毕业设计文献综述.doc

重 庆 理 工 大 学

文 献 综 述

二级学院 光电信息学院
专 业 电子信息科学与技术
班 级
学生姓名 姚 远 学 号

基于SOA交叉增益调制、 交叉相位调制全光波长转换研究
摘 要: 全光波长变换器是未来全光通信和宽带网络关键器件,它能够提升波分复用系统(WDM)灵活性和可扩充性,克服交换节点处因波长争用所造成网络阻塞问题,实现波长再利用,能够有效地进行路由选择,增强网络对故障适应能力。基于半导体光放大器(SOA)波长转换器含有转换效率高、 功耗小等优点,很受大家青睐。 论文对基于SOA交叉增益调制(XGM)和交叉相位调制(XPM)全光波长变换进行了理论、 仿真和试验研究。关键工作以下: (1)首先对SOA基础特征进行了理论分析,推导得出XGM型波长变换消光比方程和转换效率方程,基于上述模型对波长变换过程进行理论模拟。对XPM进行理论分析。 (2)仿真研究。用Opticalsystem软件对波长变换过程进行仿真分析,探讨了输入控制脉冲功率、 连续光功率及SOA注入电流对XGM型输出光波消光比影响;对影响XPM型输出啁啾大小参数进行了讨论;经过整形滤波器方法得到了正、 反码波长变换,并讨论了相关参数对正码效果影响; (3)试验研究。对于XGM型波长变换,进行了40Gbit/s全光波长变换试验,验证了各参数对输出光波消光比影响;对于XPM型波长变换,进行了采取窄带滤波器抑制
码型效应试验、 40Gbit/s正码波长变换试验和多波长变换试验。
一、 课题意义
全光波长转换器在高速全光通信网中含相关键作用, 它增加了波长可重用性, 克服了交换节点处因波长争用所造成网络阻塞问题, 所以增强了波长路由光网络动态路由能力, 对可用波长数有限节点数较多大容量网格网络而言效果极其显著。伴随传输速率及容量快速提升, 全光波长转换器开发变得越来越关键。实现全光波长转换四种关键机制包含非线性材料中参量转换、 基于半导体光放大器交叉增益调制（XGM）、 基于SOA交叉相位调制（XPM）和参量混频。采取SOA全光波长转换器含有体积小集成、 转换效率高、 宽带宽等特点而成为全光波长转换领域研究热点
二、 全光波长转换发展现实状况
因为半导体技术发展较为成熟,利用SOA中XGM、 XPM和XAM效应原理设计AOWC体积小,转换效率高,但因为受到载流子寿命限制,转换速率较低,转换后信号为反码,不适于占空比小窄脉宽高速通信系统,而且转换不对称,长波长转换时消光比劣化严重。同时还有全部有源介质共同问题ASE影响,使信噪比下降,影响级联性能。基于交叉相位调制(XPM)和相干原理AOWC因为利用光干涉原理使转换后信消光比得到提升。
采取SOA-XPMAOWC与SOA-XGM相比含有入射光功率低,输出波长转换谱宽窄、 啁啾小,但载流子恢复时间限制了转换速率,而且仍然存在着自发辐射噪声(ASE)问题。采取Kerr-XPMAOWC不存在ASE问题,仅受量子噪声限制,转换速率高,但不便于集成,现在只适合于试验室中采取。利用非线性原理FWM和DFG型AOWC结构简单,转换速率可达成T比特级,而且是现在唯一一个真正意义上透明转换器。但因为受到非线性效率和相位匹配限制而使其转换效率不高。文中介绍利用NDFWM集成放大分布反馈激光器充足利用了有源介质放大和非线性转换速率高特点,以及利用二阶非线性效应级联LiNbO3波导AOWC是两种很有发展前途全光波长转换器。
中国八纵八横光缆干线网已于10月全方面完工,干线全部采取WDM方法传输,将对中国各方面发展产生极大影响,也同时为中国未来向格状全光网发展打下良好基础。而全光网关键之一全光波长转换研究将极大地推进中国通信发展, 含有很高 学术价值和应用前景。
三、 工作原理
全光波长转换四种关键机制包含非线性材料中参量转换、 SOA中参量混频、 SOA中交叉增益调制和交叉相位调制。参量波长转换利用强泵浦光与输入信号光产生新波长。在四波混频中, 两个泵浦光子湮灭, 同时产生一个信号光子和一个闲频光子。三波混频则以差频方法产生一个新波长, 然后经过滤波器提取出新波长四波混频波长转换器利用输入信号光和连续泵浦光, 经过非线性效应将信号转换到新波长, 然后利用滤波器将泵浦光和输入信号光滤掉, 从而实现波长转换。
在非线性材料中实现高效参量波长转换, 要求材料必需含有很高非线性系数, 如铌酸锂、 高非线性光纤、 经过特殊设计光子晶体光纤等。非线性材料通常不产生自发辐射噪声, 所以波长转换噪声较低。不过, 基于非线性材料波长转换器由分立光学元件组成, 极难实现集成, 这使其走向实用化举步维艰。基于SOA波长转换, 将输入信号调制转移到新波长上, 同时被SOA放大。SOA中载流子恢复时间决定了其相对较小转换速率, 能够采取赔偿技术实现较高转换速率。SOA为有源器件, 易于与其她器件集成, 所以能够将波长转换与光再生结合起来。在SOA中实现参量波长转换, 将信号转移到新波长上, 同时对新波长进行放大, 经过滤波器提取携带信号新波长。SOA中基于交叉增益调制全光波长转换原理为: 信号光对连续探测光进行调制, 从而将信号光所携带信号转移到探测光上。交叉增益调制利用SOA增益饱和效应, 所以输入信号光功率越高, 输出探测光（波长转换后携带信号）功率越低, 波长转换得到是输入信号反相波形, 即输入信号为1时, 输出信号为0, 输入信号为0时, 输出信号为1, 能够将转换后信号经过反相器恢复为原始信号。SOA中基于交叉相位调制全光波长转换原理为: 信号光对连续探测光相位而非强度进行调制, 信号光强度改变经过消耗载流子改变半导体折射率, 进而改变探测光相位, 所以输入信号光瞬时强度改变反应在探测光相位上, 经过干涉仪将相位调制转换成强度调制即实现全光波长转换。早期试验利用一对SOA和一个Mach-Zehnder干涉仪实现波长转换, 但德国卡尔斯鲁厄大学JuergLeuthold表示, 利用一个SOA与延迟干涉仪, 能够克服SOA较长恢复时间。延迟干涉仪经过耦合器将光分成两部分, 一部分为线波导, 另一部分为环形延迟线, 延时为10ps, 然后再经过耦合器将两部分输出合束, 能够消除因为载流子恢复所造成拖尾现象, 取得更短脉冲SOA中较长恢复时间造成波长转换后输出信号含有较长拖尾。经过延时干涉, 调整信号经过两臂延时差, 能够消除较长拖尾, 从而取得更短脉冲SOA还含有低功耗和宽带运行（运行波段达几十个纳米）优点, 但现在存在关键问题是偏振灵敏度和自发辐射噪声。
四、 全光波长转换技术前景展望
现在, 试验室中高速波长转换技术离实用化还相距甚远。贝尔试验室将波长转换器和激光器集成在一起, 可依据特定需求切换到不一样输出波长, 但转换速率只有40Gbit/s。对于下一代光网络而言, 集成性和可调谐性是两个至关关键指标。但对于高速运行而言, 现在仍然需要在这二者中加以权衡。全光波长转换器走向实用化还存在很多挑战。对于下一代高容量光网络, 波长转换将是光交换一部分, 基于波混频全光波长转换在下一代光网络中含有较大优势, 因为它能够实现完全透明波长转换, 这对于高级光交换至关关键。在这些波长转换技术中, 最终谁将胜出, 在一定程度上也取决于网络体系结构。波长转换器件应用不只局限于光网络。
因为半导体技术发展较为成熟,利用SOA中XGM、 XPM和XAM效应原理设计AOWC体积小,转换效率高,但因为受到载流子寿命限制,转换速率较低,转换后信号为反码,不适于占空比小窄脉宽高速通信系统,而且转换不对称,长波长转换时消光比劣化严重。同时还有全部有源介质共同问题ASE影响,使信噪比下降,影响级联性能。基于交叉相位调制(XPM)和相干原理AOWC因为利用光干涉原理使转换后信号消光比得到提升。采取SOA-XPMAOWC与SOA-XGM相比含有入射光功率低,输出波长转换谱宽窄、 啁啾小,但载流子恢复时间限制了转换速率,而且仍然存在着自发辐射噪声(ASE)问题。采取Kerr-XPMAOWC不存在ASE问题,仅受量子噪声限制,转换速率高,但不便于集成,现在只适合于试验室中采取。利用非线性原理FWM和DFG型AOWC结构简单,转换速率可达成T比特级,而且是现在唯一一个真正意义上透明转换器。但因为受到非线性效率和相位匹配限制而使其转换效率不高。文中介绍利用NDFWM集成放大分布反馈激光器充足利用了有源介质放大和非线性转换速率高特点,以及利用二阶非线性效应级联LiNbO3波导AOWC是两种很有发展前途全光波长转换器。中国八纵八横光缆干线网已于10月全方面完工,干线全部采取WDM方法传输,将对中国各方面发展产生极大影响,也同时为中国未来向格状全光网发展打下良好基础。而全光网关键之一全光波长转换研究将极大地推进中国通信发展,含有很高学术价值和应用前景。
参考文件
[1] 《WDM技术与应用》, 徐宁榕, 周春燕, 人民邮电出版社
[2]《光纤通信》, 原荣, 电子工业出版社
[3]《光纤通信 - - 通信用光纤、 器件和系统》, 美国光学学会 Michael Bas, 人民邮电出版社
[4]《无线通信技术》, 周金萍, 唐伶俐 , 科学出版社
[5] 《电磁场理论基础》, 王蔷, 清华大学出版社
[6]金惠文, 陈建亚, 纪红 现代交换原理 3月
[7]姜凤娇, 高艳萍, 岳小云 光交换技术在通信网中应用[期刊论文] 11期
[8]翟锦华 全光通信中光交换技术[期刊论文] 6期
[9]张连俊, 彭荣群 通信网中光交换技术[期刊论文] 4期