（光学工程专业论文）基于高非线性光纤四波混频的全光波长转换技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生毕业论文摘要 摘要 波长转换技术是未来全光网络的关键技术之一，波长转换器的性能直接影响整个光网 络的性能。因此开展对光波长转换技术研究是当前光通信领域中的一个热点。在已经提出 的全光波长转换方案中，基于光纤中四波混频效应的全光波长转换技术因具有对光信号透 明，转换速率高，且能够对多个信道同时进行波长转换等特点而受到人们的关注。本文主 要研究了基于光纤中四波混频效应的全光波长转换技术 论文首先分析比较了各种波长转换技术的组成、原理和优缺点。然后，从四波混频的 原理出发，分析了泵浦光波长、光纤衰减系数、光纤零色散波长等因素对混频效率的影响， 得出了影响规律和优化参数；导出了光纤零色散波长分段均匀和连续变化时，四波混频效 率公式，并进行了仿真分析，结果表明：当光纤零色散波长作多周期的连续变化时，四波 混频效率可以接近理想的零色散波长均匀分布时的混频效率 接着，采用数值求解非线性薛定谔方程研究了光纤的非线性效应对转换信号质量的影 响。针对四波混频过程的特殊性，对分步傅立叶算法进行了改进，提出了一种相位加窗处 理技术。并对该改进方法的步长和算法精度进行了研究，数值仿真了输入信号分别为脉冲 和脉冲序列时，非线性效应对输出信号的影响，得到了光纤非线性效应会导致转换信号波 形失真、啁啾、输出眼图劣化的结论。 最后，探讨了提高四波混频效率的方法：采用高非线性光纤和提高泵浦光功率的方法 根据提高泵浦光会使光纤中产生严重的s b s 效应，从而导致四波混频效率降低的理论，采 用泵浦光和信号光进行调频或调相的方法来提高s b s 阈值，从而提高四波混频转换效率。 主题词：全光波长转换四波混频非线性效应分步傅立叶法 鸯京郎毫夫学颈士臻究生挲堑论文 a b s t r a c t a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si n f u t u r ea l l o p t i c a ln e t w o r k , t h ep e r f o r m a n c eo f w a v e l e n g t hc o n v e r t e ri sd i r e c t l yr e l a t e dt oi t sp e r f o r m a n c e 。s or e s e a r c ho no p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n - t e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o t s p o t a m o n ga 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 o w c ) s o l u t i o n s ，t h eo n eb a s e do nf o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) i so fg r e a ta d v a n t a g eb e c a u s eo fi t s t r a n s p a r e n c yt oo p t i c a ls i g n a l ，h i 醢c o n v e r s i o nr a t ea n dt h ea b i l i t yt oc o n v e r s ean u m b e ro f o p t i c a ls i g n a l ss i m u l t a n e o u s l ) ：i nt h i st h e s i s ，a o w cb a s e o nf w mi sr c s e a r c h o d f i r s t , t h et h e s i sa n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ec o m p o n e n t s ，p r i n c i p l e s ，a d v a n t a g e s ， d i s a d v a n t a g e so ft h ev a r i o u sw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y b a s e do np r i n c i p l eo ff w m ，t h e p u m pw a v e l e n g t h , f i b e ra t t e n u a t i o nc o e f f i d e n t , z e r o - d i s p e r s i o nw a v e l e n g t ht h a t a f f e c t st h e e f f i c i e n c yo fm i x i n gi sa n a l y z e d t h ep a p e ro b t a i n so l 嫩m i z e dp a r a m e t e r sa n dt h ei m p a c tl a w , d e r i v a t e st h e e f f i c i e n c y f o r m u l ao ff w ma sf i b e rz e r o - d i s p e r s i o nw a v e l e n g t hi s s u b - h o m o g e n e o u sa n dc h a n g e sc o n t i n u o u s l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f i c i e n c yi nt h i s c o n d i t i o ni sa l m o s tt h es a m ea sz e r o d i s p e r s i o nw a v e l e n g t hi su n i f o r md i s t r i b u t e d t h e n , b yu s i n gn u m e r i c a ls o l u t i o no fn o n l i n e a rs c h r 芒k i i n g e re q u a t i o n , t h en o n l i n e a ro p t i c a l e f f e c to nt h ec o n v e r s i o ns i g n a lq u a l i t yi ss t u d i e d f o rt h es p e c i f i c i t yo ff w m p r o c e s s , t h et h e s i s i m p r o v e ss p l i t - s t e pf o u r i e rm e t h o da n dp r e s e n t sap h a s ew i n d o w - a d d e dt e c h n o l o g y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn o n - l i n e a re f f e c tc 部吣es i g n a l sw a v e f o r md i s t o r t i o n , c h i r pa n d d e t e r i o r a t e do u t p u te y ed i a g r a mw h e nt h ei n p u ts i g n a li si nt h ef o r mo fp u l s ea n dp u l s es e q u e n c e f 越堍t h em e t h o d st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ff w mu s i n gh i g h - n o n l i n e a rf i b e ra n d e n h a n c i n gi n p u tp u m pp o w e ra r ed i s c u s s c d a c c o r d i n g t ot h et h e o r yt h a ti m p r o v i n gi n p u tp o w e r c a l ll e a dt os e r i o u ss b se f f e c ti nt h ef i b e ra n dl o w e rt h ee f f i c i e n c yi nf w m ，t h es o l u t i o no f m o d u l a t i n gt h ep u m pa n ds i g n a lt or a i s et h es b st h r e s h o l di sg i v e n , a n di tc a ni m p r o v et h e f w me f f i c i e n c y k e yw 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 s i o n f o u r - w a v em i x i n g n o n - l i n e re f f e c t s p l i t - s t e pf o u r i e r m e t h o d n 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 葫辱 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮毫大学、孛医科学技术僖息研究新、国家鬻书馆有粳保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电予文档的内容和纸质论文的态容相一致。除在保密裳内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生都办理。 日期： 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第一章概述 第一章概述 1 1 光纤通信技术的发展过程及现状 最早的光通信可以追溯到人类早期使用的烽火台报警通信。那时当边关有战事时，烽 火台点起烽烟，一级接一级地往下传，很快即可将这种通信送达目的地，这种目视光通信 和现代意义下的光通信是有本质区别的，现代意义的光通信是采用光纤为传输媒介，对光 波进行高速调制，使其承载高速数据信息，并采用有效措施使之能长距离传输，并在接收 端将其准确再现。显然要实现现代意义下的光通信必须解决两个关键的问题1 1 j ：一是可以 高速调制的相干性很好的光源，二是低损耗的光波传输介质。 直到2 0 世纪5 0 年代，人们所使用的光源都是非相干光源，这种光源发出的光波，其 频谱极宽，相位和偏振态都是随机的，因而难以对其进行高速调制。1 9 5 8 年的第一台激光 器问世，激光器是基于光的受激辐射放大机理制成的相干性极好的光源。这种光源发出的 相干光束即可成为高速数据信息的载体。 对于传输介质，早在1 9 世纪，人们就已经知道光纤中引导光传播的基本原理是全内 反射，虽然在1 9 世纪2 0 年代就制成了无包层的玻璃纤维，但是直到2 0 世纪5 0 年代，才 知道包层的使用能改善光纤的特性，从而诞生了纤维光学。这一领域发展十分迅速，当时 的主要目的是利用光纤束传输图像信息。这些早期的光纤按现在的标准看损耗非常高，典 型值在l o o o d s j b ，l 左右。1 9 6 6 年英籍华人高琨( c k k a o ) 和h o c k h a m 预见到石英光纤的 损耗可以下降到2 0 d b 砌的水平，1 9 7 0 年康宁( c o m i n g ) 公司就拉制出波长为0 6 3 u m ，损 耗为2 0 d ：s k m 的光纤，这在当时是具有划时代意义的低损耗光纤，同年美国贝尔实验室实 现了镓铝砷( g a a l n s ) 半导体激光器室温下的连续工作。自此，光纤通信的时代才真正来临。 进入2 0 世纪7 0 年代，由于制约光纤通信发展的两个主要问题相继解决，光纤通信技 术即以异乎寻常的速度发展。光纤传输容量几乎每年翻一番，由最初的第一代用作城市局 间中继的光纤通信系统，发展到了以d w d m 与掺铒光纤放大器相结合的第四代光纤通信 系统和以光孤子为信息载体的第五代光纤通信系统。传输速率由当初的每对光纤数 1 0 m b i 讹发展到当今的1 0 t b i t s 以上。 光纤通信之所以能够有如此高的速度发展，主要得益于它的巨大优势，其优势体现在 如下几个方面： ( 1 ) 巨大的传输带宽。石英光纤的工作频段为o 8 一1 6 5 u m 单根光纤的可用频段几乎达到 l 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章概述 了2 0 0 t h z 。即使是在1 5 5 u m 附近的低损耗窗口，其带宽也超过了1 5 t h z 。这样巨大的传 输带宽和巨大的潜在传输容量是任何其它传输介质所无法提供的。 ( 2 ) 极低的传输损耗。自1 9 7 0 年第一根低损耗光纤问世以来，随着光纤制造的不断改 进，很快就将石英光纤的损耗降低到了很低的水平。目前工业制造的光纤在1 3 姗附近， 其损耗在o 3 o 4 d b k m 范围以内，在1 5 5 u m 波段已降至o 2 刎概以下。加之，掺铒光纤 放大器( e d f a ) 在1 5 5 跏波长附近数十个力m 波长带宽内对光波的透明放大，可以有效地补 偿光纤损耗，这就更使大容量的光纤传输系统如虎添翼。 ( 3 ) 光纤通信可抗强电磁干扰，不向外辐射电磁波，这样就可以提高了这种通信手段的 保密性，同时也不会产生电磁污染。 1 2 光纤通信技术的发展趋势 2 0 世纪9 0 年代以前，光纤通信系统主要用于点对点的传输，传输体制最初采用准同 步数字体系( p d h ) 。p d h 传输体制因其固有的缺点，自2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初就逐 步地被同步数字体系( s d h ) 所取代。s d h 取代p d h 是光纤通信发展历程中的一次重大进 步，这是因为s d h 不再仅仅是以点对点传输为目标的体制，而是基于网络的传输体制。 所以采用s d h 体制的光纤通信网又称同步光网络( s o n e t ) ，同步光网络是第二代网络，可 以称为光电混合型网络，其传输在光域实现，而网络节点处信息的交换、数据流的分出和 插入都在电域内完成。第二代网络与第一代网络相比是一个巨大的进步，它具有更大的容 量和更加灵活的网络管理。由于第二代网络的交换、路由等必须在电域内实现，因而其性 能必然要受到电子器件处理速率的制约，这就是所谓“电子瓶颈”问题。 第三代网络必将是全光网络。所谓全光网是指信息从源节点到目的节点能够实现全光 透明传输的网络。全光网中的网络节点在光域中处理信息，交换、路由等都在光域完成。 众所周知，光域中信息处理的速率可以比电域内快几个数量级，从而可以完全克服“电子 瓶颈”的制约。目前光信息处理技术尚不成熟，虽然实验室中已经能够在光域内实现信号 的检测再生、缓存功能和交换，但作为实用化技术尚有待时日。波分复用系统现在一个非 常明显的发展趋势就是从过去传统的点到点传输向光传输网发展，并逐渐向全光网络演 进。全光网络( 全光通信网络) 是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在， 而不需要经过煳电、电光转换。也就是说， 在光域内，波长成为全光网络的最基本单元。 信息从源节点到目的节点的传输过程中始终 由于全光网络中的信号传输全部在光域内进 行，如果再通过波长选择器件来实现波长路由，那么全光网络将以其良好的透明性、波长 路由特性、兼容性和可扩展性，成为下代高速( 超高速) 宽带网络的首选。 2l 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章概述 全光网络具有如下优点【2 j ： 1 ) 提供巨大的带宽； 2 ) 与无线或铜线比，处理速度高且误码率低； 3 ) 采用光路交换的全光网络具有协议透明性，即对信号形式无限制。允许采用不同的 速率和协议，有利于网络应用的灵活性。 全光网中采用了较多的无源光器件，省去了庞大的光，电，光转换设备，提高网络整体 的交换速度，降低了成本并有利于提高可靠性。 为此增加全光网的透明程度，在现阶段是必要的。电子器件虽然有速率制约问题，但 在电域内完成逻辑功能则比在光域内完成要灵活得多。现阶段，电域处理技术仍然是光波 技术的有力补充。在光网络中适当的位置引进电域处理技术，可以使基于s d h 的第二代 光电混合网向第三代全光网平滑过渡，因而是十分自然的选择。有一种说法叫“光快，但 笨：电慢，但灵活打，将两者有机结合就形成了所谓光传送网概念【3 1 。但我们相信“光 快同时也很灵活 的日子不会太远，全光网将是网络发展的必然方向。 1 3 波长转换技术在全光网中的应用 波长转换技术是解决全光网中波长路由竞争问题的关键技术，是充分发挥w d m 带宽 资源的必要手段。如图1 1 所示的网络： 一一一丑z 图i - i 全光波长路由网络 图1 1 所示的全光波长路由网络包含两个交叉节点和五个接入点( a 、b 、c 、d 、e ) 。 若要建立两节点之间的全光连接，例如a 和c 的连接，如果没有波长转换器，这条光路上 的所有连接必须采用同一个波长，这就是所谓的波长连续性制约1 4 。对电路交换网而言， 仅当该级别的链路容量都被占用时，才会发生阻塞，而对于波长路由网络，却远非如此。 如图l - 2 ( a ) 所示，在网络中建立两个光通道，节点1 和2 之间采用 波长，节点2 和3 之 3 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章概述 间波长是厶，现在假设要在l ，3 之间建立一条光通道，即使节点1 ，3 之间的每个链路都 有空闲的波长也不一定能建立这个光通道，这是因为在两个链路上可得到的波长是不同 的。因此，与电路交换网络相比，波长路由网络将遭受更大的阻塞。 节点1 节点2节点3 节点1节点2节点3 ( a ) 没有波长转换器的情形( b ) 具有波长转换器的情形 图l _ 2 波长连续性限制 如果能在中间节点进行波长转换，从一个波长转换到另一个波长，对光网络将是非常 有用的。如图l 一2 ( b ) 所示，节点2 的波长转换器把波长从如转换到 ，在节点l ，2 中间 应用如波长，在节点2 ，3 中间应用 波长，从节点1 到节点3 的光通道便可建立在含 有波长转换器的网络中，光通道能在不同的链路上用不同的波长而建立，从而大大提高网 络的灵活性，消除光通道的波长冲突。引入波长转换技术，可以实现波长的再利用，更有 效的进行路由的选择，降低网络阻塞率，从而提高w d m 网的灵活性和扩展性。 我国八纵八横的光缆干线网已于二o o o 年十月全面完工，干线全部采用w d m 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。而作为全光网关键技术之一的全光波长转换技术的研究则是当务之急，本文 主要在此方面作了一些初步研究。 1 4 本文的主要工作 波长转换技术是未来全光网络的关键技术之一，波长转换器的性能好坏直接关系到了 整个光网络的性能。本文主要研究了一种比较有前途的全光波长转换技术一一基于光纤中 四波混频效应的全光波长转换技术。 在论文的第二章，我们按照工作原理的不同，分别介绍了各种波长转换技术的工作原 理、优缺点。通过对比我们认为基于光纤中四波混频效应的全光波长转换技术是一种较有 前途的波长技术。因为它对光信号透明，转换速率高，且能够对多个信道同时进行波长转 换，适合未来实际全光网络应用环境。从而我们对该技术进行一些研究。 在第三章我们从四波混频的原理出发，介绍了相位匹配对四波混频效率的重要作用， 然后以介质中波动方程为基础，推导了单模光纤中转换光的波动方程和输出光功率的表达 式，从而运用m a t l a b 仿真了相位失配，光纤衰减系数，光纤零色散波长变化对四波混 频效率的影响。在讨论光纤零色散波长变化对四波混频效率影响的时候，通过仿真我们得 4 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章概述 出了一个重要的结论：在实现波长转换时，对于光纤零色散波长不固定这个缺陷，我们可 以人为的引入周期性因素，使光纤零色散波长出现周期变化，只要使输入的泵浦波长与光 纤的平均零色散波长一致就可得到较为理想的结果，且当零色散波长在整个链路上重复周 期数较多时可以逼近理想的零色散波长均匀情况下的混频效率。 在第四章，我们主要研究了光纤的非线性效应对转换信号的质量的影响，首先介绍了 非线性薛定谔方程及其数值解法，由于该数值解法涉及到步长的选择，我们也研究该算法 精度的控制。然后我们从引起非线性效应的克尔项出发，分别推导了在单、双信道情况下， 影响转换信号的因素。数值仿真了输入信号分别为脉冲和脉冲序列时，非线性效应对于输 出信号的影响。得到了光纤非线性效应会使转换信号波形失真，出现啁啾和输出眼图恶化。 第五章我们主要探讨了两种提高四波混频效率的方法，首先探讨了采用高非线性光纤 提高转换效率的措施，结论是：在转换峰值出现之前，对于相同长度的光纤，采用高非线 性光纤的转换效率是普通d s , f 光纤的一倍；接着我们分析了转换性能和泵浦功率的关系， 得出了s b s 阈值限制了输入功率的提高，从而探讨了通过同时对泵浦光和信号光进行调频 或者调相的方案来实现抑制阈值、提高输入功率的方案，取得到明显提高输出光功率的效 果。 5 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章波长转换的基本原理 第二章波长转换的基本原理 波长转换技术已经成为光通信基础研究的项热点，并在一些全光试验网中采用。较 为理想的波长转换器应当具备以下基本特点： 1 ) 对光信号透明； 2 ) 对输入光信号功率要求不苛刻，并且偏振敏感度低； 3 ) 转换速率高( 1 0 g b s 或者更高) ： 4 ) 光信噪比和消光比的恶化程度较低或为零； 5 ) 波长转换的范围宽，既可以向长波长转换，也可以向短波长转换； 6 ) 波长转换系统实现简单、工作稳定，波长转换器价格合理。 根据工作原理的不同可以把波长转换技术分为光，电，光型和全光波长转换这两种。 2 1 粕电光( o e o ) 波长转换技术( a o w c ) 这种转换技术就是将光信号经光，电转换变成电信号，电信号再调制所需要波长的激光 器，从而实现波长转换。由于灯电技术己很成熟，对信号具有再生能力，相当于光传输线 路中的1 r ( r e g e n e r a t i o n ) 或3 r ( r e g e n e r a t i o n ，r e s h a p i n g ，r e t i m i n g ) q 继器，因此现阶段的 光波长转换中都采用该方法。 灯电光波长转换技术的优点是：系统原理简单，在较宽的输入光功率范围下都能够 适应，而且对偏振不敏感。但是电路结构相对复杂，不能对传输速率完全透明；同时，经 过艏电f 光的转换，原先光信号的相位、幅度等信息会丢失，无法实现光信号的完全透明 传输，它的透明度只能保持在数字级( d i g i t ) ，而不能保证信号级的透明。但是，由于其技 术成熟、性能稳定，几乎是目前所有厂家实现w d m d w d m 系统的共同手段。 然而，由于e d f a 在光纤通信系统中的大量使用和人们对全光网的憧憬，网络运营商 都尽量保持光层的透明性，避免光电变换，因此人们现在主要致力于全光波长转换技术的 研究。 2 2 全光波长转换技术( a o w c ) 根据工作原理的不同可以把全光波长转换技术分为以下几种：基于交叉增益调制 g m ) 原理；交叉相位调制m ) 和相干原理；交叉吸收调制a a m ) 原理；非线性混频原 理等。 6 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章波长转换的基本原理 下面分别介绍基于这些原理的全光波长转换器。 2 2 1 基于交叉增益调制( x g m ) 的全光波长转换技术 增益交叉调制的发生条件需为有源介质，半导体光放大器( s o a ) 就是其中之一。其波 长转换基本原理如图2 - l 所示。当强度调制的信号光( 波长为如) 与连续的( c 、聊探测光( 波长 为 ) 同时入射到s o a 中时，信号光强度的变化将通过消耗载流子引起增益饱和而调制 s o a 的增益，探测光强度也随之发生变化，从而使其所载的信号转移致探测光上。 g 垦墨) i 掘洱_ j 上- 1 、 - i信号光 恶 气 图2 - i 基于交叉增益调制的全光波长转换原理 图2 - 2 为两种常见实现方式：( a ) 为探测光( 厶) 和信号光( 五) 同向输入，由于输出中含 有两种光，所以在输出端需加上一只光滤波器；为探测光与信号光反向输入，输出端可 以省掉一只滤波器。 这种全光波长转换器当入射进s o a 中的光功率不变而改变其波长时，增益变化是不 同的。当探测光波长在s o a 的峰值增益处时，s o a 的增益最大，转换信号的消光比最高， 转换信号的信噪比也随消光比的增加而增加。尤其当消光比较小时，信噪比随消光比的增 加非常快。由于s o a 的自发辐射噪声，波长转换后信号的信噪比有明显的下降，当消光 比高到一定的程度时，信噪比和误码率都不再随它增加而有明显的增加了。 输入信号 k 卫唑 k 旦 同向传输模式 ( a ) 国罩 肌 - - - - + 交换后信号 w 反向传输模式 ( b ) 图2 - 2 基于s o a - x g m 原理的全光波长转换器两种常见实现方式 7 匣匣 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章波长转换的基本原理 基于x g m 的s o a 全光波长转换器是一种实现简单、转换速率很高( 可达4 0 g b i t s ) 、 转换效率也较高的转换器。但是其消光比较差，一般只有8 d b 左右。小的消光比导致了光 信噪比和误码率性能都比较差，不利于工作在级联方式下。并且由于s o a 增益随波长和 载流子密度变化的不对称性，导致了向长波长和短波长转换时消光比不同，短波长消光比 明显大于长波长方向。另一方面由于采用的是增益饱和效应，波长转换得到的是输入信号 的反相波形，这样对于那些采用占空比较大，脉冲很窄的超短脉冲通信系统不适用。此外， 有源介质中的自发辐射噪声及载流子密度变化引起的转换信号啁啾较大都限制了这种波 长转换器的性能纠。 2 2 2 基于交叉相位调制和干涉原理的全光波长转换技术 其基本原理是将探测光分为两束相干光，信号光利用交叉相位调制效应( x y m ) 对其中 一束进行调制使此束光相位随信号光变化。之后利用干涉器使两束光发生相干作用，干涉 光强度随相位变化而达到波长转换的目的。 交叉相位调制效应有s o a - x p m ，k e r r - x p m 等，干涉仪有马赫一曾德尔干涉仪( m z i ) ， 赛格耐克干涉仪( s o 、迈克尔逊干涉仪( m i ) 等。通过对这两种因素的不同组合可以产生很多 不同的波长转换器。它们的性能各有差异，下面根据不同的x p m 原理简要介绍几种波长 转换器。 当泵浦光入射到s o a 中时，载流子的变化将引起s o a 两方面的变化：一是s o a 中 增益的变化；二是s o a 折射率的变化。利用折射率变化原理人们制造了多种s o a - x p m 全 光波长转换器。图2 3 所示，s o a l 和s o a 2 被非对称的放置在m z i 两臂上，耦合器不同 的分光比使s o a 工作于不同的饱和状态，造成两臂的相位不同。 输入信号 堑一 c - 变换后信号 图2 - 3 基于马赫曾德尔干涉仪的全光波长转换原理 图2 - 4 中增加了一个耦合器，使信号光只通过一个s o a ，而另一个不受影响，从而更 有效的改变两臂的相位差。这两种结构的a o w c 也可以只有一个s o a ，但会使输出功率 变小，并对输入信号的偏振敏感。 8 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章波长转换的基本原理 探测光 沁 + 一输入信号光 k 一输出光 h 图2 4 改进的马赫曾德尔干涉仪全光波长转换原理 除了采用m z i 干涉结构外，m i 也是一种常用的干涉结构如图2 - 5 所示。s o a 的一个 面为半反射半透射膜，这样可增加信号光与探测光的作用长度，提高其动态性能。这种结 构的a o w c 结构简单，转换信号的消光比高、对信号的偏振灵敏度小于0 s d b ，可使信号 的消光比达到1 0 d b ，由于传递函数的非线性，转换信号对噪声的承载能力比原信号大3 d b ， 可在1 5 6 0 n m 附近2 0 n m 范围内进行波长转换，功率代价差小于0 5 d 口。 _ s o a l 三 输入信号 十丽f 理面 图2 - 5 基于麦克尔逊干涉仪的全光波长转抉原理 基于s o a 的a o w c 不可避免的带有自发辐射噪声( a s e ) ，而且载流子恢复时间也极 大限制了转换速率，这些不利因素使得人们又将目光投向到另一种x p m 介质克尔 ( k e r r ) 介质。克尔效应作用时间极短，因而这种a o w c 的转换速率可达t 比特级，并且不 会出现有源介质的a s e 问题，仅受量子噪声限制。非线性光学环镜( n o l m ) 是利用光纤的 克尔相位互调，并借助于s a g n a c 干涉仪而实现的a o w c 6 1 ，其原理如图2 - 6 所示，包括 一个3 d b 2x2 功率耦合器、光纤环路、将泵浦( 控制) 引入环中的波分复用( w d m ) 器和一个 偏振控制器。光纤环路作为克尔介质，非线性作用就在其中完成。探测光输入到2 2 耦 合器的臂1 ，端口3 、4 具有相同的强度、沿反方向传输。经过环路传输后这两束光在耦合 器中发生干涉，由于其中一束探测光与泵浦光同向传输，在克尔效应的作用下使两束探测 光产生受泵浦光强调制的相位差，经过干涉后此相差反映在光强上，从而完成波长转换功 一 能。走离时间( w a l k o f f - t i m e ) 是n o l m 中一项至关重要的参数。有报道指出1 7 j 一种4 0 g b i t s 的n o l m a o w c 探测光x 州于1 5 6 1 r i m 时走离时间为1 1 8 芦，转换脉冲宽度仍保持原状， 当走离时间减小时脉冲宽度可被压缩，因此这种a o w c 无明显的码间串扰o s o ，适用于 r t z 码型的全光网络。n o l m 最大的缺点是由于其为无源介质，使得转换效率较低，并且 不便于集成，目前只适合于在实验室中使用。 以上基于x f m 和相干原理的全光波长转换器的传递函数具有正弦性，对信号有一定 9 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章波长转换的基本原理 的再生能力，实际上是一个光逻辑门，这也正是较小消光比的信号经过这种波长转换器后 消光比会有所提升的原因。而且通过调节使两臂的相差为“0 或“万一可使输出信号与输 入信号同相或反相，合理选择s o a 的偏流或d s f 的长度可选择a o w c 工作点，使b e r 最小。 换信号 图2 - 6 基于非线性光学环镜的全光波长转换原理 相对于x g m 型的a o w c ，由于x p m 型a o w c 采用了干涉原理，消光比大为提高， s o a 中的增益变化也大为减小了，使转换信号的啁啾也大大减小了。这种类型的a o w c 的缺点是对输入光信号的强度变化敏感，即有一定的阈值特性，所以必须对入射信号的功 率进行严格控制。 l 一 截至态输出 黝 g 交叉态输出 图2 7 直接耦合半导体光放大器型全光波长转换器基本结构 一种利用直接耦合半导体光放大器( d e s o a ) 的x p m 型a o w c 可改进这一缺点，其基 本结构如图2 7 所示i s ! 。输入的信号光( a 。i 枷通过改变载流子密度而影响s o a 折射率实 虚部伽和刀1 ) ，使d c s o a 的传输常数和耦合系数发生变化，呈开关状态。探测光( 劫经 此开关作用而使信息转移致其上，实现波长转换。这种a o w c 的传递函数呈数字逻辑门 形式能进一步提高消光比例，当输入功率在9 d b m , - - , 1 d b m 时，可将输入信号光消光比从 8 d b 提升致1 4 - - - 1 5 d b ，优于上述传递函数呈正弦性的光逻辑门。除具有数字阈值响应外它 1 0 兰h 斋 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章波长转换的基本原理 的可接收输入信号消光比可达1 5 d 8 。另外还具有结构简单易于构造封装 i o i ，并且不需有 源或无源器件的集成，目前尚在研究之中。 2 2 3 基于非线性混频原理的全光波长转换技术 当多束光在非线性介质中传输时，由于非线性作用将产生新的波长。根据发生作用的 光波数目可分为：三波混频( 两个输入波长，一个输出波长) 和四波混频f w m ( - - 个输入波 长，一个输出波长) ，它们分别来源于二阶非线性效应和三阶非线性效应。这种a o w c 是 目前唯一能对输入信号进行透明转换的a o w c ，它同时还可将一组波长的信号转换到另一 组波长上去，转换速率可达l o o g b i t s 以上，但由于这些效应是参量过程，需要满足相位匹 配条件，并且转换效率很低，对1 7 d b m 的泵浦光典型的转换效率为2 0 d b 左右。 ( ) d 2 图2 - 8 四波混频( f w m ) 基本原理 光纤和s o a 中的f w i v l 都已被用来实现a o w c 。对f w m 的半经典解释为：两束不 同波长的光在非线性介质中相互作用时，光强度上的叠加形成一个折射率光栅。新的波长 在几束波长作用于非线性介质时产生，如图2 8 所示其中泵浦光频为p ，信号光频为 。，两束新波长的频率分别为2 p 一。和2 。一d p 。前者是泵浦光被光栅散射的结果，后 者是信号光被光栅散射的结果。两者的比值和泵浦光与信号光的比值相等，一般在2 0 d b 以上。所以频率为2 p 一。的光为转换波，2 。一p 为卫星波。在w d m 系统中，转换 波和卫星波可能会与其他信道的波长相重合而造成串话，使系统性能下降。 光纤f w m 型a o w c 需要较大的泵浦源，可以将光纤与s o a 构成半导体光纤环路激 光器( s f r l ) 形成可调a o w c l ，省掉外部泵浦源。其原理如图2 - 9 所示，通过偏振控制器 0 c 1 ) 经3 d b 耦合器将信号光输入进环形激光器，在环形腔内与内置泵浦光混合在光纤中发 生f w m 将信号转移至转换波长上再经另一个3 d b 耦合器通过滤波器输出实现波长转换目 的。这种a o w c 具有连续平滑可调，动态范围大、稳定性高等有点，可对单波长进行操 作i l 引，由于利用半导体激光器的非简并四波混频( n d f w m ) 从而对偏振不敏感。 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章波长转换的基本原理 图2 - 9 半导体光纤环路激光器型全光波长转换器结构 由于光纤中f w m 受色散严重限制转换效率很低，所以基于s o a - f w m 的a o w c 普 遍受到重视。因为s o a 的增益特性，所以在s o a 中发生的f w m 效率要比无源波导中高， 非线性也要强。其载流子光栅至少有三种机制产生：载流子密度调制、动态载流子加热和 散射过程。另外由于介质为有源物质，所以可以很方便的将放大与转换集成。已经有报道 称利用非兼并四波混频n d f w m 的集成放大分布反馈激光器1 1 3 1 ，工作于3 0 0 g b w s 时转换 效率可高达0 加，工作于1 t b i t s 时转换效率也有一5 纺。并且由于自带激励源作为泵浦， 所以无需额外泵浦光输入。虽然仍受a s e 限制，且目前带宽只有1 2 n m ，并且波长转换不 对称，向长波长方向转换效率明显高于短波长方向转换。例如，在1 t b i t s 时长波长转换效 率可达5 d b ，但短波长方向转换只有13 d b ，这种不对称性是由载流子密度脉动、频谱烧孔 等效应造成的1 1 j 虽然有上述一些缺点，但这种a o w c 的高效率、高转换带宽却十分突 出，是一种很有前途的a o w c 。 图2 1 0 基于d f g 的全光波长转换器框架结构 基于二阶非线性过程的d f g 效应【1 5 i a o w c 与f w m 相似，可以实现完全透明波长转 1 2 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章波长转换的基本原理 换，噪声只限于量子噪声，且转换信号啁啾与输入信号反相。可实现多波长转换。其最大 的特点在于对偏振方向的不敏感，不同偏振方向的最大转换效率差只有0 4 d b ，而且不产 生卫星波，所以多波长转换时不会对其他信道产生串扰。如图2 - 1 0 所示，一种泵浦于1 5 m 的l i n b 0 3 波导利用二阶非线性效应级联( x 2 ：x 2 ) 【1 6 1 7 】，全程转换效率可达一8 扭，转换 带宽7 6 n m ，并且输入信号动态范围达5 0 d b 。其原理如下，设口、。分别代表泵浦和信 号光频率，p 通过二阶非线性过程产生二次谐波2 p ，随后此二次谐波2 p 与信号光。 混合再经过一次二阶非线性过程得到输出波长叫= 2 p 一( 1 ) ，。在两次转换过程中d f g 同 f w m 一样要符合相位匹配条件，这一点可通过选择合适的准相位匹配光栅( q p m ) 周期得到 满足。上式中可以看出其形势与基于三阶非线性过程的四波混频一样，由于是通过二阶非 线性作用产生，其效率要远远大于f w m ( 至少4 到5 个数量级) ，再通过作用距离的增长， 转换效率还可进一步提高。当泵浦光功率为7 5 r o w , 互作用长度为6 c m 时转换效率有o d b ， 当泵清提高到1 0 0m w 是转换效率可达3 d b ，是一种极具发展前途的a o w c 。 2 2 4 其他类型全光波长转换技术 如图2 - 1 1 所示x a m - a o w c 利用光的交叉吸收调制效应g a 鹕，使信号光( xi ) 改变电 吸收调制器正舢旧中的光生载流子饱和吸收，利用此饱和吸收变化调制连续探测波( 入。d ， 达到波长转换的目的这种方法不会出现x g m - a o w c 的反码现象，并且具有通断比高、 动态范围大，易于集成等优点。此外，对输入信号光还有再生能力。这种a o w c 的转换 效率与器件长度及输入光功率水平有关，其转换速率受到饱和吸收恢复时间的限制。目前 水平转换速率可达到4 0 g b i t s i 引，工作于1 5 3 到1 5 7 f 朋时通断比为2 0 扭。 图2 1 1 基于交叉吸收调制的全光波长转换器基本结构 此外还有饱和吸收双稳态激光器和光调制d b r 激光器a o w c ，由于受到载流子自发 辐射寿命的影响带宽只有1 g h z ；注入锁定半导体激光器型波长转换器，这种转换器啁啾 小但要实现较大的消光比需要较高的注入功率，而且其转换速率由于受到载流子驰豫振荡 的影响，一般转换速率在5 2 0 g b i t s ，就不作介绍了。 1 3 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章f w m - a o w c 的转换效率及其影响因素 第三章f w m a o w c 的转换效率及其影响因素 3 1 四波混频 3 1 1 四波混频的起因 参量过程起源于光场作用下介质中束缚电子的非线性响应，更准确地说，作用场与介 质极化的关系不是线性的，而是包含有非线性项，其大小由非线性电极化率决定。参量过 程根据其对应的是二阶电极化率还是三阶电极化率，可分为二阶或三阶参量过程。在偶极 子近似下，对各向同性介质，其二阶电极化率为零。基于这个原因，诸如二次谐波的产生 及和频运转等二阶参量过程不会在石英光纤内实现。实际上，由于存在四极子和磁偶极子 效应，这些过程恰恰在石英光纤中出现了，但是转换效率相对较低。有报道称：在特定条 件下，已观察到了光纤内二次谐波的产生，其转换效率甚高( 1 ) 。 通常，三阶参量过程涉及到四个光波的互作用，包括诸如三次谐波的产生、四波混频 和参量放大等现象。四波混频，在量子力学术语中指个或几个光波的光子被湮灭，同时 产生了几个不同频率的新光子，并且在这参量过程中，净能量和动量是守恒的。通俗地讲， 也就是两个或者三个波长的光波经过混合产生新光波。由于光纤中的四波混频能有效地产 生新的光波，人们已对它进行了广泛地研究【1 9 1 。 我们知道在高强度电磁场中，任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。 从其基能级看，介质非线性响应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电子的非谐振运 动有关，结果导致电偶极子的极化强度p 对于电场e 是非线性的，因而满足通常的关系式 p g p = o i x 1 e + z 2 ：髓+ z 3 i e e e + 】 ( 3 1 ) 式中fo 是真空中的电介质常数，x 0 ) 0 = 1 ，2 ，3 ，) 为j 阶电极化率，考虑到光的偏振效应， x 【j ) 是j + l 阶张量。 四波混频的主要特点可以通过式( 3 1 ) 的三阶极化项来解释。 = 6 0 z q ! 脚 ( 3 2 ) 式中e 为电场，为感应非线性极化率，占。为真空中的介电常数，考虑振荡频率分别为 l ，( d 2 ，彩3 和4 ，沿茗方向线偏振的四个光波，总电场可以写成： 1 4 雨京邮电大学硕士研冗生毕业论文第三苹f w m o w c 的转换艘翠及g - 影响凼秉 e = 曼去qe x p i ( k j z - 勿，f ) 】+ 口彩( 3 - 3 ) 一、一j j 。 式中 k j = n j jc(3