SOA型全光波长变换

2019-11-03 18:25:49

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供稿：网友

胡浪玢

　　摘要：波长变换器是DWDM网络中十分重要的功能器件，在关键的网络节点处发挥着非常重要的作用，它能够提高子网间的互联性，解决波长竞争，消除阻塞，提供虚波长路由，并且，可在动态传输模式下更好地利用网络资源。

　　关键词：全光波长变换、SOA、DWDM

　　一、全光波长变换简介

　　1、采用全光波长变换的原因

　　Internet的出现与多媒体业务的迅猛发展对带宽资源提出越来越高的要求。在物理传输层和网络层上，密集波分复用技术（DWDM）通过对波长进行复用，在波长域中提高传输容量，对光纤带宽资源进行了充分的利用。在波长路由网络中，信号被按照不同的波长进行路由和开关。在许多这样的波长路由网络的交互连接中，一些关键的问题将必须被注意，包括网络间的互联性，可扩展性和透明性。

　　波长变换器（Wavelength Convertor）是DWDM实现这些优秀特性所需要的一个关键功能器件。波长变换器在关键的网络节点处发挥着非常重要的作用。它能够提高子网间的互联性，解决波长竞争，消除阻塞，提供虚波长路由，并且，从总体上来说，在动态传输模式下更好地利用网络资源。

　　2、全光波长变换原理

　　波长变换可以用光－电－光的方法间接实现：用接收器接受光信号，将它变换到电域，然后用处理后的电信号调制激光器产生相应的输出波长。由于这种不必要的光电、电光变换过程受电子瓶颈限制，所以需要研究全光波长变换的技术。【1-5】一个全光波长变换器可以被大致看成一个三端输入、一端输出的器件。波长λS的信号光、连续探测光（波长可以是目标波长λT，也可以不是，这取决于变换原理）以及电控制信号三者共同组成了波长变换器的输入。变换器的输出是波长λT的携带信息的光信号。根据变换的原理不同，变换后信号可能是逻辑反相的，也可能不是。

　　二、SOA型全光波长变换

　　1、SOA型全光波长变换的分类

　　半导体光放大器（SOA）是实现全光波长变换的一种非常有用的器件。SOA型全光波长变换常采用的物理效应有：交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等。SOA型全光波长变换器也相应的分为这三类。

　　2、SOA-XGM型波长变换

　　2a、SOA-XGM型波长变换原理

　　利用SOA中的交叉增益调制效应（XGM）实现波长变换的原理是：随着输入光功率的增加，由于受激辐射，SOA中载流子的消耗相应增加，载流子浓度下降，导致SOA增益减少，即发生增益饱和现象。此时，如果把一束波长为λT（与目标波长相同）的连续探测光注入SOA，当信号光处于高功率（逻辑1）时，由于SOA的增益饱和效应，探测光不能得到放大（逻辑0）；相反，当信号光处于逻辑0时，探测光被放大（逻辑1）。此即为交叉增益调制效应（XGM）。于是，强度调制信息就从信号光λS加载到了探测光λT上，实现了波长变换，只是输出信号在逻辑上与原信号相反。

　　2b、各种SOA-XGM型波长变换方案

　　图1a所示为信号光与探测光同向传输的方案，SOA后面接上一个光带通滤波器（OBPF）来滤出波长为λT的信号。如果探测光和光滤波器是可调谐的，那这就是一个可调谐全光波长变换器。图1b所示的是信号光与探测光反相传输的情况，这种方案可以省去光滤波器；但是，由于信号光与探测光的相互作用时间较短，这种结构的变换器变换速率比同向传输结构的要慢一些【3】。这两种最简单的方案，在偏振敏感性、消光比恶化、逻辑反相、波形畸变、变换速率及频率啁啾等方面有一些问题。

　　通过采用偏振无关的SOA可以大大降低SOA-XGM型波长变换的偏振敏感性【1】。

　　SOA的ASE噪声使得输出消光比相对输入消光比恶化7-8dB。这个问题在从短波长变换到长波长的情况下尤其严重。这个缺点使得XGM失去了波长变换的对称性，直接影响到多级级联的能力【3】。不过，2000年的研究成果表明，在SOA后接一个马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉结构的带光纤光栅的OADM（光分叉复用器），使变换波长位于光栅传输曲线陡峭的下降沿附近，可以有效地减小变换脉冲的蓝移，从而减小变换信号的啁啾，使WC的级联数目达到８个。这种方案的结构如图2所示。【8】【9】

　　SOA-XGM型波长变换的逻辑反相问题，是采用这种原理的必然结果。可行的解决方案是采用两个波长变换器级连，将第一次变换后得到的逻辑反相信号再次反相，得到正相的变换信号。但这种解决方案势必增加系统成本，并且恶化消光比。

　　SOA-XGM型波长变换的波形畸变和变换速率问题，主要受限于载流子寿命。传统的体材料SOA（Bulk-SOA）中XGM型波长变换的载流子恢复时间较长（nm量级），导致在10Gb/s的变换速率下码型效应比较严重，进而使变换信号波形畸变。但近两年的技术进步很好地解决了这个问题。2003-2004年，日本富士通研究所通过成功制备量子点SOA（Quantum-Dot-SOA），将载流子恢复时间比传统的降低了近千倍（达到ps量级），可以实现40Gb/s无码型效应的XGM型波长变换【6】【7】。但是，量子点SOA具有强烈的增益偏振相关效应，使得QD-SOA-XGM型波长变换偏振相关。

　　由于载流子浓度与折射率波动给变换信号造成的啁啾问题，一方面影响变换后信号的传输，同时也引出了一种基于这个原理的波长变换类型：SOA-XPM型波长变换。

　　3、SOA-XPM型波长变换

　　3a、SOA-XPM型波长变换原理

　　交叉相位调制（XPM）效应，依赖于SOA有源区中折射率分布随注入光强的变化。输入信号光消耗载流子，使载流子浓度发生变化，进而使折射率发生变化。折射率的变化使通过SOA的探测光的相移随信号光光强的改变而改变。这就是交叉相位调制效应。

　　然后利用干涉仪把相位调制转变为强度调制。输出的变换信号可以与原信号同相，也可以反相，这取决于工作点在干涉仪传输函数的正斜率上还是负斜率上。这个特性是XPM型相对于XGM型的一个显著优点。另外，SOA-XPM型波长变换还能实现信号的部分再生，从而提高多级级联的能力；还可以实现陡峭的上升/下降变换曲线，从而提高变换性能。

　　3b、各种SOA-XPM型波长变换方案

　　常用的干涉仪结构主要是马赫－曾德干涉仪（MZI）、迈克尔逊干涉仪（MI）（图3）和非线性光纤环路镜（NOLM）（图５）三种【1-3】。此外，还有利用偏振分束的对称马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪的XPM型的波长变换器和在SOA后加延时线和移相器构成干涉结构的波长变换器方案等。

　　总体说来，XPM型的变换效率比XGM型要高。为实现干涉仪对光信号的开关操作，XPM型需要使相位变化为л，相应的增益变化仅为4-5dB；而XGM型的增益变化范围则为10dB【3】。增益变化越小，变换信号的啁啾越小。为了实现开关操作，需要在干涉仪中实现干涉相加和干涉相消。在XPM-MZI型中，就需要其两臂间有一个相位差。

　　图3a和图3b用不同的方法实现了这种相位差。图3a中的耦合器的分光比不是1:1，使得注入MZI两臂以及两臂上SOA的光功率不等，使两臂具有不同的折射率，从而实现两臂间的相位差。而图3b只是把信号光耦合进一个SOA就实现了这种相位差。

　　如果要实现输出光与输入光的逻辑同相，干涉仪的自然状态（无信号光的情况）就应该被设计成干涉相消的状态。可以通过控制SOA电流或者利用一个单片集成波导的调相元件来产生这种状态。如图3b所示，探测光从MZI的另一端输入，当干涉仪是干涉相消状态时，探测光输出逻辑0；当干涉仪是干涉相加状态时，探测光输出逻辑1。以此实现波长变换，同时实现了输出光与输入光的逻辑同相。

　　只使用一个SOA的方案也是可能的。这种方案仅在MZI的一臂上有一个SOA，通过它提供需要的相位差。但是，这种方案对偏振敏感，并且输出光功率要小一些。

　　迈克尔逊干涉仪型（MI）的方案如图3c所示。信号光也只注入一个SOA，使两臂产生相位差。探测光从变换器另一端注入，通过耦合器分为两束，都在SOA的解理面发生反射。由于MI两臂的相位差，反射回去的探测光发生干涉相加或相消。因此，这种结构实质上可以视为折叠起来的MZI型的变换器。这种变换器可以同步完成波长和偏振态的变换，因此，探测光和信号光可以有不同的偏振态。

　　另一种采用非线性光纤环路镜（NOLM）作为干涉仪的波长变换器如图4所示。【1】

　　在图4a中，非线性效应通过1-10km长的光纤环路获得。波长为目标波长λT的连续探测光被耦合器平分为两束，一束在光纤环路中按顺时针方向传输，另一路按逆时针方向传输。当光纤环路中没有非线性效应时，变换器的输出端将看不到探测光。信号光通过另一个耦合器耦合进光纤环路，沿逆时针方向传输，通过非线性Kerr效应（通过很长环路的累积）对光纤环路的折射率进行调制。这就会使得逆时针传输的探测光的相位相对于顺时针传输的探测光增加。这种不对称性使探测光出现在输出端。10Gb/s速率时的实验已经实现【1】。另一种相似的，但是更简洁、高效的方法是利用SOA中的非线性来代替长光纤的非线性Kerr效应。SOA的非线性最初被考虑用来制作时分分解复用器（TDD）或者T赫兹量级的光非对称解复用器（TOAD）【2】。SOA被放置在偏离于环路中心的位置以实现非对称性，这是使用SOA的关键。探测光λT，与前面一样，被耦合器平分为两束，分别顺时针和逆时针传输。信号光λs耦合入环路，并使SOA发生饱和。由于两束探测光分别在SOA饱和前后通过SOA，所以它们将产生不同的相移。当它们回到输入输出处的耦合器那里时，它们将发生干涉，由于相移不同，在输出端得到波长为λT的变换光，实现波长变换。此结构可以作为一个同步的波长变换器和一个4:1的40Gb/s的解复用器。【2】

　　利用偏振分束的对称MZI干涉仪结构的XPM波长变换器如图5所示。信号光和CW光同向经过SOA，在XPM效应作用下，CW光相位被调制，CW光然后被方解石分为偏振方向相互垂直且时延为14ps的两束光，二者在检偏器处发生干涉，产生变换后的信号。【13】【14】2003年有报道采用这种结构实现了10 Gb/s的无误码波长变换。【14】

　　在SOA后加延时线和移相器构成干涉结构的波长变换器如图6所示，称为延时干涉信号波长变换器（DISC）。【10】【11】【12】整个器件材料为InGaasp/InP，集成度非常高，图6所示器件尺寸只有1.3×6mm。由于其中使用的强波导材料曲率半径非常小，所以在SOA和干涉结构之间利用MMI（多模干涉滤波器）消除高阶模。2000年的实验结果成功实现了100 Gb/s RZ信号波长变换10nm。

　　SOA-XPM型波长变换器有许多的优点，包括输出信号逻辑同相，与偏振和波长无关，低啁啾，有部分再生能力，以及消光比高。但另一方面，它们仍只限于变换强度调制信号，且需要精确的SOA偏置电流控制（相移与SOA的偏置点强相关）。

　　4、SOA-FWM型波长变换

　　4a、SOA-FWM型波长变换原理

　　无论SOA-XGM型还是SOA-XPM型波长变换，都只限于变换强度调制信号（如NRZ、RZ等）。而光携带的信息可以通过强度调制、频率调制和相位调制实现，因此这两种变换方案对信号的调制格式不透明。与它们相对的是基于SOA中四波混频（FWM）效应的波长变换，一种对调制格式透明的方案。四波混频（FWM）产生的变换波的强度正比于相互作用波强度的乘积，而变换波的相位和频率则是相互作用波的相应量的线性组合。因此，原信号的幅度、频率和相位信息在变换后都被保留下来了，即对码率和格式都透明，这是它的一个突出优点。

　　SOA中FWM效应的原理是：输入两束光到SOA中，一束高强度的探测光，波长Wp；一束低强度的信号光，波长Ws。两输入光在SOA中相互作用，形成强度光栅。强度光栅使SOA中形成载流子浓度光栅。【2】载流子浓度光栅散射两输入光，在输入波长的两侧各产生一个新的波长。一个新的波是信号光被光栅散射的结果。它的频率是Ws-(Wp-Ws)=2Ws-Wp。它的强度与信号光成正比，因此强度很弱，被称为卫星波（图7）。另一个新产生的波长是探测光被光栅散射的结果，频率为2Wp-Ws，强度正比与探测光，因而强度很强，被称为变换波。它们与原波长的间隔都等于原波长间的差频Wp-Ws，如图7【4】。通常，变换波与卫星波的强度差别在20dB以上。需要在变换器后接上一个滤波器以滤出变换波。这种变换器的变换效率和带宽由SOA的性质和相互作用长度决定。

　　当泵浦光与信号光的失谐很小（几个GHz）时，载流子浓度的变化能够跟上强度光栅的变化频率（等于差频），于是产生载流子浓度光栅和折射率光栅。相反，当失谐超过了载流子寿命时，载流子浓度的变化就跟不上光强度的变化。当泵浦光和信号光的差频很大的时候，SOA中占优势的非线性效应是电子能量分布的改变，而不是电子数目的改变。前者是个弱效应，因此，变换信号的能量和变换范围有关系（变换后信号的能量随变换范围的增加而减少），从而变换效率也就和变换范围相关。在向长波长进行变换时，四波混频效应也会导致变换效率的降低。变换后信号功率的减少量随变换波长间隔的变化而变化。当变换间隔为几纳米时，能量减少量大约为5dB；当变换间隔为10nm时，能量减少量可以达到15-25dB【2】。基于FWM的波长变换器存在固有的对偏振敏感问题。为了减少它对偏振的敏感性，人们提出了各种各样的解决途径，包括对两个偏振方向分别变换和垂直偏振双泵浦等。

　　虽然存在不少问题，基于SOA中的FWM效应的全光波长变换器也有它独特的优点。它提供对信号格式完全透明的波长变换，而且速度快，几乎是比特速率的变换。另外，采用这种原理，波长的变换是和相位结合在一起的，故信号的频谱与原信号反转。因此，如果在一个光纤链路中插入这种波长变换器，不仅能实现波长变换，还能进行色散补偿，并且不会恶化信号的消光比。这种原理的变换器也较容易实现。

　　4b、SOA-FWM型波长变换的最新进展

　　SOA-FWM型波长变换的最大缺点就是变换效率很低，传统方案的变换效率最高在-10dB左右。2002-2004年期间，许多研究所对利用量子点SOA进行FWM波长变换进行了大量研究【15】【16】【17】。由于量子点SOA极小的线宽展宽因子，QD-SOA-FWM波长变换的效率最高达到了0dB【15】，极大地改善了这种方案的性能。图8是利用偏振分束来实现QD-SOA-FWM波长变换的装置图【17】。

　　三、未来的发展方向

　　虽然波长变换技术已经发展了很多年，并且被认为正在走向成熟，但它的很多性能远未达到使人们满意的程度。向长波长方向变换与向短波长方向变换的不对称性，以及变换间隔大与变换间隔小的性能差别，对网络高层结构及其设计起着重要影响。多级级联能力，偏振敏感程度，和信号的完整性，都将从未来的工作中得到改善。虽然利用波长变换器的各种方案已经在子网中进行了实验，但可靠性问题仍然是一个尚待解决的问题，它可能从单片集成和未来的发展中得到解决。

　　功能性和可靠性不可能脱离成本及相关的外设来考虑。波长变换器目前仍然十分昂贵，有理由相信通过集成而不是分离元器件组装可以大大地降低成本。然而，普遍看法认为，分离元器件的组装方法目前仍然要领先一些。

　　考虑到成本问题，如何根据其数量和位置来配置稀缺的波长变换器达到性能最优化仍然是个尚待讨论的问题。波长变换器的共用是另一个有趣的问题，且共用的程度和外设都需要考虑。更进一步，对波长变换器发生变换错误的容纳能力，以及采用波长变换器后网络结构的设计都值得仔细研究。WDM网络的管理也是一个相关的新领域，新增的波长变换器给它增加了新的课题。集中式管理与分布式管理的比较，以及对波长变换器的管理都需要解决。

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摘自　光纤新闻网

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