集成光电子器件lpl(第十章波长变换器)
九、全光波长变换器

2007-2-27
受激喇曼散射
• 受激光喇曼散射是光波与二氧化硅分子的振动模之间的相 互作用的结果。如果一个具有hv1能量的光子入射到振动 频率为Vm的分子上,分子能从光子中吸收一部分能量。 在相互作用中发生了散射,从而产生了一个较低的频率V2 以及相应的能量hv2的光子。
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
3
全光波长变换器的作用和要求(3)
• 在OADM 和OXC中可实现不同波长间的交换的功能,结 构复杂,需要进行光电和电光转换,存在瓶颈效应。 • 在OADM、OXC中引入波长变换器,OADM保存自身功能, 还能使承载的业务转承于本地的非标准波长上。 • 对于OXC采用两种交换:空间交换和波长交换。 • 空间交换:波长选路或波长交叉连接。 • 波长交换:把信号从一个波长变换导另外一个波长上。可 重构选择节点建立端到端的虚波长通路,实现光连接。
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
4
全光波长变换器的作用和要求(4)
• 目前系统中使用的波长变换,主要是光/电、电/光 波长变换。但是这种波长变换不太适合大容量光 网络的应用(如对信号格式和调制速度不透明、 系统难以升级和转换速度受限等),必须寻求不 经过电域转换、直接在光域上进行的WC,即全 光波长变换(AOWC)。
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
16
基于半导体光放大器的AOWC(1)
2院
17
基于半导体光放大器的AOWC(2)
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
18
SOA——FWM波长变换
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
光电子器件论文--SOI波导光波长转换器

光电子器件论文SOI波导光波长转换器的基本原理及特性学院:信息科学与工程学院年级专业:光信息科学与技术学生姓名:学号:SOI波导光波长转换器的基本原理及特性一、引言光波长转换器主要用来增加网络的传输带宽和传输距离,并大大降低网络扩容的成本。
它可以使网络容量在不影响原有业务的情况下迅速成倍地增加,同时大大提高网络的安全性。
它具有光中继、波长转换、传输介质在单模光纤与多模光纤之间转换等等功能。
它适用于在10Mb/s~2.5 Gb/s速率范围内各种数字信号(SDH、ATM、以太网、光纤通道)和模拟信号在光纤中的复用传输和波长转换。
随着大规模集成器件的广泛应用,人们在关注器件性能的同时,也越来越在意器件的小型化以及与微电子器件的兼容性。
Silicon-on-insulator(SOI)材料是一种新型的硅基光电子材料,是近年来很热门的一种先进的光子集成技术,其制作工艺与微电子标准CMOS工艺兼容性好,不仅能大大降低成本,而且还能实现与硅基微电子电路的单片集成。
SOI 波导是指在SOI上形成的截面尺寸为亚波长量级的光波导。
Si 芯层和SiO2包层之间大的折射率差异(Δn=2)使得SOI 波导对光场有很强的限制作用,波导的弯曲半径可以小到微米量级,这就为波导器件的小型化和高密度集成化提供了巨大的便利;同时,波导中传输的光功率密度也会得到增强,由此还会出现一些在弱场情况下不易出现的新性质,如受激Raman 散射(SRS)、四波混频(FWM)、双光子吸收(TPA)等非线性光学效应,从而可以用来制作某些非线性光学器件。
全光波长转换器是光交换网络中一种关键的功能器件,利用波长转换可以实现网络中的虚拟波长通道,提高波长的重用率以及网络的灵活性和可扩展性。
二、基本原理将角频率为 p ω的泵浦光与角频率为sω的信号光同时耦合进入硅波导,在硅波导中将产生四波混频(FWM)参量过程。
在此过程中,泵浦光的能量逐渐转移到信号光sω和闲频光i ω(ωi = 2ωp -ωs ),进而可利用产生的闲频光来进行波长转换所示。
光波长转换器
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非线性光纤环镜型波长变换器是利用光纤ff: Sagnac干涉原理和光纤中的交叉相位调制产生的非线性相移实现波长变换的,这一点同SOA-XPM波长变换器类似。
3、光纤光栅外腔波长变换器
光纤光栅外腔波长变换器是以光纤光栅(FBG)作为分布反馈布拉格反射器激光器(DBR)的外腔布拉格(Brag)反射器,FBG-DBR激光器单频工作在恒定直流偏置状态,工作波长几由FBG的反射率决定。波长为戍的光信号从耦合器注入,基于载流子耗尽的机制,输出信号九受到戍的调制,完成波长变换作用,并且变换后信号相位反转
光波长转换器的作用
光波长转换器具有多种作用:①波长转换,输入波K任选,输出波长任定;②输入、输出光纤(多模光纤或单模光纤)类型任选,输入、输出光信号模式任定。简而言之,利用光波长转换器可以实现光网络上的光信号任意波长和任意模式变换,因此,光波长转换器是光网络中的一个重要器件,它赋予光网络灵活性和扩容性。
光波长转换器的原理
混频原理主要包括差频和四波混频。这种变换方式的优点是转换速率高、对信号格式透明、能同时转换多个波长。混频产生的光波保留了信号光的相位和幅度信息,是目前唯一能够实现严格透明的波长变换的技术。利用该技术可以将DWDM系统中的一组信号同时进行频率搬移,实现全光波长变换。
当光信号分两路输入时,这种变换利用差频(Difference Frequency Generation, DFG)原理。 如图所示:以两种光波%和oI为例,它们在同一个非线性媒质中传输时,就会产生混频现象,产生新的光波,而且这个新的光波的强度和输入光波的强度之积成正比,频率和相位是输入光波的相位和频率的线性组合。
光波长转换器的常见类型
1、半导体光放大器波长变换器
波长转换元件及其设备制作方法与相关技术

本技术涉及波长转换元件及其制备方法。
在波长转换元件中,在光阻隔材料中形成有二维排列的多个凹坑,且凹坑在纵向截面中为倒梯形,凹坑的内壁的表面粗糙度为0.1μm至15μm。
散热器从波长转换元件的下表面连接到或插入到设置在凹坑中的用于产生受激光的波长转换材料和/或具有导热和光反射功能的底层。
根据本技术,容易实现波长转换元件的像素点尺寸的精确调控,且提高了波长转换元件的散热能力和出光效率。
另外,波长转换材料和光阻隔材料结合紧密,且因而具有良好机械性能。
权利要求书1.一种波长转换元件,包括:光阻隔材料,在所述光阻隔材料中形成有二维排列的多个凹坑,所述凹坑在纵向截面中为倒梯形,所述凹坑的内壁的表面粗糙度为0.1μm至15μm;以及波长转换材料,所述波长转换材料设置在所述光阻隔材料的各个所述凹坑中,且所述波长转换材料的上表面与所述光阻隔材料的上表面齐平,以用于从所述光阻隔材料的上表面接收外部的激发光以产生受激光,所述波长转换元件还包括具有导热和光反射功能的底层,所述底层设置在所述光阻隔材料的各个所述凹坑的底部。
2.根据权利要求1所述的波长转换元件,其中,所述凹坑贯穿所述光阻隔材料的整个厚度,使得各个所述底层从所述光阻隔材料的下表面露出,并且所述波长转换元件还包括散热器,所述散热器形成有与所述凹坑具有相同排列方式的多个支柱,且经由所述支柱连接到从所述光阻隔材料的下表面露出的各个所述底层。
3.一种波长转换元件,包括:光阻隔材料,在所述光阻隔材料中形成有二维排列的多个凹坑,所述凹坑在纵向截面中为倒梯形,所述凹坑的内壁的表面粗糙度为0.1μm至15μm;以及波长转换材料,所述波长转换材料设置在所述光阻隔材料的各个所述凹坑中,且所述波长转换材料的上表面与所述光阻隔材料的上表面齐平,以用于从所述光阻隔材料的上表面接收外部的激发光以产生受激光,所述凹坑贯穿所述光阻隔材料的整个厚度,使得所述波长转换材料从所述光阻隔材料的下表面露出,并且所述波长转换元件还包括散热器,所述散热器形成有与所述凹坑具有相同排列方式的多个支柱,且所述支柱的至少一部分从所述光阻隔材料的下表面插入到所述凹坑中,使得所述支柱嵌入在所述波长转换材料中。
波长转换原理
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波长转换器OTU1.波长转换器的作用顾名思义,波长转换器的主要作用就是进行波长转换。
对外它提供G.957光接口以接入常规的SDH设备,使WDM系统具有开放性。
对内则提供符合G.692的光接口,满足WDM的一些特殊要求。
波长转换器另一个可能的作用是当再生器使用,此时它应具备数据再生功能。
波长转换器可以具备、也可以不具备数据再生功能。
具备数据再生功能的波长转换器既可以进行波长转换,也可以当再生器使用(还应具有B1、J0字节的检测能力),即所谓3R功能;不具备数据再生功能的波长转换器,只能进行波长转换,即所谓2R 功能。
2.波长转换器工作原理波长转换器的工作原理如图3.6.3所示。
电/光(E/O)转换,即转换成波长、色散和发光功率等皆符合G.692规范要求的光信号。
3.波长转换器种类与应用波长转换器可分为二种,即不具有数据再生功能(2R功能)和具有数据再生功能(3R功能)的波长转换器。
(1).2R波长转换器该类波长转换器除了具有光/电与电/光转换功能之外,还具有再整形与再定时功能。
但因无数据再生功能,所以不能当作再生器使用。
其工作原理图如图3.6.3所示。
[url=/]魔兽sf[/url]因为再整形与再定时的第一个字母皆为R,故称为2R功能。
2R波长转换器的应用如图3.6.4所示。
在图3.6.4中,WDM系统的第n个复用通道需要在B站上、下电路,其余复用通道则无此需求。
但由于2R波长转换器没有数据再生功能而不能当作再生器使用,所以每一个复用通道都要在B站都要设一个再生器(REG);而第n个复用通道用常规的ADM(G.957)完成了上、下电路任务之后,还需要再用2R波长转换器OTU才能接入到WDM系统之中。
(2).3R波长转换器该类波长转换器除了具有光/电与电/光转换、再整形、再定时功能之外,还具有数据再生功能,所以还可以当作再生器使用(还应具有B1、J0字节的检测能力)。
其工作原理图仍如图3.6.3所示。
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§10.2.2 基于激光器的全光波长转换器
基于半导体激光器XGM型全光波长转换器
工作原理:
省一个外部光源
相对于SOA-XGM 型波长转换器,其 消光比有所改善。
当一束信号光输入半导体激光器中,当信号光为“1”时,激射光被 抑制,只有自发辐射光输出,输出很小,为“0”;当信号光为“0” 时,有激射光输出,为“1”,从而实现了反向的波长转换功能。
P 30dBm 1
P2 20dBm
单端耦合SOA中载流子浓度的空间分布
多电极RSOA-XGM型全光波长转换器
多电极单端耦合的SOA: SOA被分为多节结构, 每节都有个电
极,各电极之间电绝缘,各电极的长度 和电流可以根据需要灵活调节。
理论结果表明:
消光比改善
2. SOA-XPM型波长转换器
b. 可构成路由器
信号要从节点1传输到节点a,可以先通过波长转换器构成的路 由器传输到节点j上,再经一路由器将信号选择到节点a上。
c. 可构成简单的空间开关
(a)是地址分配器,利用可调输出波长转换器将信号分配到 不同地址;(b)是N选1地址选择器,由N个固定输出的波长 转换器输出N个波长,再利用可调滤波器选择一路信号。
四波混频型(FWM)
1. SOA-XGM型波长转换器
SOA中的交叉增益调制(XGM)效应:
当一束弱连续光和强信号光耦 合进SOA中时,强信号光在被 放大的同时将引起SOA中载流 子的消耗,因而引起增益随输 入光功率增大而减小的现象, 即增益饱和。
SOA的增益将会出现与输入信 号光相反的调制作用,呈反向 调制的增益又对连续光进行调 制,这就是XGM效应。
Pc Ps Ps PpG3 Rs p
相对转 换效率 函数
优点:
转换速度快;
Pc Ps Ps PpG Rs p
3
FWM效应产生的转换光不仅携带了信号光的幅值信 息也携带了相位信息,因此它对调制格式严格透明。
缺点:
转换效率低; 偏振相关; 转换效率与波长有关:
SOA中的增益饱和效应
SOA-XGM型全光波长转换器的原理
பைடு நூலகம்工作原理:
当一束弱连续光和带强信号光耦合进SOA中时,由于增益 饱和效应,连续光受到信号光的反向调制作用,携带上与 输入信号光反向的信息,从而实现了波长转换功能。
SOA-XGM型全光波长转换器的优点: 可以达到较高的转换速率(相对于光电光型),可到 10Gb/s; 转换效率高; 波长转换范围宽; 偏振无关; 结构简单。 SOA-XGM型全光波长转换器的缺点: 输出光与原信号光反相; 信号的消光比恶化; 码型效应:由于SOA内部载流子浓度恢复不够完全而再 次被消耗,引起输出的“1”信号光功率大小不等的现
单端耦合SOA-XGM型全光波长转换器
单端耦合的SOA:SOA 的输入、输出共用一个端口,后端面具 有适当的反射率。
优点:消光比改善
原因:
转换输出的消光比取决于信号光分别为“0”和“1”号时连续 光获得的增益差,增益差越大,转换输出的消光比就越大。
多电极单端耦合SOA-XGM型全光波长转换器
基于光纤光栅外腔激光器XGM型全光波长转换器
反射率为 50~70% 反射率 接近1
工作原理 同上 优点:输出消光比高;
低啁啾(采用光纤光栅外腔激光器,输出波长非常稳定)。
§10.2.3
基于其它全光波长转换器
基于周期极化铌酸锂(PPLN)波导的波长转换器
工作原理:
级联二阶 非线性
两光波ωp和ωs在PPLN中产生二次和波ωSF=ωP+ωs,二次和波同时 与ωc产生差频,得到频率为ωi=ωp+ωs-ωc,光波ωi上携带的信息
当输入信号波长与转 换波长间隔增大时, 转换效率随之降低 。
FWM效应的强弱与两输入光的偏振
方向夹角的余弦函数成正比。
垂直双泵浦FWM型全光波长转换器
c p1 p 2 s
转换效率:
Pc Ps Pp1Pp2G3Rs p1
优点:波长转换范围增大,转换效率随转换范围变
当BPF中心波长蓝移且失谐量较小时,输出结果为反相的波 长转换; 当BPF中心波长蓝移且失谐量较大时,输出结果为同相的波 长转换; 当BPF中心波长红移且失谐量较大时,输出结果也为同相的 波长转换。
输入信号 -0.3nm
-0.1nm +0.4nm 0nm
3. SOA-FWM型波长转换器
b. 消光比
(dB)
消光比定义为转换光输出“1”信号的平均功率与“0”信 号的平均功率之比:
ER 10logPc,out 1 Pc,out 0
(dB)
c. 啁啾
在全光波长转换中,转换光的频率啁啾起源于信号光强的变 化引起SOA有源层中载流子浓度变化,使增益变化的同时折 射率也发生变化,从而转换光脉冲的相位也随时间变化,导 致其中心频率与两侧产生随时间变化的新频率。
与输入信号光相同,从而实现了波长转换功能。
还有其它的,如:光纤、光子晶体、可
饱和吸收体 等等…
…
§10.2
§10.2.1 §10.2.2
§10.2.3
全光波长转换器
基于SOA的全光波长转换器 基于激光器的全光波长转换器
基于其它的全光波长转换器
§10.2.1 基于SOA的全光波长转换器
基于半导体光放大器的全光波长转换器主要有三种工作方式: 交叉增益调制型(XGM)
交叉相位调制型(XPM)
除了利用干涉结构可以将相位调制信息转变成强度信息之外,在
SOA后加一个滤波器的结构 也可以实现这一功能。
基于SOA加窄带滤波器的波长转换基本原理:
当一束连续光和信号光一起耦合到SOA中,连续光受到信号光的调制而 产生频率啁啾,从而发生脉冲展宽,用中心波长偏离连续光中心波长的滤 波器滤出红移或蓝移部分,就可以实现将相位信息转变为强度信息。
缺点:
采用光电转换,电功率消耗大;
引入了光/电/光过程,结构复杂,成本随速率和元件数增加; 对信号码型和速率不透明。
因此,光/电/光型波长转换器在DWDM系统中的应用受到 了很大限制。 全光波长转换器则避免了光电转换的过程,完全在光域
内实现信息在波长信道之间的转换,透明性好,满足全
光通信网络的要求,具有更好的发展前景,成为研究的 热点,但技术上尚不成熟。
SOA中的FWM效应:
在SOA的输入端同时注入连续光和信号光,两种光在SOA有源
光波导内由于受到快速的非线性效应(如载流子密度脉动、载流 子加热和光谱烧孔等)的影响产生两个新频率,这就是FWM效应。
SOA-FWM型波长转换器的工作原理:
具有一定强度的连续泵浦光和信号光共同输入到SOA中,发生 四波混频效应后产生新的频率,新的频率上携带了信号光上的信 息 ,从而实现了波长转换功能。
第 十 章
波长转换器
信息需求量呈 爆炸性增长
WDM技术可 以实现超大 容量的光纤 通信
在WDM系统中,如果出现… …
怎么办?
波长转换器
§10.1
波长转换器的概述
1. 波长转换器的 概 念
波长转换器:把传输信息从一个波长转换向另一个波长上 的器件 。
2. 波长转换器的 应 用
a. 降低网络阻塞的概率
对偏振不敏感;
低啁啾输出、高信噪比、高消光比; 实现简单,易于集成。
5. 波长转换器的 分 类
波长转换器分光/电/光型波长转换器和全光型波长转换器。
基于SOA的波长转换器
波长转 换器
光电光型波长转换器 全光型波长转换器
基于激光器的波长转换器
基于其它的波长转换器
光/电/光型波长转换器:
1 d f 2 dt
d. 转换速率
e. 转换范围
4. 对波长转换器的 要 求
对信号比特率和调制格式应具有透明性; 转换速率快(至少在10Gbit/s以上),既能向短波长
方向变换又能向长波长方向变化,且两方向变换对称;
输入功率适当(不大于0dBm); 较宽的转换范围; 可以使输入波长无变化(即相同的输入输出波长);
a. 采用干涉结构将相位调制信息转变成强度信息。 有马赫-泽德干涉结构、迈克耳逊干涉结构等。
优点:
啁啾小; 同相转换和反相转换可控制; 输出消光比高;
偏振无关等。
缺点:
输入动态范围小,相对来说实现条件比较苛刻; 采用分离元件很难实现。
b. SOA+滤波器的XPM型全光波长转换器
工作原理:
一束连续光和一束信号光同时耦合到SOA中,强度调制的信号光引起 有源区中载流子浓度的调制,载流子浓度的变化在引起增益变化的同 时也会引起有源区有效折射率的变化,从而对探测光的相位进行调制, 这就是SOA中的XPM效应。由于XPM引起的是相位的变化,必须将 相位调制信息转变成强度信息,即可实现光波长的转换。
d. 实现中途谱反转
利用波长转换器中的光相位共轭,将系统中某一具有正色散的 波长上的信息在系统的中点转换到另一具有负色散的波长上, 实现色散补偿,使高速光纤通信系统的色散受限距离提高。
e. 可重复利用
波长、提高
波长利用率
3. 全光波长转换器的重要 参 数
a. 转换效率
10logPout ,c P ,s in
将原来的光信号经光/电转换成电信号,再利用这个电信号去 调制所需波长的激光器,实现光信号的波长转换。
光/电/光型波长转换器是目前一种非常成熟的波长转换器。
工作稳定; 转换效率高; 输入动态范围较大; 可实现3R(定时、再生、整形)功能; 不需光滤波器; 对输入偏振不敏感等许多优点。