基于光子晶體光纖四波混頻的光波長變換

1、基于光子晶體光纖四波混頻的光波長變換*龔磊,尹飛飛,陳宏偉,陳明華,謝世鐘(清華大學電子工程系,北京100084)摘要:研究了光子晶體光纖(PCF)中基于四波混頻(FWM)的全光波長變換實現(xiàn)以及相應的變換效能。使用C-L波段內(nèi)具有平坦正色散特性的高非線性PCF,對基于FWM效應的光波長變換進行了理論分析,根據(jù)相應原理進行了波長變換實驗系統(tǒng)的軟件仿真,并以此為依據(jù)設計實驗裝置進行了實驗驗證。實驗結(jié)果基本符合相應的理論計算以及系統(tǒng)仿真,在中心波長為1540、1545以及1550 nm的頻帶范圍內(nèi)分別得到了-17.381、-16.897和-17.787 dB的最高轉(zhuǎn)換效率,分別對應18、17和13

2、nm的3dB轉(zhuǎn)換帶寬。關(guān)鍵詞:四波混頻(FWM);波長變換;光子晶體光纖(PCF);轉(zhuǎn)換效率; 3 dB帶寬1引言從20世紀90年代中期開始,由于波分復用(WDM)方式在光傳輸網(wǎng)中明顯的優(yōu)越性,其發(fā)展非常迅速。隨著WDM器、光放大器和光纖等性能的不斷改進,波長信道數(shù)在逐步增加。可想而見,WDM網(wǎng)的帶寬雖然很寬,但一根光纖中能夠復用的波長數(shù)量終歸是有限的,所以可用波長數(shù)將大大少于節(jié)點數(shù)目和用戶數(shù)量。但如果能夠采用波長變換技術(shù),讓信號在節(jié)點上從一個波長變換到另一個波長,使同一波長在不同的區(qū)域中重復使用,這樣就解決了波長爭用的問題。因此,波長變換是WDM全光通信網(wǎng)中非常關(guān)鍵的技術(shù)。光波長變換技術(shù)總體

3、可分為采用光-電-光和全光波長變換兩種方式。前者較成熟,但面臨電子瓶頸問題,傳輸速率受到限制;相比之下,后者是更有前景的發(fā)展方向。基于四波混頻(FWM)原理的波長變換是目前非常有研究前景的全光波長變換技術(shù)1,具有保留了原有信號的相位和幅度信息、信號調(diào)制速率較高(可達到40 Gbps)、對偏振敏感程度小、變換后碼型不反轉(zhuǎn)以及波長變換跨度較大等優(yōu)點。然而,在以往使用普通非線性光纖的試驗中,變換效率低和變換信號信噪比(SNR)惡化限制了其應用。要在光纖中產(chǎn)生足夠強的FWM效應,需要光纖具有合理的色散特性以及高非線性,普通光纖難以達到相應的要求。但如果使用微結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖(PCF),則能夠在一定程

4、度上克服這些缺點。在使用PCF的波長變換實例中,文獻2,3已經(jīng)實現(xiàn)了最大轉(zhuǎn)換效率-20 dB、3 dB轉(zhuǎn)換帶寬20 nm的全光波長變換,而文獻4、5已經(jīng)實現(xiàn)從1550nm頻帶變換到可見光頻段,跨度達到375 THz,信號速率155.52 Mb/s的波長變換。本文使用了具有高非線性以及平坦正色散的PCF,在C波段上實現(xiàn)了基于FWM的光波長變換。非線性PCF的長度為60 m,采用了通過氣孔將光束引導進入純硅核心的覆層微觀結(jié)構(gòu)。2基于FWM效應的理論分析和仿真計算FWM是基于介質(zhì)的三階非線性效應。簡并條件下,在介質(zhì)中同時注入一束較強的連續(xù)泵浦光和一束較弱的信號光,頻率分別為p和s,因非線性作用將產(chǎn)生

5、新的光波,其頻率i=p-s,稱為閑頻光。閑頻光復制了信號光的振幅和相位信息,這樣就實現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換的目的。參與FWM的泵浦、信號以及閑頻三束光的幅度Aj(z)滿足光纖中的耦合振幅方程3 Ap(z) z=i|Ap|2Ap-2(|As|2+|Ai|2)Ap+2AiAsA*pexp(iz)-p2Ap(1) As(z) z=i|As|2As+2(|Ap|2+|Ai|2)As+2A2pA*iexp(iz)-s2As(2) Ai(z) z=i|Ai|2Ai+2(|Ap|2+|As|2)Ai+2A2pA*sexp(iz)-i2Ai(3)式中:為非線性系數(shù);為光纖衰減損耗;為相位失配,滿足6= (nss+nii

6、-2npp)/c (4)其中:n代表光纖模式的有效折射率。要使得FWM過程得以進行,需要滿足相位匹配條件=0。忽略波長變換跨度較小時以及受頻率變化的影響,將其看做常數(shù),能夠解出7Pi=Pp1-e-L2Pse-L22+21+4e-Lsin2L2(1-e-L)(5)波矢失配在頻移較小以及時可以近似表示為4=422(fp-fs)2(6)其中,2為二階色散參量。這樣,就能夠在頻移較小以及不太靠近零色散點的情況下將所關(guān)心的FWM波長轉(zhuǎn)換效率t=10log(Pi/Ps)近似表示為和PCF屬性相關(guān)的已知量以及頻移的函數(shù)。基于以上分析,在OptiSystem中進行了PCF中FWM波長變換的系統(tǒng)仿真。仿真中,盡

7、量采用和實驗相同的條件,作為后面所進行實驗的參考。系統(tǒng)使用了2個連續(xù)激光器分別作為泵浦光和信號光,功率分別設為26 dBm和0dBm,在通過耦合器后進入光纖進行FWM波長變換。將泵浦波長分別固定在1 540、1 545以及1 550 nm,改變信號光的波長,得到的峰值效率分別為-12.194、-12.531以及-12.305 dB,得到的3 dB轉(zhuǎn)換帶寬均為15nm。圖1給出了不用泵浦波長時的轉(zhuǎn)換效率曲線圖1不同泵浦波長時仿真的轉(zhuǎn)換效率3實驗過程圖2是以OptiSystem系統(tǒng)仿真的結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)搭建出的實現(xiàn)FWM波長變換的實驗裝置。泵浦光和信號光均使用連續(xù)激光器作為光源,其功率能夠在6 dBm

8、以下進行調(diào)節(jié)。在兩束光通過耦合器耦合后使用了摻鉺光纖放大器(EDFA)進行放大,耦合光被放大為26 dBm。為了抑制受激布里淵散射(SBS),在泵浦光進入耦合器前通過相位調(diào)制器(PM)對泵浦光的相位進行調(diào)制,從而達到擴頻的目的,提高SBS的閥值。這樣就能夠允許泵浦光放大到比較高的功率而不受SBS的影響，提高了波長轉(zhuǎn)換效率。圖2FWM波長變換實驗裝置將泵浦分別固定在1540、1545以及1550 nm,改變信號光的波長,測量不同位置FWM產(chǎn)生的閑頻光以及相應信號光的功率,得到的峰值效率分別為-17.381、-16.897以及-17.787dB,3 dB轉(zhuǎn)換帶寬分別為18、17以及13 nm,如圖

9、3所示。實驗中,每改變一次信號光位置,都需要對偏振控制器(PC)進行調(diào)節(jié),以確保信號光與泵浦光的偏振態(tài)趨于一致,從而得到最大的波長轉(zhuǎn)換效率。圖4給出的是一組實驗中產(chǎn)生的典型的FWM效應光譜圖,泵浦波長為1545 nm,信號波長為1550 nm。應注意的是,泵浦位于1550 nm處的3 dB轉(zhuǎn)換帶寬只有13 nm,實際上在15411544 nm這一段上轉(zhuǎn)換效率雖然沒有達到3 dB帶寬要求的-20 dB,但也有-22 dB,仍可以看作處于能夠有效產(chǎn)生FWM效應的范圍內(nèi)。這樣,泵浦在3個位置的轉(zhuǎn)換帶寬大小還是比較接近的。實驗的結(jié)果與相應的仿真結(jié)果基本吻合,實驗測出的峰值效率之所以偏低,主要是由于實驗

10、裝置中的光路連接以及耦合存在一定的損耗,使得泵浦光功率低于預期的指標,從而造成波長轉(zhuǎn)換效率的降低。圖3不同泵浦波長時實驗的轉(zhuǎn)換效率圖4實驗產(chǎn)生的典型FWM波長變換光譜圖4結(jié)論在PCF 1550 nm波長附近的不同位置,對基于FWM波長變換的效能進行了研究。在OptiSystem上實現(xiàn)了泵浦分別固定在1540、1545以及1550 nm處的基于PCF的FWM波長變換仿真,并在此基礎(chǔ)上進行了實驗,得到泵浦位于1540 nm處最高轉(zhuǎn)換效率為-17.381 dB、轉(zhuǎn)換帶寬為18 nm;泵浦位于1545 nm處最高轉(zhuǎn)換效率為-16.897 dB,轉(zhuǎn)換帶寬為17 nm;泵浦位于1550 nm處最高轉(zhuǎn)換效率

11、為-17.381 dB、轉(zhuǎn)換帶寬為13 nm。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。參考文獻:1CAO Zi-zheng,DONG Ze,LU Jia,et al.All-optical orthogonal-pump wavelength conversion of optical OFDM signalJ.Jour-nal of Optoelectronics·Laser,2009,20(5):622-627.曹子崢,董澤,盧嘉,等.光正交頻分復用信號垂直泵浦全光波長變換研究J.光電子·激光,2009,20(5):622-627.2ZHANG Lan, YANG Bo-jun,

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