（原子与分子物理专业论文）全光波长变换.pdf

二 ojjjbj 四川大学博士论文 全光波长变换 原子与分子物理专业 研究生 刘刚指导教师 杨向东 光与物质的相互作用的研究不仅有重要的理论意义， 而且有广泛的应用价 值，在通信和信息处理领域也不例外。本文较详细而全面的研究了不同实现方 法下全光波长变换。 首先研究了 光在半导体光放大器中的交又增益波长变换过程。利用非线性 薛定谬方程建立半导体光放大器的哨啾模型，并且通过分析该模型研究了其变 换过程中的哨啾特性，以 及利用载流子速率方程研究了消光比、 信噪比与误码 率间的关系。最后利用计算机模拟了入射功率、波长和偏置电流的变化对变换 信号特性的影响。研究结果表明: 饱和增益越大s o a明啾越小，入射光子能量 越高明啾也越低， 减小入射功率也可以 减小s p m带来的惆啾。 增加有缘层长度 与有效截面面积，也有利于减小s o a的惆嗽。自 发辐射对信噪比的影响较大， 增大变换信号的消光比可以 减小了码间干扰，探测光功率增加有利于提高信噪 比， 而不利于提高消光比。 s o a交叉增益型波长变换即可以向长波方向 变换也 可以向短波方向变换。 减小s o a偏置电流的时， 信噪比恶化严重， 码间干扰大。 本文进一步研究由半导体光放大器组成马赫一 增德尔千涉仪光路实现的波 长变换。通过把光路损耗集中处理，解决了光功率在马赫一增德尔干涉仪两臂 上分布式损耗所带来的研究困难，不仅研究了全光变换的强度噪声，和相对强 度噪声， 而且仿真了泵浦波长、 信号波长与偏置电流对其变换信号特性的影响。 研究得到以下结论:在以光纤为克尔介质时，噪声指数和损耗系数与长度积密 切相关。 当a l 1 时， 对应的就是损耗集中在输入端的情况; 相反当a l + 1 时 对应的就是损耗集中在输出端的情况。当在n m z i 量子阱限制下，相位不敏感 的干涉仪的噪声指数在3 d b左右。探测光相对噪声提高因子随信号光功率的增 加而增加，当信号光功率到一定值时，提高因子也将会趋于某一定值。探测光 功率的增加可以减小探测光相对噪声提高因子，并且随着探测光功率的增加， 宋经作老， ., .知城.兜 叨全文公布 c a 己 g a 丫 四川大学博士论文 提高因子逐渐减小到某一定值。在小的信号光功率与大的探测光功率作用下， 当m a c h - z e n d e r 干涉仪信号光与探测光反向输入时， 变换信号可获得小的相对 强度噪声。另外大的探测光功率与大的信号光功率可以更加有效的获得两臂的 相位差，但是大的信号光功率可以加大相对噪声强度，对系统不利。同时大的 探测光功也率会对输出信号产生大的t啾。高探测光功率变换后信号要略好于 低探测光功率下的变换信号大的 s o a偏置电 流下变换后信号要明 显好于小的 s o a的偏置电流下的变换信号。变换信号既可以向长波长 方向变换也可以向短 波长方向变换，但是向短波长方向 变换后的信号更利于在光纤中传输。 如何利用半导体光放大器的高阶非线性实现四波混频效应的波长变换本文 也进行了详细研究。在现有的四波混频理论分析方法中引 入了 高 频失谐条件， 研究了 频率夫谐时泵浦波长及泵浦功率对输出 变换光脉冲的影响 为简化研究， 最终建立了四 波混频完成全光波长变换的集总模型，并且通过计 算机模拟输出 变换 信号的光 谱图、 眼图以 及变换信号的 转换效率。 研究结 论显 朱: 当 探测光 角频率低于泵浦光角频率( 角频率差。 - 2 ; r ) 时， 获得的祸合光 幼率明显较大， 这 符 合 能 量由 高 频向 低频 转 移的 趋 势。 祸 合 光的 变 换 效 率 大 约 在负2 0 d b到 负 3 0 d b之间。 对四波混频原理的全光波长变换根据泵浦方式 得不间 努三种情形进 行了讨论.并且对输出 信噪比 做了比 较。 根据模拟结果，当 信 粤究为泵浦光时 在强 泵浦 弱 探 测光的 条 件下 ， 探 测 光 波 长 对变 换 信号 波 长 的 琳 摘 凭争 不 存 在。 当 泵 浦光功 率为2 m w, 增 加探测光功率到1 m w时， 可以 得出 赞换光的 变换效 率下降到一7 0 d b以下，效率非常低 第四基于物质在光场作用下，电荷分布发生形变形成等效偶极子体系的物 理思想， 用分段处理并建立简化模型的方法研究了利用a i g s a s 的和频效应以及 差频效应实现全光波长变换的物理特性。在研究和频变换时，得到了和频变换 效率的最优条件。 通过研究发现影响a i g s a s 的和频效应变换效率除了泵浦光和 探测光的功率外，主要是波导损耗的影响，结果与实验结果符合的较好。同样 在考虑大的传输损耗的条件下，泵浦光功率和和频光功率成线性关系。所以为 了获得大的和频光功率应尽可能的使用大的泵浦功率和信号功率。 而差频效应实现全光波长低的变换效率主要来自 于均匀反应长度限制，损 耗和相位失谐条件的影响， 并对相位失谐条件对变换光脉冲的影响进行了计算。 首 先分析了准相位匹配条件改变对差频变换输出光强的影响。 相位匹 配的正负 四川大学博士论文 失谐都会对差频输出光强造成严重的影响。传输损耗对变换光输出 光强也有一 定程度的影响。当传输损耗为一 6 d 8时， 变换光的强度随 器件的长度增加而逐 渐增加， 当 长度达到5 m m时增加趋势变缓并逐渐趋于某一定值。 传输损耗为一 1 2 d b时，开始变换光强度随长度的增加而增加，但是当长度为3 . 5 m m左右时， 变换光强度随长度增加逐渐减弱。所以 在传输损耗的影响下，器件有一个最佳 长度。 研究结果说明了 利用这个模型所做的 理论分析和试验结果符合得较好。 最后在上述研究基础上提出了了时分复用与波分复用信道间的全光多路波 长变换方案， 并论证了 方案的 可行性。该方案使用了 全新的设计思想。 仿真结 果显示该设计方案可以 有效的进行时分复用与波分复用网间的高速数据交换。 论文在重点研究全光波长变换理论的同时， 也进行了大量的计算机数值仿真 与设计以期得到不同方法下的全光波长变换以 及全光多路转换的适用范围与最 优结构参数。 关健词: 全光波长变换半导体光放大器全光多路变换 四川大学博士论文 a l l o p t i c a l wa v e l e n g t h c o n v e r s i o n a t o m i c a n d mo l e c u l a r p h y s i c s a d v i s o r : l i u g a n gt u t o r : y a n g x i a n g - d o n g s t u d i e s o f i n t e r a c t i o n b e t w e e n o p t i c a l a n d s u b s t a n c e n o t o n l y h a v e w e i g h t i l y a c a d e m i c v a l u e s b u t a l s o h a v e w id e l y a p p l i e d v a l u e s e s p e c i a l ly i n c o m m u n i c a - - t i o n f i e l d . i n t h i s d i s s e r t a t i o n p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a f e w 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 ( a o wc ) m e t h o d s a r e a m p ly r e s e a r c h e d . i n s e c o n d c h a p t e r n u m e r i c a l m o d e l o f a o wc i s e s t a b l i s h e d w h i c h i s b a s e o n c r o s s g a i n m o d u l a t i o n i n a s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r . n o n l i n e a r s c h r o d i n g e r e q u a t i o n i s u s e d f o r s t u d y i n g c h i r p c h a r a c t e r i s t i c i n w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n p r o c e s s . a n d i n c i d e n c e p o w e r , w a v e l e n g th a n d b i a s c u r r e n t a ff e c t c o n v e r s i o n p u l s e a r e s i m u l a t e d . r e s u l t s a s f o l l o w s : r e d u c i n g o f s o a c h ir p i n c o n n e c t i o n w i t h i n c re a s i n g o f s o a g a i n o r p h o t o n e n e r g y ; r e d u c i n g in p u t l i g h t p o w e r o r i n c r e a s in g l e n g t h a n d e ff e c t i v e a r e a o f a c t i v e l a y e r , w e c a n r e d u c e t h e s o a c h i r p ; c o d e i n t e r f e r i n g c a n b e r e d u c e d w h e n e x t i n c t i o n r a t i o o f c o n v e r s i o n s i g n a l i s i n c r e a s e d ; e n h a n c i n g p o w e r o f p r o b l i g h t , w e c a n i m p r o v e s i g n a l - n o i s e r a t i o ; w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n o f c r o s s g a in m o d u l a t i o n o f s o a t r a n s f o r m a l o n g w i t h s h o rt w a v e d i r e c t i o n o r l o n g w a v e d ir e c t i o n t o o ; wh e n b i a s c u r r e n t i s r e d u c e d s i g n a l - n o i s e r a t i o n w i l l b e w o r s e n a n d c o d e i n t e r f e r i n g w i l l b e a u g m e n t e d . i n t h e n e x t c h a p t e r ma c h - z e h n d e r a o wc i s re s e a r c h e d . d i s t r i b u t e d l o s s e s o f l i g h t p o w e r i n m a c h - z e h n d e r t w o a r m s a r e s k i l l f u l l y d e a l t b y c o n v e r g i n g m e t h o d . i n t e n s i o n n o i s e o f a o wc i s i n v e s t i g a t e d f u r th e r m o re re la t i v e i n t e n s i o n n o i s e . a n d c o m p u t e r i s u s e d f o r s i m u l a t i n g t h e c o n v e r s i o n p r o c e s s . t h e re a r e f i v e i m p o r t a n t r e s u l t s t o b e o b t a i n e d . t h e f i r s t o n e is t h a t n o i s e i n d e x a s s o c i a t e w i t h p r o d u c t o f l o s s c o e f fi c i e n t a n d fi b e r l e n g t h . a s a l 1 l o s s o f f i b e r c o n c e n t r a t e i n i n p u t p o rt , o n t h e c o n t r a r y , a s a l 1 l o s s c o n c e n t r a t e i n o u t p u t p o rt . t h e s e c o n d re s u l t i s t h a t u n d e r n m z i q u a n t u m - w e l l q u a l i f i c a t i o n s i n t e r f e r o m e t e r o f n o n s e n s i t i v e p h a s e h a s 四川大学博士论文 a b o u t 3 d b n o i s e i n d e x . t h e t h i r d o n e i s t h a t re l a t i v e n o i s e f a c t o r i s i n c r e a s e d a l o n g w i t h p o w e r o f s i g n a l l i g h t , fi n a l l y i t t e n d t o a f i x v a l u e . c o n v e r s i o n s i g n a l c a n o b t a i n s m a l l r e l a t i v e i n t e n s i o n n o i s e w h e n s i g n a l l i g h t a n d p r o b e l i g h t h a v e o p p o s i t e d ire c t i o n o f t r a n s m i s s i o n b e s i d e s s m a l l p o w e r o f s i g n a l a n d b i g p o w e r o f p r o b e . t h e l a s t o n e i s t h a t c o n v e r s i o n s i g n a l t r a n s f o r m a l o n g w i t h s h o rt w a v e d i r e c t i o n o r l o n g w a v e d i r e c t i o n t o o b u t s i g n a l o f s h o rt w a v e i s p r o p i t i o u s t o t r a n s f e r s m o r e t h a n s i g n a l o f l o n g w a v e i n fi b e r . i n f o rt h c h a p t e r a o wc o f f o u r w a v e m i x i n g ( f wm) i s d e t a i l e d i n v e s t i g a t e d w i t h n o n l i n e a r h i g h - r a n k e ff e c t o f s o a . h i g h fr e q u e n c y u n h a r m o n i o u s t e r m i s t a k e n i n f wm t h e o ry . t h e l a s t c o l l e c t i v i t y m o d e l i s s e t u p . s p e c t ro g r a m , e y e - c h a r t a n d c o n v e r s i o n e ff i c i e n c y o f c o n v e r s i o n p u l s e a r e s i m u l a t e d . b i g p o w e r o f c o u p l i n g l i g h t c a n b e o b t a i n e d w h e n a n g l e f r e q u e n c y o f p r o b e l i g h t i s l e s s t h a n a n g l e fr e q u e n c y o f p u m p l i g h t . b as e o n r e s u l t s o f s i m u l a t i o n e f f i c i e n c y o f c o n v e r s i o n i s v e ry l o w a b o u t mi n u s 2 0 0 - 3 0 0 f i f t h ly e l e c t r i c c h a r g e d i s t r ib u t i n g is d i s t o r t e d w h i c h f o r m e d e q u i v a l e n t d i p o l e s y s t e m w h e n m a tt e r i s i n fl u e n c e d b y l i g h t f i e l d . f o u n d o n t h is p h y s i c a l t h o u g h t p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a o wc a b o u t d i ff e r e n c e fr e q u e n c y a n d s u m fr e q u e n c y a r e i n v e s t i g a t e d w i t h t h e m e t h o d o f s u b s e c t i o n d i s p o s a l . c a l c u l a t i o n re s u lt s a r e i n b e t t e r a g r e e m e n t w i t h e x p e r i m e n t a l d a t u m o f l i t e r a t u re. l as t c h a p t e r n e w a l l- o p t i c a l t r a n s m u lt i p l e x e r s a r e r e s e a r c h e d a n d f e as i b i l i t i e s a re d e m o n s t r a t e d . a n d c o m p u t e r i s u s e d f o r d e s i g n i n g a n d s i m u l a t i n g t h e s y s t e m . r e s u l t s s h o w t r a n s m u l t i p l e x e r s c a n e ff e c t i v e e x c h a n g e d a t u m b e t w e e n w a v e l e n g t h d iv is io n m u l t i p l e x i n g n e t w o r k a n d o p t i c a l t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g n e t w o r k， i n t h i s t h e s i s t h e e m p h a s i s i s t h e o ry i n v e s t i g a t io n o f a o wc , a t t h e s a m e t i m e , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d d e s i g n a r e s t u d i e d t o o . h o l d i n g t r u e a r e a s a n d o p t i m i z a t i o n c o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e r s o f a o wc a r e o b t a i n e d w i t h d i ff e r e n t m e t h o d s o f w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n . k e y w o r d s : a l l - o p t ic a l w a v e l e n g t h c o n v e r s i o ns e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r a l l - o p t i c a l t r a n s m u l t i p l e x e r v 四川大学博士论文 第一章引言 1 . 1 研究背. 任何时候，人类都没有象现在这样认识到信息社会给人类的生活、生产所 带来的深刻的社会变革，信息技术己经融入人类生活的方方面面。在上个世纪 七十年代到八十年代光纤通信由 起步逐渐走向成熟. 这首先表现在 1 9 7 0 年美国 康宁玻璃公司研制成功损耗为 2 0 d b 的石英光纤到八十年代研制的 0 .5 - 0 .2 d b / k m的极低损耗光纤。到了九十年代2 .5 g b i u s 系统已经实用，并且推 出了 i o g b i t / s 的系统。但是受电 子速率颈瓶的限制，进一步提高单信道速率困 难重重川. 此后人们把目 光投向 波分复用和密集波分复 用系统。 发展迅速的各 种新型业务如远程教育、电子商务、远程控制、电 子图书馆以 及视频点播、高 清晰度电视、可视电话和网络会议等，继续对网络的带宽容t会提出了 不断的 挑战。虽然，光纤通信极大地增加了通信网络的传输容11 f ，由于与光纤链路相 连的电子设备电子速度瓶颈的限制，使得现有技术还不能充分利用光纤巨大的 带宽资源。因此，提高光纤通信系统传输容t，发展超高速全光通信网络势在 必行。 一 mft 图1 . 1 . 通信网中 救据业务和传统电 话业务变化曲 线 提高 传输 容 盆的 基 本方 式 有 两 种: 一 种 是 光时 分 复 用 技 术 ( o t d m ) ， 一 种是 四川大学搏士论文 波 分复 用 技术 ( w d m ) 或 者两 者 技术 相结 合。 o t d m技术利用光 超短 脉冲及归 零 ( r z) 码型，通过脉冲间插的方式把多个光数据信道映射到一个低速电时钟周 期中去，在时域上把多路的低速光信号复用成高速光脉冲流，即o t d m信号。 o t d m信号经光纤传输后，由 光解复用器恢复出 各路低速支路信号。为了正确 解复用出各路支路信号，需要对解复用器进行精确有效的同步，这是通过时钟 提取 来完 成的. 从1 9 8 8 年， b e l l l a b 建 成7 第 一个4 x 4 g b l s c s o t d m点 到点 传 输 实 验 系 统 起， 1 0 几 年 来， o t d m技术 得 到了 充 分 的 研 究 i3 - 5 , o t d m速 率1 0 年内 增加了4 0 倍 6 虽 然。 t d m技术 得到了 迅 猛发 展， 但是o t d m技 术并 没 有充分有效利用光纤带宽。标准的单模光纤有两个工作窗口一一1 3 1 0 n m和 1 5 5 0 n m 。 这两个窗口 都有i o o n m的低损耗区。 为了充分利用这一巨大的带宽资 源 wd m技术应时而生。w d m技术是把光纤带宽分割成多个子波带，每个子 波带传输一路波长信号， 把多路不同信道的信号分别调制到不同的波长_ 七 在一 条 光 纤中 同 时 传 输， 因 此w d m实 际 上 是 一 种 光的 频 分复 用 技 术 i7 - 9 i e o t d m 与wd m技术的结合， 利用少数几个波长就可以 极大的提高传输系统的容皿1 10 一 3 / . 当在wd m交换节点使用光节点代替电 交换节点时， 全光网的概念诞生了。 全光网一经问 世就引起了人们的极大兴趣，世界一些发达国家都以关键技术和 设备器件以及材料的研制为突破口。如美国全光网计划除了美国国防部远景规 划局a r p a一、 二期全球网计划， 还有美国与欧洲一齐 进行的光网络计 划a r p a 和a c t s等。i t u - t也正在研究全光网标准接入问题。可以说全光网已经被认 为是通信网向宽带、 大容量发展的 首选方案 礴 ， 。 对于我国这样一个幅员辽阔、具有庞大干线网的国家，逐步实现全光接入 即形成用户端到端的全光信号 连接， 这不仅使得调配和转接变的简单， 提高了 网络的可靠性，并且与业务和承载的信号无关，具有重大的现实意义和长 远意 义。 虽然， 近年来实验室中w d m传输容盘增长 迅速， 但是实际商 用的w d m 系统的容童却不大。 之所以出 现这样的 情况主要还是全光w d m系统中的 许多 关 键技术没 有解决 或 解决方 案不成 熟. 其中 波长 变 换 ( a o w c ) 就是需 要 解决的 关 键技术之一。 四川大学博士论文 1 . 2 .波长变换在全光网中的应用及分类 a o wc不仅仅能使wd m系统的容里成倍增长，同时它可以 利用波长完成 路由和波长交换等功能.wd m 网络的带宽可以满足每个用户的需求，即使在 试验室中实现了4 0 0 0 个信道的wd m系统， 但是系统的波长数目 仍然是大大少 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的路由 连接时造成波长竞争， 这时w d m网 络会有很高的阻 塞率p 5 1解决上述问 题的 关键技术就是实现a o wc . a o wc就是波长的再分配和再利用以解决交叉连接 中的波长竞争问题使得网络可以有效的 进行路由 选择，降低网络的阻塞率，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，以 及 通 道 的 保 护 倒 换 16 .74 .* . 尸一 一口苦 “ ( 二 一 d 31s 气一叭 ( 趁 ) 光周型 艘长 变换 模块 ( b ) 光 披媲 习型 艘长 魔换 模块 图1 . 2波长变换实现方法分类 觉皿过 砚剖-习，廿 山-了7才.法丁一 .广f、一-工. 丙人 一一 a - a ) 甲带甲。 * a a !c di t c ( 位 长 资 r m la d l xi 心 1 . 谧.泣长 1翔 圈1 . 3 w d . 全光网光传送通道 四川大学博士论文 根据a o wc 功能 和控制信号的 不同 大致可分为两类: 光阀型和光频混合型 如图1 .2 所示， 在光阀型中没有新的 波长产生， 而光频混合型中有新的波长产生。 在wd m网络中是以波长作为通道的， 每个通道通过其波长识别建立连接， 不同的节点间的通道分配以不同的波长。信息从源到目的节点的过程中，波长 一 直 保 持 不 变， 这就 是“ 一 波 到 底” ， 如图1 .3 ( a ) 所 示“ ” 。 在 这 种 波 长 通 道 w p ) 方案中，波长是在整个网内 分配的， 通道波长具有全网意义。波长通道具有固 定性和连续性。当建立新的连接时，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。为避免出现阻塞，网络必须有足够的波 长数来支持。 在实际中由于滤波器与放大器的带宽有限， 所以可用波长数有限， 不足以支持大容量的需要，并且每波长通道的利用率很低。因此在设计中提出 一种新的波长通道方案，在连接通路的不同链路上可以采用不同波长，波长只 在链路上有局部意义. 如图1 .3 ( b ) 所示， 这种通道称为“ 虚” 波长通道( v w p ) , 使用这种方案可提高波长重用率，减少全网所需波长，对避免波长碰撞阻塞、 故障排除和网络升级扩容有重大意义。图 1 . 3 ( b )中， 在节点处设置波长变 换 器， 以 避开 正 在 使 用 的 波 长( 又 . ) ， 使 信 号 转 换到 其 它 未 被占 用 的 波长( 几 2 ) 上。 波长变换在w d m中的 应用非常灵活， 下面介绍三种主要的 应用方案 p e t 1 . 2 . 1 . 光开关矩阵与a o wc组合在o x c 结构中的应用 为避免o x c交叉连接时可能出现的波长通道竞争，减少可能出现的阻塞， 图4 在空间光开关矩阵后接入m个a o wc器， 提高波长的再利用率， 保持m e 无阻塞透明传输特性.这种o x c具有广播发送和上下路插分复用功能。图1 . 4 中t f为可调光滤波器、 d x c数字交叉连接器、 e d f a掺饵光纤放大器。其阻 塞特性为严格无阻塞、 路由 策略为虚波长通道、 模块性为 波长模块、 传输性能 好。 1 . 2 . 2 . 分送藕合交换与a o wc组合在o x c 结构中的应用 利用分送祸合交换( d c s ) 机制， 可以 设计不同的o x c结构。图1 . 5 显示的 是a o w c在这种结 构中的 应用. 分 送fa合 交换的 基木单元是 星形祸合 m( s c ) 和1 x 2 光开关。每个1 x 2 光开关有一个输入、两个输出，能形成四种状态:输 四川大学博士论文 入信号不发送， 输入信号发送到第一个输出口、 输入信号发送到第二个输出口、 输入信号发送到两个输出口.在分送祸合交换结构中波长变换置于分送祸合开 关之前，由于它具有波长选择功能，因而可同时起到调光滤波器的作用，简化 了 结 构 。 这 种 结 构 除 了 需 要m ( n 十 1 ) 个 交 叉 点 ， 还 需 要m 扭+ 1 ) 个 波 长 变 换 器， 所以结构还是相当复杂。其阻塞特性为严格无阻塞、路由策略为虚波长通道、 模块为性波长或链路、传输性能中。 1 . 2 . 3 . 荃于a o wc为交换单元的o x c 结构 基于a o w c的o x c结构如图1 .6 所示。 这种o x c结构方案中， 交换直 接在波长域进行。 在结构的输入端， 首先对每根输入光纤上的m个光信号波长 用a o wc器变到光谱的相邻区域，然后分送到nx n星形祸合器、可调光滤 波器和波长变换器，从中选择各自 的信道，并将其变换到合适的光波长，再 由星形祸合器合路后送至输出段口。 这种o x c结构，当星形祸合器设计有足 够冗余时，还具有波长和链路的模块性，便于网络升级扩容.这种结构中没 有空间开光，也没有交叉点，但要用较多的光滤波器t f 和波长变换器wc , 所以传输特性会有所不足。 阻塞特性为严格无阻塞、 路由 策略为虚波长通道、 模块性为波长或链路、传输性能较差。 在以上三种方案中加入a o wc后，相对无a o wc的光网络会使网络 的 传输特性有所下降。 这就需要我们来研究高 性能的波长变换器，以 适应网 络发展的需求。 a o w c对wd m网 络的 性能产生影响如何， 也是我们需要讨论的一个热点 话题。概括的说: a o wc 器对于频带资源基本耗尽 ( 波长数量固定，且业务 量接近饱和) 的网络作用不大。 对于集中管理交换和环形网的影响也不明显， 而对于大容量的网格网，由 于a o wc器的加入会使得网络阻塞率大大降低。 有研究资料显示，在2 . 5 g b / s 的全光网中不加a o wc器会比加波长变换器的 网络大概损失2 - 3 倍的容it。 如果在2 1 %的节点上加波长变换可以减轻一半 的损失; 如果在3 5 %的节点上加波长变换可以减轻7 5 %的容量损失。 事实上， a o w c器的作用大小与wd m光网 络节点 数、 波长数、 波长从源到目 的 地所 经过的节点数以及业务童都有密切关系. 四川大学博士论文 图 1 . 4空分交换为单元的0 x 0 结构图1 . 5 分送招合交换为单元的o x c 结构 夏 参 m a 赴 n it 一苍睿 巴 毕 图1 . 6 波长交换为单元的o x c 结构 a o wc除了降低网络阻塞率外， 在实现网间的互联及分布式网管系统方面 的 作用也是显而易见的。 譬如对内 部所有波长可以 进行调度和分配的 子网， 在 子网和上层网络连接时， 可以通过a o wc把信号变换到空闲波长上， 实现网络 的分布式管理。此外，波长变换还具有适配功能， 把非标网络各种波长转换到 网络标准波长上来。 实现波长变换有光电 光 ( o e o ) 和全光波长变换 a o wc ) 两大类。 光电 光型己经实用，但是其变换效率低，对信号不透明等。目 前研究热点集中在全 光波长变换上。因此本文主要讨论全光波长变换的实现.根据波长变换的实现 四川大学博士论文 原理可以将全光波长变换分为以下三类1 ) 光阀型a o wc ; 2 ) 基于半导体非线 性效应的 o w c ; 3 ) 其他类型的 o w c 1 2 0 3 . 基于光阀型的a o wc有多种: 基于半导体光放大器( s o a ) 交叉增益( x g m) 调制机理的a o wc变换速率可达4 0 g b / s :基于s o a交叉相位调制 ( x p m) 机 理的千涉型a o wc最高速率也可达4 0 g b / s ; 荃于非线性光纤环镜 ( n o l m) 的 a o w c 它具 有t b / s 的 变换能力 3 7 - 5 3 1 。 对于 这三 种波长变 换 方式是目 前 研究 最 为成熟，也是最接近实用三种方法。 基于非线性效应的a o wc有两小类: 一类是基于非线性介质三阶非线性的 四 波 混 频效 应( f w m ) 的a o w c 5 4 -7 4 1 ; 另 外 一 类 是 基于 非 线 性 介 质的 二 阶 非 线 性 和 频 ( s g h ) 和 差 频 ( d f g ) 效 应 的a o w c 3 s ,3 6 1 a 实现a o wc的方法很多， 除了以上人们感兴趣的几种主要研究方法外， 在 这里再介绍两种比较有前途的波长变换方法:一种是光控激光型波长变换器; 另 外一 种是交 叉吸收 调制 型 全光波长 变换器。 光 控 激光器型a o w c ， 信号 光入 注入到单频激光器的谐振腔中，使其发生增益饱和，从而通过信号光强的变化 来控制激光器的输出光强的变化，这样就实现了波长 变换。这种变换有很大的 明啾，激光器可调谐范围小。但是这种a o wc的结构简单，变换速率较高。 交 叉吸收 ( x a m) 调制 型 a o w c ， 其原 理是: 使 信号 光a ， 改 变电 吸收调 制器 e a - m o d u l a t o r 中光生载流子的饱和吸收，利用此饱和吸收来连续调制探测 光a _ ， 从 而 达 到 波 长 转 换的目 的 。 这 种 变 换 不 会出 现x g m中 反 码 现象， 对 输 入信号有再生能力，并且有很高的变换速率。 基于半导体光放大器的x g m. x p m与f wm效应的波长变换器都可以完 成变换功能。但是每一种变换都有自己的优缺点:基于 x g m 效应的波长变换 器具有结构简单，便于集成等特点，但是变换信号与原信号反相，不能同时进 行多波长同时变换，同时只能进行速率较低信号的 变换， 使得适用范围受到极 大限制， 不能满足wd m网络升级的要求; 基于x p m效应的波长变换也便于集 成，变换信号既可以与原信号同相也可以反相，同时有较高的变换速率，但是 变换过程不透明，同 样不能 进行多波长同时变换，另外对探测光与信号光功率 大小敏感， 需要两个半导体光放大器， 使用成本高; 基于f w m效应的 波长 变 换有很高的变换速率， 变换后变换信号与原信号同相， 变换格式透明，可以进 行多波长同时变换。但是对信号光和泵浦光相位敏感，信号光与泵浦光波长间 四 川大学博士论文 距要求严格， 使得控制实现困 难， 最主要的是窜扰严重并且变换效率低。 在 a o wc技术中利用光波导的二次谐波效应实现波长变换同样引起了 人 们的关注。 二次谐波效应的实现是利用了 信号光与泵浦光的差频与和频的过程。 众所周知， 物质在光场的作用下， 构成物质的带电粒子的电 荷分布会发生形变， 产生微观极化，形成一个等效偶极子体系，并且在光场的作用下，微观偶极子 体系以一定的频率振动，从而发出次波辐射。通常在光场的作用下，由于入射 光波场强与构成物质的节 电 粒子内 部束缚电 子的场强相比十分微弱， 所以 对粒 子内部电荷分布产生的畸变也非常小，一般可以作线性谐振近似，所以次波与 入射波同频率。当在强光场作用下( 场强可与原子内场强比拟时) ，电子云的畸 变不再是平衡位置附近的微小变形，不能使用线性谐振来近似处理。故在处理 强光场与物质相互作用时应该用更高阶的非线性近似表述，所以发出的次波频 率更加丰富。差频与和频就属于二级次波， 基于差频与和频原理的波长变换作 者还未见国内文献报道。 1 . 3 . 光通信中的光与物质相互作用 非线性光学的任务之一就是研究光辐射与物质的相互作用，对非线性光学 的研究不仅有重要的理论意义，而且有广泛的应用价值。近年来， 尤其在信息 处理和通信领域，为了 研制高 性能的 通信器件， 在考虑系统各种元器件及传输 介质的光学特性时，必须考虑更高阶的非线性光学现象。这些非线性现象的产 生正是由于在不变或者变化的光场作用下，构成物质的带电 粒子的电荷分布会 发生形变，产生微观极化.同时入射光子与带电粒子间的散射、拍频等过程也 影响着高速光信号的质耸.进行这方面的研究不仅是为了解决这些非线性效应 对传输信号的不利影响，而且更重要的是要研究这些非线性效应在什么样的条 件下可以 被我们充分 利用， 来研 制高 性能 的全 光 通信 器件 5 - 7 7 i . 例如 在本 文中， 四波混频实现波长变换的研究中考虑了 光子与半导体光放大器载流子之间的散 射时间， 考虑了 载流子与载流子之间的散射时间等; 在研究利用二次谐波效 应 完成波长变换时， 考虑光介质在强光场作用下， 构成物质的带电 粒子的电 荷分 布会发生形变， 产生微观极化，形成一个等效偶极子体系，电 子云的 畸变不再 是平衡位置附近的微小变形，不能使用线性谐振来近似处理。故在处理时采用 更高阶的非线性近似表述。 这样的应用实例很多， 又比如传输系统的限制因素， 四川大学博士论文 包括 传输 损耗， 传 输 色散和 信道非 线性效 应问 题【花 一叫 。 传 输损耗主 要 表 现在 材料 的吸收和散射。 吸收主要是传输介质的本征吸收， 散射有瑞利散射和喇曼散射。 吸收和散射都是因为光在介质中传输时与传输介质中的分子相互作用的结果。 传输色散主要有两个原因引起， 第一是材料色散， 第二是光波导色散8 2 1 。 材料 色散是因为在传输介质中光信号并不是严格意义上的单色光， 所以不同频率的 光与传输介质分子的相互作用不同导致介质折射率的变化也不同。当介质分子 中电子与光频率发生谐振时，会引起材料折射率有较大变化。 也就是说不同的 光频率会有不同的群速度，这会导致光信号脉冲展宽。同时光纤的波导结构亦 对群速色散产生影响。 在高强光场的影响下，光介质对光场的响应将呈现出非 线性特性， 即使注入光纤的光功率不很高， 但由于传输距离长( 以光波长度量) ， 光纤截面尺寸小，这种影响也是不能忽视的。光纤非线性效应起因于光场作用 下的光介质的束缚电子的非简谐运动，也就是说光介质分子中电子在光场的作 用下产生跃迁，由于跃迁后电子所在的能级并不是稳态，这时会辐射次波。如 会产生四 波混 频( f w m ) 、 受 激 喇曼 效 应、 布里 渊效应、 交叉相 位调制 ( x p m ) , k e r r 效应、自 相位调制效应。 这不仅限制了 光纤传输容量的进一步提高， 还限 制了信号的传输距离。 非线性光学不仅能解决现在高逮全光网中的 许多非线性现象，而且也是未 来光孤子通信与it子通信的理论基础之一。 早在 1 9 7 3 年， 刚完成等离子体中孤 子型电 子回旋波研究的h a s e g a w a 进入贝尔实验室 研究光纤理论， 借助非线 性效 应， 建 立了 描 述 光纤 中 包 络 波的 非 线 性 薛 定 谬 方 程， 并 与t a p p e r t 一 齐 从 理论 上 证明任何无损光纤中的光脉冲在传输过程中自己能形变为孤子后稳定传输。到 二十世纪九十年代， 研究了 扰动非线性薛定iq 方程的可控性，认证了受扰光纤 系统中光脉冲可通过外部与光纤本身的非线性作用，实现孤子稳定传输， 这些 观点至今仍推动光通信的发展 9 9 .8 1 1 四川大学博士 论文 参考文献 1 .顾婉仪， 李国 瑞等，光纤通信系统， 北京邮电大学出 版社，1 9 9 9 2 . r u s s e l l d a v e y , d a v e p a y n e a n d a n d r e w l o r d , o p