（通信与信息系统专业论文）全光波长变换（aowc）技术的研究.pdf

上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 摘要 全光波长变换是在光域内将某一波长( 频率) 的光信号变换到另外的一个波长( 频 率) 上，是未来光网络中的关键技术之。通过全光波长变换，可以实现通信网 络内部波长路由和波长重用，有效地解决受网络内部有限波长信道数量限制所带 来的网络中通信容量和交通拥挤等问题，实现对网络便捷灵活地管理。因此，全 光波长变换技术已经成为国内外研究的热点。 本论文对本人在硕士研究生期间从理论和实验上对全光波长变换技术进行 研究的成果进行一个总结。研究主要涉及了基于s o a - - s a g n a c 光纤干涉仪的波 长变换技术、利用s o a 的自发辐射噪声进行频谱分割的波长变换技术，以及利 用s o a 的四波混频效应的波长变换技术等。 本论文共分为六章。第一章是绪论，第二章对全光波长变换技术中现有的几 种类型进行一些描述，并对几种主要的全光波长变换技术进行较为具体的介绍。 第三章涉及了采用s o a s a g n a c 光纤干涉仪的全光波长变换技术的研究成 果。具体的，在理论上根据光路合成法推导出了s o a s a g n a c 光纤干涉仪的传 输方程，并通过仿真验证了方程的正确性。在实验上对变换信号的眼图以及时间 波形进行了测量。对各实验结果也给予了讨论。 第四章所涉及的内容是关于采用s o a 中a s e 输出频谱分割技术实现全光波 长变换的研究成果。具体的，在理论上，根据a s e 输出的波长依赖性推导出在 同相注入模式下a s e 输出功率以及其相位变化的表达式。在实验方面，给出了 波长变换系统的误码率，数据眼图以及时间波形图的测量结果。 第五章对基于s o a 的四波混频效应的波长变换技术进行分析总结。首先在 理论上分析了四波混频的基本原理，并通过实验实现了6 2 2m b i t s 的数据信号 光从15 6 3 6n m 到15 6 5 5n m 的四波混频波长变换。 第六章分析了波长变换技术对网络的影响。包括对网络逻辑拓扑结构设计的 影响，对网络性能的影响，对网络管理的影响。 第七章讨论了波长变换器在目前的应用，并对波长变换器今后的发展作了一 些展望。 关键词：全光波长变换，s o a ，s a g n a c 干涉仪，a s e ，四波混频 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 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 s i o nw i l lb eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s f o rf u t u r ea d v a n c e do p t i c a in e t w o r k i tc a nr e s o l v et h ep r o b l e m so ft h e r e s t r i c t i o no fc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yo ft h en e t w o r ka n dt h ec r o w do f t h et r a f f i ci nt h en e t w o r ke f f e c t i v e l y ，a n dt h e m a n a g e m e n to ft h e n e t w o r kc a nb em o r ef l e x i b l ea n dc o n v e n i e n t t h e r e f o r ，a l l o p t i c a l w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y i s b e c o m i n g o n eo ft h e s t u d y h o t s p o t sb o t ha th o m e a n da b r o a d a l l o p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n t e c h n o l o g i e s a r es t u d i e d t h e o r e t i c a l l ya n de x p er i m e n t a l l yi nt h i sp a p e r a m o n gt h e s e ，a l l - o p t i c a l w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do nx p mi nas o a - s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r a n d a l l o p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n u s i n ga m p l i f i e ds p o n t a n e o u s e m i s s i o no fs o aa n dad e l a y e di n t er f e r e n c ec o n f i g u r a t i o n 。a sw e l la s a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nu s i n g f w mo fs o aa r e e s p e c i a l l y s t u d i e d e x p e r i m e n ts y s t e m s a r ec o n s t r u c t e dt o c a r r y o u tt h e w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nw i t hr zl i g h tp u l s ea t6 2 2m b i t s t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i st h e s i si sa ni n t r o d u c t i o np a r t 。 t h es e c o n dc h a p t e rs u m m a r i z e st h et y p e so f a l l o p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ，a n dd e t a i l e di n t r o d u c t i o n sh a v eb e e ng i v e nt os e v e r a l p r i m a r ya l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nt e c h n o l o g i e s i nt h et h i r dc h a p t e r ，a na l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v er s i o nb a s e do n a s o a s a g n a c i n t e r f e r o m e t e ri s i n v e s t i g a t e d i nt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l at r a n s m i s s i o nf u n c t i o no ft h e s o a - s a g n a c i n t e r f er o m e t e rh a sb e e nf o u n da c c o r d i n gt ot h ew a yo fo p t i c a lc ir c u i t s y n t h e s i s ，a n d t h ee x p r e s s i o no ft h ee l e c t r i cf i e l df u n c t i o no ft h e c o n v e r t e dp r o b el i g h ta l s oh a sb e e ng a i n e d a ne x p e r i m e n t s y s t e mh a s b e e nc o n s t r u c t e dt oc a r r yo u tt h ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n t h eg a i n b a n d w i d t ho ft h es o ai si n v e s t i g a t e d ，t h ee x t i n c t i o nr a t i oo ft h eo u t p u t s i g n a la sw e l la st i m ew a v e f o r m sa n de y e - d i a gr a m so fb o t hi n p u ta n d o u t p u ts i g n a l sa r em e a s ur e d ，a n dt h e s em e a s u r e dr e s u l t sa r ed i s c u s s e d 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 i nt h ef o r t hc h a p t e r ，an o v e ls c h e m ef o r a l l o p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v er s i o nb ya c t i v e l yu t i l i z i n gt h ea s eo u t p u ti nt h es o aa st h ep r o b e s o u r c e ，h a s b e e nd e m o n s t r a t e d t h e o p e r a t i o np r i n c i p l e o ft h i s w a v e l e n g t h c o n v e r t e r ， i n p a r t i c u l a r t h a to fa n a s y m m e t r i c m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ra sd e l a y e di n t e r f e r e n c ec o n f i g u r a t i o nh a s b e e ne x p l a i n e da n a l y t i c a l l ya n ds c h e m a t i c a l l y a ne x p e r i m e n t a ls e t u p w a sb u i l tf o rt h e a l l o p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v er s i o n b yu t i l i z i n g a n o p t i c a lf i l t e rt os l i c et h ea s e ss p e c t r a lo u t p u t s o m ee x p e r i m e n t so nt h e m e a s u r e m e n t so ft h eb e rp er f o r m a n c e ，t h ee y ed i a g r a ma n dt i m e w a v e f o r mw e r ep er f o r m e d a na l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nf r o m 15 8 4n mt o15 4 9 2n mw i t ha6 2 2m b i t s 2 ”一1p r b sa n dn r zc o d e f o r m a td a t as t r e a mw a sa c h i e v e da n da no s n ro f5 3d bw a so b t a i n e d i nt h ef i f t h c h a p t e r ，a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do n f w mo fs o ai s i n v e s t i g a t e d t h ep r i n c i p l e o ft h ef w mi s a n a l y s e d d e t a i l e d 。a n da na l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v er s i o nf r o m15 6 3 。6n mt o 15 6 5 5n mw i t ha6 2 2m b i t sr zc o d eh a sb e e na c h i e v e d t h es i x t h c h a p t e r d i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo ft h e a l l o p t i c a l w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nt ot h en e t w o r k ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h e n e t w o r kl o g i ct o p o l o g yc o n f i g ur a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k a n dt h ea d m i n i s t r a t i o no ft h en e t w o r k s t h es e v e n t hc h a p t e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o n so ft h ea l l o p t i c a l w a v e l e n g t h c o n v e r s i o na t p r e s e n t 。a n d s o m e p r o s p e c t s o ft h e d e v e l o p m e n t o f t h e a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni nt h ef u t u r eh a v e b e e np r e t e n d e d k e y w o r d s ：a l l o p t i c a lw a v e l e n g t h ，s o a ，s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r ， a s e 。f w m 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盈! ：墨导师签名：旦勉 日期：丝生l 必 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 第一章绪论 1 1 引言 随着人类社会信息化时代的临近，对通信的需求呈现加速增长的趋势，电信工业 正在经历着一场前所未有的巨大变革，这种变革主要表现为由因特网和其他数字 网络业务的快速增长而推动的从以话音业务为中心向以业务为中心的转变。这些 发展迅速的新型业务对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。因此，需要建 立一个具有巨大带宽的网络结构，并采用更多的新技术，而光纤网络技术就是这 样的一种新技术【2 】a 光纤作为一种传输介质所具有的优良特性己被大家所共知，它有着巨大的 频带资源，是实现高速率、大容量传输的最理想的物理媒质 3 】。随着波分复用 ( w d m ) 技术的发展，一根光纤中已经能够传输几百吉比特秒到太比特秒的 数字信息。提高一根光纤传输容量的技术主要包括波分复用、频分复用、光码分 复用与时分复用几种。 1 1 1 光码分复用( o c d m a ) 技术 o c d m a 技术在原理上与电码分多址技术相似。o c d m a 通信系统给每个用户分 配一个唯一的光正交码的码字作为该用户的地址码。在发送端，对要传输的数据 的地址码进行光正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发送端相同的地 址码进行光正交解码。 o c d m a 通过直接光编码和光解码实现光信道的复用和信号交换，在光纤通 信系统中具有极大的应用前景。从目前情况来看，由于技术方面的原因，o c d m a 并不成熟，距离实用还有一段路要走。 1 1 2 光频分复用( o f d m ) 技术 一般相邻两峰值波长的间隔小于1n m 时，我们称之为光频分复用( o f d m ) 技 术，它与w d m 在本质上没有什么区别。频率表示每秒出现的波峰数，波长表示 此电磁波的一个波峰到另一个相邻波峰的长度，两者互为倒数关系。当光载波间 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 隔比较大时，用波长衡量比较方便，一般称之为波分复用。而当光载波间隔比较 小时，用波长来衡量就显得不方便了，所以光载波间隔小于1n m 的系统习惯称 为o f d m 系统。 由于0 f d m 的光载波间隔很密，传统的w d m 器件( 如分波器、合波器) 等技术已很难区分开光载波，因此要求用分辨率更高的技术来选取各个光载波。 目前能采用的主要有可调谐的光滤波器和相干光通信技术等。0 f d m 一般可以 用于大容量高速通信系统或分配式网络系统，如c a t v 、广播等。 1 1 3 光时分复用( o t d m a ) 技术 o t d m a 的实质就是将多个高速电调制信号分别变换为等速率光信号，然后在光 层上利用超窄光脉冲进行时域复用，将其调制为更高速率的光信号。目前解决 o t d m a 的关键在于三个关键技术：超窄光脉冲产生与调制、全光时分复用、全 光时分解复用和定时提取。超窄光脉冲产生与调制的方法有增益开关法、啁啾光 纤光栅法等；全光时分复用的方法目前主要采用平面波导复用法，将光时延和方 向耦合集成在一起；而全光时分解复用和定时提取技术较为复杂。到目前为止， 还没有一种适宜于大批量工业生产的实用技术，因此，o t d m a 在今后几年内仍 然会是实验室的宠儿，而不可能成为光传输技术的基石。 1 1 4 波分复用( w d m ) 技术 所谓波分复用，就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据 每一通路光波的频率( 或波长) 不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个通路， 把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器( 合波器) 将不同规定波长的 信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接收端，再由一波分复用器( 分 波器) 将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。只要相邻波长信 道的间隔距离足够远，不同波长信道之间就不会相互干扰，从而在一根光纤中可 实现多路光信号的复用传输，使得光纤的传输能力成倍增加。相比时分复用技术， w d m 技术中电子设备的速率只要达到一个波长信道的速率即可，用一根光纤传 输相同容量的数据时，w d m 技术对电子设备的要求要低的多，这使它成为最吸 2 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 引人的复用技术。 1 2w d m 技术的发展 1 2 1w d m 的优点 w d m 技术之所以在近几年得到迅猛发展，是因为它具有下述优点【z 】： ( 1 )超大容量传输 w d m 系统的传输容量十分巨大。由于w d m 系统的复用光通路速率可以为 2 5 g b i t s 、10 g b i t s 等，而复用光信道的数量可以是4 、8 、16 、3 2 ，甚至 更多，因此系统的传输容量可以达到3 0 0 4 0 0 c b i t s 。而这样巨大的传输容量 是目前的t d m 方式根本无法做到的。目前，( 8 3 2 ) x 2 5 g b # s 和1 6 x 1 0 g b i t s 的w d m 系统已经达到商用水平，而1 3 2 x l o g b i t s 的w d m 系统也已经有报道。 ( 2 )节约光纤 对于单波长系统而言，1 个s d h 系统就需要一对光纤，而对于w d m 系统来讲， 不管有多少个s d h 系统，整个复用系统只需要一对光纤就够了。例如，对于16 个2 5 g b i t s 系统来说，单波长系统需要3 2 根光纤，而w d m 系统仅需要两根 光纤。节约光纤资源这一点也许对于市话中继网络并非十分重要，但对于系统扩 容或长途干线来说就显得十分可贵。 ( 3 )各通路透明传输、平滑升级扩容 只要增加复用光通路数量与设备，就可以增加系统的传输容量以实现扩容，而且 扩容时对其他复用光通路不会产生不良影响。所以w d m 系统的升级扩容时平滑 的，而且方便易行，从而最大限度地保护了建设初期的投资。w d m 系统的各复 用通路是彼此相互独立的，所以各光通路可以分别透明地传送不同的业务信号， 如语音、数据和图像等，彼此互不干扰，这给使用者带来了极大的方便。 ( 4 )充分利用成熟的t d m 技术 以t d m 方式提高传输速率虽然在降低成本方面具有巨大的吸引力，但面i 临着许 多因素的限制，如制造工艺、电子器件工作速率的限制等等。据分析，t d m 方 式的10 g b i t s 光传输设备已非常接近目前电子器件的工作速率极限，再进一步 3 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 提高速率是相当困难的( 至少目前的技术水平如此) 。而w d m 技术则不然，它 可以充分利用现己成熟的t d m 技术，相当容易地使系统的传输容量达到 8 0 g b i t s 水平，从而避开开发更高速率t d m 技术( 10 g b i t s 以上) 所面临的 种种困难。 ( 5 )利用掺饵光纤放大器( e d f a ) 实现超长距离传输 e d f a 具有高增益、宽带宽、低噪声等优点，在光纤通信中得到了广泛的应用。 e d f a 的光放大范围为15 3 0 n m 15 6 5 n m ，但其增益曲线比较平坦的部分是 15 4 0 15 6 0 n m ，它几乎可以覆盖整个w d m 系统的15 5 0 n m 工作波长范围。 所以用一个带宽很宽的e d f a 就可以对w d m 系统的各复用光通路的信号同时进 行放大，以实现系统的超长距离传输，避免每个光传输系统都需要一个光放大器 的情况。w d m 系统的超长传输距离可达到数百公里，因此可以节省大量中继设 备，降低成本。 ( 6 )对光纤的色散无过高要求 对w d m 系统来讲，不管系统的传输速率有多高、传输容量有多大，它对光纤色 度色散系数的要求基本上就是单个复用通路速率信号对光纤色度色散系数的要 求。例如，2 0 g b i t s ( 8 x 2 5 g b i t s ) 的w d m 系统对光纤色度色散系数的要求就 是单个2 5 g b i t s 系统对光纤色度色散系数的要求，一般的g 6 5 2 光纤都能满 足。 ( 7 )可组成全光网络 全光网络是未来光纤传送网的发展方向。在全光网络中，各种业务的上下、交叉 连接等都是在光路上通过对光信号进行调制来实现的，从而消除了e t o 变换中 电子器件的瓶颈。例如，在某个局站可根据需求用光分插复用器( o a d m ) 直接 上、下几个波长信号，或者用光交叉连接设备( o x c ) 对光信号直接进行交叉连 接，而不必象现在这样首先进行o e 变换，然后对电信号进行上、下或交叉连 接处理，最后再进行e o 变换，把变换后的光信号输入到光纤中进行传输。w d m 系统可以与o a d m 、o x c 混和使用，以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生 存性的全光网络，以适应宽带传送网的发展需要。 d 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 1 2 2 全光网的研究现状 从9 0 年代以来，全光网络的研究掀起了一阵高潮，欧、美、日等发达国家都投 入大量的科研经费对全光网络，尤其是光传送网络( o t n ：o p t i c a lt r a n s p o r t n e t w o r k ) 的各个方面，从器件到网络体系结构，样机的制造，现场的测试等等 进行了研究，目前许多研究成果都已经商业化，产生了巨大的经济效益。 我国的一些研究机构也一直在进行全光网络的研究工作1 5 6 】。中国“8 6 3 ”主 题开展了光传输和交换基础技术的研究工作，在“8 6 3 ”的“十五”计划中又开展了 光通信技术专题研究。19 9 8 年，国家自然科学基金委员会又发布了重大自然科 学基金项目w d m 全光网基础研究”，由我国的一些知名高校如清华大学、北京 大学、电子科技大学等和一些科研单位共同承担，为我国全面推广w d m 光传送 网技术奠定坚实的理论基础。19 9 9 年6 月，国家高技术项目智能计算机主题、 光电子主题和通信主题联合提出实施“中国高速信息示范网( c a i n o n e t ) ”研究 开发项目，建立一个基于光因特网技术的高速信息网实验环境，为以光因特网技 术为代表的先进网络技术的研究、开发和实验提供一个网络平台。 1 _ 3 论文提出的意义 光通信网有两大主要组成部分一传输和交换。整个光网络就好像地面上的交通 网，传输线( 即光纤) 相当于马路，而交叉路口在光网络中称为节点。在节点处 要进行路由或交换，以分配信息下一步所走的路径。路由器的作用是先将信息存 储，然后根据它要到达的地址选择路径转发出去。在骨干光网络中节点起枢纽作 用，主要是由交叉连接设备和分叉复用器构成。交叉连接设备是根据所传信息的 地址将其交换到合适的路径上继续传输，分叉复用器则可以让到达本地的信号下 路和让从本地发出的信号上路。在现在的光通信网中，传输部分是由光来完成的， 节点处的路由和交换还是采用电的方式。当信息从一端向另一端进行传送时，中 间往往要经过很多个节点，每个节点处都要进行光一电一光的变换，即先将光信 号变换为电信号，经过信号处理后再变换为光信号。这样，既影响传输速率，又 增加了设备成本，而且目前的电子交换和信息处理网络的发展已接近于电子速率 5 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 的极限，再要提高速率，将受到电子瓶颈的限制。解决的办法是在交换系统中引 入光子技术，实现光路由、光交叉连接( o x c ) ； d 光分叉复用( o a d m ) ，这就是全 光通信网。 从2 0 世纪9 0 年代中期开始，由于波分复用( w d m ) 方式在光通信网的发展 中具有无可比拟的优越性，前景非常看好，因此w d m 系统的研究有了飞速发展。 随着波分复用器、光放大器、光纤等研究的不断推进，波长信道数在逐步增加。 在w d m 网络中，波长数目确定了通路的数量，在光纤的15 5 0 n m 窗1 3 这个数 目很大，然而受诸多因素的限制，可用的波长数仍然有限，目前只有8 、16 、 3 2 和4 0 、6 4 通路的系统正处于开发阶段，并不象原来乐观估计的10 0 0 个值。 提供大量波长的技术限制因素如下： 夺由于信道展宽和光滤波器的不理想，信道必须有一个最小的波长间隔，这个 最小间隔是1 s a ； 夺在大型网络中所必须的e d f a ，只有25 n m 的有限带宽可以放置所有的波长； 夺波长范围、精确度和稳定性在可调谐激光器，或多波长阵列中极难控制，在 一定的波长范围内必须使用更大的波长间隔。 所以，网络的用户数很可能大于波长数，因而必须在网络中不同的地方， 重复利用同一套波长。在这种情况下，当相同波长的两个通路选通同一个输出端 时，由于可能的波长争用而出现阻塞。克服这些限制的一种方法是把信号从一个 波长变换到另一个波长，这就是波长变换。它实现了波长的再利用，解决了波长 竞争问题，提高了网络的灵活性和可扩充性，更有效的进行路由的选择，大大降 低了网络的阻塞率，使网络管理更加灵活，简便和合理。而且业务量越大，使用 波长变换器的优势就更明显。 如图1 1 所示，节点1 ，2 之间有 、五两个通道，节点2 ，3 之间也有 、 也两个通道。现在假设要在1 和3 之间建立一条光通路，当波长为丑的信号通 过节点1 和2 ，但节点2 和3 之间的丑通道被占用，丑通道空闲时，不能建立 这条光通路，于是网络产生阻塞。但是在中间节点2 进行波长变换就可以避免 6 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 网络阻塞，节点2 的波长变换器将来自节点1 的波长丑变换到节点2 ，3 的空闲 波长无，这样就可以建立节点1 到3 的光通路，避免了阻塞也增加了网络的灵 活性【7 1 。因此，全光波长变换技术是未来光网络的关键技术，已经成为国内外的 研究热点。 节点1节点2节点3 ( a ) 没有波长变换器的情形 节点l 节点2 节点3 ( b ) 具有波长变换器的情形 图1 1 有、无波长变换器的网络节点交换情况的比较 1 4 论文的主要内容和安排 本论文主要包括全光波长变换的几种主要技术的研究；采用s o a - s a g n a c 光纤 干涉仪的全光波长变换的研究与实验：利用s o a 的自发辐射噪声( a s e ) 进行 频谱分割的全光波长变换的研究与实验；利用四波混频进行全光波长变换的研究 与实验；波长变换对网络影响的研究以及波长变换器目前的应用和今后的展望。 各章节的具体内容安排如下： 第一章对几种光复用技术进行了比较，对w d m 技术进行了具体的介绍， 并介绍本文的主要内容。 第二章综述了全光波长变换技术的类型，分析了半导体光放大器( s o a ) 的理论模型，并对几种主要的全光波长变换技术进行了具体的介绍。 第三章对采用s o a - s a g n a c 光纤干涉仪的全光波长变换技术从理论和实 验上进行了具体的研究。通过实验系统的构成，成功地将6 2 2 m b i t s 的r z 码 从数据信号光变换到探测光上。 7 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 第四章分析并实验了利用s o a 中a s e 的频谱分割的输出光作为探测光的 全光波长变换技术。实现了码速为6 2 2m b i t s ，2 ”一1 的伪随机非归零码的波长 从15 8 4n m 到15 4 9 2n m 的波长变换。 第五章对基于s o a 的四波混频效应的波长变换技术从理论上进行了探讨， 并成功实验了数据信号光的波长变换。 第六章分析了波长变换技术对网络的影响。 第七章讨论了波长变换器在目前的应用，并对波长变换器今后的发展作了 一些展望。 最后总结全文。 8 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 参考文献 【1 b 。m u k h e d e e w d mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ：p r o g r e s sa n d c h a l l e n g e r s ，i e e ej s a c ，18 ( 1o ) ，2 0 0 0 ：18 10 18 2 4 【2 1 徐宁榕，周春燕，w d m 技术与应用，北京：人民邮电出版社，2 0 0 2 年12 月。 【3 】张雷，波长变换w d m 网络中路由与波长分配算法的研究及网络性能分析， 成都电子科技大学博士学位论文，2 0 0 2 年4 月。 【4 】g k o t e l l y w o r l d w i l df i b e r - o p t i c m a r k e t st o e x p a n du n a b a t e d ， i e e e 0 s aj l t ，d e c 19 9 6 ，13 ：6 - 8 5 】王晟，李乐民，w d m 网络及其对i p 业务的支持，中国通信，19 9 9 ( 8 ) ： 19 2 4 【6 】徐志根，郭奕理，光通信与全光网络，中国通信，19 9 9 ( 8 ) ：4 3 - 4 8 f 7 】顾畹仪，张杰，全光通信网，修订版，北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 1 ， 8 2 8 4 9 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 第二章波长变换技术 2 1 引言 在光通信领域中波长变换指的是光信号从一个波长变换到另一个波长上。对波长 变换器其性能要求应具有以下性质 夺对比特率和信号形式应具有透明性 夺变换速率快( 10 g b i t s 以上) ： 夺较宽的变换范围，既能向短波长变换，又能向长波长变换 夺适当的输入功率( 不大于0 d b m ) ，并且偏振敏感度低 夺低啁啾输出，高信噪比，高消光比； 夺波长变换系统实现简单、工作稳定，波长变换器价格合理。 在工作原理上波长变换器基本上分为两大类型：光电光( o e o ) 波长变换 和全光波长变换。两大类型的波长变换机理的不同导致出不同的波长变换特性。 2 1 1 光电光波长变换技术 光电光波长变换工作原理如下：在光网络中，当需要对某一波长的光信号进行 波长变换时，首先用光电检测器接收该光信号，实现o e 变换：然后将信号调 制到所需波长的激光光源上发射出去，实现e o 变换，从而实现波长变换。 实现光电光波长变换的方法有两种：一种是直接调制法，另一种是外调制 法，如图2 1 所示。对于短距离、低速率的应用，直接调制法是最为经济、实用 的一种。 1 3 0 0 n m 或 1 5 0 0 n m r 一面il 厂丽 厂1 i 百 光信号输山 光信毒；和转换广 驱动广_ l df 石高n m ( a ) 直接调制法 1 0 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 放大器 ( b ) 外调制法 图2 1 光电t 光波长变换器 目前光电光波长变换器己处于商用阶段，是目前最为成熟的一种技术。这 种技术的主要优点是系统原理简单、输入光功率适应范围宽、对偏振不敏感、性 能稳定，因此得到了广泛地应用。但其缺点也相当明显：首先电路结构相对复杂， 成本高，变换速率较低；其次不能对所传输信号完全透明；经过光电光变换的 光信号其相位、幅度等信息都会丢失，因此无法实现光信号的完全透明传输。目 前由于掺铒光纤放大器( e d f a ) 在光纤通信系统中大量的使用和人们对全光网 的憧憬，对全光波长变换器的研究已变得非常紧迫。 2 1 2 全光波长变换技术 全光波长变换是指不经过光电处理，直接在光域内将某一波长( 频率) 的光信 号变换到另外的一个波长( 频率) 上。这样可以克服电子瓶颈的限制，实现高速 数据信号的波长变换，因此在全光通信网中，全光波长变换技术是非常看好的一 种技术。全光波长变换主要依靠的是光介质( 如半导体光放大器，光纤和铌酸锂 波导等) 的非线性效应。目前处于研究阶段的全光波长变换技术，依据其工作原 理的不同，有多种实现方法。其中基于半导体光放大器( s o a ) 的波长变换技术 是一种最值得重视的波长变换技术。s o a 具有处理高速信号( 10 g b i t s ) 的 能力，同时还易于和其他半导体光电器件集成在一个芯片中。基于s o a 的全光 波长变换技术主要有三种： 1 基于交叉增益调制( x g m ) 效应的波长变换。 2 基于交叉相位调制( x p m ) 效应的波长变换。 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 3 基于四波混频( f w m ) 效应的波长变换。 下面将详细介绍s o a 的理论模型及几种主要基于s o a 的波长变换技术。 2 2 半导体光放大器( s o a ) 的理论模型 光放大器的两种主要类型是半导体光放大器( s o a ) 和有源光纤或掺杂光纤放大 器( d f a ) 。所有的放大器都是通过受激辐射过程来实现入射光功率放大的，产 生受激辐射所需的粒子数反转机制与半导体激光器中使用的完全相同。尽管光放 大器在结构上与激光器很相似，但它没有反馈机制，而反馈机制对于发射激光是 很有必要的。因此，光放大器可以放大输入信号，但不能产生相干的光输出，其 基本工作原理如图2 2 所示【2 】。其中，设备吸收了外部泵浦光源提供的能量，在 由山族和v 族元素( 如磷、镓、铟、砷) 构成的半导体合金组成的激活介质中， 泵浦为电子提供能量，使其达到较高的能级，产生粒子数反转。输入信号光子会 通过受激辐射过程触发这些已经激活的电子，使其跃迁到较低的能级，从而产生 一个放大的信号。 n 厂1 4 、4 j 光输入信号 光纤到放大 器的糍台器件 图2 2 普通光放大器的基本工作原理 脚 ”、，、7 d 放大的光 输出信号 s o a 有很多吸引人的地方，因为它们工作在13 0 0 n m 和15 5 0 n m 的低损耗 窗口，并且很容易地与其他光设备和电路( 如耦合器、光隔离器及接收电路) 集 成在同一基片上：与d f a 相比，s o a 功耗低，组成器件少，结构紧凑。s o a 具 有1p s 到o 1n s 量级的快速增益响应，这种特效既有优点又有缺点。优点是： 当光网络同时要求交换和信号处理时，s o a 能够完成这样的任务；缺点是：在 比特速率增加到几个g b s 时，快速载波响应会导致特定波长上的增益随着信号 速率起伏。又因为这种起伏会影响到整个增益，其他波长上的信号增益也会产生 1 ， 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 起伏，从而引起信道间串扰。 2 2 1 半导体光放大器的外泵浦 与半导体激光器的机制相类似，外部电流注入是用来产生s o a 增益机制所需的 粒子数反转的泵浦方法，控制激发态的载流子浓度n ( t ) 的速率方程可写为【3 】： 警= r p ( ，) 划沪掣 ( 2 _ 1 ) 等式中： 哪) = 等 ( 2 _ 2 ) 是从注入到厚度为d 的有源层的电流密度j ( f ) 得到的外泵浦速率，f ，是来自自发 辐射及载流子复合机制的复合时间常数。以及： 髟( f ) = r 。咚0 一) 肪兰g v g a ( 2 3 ) 是净受激辐射速率。等式中，u 。是入射光的群速度，r 是光限制因子，口是与光 频v 有关的增益常数，是阈值载流子浓度， _ 是光子浓度，g 是单位长度上 的总增益。假设光放大器有源层宽度为w ，对具有光子能量为h v ，群速度为u 。， 功率为的光信号，光子浓度为： “2 v g ( h 旦v ) ( w d ) ( 2 4 ) 在稳定状态，o n ( o a t = 0 ，2 1 式成为： r 。= r 。+ 兰( 2 5 ) 现在用2 2 式代替2 5 式中的q ，用2 3 式中的第二个等式代替2 5 式中的心， 并且解2 3 式中的第一个等式求得n ，将其代人2 5 式，求解g ，即可得到单位 长度上的稳态增益，即： g 2 硒了q d r , 巧2 雨可g o + 1 ( r a t晤 2 _ 6 ) 6 0 ，) 1 + 砷砷 恤 13 上海大学硕士学位论文全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 其中： 定义为饱和光子浓度，并且： w 2 而1 ( 2 7 ) 纠口。n 。r _ z h 亿8 ， 是在没有光信号输入( 光子浓度为零) 时单位长度上的介质增益，称为单位长度 上的零信号或小信号增益。 2 2 2 半导体光放大器的增益 放大器的最重要参数之一是信号增益或放大器增益g ，其定义为： g = 每 亿9 ， 等式中只。和只。分别是放大的光信号的输入功率和输出功率。因为在光子能量 为触时，辐射强度与穿过发射激光腔的距离呈指数规律变化。又根据 l ( z ) = i ( 0 ) e x p f g ( h v ) 一面( 砌) m ( 2 1o ) 其中，( z ) 是电场强度，r 是激光腔中光限制因子，历是光路中材料的有效吸收 系数，可以得到s o a 激活介质中的单程增益为： g = e x p f ( g 。一五) 删e e x p g ( z ) l 】 ( 2 1 1 ) 等式中，g 。是材料增益系数，l 是放大器长度，g ( z ) 是单位长度上的总增益。 增益g 是输入信号功率的函数。它的表达式可以通过考查2 1 1 式中的增益参数 g ( z ) 得到，g ( z ) 与载流子浓度和信号波长有关。利用2 4 式和2 6 式，可以得 到距输入端距离为z 时，g ( z ) 的表达式，即： 荆2 i g 雨o ( 2 12 ) l + 二坠! 匕。t 等式中，只( z ) 是z 点的内部信号功率，只。是放大器的饱和功率，其定义为单 1 4 上海大学硕士学位论文 全光波长变换( a o w c ) 技术的研究 位长度增益降至一半时的内部功率。因此，由2 11 式给出的增益随着信号功率 的增加而减小，特别是当内部信号功率等于放大器饱和功率时，2 12 式中的增 益系数就会减小一半。 当长度增加时，光功率增加为： d p = g ( z ) p a z ) d z ( 2 13 ) 将2 12 式代人2 13 式并