SOA全光波長轉換技術研究及其發展

孫志峰,王會洪,李雪寧,張敏明,陳璞,李曉磊,劉弘揚,皮逸翔

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

?

SOA全光波長轉換技術研究及其發展

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

摘要:全光波長轉換技術在波分復用網絡中有著非常重要的作用,尤其是基于SOA(半導體光放大器)的全光波長轉換技術,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的全光波長轉換技術的原理和性能特點進行了分析和比較。由最基礎的不同類型的基于SOA的全光波長轉換技術擴展到改進的技術方案,對不同結構和類型的全光波長轉換技術進行了特性分析和比較,并對它們的應用前景和發展方向進行了展望。結果表明,通過改變SOA的增益特性或者改變系統結構,均能在不同方面改善全光波長轉換技術的性能參數。

關鍵詞:半導體光放大器;全光波長轉換;交叉增益調制;交叉相位調制;四波混頻

0　引 言

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

波長轉換器應用于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、結構簡單和易于集成等特性。在眾多的波長轉換實現方案中,由于SOA(半導體光放大器)具有多種非線性效應,所需輸入信號功率較小,體積小且便于集成,基于SOA的全光波長轉換技術獲得了較為廣泛的關注和研究[1]。

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

1　SOA全光波長轉換的基本原理

1.1基于SOA的XGM(交叉增益調制)型波長轉換

基于SOA的XGM型波長轉換器具有結構較簡單、容易實現、輸入功率動態范圍較大和轉換效率較高等優點,其原理如圖1所示。

圖1　XGM型全光波長轉換原理

當SOA的偏置電流一定時,SOA有源區的載流子濃度不會發生太大變化。當信號光λp為“1”,即光強增加時,SOA有源區載流子濃度會降低,連續探測光所獲得的增益減小,即探測光λc為”0”;反之,當信號光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,從而實現了光信息從信號光λp到探測光λc的轉換。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型的全光波長轉換器需要解決的問題。

XGM型全光波長轉換的輸出消光比和轉換效率等性能與工作條件息息相關。在一定工作條件下,減小信號光功率或增大探測光功率,轉換效率會增大,但輸出消光比會降低;相應地,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,使消光比和轉換效率均能達到系統要求。

1.2基于SOA的XPM(交叉相位調制)型波長轉換

攜帶信息的信號光導致SOA中載流子濃度的消耗,從而引起SOA有效折射率的變化,并最終反應在探測光的相位變化上,通過合適的方法將相位變化解調出來,可以將相位變化轉換成強度變化,從而將信號光上攜帶的信息轉換到探測光,以實現波長轉換[2]。XPM型全光波長轉換的關鍵技術是相位信息的解調,目前實現相位信息解調的方法很多,各種干涉儀結構是較為常用的解調方法。

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

圖2　基于MZI的XPM型波長轉換原理

攜帶調制信息的信號光λp經耦合器后以不同比例分別耦合進入兩個不同的SOA,連續探測光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。連續的探測光經過兩個不同的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變成強度信息,從而使波長轉換器輸出端的探測光攜帶了信號光的調制信息。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型波長轉換原理示意圖

基于SOA的MZI結構的XPM型全光波長轉換器具有信噪比高、消光比高的優點,波長轉換后信號的頻率啁啾很小,但相對于XGM型全光波長轉換器來說,它的實現較為困難,只有采用單片集成的技術才能獲得較好的效果。

1.3基于SOA的FWM(四波混頻)型波長轉換

基于SOA的FWM型全光波長轉換器是利用SOA中FWM效應產生的新頻率來實現波長轉換的,由于它具有對調制格式嚴格透明的特點,因而受到了更為廣泛的關注[3]。

FWM效應是指在相位匹配的條件下,兩束光波相互作用產生一個新的波長。所以在基于SOA 的FWM型波長轉換之后輸出端有3個波長,需要后置濾波器將所需波長濾出。另外,這種波長轉換器的三階非線性較弱,轉換效率較低,且具有偏振相關性,其結構也更為復雜,這些都是FWM型全光波長轉換技術發展必須考慮的問題。

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

2　性能改進的技術方案

綜上所述可以看出,XGM、XPM和FWM型全光波長轉換技術各具特點和優勢,在波分復用全光網絡中有很大的應用前景,但同時每種技術也存在相應的不足。因此,國內外大量研究人員從器件原理、結構和實驗方案等不同方面對基于SOA的全光波長轉換技術進行了改進,使其應用更加廣泛。

2.1改善消光比的改進方案

XGM型波長轉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有源區長度、級聯SOA和使用R-SOA(反射型半導體光放大器)。

很明顯,有源區越長,SOA的輸出消光比越大。這主要是因為有源區越長,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的SOA,即使等效的增益長度相同,由于增益飽和效應的存在,在長有源區SOA中的后半段,隨著光信號功率的增大,放大效果慢慢變弱,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,因此反向經過SOA時,能夠繼續獲得較大的增益,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,信號光和連續探測光經過耦合器后同時注入SOA1中,由于SOA的XGM效應,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探測光,并在SOA2之前接入一個增益為A的控制器來調節輸入SOA2的光功率大小。在SOA2的輸入端,經過SOA1增益放大的連續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。級聯的SOA數目越多,得到的輸出消光比就越大。級聯型全光波長轉換器的增益恢復時間比單級波長轉換要少,且具有更高的輸出消光比,在高速全光網絡勢必會得到廣泛應用。

圖4　雙SOA級聯實驗裝置圖

2.2利用多種非線性效應的改進方案

XPM型波長轉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,改善輸出質量。另外,在XPM型全光波長轉換器中,輸入功率動態范圍較小,一般可以利用一個SOA增大輸入信號功率動態范圍,起到幅度均衡的作用,使得SOA輸出功率保持穩定[6]。

基于SOA構成的非對稱Sagnac干涉儀波長轉換器[7]也可以有效地改善轉換器的性能。如圖5所示[7],探測光波經由50∶50光耦合器被均分成兩路經相反方向注入SOA的光,若兩路光的傳輸距離相同,即SOA處于Sagnac干涉環的中心對稱位置,則兩路光獲得的增益相同,產生的相移也相同,影響Sagnac干涉環的干涉和調制作用的最主要因素是交叉偏振調制,而XGM和XPM的作用可以忽略不計。在實驗中我們將SOA置于干涉環的非中心對稱處,使XGM、XPM和交叉偏振調制這3種非線性效應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上的改變在干涉環中有所作用。

圖5　基于SOA的非對稱Sagnac干涉儀波長轉換器原理

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型波長轉換器時出現的消光比劣化問題,達到提高消光比的目的。與單獨利用SOA的XGM效應相比,非對稱Sagnac干涉儀結構帶來的交叉偏振調制可以有效抑制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,波長轉換后信號也與原始信號反相,但3種不同的非線性效應之間相互作用,探測光的增益差更大,所得的輸出消光比也比使用單個SOA的波長轉換器的情況要好;與XGM型波長轉換器相比具有更好的誤碼特性。

2.3FWM型波長轉換技術的改進方案

理論研究表明,在基于SOA的FWM型全光波長轉換器中,波長向上轉換時,其轉換效率更差;波長向下轉換時,其輸出光功率較小。傳統的FWM型全光波長轉換器都是利用的單泵浦輸入,但是此方案的轉換效率會隨著頻率失諧的增加而下降,且轉換效率與輸入信號的偏振態也息息相關。我們通常可以采用正交的兩個偏振光代替一個傳統的泵浦光來提高波長轉換范圍,并降低偏振相關性,還可以在SOA中注入輔助光來提高轉換效率。也可以同時利用上述兩種方法來改善FWM型波長轉換器的性能[8],提高輸出光信噪比及其轉換效率,增大波長轉換范圍,并降低功率代價。

輔助光、雙泵浦FWM型波長轉換原理如圖6所示[9]。通過PC控制兩路泵浦光的偏振態,使其在進入耦合器時為偏振正交,然后再同時注入SOA。向短波方向轉換時,該轉換器的波長轉換范圍為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換范圍;向長波方向轉換時,其轉換范圍為ΔP-2Δλ。顯然,ΔP是決定波長轉換范圍的主要因素,適當增大ΔP,可以增大波長轉換器的波長轉換范圍。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換器相比,轉換效率提高了5.5～8.5 dB[9]。

圖6　輔助光、雙泵浦FWM型波長轉換原理

3　結束語

本文首先介紹了基于SOA的XGM、XPM和FWM型全光波長轉換器。不同類型的全光波長轉換器各有優缺點,為了優化和改善全光波長轉換器的性能參數,大量的研究工作都致力于從結構上對方案進行改進。這些結構上的改進方案促進了基于SOA的全光波長轉換技術的發展,但同時使得系統設備更加復雜,在工程上難以實現。除了從系統結構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,來改變其非線性效應,從而改善波長轉換器的性能參數。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中運用多種改進方案,可以達到同時改善多個性能參數的目的,當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較為成熟,但暫時還無法應用到工程實踐中去,還需要進一步改進以降低成本和設備復雜性。

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

參考文獻:

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

[2] 謝光,張新亮,龔威,等.基于交叉增益調制的全光波長轉換實驗研究[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換技術[J].光子技術,2004,(2):100-103.

[4] 楊今強,潘仲琦,張漢一,等.全光波長轉換技術[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波長轉換器的消光比特性分析[J].激光技術,2005,29(1): 14-17.

[6] 施偉偉.全光波長轉換的研究[D].北京:清華大學, 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.

光通信系統與網絡技術

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