全光波长转换:高速波长转换的必由之路

  仪器信息网 ·  2011-04-06 00:17  ·  4420 次点击
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AlanWillner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)。
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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JuergLeuthold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)。
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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YongLiu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HeinrichHertz研究院的研究人员BerndHuettl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MichaelGalili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。
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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.Liuetal.,J.LightwaveTechnology24,103(2007).
2.B.Huettletal.,CLEO07,paperCThF1.
3.M.Galilietal.,CLEO2007,paperCThF4.
4.M.Galilietal.,OFC2007,paperOTuI3.
5.Pi.Bernasconietal.,J.LightwaveTechnology24,71(January2006).
6.S.J.BenYoo,J.LightwaveTechnology24,4468(December2006).

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