（电磁场与微波技术专业论文）准相位匹配技术在全光波长转换中的应用.pdf

中文摘要 摘要 本文主要研究了基于准相位匹配技术的周期性极化铌酸锉( p p l n ) 波导在 光波长转换中的应用，并对基于p p l n 波导的具有波长转换能力的光交叉连接 光分插复用方案作了探索。另外，还研究了用g p m ( g r a d e d p h a s e m i r i d r ) 产 生- c o s h - g a u s s i a n ( c h g ) ：光束年, 1 1 e l e g a n th e r m i t e g a u s s i a n ( e h g ) 光束的方案。 论文第一章对光波长转换，光分插复用( o a d m ) 和光交叉连接( o x c ) 作了简要的介绍，说明了今后光网络节点发展的方向为光波长转换和光交叉连 接光分插复用的融合。介绍了自己博士期间的工作。 论文第= 章介绍了准相位匹配技术的原理以及铌酸锂晶体的特性；总结了 形成周期性反转结构的各种方案；介绍了的p p l n 波导的制备方法及其在光通信 中的应用；对基于p p l n 波导的波长转换技术的原理和发展历程作了介绍。 论文第三章探讨了基于“倍频+ 差频”级联二阶非线性效应波长转换器的原 理和实验。对比了单通和双通构型的优缺点。给出了双通构型在忽略信号光变 化时的解析解，和原有的忽略泵浦光变化得到的解析解相比，更适合应用于信 号光较强或者波导长度较长的情况。 论文第四章介绍了基于单通“和频+ 差频”级联二阶非线性波长转换器的原 理和特点。在其基础上引入了“双通”的概念。避免了单通构型中泵浦光附近 信道不能使用的缺点，通过利用p p l n 波导两次，大约将转换效率提高了一倍。 虽然付出了转换带宽稍稍下降的代价，但转换带宽在大多数情况下仍然超过 了7 5 n m ，远远大于掺铒光纤放大器的带宽。相对于单通构型的“和频+ 差频” 方案，我们的方案优势明显。相对与双通“倍频+ 差频”方案，我们方案可以达 到相同的转换效率，但是可以根据具体的需要，通过调整两个泵浦源波长的间 隔，在感兴趣的波段形成非常平坦的增益。 针对双通构型和频过程和差频过程分离的特点，我们提出了合理安排和频 过程两个泵浦源的“平衡条件”。在该条件下，泵浦光的能量可以持续的向和 频光转移，和频光能量不会回流成泵浦光的能量，会随着波导长度的增加而稳 定增加。而如果该条件不满足，泵浦光与和频光的能量在传输长度方向上会呈 现振荡行为，长的p p l n 波导不定产生高的和频功率。该条件对其他需要提高 和频效率的应用也有指导意义。另外，在该条件下。我们得到了忽略损耗时耦 合方程的解析解，和数值解符合得很好。 论文第五章首先总结了前人的基于p p l n 波导的可调谐波长转换方案。在此 中文摘要 基础上提出了我们的可变波长路由方案，可以将任意一个信道从一个w d m 信 号中取出( 下路) 并将其耦合( 上路) 到另外一个w d m 信号中任意一个空 闲信道中去，不但实现了可调谐波长转换，而且具有一定的路由功能。相对 _ 丁y a m a w a k u 的方案，不但提高了转换效率，避免了泵浦光附近信道不能被应用 的缺点，而且可以实现波长上路或者波长下路功能；相对于o s e l l a m e 的方案， 我们的方案只需要一个p p l n 波导，不需要在两个波导之间设计复杂的方向耦合 器( 该耦合对和频光导通，对信号光截止) ，避免了耦合损耗，降低了器件的 复杂度和成本，更有可行性。通过将两个我们的可变波长路由方案组合，可构 成2 2 的光交叉连接单元。可以将分别处于两个不同w d m 链路中的任意两个信 道所携带的信息进行交叉互换，改变了这两个信道的路由。由于实现的是交叉 互换，不需要中转信道，也不会有阻塞。 论文第六章给出了用g p m ( g r a d e d p h a s e m i r r o r ) 产生c o s h g a u s s i a n 光束以 及e h g 光束的方法，讨论了谐振腔几何参数以及有源介质的热透镜效应增益饱 和效应对光束质量的影响。 关键词：准相位匹配，级联二阶非线性，p p l n ，光波长转换，光交叉连接，光 分插复用，w i x c ，g p m i i 英文摘要 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eo 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 nq u a s i - p h a s e m a t c h e dt e c h n o l o g yi sf o c u s e d o n t h eo w cs c h e m e sa r es u m m a r i z e da n dd i s c u s s e d t w on o v e ls c h e m e sa r ep r o p o s e dt or e a l i z ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，t u n a b l ew a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ，r e s p e c t i v e l y b a s e do no u rt u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，f lw a v e l e n g t h r o u t i n gs c h e m e i sp r e s e n t e dt od r o pa na r b i t r a r yc h a n n e lf r o maw d m l i n ka n da d di t t oa n o t h e rw d ml i n kw i t had i f f e r e n tw a v e l e n g t h a n2 2o x c u n i tw i t h 恤e c a p a c i t yo f t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o nc a nb e i m p l e m e n t e db yu s i n g o u rt w o w a v e l e n g t h r o u t e r i na d d i t i o n ，t h eg e n e r a t i o no f c o s h g a u s s i a n ( c h g ) b e a ma n d e l e g a n th e r m i t e g a u s s i a n ( e h g ) b e a m a r ed i s c u s s e da n das c h e m eb a s e do n g r a d e dp h a s em i r r o rf g p m ) i sp r e s e n t e d i nc h a p t e r o n e ，t h eo p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ( o w e ) ，o p t i c a lc r o s sc o n n e c t i o n ( o x c ) a n do p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g ( o a d m ) a r ed i s c u s s e d t h ei n t e g r a t i o no f t h eo w ca n do x c o a d mi no p t i c a ln e t w o r kn o d ei sp o i n t e do u t t h ew o r k sh a v e b e e nb ed o n e d u r i n gt h el a s et h r e ey e a r sa r es u m m a r i z e d i nc h a p t e rt w o ，t h eq u a s i - p h a s em a t c h i n gt e c h n o l o g i e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h el i n b 0 3a r ed i s c u s s e d t h es c h e m e sa p p l i e dt oc o n v e r tt h ep o l eo ft h ed o m a i na r e s u m m a r i z e d t h em e t h o d sa p p l i e dt og e n e r a t et h ep e r i o d i c a l l yp o l e dl i n b o s ( p p l n ) w a v e g u i d ei sd e s c r i b e d t h ea p p l i c a t i o n so f t h ep p l n w a v e g u i d ei so u t l i n e d e s p e c i a l l y , t h ep r i n c i p l e sa n dd e v e l o p m e n t o ft h eo w cb a s e do np p l ni ss u m m a r i z e d i nc h a p t e rt h r e e ，t h et h e o r ya n d e x p e r i m e n to fo w c b a s e do ns e c o n d h a r m o n i c g e n e r a t i o n ( s h g ) a n dd i f f e r e n c ef r e q u e n c yg e n e r a t i o n ( d f a r e o u t l i n e d t h ec o r n - p a r i s o nb e t w e e nt h es i n g l e - p a s sc o n f i g u r a t i o na n dd o u b l e - p a s sc o n f i g u r a t i o na r ep e r - f o r m e d a ns o l u t i o ni sp r e s e n t e du n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a tt h ev a r i a t i o no ft h es i g n a l l i g h ti sn e g l e c t e d t h i ss o l u t i o n i sa l s oc o m p a r e dw i t ht h a tt h eb u m p l i g h ti sc o n s i d e r e d t ob ec o n s t a n td u r i n gt h ei n t e r a c t i o n ，w h e nt h ep o w e ro f t h e s i g n a ll i g h ti sh i g ho r t h e w a v e g u i d ei sl o n g ，o u rs o l u t i o ng i v eb i r t ht oh i g h e rp r e c i s i o n i nc h a p t e rf o u r , t h ed e v e l o p m e n to f t h eo w c b a s e do ns u m f r e q u e n c yg e n e r a t i o n ( s f g ) a n dd i f f e r e n c eg e n e r a t i o n ( d f g ) w i t hs i n g l ep a s sc o n f i g u r a t i o ni so u t l i n e d b y i n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to f ”d o u b l e p a s s ”，t h ep e r f o r m a n c eo fo u rs c h e m ei sd i f f e r e n t f r o mt h ep r e v i o u ss i n g l e p a s ss f g + d f g w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ss c h e m e ap r o p o s a l i i i 蒸塞堡要 一一 n a m e d “b a l a n c ec o n d i t i o n w a si n 垃o d u c e d t oa r r a n g et h ep o w e ra n d f r e q u e n c yo f t h e t w op u m ps o u r c e s u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，d u r i n gt h ef o r w a r dp r o p a g a t i n g ，t h ep o w e r o fs fw a v ew o u l di n c r e a s ec o n t i n u o u s l ya n ds t e a d i l ya n dw o u l dn e v e rd o w n - c o n v e r t e r t ot h ep u m pw a v e sa g a i n ，t h ep o w e ro f p u m p w a v e sw o u l dd e c r e a s ec o n t i n u a l l ya n d w o u l dn o to s c i l l a t ea l s o t h ep r o c e s so fs f gc o u l db es o l v e da n a l y t i c a l l yu n d e rt h i s c o n d i t i o n s u b s e q u e n t l y , t h ep r o c e s so f d f gi ss o l v e du n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a tt h e s fw a v ew o u l db ec o n s t a n td u r i n gt h eb a c k w a r dp r o p a g a t i n g t h e o r e t i c a le x p r e s s i o n s a r ed e r i v e da n da r ew e l lc o n s i s t e n tw i t hn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s c o m p a r e dw i t ht h e s i n g l e - p a s ss f g + d f gs c h e m e ，i t sm a i na d v a n t a g e r e s t so nt h ef a c tt h a tt h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yc a nb ee n h a n c e df a i r l y c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a lc o n v e r t e rb a s e do ng a s c a d e d x ( 2 ) ：) ( ( 2 ) i n t e r a c t i o n so f s e c o n d - h a r m o n i cg e n e r a t i o na n dd i f f e r e n c ef r e q u e n c y g e n e r a t i o n ( s h g + d f g ) ，t h e s a m ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yc a nb ea c h i e v e d b ye m p l o y i n g t w o p u m p s o u r c e sw i t hl o w e rp o w e r , w h i c h s u g g e s t st h ed e m a n d o ne a c hp u m ps o u r c e i sr e d u c e db yh a l fo rh i g h e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yc a nb er e a c h e dw h e nt h ed e v i c ei s d r i v e nb yt w o h i g hp o w e rp u m p s o u l c c e s t h ep r o f i l e & c o n v e r s i o n e f f i c i e n c yv e r s u s t h e s i g n a lw a v e l e n g t hc a na l s ob ei m p r o v e db ya d j u s t i n gt h ew a v e l e n g t ho f t h et w op u m p s o u r c e s t h ea d v a n t a g e so f d o u b l e - p a s ss h g + d f gs c h e m ea n d s i n g l e - p a s ss f g + d f g s c h e m ea r ec o m b i n e di nt h i sd e v i c e f a i r l y i nc h a p t e rf i v e ，t h ep r e v i o u sr e s e a r c h e so ft h et u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o na r e s u m m a r i z e d ad o u b l e - p u s sc o n f i g u r a t i o ns c h e m ei s p r o p o s e dt or e a l i z es i m u l t a n e o h st u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o na n d w a v e l e n g t ha d d d r o pb a s e d o ns f ga n dd f g b ya d j u s t i n gt h ew a v e l e n g t h so f t h et w o p u m p s ，a na r b i t r a r yc h a n n e lc a n b ed r o p p e d f r o maw d m s i g n a la n da d d e dt oa n o t h e rw d ms i g n a la ta r b i t r a r yw a v e l e n g t h t h e p h a s em a t c h i n g o fs f ga n dd f oc a nb es a t i s f i e ds i m u l t a n e o u s l ya n dt h ec o u p l e d e q u a - t i o n sc a l lb es o l v e da n a l y t i t a l l yu n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a tt h et w op u m p sa r en n d e p l e t e d t h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n so f t h ep o w e r so f t h ed r o p p e d c h a n n e la n dt h ea d d e d c h a n n e la r ed e r i v e d ，w h i c ha r eo fu s et oa n a l y z ea n do p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo ft h e d e v i c e t h ea n a l y t i c a lr e s u l t sa r ec o n f i r m e db yt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sw h i c ha r e p e r f o r m e d a l s ot oi n v e s t i g a t et h e p h a s e m i s m a t c h e d c a s e s c o m p a r e d w i t ht h e p r e v i o u s s c h e m e sb a s e do nt h es i n g l e - p a s sc o n f i g u r a t i o n ，o u rs c h e m ee x h i b i t se n h a n c e dc o n v e r - s i o ne f f i c i e n c ya n dw a v e l e n g t hs e l e c t i v i t y c o m p a r e dw i t ht h e p r o p o s a lo f 【7 】，w h e r e t w ow a v e g u i d e sa r eu t i l i z e dt oh a n d l es f ga n dd f g r e s p e c t i v e l y , o u rs c h e m e i sm o r e c o m p a c ta n d a v o i d st h ei n t e r - w a v e g u i d ec o u p l i n gl o s s i nf a c t ，t h ev i r t u a lw a v e l e n g t h i v 英文摘要 r o u t i n ga r er e a l i z e db yu s i n go u rs c h e m es i n c ei t c a ns e l e c to u t ( d r o p ) a na r b i t r a r y c h a n n e lf r o maw d ml i n ka n dc o n v e r t ( a d d ) i tt oa n o t h e rw d ml i n kw i t ha r b i t r a r y w a v e l e n g t h ，t h i ss c h e m e c a na l s ob et r e a t e dat u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，v a r i a b l e w a v e l e n g t ha d d i n gm u l t i p l e x e ra n dv a r i a b l ew a v e l e n g t hd r o p p i n gm u l t i p l e x e r m o r e o v e r , t h i ss c h e m ec a nb ea p p l i e dt oc o n f i g u r a t ea n2x2o x c u n i tw i t ht h e c a p a c i t yo f o w c i nc h a p t e rs i x ，w e p r e s e n t e dp a p e rp o i n t so u tt h a tt h ec o s h g a u s s i a n ( c h g ) b e a m a n d e l e g a n th e r m i t e - g a u s s i a n ( e h g ) b e a mc a nb eg e n e r a t e db y u s i n g t h eg r a d e d p h a s e m i r r o r ( g p m ) i n6 1 ，t h et h e o r ye x p r e s s i o n so ft h ea m p l i t u d ea n dp h a s eo ft h ec h g b e a m sa r ed e r i v e d ，r e s p e c t i v e l y s u b s e q u e n t l y , t h ep h a s ef t m c t i o no ft h eg p m i sd e d u c e d ap r o c e d u r ei sp r o p o s e dt od e s i g nt h e g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so f t h er e s o n a t o r t og e n e r a t et h ed e s i r e dc h gb e a m t h e q u a l i t yo f t h eo u t p u tb e a mc a nb e n e a r l yi d e a l d u et ot h eh i g hs e l e c t i v i t yo ft h eg p ma n dt h ei n t r a c a v i t ya p e r t u r e f u r t h e r m o r e t h e t h e r m a l l e n s i n ga n dg a i ns a t u r a t i o na r et a k e ni n t oa c c o u n t s i n6 2 ，as e m i s y m m e t r i c a l o p t i c a lr e s o n a t o ri sp r o p o s e dt og e n e r a t et h ee h gb e a mw i t hm o n o m o d eo u t p u ta n d h i g hp o w e r u s i n gt i l en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，t h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ft h er e s o n a t o ra r ed i s c u s s e dt oi m p r o v et h eo u t p u tp r o f i l eo ft h ee h g b e a m m o r e o v e r ，t h e m o d ed i s c r i m i n a t i o ni si l l u s t r a t e da n dt h et h e r m a ll e n s i n gi st a k e ni n t oa c c o u n tw i t ha s i m p l i f i e dm o d e l p r o v i d e dt h ep a r a m e t e r sa r ec h o s e na p p r o p r i a t e l y ，t h eb e a m q u a l i t y c a nb ef a i r l yg o o da n dt h er e s o n a t o rc a n o p e r a t ea ts i n g l e 打a n s v e r s em o d e k e y w o r d s ：c a s c a d e d s e c o n d o r d e r n o n l i n e a r i t y ，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 ，g p m ，o x c ，o a d m ，p p l n ，q p m ，w i x c v 插图 4 1 4 2 4 3 4 4 插图 二次谐波功率在传输过程中的变化 铌酸锂晶体的e 光折射率与波长和温度关系 周期性反转铌酸锂晶体的结构 外加电场实现铁电畴反转示意图， t i 扩散法制备p p l n 波导过程 退火后基底和导波层e 光折射率随波长的变化 l p e 法制作脊形p p l n 波导过程示意图 脊形p p l n 波导示意图 s h g + d f g 波长转换器的两种构型 s h g + d f g 单通波长转换器中光功率随传输距离的变化 s h g + d f g 单通构型波长转换器转换效率随信号光波长变化 倍频效率和相位失配的关系 s h g + d f g 双通波长转换器转换效率随信号波长的变化 数值解和两个解析解的比较 单通和双通构型转换效率比较 s h g + d f g 波长转换实验装置图 基于倍频+ 差频原理的四波长同时转换光谱图， 转换后转换光和输入信号光的光谱图， 级联s h g + d f g 波长转换效率随信号波长变化的实验曲线 级联s h g + d f g 波长转换器输出转换光功率随信号光功率变化的 实验曲线 单通s f g + d f g 波长转换器原理图 单通s f g + d f g 波长转换器泵浦功率和转换效率的关系 单通s f g + d f g 波长转换器信号光波长与转换效率的关系 基于双通构型的s f g + d f g 级联波长转换方案原理图。泵浦光和信 号光从波导的不同侧入射。 v 博如鸵m弭硝拍 ”粥姐铊钙“钙钙拍舶 舶 如钉驼 舛 j 上3 4 5 石一舟 j 2 3 4 5石一怎9加m屹 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 王孓， 插图 4 5 耳t ( ) ，0 2 ( ) 和p s f ( ) 在前向传输过程中的变化。1 = 1 5 2 0 # m ，a p 2 = 1 5 8 0 # r a ，昂1 0 1 0 0 m w ，弓2 d 是变化的。( a ) 昂2 0 = 2 0 0 r o w r ( b ) g 2 0 = 1 0 0 m w ，( c ) 弓2 0 = 9 7 r o w ，( d ) 弓2 0 = b 1 0 a p l 21 9 62 0 r o w ( 满足“平衡条件”) 。5 6 4 6双通”s f g + d f g ”构型中，信号光波长变化时，转换效率理论解和 数值解比较。，5 9 4 7 g x 通_ s h g + d f o 方案( 点线) 和双通s f g + d f g 方- 案( 实线) 转换效率的 比较。 ， ， 6 0 4 8 双通s f g + d f g 方案( 实线) 和单通s f g + d f g j y 案( 点线) 转换效率的 比较。 ， ，6 1 4 9 双通s f g + d f g 方案和单通s f g + d f g 方案泵浦带宽的比较。 ，6 2 5 1 泵浦波长变化( 6 ) 、。) 与归一化转换效率的关系 5 2 转换光变化范尉和为保持相位匹配所需要调节温度之间的关系 5 3 基于和频+ 差频级联二阶非线性的可调谐波长转换方案 5 4y a m a w a k u 的可调谐光通道监测嚣原理图， 5 5y a m a w a k u 的可调谐光通道监溺器实验设备图 ， 5 6 y a m a w a k u 的可调谐光通道监测器输出光谱图， ， 5 7 o s e l l a m e f i 可变波长下路方案， 5 8o s e l l a m e 的可变波长上路方案， 5 9 o s e l l a m e 方案中从1 6 个频率间隔为i _ 0 0 g h z 的w d m 链路中取出一 个信道并将其转换到另一个频率的过程， 5 1 0 我们的可变波长路由方案原理图。，。， 5 1 1 ( a ) 被选定下路的信道以及其他三个相邻的信道在前向传输( 和 频) 过程中功率的变化。( b ) 上路信道和串扰在反向传输( 差频) 过程中功率的变化，其中7 = 一l 。， 5 1 2 双通构型和单通构型转换光光谱的比较， 5 1 3 我们的可调谐波长转换方案示意图。 5 ，1 4 ( a ) 我们的波长下路器示意图。( b ) 我们的波长上路器示意图。 ， 5 1 5 我们的2 x 2 光交叉连接单元实现方案， 6 1 c h g 光束的相位随归一化传输距离。询的变化。6 ：2 0 。， 6 2 半对称型c h g 光束谐振腔原理图， ， 一v i 一 盯铝印弛如他记 仍弭 鸺 蚰妄j g 舛 插图 6 3c h g 谐振腔中光阑的大d a 对c h g ) t e 束质量的影响。b = 2 0 ，l = 2 09 4 6 4c h g 谐振腔有源介质热透镜效应简化模型，介质被两片薄透镜取 代。 9 5 6 5 c h g 谐振腔中，( a ) 假设热透镜靠近g p m ，( b ) 假设热透镜靠近耦合 镜，6 = 40 ，b = 5 0 w o ，l = z o 。 ，9 5 6 6 增益饱和对c h g 光束质量的影响。b = 4 0 ，。= 5 w o ，l = z o ，耦 合镜的反射率为0 6 ，小信号增益2 舶l = 0 3 0 9 6 67 e h g 光束在传输过程中相位的变化9 6 6 8 e h g $ 皆振腔光阑大小对光束质量的影响。9 7 v i i 独创性( 或创新性) 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及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 油矿以砂 学位论文作者完全了解北京邮电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f f ；j 论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 日期： 勉 逊：垒日 导师签名： 日期： d 亟。 丝。! 12 第一章绪论 第一章绪论 众所周知，通信网络由传输和交换两部分组成，其中传输部分为网络的链 路，交换部分为网络的节点。当前大容量传输系统是基于光信号的，而网络节 点设备是基于电信号的。因此，在传输链路与节点设备之间需要有光电转换没 各。 密集波分复用系统的出现，为光网的发展奠定了基础，传输容量的问题已 经基本解决。波分复用( w d m ) 辅以光学时分复用( o t d m ) 技术被公认是最 可行的超大容量信息传输技术。1 9 9 6 年日本富士通公司最早报导了5 5 路w d m 1 1 t b s 容量传输1 5 0 公里的成功实验，同年底日本n e c 又报导进行了1 3 2 路信道 传输1 2 0 公里的实验，传输容量达n 2 6 t b s ，从此开始便拉开了竞相开发t b s 级 超大容量传输技术的序幕，预计至2 0 1 0 年将达到1 0 0 t b s 。 由于用户对信息的需求是多样化并且是随时不断变化的，业务类型也是多 种多样的。所以，未来的光网络不仅要能够实现信息的超大容量传输，而且要 实现灵活、快速的路由选择与光路配置。而随着光网络的容量的提高，传统的 基于电交换的节点技术已经成为系统的瓶颈所在。由于在交换过程中存在光变 电、电变光，增加了系统的复杂性和运行维护成本，并且交换容量受到电子器 件工作速度的限制，电节点处理能力的极限只能达至l j 4 0 g b s ，不太适应高速系 统的要求。 直接在光域上交换和路由可省去光电、电光过程，可以充分利用光通信 的宽带特性，于是出现了全光网的概念。在理想的全光网中，信号的交换、选 路、传输和恢复等所有功能都以光的形式进行。光信息流的传输及交换始终以 光的形式存在，不需要经过光电光变换。全光网络具有如下优点【1 ，2 】： 1 提供巨大的传输容量，处理速度高且误码率低。 2 具有哳议透明性，即对信号的格式无限制。允许采用不同的速率和防议， 有利于网络应用的灵活性。 3 省去了庞大的光电光转换工作量及设备，提高网络整体的交换速度，降 低了运行维护成本并有利于提高可靠性。 4 具有波长路由特性，可以波长为标识完成路由和交换，提供动态带宽分配 能力。 第一章绪论 5 兼容性和可扩展性。 波分复用系统不仅仅能使传输系统的容量成倍增长，它的另一重要的特点是可 以利用波长完成选路和波长转换等功能。光交换，光路由主要完成光节点处任 意光纤端口之间的光信号交换及选路。光波长转换主要解决光波长数不足的限 制，避免阻塞；所以，光波长转换 3 】，光交换，光路由【4 0 】是全研制光网络的 关键技术。 11 全光波长转换( o w c ) 技术简介 全光波长转换是w d m 光网络中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 了网络的灵活性和效率，波长转换器件的另一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。 1 1 1 波长竞争和虚波长路由 w i ) m 光网络中波长的数量决定了具有独立地址的结点数或可选路由数。 但由于滤波器与放大器的带宽是有限的，一根光纤中能够复用的波长数是有限 的。 光通道可以分为波长通道( w p ：w a v e l e n g t hp a t h ) 和虚波长通道( v i r t u a l w a v e l e n g t hp a t h ) 。为了建立波长通道，光通道层必须找到条链路，在构成这 条链路的所有波长复用段中，存在着个共同的空闲波长。这就是波长连续性 要求。传统的网络使用波长通道，这样的网络体系复杂度较小，造价低，可靠 性高。但是由于波长连续性的要求，只有分配的某一波长在连接通路的所有链 路段上都未被占用时，连接才能建立。如果不能在所有的链路上都找到这个空 闲的波长，该传送请求就会失败，这就是波长竞争。解决波长竞争的办法就是 引入波长转换器件，建立虚波长通道。此时，光通道层只需要在每个波长复用 段找到一个空闲波长就可以建立连接。采用波长路由时必须要了解整个网络中 波长的占用情况。这就使得网络必须采用集中式控制，选路所需时间较长。而 采用虚波长路由对，波长只有局部意义，可以进行分布式控制，这将降低光通 路层选路的复杂性以及选路时间。 虚波长路由实际上是对波长的再分配和再利用，可以避免波长竞争和阻 塞，能有效地进行路由选择，提高网络的灵活性和可扩展性，同时也有利于网 2 第一章绪论 络的运行、管理和控制，以及通道的保护倒换。 1 1 2 理想波长转换器的特性 人们普遍认为理想的波长转换器应该具有以下特性 1 对数据传输比特率透明( 允许最大速率至少为1 0 g b