（通信与信息系统专业论文）基于soa中xgm、xpm效应的全光波长变换研究.pdf

摘要 全光波长变换器是未来全光通信和宽带网络的关键器件，它能够提高波分复 用系统( w d m ) 的灵活性和可扩充性，克服交换节点处因波长争用所造成的网 络阻塞问题，实现波长再利用，能够有效地进行路由选择，增强网络对故障的适 应能力。基于半导体光放大器( s o a ) 的波长转换器具有转换效率高、功耗小等 优点，很受人们的青睐。 论文对基于s o a 的交叉增益调制( x g m ) 和交叉相位调制( x p m ) 的全光 波长变换进行了理论、仿真和实验研究。主要工作如下： ( 1 ) 首先对s o a 的基本特性进行了理论分析，推导得出x g m 型波长变换 的消光比方程和转换效率方程，基于上述模型对波长变换过程进行理论模拟。对 x p m 进行理论分析。 ( 2 ) 仿真研究。用0 l p t i c a l s y s t e m 软件对波长变换过程进行仿真分析，探讨 了输入控制脉冲功率、连续光功率及s o a 注入电流对x g m 型输出光波消光比 的影响；对影响x p m 型输出啁啾大小的参数进行了讨论；通过整形滤波器方法 得到了正、反码的波长变换，并讨论了相关参数对正码效果的影响； ( 3 ) 实验研究。对于x g m 型波长变换，进行了4 0 g b i 讹的全光波长变换 实验，验证了各参数对输出光波消光比的影响；对于x p m 型波长变换，进行了 采用窄带滤波器抑制码型效应实验、4 0 g b i t s 的正码波长变换实验和多波长变换 实验。 关键词：半导体光放大器( s o a ) 交叉相位调制( x p m ) 交叉增益调制( x g m ) 波长变换 a b s t r a c t 灿l - o p t i c a lw a v e l e n g t l lc o n v e r t 呱w c ) i s 舭k e yd e v i c e si nm e 向t u r ea l l - 0 p t i c a l c o m m u n i c a t i o n 锄db r o a d b 觚dn e t 、) r o f i 【so fw h i c hc 锄i n l p r o v et h en e x i b i l i 够锄d a l a b i l 时o ft h ew a v e l g 也d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e m ( w d m ) t 00 v e r c o m e s w i t c h i n gn o d ec o n t e n t i o np r o b l 锄sc 肌s e db yn e 铆o r kc o n g e s t i o n t 0a c l l i e v e w a v e l e n g t hr c u s e w cc 跹h e l pt h en e 咖o r kr o u te 侬圮n v e l y 锄de n h 锄c et 1 1 e a d a p t a b i l 时o fn l en e t 、j i r o r kt 0v 撕o u sf a u l t b a s e do ns e i n i c o n d u c t o r 叩t i c a l 锄p l i f i e r ( s o a ) ，t h ew a v e l e i l g t hc o n v e n 盯h 硒m 锄ya d v 粗t a g e s ，叽c h 嬲，h i g hc o n v e 璐i o n e m c i c y l o wp o w e rc 0 n s 啪p t i o 玛e t c ，i t sv e 叫p o p u l a rw i t hp e o p i e a l l 叩6 c a lw a v e l 衄g 血c o n v e 璐i o nb 勰e d c r o s s g a i l lm o d u l a t i o n g m ) 锄d c m s s - p h a m o d u l a t i o n ( x p m ) i ns o ai i l c l u d 洫gt l l r a s p e c t s ：也et 1 1 e 0 巧、 s i m u l a t i o n 趾de x p e 曲即t s ，i ss t u d i e di nt h ep a p e r ，m a i nc o n t e n t sa r e 嬲f o l l o w s ： f i r s u y 也eb a s i ct h e 0 陀t i c a lc h 锄c t 耐s t i c so f 廿他s o ai sb e 饥锄a l y s i s e d ，t h 吼t l 地 懿血c t i o nr a t i oe q u a t i o n 锄d 血ec o n v e 瑙i o ne 伍c i 衄c yc q u 撕o no fw a v e l 钮g t l l c o n v e 瑙i o nb 勰e d s o a x g mh 嬲b e d c d u c e d ，b a s e do nt h e 锕om o d e l s ， w a v e l e n g 也c o n v e 璐i o np r o c 懿si ss i m u l a t e di n 也o 二w ea l g i v 髓ae ) 叩l a m 陋o no n t h em e c h a i l i 锄o f 也es o a x p m 也】r o u g ht 1 1 e o r 舐c a l l 锄a l y s i s s e c o n d l y i nm ec h a p t e r 衄e e ，w eh 懿d o mm u c hs i n l u l 撕o ns t u d y n ep r o c e s so f a l l - o p t i c a lw 打e l 衄g t l lc o n v e r s i o nb 鹊e do ns o a - x g ma n ds o a - x p mh 弱b 啪 s i m u l a t e d 也r o u g ht l l eo p t i c a l s y s t e m r w a 他，w eo b s e et l l ec h a n g e so nt h e s o a - x g mo u q m te x t i n c t i o nr 撕oo fl i g h ts i g n a l s ，w h 髓也ei n p u tc o n 仃0 lp u l s ep o w c o n t i n u o u s0 p t i c a lp o w 日锄d 画e c t i o nc u l l r e n to fs o ac h 锄g e s t h es o a x p m o u t p u tc h 卸a r ed i s c u s s e d 恤r o u g ht 1 1 es i n l u l a t i o n s ，a l s 0b ys h 印i 1 1 9f i l t e i ；t h e0 u t p u t p u l s i g n a l so fw c b 硒c do nt h es o a - mc 缸b ep o s i t i v eo r 勰t i c 0 d e ，锄dm e r e l 砷e dp 姗e t e r sw h i c hc 锄e 仃e c tt h eq u a l i 妙o ft t i ep o s i t i v ep u l s es i g n a l sh 嬲b e e n d i s c u s s e d 血m ec h 印t e rt 1 1 r e eh lt l l ep a p 既 t h i i d l y ，e x p e r i m c l l t a ls t u d y f o rt h ew a v e l 朗g t l lc o n v e 璐i o nb a s e d o ns o a - x g m ，w e c 跚订e do u t4 0 g b i t sa l l o p t i c a lw a v e l g t l lc o n v e r s i o ne x p e r i m e n tc o n s i s t i n go ft w o p a r t s ：t l l ed i s c u s s i o no fv 撕o u sp a 姗e t e 体w m c ha a c c t 廿1 ee x t i n c t i o nr a t i oo fm e o u t p u to p t i c a ls i g n a l s ；u s i n gn 盯r o w - b 觚df i l t e rt 0 蛐p p r e s sn l ep a t t 锄e f i e c t e x p 谢m e n ti s 觚。也c ro n e w h n ef o rt h ew a v e l e i l g 也c o n v e r s i o nb a s e d o ns o a - x p m ， t w oe x p e r i m e n t sh a v eb e c 洲e do u t ，o n ei s4 0 g b i t 8w a v e l 钮g t hc o n v 懿i o no f p o s i t i v cy 甜d s 髓d t h eo t i l e ri sm u l t i - w a v e l g mc o n v e r s i o ne x p 咖e n t 1 yw o r d s ：s 锄i c o n d u c t o r0 p t i c a l 锄p l i f i e r ( s o a ) ，c r o s s - p h 弱em o d u l 撕o n ( x p m ) ，c r o s s - g a i l lm o d u l a t i o n ( x g m ) ，w a v e l 饥g t l lc o n v e n e “w c ) 第。章绪论 第一章绪论 光纤通信具有损耗低、容量大、体积小、重量轻、传输频带宽、抗电磁干扰、 不容易串音等诸多优点，故备受业内人士青睐，发展十分迅速。下面回顾光纤通 信技术的发展历史，概述光纤通信的发展现状并展望其发展趋势。 1 1 光纤通信的发展现状和趋势 1 9 6 6 年，美籍华人高锟( c k k a o ) 和霍克哈姆( c a h o c l ( h 锄) 发表论文，天才 地预见了低损耗的光纤能够用于通信，从而敲开了光纤通信的大门，引起了人们 的广泛重视。美国康宁公司于1 9 7 0 年首次研制成功损耗低达2 0 d b k m 的光纤， 开启了光纤通信时代。光纤通信是利用很高频率( 1 0 1 4 h z 数量级) 的光波作为信息 载体、以光纤作为传输媒介的通信方式。由于其自身诸多优点，从而得到了迅猛 发展。从1 9 8 0 年到2 0 0 0 年的短短十年时间，光纤通信系统传输容量增加了将近 一万倍。 自2 0 0 4 年至今，全球的互联网流量一直保持着持续高速增长，这种流量的 持续性增长，对通信网络的传输带宽和接入带宽的需求越来越高，进一步推动光 通信的发展。自2 0 0 6 年以来，全球光通信业能够再度崛起，背后的产业逻辑恰 在于此。 图( a ) 中为2 0 0 4 2 0 1 1 年，光通信市场规模图。从图中可以看出，中国光通 信业增长路径清晰，并且具有明显的阶段性特征。2 0 0 6 2 0 0 7 年，为恢复增长期； 2 0 0 8 2 0 0 9 年，为3 g 驱动期；2 0 1 0 2 0 1 3 年，为f t t h ( 光纤到户) 驱动期。 2 0 0 饵2 0 0 5 年2 0 0 晦2 0 0 t 冬2 0 罅2 0 0 9 解2 0 1 0 年f2 0 l i 霸 匡亟亟亟匝夏至 图1 12 0 0 4 2 0 1 1 年中国光通信f l j 场规模 矾矾懈慨镛咻；葺： m m 锄蚴孽珊珈瑚抛嘲仰o 第一章绪论 随着时代的推进，人们对通信的要求越来越高，希望随时随地能够享受到多 样化的、快捷的通信服务，在可预见的未来，光纤通信会继续深入发展，逐渐影 响和改变着人们的生活，光纤通信主要朝以下几个方向发展： ( 1 ) 光纤到户。光纤到户能够提供极大的带宽，是解决互联网主干网连接 到用户桌面“最后一公里”瓶颈现象的最佳方案。日本n t t 公司于1 9 9 7 年就开 始发展f t t h ，由于其成本降低，于2 0 0 0 年用户数量大增。2 0 0 2 年前后短短1 2 个月的时间里，美国的f t t h 安装数量增加了2 0 0 以上。在我们中国，f t t h 也是势在必行，f t t h 实验网已经在多个城市开展，我国f t t h 建设高潮也在2 0 1 0 年到来。可以说，f t t h 是光纤通信的一个亮点，随着技术的成熟和成本的降低， f t t h 的趋势是不可阻挡的。图1 2 是f t t h 市场规模图，从图中可以清楚看出， f t t h 市场规模的迅速扩张。 图1 2f t t h 市场规模发展趋势 ( 2 ) 全光网络。在全光网络中，所有信息始终用光信号进行传输与交换， 交换机根据波长来进行路由选择。全光网络带宽巨大、网络容量超大、处理速度 极高、误码率较低，而且它的网络结构简单、组网灵活，具有良好的透明性、兼 容性、开放性、可扩展性和可靠性。当然，全光网络的发展不能孤立进行，它要 与因特网、移动通信网、a t m 网相融合、齐头并进。目前，全光网络的发展还处 于初级阶段，但其良好的发展前景已初见端倪。从其发展趋势来看，形成一个以 光交换技术和w d m 【l 】技术为核心的光网络层，构建全光网络，突破电光瓶颈已 经成为光通信发展的必然趋势。 第一章绪论 1 2 波分复用( w d m ) 随着光纤通信深入发展，全光网络已经成为光通信发展的必然趋势，波分复 用( w d m ) 作为全光网络的核心技术之一【2 1 ，必然会发挥举足轻重的作用。波 分复用是指在单条光纤上同时传输多束不同波长光信号的技术。它能够大幅增加 电信运营商现有光纤基础设施的容量，充分利用光纤巨大的带宽资源，大大降低 成本，带来巨大的经济效益和社会效益。所以，近年来，w d m 的发展非常迅速。 光波分复用出色的技术特点如下【3 】： ( 1 ) 结构简单、可靠性高、体积小 ( 2 ) 大大提高光纤的频带利用率 之前的光纤通信，大多仅仅传输一个波长的光信号，只占据了光纤频谱带 宽中很窄的一小部分，对于光纤的传输巨大带宽，是一种资源浪费，w d m 的 使用能够大大提高频带的利用率。 ( 3 ) 降低了对器件速率要求 当信号传输速率增加时，对系统中光器件的响应度要求会随之而提高，而 器件的“电瓶颈”会对系统的信息传输速率造成限制。w d m 的使用很大程度 上对某些器件的性能要求降低了，同时满足了系统容量要求。 ( 4 ) 传送通道透明化 w d m 通道对所携带的信息格式是透明的，与信号速率及电调制方式无关， 因而它是一种理想的网络扩容手段。 ( 5 ) 能够灵活地进行光纤通信组网 采用、加m 技术后，光纤通信系统的网络结构可以在不改变光缆设施条件 下进行调整，所以在光纤通信组网设计中，具有很高的灵活性和很大的自由度， 对系统应用范围和功能进行扩展时，十分方便。 然而，w d m 技术也并非十全十美，它也存在瑕疵，比如，会引入插入损 耗和串光问题。但是w d m 技术的普及已是大势所趋，难以抵挡。 全光波长变换器是波分复用系统( w d m ) 的关键器件，它能够提高波分复 用系统( w d m ) 的灵活性和可扩充性，克服交换节点处因波长争用所造成的网 络阻塞问题，实现波长再利用，能够有效地进行路由选择，增强网络对故障的适 应能力。 第一章绪论 1 3 波长变换 1 3 1 波长转换技术的研究意义 波长转换技术能够把某一波长的输入光信号转换为另一个或者是同一波长 的输出光信号，是波分复用光网络的关键技术之一。 波长变换技术可以应用在很多地方。s d h 系统接入w d m 系统时，s d h 光 端机输出的光信号必须要进行波长变换，从而使光信号的波长、谱宽、单色性和 稳定性等达到密集波分复用系统的要求。光传送网中的波长路由交换也采用波长 转换技术，通过对波长进行再利用，可以扩大网络容量、提高组网灵活性。e d f a 级联的系统不可避免地存在着噪声积累，噪声积累到某种程度时，可以通过波长 转换技术，使得叠加了噪声的输出信号经过门限电路判决，从而去掉噪声。然后 由激光器重新发射，使信号的增益不至于减小、后接的光放大器也不至于饱和。 在、d m 网络中，波长是最重要的资源，波长数目决定了通道的数量，在光 纤的1 5 5 u m 窗口处，这个数目很大，但受诸多因素限制，可用的波长数目依然 有限，波长数目的短缺难以支撑大量节点的应用。并且，由于以下几个因素的限 制，导致可用波长的数目进一步减少： ( 1 ) 由于非线性效应以及串扰的存在、因温度的变化或者老化而引起的激 光器的波长漂移现象，以及光滤波器有限的分辨率带宽，使得系统中 的光波波长间隔不能太小； ( 2 ) e d f a 增益带宽有限，限制了系统的可用波长数； ( 3 ) 对于由很多节点组成的网络，波长数目可能大大少于节点数目和用户 数目。 由于上述几点原因，出现波长碰撞和网络阻塞的机率会增大，下面我们对全 光波长变换网络中出现阻塞的情况予以简单说明。 图1 3 全光波长路由网络 4 第一章绪论 在电路交换网中，只有当该级别的链路容量全部被占用的情况下，阻塞才会 发生，而全光网络中采用的是波长路由，这种情况下，阻塞的发生条件完全不同 于前者。图1 3 是波长路由网络，它有5 个终端( a e ) 和两个交叉连接节点( s l 、 s 2 ) ，如果两个节点要建立全光连接，比如，节点a 到节点c ，在没有波长变换 器( w c ) 的情况下，这条光路上的所有连接都要使用同一个波长，也就是所谓 “波长连续性限制”。 波长连续性限制会降低信道资源利用率，容易造成网络阻塞和波长冲突。如 图1 4 所示。网络中已建立了两个光通道，分别是使用元波长的节点l 、2 通道 和使用厶波长的节点2 、3 通道，如果想要建立节点l 到节点3 的光通道，就算 节点1 到节点3 的每个链路都有空闲波长，建立过程也未必成功，这是因为，两 个链路的可用波长不相同。所以，波长路由系统比电路交换网络更容易遭受大的 e 且塞。 节点l 节点2节点3 图1 4 ( a ) 未使用w c 的情况 图1 4 ( b ) 使用w c 的情况 图1 _ 4 波长连续性限制 若在中间节点处加入波长变换器( w c ) ，对光网络是极为有利的，能够极大 降低阻塞率。正如图1 3 ( b ) 所示，节点l 到节点2 使用波长五，节点2 处的w c 进行波长变换，把波长从五变换到 上，节点2 到节点3 之间使用丑波长，则节 点l 和节点3 之间的光通路就顺利建立起来了。 波长转换技术将成为光网络节点的一个基本功能，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 是对于大容量、多节点的网状网，采用波长变换技术可以大大降低网络阻塞率。 所以，将波长转换技术作为一项研究课题有着非同寻常的意义。 1 3 2 波长转换技术的种类和研究现状 目前，波长转换技术可以分成两大类型：o e o 波长转换和全光波长转换。 o e o 波长转换已经投入使用，但它所存在的“电瓶颈 问题限制着系统整体速 率提高，全光波长变换技术目前处于起步阶段，是未来波长变换的主流趋势。 理想的波长转换器应具备如下特点【4 1 ： 第一章绪论 透明性，与光信号的调制格式、速率无关； 对输入光信号的功率没有严格的要求，偏振敏感度低； 转换速率较高( 1 0 g b 训s 或更高) ； 光信噪比和消光比较低，接近零； 波长转换范围宽，可以向长波长或者短波长转换； 波长转换系统结构简单、工作稳定、价格合理。 但是，没有一种类型的波长转换系统能够具备全部特点，使用者要根据需要， 选择合适的波长转换系统。 1 3 2 1o e o 型波长转换 o e o 型波长转换器进行波长转换过程如下：在光网络中，当某一波长的光 信号需要进行波长转换时，首先采用光电检测器接受此光信号，完成光电( q e ) 转换；接着，把该信号调制到所需波长的激光器上，发射出去，完成电光( e o ) 转换，这就是o e o 型波长转换器的波长转换过程【5 】。 o e o 波长转换的实现方法有两种：直接调制法( 见图1 5 ( a ) ) 和外调 制法( 见图1 5m ) ) 。要根据具体场合进行选择，对于距离短、速率低的应用， 直接调制法最为经济、实用f 6 】川。 兰竺：兰全- 三三三三 _ 二三三三二) 咽垄笪星挚岑 ( a ) 直接调制法 入 放大器 ( b ) 外调制法 图1 5 光电光波长转换器 6 第一章绪论 o e o 型波长转换器的优点是： ( 1 ) 输入信号动态范围大； ( 2 ) 可以改善消光比和信噪比，消除噪声和色散的积累； ( 3 ) 对偏振不敏感； ( 4 ) 已经实用化，是目前唯一一种已经投入实际应用的波长变换器。 但它也具有明显的缺点： ( 1 ) 需要进行光电和电光转换，限制了转换速度； ( 2 ) 对比特率不透明，意思是说，由于光中继器只为单一的比特率而设计， 所以一个o e o 型波长变换器只针对特定的比特率，如果系统中使用新的传输速 率，必须更换设备，否则性能会大大降低； ( 3 ) 每一个信道都需要一个光探测器和光发射器，与全光波长转换相比，成 本较高。 基于o e o 型波长转换器有诸多缺点，近年来，全光波长转换技术成为研究 的热点，实现全光波长变换的方法有很多种，下面我们介绍几种较常用的方法。 1 3 2 2 全光波长转换的种类和研究概况 全光波长转换是指不经过o e 转换，不涉及电域，在光域内把某一波长( 频 率) 的光信号转换到所需的波长( 频率) 上。全光波长转换的实现是基于光的非 线性效应。主要有三种类型：基于光调制原理的波长转换、基于光混频原理的波 长转换、光纤光栅外腔波长转换。能用于全光波长转换( a o w c ) 的器件有：s o a 、 注入锁定y 型激光器、饱和吸收双稳态激光器、分布式布拉格反射( d b r ) 激光 器、基于光波混频的铌酸锂( l i n b 0 3 ) 波导或铝镓砷波导、光纤光栅和非线性 光纤环境等。其中，s o a 以其自身诸多优点，受到研究者青睐。 下面先重点介绍几种基于s o a 的波长变换方法，然后对其他类型的波长变 换方法予以简单介绍。 基于s o a 中的交叉增益调制( x g m ) 、交叉相位调制( x p m ) 和四波混频 ( f w m ) 效应来进行波长变换的方法最为常用。前两种都是基于脉冲光信号( 又 叫“控制光”或者“泵浦光”) 和连续光( 探测光) 信号的交叉调制效应，把输 入信号所携带的信息“转移”到另一个波长上再输出；删有新的频率产生， 输入信号的信息转移到了新产生频率的光波上。 1 基于交叉增益调制( x g m ) 的波长变换 在交叉增益调制中，s o a 工作于饱和状态，输入s o a 的有两路信号，分别是： 强度调制的控制光和连续光。其中，控制光光强对s o a 饱和区增益进行调制，即： 光强变大时，增益减小：光强减小时，增益变大：s o a 增益的变化会导致输出的 第一章绪论 连续光强度发生变化，这就把控制光的强度信息“转移”到了连续光上。由于利 用增益饱和效应，因此，输出的码型与原控制信号码型是反向的【8 】- 【1 6 】。 x g m 型波长变换器实现简单，是目前研究最为广泛的全光波长变换技术。 但是，它也存在着很多不足。x g m 型波长变换器的消光比恶化比较严重，即使 输入控制光的消光比为无穷大，输出变换光的消光比也是有限的。消光比的恶化 会导致系统信噪比下降、误码率变大，严重影响着系统的性能。尤其是x g m 型 波长变换器级联使用时，消光比的恶化现象更为严重。此外，理想波长变换器在 进行上变换( 从短波长向长波长变换) 和下变换( 从长波长向短波长变换) 时性 能应该相差无几，输出光波的幅度应该基本相同。但是，x g m 型波长变换器在 上变换时，消光比较之下变换严重退化。这会产生很不利的后果，比如，在拥有 多个波长变换器的光交叉节点( o x c ) 处，因为上、下变换输出信号的功率相差 较大，便增加了网络中功率均衡的压力，而且对级联工作也是很不利的。由于这 个原因，限制了x g m 型波长变换器的应用。 x g m 型波长变换器的另一个缺点是，在系统中引入了噪声和啁啾，从而导 致信噪比降低。s o a 内存在着大小约为5 8 d b 的自发辐射背景噪声。通常情况 下，x g m 型波长变换方法的效率比增益要低，但是，变换过程中引入的噪声指 数甚至比s o a 内部噪声指数还要高。另外，s o a 有源区载流子浓度变化会导致 折射率发生改变，引起信号相位变化，导致频率改变，形成啁啾，该啁啾是正啁 啾( 蓝头红尾) ，在普通单模光纤中传输时，信号会展宽，这对信号在色散光纤 中传输是很不利的。 虽然，s o a x g m 型波长变换器有很多不足之处，但是它的波长转换方式比 较简单，具有转换效率高、波长变换范围宽、工作速率高、输出信号功率较大等 优点。 2 基于交叉相位调制( x p m ) 的波长变换 应用交叉相位调制( x p m ) 进行波长变换是基于s o a 有源区折射率随着载 流子浓度变化而变化的原理。强度调制的控制光进入s o a 中，会对有源区载流子 浓度进行调制，同时s o a 的折射率也会受到相应调制，进而调制同时注入到s o a 中的连续光的相位，相位的变化引起频率改变，这就产生了啁啾。经过相位调制 后的连续光可以通过解调得到强度信息，也可以将s o a 置于干涉仪中，这样就可 以直接输出强度调制的光波。但是这种方法也存在问题，比如，光干涉仪结构比 较复杂，运行不够稳定等【1 7 】。【2 0 1 。 交叉相位调制的常用结构有：马赫一曾德尔干涉仪( m z i ，m a c h z e l l l l d e r i i l t e 珊e t o r ) 、带s o a 的光纤非线性环型镜吖o l m ) 和麦克尔逊干涉仪( m i ) 等。其 中最常用的方式为马赫一曾德尔干涉仪结构和麦克尔逊干涉仪两种。下面通过 第一章绪论 m z i 结构( 图1 6 ) 和m i ( 网1 7 ) 结构对s o a x p m 型波长变换器的原理进行 说明。 五。 五 图1 6m a c h z e h n d e r 结构波长转换器 趔丑 i _ 一o 。 塑卫五 如图1 6 ( a ) 所示，在m z i 的两臂上放置两个s o a ，入射光丑分成两束功率 不相等的光进入s o a ，功率的不等会导致两个s o a 的折射率不同，从而对入射 的c w 光进行了不同程度的相位调制，当两束光的相位满足一定条件时，会在 s o a 输出端产生干涉叠加，形成稳定的干涉光，信号光允。携带的信息就转移到 了无上，从而实现了波长变换。 图1 6 ( b ) 中，两个s o a 的结构是对称的，控制光丑只输入到其中一个s o a 中，另一个s o a 中无控制光注入，所以，会导致两个s o a 折射率不同，连续光 进入s o a 中传输会引起相位差，符合一定条件时，就会在输出端发生干涉。两 种m z i 结构的原理是一致的，都是利用相位差，引起干涉现象，形成干涉光， 实现波长变换。 且盟乃 弘 图1 7m i 结构的波长转换器 m i 结构如图1 7 所示，两个s o a 均为一端镀上增透膜，另一端反射较大， 反射系数为o 3 6 。探测光从镀有增透膜的一端注入s o a ，控制光从其中一个s o a 的反射较大的一端注入。原理为：只有个s o a 有控制光注入，故两个s o a 的 折射率不同，导致两路探测光的相位差。探测光在探测光的输入端产生干涉现象， 第一章绪论 实现波长变换。 善 董 堇 芑 差 詈 暑 图1 8 ，m 波长转换器传输曲线 x p m 型波长转换器的典型传输曲线如图1 8 所示，由图中可以看出：曲线 比较陡峭、斜率较大，意味着，输入光功率很小的变化，可以引起输出光功率较 大的变化；波长转换效率高、消光比高而且啁啾比较小。从曲线也可以看出， ，m 可以分为两种工作模式，反转模式和非反转模式，具体讨论将在第二章展 开。 x p m 型波长变换器具有诸多优点：变换输出信号的消光比高、可以实现正 码和反码的输出、对输入光信号的功率要求低、输出光波的啁啾小，有利于信号 在普通单模光纤中传输：输出光波的谱宽窄。能够使信号在非色散位移( n d s ) 光纤中传输更长的距离；可以进行同波长变换；但是，它也有以下不足：输入信 号功率动态范围较小、封装有一定难度；s o a 的自发辐射噪声比较大、载流子 的恢复时间限制了其转换效率。 3 基于四波混频( f 、7 卟嗄) 的波长变换 同一介质里有多个波传输时，由于介质的非线性作用，会发生混频现象。混 频即为不同波长的波之间相互作用。混频的结果是产生新的波，经混频产生的新 波的强度、频率和相位都与混频的波有密切关系。其中，新波的强度与混频波的 强度成正比，新波的相位和频率与混频波的相位和频率呈线性关系。因此，新产 生的波就携带了相互作用的混频波的强度、相位和频率信息，是唯一一种可以实 现严格透明波长变换的方式，另外，它也是唯一可以同时实现一组波长变换到另 一组波长上的波长变换方式。而且。速率很高，可以超过1 0 0 g b i 洮，基于混频 方式的波长变换有四波混频、差频等，其中，利用四波混频进行波长变换是研究 的热点【2 l 】【2 2 】【2 3 1 。 1 0 第一章绪论 四波混频( f w m ) 是由于介质中的三阶非线性作用而产生的，介质包括光 纤或者是半导体激光放大器s o a ，二者都可以达到很高的变换速率，但是，从 效率和尺寸方面来考虑，基于s o a 的波长变换器更胜一筹。基于f w m 效应的 波长变换器已经得到了广泛研究，因为它能够实现完全透明的波长转换，适用于 调频、调幅、调相各种调制格式，突破了基于交叉增益调制( x g m ) 和交叉相 位调制( x p m ) 的仅适用于强度调制的缺陷。这个特点带来的另外一个好处是， 可以同时将一组输入波长同时转换到另一组输出波长上，提高了波长转换的效 率。 s o a 中的四波混频效应与光场作用下束缚电子的非线性响应有关，也就是， 光波产生的作用场与介质极化的关系是非线性的，存在非线性项，它的大小是由 非线性电极化率决定的，对应的是三阶非线性电极化率x ( 3 ) 。s o a 中的三阶电极 化率x ( 3 ) 受以下三种机理的影响：载流子加热( c h ，c a r t i e rh e a t i l l g ) 、载流子浓 度脉动( c d p ，c a 玎i e rd e n s i t yp u l s a t i o n ) 、及光谱烧孔( s h b ，s p e c 仃a 1 h o l e b 嘶n g ) 。 c h ：有源区载流子受激辐射时，能带边缘载流子的数目会减少，由于能带 边缘载流子的温度比载流子平均温度低，所以，剩下的载流子平均温 度上升。这就破坏了费米热平衡，导致费米热能级升高，引起光增益 下降。 c d p ：泵浦光与信号光之间的拍频为q ，它会调制载流子浓度，使得载流子 浓度以频率q 进行谐振，这种现象称为载流子浓度脉动。 s h b ：有源区载流子受激辐射引起能带中载流子数目局部减少，使得整个载 流子的分布平衡被打破，背离费米能级，光增益下降。其他能级的导 带电子向这一能级迁跃对增益进行补偿，这种现象称作光谱烧孔。 基于s o a 中的f w m 效应进行波长变换的原理如下：输入s o a 的是两路信 号，一路是功率很大的连续光，又称作泵浦光，频率为，另一路为信号光， 频率为铂。当这两束光同时进入s o a ，会对s o a 载流子的浓度进行调制，形成 载流子光栅，载流子光栅与光强分布有关。然后，由于s o a 的三阶非线性作用， 满足相位匹配条件时，就会发生四波混频，生成新的光波，频率为的泵浦光 经过散射后形成频率为鸱( 锡= + q ) 的转换光，频率为铂的信号光经过散 射后形成频率为纰( 致= 一2 q ) 的伴随光( 又称作闲频光) 。信号光、转换 光、伴随光之间的频率关系如图1 9 所示。信号光的信息包含在新产生的频率分 量中，通过带通滤波器滤波得到转换光信号，就实现了波长变换。 第一章绪论 泵浦光 s e 纳魄炳鳓 频率 图1 9s o a f w m 各光场频谱图 利用f w m 效应进行波长变换也有不足之处，它的变换效率很低，所以要求 输入的泵浦光的功率较高。基于转换效率很低，故对于信噪比要给以足够重视。 尤其是将几个这种类型的波长变换器级联使用的情况下。实验证明，如果采用腔 长很长的s o a ，转换效率可以接近o d b ，这个结论使得基于f w m 效应的波长变 换器很有吸引力。 它的另一不足是：变换输出的光波波长与信号光和泵浦光波长都有关。这就 导致即使输出变换光的波长固定，也要求泵浦光源波长可调。另外，f w m 型波 长变换器对偏振十分敏感，所以一般情况下，需要两个垂直偏振的泵浦光源来保 证进行波长变换时与偏振无关。 由于f w m 型波长变换器的泵浦光源设计比较复杂，一般应用于速率超过 1 0 0 g b i t s 的超高速波长变换。此外，f w m 型变换器还可以应用于中间谱反转， 用来进行色散补偿。和硎型波长变换器相比较，用于中间谱反转时的系统设 计比较简单，因为泵浦光源的波长可以是固定的，采用这种方法可以极大地提高 信号传输距离。 下面我们对基于s o a 非线性效应的波长转换器的性能从以下几个角度进行 分析【2 4 】： 透明性。x g m 和x p m 型波长转换器对信号的调制格式不透明，输出变 换光只能为幅度调制：f w m 型波长转换器具有透明性，可以对信号进 行调幅、调频或调相。 信噪比。一般情况下，s o a 本身引入的噪声是5 8 d b ；而在基于s o a 的波长转换系统中，一般都会使用e d f a 对信号光或者泵浦光进行放大， 这样会导致系统的信噪比进一步恶化。 消光比。x g m 型波长转换器的消光比是不对称的，上变换时的消光比 要比下变换时差很多；其他两种类型则是对称的。 1 2 第一章绪论 啁啾。x g m 型引入的啁啾较大；x p m 型引入较小的啁啾：f w m 型引 入的啁啾相反。 色散补偿。由于f w m 型波长变换器引入相反啁啾，所以可以实现频谱 反转，用来实现色散补偿；而x g m 与x p m 型不能实现色散补偿。 以上，我们对基于s o a 的x g m 、x p m 、f w m 效应的波长变换原理、优缺 点进行了详细阐述，下面对其他类型的波长变换方法予以简单介绍。 1 基于差频方式的波长变换 差频方式是利用差频( d f g ，d i f 】f 盱髓c ef i i e q u 髓c yg 锄e r a t i o n ) 原理来进行 波长变换的方式，信号光与连续光同时输入到差频转换器( d f g ) ，常用作d f g 的有l j n b 0 3 和砧g a a s ，它们是具有二阶非线性效应的光媒介，在二阶非线性效 应的作用下，信号光与连续光产生各种差频信号与和频信号，当满足一定的相位 匹配条件时，输出端只有差频信号( ) 产生，从而完成了全光波长变换【2 5 1 。 图1 1 0 基于差频效应的全光波长变换 2 基于光的交叉吸收调制效应的波长变换 基于光的交叉吸收调制效应进行波长变换的方案示意图如图1 1 1 所示，有 两束光进入电吸收调制器( e a m ) ，信号光强度的变化会导致e j 蝴中光生载流 子的饱和吸收发生变化，饱和吸收的变化会对连续光进行调制，从而完成了波长 变换。 信号光。信号光。 电吸收调制器 二t ：厶毒业f亦捣雌 图1 1l 基于交叉吸收调制效应的波长变换 3 基于非线性光学环镜的波长变换技术 第一章绪论 图1 1 2 基于非线性光学环镜的波长变换 非线性光学环镜【2 6 】实质上是指s a g n 干涉仪，它由光纤和非线性介质组成， 它能起到非线性开关的作用，在时分复用和解复用的波长变换中得到了广泛应 用。图1 1 2 中的s a g n a c 干涉仪的由光纤环、s o a 和3 d b 耦合器组成。3 d b 耦合器 将输入的连续光信号允平均分成两路信号，分别沿着光纤环顺时针和逆时针传 输，当s o a 中没有产生非线性效应时，两路连续光信号传输的光程是对称的，输 出端没有光波输出。若控制光脉冲丑注入到光纤中，它的强度变化会调制s o a 的载流子浓度和折射率，导致两路反向传输的连续光传输的光程不同，对称性被 破坏，输出端有光波输出，而且，输出光波功率会随着输入控制光信号功率变化， 这就实现了波长变换。 4 基于非线性偏振旋转的波长变换技术 非线性偏振旋转效应又称作“交叉偏振调制”，是利用s o a 的双折射效应进 行波长变换的一种技术。光波沿s o a 波导方向传输时，不同偏振态的光波( t e 和t m 模) 之间有较小的折射率差，但这个很小的折射率差会引起很强的双折射 效应。经试验研究表明：双折射效应与入射光的强度和偏振态密切相关。根据这 个性质，通过控制入射光的强度和偏振态可以调节双折射效应，从而对输出光波 的强度和偏振态进行控制，然后，通过检偏器检偏后，完成波长变换。目前，已 经有了基于该技术的l o g b s 波长变换的实验报道【2 7 】。【。 1 4 多波长变换 在上文中，我们对基于s o a 的单波长变换技术进行了分析，而基于s o a 的 多波长变换技术( m w c ) 更具有实用价值，m w c 是在同一个结构中输出多个 波长的波长变换技术。和传统的单波长波长变换相比，多波长波长变换系统中的 输入光波为一路信号光和多路连续光，这些连续光是由波长不同的激光器发出 四婴 s c x 第一章绪论 的。这种方法结构简单、容易实现。 多波长变换器将信号复制与波长变换功能集成到一起，是近年来研究热点。 它由两部分组成：分路器和波长变换器。分路器将输入信号进行分路，波长变换 器对它们进行波长变换，实现将输入光波携带的信息同时“复制”到几路输出光 波上，从而将一个信道上的信息转移到另外几个信道进行传输，输出光波的波长 与输入光波波长可以相同或者不同。m w c 具有诸多优点，比如信道利用率高， 可以灵活解决信道冲突等。目前对多波长变换器的研究是用它来构建可以实现多 播功能的核心节点结构。 多波长变换技术( m w c ) 的主要应用是实现光组播，组播( m u l t i c a s t ) 是 指一点对多点的信息传递方式，发送者可以自行选择将信息发送给哪些节点，它 能够大大减少网络负载，而且可以明显减轻服务器载荷。和传统的单点传输方式 和广播方式相比，组播方式的优点突出：更经济、更有效、带宽低、功率小、网 络规模合适、而且随着节点数的增加不会导致网络的拥挤。 m w c 技术除了能够有效实现光组播之外，还能够实现波长路由及光分组交换 等等。下面对一种具有多播功能的模块m 、c m s d ( m u l t i p l ew a v e l g t hc o n v 鲥e r b 船e do nm u l t i c a s t i n gs p a c ed i v i s i o n ) 进行简单介绍，一方面对m w c 进行深入分 析，另一方面，进一步了解m w c 的应用。 图1 1 3 为m s d 模块结构，m s d 由三部分组成：分路器、s o a 选通门、合路器。 在s o a 选通门的控制下，信号可以实现任意输入端到任意输出端的传输，所以， 该模块能够进行多播交换，具有严格无阻塞能力。鉴于结构是空分交换模块，所 以称作m u l t i c a s t i n gs p a c ed i v i s i o n ，简称m s d 。但是该模块存在着不足，在输入 端1 到n 的输入信号都使用同一波长进行信号传输时，每个输出端只能接受一个 信号，这就使得交换延时增加，节点性能降低，最终导致网络吞吐量下降。 ，一吧 三酗搬1 = 0 铺叠飘w 油 图1 1 3 为m s d 模块结构 第一章绪论 我们使用多波长变换器( m w c ) 来替代m s d 中的分路器来解决这个问题，替 代后的新模块结构如图1 1 3 所示，称作m w c m s d ，它由m w c 、s o a g a t e 和 c o m b i l l e r 组成。 由图1 1 4 可以看出，输入该模块的信号，进入输入端i ( 1 s 酬) 后，被复制 成q 份，在q 个不同信道上进行传输。这种结构可以完成将信号传输到任意输出端 的功能。所以，能够实现多播，并且具有严格无阻塞性能。与m s d 模块相比， 黼m s d 模块对信道利用率更高、网络吞吐量更大。 i 2 1 5 本文的主要工作 l ：矿 ：i 皿吖嗣俐甜蜀r _ 鼬， 图1 1 4 新模块结构 2 本论文主要研究基于s o a 的x g m 和x p m 效应的波长变换。第一章对波长 变换的研究意义、国内外研究现状及多波长变换技术进行了阐述；第二章对基于 s o a 的x g m 和x p m 效应的波长变换方法展开理论分析，首先对于s o a 的特 性进行了理论研究，包括：s o a 的载流子速率方程、s o a 的增益特性、s o a 的 噪声特性及s o a 的偏振灵敏性