全光波长转换:高速波长转换的必由之路

目前,波分复用光网络通过光-电-光转换实现波长转换,即先将光信号转换成电信号,然后利用电信号驱动激光器产生需要的波长。光放大器的巨大成功使得这一波长转换技术的缺点暴露无疑,因此过去十多年来,科学家们一直致力于开发用于下一代光网络的全光波长转换器。
目前实现全光波长转换主要有两种技术,一是基于光混频的波长转换,二是基于半导体光放大器(SOA)的波长转换,这两种技术均诞生于十年前。前者利用非线性介质实现波长转换,具有低噪声、高速率、低损耗等优点,但要求介质具有较高的非线性,并且器件体积较为庞大。相比之下,基于SOA的波长转换器结构紧凑、易于集成,但噪声较大,并且实现高速运行需要特殊设计。而在SOA中实现基于光混频的波长转换,可以将这两种技术有机地结合起来。
多年来,尽管波长转换技术已经取得了很大进步,但仍然没有走向实用化,这是因为目前的技术并没有融入一个实用化的器件,同时下一代光网络的需求仍在不断变化。下一代光网络要求将波长转换技术、光再生技术和光交换技术融合在一起,而高速光网络可能还需要融合光分组交换技术和光突发交换技术。
速率需求
对更高网络容量的需求推动着全光波长转换技术的进步。对于10Gbit/s的速率,光-电-光波长转换技术可以很好地胜任。虽然光-电-光波长转换器包括接收机和发射机,但技术上的长足的进步,已经使光-电-光波长转换器不但比复杂的全光波长转换器具有价格优势,而且更加简捷、直观。
但对于40Gbit/s的速率,光子技术无疑是电子技术最强有力的竞争对手,对于更高速率的光网络,市场开始青睐于光子技术。美国南加州大学的Alan Willner表示:“对于100Gbit/s甚至速率更高的网络而言,利用电子技术实现波长转换将变得相当困难。” 全光波长转换则意味着高速率,目前实验室中的全光波长转换速率已经达到了惊人的320Gbit/s。
基本原理
全光波长转换的四种主要机制包括非线性材料中的参量转换、SOA中的参量混频、SOA中的交叉增益调制和交叉相位调制。
参量波长转换利用强泵浦光与输入信号光产生新的波长。在四波混频中,两个泵浦光子湮灭,同时产生一个信号光子和一个闲频光子。三波混频则以差频方式产生一个新的波长,然后通过滤波器提取出新的波长(见图1)。

图1. 四波混频波长转换器利用输入信号光和连续的泵浦光,通过非线性效应将信号转换到新的波长,然后利用滤波器将泵浦光和输入信号光滤掉,从而实现波长转换在非线性材料中实现高效的参量波长转换,要求材料必须具有很高的非线性系数,如铌酸锂、高非线性光纤、经过特殊设计的光子晶体光纤等。非线性材料通常不产生自发辐射噪声,因此波长转换的噪声较低。但是,基于非线性材料的波长转换器由分立的光学元件组成,很难实现集成,这使其走向实用化举步维艰。
基于SOA的波长转换,将输入信号的调制转移到新波长上,同时被SOA放大。SOA中载流子的恢复时间决定了其相对较小的转换速率,可以采用补偿技术实现较高的转换速率。SOA为有源器件,易于与其他器件集成,因此可以将波长转换与光再生结合起来。
在SOA中实现参量波长转换,将信号转移到新的波长上,同时对新波长进行放大,通过滤波器提取携带信号的新波长。
SOA中基于交叉增益调制的全光波长转换原理为:信号光对连续的探测光进行调制,从而将信号光所携带的信号转移到探测光上。交叉增益调制利用SOA的增益饱和效应,因此输入信号光功率越高,输出探测光(波长转换后携带信号)的功率越低,波长转换得到的是输入信号的反相波形,即输入信号为1时,输出信号为0,输入信号为0时,输出信号为1,可以将转换后的信号通过反相器恢复为原始信号。
SOA中基于交叉相位调制的全光波长转换原理为:信号光对连续探测光的相位而非强度进行调制,信号光的强度变化通过消耗载流子改变半导体的折射率,进而改变探测光的相位,因此输入信号光的瞬时强度变化反映在探测光的相位上,通过干涉仪将相位调制转换成强度调制即实现全光波长转换。早期试验利用一对SOA和一个Mach-Zehnder干涉仪实现波长转换,但德国卡尔斯鲁厄大学的Juerg Leuthold表示,利用一个SOA与延迟干涉仪,可以克服SOA较长的恢复时间。延迟干涉仪通过耦合器将光分成两部分,一部分为线波导,另一部分为环形延迟线,延时为10ps,然后再通过耦合器将两部分输出合束,可以消除由于载流子恢复所导致的拖尾现象,获得更短的脉冲(见图2)。

图2. SOA中较长的恢复时间导致波长转换后输出信号具有较长的拖尾。通过延时干涉,调整信号通过两臂的延时差,可以消除较长的拖尾,从而获得更短的脉冲SOA还具有低功耗和宽带运行(运行波段达几十个纳米)的优点,但目前存在的主要问题是偏振灵敏度和自发辐射噪声。
320Gbit/s展示
最近,荷兰爱因霍芬科技大学的研究人员Yong Liu和他的同事利用一个SOA、一个光纤光栅和两个级联光学带通滤波器实现了速率达320Gbit/s的波长转换。输入信号光的平均功率约为4mW,可调谐激光器输出的连续探测光的平均功率约为2mW。输入信号光通过交叉增益调制和半导体折射率的变化,调制连续探测光,并且使输出信号产生波长啁啾。输出信号通过滤波器提取,滤波器的中心波长相对于连续探测光具有蓝移,其目的是将增益恢复时间压缩至1.8ps。输出信号最后通过延迟干涉仪恢复为原始信号。
在今年的CLEO会议上,德国柏林Heinrich Hertz研究院的研究人员Bernd Huettl和他的同事报道了速率达320Gbit/s的波长转换,输入信号光和泵浦光波长分别为1546.5nm和1540.5nm,非线性介质为93mm周期极化铌酸锂波导。整个波长转换分为两个过程:泵浦光倍频产生二次谐波,二次谐波与信号光差频产生波长为1534.5nm的输出信号。该研究小组同时还报道了320Gbit/s差分四相移键控信号和160Gbit/s差分相移键控信号的波长转换。
在此次CLEO会议上,丹麦技术大学研究人员Michael Galili和他的同事报道了高非线性光纤中基于交叉相位调制的速率达320Gbit/s的波长转换。他们先将1544nm的连续光和1557nm的信号光耦合到非线性光纤的一端,反向传输的拉曼泵浦光通过拉曼增益提高波长转换效率(见图3),信号光通过200m高非线性光纤的功率损失只有0.2dB。

图3. 高非线性光纤中基于交叉相位调制的速率达320Gbit/s的波
长转换,通过拉曼放大提高信号的输出功率Huettl 和 Galili在今年的OFC 会议上还报道了他们的联合试验结果:在1100m长的高非线性光纤中利用四波混频实现了320Gbit/s差分四相移键控信号的波长转换。
竞争与前景展望
目前,实验室中的高速波长转换技术离实用化还相距甚远。贝尔实验室将波长转换器和激光器集成在一起,可根据特定需求切换到不同的输出波长,但转换速率只有40Gbit/s。对于下一代光网络而言,集成性和可调谐性是两个至关重要的指标。但对于高速运行而言,目前仍然需要在这两者中加以权衡。
全光波长转换器走向实用化还存在许多挑战。对于下一代高容量光网络,波长转换将是光交换的一部分,基于波混频的全光波长转换在下一代光网络中具有较大的优势,因为它能够实现完全透明的波长转换,这对于高级光交换至关重要。 在这些波长转换技术中,最终谁将胜出,在一定程度上也取决于网络的体系结构。
波长转换器件的应用不只局限于光网络。从更广的视角看,波长转换器相当于一个信号处理器,能够输入、输出和加载控制信号,就如同真空管时代的晶体管和三极管,因此波长转换器将具有更广阔的应用空间。
参考文献
1. Y. Liu et al., J. Lightwave Technology 24, 103 (2007).
2. B. Huettl et al., CLEO 07, paper CThF1.
3. M. Galili et al., CLEO 2007, paper CThF4.
4. M. Galili et al., OFC 2007, paper OTuI3.
5. Pi. Bernasconi et al., J. Lightwave Technology 24, 71 (January 2006).
6. S.J. Ben Yoo, J. Lightwave Technology 24, 4468 (December 2006).
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