一种基于复合谐振腔的全光波长转换器.pdf

本发明涉及一种用于波分复用(WDM)系统的基于复合谐振腔的全光波长转换器，包括增益介质和分波器件，增益介质、分波器件和腔面镜组成至少两个共用增益介质的线形谐振腔；或者增益介质、分波器件和分光器通过光纤连接组成至少两个共用增益介质的环形谐振腔；在谐振腔设内置波长λp。本发明具有输入信号功率低，成本低的优点，以一种简单实用的方式实现全光波长转化，满足WDM系统对波长转换器的要求。

1、  一种基于复合谐振腔的全光波长转换器，包括增益介质和分波器件，其特征是增益介质、分波器件和腔面镜组成至少两个共用增益介质的线形谐振腔；或者增益介质、分波器件和分光器通过光纤(13)连接组成至少两个共用增益介质的环形谐振腔；在谐振腔设内置波长λp。

2、  如权利要求1所述的一种基于复合谐振腔的全光波长转换器，其特征是两个共用增益介质的线形谐振腔包括一个光增益介质(3)，两个WDM分波器件(2，4)，两个λp谐振腔腔面镜(1，5)，两个输入信号光波长λs腔面镜(6，7)；第一λp腔面镜(1)、第一WDM分波器件(2)、光增益介质(3)、第二WDM分波器件(4)、第二λp腔面镜(5)构成波长λp的谐振腔；第一λs腔面镜(7)、第一WDM分波器件(2)、光增益介质(3)、第二WDM分波器件(4)、第二λs腔面镜(6)构成了波长λs的谐振腔。

3、  如权利要求1所述的一种基于复合谐振腔的全光波长转换器，其特征是两个共用增益介质的环形谐振腔，分波器件采用DWDM器件(8)，增益介质采用光放大器(9)，分光器采用光环形器(11)；DWDM器件(8)输入端口A与光放大器(9)连接，DWDM器件(8)λp输出端B与光环形器(11)的F端连接，光环形器(11)的E端与光放大器(9)连接，构成波长λp的谐振腔；DWDM器件(8)λs输出端C与光环形器(11)的D端连接，构成波长λs的谐振腔。

4、  如权利要求1所述的一种基于复合谐振腔的全光波长转换器，其特征是两个共用增益介质的环形谐振腔，包括两个DWDM器件(14，15)，一个光放大器(9)，和一个光隔离器(16)；第一DWDM器件(14)的输入端A与光放大器(9)连接，第二DWDM器件(15)的输入端A连接光隔离器(16)，光隔离器(16)与光放大器(9)连接，第一DWDM器件(14)λp输出端B与第二DWDM器件(15)λp输出端B连接，构成波长λp的谐振腔，第一DWDM器件(14)λs输出端C与第二DWDM器件(15)λs输出端C连接，构成波长λs的谐振腔。

5、  如权利要求3或4所述的一种基于复合谐振腔的全光波长转换器，其特征是在λp的谐振腔接入1×2宽带光纤耦合器(10)，在λs的谐振腔接入2×2宽带光纤耦合器(12)。

一种基于复合谐振腔的全光波长转换器
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种用于波分复用(WDM)系统的基于复合谐振腔的全光波长转换器。
背景技术
现代通信系统，包括长途干线系统、城域网系统几乎都采用了波分复用(WDM)技术。在光纤到户的接入网技术中，WDM-PON作为一种公认能最大限度提高速率的宽带接入方式，已经在韩国和日本推广。WDM技术的应用已经从点到点的WDM系统发展到环状及网状结构的WDM系统。
WDM系统的一个重要特征是利用波长来选择路由，利用波长选路实现网络的路由和交换。在WDM通信系统的光交叉连接(OXC)节点中，当不同光纤中两个相同波长信号进入同一光纤中时，就产生了波长阻塞问题。解决这一问题的有效方法就是采用全光波长转换技术(AOWC)，将其中一个信号波长转换到其他波长，将固定波长交叉连接发展为波长可变交叉连接，从而避免OXC中的波长阻塞。波长转换器件的另一重要用途是实现不同光网络间的波长匹配，可以把不同波长系列产品统一到同一波长标准上，实现网络间的通信。此外，通过波长转换，可以增强网络重构、网络管理的灵活性、可靠性。
理想的波长转换器应该有如下特点：
(1)对信号速率和信号码型透明，即无论信号的传输速率是多少、是什么编码，都可以直接从一个波长转换为另外一个波长；
(2)波长转换范围宽；
(3)对输入信号的功率要求不高，对输入信号的偏振态不敏感；
(4)高输出消光比。
在目前产品化的波长转换器中，都是基于光-电-光转换，而不是全光转换。但这种波长转换无法实现信号码型和速率的透明传输，而且在高速WDM系统中很难实现。
实现全光波长转换(AOWC)的方法根据所采用的非线性器件不同分为：
(1)基于半导体光放大器的AOWC，主要利用其交叉增益调制(XGM)，交叉相位调制(XPM)，四波混频(FWM)效应；
(2)基于光纤四波混频和非线性光纤环境的AOWC；
(3)基于激光器增益饱和特性的AOWC。
这些方式各有优缺点，但都因为各种原因至今没有实用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种基于复合谐振腔的全光波长转换器，以简单实用的方式实现全光波长转化，满足WDM系统对波长转换器的要求。
本发明的技术解决方案是：一种基于复合谐振腔的全光波长转换器，包括增益介质和分波器件，增益介质、分波器件和腔面镜组成至少两个共用增益介质的线形谐振腔；或者增益介质、分波器件和分光器组成至少两个共用增益介质的环形谐振腔。增益介质对工作波段范围内的光可以产生增益放大作用，可以是半导体光放大器SOA、光纤放大器EDFA、波导型光放大器及其它可以对工作波长光产生放大作用的增益介质。
在谐振腔设内置波长，内置波长由分波器件决定，分波器件可以将某个或某几个特定波长的光与其它波长的光分开到不同的光路上，可以是AWG波导型、膜片型、光栅型或其它形式。
在没有信号光输入时，至少有一个波长的光激射，即内置波长的光激射；在有信号光输入时，信号光在腔内得到增益介质的放大，同时由于增益饱和作用使对内置波长的增益降低，从而内置波长的光停止激射。这样通过信号光可以控制内置波长光的输出，将信号光上承载的信号转移到内置波长上去，实现全光波长转换。
本发明的全光波长转换器采用光放大器作为增益介质，利用WDM器件作为滤波器实现多个波长光的分路，形成共用一个增益介质，而输出端分开的复合谐振腔。在没有外输入光的条件下，该复合谐振腔总有一个波长的光对应阈值最低，即内置波长，该内置波长和WDM分波器件特性有关。工作时至少可以产生内置波长的激射光输出，形成内置激光器，从而在波长转换过程中可以节省一个外置的特定波长激光器。
用λs表示输入信号光波长，用λp表示复合谐振腔阈值最低的波长，即内置波长。本发明中的WDM器件是指一种窄带滤波器，它将λp波长的光分到一个输出光路，而其它波长的光则分到另外一个输出光路。基于WDM器件的这个特性，可以将不同波长的光分配到不同的光路上，从而使我们可以控制不同波长的光经过不同的光路。通过设计光路，使不同波长的光路都可以形成谐振腔结构，而不同的谐振腔光路的损耗可以通过设计来进行控制。如果这些谐振腔同时共用同一增益介质或者部分光器件，则可以构成一个由多个谐振腔组合在一起的“复合谐振腔”，可称之为“复合谐振腔”，是因为这多个谐振腔共用一个增益介质或者其它光器件，但又分别有自己的独立的一部分光路和输出端口。
利用了在同一增益介质中，不同波长激光之间的模式竞争。在没有输入信号光时，内置波长对应的阈值低，波长转换器输出该波长激光，输出为高功率。而输入信号光时，在输入信号光作用下，谐振腔内输入信号波长的阈值变得比内置波长的低，此时内置波长的光不能激射，输出低功率。从而内置波长的输出受到信号光的控制，可以用来实现波长转换。
本发明的有益效果是：
(1)与其它基于半导体光放大器的交叉增益调制技术不同的是，不是依靠信号光自身的功率来进行增益饱和，而是信号光引发该波长光的激射来实现增益饱和，从而不需要太高的输入信号功率。
(2)该复合谐振腔可以直接输出系统需要的任何WDM波长的光，而不必象其它方式那样，还要另外加一个输入激光器和相应波长的输出光滤波器；减少了一个特定波长激光器，极大地降低了成本。
(3)由于该波长转换器自身带有滤波器，输出光的噪声极低。内置波长输出光的高电平和低电平分别对应于激射和未激射状态，而且半导体光放大器的自发辐射受到抑制，从而消光比可以做得很高。
(4)基于该复合谐振腔结构和半导体光放大器的增益特性，可以很方便的将波长转换扩展到多波长输出。这样就可以实现将输入信号直接同时转换到多个波长信道上的功能。
(5)基于该复合谐振腔结构和光开关，可以很方便的实现将输入信号转换到任意指定的波长信道上去。
附图说明
图1本发明全光波长转换器线形谐振器结构原理图。
图2本发明全光波长转换器环形谐振器结构原理图
图3本发明全光波长转换器另一种环形谐振器结构原理图
图中1.第一λp腔面镜，2.第一WDM分波器件，3.光增益介质，4.第二WDM分波器件，5.第二λp腔面镜，6.第二λs腔面镜，7.第一λs腔面镜，8.DWDM器件，9.光放大器，10.1×2宽带光纤耦合器，11.光环形器，12.2×2宽带光纤耦合器，13.光纤，14.第一DWDM器件，15.第二DWDM器件，16.光隔离器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1所示为线形复合谐振腔结构原理图，包括一个光增益介质3，两个WDM分波器件2，4，两个λp谐振腔腔面镜1，5，两个输入信号光波长λs腔面镜6，7。
第一λp腔面镜1、第一WDM分波器件2、光增益介质3、第二WDM分波器件4、第二λp腔面镜5构成波长λp的谐振腔；第一λs腔面镜7、第一WDM分波器件2、光增益介质3、第二WDM分波器件4、第二λs腔面镜6构成了波长λs的谐振腔。这两个谐振腔共用增益介质3，但分别有自己的腔面镜，通过控制腔面镜的反射率，或者在其中某个谐振腔内单独加光衰减器或另外的增益介质，可以使两个谐振腔的净增益不同，即可以控制阈值不同，从而可以控制由哪个波长先激射。
为了实现从λs到λp的波长转换，我们使λp对应的阈值最低，而λs对应的阈值比λp的稍高。在输入信号λs为低电平“O”的情况下，由λp激射，即对应输出信号的高电平信号“1”。如果输入信号λs变成高电平“1”，则输入信号λs会因为也有一个谐振腔而多次经过增益介质；同时使增益介质对λp产生增益饱和效应，使λp增益无法达到阈值条件，此时对应λp输出信号的低电平“0”。这样输出信号λp的“1”和“0”分别对应于输入信号λs的“0”和“1”，就实现了信号的光-光的直接波长转换。
图2所示为环形复合谐振腔结构原理图，分波器件采用DWDM器件8，增益介质采用光放大器9，分光器采用光环形器11；DWDM器件8输入端口A与光放大器9连接，DWDM器件8λp输出端B与光环形器11的F端连接，光环形器11的E端与光放大器9连接，构成波长λp的谐振腔；DWDM器件8λs输出端C与光环形器11的D端连接，构成波长λs的谐振腔。器件间用光纤13连接
DWDM器件8将从输入端口A进来的多波长光或宽谱光中的λp光分路到λp输出端B，其它波长的光(包括λs)则进入输出端口C。光环形器11的作用是，光从D端口输入后只能进入E端口，从E端口进来的光只能从F端口输出。利用DWDM器件8的分光作用和光环形器11的环形作用，使λp和λs分别对应不同的环形谐振腔，它们共用一个光放大器9。光放大器9对包括λp和λs在内的一定带宽内的光都有放大作用。这两个环形谐振腔都只能单向传输。在λp的环形谐振腔内加入一个1×2的宽带光纤耦合器10，其中两个端口构成环形，多出的一个端口作为输出端口。在λs的环形谐振腔内加入一个2×2的宽带光纤耦合器12，其中两个端口构成环形，另外两个端口分别作为输入和输出端口。由于环形腔是单向工作，所以耦合器的输入输出方向是固定的。1×2的宽带光纤耦合器10、2×2的宽带光纤耦合器12和光环行器11对包括λp和λs在内的一定带宽内的光都有相同的功能。通过选择两个宽带光纤耦合器10、12的分光比可以调节两个谐振腔的内损耗，从而可以分别控制λp和λs的阈值大小，方便我们合理设计波长转换器性能。
图2所示的环形谐振腔全光波长转换器以1×2宽带光纤耦合器10的一个端口作为λp的输出端口，2×2宽带光纤耦合器12的一个端口作为λs的输入端口，同时还可以提供一个λs的输出端口。在λs输入信号为“0”时，λp波长因为阈值比较低而激射，输出λp的“1”；当λs输入信号为“1”时，在外注入的作用下，λs谐振增强并通过模式竞争使光放大器2对λp的增益降低，λp波长的光无法达到阈值条件而输出低电平“0”。这样就达到信号从λs到λp的光光直接转换。
图3所示为另一种环形复合谐振腔结构原理图，包括两个DWDM器件14，15，一个光放大器9，和一个光隔离器16；第一DWDM器件14的输入端A与光放大器9连接，第二DWDM器件15的输入端A连接光隔离器16，光隔离器16与光放大器9连接，第一DWDM器件14λp输出端B与第二DWDM器件15λp输出端B连接，构成波长λp的谐振腔，第一DWDM器件14λs输出端C与第二DWDM器件15λs输出端C连接，构成波长λs的谐振腔。和图2中的环形复合谐振腔结构一样，采用1×2宽带光纤耦合器10的一个端口作为λp的输出端口，2×2宽带光纤耦合器12的一个端口作为λs的输入端口，同时还提供一个λs的输出端口。