北京邮电大学
硕士学位论文
全光波长变换和频率上变换技术的研究
姓名：薛伟琦
申请学位级别：硕士
专业：物理电子学
指导教师：林金桐
20070131
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为了更好的使ＳＯＡ可以应用于高速的波长交换系统中，近些年来已经提出了一些改进的技术。
其中最根本的加速载流子恢复的方法应该是选择合适的半导体材料并且通过设计新型的ＳＯＡ微结构来实现。
但是这种方法不可避免地会提高ＳＯＡ的成本，而且目前来说这种方法在实现上有些困难。
最近［２５］中报道了一种新型、简单的结构能大幅度的提高ＳｏＡ在高速波长变换中的性能。
这种方法的基本实验装置如图３．４．２所示。
ｐｒｏｂｅ∞ｎｖｅｒｌｅｄｐｒｏｂｅ
图３．４．２滤波器辅助的波长变换系统框图
在这种实验方法中，最重要的部分是光带通滤波器，通过将滤波器的中心波长偏置在探测波长的蓝移分量处可以很好的提高高速信号，例如１６０Ｇｂ／ｓ，波长交换后的信号性能，大大改善ＳＯＡ在实现４０Ｇｂ／ｓ或者１６０６ｂ／ｓ波长变换的性能。
利用已有的模型，对１６０Ｇｂ／ｓ的波长变换进行了详细的研究。
这罩探测光功率和波长分别为一０．８ｄＢｍ和１５４８．４ｎｍ，泵浦光的功率是３．１ｄＢｍ，波长为１５５３．６ｎｍ。
辅助滤波器为高斯型滤波，３ｄＢ带宽为１．０５ｎｍ，滤波器的中心波长从１５４７．８ｎｍ到１５４８．６ｎｍ之间可调。
图３．４．３给出了变换后信号的眼图张丌度与滤波器中心频率之阃的变化关系。
由图可以看出在探测波长１５４８．４ｎｍ的蓝移分量处，存在一个最佳的眼图张歹Ｆ度，也就是说通过合适的调节滤波器的工作波长可以大大的提高波长变换后信号的性能。
这一仿真结果与已经报道的实验［２６］很好的吻合。
图３．４．３眼图张开度随滤波器中心波长的变化
下面我们对这一现象进行初步的解释，图３．４．４给出了探测光在经过ＳｏＡ波长变换后信号的增益和啁啾的演化曲线。
从图中我们可以看到：】下啁啾即蓝移啁啾总是与增益增长同时出现，而红移啁啾则总是与增益的衰减相对应。
因此我们主动的选择输出信号的蓝移分量就相当于加速了载流子的恢复，从而可以提高
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２．５ＧＨＺ
１０
ＯｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅＰＤＰＢＳ
图４．１．１利用ＳＡＯ中的ＮＰＲ实现全光频率上变换的实验装置图图４．１。
３给出了两路信号同时频率上变换后的信号眼图，从图中可以看出，４０６Ｈｚ载波对２．５ＧＨｚ信号的调制深度很小，也就是说，经上边换后信号的消光比严重降低。
这说明实验中用的ＳＯＡ并没有完全实现对探测光的偏振旋转，通过前一章对ＳＯＡ的分析，我们可以确定造成这一原因的就是载流子的恢复时问较长，就造成了４０ＧＨｚ载波对探测光偏振旋转效应的下降。
因此我们对１５３８．５４ｎｍ的信号光进行了２４Ｇｔｔｚ的全光频率上变换，图４．１－４给出了变换后的时域波形图，从图４．１．３（ａ）与图４．１．４的对比可以看出，对于较低速率的光载波来说，ＳＯＡ可以很好地利用非线性偏振旋状效应来实现全光的频率上变换。
这同时也说明通过提高ＳＯＡ中的载流子恢复速度，可以将ＳＯ＾应用于高速的ＲＯＦ系统中。
（ａ）（ｂ）
图４．１．２‘８泼用后的４０８ｆｔｚ光载波时域波形（２０ｐｓ／ｄｉｖ）；（ｂ）ｊｉｒ八ｓｏ＾的波长为１５３８．５４ｔｉｎ
的删信号眼图（１００ｐｓ／ｄｉｖｋ
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图４．１．３（ａ）频率上变换后１５３０．５４ｎｍ信号眼图（１００ｐｓ／ｄｉｖ）；（ｂ）频率上变换后１５４０．２５ｎｍ
信号眼图（１００ｐｓ／ｄｉｖｋ
图４．１．４波长１５３８．５４ｎ，ｎ的全光频率频率上变换后的时域波形（５００ｐｓ／ｄｉｖ）４．２基于高非线性光纤（ＨＮＦ）的实现方案
４．２．１实现原理
光克尔效应是非线性现象中的一种重要的效应。
自从１９７３年［２７１在光纤中首次观察到光克尔效应以来，就引起了人们的极大关注。
在光克尔效应中，用一束强泵浦光引起的双折射来改变弱探测光在各向同性的非线性介质中的传输，包括光纤。
基于这种效应制成了光克尔开关，其工作原理如图４．２．１所示，在高非线性光纤的入射端口，强泵浦光和弱探测光均为线偏振光，偏振方向夹角为４５度。
再没有泵浦光的时候，光纤输出端的检偏器将阻止探测光的通过。
有泵浦光时，由于泵浦光引起的双折射效应，将使探测光的平行和垂直分量的折射率发生不同
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而得到很大的改善。
通过四路ＷＤＭ信号的光谱可以看到，四路信号均出现了明显的４０ＧＨｚ、８０ＧＨｚ甚至１２０ＧＨｚ的边峰。
这都说明了利用高非线性光纤的非线性偏振旋转效应可以很好地同时实现４路ＷＤＭ信号到４０ＧＨｚ光载波的全光频率上变换。
但是由于缺少４０ＧＨｚ的电解调设备，我们无法对上转换后的信号进行解调检测。
为了能够达到这一目的我们又设计了４Ｘ２．５ＧＨｚ＠２０ＧＨｚ的频率上变换实验，并对上变换信号进行了解调。
（ａ）（ｂ）
图４．２．３（ａ）四路输入ｗ蹦信号光谱（Ｏ．８ｎｍ／ｄｉｖ）；（”复用后得４０Ｇｉｌｚ光载波的波形
（２０ｐｓ／ｄｉｖ）。
（ｄ）
图４．２．４经过全光频率上转换后信号的波形（１．Ｏｎｓ／ｄｉｖ）和频谱图（Ｏ．５ｎｍ／ｄｉｖ）．（ａ）１５３５．６４∞，（”１５３７．０３∞，（ｃ）１５３８．５４ａｍ，（ｄ）１５４０．２５ｒｉｍ．４Ｘ２．５ＧＨｚ＠２０ＧＨｚ的全光频率上变换实验装置如图４．２．５所示，四路ＷＤＭ信号的产生方式与上面的实验相同，如图４．２．６（ａ）所示。
２０ＧＨｚ的光载波由ＩＯＧＨｚ的电时钟信号经放大以后调制于偏置在以处的铌酸锂调制器产生，如图４．２．６（ｂ）所示，波长为１５５０ｎｍ。
图４．２．５４ｘ２．５ＧＨｚａ２０ＧＨｚ的全光频率上变换实验装置
３１
（ａ）（ｂ，
图４．２．６‘ａ’四路输八如Ｍ信号光谱（Ｏ．ｇｎ．／ｄｉ￥＞；（ｂ）由调制器产生的２０Ｇｌ｛ｚ光裁波的时
域波形（１００ｐｓ／ｄｉｖ）．
四路ＷＤＭ信号与光载波分别经过ＥＤＦＡ，可调衰减器和偏振控制器后以功率５ｄＢｍ／ｅｈ和１６ｄＢｍ进入高非线性光纤，光纤的长度ｌｋｍ。
上变换后的信号经过５０ＧＨｚ的高速光电转换后送入带宽６０ＧＨｚ的混频器的射频端口（ＲＦ）（由于混频器对ＲＦ端口的功率要求，应当尽量保证光电转换后信号的功率，或者可以在信号送入混频器之前加一个中心频率在２０ＧＨｚ。
带宽约５６Ｈｚ的电放大器，本实验中并没有用到这样的放大器）。
另一路ＩＯＧＨｚ的电时钟信号经过倍频器和２０ＧＨｚ的电放大器后，以大约ｌＯｄＢｍ的功率送入混频器的本振端口（ＬＯ）。
经混频器解调后的信号经过２．５ＧＨｚ的低通滤波和放大以后，利用示波器来观测解调信号的眼图，并以此对频率上变换的性能进行分析。
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ｌｄ）
图４．２．７四路仰Ｍ信号频率上变换后的波形与解调后得眼图．（ａ）１５４０．２５ｒｉｍ（２ｎｓ／ｄｉｖ）；（ｂ）１５３８．５４ｎ，＇（１ｎｓ／ｄｉｖ）；（ｃ）１５３７．０３ｎｍ（１ｎｓ／ｄｉｖ）；（ｄ）１５３５．６４ｎｍ（２ｎｓ／ｄｉｖ）．所有的眼
图（２００ｐｓ／ｄｉｖ）
图４．２．７给出了经过偏振分束器后信号的时域波形图和经过混频器解调后信号的眼图。
从时域波形可以看出，对于２０ＧＨｚ的光载波而言，由于波形远远的优于４０Ｇｌ－ｌｚ光载波的时域波形，在全光频率上变换后，信号有更好的光信噪比，可达到２０ｄＢ以上，也就是说频率上变换前本振光的信号性能的好坏对频率上转换的效果有很大的影响，这就使我们相信，如果可以产生性能良好的４０ＧＨｚ，甚至６０ＧＨｚ的光载波的话，就完全町以利用光纤中的非线性偏振旋转效应末实现全光的频率上变换。
通过图４．２．７中给出的解调后的信号眼图，我们可以很好的得到四路ＷＤＭ信号利用非线性偏振旋转实现频率上变换后的解调信号，从图中分析可知，由于混频器射频端口ＲＦ的功率过低，峰峰值大约７０ｍＹ，这就造成了混频效果的恶化，尤其是对于第四路信号。
对于我们所使用的混频起来说，如果可以将频率上变换后的信号进行适当的放大，再送入混频器的ＲＦ端，解调后的眼图质量会有很大的提高。
４．３结论
本章深入的讨论了基于非线性偏振旋转效应实现多波长全光频率上变换的实验原理和实验方案。
对于半导体光放大器，由于其载流子恢复时间的影响，使得它在４０ＧＨｚ和６０ＧＨｚ的波段受限。
而对于高非线性光纤，很好的可以实现高速的频率上变换，而且实验中对变换后的信号作的分析，从而可以说明非线性偏振旋转在实现多波长频率上变换中具有很好的应用前景。
尤其是同时对多波长的操作，使其在ＲａｄｉｏＯｖｅｒＦｉｂｅｒ系统与ＷＤＭ系统的融合方面得到更大的重视和更广泛的应用。
全光波长变换和频率上变换技术的研究
作者：薛伟琦
学位授予单位：北京邮电大学
本文链接：/Thesis_Y1158148.aspx。