Wellenlänge
1 WELLENLÄNGENKONVERTER
In WDM-Systemen (Wavelength Division Multiplexed) können Daten auf verschiedenen Wellenlängenkanälen codiert und durch das System propagiert werden. WDM-Netzwerke können auf höhere Raten und eine größere Anzahl von Benutzern skaliert werden, indem Wellenlängen in separaten Teilen des Netzwerks wiederverwendet werden (Alexander et al., 1993). Ob Wellenlängenwandler die Kapazität eines Netzwerks erhöhen oder nicht, hängt von der Topologie und der geografischen Ausdehnung des Netzwerks ab (Kaminow et al., 1996). Für Wide Area Networks und Mesh-Topologien sagen Modelle bescheidene Vorteile voraus, wenn Wellenlängenkonverter eingesetzt werden (Barry und Humblet. 1996; Ramaswami und Sivarajan, 1996). Obwohl ihre potenziellen Vorteile aus architektonischer Sicht unklar sind, war die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Wellenlängenkonvertern ein aktives Forschungsgebiet.
Die Funktion eines Wellenlängenkonverters besteht darin, ein optisches Datensignal bei einer Wellenlänge zu nehmen und es in eine andere Wellenlänge zu übersetzen, während die Integrität des ursprünglichen Signals erhalten bleibt. Idealerweise wird diese Funktion in einer Weise ausgeführt, die für die Bitrate und das Modulationsformat des Originalsignals transparent oder unempfindlich ist. Optoelektronische Techniken, bei denen das optische Datensignal elektronisch erfasst, gefiltert und verstärkt und dann zur Modulation von Licht mit einer anderen Wellenlänge verwendet wird, sind durch die optoelektronische Umwandlung in ihrer Geschwindigkeit begrenzt. Alle optischen Techniken, die auf Kreuzverstärkungsmodulation, Kreuzphasenmodulation und FWM basieren, sind vielversprechender.
Von diesen drei Techniken ist die Cross-Gain-Modulation (XGM) die einfachste. Bei dieser Technik breitet sich ein intensitätsmoduliertes Signal, das als Pumpe bezeichnet wird, durch eine SOA aus und verringert die Verstärkung. Die induzierten Verstärkungsschwankungen werden einem zweiten Eingang der SOA, einem cw-Strahl mit einer anderen Wellenlänge, der als Sonde bezeichnet wird, aufgeprägt (Koga et al., 1988; Glance et al., 1992; Joergensen et al., 1993). In diesem Fall sind die wellenlängenkonvertierten Daten das Komplement des ursprünglichen Datensignals. Die komplementären Daten können auch auf mehreren cw-Sondenstrahlen gleichzeitig codiert sein (Wiesenfeld und Glance, 1992). Während die Wellenlängenumwandlung sowohl in kürzere als auch in längere Wellenlängen nachgewiesen wurde (Wiesenfeld et al., 1993; Joergensen et al., 1993), ist das Extinktionsverhältnis von Signalen, die in kürzere Wellenlängen umgewandelt wurden, immer besser, da sich die Verstärkung infolge von Bandfüllungseffekten asymmetrisch komprimiert (Wiesenfeld, 1996). Da die Technik auf Verstärkungsmodulation beruht, müssen mit zunehmender optischer Datenrate Schritte unternommen werden, um die Lebensdauer der Träger im oberen Zustand in der SOA zu verringern, damit die Trägerdichtemodulation dem Pumpsignal folgen kann. Wie zuvor diskutiert, kann die Lebensdauer des oberen Zustands in Gegenwart eines intensiven optischen Haltestrahls verringert werden (Manning und Davies, 1994; Patrick und Manning, 1994). In vielen XGM-Demonstrationen wird der Sondenstrahl selbst als optischer Haltestrahl verwendet (Mikkelsen et al, 1993; Wiesenfeld et al, 1993; Wiesenfeld et al, 1994a).
Das notwendige Vorhandensein eines intensiven optischen Haltestrahls verringert die stationäre Verstärkung der SOA und verringert das Extinktionsverhältnis des wellenlängenkonvertierten Signals. Mit zunehmender optischer Datenrate wird daher die Wellenlängenkonversion durch XGM durch ein verringertes Extinktionsverhältnis und durch Intersymbolinterferenz aufgrund der endlichen Trägerlebensdauer behindert. Dennoch wurde eine Umwandlung mit Datenraten von bis zu 20 Gb / s nachgewiesen (Wiesenfeld et al., 1994a). Ein weiterer Nachteil dieser Technik besteht darin, dass bei hohen Eingangsleistungen und großen Verstärkungsreduzierungen signifikante Phasenänderungen mit den Verstärkungsänderungen einhergehen. Diese Phasenänderungen können dem optischen Datenstrom einen Chirp verleihen und die Signalübertragungsdistanz begrenzen. Beachten Sie auch, dass diese Technik nur auf amplitudenmodulierte Signale anwendbar ist. Dennoch ist die Wellenlängenumwandlung durch XGM eine nützliche Technik, da sie nur mäßige Eingangsleistungen erfordert und eine polarisationsunempfindliche Technik sein kann, wenn die Verstärkung der SOA polarisationsunempfindlich ist. Wenn sich Pumpe und Sonde in entgegengesetzte Richtungen durch die SOA ausbreiten, ist kein Filter oder Polarisator erforderlich, um die Pumpen- und Sondenstrahlen am SOA-Ausgang zu trennen. Schließlich wurde diese Technik unter Verwendung von Halbleiterlasern anstelle von SOAs demonstriert (Ottolenghi et al., 1993; Braagaard et al., 1994). Die Verwendung von Lasern erfordert höhere Eingangsleistungen und ergibt eine geringere Flexibilität im Bereich der konvertierten Wellenlängen.
Kreuzphasenmodulation (XPM) kann auch verwendet werden, um eine Wellenlängenumwandlung zu erreichen. Bei dieser Technik komprimiert die Pumpe die Verstärkung und ändert den Brechungsindex des Halbleiterverstärkers. Ein Sondenstrahl, der sich durch die SOA ausbreitet, erhält eine variable Phasenverschiebung, abhängig davon, ob die Pumpe vorhanden ist oder nicht. Wenn die SOA in einem Arm eines Interferometers platziert wird, kann die induzierte Phasenänderung oder Phasenmodulation in eine Intensitätsmodulation umgewandelt werden (Mikkelsen et al, 1994; Durhuus et al, 1994). Es gibt einige Vorteile der Erzielung der Wellenlängenumwandlung durch XPM eher als durch XGM. Ein Vorteil besteht darin, dass das Interferometer je nach Anfangsphasenvorspannung sowohl für einen „invertierenden“ als auch für einen „nichtinvertierenden“ Betrieb konfiguriert werden kann. Der invertierende Betrieb erzeugt wie XGM eine komplementäre Kopie des Eingangssignals bei der konvertierten Wellenlänge, während der nichtinvertierende Betrieb den ursprünglichen Datenstrom genau beibehält. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sehr hohe Extinktionsverhältnisse im Interferometer realisiert werden können (Wiesenfeld, 1996) und gegenpropagierende Pump- und Sondenstrahlen verwendet werden können, um die Notwendigkeit eines Filters oder Polarisators am Ausgang des Konverters zu eliminieren. Auch ist die Wellenlängenabhängigkeit der Phasenänderung schwächer als die der Verstärkungsänderung (Fig. 15), so dass die Umwandlung in kürzere und längere Wellenlängen gleichmäßiger ist. Außerdem hängt das Vorzeichen des dem wellenlängenkonvertierten Signal verliehenen Chirps davon ab, ob das Interferometer als invertierender oder nichtinvertierender Wellenlängenkonverter vorgespannt ist. Für den nichtinvertierenden Betrieb bewirkt der Chirp, der dem konvertierten Signal verliehen wird, eine Pulskompression in Standard-Lichtwellenleitern, so dass in Übertragungsexperimenten keine Dispersionsstrafen beobachtet werden (Ratovelomanana et al, 1995; Idler et al, 1995). Die mit der XPM-Technik verbundenen Nachteile sind das interferometrische Design der Vorrichtung, die hohe Empfindlichkeit der Geräteleistung gegenüber Änderungen der Eingangsparameter wie Leistungspegel, Polarisation und Wellenlänge sowie die Tatsache, dass nur amplitudenmodulierte Signale umgewandelt werden können. Dennoch wurde die Wellenlängenumwandlung mit Raten von bis zu 40 Gb / s in integrierten interferometrischen Konvertern unter Verwendung von Brechungsindex-Nichtlinearitäten in SOAs nachgewiesen (Danielsen et al., 1996).
FWM ist die einzige rein optische Wellenlängenkonversionstechnik, die unabhängig vom Datenmodulationsformat ist (Vahala et al., 1996). Neben amplitudenmodulierten Signalen wandelt es analoge Signale und phasenmodulierte Signale um, aber die Phasenmodulation ist invertiert, da der wellenlängenkonvertierte Strom das Phasenkonjugat des Eingangs ist. Es sei daran erinnert, dass die Phasenkonjugation des wellenlängenkonvertierten Strahls das „Rückgängigmachen“ von transmissionsinduzierten spektralen Verzerrungen in Midspan-Spektruminversionsschemata ermöglicht (Tatham et al., 1994). Im Vergleich zu XGM und XPM wurde FWM jedoch weniger als praktikable Wellenlängenkonversionstechnik für Systemanwendungen in Betracht gezogen. Ein Grund ist, dass es kompliziert ist, die Technik polarisationsunempfindlich zu machen (Jopson und Tench, 1993). Außerdem ist eine Art Filterung am Ausgang des FWM-Geräts erforderlich, um die Pumpen-, Sonden- und Konjugatstrahlen zu trennen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Konversionseffizienz stark wellenlängenabhängig ist (Fig. 30), sowie asymmetrisch (Zhou et al, 1993). Neuere Experimente haben jedoch rauscharme Wellenlängenumwandlungseffizienzen von 0 dB für Wellenlängenverschiebungen von mehr als 5 nm gezeigt (Girardin et al., 1997). Zusätzlich zu diesen Ergebnissen wurde die FWM-Wellenlängenkonversion von Datenströmen mit einer Rate von 10 Gb / s demonstriert (Ludwig und Raybon, 1994; Lee et al., 1997).