全光波长转换：下一个挑战

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1、全光波长转换：下一个挑战～教育资源库　　f快速的波长可变全光波长转换器迎合了人们在下一代网络中对光交叉连接产品的需求。　　用于D通讯的光交叉连接器在目前应用的光转换技术的基础上正在发展。当这些交叉连接器集成了波长转换功能后，将更能发挥出D光网络的全部潜能。全光波长转换是继光交换技术以后电信产业面临的下一个主要的技术挑战。有几种方案目前正在考虑中，其中最有前景的是在周期性极化晶体铌酸锂中使用的混频技术。　　光通信最初用于增加通信网络容量以满足互联网用户不断增长的需求，为了进一步增加容量，沿传输链的光-电-光转换需要进一步减少，

2、因而推动了全光网的发展。既然是波长通道而不是电子编码报头沿着通信网络进行必要的交换和路由，所以成为这种发展的中心。　　通过有效地使用波长通道，交换和路由功能在运行时可以不用对光信号进行转换，并且是协议透明的。有些建议认为可以通过使用具有固定波长通道的无源光器件来解决这一问题，然而无源光网络（PON）缺乏灵活性，并且不能尽可能有效地利用光带宽，特别是对靠近终端用户的外围网络来说。　　　　图1.目前所用的光交换机以毫秒的响应时间建立了一条止于全光构置，重构和保护通信网络功能的通道。　　当不同地点的发射机向同一目的地以同一波长发送

3、信号时，在很多节点的多个波长上的交换信号会发生冲突。直接的解决方法是将光通道转移至其他波长，随着对复杂光网络的多重光通道进行管理的需求增加，人们对波长转换的兴趣也不断增长。波长转换器是在某一波长上接收输入光信号，而在另一不同的波长上将其复制出来。理论上讲，转换是全光的，不消耗多少功率，也不改变信号本身，并且输出是可调的。实际上一个全光交叉连接器同时结合了光交换和波长转换功能。　　光交叉连接技术路径图（参见图1）表明目前适用的反应时间达毫秒的光交换形成了一条途径导引全光的重构、恢复和保护。这些功能很适用并由此激起许多人的兴趣，

4、为达到这些目的，在不远的将来，可变光分插复用器（OADMS）和光交叉连接器将很快被采用。目前正在发展的光交叉连接器应该要有一通用的功能集成功能。集成有多种含义，比如说小型化，内装元件以及多功能属性。因为可升级性、功耗问题和使用空间的原因，器件应保持小巧，而为了减少成本又应该适合于自动化生产过程。　　如果一个元件制作以单一基础开始，不断用多重连续的处理来构造特性，那么自动化生产过程就很容易实现了。　　集成功能也能做到在同一基底上增加不同光学功能，如结合光交换和波长转换功能。这种集成的光交叉连接器应该建立在波导构造的基础上，因为

5、即使是在震动、抖动或其他环境的影响下，波导交叉连接器件也可以稳定地提供交换和波长转换元件使用的光通道，以及输入输出端口。　　集成功能的增加会最终使光子芯片的可用性变得同目前使用的电子芯片一样普遍。当前这种光子芯片最有前途的发展方向是光带隙结构元件的发展。　　全光转换器　　目前全光波长转换器的选择有好几种。比如激光转换器在一条波长上引入强信号，然后转换到在另一波长上的连续波单频激光。输入光引起增益饱和，从而在产生的激光波长上消减光能。这种办法有一些重要的不足：以激光波长输出的信号是原始输入信号的反转，要求输入功率大于0dBm，

6、并且内部激光的共振将转换速度限制在约10Gbits/每秒。　　波长转换器的另一种被称为光控制放大器，这时相对较弱的光输入信号对半导体光放大器中输出的第二个波长进行调制。只要改变第二波长的连续波光源即可以改变输出信号。这种方法有不同的实施方式，其中最有前景的是采用输入信号来调制第二输出波长的相位，而不是它的强度。然后再采用干涉步骤将相位调制转换成强度调制。由于需要一个光学相位干涉仪，因此这种方法很难构成一个灵活的器件。　　　　图2、基于铌酸锂基底差频混频的波长转换器示意图。　　最有发展前途的方法是使用非线性转换器。这种波长转换

7、器是基于相干非线性过程，即两个或多个波长相互作用而产生新的波长。差频混频转换器产生的输出信号为泵浦光和输入信号的差频。　　这种方法的成功主要依赖于所选材料的非线性特性。有些方法采用的是长光纤和其他半导体放大器。然而，最有说服力的结论来自于一种因其非线性特性而为人们熟知的光学材料，即铌酸锂(LiNbO3)。这种材料提供了很好的响应时间和信噪比。　　差频混频　　图2所示的是基于铌酸锂基底的差频混频波长转换器示意图。　　第一个信号是入射光，在器件内以某一波长或频率（λ1）传播。第二个信号是由入射信号而产生的，并以第二

8、个频率或波长（λ2）在器件内以与该入射信号平行的方向传播。由于使用了大的二阶极化率（χ2）的材料如铌酸锂晶体，从而保证了频率的生成。泵浦光、入射信号和产生的信号之间的相位匹配是由沿着入射光方向的材料的周期性极化作用而得到保证的。　　局部材料持久的极化效应通常是由于在材