CN103166101A - 基于受激拉曼散射的波长转换器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于受激拉曼散射的波长转换器及方法，其转换器包括第一激光器、第二激光器、合波器和光滤波器，第一激光器上接有调制器，第一激光器通过第一光纤接有掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器通过第一光纤与合波器连接，第二激光器通过第二光纤与合波器连接，合波器通过第三光纤与光滤波器连接；其方法包括步骤：一、选择第一激光器；二、对第一激光器输出的信号光放大形成泵浦信号光；三、选择第二激光器输出连续探测光；四、合波器将泵浦信号光和连续探测光耦合到第三光纤中；五、第三光纤通过受激拉曼散射放大进行波长转换；六、光滤波器滤出探测光。本发明波长转换速率高，调谐带宽宽，能够透明波长转换以及跨波段和可调谐波长转换。

Description

基于受激拉曼散射的波长转换器及方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其是涉及一种基于受激拉曼散射的波长转换器及方法。

背景技术

波分复用技术是高速宽带大容量光纤通信技术首选技术。在波分复用通信系统的光交叉连接节点中，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。由于系统各种因素限制，每根光纤可复用的波长数目有限，因此在光交叉节点处必然会出现这种情况。解决这一问题的有效方法就是采用波长转换技术，将其一个信号波长转换到其他波长，从而避免OXC中的波长阻塞。波长转换器件的另一个重要用途就是实现不同光网络之间的波长匹配，可以把不同厂商、不同时代生产的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，通过波长转换器，可以增强网络重构、网络管理的灵活性、可靠性，配合波分开关可以实现波长路由等功能。

而可调谐全光波长转换器能实现多组不同波长之间的转换，它在全光网中主要有一下优势：（1）可以更有效的重复利用波长，进一步提高波长使用率。（2）可构成动态的波长路由，有利于传输速率的提高。（3）能够减少光网络节点放置波长转换器的数目，有利于降低系统成本。

目前实现波长转换主要有两大方法：

（1）光/电-电/光法，这种方法技术上比较成熟，工作稳定，已经在光纤通信系统中广泛应用，有成熟的商业产品。但其缺点是装置结构复杂，成本随速率和元件数增加，功耗高、可靠性差，这使它在多波长通道系统中的应用受到限制，而且不具备传输码型和速率的透明性，当系统需要升级时，必须更换设备。

（2）全光波长转换法，就是利用某些介质的非线性效应将输入的光信号直接转移到新的波长上，有利于系统升级、扩容。目前全光波长转换器件主要利用的物理效应有：半导体光放大器（SOA）中的交叉增益调制效应、交叉相位调制、四波混频，半导体激光器中的增益饱和效应，半导体材料、铌酸锂晶体、光纤等非线性材料的差频、四波混频效应。但其都存在实施过程复杂，成本较高，转换速度慢，待转换波长有限等缺点，并且网络节点需要对多个波长信道进行波长变换时，要同时设置多个波长转换器，成本大大增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、实现方便、自发噪声低、具有严格的传输透明性的基于受激拉曼散射的波长转换器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于受激拉曼散射的波长转换器，其特征在于：包括用于输出信号光的第一激光器和用于输出连续探测光的第二激光器，以及用于对经放大后的信号光与连续探测光进行耦合的合波器和用于滤出波长转换后的探测光的光滤波器，所述第一激光器上电连接有用于对第一激光器输出光的振幅和相位进行调制的调制器，所述第一激光器的输出端通过第一光纤连接有用于对第一激光器输出的信号光进行功率放大并形成泵浦信号光的掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器的输出端通过第一光纤与所述合波器的第一输入端连接，所述第二激光器的输出端通过第二光纤与所述合波器的第二输入端连接，所述合波器的输出端通过用于通过受激拉曼散射放大过程来进行波长转换的第三光纤与光滤波器连接，所述第二激光器的中心波长λ_i大于所述第一激光器的中心波长λ₁，所述光滤波器的中心波长等于所述第二激光器的中心波长λ_i。

上述的基于受激拉曼散射的波长转换器，其特征在于：所述第二激光器的中心波长λ_i与所述第一激光器的中心波长λ₁满足频移计算公式Δv=(1/λ₁)—(1/λ_i)，其中，Δv为频移量且Δv的取值范围为200cm^-1～500cm^-1。

上述的基于受激拉曼散射的波长转换器，其特征在于：所述第三光纤为高非线性光纤，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内非线性系数范围为10W^-1km^-1～37W^-1km^-1，所述高非线性光纤在波长1550nｍ处的非线性系数为36.2W^-1km^-1，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散值范围为0～0.6ps/（nm·km)，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散斜率范围为-0.2～0.2。

上述的基于受激拉曼散射的波长转换器，其特征在于：所述第二激光器为可调谐激光器，所述光滤波器为可调谐光滤波器，所述第二激光器的调谐范围与所述光滤波器的调谐范围相同。

本发明还提供了一种转换速率高、转换带宽宽、输出信号消光比好、可以实现跨波段转换的基于受激拉曼散射的波长转换方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、首先选择中心波长为λ₁的第一激光器，然后通过调制器对第一激光器输出光的振幅和相位进行调制，使第一激光器输出信号光并经过第一光纤传输给掺铒光纤放大器；

步骤二、通过掺铒光纤放大器对第一激光器输出的信号光进行功率放大形成泵浦信号光，使得所述泵浦信号光的功率达到或超过受激拉曼散射效应的阈值，并将所述泵浦信号光通过第一光纤传输给合波器；

步骤三、根据频移计算公式Δv=(1/λ₁)—(1/λ_i)选择中心波长为λ_i的第二激光器，第二激光器输出连续探测光并经过第二光纤传输给合波器；其中，Δv为频移量且Δv的取值范围为200cm^-1～500cm^-1；

步骤四、通过合波器将第一光纤传输的所述泵浦信号光和第二光纤传输的连续探测光耦合输入到第三光纤中；

步骤五、第三光纤根据公式

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{1i}=P_i(t-z/u)\·e^{-\mathrm{\αz}}\·e^{-G_{1i}},i=2...N\\ G_{1i}=-\frac{k}{{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{MA}}({\tilde{v}}_1-{\tilde{v}}_i)\·P_1(t-z/u)\·\frac{\stackrel{\‾}{v}}{v_1}\·L,i=2...N\\ L=\frac{1-e^{-\mathrm{\αz}}}{\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

并通过受激拉曼散射放大过程进行波长转换，将泵浦信号光上所携带的信息转换到连续探测光上并传输给光滤波器；其中，P_1i为连续探测光在第三光纤中传输时与泵浦信号光相互作用后的光功率，α为光功率在第三光纤中的衰减系数，z为光在第三光纤中传输的距离，t为传输距离z所用的时间，u为光在第三光纤中的群速度，G_1i为第一信道与第i信道之间的增益，P_i(t-z/u)为探测光在第三光纤传输了距离z后的光功率，e为自然对数，λ₁为泵浦信号光的中心波长，M为保偏系数且M的取值范围为1≤M≤2，A为第三光纤的有效作用面积，k为常数且取k=1.80×10^-16m·cm/w，v₁为泵浦信号光的光波频率且

c为光速且c=3.0×10⁸m/s，

为第一信道的波数且

为第i信道的波数且

为第一信道的泵浦信号光的波长与第i信道的连续探测光的波长之间的频移且

的取值范围为0～500cm^-1，

为第一信道的泵浦信号光中的平均光子频率，P₁(t-z/u)为泵浦信号光在第三光纤传输了距离z后的光功率，L为第三光纤的有效作用长度，i为信道数，N为信道总数且为整数；

步骤六、通过光滤波器滤出波长转换后的探测光。

上述的方法，其特征在于：所述

的取值为440cm^-1。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明波长转换器的结构简单，设计合理，实现方便。

2、本发明波长转换器较普通光-电-光波长转换器在波长转换中保留着信号光波的相位和振幅信息，具有严格的传输透明性。

3、本发明波长转换器的实现成本低，造价要比普通光-电-光波长转换器低的多，通过调节可调谐激光器，能够将信号光所携带的信息转换到不同连续探测光上，能够完成可调谐波长转换。

4、本发明在波长转换过程中，波长转换器的自发噪声低，能实现啁啾反转。

5、本发明波长转换方法实现简单，转换速率高，转换带宽宽，输出信号消光比好，而且可以实现跨波段转换。

6、本发明在进行波长转换的同时实现了对待转换波长信号的放大，并且放大倍数可以通过调节泵浦光功率、光纤长度等实现可控。

7、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明设计合理，实现成本低，波长转换速率高，调谐带宽宽，能够实现透明波长转换、跨波段波长转换和可调谐波长转换，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明波长转换器的原理框图。

图2为本发明波长转换方法的方法流程图。

图3为泵浦信号光的光功率示意图。

图4为本发明第二激光器输出的连续探测光的光功率示意图。

图5为进行波长转换后泵浦信号光的光功率示意图。

图6为进行波长转换后探测光的光功率示意图。

附图标记说明:

1—调制器；        2—第一激光器；      3—掺铒光纤放大器；

4-第二激光器；     5-合波器；           6-第三光纤；

7—光滤波器；      8—第一光纤；        9—第二光纤。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的基于受激拉曼散射的波长转换器，包括用于输出信号光的第一激光器2和用于输出连续探测光的第二激光器4，以及用于对经放大后的信号光与连续探测光进行耦合的合波器5和用于滤出波长转换后的探测光的光滤波器7，所述第一激光器2上电连接有用于对第一激光器2输出光的振幅和相位进行调制的调制器1，所述第一激光器2的输出端通过第一光纤8连接有用于对第一激光器2输出的信号光进行功率放大并形成泵浦信号光的掺铒光纤放大器3，所述掺铒光纤放大器3的输出端通过第一光纤8与所述合波器5的第一输入端连接，所述第二激光器4的输出端通过第二光纤9与所述合波器5的第二输入端连接，所述合波器5的输出端通过用于通过受激拉曼散射放大过程来进行波长转换的第三光纤6与光滤波器7连接，所述第二激光器4的中心波长λ_i大于所述第一激光器2的中心波长λ₁，所述光滤波器7的中心波长等于所述第二激光器4的中心波长λ_i。

本实施例中，所述第二激光器4的中心波长λ_i与所述第一激光器2的中心波长λ₁满足频移计算公式Δv=(1/λ₁)—(1/λ_i)，其中，Δv为频移量且Δv为频移量且Δv的取值范围为200cm^-1～500cm^-1，在这个频移范围内能够得到较高的拉曼增益，使波长转换易于发生，不仅能实现相同通信波段内的可调谐全光波长转换，而且能够实现跨通信波段全光波长转换。

本实施例中，所述第三光纤6为高非线性光纤，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内非线性系数范围为10W^-1km^-1～37W^-1km^-1，所述高非线性光纤在波长1550nｍ处的非线性系数为36.2W^-1km^-1，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散值范围为0～0.6ps/（nm·km)，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散斜率范围为-0.2～0.2，该光纤色散近乎平坦，能够有效避免不同光对应群速不同所引起的信号之间的走离，有利于泵浦信号光和连续探测光的同步传输；该光纤的拉曼增益谱连续且宽达40THz。

本实施例中，所述第二激光器4为可调谐激光器，所述光滤波器7为可调谐光滤波器，所述第二激光器4的调谐范围与所述光滤波器7的调谐范围相同；通过调节可调谐激光器，能够将信号光所携带的信息转换到不同连续探测光上，能够完成可调谐波长转换，由于第三光纤6的拉曼增益谱连续且宽达40THz，因此有效调谐范围也很宽且可以达到50nm。

结合图2，本发明所述的基于受激拉曼散射的波长转换方法，包括以下步骤：

步骤一、首先选择中心波长为λ₁的第一激光器2，然后通过调制器1对第一激光器2输出光的振幅和相位进行调制，使第一激光器2输出信号光并经过第一光纤8传输给掺铒光纤放大器3；本实施例中，选择中心波长λ₁=1550nm的第一激光器2；

步骤二、通过掺铒光纤放大器3对第一激光器2输出的信号光进行功率放大形成泵浦信号光，使得所述泵浦信号光的功率达到或超过受激拉曼散射效应的阈值，并将所述泵浦信号光通过第一光纤8传输给合波器5；本实施例中，所述泵浦信号光的光功率示意图如图3所示；图3中，横坐标表示时间t，单位为皮秒p s；纵坐标表示光功率P，单位为瓦特W;“1”码功率为0.5W；

步骤三、根据频移计算公式Δv=(1/λ₁)—(1/λ_i)选择中心波长为λ_i的第二激光器4，第二激光器4输出连续探测光并经过第二光纤9传输给合波器5；其中，Δv为频移量且Δv的取值范围为200cm^-1～500cm^-1；即第二激光器4的中心波长λ_i的取值范围为1599.6nm～1680.2nm；本实施例中，取Δv=440cm^-1，该频移下拉曼增益系数取得最大，波长转换效果达到最优，则选择出的第二激光器4的中心波长λ_i=1663.5nm，第二激光器4输出的连续探测光的光功率示意图如图4所示；图4中，横坐标表示时间t，单位为皮秒p s；纵坐标表示光功率P，单位为瓦特W;第二激光器4输出的连续探测光的光功率为恒定的值1×10^-6W；

步骤四、通过合波器5将第一光纤8传输的所述泵浦信号光和第二光纤9传输的连续探测光耦合输入到第三光纤6中；

步骤五、第三光纤6根据公式

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{1i}=P_i(t-z/u)\·e^{-\mathrm{\αz}}\·e^{-G_{1i}},i=2...N\\ G_{1i}=-\frac{k}{{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{MA}}({\tilde{v}}_1-{\tilde{v}}_i)\·P_1(t-z/u)\·\frac{\stackrel{\‾}{v}}{v_1}\·L,i=2...N\\ L=\frac{1-e^{-\mathrm{\αz}}}{\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

并通过受激拉曼散射放大过程进行波长转换，将泵浦信号光上所携带的信息转换到连续探测光上并传输给光滤波器7；其中，P_1i为连续探测光在第三光纤6中传输时与泵浦信号光相互作用后的光功率，α为光功率在第三光纤6中的衰减系数，z为光在第三光纤6中传输的距离，t为传输距离z所用的时间，u为光在第三光纤6中的群速度，G_1i为第一信道与第i信道之间的增益，P_i(t-z/u)为探测光在第三光纤6传输了距离z后的光功率，e为自然对数，λ₁为泵浦信号光的中心波长，M为保偏系数且M的取值范围为1≤M≤2，A为第三光纤6的有效作用面积，k为常数且取k=1.80×10^-16m·cm/w，v₁为泵浦信号光的光波频率且

c为光速且c=3.0×10⁸m/s，

为第一信道的波数且

为第i信道的波数且

为第一信道的泵浦信号光的波长与第i信道的连续探测光的波长之间的频移且

的取值范围为0～500cm^-1，

为第一信道的泵浦信号光中的平均光子频率，P₁(t-z/u)为泵浦信号光在第三光纤6传输了距离z后的光功率，L为第三光纤6的有效作用长度，i为信道数，N为信道总数且为整数；本实施例中，所述

的取值为440cm^-1，所述L的取值为10km，所述α的取值为0.2dB/km，所述A的取值为5.0×10^-11m²，所述M的取值为2，所述u的取值为2.0×10⁸m/s。由于第三光纤6上传输的泵浦信号光的“1”码有很大功率，达到或超过了受激拉曼散射效应的阈值，与连续探测光进行作用，而泵浦信号光的“0”码不与连续探测光作用或作用很小，这样就把泵浦信号光上携带的信息透明转换到了连续探测光上，泵浦信号光的能量由于受激拉曼散射放大将一部分能量传递给了连续探测光；进行波长转换后泵浦信号光的光功率示意图如图5所示，图5中，横坐标表示时间t，单位为皮秒ps；纵坐标表示光功率P，单位为瓦特W;与图3泵浦信号光的光功率相比，其“1”码功率减小到0.32W左右，“0”码没有改变，这是由于受激拉曼散射效应，其“1”码将一部分能量传递给了连续探测光，“0”码不作用或作用很小；

步骤六、通过光滤波器7滤出波长转换后的探测光；这样得到的探测光也携带了信号光所携带的信息，完成了波长转换。进行波长转换后探测光的光功率示意图如图6所示，图6中，横坐标表示时间t，单位为皮秒p s；纵坐标表示光功率P，单位为瓦特W;与图4第二激光器4输出的连续探测光的光功率相比，其携带了与信号光相同的信息，“1”码功率变为了7×10^-6W，“0”码不变。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于受激拉曼散射的波长转换器，其特征在于：包括用于输出信号光的第一激光器（2）和用于输出连续探测光的第二激光器（4），以及用于对经放大后的信号光与连续探测光进行耦合的合波器（5）和用于滤出波长转换后的探测光的光滤波器（7），所述第一激光器（2）上电连接有用于对第一激光器（2）输出光的振幅和相位进行调制的调制器（1），所述第一激光器（2）的输出端通过第一光纤（8）连接有用于对第一激光器（2）输出的信号光进行功率放大并形成泵浦信号光的掺铒光纤放大器（3），所述掺铒光纤放大器（3）的输出端通过第一光纤（8）与所述合波器（5）的第一输入端连接，所述第二激光器（4）的输出端通过第二光纤（9）与所述合波器（5）的第二输入端连接，所述合波器（5）的输出端通过用于通过受激拉曼散射放大过程来进行波长转换的第三光纤（6）与光滤波器（7）连接，所述第二激光器（4）的中心波长λ_i大于所述第一激光器（2）的中心波长λ₁，所述光滤波器（7）的中心波长等于所述第二激光器（4）的中心波长λ_i。

2.按照权利要求1所述的基于受激拉曼散射的波长转换器，其特征在于：所述第二激光器（4）的中心波长λ_i与所述第一激光器（2）的中心波长λ₁满足频移计算公式Δv=(1/λ₁)—(1/λ_i)，其中，Δv为频移量Δv的取值范围为200cm^-1～500cm^-1。

3.按照权利要求1所述的基于受激拉曼散射的波长转换器，其特征在于：所述第三光纤（6）为高非线性光纤，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内非线性系数范围为10W^-1km^-1～37W^-1km^-1，所述高非线性光纤在波长1550nｍ处的非线性系数为36.2W^-1km^-1，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散值范围为0～0.6ps/(nm·km)，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散斜率范围为-0.2～0.2。

4.按照权利要求1所述的基于受激拉曼散射的波长转换器，其特征在于：所述第二激光器（4）为可调谐激光器，所述光滤波器（7）为可调谐光滤波器，所述第二激光器（4）的调谐范围与所述光滤波器（7）的调谐范围相同。

5.一种利用如权利要求1所述波长转换器的基于受激拉曼散射的波长转换方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、首先选择中心波长为λ₁的第一激光器（2），然后通过调制器（1）对第一激光器（2）输出光的振幅和相位进行调制，使第一激光器（2）输出信号光并经过第一光纤（8）传输给掺铒光纤放大器（3）；

步骤二、通过掺铒光纤放大器（3）对第一激光器（2）输出的信号光进行功率放大形成泵浦信号光，使得所述泵浦信号光的功率达到或超过受激拉曼散射效应的阈值，并将所述泵浦信号光通过第一光纤（8）传输给合波器（5）；

步骤三、根据频移计算公式Δv=(1/λ₁)—(1/λ_i)选择中心波长为λ_i的第二激光器（4），第二激光器（4）输出连续探测光并经过第二光纤（9）传输给合波器（5）；其中，Δv为频移量且Δv的取值范围为200cm^-1～500cm^-1；

步骤四、通过合波器（5）将第一光纤（8）传输的所述泵浦信号光和第二光纤（9）传输的连续探测光耦合输入到第三光纤（6）中；

步骤五、第三光纤（6）根据公式

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{1i}=P_i(t-z/u)\·e^{-\mathrm{\αz}}\·e^{-G_{1i}},i=2...N\\ G_{1i}=-\frac{k}{{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{MA}}({\tilde{v}}_1-{\tilde{v}}_i)\·P_1(t-z/u)\·\frac{\stackrel{\‾}{v}}{v_1}\·L,i=2...N\\ L=\frac{1-e^{-\mathrm{\αz}}}{\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

并通过受激拉曼散射放大过程进行波长转换，将泵浦信号光上所携带的信息转换到连续探测光上并传输给光滤波器（7）；其中，P_1i为连续探测光在第三光纤（6）中传输时与泵浦信号光相互作用后的光功率，α为光功率在第三光纤（6）中的衰减系数，z为光在第三光纤（6）中传输的距离，t为传输距离z所用的时间，u为光在第三光纤（6）中的群速度，G_1i为第一信道与第i信道之间的增益，P_i(t-z/u)为探测光在第三光纤（6）传输了距离z后的光功率，e为自然对数，λ₁为泵浦信号光的中心波长，M为保偏系数且M的取值范围为1≤M≤2，A为第三光纤（6）的有效作用面积，k为常数且取k=1.80×10^-16m·cm/w，v₁为泵浦信号光的光波频率且

c为光速且c=3.0×10⁸m/s，为第一信道的波数且

为第i信道的波数且

为第一信道的泵浦信号光的波长与第i信道的连续探测光的波长之间的频移且

的取值范围为0～500cm^-1，

为第一信道的泵浦信号光中的平均光子频率，P₁(t-z/u)为泵浦信号光在第三光纤（6）传输了距离z后的光功率，L为第三光纤（6）的有效作用长度，i为信道数，N为信道总数且为整数；

步骤六、通过光滤波器（7）滤出波长转换后的探测光。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述

的取值为440cm^-1。

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