王瑜浩 武保劍 郭飚 文峰 邱昆

(電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院, 光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 611731)

隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的快速增加, 波分復(fù)用系統(tǒng)的容量已接近非線性香農(nóng)極限.為了適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展, 空分復(fù)用技術(shù)引起了越來(lái)越多的關(guān)注.本文首次提出基于少模非線性光纖環(huán)形鏡(FM-NOLM)的脈沖幅度調(diào)制(PAM)全光再生器, 描述了其工作原理和具體設(shè)計(jì)過(guò)程.采用COMSOL軟件對(duì)組成FM-NOLM的硫化物高非線性光纖進(jìn)行了模式特性仿真.以LP01, LP11, LP21三個(gè)光纖模式為例, 確定了再生器的參數(shù), 計(jì)算出每個(gè)模式的功率轉(zhuǎn)移函數(shù)曲線.仿真分析了該少模PAM-4全光再生器的噪聲抑制(NRR)性能, 并與單模情形進(jìn)行了比較.研究表明, 1)對(duì)于每個(gè)空間模式的PAM信號(hào), 所有再生電平具有一致的功率轉(zhuǎn)移性能;2)當(dāng)輸入信噪比(SNR)約大于20 dB時(shí), 三種模式的噪聲抑制比均可超過(guò)3 dB, 并隨著輸入信噪比線性增加, 其斜率約為1.2; 3)在相同輸入SNR條件下, 三種模式的噪聲抑制比相差不大, 不超過(guò)1.1 dB.為了說(shuō)明再生器的再生性能, 當(dāng)輸入SNR為25 dB時(shí), 我們還給出了再生前后PAM-4信號(hào)的功率分布直方圖.與現(xiàn)有的再生方案相比, 本文方案的均勻多電平再生轉(zhuǎn)移性能, 使其更適合高頻譜效率的長(zhǎng)距空分復(fù)用系統(tǒng)和任意電平數(shù)的PAM信號(hào)再生.此外, 該方案也能夠擴(kuò)展到波長(zhǎng)域, 有效提高光通信系統(tǒng)的傳輸容量.

1 引 言

近年來(lái), 網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求量大幅度增加, 波分復(fù)用系統(tǒng)可以傳輸?shù)娜萘恳呀?jīng)達(dá)到香農(nóng)極限.為了適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展, 空分復(fù)用技術(shù)受到人們的關(guān)注.模分復(fù)用作為空分復(fù)用的一種, 早在1982年就已提出[1], 當(dāng)時(shí)由于模間色散、模式耦合和差分模式群時(shí)延等問(wèn)題還難以解決, 模分復(fù)用的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài).近些年來(lái), 隨著光纖制造工藝和DSP算法的成熟, 模分復(fù)用技術(shù)重新進(jìn)入了人們的視野.目前, 文獻(xiàn)[2]采用支持12個(gè)模式的少模光纖實(shí)現(xiàn)了 6.1 Tbits/s 信號(hào)的 708 km 傳輸; 文獻(xiàn)[3]采用每芯10個(gè)模式的12芯少模多芯光纖(FM-MCF)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100個(gè)信道數(shù)的空分復(fù)用傳輸.模式耦合[4]和模間非線性[5]成為制約少模光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)牧踊蛩? 人們可以利用DSP算法在電域?qū)δＪ今詈虾头蔷€性[6,7]進(jìn)行補(bǔ)償或采用光相位共軛器(OPC)在光域補(bǔ)償非線性[8].另一方面, 為了增加少模光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離, 少摸摻鉺光纖放大器(FM-EDFA)[9]必不可少,但對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)還會(huì)引入自發(fā)輻射噪聲(ASE).為了降低或抑制上述劣化因素的影響,可針對(duì)少模光纖通信系統(tǒng)研制相應(yīng)的全光再生技術(shù).

就全光再生技術(shù)而言, 1998年Mamyshev[10]提出利用光纖自相位調(diào)制(SPM)的頻譜展寬效應(yīng)實(shí)現(xiàn)OOK信號(hào)的全光幅度再生, 后來(lái)人們利用四波混頻(FWM)效應(yīng)也實(shí)現(xiàn)了相位調(diào)制信號(hào)的再生[11,12].隨著超高速、大容量光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用,多波長(zhǎng)和高階調(diào)制信號(hào)的再生成為研究重點(diǎn)[13].近幾年, 我們?cè)谶@兩個(gè)方面也開(kāi)展了相應(yīng)研究, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示了8個(gè)波長(zhǎng)的OOK信號(hào)的同時(shí)再生[14,15],并提出了基于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)的多電平幅度再生方案[16]和基于共軛NOLM的相位保持多電平幅度再生方案[17]等.目前為止, 現(xiàn)有的全光再生方案能夠支持的幅度再生電平數(shù)大都為4個(gè)左右, 主要是受限于各個(gè)再生電平功率轉(zhuǎn)移函數(shù)的非一致性[16], 即信號(hào)的高低電平具有不同的再生能力.總之, 人們對(duì)單模光纖系統(tǒng)中的全光再生技術(shù)已經(jīng)做了大量研究, 而針對(duì)多?；蛏倌９饫w系統(tǒng)的全光再生技術(shù)尚未見(jiàn)報(bào)道.

本文提出一種基于少模非線性光纖環(huán)形鏡的全光PAM再生器方案, 能夠?qū)Σ煌Ｊ絇AM信號(hào)的各個(gè)電平進(jìn)行相同的幅度再生.這種方案的關(guān)鍵在于, 采用少模非線性光纖組成NOLM結(jié)構(gòu),并通過(guò)調(diào)節(jié)輔助光功率的方式使再生器工作在不同模式.論文按如下方式組織: 第2部分描述少模PAM再生器的結(jié)構(gòu), 理論分析工作原理; 第3部分給出再生器的設(shè)計(jì)步驟, 包括1)采用COMSOL軟件對(duì)硫化物高非線性光纖和多模耦合器的模式特性進(jìn)行仿真; 2)以 LP01, LP11, LP21三個(gè)光纖模式的PAM-4信號(hào)再生為例, 確定再生器的參數(shù);3)計(jì)算再生器的噪聲抑制比; 第4部分給出結(jié)論.

2 少模PAM再生器結(jié)構(gòu)與原理

本文提出的少模光纖PAM再生器結(jié)構(gòu)如圖1所示, 主要由少模光纖放大器、FM-NOLM單元以及輔助光路三部分組成, 可實(shí)現(xiàn)任意模式PAM信號(hào)的全光再生.少模光纖PAM再生器可作為延長(zhǎng)光信號(hào)傳輸距離的線路中繼器, 也可以用于接收端提高光接收機(jī)靈敏度.作為線路中繼時(shí), 少模光纖PAM再生器類似于光波分復(fù)用中交換節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建方式, 首先模式解復(fù)用器將少模光纖中各個(gè)模式解復(fù)用, 所得信號(hào)為劣化的PAM信號(hào); 然后經(jīng)過(guò)單通道的少模光放大器放大(無(wú)需考慮多通道情形下差模增益的限制)后由少模光纖耦合器耦合進(jìn)入 FM-NOLM結(jié)構(gòu), 再生的 PAM信號(hào)由 FMNOLM的透射端口輸出, 并通過(guò)模式復(fù)用器將它們復(fù)用在一起, 繼續(xù)在少模光纖中傳輸.這種少模光纖PAM再生器具有三個(gè)特點(diǎn): 一是采用高非線性少模光纖組成非線性光環(huán)形鏡(FM-NOLM)結(jié)構(gòu); 二是待整形的劣化PAM信號(hào)與連續(xù)輔助光具有相同的模式且偏振正交, 可采用模式轉(zhuǎn)換器或注入鎖定多模激光器獲得與劣化PAM信號(hào)相同空間模式的連續(xù)輔助光[18,19].調(diào)節(jié)信號(hào)光與輔助光偏振態(tài)之間的夾角, 通過(guò)監(jiān)測(cè)光環(huán)形鏡反射端(圖1中Reflection端口)的功率變化可確定信號(hào)光與輔助光偏振正交[20,21].針對(duì)信號(hào)在光纖的傳輸過(guò)程中偏振態(tài)隨機(jī)變化的實(shí)際應(yīng)用, 可聯(lián)合自動(dòng)反饋偏振控制器增強(qiáng)信號(hào)光和輔助光偏振正交的穩(wěn)定性; 三是利用非線性光環(huán)形鏡中的模內(nèi)交叉相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)PAM再生, 通過(guò)調(diào)節(jié)少模光纖放大器增益可使各個(gè)模式的功率轉(zhuǎn)移曲線與輸入信號(hào)匹配.

對(duì)于單模情形下, 我們研究組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)類似結(jié)構(gòu)的PAM再生器[20].本文提出的基于FM-NOLM的少模PAM再生器與單模PAM再生器相比有以下不同: 1)為了解決普通少模光纖非線性系數(shù)小的問(wèn)題, 采用硫化物少模高非線性光纖構(gòu)建FM-NOLM;2) FM-NOLM結(jié)構(gòu)用到了可商用的多模光纖耦合器多模光纖隔離器.信號(hào)模式不同多模光纖耦合器的耦合系數(shù)也不一樣.

圖1 少模 PAM 再生器原理圖Fig.1.Schematic diagram of a few-mode PAM regenerator.

對(duì)于任意給定的LP模式, 水平 x 偏振的劣化PAM信號(hào)與垂直 y 偏振的連續(xù)輔助光在FMNOLM結(jié)構(gòu)中發(fā)生模內(nèi)自相位調(diào)制(intra-mode SPM)和模內(nèi)交叉相位調(diào)制(intra-mode XPM)[22].根據(jù)圖1, 在忽略器件插入損耗情形下, 水平和垂直兩個(gè)偏振光路的光功率轉(zhuǎn)移函數(shù)分別為:

式中 Pin,i和 Gi分別為模式 i 的輸入功率和少模光放大器增益, ρ1,i和 ρ2,i為耦合器 1和 2在不同模式下 的 耦 合 效 率 ; L 為 非 線 性 光 纖 長(zhǎng) 度 , Ri=10?αdB,iL/10為模式的幅度衰減因子, α dB,i 為損耗系數(shù); ? ?i=2γiPin,iLeff,iGi(1? ρ2,i)/3 為兩個(gè)偏振光路的相位差, γi為不同模式下的非線性系數(shù),Leff,i=[1?exp(?αdB,iL)]/αdB,i為光纖的有效長(zhǎng)度.

兩路偏振光合成的總輸出功率為

令 ?Pi=3π/γiLeff,iGi(1?ρ2,i), 并對(duì)輸入信號(hào)功率 Pin,i、輸出信號(hào)光功率 Pout,i進(jìn)行歸一化, 即式中Riρ2,i(1? ρ1,i)Gi為線性增益.由(2)式可得歸一化功率轉(zhuǎn)移函數(shù)為

由(3)式可知, 歸一化輸出功率 pout,i是關(guān)于歸一化輸入功率 pin,i線性函數(shù)和余弦函數(shù)之和.要實(shí)現(xiàn)PAM信號(hào)再生, 全光再生器的工作點(diǎn)應(yīng)滿足如下條件[23]:

此時(shí)有Py,i=3/[4γiLeff,iρ1,i(1?ρ2,i)], pin,i=m?1/4(m為正整數(shù)), 對(duì)應(yīng)的輸入工作點(diǎn)為=3π(m? 1/4)/[γiLeff,iGi(1? ρ2,i)].顯然, 針對(duì)不同模式的PAM信號(hào)再生, 需要同時(shí)調(diào)節(jié)輔助光的功率 Py,i和相應(yīng)再生器的工作點(diǎn), 才能使PAM信號(hào)達(dá)到良好的再生效果.

下面采用非線性系數(shù)較高的硫化少模光纖來(lái)構(gòu)成FM-NOLM結(jié)構(gòu), 然后優(yōu)化設(shè)計(jì)少模再生器的其他參數(shù), 并仿真計(jì)算再生器性能.

3 FM-NOLM再生器的設(shè)計(jì)與性能仿真

3.1 基于硫化物少模光纖的NOLM結(jié)構(gòu)參數(shù)

石英光纖的非線性系數(shù)很小, 如果要獲得高性能的再生效應(yīng)必須采用超長(zhǎng)光纖.硫化物光纖具有紅外透過(guò)譜寬、非線性系數(shù)大等顯著優(yōu)點(diǎn)[24], 可以大大減小再生器中光纖的長(zhǎng)度.本文采用COMSOL軟件仿真硫化物少模光纖來(lái)構(gòu)建FM-NOLM, 并對(duì)少模PAM再生器進(jìn)行設(shè)計(jì), 所用光纖纖芯/包層半徑為 8/62.5 μm, 纖芯/包層折射率為 1.4457/1.4378, 損耗系數(shù)為0.21 d B/km , 非線性折射率為4.2 × 10–18m2/W, 所用光纖長(zhǎng)度 200 m.表1 和表2給出了 LP01, LP11, LP21三種模式 (分別對(duì)應(yīng)于i=1,2,3)的仿真結(jié)果, 其中模場(chǎng)有效面積由計(jì)算, 進(jìn)而可計(jì)算各模式在1550 nm波長(zhǎng)的非線性系數(shù) γi=2πn2/λAeff,i.連接光纖采用多模石英光纖, 不同材料光纖之間的連接關(guān)鍵在于模場(chǎng)匹配, 通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)光纖結(jié)構(gòu)可提高模場(chǎng)匹配程度, 減小連接器的插入損耗.

表1 高非線性硫化物光纖參數(shù)Table 1.The highly nonlinear As-Se chalcogenide glass fiber’s parameters.

表2 FM-NOLM 再生器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2.The parameters ofFM-NOLM Regenerator.

多模光纖耦合器的模式耦合效率也與導(dǎo)波光模場(chǎng)分布密切相關(guān)[13].對(duì)稱光纖耦合器的耦合效率為 ρi=sin2(κil) , 其中耦合系數(shù)[25]

3.2 少模PAM全光再生器的功率轉(zhuǎn)移曲線(PTF)

下面以PAM-4全光再生器的設(shè)計(jì)為例, 計(jì)算少模PAM全光再生器的PTF曲線.設(shè)再生器的工作波長(zhǎng)為1550 nm, 輸入的不同模式PAM信號(hào)有相同的信號(hào)性能, 輸入的PAM-8信號(hào)的電平間隔 為 ? P=0.3W , 其 工 作點(diǎn)電平 為 0.225, 0.525,0.825, 1.125 W, 即 Pin=?P(0.75+i) , 其中 (i =0, 1, 2, 3).對(duì)于每個(gè)模式的輸入信號(hào)特性相同的情形, 為了使再生器工作點(diǎn)與輸入信號(hào)電平對(duì)準(zhǔn),需要同時(shí)優(yōu)化設(shè)置輔助光功率 Py,i和再生器中光放大器增益 Gi, 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果列于表2中.通過(guò)改變FM-EDFA泵浦功率或在其輸入端增加可調(diào)光衰減器的方式調(diào)節(jié)再生器中光放大器的增益.當(dāng)再生器工作在上述最佳參數(shù)下, 所得到的PTF曲線如圖2所示, 它們的歸一化輸出功率差異源于非線性系數(shù)及耦合效率的模式依賴性.由圖2可明顯看出, 每個(gè)模式的PTF曲線均可保持一致的可再生特性, 這種一致的可再生特性主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面: 1)轉(zhuǎn)移曲線具有多個(gè)平坦的臺(tái)階, 即各電平的再生性能及可再生范圍均相同; 2)可再生電平之間具有相等的間隔, 即相鄰工作點(diǎn)之間的電平間隔保持不變.

圖2 再生器輸入輸出功率轉(zhuǎn)移曲線Fig.2.The regenerator’sinput and output power transfer function (PTF) curve.

3.3 少模PAM全光再生器的性能

為了說(shuō)明少模PAM再生器的性能, 用噪聲抑制比(NRR)參數(shù)來(lái)表征再生器的整形性能.噪聲抑制比定義為[12]

下面, 通過(guò)在輸入PAM信號(hào)的幅度上疊加零均值的高斯白噪聲來(lái)模擬信號(hào)的劣化, 即輸入信噪比[26]S NRin=其中為高斯白噪聲的歸一化輸入功率.仿真中采用3.1節(jié)給出的FMNOLM參數(shù), 輸入PAM-4信號(hào)的工作點(diǎn)電平為0.225, 0.525, 0.825, 1.125 W.圖3(a)和圖3(b)分別給出了LP01, LP11, LP21三個(gè)模式的NRR再生性能隨歸一化輸入噪聲功率和輸入信噪比SNRin的變化曲線.由圖3(a)可知, LP01模式的NRR性能與我們的單模NOLM再生器理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)[20]基本類似, 存在的差異源于再生器結(jié)構(gòu)取值參數(shù)的不同, 保證了本文仿真過(guò)程的可靠性.

圖3 LP01, LP11, LP21三 個(gè) 模 式 的 NRR 再 生 性 能 隨(a)歸一化輸入噪聲功率 和(b)輸入信噪比 S NRin 的變化曲線Fig.3.The NRR regeneration performance of LP01, LP11,and LP21 with (a) normalized input noise power (b) input signal-to-noise ratio.

在我們的單模全光PAM再生器實(shí)驗(yàn)中, 實(shí)際輸入信號(hào)的信噪比可達(dá)到24.8 dB, 對(duì)應(yīng)的歸一化輸入噪聲為–25.3 dB.因此, 我們可關(guān)注一下 S NRin=25 dB 時(shí)的再生性能, 由圖3(b)可知, LP01, LP11,LP21三種模式的 NRR 分別為 10.4, 9.3, 10.0 dB,其中 LP11模式的 NRR 略低些.此時(shí), LP01, LP11,LP21三種模式再生前后的噪聲分布如圖4所示,相比于圖4中輸入噪聲分布, 三種模式再生后的噪聲明顯得到抑制, 如圖4(a)—圖4(c)所示.在其他輸入SNR條件下也可以進(jìn)行類似分析.

圖4 LP01, LP11, LP21 再生前后電平功率分布直方圖(a) LP01; (b) LP11; (c) LP21Fig.4.The each level power histogram before and after regeneration of LP01, LP11 and LP21: (a) LP01; (b) LP11;(c) LP21.

由圖3可以看出, FM-PAM再生性能隨著輸入SNR的變化分為三個(gè)區(qū)域: 1)當(dāng)輸入SNR小于 15 dB 時(shí), LP01, LP11, LP21三種模式的噪聲抑制比基本上保持在 1.07, 0.35 和 0.94 dB, 其差異源于非線性系數(shù)及耦合效率的模式依賴性; 2)當(dāng)15 dB≤SNRin≤20 dB時(shí), NRR 開(kāi)始急劇增加, 對(duì)輸入SNR的變化比較敏感, S NRin=20 dB 時(shí)三種模式的 NRR均可超過(guò) 3 dB; 3)輸入 SNR大于20 dB 時(shí), NRR 隨輸入信噪比線性增加, 其斜率約為 1.2.因此, 結(jié)合實(shí)際情況, 該 FM-PAM 再生器的理想輸入SNR工作范圍約在20—25 dB, 三種模式的NRR相差不超過(guò)1.1 dB.由以上分析可知, 相比現(xiàn)有的再生器方案, 本文方案的優(yōu)點(diǎn)在于:1)針對(duì)空分復(fù)用系統(tǒng)應(yīng)用, 提出了少模光纖再生器, 并具有多電平再生功能; 2)本文提出的少模再生器對(duì)每個(gè)電平都有一致均勻的再生能力, 理論上可實(shí)現(xiàn)任意電平數(shù)的再生(實(shí)際受到注入功率的限制); 3)該再生方案構(gòu)建技術(shù)基本不受帶寬限制,可與波分復(fù)用(WDM)技術(shù)相結(jié)合將其擴(kuò)展到波長(zhǎng)域.

4 結(jié) 論

本文提出一種基于FM-NOLM的全光PAM再生器方案, 描述了其工作原理和具體設(shè)計(jì)過(guò)程;采用COMSOL軟件對(duì)硫化物高非線性光纖的模式特性和多模耦合器的模式特性進(jìn)行仿真, 并用于組成 FM-NOLM, 仿真計(jì)算出 LP01, LP11, LP21光纖模式的非線性系數(shù)及耦合效率; 計(jì)算出少模PAM全光再生器每個(gè)模式的PTF曲線; 最后以LP01, LP11, LP21三個(gè)光纖模式的 PAM-4 信號(hào)為例, 仿真分析了少模PAM全光再生器的再生性能.仿真結(jié)果表明, 當(dāng)輸入信噪比約大于20 dB時(shí),三種模式的噪聲抑制比均可超過(guò)3 dB, 并隨著輸入信噪比線性增加, 其斜率約為1.2; 在相同輸入SNR條件下, 三種模式的噪聲抑制比相差不大, 不超過(guò) 1.1 dB.