全光波长转换器实验
一、 实验目的
1. 了解全光波长转换器(All-optical wavelength converter, AOWC)
在实际光

纤通信网络中的作用；
2. 熟悉全光波长转换器的工作原理和分类；
3. 掌握增益钳制型波长转换器(Gain-clamped Wavelength Converter)
的静态、

动态特性测试与分析；
4. 掌握误码仪、光谱仪、光示波器等常见测试仪表的使用。

二、 实验原理
1. 全光波长转换器的应用
全光波长转换器是全光网络(AON)的核心技术之一，它能够缓解光交叉连接
(OXC)
中的波长阻塞，实现不同光网络见的波长匹配，增强网络管理的灵活性和

可靠性。WDM光网络采用波长路由，波长路由网络有两个显著的特点：一是波
长决定了光信号传输的路径，因此一个节点可以同时发出多路不同的波长信号，
每路信号到达不同的目的地，目的地的数量与这个节点所能产生的波长数相同；
二是每路信号被限制在特定通道中，因此只要这些通道不在同一条光纤中，在网
络的其他部分就可以同时使用这些信号的波长，即实现波长重用。因此，波长是
WDM
光网络中非常重要的资源，如何有效的提高光网络中的波长利用率是

WDM
光网络中的重要问题。在不带波长转换的网络中，两个节点之间建立一个

连接，在其通路上经过的所有链路段必须使用同一波长，如果有另外的连接需要
使用其中某个链路段的这一波长，则会发生波长阻塞现象。通过波长转换则可将
信号转换到其它空闲的波长上，避免发生波长阻塞，提高波长利用率。通信网络
中采用波长转换器，能使参与波分复用的波长数目减少，大大降低网络中的波长
阻塞率，使网络组建、子网管理更具灵活性与兼容性。
近年来全光波长转换在光纤接入网中也得到越来越广泛的应用。华中科技大
学和中兴通讯股份有限公司共同提出的混合波分复用-时分复用无源光网络
(The
hybrid WDM-TDM PON, HPON)架构，如图1
所示，在时分复用无源光网络

(TDM-PON)中引入波分复用(WDM)技术，使得多个TDM-PONs
工作在不同的波

厂商，从而共享同一根光纤基础设施，成倍地提高了单根光纤接入用户的数量。
WDM技术的引入也来带了新的问题，波分复用器(WDM MUX)
的每一个独立的

通道(通道间隔100GHz或50GHz)是一个窄带光滤波器，ONU发射机的波长必
须严格定义以保证能够通过相应的光滤波器，这无疑将增加网络部署的成本。 如
果系统中所有的ONU都采用相同的、波长不需要严格定义的发射机，即无色
ONU，将大大降低系统的部署成本。HPON
系统通过引入全光波长转换器

(AOWC)，将一个TDM-PON中来自多个ONU
的不同波长的信号转换到一个规

定的波长上，使信号可以通过WDM MUX在主干光纤中传输。

合波器分
波
器

W
D
M

混
合
器

…

…

光缆
同轴电缆
五类线

CATV
NGN
Internet
IPTV

光发射机
光接收机
ONU
ONU
CNU

CNU

LAN
EoC
ODN

OLT

OLT: 光线路终端(局端设备)
ODN: 光分配网络
Splitter: 光分支器
ONU: 光网络终端(用户端设备)

Splitter
Reach
Extender

Reach Extender
O
A

OA
GCWC

R
/
B
F
i
l

t

e
r
R/B Filter
波分复用
时分复用

图1. 增益钳制波长转换器结构示意图
常见的实现全光波长转换的原理主要有交叉增益调整、交叉相位调制和四波
混频等几种。
2. 增益钳制型全光波长转换器

FBG2
FBG1
SOA Chip
Input λ
S

Output λ
S+ λC

图2. 增益钳制波长转换器结构示意图
如图1所示，增益钳制波长转换器(GCWC)由三部分组成：输入端采用宽反
射带宽的光纤布拉格光栅FBG1；输出端采用窄反射带宽的光纤布拉格光栅
FBG2;增益介质为斜腔结构且端面镀有增透膜的SOA
芯片。在增益钳制波长转

换器(GC-WC)中，两个光纤光栅的反射谱的中心波长非常接近，SOA芯片与两
端的光纤光栅通过光栅端部的光纤微透镜耦合。显然，GC-WC实质上是两端采
用FBG作为增益钳制光对应选频元件的增益钳制半导体放大器(GC-SOA)。
SOA
芯片与两端的光纤光栅构成了增益钳制光产生机构。为保证增益钳制光输出呈单
纵模工作特性，输出端FBG2的-3dB带宽应在0.3nm以下。
GC-WC
在偏置电流的作用下，有源区增益被钳制光（即转换光c）稳定在

与损耗相等的水平上。当输入信号光s功率较小时（对应比特“0”），有源区载
流子浓度基本不变，此时转换光c输出功率较大（对应比特“1”）；当输入信号
光功率较大时（对应比特“1”），有源区载流子被信号光大量消耗，增益迅速变
小，转换光输出功率下降，直到熄灭（对应比特“0”）。显然，利用GC-WC将
转换光滤出后能够实现反相的波长转换。

三、 实验仪器和设备
误码仪、光示波器、光衰减器、光功率计、光谱仪、掺铒光纤放大器、光滤
波器、光隔离器、增益钳制波长转换器。

四、 实验内容和步骤
1. GCWC的阈值电流与输出光谱测试

GCWC
Isolator
OSA
P
out

DC

图3. 阈值电流与输出光谱实验框图
(1) 搭建如图3所示的实验系统；
(2) 调整GCWC的驱动电流(调整范围：0 ~ 150mA)，测量其输出功率P
out
，

得到GCWC的P-I特性曲线；
(3) 用光谱仪(CSA)观察GCWC驱动电流分别为80mA、100mA、150mA
时

的光谱。
2. GCWC信号光功率vs转换光功率曲线测试

ATT
GCWC
BERT
EDFA
IsolatorIsolator
PM

P
in

P

out

OBF

图4. 信号光功率vs转换光功率曲线实验框图
(1) 搭建如图4所示的实验系统；
(2) 调整输入到GCWC的信号光的光功率(-40 ~ +5dBm)
，用光功率计测量

GCWC输出的转换光的光功率，得到GCWC的Pin vs Pout曲线。
3. 信号光和转换光的波形与眼图

ATT
GCWC
OSABERT
EDFA

ATTEDFACSAOBF
BERT: Bit Error Rate Tester
ATT: Attenuator
EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier
GCWC: Gain-Clamped Wavelength Conversion
OBF: Optical Bandpass Filter
CSA: Communication Signal Analyzer
OSA: Optical Spectrum Analyzer

Isolator
Isolator

图5. 信号光和转换光的波形与眼图实验框图
(1) 搭建如图5所示的实验系统；
(2) 将误码仪(BERT)输出设为十六字长的编码(Word16) :1110110010001111
，

用光示波器(CSA)分别观察并对比GCWC的输入信号和输出的转换信号
的波形；
(3) 将误码仪输出设为伪随机序列(PRBS 223-1)，用光示波器分别观察GCWC
的输入信号和输出的转换信号的眼图，根据眼图测量信号的平均光功率、
消光比、周期等参数。
五、 思考题
1. 查阅文献，列举全光波长转换(AOWC)的实现方案。
2. 与光电光(OEO)波长转换方案相比，AOWC方案有哪些优缺点？
3. 通过眼图能够反映光信号的哪些性能？