光器件,0PTlCALDEVlCES
叶1闰无线lUlU丁牛、l乜信技术娄核心期刊
基于四波混频效应的全光波长转换器
谭艺枝向望华杜荣建(天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072)
摘要全光波长转换(Aowc)是波分复用(wDM)光网络的一项关键技术,可以通过几种非线性效应来实现,其中的四渡混频效应(FwM)由于其对输入信号的变换具有严格透明性而受到人们的广泛关注。鉴于此,详细介绍了基于四波混频效应的各种波长转换方案的原理、性能及优缺点。关键词全光波长转换四波混频波分复用中图分类号TN929.11文献标识码A
1引言全光波长转换器(A0wC)能高效、可靠、简便地使信号从·个波长变换到另一个波长,实现了波长的再利用和再分配,提高了波分复J}j(wDM)光忙日络的灵活忭干¨可扩允性,A0wc已成为光通fi网络研究的一项热点,,理想的波长变换器应具有对比特字和信号格式透明、能对高速率信号的波长进行变换、与偏振不柑关、实现简单等特点。四波泄频{rwM)是多个光波在介质中相互作用引起的三阶非线性效廊,其转换光的强度-般正比于输入光波的强度之积,它的频率和相位是输入光波的相应苗的线性绀合,所以.它的波K变换会保持幅度和相位信息,足一种严格透明的波长变换。光纤和半导体器件都能产生FWM效应,p由分别详述这两种非线性介质中产生}’WM效应的实现形式、原理与特点。
2光纤中的四波混频2.1单段光纤中的四波混频一强泵浦光与一输入信号光·起注入一段光纤,由丁阴波混频效应会产生新的波长的转换光。信号光与此转换光的转换效率"(输出转换光功率与输入信号光功率的比值)依赖于各种没计参数,如泵浦光功率、光纤长度L、光}r色散量、泵浦一信号光波长差△^等。转换效率与泵浦光强的平方成正比,但由于受激布里渊散射(sBs)的影响,当泵浦光强超过sBs闽值时,一部分泵浦光能量向斯托克斯能量转移.导致了国家自然科学基金资助项日(6998702)收稿日期:03加4—25作者简介:谭艺枝女,1980年生,在读硕十生豳目羌通信技术2003年第“期图1HNL—DSF光纤中的四波混频
转换效率的下降。因此,可以提高sBs阈值米抑制sBs的发生,使耦台的泉浦光功率全部用于}1wM过程中,由于光纤的低非线件币¨窄的转换带宽(约5nnl),光纤K度要求大于10km.而光纤中的FwM具有低噪声和多波长信号同时转换的优点,一种具有高非线性的色散位移光纤(HNL—DsF)引起了人们很大兴趣“’此高非线胜色散位移光纤(HNL—DsF)的非线性系数F20.4w。。km,是传统DsF非线性系数7.6倍,在1550Ⅲn处保持低损耗O.51dB,km应用此光纤,长度为500m时就能产生FWM效应,如同1所不。泵浦波长为零色散波长^=1550nm,光纤长L=500m,输入泉浦光功率和信I)光功率分别为10mw、lmw时,得到了△^超过20nm的转换带宽.转换效率约为一22dB且在此范围相当平坦利用超短光脉冲在以下几种光纤中传输,依据各自文现FWM的性能作一比较口1.这几种光纤为:普通单模光纤sMF(色散量n=16ps/n—km,非线性系数1=1.3w。km。)、非零色敞位移光纤NzDsF(色散量1)=2.4p“彻以rn,叮=1.8w。km。)羽『高非线性光纤HNI.F(色散量D=lOps,n—km,叮=10.6w。1h1。)。“i泵浦光波长7=1550nm、入射光脉冲功率为5mw、光纤长度为100km时,在相同的转换波长下.HNLF的FwM转换效率是NZnSF的30~40倍,是SM}1的400多倍。2.2光纤环形镜中的四波混频
非线性光环形镜(ⅣOLM)在波长转换、时分、信号
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再生方面都有广泛的应用。日前发展为许多基本形式,其中【}1两段色散最不对称的光纤通过3dB耦合器连接而成的形式是非常重要的一种,由于两段光纤不同的色散性质,打破r两光纤巾反向传播光波的对称性,引起激光束从环中透射出来,下面具体介绍·种此类型的保偏色散位移光纤环形镜(1DFLM)。此外,再介绍近年来用作波长交换、波长转换的光纤参量环形镜(PALM)。并埘它们做一比较。2.2.1TDFLM中的四波混频保偏色散位移光纤环形镜(TDFLM)由两段保偏色散位移光纤(DsF】通过一个3dB耦合器组成,这曲段I)sF有不同的零色散波长(ZDW),1DFLM的基本结构如图2所示【”毫u始输入泉浦光『l。和信号光A,.由3dB耦合器各自分成两束光-A。和^。、A。和A。在光纤环形镜中反向传输,氐和A。.分别是透射的信号光和新产生的四波混频转换光,鬼种IA.。分别是反射的信号光和转换光。此装置的特点是透射的信号光如=0,【封此TDFLM不需要光滤波器,就能有效分离FwM转换光、信号光和泵浦光。为了获得更高的转换效率,可以通过选取合适的泵浦光波长米实现。当泵浦光波长如=^.或虬=^位(^01、^m分别为nS¨和DSF2的zDw),此时DFsl或DSF2巾满足相位匹配条件,可提高转换效率,得到更宽的透射光转换效率带宽。22.2PALM中的四波混频光纤参量环形镜(PALM)是由产乍}1wM的非线性介质、色散部分及一个3dB耦合器组成…(如图3)。
Aw.Alo—●3dBcoupler图2保偏色散位移光纤环形镜的构造非巍胜舟磺
信昔光wsA耦合器B围3光纤参量环形镜的构造信号光姑与泵浦光脚一起输入耦合器的输入点A,各自被分成两求光注人c和I】在环形镜叶1传播。每绀反向传播的泵浦光与信号光在非线性介质中产生FwM转换光¨。产生的转换光在3dB耦合器中以相付差△届,;『2J9{q,)一卢{魄)一p(龇1]L发生干涉,其中p(m)是光的传播常数。L足色散部分的长度。当△卢L设为w的奇倍数时,nnX止全部的转换光从耦合器的B点输H{,而剩余的信号光、泵浦光从初始的入口A点输f{{,这样无需光滤波器就能使FwM转换光与信寸光、象浦光分离。结构紧凑,且输出的转换光功率比信号光、泵浦光功率都高,并具有误码率低的特点。22.3两者之比较TDFIM与I,ALM相似之处都是无需光滤波器就能分离出FWM转换光与信号光、泵浦光,结构紧凑、效率高。PALM结构中只包含一段非线性介质.相当于rrDFLM其中一段光纤的非线性系数等于零,在此条什F埘两者的转换效率作一比较㈨。当泵浦光功率为低水平时,TDFLM与PAI。M的转换效率性能没有什么区别,随着象浦光功率的增大。两者的转换效率区别增大,但随着泵浦光与信号光波长差的增加,两者的区别反倒减小。因此,当在泵浦光功率水平不高.泵浦光、信号光波K差足够大的情况下,TDFLM与PALM的胜能十分相似。
3半导体介质中的四波混频3.1SOA中的四波混频由于光纤中的FWM受色散影响严重,转换效率不高,而且小易集成和实用化,而SOA巾光功率较大、非线性极化率较高(比光|f高{lj5~7个量级).有较高的四波混频效率..在s0A中,至少有i种机制列形成载流子光栅有贡献,分别为载流了密度调制效应、动态载流于加热效廊和光谱娆孔效应。s0A中的FWM是这三方面共同作川的结果、s0A中的四波混频可以分为单泵浦四波混频和烈泵浦四波混频.单泵浦四波混频缺点在丁偏振敏感性和转换效率与信号背景噪声的l:B率随波长转换量的增加而降低,难以在较大转换范幽内保持转换效率的平坦性。为此提出r叔泵浦的四波}昆频。双泵浦方案一般可分为正交双泵浦和平行双泵浦。前者是解决四波混频对信号光、泵浦光的偏振敏感『日J题.后者是解决四波混频的效率平坦问题。埘于各向同性的非线性介质,曲路任意角度的正交双泵浦能较好地消除对信号偏振的敏感。其实骑装置如图4所示…。泵浦光Pl为固定波长泵浦光.P2为
2000年第H期
光瓯信杖术圈叠
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围4采用正交双泵浦在SOA中实现四波混频
可调谐泵浦光,信号光S与泵浦光PI耦台后经同一偏振控制器2,保证泵浦光Pl与信号光s偏振方向平行,同时调节偏振榨制器l使泵浦光P2与P1、S偏振方向相互垂直。s0A非线性介质在S、P1、P2共同作用r,产生新的转换光cl、C2。SOA的输出混频光先绛F—P腔滤波器后,再经可凋请光滤波器滤卅转换光。其变换效率和信噪比在转换波K为55nm的范围内较高且比较稳定。平行双泵浦的情况是通过调节图4中的偏振榨制器1使泵浦光P2保持与采浦光Pl、信呼光相同的偏振方向,限于篇幅,这里小再详述。上述垂直双泵浦的四波混频能在较大的转换范围内得到比较平坦的转换效率和信噪比(sNR),使用了两个泵浦激光器.但足为得到更高的转换效率和信噪比fsNH),固定的泵浦光必须与信号光保持很小的频率差.因此波长固定的泵浦光必须随不同的信【)光波长变化,这就增加了实验的复杂性,限制了其在实际删络巾的应用。为r克服r述复杂性带来的难度.利用s()A和光纤环构成的半导体环形激光器(sFRL)进行双泵浦的FwM实验…,半导体环J口激光器产生内部可调的泵浦光,并可以方便地通过·光滤波器根据信号、匕的波长变化改变此泵浦光波长。另外,只需外加·个可凋谐的泵浦光,实验装置便町得到简化,图5所不为垂直
田5半导体环骺激光器的FWM圈先通信技术2003年第1】期双泵浦SFRL波长转换器的装置。此装置的转换效率存5011m范围内基本保持平上旦。具有宽谪谐范同、T作稳定、高功率、sOA白发辐射谱的线宽比较窄等特点。3-2DFB激光器中的四波混频上述使用SOA作为1F线性介质的FWM吏验中,除了信号光外需再加一个外部的激光作为泵浦光,这在耦合上增加了难度.且引入的AsE噪声比较大。采用DFB激光器作为非线性介质,DFB—LD也具有较高的非线性系数.产生FwM的本质同s0A中的样,都是一=种非线性效应的结果。重要的是其奉身的激光作为泵浦光。不需外加泵浦光,只需外加一个信号光源.就能通过DFB激光器自身的非简并四波混频效应产生四波混频共轭光,实验结构紧凑、简单。H,KuwaI—suka等人做了此方面的研究㈩,实验装置如【皋J6所示。此装置采用的是长腔Ⅳ4相移DFB激光器,能获得更稳J定的激光模式,I)FB—LD两端都涂有防反膜,信号光∞。输入DFB—LD的前端面,与DFB—LD自身产生的激光雌.发生FwM效应。产牛新的共轭光咀,其频率转换关系为砒=2峨鸭。剩余的信号光、泉浦光与转换的共轭光在DFB—LD的另一端面输m,通过光隔离器和光谱仪进行分析杏看。此装置具有高的FwM转换效率以及达到6THz的转换带宽。H.Kuwatsuka等人义提出了利用双向泵浦在DFB—LD中的四波混频”l,依旧是DFB—LD的激光作为泵浦光,其实验装置如图7所不。线性偏振的信号光E^经过起偏器、光环J|i;器,被
DFB艇圯嚣图6DFB激光器的四波混频实验Ecl
圈7DF日激光器的双菜浦四波混频心一翁一洲
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万方数据光器件,0盯IcALDEVICES
偏振分束器分成透射x方向、反刳y方向垂直偏振的光B,和ES2,DFB—LD两端面的激光品.、Em用作FwM的泵浦光且偏振态与x方向一致。岛,人射到D}1B—LD的第一个端面,与E,.发生FWM效应,产生共轭光&.。同样,&存入射到DFB—LD的第二个端而前通过一个Ⅳ2波片,使偏振态改变为与x方向垂直的偏振态,如图8A处偏振方向所示、在DFB—II)内与№发生FWM效应,产生共轭光如。岛2和如通过偏振分束器进行耦合并从光环形器的出3输m。由于两边光路长度对称相符,在臣.和‘,的转换效率相同的情况下.我们能得到偏振不敏感的转换.即通过起偏器的R其线偏振方向与x^向的夹角(口)并不影响转换效率,其偏振敏感度在0.4dB以内。
4其它方式的四波混频随着光喵信容量的r】益扩大,许多通信实验采川100Gb,s的超快光脉冲,咀获得高转换效率.SOA器件的转换波长较小,为了克服测量带宽的限制,采用一种新颖的高效光器件光参量色散器(OPD)…。OPD是由不同带隙和厚度的量子阱组合在IncaAsP多量子阱激活层七形成的,这样能得到更好的增益性质。冉直虎或月f冲电流蟠动
圈8利用OPD组件实现四渡混频把OPD芯片与棱镜、冷却器组合成0PT)组什。实验装置如I冬J8所示.,此0PD组什在转换波长大于43nn·时获得大丁一20dB的转换敏率,n,作为宽带的波长转换器,除此以外还可以作为宽带的光放大器。
5结束语本文详细讲述r多种波长转换器的优缺点.光纤由于非线性系数较小,色散影响严重的缺点,可采用高非线性系数的HNL—DsF光纤来提高转换效率;光纤环形镜TDFLM、PALM的使用,可以有效、简便地分离HjFWM转换光与信号光、泵浦光。s0A具有增益高和输出饱和功率高等优点,特别适合丁波长转换,屉最有可能实用化的器件,已成为主流方向。DFB—LD中的四波混频囚其无需外加泵浦光、结构紧凑、低噪声、T作高稳定性而具有广阔的应川前景。
参考文献lm讪1M,okunoTK丑曲1waddT,日“HjghlyNon№arDlsp㈣n-sbIRednb㈣dThelrAp叫catfonbB脚adb枷waveIen舢c㈣neropt啪】rl时nchno】ogy,1998,4:204—2142Oaosh枷。目Ya”gchaIlgx¨m啪ofanco…p{Im伽omterchannelpu旧如u㈣……gmsMF,NzDsFand}fNLF0pncsc㈣lca“ons2002(206)439q4,3HeY三A1lHLLmZ,e川Fou㈨…。岵mn时loop㈣㈣咖】cted怕m州opolan删m-m啪Ⅱlnl“gdlsp州n-sbl州f按rs唧tlcsComm…a“彻s,2000.『l{}4l:277’一2824MonK,L『chJya【naK,Mon(1kaT,“日JwavcIe“glhc…目s】…na“0p【1caIpa唧e仉cloop…orH1∞仃0nlcsL枷cmlq96.32(23)‘217卜2l725齐汀,迟柏.郝远等基于soA理幕浦FwM生光波K峦换的研究.电子学撤2001.29(¨:38一一406chlNan,0lJ18ng,xuLln,““w吖出“8mCo㈣nBascdonFwMwlmDoublconh090naIPl哪plnscmlconducIorrFI耐RlngLa蝌JFEEPh“oo】c5Technolo盯Let-IcH,2001.I3r5):499~501KuⅥ如ukaH,sh。jlH,Ma讪daM,el札N蛐dcg删er㈨T—waYeM…91nal枷g-ca哪!‘4-shln酿nFBb饕rujln91hI捌iogB籼P啪pB咖nsIEEEjoum“。f0IIanmmHfecn删cs,19973j(¨J=2cjfl2一一∞JO8wat锄aks,KuwabukaH,Takedas,d“P0la兀s州on-L岫cnsJtIvewave】衄肿co㈣sJon帅dph孵ecowug“1…slngbl—dlrectlon“mnva一‰llr—wavcn1J^mgma】aslTIgnFB—LDE】cctronlcsLe【lem.1997,33(41:,0~3l9FuⅢkawa脚msh】,TakakumHld靠1.K啪daK唧AND代1optlcalDevl㈨im州dc-Ba口dwJd【hwavcle口助conver啪nand0ptlcalsamp¨ngE1p㈣cnta【200ab/sIEEETr∞嘶ct㈣onl似Ⅱum%tBclon地dM㈣删000lS0(3、:8叭~807
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