全光網(wǎng)中的波長變換技術(shù)

摘要　提出了利用光纖激光器及飽和吸收體進(jìn)行波長變換的方法，并對其設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行了介紹，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并指出了全光波長變換在全光通信網(wǎng)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞　全光波長變換　增益飽和　飽和吸收體

1、引言

在含有波長變換器的網(wǎng)絡(luò)中，光通道能在不同的鏈路上用不同的波長而建立，從而大大提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性，消除光通道的波長沖突。引入波長變換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)波長的再利用，更有效地進(jìn)行路由的選擇，降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率，提高WDM網(wǎng)的靈活性和可擴(kuò)充性。

2、波長轉(zhuǎn)換技術(shù)

最初的波長變換器是光/電/光型波長變換器，即光信號經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換成電信號，電信號再調(diào)制所需波長的激光器，是目前一種非常成熟的波長變換器，可實(shí)現(xiàn)3R(定時、再生、整形)功能，且具有輸入動態(tài)范圍較大、不需光濾波器、對輸入偏振不敏感等許多優(yōu)點(diǎn)，但由于EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的大量使用以及光電變換中的電子瓶頸問題，為了盡量保持光層的透明性，避免光/電變換，因此現(xiàn)在主要致力于全光波長變換器的研究。

目前已提出的全光波長變換技術(shù)主要有基于半導(dǎo)體光放大器(SOA：semiconductor optical amplifier)的交叉增益(XGM)調(diào)制、交叉相位(XPM)調(diào)制、四波混頻(FWM)效應(yīng)，基于非線性光學(xué)環(huán)境(NOLM)，基于光纖中的四波混頻(FWM)效應(yīng)及基于激光器來實(shí)現(xiàn)波長變換。其中基于交叉增益(XGM)調(diào)制的波長變換技術(shù)是目前研究最深入，也是最成熟的技術(shù)，利用了SOA的增益飽和效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了信號光和連續(xù)激光的反相調(diào)制，相關(guān)的報(bào)道也很多，這里不再贅述。

利用激光器來實(shí)現(xiàn)波長變換的方法很多，其中有基于光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光(FBG-ECL)的波長變換、基于光纖激光器的波長變換以及基于可飽和吸收體的波長變換。

2.1　基于光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光(FBG-ECL)的波長變換

波長變換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。即將信號光直接注入到F-P腔激光器中通過增益飽和效應(yīng)來調(diào)節(jié)諧振波長的增益大小，將信號光中的碼流信息直接調(diào)制到探測光中，并使用光纖光柵窄帶濾波器實(shí)現(xiàn)探測波長高透、單頻諧振輸出，從而能夠?qū)崿F(xiàn)信號的波長轉(zhuǎn)換，對連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光器進(jìn)行高速的直接光調(diào)制。由圖可見外部的信號光經(jīng)耦合器和環(huán)行器2口進(jìn)入半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外部信號光為“1”時，激光器對其本身激發(fā)光的增益下降，所以激光振蕩被抑制，輸出為“0”；而當(dāng)外部信號光為“0”時，不影響半導(dǎo)體激光器連續(xù)激光輸出“1”。這樣，信號光的信息就轉(zhuǎn)換到激光器的輸出波長上，但是兩者反相。由于轉(zhuǎn)換后的”1”與“0”信號分別對應(yīng)于激光器的振蕩與熄滅，所以轉(zhuǎn)換后的信號消光比非常高。另外，采用如圖所示的結(jié)構(gòu)將波長變換介質(zhì)和所需波長的光源合為一體，具有簡易性和低成本的優(yōu)點(diǎn)，而且由于采用光纖光柵外腔激光器，使得輸出波長非常穩(wěn)定，可以獲得極低的啁啾。它的缺點(diǎn)是有一定的偏振敏感性。

由于光柵具有選模作用，變換后的波長由光柵的反射波長決定，因此要實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的波長變換，可以通過改變光纖光柵的反射波長來實(shí)現(xiàn)。光纖光柵的反射波長由其周期決定，目前改變其周期的主要方法有溫度和應(yīng)力調(diào)諧，其中利用應(yīng)力調(diào)諧的效果要明顯好于溫度的作用，利用壓電陶瓷、磁力的作用、有機(jī)物聚合體熱脹冷縮的特性、電加熱金屬外包層拉伸光纖光柵都已經(jīng)取得了一定的成效。目前已經(jīng)有采用應(yīng)力方法使光纖光柵中心波長在100nm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。

2.2　基于光纖激光器的波長變換技術(shù)

利用光纖激光器實(shí)現(xiàn)波長變換的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，其原理仍然是基于激光器的增益飽和效應(yīng)。圖中的EDFA系統(tǒng)是指由摻鉺光纖(EDF)及其相關(guān)器件如泵浦源、隔離器等組成的，在EDFA的兩端加上具有一定反射率的布拉格光柵A和B(兩者具有相同的反射帶寬)就形成了激光的諧振腔，光柵B反射率一般接近1，高的反射率有利于激光模式的形成，而光柵A反射率較低，一般為50%-70%，振蕩所形成的激光即通過光柵A由環(huán)行器2-3口輸出。濾波器用來濾掉原信號光。

　　帶有強(qiáng)度調(diào)制的信號光由環(huán)行器1-2口入射到光纖激光器中，當(dāng)信號光為“1”時，光纖激光器中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗，使其達(dá)到增益飽和狀態(tài)，因此其輸出為“0”；信號光為“0”時，則正好相反，因此信號光的信息就轉(zhuǎn)換到激光的輸出上，完成了波長變換。

與上面提到的利用光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器來進(jìn)行波長變換相比，兩種方法均是利用了激光器的增益飽和效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)波長變換，但是利用光纖激光器來進(jìn)行波長變換具有一個顯著的優(yōu)點(diǎn)，就是可以實(shí)現(xiàn)多個波長對多個波長的變換。即只要在EDFA的增益譜寬(1530-1565nm)范圍內(nèi)的多個信號光可以同時耦合進(jìn)光纖激光器中，當(dāng)然對應(yīng)的光纖光柵必須是具有一定反射帶寬的光柵，這樣當(dāng)這多個信號光同時進(jìn)入光纖激光器中時，通過增益飽和效應(yīng)就完成了多個信號的波長變換過程，如果再通過調(diào)諧光纖光柵的反射波長即光柵的周期，就可以實(shí)現(xiàn)多個波長信號同時變換到任意多個波長上的過程。

2.3　基于飽和吸收體的波長變換

利用可飽和吸收體來實(shí)現(xiàn)波長變換的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。一般由一個普通的激光器在腔內(nèi)插入一個染料盒構(gòu)成，染料盒內(nèi)裝有可飽和吸收體，飽和吸收體是具有多量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體無源器件。其工作原理是當(dāng)入射功率小于飽和功率時，器件具有較大的吸收系數(shù)，而當(dāng)入射功率大于飽和功率時，器件具有很小的吸收系數(shù)，吸收系數(shù)可以表示為：

ß=ßo1/(1+I/Is)

ßo：光強(qiáng)趨于零時的吸收系數(shù)；Is：飽和吸收體的飽和參量；ß：光強(qiáng)為時的吸收系數(shù)。

由上式可以看出，當(dāng)I>>Is時，ß逐漸趨向于零，即該飽和吸收體對該波長的光變成透明的，這一現(xiàn)象稱為漂白。當(dāng)外部信號光為“O”時，激光器開始泵浦，此時腔內(nèi)的光強(qiáng)還很弱，所以吸收體對該激光波長的光有強(qiáng)烈的吸收作用，腔內(nèi)損耗很大，Q值很低，不能形成激光，因此輸出為“0”；而當(dāng)外部信號光為“1”時，迅速將飽和吸收體漂白，使得激光器的Q值躍升，導(dǎo)致激光器輸出一個隨注入信號強(qiáng)度呈正比變化的光脈沖，從而將注入信號的碼流信息復(fù)制到激光器的發(fā)射波長上。針對此種裝置，本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)進(jìn)行了理論研究，提出了理論分析模型，并且進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明此種波長轉(zhuǎn)換技術(shù)具有很好的線性響應(yīng)。

利用可飽和吸收體來實(shí)現(xiàn)波長變換從根本上克服了轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換前后碼流信息的相位反相等弊端，而且因這種損耗調(diào)制的引入能夠使諧振模增益積累，信號輸出功率較大，同時消光比也可以得到很大提高。

3、結(jié)束語

全光波長轉(zhuǎn)換器是解決全光網(wǎng)中波長路由競爭的關(guān)鍵器件，是充分發(fā)揮WDM寬帶資源的必要手段，對網(wǎng)絡(luò)的性能起著至關(guān)重要的作用。它對于未來高速大容量通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)，光交換，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性都有重要的影響。尤其是基于激光器和飽和吸收體的波長變換具有重要的理論研究及實(shí)驗(yàn)價(jià)值。