全光波長轉(zhuǎn)換：高速波長轉(zhuǎn)換的必由之路

作者：Jeff Hecht

目前，盡管實驗室已經(jīng)實現(xiàn)了高達320Gbit/s的波長轉(zhuǎn)換速率，但為未來的光網(wǎng)絡(luò)開發(fā)實用的波長轉(zhuǎn)換器，仍然有一段很長的路要走。

目前，波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)通過光-電-光轉(zhuǎn)換實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，即先將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后利用電信號驅(qū)動激光器產(chǎn)生需要的波長。光放大器的巨大成功使得這一波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的缺點暴露無疑，因此過去十多年來，科學(xué)家們一直致力于開發(fā)用于下一代光網(wǎng)絡(luò)的全光波長轉(zhuǎn)換器。

目前實現(xiàn)全光波長轉(zhuǎn)換主要有兩種技術(shù)，一是基于光混頻的波長轉(zhuǎn)換，二是基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的波長轉(zhuǎn)換，這兩種技術(shù)均誕生于十年前。前者利用非線性介質(zhì)實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，具有低噪聲、高速率、低損耗等優(yōu)點，但要求介質(zhì)具有較高的非線性，并且器件體積較為龐大。相比之下，基于SOA的波長轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成，但噪聲較大，并且實現(xiàn)高速運行需要特殊設(shè)計。而在SOA中實現(xiàn)基于光混頻的波長轉(zhuǎn)換，可以將這兩種技術(shù)有機地結(jié)合起來。

 
圖1. 四波混頻波長轉(zhuǎn)換器利用輸入信號光和連續(xù)的泵浦光，通過非線性效應(yīng)將信號轉(zhuǎn)換到新的波長，然后利用濾波器將泵浦光和輸入信號光濾掉，從而實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。

多年來，盡管波長轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)取得了很大進步，但仍然沒有走向?qū)嵱没�，這是因為目前的技術(shù)并沒有融入一個實用化的器件，同時下一代光網(wǎng)絡(luò)的需求仍在不斷變化。下一代光網(wǎng)絡(luò)要求將波長轉(zhuǎn)換技術(shù)、光再生技術(shù)和光交換技術(shù)融合在一起，而高速光網(wǎng)絡(luò)可能還需要融合光分組交換技術(shù)和光突發(fā)交換技術(shù)。

速率需求
對更高網(wǎng)絡(luò)容量的需求推動著全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的進步。對于10Gbit/s的速率，光-電-光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)可以很好地勝任。雖然光-電-光波長轉(zhuǎn)換器包括接收機和發(fā)射機，但技術(shù)上的長足的進步，已經(jīng)使光-電-光波長轉(zhuǎn)換器不但比復(fù)雜的全光波長轉(zhuǎn)換器具有價格優(yōu)勢，而且更加簡捷、直觀。

但對于40Gbit/s的速率，光子技術(shù)無疑是電子技術(shù)最強有力的競爭對手，對于更高速率的光網(wǎng)絡(luò)，市場開始青睞于光子技術(shù)。美國南加州大學(xué)的Alan Willner表示：“對于100Gbit/s甚至速率更高的網(wǎng)絡(luò)而言，利用電子技術(shù)實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換將變得相當(dāng)困難。” 全光波長轉(zhuǎn)換則意味著高速率，目前實驗室中的全光波長轉(zhuǎn)換速率已經(jīng)達到了驚人的320Gbit/s。

基本原理
全光波長轉(zhuǎn)換的四種主要機制包括非線性材料中的參量轉(zhuǎn)換、SOA中的參量混頻、SOA中的交叉增益調(diào)制和交叉相位調(diào)制。

參量波長轉(zhuǎn)換利用強泵浦光與輸入信號光產(chǎn)生新的波長。在四波混頻中，兩個泵浦光子湮滅，同時產(chǎn)生一個信號光子和一個閑頻光子。三波混頻則以差頻方式產(chǎn)生一個新的波長，然后通過濾波器提取出新的波長（見圖1）。

在非線性材料中實現(xiàn)高效的參量波長轉(zhuǎn)換，要求材料必須具有很高的非線性系數(shù)，如鈮酸鋰、高非線性光纖、經(jīng)過特殊設(shè)計的光子晶體光纖等。非線性材料通常不產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，因此波長轉(zhuǎn)換的噪聲較低。但是，基于非線性材料的波長轉(zhuǎn)換器由分立的光學(xué)元件組成，很難實現(xiàn)集成，這使其走向?qū)嵱没�舉步維艱。

基于SOA的波長轉(zhuǎn)換，將輸入信號的調(diào)制轉(zhuǎn)移到新波長上，同時被SOA放大。SOA中載流子的恢復(fù)時間決定了其相對較小的轉(zhuǎn)換速率，可以采用補償技術(shù)實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換速率。SOA為有源器件，易于與其他器件集成，因此可以將波長轉(zhuǎn)換與光再生結(jié)合起來。

在SOA中實現(xiàn)參量波長轉(zhuǎn)換，將信號轉(zhuǎn)移到新的波長上，同時對新波長進行放大，通過濾波器提取攜帶信號的新波長。

 
圖2. SOA中較長的恢復(fù)時間導(dǎo)致波長轉(zhuǎn)換后輸出信號具有較長的拖尾。通過延時干涉，調(diào)整信號通過兩臂的延時差，可以消除較長的拖尾，從而獲得更短的脈沖。

SOA中基于交叉增益調(diào)制的全光波長轉(zhuǎn)換原理為：信號光對連續(xù)的探測光進行調(diào)制，從而將信號光所攜帶的信號轉(zhuǎn)移到探測光上。交叉增益調(diào)制利用SOA的增益飽和效應(yīng)，因此輸入信號光功率越高，輸出探測光（波長轉(zhuǎn)換后攜帶信號）的功率越低，波長轉(zhuǎn)換得到的是輸入信號的反相波形，即輸入信號為1時，輸出信號為0，輸入信號為0時，輸出信號為1，可以將轉(zhuǎn)換后的信號通過反相器恢復(fù)為原始信號。

 
圖3. 高非線性光纖中基于交叉相位調(diào)制的速率達320Gbit/s的波
長轉(zhuǎn)換，通過拉曼放大提高信號的輸出功率。

SOA中基于交叉相位調(diào)制的全光波長轉(zhuǎn)換原理為：信號光對連續(xù)探測光的相位而非強度進行調(diào)制，信號光的強度變化通過消耗載流子改變半導(dǎo)體的折射率，進而改變探測光的相位，因此輸入信號光的瞬時強度變化反映在探測光的相位上，通過干涉儀將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成強度調(diào)制即實現(xiàn)全光波長轉(zhuǎn)換。早期試驗利用一對SOA和一個Mach-Zehnder干涉儀實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，但德國卡爾斯魯厄大學(xué)的Juerg Leuthold表示，利用一個SOA與延遲干涉儀，可以克服SOA較長的恢復(fù)時間。延遲干涉儀通過耦合器將光分成兩部分，一部分為線波導(dǎo)，另一部分為環(huán)形延遲線，延時為10ps，然后再通過耦合器將兩部分輸出合束，可以消除由于載流子恢復(fù)所導(dǎo)致的拖尾現(xiàn)象，獲得更短的脈沖（見圖2）。

SOA還具有低功耗和寬帶運行（運行波段達幾十個納米）的優(yōu)點，但目前存在的主要問題是偏振靈敏度和自發(fā)輻射噪聲。

320Gbit/s展示
最近，荷蘭愛因霍芬科技大學(xué)的研究人員Yong Liu和他的同事利用一個SOA、一個光纖光柵和兩個級聯(lián)光學(xué)帶通濾波器實現(xiàn)了速率達320Gbit/s的波長轉(zhuǎn)換。輸入信號光的平均功率約為4mW，可調(diào)諧激光器輸出的連續(xù)探測光的平均功率約為2mW。輸入信號光通過交叉增益調(diào)制和半導(dǎo)體折射率的變化，調(diào)制連續(xù)探測光，并且使輸出信號產(chǎn)生波長啁啾。輸出信號通過濾波器提取，濾波器的中心波長相對于連續(xù)探測光具有藍移，其目的是將增益恢復(fù)時間壓縮至1.8ps。輸出信號最后通過延遲干涉儀恢復(fù)為原始信號。[1]

在今年的CLEO會議上，德國柏林Heinrich Hertz研究院的研究人員Bernd Huettl和他的同事報道了速率達320Gbit/s的波長轉(zhuǎn)換，輸入信號光和泵浦光波長分別為1546.5nm和1540.5nm，非線性介質(zhì)為93mm周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)。整個波長轉(zhuǎn)換分為兩個過程：泵浦光倍頻產(chǎn)生二次諧波，二次諧波與信號光差頻產(chǎn)生波長為1534.5nm的輸出信號。該研究小組同時還報道了320Gbit/s差分四相移鍵控信號和160Gbit/s差分相移鍵控信號的波長轉(zhuǎn)換。[2]
在此次CLEO會議上，丹麥技術(shù)大學(xué)研究人員Michael Galili和他的同事報道了高非線性光纖中基于交叉相位調(diào)制的速率達320Gbit/s的波長轉(zhuǎn)換。他們先將1544nm的連續(xù)光和1557nm的信號光耦合到非線性光纖的一端，反向傳輸?shù)睦�曼泵浦光通過拉曼增益提高波長轉(zhuǎn)換效率（見圖3），信號光通過200m高非線性光纖的功率損失只有0.2dB。[3]

Huettl 和 Galili在今年的OFC 會議上還報道了他們的聯(lián)合試驗結(jié)果：在1100m長的高非線性光纖中利用四波混頻實現(xiàn)了320Gbit/s差分四相移鍵控信號的波長轉(zhuǎn)換。[4]

競爭與前景展望
目前，實驗室中的高速波長轉(zhuǎn)換技術(shù)離實用化還相距甚遠。貝爾實驗室將波長轉(zhuǎn)換器和激光器集成在一起，可根據(jù)特定需求切換到不同的輸出波長，但轉(zhuǎn)換速率只有40Gbit/s。[5]對于下一代光網(wǎng)絡(luò)而言，集成性和可調(diào)諧性是兩個至關(guān)重要的指標(biāo)。但對于高速運行而言，目前仍然需要在這兩者中加以權(quán)衡。

全光波長轉(zhuǎn)換器走向?qū)嵱没�還存在許多挑戰(zhàn)。對于下一代高容量光網(wǎng)絡(luò)，波長轉(zhuǎn)換將是光交換的一部分，基于波混頻的全光波長轉(zhuǎn)換在下一代光網(wǎng)絡(luò)中具有較大的優(yōu)勢，因為它能夠?qū)崿F(xiàn)完全透明的波長轉(zhuǎn)換，這對于高級光交換至關(guān)重要。[6] 在這些波長轉(zhuǎn)換技術(shù)中，最終誰將勝出，在一定程度上也取決于網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。

波長轉(zhuǎn)換器件的應(yīng)用不只局限于光網(wǎng)絡(luò)。從更廣的視角看，波長轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于一個信號處理器，能夠輸入、輸出和加載控制信號，就如同真空管時代的晶體管和三極管，因此波長轉(zhuǎn)換器將具有更廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻
1. Y. Liu et al., J. Lightwave Technology 24, 103 (2007).
2. B. Huettl et al., CLEO 07, paper CThF1.
3. M. Galili et al., CLEO 2007, paper CThF4.
4. M. Galili et al., OFC 2007, paper OTuI3.
5. Pi. Bernasconi et al., J. Lightwave Technology 24, 71 (January 2006).
6. S.J. Ben Yoo, J. Lightwave Technology 24, 4468 (December 2006).