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1、重 庆 理 工 大 学文 献 综 述二级学院 光电信息学院 专 业 电子信息科学与技术 班 级 110160202 学生姓名 姚 远 学 号 11016020227 基于 SOA 交叉增益调制、交叉相位调制的全光波长转换研究摘 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(WDM)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(SOA)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 SOA 的交叉增益调制(XGM)和交叉相位调制(XPM
2、)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 SOA 的基本特性进行了理论分析,推导得出 XGM 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 XPM 进行理论分析。 (2)仿真研究。用 Opticalsystem 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 SOA 注入电流对 XGM 型输出光波消光比的影响 ;对影响 XPM 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 XGM 型波长变换,进行了 40Gbit/s
3、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 XPM 型波长变换,进行了采用窄带滤波器抑制码型效应实验、40Gbit/s 的正码波长变换实验和多波长变换实验。一、课题意义全光波长转换器在高速全光通信网中具有重要作用，它增加了波长的可重用性，克服了交换节点处因波长争用所造成的网络阻塞问题，因而增强了波长路由光网络的动态路由能力，对可用波长数有限节点数较多的大容量网格网络而言效果极其明显。随着传输速率及容量的迅速提高，全光波长转换器的开发变得越来越重要。实现全光波长转换的四种主要机制包括非线性材料中的参量转换、基于半导体光放大器的交叉增益调制（XGM） 、基于 SOA 的交叉相位调
4、制（XPM）和参量混频。采用 SOA 的全光波长转换器具有体积小集成、转换效率高、宽带宽等特点而成为全光波长转换领域的研究热点二、全光波长转换的发展现状由于半导体技术发展较为成熟,利用 SOA 中 XGM、XPM 和 XAM 效应原理设计的 AOWC 体积小,转换效率高,但由于受到载流子寿命的限制,转换速率较低,转换后的信号为反码,不适于占空比小窄脉宽的高速通信系统,并且转换不对称,长波长转换时消光比劣化严重。同时还有所有有源介质的共同问题 ASE 的影响,使信噪比下降,影响级联性能。基于交叉相位调制(XPM)和相干原理的 AOWC 由于利用光的干涉原理使转换后的信消光比得到提升。采用 SOA
5、-XPM 的 AOWC 与 SOA-XGM 相比具有入射光功率低,输出的波长转换谱宽窄、啁啾小,但载流子的恢复时间限制了转换速率,并且仍然存在着自发辐射噪声(ASE)的问题。采用 Kerr-XPM 的 AOWC 不存在 ASE 问题,仅受量子噪声限制,转换速率高,但不便于集成,目前只适合于实验室中采用。利用非线性原理的 FWM 和 DFG 型 AOWC 结构简单,转换速率可达到T 比特级,而且是目前唯一一种真正意义上的透明转换器。但由于受到非线性效率和相位匹配的限制而使其转换效率不高。文中介绍利用 NDFWM 的集成放大分布反馈激光器充分利用了有源介质的放大和非线性转换速率高的特点,以及利用二
6、阶非线性效应级联的 LiNbO3 波导的 AOWC 是两种很有发展前途的全光波长转换器。我国八纵八横的光缆干线网已于 2000 年 10 月全面完工,干线全部采用 WDM 方式传输,将对我国的各方面发展产生极大的影响,也同时为我国将来向格状全光网发展打下良好的基础。而全光网关键之一的全光波长转换的研究将极大地推动我国的通信发展, 具有很高 的学术价值和应用前景。三、工作原理全光波长转换的四种主要机制包括非线性材料中的参量转换、SOA 中的参量混频、SOA 中的交叉增益调制和交叉相位调制。参量波长转换利用强泵浦光与输入信号光产生新的波长。在四波混频中，两个泵浦光子湮灭，同时产生一个信号光子和一个
7、闲频光子。三波混频则以差频方式产生一个新的波长，然后通过滤波器提取出新的波长四波混频波长转换器利用输入信号光和连续的泵浦光，通过非线性效应将信号转换到新的波长，然后利用滤波器将泵浦光和输入信号光滤掉，从而实现波长转换。在非线性材料中实现高效的参量波长转换，要求材料必须具有很高的非线性系数，如铌酸锂、高非线性光纤、经过特殊设计的光子晶体光纤等。非线性材料通常不产生自发辐射噪声，因此波长转换的噪声较低。但是，基于非线性材料的波长转换器由分立的光学元件组成，很难实现集成，这使其走向实用化举步维艰。基于 SOA 的波长转换，将输入信号的调制转移到新波长上，同时被 SOA 放大。SOA 中载流子的恢复时
8、间决定了其相对较小的转换速率，可以采用补偿技术实现较高的转换速率。SOA 为有源器件，易于与其他器件集成，因此可以将波长转换与光再生结合起来。在 SOA 中实现参量波长转换，将信号转移到新的波长上，同时对新波长进行放大，通过滤波器提取携带信号的新波长。SOA 中基于交叉增益调制的全光波长转换原理为：信号光对连续的探测光进行调制，从而将信号光所携带的信号转移到探测光上。交叉增益调制利用 SOA 的增益饱和效应，因此输入信号光功率越高，输出探测光（波长转换后携带信号）的功率越低，波长转换得到的是输入信号的反相波形，即输入信号为 1 时，输出信号为 0，输入信号为 0 时，输出信号为 1，可以将转换
9、后的信号通过反相器恢复为原始信号。SOA 中基于交叉相位调制的全光波长转换原理为：信号光对连续探测光的相位而非强度进行调制，信号光的强度变化通过消耗载流子改变半导体的折射率，进而改变探测光的相位，因此输入信号光的瞬时强度变化反映在探测光的相位上，通过干涉仪将相位调制转换成强度调制即实现全光波长转换。早期试验利用一对SOA 和一个 Mach-Zehnder 干涉仪实现波长转换，但德国卡尔斯鲁厄大学的 JuergLeuthold表示，利用一个 SOA 与延迟干涉仪，可以克服 SOA 较长的恢复时间。延迟干涉仪通过耦合器将光分成两部分，一部分为线波导，另一部分为环形延迟线，延时为 10ps，然后再通
10、过耦合器将两部分输出合束，可以消除由于载流子恢复所导致的拖尾现象，获得更短的脉冲SOA 中较长的恢复时间导致波长转换后输出信号具有较长的拖尾。通过延时干涉，调整信号通过两臂的延时差，可以消除较长的拖尾，从而获得更短的脉冲 SOA 还具有低功耗和宽带运行（运行波段达几十个纳米）的优点，但目前存在的主要问题是偏振灵敏度和自发辐射噪声。四、全光波长转换技术前景展望目前，实验室中的高速波长转换技术离实用化还相距甚远。贝尔实验室将波长转换器和激光器集成在一起，可根据特定需求切换到不同的输出波长，但转换速率只有40Gbit/s。对于下一代光网络而言，集成性和可调谐性是两个至关重要的指标。但对于高速运行而言
11、，目前仍然需要在这两者中加以权衡。全光波长转换器走向实用化还存在许多挑战。对于下一代高容量光网络，波长转换将是光交换的一部分，基于波混频的全光波长转换在下一代光网络中具有较大的优势，因为它能够实现完全透明的波长转换，这对于高级光交换至关重要。在这些波长转换技术中，最终谁将胜出，在一定程度上也取决于网络的体系结构。波长转换器件的应用不只局限于光网络。由于半导体技术发展较为成熟,利用 SOA 中 XGM、XPM 和 XAM 效应原理设计的 AOWC 体积小,转换效率高,但由于受到载流子寿命的限制,转换速率较低,转换后的信号为反码,不适于占空比小窄脉宽的高速通信系统,并且转换不对称,长波长转换时消光
12、比劣化严重。同时还有所有有源介质的共同问题 ASE 的影响,使信噪比下降,影响级联性能。基于交叉相位调制(XPM)和相干原理的 AOWC 由于利用光的干涉原理使转换后的信号消光比得到提升。采用SOA-XPM 的 AOWC 与 SOA-XGM 相比具有入射光功率低,输出的波长转换谱宽窄、啁啾小,但载流子的恢复时间限制了转换速率,并且仍然存在着自发辐射噪声(ASE)的问题。采用 Kerr-XPM 的 AOWC 不存在 ASE 问题,仅受量子噪声限制,转换速率高,但不便于集成,目前只适合于实验室中采用。利用非线性原理的 FWM 和 DFG 型 AOWC 结构简单,转换速率可达到 T 比特级,而且是目
13、前唯一一种真正意义上的透明转换器。但由于受到非线性效率和相位匹配的限制而使其转换效率不高。文中介绍利用 NDFWM 的集成放大分布反馈激光器充分利用了有源介质的放大和非线性转换速率高的特点,以及利用二阶非线性效应级联的 LiNbO3 波导的 AOWC是两种很有发展前途的全光波长转换器。我国八纵八横的光缆干线网已于 2000 年 10 月全面完工,干线全部采用 WDM 方式传输,将对我国的各方面发展产生极大的影响,也同时为我国将来向格状全光网发展打下良好的基础。而全光网关键之一的全光波长转换的研究将极大地推动我国的通信发展,具有很高的学术价值和应用前景。参考文献1 WDM 技术与应用 ，徐宁榕，周春燕，人民邮电出版社 2光纤通信 ，原荣，电子工业出版社 3光纤通信 - - 通信用光纤、器件和系统 ，美国光学学会 Michael Bas，人民邮电出版社 4无线通信技术 ，周金萍，唐伶俐 ，科学出版社 5 电磁场理论基础 ，王蔷，清华大学出版社6金惠文，陈建亚，纪红 现代交换原理 2003 年 3 月 7姜凤娇，高艳萍，岳小云 光交换技术在通信网中的应用期刊论文 2009 年 11期 8翟锦华 全光通信中的光交换技术期刊论文 2009 年 6 期 9张连俊，彭荣群 通信网中的光交换技术期刊论文 2001 年 4 期
