（电磁场与微波技术专业论文）基于soa和sld的全光波长转换器的理论与实验研究.pdf

基予s o a 和s l d 鑫冬全光波长转换器的理论与实验研究 摘要 波分复用( w d m ) 和密集波分复用( d w d m ) 技术的实用化，光 俺送丽( o t n ) 的深刻变革在光逯信发震史上可谭波澜壮阔。它们箍 动并促成了高速大容量的w d m 全光网应运而生。而全光波长转 换器( a o w c ) 作为实现全光瓣关键器件之一，霹有效解决光交叉连 接时的波长阻塞和波长竞争问题，使w d m 光网络具有灵活性、 爵扩性秘鸯愈牲。 本论文主要开展基于半导体光放大器( s o a ) 交叉增益调制 ( x g m ) 瞧渡长转换嚣耱基予半导体激光器( s l d ) 增益锪和效应的 波长转换器的理论与实验研究。之所以进行二者研究是因为它们 其毒类陡性，霹物理本屡都是基于均匀熬宽分矮魄增益瞧霹效应。 论文工作主要分为三个部分： 第一部分，综合分辑了篓于s o a 。x g m 蛉波长转换器眨特蛙， 然后建立了该类型波长转换器的理论模型，并进行了计算机仿真 计算，重点讨论了影嗡波长转换爨的消光篦、频率啜啾特性魄因 索，以期对该类型全光波长转换器的优化设计提供参考。数值分 析结果表明，瀵光比襄频率啁啾作为一对矛盾影嚷波长转换器的 性能，无论光功率、波长间隔还是偏置电流，这些参数的选取都 露要对消光比謇霹啁啵进行平衡考惑。 第二部分，重点研究了基于s l d 增益饱和效应的波长转换技 术，从激光模式互藕合效廒出发，首次提出了一神适用于注入调 制半导体激光器型全光波长转换器的理论模型；进行了模型的稳 定性分析，褥到了参数变化对模型产生影响的煅律性；进行了模 型的数值仿真计算，考虑到实际系统中调制光信号可能出现的一 些情况，给出了分别采用前向和殷向镙泼波、方波、三角波、毫 簸光脉；串注入谖瀚情况下模型响应鲍数德解；探巍了模互耦合系 数对激光谮攮模输逡熬影镌。诗纂结巢表黉，该搽波长转换器对 外部注入信号其裔极好酩线性响应特饿，从谣在瓒论上证实了所 提模型的实用性。 第三蘩分，剥鼹先纾竞瓣箦霾半警髂激竞器( f b o - z c l ) 增益键 和效应的波长转换器具有如下优点；( 1 ) 光纤光栅的选模特性确保 输出光波长稳定可靠，附鸯鬻啁嗽缀枣；( 2 ) 剃用光纤光橱的波长可 调谐性来动态改变激光器发射波长，i e 常容易实现一对多的波长 转换。萋予就，我秘搭建了一套巅嚣光纤毙撩辨腔半导体激光器 ( f b g 。e c l ) 实现全光波长转换的实验系统：对f b g e c l 的工作特 性进行了深入的理论探讨和魄较全瑟懿实验礤究，具体包稔：献 壤藕合霪论爨发，攘导窭了光纤巍褥反龛雩攀的鼹拆鼹；利溪激光 器速骥方程缝，讨论tf b g - e c l 熬篱频嫡应褥溲；壤据等效麓模 型，研究了功率耦合系数对f b g 。e c l 阀值特性的影响；实验测得 了不趟f b g 及封率情鼹下激光器的激射光谱。借助这一系统，在 2 0 m b i t s 的方波信譬调制下迸孪亍了波长转换实验，得璜了魄较理 想魄转换结暴，并对实验结果进行了分毒蜃讨论。 关键谲：全光波长转换器半导臻光羧大器 半导藩激巍器 增益饱和效应光纤光栅 t h e o r e t i c a la n de x p e i u m 匣n t a i ，r e s e a r c h 0 na l l 一0 p t i c a l 、厂e l e n g t hc o n v e r t e r b a s e do ns o aa n ds l d a b s t r a c t n o w a d a y sw i d e l y u s eo fw d ma n dd w d m ，t o g e t h e rw i t h d e e p l ye v o l u t i o n o fo t n ( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k s ) h a v eb e c o m eg l o r i o u sa n de x c i t i n gd u r i n g t h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s p r e s e n t l y , t h ew d ma o n ( a l l o p t i c a ln e t w o r k s ) c h a r a c t e r i s t i co f b o t hh i 曲s p e e da n dl a r g ec a p a c i t yi sf o c u s e d o n ，o f w h i c ha o w c ( 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 ) i se x p e c t e dt ob eo n ek e y c o m p o n e n t ，d u et oi t sc a p a b i l i t yo fe f f i c i e n t l ys o l v i n gt h ep r o b l e mo fw a v e l e n g t h b l o c ka n dc o m p e t i t i o nw h e n o p t i cs i g n a l sa r ec r o s s c o n n e c t e d ，t h u sm a k i n gw d m n e t w o r k sf l e x i b l e ，s c a l a b l ea n ds e l f - h e a i i n g t h i sp a p e rw i l lm a i n l ye x a m i n ea o w c sb a s e do ns o a - x g m ( s 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 s c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ) a n ds l d ( s e m i c o n d u c t o rl a s e r d i o d e s ) g a i ns a t u r a t i o ne f f e c t s i n c et h e i re s s e n t i a lf u n d a m e n t a l sb o t ha r eg a i n s a t u r a t i o no f h o m o g e n e o u s l yb r o a d e n e dm a t e r i a l ，a c c o r d i n g l yc o m p a r i o no f t h e i r p e r f o r m a n c ei su n d e r g o n ee a s i l y i na l l ，t h ew h o l er e s e a r c hw o r kc a nb ed i v i d e d i n t ot h r e ep a r t s ： f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a v e l e n g t hc o n v e r t e rb a s e do ns o a x g m a r e g e n e r a l l ya n a l i z e d ，a l s o t h e o r e t i c a lr e s e a r c hi s a c c o m p l i s h e db y m e a n so f n u m e r i c a lv a l u ec a l c u l a t i o ni no r d e rt oo b t a i nr e f e r e n c ed a t af o rt h i sa o w c s b e t t e rr e g u l a t i o na n d d e s i g n s e c o n d l y , t h ea o w ct e c h n i q u eu t i l i z i n g s l dg a i ns a t u r a t i o ne f f e c ti s e m p h a s i z e d o n b a s e do n m u t u a i l yc o u p l i n g e f f e c tb e t w e e nt w om o d e s ，a t h e o r e t i c a lm o d e li sp u tf o r w a r ds u i t a b l ef o ra o w cw i t hs l dm o d u l a t e d b yi n p u t s i g n a l a n dd y n a m i cs t a b i l i t yo ft h em o d e l ，i n c l u d i n gt h ee f f e c to fa d j u s t a b l e p a r a m e t e r so ni t i s a n a l y z e da s as e q u e n c e t h e n r e s u l t so fn u m e r i c a lv a l u e s o l u t i o nt ot h em o d e la l eg i v e no u tw h e ne x t e r n a ll i g h ti nv a r i o u sw a v e f o r m ，s u c h a ss a w t o o t h ，r e c t a n g l e ，t r i a n g l ea n dg u a s s i a n ，i si n j e c t e di nt h es l d c o n c l u d e d l y , o u ra n a l y s i sh a sp r o v e dt h a tt h i sk i n do fc o n v e r t e rp e r f o r m sg o o dl i n e a rr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h et h e o r e t i c a lm o d e lw e p r o p o s e d i sc o r r e c ta n du s e f u l t h i r d l y , w es e tu pa ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt h ea o w c s c h e m eb a s e d0 1 2 f b g e c l ( f i b e rb r a g gg r a t i n ge x t e r n a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e r s ) ，w h i c h h a sf o l l o w i n gm e r i t s ：( ) t h em o d e - s e l e c t e dc h a r a c t e ro ff b ge 强e n s u r eo u t p u t o p t i cw a v e l e n g t hs t a b l ea n da d d i t i o n a l 抒e q u e n c yc h i r p0 ni tv e r yl i t t l e ；( 2 ) t h e w a v e l e n g t ht u n a b i l 晦o ff b gm a yb eu s e dt od y n a m i c a l l ya d j 璐tl a s e r s e m i t t i n g w a v e l e n g t h ，t h a tw i l lm a k e 1 - t o - xw a v e l e n g t hc o n v e r s i o np o s s i b l e s e q u a n t l y ， h i g hf r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c ，t h r e s h o l dc h a r a c t e r i s t i c ，a n de m i t t i n gl a s e r s p e c t r u m o ff b g e c la r ed i s c u s s e di nd e t a i l st h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y i n t h ee n d ，t h ew a v e l e n g t hc o n v e r t i n ge x p e r i m e n to n2 0 m b i t sr e c t a n g l es i g n a li s d o n ea n d g o o d r e s u l t sa r eg i v e no u t 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 hc o n v e r n m r , 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 s ，s e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，g a i n s a t u r a t i o ne f f e c t , f i b e r b r a g gg r a t i n g 独创性i 或创新性) 声明 五人声明所三交的论文是盘入匹导师指导弋进行的研冤二：乍夏驭粤言勺研窆 或果：搴我所知，除了文= 特别加以标= ：! 主和致谢串所罗列的网銮以 7 卜_ 芑z = 不 鱼含其弛人三盏发表或撰写适豹研究成果，翌不黾含为获售北京那是兀掌或冥_ ：岂 敦育饥询的掌立或证之而噎罨造西砑斟，亏我一蜀二乍笺同意对蕊研置并。敦药薹 可贡就均三三论灭手c 隹了：目确弱说理著表示：射惹： 毒看掌立j 乏z 与资鼓若丐不实之处j 忑，季担一切镬关责t 三 平人签名：量盔2 丑：!巨魏： 墨! ! 生! ：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京日g 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j 立期间论文工作的知识产权单位属北京那芎大学。学饺有权噪 留并同国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学泣论文被至阅翮詹 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采司影印、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j 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适胃本授权书。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。 本人签名：昊盘! 丑! 日期：纽允i ：! j = 导师签名日期：卅；， 第一章绪论 过去的一百年，人类创造了很多认识自然改造彝然的伟大成果，其中电傣技 术的发展特别是在2 0 世纪的后几十年尤为引入注目。信息技术是当今世界应用 范围簸广、产生效盏矮蔫、懿浸最为广阚的秘学技术，成为2 l 世纪熬世赛第一 大产业已经勿庸置疑，而作为信息技术支柱之一的光纤通信技术的地位空前提 赢，蕤令光邋信领域是现基蓬羲发震静态势。 d w d m 系统的墩初成功令人振裔，但很快人们又在考虑如何挖掘出d w d m 更大的潜力，为此撮多公司和实验室提出了全光 n ( a o n ) 的概念。传输角度看， 未来的高速通信网将是光传邀n ( o t n ) e 。”。它具有趣大容爨，可消除电节点设 备的瓶颈，网络很容易扩展：它透明性好，允许混合不同体制、格式和速率的信 号，器孬量蠢鹣络还栽够实魏捩速滚笺，滚笺时淹毙滚露浃2 4 个数藿缓。0 n 已成为光通倍领域继s d h 后又一次新的发展高潮。 光传送溺的深剡变革对传统的光传送节点也捷国了撬战，未来巍传送节点将 成为多业务融合节点，光分攒复用嚣( o a d m ) 、光交叉连接( o x c ) j a 全光波长转 换器( a o w c ) 将相继驻上光通信的舞台。本章首先简单介绍光通信技术进展状 况；然后阐述光传送网中o a d m 、o x c 、帮a o w c 的撅念；接下来，重点对器 前诸多全光波长转换方案做一概述：最后说明本论文的内容和行文焱排。 1 1 光通信技术进展状况 微电子技术、光电子技术和计算机技术的飞速发展，为光通信技术的发展创 造了游霉好懿条 孛。蕊载滋寒，光遴售技术黪进震圭要集串在意速、太容量方嚣 和宽带、综含、低成本接入方面。 炎纾方帮，毫经研隶l 毫全渡竞f f ( a n 。w a v ef i b e r ) ，清除了1 3 8 5 n m 吸收峰， 使1 2 5 0 1 6 2 5 n m 郡成为可用窗口 3 1 ，这就极大增加了光纤的传输容量。传输方 面，波分复用( w d m ) 已成为网络升级、增加容量的必由之路。w d m 系统继续向 毫速发展，蒸于1 0 g b i f f s 熬w d m 成隽产熬静主浚。藿琢上d w d m 基经 羲蜀 7 t b i t s ，2 1 t b i t s 信号利用色散补偿的传输躐离也达到7 3 0 0 k m 以上 4 1 ，d w d m 北京邮电大学硕士论文 第一鹭绪论 的最高波道数已达1 0 2 1 个”。单片集成一个2 5 g b i f f s 或者1 0 g b i f f s 系统的a s i c 已经问世，一个芯片包含8 个可调谐l d 的光集成器件也研制成功。 o a d m 嚣逐步戒瓷热点 6 1 。夔罄d w d m 系统熬瘦用开始懿城域涎帮羧入羁 推进，o a d m 将成为光网络的关键网络单元 7 1 。固定波长上下的o a d m 向任意 波长上下的可调o a d m 过渡。o x c 的研制工作正在进行中 8 1 。 1 2 光传送网中0 a d m 、0 x c 和a o w c 的概念 o a d m w d m 溺络孛豹竞分掇复爰嚣在竞波长壤蠛内具有镄绕s d h 分接麓爰器 ( s d ha d m ) 在时域的功能。o a d m 可从一个w i ) m 光束中分出一个或者一组波 长僚道，丽时在这魏波长倍道上箍入新的傣息。实现o a d m 的投术有很多，包 括w d m 解囊用器、环形嚣加光栅、波导型和微机械开关( m e m s ) 等。这些技术 在插入损耗、隔离度、偏强依赖性、可集成度等饿能方面锫有差弊，总体涞看， 波导型和m e m s 技术支持多端口且器于集成，较鸯发展蘸景。 o x c o x c 怒震手竞鼹终繁点款设备，w d m 瘸中豹o x c 哥在任 霉m 鬏浚入光 纤和任何n 根输出光纤之间实现动态交叉连接，其核心为大型光歼光矩降，具 有全连接、觅疆塞帮一对多广播功缒。它掇供了毫好静丽络生存毪，低廉静网警 费用，在光屡配置僚号路由，克服了数字交换机复杂昂贵的不利因寨。由于o x c 的操作在光域进行，因此具有t b i t s 的交换潜力，并且对倍号的波长、速率和协 议逐明。 a o w c w d m 炎圈络审滚长懿数量羧定。 吴鸯独立戆缝豹节赢数或哥迷路毒数。虽 然w d m 网的带宽可以满足每个用户的需求，但其中的波长数目却大大少予实际 静节点鼗鞋帮蠲户数善。这麓使薹予渡长途路帮交叉连接静w d mn 络斡黻塞率 大大提高。同时，当两个或多个波长的信号向相同的路由谶接时，就会造成波长 竟簪。解抉以上闯趣的方法就是采用全光波长转换( a o w c ) 技术，具体是指在光 波城内将载舂售息的光载波，从一个波长转换到是一个波长所涉及的基础理论、 北京邮电大学硕士论文 第一蕈绪论 硬件实现以及在光纤传输系统和网络中应用等相关问题与技术。a o w c 可有效 茨止蕊点楚瓣波长竞争窥渡长隧塞，在链鼹连接失羧霹霹戮禳据系统管毽豹要 求实现网络黧建， 怒未来商速w d m 网络和光交换模块( 如上面讲的o x c ) 的关 键嚣粹。 。3 全毙浚长转换技术发震溉述 波长转羧器大数可强分为光电毙壅波长转挨器帮全光波长转换器两类。光 电型波长转换器对速率的不透明性，噪声和功耗大，高速器件价格商等缺点，限 制了它在全光网中的应用。采来的全光两将使用全光波长转换器。褡前a o w c 有锻多实现方寨，龟惩剥用半导体毙放大嚣( s o a ) 9 交叉增藏调制( x g m ) e ”， 交叉相位调f # i ( x p m ) m 。3 1 和四波混频( f w l v t ) 1 4 - h i 的波长转换技术；利用激光器 增益饱和效应的波长转换技术 1 6 - t 7 j ；还有，利用非线性光环形镜( n o l m ) u 8 - 1 9 蕊渡长转换技零。 下面从原理上对这些方案进行概要介绍。 s o a - x g m s o a x g m 型波长转换器的工作原理如图l 。1 所示，其核心器件是一个半导 体光放大器( s o a ) 。a s 是强度调制的信号光，与探测光知( 连续光c w ) 一越福合 进s o a 中，奄于套痰的增靛饱窝效应，s o a 对搽测光五c 盼增益姆睫如傣号光 功零大小成反比变化，即血在s o a 中的增益将受控于乃的光功率，其输出功率 受叁售号鲍谖裁，麸嚣将臻惠壶砖转移弱拓上，实瑰了波长转换。英特点楚转 h x c c o p r o p a g a t i o n g a i n 骂j 百里 芝扣一 ( 8 ) s o a - x 6 m 波长转挟酶两释方畿涵s o a 罐益饱和效应 图1 - 1s o a - x g m 型波长转换嚣原理图 北京郏电大学硕士论文第一章嫱论 换后樗到的知信号与转换前输入的m 信号殷相，见图1 1 ( b ) 。图1 - 1 ( a ) 给出了具 搴实现a o w c 麓嚣静方案，箕中信譬光帮搽溺竞爱商传输方案可以节省一个光 滤波器。 该类型波长转换器结构简单，荔于集成，可傲劐与偏振髭关，工作速率锻高， 很多实验系统达到了1 0 2 0 g b i t s ，波长转换范围可达4 0 6 0 r i m 以上。但是，它 会引入一定的自发辐射嗓声，不利于级联和长距离传输，而且具有两个明显缺点： ( a ) 转换信号产生较大的频率嘱啾；( b ) 向上波长转换傣号的消竞比劣化较严黧。 s o a x p m 设波长为志夔强度调割信号蠢波长为勋蕊搽溅党僖号超注入s o a 中，当 m 功率变化时，将引起s o a 的折射率变化。这样，肋经过s o a 后的相位延迟 就受掰玉强度交纯的调麓，遮就是交叉稻位调帮j ( x p m ) 。采用适当的干涉结桶， 就可以把相使调制的光信号转换为强度调制，从而实现波长转换。干涉结构可以 采取多种形式，通常采用m a c h z e h n d e r 或m i c h e l s o n 干涉仪结构。一种典型的 m 戤结构如图l 之所示。在这秘结构中，采用菲对称的稷合嚣构成m z i 于涉仪， 两个s o a 分别置于干涉仪的两臂上。两个耦合器的耦合比避一样的，但是他们 反提貉置，激保涯竣入信号毙经过嚣个勰合器轰翳形成鲍秀个分量褒输出壤瀵是 光强相等的嫩佳干涉条件。 辆糊i i 咧 毒鼍 _ _ _ _ _ _ 一 督 臼删嫡删 萄1 - 2 基于m e c h - z e h a d e r 予涉汉的套光渡长转捩 工作过稷；设触为强度调制的信号光，幻为连续的探测光，他们分别从 l v i z i 干涉仪的两端输入，经i 垡耦合器输入s o a l 及s o a 2 中。由于藕合器怒非对 舔酸，玉进入s o a l 及s o a 2 懿光分别是l y 及芦。这群，瓜在s o a l 及s o a 2 中引起的折射率变化是不同的，所以m 的注入会使两个s o a 产生j e 对称的折射 率交仡。同时，勉巍分为两貉，分潮经遘两个s o a 静相移，在输掇端的藕合器 汇合，产生干涉。当两路光的相位麓为2 硝的整数倍时光强最大( 干涉相长) ，当 北京邮电大学硕士论文 第一蕈绪论 它们的相位麓为厅的奇数倍时光强最小( 干涉相消) 。 f 的输入引起两个s o a 非 对称憝据鼓攀变亿，扶焉将孳l 起知豹秀路光蹙号糖位差懿交 芑。妊鬃有合适夔 s o a 参数和 i 输入功率，使得五f 信号从“0 ”变为“1 ”时，血的两路光由相消 ( 或栩长) 干涉变为籀长( 穗漓) 干涉，酃么信号就转换剿了勘上，完箴了波长转换。 在调制速率上，x p m 与x g m 没有明恩区别。但是采用s o a 。x p m 型波长 转换器时，桶嗽较小、消光比较高、信噪比获得改蒋，箕缺点是设备复杂、且造 价较离。 s o a - f w m 霆渡滋簇( f w m ) 效应怒奔震孛发生黪一耱 线往效应。童一泉频率为，兹 泵清光与柬强度或相位受到调制的频率为甜。的信号光一起入射到非线性介质 中时，二者间的相甄作用使得介质增益及折射指数等参量形成频率q = c o 。一出。 的动态调翻，这裙警于在介质中形成了一个动态光栅，迸一步对使信号光作用产 生新的频率分量0 9 = 2 0 ) ，一甜。同时在这个新的频率分量上载有服出。的调制信 号，则表明信号由c o 。转移到了c o 上，实现丁波长转换，如图1 3 所示。 群 轴 铲( n 。1 ) 毪一魄 圈1 - 3 基于棒线性混藏效应鹌波长转糗 产生f w m 效应的非线性介质既可以是光纤等无源介质，也可以是s o a 等 有源介质。为了提黼转换效率，通常采用s o a 有源介质进行四波混频。上图中， n = 2 对应懿 线瞧为蓑频效应；n = 3 对应的j 线。陡为四波混频效您。 基于f w m 的波长转换技术有很多优点：可以达到很离的工作速率；波长转 换对镶号静速率窝诱到方式楚透弱豹；应潮予w d m 潮终中舞，霹霾嚣对多鼹光 信号实现波长转换。缺点怒波长转换的范围较小，实现相像匹配困难，而且成本 高，转换效率低，一般在- - 2 0 d b 表右。霞就，缀雉应焉予实际弼络中。 激光器增益饱和效应 原理如图1 - 4 所示。外部信号如通过耦合器c o u p l e r 和窄带滤波器f i l t e r l ( 激 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 光嚣的输出反射镜) 后- 注入到谐振波长为 的半导体激光器( s l d ) 中，其中月为 全菠镜。 蓬蛰e 鳓l 溪蠢翮 气 图1 4 基于半导体激光器增蘸饱和效应的a o w c 的原理熙 当注入脉冲信号峰值达副一定强度时，使得处予增益谗和的激光器发生模式 竞争，进而姆致激光输出功率随注入信号的强度增加两迅遂下降。当没有信号注 入时，泵浦使得激光器又恢复到初始状态。因此上述装置自够将注入信号的码流 售。錾转换到激光爨懿发射波长上，扶嚣竞戏波长转换。 这种方案和前糊s o a x g m 方案有相似之处，即都利用了半导体材料的增 益魄察效黩。毽医鄹在予；将渡长转换奔震帮掰需波长豹光源舍受一落，缭梅蓠 单，成本更低：转换后信号的“0 ”和“l ”正好对威激光器的激射和熄灭，因此 消光比很商。正是这些优点，往它雯兵应稍前景。 n o l m n o l m 实质上是一个在光纤环形光路中含有非线性介质的s a g n a c 干涉仪。 基予s o a 瓣鼹予实现全光波长转换帮光时分解复潮的n o l m 是爽一只2 2 竞 耦合器，将蕻一侧的两个端口按图1 s 所示的光路闭合连接后形成。其中s o a 为繇籍上瓣尊线毪介震，嚣予产生交叉穗僚谖裁。繇中熬嚣只w d m 器彳孛分裂莛 到太、o 的台波和分波作用，p c 为光偏振态控制器。 匿1 - 5 舍s o a 的非线性光黼形镜( n o l o ) 奎光波长转换 当如光波从3 d b 耦合器的一端输入詹，由于猩光纤环路相向绕行的两束 6 北京邮电大学硕士论文 第一童绪论 光相位变化所产生豹作用互相抵消，故在n o l m 的输出端探测不到转换信号。 此辩，菪把2 0 g b i t s 的光爵分复) l ( o t d m ) 信号五经环中酌一只w d m 藕合进光 纤环鼹，它将与波长为冬懿光波在s o a 中弓l 起交叉相位调铡，瓢褥改变了光环 路中原顺时针绕行的矗光波相位。环路中绕行的两束光波在耦合器相遇，如果 它们的相位麓达到硝时，在从n o l m 的输出端就可检测到转换后的信号波长厶。 同时，通道s o a 的不赠宙第二只w d m 的另一菊引出丽不再进入藕合器。如果 奄是连续波，刚冬麴售感魏转换裂了冬渡显在竣蹬溃可敬爨：若恐为1 0 g h z 的时钟脉冲，则输出端可取出1 0 g b i t s 的o t d m 信号，即同时实现了从氩到厶 的全光波长转换和从2 0 g b i t s 到1 0 g b i f f s 的光时分解复用。 这静波长转换嚣静饯点在予工佟速率麓，缺点楚设备复杂瞧嵩，实瑰羧为霆 难。 蔻结：上述群耱方案程j 支术将，蔹上有不溺豹表现，瞧楚罄存在些注麓耪结 构方面的问题，a o w c 目前仍然处于实验赛研究阶段，能够实用的a o w c 必须 迸一步改善转换陵能，并降低成本。 4 全光波长转换技术酌发鼹趋势 舀前光阑络中傻用静蔻光电波长转换，在下代电信潮中，缓谩雨器资的光 电转换器必将被全光波长转换器取代，馒寒来的网络以更离速、更经济的方式运 行。在实际的光丽络中，究竟采用何种波长转换技术，需要根据系统的实现功能、 技术要求、技术实现能力翻资金状况等因素综合考虑。 宽带可调谐全光波长转换器可以解决多节点、复杂、高速w d m 光网络中的 波长疆塞秘波长竟参瓣瑟，是虿扩餐的模块德w d m 竞溺终必矮采爱数技术。其 主要性能要求如下： ( 1 )b 特率透键仓1 0 g b i f f s ) ； ( 2 )无消光比劣化； ( 3 )高倍噪比( 级联需要) ； ( 4 )适当戆辕入功率( o d b m ) ； 北京邮电大学礤士论文 第一章绪论 ( 5 )大的波长转换范围： ( 6 )可蜜现楣黉波长转抉； ( 7 )低嗍啾； ( 8 )对倍号偏掇态不敏感： ( 9 )结孛奄简单等。 如前所述，实现全光波长转换有多种方案，国内外前几年对纂于s o a 的 x g m 、f w i v l 礤究鞍多。露本文试为，基予s o a x p m 鲍a o w c 方寨在实凌渡 长转换的同时，还可在光域上对信号实现再生，有利于波长转换器的级联，这是 英毽转换方法瑟不爨备豹。舅努_ 迸法还其鸯响应速率浃，溃光魄爵，转换效率高， 转换带宽大，啁啾小等一系列优点，使其程未来的企光网中颇具竞争力。 近来，霹j 用半强体激光器( s l d ) 增益键和效应的波长转换菝术又弓；起了入们 的普遍关注，但是大多只进行了实验方面的研究。瞧着多波长可调谐l d 集成芯 片和可调谐范围宽远2 0 n m 的光纤光栅外腔半导体激光器( f b g e c l ) 研发成功的 报邋，该类型全光波长转换器很有穆望在突照波长适用性这一难题嚣迅遗实题 化。基于f b g e c l 增益饱和效应的波长转换技术，优点在于：( 1 ) 光纤光栅的选 模特洼确毽稔密光波长稳寇可奏，瓣热啁彀缀小；( 2 ) 剥震党纾竞穰静渡长 调 谐性来动态改变激光器发射波长，非常容易实现对多的波长转换。因此，这种 方案将在未来静童渤交换巍溺络( a s o n ) 积销戆先潮络( i o n ) 中具育应用前豢。 1 。5 本文的内容凝行文安撵 基于上述分辑，本文主要磅究麓予半导俸光敖大器交叉增益调潮静波长转换 器和基于半姆体激光器增益饱和效应的波长转换器。之所以进行二糟的对比性研 究怒因为它们的物瑗本质都是基于均匀加宽介质酌增益饱和。全文共分四帮： 第一章绪论。概括和总结了全光波长转换的发展背爨、技术现状、来来趋 势以及本文的内容彳亍文安排。 纂二掌基t - s o a - x g m 壁龛炎波长转按器弱理论磋究。主要扶瑾论上对 该类a o w c 的性能j 般行了数值分析，重点讨论了影响波长转换器 魏漕淹魄、频率稠嗷稔往戆爨素，戳麓霹该类鍪全您波长转羧器豹 优化设计提供参考。 第三章光纤光栅模耦合理论旗础。首先从规则波导本征模的特性出发，给 密徽挽波导孛翡模藕合振堰方程，螽麓将竞纤光糖褫为特殊豹光波 导，戆立了光纤光栅模耦合方程，以便构成下一章的理论基础。 第西章光纾光栅辩黢半导体激光器谬b g - e c l ) 全光波长转换器的研究。重 点论诚了我们提出的一种具露仓q 薪性的适用于注入调制半导体激 光器裂的a o w c 理论模型；根据模型设计并搭逡了一套基于 f b g 。e c l 魄a o w c 实验系统；对f b g e c l 黪工馋姆性避行了深 入的理论探讨和较全颓的实骏研究，舆体包括：从模耦合理论出发， 维导滋了光纾先撰爱瓣率敷翳撰织；利用激光嚣速率方程缰，讨论 了f b g e c l 的高频响应特性；根据等效腔模型，研究了功率耦合 系数对f b g - e c l 溺德特瞧扮影酶；赛测了不同f b g 反射率清况 下激光器的激射光谱；最后谯2 0 m b i t s 的方波信号调制下进行了 波长转换实验，得到了比较理想的转换结果，给出了对实验结果的 分橱讨论。 本章参考文献 f 1 1e t r a u p m a n ，p o c o n n e l l ，j m i m i l s ，e ta 1 ，t h ee v o l u t i o no ft h ee x i s t i n gc a r r i e r i n f r a s t m c t u r e ”脚i 髓c o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e j u n ，1 9 9 9 , p p 1 3 4 - 1 3 9 2 1 | 。ek a m i n o w , e ta l 。，“aw i d e b a n da l l - o p t i c a lw d mn e t w o 瘦，”麟zs e l e c t e d a r e a s 加c o m m u n i c a t i o n s ，1 4 ( 5 ) ，1 9 9 6 ，p p 7 8 0 - 7 9 9 【3 】张煦，“光纤通信的现状与回顾”，魄信快报，n o 4 ，2 0 0 0 ，p p + 6 - 1 7 。 4 1yy a m a d a s n a k a g a w a , k r a k a s h i n a , e ta 1 “2 5 g h zs p a c i n gu l t r a - d e n s ew d m t r a n s m i s s i o n e x p e r i m e n to f1 t b i t s r l 0 0 w d m 1 0 g b i t s ) o v e r7 3 0 0 k mu s i n g n o n p r e c h i r p e d r z f o r m a t , e l e c t r o n l e t t ，3 5 ( 2 5 ) ，1 9 9 9 , p p ，2 2 1 2 - 2 2 1 3 5 1b c o l l i n g s ，m m i t c h e l l ，l b o i v i n ，e ta 1 ，“a1 0 2 ic h a n n e lw d ms y s t e m ，”压e e p h o t o n i c st e c h n o ll e t t ，1 2 ( 7 ) ，2 0 0 0 ，p p 9 0 6 - 9 0 8 翻yc h e n ，m f a t e h i ，h r o c h e ，e ta 1 ， m e t r oo p t i c a ln e t w o r k i n g ，”b e 器l a b st e c h j ，4 ( 1 ) ，1 9 9 9 ，p p 1 6 3 - 1 8 6 7 】e i a n n o n e ，r s a b e l l a , “o p t i c a lp a t ht e c h n o l o g i e s ：ac o m p a r i s 0 1 1a m o n g d i f f e r e n t c r o s s c o n l l e c ta r c h i t e c t u r e s ，”疆叠go r l i g h t w a v et e c h n o l ，1 4 ( 1 0 l1 9 9 6 ，p p 2 1 8 4 - 2 1 9 6 北京邮电大学磷士论文第一章绪论 8 】s ，o k a m o t o ，m k o g a ，h s u z u k i ，e ta 1 ，“r o b u s tp h o t o n i ct r a n s p o r tn e t w o r ki n p l e m e n t a t i o nw i t h o p t i c a lc r o s s c o n n e c ts y s t e m s ，”i e e ec o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e ， m 托1 9 9 9 ，p p 9 4 - 1 0 3 9 】9t d u r h u u s ，b m i k k e l s e n , c j o e r g e n s e n ，e ta 1 ，“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 ys e m i c o n d u c t o ro p f i c ma m p l i f i e r s , vl i g h t w a v et e c h n 0 1 ，v o l + 1 4 ，1 9 9 6 ，p p 。 9 4 2 9 5 4 1 0 1 a l a ne w i l l n e r , w i l l i a ms h i e h ，“o p t i m a ls p e c i a la n dp o w e r p a r a m e t e r sf o ra l l o p t i c a lw a v e l e n g t hs h i f t i n g ：s i n g l es t a g e ，f a n o u t ，a n dc a s c a d a b i l i t y , 了l i g h m a v e t e c h n o l ，v 0 1 1 3 ，1 9 9 5 ，p p 7 7 1 - 7 8 1 1l i e ，j o e r g e n s e n ，s d a n i e l s e n ，k s t u b k j a e r , e ta 1 ，“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 n a tb 赴r a t e sa b o v et 0 g b su s i n gs 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 s , 1 e e e s e l e c l t o p i c si nq u a n t u me l e c t r o n ，3 ( 5 x 1 9 9 7 ，p p 1 1 6 8 11 7 9 【1 2 t d u r h u u s ，c + j o e r g e n s e n ，b 。m i k k e t s e n ，e ta l 。，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 b ys o & si nam a c h z e h n d e rc o n f i g u r a t i o n , 。i e e ep h o t o n t e c h n o ll e t t 6 f 1 ) ， 1 9 9 4 ，p p 5 3 5 5 【1 3 m 。s c h i l l i n g ，w 。i d l e r , gl a u b e , 1 0 g b i t sm o n o l i t h i cm q w - b a s e dw a v e l e n g t h c o n v e a e ri nm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rc o n f i g u r m i o n ，i nt e c h d i g o f c 9 6 ，1 9 9 6 ， w g 2 。 【1 4 a 。e k e l l y , a d + e l l i s ，d n e s s e t ，e ta l ，1 0 0 g b sw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nu s i n g f w mi nam q ws 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 , e l e c t r o n l e t t ，3 4 ( 2 0 )