（凝聚态物理专业论文）全光信号波长变换的理论与实验研究.pdf

摘要 全光信号波长变换的理论与实验研究 摘要 二十一世纪是一个信息化的社会，需要传送大量的信息，因此高速、 大容量的波分复用( w d m ) 系统便应运而生。 波分复用技术可利用不同的波长在同一根光纤中传输多路信号，可有 效的利用光纤带宽，提供光网络的灵活性。 w d m 系统的波长数目仍然大大少于实际的节点数目和用户数目。这 就使得两个或多个波长信号之间造成波长竞争，解决上述问题的关键技术 就是波长变换( w c ) ，从而提高网络的灵活性和可扩展性，同时也有利于 网络的运行、管理和控制。 半导体光放大器( s o a ：s e 嘶c o n d u c t o ro p t i c a l 锄1 p l i f i e r ) 具备良好的 非线性性能，具有交叉增益调制( x g m ) 、交叉相位调制( ，m ) 、四波混 频( f w m ) 非线性效应，十分适合用来实现波长变换，从而得到了广泛的 应用。本课题重点从s o a 的理论模型入手，对基于s o a x g m 的全光波 长变换进行理论研究，并对其转换特性进行分析，取得了一定的结果： ( 1 ) 、在广泛查阅文献资料的基础上，对半导体光放大器的x g m ( 交 叉增益调制) 、x p m ( 交叉相位调制) 、f w m ( 四波混频) 等几种非线性 效应及其应用进行了较为深入的研究。 ( 2 ) 、提出了s o a 的分段模型理论，并基于这一理论模型，从s o a 的载流子速率方程和光波的传输方程出发，用数值方法模拟了基于s o a 的全光波长变换消光比特性，并与计算结果进行比较。 ( 3 ) 、在进行消光比特性分析的基础上，对于信噪比和误码率与消光比 的关系进行了理论研究，得出的结果与所查阅资料相吻合。 ( 4 ) 、搭建了实验光路，对s o a 的增益特性、发光特性和x g m 特性进 行了实验研究，并对基于s o a x g m 效应的全光波长变换进行了实验研 究；本实验方案具有结构简单，易于集成等优点。 关键词：全光波长变换，半导体光放大器，交叉增益，交叉相位，四波混 频 摘要 t h e o r e t i c a la n de x p e i u m e n t a ls t u d y o n ( a v e l e n g t hc o n v e i u l e r so fa l lo p t i c a l s i g n a l s a b s t r a c t t 钾e n t y - f i r s tc e n m 巧i sa ni n f o m a t i o ns o c i e 吼a n dal o to fv a n o u s i n f o m l a t i o ns u c ha sm u l t i m e d i a ，v i d e os e r v i c ee t ca r er e q u i r e dt r a n s m i t t i n g s oh i 曲s p e e d ，h i g l lc a p a c i t yn e 帆o r ko f w “e l e n 舀hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) i sr e q u i r e d b yi i m l t i p l e x i n gs i g n a l sa tm a n yd i s t i n c tw a v e l e n 舒h so n t ot h es a m e6 b e r w a v e l e n 咖d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c l u l i q u e so 饪打av 唧e 虢c t i v eu t i l i z a t i o n o ft h e 肋e r b a n d w i d t h 锄di n c r e a s et h en e 帆o r kn e 】【i b i l i 吼 t h en u m b e rw a v e l e n 舒ho fw d m s y s t e mi sn m c hl e s st h a nt h en u m b e r o fn e tn o d e sa n da p p l i c a t o r sa n dt 1 1 i sc a nc a u s ec o n l p e t i t i o n 锄o n gt h e w a v e l e n g t h w a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e st or e s o l v e t h i sp r o b l e m i tc a ne n h a n c et h ef l e x i b i l i t ya n de x t e n s i o no ft h en e 觚。止a n d p r o v i d eb e t t e ro p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to ft h en e t w o r k s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la n l p l i f i e rh a sc r o s s - g a i nm o d u l a t i o n ，c r o s s - p h a s e m o d u l a t i o n ，a n df o u r - w a v em i x i n gn o n l i n e a re a e c t s i t sn o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c ss u i tf o rw a v e l e n 舒hc o n v e r s i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e t h e o r e t i c a lm o d e lo fs o a ，ad e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s e a r c ho nt h e 北京化工大学硕士学位论文 n o n l i n e a rc h a r a c t 嘶s t i c so fs o a - x g mi sg i v e ni nt h i sp 印e r a n do ni t s a p p l i c a t i o l l si na l l o p t i c a lw a v e l e n 舀hc o n v e r s i o n ，c 鲰a i nr e s u l t sa r ea c h i e v e d ， s p e c i f i cd e t a i l sa r ea sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) b a s e do nw i d e l yr e f e r e n c eo fl i t e r a t u r e s ，ad e t a i l e dt h e o r yr e s e a r c ho f s e v e r a ln o n l i n e a re 虢c t sa n d 印p l i c a t i o n so fs e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) s u c ha sx g m ，x p m ( c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n ) ，f w m ( f o u 卜w r a v e m i x i n g ) i sg i v e n ( 2 ) as o as e c t i o nm o d e l i sd e m o n s t r a t e d ，b a s e do nt h i sm o d e l ，a i l db y u s i n gt h ec 枷e rr a t ee q u a t i o na n do p t i c a lw a v ep r o p a g a t i n ge q u a t i o n ，t h e n o n l i n e a rg a i ns a t u m t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o aa r es i i i m l a t e di nn u m e d c a l ， a j l dt h er e s u l t sa r ea 1 1 a l y z e dw h i c hc o i n c i d ew i t ht h ee x p 嘶m e n t a lr e s u l t s ( 3 ) w ，et h e o r e t i c a l l ys t u d i e do ne x t i n c t i o nr a t eo fs o a ，a n dt h er e l a t i o n a m o n gs i g n a ln o i s er a t e ，e 邛d rc o d er a t ea j l de x t i n c t i o nr a t e t h er e s u l t sa r e a n a l y z e dw h i c hc o i n c i d ew i t ht h er e f e r e n c e ( 4 ) w r es e tu pe ) 叩e r i m e n ta n ds t u d i e dt h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c s ，锄i 仕i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dc r o s sg a i nm o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o a a n o p e r a t i o n p l a ni sp r o p o s e df o ra 1 1o p t i c a lw a v e l e n 舒hc o n v e r s i o nb a s e do ns o a - x g m ， a n dt h i sp r o j e c th a ss i m p l es t m c t u r ea n d e a s yi n t e 蓼a t i o n k e yw o r d s ：a l lo p t i c a lw a v e l e n g 也c o n v e r s i o n ，s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l if i e r x g m ，x p m ，f v ，m i v 符号说明 s o a d 、d m x g m x p m f w m m a c t l z d m d c r 名 五 n p e r 办 g n n 叩 以 吃 吩 符号说明 半导体光放大器 波分复用 交叉增益调制 交叉相位调制 四波混频 马赫曾德尔干涉仪 入射信号光波长 输入探测光波长 s o a 有源区内载流子的浓度 光功率 电子电荷量 光场限制因子 普朗克常数 微分增益系数 透明载流子浓度 增益峰值波长 透明时的波长 与s o a 的增益带宽有关 与增益谱的非对称性有关 波长漂移系数 v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 避 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：猎 导师签名：让磊乏奎! 亟 日期：巡堡亟蛰望 日期：到洋毕 第一章绪论 1 1 本课题研究的意义 第一章绪论 随着人类社会进入信息时代，对通信的需求呈不断上升的趋势，迅速增长的各类 业务对通信的带宽和容量提出了更高的要求。通信网的两大组成部分一传输和交换都 在不断地发展和进步。进入9 0 年代以来，随着光子技术的发展，基于光波分复用 m d m ) 的全光通信网( a o n ) 成为人们的研究热点。d w d m 技术是节省光纤线路， 提升传输容量的现实最优技术。而波长变换又是d w d m 中的关键技术，可进行透明 的互操作、解决波长争用、波长路由选定，以及在动态业务模式下较好地利用网络资源。 尤其是对大容量、多节点的网状网，采用波长变换器能大大降低网络的阻塞率。全光 网以光纤为基本传输媒质，采用波分复用技术提高网络的传送容量，同时全光网还可 以实现网络的动态重构和故障的自动恢复。【1 l 【2 】 经过多年来对波长变换器的研究，人们普遍认为理想的波长变换器应具有以下性 质4 】： 对比特率和信号形式应具有透明性； 宰具有对高速率信号的波长变换能力( 1 0g b i t s 以上) ； 既能向短波长变换，又能向长波长变换； 奉适当的输入功率( 不大于od b m ) ； 木较宽的波长变换范围； 母可以使输入波长无变化( 即相同的输入输出波长) ； 与偏振不相关； 低啁啾输出，高信噪比，高消光比； 幸实现简单。 目前波长变换技术主要有三种：o e e o 型，光控激光器型和基于半导体光放大 器( s o a ) 中非线性效应的波长变换技术。 ( 1 ) o e e o 型。光信号首先被转换为电信号，再用电信号来调制波长可调谐激 光器即可完成波长转换功能。这种方案技术最为成熟，容易实现，且光电变换后还可 进行整形、放大处理。但是对速率和调制格式不透明。 ( 2 ) 光控激光器型。它通过腔外注入光来控制激光器输出的方法来实现波长变换， 北京化r t 大学硕十学位论文 这种方法结构简单，但可调谐范围较小。 ( 3 ) 基于s o a 中非线性效应的全光波长变换器方法有很多，其中基于s o a 交叉 增益调制( s o a x g m ) ，交叉相位调制( s o a x p m ) 和基于光纤光栅外腔半导体激光器 的全光波长变换是目前研究的热点。基于s o a 交叉相位调制的波长变换主要是采用 m a c h z e h n d e r 干涉仪( m z i ) 或m i c h e l s o n 干涉仪( m i ) 来实现，被公认为是实现高速、 大容量光网络中波长转换的理想方案。其主要是利用s o a 有源区的折射率同载流子 密度有关，输入信号光强周期性变化的同时引起s o a 折射率的变化，这样光在干涉仪 的两臂产生光程差，进而形成相位差，从而实现对信号的调制。但环境变化而带来的 相位敏感也导致其应用受到限制；s o a x g m 型波长转换器利用s o a 的增益饱和效 应可对多个信道的信号同时进行波长变换，其结构简单，易于实现，可做到与偏振无 关，具有很高的工作速率。但信噪比较低；光纤光栅外腔半导体激光器利用了半导体 激光器的增益饱和效应来实现波长变换，其特点是变换的信噪比高，速度快。不足之 处在于每次可供变换的信道只有一个。目前已提出了通过改变光栅的某些特性实现波 长的可调谐变换技术( 例如，通过调节应力或温度的方法来改变光栅的工作波长) 来 改善其变换的信道数少之缺陷，具有较大的研究价值。【5 】【7 】 利用s o a 的x g m 、x p m 和f w m 调制，可以有效地进行波长变换。在x g m 调 制时，加入检偏器或光纤光栅，可以使消光比增加；在x p m 调制时，通过加入控制电 路、e d f a 或同时加入s o a 和e d f a ，可以分别使输入功率的动态范围扩大到3 8 d b ，4 0 d b 和2 8 d b 。在f w m 中，利用垂直极化双泵浦可以大大提高转化效率 和信噪比。 波分复用光网络( w d m ) 是高速、大容量通信网的基础，目前，网络节点的电光 和光电变换带来的电子瓶颈问题是限制网络速度的主要问题。w d m 网中节点的光化 是光纤通信网发展的必然趋势，全光波长变换是其中的关键技术。利用s o a 进行全 光波长变换是技术上的一个重要突破，但目前这3 种变换技术仍存在不足，需要以后 进一步研究。 1 2 相关领域的发展情况 本节主要针对上述所提的三种波长变换的方式进行讨论和比较，从而确定本课题 最适合的波长变换方案： 1 2 1 光电光型波长变换器瞳朝嗍 图l l 表示了光电光型波长变换器的结构。光敏二极管接收波长为五的入射光后 转换成电信号，然后放大，并加到外部调制器上。这个外部光调制器由d f b l d 等 2 第一章绪论 光源输入波长乃的光，用加载在以上的信号调制波长以的光以后输出。这个方式的最 大优点是：在和普通的光接收器一样低的输入水平上也可运行，信号光的动态范围大。 另外，所有的构成元件都己实用化，用组装市售的元件和电路的方法，可以实现实用 的光波长变换器，这是目前唯一实现实用化的波长变换器。直到4 0g b s 的高速运行 是可能的。用调制器调制直流光，有可能改善消光比和波形。此外，和偏振无相关关 系，也可以实现同波长变换。 入射光入。p d ( c ) 多波长：光源 图卜1 光电变换波长变换器的构成 f i 9 1 1t h es 缸u 咖陀o fa 1 1 唧石c a lw a v e i 饥g t hc o n v e r t e r s ( a ) 基本构成 ( b ) 调制器入射光源里为可调谐光源结构 ( c ) 用多波长光源时的结构 然而光电光型波长变换器是有限透明的，在变换过程中丢失了有关相位、频率等 信息。另外，波长变换器的工作带宽应能够覆盖所有可预期的应用。但是由于受增益 带宽的限制，光中继器无法对所有的比特率都进行优化，一般只是为单一的比特率设 计的，对于不同的速率其性能有很大差异，即对比特率不透明。当网络中使用一新的 比特率时，就需要更换新的设备，而这对于比特率透明的全光波长变换器来说是不需 要的。另外光电光型波长变换器的比特率还受电子瓶颈的制约。另外一个比较光电光 北京化工大学硕士学位论文 型波长变换和全光波长变换方法的重要因素是成本。为实现光电光转换，每一信道都 需要一个光探测器和一光发射器。在全光波长变换时，就可以免去光电光转换，而使 得设备成本降低。当考虑封装成本时，由于波长变换交叉连接器中将需要用到很多个 波长变换器，如果把它们封装到一个阵列装置中将大幅降低单个器件的成本。与全光 波长变换器相比，光电光型波长变换器的阵列将会十分繁琐，这是由于射频耦合时串 扰十分严重。高速电子设备需要很复杂的封装来避免与其它的信道发生串扰。随着速 率的增高，光电光型波长变换器的成本和功率消耗成倍增加，人们更愿意选择全光波 长变换器。 最后，由于e d f a 在光纤通讯系统中的大量应用和人们对全光网络的憧憬，网络 运营者都尽量保持光层的透明性，避免光电变换。因此目前人们主要致力于全光波长 变换器的研究。 1 2 2 基于激光器的波长变换器咖- m 强度调制光! 垒1 呈i 兰调制光调制光l ! 垒1 1i 呈频率调制光 时f 而司畸西卜一吲畸 入。 入。 入s 入。 图卜2d b r l d 上波长变换 f i g l - 21 1 l ew a v e l 锄g t l lc o n v 嘲e 格o nd b r - l d 图1 2 给出了多电极d b r l d 注入光实现波长变换的两种方式。( a ) 利用交叉增 益调制( c r o s s - g 血m o d u l a t i o nx g m ) ，是利用波长为丑的入射信号光的感辐射使载流 子密度减少，其结果是其它波长为凡的光输出减少，由此进行矗输出光强度的调制。 ( b ) 利用交叉相位调制( c r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ) ，是利用入射信号光感应辐射的增强， 通过伴随它的载流子密度的减少增加折射率，以此调制气输出光波长。也就是说，强 4 第一章绪论 度调制的入射光转换成具有别的波长且频率调制的输出光。频率调制的输出光由适当 的解调器转换成对应于入射信号的强度调制光。这个方式的运行速度被d b r l d 调 制上限速度所制约。这是由谐振腔频率决定，一般为1 0 g b s 左右。因为是利用载流 子密度变化，所以啁啾相应大，不太适用于长距离传输系统。 1 2 3 基于半导体光放大器的三种波长变换方式3 h 州8 h 1 半导体光放大器( s o a ) 具有响应速度快( 1 0g b s ) ，易于和其它半导体器件集 成等优点，基于s o a 的光电处理器，尤其是全光波长变换器受到了广泛的重视。 1 2 3 1 基于半导体光放大器交叉增益调制( s o a x g m ) 实现波长变换坦卜嘲 九s 入p 入 入p ( a ) s o a c 四 o ( b ) ( c ) 入p b ( t ) 图1 - 3 利用s o a - ) 硷m 效应实现波长变换原理 f i 9 1 3t h ep 血c i p l et 0r e a l i z et h ew a v e l e i l g n lc o n 吲e r sl l s i i l gs o a x g m 北京化工大学硕士学位论文 由于实现简单，采用半导体光放大器的交叉增益调制效应来实现波长变换是目前 研究较多的一种波长变换技术。如图1 3 ( a ) 所示，它利用半导体光放大器的增益饱 和特性，将一束强度调制的信号光信号丑和一束连续的探测光信号兄。同向注入到 。 ， s o a 中，强信号光使s o a 的增益发生饱和，从而使探测光受到增益调制，此增益调 制是由被调制的信号光信号丑来调制的。紧跟在s o a 后面的滤波器把信号光信号滤 掉，以保证只有探测光信号存在。这样，就把信号光上的信号变换到了探测光上。如 图1 3 ( b ) 所示，如果探测光和信号光为反向传输，则可以不使用滤波器，并且可以向 同波长转换。但反相传输的缺点是转换带宽相对同向传输时要小，放大的自发辐射 ( a s e ) 噪声变大【2 7 】，【2 8 】。 x g m 型波长变换器的工作原理可参照图1 3 ( c ) 来解释。在高输入功率的情况下， 将会使半导体光放大器中的载流子耗尽，导致放大器的增益饱和。波长为丑的信号光 信号是由强度调制的。当信号光输入“l ”信号时，由于其功率足够大，将使s o a 的 增益迅速降低；而当输入信号为“o 时，s o a 的增益会很快恢复到初始值。s o a 的 增益是由信号光功率反向调制的，因此变换后的信号与原信号相比是反相的。这将提 高信号处理的难度，提高了系统的成本，且不适于占空比较大、脉冲宽度很窄的超短 光脉冲通信系统。 在全光网络大多数系统中都要求器件对偏振不灵敏。通过采用偏振无关的s o a 可得到偏振无关的x g m 型波长变换器，而这用基于张应变或压应变多量子阱的偏振 非灵敏放大器结构即可实现。w s 1 1 i e h 等人【2 9 】通过采用特殊的光路结构，使用两个偏 振相关的s o a 得到偏振无关的x g m 波长变换器，在1 g b s 的速率下，实现波长上 变换1 9 姗，但是结构比较复杂，很难在实际应用中实现。 由图1 3 ( c ) 也可以看出，即使输入的信号光的消光比为无穷大( “o 码的功率 为o ) ，输出信号的消光比也是有限的，因此s o a x g m 型波长变换器的消光比欠理 想，小的消光比导致了光信噪比和误码率都比较差，特别是当这种波长变换器用于级 联工作方式时，信号恶化往往非常严重。理想的波长变换器在上变换( 从短波长向长 波长变换) 和下变换( 从长波长向短波长变换) 时应有相同的性能，否则，在一个拥 有多个波长变换器的光交叉节点( o x c ) 中，由于上变换和下变换的波长转换器的输 出信号幅度相差很大，相应地就会增加网络中功率均衡的压力，而且不利于级联工作， 但是基于x g m 的波长变换器在向长波长变换时，存在着严重的消光比退化的问题 【3 0 1 ，将制约这种波长变换器的应用。 这种方法的另一个很重要的缺点是引入了一定的噪声和啁啾，使信噪比恶化。 s o a 中存在着很大的自发辐射背景噪声，其噪声指数一般为5 8 d b 。通常，这种变换 方法的效率低于其增益，而变换过程中的噪声指数甚至高于放大器的内部噪声指数。 6 第一章绪论 有源区的载流子浓度的变化会使折射率指数发生变化，这就使得光信号的相位发生改 变，于是光信号的频率也就发生了变化，这就产生了啁啾。该啁啾为正啁啾( 脉冲的 上升沿蓝移，下降沿红移) ，于是信号在普通单模光纤中传输时，会发生展宽，这将 严重限制信号在色散光纤中的传输。p 嘶n o 等人【3 l 】实验证实通过使用色散位移光纤， 变换后的1 0 g b s 信号可以无误码传输1 2 1 k m 。在x g m 波长变换器后加一窄带滤波 器，把边频带滤除掉，可以减轻啁啾对系统性能的影响。 x g m 、m 效应都依赖于半导体光放大器的带间复合，所以这两种变换器的变 换速率就由载流子的动态特性所决定，而s o a 中的载流子的寿命一般在1 0 0 2 0 0p s ， 这样交叉增益型波长变换器的最高变换速率应在5 1 0 g b s ，但目前已经有了1 0 0g b s 的实验报导，所以，s o a 的高频动态响应速率远不能按经典低通特性载流子响应速 度计算的结果。丹麦学者t e 巧i 功l r h 硼s 【3 j 对此进行了理论和实验的研究，发现半导体 光放大器中的增益饱和滤波效应为该种波长变换器高速工作提供了可能。在用做交叉 增益调制波长变换器的半导体光放大器中，输入信号的低频成分在s o a 的传输过程 中将被滤掉，因此在s o a 的后部被变换到探测光上的调制信号主要以高频成分为主， 平衡了在s o a 前部以低频为主的调制。亦即光波在s o a 中传播的过程所逐渐表现 出的高通滤波效应平衡了载流子浓度变化的低通响应，使载流子浓度在高频时也有大 的变化。这种高通滤波特性改善了整个光放大器的响应特性，突破了由载流子寿命限 制的最高变换速率。 有几个简单的原则以得到高速的波长变换器，就是必须使s o a 工作于f 3 1 【5 1 ，【3 2 】： 1 ) 大的注入电流； 2 ) 高的光功率水平； 此外，s o a 的波导还必须有： 3 ) 大的光限制因子； 4 ) 大的微分增益； 由于允许的注入电流会限制变换速率，因此可以采用更长腔长的s o a 来提高变 换速率，这是因为长腔长的s o a 可以承受大的注入电流。把两个s o a 直接耦合在 一起也是一个增加腔长、提高变换速率的方法【2 l 】。使用长腔长的s o a 提高变换器变 换速率还有其它两个主要原因：一是长腔长s o a 的动态特性较好，二是由于长腔长 s o a 的带宽小，而较小的带宽可以在短波长上提供较大的微分增益，这样可以获得 大的消光比【3 】。但是，虽然采用较长的s o a 可以增加转换器的变换速率，但也有着 明显的缺点【5 】 【3 3 】： 1 ) 采用较长的s o a ，光在s o a 中传输时间就长，这样只能采用信号光和探测 光同向传输的方式，如相向传输，随着信号光功率的变化，沿着s o a 腔长方向，载 流子的消耗随之变化，这会导致变换后信号不稳定。 2 ) 随着s o a 腔长的增加，谱宽将减低，这会影响变换器的变换范围，同时放大 7 北京化工人学硕上学位论文 的自发辐射也增大，进而增大了变换器的噪声指数。 3 ) 具有统一的有源区截面的长腔长s o a 在制作上是很难实现的。目前，已经有 了关于利用s o a x g m 实现1 0 0 c m s 的实验报道【2 6 】，它采用了2 咖的s o a ，在变 换器中加入了光纤光栅，把探测光波长设定在光纤光栅的响应带边，巧妙的利用了变 换过程中的啁啾效应，实现了变换范围4 8 n m ，变换光消光比为4 9 d b ，代价约为4 4 d b 的波长变换。其实验装置图见图1 - 4 。 图1 4l o o g b 旭s o a i x g m 波长变换器 f i gl - 4t l l ew a v e l 衄g t l lc 叩v e r i e 璐b 觞e d s o a - x g m a t1 0 0 g b s 尽管s o a x g m 型波长变换器存在着种种不足，但这是实现波长变换最 为简单的方法之一。其优点是转换效率高、工作速率高、波长转换范围宽、 输出信号功率大、采用偏振不灵敏的s o a 可以实现波长变换器的偏振不灵 敏、体积小并易于集成。 1 2 3 2 利用半导体光放大器交叉相位调制( s o a _ x 阴) 实现波长变换堋一m 利用光纤中由k e r r 效应导致的交叉相位调制制作非线性信号处理装置已经是众 所周知，它具有高的响应速率和平坦的光谱响应等优点，这对波长变换器是非常关键 的，但是由于光纤的非线性系数很小，这就需要使用较长的光纤，而长光纤对外界环 境的波动和热噪声非常敏感郴】，为了克服这一缺点，采用s o a 作为非线性介质是研 究的热点。 m 方法是基于s o a 有源区的折射率指数与载流子数相关的性质。入射的信 号光使载流子浓度降低，这就会调制有源区的折射率，进而调制耦合到s o a 中的连 续光信号的相位。受相位调制的连续光信号可以在变换器之后解调，或者更好的方法 就是将s o a 放置在干涉仪中，这样变换器的输出信号就是强度调制的。最大的问题 是，结构中光部件多，及光干涉仪自身运行不稳定，要实现稳定工作很难。在过去的 几年中，采用s o a 的单片集成的干涉仪型波长变换器一直都是研究的热点，并取得 第一章绪论 了快速的发展。 ac 凹 p c 帆x s 一 p 鲫天c 。 图1 - 5 在s o a 上利用，m 效应的波长转换机理 f j gl - 5t h ew a v e l 锄g t l lc o n v c r t e 岱p 咖c i p l eb 觞e do ns o a m 图1 5 表示了其基本结构。在m z i 干涉仪( m a c h z e l l l l d 神两个分支上都插入 s o a ，给其中一支输入波长为五的输入信号见，给另一支输入波长为丸的直流光见。 由输入信号光引起的，在插入在m z i 干涉仪里的s o a 上产生的相位变化调制干涉仪 的光输出风。图1 6 示出了这种干涉情况，图中用干涉仪两个分支s o a 的输入电场 强度臣、e ，与输出光的电场强度磊的矢量关系来表示。 其中，表示由于s o a 的m 效应在两个分支间引起的相位变化的差。 厄e 图1 - 6 输入电场e l 、e 2 和干涉后输出电场e o 的关系 f i 9 1 - 6t h ei e l a t i o n s h i pb e t 、) i ，e e nt h ei n p u ta n do u t p u te l e c t r i cf i e l d 9 北京化工大学硕士学位论文 载 流 ( a ) 下 密 度 栩 ( b ) 位 差 光 ( c ) 输 如 p o 图1 - 7s o a o 口m 工作原理 f i g l 一7w 酬k i i l gt l l e o r yo fs o a x g m s o a 的m 效应原理图见图卜7 。由入射光引起的感应辐射的增加，使载流子密度 减少( 见图卜7 ( a ) ) ，结果使折射率变大，由此引起相位变化( 见图卜7 ( b ) ) 可以知道这个相位变化等于万时光输出最小( 见图5 ( c ) ) 。又由图卜7 ( c ) 可以看 出，输出信号光脉冲的极性跟输入信号光极性一样。 从图卜7 ( c ) 我们还可以发现，波长变换器工作在曲线的下降沿部分，可实现反 相的波长变换，而工作在上升沿部分，可以实现同相的波长变换。这样，我们可以合 理的优化变换器中s o a 的工作电流，输入探测光和信号光的功率，就可以实现高质 量的全光波长变换。 1 0 第一章绪论 一 图l - 8m i 型波长变换器 f i g l - 81 1 1 ew a v e l 饥g t hc o n v 瞰e r sb a s e do nm i 除了上述介绍的m z i 型波长变换器，还存在一种m i ( m i c h e l s o n ) 型波长变换器， 结构见图卜8 。该波长变换器有着更加简单的结构，输入信号光直接进入s o a 。由于 信号光是直接耦合入s o a ，因而有着较高的光功率，这使得很高的调制带宽成为可能。 由于m i 变换器有一个反射面，因此工作机制相类似。但需要提出的是，m z i 型变换 器可以使连续光和输入的信号光反向传输；而对于m l 型变换器，部分原始信号将始 终通过变换器并与转换信号一起传输，必须用滤波器把原始信号滤掉。这使得由于干 涉串扰而无法实现同波长转换。m 型波长变换器的优点是该波长变换器是集成的， 消光比增强，可进行同相、反相波长变换，啁啾小( 在适当的条件下，可以产生负啁 啾，有利于光信号在普通单模光纤中的传输) ，其与x g m 型波长变换器相比，输出 的光谱窄，这样，可以在非色散位移( n d s ) 光纤中传输更长的距离，串话也相应减 小。且可以进行同波长变换等。 1 2 3 3 利用波混频效应实现波长变换伯卜汹1 当介质中存在多个波时，由于其非线性响应，就会出现波混频效应。波混频效应 的结果就是由于几个波相互作用而产生一个新的波，其强度和相互作用的波的强度成 正比，并且其相位和频率与相互作用的波的相位和频率成线性关系。因此新产生的波 同时，保留了强度和相位信息，是一种提供严格透明的全光波长变换器。它同时也是 一种可以同时把一组输入波长转变为另一组输出波长的方法。而且这种方法的变换速 率可以超过1 0 0 g b i t s 。 利用四波混频( f w m ) 效应的波长变换器已经被人们广泛研究。四波混频是由介质 内三阶非线性引起的。这种波长变换器既可以使用光纤也可以使用半导体光放大器 s o a 作为非线性元件，两者变换速率都很高，但从尺寸和效率方面看，s o a 可得到 良好的结果。这种波长变换器可以变换任何调制形式的信号，而其它波长变换器基本 上只适用于强度调制的信号。对于信号格式的透明性也意味着可以同时对w d m 中的很 多信道进行波长变换。 婵h 北京化工大学硕士学位论文 基于s o a 的f w m 型波长变换器的原理可简述如下。将频率为缈。的泵浦光和频 率为彩。信号光通过