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和频与差频级联型全光波长转换技术的分析.pdf

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IIItunable filters and tunable attenuator, and the signal wave was the tunable pulsed laser, thevelocity of which was 40Gbit/s. Measured the conversion efficiency of the wavelengthconversion based on the cascaded sum- and difference frequency generation; Checkout thetunabity of the signal wave and generated wave; Measured the 3dB width of the pump,and the stability of the wavelength conversion.Key words all-optical wavelength conversion, nonlinear, periodically poled LiNbO3PPLN waveguides, cascaded sum- and difference frequency generationSFGDFG, quasi-phase- matched QPM, conversion efficiency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,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□, 在 年解密后适用本授权书。不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名 指导教师签名日期 年 月 日 日期 年 月本论文属于11 绪论本章主要介绍了全光波长转换器(AOWCAll Optical Wavelength Converter)在密集波分复用(DWDMDense Wavelength Division Multiplexing)光通信网络中的重要意义,简单介绍了AOWC的概念和种类,以及当前国内外的发展状况。1.1 全光波长转换器在密集波分复用光通信网络中的意义随着信息技术的发展,尤其是Internet业务的快速发展,多媒体综合数字业务如电子商务、远程教育、家庭购物、家庭办公、视频点播等也得到了蓬勃发展,对高速数据业务和广域骨干网的带宽提出了越来越高的要求,扩大通信网传输容量、提高通信速率成了当务之急。新一代网络全光网络的诞生将是顺应时代发展要求的。全光网络克服了现有光-电-光通信网络在传送和交换时的“电子瓶颈”效应,减少了信息传输的拥塞,提高了节点的吞吐量[1][2]。而且在诸多的解决方案中,波分复用WDM Wavelength Division Multiplexing技术被认为是开发光纤潜在传输容量的最有效方案[3]。WDM是在同一光纤上同时传输具有不同波长的几个甚至几十个以上的光载波,每个载波上携带各自的数据信息,充分利用了光纤的巨大带宽资源。WDM 技术成熟,构网灵活,己经进入商用化阶段。进一步提高系统容量,则要减小信道间距,组建密集波分复用系统。在DWDM光通信网络中,波长是最重要的资源,波长数是确定全光网组网方案时着重考虑的参数之一。而实际系统中,虽然密集波分复用可以提高光纤传输的容量,但其中的波长数目仍然大大少于实际的节点数目和用户数目;而且当多个波长的信号向同一个的路由连接时,会造成波长竟争,这都会导致波长的碰撞和网络阻塞率的增大。为了解决这一问题,在含有许多节点的光纤通信网络中,利用波长转换器WC Wavelength Converter,可以实现在同一网络的不同节点上使用同一波长,增加波长的利用率和整个网络的运行效率[4-6]。这种波长的重复使用就可以减少网络2中使用波长的数量,从而可以将信息从业务繁忙或暂时失效的信道转换到备用的另一波长信道,减少通信业务的阻塞率。全光波长转换器在未来的光纤通信系统特别是在基于DWDM的全光通信网中将发挥关键性的作用,因此近年来一直受到国内外研究者的广泛关注。1.2 全光波长转换器的种类以及国内外的发展现状1.2.1 全光波长转换器的概念全光波长转换器(AOWC)是DWDM光网络中不可或缺的一个关键器件,它是把某一光载波波长为sλ的信号输入转换为另一光载波波长为iλ的信号输出,而且这种转换完全是在光域上实现的,这就避免了光-电-光的转换,克服了“电子瓶颈”效应,使得波长转换的速率提高,进而使得通信速率提高。全光波长转换的功能简图如图1.1所示图1.1 全光波长转换的功能简图DWDM光网络中对波长转换器的要求具备的特点是[7-8]比特率透明(至少可达10Gbit/s);无消光比退化现象;输出信号信噪比高;适中的输入功率;大的转换范围;可实现同波长转换;啁啾小;3偏振不灵敏;容易实现、结构简单。1.2.2全光波长转换器的种类目前国内外研究比较多的全光波长转换器有基于半导体激光器的、基于半导体光放大器的、基于光纤非线性环镜的以及基于非线性材料的非线性效应等的波长转换器,下面分别简单介绍一下各种全光波长转换器的工作原理。一、基于半导体激光器的全光波长转换器基于半导体激光器的全光波长转换器是利用半导体激光器的光吸收增益饱和机制(XG-DR)(如分布布拉格反射激光器中的XG-DR)或边侧面注入光吸收双稳态机制(如分布布拉格反射激光器LD或Y型LD中的光吸收双稳态)实现波长转换[9]。对于一个在阈值以上工作的激光器,当波长是在激光介质增益带范围内的输入光时,由于增益饱和,在激光振荡波长处的增益将会下降,当输入光功率增大到一定程度时,增益会小于激光器中的损耗,此时激光振荡被抑制,只有自发辐射,输出功率就会很小。只要调制输入激光器的信号光的幅度,激光输出也相应的被调制,从而将信号光的幅度调制信息转移到激光器的输出激光上,实现波长转换。由半导体激光器中的四波混频实现波长转换的基本原理利用激光器本身激发的激光作为泵浦,与外来的信号光进行作用。一般采用光纤光栅外腔激光器中的四波混频效应实现全光波长转换以光纤光栅为外腔激光器的一个反射面,以两端分别镀简反膜的激光器为有源介质,信号光从光纤光栅激光器,和激光器产生的自激光发生四波混频效应,实现波长转换。基于半导体激光器的波长转换的优点是机构简单,转换效率高,2R再生(整形和消光比改善)等;缺点是转换速率一般小于10Gbit/s,转换后数据格式反转,输入信号光功率动态范围很小等。目前Yasaka等人[10]利用超结构光栅布拉格发射激光器实现了10Gbit/s、可调谐范围是90nm的波长转换。二、基于半导体光放大器的全光波长转换器4基于半导体光放大器(SOASemiconductor Optical Amplifier)的全光波长转换器中,主要有基于SOA交叉增益调制(XGMCross-gain Modulation)、交叉相位调制(XPMCross-phase Modulation)以及四波混频(FWMFour-wave Mixing)的全光波长转换,其基本实现原理简述如下1、 基于SOA的交叉增益调制实现波长转换基于SOA的交叉增益调制型波长转换器是利用半导体光放大器的增益饱和特性来实现的,基本实现原理是将调制信号光和连续探测光同时注入到SOA中,强度调制的输入信号光使SOA载流子密度和增益得到调制。当泵浦光强度很弱时,注入的较弱的连续信号光将得到较大的增益,输出的转换信号光的强度很大;而当泵浦光的强度很强时,它将在增益放大过程中消耗大量的载流子,使得放大器增益饱和,这时转换信号光将不能被放大,输出强度很弱。这样转换信号光将复制泵浦光光的强度信息,实现波长转换。工作原理如图1.2所示图1.2 给予SOA的XGM型全光波长转换器的原理示意图这种波长转换器的优点[11-13]是结构简单、容易实现、与偏振无关、转换效率高和转换范围宽等。缺点是消光比特性比较差,小的消光比导致了光信噪比和误码性能都比较差,特别是党这种波长转换器用于级联工作方式时,信号恶化往往非常严重;另外由于SOA载流子密度变化的不对称性,导致了向长波长和向短波长转换时的消光比不同;而且所得到的转换光的幅度值与原信号光的幅度反位,这也是该波长转换方案的不利之处。目前国内外较好的研究成果有贝尔实验室在1994年实现了20Gbit/s速率下的波长转换;1996年丹麦的S.L.Danielsen、C.Joergensen等人又将转换速率提高到了40Gbit/s,英国Bristol大学的M.F.C.Stephens等利用集成的SOA和DBF激光器5实现了40Gbit/s的交叉增益调制型全光波长转换[14-15];1998年,英国的A.D.Ellis等人利用光纤光栅与2mm长的SOA相结合首次实现了100Gbit/s的交叉增益调制型全光波长转换[16]。国内对基于SOA的交叉增益型全光波长转换器的研究主要有华中科技大学、清华大学、北京邮电以及武汉邮电科学院等,目前已经实现了2.5Gbit/s速率下、转换范围12.8nm的波长上转换实验,输出消光比达到了15dB。2、 基于SOA的交叉相位调制实现波长转换强度调制度的探测光由于光强度的变化,引起SOA有源区载流子浓度的改变,使得SOA 中的折射率的改变,进而引起耦合进入SOA中的连续光的相位发生变化,然后再将相位的变化转换为强度的变化,就构成了交叉相位调制型的全光波长转换器。一般采用集成的马赫-泽德干涉仪(MZI)或者迈克耳逊干涉仪(MI)结构实现[17]。利用马赫-泽德干涉仪(MZI)的交叉相位调制(XPM)波长转换原理如图1.3所示图1.3 基于SOA的MZI-XPM波长转换器的实现原理示意图它由MZI及其臂上的两个SOA组成。SOA1和SOA2被非对称地放置在MZI的两个臂上,由于SOA有源区的折射率同载流子密度有关,输入信号光强度的变化会使SOA的折射率随之改变,探测光和信号光分别耦合到干涉仪的两臂上,由于两臂的分光比不同,引起两臂折射率变化不同,探测光通过两臂后形成相位差。通过MZI干涉后,输入信号光对探测光的相位调制转变为幅度调制,输出探测光携带了信号光的信息,即实现了波长转换。而利用迈克尔逊干涉仪(MI)的交叉相位调制(XPM)波长转换原理如图1.4所示探测光输入到干涉仪中被耦合器分成两束光,分别通过SOA1和SOA2后,在半导体端面处反射,在原来的分束器处重新合波,并产生干涉。若干涉仪两臂相等,则相干相长,在左下端口输出的功率最大。如果干涉仪的每一臂的有效传播距6离(即相位延迟)不同,干涉仪左下端口的输出就会降低。从器件的右侧输入信号光,SOA的折射率随之改变,并因此改变它的有效长度和相位延迟,当两臂的相位延迟是半波长的奇数倍时,出现相干相消,输出功率最小;相位延迟为零或波长的整数倍时,相干相长,输出功率最大,这样就把信号光以反码形式复制到了探测光上,实现了波长转换。图1.4 基于SOA的MI-XPM波长转换器的实现原理示意图基于SOA的交叉相位调制型波长转换的优点很多[18]啁啾小、消光比高、输出信噪比高,同时它还有集成性好,简单易行,转换范围宽,可以实现2R再生且波长独立等。其主要缺点是对输入信号光的动态范围要求很严格。目前Fischer St等人[19]报道了利用MZI实现40Gbit/s的光时分复用到波分复用的数据转换;已经实现了80Gbit/s的交叉增益型波长转换;最近Hiroshi Ishikawa[20]报道了利用低功率工作的MZI实现了数据速率达到160Gbit/s的光时分复用信号的解复用;而且量子点SOA可以实现C-波段内任意波长转换。3、 基于SOA的四波混频实现波长转换四波混频(FWM)效应是一种三阶非线性效应,起源于光场作用下介质的束缚电子的非线性响应。两束不同波长的光在SOA中的非线性有源介质中相互作用,介质中的载流子根据入射光强分布形成载流子光栅(其散射效率由于波长转换间隔的增加而明显降低)。入射光被光栅散射,形成新的波长。在SOA中至少有三种机制对形成载流子光栅有贡献,分别为载流子浓度脉动、动态载流子热效应和频谱烧孔效应。这些机制具有不同的载流子生存周期和散射长度,SOA中的FWM是这三方面共同作用的结果。入射的信号光S(频率为ωs)和泵浦光P(频率为ωp)被光栅散射,形成新的波长。信号光被光栅散射产生频率为2ωp-ωs的转换波C,泵浦光被光栅散射形成频率为2ωs-ωp的卫星波Sa。采用适当的滤波器滤出含有信号7的转换波,就实现了波长转换其转换原理示意如图1.5所示图1.5 基于SOA的FWM波长转换器的实现原理示意图基于SOA的FWM实现波长转换具有对调制和比特率透明、信号脉冲相位保持不变、波长转换范围大等优点;而且具有多波长变换能力。缺点是转换效率低、信噪比恶化以及对信号光偏振态敏感[21]。1994年SummerfieldMA等人[22]首次实现了低速的时分复用到波分复用的转换;2000年Buxens A等人利用Bi-direction 实现了40Gbit/s时分复用信号的解复用[23]。随着多量子阱SOA的研究,转换速率也大大地提高,目前Kelly A E等人[24]已经实现了转换速率达到了100Gbit/s的波长转换,而且转换间距为80nm。三、鉴于光纤非线性的全光波长转换器光纤是一种无源器件,由于光纤的纤芯很细,所以在相对较低的泵浦光率下就可以产生四波混频和交叉相位调制等非线性效应,以光纤为基质的全光波长转换器就是利用这些效应来实现的。主要有基于光纤中四波混频效应的波长转换器和非线性光纤环镜(NOLMNonlinear Optical Loop Mirror)波长转换器[25]。其中,基于光纤的FWM型波长转换响应速度快,转换速率可以达到100Gbit/s,但是转换效率很低,而且转换效率对转换波长由很强的依赖性,因此不易达到理想的波长转换。NOLM型波长转换是利用以光纤为非线性介质的Sagnac干涉原理和光纤中交叉相位调制效应产生的非线性相移来实现的。探测光被一个5050的光纤耦合器分为两部分,沿两个方向传输,并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Kerr效应的作用下使得两束探测光产生受泵浦光强度调制的相位差,经过干涉后此相差反映在光强上,从而完成波长转换的功能。8但是这种类型的波长转换要求有较长的光纤,不易集成,而且对偏振敏感,由于光纤为无源器件所以转换效率很低。四、其他类型的波长转换基于电吸收调制的全光波长转换器电吸收调制(EAM)是一种损耗调制器[26],它利用Franze-Keldysh效应和量子约束Stark效应,工作在调制材料吸收边界波长处。N.Aawa等报道了一种新颖的电吸收调制型光波长转换器,利用信号光改变电吸收调制器中的光生在流子饱和来控制探测光的通断,从而实现强度调制的波长转换,转换速率达到了40Gbit/s。另外,速率为60Gbit/s的WDM-to-OTDM的转换已经实现[27]。基于超连续脉冲的光时选通特性的全光波长转换器超连续脉冲也叫透明脉冲,其脉宽为0.25-0.39ps,利用光纤中的克尔效应和正色散的相互作用,积累的啁啾展宽了光脉冲的光谱,从而得到频率啁啾与时间成正比的方波超连续光脉冲。由它实现波长转换利用了饱和吸收体高功率饱和吸收特性。目前已纪念馆实现了40Gbit/s的是分复用信号到波分复用信号的转换。基于非线性光波导非线性效应的全光波长转换非线性光波导常见的有准相位匹配的周期极化LiNbO3(PPLN)光波导、周期极化LiTaO3(PPLT)光波导和周期极化KTiOPO4(PPKTP)光波导。其中,PPKTP具有较高的破坏阈值和较低的矫顽电场(2KV/mm),容易极化,但是PPKTP的非线性系数较低,只有5.3pm/V,因此转换效率很低;而PPLN的有效非线性系数较大,有17.2pm/V,而且PPLN的制备技术成熟,应用较为广泛,目前基于PPLN的光参量振荡、倍频(SHG)以及差频(DFG)、和频(SFG)非线性效应都已实现。本文将主要讨论基于PPLN的非线性效应实现波长转换。1.3 基于PPLN的全光波长转换器自从C.Q.Xu于1993年首次报道了基于PPLN光波导的1.5 mμ波段的DFG型全光波长转换器[28]后,越来越多的科研机构和研究者开始进行基于PPLN光波导的
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