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全光波长变换器

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基于SOA中XGM效应的全光波长变换器性能研究

基于SOA中XGM效应的全光波长变换器性能研究


只需要 1 个 SOA，结构比较简单，并且性能稳定； 对偏振不敏感； SOA 增益恢复时间（100 ps 量级）限制了工作速率； 输出反码； 所需控制光功率比较大； 经波长变换后的Leabharlann 出信号消光比低，并且啁啾较大。
消光比RE(ExtinctionRatio)的定义为光信号为“1”码时 的平均功率P1与“0”码时的平均功率P0的对数之比： EXT=10lg(P1 / P0)(dB)

消光比是衡量通信系统质量的重要指标之一，如果消光 比过低，则说明通信系统输出噪声过大，会导致接收机
误码率增加，最终影响通信的质量。决定输出消光比大
小的最主要因素是 SOA 的增益特性。

信号光脉冲平均功率 连续光功率


SOA 工作电流
通过实验对影响 XGM 型波长变换的参数进行定性分析， 实验过程如下：

改变控制脉冲功率


改变连续光功率
改变SOA的注入电流
分别观察变换光波形的变化。 实验参数设置如下：控制光脉冲波长为1553nm，连续光波 长为 1549nm。
基于SOA的XGM全光波长变换实验框图如下所示，其中，由可调 光源产生连续光，控制脉冲速率为 40Gbit/s，它是由 10Gbit/s 光 源复用得到。 下图为波长变换实验框图，波长变换输出的脉冲经滤波器滤出后， 在示波器和光谱仪中显示出来。
察输出波形变化：
3、改变 SOA 电流 控制光功率为 1.2 dBm，连续光功率为 2dBm，SOA 注
入电流分别200mA、230mA、270mA 时，观察输出波形
变化：
通过 40Gbit/s 的波长变换实验，我们可以得出如下结论： 1、控制光功率变大，眼图张开度会增大。输出信号的平均 光功率减小，消光比提高，但是噪声也会变大；

光电子器件论文--SOI波导光波长转换器

光电子器件论文--SOI波导光波长转换器

光电子器件论文SOI波导光波长转换器的基本原理及特性学院：信息科学与工程学院年级专业：光信息科学与技术学生姓名：学号：SOI波导光波长转换器的基本原理及特性一、引言光波长转换器主要用来增加网络的传输带宽和传输距离，并大大降低网络扩容的成本。

它可以使网络容量在不影响原有业务的情况下迅速成倍地增加，同时大大提高网络的安全性。

它具有光中继、波长转换、传输介质在单模光纤与多模光纤之间转换等等功能。

它适用于在10Mb/s～2.5 Gb/s速率范围内各种数字信号(SDH、ATM、以太网、光纤通道)和模拟信号在光纤中的复用传输和波长转换。

随着大规模集成器件的广泛应用，人们在关注器件性能的同时，也越来越在意器件的小型化以及与微电子器件的兼容性。

Silicon-on-insulator(SOI)材料是一种新型的硅基光电子材料，是近年来很热门的一种先进的光子集成技术，其制作工艺与微电子标准CMOS工艺兼容性好，不仅能大大降低成本，而且还能实现与硅基微电子电路的单片集成。

SOI 波导是指在SOI上形成的截面尺寸为亚波长量级的光波导。

Si 芯层和SiO2包层之间大的折射率差异(Δn=2)使得SOI 波导对光场有很强的限制作用，波导的弯曲半径可以小到微米量级，这就为波导器件的小型化和高密度集成化提供了巨大的便利；同时，波导中传输的光功率密度也会得到增强，由此还会出现一些在弱场情况下不易出现的新性质，如受激Raman 散射(SRS)、四波混频(FWM)、双光子吸收(TPA)等非线性光学效应，从而可以用来制作某些非线性光学器件。

全光波长转换器是光交换网络中一种关键的功能器件，利用波长转换可以实现网络中的虚拟波长通道，提高波长的重用率以及网络的灵活性和可扩展性。

二、基本原理将角频率为 p ω的泵浦光与角频率为sω的信号光同时耦合进入硅波导，在硅波导中将产生四波混频(FWM)参量过程。

在此过程中，泵浦光的能量逐渐转移到信号光sω和闲频光i ω(ωi = 2ωp -ωs )，进而可利用产生的闲频光来进行波长转换所示。

九、全光波长变换器

九、全光波长变换器
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院 7
2007-2-27
受激喇曼散射
• 受激光喇曼散射是光波与二氧化硅分子的振动模之间的相 互作用的结果。如果一个具有hv1能量的光子入射到振动 频率为Vm的分子上，分子能从光子中吸收一部分能量。 在相互作用中发生了散射，从而产生了一个较低的频率V2 以及相应的能量hv2的光子。
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
3
全光波长变换器的作用和要求（3）
• 在OADM 和OXC中可实现不同波长间的交换的功能，结 构复杂，需要进行光电和电光转换，存在瓶颈效应。 • 在OADM、OXC中引入波长变换器，OADM保存自身功能， 还能使承载的业务转承于本地的非标准波长上。 • 对于OXC采用两种交换：空间交换和波长交换。 • 空间交换：波长选路或波长交叉连接。 • 波长交换：把信号从一个波长变换导另外一个波长上。可 重构选择节点建立端到端的虚波长通路，实现光连接。
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
4
全光波长变换器的作用和要求（4）
• 目前系统中使用的波长变换，主要是光/电、电/光 波长变换。但是这种波长变换不太适合大容量光 网络的应用（如对信号格式和调制速度不透明、 系统难以升级和转换速度受限等），必须寻求不 经过电域转换、直接在光域上进行的WC，即全 光波长变换（AOWC）。
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
16
基于半导体光放大器的AOWC（1）
2院
17
基于半导体光放大器的AOWC（2）
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
18
SOA——FWM波长变换
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院

北邮光网络技术作业第1次 全光波长变换器的研究现状

北邮光网络技术作业第1次 全光波长变换器的研究现状

全光波长变换器的研究现状1. 概述全光波长变换器的功能是将信号从一个波长变为另一个波长而不需要变换到电域，因此具有高速、宽带、透明(与信号格式无关)的特点。

2. 实现技术的研究现状目前, 波长转换器主要应用于波分复用和全光网中。

在波分复用系统中, 为了利用原有的设备和光纤线路, 充分利用系统资源, 在原来1550nm或者1310nm的光端机的输出端口加上一个波长转换器, 使其输出的光信号无失真转换到另外一个波长上, 再将这些不同波长的各路信号复用到一根光纤中进行传输, 提高了频带的利用率。

还可以利用波长转换器, 使工作在1310nm的激光器发出的信号光可以转换成另外窗口（1550nm）的信号光在光纤进行传输, 在利用原有设备的基础上方便进行系统的升级换代。

在全光网中, 信号光为了完成信号的传输, 要进行波长和路由波长的选择, 波长转化器就起到了这个作用。

由一路光信号λ1可以很容易地转换到另外的一个波长λ2、λ3等, 若多个波长转换器级联起来就变成了全光波长交换机, 实现了在全光范围内的路由功能。

表1 全光波长变换器实现技术2.1第一种实现原理[1]实现原理简介：强度调制信号导致半导体光放大器的增益饱和, 从而调制半导体光放大器的增益。

当一连续波探测光经过半导体光放大器时, 将收到此增益变化的调制, 因此将携带与输入信号相同的强度调制信息。

信号光和探测光有两种传输形式：同向传输与反向传输, 反向传输的优点就是不必像同向传输需要输出光滤波器, 并且可以实现相同波长转换。

图1 原理图2.2 第二种实现原理[2]实现原理简介：利用半导体光放大器激活介质层折射率随载流子密度变化这一规律。

将探测光分为两束相干光, 信号光利用交叉相位调制效应对其中一束进行调制相位变化而达到波长转换的目的。

实现相位干涉一般采用马赫一曾德干涉议、麦克尔逊干涉议等。

2.3第三种实现原理[2]泵浦激光器和探测激光器分别注入两束激光, 泵浦光的波长为光纤的零色散中心波长入。

全光波长转换器的设计

全光波长转换器的设计

全光波长转换器实验一、实验目的1.了解全光波长转换器(All-optical wavelength converter, AOWC)在实际光纤通信网络中的作用；2.熟悉全光波长转换器的工作原理和分类；3.掌握增益钳制型波长转换器(Gain-clamped Wavelength Converter)的静态、动态特性测试与分析；4.掌握误码仪、光谱仪、光示波器等常见测试仪表的使用。

二、实验原理1.全光波长转换器的应用全光波长转换器是全光网络(AON)的核心技术之一，它能够缓解光交叉连接(OXC)中的波长阻塞，实现不同光网络见的波长匹配，增强网络管理的灵活性和可靠性。

WDM光网络采用波长路由，波长路由网络有两个显著的特点：一是波长决定了光信号传输的路径，因此一个节点可以同时发出多路不同的波长信号，每路信号到达不同的目的地，目的地的数量与这个节点所能产生的波长数相同；二是每路信号被限制在特定通道中，因此只要这些通道不在同一条光纤中，在网络的其他部分就可以同时使用这些信号的波长，即实现波长重用。

因此，波长是WDM光网络中非常重要的资源，如何有效的提高光网络中的波长利用率是WDM光网络中的重要问题。

在不带波长转换的网络中，两个节点之间建立一个连接，在其通路上经过的所有链路段必须使用同一波长，如果有另外的连接需要使用其中某个链路段的这一波长，则会发生波长阻塞现象。

通过波长转换则可将信号转换到其它空闲的波长上，避免发生波长阻塞，提高波长利用率。

通信网络中采用波长转换器，能使参与波分复用的波长数目减少，大大降低网络中的波长阻塞率，使网络组建、子网管理更具灵活性与兼容性。

近年来全光波长转换在光纤接入网中也得到越来越广泛的应用。

华中科技大学和中兴通讯股份有限公司共同提出的混合波分复用-时分复用无源光网络(Thehybrid WDM-TDM PON, HPON)架构，如图1所示，在时分复用无源光网络(TDM-PON)中引入波分复用(WDM)技术，使得多个TDM-PONs工作在不同的波厂商，从而共享同一根光纤基础设施，成倍地提高了单根光纤接入用户的数量。

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全光转换
全光型波长转换器是指不经过电域处理，直接把信息 从一个光波长转换到另一个光波长的器件。在光域中 直接实现波长转换可以克服光-电-光波长转换器中电 器件的速度瓶颈、透明性低等不足。
波长转换器分类
全光波长变换器分类
基于光调制原理 ü交叉增益调制 ü交叉相位调制
全光波长变换器
基于光混频原理 ü差频 ü四波混频
非线性光学效应
全光波长转换器有很多种实现方法。从所采用的基本原 理来看，一般是利用了光学媒质的各种光学非线性效应。
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(通常是连 续光)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换。它实际上可以看 作是特殊的光控光开关。
当信号光和探测光共同传播时，信号光强度信号能够调 制非线性介质的有效折射率，从而改变探测光的传播相 位。如果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相消干涉， 就可使得信号光的信息同相或反相地转换到了探测光上。 常用的干涉仪有马赫一曾德千涉仪、迈克尔逊干涉仪等。
ü 缺点：
转换效率低，转换后信噪比恶化 上转换效率比下转换低 转换范围小 偏振相关
基于四波混频效应
ü 针对FWM-WC的缺点，人们不断在改进。 1. 增加SOA有源区长度，提高转换效率，增加信噪比。 2. 注入短波长补助光，提高转换效率。 3. 采用垂直偏正双泵浦消除偏正相关的影响，提高转换 的范围。 4. 优化非线性介质，提高转换效率。 5. 研究单个波长转换器件的同时，也研究级联器件。
2013211210班 2013211092 刘瑞琦
全光波长转换器研究意义
如今我国光纤通信技术和光纤产业得到了迅猛的发展，现在我 国的主要信息通信网几乎全部实现了光通信，今后光纤也将进 入每个家庭。目前DWDM技术被广泛应用到当前的通信领域。目 前我国传输网的最大容量为160×10Gbit/s，即1.6Tbit/S DWDM。我们国家通信网络的下一步发展目标是向全光网络发展， 要实现全光网的目标，必须在光逻辑和光存储方面有重大的突 破以实现真正的光交换，这样才有可能成为真正的全光网。光 波长变换器赋予光网络的灵活性和扩容性，是未来全光网络的 核心部件。
半导体激光器FWM全光波长变换器
• 基于激光器的FWM过程，利用激光器自激光作为 泵浦，无需其他泵浦光源，与外信号简并形成 FWM。由于饱和效应，激光器FWN的转换效率 不高。 • 利用光纤外栅外腔SOA实现四波混频的方法，以 光栅OFG外腔激光器的一反射面，以两边分别镀 减反膜与高反膜的SOA为有源介质。信号光从 OFG那边注入SOA，与激震波发生四波混频。信 号功率小于1mW时，2.5Gbit/s转换速率误码率小 于10^-9
基于差频过程（DFG）
ü 差频产生（二阶非线性效应）
0 p s
基于差频过程（DFG）
ü 优点：
幅度，频率和相位具有严格的透明性 不会附加噪声 输出信号啁啾反转 可实现多波长转换 输出频谱反转，可以进行信号的色散补偿
ü 缺点：
波导制作难度大，成本高 低波长光的耦合 转换效率比较低
DFG-WC与FWM-WC比较
参考文献
• 1 吴重庆,刘爱民,刘彦辉,董晖;《全光缓存器的研 究进展》 • 2 李亚安,徐德民;《非线性动力系统的状态空间重 构》 • 3 陈建肖,陶振宁,吴德明,徐安士;《全光波长转换 技术研究 》 • 4 张彤,崔一平;《集成光学国际研究进展》 • 5 李明,吴亚明;《非对称Y分支波导结构的理论分 析》
波长转换器相当于一个信号处理器，能够输入、输出和加载
控制信号，就如同真空管时代的晶体管和三极管，因此波长 转换器将具有更广阔的应用空间 ü 今后的发展趋势是可集成，可调谐，高性能和实用化。
总结
本文介绍了全光波长转换器在光网络中 的作用，并介绍了几种常见的波长转 换器及其优缺点（光-电-光，XGM-WC， XPM-WC，FWM-WC，DFG-WC），同时介 绍了一种SFG-DFG型的可调谐光纤转换 器，最后对全光波长变换器的创新和 发展前景提出了思考
什么是波长转换？
定义：光波长转换器是把光信号从一 个波长转换为另一个波长的器件。 控制单元：变换到任意指定的波长。
波长转换技术的意义
波长转换器在光交叉互连(OXC)、 光网络管理等领域中得到了广泛 的应用。 实现波长的分配及管理、光信息 的交换及路由，解决网络中波长 竞争，增加网络管理的灵活性。
四波混频是一种重要的三阶非线性效应。在量子力学中 的定义是：一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，且在此参量过程中，净能量和 动量是守恒的。 光纤中的四波混频现象是有利还是有害，将取决于其具 体应用在什么方面。在WDM系统中，FWM能够引起信道间 的窜话，限制了系统的通信质量，因此将尽量降低FWM 现象。然而正是由于FWM能够颇为有效地产生新的光波， 人们已对它进行了广泛地研究，FWM现象又可被利用实 现完全透明的全光波长变换。
FWM-WC 本质 SOA中的三阶非线性 DFG-WC PPLN的二阶非线性
转换效率
转换范围 卫星频率
变化大（>20dB）
小 有
低（一般在-17dB）
大，且平坦 无
偏振敏感
多通道同时转换 透明度
单泵浦时强烈
好
不敏感
好
基于LLPN实现波长变换
对全光波长变换器的创新 • 课题考虑了全光波长转换器的创新，对基 于半导体激光器AOWC的转换器产生了兴 趣。此类激光器应基于交叉增益调制和四 波混频效应FWM来实现。创新讨论FWM效 应的全光波长变换器
基于四波混频效应
ü FWM的四个频率
s p
信号频率 泵浦频率
0 2 p s 0 ' 2s p
基于四波混频效应
ü 优点：
调制格式透明，任何信息（幅度，相位和频率） 都能保留下来 能同时转换多个波长 作用距离短，对相位匹配不敏感 转换后信号光谱反转，因此可以用于色散补偿
交叉相位调制（XPM）型
SOA-MZI-XPM原理示意图
交叉相位调制（XPM）型
SOA-MI-XPM原理示意图
交叉相位调制（XPM）型
ü 优点：
输入信号功率小 频率啁啾小或负啁啾 消光比大大提高 便于集成，工作稳定，适用方便
ü 缺点：
输入功率的动态范围比较窄，所以必须对输入信号的功 率进行严格控制，只有采用单片集成技术才能得到较 好的效果
交叉增益调制（XGM）型
利用SOA的增益和 特点 利用增益介质中 的载流子浓度来 复调制 输入与输出完全 相反。
交叉增益调制（XGM）型
ü 优点：
结构简单、容易实现 转换效率高 波长转换范围宽 对偏振不敏感
ü 缺点：
输入输出信号反相 输出消光比退化（上转换时“能带倒空”，退化严重（ 增加SOA有效长度来改进，级联） 比特率透明有限 噪声指数高 啁啾大
元器件的参数指标
前景展望
ü 对于下一代高容量光网络，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。 ü 波长转换器件的应用不只局限于光网络。从更广的视角看，