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        高非線性光纖及超寬帶波長轉換器的研究

        2016-10-11 01:29:56游善紅
        光通信研究 2016年2期
        關鍵詞:信號

        吳 迪,張 娜,游善紅

        (蘇州大學a.電子信息學院;b.文正學院,江蘇蘇州 215006)

        高非線性光纖及超寬帶波長轉換器的研究

        吳 迪a,b,張 娜a,游善紅a

        (蘇州大學a.電子信息學院;b.文正學院,江蘇蘇州 215006)

        文章主要利用HNLF(高非線性光纖)實現(xiàn)超寬帶波長轉換。從HNLF出發(fā),簡單介紹了光纖的基本原理和參數(shù),利用光纖的耦合振動方程,推導了FWM(四波混頻)效應進行波長變換的理論依據(jù),并分析了影響波長轉換效率的因素。針對這些因素,利用Optisystem仿真軟件在常規(guī)非線性光纖中進行仿真驗證。通過調整相關參數(shù),在自定義參數(shù)HNLF中實現(xiàn)了較大帶寬和較高效率的波長轉換。

        波長轉換;四波混頻;高非線性光纖

        0 引 言

        隨著光網絡中信息流量的不斷增長,因光頻譜的重疊可能會造成阻塞和串擾。若在網絡核心節(jié)點加入波長轉換器,當發(fā)生波長沖突時將波長轉換成空閑波長,可實現(xiàn)網絡擴容、簡化通信鏈路、節(jié)約頻譜資源和減少干擾。利用光纖的非線性效應能夠實現(xiàn)一定帶寬內的波長轉換。根據(jù)原理光纖的非線性效應可分為XGM(交叉增益調制)、XPM(交叉相位調制)和FWM(四波混頻)等[1]。

        利用FWM效應能夠實現(xiàn)光波信號的完全透明傳輸,轉換速率可達100Gbit/s,而HNLF(高非線性光纖)因非線性度高,能夠有效縮短光纖長度。2001年華中科技大學基于XGM效應實現(xiàn)了波長間隔大于14nm,信噪比大于30dB的波長轉換[2],2008年北京大學同樣基于XGM效應,實現(xiàn)了波長間距60nm、信噪比和消光比均大于10dB的波長轉換[3];而日本的古河光子學實驗室(Fitel Photonics Laboratory)在2009年通過抑制受激布里淵散射獲得了60nm寬的波長轉換[4]。本文主要研究FWM下的波長轉換。

        1 四波混頻原理

        FWM起源于介質的束縛電子對電磁場的非線性響應[5]。由于二階極化率通常為零,因此極化強度P展開到三階時可以表示為

        式中,E為電場強度;ε0為真空介電常數(shù);χ(j)為第j階極化率(通常是j+1階張量)。χ(1)對P有主要的貢獻,χ(2)在大多數(shù)分子對稱的介質中都為零,因此一般光纖中的非線性最低是由三階極化率導致的[6]。PL為P的線性分量,是帶χ(1)的部分;PNL為P的非線性分量,是帶χ(3)的部分。若假設存在4束角頻率為ωi(i=1,2,3,4)的線偏振光沿同一x軸傳播,則非線性部分可表示為

        由此,對于θ-,若發(fā)生相位匹配,即ω1+ω2-ω3-ω4=0,則會產生新的頻率ω4=ω1+ω2-ω3。如果將ω1與ω2簡并,則有ω4=2ω1-ω3。一般情況下,我們將ω1和ω2作為泵浦光,ω3作為信號光,則ω4即為我們需要的轉換光。

        由上述分析可知,只有當相位失配幾乎為零時才會發(fā)生明顯的FWM。即必須滿足。利用波動方程解耦合振動方程,可得4個頻率的振幅[6-7]:

        式中,Pi=|Ai(0)|2即為泵浦光的入射功率;γ為非線性系數(shù)(由于4束光波長差并不大,因此取4束光的平均非線性系數(shù));有效相位失配κ=Δβ+γ(P1+P2);ai和bi是由邊界條件確定的常數(shù);參量增益g取決于泵浦功率,定義為

        由此,可由轉換光和信號光的功率比求得轉換效率

        2 HNLF下的全光波長轉換

        目前全光波長轉換按泵浦分類有三種方式:單泵浦、平行雙泵浦和垂直雙泵浦。下面通過Optisystem仿真軟件來對上述理論推導進行驗證。仿真所使用的光纖長度L=1km,零色散波長λ0=1 550nm,衰減α=0.5dB/km,色散D=1ps/(nm·km),色散斜率S=0.019ps/(nm2·km),有效面積Aeff= 2.6μm2,非線性折射率n2=2.6×10-20m2/W,非線性系數(shù)γ=4.05W-1/km。3種方式進行FWM的光路如圖1所示[8]。

        圖1 3種FWM方案

        2.1單泵浦情況

        固定信號光功率,分別對功率為3、9和11dBm 的1 550nm泵浦進行仿真,可以發(fā)現(xiàn)隨著泵浦功率的提升,轉換光功率能夠呈平方倍地提升。再固定泵浦光功率,將泵浦波長偏離零色散波長1 550nm,則轉換效率會逐漸降低。最后固定泵浦功率、波長以及信號功率,仿真表明,單泵浦情況下的波長轉換器是偏振敏感的,因為對于功率和波長都相同的信號光,隨著其偏振態(tài)的變化,對應的轉換光功率會發(fā)生顯著的變化,而當信號光與泵浦光偏振正交時,轉換光的功率趨向于0,即轉換效率無窮小,這一結果顯然是在實際應用中不愿意看到的。

        在各條仿真曲線中,9dBm的泵浦光產生了大約4nm長的平坦轉換帶寬,如圖2所示。這與實驗中的帶寬比較接近,對理論分析有一定的驗證,但在實際應用中無法滿足多信道同時轉換的工作要求,只能應用在較為簡單、信道數(shù)比較少的場合。

        圖2 單泵浦波長轉換結果

        2.2平行雙泵浦情況

        對于相位失配參數(shù),引入兩個泵浦的參數(shù)。定義兩個泵浦之間的角頻距離ωd=(ωp-ωq)/2,兩個泵浦的中心頻率ωm=(ωp+ωq)/2,由此可得

        即轉換光失配程度與兩泵浦的間距和中心位置都有關系。由此,通過控制ωd同樣可以控制相位失配,然后由此來補償非線性相位失配γ(P1+P2),從而使有效相位失配κ在寬頻譜范圍內保持近似為零。

        在仿真時,分別控制各變量,當僅泵浦功率發(fā)生變化時,其變化規(guī)律與簡并時的結論一致;當控制兩泵浦間距不變,改變泵浦的中心波長時,若中心頻率接近零色散波長,則能夠得到一條較寬的平坦帶寬,隨著中心頻率偏離零色散波長,轉換效率和平坦程度明顯降低;而控制中心波長不變,拉開兩泵浦的距離可以發(fā)現(xiàn),當信號光與泵浦光較接近時,轉換光的功率會有一個明顯的提升,然后在零色散波長附近有一個極小值。雖然隨著泵浦之間距離的拉開,能夠得到相對平坦的帶寬在增大,但是轉換光功率在不斷下降。在偏振態(tài)上,平行泵浦對一定范圍內的信號的偏振態(tài)基本不敏感,因此可應用于高速偏振復用的傳輸系統(tǒng)。

        由上述分析可知,平行泵浦情況下的轉換光功率較單泵浦情況下有了一定的提高,但依然存在一些問題。在平行雙泵浦下,我們能得到大約10nm的平坦轉換帶寬,如圖3所示。

        圖3 平行雙泵浦波長轉換結果

        2.3垂直雙泵浦情況

        由于兩泵浦偏振態(tài)正交,引入瓊斯矢量分析[8]。經過理論推導得到信號光和轉換光的振幅分別為

        這里,θ為表征橢圓率的量,即當橢圓偏振成為圓偏振(θ=45°)時,參量增益達到最大。

        垂直雙泵浦情況下的相關結論與平行雙泵浦基本一致。垂直雙泵浦條件下雙泵浦間的轉換光功率比平行雙泵浦的要小。但是在另一方面,垂直泵浦能夠獲得比平行泵浦更好的平坦帶寬。最主要的是,垂直泵浦能夠很好地克服信號光偏振態(tài)的變化而引起的轉換效率的改變,這是單泵浦無法做到的。最終,在間距為1nm、中心波長(兩個泵浦的平均頻率所對應的波長)為1 550nm的垂直雙泵浦下,我們得到了波長范圍1 513~1 530nm內約17nm的平坦轉換帶寬,如圖4所示。

        圖4 垂直雙泵浦波長轉換結果

        3 超寬帶波長轉換器的研究

        在上面的分析中,我們大致得到了轉換功率與泵浦功率、泵浦中心波長和泵浦間距的關系。接下來我們對不同非線性程度的光纖進行仿真。由于γ=2πn2/λAeff,其中n2是較難改變的,對纖芯是二氧化硅的材料n2=2.6×10-20m2/W。而通過調整纖芯半徑a或參數(shù)V就可以調整Aeff。因此在1 550nm處附近,若Aeff在1~100μm2范圍內變化,則γ會在100~1W-1/km范圍內反比例變化[5]。可見,通過改變Aeff,就能獲得HNLF。

        通過仿真發(fā)現(xiàn),隨著光纖非線性程度的增加,轉換光的功率在逐漸增加到一個峰值后又有一定的回落。由于在推導時忽略了XPM與SPM(自相位調制),且從參考文獻[5]、[8]和[9]來看,SBS(受激布里淵散射)的閾值會隨著模場面積的減小而減小,因此在縮小Aeff時,能量部分轉移到了SBS上。在上面的仿真中,當γ達到30W-1/km時,轉換平坦帶寬約為15nm(1 527~1 542nm),轉換功率在-35dBm左右。

        而對β3進行分析可以發(fā)現(xiàn),β3的大小對轉換的功率影響不大。β3在0~15ps2/km范圍內時,轉換光的功率大致都在-40dBm附近。但不同取值的β3對穩(wěn)定轉換功率非常不同,帶寬平坦度隨著β3先升后降,在γ=25W-1/km時,若β3在5ps2/km附近,則轉換光平坦度和平坦帶寬最令人滿意。

        經過多次調整,以表1中參數(shù)設計了一條自定義參數(shù)的光纖,并進行了仿真。當信號光波長在1 510~1 540nm范圍內時,可以得到-27dBm± 2dBm的平坦轉換,帶寬約為30nm,如圖5所示。

        表1 自定義光纖參數(shù)

        圖5 自定義參數(shù)光纖波長轉換結果

        4 結束語

        本文分析了單泵浦、平行雙泵浦和垂直雙泵浦情況下的FWM效果,并且著重分析了泵浦的功率、間距、中心頻率以及信號的偏振態(tài)對轉換光的影響,得出以下結論:第一,轉換效率與泵浦的功率的平方成正比,但當泵浦功率超過一定閾值后,其他非線性效應將使轉換效率快速衰落;第二,當泵浦的中心頻率接近光纖零色散波長時,轉換效率最高,而隨著中心頻率的偏離,轉換效率逐漸降低;第三,泵浦的間距越大,則轉換帶寬越大,但轉換效率會降低;第四,單泵浦對信號的偏振非常敏感,平行泵浦與垂直泵浦可實現(xiàn)對信號的偏振不敏感轉換。最后,我們在理論上仿真得到了帶寬范圍約30nm的-27dB的超寬帶平坦轉換。

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        Research on HNLF and Broadband Wavelength Converter

        WU Dia,b,ZHANG Naa,YOU Shan-honga
        (a.School of Electronic and Information Engineering; b.Wenzheng College,Soochow University,Suzhou 215006,China)

        In this paper,we use a High Non-Linear Fiber(HNLF)to achieve broadband wavelength conversion.We first introduce the basic principles and parameters of HNLF,and then derive the theory of wavelength conversion based on Four-Wave Mixing(FWM).Finally,the factors which may have influences on the conversion efficiency are analyzed.The simulations are conducted in the software Optisystem.After optimization of several parameters,we demonstrate a broadband and high-efficiency converter based on HNLF.

        wavelength converter;FWM;HNLF

        TN915

        A

        1005-8788(2016)02-0007-04

        10.13756/j.gtxyj.2016.02.003

        2015-11-19

        吳迪(1992-),男,江蘇南京人。碩士研究生,主要研究方向為光纖通信、數(shù)字圖像處理。

        游善紅,副教授。E-mail:shyou@suda.edu.cn

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