TW594109B - Wavelength converter with wideband four-wave-mixing - Google Patents

Description

594109 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於波長轉換裝置的技術領域，尤指一種寬 頻四波混合波長轉換裝置。 5 【先前技術】 光纖網路經過多年的研究發展，以分時多工 (Time-division Multiplexing，TDM)方式的光纖網路技術最 為成熟，因為分時多工的方法是傳統電信公司電路交換的 $ 基本技術。這種分時多工的光纖網路主要有兩種規格，一 10 是美規的 Synchronous Optical Network(SONET)，另一個是 歐規與日規的 Synchronous Digital Hierarchy (SDH)。最近 光纖網路架構加入了分波多工（Waveiength Division Multiplexing，WDM)的技術，其以波長為單位，讓一條光 纖中有多個頻道（波長）同時傳輸，使得頻寬大幅提升。 15 使用分波多工（WDM)的傳輸方式需使用一波長轉換 裝置以將信號光轉換至一傳輸波長之傳輸光後，再予以傳 ，。分波多工（WDM)波長轉換裝置在光網路應用中的要求 籲 是必須能夠有高轉換效率和寬頻轉換波長範圍。此處，轉 換效率意指轉換後訊號能量除以轉換前之訊號能量。而利 用半V體光放大器以產生多波混合的波長轉換裝置在進行 波長轉換時，訊號光以及泵浦光會同時打入半導體光放大 為進仃多波混合’以產生-轉換後的光，其具有與訊號光 相同内容。而該轉換後的光之光功率大小即為轉換效率。 轉換效率會隨著半導體光放大器之飽和光功率以及放大器 6 :益θ加而上升。然而當信號光與轉換後的傳輸光之波 長差距增大時，該轉換效率則快速降低。 為解決轉換效率則快速降低的問題，於1998年七月 的 IEEE Photon. Technol· Lett 期刊的第 952一954 頁中，提 5出一種使用長半導體光放大器的方法，由於使用較長的半 ;體光放大裔具有較多的光載子，故可增強其轉換效率及 訊號背景比（signal Background Rati〇，猶）。但是，此 種方法由於需使用較長的半導體光放大器，會使產生之放 大自發輻射（amplified spontaneous emission，ASE)雜訊變 10大’同時该較長的半導體光放大器亦較花費成本，且當信 號光與轉換後的傳輸光波長差距增大時，該轉換效率亦會 快速降低。 而於 1998 年十月的 ieee Photon· Technol. Lett 期刊 的第1404-1406頁中，提出一種使用使用二道平行泵浦光 15的方法。其中，該二道平行泵浦光的波長差係固定。不論 該二道平行泵浦光的光柵（grating)如何產生，其分佈會落於 相同的轉換波長區段，因此該轉換後的光訊號可被極化， 且與輸入訊號光無關。但是，此種方法由於需使用二道平 行泵浦光’當二道平行泵浦光的波長差增加時，轉換效率 20 亦會快速降低。 於 1999 年八月的 ieEE Photon. Technol. Lett 期刊的 第11卷第982-984頁中，提出一種半導體光放大器以產生 四波混合的波長轉換裝置，其使用二道極化互相垂直的泵 浦光，以達到80nm的波長轉換距離。然而該半導體光放 594109 大器需使用相當大的偏壓電流（約2〇〇mA)，此會此會引起 熱效應（thermal effect)，並減低該半導體光放大器的使用 命中而放大自發幸昌射（amplified spontaneous emission， ASE)雜訊亦會變大。同時，其轉換效率亦約—15 dB，訊號 背景比（SBR)約一22 dB，亦非可接受之值。由是可知， 習知波長轉換技術仍有諸多缺失而有予以改進之必要。 【發明内容】 本發明之目的係在提供一種使用正交泵浦光以及輔 10 助光之寬頻四波混合波長轉換裝置，以避免習知技術轉換 效率低料問冑，同時，避免習知技術由於採用大的偏壓 電流所造成半導體光放大器的使用壽命降低的問題。 15 依據本發明之一特色，係提出一種寬頻四波混合波長 轉換裝置’其主要包含一調變雷射光源、一光調變器、一 第二極化控制器、一第一可調式雷射、一第二可調式雷射、 -第二極化控制器、一光耦合器、一半導體光放大器、一 第二可凋式雷射及一多工器。該調變雷射光源係作為光載 波以承載-輸人之電氣訊號；該光調變器具有第—輸入端 經由一光纖耦合至該調變雷射光源，及第二輸入端接收該 輸入電氣汛唬，以將該輸入電氣訊號調變至該調變雷射光 源，俾產生-訊號光；該第_極化控制器係經由一光纖搞 合至该光調變器之輸出端，以控制該訊號光的極化；該第 -可調式雷射係用來產生一第一波長的泵浦光；該第二可 調式雷射係用來產生一第二波長的泵浦光；該第二極化控 20 594109 制器，係經由一光纖耦合至該第二可調式雷射，以控制該 第二泵浦光的極化；該光耦合器係用來將該訊號光、第一 泵浦光及第二泵浦光耦合在一光纖中；該半導體光放大器 經由一光纖搞合至該光耗合器，利用其三階非線性特性^ 5產生四波混和（FWM)之轉換後的光；該第三可調式雷射用 來產生一第三波長的辅助光；以及，該多工器具有第一輸 入端經由一光纖耦合至該半導體光放大器之輸出，及第二 輸入端經由一光纖耦合至該第三可調式雷射，以將不同: 長的輔助光及轉換後的光結合注入到一輸出光纖中。 10 由於本發明設計新穎，能提供產業上利用，且確有增 進功效，故依法申請發明專利。 【實施方式】 為使貝審查委員此進一步瞭解本發明之結構、特徵 15及其目的，茲附以較佳具體實施例之詳細說明如后： 圖1係本發明一種寬頻四波混合波長轉換裝置之方塊 圖，其主要包含一調變雷射光源21〇、一光調變器22〇、一 第一極化控制器230、一第一可調式雷射240、一第二可調 式雷射250、一第二極化控制器26〇、一光耦合器27〇、一光 20阻絕器280、一半導體光放大器29〇、一第三可調式雷射 300、一多工器31〇及一光濾波器32〇。其中，該調變雷射光 源210係較佳地為一分佈迴授雷射二極體（Distdbuted Feedback Laser Diode，DFB_LD)，用以產生一線寬狹窄而 594109 其他的肩高值（sidelobe)很小的雷射光源，俾作為光載波來 承載一輸入之電氣訊號。 該光調變器220具有第一輸入端經由一光纖麵合至該 调雷射光源210 ’及第二輸入端接收該輸入電氣訊號，以 5將該輸入電氣訊號調變至該調變雷射光源，俾產生一訊號 光。該光調變器220可分為外調式和直調式光調變器，一般 外調式光調變器產生的訊號特性較佳。但在四波混合波長 (Four-Wave Mixing，FWM)轉換裝置中，對調變格式是具 有完全的通透性，故該光調變器22〇只要是一般的光調變器 10 即可。 該第一極化控制器23〇係經由一光纖耦合至該光調變 器220之輸出jr而，以控制該訊號光的極化。該第一可調式雷 射240係用來產生一第一波長的泵浦光，以決定所要的轉換 波長間距，藉以保證達到高轉換效率。該第二可調式雷射 15 250係用來產生一第二波長的泵浦光，以決定所要轉換的波 長。其中，該第一極化控制器230係控制訊號光的極化與該 第一泵浦光的極化為相互平行，以達到最大轉換效率。而 該第一可調式雷射240係調整該第一泵浦光之波長，使該調 變雷射光源與該第一泵浦光的波長差為一足夠小的值（例 20 如小於2nm)。 該第二極化控制器260係經由一光纖耦合至該第二可 β周式射2 5 〇 ’以控制该第二泵浦光的極化。該第二極化控 制器係拴制第二泵浦光的極化，使該第二泵浦光與該第一 594109 泵浦光的極化為相互垂直，因此第二泵浦光不會去影響轉 換後訊號的能量。 該光耦合器270係用來將該訊號光、第一泵浦光及第 二泵浦光耦合在一光纖书，如此方能將該訊號光、第一泵 5浦光及第二泵浦光的三道光同時打入該半導體光放大器 290(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)中，俾得到最 佳的轉換效果。 該光阻絕器280經由一光纖耦合至該光耦合器270之 輸出端。由於每種光元件多少都會反射傳遞進來的光，所 10有會有少部分的光往回打。所以在該光耦合器270之後增加 該光阻絕器280，以限制光往單方向傳輸，而避免反射光傷 害到先前的光元件，可保護如第一可調式雷射24〇和第二可 調式雷射250不受到損傷。 該第三可調式雷射300係用來產生一第三波長的辅助 15光’其中該輔助光的波長為14xxnm(1400nm〜1480nm)。該 輔助光係採性能較佳之逆向打入該半導體光放大器29〇，但 亦可順向打入。該半導體光放大器290的四波混和（pwM) 之轉換效率係正比於一非飽和增益G〇的三次方及一飽和 功率的平方[Ps]2,其中Ps可視為該半導體光放大器29〇的飽 20和密度（saturation intensity)。該半導體光放大器290的飽和 密度係與該半導體光放大器290的光載子（carrier)之生命週 期（lifetime)成反比，故加速該半導體光放大器29〇的光載子 的復甦律（recovery rate)可增進該該半導體光放大器29〇的 四波混和（FWM)之轉換效率。而打入該辅助光至該該半導 11 594109 體光放大器290中，可增加該半導體光放大器29〇的光載子 的復甦律（recovery rate)，從而達到增進該該半導體光放大 器290的四波混和（FWM)之轉換效率。 該半導體光放大器290係經由一光纖耦合至該光阻絕 5器280之輸出端，利用其三階非線性特性以產生四波混和 (FWM)之轉換後的光，其中四波係指該輔助光、訊號光、 第一泵浦光及第二泵浦光。轉換後的光之頻率| 〇s- ω」，而轉換後的光場強度（〇pticalfield)為

Ec = E2{Ex · Es )γ(ω5 - ωχ )exp[z(tyc/ + Δφ)] + EsiErE2V(^2 ~)expt+ ΔΦ)] ⑴ 10 其中，col、002、cos、coc、El、E2、Es 及 Ec係分別為第一 泵浦光、第二泵浦光、訊號光、及轉換後訊號光的頻率及 光％強度（0口1^。31：^61(1)，/\(1) = (|)3-〇1+(|)2，（^)§、（^)1及 Φ2係分別為訊號光、第一泵浦光及第二泵浦光的相位， γ(Α - ωΐ)係一複數耦合係數（c〇mplex c〇upling 15 coefficient) 〇 邊半導體光放大器290 —般用來當光放大器使用，但 因為其二階非線性特性很明顯，所以在本實施例中當成非 線性媒介，利用其非線性特性，以產生四波混和（FWM)之 轉換的光。在其他的非線性元件中亦可使用四波混和 20 (FWM)以產生轉換光，但一方面因為該半導體光放大器29〇 的非線性最強’另外一方面輔助光在該半導體光放大器29〇 中對光載子的復楚律（recovery rate)之幫助最明顯，所以使 用該半導體光放大器290進行四波混和（FWM)。 12 594109 由於該半導體光放大器290的三階非線性特性很明 顯’故使用該半導體光放大器290進行四波混和（fwm)時， 其轉換後的光場強度（optical field)會為該辅助光、訊號 光、第一泵浦光及第二泵浦光之光場強度的函數。但由於 5其他的交互關係之項目會被該光濾波器320對轉換後的光 進 <亍渡波時過據掉’故未在式（1)中詳列。於式（1)中的第二 項尽(X ·方2>(必21)exp[/(印+ ΔΦ)]，因為該第一泵浦光及第二泵 浦光的極化為相互垂直，故（6.4) = 0，而使得式（丨）中的第 一項θ為〇而僅邊存苐一項五2(£\ [如〆+ Δφ)]。由 10於該訊號光的極化與該第一泵浦光的極化為相互平行，所 以以為最大值，故波長轉換後的訊號的功率會最大。 该多工器310具有第一輸入端經由一光纖搞合至該半 導體光放大器290之輸出，及第二輸入端經由一光纖耦合至 該第三可調式雷射3 〇 〇，以將不同波長的輔助光及轉換後的 15光結合注入到一輸出光纖中。因為該輔助光波長落在 14xxnm波段’而訊號光光波長落在15χχηηι波段，故使用一 寬頻可容許14xxnm和15xxnm之多工器。現今光通訊訊號所 使用之波段為S波段（ 1 485- 1 525nm)和C波段 ( 1 525〜1 5 65nm)以及更高之l波段（ 1 565nm〜）。所 20以，輔助光位在< 1 4 8 5 n m之短波長，並不會影響原 本光通訊訊號之傳輸。 邊光慮波器320對轉換後的光進行濾波。圖2係為該輔 助光、第一泵浦光、第二泵浦光及訊號光之頻率，及轉換 後之頻率示意圖。由於只需要該轉換後的光，該光濾波器 594109 320可為一可调整遽波器，例如Fabry —per〇t tunable filter，以讓頻率為％之轉換後的光通過。由於（％_叫)保 持不變，因ω c = ω 2 ± | ω s 一 ω丨|，％則可隨所需之 轉換頻率礼而調整，因此可以達到在很大的轉換波 5段内得到最佳的轉換效率（c〇nversi〇n Efficiency，CE) 〇 圖4係该半導體光放大器290使用一輔助光及沒有使 用辅助光時之轉換效率（CE)及訊號背景比（signal t〇 background ratio，SBR)之比較圖，該半導體光放大器29〇 10偏壓電流為對辅助光之透明電流，亦即加入辅助光時會增 加半導體光放大器之飽和光功率，但卻不會影響其增益。。 由圖中所示可知，有使用輔助光的轉換效率（CE)及訊號 背景比（SBR)較沒有使用輔助光時轉換效率（ce)及訊 號背景比（SBR)分別高出6.5dB及3·5(1Β。圖5係該半導體 15光放大器290偏壓電流為高電流值，接近臨界時的情形，其 中使用辅助光時轉換效率（CE)可達_5dB，而訊號背景 比（SBR)可達 _3〇dB。 20

回6係该半導體光放大器29〇偏壓電流與轉換效 (CE)之關係圖。其中有使用輔助光的轉換效率 及訊號背景比（SBR)在不同的偏壓電流下，均較沒有 用辅助光時轉換效率(CE)及訊號背景比（sbr)為高 上圖7係顯示位元錯誤率⑽_Err〇r ，咖）的比4 f »亥半導體光放大器29〇偏遂電流為高電流值 值’該訊號光㈣向下及向上轉換很大的範圍，例如25_ 14 594109 8可明顯顯示’在相同的位元錯誤率（酿)時，有使用 辅助光遠較沒有使用輔助光需要較少的功率。亦即，由於 有使用輔助光’相同的功率下，可得較佳的位元錯誤率 BER)。圖8同時顯示，當向上轉換很大的範圍時，例如2細 5時，如沒有使用輔助光，將無法達到ΙΟ·1。的位元錯誤率 (BER) 〇 由上述說明可知，由於本發明係使用一道輔助光以提 升半導體光放大器的增益回復速度，進而提升半導體光放 大器的飽和光功率。而且當半導體光放大器操作在對此輔 ❿ 10助光之透明電流時，此輔助光將不會影響半導體光放大器 之乓盈。故本發明利用此輔助光來提升轉換後新的光之光 功率，亦即提升波長轉換裝置之轉換效率（CE)，進而可提 升訊號背景比（SBR)。 於本貫施例中各元件及相關之參數值說明如下：調變 15雷射光源210的波長為1555_75nm，光調變器220為一

LiNb〇3光調變器，而光耦合器270則採用兩個2x1光耦合器 所組成’或採用一個3x1光柄合器。圖3係以上述實驗值實 鲁 施本發明，該第一泵浦光（P1)、第二泵浦光（P2)、訊號光（Ps) 及轉換後光（Converted Signal)之功率頻譜圖。其中，該訊 20號光（Ps)之波長為i555.75nm，該第一泵浦光（Pi)之波長為 1554.95nm(即 1555.75nm-0.8nm)，而該轉換後光（Converted

Signal)之波長為該第二泵浦光（P2)之波長再減少〇.8nm。而 輔助光之波長為1480nm，其對此半導體光放大器之透明電 流量測結果為100mA。 15 594109 絲上所陳’本發明無論就目的、手段及功效，在在均 顯不其迥異於習知技術之特徵，實為一極具實用價值之發 j、懇明 貝審查委員明察，早曰賜准專利，俾嘉惠社會， 貫感仏便。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於 5 5兒明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專 利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。 【圖式簡單說明】 圖1 ·係本發明—種寬頻四波混合波長轉換裝置之方塊圖。籲 10圖2係本發明该輔助光、第一泵浦光、第二泵浦光及訊號 光之頻率及轉換後之頻率示意圖。 圖3 ·係本發明第一泵浦光（P1)、第二泵浦光（p2)、訊號光 (Ps)及轉換後光（Converted Signal)之功率頻譜圖。 圖4 :係該半導體光放大器290使用一辅助光及沒有使用輔 15助光時之轉換效率（CE)及訊號背景比（signal. t〇 background ratio，SBR)之比較圖。 圖5 :係該半導體光放大器29〇偏壓電流為2〇〇mA時的情 修 形，其中使用輔助光時轉換效率（CE)可達-5dB，而訊號背 景比（SBR)可達_30dB。 20圖6 ·係該半導體光放大器29〇偏壓電流與轉換效率（CE)之 關係圖。 圖7 ·係顯示位元錯誤率（Bit_ErrorRate，BER)的比較圖。 16 594109 【圖號說明】 調變雷射光源 210 第一極化控制器 230 第二可調式雷射 250 光柄合器 270 半導體光放大器 290 多工器 310 光調變器 220 第一可調式雷射 240 第二極化控制器 260 光阻絕器 280 第三可調式雷射 300 光濾波器 320

騫 17

Claims (1)

1. 5 拾、申請專利範圍·· 1 · ~種寬頻四波混合波長轉換裝置，其主要包含： —碉變雷射光源，係作為光載波以承載一輸入之電氣 訊號； ^ 光調變器，具有一第一輸入端經由一光纖耦合至該 調變帝^ . 每射光源，及一第二輸入端接收該輸入之電氣訊號， μ輸入之電氣訊號調變至該調變雷射光源，俾產生一 訊號光； 1〇 •—第一極化控制器，係經由一光纖耦合至該光調變器 之輪出端，以控制該訊號光的極化； -第-可調式雷射，係用來產生一第一波長的泵浦 光’以決定所要轉換的間距； 、，-s二可調式雷射，係帛來產生―第二波長的泵浦 光’以決定所要轉換的波長； 15 -第二極化控制器’係經由—光纖輕合至該第二可調 式雷射，以控制該第二泵浦光的極化； -光搞合器’係用來將該訊號光、第一泵浦光及第二 果浦光合在 光纖中； 光纖耦合至該光耦合 波混和（FWM)之轉換 一半導體光放大器，係經由一 器’利用其二階非線性特性以產生四 後的光； 一第三可調式雷射 光；以及 係用來產生~ 第三波長的辅助 20 594109 一夕工裔，具有第一輸入端經由一光纖耦合至該半導 體，放大器之輸出，及第二輸入端經由一光纖柄合至該第 三可調式雷射，以將不同波長的辅助光及轉換後的光結合 注入到一輸出光纖中。 5 2·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其更包含一光 阻絕器，其係輕合在該光耦合器及半導體光放大器之間， 以限制光往單方向傳輸。 3·如申凊專利範圍第1項所述之裝置，其更包含一光 /慮波器’以對轉換後的光進行濾波。 10币4·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該調變 雷射光源為一分佈迴授雷射二極體（DFB-LD)。 5·如申請專利範圍第丨項所述之裝置，其中，於該光 調變器LiNb03光調變器。 6 ·如申％專利範圍第1項所述之裝置，其中，該第一 15極化控制器係控制訊號光的極化與該第-泵浦光的極化為 相互平行。 · 7·如申請專利範圍第丨項所述之裝置，其中，該第二 極化控制器係控制第二泵浦光的極化與該第一系浦光的: 化為相互垂直。 “ 8，·如申明專利範圍第1項所述之裝置，其中，該調變 雷射光源波長為該半導體光放大器之頻寬内之波長。 9.如申請專利範圍第丨項所述之其中 光波長為半導體光放大器之頻寬外之波長。 19 5 •如申睛專利範圍第9項所述之裝置，其中，該波 長係一短波長。 /、 11.如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該多工 σ系寬頻為可容許14xxnm和15xxnm的光通過之多工器。 ^ 12·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該調變 雷射光源與該第一果浦光的波長差為一小於2nm的值。 13.如申請專利範圍第1項所述之裴置，其中，該第二 =:^雷射所產生的第二泵浦光之波長，係調整至一預定 10 如申請專利範圍第丨項所述之裝置，其中，該訊號 ' ^第泵浦光、與該第二泵浦光藉由該光耦合器同時 打入該半導體光放大器。 15 一 I5·如申請專利範圍第1項所述之裝置，苴中，該第 ^可調，雷射係產生-辅助光，與該訊號光、該第^浦 ^ ^ °亥第一泵浦光二道光同時打入該半導體光放大器。 16.如申請專利範圍第15項所 II助光係—短波長之光。 ϋ J違 、言17·如申請專利範圍第丨項所述之裴置，其中，該 20 :導體光放大器所產生之轉換訊號光’係藉由‘ 濾波器濾出。 尤 =如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中該辅助 九以逆向打入該半導體光放大器。 20