全光波长转换器的制作方法

本实用新型涉及一种波长转换装置，尤其涉及一种基于高非线性光纤的高效全光波长转换器。

背景技术：

在解决不断上升的网络容量的问题中，如何有效利用频谱资源变得十分重要。除了运用具有高频谱效率的高级调制格式外，频谱整合也是提高频谱利用率的一项重要技术。在传输层中，频谱整合技术主要体现在网络算法与波长转换两个方面。波长转换技术能够重新分配波长分布并增强频谱的灵活性与利用率。相比于传统光电/电光波长转换器而言，全光波长转换器具有许多优点，例如：较低的能量损耗、打破电子器件速度瓶颈的响应速度以及对调制格式信号速率的透明性等等。目前基于不同非线性介质的全光波长转换器已经展开了许多研究，例如有基于半导体光放大器、高非线性光纤(HNLF)、硅波导等等。基于HNLF的全光波长转换方案因克尔效应的超快响应速度能够处理超高速的信号，并且在整个过程中具有低损耗以及对色散的可控性的特点，使得其在众多全光波长转换方案中脱颖而出。

转换效率(conversion efficiency，CE)与转换带宽是衡量一个波长转换器好坏的两个标准。在基于HNLF的波长转换器中，转换效率主要是由非线性相移γPL所决定(定义为泵浦功率P_P、非线性系数γ、光纤长度L，三者的乘积)，γPL越大，转换效率就越高。但无法通过无限增大泵浦功率来提高转换效率，这是由于输入到HNLF中的泵浦功率会受到受激布里渊阈值(SBS threshold)的限制。目前已经展开了许多的研究工作用以提高SBS阈值，运用最多的就是“抖动”方法。这种方法通过“抖动”泵浦光，使其功率分布在一个较小频谱范围内，从而在保持泵浦总功率不变的前提下有效地降低了泵浦的峰值功率。但与此同时，该方法将会在转换信号中引入抖动噪声，产生失真。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的基于高非线性光纤的高效全光波长转换器，使其更具有产业上的利用价值。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种无需提高SBS阈值、无需抖动泵浦光，仅通过光纤就能够实现高转换效率的全光波长转换器。

本实用新型的全光波长转换器，包括通过光纤连接的发送端和接收端，其中

-所述发送端将信号光与泵浦光耦合后输入所述光纤；

-所述光纤包括级联的掺铝光纤和掺锗光纤，其接收并引导由所述发送端输出的所述信号光与泵浦光，并利用所述光纤在引导所述信号光与泵浦光时产生的非线性光学现象来产生转换光；

-所述接收端接收所述光纤输出的转换光。

进一步的，所述掺铝光纤与掺锗光纤的长度比为3:2。

进一步的，所述发送端将所述信号光与泵浦光以3：7的比例耦合后输入所述光纤。

进一步的，所述泵浦光的输入功率为所述掺铝光纤的SBS阈值。

进一步的，所述发送端包括信号光源与泵浦光源，所述信号光源与泵浦光源均包括依次连接的可调激光光源、放大器、光带通滤波器和偏振控制器。

进一步的，所述放大器为掺铒光纤放大器。

进一步的，所述发送端与所述光纤之间还连接有光隔离器。

进一步的，所述光纤与所述接收端之间还连接有光带通滤波器。

进一步的，所述接收端为测试所述转换光信号误码率和星座图的相干接收器。

进一步的，在所述光带通滤波器与所述接收端之间还可依次连接可调衰减器和半导体光放大器。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：

1、利用两段不同高非线性光纤级联在一起实现高转换效率的全光波长转换器方案，其具有-8dB(理论上具有-3.1dB)的转换效率以及良好的转换信号性能；

2、利用掺铝光纤与掺锗光纤级联，有效增大非线性相移从而实现转换效率的提高，其中掺铝光纤是用来提高SBS阈值，在第二段中使用的是掺锗光纤，它具有较小的色散斜率与衰减，用以弥补光纤的损耗并提高非线性相移；

3、在10^-5级数误码率时的功率损耗能够达到小于0.5dB的水平。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是基于四波混频的波长转换仿真图；

图2是不同泵浦功率下的转换效率图；

图3是不同入射波长处转换效率的计算结果曲线；

图4是SBS阈值测试的实验结构；

图5是两段HNLF的传输功率(圆点)与反射功率(方点)曲线，其中，图(a)是150m掺铝HNLF的传输功率(圆点)与反射功率(方点)曲线，图(b)是100m掺锗HNLF的传输功率(圆点)与反射功率(方点)曲线；

图6是本实用新型的全光波长转换器的结构示意图；

图7是在两种入射功率情况下的HNLF的输入/输出频谱，其中，图(a)的泵浦功率为22.7dBm，图(b)的泵浦功率为26.7dBm；

图8是测量所得转换效率(dB)vs输入信号波长(nm)，其中，图(a)的泵浦功率为22.7dBm，图(b)的泵浦功率为26.7dBm；

图9是全光波长转换器转换信号性能测试实验结构；

图10是输入信号与转换信号的星座图，其中，图(a)～(c)的BTB信号分别为：1535nm、1545nm、1557.5nm，图(d)～(f)的转换信号分别为：1565nm、1555nm、1542.5nm；

图11是不同波长处BTB信号与转换信号的BER性能，其中，图(a)的BTB信号：1535nm、转换信号：1565nm，图(b)的BTB信号：1545nm、转换信号：1555nm，图(c)的BTB信号：1557.5nm、转换信号：1542.5nm。

图中英文简称中文对照：TLS：可调激光光源；AWG：任意波形发生器；MZM：马赫曾德调制器；EDFA：掺铒光纤放大器；OBPF：光带通滤波器；PC：偏振控制器；Isolator：光隔离器；Circulator：光环行器；HNLF：高非线性光纤；PM：光功率计；VOA：可调衰减器；SOA：半导体光放大器；Rx：相干接收机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

基于高非线性光纤的高效全光波长转换器具有能量损耗低、处理速度快以及调制格式透明等特点。对于基于高非线性光纤的高效全光波长转换器而言，若其光纤越长，非线性系数越大，泵浦功率越高，则其转换效率就会越高。然而，泵浦的输入功率会受到受激布里渊散射(SBS)的限制，通常来说光纤越长其SBS阈值越低。在本实用新型中，提出了一个利用两段不同高非线性光纤级联在一起实现高转换效率的全光波长转换器方案，并且通过实验验证了其-8dB的转换效率以及转换信号的良好性能。

原理与仿真

如图1所示，在泵浦光的辅助下，四波混频能够将信号从一个波长转换到另一个波长上。理想状态下是期望转换后的信号能够与输入信号有着差不多的功率与性能。但事实上，两者之间必然存在着差异，将他们之间的功率差定义为波长转换器的转换效率(CE)。而这转换效率的大小取决于非线性相移的大小，即非线性相移越大，则转换效率就越大。

对于指定的HNLF而言，其诸如光纤长度、衰减与色散这些参数都是固定无法改变的，要想改变非线性相移γPL就得通过改变泵浦光的输入功率。图2中展示的是当将输入泵浦功率设为16dBm、18dBm以及20dBm时分别计算所得的转换效率曲线。计算仿真所使用的是一段长为250米的掺锗HNLF，其参数如下所示：非线性系数γ＝10.8km^-1W^-1、衰减α＝0.8dB/km、零色散波长λ₀＝1544nm、此外其色散斜率dD＝0.006ps/km/nm²。从图2中可以看出，CE会随着泵浦功率的增大而提高。但是由于受到受激布里渊散射的影响，无法无限增大泵浦功率。对于这250m的掺锗HNLF而言，其SBS阈值只有大约18.7dBm。

与250m的掺锗光纤相比，同等长度，非线性系数γ＝6.9W^-1km^-1、衰减α＝6.2dB/km、零色散波长λ₀＝1550nm、色散斜率dD＝0.024ps/(nm²·km)的掺铝光纤具有更高的SBS阈值，大约为26dBm。图3显示的是基于不同HNLF的波长转换器的CE曲线。从图中的虚线与短划线可以看出，与掺锗HNLF相比，由于具有更高的SBS阈值，基于250m掺铝HNLF的波长转换器的CE要比基于掺锗HNLF的提高了7.8dB左右。为了能够获得更高的CE，本实用新型将250m的HNLF分成两段，由一段150m的掺铝HNLF与另一段100m的掺锗HNLF级联在一起。而它们的其它参数则与之前介绍的一致。由于HNLF的长度变短，其SBS阈值会相应提高。对于150m的掺铝HNLF来说，其SBS阈值能够提高到28.04dBm，而100m的掺锗HNLF的SBS阈值则能相应的上升至22.5dBm。将这两段HNLF级联后所计算得出的CE曲线由图3中的实线展示。值得注意的是，此时输入泵浦光功率设置为150m掺铝HNLF的SBS阈值P_SBS＝28dBm，而其输出功率经考虑到接头等因素的损耗后正好为第二段100m掺锗HNLF的SBS阈值。与图3中的单独使用掺锗光纤、单独使用掺铝光纤相比，本实用新型将150m的掺铝HNLF与100m的掺锗HNLF级联在一起的方案，无论是在转换效率还是转换带宽的平坦度方面都有改善。另外，当泵浦输入功率为SBS阈值的情况下，三种不同方案(掺锗光纤、掺铝光纤、掺铝光纤与掺锗光纤级联)的CE计算结果显示在表1中。

表1.三种方案的CE计算结果

实验与结果

1、HNLF的SBS阈值测试

首先测量两段光纤的SBS阈值，以便确定输入功率。利用图4所示的实验设计测量了输入信号通过HNLF时的反射功率与输出的传输功率。图中，光环行器用来导出反射光，而光功率计则是用来测量所接收到的传输光与反射光功率。

在测试SBS阈值的实验中，分别不断调整两段HNLF的入射功率，记录下其输出端的传输功率与环行器处测得的反射功率，并在图5的(a)与(b)中分别绘制出由圆点与方点所表示的曲线。由图中曲线可以看出，当输入功率尚未到达SBS阈值时，输出端的传输功率随着输入功率成线性增长，在这种情况下，SBS散射几乎可以忽略不计。当输入功率达到SBS阈值时，随着入射功率的增加，对比与传输功率，可以发现功率损耗比例增大。随着进一步的增大输入功率，光功率损耗会持续增大，直至输出功率达到一个平稳的值。当功率继续增大时，这些增加的输入功率几乎全都因SBS效应而被反射回来。由图5可看出，150m掺铝HNLF的SBS阈值大约为28dBm，而100m掺锗HNLF的SBS阈值则为22dBm。

2、波长转换器转换效率的测量

全光波长转换器测量转换效率的实验结构如图6所示，首先从可调光源(TLS1)发射出的连续光(CW)作为信号经由掺铒光纤放大器EDFA1进行放大并通过光带通滤波器(OBPF1)将自发辐射噪声滤除。另一由可调光源(TLS2)发出的连续光经由相同的过程作为泵浦光。将信号光与泵浦光通过30：70的耦合器(信号光占30％，泵浦光占70％)一起输入至级联在一起的两段HNLF中。图中的光隔离器(Isolator)用来防止EDFA因SBS而造成损坏。最后，监测HNLF的输入与输出频谱并通过光谱仪(OSA)来测量其转换效率。

在测量转换效率的过程中，将输入到HNLF中的信号光功率设置为5dBm，而泵浦光功率则从22.7dBm变化到26.7dBm。图7显示的就是当泵浦功率分别为22.7dBm与26.7dBm时的HNLF的输入与输出光谱。其中泵浦光波长设置为1550nm，“CW1”、“CW2”、“CW3”、“CW4”、“CW5”与“CW6”为分别设置1535nm、1540nm、1545nm、1552.5nm、1557.5nm与1562.5nm处的信号光，而“CW1””、“CW2’”、“CW3’”、“CW4’”、“CW5’”与“CW6’”则代表的是相应的转换后的信号。在图中通过测量信号转换前后功率差，能够得出在不同波长处的转换效率。实际测得的转换效率曲线与计算仿真得到的效率曲线已分别以虚线与实线表示在图8中。由于EDFA与光纤色散的原因使得实验结果略有出现波动，考虑到实验中器件接头等存在的损耗使得测得的CE要略低于理论仿真值，但基本与计算仿真结果相吻合。实验与仿真结果的吻合可以证明在低插入损耗器件的支持下能够实现-3.1dB这一更高的转换效率。

3、转换信号性能的测试

为了评估转换信号的性能，用25Gb/s的QPSK信号取代之前的连续光进行了实验。全光波长转换器结构如图9所示。通过图中的马赫曾德调制器(MZM)与任意波形生成器(AWG)产生所需的25Gb/s QPSK信号。图中可调衰减器(VOA)与半导体光放大器(SOA)用来调整信号光的光信噪比(OSNR)，此外相干接收器(Rx)是用来测试信号的误码率(BER)、星座图。

图10中展示的是波长分别为1535nm、1545nm与1557.5nm的输入信号(记为BTB信号)与其相应的转换信号(波长分别在1565nm、1555nm与1542.5nm处)的星座图。相比之下，两者呈现出差不多的性能，此外它们的误差向量幅度(EVM)也十分相近(BTB信号为7％，转换信号为8％)。

另外，通过调整VOA，改变了信号的OSNR，从而在接收端处能够测量信号的BER。BTB信号与转换信号的误码率曲线，见图11。图中可以看出，由于波长转换造成的功率损耗很小，当BER在10^-5级数时，转换信号的功率损耗能够达到小于0.5dB的水平。

综上所述，本实用新型提出的将150m掺铝HNLF与100m掺锗HNLF级联在一起来实现高转换效率的全光波长转换器方案，该方案中无需利用任何提高SBS阈值的泵浦抖动技术，仅使用商用HNLF就能够实现-8dB(理论上可实现-3.1dB)的转换效率。此外，在对25Gb/s的QPSK信号进行转换后，测得其在10^-5级数BER时的功率损耗能够达到小于0.5dB的水平。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。