基于四波混频效应的全光波长转换器
光器件，０ＰＴｌＣＡＬＤＥＶｌＣＥＳ
叶１闰无线ｌＵｌＵ丁牛、ｌ乜信技术娄核心期刊
基于四波混频效应的全光波长转换器
谭艺枝向望华杜荣建（天津大学精密仪器与光电子工程学院天津３０００７２）
摘要全光波长转换（Ａｏｗｃ）是波分复用（ｗＤＭ）光网络的一项关键技术，可以通过几种非线性效应来实现，其中的四渡混频效应（ＦｗＭ）由于其对输入信号的变换具有严格透明性而受到人们的广泛关注。鉴于此，详细介绍了基于四波混频效应的各种波长转换方案的原理、性能及优缺点。关键词全光波长转换四波混频波分复用中图分类号ＴＮ９２９．１１文献标识码Ａ
１引言全光波长转换器（Ａ０ｗＣ）能高效、可靠、简便地使信号从·个波长变换到另一个波长，实现了波长的再利用和再分配，提高了波分复Ｊ｝ｊ（ｗＤＭ）光忙日络的灵活忭干¨可扩允性，Ａ０ｗｃ已成为光通ｆｉ网络研究的一项热点，，理想的波长变换器应具有对比特字和信号格式透明、能对高速率信号的波长进行变换、与偏振不柑关、实现简单等特点。四波泄频｛ｒｗＭ）是多个光波在介质中相互作用引起的三阶非线性效廊，其转换光的强度－般正比于输入光波的强度之积，它的频率和相位是输入光波的相应苗的线性绀合，所以．它的波Ｋ变换会保持幅度和相位信息，足一种严格透明的波长变换。光纤和半导体器件都能产生ＦＷＭ效应，ｐ由分别详述这两种非线性介质中产生｝’ＷＭ效应的实现形式、原理与特点。
２光纤中的四波混频２．１单段光纤中的四波混频一强泵浦光与一输入信号光·起注入一段光纤，由丁阴波混频效应会产生新的波长的转换光。信号光与此转换光的转换效率＂（输出转换光功率与输入信号光功率的比值）依赖于各种没计参数，如泵浦光功率、光纤长度Ｌ、光｝ｒ色散量、泵浦一信号光波长差△＾等。转换效率与泵浦光强的平方成正比，但由于受激布里渊散射（ｓＢｓ）的影响，当泵浦光强超过ｓＢｓ闽值时，一部分泵浦光能量向斯托克斯能量转移．导致了国家自然科学基金资助项日（６９９８７０２）收稿日期：０３加４—２５作者简介：谭艺枝女，１９８０年生，在读硕十生豳目羌通信技术２００３年第“期图１ＨＮＬ—ＤＳＦ光纤中的四波混频
转换效率的下降。因此，可以提高ｓＢｓ阈值米抑制ｓＢｓ的发生，使耦台的泉浦光功率全部用于｝１ｗＭ过程中，由于光纤的低非线件币¨窄的转换带宽（约５ｎｎｌ），光纤Ｋ度要求大于１０ｋｍ．而光纤中的ＦｗＭ具有低噪声和多波长信号同时转换的优点，一种具有高非线性的色散位移光纤（ＨＮＬ—ＤｓＦ）引起了人们很大兴趣“’此高非线胜色散位移光纤（ＨＮＬ—ＤｓＦ）的非线性系数Ｆ２０．４ｗ。。ｋｍ，是传统ＤｓＦ非线性系数７．６倍，在１５５０Ⅲｎ处保持低损耗Ｏ．５１ｄＢ，ｋｍ应用此光纤，长度为５００ｍ时就能产生ＦＷＭ效应，如同１所不。泵浦波长为零色散波长＾＝１５５０ｎｍ，光纤长Ｌ＝５００ｍ，输入泉浦光功率和信Ｉ）光功率分别为１０ｍｗ、ｌｍｗ时，得到了△＾超过２０ｎｍ的转换带宽．转换效率约为一２２ｄＢ且在此范围相当平坦利用超短光脉冲在以下几种光纤中传输，依据各自文现ＦＷＭ的性能作一比较口１．这几种光纤为：普通单模光纤ｓＭＦ（色散量ｎ＝１６ｐｓ／ｎ—ｋｍ，非线性系数１＝１．３ｗ。ｋｍ。）、非零色敞位移光纤ＮｚＤｓＦ（色散量１）＝２．４ｐ“彻以ｒｎ，叮＝１．８ｗ。ｋｍ。）羽『高非线性光纤ＨＮＩ．Ｆ（色散量Ｄ＝ｌＯｐｓ，ｎ—ｋｍ，叮＝１０．６ｗ。１ｈ１。）。“ｉ泵浦光波长７＝１５５０ｎｍ、入射光脉冲功率为５ｍｗ、光纤长度为１００ｋｍ时，在相同的转换波长下．ＨＮＬＦ的ＦｗＭ转换效率是ＮＺｎＳＦ的３０～４０倍，是ＳＭ｝１的４００多倍。２．２光纤环形镜中的四波混频
非线性光环形镜（ⅣＯＬＭ）在波长转换、时分、信号
万方数据光器件，０ＰＴＩＣＡＬＤＥＶｌＣＥＳ
再生方面都有广泛的应用。日前发展为许多基本形式，其中【｝１两段色散最不对称的光纤通过３ｄＢ耦合器连接而成的形式是非常重要的一种，由于两段光纤不同的色散性质，打破ｒ两光纤巾反向传播光波的对称性，引起激光束从环中透射出来，下面具体介绍·种此类型的保偏色散位移光纤环形镜（１ＤＦＬＭ）。此外，再介绍近年来用作波长交换、波长转换的光纤参量环形镜（ＰＡＬＭ）。并埘它们做一比较。２．２．１ＴＤＦＬＭ中的四波混频保偏色散位移光纤环形镜（ＴＤＦＬＭ）由两段保偏色散位移光纤（ＤｓＦ】通过一个３ｄＢ耦合器组成，这曲段Ｉ）ｓＦ有不同的零色散波长（ＺＤＷ），１ＤＦＬＭ的基本结构如图２所示【”毫ｕ始输入泉浦光『ｌ。和信号光Ａ，．由３ｄＢ耦合器各自分成两束光－Ａ。和＾。、Ａ。和Ａ。在光纤环形镜中反向传输，氐和Ａ。．分别是透射的信号光和新产生的四波混频转换光，鬼种ＩＡ．。分别是反射的信号光和转换光。此装置的特点是透射的信号光如＝０，【封此ＴＤＦＬＭ不需要光滤波器，就能有效分离ＦｗＭ转换光、信号光和泵浦光。为了获得更高的转换效率，可以通过选取合适的泵浦光波长米实现。当泵浦光波长如＝＾．或虬＝＾位（＾０１、＾ｍ分别为ｎＳ¨和ＤＳＦ２的ｚＤｗ），此时ＤＦｓｌ或ＤＳＦ２巾满足相位匹配条件，可提高转换效率，得到更宽的透射光转换效率带宽。２２．２ＰＡＬＭ中的四波混频光纤参量环形镜（ＰＡＬＭ）是由产乍｝１ｗＭ的非线性介质、色散部分及一个３ｄＢ耦合器组成…（如图３）。
Ａｗ．Ａｌｏ—●３ｄＢｃｏｕｐｌｅｒ图２保偏色散位移光纤环形镜的构造非巍胜舟磺
信昔光ｗｓＡ耦合器Ｂ围３光纤参量环形镜的构造信号光姑与泵浦光脚一起输入耦合器的输入点Ａ，各自被分成两求光注人ｃ和Ｉ】在环形镜叶１传播。每绀反向传播的泵浦光与信号光在非线性介质中产生ＦｗＭ转换光¨。产生的转换光在３ｄＢ耦合器中以相付差△届，；『２Ｊ９｛ｑ，）一卢｛魄）一ｐ（龇１］Ｌ发生干涉，其中ｐ（ｍ）是光的传播常数。Ｌ足色散部分的长度。当△卢Ｌ设为ｗ的奇倍数时，ｎｎＸ止全部的转换光从耦合器的Ｂ点输Ｈ｛，而剩余的信号光、泵浦光从初始的入口Ａ点输ｆ｛｛，这样无需光滤波器就能使ＦｗＭ转换光与信寸光、象浦光分离。结构紧凑，且输出的转换光功率比信号光、泵浦光功率都高，并具有误码率低的特点。２２．３两者之比较ＴＤＦＩＭ与Ｉ，ＡＬＭ相似之处都是无需光滤波器就能分离出ＦＷＭ转换光与信号光、泵浦光，结构紧凑、效率高。ＰＡＬＭ结构中只包含一段非线性介质．相当于ｒｒＤＦＬＭ其中一段光纤的非线性系数等于零，在此条什Ｆ埘两者的转换效率作一比较㈨。当泵浦光功率为低水平时，ＴＤＦＬＭ与ＰＡＩ。Ｍ的转换效率性能没有什么区别，随着象浦光功率的增大。两者的转换效率区别增大，但随着泵浦光与信号光波长差的增加，两者的区别反倒减小。因此，当在泵浦光功率水平不高．泵浦光、信号光波Ｋ差足够大的情况下，ＴＤＦＬＭ与ＰＡＬＭ的胜能十分相似。
３半导体介质中的四波混频３．１ＳＯＡ中的四波混频由于光纤中的ＦＷＭ受色散影响严重，转换效率不高，而且小易集成和实用化，而ＳＯＡ巾光功率较大、非线性极化率较高（比光｜ｆ高｛ｌｊ５～７个量级）．有较高的四波混频效率．．在ｓ０Ａ中，至少有ｉ种机制列形成载流子光栅有贡献，分别为载流了密度调制效应、动态载流于加热效廊和光谱娆孔效应。ｓ０Ａ中的ＦＷＭ是这三方面共同作川的结果、ｓ０Ａ中的四波混频可以分为单泵浦四波混频和烈泵浦四波混频．单泵浦四波混频缺点在丁偏振敏感性和转换效率与信号背景噪声的ｌ：Ｂ率随波长转换量的增加而降低，难以在较大转换范幽内保持转换效率的平坦性。为此提出ｒ叔泵浦的四波｝昆频。双泵浦方案一般可分为正交双泵浦和平行双泵浦。前者是解决四波混频对信号光、泵浦光的偏振敏感『日Ｊ题．后者是解决四波混频的效率平坦问题。埘于各向同性的非线性介质，曲路任意角度的正交双泵浦能较好地消除对信号偏振的敏感。其实骑装置如图４所示…。泵浦光Ｐｌ为固定波长泵浦光．Ｐ２为
２０００年第Ｈ期
光瓯信杖术圈叠
万方数据光器件，ｏＰＴＩＣＡＬＤＥＶｌＣＥＳ
围４采用正交双泵浦在ＳＯＡ中实现四波混频
可调谐泵浦光，信号光Ｓ与泵浦光ＰＩ耦台后经同一偏振控制器２，保证泵浦光Ｐｌ与信号光ｓ偏振方向平行，同时调节偏振榨制器ｌ使泵浦光Ｐ２与Ｐ１、Ｓ偏振方向相互垂直。ｓ０Ａ非线性介质在Ｓ、Ｐ１、Ｐ２共同作用ｒ，产生新的转换光ｃｌ、Ｃ２。ＳＯＡ的输出混频光先绛Ｆ—Ｐ腔滤波器后，再经可凋请光滤波器滤卅转换光。其变换效率和信噪比在转换波Ｋ为５５ｎｍ的范围内较高且比较稳定。平行双泵浦的情况是通过调节图４中的偏振榨制器１使泵浦光Ｐ２保持与采浦光Ｐｌ、信呼光相同的偏振方向，限于篇幅，这里小再详述。上述垂直双泵浦的四波混频能在较大的转换范围内得到比较平坦的转换效率和信噪比（ｓＮＲ），使用了两个泵浦激光器．但足为得到更高的转换效率和信噪比ｆｓＮＨ），固定的泵浦光必须与信号光保持很小的频率差．因此波长固定的泵浦光必须随不同的信【）光波长变化，这就增加了实验的复杂性，限制了其在实际删络巾的应用。为ｒ克服ｒ述复杂性带来的难度．利用ｓ（）Ａ和光纤环构成的半导体环形激光器（ｓＦＲＬ）进行双泵浦的ＦｗＭ实验…，半导体环Ｊ口激光器产生内部可调的泵浦光，并可以方便地通过·光滤波器根据信号、匕的波长变化改变此泵浦光波长。另外，只需外加·个可凋谐的泵浦光，实验装置便町得到简化，图５所不为垂直
田５半导体环骺激光器的ＦＷＭ圈先通信技术２００３年第１】期双泵浦ＳＦＲＬ波长转换器的装置。此装置的转换效率存５０１１ｍ范围内基本保持平上旦。具有宽谪谐范同、Ｔ作稳定、高功率、ｓＯＡ白发辐射谱的线宽比较窄等特点。３－２ＤＦＢ激光器中的四波混频上述使用ＳＯＡ作为１Ｆ线性介质的ＦＷＭ吏验中，除了信号光外需再加一个外部的激光作为泵浦光，这在耦合上增加了难度．且引入的ＡｓＥ噪声比较大。采用ＤＦＢ激光器作为非线性介质，ＤＦＢ—ＬＤ也具有较高的非线性系数．产生ＦｗＭ的本质同ｓ０Ａ中的样，都是一＝种非线性效应的结果。重要的是其奉身的激光作为泵浦光。不需外加泵浦光，只需外加一个信号光源．就能通过ＤＦＢ激光器自身的非简并四波混频效应产生四波混频共轭光，实验结构紧凑、简单。Ｈ，ＫｕｗａＩ—ｓｕｋａ等人做了此方面的研究㈩，实验装置如【皋Ｊ６所示。此装置采用的是长腔Ⅳ４相移ＤＦＢ激光器，能获得更稳Ｊ定的激光模式，Ｉ）ＦＢ—ＬＤ两端都涂有防反膜，信号光∞。输入ＤＦＢ—ＬＤ的前端面，与ＤＦＢ—ＬＤ自身产生的激光雌．发生ＦｗＭ效应。产牛新的共轭光咀，其频率转换关系为砒＝２峨鸭。剩余的信号光、泉浦光与转换的共轭光在ＤＦＢ—ＬＤ的另一端面输ｍ，通过光隔离器和光谱仪进行分析杏看。此装置具有高的ＦｗＭ转换效率以及达到６ＴＨｚ的转换带宽。Ｈ．Ｋｕｗａｔｓｕｋａ等人义提出了利用双向泵浦在ＤＦＢ—ＬＤ中的四波混频”ｌ，依旧是ＤＦＢ—ＬＤ的激光作为泵浦光，其实验装置如图７所不。线性偏振的信号光Ｅ＾经过起偏器、光环Ｊ｜ｉ；器，被
ＤＦＢ艇圯嚣图６ＤＦＢ激光器的四波混频实验Ｅｃｌ
圈７ＤＦ日激光器的双菜浦四波混频心一翁一洲
争忙一节
一廿
万方数据光器件，０盯ＩｃＡＬＤＥＶＩＣＥＳ
偏振分束器分成透射ｘ方向、反刳ｙ方向垂直偏振的光Ｂ，和ＥＳ２，ＤＦＢ—ＬＤ两端面的激光品．、Ｅｍ用作ＦｗＭ的泵浦光且偏振态与ｘ方向一致。岛，人射到Ｄ｝１Ｂ—ＬＤ的第一个端面，与Ｅ，．发生ＦＷＭ效应，产生共轭光＆．。同样，＆存入射到ＤＦＢ—ＬＤ的第二个端而前通过一个Ⅳ２波片，使偏振态改变为与ｘ方向垂直的偏振态，如图８Ａ处偏振方向所示、在ＤＦＢ—ＩＩ）内与№发生ＦＷＭ效应，产生共轭光如。岛２和如通过偏振分束器进行耦合并从光环形器的出３输ｍ。由于两边光路长度对称相符，在臣．和‘，的转换效率相同的情况下．我们能得到偏振不敏感的转换．即通过起偏器的Ｒ其线偏振方向与ｘ＾向的夹角（口）并不影响转换效率，其偏振敏感度在０．４ｄＢ以内。
集成光电子学习题集
1
考试题型及分值
1. 填空题：10空，每空2分，共20分。
2. 概念题：5个，每个3分，共15分。
3. 判断正误：10个，每个2分，共20分。
4. 简答题(包含推导)：5题，每题6分，共30分。
5. 简述题，2题，共15分。 2
C1 概论
1. 什么是集成光路？
2. 用光子作为信息载体，相比于电子，具有哪些优势？
3. 光电子集成的方式有哪两种？两种集成方式的概念是什么？分别举例2~3种。
4. 判断正误：（1）矩阵式光开关属于功能集成器件。（2）集成调制光电二极管属于功能集成器件。（3）混合集成的主要优势是材料选择的范围更宽。(4)功能集成的主要优势是材料选择的范围更宽。
5. 什么是单片集成？什么是混合集成？单片集成及混合集成各自的优势是什么？
C2 平面介质波导理论
1. 在介质波导中，定义有有效折射率，请写出有效折射率的表达形式？对于图示的平板介质波导(32nn)，使光波完全限定在芯层中传播，有效折射率需要满足怎样的条件？出现衬底辐射模的条件？出现包层衬底辐射模的条件？
2. 光波在平板介质波导(芯层、衬底及包层折射率分别为123,,nnn，且123nnn)中导行传播的条件用传播常数表示应为：2010nknk。
3. 在二维介质光波导中存在两种相互独立的模式，分别为？两种模式其基本场量具有什么样的特征？二维介质光波导中的导波模式的场分布在芯层、包层、衬底层分别具有什么样的特点？
4. 求解梯度折射率波导中模式有效折射率的近似方法有哪些？
5. 判断正误：(1)平板型的光波导，光只受到一个方向的限制，在光波导的芯层，光束能量会因为衍射而发散。(2) 在折射率相差较小的介质构成的条形波导中，不存在纯粹的TE模式及纯粹的TM模式，而是构成所谓的混合模式(hybrid mode)。（3）条载式光波导是一种平板光波导。(4)在平板波导或者条形光波导中，导波模式的能量完全限定在芯层中传播，没有能量进入到包层或者衬底。
耦合器衰减实现的两种全光波长变换
２００７年第４期 （总第１４２期） 光通信研究 ＳＴＵＤＹ ＯＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＭＭＵＮ１ＣＡＴ１ＯＮＳ ２００７ （Ｓｕｍ．Ｎｏ．１４２） 耦合器衰减实现的两种全光波长变换 王维涛。刘山亮，韩纪广，闫振宁 （聊城大学光通信研究所，山东聊城２５２０５９） 摘要：在以往对全光波长变换的研究中，都是利用变换光实现波长变换，而利用闲频光的全光波长变换还没有相关报道。文 章通过模拟耦舍器衰减对全光波长变换的影响，发现在不同的泵浦光与信号光功率条件下，调节耦舍器衰减可分别实现利用 变换光的全光波长变换和利用闲频光的全光波长变换。 关键词：全光波长变换；四波混频；半导体光放大器；ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ 中图分类号：ＴＮ９２９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—８７８８（２００７）０４—００１６—０３ Ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ａｌｌ—ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｙ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ Ｗａｎｇ Ｗｅｉｔａｏ，Ｌｉｕ Ｓｈａｎｌｉａｎｇ，Ｈａｎ Ｊｉｇｕａｎｇ，Ｙａｎ Ｚｈｅｎｎｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ ２５２０５９。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｓｔｕｄｉｅｓ，ａｌｌ—ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｓ ａｃｔｕａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｎｏ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｒｅｐｏｒｔ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｉｄｌｅ ｌｉｇｈｔ．Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｏｎ ａｌｌ—ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．ａｌｌ—ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｂｏｔｈ ｌｉｇｈｔ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｄｌｅ ｌｉｇｈｔ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｒｅｓｐｅｃ’ ｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｕｍｐ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｌｉｇｈｔ ｐｏｗｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｌｌ—ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；Ｆｏｕｒ—Ｗａｖｅ ＭｉＭｎｇ（ＦＷＭ）；Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（Ｓ０Ａ）；ＯｐｔｉＳｙｓ— ｔａｍ 目前波分复用（ＷＤＭ）网络的带宽虽然可以满 足每个用户的需求，但是系统的波长数目仍然远小 于实际的节点数目和用户数目。这就使得当两个或 多个波长信号向相同节点连接时会造成波长竞争， 导致ＷＤＭ网络有很高的阻塞率。解决上述问题 的关键技术就是利用波长变换Ｌ１］。 实现波长变换的方法有光／电／光（Ｏ／Ｅ／０）变 换和全光变换两大类。Ｏ／Ｅ／０变换即对某一波长 的光信号进行波长转换时，先用光电检测器接收该 光信号，实现光／电（Ｏ／Ｅ）转换；然后再将电信号调 制到所需波长的激光器上发射出去，实现电／光（Ｅ／ Ｏ）转换，从而实现波长变换Ｌ２ ］。其优点是系统原 理简单，输入光功率适应范围较宽，对偏振不敏感， 技术成熟，性能稳定和应用广泛。但缺点也相当明 显：转换速率较低，电路结构相对复杂，不能对传输 速率完全透明，经过０／Ｅ／０的转换，原先光信号的 相位、幅度等信息会丢失，成本高 ］。全光波长变 换（Ａ０ＷＣ）可以将光信号从一个波长变换到另一 个波长而不经过０／ＥｌＯ的转换，因此它是未来基 于ＷＤＭ全光网络的一项关键技术。它可以有效 地解决ＷＤＭ网络中的波长竞争问题，实现动态波 长路由和波长的再利用。在众多实现技术中，基于 四波混频（ＦＷＭ）效应的Ａ０ＷＣ是唯一可对调制 方式、码速率完全透明的波长变换。文中利用Ｏｐｔｉ－ Ｓｙｓｔｅｍ成功仿真出基于半导体光放大器（ＳＯＡ）中 ＦＷＭ效应的全光波长变换。通过研究发现耦合器 衰减对ＦＷＭ有着重要作用，通过调节不同的耦合 器衰减，可分别实现利用变换光的ＡＯＷＣ和利用 闲频光的ＡＯＷＣ。 １ 全光波长变换及其仿真 量子力学中对ＦＷＭ的经典定义是：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，且在该参量过程中，净能量和动量是守恒 的，这样的过程称为ＦＷＭＬ７］。ＳＯＡ中的ＦＷＭ作 用是基于三阶非线性效应产生的，当两束不同波长 的光波同时耦合进入ＳＯＡ时，其中一束称为泵浦 光，另一束称为信号光，其频率分别为－厂Ｄ和－厂ｓ。两束 光经过ＳＯＡ的载流子光栅散射后产生两束新的光 波：变换光和闲频光，其频率分别为 一２－厂ｐ一－厂ｓ和 ｆ 一２．厂ｓ—ｆｐ。因此通过ＦＷＭ效应后，闲频光与变 换光中携带了信号光的信息，从而实现了全光波长 变换。 利用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ模拟实现的实验装置如图１ 所示。ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ是一款光通信系统模拟软件，能 够模拟各种环境条件下的结果，元件性能还可以通 收稿日期：２００７—０１—０５ 基金项目：山东省教育厅科技计划重点项目（Ｊ０５Ｃ０９）；聊城大学科研基金资助课题 作者简介：王维涛（１９７７一），男，山东聊城人，实验师，硕士，研究方向为光通信理论。
【国家自然科学基金】_四波混频效应_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
序号科研热词推荐指数序号科研热词1四波混频41四波混频2光子晶体光纤32半导体光放大器3半导体光放大器23光通信4高非线性光纤14衍射效率5高阶孤子15相位共轭6飞秒激光脉冲16波长转换7非线性极化17光折变效应8零色散波长18光子晶体光纤9铷原子蒸气19偏振移位键控10量子通信110交叉增益调制11超连续谱111二波耦合12色散112频移键控13自聚焦113非线性光学14群速度色散(gvd)114非线性光子晶体15组播115量子密钥分发系统16纠缠光子116量子光学17硅绝缘材料(soi)117色散平坦18瞬态交叉相位调制118色散19相位匹配119聚(2-甲氧基-5-丁氧基)对苯20波长转换120纳米复合材料21波长变换121纠缠光子对22斑图122粒子群优化算法23拉曼效应123氧化铕24微结构光纤124有限差分时域25多点传送125掺铒光纤激光器26外差法126慢光27四波混频(fwm)127密集波分复用28吸收128四波混频噪声29反斯托克斯波129啁啾高斯脉冲30反常色散区130全光逻辑门31参量四波混频过程131全光译码器32全光逻辑门132全光比较器33克尔效应133全光半减器34光纤通信134光致发光35光纤135光标记交换36中心波长136信道选择37中间跨度谱反转38g.653光纤39dwdm2008年2009年
四波混频
一 实验目的
１． 了解偶氮染料聚合物的非线性光学特性
２． 掌握四波混频的基本知识和实验方法
３． 掌握泵浦，探测光和信号光三者的关系
４． 了解四波混频的应用范围
二 实验装置
半导体激光器一台，反射镜若干，CCD一个，微机一台及其他光学元件
三 实验原理
1． 基础知识
（1）偶氮染料的分子结构
偶氮染料是一类具有光异构特征的有机光学材料，其分子结构是在两个芳环之间以N=N双键连接为特征。它们的基本结构特征，即骨架决定了它们的主要吸收峰的范围（最大吸收峰在可见光区内）。偶氮染料还具有一定共轭性，一般来说，共轭程度越大，分子的基态与第一激发态之间的能级差越小，其吸收峰发生红移。偶氮染料的第二结构特征（苯环上的取代基）对吸收峰的位置具有一定影响。取代基的电子效应（诱导效应和共轭效应）影响分子中电子云密度分布，使分子的基态与激发态之间的能级差发生变化，其吸收峰发生移动。
（a）光异构过程 (b) 偶氮分子的能级结构
图1 （2）偶氮染料的光异构特性
偶氮染料是一种偏振敏感的有机染料，它具有反式（trans）和顺式(cis)两种分子结构,如图1（a）所示（其中R1和R2表示不同的取代基，本实验所用甲基橙的取代基R1为NaO3S , R2 为N（CH3）2 ）。它们的分子主轴均为氮氮双键。两者对应能态的能量是反式结构能量低，结构稳定；顺式结构能量高，结构不稳定，所以一般情况下偶氮分子多以稳定的反式结构存在。图1 (b) 是偶氮分子的能级结构图，由图可见，当用激光激发时，反式偶氮分子的基态粒子So吸收一个光子后，跃迁到第一激发态的某一振动能级Sv上，并迅速驰豫到第一激发态的最低能级S1上。处于S1能级上的粒子可以进一步吸收一个光子并跃迁到第二重激发态S2上，也可经过系间跃迁无辐射驰豫到三重激发态T1上，这种跃迁由S1与T1间能级差决定。差距越小，跃迁越容易。T1态的粒子可以吸收光子跃迁到T2态上，也可通过无辐射跃迁回到So态上。同时当激光强度达到一定值后，S2、T2等能级上的粒子还可以进一步吸收光子跃迁到更高一级激发态上去。处于高能级激发态上的粒子还可以通过无辐射跃迁的方式和较低能级跃迁，其能量转变为分子内能，或以磷光与荧光的形式辐射出去。由于偶氮Trans、Cis构型的最低三重态（T1和T1‘）相距很近，且Trans式三重态（T1）寿命较长，处在T1态的分子除可回落到So态外，还能从T1态转移至Cis的最低三重态T1‘上，而转移至T1‘上的分子驰豫到S’o，则完成从Trans到Cis的转变。这样偶氮分子就由反式结构变为顺式结构，这种现象叫光致异构。通常情况下，偶氮染料的顺式异构体不稳定，在光照或热激发下会向周围基质中辐射能量回到稳定的反式结构，利用偶氮分子的这种光异构特性可以实现光存储。
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》
【国家自然科学基金】_全光波长转换_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光纤通信41波长转换2半导体光放大器32半导体光放大器3波长转换器23光通信4波长转换24高非线性光纤5波长变换25非线性动力学6差分交叉相位调制26配置问题7半导体激光器27辅助光8全光波长转换28算法9全光信号处理29物理光学10非线性偏振旋转110消光比11速率方程111波长转换器12误码率112格式转换器13色散补偿光纤113时钟提取14色散114拉曼自频移15纵模选择115延迟干涉仪16码型转换116分步傅里叶方法17消光比(er)117全光网18消光比118全光波长变换19注入锁定119全光模数转换20波时分光源120光量化21四波混频121光纤光参量放大器22全光采样122光注入23全光波长变换123光子晶体光纤24光纤光栅124信噪比25光纤光学125交叉增益调制26光子晶体光纤127光子寿命128光参变放大129光信号处理130偏振干涉仪131信噪比(snr)132交叉相位调制133交叉增益调制(xgm)134交叉增益调制135soa12008年2009年
基于SOA-FWM的波长变换研究
第７卷第１９期２００７年９月 １６７１－１８１９（２００７）１９—４８９４—０４ 科学技术与工程 Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖ０Ｊ．７ Ｎｏ．１９ ０ｃｔ．２Ｏｏ７ ⑥２００７ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．
基于ＳＯＡ－ＦＷＭ的波长变换研究
彭 俊 高 伟
（中国科学院西安光学精密机械研究所 ，西安７１０１ １９
中国科学院研究生院 ，北京１０００３９）
摘要利用半导体光放大器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＳＯＡ）中的四波混频（Ｆｏｕｒ Ｗａｖｅ Ｍｉ￣ｎｇ，ＦＷＭ）效应，实验实现
了速率为１０ Ｇｂｉｔ／ｓ的全光波长变换。将信号光和泵浦光同时注入ＳＯＡ中，当它们同偏振时，将产生四波混频。利用光学滤
波器，滤出四波混频分量，即可实现信号光的波长变换。利用ＳＯＡ—ＦＷＭ效应的光波长变换，可以同时得到波长上行和波长下
行的波长变换。
关键词光通信 全光波长变换 四波混频 半导体光放大器
中图法分类号ＴＮ９２９．１４； 文献标志码Ａ
波长变换器是光通信线路中宽带波分复用
（ＷＤＭ）网络的重要器件，利用它们可以实现动态
波长路由和波长重复利用。目前实现波长变换的
技术主要光一电 光波长变换和全光波长变换。传
统的光一电一光波长变换弊端很多，如转换效率低、
结构不紧凑、兼容性差等等。它已经不适合高速
大容量光纤通信系统和全光网络的要求。取而代
之的是全光波长变换技术，它可以直接把输入载
波的信息变换到输出载波上，即光一光变换，避免了
光一电速度的“瓶颈”效应。由于ＳＯＡ具有高非线
性系数，易于系统集成，且制造技术已经成熟，因
此在光信号处理中得到研究者的重视。目前利用
ＳＯＡ实现全光波长变换的方案主要有：交叉增益
调制（ＸＧＭ）¨Ｊ、交叉相位调制（ＸＰＭ） 和四波混
频（ＦＷＭ） 』。四波混频技术是当前唯一能实现
严格比特率和调制格式透明的、并能对一组ＷＤＭ
全光波长转换器的研究进展
全光波长转换(AllOpticalWavelengthConver-sion,缩写为AOWC)因其无需光电(OE)/电光(E0)转换器件,不受光信号格式(SignalFormat)以及位速率的限制,使光子网络具有透明性的特点而受到关注。由于全光波长转换器能够高效、可靠、简便地把信号光从一个波长转换到另一个波长,从而使基于波分复用的全光通信网系统容量大大提高,实现波长的再利用,解决了波长竞争问题,实现波长路由和虚通道功能,降低网络阻塞率,使网络管理更为灵活、简便和合理。因AOWC已成为光通信网的一个研究热点,无论实现AOWC的是有源器件(如半导体光放大器(SOA)),还是无源器件(如光纤),它们依据的都是光的非线性效应。波长转换是实现光子网(PhotonicNetworks)中的灵活波长控制的关键技术之一。在光子网络的光互连节点上,波长转换技术的应用能够降低通道阻塞的概率,实现波长的重复使用。波长资源的有效利用也有利于促进灵活网络的构筑。目前,世界各国都在开展AOWC技术的研究。基于SOA的AOWC在多个方面显示出优越性,是最有可能实用化的器件,形成了AOWC研究的主流方向。波长转换技术的进展对于光分插复用(OADM)、光交叉连接(OXC)以及全光网(AON)的发展都有极其重要的推动作用。1全光波长转换器件开发现状1.1全光波长转换器件的种类全光波长转换器件分为光开关型和光混合型两种。光开关型采用光-光转换,其基本原理是由信号光(波长λ1)来驱动光开关,并通过对被转换光(波长λ2)进行转换的方法将信号光的位模式(BitPat-tern)复制到被转换光上。利用半导体增益介质的非线性的光开关是目前的研究热点。其中受到较多关注的有基于选通型开关(GateSwitch,它利用了增益随半导体光放大器SOA中因信号光的注入而引起的载流子密度的变化而变化这一现象)的交叉增益调制型波长转换器、基于干涉型开关(它利用了折射率的变化)的交叉相位调制型波长转换器以及差分相位调制型波长转换器。这些采用SOA的波长转换器件具有外形紧凑小巧、转换效率高且与偏振无关的特点。光混合型也称为相干(coherent)型,它利用了物质的非线性光学效应,通过使信号光(波长λ1)及泵浦光(波长λ2)入射非线性物质的方法来生成新的被转换光(波长λ3)。具有代表性的光混合型波长转换器件主要包括四波混频型和差频发生型两种。1.2交叉增益调制型波长转换器件交叉增益调制(XGM:CrossGainModulation)型波长转换器件利用了以下现象:当信号光(λ1)入射SOA时,由于增益饱和的缘故,造成增益减小,并导致被转换光(λ2)的放大率下降(见图1)。
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]。
基于光子晶体光纤中FWM的4×10Gbit／s全光波长转换
第３３卷第４期 ２０１２年７月 应用 光学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏ１．３３ ＮＯ．４ Ｊｕ１．２０１２
文章编号：１００２—２０８２（２０１２）０４—０８０８—０７
基于光子晶体光纤中ＦＷＭ的
４×１ ０ Ｇｂｉｔ／ｓ全光波长转换
巩稼民，李 瑞，平璐
（西安邮电学院电子工程学院，陕西西安７１０１２１） 摘 要：多波长转换对于增强波分复用光网络的灵活性具有重要意义。基于光子晶体光纤中的
多四波混频原理，实现了４×１０ Ｇｂｉｔ／ｓ全光波长转换，深入调查了泵浦功率、光纤长度、信号光
与泵浦光偏振失配对波长转换信号质量的影响。结果表明：当泵浦光功率从６ ｄＢｍ到２Ｏ ｄＢｍ 增长的过程中，转换信号Ｑ因子随泵浦光功率增大而增大，最大为８２．Ｏ１，光纤长度从５０ ｍ到
１２０ ｍ变化过程中，转换信号Ｑ因子最大为５７．４１，而随着信号光与泵浦光偏振失配角的增大， 转换信号Ｑ因子逐渐降低，当失配角大于６Ｏ。后，转换信号质量急剧下降。
关键词：光子晶体光纤；四波混频；多波长转换；Ｑ因子 中图分类号：ＴＮ９２９．１１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１２３３．０４０８００１
４×１０ Ｇｂｉｔ／ｓ ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｏｕｒ—ｗａｖｅ
ｍｉｘｉｎｇ ｉｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ
ＧＯＮＧ Ｊｉａ—ｍｉｎ，ＬＩ Ｒｕｉ．ＰＩＮＧ Ｌｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ