（光学工程专业论文）光波长转换技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 波长转换器是未来全光网络的关键器件，采用光波长转换器，能减少了交换节点处 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，提高了 网络的灵活性和利用率。随着光传送网技术的不断发展，对波长转换器的研究开发变得越 来越迫切和重要。 本文研究了基于s o a x g m 的全光波长转换器的性能、采用s o a x g m 波长转换器 的传输系统的性能和波长转换器自动测试系统。 首先，综述了各种光波长转换器的特点和原理，介绍了半导体光放大器的结构和特 性，分析了半导体光放大器的载流子速率方程和光脉冲传输方程，建立基于s o a x g m 全光波长转换器的动态分段分析模型。 然后，文章数值分析了基于s o a x g m 波长转换器的消光比、啁啾、转换效率及 a s e 噪声的特性。得到了这些特性与光功率、波长转换间隔、信号速率、s o a 注入电流、 s o a 腔体长度的变化关系，并对这些参数进行了优化，改善了波长转换器的性能。 接着数值分析了采用全光波长转换器的背靠背系统和光纤传输系统的误码性能，得 到了系统误码率与光功率、信号速率、波长转换间隔、信号光占空比的变化关系。并得 到结论：当采用适当的光功率和信号光占空比，光波长向下转换时，能有效的减小传输 系统误码率。 最后，根据工程实际需要，研究开发了c w d m 系统光电光型波长转换器的性能自 动测试系统。分析了这种波长转换器的功能结构，设计了自动测试系统的仪器连接图和 自动测试软件流程图，编写了自动测试软件程序中的关键部分一光开关控制程序。并利 用该自动测试系统对波长转换器产品的性能进行了测试，测试结果表明，该测试系统工 作稳定、测试精度高，可满足工程要求。 关键词：半导体光放大器波长转换交叉增益调制误码率自动测试系统 南京邮电大学硕士研究生学位论文英文摘要 a b s t r a c t w a v e l e n g t hc o n v e r t e ri sak e yc o m p o n e n ti nf u t u r ea l lo p t i c a ln e t w o r k s i tc a i ld e c r e a s e t h en e t w o r kb l o c k i n gp r o b a b i l i t yc a u s e db y w a v e l e n g t hc o m p e t i t i o ni ns w i t c h i n gn o d e t h e r e f o r e ，w a v e l e n g t hc o n v e r t e rc o u l dn o to n l ye n h a n c et h ed y n a m i cr o u t i n gi nw a v e l e n g t h r o u t i n go p t i c a ln e t w o r k s ，b u ta l s oi m p r o v en e t w o r kf l e x i b i l i t ya n du s a g e w i t hr a p i d d e v e l o p m e n to fo p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to n w a v e l e n g t hc o n v e r t e rb e c o m em o r ei m p o r t a n ta n du r g e n t t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ft h ep e r f o r m a n c e so fa 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 rb a s e d o ns o a x g m ，t h ep e r f o r m a n c e so ft r a n s m i s s o n s y s t e md e p l o y e da o w cb a s e d o n s o a x g m ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mo fw a v e l e n g t hc o n v e r t e r f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dp r i n c i p l eo fa l lk i n d so fw a v e l e n g t hc o n v e r t e r sa r er e v i e w e d ， t h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h es o aa r ei n t r o d u c e d ，a n dr a t ee q u a t i o n so ft h ec a r r i e ra n d p r o p a g a t i o ne q u a t i o n so fo p t i c a lp u l s ei ns o aa r es t u d i e d ，am u l t i s e c t i o nd y n a m i cm o d e lo f a o w cb a s e do ns o a ) ( g mi se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fa o w cb a s e do ns o a - x g m ， s u c ha se x t i n c t i o nr a t i o 、c h i r p 、c o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n da s en o i s e a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dl i g h tp o w e r ，w a v e l e n g t hi n t e r v a l ，s i g n a lv e l o c i t y ，i n j e c t i o n c u r r e n ta n dc a v i t yl e n g t ho fs o ai so b t a i n e d t h e nt h ep a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e dt oi m p r o v e p e r f o r m a n c eo fw a v e l e n g t hc o n v e r t e r t h i r d l y , t h eb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo ft h eb a c kt ob a c ks y s t e ma n df i b e rt r a n s m i s s i o n s y s t e mu s i n ga o w ca r ea n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c ea n d l i g h tp o w e r 、s i g n a lv e l o c i t y 、w a v e l e n g t hi n t e r v a l 、p u l s ed u t yc y c l ei so b t a i n e d a n dt h e c o n c l u s i o nc o u l db ed r a w nt h a ti m p r o v e m e n to fb e r p e r f o r m a n c eo ft r a n s m i s s i o ns y s t e m c a l l b ea c h i e v e db yu s i n gp r o p e rl i g h tp o w e ra n dp u l s ed u t yc y c l eo rc h a n g i n gt h ew a v e l e n g t ht oa s m a l l e ro n e f i n a l l y , a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n t s y s t e mf o rp e r f o r m a n c et e s to fo p t o e l e c t r o n i cw a v e l e n g t hc o n v e r t e rp r o d u c te m p l o y e di n c w d m s y s t e mi sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e ds t r u c t u r ea n df u n c t i o n o ft h i sw a v e l e n g t hc o n v e r t e r e q u i p m e n tc o n n e c t i o ng r a p ha n ds o f t w a r ef l o wc h a r to ft h e i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文英文摘要 a m sa l ed e s i g n e d i nt h ep a p e r , t h ek e yp a r to fa m ss o f t w a r e - - c o n t r o lp r o g r a mo ft h e o p t i c a ls w i t c hi sa c c o m p l i s h e d t h ec o n c l u s i o nc a l lb ed r a w nf r o mt h ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r p e r f o r m a e et e s tu s i n gt h ea m s i st h a tt h em e 龇e m e m s y s t e mw o r k ss t a b l ya n dp r e c i s e l y , a n d i tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ee n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s o aw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n c r o s s g a i nm o d u l a t i o n b i te r r o rr a t e a u t o m a t i cm e a s u r e m e ms y s t e m l 南京邮电大学学位论文独创性声明 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：名牝日期：堡型臣必， 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 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 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，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部办理。 研究生签名：型l 丛导师签名：鱼丝i 生日期：里壁：f 。 j 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着i n t e m e t 的迅速普及以及宽带通信网的快速发展，人们对信息的需求呈现出爆 炸性的增长。信息技术在提高人们生活品质和工作效率的同时，也对通信网提出了更高 的要求。在当今通信网中广泛使用的单模光纤理论上可以支持1 t h i s 以上的业务速率， 但在实际的应用中，最高传输速率不过是l o g b s ，光纤巨大的带宽还远远没有被利用 1 1 。 波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术是公认的实现超大容量光纤通信 的最有效的途径。波分复用技术就是以波长为标志将传输信道进行分隔，不同的波长对 应不同的信道，从而可以在一根光纤上同时传输多路信号，进而可以大大的提高光纤通 信系统的容量。波分复用技术提供了在波长领域对光纤带宽资源充分利用的技术，且波 长的路由和交换作用是实现全光透明网络的重要因素。 w d m 网络中的波长的数量决定着独立的波长地址或者通路。虽然这些波长在数量 上可能大得足以满足所要求的信息容量，但是还不足以提供足够多的节点数。这时，当 具有相同波长的两个信道同时路由到一个输出端口时，会导致波长竞争，w d m 网络会 有很高的阻塞率。解决上述问题的关键技术之一就是波长变换技术。 波长转换器( w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 的作用是将从波分复用终端或其他设备来的光信 号进行转换，将非匹配波长上的光信号转到符合要求的波长上，从而实现信号从一个波 长向另一个波长的转换。在含有波长转换器的网络中，光通道能通过在不同的链路上用 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，同时还有利 于网络的运行、管理和维护【2 1 。 1 2 波长转换技术 理想的波长转换器应具备以下特征 3 1 ：转换码率较高，至少达到l o g b s ，以满足高 速传输的要求：输出信号消光比和信噪比不能恶化，使多个转换器可以级联；输入功率 要低，大约o d b m ；输入输出的波长范围要宽，满足w d m 网络波长要求；转换时引入 的啁啾要小：对输入偏振不敏感，输出响应快；应用要简单等。 目前实现波长转换主要有光一电一光型和全光波长转换两大类方法。利用光一电一 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 光法制成的波长转换器已实用化，广泛地应用在光纤通信系统中；而全光波长转换技术 应处于理论研究和实验阶段。 1 2 1 光一电一光型波长转换 光一电一光波长转换技术能够对光信号进行再生而实现光信号的转发。光一电一光 波长转换技术是现阶段比较成熟的波长转换技术，较全光波长转换器件更易在网络中应 用，而且对信号的再生能力和网络的设计、控制能力使得这项技术非常有潜力，光一电 一光波长转换使用光功率的范围比较广，不需要滤波器和偏振控制。 光一电一光波长转换技术如图1 1 所示，先通过光电检测器把光信号转换成电信号， 电信号比特流存储在先进现出队列装置( f i f o ) 中，然后再用电信号驱动可调激光器， 得到期望波长的输出信号。光一电一光波长转换技术是比较成熟的波长转换技术，它的 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； 但缺点是：电路结构相对复杂，不能对传输率完全透明，经过光一电一光波长转换后， 原先光信号的相位、幅度等信息都会丢失，无法实现光信号的完全透明传输，信号再生 费用高，可靠性低，升级困难。 1 2 2 全光波长转换 图1 1 光一电一光波长转换技术 全光波长转换( a no 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 ) 因其无需光电、电光转换 器件，不受光信号格式( s i g n a lf o r m a t ) v 以及位数率的限制，使光网络具有透明性的特点而 受到关注。由于全光波长转换器能够高效、可靠、简便地把信号光从一个波长转换到另 一个波长，从而使基于波分复用的全光通信网系统容量大大提高，实现波长的再利用， 解决了波长竞争问题，实现波长路由和虚通道功能，降低网络阻塞率，使网络管理更为 灵活、简便和合理。无论实现a o w c 的是有源器件( 如半导体光放大器s o a ) ，还是无源 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 器件( 如光纤) ，它们依据的都是光的非线性效应。以下对这些非线性效应做一个简要的 介绍： ( 1 ) 交叉增益调带l j ( c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ，x g m ) ：利用信号光携带的信息调制有源 介质的增益，从而调制在同一介质中传播的探测光的放大倍数，使其强度产生调制，实 现信息从信号光到探测光的转移。 ( 2 ) 交叉相位调带l j ( c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ，x p m ) ：当信号光和探测光共同传播时，信 号光强度调制非线性介质的有效折射率，从而改变探测光的传播相位。利用干涉仪将探 测光分成两路，并利用信号光改变两路光之间的相差，在输出端发生相长或者相消的干 涉，就可使信号光的信息同相或反相地转换到了探测光上。 ( 3 ) 四波混频( f o u rw a v em i x i n g ) ：四波混频是一种重要的非线性效应。满足相位和波 长条件时，非线性介质中的两路光 和五发生拍频，使介质折射率或载流子分布形成周 期为q = q 一哆的动态光栅，第三路光冯在此光栅上发生散射，产生频率为叻= 鸭+ q 的 四波混频光。如果q = 屿，即q = 2 q 一哆，如果设置五和五分别为探测光和信号光， 那么五的信心就被复制到了五，从而完成波长转换。 ( 4 ) 差频效应：这是在准相位匹配( q p m ) 光栅波导中产生的一种效应。高功率的信 号光略和探测光耦合后进入q p m 光波导中，产生高效率的二阶非线性差频效应，光 场之间发生能量的转移，每湮灭一个高频光子，就产生两个低频光子。产生的波长为 1 五= 1 名口一1 五，它完全复制了信号光的强度和相位信息，频率转移间距为 a c o = q q = 一2 q ，从而实现波长转换。 1 3 全光波长转换器分类 1 3 i 基于半导体光放大器( s o a ) 的全光波长转换器 半导体光放大器( 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 o a ) 是一种具有光增益的光电器 件，它是利用半导体激活介质能够给通过的传输光提供增益的机理，使光信号得到放大。 半导体激光放大器尺寸小、频带很宽、增益也很高，但最大的弱点是与光纤的耦合损耗 太大，易受环境温度影响，因此，稳定性较差。半导体光放大器容易集成，适于与光集 成和光电集成电路结合使用。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 一v 图1 2 半导体光放大器结构示意图 半导体光放大器的非线性系数相比较普通光纤，光子晶体光纤等无源非线性介质来 说要大很多，而且在半导体光放大器中存在着交叉增益调制( x g m ) 、交叉相位调带i j c x f m ) 及四波混频( f w m ) 等光一光相互作用。因此利用半导体光放大器不仅能实现放大光信 号，而且可以利用它的非线性特性进行全光信号处理，如全光波长转换，全光时钟恢复， 全光逻辑等。 1 ) 基于s o a x g m 效应的波长转换器 交叉增益调制型全光波长转换的原理如下： 当一强度调制信号光进入s o a 后，由于增益饱和效应，随着信号光强度的增大， s o a 的增益将减小，当信号光强度减小时，s o a 增益将得到恢复。因此，当信号光( 波 长为五) 和连续波探测光( 波长为以) 同时进入s o a 时，此连续波将受s o a 增益变化的影 响而携带和输入信号光相同的强度调制信息。 信号光和探测光有两种传输形式：同向传输和反向传输，如图1 3 所示。 誊：。些日葺吨队 探测光 。一8 0 a 广l _ 1 型堇 输入信号 转换后信号 ( b ) 相向传输方式 测光 。 图1 3 基于s o a x g m 的波长转换 基于s o a x g m 的波长转换器具有较高的转换效率、输出信号增益较大、对偏振不 敏感、结构简单等优点，不过也存在着输出信号有啁啾成分，消光比劣化及从短波长转 换至长波长时效率较低等问题。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 2 ) 基于s o a - x p m 效应的波长转换器 基于交叉相位调制的波长转换器利用s o a 中载流子饱和引起的折射率变化这一现象。输 入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。交叉相位调制通常使用马赫一曾德( m a c h z e h n d e r ) 或者 麦克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪，基本结构如图1 4 所示。 ( i ) 基于马赫一曾德干涉仪( m z i ) 的全光波长转换结构 框 坠笪u 一- ju u l 5 ( ”基于麦克尔避干涉仪( ) 的全光波长转换结构 图1 4 基于s o a - x p m 的波长转换 基于s o a x p m 的波长转换具有高消光比、高效、波长转换范围较宽等优点。此外，与 x g m 相比，x p m 的增益波动较小，因此波长转换时的啁啾变小。但x p m 对功率敏感， 输入光功率的动态范围比较小。 3 ) 基于四波混频( f w m ) 效应的波长转换器 基于四波混频的波长转换可以描述为信号光( 频率纵) 和连续探测光( 频率q ) 入射到非线 性介质后，产生转换光( 频率为国= 2 c o , 一缈。) 。在光纤及s o a 等非线性介质中，都可以 产生四波混频效应，但由于光纤中f w m 受色散影响转换效率低下，所以基于s o a f w m 的全光波长转换受到重视，相比较s o a x g m 和s o a x p m ，基于s o a f w m 的波长转 换器能实现对输入信号的透明转换，它可以保留输入信号的幅度相位的全部信息，这对 于下一代高容量光网络的光交换来说有着极其重要的作用。此外s o a f w m 还可将一组 波长的信号转换到另一组波长上去，这也是其他全光波长转换器无法做到的。但它也存 在着转换效率低、波长转换范围受限、对偏振敏感等缺点。 幽絮皿 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3 2 基于激光器的全光波长转换器 1 ) 基于激光器的交叉增益调制 在w d m 网络中，在节点处需要使用光滤波器及路由器，一个信号光可能要通过很 多节点。在这样的系统中，一个光信号就要通过很多滤波器，即使每一个滤波器的通带 很宽，但系统总的有效通带就变窄了。当串联的滤波器的通带比调制信号的带宽小时， 由于信号的高频分量不能通过，信号脉冲串将发生畸变。因此，在w d m 网络中，具有 部分再生功能的光器件受到重视。 针对上述问题，提出了基于半导体激光器的交叉增益调制型全光波长转换器。其工 作机理是基于激光介质的增益饱和效应，突出优点是转换信号的消光比非常高，这样在 实现波长转换的同时，还可改善信号的消光比。可简单描述为，对于一个在阈值以上工 作的激光器来说，当有波长力。位于激光介质增益谱范围内的外部信号光通过光纤环形器 或耦合器注入到其腔内时，由于增益饱和效应，在激光器振荡波长处的增益将降低，当 注入光功率达到一定程度使增益小于损耗时，激光振荡将被抑制，仅有自发辐射存在， 输出功率极小。这样，某一波长幅度调制信号注入到激光器时，激光器输出就相应被调 制，从而将幅度调制信息由波长五。转移到激光器输出波长丸上，实现波长转换功能。由 于转换后的“0 与“1 ”信号分别对应于激光器的熄灭与振荡，所以转换后的信号消光 比非常高。 2 ) 基于激光器的四波混频 将信号光注入到激光器中，在激活介质内与激光器产生的激光进行四波混频，同样 可以实现波长转换。由于激光器直接提供了泵浦光，所以不像s o a 那样需要外部注入泵 浦光。由于d f b 激光器可提供窄线宽、单纵模通信用波段激光，而且信号光只要位于 d f b 激光器光谱范围之外，就可以高效耦合到激光腔内，因此，d f b 激光器成为首选器 件。初期首先利用兄4 相移d f b 激光器中的四波混频实现波长转换，但这种方案难以 获得高的转换效率。为了得到高的转换效率，需要高的线性增益，以放大信号和共轭波， 但激振过程将其钳制在阈值。可以通过减小t e l 值来提高d f b 激光器的阈值增益( 鬈为 光栅耦合系数，为腔长) ，但同时边模抑制比将降低，而且单模工作不稳定。 基于上述原因，提出了另一种提高线性增益的方法，是将s o a 集成到d f b 激光器 上，形成单片集成器件，而不牺牲激光器的稳定性。器件沿光波传播方向分为三段，两 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 侧为s o a ，中间为d f b 激光器，r = 1 8 。s o a 长均为2 5 0p m ，d f b 激光器长3 0 0 p m 。s o a 越长，增益就越高，可以提高转换效率【4 】。 1 3 3 基于光纤的全光波长转换器 1 ) 基于光纤的四波混频 当光频分别为z 、六、以( f ，j ，k 的取值为1 , 2 ，3 ) 的三个信号通过光纤时，四波混频 过程将产生9 个混频光，其频率可以表示为：厶= z + 乃一五( f ，_ 七) 。以z 、乃为泵浦， 五为信号，则转换输出功率如下式所示： 丘= 丽1 0 2 4 x 6 、。，2 百p 彬p ki 筹1 2 m ， 式( 1 1 ) 中工为光纤长度，万为纤芯折射率，五为波长，c 为真空光速，d 为简并因子 ( f - 歹时d = 3 ；i j 时d = 6 ) ，石川为三阶非线性极化率，锄为导模艇的有效面积， p 为功率，为混频光的传播常数，口为光纤损耗系数，= 鲰+ 反一厂层为传播 常数差，表示相位失配的量。 光纤作为四波混频介质的优点是响应快，转换码率几乎是无限的：但普通石英光纤 的非线性系数小，波长转换的效率很低，需要长距离的光纤积累非线性效果，很难实用 化。而且受到色散的影响，一旦波长偏离零色散波长，其效率就迅速降低，限制了转换 宽带。有入提出采用高非线性系数的光子晶体光纤来增大波长转换效率。其原理如图1 - 5 所示： 图1 5 基于光子晶体光纤的波长转换 信号光q 和泵浦光哆同时注入光子晶体光纤，泵浦光采用相位调制以抑制受激布里 渊散射s s b ( s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) ，以减弱线宽展宽给光通信带来的影响。由于 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 光子晶体光纤的非线性效应，将在输出端产生p ( 哆一q ) 的两个边带，其中，一个与q 重叠，即信号光放大，另一个边带( 闲频光) 为c o , = 2 彩。一q ，t o , 携带了原来信号光的 信息。接受端加上可调谐滤波器，滤掉放大的信号光q ，得到转换后的光信号。从而利 用光纤参量放大器原理实现了全光波长转换也形成了全光波长转换器。 该波长转换器的优点是：1 ) 转换波长可调谐：2 ) 对信号的编码格式具有透明性；3 ) 波长转换速率高，范围大。但是，该波长转换器受光子晶体光纤质量的限制，其实用还 有待光子晶体光纤技术的发展。 2 ) 基于非线性光纤环路径的交叉相位调制 非线性光纤环路径实质上是一个以光纤为非线性介质的s a g n a e 干涉仪，如图1 - 6 所 示。连续波探测光由5 0 ：5 0 的光纤耦合器分为两部分，并沿两个方向传输。当不存在非 线性作用时，两个方向的探测光相位差保持不变。输入信号经光纤耦合器进入到光纤环， 并沿顺时针方向传输。由于非线性光纤存在光学k e r r 效应，输入信号将调制光纤的折射 率，导致沿逆时针传输的探测光比沿顺时针方向传输的探测光相位增加，由于这种不对 称，在输出侧探测光将被信号光调制。全光纤系统要求有超过2 k m 长的光纤，由于光纤 局部折射率变化，输出会出现不稳定现象。 采用非线性光学环形镜( n o l m ) 的全光波长转换具有耦合效率高、转换速率快、 结构简单和全光纤化等优点。 图1 - 6 基于非线性环形镜的波长转换方案 1 3 4 其他类型的全光波长转换器 除了以上介绍的全光波长转换技术外，其他类型的全光波长转换器包括：差频发生 型全光波长转换器和基于电吸收调制的全光波长转换器等。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 差频产生( d i f f e r e n t i a lf r e q u e n c yg e n e r a t i o n ，d f g ) 是利用物质的二次非线性来进行 波长转换的。信号光国。和泵浦光国。入射到二次非线性媒质后，产生被转换光 ， 、 彩= 国。一缈。此时为了进行高效转换，必须满足信号光与泵浦光、被转换光之间的相位 匹配条件。为此，人们大多采用周期域( p e r i o d i cd o m a i n ) 反相结构来实现伪相位匹配。对 于高效转换而言，在均一性方面性能优越的伪相位匹配( q p m ：q u a s i p h a s em a t c h i n g ) 、光 波导管的大尺寸化、光损伤耐受性的提高以及偏振无光化都是很重要的。差频发生能够 对1 t b s 级的超高速信号进行波长转换。另外，它还具有波长可变频带较宽、波长转换 跨度大等特点，适于进行多波长成批转换。 电吸收调制器( e a m ) 是一种损耗调制器，它利用f r a n z e k e l d y s h 效应和量子约束 s t a r k 效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。九十年代后随着高速率长距离通信的发 展，电吸收调制器的研究受到重视。将信号光和探测光以相向方式注入固定电压偏置的 e a m ，在信号光高功率情况下，光生载流子引起的内部电场会改变波导的吸收特性。根 据饱和吸收的变化调制连续探测光，从而达到波长转换的目的。基于电吸收调制的全光 波长转换器具有低啁啾、低噪声、波长转换间隔宽，应用前景广阔。但其转换速率受到 饱和吸收恢复时间的限制和器材长度以及输入光功率的影响。 纵观上述各类全光波长转换器可知，利用光纤非线性的波长转换器转换速度快，但 因为光纤的非线性效应弱，其转换效率很低；基于激光器的四波混频的波长转换效率也 不高，基于激光器的交叉增益调制通常有输出波长不可调、偏振敏感、转换有损耗等缺 点；基于电吸收调制的全光波长转换器其转换效率受到饱和吸收恢复时间的限制和器件 长度以及输入光功率的影响。而基于半导体光放大器的波长转换器结构简单、转换效率 高、响应快、转换范围宽、结构紧凑、易于集成，因此最具有实用化前景，成为全光波 长转换器研究的主流方向。 1 4 全文章节安排 第一章首先简要介绍光波长转换器在波分复用网络中的作用。根据光波长转换的工 作方式将其分为光电光型波长转换器和全光波长转换器，在综述了各种全光波长转换器 的特点和原理后，通过比较各自的特点，指出基于半导体光放大器的全光波长转换器是 研究的重点。 第二章介绍了半导体光放大器的结构和特性，分析了半导体光放大器的载流子速率 方程和光脉冲传输方程，为s o a 波长转换器数学模型的建立提供了必要的理论依据。然 o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 后分析了稳态分析模型的缺陷和动态分析模型对分析高速率情况的优势，最后建立了基 于s o a x g m 全光波长转换器的动态分段分析模型，推导了动态情况下求解转换信号功 率的表达式，为对基于s o a x g m 的全光波长转换器的性能分析提供了理论模型和分析 方法。 第三章文章数值分析了基于s o a x g m 波长转换器的消光比、啁啾、转换效率及 a s e 噪声的特性。得到了这些特性与光功率、转换波长范围、信号速率、s o a 注入电流、 s o a 腔体长度的变化关系，并对这些参数进行了优化，改善了波长转换器的性能。 第四章分别研究了采用s o a x g m 波长转换器的背靠背系统和传输系统的误码率 特性。讨论了输入波长转换器的信号光功率、探测光功率、波长转换间隔、信号速率、 s o a 注入电流对背靠背系统的误码率的影响：以及输入波长转换器的信号光功率、探测 光功率、波长转换间隔、信号速率、信号光占空比对传输系统的误码率性能影响，并得 到了一些有用的结论。 第五章根据工程实际需要，研究开发了c w d m 系统光电光型波长转换器的性能 自动测试系统。分析了这种波长转换器的功能结构，设计了自动测试系统的仪器连接图 和自动测试软件流程图，编写了自动测试软件程序中的关键部分一光开关控制程序。并 利用该自动测试系统对波长转换器产品的性能进行了测试，测试结果表明，该测试系统 工作稳定、测试精度高，可满足工程要求。 第六章总结全文 参考文献 1 】s j b y o o ，w 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 i e s f o rw d mn e t w o r k i n g a p p l i c a t i o n s ， j 】j o u r n a lo fl i g h t w a v et e c h n o l o g y , v 0 1 14 ，n o 6 ，j u n e19 9 6 【2 】丘昆、王晟、丘琪光纤通信系统成都：电子科技大学出版社，2 0 0 5 【3 】陈健肖、陶振宁、等全光波长转换技术研究电信科学，2 0 0 0 ，4 ：1 - 4 【4 】马军山等光纤通信原理与技术北京：人民邮电出版社，2 0 0 4 【5 】赵同刚，赵文深采用光子晶体光纤实现全光波长转换研究光电技术应用， 2 0 0 6 ，2 1 ( 1 ) ：1 一 【6 】6 姜欢，吴克瑛，韩柳燕等注入锁定半导体激光器全光波长转换技术中国激光， 2 0 0 5 ，3 2 ( 9 ) ：1 1 8 3 1 1 8 8 【7 】7m a 1 u n s h a n ，f a n g z u j i e s m a l ls i g n a la n a l y s i s o fl a s e r d i o d e - t y p ea l l o p t i c a l 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 w a v e l e n g t hc o n v e r t e r j 】o p t i c a lt e c h n i q u e ，2 0 0 2 ，2 8 ( 6 ) ：5 6 8 - 5 7 0 【8 】兰明建，吴建伟基于s o a 中x g m 全光波长转换的消啁啾模型光通信技术， 2 0 0 4 ，7 ：4 6 4 8 9 】施伟伟，张汉一等基于半导体光放大器的波长转换新方案研究光通信技术， 2 0 0 4 ，8 ：4 3 - 4 5 【l o 】李保海，吴重庆，付松年等半导体光放大器的研究进展与新应用光通信技术， 2 0 0 4 ，4 ：1 8 2 1 【1 1 】杨祥林，光放大器及其应用，北京：电子工业出版社，2 0 0 0 1 2 】d j a f a rk ，m y n b a e wl o w e dl ，s e l l e d e r 光纤通信技术，北京：科学出版社，2 0 0 2 1 3 】d u r h u u st ，j o e r g e n s e nc ，m i k k e l s e nb ，e ta 1 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 nb y s o a si nam a t 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 nt e c h n o ll e t t ，19 9 4 ，6 ( 1 ) 【1 4 】叶亚斌，郑小平等，基于半导体光放大器中交叉增益调制效应的波长转换啁啾 特性的分析光学学报，2 0 0 2 ，2 2 ( 4 ) ：4 3 6 4 4 0 【15 】m a n e lm u n o zd el ac o n e ，j a a f a rm h e u n i r g h a n l a c c u r a t en o i s ec h a r a c t e r i z a t i o n o fw a v e l e n g t hc o n v e r t e r sb a s e do nx g mi ns o a s j o u r n a lo fl i g h t w a v e t e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，2 1 ( 1 ) ：1 8 2 1 9 7 【16 】o b e r m a n nk k i n d ts ，b r e u e rd p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fw a v e l e n g t hc o n v e m r s b a s e do nc r o s s g a i nm o d u l a t i o ni ns e m i c o n d u c t o r - o p t i c a la m p l i f i e r s j l i g h t w a v e t e c h n o l o g y , 1 9 9 8 ，1 6 ( 1 ) ：7 8 - 8 5 【1 7 】董天临等光纤通信与光纤信息网北京：清华大学出版社，2 0 0 5 【1 8 】赵宇、王发强等基于s o a x g m 波长转换器消光比特性的研究半导体光电 2 0 0 3 4 ：4 2 9 4 3 2 【1 9 】方来付、张杰等全光网络中的波长变换光通信研究2 0 0 0 ：4 0 - 4 4 2 0 】赵宇基于s o a 的全光波长转换器的特性研究南京大学硕士学位论文2 0 0 3 【2 1 】葛春风、黄超等利用交叉增益调制实现光时分复用一波分复用波长转换光学 学报2 0 0 1 1 0 ，2 1 ( 1 0 ) ：1 2 5 3 1 2 5 5 2 2 】刘平基于s o a 的全光波长转换技术的研究电子科技大学硕士学位论文2 0 0 6 2 3 】方捻、黄肇明等全光波长转换器及其研究进展光纤与电缆及其应用技术 2 0 0 2 6 ：4 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章基于半导体光放大器的全光波长转换器理论研究 第二章基于半导体光放大器的全光波长转换器理论研究 2 1 引言 半导体光放大器( s o a ) 中的非线性系数约为普通光纤的1 0 9 ，为光子晶体光纤的1 0 7 ， 而且存在着交叉增益调制( x g m ) 、交叉相位调翻j ( x p m ) 、四波混频( f w m ) 效应，可以灵 活地组成各种光信息处理器件，如波长转换器、全光触发器、全光逻辑、全光时钟恢复、 全关缓存器等，正成为整个光信号处理的基础i l 】。 本章首先讨论半导体光放大器的结构和特性，其次研究了半导体光放大器的光脉冲 传输方程和载流子速率方程，为s o a 波长转换器数学模型的建立提供了必要的理论依 据。然后分析了稳态分析模型的缺陷和动态分析模型对分析高速率情况的优势，最后介 绍了分段模型，推到了动态情况下求解转换信号功率的表达式，为下一章对基于 s o a - x g m 的全光波长转换器的性能分析提供了理论模型和分析方法。 2 2 半导体光放大器( s o a ) 2 2 1 半导体光放大器的结构 半导体光放大器有两种基本类型：法布里一珀罗光放大器( f p a ) 和行波光放大器 ( t w a ) 。两者物理结构之间的差别在于两个端面反射率的值。其中f p a 工作原理与半导 体激光器相似，本文只重点研究行波放大器。 行波型半导体光放大器是一种解理面完全增透的法布里珀罗半导体光放大器，入射 光只能单程放大或只有单程增益。为获得较大的增益，需要较大的驱动电流，约为透明 点阈值电流的2 - - - - 3 倍。t w a 的带宽可以达到数十纳米，可以对带内多个波长进行放大， 因而可以作为全光传输系统中的在线放大器和前置放大器。 2 2 2 半导体光放大器的特性 1 ) 半导体光放大器的增益特性 半导体光放大器的有源介质有很大的增益系数，外来光信号在半导体光放大器中 获得的单程增益表示为： 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章基于半导体光放大器的全光波长转换器理论研究 g = e x p ( f g 一口，) 工】 ( 2 1 ) 式中，r 为光场限制因子，l 为s o a 有源区长度，g 和分别为有源层增益系数 和有源层损耗系数。这里的g 不仅是频率的函数而且还与输入功率有关 g