SOA全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)研究及其發(fā)展

孫志峰,王會洪,李雪寧,張敏明,陳璞,李曉磊,劉弘揚,皮逸翔

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司信息通信公司,武漢 430077; 2.華中科技大學(xué),武漢 430074)

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SOA全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)研究及其發(fā)展

孫志峰1,王會洪1,李雪寧2,張敏明2,陳璞1,李曉磊2,劉弘揚2,皮逸翔2

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司信息通信公司,武漢 430077; 2.華中科技大學(xué),武漢 430074)

摘要:全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中有著非常重要的作用,尤其是基于SOA(半導(dǎo)體光放大器)的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù),已有較為成熟的理論研究,但其性能上仍存在很多不足。文章對基于SOA的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的原理和性能特點進行了分析和比較。由最基礎(chǔ)的不同類型的基于SOA的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)擴展到改進的技術(shù)方案,對不同結(jié)構(gòu)和類型的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)進行了特性分析和比較,并對它們的應(yīng)用前景和發(fā)展方向進行了展望。結(jié)果表明,通過改變SOA的增益特性或者改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu),均能在不同方面改善全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的性能參數(shù)。

關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體光放大器;全光波長轉(zhuǎn)換;交叉增益調(diào)制;交叉相位調(diào)制;四波混頻

0　引 言

隨著通信容量需求的不斷增加,DWDM(密集波分復(fù)用)技術(shù)逐漸成為超大容量光纖傳輸最有效的實現(xiàn)方案,而波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的器件則是波長轉(zhuǎn)換器,它可以實現(xiàn)光開關(guān)、光交換和光波長路由等功能。全光波長轉(zhuǎn)換器在DWDM系統(tǒng)和全光網(wǎng)絡(luò)中有著非常關(guān)鍵的作用,故而從上世紀(jì)90年代以來就受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

波長轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于DWDM時,需要具有高可靠性、低功率損耗、比特率透明、無消光比退化、啁啾小、結(jié)構(gòu)簡單和易于集成等特性。在眾多的波長轉(zhuǎn)換實現(xiàn)方案中,由于SOA(半導(dǎo)體光放大器)具有多種非線性效應(yīng),所需輸入信號功率較小,體積小且便于集成,基于SOA的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)獲得了較為廣泛的關(guān)注和研究[1]。

本文將對基于SOA的不同非線性效應(yīng)的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)進行較為全面的介紹、分析和比較。在此基礎(chǔ)上,對目前國內(nèi)外基于SOA的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的先進方案進行性能分析與討論,最后介紹基于SOA的全光波長轉(zhuǎn)換器的最新研究進展。

1　SOA全光波長轉(zhuǎn)換的基本原理

1.1基于SOA的XGM(交叉增益調(diào)制)型波長轉(zhuǎn)換

基于SOA的XGM型波長轉(zhuǎn)換器具有結(jié)構(gòu)較簡單、容易實現(xiàn)、輸入功率動態(tài)范圍較大和轉(zhuǎn)換效率較高等優(yōu)點,其原理如圖1所示。

圖1　XGM型全光波長轉(zhuǎn)換原理

當(dāng)SOA的偏置電流一定時,SOA有源區(qū)的載流子濃度不會發(fā)生太大變化。當(dāng)信號光λp為“1”,即光強增加時,SOA有源區(qū)載流子濃度會降低,連續(xù)探測光所獲得的增益減小,即探測光λc為”0”;反之,當(dāng)信號光λp為“0”時,探測光λc為“1”。最后在SOA輸出端得到的探測光信號λc與原始信號光的相位相反。在SOA之后連接一個窄帶濾波器,將調(diào)制后的探測光λc濾出來,就可以得到與原始信號光反相的探測光信號,從而實現(xiàn)了光信息從信號光λp到探測光λc的轉(zhuǎn)換。反相信號會增加傳輸過程中信號處理的難度,因此我們通過兩次反相得到原始的信號。同時,無論輸入信號光的消光比為多大,輸出探測光信號的消光比為某一定值,即一定會存在輸出消光比的惡化,這是基于SOA的XGM型的全光波長轉(zhuǎn)換器需要解決的問題。

XGM型全光波長轉(zhuǎn)換的輸出消光比和轉(zhuǎn)換效率等性能與工作條件息息相關(guān)。在一定工作條件下,減小信號光功率或增大探測光功率,轉(zhuǎn)換效率會增大,但輸出消光比會降低;相應(yīng)地,增大信號光功率或減小探測光功率,輸出消光比會增大,但轉(zhuǎn)換效率會下降。因此,需要找到最佳的輸入信號和探測光功率,使消光比和轉(zhuǎn)換效率均能達到系統(tǒng)要求。

1.2基于SOA的XPM(交叉相位調(diào)制)型波長轉(zhuǎn)換

攜帶信息的信號光導(dǎo)致SOA中載流子濃度的消耗,從而引起SOA有效折射率的變化,并最終反應(yīng)在探測光的相位變化上,通過合適的方法將相位變化解調(diào)出來,可以將相位變化轉(zhuǎn)換成強度變化,從而將信號光上攜帶的信息轉(zhuǎn)換到探測光,以實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換[2]。XPM型全光波長轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)是相位信息的解調(diào),目前實現(xiàn)相位信息解調(diào)的方法很多,各種干涉儀結(jié)構(gòu)是較為常用的解調(diào)方法。

如圖2所示,我們以基于MZI(馬赫-曾德干涉儀)的XPM型波長轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)為例來說明XPM型波長轉(zhuǎn)換原理。

圖2　基于MZI的XPM型波長轉(zhuǎn)換原理

攜帶調(diào)制信息的信號光λp經(jīng)耦合器后以不同比例分別耦合進入兩個不同的SOA,連續(xù)探測光λc從另一端耦合進入SOA中。信號光功率的大小決定了SOA中載流子濃度的大小,不同的載流子濃度會導(dǎo)致SOA的有效折射率不同。由于耦合進兩個SOA中的信號光功率大小不一樣,因而引起的折射率變化也不一樣。連續(xù)的探測光經(jīng)過兩個不同的SOA后會攜帶不同的相位變化信息,再通過干涉將這種相位變化信息轉(zhuǎn)變成強度信息,從而使波長轉(zhuǎn)換器輸出端的探測光攜帶了信號光的調(diào)制信息。載流子濃度變化、相位變化及輸出功率變化如圖3所示。

圖3　XPM型波長轉(zhuǎn)換原理示意圖

基于SOA的MZI結(jié)構(gòu)的XPM型全光波長轉(zhuǎn)換器具有信噪比高、消光比高的優(yōu)點,波長轉(zhuǎn)換后信號的頻率啁啾很小,但相對于XGM型全光波長轉(zhuǎn)換器來說,它的實現(xiàn)較為困難,只有采用單片集成的技術(shù)才能獲得較好的效果。

1.3基于SOA的FWM(四波混頻)型波長轉(zhuǎn)換

基于SOA的FWM型全光波長轉(zhuǎn)換器是利用SOA中FWM效應(yīng)產(chǎn)生的新頻率來實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換的,由于它具有對調(diào)制格式嚴(yán)格透明的特點,因而受到了更為廣泛的關(guān)注[3]。

FWM效應(yīng)是指在相位匹配的條件下,兩束光波相互作用產(chǎn)生一個新的波長。所以在基于SOA 的FWM型波長轉(zhuǎn)換之后輸出端有3個波長,需要后置濾波器將所需波長濾出。另外,這種波長轉(zhuǎn)換器的三階非線性較弱,轉(zhuǎn)換效率較低,且具有偏振相關(guān)性,其結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜,這些都是FWM型全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展必須考慮的問題。

但與基于SOA的XGM型和XPM型波長轉(zhuǎn)換技術(shù)相比,FWM型波長轉(zhuǎn)換技術(shù)在信號的轉(zhuǎn)換過程中能夠保留原始信號的幅度和相位信息,具有很好的轉(zhuǎn)換透明性以及調(diào)制格式透明性。其最主要的優(yōu)勢在于,FWM型波長轉(zhuǎn)換技術(shù)可以在同一設(shè)備上同時實現(xiàn)多個波長的轉(zhuǎn)換,而XGM型和XPM型波長轉(zhuǎn)換技術(shù)都無法實現(xiàn)這一點[4]。

2　性能改進的技術(shù)方案

綜上所述可以看出,XGM、XPM和FWM型全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)各具特點和優(yōu)勢,在波分復(fù)用全光網(wǎng)絡(luò)中有很大的應(yīng)用前景,但同時每種技術(shù)也存在相應(yīng)的不足。因此,國內(nèi)外大量研究人員從器件原理、結(jié)構(gòu)和實驗方案等不同方面對基于SOA的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)進行了改進,使其應(yīng)用更加廣泛。

2.1改善消光比的改進方案

XGM型波長轉(zhuǎn)換器的主要缺點是消光比的劣化,改善其輸出消光比的方法有:增加SOA有源區(qū)長度、級聯(lián)SOA和使用R-SOA(反射型半導(dǎo)體光放大器)。

很明顯,有源區(qū)越長,SOA的輸出消光比越大。這主要是因為有源區(qū)越長,SOA中探測光能獲得的增益越大,而獲得的增益差越大,輸出消光比就越大。R-SOA的輸出消光比特性好于長有源區(qū)的SOA,即使等效的增益長度相同,由于增益飽和效應(yīng)的存在,在長有源區(qū)SOA中的后半段,隨著光信號功率的增大,放大效果慢慢變?nèi)?探測光得到的增益差不能線性增加;但在R-SOA中,由于后端面反射損耗的存在,光載后端面反射時功率降低,因此反向經(jīng)過SOA時,能夠繼續(xù)獲得較大的增益,因此RSOA的輸出消光比特性更好[5]。

雙SOA級聯(lián)的方案[6]對提高輸出消光比也有較為顯著的效果,其實驗裝置如圖4所示[6]。首先,信號光和連續(xù)探測光經(jīng)過耦合器后同時注入SOA1中,由于SOA的XGM效應(yīng),探測光獲得由SOA1XGM帶來的增益,記為G1;在SOA1之后接入濾波器,得到增益放大后的連續(xù)探測光,并在SOA2之前接入一個增益為A的控制器來調(diào)節(jié)輸入SOA2的光功率大小。在SOA2的輸入端,經(jīng)過SOA1增益放大的連續(xù)探測光和相同的信號光同時耦合注入,同理,探測光獲得由其帶來的增益,記為G2。對于整個系統(tǒng)來說,探測光獲得的總增益為P=G1AG2,比單級SOA所得增益要大,輸出消光比自然就更大。級聯(lián)的SOA數(shù)目越多,得到的輸出消光比就越大。級聯(lián)型全光波長轉(zhuǎn)換器的增益恢復(fù)時間比單級波長轉(zhuǎn)換要少,且具有更高的輸出消光比,在高速全光網(wǎng)絡(luò)勢必會得到廣泛應(yīng)用。

圖4　雙SOA級聯(lián)實驗裝置圖

2.2利用多種非線性效應(yīng)的改進方案

XPM型波長轉(zhuǎn)換器在工作過程中同時伴隨著XGM過程,XGM引起的幅度變化可能會降低XPM型波長轉(zhuǎn)換的輸出性能,因此需要選擇合適的工作條件,以降低XGM的影響,改善輸出質(zhì)量。另外,在XPM型全光波長轉(zhuǎn)換器中,輸入功率動態(tài)范圍較小,一般可以利用一個SOA增大輸入信號功率動態(tài)范圍,起到幅度均衡的作用,使得SOA輸出功率保持穩(wěn)定[6]。

基于SOA構(gòu)成的非對稱Sagnac干涉儀波長轉(zhuǎn)換器[7]也可以有效地改善轉(zhuǎn)換器的性能。如圖5所示[7],探測光波經(jīng)由50∶50光耦合器被均分成兩路經(jīng)相反方向注入SOA的光,若兩路光的傳輸距離相同,即SOA處于Sagnac干涉環(huán)的中心對稱位置,則兩路光獲得的增益相同,產(chǎn)生的相移也相同,影響Sagnac干涉環(huán)的干涉和調(diào)制作用的最主要因素是交叉偏振調(diào)制,而XGM和XPM的作用可以忽略不計。在實驗中我們將SOA置于干涉環(huán)的非中心對稱處,使XGM、XPM和交叉偏振調(diào)制這3種非線性效應(yīng)同時存在并相互作用,兩路反向的光在相位和幅度以及偏振態(tài)上的改變在干涉環(huán)中有所作用。

圖5　基于SOA的非對稱Sagnac干涉儀波長轉(zhuǎn)換器原理

實驗表明,上述改進的方案可以有效地改善單獨使用基于SOA的XGM型波長轉(zhuǎn)換器時出現(xiàn)的消光比劣化問題,達到提高消光比的目的。與單獨利用SOA的XGM效應(yīng)相比,非對稱Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)帶來的交叉偏振調(diào)制可以有效抑制XGM的功率劣化,使得探測光獲得較大的增益。由改進方案的原理可以看出,波長轉(zhuǎn)換后信號也與原始信號反相,但3種不同的非線性效應(yīng)之間相互作用,探測光的增益差更大,所得的輸出消光比也比使用單個SOA的波長轉(zhuǎn)換器的情況要好;與XGM型波長轉(zhuǎn)換器相比具有更好的誤碼特性。

2.3FWM型波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的改進方案

理論研究表明,在基于SOA的FWM型全光波長轉(zhuǎn)換器中,波長向上轉(zhuǎn)換時,其轉(zhuǎn)換效率更差;波長向下轉(zhuǎn)換時,其輸出光功率較小。傳統(tǒng)的FWM型全光波長轉(zhuǎn)換器都是利用的單泵浦輸入,但是此方案的轉(zhuǎn)換效率會隨著頻率失諧的增加而下降,且轉(zhuǎn)換效率與輸入信號的偏振態(tài)也息息相關(guān)。我們通?？梢圆捎谜坏膬蓚€偏振光代替一個傳統(tǒng)的泵浦光來提高波長轉(zhuǎn)換范圍,并降低偏振相關(guān)性,還可以在SOA中注入輔助光來提高轉(zhuǎn)換效率。也可以同時利用上述兩種方法來改善FWM型波長轉(zhuǎn)換器的性能[8],提高輸出光信噪比及其轉(zhuǎn)換效率,增大波長轉(zhuǎn)換范圍,并降低功率代價。

輔助光、雙泵浦FWM型波長轉(zhuǎn)換原理如圖6所示[9]。通過PC控制兩路泵浦光的偏振態(tài),使其在進入耦合器時為偏振正交,然后再同時注入SOA。向短波方向轉(zhuǎn)換時,該轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換范圍為ΔP+2Δλ,式中,ΔP為兩個泵浦光波長之差, 2Δλ為單泵浦時的波長轉(zhuǎn)換范圍;向長波方向轉(zhuǎn)換時,其轉(zhuǎn)換范圍為ΔP-2Δλ。顯然,ΔP是決定波長轉(zhuǎn)換范圍的主要因素,適當(dāng)增大ΔP,可以增大波長轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換范圍。以往很多研究和實驗也都證明了注入輔助光可以有效提高轉(zhuǎn)換效率。而此實驗測得:注入輔助光之后,與無輔助光的波長轉(zhuǎn)換器相比,轉(zhuǎn)換效率提高了5.5～8.5 dB[9]。

圖6　輔助光、雙泵浦FWM型波長轉(zhuǎn)換原理

3　結(jié)束語

本文首先介紹了基于SOA的XGM、XPM和FWM型全光波長轉(zhuǎn)換器。不同類型的全光波長轉(zhuǎn)換器各有優(yōu)缺點,為了優(yōu)化和改善全光波長轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù),大量的研究工作都致力于從結(jié)構(gòu)上對方案進行改進。這些結(jié)構(gòu)上的改進方案促進了基于SOA的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展,但同時使得系統(tǒng)設(shè)備更加復(fù)雜,在工程上難以實現(xiàn)。除了從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面進行改進來改善性能之外,我們也可以從改善SOA器件的增益特性出發(fā),來改變其非線性效應(yīng),從而改善波長轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)。從不同的角度,針對不同性能進行改善,將會研究出更多不同的改進方案。同時,我們可以在同一系統(tǒng)中運用多種改進方案,可以達到同時改善多個性能參數(shù)的目的,當(dāng)然前提是這些方案不能削弱其他性能。目前,這些改進的方案有的在理論上已經(jīng)較為成熟,但暫時還無法應(yīng)用到工程實踐中去,還需要進一步改進以降低成本和設(shè)備復(fù)雜性。

從上世紀(jì)90年代開始,國內(nèi)外的研究人員就逐漸開展了對基于SOA的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究。近年來,由于電子器件速率的限制,全光網(wǎng)絡(luò)漸漸成為研究熱點,同時通信容量的飛速增長,使用DWDM技術(shù)的全光網(wǎng)絡(luò)因此也成為了最炙手可熱的應(yīng)用熱點。而DWDM網(wǎng)絡(luò)中全光波長轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件就是全光波長轉(zhuǎn)換器,基于SOA的全光波長轉(zhuǎn)換器是目前較為成熟的實現(xiàn)方案,通過不斷地改善其性能參數(shù),并使其結(jié)構(gòu)較簡單,成本降低,就能將其廣泛地應(yīng)用于全光網(wǎng)絡(luò)中,這將是現(xiàn)階段和今后國內(nèi)外的研究重點,將為大容量低成本的DWDM全光網(wǎng)絡(luò)的建成奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻:

[1] 趙宇,王發(fā)強,許國良,等.基于半導(dǎo)體光放大器全光波長轉(zhuǎn)換器的研究進展[J].光電子技術(shù),2003,23 (2):130-134.

[2] 謝光,張新亮,龔?fù)?等.基于交叉增益調(diào)制的全光波長轉(zhuǎn)換實驗研究[J].光通信研究,2001,(3):17-19. [3] 項鵬,王榮.基于四波混頻的全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)[J].光子技術(shù),2004,(2):100-103.

[4] 楊今強,潘仲琦,張漢一,等.全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)[J].紅外與激光工程,1997,(5):22-27.

[5] 董建績,張新亮,王穎,等.基于單端SOA波長轉(zhuǎn)換器的消光比特性分析[J].激光技術(shù),2005,29(1): 14-17.

[6] 施偉偉.全光波長轉(zhuǎn)換的研究[D].北京:清華大學(xué), 2004.

[7] Obermann K,Kindt S.Performance analysis of wavelength converters based on cross-gain modulation in semiconductor-optical amplifiers[J].Lightwave Technology Journal of,1998,16(1):78-85.

[8] Zhang X,Huang D,Sun J,et al.Extinction ratio improvement in XGM wavelength conversion based on novel scheme[C]//WCC-ICCT 2000.Beijing: IEEE,2000,2:1571-1574.

[9] Mak M W K,Tsang H K,Chan K.Widely tunable polarization-independent all-optical wavelength converter using a semiconductor optical amplifier[J]. Photonics Technology Letters IEEE,2000,12(5): 525-527.

光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Research on SOA-Based All-Optical Wavelength Conversion Technology and Its Development

SUN Zhi-feng1,WANG Hui-hong1,LI Xue-ning2,ZHANG Min-ming2,CHEN Pu1,LI Xiao-lei2,LIU Hong-yang2,PI Yi-xiang2
(1.State Grid Hubei Electric Power Company Telematics Inc.,Wuhan 430077,China;
2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Abstract:The all-optical wavelength conversion technology plays an important role in WDM networks and there have been mature theoretical study on the Semiconductor Optical Amplifier(SOA)-based all-optical wavelength conversion technology. However,it still has a lot of deficiencies in its performance.This paper analyzes and compares the principles and performances of SOA-based all-optical wavelength conversion technologies in different structures and types from the most basic ones to the improved technical schemes and looks into their application prospect and development orientations.The results show that we can improve the performance parameters of all-optical wavelength conversion technology in different aspects by changing the gain characteristic of SOA or system structures.

Key words:SOA;all-optical wavelength conversion;XGM;XPM;FWM

中圖分類號:TN914

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-004-04

收稿日期:2015-10-29

作者簡介:孫志峰(1980-),男,湖北隨州人。工程師,博士,主要研究方向為光傳感。

通信作者:張敏明,副教授。E-mail:mmz@mail.hust.edu.cn

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.002