（光学工程专业论文）基于soa的全光波长转换技术的研究.pdf

摘要 摘要 全光波长转换器( w a v e l e n 群hc o n v e r t e r ) 是波分复用( w d m ) 光网络中的关键器 件之一，它可以有效的解决网络中的波长阻塞问题，提高波长利用率，简化网络 管理，增强网络对故障的适应能力。基于半导体光放大器( s o a ) 的波长转换器由于 其功耗小、转换速率高等优点，成为近年来研究的热点。 本论文对基于s o a 中交叉增益调制( x g m ) 效应和交叉相位调制( x p m ) 效应的 波长转换器进行了较全面的理论分析和仿真研究。主要内容是： 1 ) 对s o a x g m 型波长转换器的消光比和啁啾特性特性进行了理论分析和仿 真模拟，通过使用中心频率相对原探测光中心频率红移的滤波器，实现了信号光 和探测光的同向输入、同相输出，并研究了输入探测光和信号光功率、转换波长 范围、s o a 注入电流强度、s o a 有源区长度、s o a 光场限制因子、滤波器频率偏 移、滤波器带宽等参数对转换输出光的消光比、啁啾和脉冲宽度的影响，提出相 应的优化建议。通过优化，可以实现对1 0 g b ，s 的高速率信号，在较大波长变换范 围内的波长转换。 2 ) 对基于x p m 的s o a m z i 全光波长转换器的误码率和消光比特性进行了理 论分析和仿真模拟。研究了输入探测光和信号光功率、转换波长范围、s o a 注入 电流强度、s o a 有源区长度、s o a 光场限制因子等参数对转换输出光的消光比、 误码率的影响，在此基础上进行参数优化。通过优化，可实现对1 0 g b s 的高速率 信号的全光波长转换，转换后的信号波形失真小，消光比高，其灵敏度代价很小， 接近3 d b 。 本文所有的仿真研究基于v p i t r a n s m i s s i o n m a k e r 仿真平台和m a t l a b 仿真平 台。 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 a b s t r a c t a b s t r a c t a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r t e r ( a o w c ) i so l a e o ft h ek e yc o m p o n e n t si n w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n go p t i c a l n e t w o r k s i tc a ne f f i c i e n t l ys o l v et h e w a v e l e n g t hb l o c k i n gp r o b l e mi nt h en e t w o r k s ，i n c r e a s et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo f w a v e l e n g t h s ，s i m p l i f yt h em a n a g e m e n to f t h en e t w o r k s ，a n de n h a n c et h ea d a p t a b i l i t yt o f a i l u r eo ft h en e t w o r k s w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do ns e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ( s o a ) h a sa t t r a c t e dal o to fr e s e a r c hi n t e r e s tr e c e n t l yd u et oi t sl o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dh i g hc o n v e r s i o nb i tr a t e i nt h i sp a p e r , w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n sb a s e d o nc r o s s g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) a n dc r o s s - p h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) i ns o aa r e s t u d i e db o t hi nt h e o r ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n ( 1 ) ，t h e e x t i n c t i o nr a t i oa n dc h i r po fs o a x g mc o n v e r t e ra r ea n a l y z e d t h e o r e t i c a l l ya n ds i m u l a t e d i n p h a s eo u 钿u to ft h es i g n a ll i g h ta n dp r o b el i g h t i s r e a l i z e db yu s i n ga no p t i c a lb a n d p a s sf i l t e r ( o b f ) w i t ht h ec e n t r a lw a v e l e n g t ht h a ti s r e ds h i f t e dc o m p a r e dt ot h ec e n t r a lw a v e l e n g t ho ft h ep r o b es i g n a l t h ei n f l u e n c e so f i n p u tp o w e r ，w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nr a n g e ，i n j e c t i o nc u r r e n t so f t h es o a ，l e n g t ho ft h e s o a ，o p t i c a lc o n f i n ef a c t o ro f t h es o aa n df a c t o r so ft h ef i l t e ro ne x t i n c t i o nr a t i oa n d c h i r po fc o n v e r s i o nl i g h ta r es t u d i e d w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nw i t h10 g b sd a t ar a t ea n d w i d ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o nr a n g ei sr e a l i z e da f t e ro p t i m i z i n gt h e s ef a c t o r s ( 2 ) t h e c o n v e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o a x p mc o n v e r t e r a r e a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l ya n ds i m u l a t e d t h ei n f l u e n c e so fi n p u tp o w e r , w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n r a n g e ，i n j e c t i o nc u r r e n t so f t h es o a ，l e n g t ho f t h es o a a n do p t i c a lc o n f i n ef a c t o ro f t h e s o ao ne x t i n c t i o nr a t i oa n db i te r r o rr a t eo fc o n v e r s i o nl i g h ta r et h o r o u g h l ys t u d i e d w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nw i t h10 g h zs i g n a la n dw i d ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o nr a n g ei s r e a l i z e da f t e ro p t i m i z i n gt h e s ef a c t o r s t h ep o w e rp e n a l t yo ft h ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n i sv e r ys m a l la n dc a nr e a c h3 d b a l lo ft h es i m u l a t i n gr e s e a r c hi n t h i st h e s i si sb a s e do nv p i t r a n s m i s s i o n m a k e r s i m u l a t i n gp l a t f o r ma n dm a t l a bs i m u l a t i n gp l a t f o r m a b s t r a c t k e yw o r d s ：a l lo p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ( a o w c ) ，s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ( s o a ) ，c r o s s g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) ，c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) 缩略字表 缩略宇表 a d m a d d d r o pm u l t i p l e x e r 分插复用器 a o w ca l lo p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n 全光波长转换 a s e a m p l i f i e ds e l f - e m i s s i o n 放大自发辐射 a s o na u t o m a t i cs w i t c ho p t i c a ln e t w o r k 自动交换光网络 a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e异步传输模式 b e rb i te r r o rr a t e 误码率 c wc o n t i n u o u s 肪y e 连续波 d c f d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r 色散补偿光纤 d f bd i s t r i b u t e df e e db a e k 分布式反馈 d s f d i s p e r s i o ns h i f tf i b e r色散位移光纤 d w d md e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 密集波分复用 d x c d i g i t a lc r o s sc o n n e c t o r 数字交叉连接器 e d f a e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r 掺铒光纤放大器 e re x t i n c t i o nr a t i o 消光比 f b gf i b e rb r a g gg r a t i n g 光纤布拉格光栅 f d lf i b e rd d a yl i n e 光纤延迟线 f p a f a b r y p e r o to p t i c a la m p l i f i e r法布里一珀罗光放大器 f w h mf u l lw i d t ha th a l f m a x i m u m 半高全宽 f w mf o u r - w a v em i x i n g 四波混频 g v d g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n 群速度色散 l o al i n e a ro p t i c a la m p l i f i e r 线性光放大器 m l f r lm o d el o c k e df i b e r r i n g l a s e r 锁模光纤环激光器 m z im a c h - z e h n d e ri m e r f e r o m e t e r 马赫一曾德干涉仪 n l o m n o n l i n e a ro p t i c a lm i r r o r 非线性光纤环镜 n r zn o n r e t u mt oz e r o 非归零码 o a d m o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r光分插复用器 o b f o p t i c a lb a n d - p a s sf i l t e r 光带通滤波器 0 p l l o p t i c a lp h a s el o c k e dl o o p 光锁相环 o p s o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g光分组交换 o p s n o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn o d e 光分组交换接点 v i 图形列表 o t d m o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 光时分复用 o t n o p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k 光传输网 o x c o p t i c a lc r o s sc o n n e c t o r 光交叉连接器 p r b sp s e u d o r a n d o mb i n a r ys e q u e n c e 伪随机二进制序列 p r zp s e u d o r e t u mt oz e r o 伪归零码 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r z r e t u mt oz e r o 归零码 s c ms u b c a r r i e rm u l t i p l e x i n g 副载波复用 s d h s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y同步数字系矾 s m f s i n g l em o d ef i b e r 单模光纤 s n r s i g n a ln o i s er a t i o信号噪声比 s o as e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r 半导体光放大器 s a n e t s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k 同步光网络 s p ms e l f p h a s em o d u l a t i o n 自相位调制 s s b s i n g l es i d eb a n d 单边带 t 仇h t r a v e l l i n gw a v eo p t i c a la m p l i f i e r 行波光放大器 t 、_ l d a t r a v e l i n g w a v el a s e r - d i o d ea m p l i f i e r 行波二极管光放大器 w d m w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 波分复用 x g mc r o s sg a i nm o d u l a t i o n 交叉增益调错 x p mc r o s sp h a s em o d u l a t i o n 交叉相位调帝 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 型1 丕日期：j 卵，年占月j l f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：幽辱聊签名：弛塾： 日期：枷f 年f 月2 f 日 第一章引言 1 1 全光波长转换器来历 第一章引言 自2 0 世纪6 0 年代高琨博士提出采用低损耗玻璃光纤作为光传输媒质的理论 以来，光纤通信技术和光纤产业得到了迅猛的发展，极大的影响了人们的生活。 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。 伴随着i n t e m e t 的出现和多媒体业务的迅猛发展，个人和公司对带宽资源提出了越 来越高的要求。为满足光通信网络传输的交互性、灵活性的要求，提出了波分复 用( w d m ) 和密集波分复用( d w d m ) 技术，对光纤带宽资源进行了充分的利用。 在许多这样的波长路由网络的交互连接中，一些关键的问题人们必须要注意，包 括网络的互联性、可扩展性和透明性。 波长转换器( w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 是w d m 实现上述特性所需要的一个关键 器件，波长转换器在关键的网络节点处发挥着非常重要的作用，它能提高子网间 的互联性，解决波长竞争，消除阻塞，提供虚波长路由，并且从总体上看，在动 态传输模式下更好地利用网络资源。 理想的波长转换器应该具有如下特征【1 ：转换码率较高，至少要达到1 0 g b i t s ， 以满足高速传输的要求；输出信号消光比和信噪比不能恶化，使多个转换器可以 级联：输入功率要低，大约o d b m ：输入输出的波长范围要宽，满足w d m 网的波 长要求：转换时引入的啁啾要小：对输入偏振不敏感，输出响应快；应用要简单等。 目前实现波长转换主要有光一电一光型和全光型。光一电光型技术上比较成熟， 工作稳定，已经在光纤通信系统中用于波长转换器，有成熟的商业产品。缺点是 装置结构复杂，成本随速率和元件数增加，功耗高，这使它在多波长通道系统中 的应用受到限制。全光型波长转换器( a o w c ) 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一 电一光波长转换器中电器件的速度瓶颈、透明性低等不足。对于解决全光传输网中 的波长争用问题，提高波长重用率和网络配置的灵活性等均有重要意义。同时波 长转换技术分散了网络管理，提高了安全性。 电子科技大学硕士学位论文 1 - 2 全光波长转换器的基本原理 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。大致可分为： ( 1 ) 交叉增益调制( x g m ) ：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。 ( 2 ) 交叉相位调f h i j ( x p m ) ：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- 曾德干涉仪( m z i ) 、迈克尔逊干涉仪( m 1 1 等。 ( 3 ) 四波混频( f w m ) ：f w m 是一种重要的三阶非线性效应。当满足一定的相 位条件和波长条件时，非线性介质中的两路光丑和丑发生拍频，使介质折射率或 载流子分布形成周期为f 2 = c o i _ m 2 的动态光栅，第三路光丑在此光栅上发生散射， 产生频率为0 ) 4 = 0 9 3 + 臼的四波混频光。简并情况下可以有。l = 3 ，即0 9 4 = 2 0 2 1 2 。 若以 为泵浦光，以 为信号光，则丑的信息将被复制到五，从而完成了波长转换。 ( 4 ) “差频”效应：这是在准相位匹配( q p m ) 光栅波导中产生的一种效应。 高功率的泵浦光。和信号光c o 。耦合后进入到q p m 光波导中，产生高效率的二阶 非线性差频效应，光场之间发生能量的转移，每湮灭一个高频光子，就产生两个 低频光子。所产生的新光场( 也称差频光或空闲光，频率用表示) 的频率满足 o j i = ( o p 一。，即波长满足1 , a i = l 2 p 一1 2 。，它完全复制了信号光的强度和相位信息，频 率转换间距为a c o = c a i 一s = p - 2 c o 。，实现了波长转换。 1 3 全光波长转换器的主要类型 1 3 1 基于光纤的全光波长转换器 光纤是无源器件，在一般情况下用作线性传输介质。但光纤的芯径很细，使其 能在较低的功率下产生三阶非线性效应，如四波混频和交叉相位调制。基于光纤的 全光波长转换器正是利用这些效应实现的。 第一章引言 1 3 1 1 基于光纤的四波混频 当光频分别为石、石、五( i ，j ，k 的取值为1 ，2 ，3 ) 的三个信号通过光纤时，四 波混频过程将产生9 个混频光，其频率可表示为：f j k = s + 刃- f k ( i , j k ) 。以石、f , - 为泵浦， 矗为信号，则转换输出廊功率如式f 卜1 ) 所示( 2 ： 驴丽1 0 2 4 石6 ( d z u n ) 2 警i 筹i 。 ( 1 _ 1 ) 式中上为光纤长度，j r 为纤芯折射率，a 为波长，c 为真空光速，口为简并因 子( 卢时d = 3 ；i - j 时庐6 ) ，z 。，为三阶非线性极化率，爿盯为导模h e 模的有效 面积，p 为功率，卢为混频光的传播常数，口为光纤损耗系数，卢= 卢，j k + 卢厂口厂 芦，为传播常数差，表示相位失配的量。 光纤作四波混频介质的优点是响应快，转换码率几乎是无限的：但普通石英 光纤的非线性系数小，波长转换的效率很低，需要长距离的光纤积累非线性效果， 很难实用化。而且受到色散的影响，一旦波长偏离零色散波长，其效率就迅速降 低，限制了转换带宽。有人提出采用高非线性系数的光子晶体光纤来增大波长转 换效率p j 。其原理如图1 1 所示： s b s s u p p r e s s i o n 图卜1 基于光子晶体光纤的波长转换 信号光。和泵浦光。同时注入光子晶体光纤，泵浦光采用相位调制以抑制受 激布里渊散射s s b ( s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) ，以减弱线宽展宽给光通信带来 的影响。由于光子晶体光纤的非线性效应，将在输出端产生c o p 土( o j p - o ) 。) 的两个边带， 其中，个与c o ；重叠，即信号光放大，另一个边带( 闲频光) 为( d i = 2 0 ) p - f o ；，c o 。携 带了原来信号光的信息。接收端加上可调谐滤波器，滤掉放大的信号光；，得到 电子科技大学硕士学位论文 转换后的光信号。从而利用光纤参量放大器原理实现了全光波长转换也即形成了 全光波长转换器。 该波长转换器的优点是：1 ) 转换波长可调谐；2 ) 对信号的编码格式具有透明性； 3 1 波长转换速率高，范围大。但是，该波长转换器受光子晶体光纤质量的限制，其 实用还有待光子晶体光纤技术的发展。 1 3 1 2 基于非线性光纤环路径的交叉相位调制 基于光纤的交叉相位调制经常用到非线性光纤环路径。它使用3 d b 耦合器与 光纤构成一个环，当探测光从左端口输入时，分成强度相同的两路沿环的顺时针 和逆时针传播。由于两路光程相同，在返回到耦合器时，从左端口完全出射，右 端口没有输出。 但如果用强度较大的信号光使同向传播的那一路探测光产生相位改变，则两 路探测光将产生相位差，在右端口发生干涉输出。当两路相位差为n 时，探测光 1 0 0 从右端口输出，这就实现了信息从信号波长到探测波长的转换。原理性的结 构如图1 2 所示【4 j 。 秸的探谢光 图卜2基于非线性光纤环路径的波长转换 非线性光纤环路径的优点是响应速度快，消光比高；其缺点是环路存在走离 效应，导致脉冲展宽。为克服走离效应，环路可用普通单模光纤和色散位移光纤 分段相连，进行色散管理。 第一章引言 1 3 2 基于激光器的全光波长转换器 激光器一般通过交叉增益调制和四波混频实现全光波长转换，尚未见到用交 叉相位调制的报道。 1 3 2 1 基于激光器的交叉增益调制 半导体激光器的交叉增益调制型全光波长转换器利用了半导体激光器的光吸 收增益饱和机制实现波长转换。由于存在闽值效应，激光器中的交叉增益调制有 其特殊性，有时亦称为增益抑制( g a i ns u p p r e s s i o n ) 。一种比较简单的交叉增益调 制的实现方案如图l 一3 所示【5 ： 信号光 一( 转撬器， 图卜3基于激光器的交叉增益调制的波长转换 图中右边的d f b l d 激光器( l d 2 ，丑) 用作转换器的非线性器件，利用左边 s i g l d 激光器( l d l ，矗) 发出的信号光注入激光器l d 2 ，当丑为“1 ”时，消耗l d 2 的载流子，使它对本身激射波长乃的增益下降到阈值以下，从而五输出为“0 ”；当丑 为0 时，l d 2 不受影向，输出波长为丑的“l ”信号。这样利用交叉增益调制， 就实现了信息从丑到乃的反相拷贝，完成了波长转换。若想获得同相转换，需将 两个转换器级联使用。 原理上非常简单，这是基于激光器的交叉增益调制的波长转换的一大特点。 另外，阂值效应可以改善输出的信噪比。一般a s e 噪声会引起信号光脉冲顶部功 率的起伏，但只要起伏都在阈值功率以上，则输出都是0 ，从而抑制了a s e 噪声。 此类转换器已经实现在2 5 g b i t s 码率下的转换，级联使用对a s e 噪声有较好的改 善。 基于激光器的交叉增益调制方案，通常有输出波长不可调，偏振敏感，转换 有损耗等缺点。近年来，人们提出了一些改进技术，包括基于半导体激光器的注 电子科技大学硕士学位论文 入锁定波长变换技术【6 j 、采用光纤光栅外腔半导体激光器( f b g e c l ： f i b e r b r a g g g r a t i n g e x t e r n a l c a v i t y l a s e r s ) 完成a o w c 【7 】等技术，使基于激光器的交 叉增益调制的波长转换技术得到改进。 1 3 2 2 基于激光器的四波混频 基于激光器的四波混频过程，一般利用激光器自激光作为一路泵浦，与外来 的信号光进行简并四波混频。所用的激光器可以d f b 激光器或各种外腔激光器。 图1 - 4 是一个以双向的d f b 激光器进行四波混频的原理图【8 】。 信 c l 图卜4基于激光器的四波混频的波长转换 这个转换器的特点是改进了对偏振的敏感性。它利用偏振分束器( p b s ) 将信号 光( e s ) 分成x 偏振和y 偏振两束，并设x 偏振光与激光器自生的泵浦光偏振相同。 而y 偏振光经过一个1 2 波片，偏振态也转换为x 偏振。所以在激光器中发生四 波混频时，两个方向上的信号光与泵浦光的偏振都是一致的，这样就提高了混频 效率，抑制了偏振带来的转换效率起伏。转换后的混频信号在分束器处合束，经 环路器下路。其转换效率对偏振的敏感度被抑制在0 4 d b 内，转换码率可达 1 0 g b i t s 。 基于激光器的四波混频效率不高，其中一个原因是激光器在激射时，由于增 益饱和，其非线性系数变小，从而导致四波混频效率下降。 第一章引言 1 3 3 基于半导体光放大器的全光波长转换器 半导体光放大器( s o a ) 是利用半导体技术制造的一种行波放大器，本质上是一 个p n 结，类似于去掉谐振腔的激光器。它体积小巧，易于光学集成，偏振敏感低， 更具有很高的小信号增益和非线性系数。因此成为波长转换器的首选器件。 1 3 3 1 基于s o a 的交叉增益调制 一个常见的s o a 交叉增益调制实验原理图如图卜5 所示叽 赣人信号 juul s o a 、 变按德崎 伽 滤渡蒜 图卜5基于s o a 的交叉增益调制的波长转换 当强度调制的信号光p s 。( 波长为丑) 与连续的( c w ) 探测光r ( 波长为屯) 同时入 射到s o a 中时，信号光强的变化将使s o a 中的增益随之变化，这将使输出的探 测光强度也随之变化，从而使其所载的信号转移到探测光上去。 影响交叉增益调制的重要因素是探测光强度、s o a 的注入电流、有源区长度、 光场限制因子等。 一般说来，s o a 交叉增益调制具有实现简单、偏振不敏感洌于偏振不敏感的 s o a ) 、转换波长范围大、转换可以无损耗等优点。因此，人们对s o a x g m 型全 光波长转换器进行了大量的研究，提出不少的改进模型。文献 1 0 提出了利用s o a 中的放大自发辐射的交叉增益调制来实现全光波长转换，该方法不需要探测光， 转换带宽大；文献【1 1 提出用多级级联的s o a 来实现超带宽的波长转换；在国内， 兰明建等人提出采用s o a 实现对s o a x g m 型全光波长转换器的消啁啾模型【l “； 曾小飞等人提出一种高精度、高稳定度全光波长转换器模块的设计，极大地改善 了s o a x g m 波长转换器的性能，并在此基础上很好地实现了波长转换器参数的 监控 j 3 。 基于s o a 的交叉增益调制效应的全光波长转换器也具有消光比下降、转换后 信号反相及啁啾过大等缺点。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 3 2 基于s o a 的交叉相位调制 基于s o a 的交叉相位调制原理如图1 - 6 所示 ”j 。它包括m z i 和插在m z i 两 臂上用作相位迁移器件的s o a ( g l ，9 2 ) 。 腿 图卜6基于s o a 的交叉相位调制的波长转换 利用信号光调制干涉仪其中一臂上$ 0 a 的载流子浓度，就可以使其相移特性 随之变化。造成同时通过9 1 、9 2 两臂的探测光在输出端产生相位差，从而相干输 出，实现了波长的转换。为了得到长时间的稳定工作以及较大的光带宽，通常要 求m z i 的臂长差别越小越好，要使带宽达到2 0 n m ，臂长差别必须小于1 0 m m ，这一 点用集成器件比较容易实现，用分立元件实现相对要困难一些，所以s o a 和m z i 通常要集成在单一芯片上。 基于s o a 的交叉相位调制是目前较为成熟的波长转换技术，具有速率高、消 光比增大、转换效率高、转换带宽大、啁啾小等一系列优点。目前，对基于$ 0 a 的交叉相位调制的波长转换器的研究仍然是热点之一，y 1 i u 等人提出使用相对探 测光光谱有蓝移的光滤波器，可以将s o a 的有效恢复时间降低到1 8 p s ，从而实现 3 2 0 g b s 的无误码的全光波长转换【i ”；文献 1 6 1 提出了一种采用延迟线干涉仪和相 移器的办法来减少相位噪声，实现对较大的光信噪比的4 0 g b s 的信号的波长转换； 文献【1 7 】提出使用超长s o a 来优化转换信号的消光比的方法：在国内，施伟伟等 人提出采用非对称的m z i 实现x p m 全光波长转换。因为x p m 波长转换器是利 用信号光强控制两臂相差的，所以对输入光功率的范围有比较严格的要求，对i d z i 干涉仪的精度要求也很高。 1 3 3 _ 3基于s o a 的四波混频 s o a 中简并的四波混频原理、方案都类似于光纤中的f w ) ，i ，只是性能要优越 第一章引言 得多，这主要得益于s o a 的三阶极化率比光纤要高出5 7 个量级。使用小信号 增益达3 4 d b 的半导体光放大器，在泵浦和信号频差为1 t h z 情况下，可获得四波 混频效率为5 d b 。此处四波混频效率定义为s o a 输出端的转换后信号功率对输入 信号功率的比值。在噪声带宽为1 2 5 g h z 下，获得2 0 d b 的信噪比。 基于f w m 的波长转换器可以实现透明的波长转换，速率高( n r z 码可以大 于1 0 0 g b i t s ) 。但也存在自发噪声大、转换效率低、高抽运功率、偏振敏感等缺点。 尤其是随着转换波长间隔增大，转换后光的信噪比和转换效率迅速降低，不利于 波长转换器的级联。因此，本文仅对基于s o a 的x g m 和x p m 波长转换器进行 研究。 1 3 4 其他类型的全光波长转换 除了以上介绍的全光波长转换技术外，其他类型的全光波长转换器还有：基 于电吸收调制的全光波长转换器、基于超连续脉冲的光时选通特性的全光波长转 换器、基于差频混频的全光波长转换器。 电吸收调制器( e a m ) 是一种损耗调制器，它利用f r a n z e k e l d y s h 效应和量子约 束s t a r k 效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。9 0 年代后随着高速率长距离 通信的发展，电吸收调制器的研究受到重视。将信号光( a 。) 和探测光q p ) 以相向方 式注入固定电压偏置的e a m ，在信号光高功率情况下，光生载流子引起的内部电场 会改变波导的吸收特性。根据饱和吸收的变化调制连续探测光，从而达到波长转 换的目的。基于电吸收调制的全光波长转换器通常具有低啁啾、低噪声、波长转 换问隔宽，应用情景广阔。但其转换速率受到饱和吸收恢复时间的限制和器件长 度以及输入光功率的影响。 超连续脉冲s c ( s u p p ec o n t i n u u m ) 也叫透明脉冲，脉冲宽度为0 ，2 5 0 3 9 p s 。利 用光纤中克尔效应和正常色散的相互作用，累积的啁啾展宽了光脉冲的光谱，从 而得到频率啁啾与时间成正比例的方波形状的超连续光脉冲。改变光时控门的时 间位置，则改变s c 光脉冲的中心波长。基于超连续脉冲的波长变换转换范围不宽， 输出波长固定，没有太大的应用。 差频混频的全光波长转换器主要利用材料的二阶非线性效应，产生的输出信 号为泵浦光和输入信号的差频，从而实现波长转换。图j 7 为基于l i n b 0 3 基底的 差频混频波长转换器结构示意图l ”】。第一个信号是入射光，在器件内以某一波长 或频率( ，) 传播。第二个信号是由入射信号而产生的，并以第二个频率或波长q 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 在器件内以与该入射信号平行的方向传播。由于l i n b 0 3 晶体材料大的二阶极化率 ( x 2 ) ，保证了频率的生成。泵浦光、入射信号和产生的信号之间的相位匹配是由沿 着入射光方向的材料的周期性极化作用而得到保证的。局部材料持久的极化效应 通常是由于在材料表面施加了高压而产生的，高电压的使用使得高介电村料的光 学特性叮以持久地发生改变。在l i n b 0 3 晶体中这样的周期变化通常被称为周期性 极化l i n b 0 3 ( p p l n ) ，p p l n 的相位位匹配特性具有很宽的光学带览，当使用可凋 谐半导体激光源泵浦时，则可以实现可变波长的全光转换。基于p p l n 的差频混 频的波长转换表明转换效率大于4 0 ( 4 d b 的转换损耗) ，并且随着刻在l i n b 0 3 晶体的c h a n n e l 光波导的应用，该数值仍在继续改进。c h a n n e l 波导是通过质子交 换腐蚀法刻在l i n b 0 3 晶体上的，这样的波导保证了三个互相作用的信号间有足够 的重叠，功率密度高，这是非线性效应的关键回素。波导的采用同时也改善了光 纤尾纤的耦合效率，因而具有很好的应用前景。f u k u c h i 等人就利用准相位匹配 l i n b 0 3 晶体中的差频混频器和二次谐波发主器的级联，实现1 6 0 g b i t s 光时分复用 信号解复用1 4 ”。系统的交换响应速度快、噪声低、效率高、稳定性好。误码为1 0 。9 时，交换中的串扰所引起的功率代价小于2 5 d b 。但是，这种波长转换的效率很低。 1 3 5 结论 1 波导 可调激光嚣泵浦 图卜7 基于l i n b 0 3 基底的差频混频的全光波长转换器 利用光纤非线性的波长转换器转换速度快，可达飞秒量级。但转换效率低， 注入信号功率高，且光纤非线性弱，引入1 8 0 度的相移需要较长的d s f 光纤，这 第一章引言 将会导致输出脉冲有展宽，系统误码率升高，同时也削弱了系统的稳定性，故此 方案目前只停留在实验室用作研究：基于激光器的交叉增益调制方案，通常有输 出波长不可调、偏振敏感、转换有损耗等缺点，基于激光器的四波混频的波长转 换器效率不高，都难以实现实用； 基于半导体光放大器的波长转换器最具有实用化前景的。它结构简单、转换 效率高、响应快、转换范困宽、结构紧凑、易于集成。目前全光波长转换器普遍 采用s o a 做非线性器件，或者提高s o a 的性能，或者利用s o a 配合其他器件构 成新的转换器结构。 基于电吸收调制的全光波长转换器具有低啁啾、低噪声、波长转换间隔宽， 尤其对信号脉宽要求不高，有一定的应用前景。但其转换速率也受到饱和吸收恢 复时间的限制和器件长度以及输入光功率的影响。而基于超连续脉冲的波长变换 转换范围不宽，输出波长固定，没有太大的应用。基于l i n b 0 3 基底的差频混频波 长转换器实现灵活，易于光纤耦合，若能进一步提高转换效率，将会是很有前途 的波长转换器。 1 4 本论文主要研究内容和章节安排 本文主要工作和章节安排如下： 第一章分析了全光波长转换器在未来的w d m 网络中的重要地位和前景，详 细介绍了各种全光波长转换器的技术及原理，并进行了比较。 第二章介绍了半导体光放大器的基本性能指标及理论方程，介绍了进行全光 波长转换仿真所用的s o a 的理论工作模型，详细介绍了分段动态模型和整体平均 模型建立的数学过程，为后面的章节分析波长转换器特性提供了数学工具。介绍 了本论文所使用的仿真软件v p i 。 第三章介绍了x g m s o a 全光波长转换的运行机理，在v p i 中搭建了一个 x g m s o a 的仿真模型，研究了不同参数对x g m s o a 波长转换器的转换后光的 消光比、啁啾特性的影响，为波长转换器在光包交换、光路由中的性能优化提供 了依据。 第四章对x p m s o a 全光波长转换进行了仿真研究，比较了不同参数对波长 转换器性能的影响，提出了优化参数方案，使全光波长转换器达到理想的转换效 果。 电子科技大学硕士学位论文 第五章为全文总结。 2 第二章全光波长转换中半导体光放大器的模型理论 第二章全光波长转换中的半导体光放大器的模型理论 对光放大器的需要来自光信号沿光纤传送时引入的信号衰减。目前研究的光 放大器主要有半导体光放大器( s o a ) 、掺饵光纤放大器和拉曼放大器，其中掺饵 光纤放大器和拉曼放大器己经实用化。s o a 虽具有很宽的带宽，可以放大几个皮 秒的光脉冲。但由干自相位调制、增益饱和等非线性效应使得放大信号波形失真， 信道间发生严重串话。加上s o a 增益易受偏振影响、与光纤耦合损耗大等缺点， 使得s o a 不宜用作线性放大器。然而人们并没有放弃对s o a 的研究，而是将目 光投向了半导体光放大器非线性效应。基于这些非线性效应，s o a 在w d m 光纤 通信中，可作为波长路由中的波长转换和快速交换器件使用：在o t d m 系统中， 也可用作时钟恢复和解复用器的非线性器件”。 本章首先介绍了s o a 的性能指标和s o a 脉冲传播方程和半导体光放大器腔内 载流子浓度变化方程，为s o a 波长转换器的建模提供理论依据。然后介绍了在仿 真实验系统中采用的半导体光放大器的两种理论模型：分段动态模型和整体平均 模型。 2 1 半导体光放大器( s o a ) 基础 半导体光放大器有两种基本类型：法布里一珀罗光放大器( f p a ) 和行波光放 大器。两者物理结构之问的差别在于两个端面反射率的值。其中f p a 工作原理与 半导体激光器相似，这里只重点研究行波放大器( t w a ) 。 2 1 1 行波放大器的性能指标 2 1 1 1t w a 增益 行波光放大器结构图如图2 一l 所示【2 2 1 。对于理想行波光放大器，端面反射系 数? = - 0 ，所以输入信号在单程通过有源层时得到放大，而不存在多次反射放大，这 有别于f p a 。 行波光放大器的单程增益： 6 ：= e x p ( i g a ，) 三 ( 2 - 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 半导体竣 光赣入倍号 捧人电癍 切并华丽切斯平嘶 兜输出倭弩 图2 - 1 行波光放大器结构图 其中厂为模场限制因子，g 为有源区增益系数，口为有源区损耗系数。从公