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全光波长变换器的研究现状1.概述全光波长转换(AllOpticalWavelengthConver-sion，缩写为AOWC)因其无需光电(OE)/电光(E0)转换器件，不受光信号格式(SignalFormat)以及位速率的限制，使光子网络具有透明性的特点而受到关注。由于全光波长转换器能够高效、可靠、简便地把信号光从一个波长转换到另一个波长，从而使基于波分复用的全光通信网系统容量大大提高，实现波长的再利用，解决了波长竞争问题，实现波长路由和虚通道功能，降低网络阻塞率，使网络管理更为灵活、简便和合理。因AOWC已成为光通信网的一个研究热点，无论实现AOWC的是有源器件(如半导体光放大器(SOA))，还是无源器件(如光纤)，它们依据的都是光的非线性效应。波长转换是实现光子网(PhotonicNetworks)中的灵活波长控制的关键技术之一。在光子网络的光互连节点上，波长转换技术的应用能够降低通道阻塞的概率，实现波长的重复使用。波长资源的有效利用也有利于促进灵活网络的构筑。2.实现技术的研究现状目前用来实现波长变换的方案有若干种，如:基于半导体光放大器(SOA)的波长变换器；基于微结构光纤的全光波长变换技术；基于高非线性光纤的全光波长变换技术。表1全光波长变换器实现技术序号实现方式（如采用的光学介质、非线性光学效应等）主要性能指标（如工作速率等）发表时间研究机构说明（如信号的调制方式、单波长还是多波长等）1半导体光放大器（SOA）作为光学介质，利用其中的四波混频（FWM）效应10、20、40Gb/s2010年比利时StateUniversityofCampinas调制方式为ASK及ASK+PSK，双通道波长变换2基于微结构光纤的全光波长变换技术10Gb/s2009年北邮基于MF中自相位调制(SPM)3基于高非线性光纤的全光波长变换技术满足相位匹配4基于电吸收调制器的波长变换技术2006年5基于非线性光学环镜的波长变换技术2.1第一种实现原理基于半导体光放大器(SemiconductoropticalamplifierSOA)光波长转换器，它可用于光交叉增益和光交叉调制SOA光波长交叉增益调制的机制在于光信号过强而引起SOA增益饱和:若波长为λs的强功率调制信号以Ps的功率耦入SOA，当输入光功率增大时，其增益G将降低，而且当输入光功率减小时，增益G将增大并恢复到它的原始大小因此导致与信号有关的增益然而由于饱和增益非零，这种交叉增益调制方案会受到信噪比的制约。为了克服这种缺点，可以采用交叉相位调制的方案，即使用SOA载体的功率调制与输入信号功率Ps(t)有关。实际上由于输入信号在引起增益调制的同时，会导致载体分布的改变，从而使折射率受到调制。工作机制是利用它的交叉增益调制(XGM)和交叉相位调制(XPM)效应。如果一个波长为λs的强功率脉冲(“1”码)入射SOA时，引起SOA增益迅速下降，当“0”码(功率弱)时，SOA增益又恢复到原来的较大值。这样，同时入射的一个或几个连续波的弱激光束λ1，λ2，λ3……就会受到数据信号λs调制而被反码复制出来。这就是借助其XGM效应实现波长变换的机理。利用其XPM效应变换波长的一种方法是把SOA置于各种光纤干涉仪臂中，当λs的光束入射时，调制SOA的折射率，使干涉仪臂的相位改变，产生相长或相消干涉，从而复制出同时入射的λ1，λ2，λ3……等波长，实现波长变换。还有是基于XPM的四波混频波长变换，即视SOA为波频ω1和ω2的光与门，当ω1和ω2同时作用时，有新频率2ω1~ω2或2ω2~ω1产生，从而实现了波长变换。总的来说，SOA波长变换的缺点是:①不能体现光波的相位信息;②限制光波的传输速率;③消光比低，且有噪声、啁啾等。原理图：2.2第二种实现原理微结构光纤是基于光子晶体原理的一种新型光纤，与传统的通信光纤不同，微结构光纤的端面为二维光子晶体结构，光纤中心为光子晶体结构的缺陷。适当波长的光波被包层结构的二维光子晶体局域在中心缺陷内传播，一般来说，微结构光纤按照其导光机制可以分为折射率导引型微结构光纤和光子带隙导引型微结构光纤。由于微结构光纤具有较多的设计自由度，可以通过合适的参数设计改变光纤的传输波长、色散、偏振模色散以及非线性性质，获得各种领域所需要的特种光纤。利用自相位调制(SPM)效应和窄带滤波器在25m长、非线性系数γ=36/km/W的高非线性微结构光纤中实现了全光波长变换，获得了对10Gbit/s脉冲信号超过±4ps/nm的波长变换带宽，使用的高非线性微结构光纤的非线性系数约为普通的色散位移光纤非线性系数的20倍。图6为其波长变换原理图。该波长变换器具有结构简单、紧凑，变换在光域进行，对信号调制格式和传输速率透明等优点，但是微结构光纤存在成本较高，和普通光纤耦合困难等缺点。原理图：2.3第三种实现原理基于高非线性光纤的全光波长变换技术由于和光纤通信系统具有无缝兼容性而得到广泛的研究。这种全光波长变换技术主要建立在光纤的非线性效应——四波混频(Four-WaveMixing，FWM)效应的基础之上。图1为基于高非线性光纤FWM效应的波长变换的实验原理图。信号光和泵浦光经过偏振控制器后被耦合器耦合成一路光，经过光放大器放大后输入高非线性光纤，在高非线性光纤内，由于FWM效应产生新的频率，新的频率带有信号光的信息，从而实现波长变换。原理图：2.4第四种实现原理基于电吸收调制器(EAM)的波长变换原理如图7所示，信号光(λ1)和连续光(λ2)一同输入某一偏置电压下的EAM。当信号光功率较低时，EAM的吸收还没有达到饱和状态，连续光和信号光均被EAM很好地吸收，出射信号光和连续光功率都比较低，当信号光功率较高时，EAM的吸收达到饱和状态，EAM对波长为λ2的光吸收较小，则波长为λ2的出射光功率较高，由此，波长为λ2的连续光将会受到波长为λ1的信号光的强度调制，经过滤波器滤除波长为λ1的原始脉冲光后，得到波长为λ2的光输出，实现波长变换。通过优化EAM的偏置电压、输入信号光和连续光功率，可以实现高质量的波长变换。基于EAM的波长变换技术变换后的信号与原始信号极性相同，并且可以消除传输链路产生的相位形变，减小自发辐射噪声，变换后的光脉冲更有利于传输。由于只需对偏置电压进行控制，其操作控制简单方便。原理图：2.5第五种实现原理非线性光学环镜(NOLM)的原理如图8所示，它是根据Sagnac干涉原理制成，装置包括一个3dB的光纤耦合器，耦合器的两臂与一条光纤连成闭环，采用功率耦合比为50∶50的平衡干涉结构，信号脉冲输入后分成沿相反方向传输的两束光，沿环路传输后具有相同的相移，两个信号分量在耦合器中进行干涉，全部反射回输入端口，这时候的NOLM相当于一个反射镜，故其为非线性光学环镜，图中PC为偏振控制器。如果通过一个WDM引入控制光脉冲，其传输方向与顺时针传输的信号光一致，环镜平衡被打破，与控制光同向传输并在时域上相互叠加的顺时针信号光发生交叉相位调制作用，产生非线性相移。而反向信号光与控制光相互作用的时间很短，交叉相位调制作用较弱，在满足2nL/c=Tc时，反向信号光的交叉相位调制可以忽略，其中L为环镜长度，Tc为控制脉冲的重复间隔。这样作用的结果是使顺时针和逆时针传输的信号相移不同，干涉后耦合器输出端口有信号输出，若控制光使信号光的相位差在0和π之间变化，就实现了全光波长变换。北京邮电大学研究组利用基于高非线性微结构光纤的非线性光纤环镜，在10Gbit/s光传输系统中进行了全光开关的实验研究，他们使用中心波长为1550nm的皮秒脉冲激光器，在25m长的微结构光纤作为非线性介质的光环镜中，实现了非线性相移为π的开关操作，同时这种全光开关还具有脉冲整形功能。原理图：3.结论全光波长变换技术是高速、大容量WDM光纤通信系统中实现波长路由的关键技术，在光网络的节点上使用波长变换技术使得网络具有最大的灵活性，能够更好地利用网络资源。理想的波长变换技术应该具有对各种调制格式透明、高的变换速率、消光比无劣化、结构简单，以及成本低廉等特点。这一领域的研究已经取得了较大的进展，各种波长变换技术被相继研究，但是几乎所有的波长变换方法只能满足其中的几个要求，对于特定的网络需要选择特定的波长变换器。相对于没有采用波长变换技术的光网络而言，目前全光波长变换技术的采用可能使得网络性能有所下降，迫切需要人们研究开发更高性能的波长变换器，以适应不断发展的网络需求。在本文中，我们回顾了近年来研究开发的几种波长变换技术，对其物理机制和优缺点进行了比较分析，可以看出，全光波长变换技术要想在高速率的光网络中得到广泛的应用还需要进一步的研究。相信随着科技的进一步发展，新的技术的不断涌现，具有优异性能的全光波长变换器必将实现，并将广泛地被应用到高速全光通信网络中去。Reference：[1].CristianoM.Gallep，HarmenJ.S.Dorren，andOdedRaz，“Four-wavemixingbaseddual-wavelengthconversioninasemiconductoropticalamplifier，”IEEEPhotonicsTechnologyLetters，vol22，no21，2010.[2].Guo-WeiLu，TakahideSakamoto，andTetsuyaKawanishi，“WavelengthConversionof36QAMthroughFour-WaveMixinginHNLF，”OECC2013，MO1-2.[3].ClaudioPorzi，AntonellaBogoni，andGiampieroContestabile，“RegenerativewavelengthcovnersionofDPSKsignalsthroughFWMinanSOA，”IEEEPhotonicsTechnologyLetters，vol25，no2，2010.[4].陈明，杨清，陈名松，“全光波长变换技术的研究进展，”半导体光电，2009年2月第30卷第1期