本發(fā)明涉及一種波長轉(zhuǎn)換裝置，尤其涉及一種基于高非線性光纖的高效全光波長轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

在解決不斷上升的網(wǎng)絡(luò)容量的問題中，如何有效利用頻譜資源變得十分重要。除了運用具有高頻譜效率的高級調(diào)制格式外，頻譜整合也是提高頻譜利用率的一項重要技術(shù)。在傳輸層中，頻譜整合技術(shù)主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)算法與波長轉(zhuǎn)換兩個方面。波長轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠重新分配波長分布并增強頻譜的靈活性與利用率。相比于傳統(tǒng)光電/電光波長轉(zhuǎn)換器而言，全光波長轉(zhuǎn)換器具有許多優(yōu)點，例如：較低的能量損耗、打破電子器件速度瓶頸的響應(yīng)速度以及對調(diào)制格式信號速率的透明性等等。目前基于不同非線性介質(zhì)的全光波長轉(zhuǎn)換器已經(jīng)展開了許多研究，例如有基于半導(dǎo)體光放大器、高非線性光纖(hnlf)、硅波導(dǎo)等等?；趆nlf的全光波長轉(zhuǎn)換方案因克爾效應(yīng)的超快響應(yīng)速度能夠處理超高速的信號，并且在整個過程中具有低損耗以及對色散的可控性的特點，使得其在眾多全光波長轉(zhuǎn)換方案中脫穎而出。

轉(zhuǎn)換效率(conversionefficiency，ce)與轉(zhuǎn)換帶寬是衡量一個波長轉(zhuǎn)換器好壞的兩個標(biāo)準(zhǔn)。在基于hnlf的波長轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換效率主要是由非線性相移γpl所決定(定義為泵浦功率pp、非線性系數(shù)γ、光纖長度l，三者的乘積)，γpl越大，轉(zhuǎn)換效率就越高。但無法通過無限增大泵浦功率來提高轉(zhuǎn)換效率，這是由于輸入到hnlf中的泵浦功率會受到受激布里淵閾值(sbsthreshold)的限制。目前已經(jīng)展開了許多的研究工作用以提高sbs閾值，運用最多的就是“抖動”方法。這種方法通過“抖動”泵浦光，使其功率分布在一個較小頻譜范圍內(nèi)，從而在保持泵浦總功率不變的前提下有效地降低了泵浦的峰值功率。但與此同時，該方法將會在轉(zhuǎn)換信號中引入抖動噪聲，產(chǎn)生失真。

有鑒于上述的缺陷，本設(shè)計人，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的基于高非線性光纖的高效全光波長轉(zhuǎn)換器，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種無需提高sbs閾值、無需抖動泵浦光，僅通過光纖就能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的全光波長轉(zhuǎn)換器。

本發(fā)明的全光波長轉(zhuǎn)換器，包括通過光纖連接的發(fā)送端和接收端，其中

-所述發(fā)送端將信號光與泵浦光耦合后輸入所述光纖；

-所述光纖包括級聯(lián)的摻鋁光纖和摻鍺光纖，其接收并引導(dǎo)由所述發(fā)送端輸出的所述信號光與泵浦光，并利用所述光纖在引導(dǎo)所述信號光與泵浦光時產(chǎn)生的非線性光學(xué)現(xiàn)象來產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光；

-所述接收端接收所述光纖輸出的轉(zhuǎn)換光。

進一步的，所述摻鋁光纖與摻鍺光纖的長度比為3:2。

進一步的，所述發(fā)送端將所述信號光與泵浦光以3：7的比例耦合后輸入所述光纖。

進一步的，所述泵浦光的輸入功率為所述摻鋁光纖的sbs閾值。

進一步的，所述發(fā)送端包括信號光源與泵浦光源，所述信號光源與泵浦光源均包括依次連接的可調(diào)激光光源、放大器、光帶通濾波器和偏振控制器。

進一步的，所述放大器為摻鉺光纖放大器。

進一步的，所述發(fā)送端與所述光纖之間還連接有光隔離器。

進一步的，所述光纖與所述接收端之間還連接有光帶通濾波器。

進一步的，所述接收端為測試所述轉(zhuǎn)換光信號誤碼率和星座圖的相干接收器。

進一步的，在所述光帶通濾波器與所述接收端之間還可依次連接可調(diào)衰減器和半導(dǎo)體光放大器。

借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點：

1、利用兩段不同高非線性光纖級聯(lián)在一起實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的全光波長轉(zhuǎn)換器方案，其具有-8db(理論上具有-3.1db)的轉(zhuǎn)換效率以及良好的轉(zhuǎn)換信號性能；

2、利用摻鋁光纖與摻鍺光纖級聯(lián)，有效增大非線性相移從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的提高，其中摻鋁光纖是用來提高sbs閾值，在第二段中使用的是摻鍺光纖，它具有較小的色散斜率與衰減，用以彌補光纖的損耗并提高非線性相移；

3、在10^-5級數(shù)誤碼率時的功率損耗能夠達到小于0.5db的水平。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。

附圖說明

圖1是基于四波混頻的波長轉(zhuǎn)換仿真圖；

圖2是不同泵浦功率下的轉(zhuǎn)換效率圖；

圖3是不同入射波長處轉(zhuǎn)換效率的計算結(jié)果曲線；

圖4是sbs閾值測試的實驗結(jié)構(gòu)；

圖5是兩段hnlf的傳輸功率(圓點)與反射功率(方點)曲線，其中，圖(a)是150m摻鋁hnlf的傳輸功率(圓點)與反射功率(方點)曲線，圖(b)是100m摻鍺hnlf的傳輸功率(圓點)與反射功率(方點)曲線；

圖6是本發(fā)明的全光波長轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是在兩種入射功率情況下的hnlf的輸入/輸出頻譜，其中，圖(a)的泵浦功率為22.7dbm，圖(b)的泵浦功率為26.7dbm；

圖8是測量所得轉(zhuǎn)換效率(db)vs輸入信號波長(nm)，其中，圖(a)的泵浦功率為22.7dbm，圖(b)的泵浦功率為26.7dbm；

圖9是全光波長轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換信號性能測試實驗結(jié)構(gòu)；

圖10是輸入信號與轉(zhuǎn)換信號的星座圖，其中，圖(a)～(c)的btb信號分別為：1535nm、1545nm、1557.5nm，圖(d)～(f)的轉(zhuǎn)換信號分別為：1565nm、1555nm、1542.5nm；

圖11是不同波長處btb信號與轉(zhuǎn)換信號的ber性能，其中，圖(a)的btb信號：1535nm、轉(zhuǎn)換信號：1565nm，圖(b)的btb信號：1545nm、轉(zhuǎn)換信號：1555nm，圖(c)的btb信號：1557.5nm、轉(zhuǎn)換信號：1542.5nm。

圖中英文簡稱中文對照：tls：可調(diào)激光光源；awg：任意波形發(fā)生器；mzm：馬赫曾德調(diào)制器；edfa：摻鉺光纖放大器；obpf：光帶通濾波器；pc：偏振控制器；isolator：光隔離器；circulator：光環(huán)行器；hnlf：高非線性光纖；pm：光功率計；voa：可調(diào)衰減器；soa：半導(dǎo)體光放大器；rx：相干接收機。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

基于高非線性光纖的高效全光波長轉(zhuǎn)換器具有能量損耗低、處理速度快以及調(diào)制格式透明等特點。對于基于高非線性光纖的高效全光波長轉(zhuǎn)換器而言，若其光纖越長，非線性系數(shù)越大，泵浦功率越高，則其轉(zhuǎn)換效率就會越高。然而，泵浦的輸入功率會受到受激布里淵散射(sbs)的限制，通常來說光纖越長其sbs閾值越低。在本發(fā)明中，提出了一個利用兩段不同高非線性光纖級聯(lián)在一起實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的全光波長轉(zhuǎn)換器方案，并且通過實驗驗證了其-8db的轉(zhuǎn)換效率以及轉(zhuǎn)換信號的良好性能。

原理與仿真

如圖1所示，在泵浦光的輔助下，四波混頻能夠?qū)⑿盘枏囊粋€波長轉(zhuǎn)換到另一個波長上。理想狀態(tài)下是期望轉(zhuǎn)換后的信號能夠與輸入信號有著差不多的功率與性能。但事實上，兩者之間必然存在著差異，將他們之間的功率差定義為波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率(ce)。而這轉(zhuǎn)換效率的大小取決于非線性相移的大小，即非線性相移越大，則轉(zhuǎn)換效率就越大。

對于指定的hnlf而言，其諸如光纖長度、衰減與色散這些參數(shù)都是固定無法改變的，要想改變非線性相移γpl就得通過改變泵浦光的輸入功率。圖2中展示的是當(dāng)將輸入泵浦功率設(shè)為16dbm、18dbm以及20dbm時分別計算所得的轉(zhuǎn)換效率曲線。計算仿真所使用的是一段長為250米的摻鍺hnlf，其參數(shù)如下所示：非線性系數(shù)γ＝10.8km^-1w^-1、衰減α＝0.8db/km、零色散波長λ0＝1544nm、此外其色散斜率dd＝0.006ps/km/nm²。從圖2中可以看出，ce會隨著泵浦功率的增大而提高。但是由于受到受激布里淵散射的影響，無法無限增大泵浦功率。對于這250m的摻鍺hnlf而言，其sbs閾值只有大約18.7dbm。

與250m的摻鍺光纖相比，同等長度，非線性系數(shù)γ＝6.9w^-1km^-1、衰減α＝6.2db/km、零色散波長λ0＝1550nm、色散斜率dd＝0.024ps/(nm²·km)的摻鋁光纖具有更高的sbs閾值，大約為26dbm。圖3顯示的是基于不同hnlf的波長轉(zhuǎn)換器的ce曲線。從圖中的虛線與短劃線可以看出，與摻鍺hnlf相比，由于具有更高的sbs閾值，基于250m摻鋁hnlf的波長轉(zhuǎn)換器的ce要比基于摻鍺hnlf的提高了7.8db左右。為了能夠獲得更高的ce，本發(fā)明將250m的hnlf分成兩段，由一段150m的摻鋁hnlf與另一段100m的摻鍺hnlf級聯(lián)在一起。而它們的其它參數(shù)則與之前介紹的一致。由于hnlf的長度變短，其sbs閾值會相應(yīng)提高。對于150m的摻鋁hnlf來說，其sbs閾值能夠提高到28.04dbm，而100m的摻鍺hnlf的sbs閾值則能相應(yīng)的上升至22.5dbm。將這兩段hnlf級聯(lián)后所計算得出的ce曲線由圖3中的實線展示。值得注意的是，此時輸入泵浦光功率設(shè)置為150m摻鋁hnlf的sbs閾值psbs＝28dbm，而其輸出功率經(jīng)考慮到接頭等因素的損耗后正好為第二段100m摻鍺hnlf的sbs閾值。與圖3中的單獨使用摻鍺光纖、單獨使用摻鋁光纖相比，本發(fā)明將150m的摻鋁hnlf與100m的摻鍺hnlf級聯(lián)在一起的方案，無論是在轉(zhuǎn)換效率還是轉(zhuǎn)換帶寬的平坦度方面都有改善。另外，當(dāng)泵浦輸入功率為sbs閾值的情況下，三種不同方案(摻鍺光纖、摻鋁光纖、摻鋁光纖與摻鍺光纖級聯(lián))的ce計算結(jié)果顯示在表1中。

表1.三種方案的ce計算結(jié)果

實驗與結(jié)果

1、hnlf的sbs閾值測試

首先測量兩段光纖的sbs閾值，以便確定輸入功率。利用圖4所示的實驗設(shè)計測量了輸入信號通過hnlf時的反射功率與輸出的傳輸功率。圖中，光環(huán)行器用來導(dǎo)出反射光，而光功率計則是用來測量所接收到的傳輸光與反射光功率。

在測試sbs閾值的實驗中，分別不斷調(diào)整兩段hnlf的入射功率，記錄下其輸出端的傳輸功率與環(huán)行器處測得的反射功率，并在圖5的(a)與(b)中分別繪制出由圓點與方點所表示的曲線。由圖中曲線可以看出，當(dāng)輸入功率尚未到達sbs閾值時，輸出端的傳輸功率隨著輸入功率成線性增長，在這種情況下，sbs散射幾乎可以忽略不計。當(dāng)輸入功率達到sbs閾值時，隨著入射功率的增加，對比與傳輸功率，可以發(fā)現(xiàn)功率損耗比例增大。隨著進一步的增大輸入功率，光功率損耗會持續(xù)增大，直至輸出功率達到一個平穩(wěn)的值。當(dāng)功率繼續(xù)增大時，這些增加的輸入功率幾乎全都因sbs效應(yīng)而被反射回來。由圖5可看出，150m摻鋁hnlf的sbs閾值大約為28dbm，而100m摻鍺hnlf的sbs閾值則為22dbm。

2、波長轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率的測量

全光波長轉(zhuǎn)換器測量轉(zhuǎn)換效率的實驗結(jié)構(gòu)如圖6所示，首先從可調(diào)光源(tls1)發(fā)射出的連續(xù)光(cw)作為信號經(jīng)由摻鉺光纖放大器edfa1進行放大并通過光帶通濾波器(obpf1)將自發(fā)輻射噪聲濾除。另一由可調(diào)光源(tls2)發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)由相同的過程作為泵浦光。將信號光與泵浦光通過30：70的耦合器(信號光占30％，泵浦光占70％)一起輸入至級聯(lián)在一起的兩段hnlf中。圖中的光隔離器(isolator)用來防止edfa因sbs而造成損壞。最后，監(jiān)測hnlf的輸入與輸出頻譜并通過光譜儀(osa)來測量其轉(zhuǎn)換效率。

在測量轉(zhuǎn)換效率的過程中，將輸入到hnlf中的信號光功率設(shè)置為5dbm，而泵浦光功率則從22.7dbm變化到26.7dbm。圖7顯示的就是當(dāng)泵浦功率分別為22.7dbm與26.7dbm時的hnlf的輸入與輸出光譜。其中泵浦光波長設(shè)置為1550nm，“cw1”、“cw2”、“cw3”、“cw4”、“cw5”與“cw6”為分別設(shè)置1535nm、1540nm、1545nm、1552.5nm、1557.5nm與1562.5nm處的信號光，而“cw1””、“cw2’”、“cw3’”、“cw4’”、“cw5’”與“cw6’”則代表的是相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后的信號。在圖中通過測量信號轉(zhuǎn)換前后功率差，能夠得出在不同波長處的轉(zhuǎn)換效率。實際測得的轉(zhuǎn)換效率曲線與計算仿真得到的效率曲線已分別以虛線與實線表示在圖8中。由于edfa與光纖色散的原因使得實驗結(jié)果略有出現(xiàn)波動，考慮到實驗中器件接頭等存在的損耗使得測得的ce要略低于理論仿真值，但基本與計算仿真結(jié)果相吻合。實驗與仿真結(jié)果的吻合可以證明在低插入損耗器件的支持下能夠?qū)崿F(xiàn)-3.1db這一更高的轉(zhuǎn)換效率。

3、轉(zhuǎn)換信號性能的測試

為了評估轉(zhuǎn)換信號的性能，用25gb/s的qpsk信號取代之前的連續(xù)光進行了實驗。全光波長轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖9所示。通過圖中的馬赫曾德調(diào)制器(mzm)與任意波形生成器(awg)產(chǎn)生所需的25gb/sqpsk信號。圖中可調(diào)衰減器(voa)與半導(dǎo)體光放大器(soa)用來調(diào)整信號光的光信噪比(osnr)，此外相干接收器(rx)是用來測試信號的誤碼率(ber)、星座圖。

圖10中展示的是波長分別為1535nm、1545nm與1557.5nm的輸入信號(記為btb信號)與其相應(yīng)的轉(zhuǎn)換信號(波長分別在1565nm、1555nm與1542.5nm處)的星座圖。相比之下，兩者呈現(xiàn)出差不多的性能，此外它們的誤差向量幅度(evm)也十分相近(btb信號為7％，轉(zhuǎn)換信號為8％)。

另外，通過調(diào)整voa，改變了信號的osnr，從而在接收端處能夠測量信號的ber。btb信號與轉(zhuǎn)換信號的誤碼率曲線，見圖11。圖中可以看出，由于波長轉(zhuǎn)換造成的功率損耗很小，當(dāng)ber在10^-5級數(shù)時，轉(zhuǎn)換信號的功率損耗能夠達到小于0.5db的水平。

綜上所述，本發(fā)明提出的將150m摻鋁hnlf與100m摻鍺hnlf級聯(lián)在一起來實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的全光波長轉(zhuǎn)換器方案，該方案中無需利用任何提高sbs閾值的泵浦抖動技術(shù)，僅使用商用hnlf就能夠?qū)崿F(xiàn)-8db(理論上可實現(xiàn)-3.1db)的轉(zhuǎn)換效率。此外，在對25gb/s的qpsk信號進行轉(zhuǎn)換后，測得其在10^-5級數(shù)ber時的功率損耗能夠達到小于0.5db的水平。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。