相关专题：
摘要 提出了利用光纤激光器及饱和吸收体进行波长变换的方法，并对其设计和性能进行了介绍，对其优缺点进行了分析，并指出了全光波长变换在全光通信网中的应用前景。
关键词 全光波长变换 增益饱和 饱和吸收体
1、引言
在含有波长变换器的网络中，光通道能在不同的链路上用不同的波长而建立，从而大大提高网络的灵活性，消除光通道的波长冲突。引入波长变换技术，可以实现波长的再利用，更有效地进行路由的选择，降低网络阻塞率，提高WDM网的灵活性和可扩充性。
2、波长转换技术
最初的波长变换器是光/电/光型波长变换器，即光信号经光/电转换成电信号，电信号再调制所需波长的激光器，是目前一种非常成熟的波长变换器，可实现3R(定时、再生、整形)功能，且具有输入动态范围较大、不需光滤波器、对输入偏振不敏感等许多优点，但由于EDFA在光纤通信系统中的大量使用以及光电变换中的电子瓶颈问题，为了尽量保持光层的透明性，避免光/电变换，因此现在主要致力于全光波长变换器的研究。
目前已提出的全光波长变换技术主要有基于半导体光放大器(SOA：semiconductor optical amplifier)的交叉增益(XGM)调制、交叉相位(XPM)调制、四波混频(FWM)效应，基于非线性光学环境(NOLM)，基于光纤中的四波混频(FWM)效应及基于激光器来实现波长变换。其中基于交叉增益(XGM)调制的波长变换技术是目前研究最深入，也是最成熟的技术，利用了SOA的增益饱和效应，实现了信号光和连续激光的反相调制，相关的报道也很多，这里不再赘述。
利用激光器来实现波长变换的方法很多，其中有基于光纤光栅外腔半导体激光(FBG-ECL)的波长变换、基于光纤激光器的波长变换以及基于可饱和吸收体的波长变换。
2.1 基于光纤光栅外腔半导体激光(FBG-ECL)的波长变换
波长变换器的结构如图1所示。即将信号光直接注入到F-P腔激光器中通过增益饱和效应来调节谐振波长的增益大小，将信号光中的码流信息直接调制到探测光中，并使用光纤光栅窄带滤波器实现探测波长高透、单频谐振输出，从而能够实现信号的波长转换，对连续运转激光器进行高速的直接光调制。由图可见外部的信号光经耦合器和环行器2口进入半导体激光器，当外部信号光为“1”时，激光器对其本身激发光的增益下降，所以激光振荡被抑制，输出为“0”；而当外部信号光为“0”时，不影响半导体激光器连续激光输出“1”。这样，信号光的信息就转换到激光器的输出波长上，但是两者反相。由于转换后的”1”与“0”信号分别对应于激光器的振荡与熄灭，所以转换后的信号消光比非常高。另外，采用如图所示的结构将波长变换介质和所需波长的光源合为一体，具有简易性和低成本的优点，而且由于采用光纤光栅外腔激光器，使得输出波长非常稳定，可以获得极低的啁啾。它的缺点是有一定的偏振敏感性。
由于光栅具有选模作用，变换后的波长由光栅的反射波长决定，因此要实现可调谐的波长变换，可以通过改变光纤光栅的反射波长来实现。光纤光栅的反射波长由其周期决定，目前改变其周期的主要方法有温度和应力调谐，其中利用应力调谐的效果要明显好于温度的作用，利用压电陶瓷、磁力的作用、有机物聚合体热胀冷缩的特性、电加热金属外包层拉伸光纤光栅都已经取得了一定的成效。目前已经有采用应力方法使光纤光栅中心波长在100nm范围内连续调谐的实验报道。
2.2 基于光纤激光器的波长变换技术
利用光纤激光器实现波长变换的实验装置如图2所示，其原理仍然是基于激光器的增益饱和效应。图中的EDFA系统是指由掺铒光纤(EDF)及其相关器件如泵浦源、隔离器等组成的，在EDFA的两端加上具有一定反射率的布拉格光栅A和B(两者具有相同的反射带宽)就形成了激光的谐振腔，光栅B反射率一般接近1，高的反射率有利于激光模式的形成，而光栅A反射率较低，一般为50%-70%，振荡所形成的激光即通过光栅A由环行器2-3口输出。滤波器用来滤掉原信号光。
带有强度调制的信号光由环行器1-2口入射到光纤激光器中，当信号光为“1”时，光纤激光器中的反转粒子数被消耗，使其达到增益饱和状态，因此其输出为“0”；信号光为“0”时，则正好相反，因此信号光的信息就转换到激光的输出上，完成了波长变换。
与上面提到的利用光纤光栅外腔半导体激光器来进行波长变换相比，两种方法均是利用了激光器的增益饱和效应来实现波长变换，但是利用光纤激光器来进行波长变换具有一个显著的优点，就是可以实现多个波长对多个波长的变换。即只要在EDFA的增益谱宽(1530-1565nm)范围内的多个信号光可以同时耦合进光纤激光器中，当然对应的光纤光栅必须是具有一定反射带宽的光栅，这样当这多个信号光同时进入光纤激光器中时，通过增益饱和效应就完成了多个信号的波长变换过程，如果再通过调谐光纤光栅的反射波长即光栅的周期，就可以实现多个波长信号同时变换到任意多个波长上的过程。
2.3 基于饱和吸收体的波长变换
利用可饱和吸收体来实现波长变换的实验装置如图3所示。一般由一个普通的激光器在腔内插入一个染料盒构成，染料盒内装有可饱和吸收体，饱和吸收体是具有多量子阱结构的半导体无源器件。其工作原理是当入射功率小于饱和功率时，器件具有较大的吸收系数，而当入射功率大于饱和功率时，器件具有很小的吸收系数，吸收系数可以表示为：
ß=ßo1/(1+I/Is)
ßo：光强趋于零时的吸收系数；Is：饱和吸收体的饱和参量；ß：光强为时的吸收系数。
由上式可以看出，当I>>Is时，ß逐渐趋向于零，即该饱和吸收体对该波长的光变成透明的，这一现象称为漂白。当外部信号光为“O”时，激光器开始泵浦，此时腔内的光强还很弱，所以吸收体对该激光波长的光有强烈的吸收作用，腔内损耗很大，Q值很低，不能形成激光，因此输出为“0”；而当外部信号光为“1”时，迅速将饱和吸收体漂白，使得激光器的Q值跃升，导致激光器输出一个随注入信号强度呈正比变化的光脉冲，从而将注入信号的码流信息复制到激光器的发射波长上。针对此种装置，本实验室已经进行了理论研究，提出了理论分析模型，并且进行了数值模拟分析，结果表明此种波长转换技术具有很好的线性响应。
利用可饱和吸收体来实现波长变换从根本上克服了转换速率低，转换前后码流信息的相位反相等弊端，而且因这种损耗调制的引入能够使谐振模增益积累，信号输出功率较大，同时消光比也可以得到很大提高。
3、结束语
全光波长转换器是解决全光网中波长路由竞争的关键器件，是充分发挥WDM宽带资源的必要手段，对网络的性能起着至关重要的作用。它对于未来高速大容量通信系统实现光互联，光交换，增强网络适应性都有重要的影响。尤其是基于激光器和饱和吸收体的波长变换具有重要的理论研究及实验价值。
