（物理电子学专业论文）全光波长变换和光纤超连续脉冲光源的研究.pdf

摘要 摘要 全光网络已逐渐成为人们目光聚集的新一代网络，而光节点器件和技术是全 一光网络的基础和研究热点。本文围绕全光波长变换技术、光脉冲压缩技术、光纤 超连续脉冲光源等进行了以下方面的研究： 一、基于半导体光放大器( s o a ) 四波混频( f w m ) 效应的全光波长变换技术 1 以集总模型为理论基础分析了s o a f w m 型波长变换的特性，得出了变 换效率和信噪比的表达式，讨论了增益和入射光功率对变换效果的影响。 2 采用单泵浦机制实现了以电吸收调制激光器( e m l ) 为信号光源的f w m 波长变换输出。采用正交双泵浦机制获得了效果更优的变换输出，在变换 光波长4 1 2 n m 调谐范围内变换效率变化小于3 d b 。 3 对基于s o a 的全光波长变换技术的各种方法，如利用交叉增益调制 ( x g m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、差分相位调制( d p m ) 及含有s o a 的非线性光纤环形镜( n o l m ) 等，进行了归纳总结及性能对比。 二、光纤非线性脉冲压缩技术的研究 1 对基于色散位移光纤( d s f ) 的高阶孤子效应压缩技术进行了理论分析。 利用d s f 中的孤子效应压缩技术将主动锁模光纤激光器( a m l f l ) 出射 的光脉冲压缩至4 8 6 p s 。分析指出虽然压缩后脉宽能够满足4 0 g b i f f s 系统 的要求，但脉冲的非线性啁啾使压缩后脉冲波形严重恶化，不利于系统传 输，需要通过滤波等方法消除基座。 2 利用数值方法详细分析了色散渐减光纤( d d f ) 压缩光脉冲的特点以及其 色散渐减方式对脉冲压缩效果的影响。实验上利用线性渐减的d d f 将 a m l f l 出射的光脉冲压缩至1 9 7 4 p s 。 三、超连续( s c ) 短脉冲光源的研究 1 讨论了自相位调制( s p m ) 和群速度色散( g v d ) 对s c 产生过程的影响 作用，指出了反常色散区是获得宽阔s c 谱的较优选择。 2 以d s f 为s c 产生介质、分别采用a m l f l 、e m l 、被动锁模光纤激光器 ( p m l f l ) 为泵浦光源进行实验，获得最大宽度为7 5 3 n m 、1 1 9 n m 、4 8 8 n r n 的s c 谱。采用p m l f l 为泵浦光源时，实验所用d s f 仅1 0 0 m ，s c 潜的平坦性小于3 d b 。 3 综合分析实验结果发现泵清脉冲的光功率增大到一定程度后s c 谱展宽过 程进入饱和状态。 关键词：全光波长变换、半导体光放大器、四波混频、超连续谱、孤子效应压缩、 绝热脉冲压缩 a b s t r a c t a b s t r a c t a no p t i c a l n e t w o r k ，g e n e r a l l ys p e a k i n g ，i saw i d ec o n c e p t i tc o v e r sa l l t h e n e t w o r k i n g ，w h i c hi n v o l v e so p t i c a ls e c t i o n si ns o m ep o i n to f t h et r a n s m i s s i o n t h e r e a i e ，h o w e v e r , m a n yt y p e so fo p t i c a ln e t w o r k sd e p e n d i n go ne q u i p m e n tu s e di nt h e w a y t h i sd i s s e r t a t i o ni s f o c u s e do na l l o p t i c a l w a v e l e n g t hc o n v e r s i o na n df i b e r s u p e r c o n t i n u u r np u l s es o u r c e s ，w h i c hi n c l u d e ： 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 a s e d o nf w mi ns o a a ) t h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sc o n v e n e ra r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l yo n t h eb a s i so fl u m pm o d e l c o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n ds n ro fo u t p u ta r e a n a l y z e da n di n f l u e n c e so fs o ag a i na n di n p u tp u l s ep a r a m e t e r so nc o n v e r s i o n o n t p u t a r ed i s c u s s e d b ) t h es i g n a lp u l s eo u t p u to fe m l ( e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t e dl a s e r ) d r i v e db y 10 g h zr fw i t hc e n t e rw a v e l e n g t ho f15 5 4 17r i mi sw a v e l e n g t hc o n v e n e dw i t h s i n g l ep u m p m e c h a n i s m t h ec o n s t a n te f f i c i e n c ya n ds n rc a nb eo b m i n e di na b r o a dw a v e l e n g t hr a n g ew i t ho r t h o g o n a l l yp o l a r i z e dp u m pm e c h a n i s mt h e t u n a b l er a n g eo fc o n v e r s i no u t p u ti sa b o u t4 i 2n i nw i t l l3 d bf l u c t u a t i o no f c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y c ) v a r i o u ss o a b a s e dw 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 ，s u c ha ss o a - f w m ， s o a x g m s o a x p m ，s o a d p ma n ds o a + n o l m ，a r ec o m p a r e d 2 o p t i c a lp u l s ec o m p r e s s i o n b a s e do nf i b e rn o n l i n e a r i t y a ) t h eo p t i c a lp u l s eh i 曲o r d e rs o l i t o ne f f e c tc o m p r e s s i o n ( s e c ) t e c h n o l o g yb y u s i n gd s f si ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y t h ec h a r a c t e r i s t i e so fs e ea n di n f l u e n c e s o fi n p u tp u l s ep a r a m e t e r so nc o m p r e s s i o nf a c t o ra n dq u a l i t ya r ed i s c u s s e d ， o u t p u tp l u s e sf r o ma m l f l i sc o m p r e s s e d b ys e ec o m p r e s s o rt o4 8 6p s b ) a d i a b a t i c s o l i t o n c o m p r e s s i o n ( a s c ) a n dh i l g l l o r d e rs o l i t o n c o m p r e s s i o n ( 1 1 0 0 m w 的输出功率 ”。 s c 光源也是一种比较理想的宽带光源。锁模掺铒光纤激光器泵浦单模光纤 产生的超连续( s c ) 光源，其平坦带宽可达2 0 0 n m 。”j 以上，最窄脉冲宽度3 p s ， 时间抖动小于o 2 p s ，可完全满足未来t b i t sw d m o t d m 通信系统的容量要求。 2 0 0 1 年底，y a m a d a 等人报道了利用超连续谱光源作载波实现1 0 6 个信道【卜。6 】的 天津大学硕士学位论文 d w d m 系统传输实验，频率间隔2 5 g h z ，距离达到6 4 0 k m 。2 0 0 3 年，k a b e d i n 等 1 。7 峙艮道了利用主动锁模光纤激光器泵浦2 k m 色散平坦光纤，获得1 4 6 0 1 6 8 0 n m 重复频率1 5 4 g h z 的超连续谱，这是迄今为止得到的最高重复频率。 1 2 3 宽带放大技术 掺铒光纤放大器( e d f a ) 是当前发展最成熟的光纤放大器，其工作窗口覆 盖1 5 3 0 1 5 6 5n l r l 的c 波段，但这仅占光纤低损耗窗口的一小部分，因此研究 者们把重点转向了l 波段( 1 5 6 5 1 6 2 5n m ) 的e d f a 和s 波段( 1 4 6 0 - - 1 5 3 0n m ) 的t d f a 等其它波段的光纤放大器。目前所有实现宽带放大最直接可行的方案 中，充分利用掺铒光纤本身的8 0 r i m 的放大带宽，将c 波段e d f a 和l 波段e d f a 进行组合而实现的宽带e d f a 系统最为成熟，成本也较低。 实现宽带放大的一种方法是利用喇曼光纤放大器( f r a ，r a m a nf i b e r a m p l i f i e r ) ，它可采用波长组合泵浦实现光纤低损耗窗( 1 4 4 01 6 2 0 r i m ) 任何波 段的放大，然而由于其要求泵浦光功率较高( 大于1 w ) 因而限制了它的实际应 用场合。随着f r a 技术的发展和完善，喇曼放大技术在高速率、大容量、无电 中继、超长途传输系统中将会越来越显现出独特的优势。相对于e d f a 而言，f r a 的特点是：( 1 ) 可以对光纤窗口、泵浦源的喇曼增益带宽内的任意信号进行放大； ( 2 ) 传输光纤本身就是增益介质，不需要特殊的掺杂光纤。因此，f r a 是未来 高速率大容量光纤通信系统的关键技术之一。2 0 0 0 年w i l l i a m sc o m m u 利用分布 式f r a 进行了c 带d w d m 现场实验，信道间隔2 5 g h z ，速率2 5g b i f f s ，f r a 间隔8 0k m ，实现了3 2 0 0k m 、b e r 1 0 1 4 b i f f s 的传输结果。n o r t e l 利用双向泵浦 的分布全喇曼放大技术在2 4 0 k m 常规非零色散位移光纤f n z d s f ) 上成功进行了 1 2 8 t b i t s ( 3 2 4 0 g b i f f s ) l 拘传输实验【i 。3 ”，成为目前基于4 0 g b i t s 的w d m 系统最 长的无中继传输。国内利用f r a 也实现了g 6 5 2 光纤2 5 g b i t s 系统2 0 0 k m 的传 输实验。目前f r a 的研制已有很大的突破并迅速商用化，如北电网络公司的 l h 4 0 0 0 系统就采用了f r a 。在2 0 0 0 年末，基于f r a 的d w d m 商用传输系统 已面世；一些厂商在2 0 0 1 年底和2 0 0 2 年初推出包含f r a 的1 6t b i “s 长距离系 统。 1 2 4 波长变换技术 从目前光通信领域的发展形势来看，a o n 可能采用的复用技术有：波分复 用( w d m ) 或密集波分复用( d w d m ) 、光码分复用( o c d m ) 、光时分复用 ( o t d m ) 等，其中基于w d m 技术的多波长网络具有独特的优越性，并已逐渐 发展成熟。w d m 光网络采用灵活的波长路由，具有动态资源配置能力j 可以实 第一章绪论 现动态重构，被认为是通信网络升级的首选方案，同时也是a o n 发展的重要方 向。由于w d m 网络中波长信道资源是有限的，而且a s o n 等需要进行波长路 由、动态重组、保护切换等工作，所以网络中需要进行局部的波长信道调整，也 就是波长变换。通过使用波长变换技术可以大大减小信道载荷、增大网络的吞吐 量和灵活性 1 - 3 9 。此外，波长变换技术还是实现光网络中节点的光分插复用 ( o a d m ) 和光交叉连接( o x c ) 的重要基础之一。 常见的波长变换实现方法有：传统的光电光型，基于s o a 交叉增益调制 ( x g m ) 和交叉相位调制( x p m ) ，基于d b r 、d f b 、s o a 等四波混频( f w m ) 效应，多波长激光器，非线性光纤环形镜( n o l m ) 以及s c 光源等等。光电光 型变换装置的优点是可充分利用传统的光电器件，如l d 、光电探测管( p d ) 、 集成电路( i c ) 等。但其信号格式透明性差，信号的极限速率低，无法适应更高 速率、格式复杂的网络需求。x g m 型变换方案利用s o a 等元器件的增益特性随 入射光强改变的物理原理来实现波长变换，通过采用偏振无关的s o a 和控制载 流子寿命等方法，x m 型已能实现信号速率高于4 0 g b i t s 的波长变换【1 4 0 1 ，消 光比( e r ) 约1 0 d b 。但是变换结果会发生格式变化，如归零码( r z ) 变换为非 归零码( n r z ) ，而且输出信号带有明显的啁啾。x p m 型变换通常需要采用马赫 曾德干涉仪的结构形式，对于r z 码而言其变换速率可达4 0 g b i t s ，e r 大于1 5 d b ： 对于n r z 码，通过减小输入信号功率等方法可以实现1 0 g b i t s 的变换输出【卜4 ”。 f w m 型变换是最具发展潜力的技术之一，其变换过程对信号格式完全透明、理 论上的速率极限可达1 0 0g b i t s 。尽管其变换效率较低，研究人员一直在努力改 善变换介质如s o a 的物理特性以及对实现装置进行优化设计，通过正交偏振双 泵浦方案己能实现3 6 n m 范围内变换效率和信噪比的变化小于3 5 d b 的良好结果 ”4 j 。k k c h o w 等人利用双环光纤激光器获得了在4 0 n m 范围内效率变化3 d b 的 变换输出，对于速率为2 5 g b i t s 输入信号获得误码率( b e r ) 为1 0 4 的功率代价 仅1 5 d b 【l “j 。最近，b i l e n c a 等人【1 “1 利用i n a s i n p 量子点s o a ，采用f w m 和 x g m 混合的方法，实现了1 5 5 0 n m 附近1 0 t h z 范围的短脉冲波长变换，2 5 g b i t s 信号无误码变换的波长调谐范围可达7 5 t h z 。国内对基于s o a f w m 的波长变 换也做了一定研究，迟楠等人利用正交双泵浦方案和以半导体光纤环形激光器 ( s f r l ) 为泵源，实现了调谐范围超过4 0 n m 的波长变换 卜4 ”。 1 3 论文的主要研究内容 本论文源于国家自然科学基金项目“超连续脉冲光子源”、天津市科技发展 计划项目“1 6 0 g b i t so t d m w d m 光纤通信系统”中的部分内容。本文重点研 究和分析了s o a f w m 型全光波长变换技术、光脉冲压缩技术与短光脉冲源、 9 天津大学硕士学位论文 超连续宽带光源等方面的内容。具体工作如下： l 、s o a f w m 型全光波长变换技术的研究 1 ) 以l u m p 模型为理论基础分析了f w m 型变换的工作原理和特性，得出了 变换效率和信噪比的解析表达式，讨论了增益和入射光功率对变换效果的 影响。 2 ) 采用单一泵浦方案实验装置实现了s o a f w m 型a o w c ，获得了以e m l 为信号光源的f w m 波长变换输出，在变换光波长调谐5 5 3 n m 范围内， 变换效率变化量为2 4 0 2 d b ，信噪比变化量为1 0 8 4 d b 。 3 ) 对各种改进和优化设计方案进行了简单对比，并采用正交双泵浦方案获得 了效果更优的变换输出，变换光波长在4 1 2 n m 调谐范围内变换效率变化 小于3 d b 。理论分析和实验研究说明：偏振垂直正交双泵浦方案有利于获 得更大的变换带宽、平坦的变换效率和信噪比。 4 ) 对基于s o a 的a o w c 的各种方案和方法，如s o a f w m 、s o a x g m 、 s o a x p m 、s o a + n o l m 、s o a d p m 等，进行了归纳总结及性能对比。 2 、光纤非线性脉冲压缩技术的研究 1 ) 对基于d s f 的高阶孤子效应压缩技术进行了理论分析，总结了主要输出 特性和影响因素，其中光纤色散及其分布对压缩比和基座能量起重要作 用。利用d s f 中的高阶孤子压缩技术将a m l f l 出射的光脉冲压缩至 4 8 6 p s 。分析指出虽然压缩后光脉冲的宽度能够满足系统的要求，但脉冲 的非线性啁啾使压缩后脉冲波形严重恶化，不利于系统传输。 2 ) 利用数值方法详细分析了d d f 光纤压缩光脉冲的特点以及其色散渐减方 式对脉冲压缩效果的影响。理论分析指出，色散线性渐减的d d f 最有利 于脉冲压缩；d d f 较d s f 有更大的压缩倍率，而且压缩后脉冲的质量更 高。实验上利用线性渐减的d d f 将a m l f l 超短光脉冲源出射的光脉冲 压缩至1 9 7 4 p s 。 3 、超连续短脉冲光源的研究 1 ) 以非线性薛定谬方程为基础，简要地讨论了对s c 产生有重要影响的因素， 并指出了采用频域的全场方程分析s c 的必要性和优点。讨论了s p m 和 g v d 对s c 产生过程的影响作用，指出了反常色散区是获得宽阔s c 谱的 较优选择，分析说明高阶色散和高阶非线性效应等因素对s c 产生也有显 著的影响。 2 ) 以d s f 为介质，分别采用a m l f l 、e m l 、p r p m l f l 为泵浦光源进 行s c 谱实验，获得2 0 d b 最大宽度为7 5 3 r i m 、1 1 9 r i m 、4 8 8d a t i 的s c 谱。 其中，利用e m l 获得的s c 谱宽较小是因为泵浦源e m l 脉宽太大造成的。 第一章绪论 当采用p r p m l f l 为泵浦光源时，实验所用d s f 仅l o o m ，通过对比分 析说明，在高峰值功率的光脉冲入射时d s f 光纤的优化长度可以大大缩 短。 3 ) 综合分析各种实验结果可以发现泵浦脉冲的光功率增大到一定程度后s c 谱展宽过程进入饱和状态。而且，泵浦光波长略大于零色散波长时，频谱 展宽效果优于其它波长区域。 第二章基于s o a 四波混频效应的全光波长变换技术 第二章基于$ o a 四波混频效应的全光波长变换技术 2 1引言 在w d m 网络中，由于掺铒光纤放大器( e d f a ) 的带宽及光纤的低损区间 带宽是有限的，w d m 网络中支持的波长数目也是有限的。因此，波长信道是光 通信网中重要的有限资源，必须充分利用。采用波长重用技术，在不同的网络区 间或网络层次上使用同样波长的信道，可以较大程度地提高网络的性能，而波长 重用必然涉及信号间的变换过程。实用光通信网的波长路由与交换( 如图2 一l 所 示) 、动态重构以及保护切换等也要求信道波长的变换，这样可以使网络在某个 波长信道有故障时只做局部的信道重配置，无需全局的波长调整。由此可见，波 长变换技术是全光网络最关键的技术之一，可以有效地解决w d m 网络的波长争 用和网络阻塞：波长变换器件是未来光通信网的重要器件，也是w d m 全光网的 核心器件之一，它对于实现光互连、光交换、增强网络的适应性都有重要的作用 2 1 圳 图2 1 w d m 光网络的波长路由与波长变换示意图 应用于高速光通信系统的波长变换器为了满足通信业务及通信质量的要 求，必须具备以下特性： ( 1 ) 速率透明，至少要达到1 0 g b s 。 ( 2 ) 良好的消光比。 ( 3 ) 高的信噪比，保证通信的质量，并允许波长变换器级联。 ( 4 ) 低啁啾，保证5 0 1 0 0 k m 的传输。 另外，波长变换器还应具有较低的输入功率、与偏振无关等特点，波长变换 的范围要尽可能覆盖e d f a 的带宽，而且成本较低、易于实现。 第二章基于s o a 四波混频效应的全光波长变换技术 图2 - 2 常见类型的波长变抉装置 目前实现波长变换有多种途径，例如可以使用传统的背靠背的光电电，光 变换模块：也可以使用全光波长变换( a o w c ，a 1 1 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 ) 技术，如利用半导体光放大器( s o a ) 中的交叉增益调制( x g | m ) 、交叉相位调 制( x p m ) 、差分相位调制( d p m ，d i f f e r e n t i a lp h a s em o d u l a t i o n ) ，或者非线性 介质中的四波混频( f w m f o u r - w a v em i x i n g ) 和差频( d f g ，d i f f e r e c et i e q u e n c y g e n e r a t i o n ) 等非线性效应；此外，利用d f b 和d b r 激光器、双稳频激光器、 可调诣多波长激光器、非线性光纤环形镜( n o l m ) 等器件也可以实现波长变换， 如图2 2 所示。 基于s o a 的a o w c 基本原理有：x g m l 2 3 l 、x p m 2 “、f w m t 2 列，等等。前 两种方式属于光的非线性强度调制( 开关型) 。仅能实现有限的透明( 仅对码速 透明) ，受载流予寿命的限制，其最高变换速率通常不超过4 0 g b 甜s 。后一种属 于非线性光学混频。与x g m 和x p m 原理的波长变换技术相比，f w m 型a o w c 是唯对码速和信号格式都严格透明的波长变换技术，理论上具有高达1 0 0 g b i t s ( n r z 码) 以上的信号变换能力，变换波长范围可以达到8 0 n m ，变换后的码型 不反转，变换光具有频谱反转特性，可以自动进行色散补偿( 2 矧。 对于s o a f w m 型全光波长变换技术，晟大的缺陷是变换效率低( 般在 2 0 1 ，则有 c = i n g 只，( 乙臼) ：l1 n 鱼 屹。固卜i 矗n 詈 驰h n 百g o + 蒜( t n 笥 由此可得信号光和变换光在输出端的复振幅表达式 e 。0 ) ：e ( o ) g ”1 k ( 2 1 0 a ) ( 2 1 0 b ) ( 2 1 0 c ) ( 2 1 1 a ) 第二章基于s o a 四波混频效应的全光波长变换技术 e ( z ) ：e 。( o ) g ”1 世：一! f l n 鱼1 | 生! 竺+ 盟+ 鱼1 1 + 旦1 n 鱼1 i 2 lg 【1 一f 伽，1 一i o r 2gl2 ( g 1 ) gj j 。g 二望堕墨唑 0 一f 亿。i ) ( 1 一i a g r 2 ) s ( o ) g o = e x p ( g 一，。) 工】 g = s ( z ) s ( o ) s = 吲2 + l e , r 2 + 吲2 式中g o 为s o a 的非饱和增益，g 为饱和增益，l 为s o a 腔体有源层的长度。 由于l 。l2 i ，l2 ，因此s z i e ， 2 + l e ，l2 且s ( o ) z l e ，( o ) l2 + l e ( o ) 1 2 。由此可知变 换输出的光功率和变换效率分别为 只- - i e 。( z ) 已 ( 2 1 2 ) 叩= 瑞- | g “咖牝蚓2 ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 可以看出，s o a 的增益越大，则f w m 的变换效率也越高。 2 2 2 2s o a - f w m - a o w c 的噪声 s o a f w m 波长变换器的噪声来源主要有两种，一种是附加在输入泵浦光和 信号光上的噪声，而且这种噪声会被s o a 放大，因此在s o a 之前要加入滤波器。 另一种是s o a 自身的噪声，即s o a 中信号与自发辐射( a s e ) 的拍噪声、各个 a s e 相互之间的拍噪声，其中后者可用滤波器去除，因而前者是s o a 的主要噪 声源，其功率表达式为【2 q s 只= 2 n 。( g 一1 ) b y i v ( 2 1 4 ) 其中月。为s o a 的a s e 系数，4 v 为变换光的3 d b 谱宽。 光信噪比( o s n r ) 可以定义为变换光波长处o 1 r i m 的带宽内输出变换光与 噪声功率之比，即 删= s e = f ；。 ( 2 _ 1 5 ) 2 3s o a - f w m 波长变换的实验研究 ) ) ) 沼 协 江 第二章基于s o a 四波混频效应的全光波长变换技术 2 3 1 单一泵浦实验装置 1 d f2 图2 - 6 单一泵浦s o a f w m 实验装置 参数符号数值单位说明 l 正向驱动电流i s o a 2 5 0m a 2峰值波长 p 1 5 6 0姗 3 3 d b 带宽a 3 d b 6 6啪 4峰值增益g1 7 7d bl5 5 0 n m ，p i n = - 2 0 d b m 5a s e 波动g1 od b 6饱和输出功率 p o t 6 5d b m1 5 5 0 n m 7噪声指数n f1 0 ，5d b 1 5 5 0 n m ，p i n = 一2 0 d b m 8 偏振相关增益 p d go 3d b1 5 5 0 n m 表2 - 2s o a 特性参数 实现s o a f w m 型a o w c 的各种方法中，最简洁的方案是传统的单一泵 浦源方式，实验装置如图2 - 6 所示。实验中使用的s o a 为i n p h e n i x 公司 i p s a d l 5 0 1 型，小信号增益为1 7 7 d b ( 1 5 5 0 n m ，p i n = 2 0 d b m ) ，最大驱动电流 3 0 0 m a ，正交极化的偏振灵敏度为o 3 d b ，其它参数详见表2 2 。 a s e 光谱随驱动电流的变化如图2 7 所示。当s o a 的偏置电流为2 5 0 m a 时， a s e 的峰值波长为1 5 5 5 8 n m ，峰值功率为2 6 6 6 d b m ，若电流上升至2 8 0 m a ， 则峰值波长移至1 5 4 3 2 n m ，功率为1 9 2 6 d b m 。图2 8 为正反向a s e 功率测量曲 线和a s e 谱图，由此可以看出，随着电流的增加，a s e 谱向短波长方向移动， 且a s e 总功率在电流为2 9 2 m a 处达到饱和，极大值约为6 5 4 4 d b m 。由正反向 第二章基于s o a 四波混频效应的全光波长变换技术 a s e 的比较可知，正向a s e 的功率略大，对于同一驱动电流而言前后向a s e 的 光谱形状和峰值波长几乎样。 图2 - 7s o a 的正向a s e 光谱图 1 4 01 6 0 1 2 0 0 复0 2 4 02 6 0 2 8 0 3 0 d3 2 0 d r i v i n gc u r e n ti n t o $ o a m a 鎏。鬻。骧熟1 1 黼5o b ，d 凹t li 秘：_ 5 憎铂m ：倒舢蚺j 丽i 1 0 飞 ix k “ o 图2 - 8 反向a s e 和正向a s e 的比较 信号光源为美国a g e r e 公司m e 2 5 8 0 a 2 9 型电吸收调制激光器( e m l ) ，中 心波长为1 5 5 4 1 3 n m ，当工作电流为5 6 m a 时，输出功率的最大值( 偏压最小时) 为1 6 9 3 m w 。驱动e m l 工作的射频调制信号源为h p 公司的8 3 7 5 2 b 型同步扫 描源( r f s y n t h e s i z e r ) 。选择e m l 的工作点偏压为5 0 5 v ，射频调制的频率为 1 0 g h z ，驱动功率为0 d b m ，e m l 输出的平均光功率为0 0 9 8 m w 。 泵浦光源为可调谐外腔激光器( e c l ，e x t e r n a lc a v i t yl a s e r ) ，即图2 6 中的 t - e c l 。e d f a i 为实验室自制的c 带掺铒光纤放大器。e d r 垃为德国i p g 公司 的e a d 6 0 型掺铒光纤放大器，工作波长范围1 5 3 0 1 5 7 0 n m ，饱和输出功率为 1 8 d b m 。t o f l 为s a n t e c 公司的可调谐滤波器，中心波长调谐范围为1 5 3 0 1 5 6 0 i i i i 1 ，3 d b 带宽为1 9 5 1n m 。t o f 2 为自制的f p 可调谐滤波器，中心波长调谐 范围为1 5 3 2 1 5 6 5n l t i ，3 d b 带宽为1 1 2n m 。p c i 、p c 2 都是实验室自主设计和 制作的偏振控制器。实验结果利用a g i l e n t 的8 6 1 0 0 b 型通信分析仪( d c a ) 和 第二章基于s o a 四波混频效应的全光波长变换技术 a n d o 的a q 6 3 1 5 a 型光谱分析仪( o s a ) 进行观测。 2 3 2 单一泵浦的实验结果 盛“ “ 5 苗7 。”“ ” 1 ；： i l l l i i m j e b b i l 划f 姆b 1 mp k s 艟jl * g u q ：1 口h ：锄 ；i ；i ； i j | | i l 儿| l l ； 、； j ( a ) 波长下变换 ” ”1 船： l o - 0 a i 目，d 阻l s0 1 mh s 呻el * 粕 1州1 l 8 ：j 1 j 刘b ( b ) 波长上变换 图2 - 9 各种频率失谐量对应的s o a 输出光谱图 图2 - 9 为不同频率失谐( 即泵浦光和信号光的中心频率差或波长差) 时f w m 产生的变换输出光谱，图( a ) 为波长下变换图，泵浦光波长分别为1 5 4 9 8 5 r i m 和1 5 4 3 2 1 r i m ，图( b ) 为波长上变换图，泵浦光波长分别为1 5 5 5 9 2 r i m 和 1 5 5 8 6 2 r i m 。实验中，泵浦光的波长范围可延伸至短波长方向的1 5 3 4 3 2 2 n m 处和 长波长方向的1 5 6 6 8 6 8 n m 处，波长下变换和上变换的最大失谐分别为1 9 8 4 8 n m ( 2 4 8 l g h z ) 和1 2 6 9 8 n m ( 1 5 8 7 g h z ) 。对于更大的失谐量，由于变换光信号微 弱而被a s e 噪声完全淹没，无法在光谱仪上显现出来。同时，变换光的谱峰始 终比信号光小1 0 d b 以上，由此可见基于s o a - f w m 效应的a o w c 其变换效率 很低，需要通过各种手段( 如选择高增益的s o a ) 提高效率，而且需要使用边 模抑制比( s m s r ) 较高的滤波器才能获得变换波的单一波长输出。 2 3 2 1变换效率、信噪比的影响因素 对于s o a f w m 实现的a o w c 而言，变换输出的变换效率r ：信噪比 第二章基于s o a 四波混频效应的全光波长变换技术 ( s n r ) 、消光比、占空比、时间抖动等特性，受频率( 或波长) 失谐量、信号 功率、泵浦功率、总功率( 饱和因素) 、泵浦光和信号光的功率比值等因素的影 响，其中效率玎和s n r 是最重要的输出特性，频率失谐量、入射功率的大小及 其比值则是最主要的作用因素，此外，频谱滤波、偏振控制等因素对效率r 、s n r 等也存在不可忽略的影响。当e m l 的工作电流为4 8 m a ，t - e c l 的输出功率为 3 2 1 m w