SOA全光波长转换技术研究及其发展

孙志峰,王会洪,李雪宁,张敏明,陈璞,李晓磊,刘弘扬,皮逸翔

(1.国网湖北省电力公司信息通信公司,武汉 430077; 2.华中科技大学,武汉 430074)



SOA全光波长转换技术研究及其发展

孙志峰1,王会洪1,李雪宁2,张敏明2,陈璞1,李晓磊2,刘弘扬2,皮逸翔2

(1.国网湖北省电力公司信息通信公司,武汉 430077; 2.华中科技大学,武汉 430074)

摘要:全光波长转换技术在波分复用网络中有着非常重要的作用,尤其是基于SOA(半导体光放大器)的全光波长转换技术,已有较为成熟的理论研究,但其性能上仍存在很多不足。文章对基于SOA的全光波长转换技术的原理和性能特点进行了分析和比较。由最基础的不同类型的基于SOA的全光波长转换技术扩展到改进的技术方案,对不同结构和类型的全光波长转换技术进行了特性分析和比较,并对它们的应用前景和发展方向进行了展望。结果表明,通过改变SOA的增益特性或者改变系统结构,均能在不同方面改善全光波长转换技术的性能参数。

关键词:半导体光放大器;全光波长转换;交叉增益调制;交叉相位调制;四波混频

0　引 言

随着通信容量需求的不断增加,DWDM(密集波分复用)技术逐渐成为超大容量光纤传输最有效的实现方案,而波分复用网络中最关键的器件则是波长转换器,它可以实现光开关、光交换和光波长路由等功能。全光波长转换器在DWDM系统和全光网络中有着非常关键的作用,故而从上世纪90年代以来就受到了国内外的广泛关注。

波长转换器应用于DWDM时,需要具有高可靠性、低功率损耗、比特率透明、无消光比退化、啁啾小、结构简单和易于集成等特性。在众多的波长转换实现方案中,由于SOA(半导体光放大器)具有多种非线性效应,所需输入信号功率较小,体积小且便于集成,基于SOA的全光波长转换技术获得了较为广泛的关注和研究[1]。

本文将对基于SOA的不同非线性效应的全光波长转换技术进行较为全面的介绍、分析和比较。在此基础上,对目前国内外基于SOA的全光波长转换技术的先进方案进行性能分析与讨论,最后介绍基于SOA的全光波长转换器的最新研究进展。

1　SOA全光波长转换的基本原理

1.1基于SOA的XGM(交叉增益调制)型波长转换

基于SOA的XGM型波长转换器具有结构较简单、容易实现、输入功率动态范围较大和转换效率较高等优点,其原理如图1所示。

图1　XGM型全光波长转换原理

当SOA的偏置电流一定时,SOA有源区的载流子浓度不会发生太大变化。当信号光λp为“1”,即光强增加时,SOA有源区载流子浓度会降低,连续探测光所获得的增益减小,即探测光λc为”0”;反之,当信号光λp为“0”时,探测光λc为“1”。最后在SOA输出端得到的探测光信号λc与原始信号光的相位相反。在SOA之后连接一个窄带滤波器,将调制后的探测光λc滤出来,就可以得到与原始信号光反相的探测光信号,从而实现了光信息从信号光λp到探测光λc的转换。反相信号会增加传输过程中信号处理的难度,因此我们通过两次反相得到原始的信号。同时,无论输入信号光的消光比为多大,输出探测光信号的消光比为某一定值,即一定会存在输出消光比的恶化,这是基于SOA的XGM型的全光波长转换器需要解决的问题。

XGM型全光波长转换的输出消光比和转换效率等性能与工作条件息息相关。在一定工作条件下,减小信号光功率或增大探测光功率,转换效率会增大,但输出消光比会降低;相应地,增大信号光功率或减小探测光功率,输出消光比会增大,但转换效率会下降。因此,需要找到最佳的输入信号和探测光功率,使消光比和转换效率均能达到系统要求。

1.2基于SOA的XPM(交叉相位调制)型波长转换

携带信息的信号光导致SOA中载流子浓度的消耗,从而引起SOA有效折射率的变化,并最终反应在探测光的相位变化上,通过合适的方法将相位变化解调出来,可以将相位变化转换成强度变化,从而将信号光上携带的信息转换到探测光,以实现波长转换[2]。XPM型全光波长转换的关键技术是相位信息的解调,目前实现相位信息解调的方法很多,各种干涉仪结构是较为常用的解调方法。

如图2所示,我们以基于MZI(马赫-曾德干涉仪)的XPM型波长转换器结构为例来说明XPM型波长转换原理。

图2　基于MZI的XPM型波长转换原理

携带调制信息的信号光λp经耦合器后以不同比例分别耦合进入两个不同的SOA,连续探测光λc从另一端耦合进入SOA中。信号光功率的大小决定了SOA中载流子浓度的大小,不同的载流子浓度会导致SOA的有效折射率不同。由于耦合进两个SOA中的信号光功率大小不一样,因而引起的折射率变化也不一样。连续的探测光经过两个不同的SOA后会携带不同的相位变化信息,再通过干涉将这种相位变化信息转变成强度信息,从而使波长转换器输出端的探测光携带了信号光的调制信息。载流子浓度变化、相位变化及输出功率变化如图3所示。

图3　XPM型波长转换原理示意图

基于SOA的MZI结构的XPM型全光波长转换器具有信噪比高、消光比高的优点,波长转换后信号的频率啁啾很小,但相对于XGM型全光波长转换器来说,它的实现较为困难,只有采用单片集成的技术才能获得较好的效果。

1.3基于SOA的FWM(四波混频)型波长转换

基于SOA的FWM型全光波长转换器是利用SOA中FWM效应产生的新频率来实现波长转换的,由于它具有对调制格式严格透明的特点,因而受到了更为广泛的关注[3]。

FWM效应是指在相位匹配的条件下,两束光波相互作用产生一个新的波长。所以在基于SOA 的FWM型波长转换之后输出端有3个波长,需要后置滤波器将所需波长滤出。另外,这种波长转换器的三阶非线性较弱,转换效率较低,且具有偏振相关性,其结构也更为复杂,这些都是FWM型全光波长转换技术发展必须考虑的问题。

但与基于SOA的XGM型和XPM型波长转换技术相比,FWM型波长转换技术在信号的转换过程中能够保留原始信号的幅度和相位信息,具有很好的转换透明性以及调制格式透明性。其最主要的优势在于,FWM型波长转换技术可以在同一设备上同时实现多个波长的转换,而XGM型和XPM型波长转换技术都无法实现这一点[4]。

2　性能改进的技术方案

综上所述可以看出,XGM、XPM和FWM型全光波长转换技术各具特点和优势,在波分复用全光网络中有很大的应用前景,但同时每种技术也存在相应的不足。因此,国内外大量研究人员从器件原理、结构和实验方案等不同方面对基于SOA的全光波长转换技术进行了改进,使其应用更加广泛。

2.1改善消光比的改进方案

XGM型波长转换器的主要缺点是消光比的劣化,改善其输出消光比的方法有:增加SOA有源区长度、级联SOA和使用R-SOA(反射型半导体光放大器)。

很明显,有源区越长,SOA的输出消光比越大。这主要是因为有源区越长,SOA中探测光能获得的增益越大,而获得的增益差越大,输出消光比就越大。R-SOA的输出消光比特性好于长有源区的SOA,即使等效的增益长度相同,由于增益饱和效应的存在,在长有源区SOA中的后半段,随着光信号功率的增大,放大效果慢慢变弱,探测光得到的增益差不能线性增加;但在R-SOA中,由于后端面反射损耗的存在,光载后端面反射时功率降低,因此反向经过SOA时,能够继续获得较大的增益,因此RSOA的输出消光比特性更好[5]。

双SOA级联的方案[6]对提高输出消光比也有较为显著的效果,其实验装置如图4所示[6]。首先,信号光和连续探测光经过耦合器后同时注入SOA1中,由于SOA的XGM效应,探测光获得由SOA1XGM带来的增益,记为G1;在SOA1之后接入滤波器,得到增益放大后的连续探测光,并在SOA2之前接入一个增益为A的控制器来调节输入SOA2的光功率大小。在SOA2的输入端,经过SOA1增益放大的连续探测光和相同的信号光同时耦合注入,同理,探测光获得由其带来的增益,记为G2。对于整个系统来说,探测光获得的总增益为P=G1AG2,比单级SOA所得增益要大,输出消光比自然就更大。级联的SOA数目越多,得到的输出消光比就越大。级联型全光波长转换器的增益恢复时间比单级波长转换要少,且具有更高的输出消光比,在高速全光网络势必会得到广泛应用。

图4　双SOA级联实验装置图

2.2利用多种非线性效应的改进方案

XPM型波长转换器在工作过程中同时伴随着XGM过程,XGM引起的幅度变化可能会降低XPM型波长转换的输出性能,因此需要选择合适的工作条件,以降低XGM的影响,改善输出质量。另外,在XPM型全光波长转换器中,输入功率动态范围较小,一般可以利用一个SOA增大输入信号功率动态范围,起到幅度均衡的作用,使得SOA输出功率保持稳定[6]。

基于SOA构成的非对称Sagnac干涉仪波长转换器[7]也可以有效地改善转换器的性能。如图5所示[7],探测光波经由50∶50光耦合器被均分成两路经相反方向注入SOA的光,若两路光的传输距离相同,即SOA处于Sagnac干涉环的中心对称位置,则两路光获得的增益相同,产生的相移也相同,影响Sagnac干涉环的干涉和调制作用的最主要因素是交叉偏振调制,而XGM和XPM的作用可以忽略不计。在实验中我们将SOA置于干涉环的非中心对称处,使XGM、XPM和交叉偏振调制这3种非线性效应同时存在并相互作用,两路反向的光在相位和幅度以及偏振态上的改变在干涉环中有所作用。

图5　基于SOA的非对称Sagnac干涉仪波长转换器原理

实验表明,上述改进的方案可以有效地改善单独使用基于SOA的XGM型波长转换器时出现的消光比劣化问题,达到提高消光比的目的。与单独利用SOA的XGM效应相比,非对称Sagnac干涉仪结构带来的交叉偏振调制可以有效抑制XGM的功率劣化,使得探测光获得较大的增益。由改进方案的原理可以看出,波长转换后信号也与原始信号反相,但3种不同的非线性效应之间相互作用,探测光的增益差更大,所得的输出消光比也比使用单个SOA的波长转换器的情况要好;与XGM型波长转换器相比具有更好的误码特性。

2.3FWM型波长转换技术的改进方案

理论研究表明,在基于SOA的FWM型全光波长转换器中,波长向上转换时,其转换效率更差;波长向下转换时,其输出光功率较小。传统的FWM型全光波长转换器都是利用的单泵浦输入,但是此方案的转换效率会随着频率失谐的增加而下降,且转换效率与输入信号的偏振态也息息相关。我们通常可以采用正交的两个偏振光代替一个传统的泵浦光来提高波长转换范围,并降低偏振相关性,还可以在SOA中注入辅助光来提高转换效率。也可以同时利用上述两种方法来改善FWM型波长转换器的性能[8],提高输出光信噪比及其转换效率,增大波长转换范围,并降低功率代价。

辅助光、双泵浦FWM型波长转换原理如图6所示[9]。通过PC控制两路泵浦光的偏振态,使其在进入耦合器时为偏振正交,然后再同时注入SOA。向短波方向转换时,该转换器的波长转换范围为ΔP+2Δλ,式中,ΔP为两个泵浦光波长之差, 2Δλ为单泵浦时的波长转换范围;向长波方向转换时,其转换范围为ΔP-2Δλ。显然,ΔP是决定波长转换范围的主要因素,适当增大ΔP,可以增大波长转换器的波长转换范围。以往很多研究和实验也都证明了注入辅助光可以有效提高转换效率。而此实验测得:注入辅助光之后,与无辅助光的波长转换器相比,转换效率提高了5.5～8.5 dB[9]。

图6　辅助光、双泵浦FWM型波长转换原理

3　结束语

本文首先介绍了基于SOA的XGM、XPM和FWM型全光波长转换器。不同类型的全光波长转换器各有优缺点,为了优化和改善全光波长转换器的性能参数,大量的研究工作都致力于从结构上对方案进行改进。这些结构上的改进方案促进了基于SOA的全光波长转换技术的发展,但同时使得系统设备更加复杂,在工程上难以实现。除了从系统结构方面进行改进来改善性能之外,我们也可以从改善SOA器件的增益特性出发,来改变其非线性效应,从而改善波长转换器的性能参数。从不同的角度,针对不同性能进行改善,将会研究出更多不同的改进方案。同时,我们可以在同一系统中运用多种改进方案,可以达到同时改善多个性能参数的目的,当然前提是这些方案不能削弱其他性能。目前,这些改进的方案有的在理论上已经较为成熟,但暂时还无法应用到工程实践中去,还需要进一步改进以降低成本和设备复杂性。

从上世纪90年代开始,国内外的研究人员就逐渐开展了对基于SOA的全光波长转换技术的研究。近年来,由于电子器件速率的限制,全光网络渐渐成为研究热点,同时通信容量的飞速增长,使用DWDM技术的全光网络因此也成为了最炙手可热的应用热点。而DWDM网络中全光波长转换的关键器件就是全光波长转换器,基于SOA的全光波长转换器是目前较为成熟的实现方案,通过不断地改善其性能参数,并使其结构较简单,成本降低,就能将其广泛地应用于全光网络中,这将是现阶段和今后国内外的研究重点,将为大容量低成本的DWDM全光网络的建成奠定坚实的基础。

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光通信系统与网络技术

Research on SOA-Based All-Optical Wavelength Conversion Technology and Its Development

SUN Zhi-feng1,WANG Hui-hong1,LI Xue-ning2,ZHANG Min-ming2,CHEN Pu1,LI Xiao-lei2,LIU Hong-yang2,PI Yi-xiang2
(1.State Grid Hubei Electric Power Company Telematics Inc.,Wuhan 430077,China;
2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Abstract:The all-optical wavelength conversion technology plays an important role in WDM networks and there have been mature theoretical study on the Semiconductor Optical Amplifier(SOA)-based all-optical wavelength conversion technology. However,it still has a lot of deficiencies in its performance.This paper analyzes and compares the principles and performances of SOA-based all-optical wavelength conversion technologies in different structures and types from the most basic ones to the improved technical schemes and looks into their application prospect and development orientations.The results show that we can improve the performance parameters of all-optical wavelength conversion technology in different aspects by changing the gain characteristic of SOA or system structures.

Key words:SOA;all-optical wavelength conversion;XGM;XPM;FWM

中图分类号:TN914

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-004-04

收稿日期:2015-10-29

作者简介:孙志峰(1980-),男,湖北随州人。工程师,博士,主要研究方向为光传感。

通信作者:张敏明,副教授。E-mail:mmz@mail.hust.edu.cn

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.002