光通信中的光电子器件讲座：第三讲 全光通信网中的波长变换技术

文章简述了波长变换器在全光通信网中的作用和研究意义,讲解了各种波长变换器的原理、结构和所用器件,并分析了它们各自的优缺点。     

基于XGM波长变换系统中变换脉冲上升时间和脉冲宽度的研究

本文首先对半导体光放大器(SOA)中影响载流子寿命的因素进行了简单的理论分析,建立了SOA中动态载流子的模型,并且用这个模型分析了在2.5Gb/s非归零码(NRZ)条件下,基于交叉增益调制(XGM)波长变换系统中,泵浦光和信号光不同功率组合、不同波长组合,SOA的不同偏置电流等条件对变换脉冲的上升时间和脉冲的半高全宽的影响,并对结果进行了理论上的解释.     

基于光纤中SRS效应的全光波长转换

提出利用光纤中非线性效应受激喇曼散射（stimulated Raman scattering, SRS）实现波长转换的原理方案和相应的理论分析模型,并进行实验验证,将经过放大后的信号光和连续探测光同时注入光纤,在光纤中进行SRS放大,实现信号之间的转换。结果表明:利用SRS可实现波长转换,可实现跨几个THz的波长之间的转换。得到最大转换效率和消光比分别为-17.3 dB和15.7 dB。通过改变探测光的波长,可实现相隔几个THz光信号的全光波长转换和可调谐波长转换。     

基于光纤光参量放大的异步双波长全光再生技术研究

本文提出了一种新型的多波长全光再生方案,利用相位时钟光纤光参量放大,并采用相邻信道偏振正交的方法,实现对由异步信源产生的双波长信号全光再生.理论分析了参量放大中的增益饱和现象用于幅度噪声抑制,以及利用相位时钟及后续色散实现对信号定时的机理.在这个基础上,对两个独立信源产生的异步双波长10Gbit/s信号进行再生实验,实验表明该方案有效的抑制了基于多波长3R再生系统中信道间的四波混频与交叉相位调制等非线性干扰.系统在单波长和双波长情况下分别将两路信号信噪比改善了至少6.5dB与4.5dB.误码率测试结果说明,与背对背测试结果相比,无论是在单波长还是双波长条件下,两路波长的信号经过再生后都实现了约2dB的接收机功率代价的改善.     

基于半导体光放大器平行双抽运对OFDM光信号进行全光波长变换性能研究

研究了基于半导体光放大器平行双抽运对光正交频分复用信号进行全光波长变换的系统.信号光源经2Gb/s电信号直接调制后再和双抽运光耦合,经半导体光放大器后,由于四波混频效应而产生新的波长的信号光.实验结果显示,经半导体光放大器四波混频效应后,产生新的波长的信号光将携带OFDM信号且偏振不敏感,转换效率与双抽运光之间的波长间隔,抽运与信号光波长间距,信号光与泵浦光之间的偏振夹角等有关.同时也测量了转换的OFDM信号的功率-误码曲线和接收星座图.     

基于光子晶体光纤的全光波长变换研究

选用具有高非线性系数和非常灵活色散特性的光子晶体光纤(PCF)作为波长变换的媒质,对基于光子晶体光纤四波混频效应的波长变换进行了理论分析,设计实验系统,并进行了实验.实现了中心波长在1 550 nm附近、基于PCF四波混频效应的全光波长变换,最大转换效率－22 dB,转换带宽28 nm.     

基于法布里-珀罗滤波器的40 GHz全光时钟提取实验

研究了在基于法布里-珀罗（F-P)滤波器的全光时钟提取实验中法布里-珀罗滤波器的精细度和信号码型对时钟提取的影响.根据理论分析,利用精细度为1012的F-P滤波器进行了时钟提取实验,并利用SOA进一步抑制时钟信号中的幅度抖动噪音,改善了时钟信号的质量.最终提取出低幅度起伏、低时间抖动的40 GHz 时钟信号.     

基于半导体光放大器平行双抽运对OFDM光信号进行全光波长变换性能研究

研究了基于半导体光放大器平行双抽运对光正交频分复用信号进行全光波长变换的系统.信号光源经2Gb/s电信号直接调制后再和双抽运光耦合,经半导体光放大器后,由于四波混频效应而产生新的波长的信号光.实验结果显示,经半导体光放大器四波混频效应后,产生新的波长的信号光将携带OFDM信号且偏振不敏感,转换效率与双抽运光之间的波长间隔,抽运与信号光波长间距,信号光与泵浦光之间的偏振夹角等有关.同时也测量了转换的OFDM信号的功率-误码曲线和接收星座图.     

基于和频与差频级联的全光单光子波长变换

基于周期极化铌酸锂波导,提出了一种采用和频产生与差频产生级联的全光单光子波长变换方案.在海森堡绘景下,通过非线性变换过程的哈密顿量求解了目标单光子信号的湮灭算子,进而根据变换前后的光子数算符之比得到了单光子波长变换的效率.分析了和频产生过程以及差频产生过程中单光子的转换效率与泵浦功率之间的关系,证明了存在最佳泵浦功率使得量子态能够完全转移.数值分析结果表明,当上变换(和频产生)泵浦光功率为65 mW、下变换(差频产生)泵浦光功率为150 mW时,由1550 nm到1530 nm的单光子波长变换可达到61％的转换效率.给出了级联单光子波长变换的实验装置,包括周期极化铌酸锂波导、泵浦激光、准单光子信号源、滤波等光学元器件、单光子探测器和同步线路.     

利用交叉增益调制实现光时分复用波分复用波长变换

采用半导体光放大器的交叉增益调制效应 ,通过全光方法 ,实现了 1.2Gbit/s光时分复用信号转换成2× 6 2 2Mbit/s波分复用信号的解复用。它同样具有波分复用信号到光时分复用信号波长变换的功能。     

基于SOA-Sagnac干涉仪的XPM全光波长变换的研究

对基于SOA-Sagnac干涉仪的XPM个光波长变换从理论上和实验上进行了较为详细的研究。根据光路合成法求出SOA-Sagnac干涉仪的化输函数，并导出波长变换后的探测光电场表达式，并构成了一套实验系统，进行了622Mbit／s归零码光脉冲的波长变换实验，获得消光比大于10dB的波长变换范围约为43nm。     

基于半导体光放大器结合延迟干涉仪的全光波长转换

研究了基于半导体光放大器(SOA)结合延迟干涉仪(DI)结构的伞光波长转换.分析了SOA-DI结构的工作原理和DI参数的作用,进行了10 Gb/s和40 Gb/s归零码全光波长转换实验研究.实验结果表明,基于SOA中交叉增益调制(XGM)效应实现的波长转换为反相转换,输出信号消光比较低.当工作速率较高时波长转换信号质量明显恶化.而SOA-DI结构可实现同相波长转换并可改善波长转换信号的消光比,从而改善单个SOA实现波长转换的性能并提高系统的工作速率,该结构还具有结构简单、可光子集成等优点.     

All-Optical Wavelength Conversion Based on Four-Wave Mixing in Dispersion-Engineered Silicon Nanowaveguides

We demonstrate experimentally all-optical wavelength conversion based on four-wave mixing in dispersion-engineered silicon nanowaveguides with a picosecond pulse pump. We find that the conversion efficiency is significantly limited by nonlinear losses induced by the two-photon absorption and freecarrier absorption. Using a picosecond pulse pump centered at 1,550 nm, we show that the input continuous-wave signals can efficiently be converted into a broadband idler pulse in silicon waveguides with various dimensions. Conversion efficiencies versus signal wavelengths are different for silicon waveguides with different dimensions due to the variation in the phase mismatch; we obtain a conversion efficiency of – 32 dB in silicon nanowaveguides with a length of 5.8 mm. Such on-chip optical wavelength converters can find important potential applications in highly-integrated optical circuits for all-optical ultrafast signal processing.     

交叉增益调制的全光波长转换的消光比特性分析

建立了基于半导体光放大器交叉增益调制的波长转换理论模型,讨论了放大器的偏置电流、抽运光参数以及探测光参数对转换后信号消光比特性的影响,结果表明,大的抽运光功率小的探测光功率以及合适的转换波长间隔有利于获得大的消光比。     

All-Optical Wavelength Conversion with Amplitude Equalization and Pulse Shaping

A dual-wavelength-injection-locked (DWIL) Fabry-Perot (FP) laser is used as an all-optical wavelength converter and regenerator.Regenerated pulses have narrower pulse-width of 37ps.Power penalty and extinction-ratio improvement of 1.5dB and 4dB respectively were achieved.     

Wavelength Conversion in WDM All-Optical Networks and Analytical Models

This paper gives a brief introduction to the various wavelength conversion techniques. In order to explain the applications and benefits of the wavelength conversion techniques in WDM all-optical networks, several analytical models are studied.     

基于PPLN波导中倍频与差频效应的全光波长转换

对准相位匹配的铌酸锂光波导中基于倍频与差频级联二阶非线性效应的全光波长转换进行了研究.在建立理论模型的基础上,分别对单脉冲以及序列光脉冲的波长转换过程进行了数值模拟,并对转换过程中的走离现象以及脉冲延迟进行了分析.模拟结果表明信号光与抽运光脉冲非同步输入的情况下可以克服走离效应的影响,得到更好的转换效率.另外,在抽运时钟脉冲的驱动下,输入的40 Gb/s的NRZ信号光可以转换为RZ转换光,且波形较好.     

Simultaneously All-Optical Inverted and Noninverted Wavelength Conversion Employing Ultra-Small Silicon-on-Insulator Waveguide

We propose single-to-dual all-optical wavelength conversion based on stimulated Raman effect on silicon waveguides. Simulation results of non-return-to-zero (NRZ) pseudorandom bit sequence (2⁷–1 code) at 10, 50, and 200-Gbit/s rates of conversion in an ultra-small silicon-on-insulator waveguide are presented. The main goal in the proposed scheme is that the converted signal can be obtained simultaneously inverted, at the 1550 nm channel (down-conversion) and non-inverted, at the 1846 nm channel (up-conversion), for original signal fixed at 1686 nm.