集成光电子器件lpl(第十章波长变换器)

化很小。
§10.2.2 基于激光器的全光波长转换器
基于半导体激光器XGM型全光波长转换器
工作原理：
省一个外部光源
相对于SOA-XGM 型波长转换器，其 消光比有所改善。
当一束信号光输入半导体激光器中，当信号光为“1”时，激射光被 抑制，只有自发辐射光输出，输出很小，为“0”；当信号光为“0” 时，有激射光输出，为“1”，从而实现了反向的波长转换功能。
P 30dBm 1
P2 20dBm
单端耦合SOA中载流子浓度的空间分布
多电极RSOA-XGM型全光波长转换器
多电极单端耦合的SOA： SOA被分为多节结构， 每节都有个电
极，各电极之间电绝缘，各电极的长度 和电流可以根据需要灵活调节。
理论结果表明：
消光比改善
2. SOA-XPM型波长转换器
b. 可构成路由器
信号要从节点1传输到节点a，可以先通过波长转换器构成的路 由器传输到节点j上，再经一路由器将信号选择到节点a上。
c. 可构成简单的空间开关
（a）是地址分配器，利用可调输出波长转换器将信号分配到 不同地址；（b）是N选1地址选择器，由N个固定输出的波长 转换器输出N个波长，再利用可调滤波器选择一路信号。
四波混频型（FWM）
1. SOA-XGM型波长转换器
SOA中的交叉增益调制（XGM）效应：
当一束弱连续光和强信号光耦 合进SOA中时，强信号光在被 放大的同时将引起SOA中载流 子的消耗，因而引起增益随输 入光功率增大而减小的现象， 即增益饱和。
SOA的增益将会出现与输入信 号光相反的调制作用，呈反向 调制的增益又对连续光进行调 制，这就是XGM效应。
Pc Ps Ps PpG3 Rs p
相对转 换效率 函数
优点：
转换速度快；
Pc Ps Ps PpG Rs p
3
FWM效应产生的转换光不仅携带了信号光的幅值信 息也携带了相位信息，因此它对调制格式严格透明。
缺点：
转换效率低； 偏振相关； 转换效率与波长有关：
SOA中的增益饱和效应
SOA-XGM型全光波长转换器的原理
பைடு நூலகம்工作原理：
当一束弱连续光和带强信号光耦合进SOA中时，由于增益 饱和效应，连续光受到信号光的反向调制作用，携带上与 输入信号光反向的信息，从而实现了波长转换功能。
SOA-XGM型全光波长转换器的优点： 可以达到较高的转换速率（相对于光电光型），可到 10Gb/s； 转换效率高； 波长转换范围宽； 偏振无关； 结构简单。 SOA-XGM型全光波长转换器的缺点： 输出光与原信号光反相； 信号的消光比恶化; 码型效应：由于SOA内部载流子浓度恢复不够完全而再 次被消耗，引起输出的“1”信号光功率大小不等的现
单端耦合SOA-XGM型全光波长转换器
单端耦合的SOA：SOA 的输入、输出共用一个端口，后端面具 有适当的反射率。
优点：消光比改善
原因：
转换输出的消光比取决于信号光分别为“0”和“1”号时连续 光获得的增益差，增益差越大，转换输出的消光比就越大。
多电极单端耦合SOA-XGM型全光波长转换器
基于光纤光栅外腔激光器XGM型全光波长转换器
反射率为 50～70％ 反射率 接近1
工作原理 同上 优点：输出消光比高；
低啁啾（采用光纤光栅外腔激光器，输出波长非常稳定）。
§10.2.3
基于其它全光波长转换器
基于周期极化铌酸锂（PPLN）波导的波长转换器
工作原理：
级联二阶 非线性
两光波ωp和ωs在PPLN中产生二次和波ωSF＝ωP＋ωs，二次和波同时 与ωc产生差频，得到频率为ωi＝ωp＋ωs－ωc，光波ωi上携带的信息
当输入信号波长与转 换波长间隔增大时， 转换效率随之降低 。
FWM效应的强弱与两输入光的偏振
方向夹角的余弦函数成正比。
垂直双泵浦FWM型全光波长转换器
c p1 p 2 s
转换效率：
Pc Ps Pp1Pp2G3Rs p1
优点：波长转换范围增大，转换效率随转换范围变
当BPF中心波长蓝移且失谐量较小时，输出结果为反相的波 长转换； 当BPF中心波长蓝移且失谐量较大时，输出结果为同相的波 长转换； 当BPF中心波长红移且失谐量较大时，输出结果也为同相的 波长转换。
输入信号 -0.3nm
-0.1nm ＋0.4nm 0nm
3. SOA-FWM型波长转换器
b. 消光比
(dB)
消光比定义为转换光输出“1”信号的平均功率与“0”信 号的平均功率之比:
ER 10logPc,out 1 Pc,out 0
(dB)
c. 啁啾
在全光波长转换中，转换光的频率啁啾起源于信号光强的变 化引起SOA有源层中载流子浓度变化，使增益变化的同时折 射率也发生变化，从而转换光脉冲的相位也随时间变化，导 致其中心频率与两侧产生随时间变化的新频率。
与输入信号光相同，从而实现了波长转换功能。
还有其它的，如：光纤、光子晶体、可
饱和吸收体 等等…
…
§10.2
§10.2.1 §10.2.2
§10.2.3
全光波长转换器
基于SOA的全光波长转换器 基于激光器的全光波长转换器
基于其它的全光波长转换器
§10.2.1 基于SOA的全光波长转换器
基于半导体光放大器的全光波长转换器主要有三种工作方式： 交叉增益调制型（XGM）
交叉相位调制型（XPM）
除了利用干涉结构可以将相位调制信息转变成强度信息之外，在
SOA后加一个滤波器的结构 也可以实现这一功能。
基于SOA加窄带滤波器的波长转换基本原理:
当一束连续光和信号光一起耦合到SOA中，连续光受到信号光的调制而 产生频率啁啾，从而发生脉冲展宽，用中心波长偏离连续光中心波长的滤 波器滤出红移或蓝移部分，就可以实现将相位信息转变为强度信息。
缺点：
采用光电转换，电功率消耗大；
引入了光/电/光过程，结构复杂，成本随速率和元件数增加； 对信号码型和速率不透明。
因此，光/电/光型波长转换器在DWDM系统中的应用受到 了很大限制。 全光波长转换器则避免了光电转换的过程，完全在光域
内实现信息在波长信道之间的转换，透明性好，满足全
光通信网络的要求，具有更好的发展前景，成为研究的 热点，但技术上尚不成熟。
SOA中的FWM效应：
在SOA的输入端同时注入连续光和信号光，两种光在SOA有源
光波导内由于受到快速的非线性效应(如载流子密度脉动、载流 子加热和光谱烧孔等)的影响产生两个新频率，这就是FWM效应。
SOA-FWM型波长转换器的工作原理：
具有一定强度的连续泵浦光和信号光共同输入到SOA中，发生 四波混频效应后产生新的频率，新的频率上携带了信号光上的信 息 ，从而实现了波长转换功能。
第 十 章
波长转换器
信息需求量呈 爆炸性增长
WDM技术可 以实现超大 容量的光纤 通信
在WDM系统中，如果出现… …
怎么办？
波长转换器
§10.1
波长转换器的概述
1. 波长转换器的 概 念
波长转换器：把传输信息从一个波长转换向另一个波长上 的器件 。
2. 波长转换器的 应 用
a. 降低网络阻塞的概率
对偏振不敏感；
低啁啾输出、高信噪比、高消光比； 实现简单，易于集成。
5. 波长转换器的 分 类
波长转换器分光/电/光型波长转换器和全光型波长转换器。
基于SOA的波长转换器
波长转 换器
光电光型波长转换器 全光型波长转换器
基于激光器的波长转换器
基于其它的波长转换器
光/电/光型波长转换器：
1 d f 2 dt
d. 转换速率
e. 转换范围
4. 对波长转换器的 要 求
对信号比特率和调制格式应具有透明性； 转换速率快（至少在10Gbit/s以上），既能向短波长
方向变换又能向长波长方向变化，且两方向变换对称；
输入功率适当（不大于0dBm）； 较宽的转换范围； 可以使输入波长无变化（即相同的输入输出波长）；
a. 采用干涉结构将相位调制信息转变成强度信息。 有马赫－泽德干涉结构、迈克耳逊干涉结构等。
优点：
啁啾小； 同相转换和反相转换可控制； 输出消光比高；
偏振无关等。
缺点：
输入动态范围小，相对来说实现条件比较苛刻； 采用分离元件很难实现。
b. SOA＋滤波器的XPM型全光波长转换器
工作原理：
一束连续光和一束信号光同时耦合到SOA中，强度调制的信号光引起 有源区中载流子浓度的调制，载流子浓度的变化在引起增益变化的同 时也会引起有源区有效折射率的变化，从而对探测光的相位进行调制， 这就是SOA中的XPM效应。由于XPM引起的是相位的变化，必须将 相位调制信息转变成强度信息，即可实现光波长的转换。
d. 实现中途谱反转
利用波长转换器中的光相位共轭，将系统中某一具有正色散的 波长上的信息在系统的中点转换到另一具有负色散的波长上， 实现色散补偿，使高速光纤通信系统的色散受限距离提高。
e. 可重复利用
波长、提高
波长利用率
3. 全光波长转换器的重要 参 数
a. 转换效率
10logPout ,c P ,s in
将原来的光信号经光/电转换成电信号，再利用这个电信号去 调制所需波长的激光器，实现光信号的波长转换。
光/电/光型波长转换器是目前一种非常成熟的波长转换器。
工作稳定； 转换效率高； 输入动态范围较大； 可实现3R（定时、再生、整形）功能； 不需光滤波器； 对输入偏振不敏感等许多优点。