相 对 于 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 技 术 ， ＸＰＭ－ ＳＯＡ 技 术 使 波 长 转换信号的消光比和啁啾特性有了极大改善。它的波 长相关性非常弱， 能在数十纳米的输入波长范围内表 现出非常平稳的转换性能， 代价小于 ０．５ｄＢ， 不会出现 ＸＧＭ 中的消光比不对称。而且 ＸＰＭ－ ＳＯＡ 能实现同一 波长上的信息转换， 这在 ＷＤＭ 网络交换中是种非常 优秀的性能。ＸＰＭ－ ＳＯＡ 中啁啾的改善主要有两个原 因： 第一， ＸＰＭ 对载流子密度的调制相对较小， 因此啁 啾也很小； 第二， 如果波长转换器工作于同相转换方 式， 则输出信号在上升沿产生红移啁啾（ 频率下降， 波 长增大）， 而在下降沿产生蓝移啁啾（ 频率上升， 波长 减小） ， 即可以获得具有负啁啾效应的波长转换信号 脉冲输出。这种脉冲在反常色散光纤（ 如普通单模光
本文对利用交叉增益调制（ ＸＧＭ） ， 交叉相位调制 （ ＸＰＭ） 和 四 波 混 频 调 制 （ ＦＷＭ） 等 物 理 效 应 实 现 的 半 导体光放大器（ ＳＯＡ） 波长转换技术进行了较为全面的 分析与讨论。在此基础上， 对国际上在 ＳＯＡ 波长转换 方面的最新进展和各种先进技术方案的性能与特点 进行了分析与比较。
四波混频是 （ ＦＷＭ） 一 个 或 几 个 光 波 的 光 子 被 湮 灭， 同时产生几个具有不同频率新光子的过程。在此 参量作用过程中， 整个相互作用体系的能量和动量守 恒。从波动光学理论的角度来看， 四波混频过程是一 个通过泵浦光形成动态光栅， 而信号光在此光栅中被 散射的过程。
值得注意的是 ＳＯＡ 输出三束光波， 需要外置滤波 器将转换后信号波从输入信号光和探测光中分离出 来。从这个角度看， ＦＷＭ－ ＳＯＡ 结构相对复杂。由于三 阶非线性效应较弱， 这种技术的转换效率也很低， 而 且受四波混频带宽的限制， 其效率随转换范围的增大 迅速减小， 波长转换范围受到很大限制。另外， ＦＷＭ 与 生俱来的偏振敏感性也成为该技术发展不可忽视的 一个方面。
但 与 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 和 ＸＰＭ－ ＳＯＡ 波 长 转 换 技 术 相 比， ＦＷＭ－ ＳＯＡ 最大的优势是波长转换透明性。它可以 保留输入信号相位和幅度的全部信息， 不仅能转换调 幅信号， 还可以转换模拟调幅和调频信号。尤其引人 注目的是 ， ＦＷＭ－ ＳＯＡ 可以 实现在同 一设备上同 时实 现 多 波 长 的 转 换 ， 而 无 论 是 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 还 是 ＸＰＭ－ ＳＯＡ 都无法做到这一点。
１ 引言
作为波分复用光网络中的关键器件， 波长转换器 在全光系统中可以实现波长路由选择， 光交换和光开 关等功能。通过波长转换技术， 可以在不同的通信子 网络中重复利用同一波长， 从而提高波长利用率， 避 免光交叉连接（ ＯＸＣ） 时出现的波长阻塞， 使多波长网 络管理更加合理， 提高了波分复用系统的灵活性和可 扩展性。基于半导体光放大器（ ＳＯＡ） 的全光波长转换 器 具 有 转 换 效 率 高 、宽 带 宽 、结 构 简 单 、体 积 小 和 易 于 集成等显著的优点 ， ［１￣４］ 近年来逐渐成为全光波长转换 技术领域的重点研究方向， 并得到迅速发展。为使 ＳＯＡ 波 长转换技术 尽 快 达 到 可 实 用 化 水 平 并 在 Ｇｂ／ｓ 高速光网络系统中投入实际商业应用， 目前的研究工 作 主 要 集 中 在 设 法 提 高 器 件 的 转 换 效 率 、输 出 消 光 比 和 信噪比 ， 以及 降 低 器 件 的 寄 生 啁 啾 、波 长 依 赖 性 和 偏振相关性等几个主要的方面。
消光比是波长转换器的一个重要品质参数， 它决 定了波长转换器输出信号的特性。目前有大量的研究
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图 ２ 消光比变化曲线图（ ＳＯＡ 注入探测功率为 ２ｍＷ， 实线为两个 Ｓ ＯＡ 级联， 虚线为一个 Ｓ ＯＡ， 增益控制器 Ａ＝－ ２１．９ｄＢ）
专题聚焦Biblioteka 姜宏波， 等： ＳＯＡ 全光波长转换技术及其研究进展
这 类 改 进 方 案 可 以 有 效 的 改 善 单 独 使 用 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 时输出功率恶化现象， 从而提高消光比。图 ４ 为 将 ＳＯＡ 用于 Ｓａｇｎａｃ 干涉仪中， 在 １５４０～１５５０ｎｍ 波长 范围内的输出光功率图， 与通常情况下单独使用 ＳＯＡ 时只有 ＸＧＭ 一个非线性效应相比， 可以看到改进后 由 于交叉偏振 调制 效 应 抵 制 了 ＸＧＭ 的 功 率 恶 化 ， 输
工作致力于消光比的优化和改善。文献［９］在实验设备 上进行改进， 采用两个 ＳＯＡ 级联的实验结 构， 使消光 比大幅度提高。试验装置如图 １ 所示。两 ＳＯＡ 间增设 了一个滤波器， 目的是确保只有探测波注入到 ＳＯＡ２ 中， 以避免放大自发辐射（ ＡＳＥ） 的累积。工作原理为： 泵浦信号光同时注入两个 ＳＯＡ， 而连续探测光则依次 通 过 ＳＯＡ１ 和 ＳＯＡ２， 注 入 ＳＯＡ２ 的 泵 浦 信 号 光 与 ＳＯＡ１ 中输出的探测光同相。设置一个增益为 Ａ 的增 益控制器来调节注入 ＳＯＡ２ 的探测光功率， 若记 ＳＯＡ１ 的增益为 Ｇ（Ｐｐ，１，Ｐｓ）， 其中 Ｐｐ 为探测光功率 Ｐｓ 为信号光 功 率 ， 则 输 入 ＳＯＡ２ 的 探 测 光 功 率 为 Ｐｐ，２＝Ｐｐ，１ＡＧ（Ｐｐ，１， Ｐｓ）， 所以两个 ＳＯＡ 级联的增益为 Ｇ（Ｐｐ，１，Ｐｓ）ＡＧ（Ｐｐ，２，Ｐｓ）， 此 增益方程说明增加 ＳＯＡ 的数目， 会得到更好的转换后 信号消光比。
为了验证这一结果， 在实验模型上注入 １０Ｇｂ／ｓ 的 非归零（ ＮＲＺ） 码， 将输入泵浦信号光功率置于 ２ｍＷ 以 得到最佳转换后信号消光比。图 ２ 为其输出消光比与 输入消光比的差值随输入消光比变化的曲线。从图中 可以看出， 当输入信号消光比在 ４￣１０ｄＢ 范围变化时， ２ 个 ＳＯＡ 级联后输出信号消光比最小为 ９ｄＢ， 最高可 达 ２０ｄＢ， 比通常只采用 １ 个 ＳＯＡ 的波长转换器高出 ５￣１０ｄＢ。不仅如此， 此级联型双 ＳＯＡ 波长转换器还可 以缩短增益恢复时间， 达到皮秒级， 更加适合在高速 全光网络中的使用。 ３．２ 基于 ＳＯＡ 的 Ｓａｇｎａｃ 干涉仪波长转换技术
出功率增加了 ３．６ｄＢ。 通过调节 ＯＴＤＬ 增大 ＳＯＡ 在 Ｓａｇｎａｃ 环中位 置的
非对称 性， ＸＧＭ、ＸＰＭ 和交叉偏 振调制三种 非线性效 应就会同时作用于干涉。图 ５ 为应用该技术所得到的 实验结果［１１］。在 输入功率 相 同 的 情 况 下 ， 虽 然 使 用 了 Ｓａｇｎａｃ 环后的转换信号仍为反相信号输出， 但由于三 种非线性效应的相互作用， 消光比明显好于单独使用 ＳＯＡ 的情况， 误码特性也好于一般的 ＸＧＭ 技术。 ３．３ 双泵浦和辅助光 ＦＷＭ－ Ｓ ＯＡ 波长转换技术
专题聚焦
中文核心期刊
Ｓ ＯＡ 全光波长转换技术及其研究进展
姜宏波， 陈根祥 （北京交通大学 光波技术研究所， 北京 １０００４４）
摘 要： 对基于半导体光放大器（ ＳＯＡ） 全光波长转换技 术的性能和特点进行了分析与比较。在此基础上， 介 绍了基于半导体光放大器（ ＳＯＡ） 全光波长转换技术的 最新改进方案和研究进展， 并对其应用前景和发展方 向进行了展望。 关键词： 全光波长转换； 半导体光放大器； 交叉增益调 制； 交叉相位调制； 四波混频 中图分类号： ＴＮ２４８ 文献标志码： Ａ
都是只用到 ＸＧＭ、ＸＰＭ 或 ＦＷＭ 等 一 种 非 线 性 效 应 ， 而文献［１０］和文献［１１］中基于 ＳＯＡ 构成的 Ｓａｇｎａｃ 干涉 仪 却 利 用 ＸＧＭ、ＸＰＭ 和 交 叉 偏 振 调 制 三 种 非 线 性 效 应的相互作用， 有效改善了转换器的性能。
这种模型的主要改进之 处就是利用 ＳＯＡ 和光纤 构成非对称 Ｓａｇｎａｃ 干涉仪， 如图 ３ 所示。探测光波经 由 ５０：５０ 光耦合器被均分成顺时针（ ｃｗ） 方向和逆时针 （ ｃｃｗ） 方向两路， 若 ＳＯＡ 处于干涉环的中心对称位置， 两路光经过 ＳＯＡ 获得相同的增益 ， 产生同样大 的相 移， 此时 ＸＧＭ 和 ＸＰＭ 在干涉仪中的作用微乎其微， 只有交叉偏振调制成为影响干涉和调制的主要因素。 为 了 使 ＸＧＭ、ＸＰＭ 和 交 叉 偏 振 调 制 三 种 非 线 性 效 应 同时存在并相互作用， 实验中将 ＳＯＡ 置于干涉环的非 对称中心处， 两路光（ 顺时针方向和逆时针方向） 在幅 度、相位和偏振态上的改变都会反应到干涉中。
２００６ 年第 ６ 期 光通信技术 !"
专题聚焦
姜宏波， 等： ＳＯＡ 全光波长转换技术及其研究进展
纤） 中传输时将与光纤所引起的色散啁啾效应相抵 消， 即其啁啾现象会在传输过程中逐渐减弱。这表明 ＸＰＭ 非常适合使用于现有的长距离光纤网络系统［７］。
ＸＰＭ 除了通过消 光比和啁啾 来改进输 出 信 号 质 量外， 还可以抑制输入信号的噪声部分， 适合于级联 使用。ＸＰＭ 干涉仪对功率敏感， 输入功率的一个微小 变化， 就会导致输出功率的极大变化， 因此输入光功 率的动态范围很小， 如果不加以任何控制， 输入功率 的动态范围仅为 ３～４ｄＢ［８］。 ２．３ 利用 Ｓ ＯＡ 四波混频（ＦＷＭ）效应实现波长转换
２ ＳＯＡ 波长转换技术的基本原理与特点
２．１ 利用 Ｓ ＯＡ 交叉增益调制（ ＸＧＭ） 实现波长转换 基于 ＳＯＡ 的 ＸＧＭ 效应实现的波长转换技术具有
结构简单和易于实现的特点。 由于半导体光放大器 ＳＯＡ 自身存在增益， 所以相
对于 ＸＰＭ－ ＳＯＡ 和 ＦＷＭ－ ＳＯＡ 来说， 使用 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 在转换过程中输出信号的增益较大， 具有较高的转换 效 率 ； 而 且 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 的 自 发 辐 射 非 常 小 ， 可 以 获 得 很高的光信噪比， 最高可达 ３０ｄＢ 左右［５， ６］ 。凭借这两种 优势， 可实现将一个泵浦光信号同时转换到多个不同 波长的探测光上， 也使得两个或多个 ＸＧＭ 波长转换 器的级联变为可能。ＸＧＭ－ ＳＯＡ 波长转换技术已经成 功应用于高速率网络实验系统， 比特速率可达 １０Ｇｂ／ｓ 和 ２０Ｇｂ／ｓ［１， ９］， ４０Ｇｂ／ｓ 实验网络中的应用也有过报道［４］。 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 的 发展一直存 在一个严重 的制约因 素 ， 就 是消光比退化十分严重 （ 约 ８ｄＢ） ， 且不对称 。针对 ＸＧＭ－ ＳＯＡ 消光比改善的研究有许多［１６］。ＸＧＭ－ ＳＯＡ 的 另一显著缺点是 ＳＯＡ 腔内载流子密度的 剧烈变化所 引起的啁啾现象十分严重。此外， ＸＧＭ 还存在着只能 反相转换， 噪声大， 波形失真严重等问题， 有待更多的 研究和改善。 ２．２ 利用 Ｓ ＯＡ 交叉相位调制（ ＸＰ Ｍ） 实现波长转换
收稿日期： ２００６－ ０３－ ０６。 基 金 项 目 ： 北 京 交 通 大 学 科 技 基 金 项 目 （ ２００５ＳＺ００４） 资 助 ； 国 家 自 然 科 学基金项目（ ６０５７７０２１， ６０４３７０１０） 资助。 作 者 简 介 ： 姜 宏 波 （ １９８２－ ） ， 女 ， 硕 士 生 ， 研 究 方 向 为 光 网 络 与 半 导 体 光 器件。
目 前 大 量 基 于 ＳＯＡ 波 长 转 换 技 术 的 研 究 和 实 现
图 １ 双 ＳＯＡ 级联波长转换器原理结构图
３ 改进的技术方案
通过前面的 比较和分析 可以 看 出 ， ＸＧＭ， ＸＰＭ 和 ＦＷＭ 三种 ＳＯＡ 波长转换技术方案各具特点， 在全光 ＷＤＭ 网络中有很大应用潜力， 但同时也存在许多影 响其性能和转换信号质量的不足之处。因此， 国内外 大 量 的 研 究 工 作 都 致 力 于 从 原 理 、器 件 和 实 验 方 法 上 针对具体应用对 ＳＯＡ 波长转换器的性能进行改进， 推 动 ＳＯＡ 波长转换技术的实用化进程。 ３．１ 双 ＳＯＡ 级联波长转换技术