[科普中国]-波长转换器

简介

目前波长变换器按照原理主要可以分为三类：（1）光－电－光型波长变换器；（2）相干型波长变换器；（3）基于光逻辑门的波长变换器。

最简单的当然是专注式的转换节点设计，也就是在复用前，给每个通道都各配置一个波长转换器，显然这样作是元件利用率最低的。一些波长转换器的共享方案，也被陆续提出，常见的有节点共享式（SPN）和链路共享式（SPL）两种。对前一种共享方案，通常需要较大的光开关以便在单节点可以共享同一个波长转换器。本期香港城市大学的研究者对此做了改进研究，旨在使用更小更便宜的光开关，替换用在同样的系统里，却能获得和原来一样的性能。主要思路是预设一定数量的小尺寸光开关，来支持同样通道数的波长转换。当任意一波长的输入信号要进行波长转换时，它先被切换到一个共享的波长转换通道，以这种方式节点仅需要几个小的光开关，且能共享昂贵的波长转换器。

全光波长转换器是波分复用光网络及全光交换网络中的关键部件。 波长转换器有多种结构和机制，目前研究较为成熟的是以半导体光放大器(soa)为基础的波长转换器 ,包括交叉增益饱和调制型 (xgm soa)、交叉相位调制型 (xpm soa)以及四波混频型波长转换器 (fwm soa)等。

分类波长转换器有多种分类方式。波长转换器按照工作机理可分为光电型波长转换器和全光型波长转换器。

光电型波长转换器光电型波长转换器如图3-23所示，接收机通过光电检测器首先将波长为λ1的输入光信号转换为电信号，经过放大器的放大以后，对激光器进行调制，输出所需要的波长为λ2的光信号，即完成了光波长转换。3

这种波长转换器比较容易实现，其优点是与偏振无关；主要缺点是由于速度受电子器件限制，因此不适应高速大容量光纤通信系统和网络的要求。3

全光型波长转换器全光型波长转换器如图3-38所示。其波长转换技术主要由半导体光放大器（SOA) 构成。

波长为λ1的光信号与需要转换为波长为λ2的连续光信号同时送入SOA，SOA对λ1光功率存在增益饱和特性，结果使得输入光信号所携带的信息转换到λ2上,通过滤波器取出λ2光信号，即可实现从λ1到λ2的全光波长转换。2

按波长转换的机理可将波长转换器分为光-电-光再生型、增益饱和型、相位调制型和四波混合型等，图3.10.1a和图3.10.1b分别给出了光-电-光再生型和四波混频型波长转换器的原理图。传统上，使用光-电-光再生型波长转换器，如图3.10.1a所示，接收机首先把波长为λ1的输入信号转换为电信号，然后用该电信号直接调制另—个LD或外调制器，产生所需要波长的光信号。这种方法很容易实现，因为它使用普通的器件。其优点是与偏振无关并可以滤出噪声，其缺点是对比特速率和数据格式不透明，速度受电子器件限制，成本较高。1

另外一种波长转换技术是把SOA作为四波混频（FWM）的非线性介质，这种技术要求连续泵浦光λp和信号光λ1时发射进SOA中，如图3.10.1b所示。假如λ1和λ2分别是输入信号和输出转换后信号的波长,选抒泵浦光的波长为λp=（λ1-λ2）/2,由于在SOA中的四波混频，在输出端就产生了一个新的频率分量λ2=λ1-λp=λ1-λ1/2+λ2/2，即λ2/2=λ1/2,λ2=λ1，则在放大器输出端，在载波波长λ2上就复制了输入信号λ1。这种技术的工作速率高达 100Gbit/s, 而且对比特速率和数据格式透明，因为SOA提供增益，转换效率相当高。1

结构及原理另一种用于光交换的器件是波长转换器。如图12.4所示，最直接的波长转换是光/电/光变换，即将波长为λi,的输人光信号,由光电探测器转变为电信号，然后再去驱动一个波长为λj的激光器，使得输出波长成为λj的出射光信号，或者通过外调制器的方法实现间接的波长转换，即在外调制器的控制端上施加适当的直流偏置电压,使得波长为λi的入射光转换为波长为λj的出射光。4

直接转换是利用激光器的注入电流直接随承载信息的信号而变化。少量电流的变化就可以调制激光器的光频(波长），大约是1nm/mA。

可调谐激光器是实现波分复用（WDM）最重要的器件，今年制成的单频激光器都用量子阱(MQW)结构、分布反馈（DFB）式或分布布喇格反射（DBR）式结构，有些能在10nm或1THz 范围内调谐，调谐速度大有提高。通过电流调谐，一个激光器可以调谐出24个不同的频率，频率间隔为40GHz，甚至可以小到10GHz，使不同光载波频率可以多达500个。但是目前这种器件还不能提供实际使用，也无商品出售。4

激光外调制器，最有用的是采用具有电光效应的某些材枓制成，这些材料有半导体、绝缘晶体和有机聚合物，最常用的是使用钛扩散的LiNb03波导构成的M-Z干涉型外调制器。在半导体中，相位滞后的变化受到随注入电流时变化的折射率的影响。在晶体和各向异性的聚合物中，利用电光效应，即电光材料的折射率随施加的外电压而变化，从而实现对激光的调制。4

功能光/电/光型的WC先将光信号转换成电信号，经定时再生后，产生再生的电信号和时钟信号，再用该电信号对标准波长的激光器重新进行调制，从而实现波长变换。由于光电变换技术已很成熟，且它对信号具有再生能力，具有输入动态范围较大，无需光滤波器件且对输入偏振不敏感等许多优点，是目前唯一的一种非常成熟的波长变换器。但是它对信号格式和调制速率不透明，系统升级受限、应用范围受限。相干型波长变换器，主要原理是应用四波混频（FWM）原理。根据所使用的器件不同，又可分为：基于无源波导中FWM效应；半导体激光器中FWM效应；半导体光放大器中FWM效应。基于光控逻辑门的波长变换器，采用的原理主要有XGM效应和XPM效应。所采用的器件与相干型波长变换器的器件类似也可分为无源波导型、半导体激光器型和半导体放大器型。