全光波轉換技術

目前實現全光波長轉換主要有兩種技術，一是基於光混頻的波長轉換，二是基於半導體光放大器（soa）的波長轉換，這兩種技術均誕生於十年前。前者利用非線性介質實現波長轉換，具有低噪聲、高速率、低損耗等優點，但要求介質具有較高的非線性，並且器件體積較為龐大。相比之下，基於soa的波長轉換器結構緊湊、易於集成，但噪聲較大，並且實現高速運行需要特殊設計。而在soa中實現基於光混頻的波長轉換，可以將這兩種技術有機地結合起來。

全光波長轉換舉例

最近，荷蘭愛因霍芬科技大學的研究人員yong liu和他的同事利用一個soa、一個光纖光柵和兩個級聯光學帶通濾波器實現了速率達320gbit/s的波長轉換。輸入信號光的平均功率約為4mw，可調諧雷射器輸出的連續探測光的平均功率約為2mw。輸入信號光通過交叉增益調製和半導體折射率的變化，調製連續探測光，並且使輸出信號產生波長啁啾。輸出信號通過濾波器提取，濾波器的中心波長相對於連續探測光具有藍移，其目的是將增益恢復時間壓縮至1.8ps。輸出信號最後通過延遲干涉儀恢復為原始信號。 　在今年的cleo會議上，德國柏林heinrich hertz研究院的研究人員bernd huettl和他的同事報導了速率達320gbit/s的波長轉換，輸入信號光和泵浦光波長分別為1546.5nm和1540.5nm，非線性介質為93mm周期極化鈮酸鋰波導。整個波長轉換分為兩個過程：泵浦光倍頻產生二次諧波，二次諧波與信號光差頻產生波長為1534.5nm的輸出信號。該研究小組同時還報導了320gbit/s差分四相移鍵控信號和160gbit/s差分相移鍵控信號的波長轉換。 　在此次cleo會議上，丹麥技術大學研究人員michael galili和他的同事報導了高非線性光纖中基於交叉相位調製的速率達320gbit/s的波長轉換。他們先將1544nm的連續光和1557nm的信號光耦合到非線性光纖的一端，反向傳輸的拉曼泵浦光通過拉曼增益提高波長轉換效率（見圖），信號光通過200m高非線性光纖的功率損失只有0.2db。
圖 提高信號的輸出功率 　高非線性光纖中基於交叉相位調製的速率達320gbit/s的波長轉換，通過拉曼放大提高信號的輸出功率 　huettl 和 galili在今年的ofc 會議上還報導了他們的聯合試驗結果：在1100m長的高非線性光纖中利用四波混頻實現了320gbit/s差分四相移鍵控信號的波長轉換。

全光波長轉換技術的速率需求

對更高網路容量的需求推動著全光波長轉換技術的進步。對於10gbit/s的速率，光-電-光波長轉換技術可以很好地勝任。雖然光-電-光波長轉換器包括接收機和發射機，但技術上的長足的進步，已經使光-電-光波長轉換器不但比複雜的全光波長轉換器具有價格優勢，而且更加簡捷、直觀。 　但對於40gbit/s的速率，光子技術無疑是電子技術最強有力的競爭對手，對於更高速率的光網路，市場開始青睞於光子技術。美國南加州大學的alan willner表示：“對於100gbit/s甚至速率更高的網路而言，利用電子技術實現波長轉換將變得相當困難。” 全光波長轉換則意味著高速率，目前實驗室中的全光波長轉換速率已經達到了驚人的320gbit/s。

全光波長轉換技術的基本原理

全光波長轉換的四種主要機制包括非線性材料中的參量轉換、soa中的參量混頻、soa中的交叉增益調製和交叉相位調製。 　參量波長轉換利用強泵浦光與輸入信號光產生新的波長。在四波混頻中，兩個泵浦光子湮滅，同時產生一個信號光子和一個閒頻光子。三波混頻則以差頻方式產生一個新的波長，然後通過濾波器提取出新的波長（見圖）。
圖 提取出新的波長 　四波混頻波長轉換器利用輸入信號光和連續的泵浦光，通過非線性效應將信號轉換到新的波長，然後利用濾波器將泵浦光和輸入信號光濾掉，從而實現波長轉換。

全光波長轉換技術競爭與前景展望

目前，實驗室中的高速波長轉換技術離實用化還相距甚遠。貝爾實驗室將波長轉換器和雷射器集成在一起，可根據特定需求切換到不同的輸出波長，但轉換速率只有40gbit/s。對於下一代光網路而言，集成性和可調諧性是兩個至關重要的指標。但對於高速運行而言，目前仍然需要在這兩者中加以權衡。 　全光波長轉換器走向實用化還存在許多挑戰。對於下一代高容量光網路，波長轉換將是光交換的一部分，基於波混頻的全光波長轉換在下一代光網路中具有較大的優勢，因為它能夠實現完全透明的波長轉換，這對於高級光交換至關重要。在這些波長轉換技術中，最終誰將勝出，在一定程度上也取決於網路的體系結構。 　波長轉換器件的套用不只局限於光網路。從更廣的視角看，波長轉換器相當於一個信號處理器，能夠輸入、輸出和載入控制信號，就如同真空管時代的電晶體和三極體，因此波長轉換器將具有更廣闊的套用空間。