集成光电子器件lpl(第十章波长变换器).ppt

波长转换器 第十章 波长转换器 信息需求量呈爆炸性增长 WDM技术可以实现超大容量的光纤通信 在WDM系统中 如果出现 怎么办 10 1波长转换器的概述 波长转换器 把传输信息从一个波长转换向另一个波长上的器件 1 波长转换器的概念 2 波长转换器的应用 a 降低网络阻塞的概率 信号要从节点1传输到节点a 可以先通过波长转换器构成的路由器传输到节点j上 再经一路由器将信号选择到节点a上 b 可构成路由器 a 是地址分配器 利用可调输出波长转换器将信号分配到不同地址 b 是N选1地址选择器 由N个固定输出的波长转换器输出N个波长 再利用可调滤波器选择一路信号 c 可构成简单的空间开关 利用波长转换器中的光相位共轭 将系统中某一具有正色散的波长上的信息在系统的中点转换到另一具有负色散的波长上 实现色散补偿 使高速光纤通信系统的色散受限距离提高 d 实现中途谱反转 e 可重复利用波长 提高波长利用率 3 全光波长转换器的重要参数 a 转换效率 消光比定义为转换光输出 1 信号的平均功率与 0 信号的平均功率之比 b 消光比 在全光波长转换中 转换光的频率啁啾起源于信号光强的变化引起SOA有源层中载流子浓度变化 使增益变化的同时折射率也发生变化 从而转换光脉冲的相位也随时间变化 导致其中心频率与两侧产生随时间变化的新频率 c 啁啾 d 转换速率 e 转换范围 对信号比特率和调制格式应具有透明性 转换速率快 至少在10Gbit s以上 既能向短波长方向变换又能向长波长方向变化 且两方向变换对称 输入功率适当 不大于0dBm 较宽的转换范围 可以使输入波长无变化 即相同的输入输出波长 对偏振不敏感 低啁啾输出 高信噪比 高消光比 实现简单 易于集成 4 对波长转换器的要求 5 波长转换器的分类 波长转换器分光 电 光型波长转换器和全光型波长转换器 光 电 光型波长转换器 将原来的光信号经光 电转换成电信号 再利用这个电信号去调制所需波长的激光器 实现光信号的波长转换 工作稳定 转换效率高 输入动态范围较大 可实现3R 定时 再生 整形 功能 不需光滤波器 对输入偏振不敏感等许多优点 光 电 光型波长转换器是目前一种非常成熟的波长转换器 缺点 采用光电转换 电功率消耗大 引入了光 电 光过程 结构复杂 成本随速率和元件数增加 对信号码型和速率不透明 因此 光 电 光型波长转换器在DWDM系统中的应用受到了很大限制 全光波长转换器则避免了光电转换的过程 完全在光域内实现信息在波长信道之间的转换 透明性好 满足全光通信网络的要求 具有更好的发展前景 成为研究的热点 但技术上尚不成熟 10 2全光波长转换器 10 2 1基于SOA的全光波长转换器 10 2 2基于激光器的全光波长转换器 10 2 3基于其它的全光波长转换器 10 2 1基于SOA的全光波长转换器 基于半导体光放大器的全光波长转换器主要有三种工作方式 交叉增益调制型 XGM 交叉相位调制型 XPM 四波混频型 FWM SOA中的交叉增益调制 XGM 效应 1 SOA XGM型波长转换器 SOA中的增益饱和效应 当一束弱连续光和强信号光耦合进SOA中时 强信号光在被放大的同时将引起SOA中载流子的消耗 因而引起增益随输入光功率增大而减小的现象 即增益饱和 SOA的增益将会出现与输入信号光相反的调制作用 呈反向调制的增益又对连续光进行调制 这就是XGM效应 SOA XGM型全光波长转换器的原理 当一束弱连续光和带强信号光耦合进SOA中时 由于增益饱和效应 连续光受到信号光的反向调制作用 携带上与输入信号光反向的信息 从而实现了波长转换功能 工作原理 可以达到较高的转换速率 相对于光电光型 可到10Gb s 转换效率高 波长转换范围宽 偏振无关 结构简单 SOA XGM型全光波长转换器的优点 输出光与原信号光反相 信号的消光比恶化 码型效应 由于SOA内部载流子浓度恢复不够完全而再次被消耗 引起输出的 1 信号光功率大小不等的现象 SOA XGM型全光波长转换器的缺点 单端耦合SOA XGM型全光波长转换器 单端耦合的SOA SOA的输入 输出共用一个端口 后端面具有适当的反射率 优点 消光比改善 原因 转换输出的消光比取决于信号光分别为 0 和 1 号时连续光获得的增益差 增益差越大 转换输出的消光比就越大 多电极单端耦合SOA XGM型全光波长转换器 单端耦合SOA中载流子浓度的空间分布 多电极RSOA XGM型全光波长转换器 多电极单端耦合的SOA SOA被分为多节结构 每节都有个电极 各电极之间电绝缘 各电极的长度和电流可以根据需要灵活调节 理论结果表明 消光比改善 工作原理 一束连续光和一束信号光同时耦合到SOA中 强度调制的信号光引起有源区中载流子浓度的调制 载流子浓度的变化在引起增益变化的同时也会引起有源区有效折射率的变化 从而对探测光的相位进行调制 这就是SOA中的XPM效应 由于XPM引起的是相位的变化 必须将相位调制信息转变成强度信息 即可实现光波长的转换 2 SOA XPM型波长转换器 采用干涉结构将相位调制信息转变成强度信息 有马赫 泽德干涉结构 迈克耳逊干涉结构等 啁啾小 同相转换和反相转换可控制 输出消光比高 偏振无关等 缺点 优点 输入动态范围小 相对来说实现条件比较苛刻 采用分离元件很难实现 基于SOA加窄带滤波器的波长转换基本原理 当一束连续光和信号光一起耦合到SOA中 连续光受到信号光的调制而产生频率啁啾 从而发生脉冲展宽 用中心波长偏离连续光中心波长的滤波器滤出红移或蓝移部分 就可以实现将相位信息转变为强度信息 b SOA 滤波器的XPM型全光波长转换器 除了利用干涉结构可以将相位调制信息转变成强度信息之外 在SOA后加一个滤波器的结构也可以实现这一功能 当BPF中心波长蓝移且失谐量较小时 输出结果为反相的波长转换 当BPF中心波长蓝移且失谐量较大时 输出结果为同相的波长转换 当BPF中心波长红移且失谐量较大时 输出结果也为同相的波长转换 3 SOA FWM型波长转换器 SOA中的FWM效应 在SOA的输入端同时注入连续光和信号光 两种光在SOA有源光波导内由于受到快速的非线性效应 如载流子密度脉动 载流子加热和光谱烧孔等 的影响产生两个新频率 这就是FWM效应 具有一定强度的连续泵浦光和信号光共同输入到SOA中 发生四波混频效应后产生新的频率 新的频率上携带了信号光上的信息 从而实现了波长转换功能 SOA FWM型波长转换器的工作原理 相对转换效率函数 转换速度快 FWM效应产生的转换光不仅携带了信号光的幅值信息也携带了相位信息 因此它对调制格式严格透明 缺点 优点 转换效率低 偏振相关 转换效率与波长有关 当输入信号波长与转换波长间隔增大时 转换效率随之降低 垂直双泵浦FWM型全光波长转换器 转换效率 优点 波长转换范围增大 转换效率随转换范围变化很小 10 2 2基于激光器的全光波长转换器 基于半导体激光器XGM型全光波长转换器 当一束信号光输入半导体激光器中 当信号光为 1 时 激射光被抑制 只有自发辐射光输出 输出很小 为 0 当信号光为 0 时 有激射光输出 为 1 从而实现了反向的波长转换功能 工作原理 相对于SOA XGM型波长转换器 其消光比有所改善 省一个外部光源 基于光纤光栅外腔激光器XGM型全光波长转换器 反射率接近1 反射率为50 70 工作原理同上 优点 输出消光比高 低啁啾 采用光纤光栅外腔激光器 输出波长非常稳定 基于