周慧，曾羽婷，馬天雨

(湖南師范大學 物理與信息科學學院，湖南 長沙，410081)

基于半導體光放大器的雙泵浦結(jié)構(gòu)對NRZ信號波長變換的性能研究

周慧，曾羽婷，馬天雨

(湖南師范大學 物理與信息科學學院，湖南 長沙，410081)

本文基于半導體光放大器中四波混頻效應(yīng)的原理，研究了垂直雙泵浦和平行雙泵浦兩種泵浦結(jié)構(gòu)的全光波長變換，理論分析的結(jié)果表明平行雙泵浦和垂直雙泵浦結(jié)構(gòu)是偏振不敏感的系統(tǒng)。根據(jù)理論分析，采用光通信仿真軟件Optisystem建立了仿真系統(tǒng)。實現(xiàn)了5Gb/s的NRZ信號的偏振不敏感的全光波長變換，仿真結(jié)果驗證了理論分析的結(jié)論。仿真還研究了SOA電流和泵浦光與信號光頻率間距對系統(tǒng)性能的影響，并比較了兩種泵浦結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

光通信技術(shù)；全光波長變換；四波混頻；半導體光放大器

密集型波分復用(DWDM)技術(shù)在光纖通信中的應(yīng)用，使得通信骨干傳送網(wǎng)具有更高的頻譜效率。為了提高波分復用通信網(wǎng)絡(luò)的容量，以及增進網(wǎng)絡(luò)間的信息的交換，需要在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處采用波長變換(WC)技術(shù)，解決波長競爭和網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題，實現(xiàn)靈活的路由選擇。目前商用的波長變換器一般采用光-電-光的方式，即載有信號的波長經(jīng)過光電檢測之后再通過激光器調(diào)制到空閑波上。但當網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量巨大且傳輸速率提高時，光-電-光方式會帶來巨大的能耗并出現(xiàn)電子瓶頸現(xiàn)象。全光波長變換技術(shù)在光域上將一個波長信道的信息轉(zhuǎn)換到空閑的一個或多個波長上完成信號的波長變換，可以解決光-電-光方式的電子瓶頸問題，實現(xiàn)靈活的波長分配和選路，使得網(wǎng)絡(luò)管理更便捷、更智能[1]。

全光波長變換有很多種實現(xiàn)方式，包括利用非線性介質(zhì)如半導體光放大器(SOA)或者高非線性光纖(HNLF)中的交叉相位調(diào)制(XPM)效應(yīng)[2]、交叉增益調(diào)制(XGM)效應(yīng)[3]和四波混頻(FWM)效應(yīng)[4]，利用電吸收調(diào)制器(EAM)中的交叉吸收調(diào)制(XAM)效應(yīng)[5]，利用DFB激光器和法布里-珀羅(Fabry-Perot)激光器中的飽和吸收效應(yīng)[6]，以及利用注入鎖定技術(shù)的半導體激光器的全光波長變換[7]。在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處，波長變換技術(shù)應(yīng)該與數(shù)據(jù)的調(diào)制格式無關(guān)，即需要具有較好的透明性[8-10]，以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的光波保留了信號光的相位和幅度信息是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)嚴格透明的波長變換技術(shù)[11]。當有多個光功率較高的泵浦光時，能實現(xiàn)多播波長變換系統(tǒng)[12-13]。四波混頻過程可以在SOA和高非線性光纖中實現(xiàn)。利用高非線性光纖來實現(xiàn)波長變換，對光功率具有較高的承受能力，但泵浦光的頻率需要非常接近線性器件的零色散點以獲得可觀的變換效率[14]。而利用半導體光放大器中FWM效應(yīng)來進行全光波長變換，對數(shù)據(jù)調(diào)制格式及比特率具有良好的透明性，且結(jié)構(gòu)簡單易于系統(tǒng)集成[4，15]。

本文利用SOA中的FWM效應(yīng)對垂直雙泵浦和平行雙泵浦兩種結(jié)構(gòu)進行了理論研究，并通過仿真實現(xiàn)了5Gb/s NRZ 信號的波長變換，仿真驗證了這兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)均是偏振不敏感系統(tǒng)，這與理論分析一致。仿真研究了影響系統(tǒng)性能的若干參數(shù)，如:SOA電流、泵浦光與信號光頻率間距等,并分析比較了兩種泵浦結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

1 理論分析

圖1所示是基于四波混頻效應(yīng)的波長變換原理圖。兩個泵浦光通過光耦合器耦合起來，利用外部強度調(diào)制器(IM) 將數(shù)據(jù)基帶信號調(diào)制在信號光上，再用光耦合器將調(diào)制了數(shù)據(jù)的信號光和兩個泵浦光耦合，送入SOA中進行四波混頻。根據(jù)四波混頻的原理，混頻的過程可以看成是兩列光波在介質(zhì)中形成拍，調(diào)制自己或第三列波，從而產(chǎn)生新的邊帶[11]。泵浦光和信號光的電場表達式可以寫為:

其中，ki，ωi，φi，分別為光的波矢，角頻率和相位，i=l，2，3分別對應(yīng)于1號泵浦光、2號泵浦光和信號光。調(diào)制了數(shù)據(jù)基帶信號的信號光可以表示為:

其中，s(t)為調(diào)制在信號光上的NRZ信號。

圖1 基于FWM效應(yīng)的全光波長變換原理圖Fig.1 Principle of wavelength conversion based on four wave mixing effect

1.1 基于垂直雙泵浦的NRZ信號波長變換

在垂直泵浦結(jié)構(gòu)中，建立坐標系如圖1(b)所示:令1號泵浦光偏振方向為水平方向(x方向)，2號泵浦光偏振方向為垂直方向(y方向)，信號光偏振方向與x方向夾角為θ。經(jīng)過FWM之后，新產(chǎn)生了頻率為ω1+ω2-ω3的光波，它主要由信號光與1號泵浦光產(chǎn)生拍ω1-ω3調(diào)制2號泵浦光(ω2)和信號光與2號泵浦光產(chǎn)生拍ω2-ω3調(diào)制1號泵浦光(ω1)形成。則新的轉(zhuǎn)換光可以表示為:

(1)

(2)

從式(2)可以看出，新頻率光波的光功率與轉(zhuǎn)換效率系數(shù)r(ω1-ω3)、r(ω2-ω3)和信號光的偏振夾角θ有關(guān)。由于兩個泵浦光間的頻率差不大,因此r(ω1-ω3)≈r(ω2-ω3),此時將信號的功率可近似表示為:

(3)

從式(3)可以看出，新頻率光波的光功率與偏振夾角θ無關(guān)，即垂直雙泵浦的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輸出功率與輸入信號光的偏振態(tài)無關(guān)，是偏振不敏感系統(tǒng)。同時，功率取決于頻率間距r(ω1-ω3)，即當泵浦光與信號光頻率差增大時，光功率將逐漸減小。

1.2 基于平行雙泵浦的NRZ信號波長變換

在平行泵浦結(jié)構(gòu)中，建立坐標系如圖1(c)所示:兩個泵浦光的偏振方向為x方向，信號光與 x 方向的夾角為θ。經(jīng)過FWM之后,產(chǎn)生頻率為ω1-ω2+ω3的光波，它主要由兩個泵浦光產(chǎn)生拍ω1-ω2調(diào)制信號光(ω3)和信號光與2號泵浦光產(chǎn)生拍ω3-ω2調(diào)制1號泵浦光(ω1)形成。則新的轉(zhuǎn)換光可以表示為:

(4)

從式(4)中，A1，A2和 A3分別為1號泵浦光、2號泵浦光以及信號光的幅度。r(ω1-ω2)，r(ω3-ω2)為轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，其大小與頻率差成反比，即泵浦光與信號光的兩頻率差越大，轉(zhuǎn)換效率越低。由于信號光與泵浦光之間的頻率差大于兩個泵浦之間的頻率差，所以r(ω1-ω2)>r(ω3-ω2)。則轉(zhuǎn)換光的功率為:

(5)

從式(5) 可以看出，新頻率光波的光功率與偏振夾角θ無關(guān)，由此可知，平行雙泵浦的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輸出功率與輸入信號光的偏振態(tài)無關(guān)，是偏振不敏感系統(tǒng)。同時，它取決于r(ω1-ω2)，即兩泵浦光頻率差增大時，光功率逐漸減小。

2 仿真及結(jié)果分析

根據(jù)上述的理論分析，利用Optisystem仿真平臺搭建相應(yīng)的仿真系統(tǒng)進行仿真實驗。

2.1 垂直泵浦結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真

垂直雙泵浦結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的仿真中，三個連續(xù)波激光器(CW)分別產(chǎn)生信號光和兩個泵浦光，其頻率分別為193.1THz、193.2THz和193.26THz。信號光和兩個泵浦光的光功率分別是:6dBm、9dBm和9dBm。仿真中的數(shù)據(jù)信號速率為5Gb/s。將1號泵浦和2號泵浦偏振態(tài)設(shè)置為偏振方向互相垂直(分別為90°和0°)，利用外部強度調(diào)制器(IM) 將數(shù)據(jù)信號調(diào)制在信號光上，之后通過光耦合器將兩個泵浦光與調(diào)制了數(shù)據(jù)信號的信號光耦合，送入SOA進行波長變換。仿真中，SOA的工作電流設(shè)置為0.3A。SOA輸入端的信號的光譜如圖2(a)所示。SOA輸出端的信號的光譜圖如圖2(b)所示，轉(zhuǎn)換后的新產(chǎn)生的光波頻率為193.36THz。采用一個中心頻率193.36THz和有效帶寬為10GHz的光濾波器濾波后得到轉(zhuǎn)換光，如圖3(a) 所示。原始信號的眼圖和轉(zhuǎn)換光信號的眼圖如圖3 (b)和(c)所示。

圖2 波長變換前后的光譜圖Fig.2 The optical spectrum before and after wavelength conversion

圖3 轉(zhuǎn)換光的光譜圖及眼圖Fig.3 The optical spectrum and eye diagram of the converted signal

基于垂直雙泵浦仿真系統(tǒng)，下面探討信號光偏振態(tài)、頻率間距和SOA的電流對系統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換的影響。

仿真過程中保持其他參數(shù)不變，改變信號光的偏振夾角，偏振夾角θ為0°、45°和90°時接收到的眼圖如圖4所示。通過觀察眼圖可以看出信號光的不同偏振態(tài)對波長轉(zhuǎn)換的影響并不明顯，由此可知該系統(tǒng)是偏振不敏感的，仿真結(jié)果與理論分析是一致的。

圖4 不同偏振夾角對應(yīng)的眼圖Fig.4 The eye diagram at different polarization angle

仿真過程中保持其他參數(shù)不變，改變SOA的電流，接收得到的眼圖如圖5所示。觀察眼圖可以看到，隨著電流的逐漸增大“眼睛”越來越清晰，但由于SOA的增益飽和效應(yīng)，電流不能無限制增大，SOA電流存在一個最佳值，在該系統(tǒng)中約為0.6A。

圖5 SOA不同電流的系統(tǒng)眼圖Fig.5 The eye diagram at different SOA current

研究信號光和泵浦光的頻率間隔(ω1-ω3)對垂直泵浦結(jié)構(gòu)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的影響。仿真過程中保持其他參數(shù)不變，信號光和泵浦光的頻率間隔分別為0.1THz、0.2THz與0.3THz，接收得到眼圖如圖6所示。通過對眼圖的觀察可以得出結(jié)論:信號光與泵浦光頻率間隔越窄，轉(zhuǎn)換效率越高。

圖6 不同頻率間隔的系統(tǒng)眼圖Fig.6 The eye diagram at different frequency interval

2.2 平行泵浦結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真

平行雙泵浦結(jié)構(gòu)系統(tǒng)仿真中，三個連續(xù)波激光器(CW)分別產(chǎn)生兩個泵浦光和信號光，其頻率分別為193.21THz、193.25THz和193.1THz。信號光和兩個泵浦光的光功率分別是:5dBm、7dBm和7dBm。仿真中的數(shù)據(jù)信號速率為5Gbit/s。將1號泵浦和2號泵浦偏振態(tài)設(shè)置為0°，之后將兩個泵浦光與調(diào)制了數(shù)據(jù)信號的信號光通過光耦合器耦合，送入SOA進行波長變換。仿真中，SOA的工作電流設(shè)置為0.3A。SOA輸入端的信號的光譜如圖7(a)所示。SOA輸出端的信號的光譜圖如圖7(b)所示，轉(zhuǎn)換后的新產(chǎn)生的光波頻率為193.06THz。采用一個中心頻率193.06THz和有效帶寬為10GHz的光濾波器濾波后得到轉(zhuǎn)換光，如圖8(a) 所示。原始信號的眼圖和轉(zhuǎn)換后的眼圖所示為圖8(b)和(c)所示。

圖7 波長變換前后的光譜圖Fig.7 The optical spectrum before and after wavelength conversion

圖8 轉(zhuǎn)換光的光譜圖及眼圖Fig.8 The optical spectrum and eye diagram of the converted signal

基于平行雙泵浦仿真系統(tǒng)，下面探討信號光偏振態(tài)、頻率間距和SOA的電流對系統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換的影響。

仿真過程中保持其他參數(shù)不變，改變信號光的偏振夾角，偏振夾角θ為0°、45°和90°時接收到的眼圖如圖9所示。通過眼圖的觀察可以看出，信號光的不同偏振態(tài)對波長轉(zhuǎn)換的影響并不明顯，由此可知該系統(tǒng)是偏振不敏感的，仿真結(jié)果與理論分析是一致的。

圖9 不同偏振夾角對應(yīng)的眼圖Fig.9 The eye diagram at different polarization angle

仿真過程中保持其他參數(shù)不變，改變SOA的電流，接收得到的眼圖如圖10所示。觀察眼圖可以看到，隨著電流的逐漸增大“眼睛”越來越清晰，但由于SOA增益飽和效應(yīng)，電流不能無限制增大，SOA電流存在一個最佳值，在該系統(tǒng)中約為0.4A。

圖10 不同SOA電流系統(tǒng)的眼圖Fig.1 The eye diagram at different SOA current

最后研究兩個泵浦光的頻率間隔(ω1-ω2)對平行泵浦結(jié)構(gòu)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率影響。仿真過程中保持其他參數(shù)不變，兩泵浦光的頻率間隔分別為0.03THz、0.06THz和0.09THz，接收得到眼圖如圖11所示。通過對眼圖的觀察我們可以得出結(jié)論:兩個泵浦光頻率間隔越窄，轉(zhuǎn)換效率越高。

圖11 不同頻率間隔的系統(tǒng)眼圖Fig.11 The eye diagram at different frequency interval

在仿真中得到垂直泵浦結(jié)構(gòu)和平行泵浦結(jié)構(gòu)波長變換后的光譜圖如圖12(a)和(b)所示。由圖可知在垂直泵浦結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，原信號光的轉(zhuǎn)換效率為-25dB，在平行泵浦結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，原信號光的轉(zhuǎn)換效率為-10dB。結(jié)果表明平行泵浦結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高于垂直泵浦結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。

圖12 波長變換后的光譜圖Fig.12 The optical spectrum after wavelength conversion

3 結(jié)論

本文理論和仿真研究了SOA中基于FWM效應(yīng)的垂直泵浦和平行泵浦對信號的波長變換，研究結(jié)果表明基于這兩種雙泵浦結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)是偏振不敏感的系統(tǒng)。通過仿真實現(xiàn)了5Gbit/s信號的波長變換，分析了SOA電流和泵浦光與信號光之間的頻率間距對波長變換的影響，還分析比較了這兩種波長變換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，結(jié)果表明平行泵浦結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高于垂直泵浦結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。

[1]Nuzman C,Leuthold J,Giles C,et al.Design and implementation of wavelength-flexible network nodes[J].Journal of Lightwave Technology,2003,21(3):648-663.

[2]Mehta P,Healy N,Day T D,et al.Ultrafast wavelength conversion via cross-phase modulation in hydrogenated amorphous silicon optical fibers[J].Optics Express,2012,20(24):26110-26116.

[3]Kapsalis A,Simos H,Syvridis D,et al.Tunable wavelength conversion using cross-gain modulation in a vertically coupled microring laser[J].IEEE Photonics Technology Letters,2009,21(21):1618-1620.

[4]Chen L,Yu J,Lu J,et al.The application of SOA in all-optical wavelength conversion and ROF system.Advances in Optical Amplifiers[M].First published.Croatia:INTECH,2011.

[5]Huo L,Yang Y,Nan Y,et al.A study on the wavelength conversion and all-optical 3R regeneration using cross-absorption modulation in a bulk electro-absorption modulator[J].Journal of Lightwave Technology,2006,24(8):3035-3044.

[6]Watanabe S,Kuwatsuka H,Takeda S,et al.Polarization-insensitive wavelength conversion and phase conjugation using bi-directional forward four-wave mixing in a lasing DFB-LD[J].Electronics Letters,1997,33(4):316-317.

[7]Iannone P P and Prucnal P R.Multinanometer wavelength conversion of 2.5 and 10 Gb/s optical channels in an injection-locked semiconductor laser[J].IEEE Photonics Technology Letters,1994,6(8):988-991.

[8]Zhou H,He J,Dong Z,et al.Theoretical and experimental investigations of wavelength conversion based on FWM for PDM-QPSK signals with digital coherent detection in HNLF[J].Opt.Commun.2014,316(1):161-167.

[9]Surinder Singh.Boost up of four wave mixing signal in semiconductor optical amplifier for 40 Gb/s optical frequency conversion[J].Opt.Commun.2008,281(9):2618-2626.

[10]Lu J,Yu J,Zhou H,et al.Polarization insensitive wavelength conversion based on dual-pump four-wave mixing for polarization multiplexing signal in SOA[J].Opt.Commun.2011,284(22):5364-5371.

[11]Jopson R M and Tench R E.Polarization-independent phase conjugation of lightwave signals[J].Electronics Letters,1993,29(25):2216-2217.

[12]Wang Y,Yu C Y,Luo T,et al.Tunable all-optical wavelength conversion and wavelength multicasting using orthogonal polarized fiber FWM[J].Journal of Lightwave Technology,2005,23(10):3331-3338.

[13]D Wang,TH Cheng,YK Yeo,et al.Optical wavelength multicasting based on four wave mixing in highly nonlinear fiber with reduced polarization sensitivity[J].Optical Fiber Communication,2010,45(02):1-3.

[14]Ma J,Yu J,Yu C,et al.Wavelength conversion based on four-wave mixing in high-nonlinear dispersion shifted fiber using a dual-pump configuration[J].Journal of Lightwave Technology,2006,24(7):2851-2858.

[15]Lacey J P R,Summerfield M A,Madden S J.Tunability of polarization-insensitive wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers[J].Journal of Lightwave Technology,1998,16(12):2419-2427.

Research on all-optical wavelength conversion based on dual-pump for NRZ signal in SOA

ZHOU Hui,ZENG Yuting,MA Tianyu

(College of Physics and Information Science，Hunan Normal University，Changsha 410081，China)

All-optical wavelength conversion for NRZ signal based orthogonal dual-pump and parallel dual-pump four wavelength mixing effect in an semiconductor optical amplifier was theoretically investigated，and the theoretical results show that orthogonal dual-pump and parallel dual-pump are polarization insensitive system.The simulation system was built by means of the Optisystem software based on the theoretical analysis.Polarization insensitive wavelength conversion for 5Gb/s NRZ signal was successfully implemented，simulation results agree well with the theoretical analyses.The effects on the system performance,which was influenced by SOA’s current and frequency spacing between the pump and signal lightwave were also analyzed.

optical communication;all-optical wavelength conversion;four wave mixing (FWM) ;semiconductor optical amplifier (SOA)

1672-7010(2016)04-0038-07

2016-09-09

湖南省自然科學基金資助項目(2016JJ6097)

周慧(1984-)，女，湖南長沙人，講師，博士，從事光纖無線通信技術(shù)、新型調(diào)制格式技術(shù)和全光波長變換技術(shù)等方面的研究； E-mail：zhou_zh_hui@163.com

TN929.9

A