基于光子晶體光纖四波混頻的光波長(zhǎng)變換

1、基于光子晶體光纖四波混頻的光波長(zhǎng)變換*龔磊,尹飛飛,陳宏偉,陳明華,謝世鐘(清華大學(xué)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(zhǎng)變換實(shí)現(xiàn)以及相應(yīng)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(duì)基于FWM效應(yīng)的光波長(zhǎng)變換進(jìn)行了理論分析,根據(jù)相應(yīng)原理進(jìn)行了波長(zhǎng)變換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件仿真,并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合相應(yīng)的理論計(jì)算以及系統(tǒng)仿真,在中心波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)18、17和13

2、nm的3dB轉(zhuǎn)換帶寬。關(guān)鍵詞:四波混頻(FWM);波長(zhǎng)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(jì)90年代中期開(kāi)始,由于波分復(fù)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(jìn),波長(zhǎng)信道數(shù)在逐步增加。可想而見(jiàn),WDM網(wǎng)的帶寬雖然很寬,但一根光纖中能夠復(fù)用的波長(zhǎng)數(shù)量終歸是有限的,所以可用波長(zhǎng)數(shù)將大大少于節(jié)點(diǎn)數(shù)目和用戶數(shù)量。但如果能夠采用波長(zhǎng)變換技術(shù),讓信號(hào)在節(jié)點(diǎn)上從一個(gè)波長(zhǎng)變換到另一個(gè)波長(zhǎng),使同一波長(zhǎng)在不同的區(qū)域中重復(fù)使用,這樣就解決了波長(zhǎng)爭(zhēng)用的問(wèn)題。因此,波長(zhǎng)變換是WDM全光通信網(wǎng)中非常關(guān)鍵的技術(shù)。光波長(zhǎng)變換技術(shù)總體

3、可分為采用光-電-光和全光波長(zhǎng)變換兩種方式。前者較成熟,但面臨電子瓶頸問(wèn)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(zhǎng)變換是目前非常有研究前景的全光波長(zhǎng)變換技術(shù)1,具有保留了原有信號(hào)的相位和幅度信息、信號(hào)調(diào)制速率較高(可達(dá)到40 Gbps)、對(duì)偏振敏感程度小、變換后碼型不反轉(zhuǎn)以及波長(zhǎng)變換跨度較大等優(yōu)點(diǎn)。然而,在以往使用普通非線性光纖的試驗(yàn)中,變換效率低和變換信號(hào)信噪比(SNR)惡化限制了其應(yīng)用。要在光纖中產(chǎn)生足夠強(qiáng)的FWM效應(yīng),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(dá)到相應(yīng)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(diǎn)。在使用PCF的波長(zhǎng)變換實(shí)例中,文獻(xiàn)2,3已經(jīng)實(shí)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(zhǎng)變換,而文獻(xiàn)4、5已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從1550nm頻帶變換到可見(jiàn)光頻段,跨度達(dá)到375 THz,信號(hào)速率155.52 Mb/s的波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了基于FWM的光波長(zhǎng)變換。非線性PCF的長(zhǎng)度為60 m,采用了通過(guò)氣孔將光束引導(dǎo)進(jìn)入純硅核心的覆層微觀結(jié)構(gòu)。2基于FWM效應(yīng)的理論分析和仿真計(jì)算FWM是基于介質(zhì)的三階非線性效應(yīng)。簡(jiǎn)并條件下,在介質(zhì)中同時(shí)注入一束較強(qiáng)的連續(xù)泵浦光和一束較弱的信號(hào)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(chēng)為閑頻光。閑頻光復(fù)制了信號(hào)光的振幅和相位信息,這樣就實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的目的。參與FWM的泵浦、信號(hào)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(guò)程得以進(jìn)行,需要滿足相位匹配條件=0。忽略波長(zhǎng)變換跨度較小時(shí)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(shí)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(diǎn)的情況下將所關(guān)心的FWM波長(zhǎng)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(jìn)行了PCF中FWM波長(zhǎng)變換的系統(tǒng)仿真。仿真中,盡

7、量采用和實(shí)驗(yàn)相同的條件,作為后面所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的參考。系統(tǒng)使用了2個(gè)連續(xù)激光器分別作為泵浦光和信號(hào)光,功率分別設(shè)為26 dBm和0dBm,在通過(guò)耦合器后進(jìn)入光纖進(jìn)行FWM波長(zhǎng)變換。將泵浦波長(zhǎng)分別固定在1 540、1 545以及1 550 nm,改變信號(hào)光的波長(zhǎng),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(zhǎng)時(shí)的轉(zhuǎn)換效率曲線圖1不同泵浦波長(zhǎng)時(shí)仿真的轉(zhuǎn)換效率3實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖2是以O(shè)ptiSystem系統(tǒng)仿真的結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)搭建出的實(shí)現(xiàn)FWM波長(zhǎng)變換的實(shí)驗(yàn)裝置。泵浦光和信號(hào)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(jìn)行調(diào)節(jié)。在兩束光通過(guò)耦合器耦合后使用了摻鉺光纖放大器(EDFA)進(jìn)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(jìn)入耦合器前通過(guò)相位調(diào)制器(PM)對(duì)泵浦光的相位進(jìn)行調(diào)制,從而達(dá)到擴(kuò)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率。圖2FWM波長(zhǎng)變換實(shí)驗(yàn)裝置將泵浦分別固定在1540、1545以及1550 nm,改變信號(hào)光的波長(zhǎng),測(cè)量不同位置FWM產(chǎn)生的閑頻光以及相應(yīng)信號(hào)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(shí)驗(yàn)中,每改變一次信號(hào)光位置,都需要對(duì)偏振控制器(PC)進(jìn)行調(diào)節(jié),以確保信號(hào)光與泵浦光的偏振態(tài)趨于一致,從而得到最大的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率。圖4給出的是一組實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的典型的FWM效應(yīng)光譜圖,泵浦波長(zhǎng)為1545 nm,信號(hào)波長(zhǎng)為1550 nm。應(yīng)注意的是,泵浦位于1550 nm處的3 dB轉(zhuǎn)換帶寬只有13 nm,實(shí)際上在15411544 nm這一段上轉(zhuǎn)換效率雖然沒(méi)有達(dá)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(yīng)的范圍內(nèi)。這樣,泵浦在3個(gè)位置的轉(zhuǎn)換帶寬大小還是比較接近的。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與相應(yīng)的仿真結(jié)果基本吻合,實(shí)驗(yàn)測(cè)出的峰值效率之所以偏低,主要是由于實(shí)驗(yàn)

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(yù)期的指標(biāo),從而造成波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率的降低。圖3不同泵浦波長(zhǎng)時(shí)實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)換效率圖4實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的典型FWM波長(zhǎng)變換光譜圖4結(jié)論在PCF 1550 nm波長(zhǎng)附近的不同位置,對(duì)基于FWM波長(zhǎng)變換的效能進(jìn)行了研究。在OptiSystem上實(shí)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(zhǎng)變換仿真,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。參考文獻(xiàn):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(fù)用信號(hào)垂直泵浦全光波長(zhǎng)變換研究J.光電子·激光,2009,20(5):622-627.2ZHANG Lan, YANG Bo-jun,

12、WANG Qiu-guo, et al.All-opticalwavelength conversion based on photonic crystal fiberJ.Journal of Acta Photonica Sinica,2008,37(11):2203-2205.張嵐,楊伯君,王秋國(guó),等.基于光子晶體光纖的全光波長(zhǎng)變換研究J.光子學(xué)報(bào),2008年,37(11):2203-2205.3ZHOU Hui-li,ZHANG Xia,GAO Jian,et al.Theoretical and ex-perimental analysis of wavelength conversi

13、on in dispersion-flat-ted photonic crystal fibersJ.Journal of Optoelectronics·La-ser,2009,20(1):28-31.周會(huì)麗,張霞,高健,等.色散平坦光子晶體中實(shí)現(xiàn)光波變換的研究J.光電子·激光,2009,20(1):28-31.4Jiang R,Saperstein R,Alic N.et al.375THz parametric trans-lation of modulated signal from1 550nm to visible bandA.Optical Fiber Com

14、munication Conference National Fiber Optic Engineers ConferenceC.2006.5Jiang,Rui,Saperstein,Robert E,Alic,Nikola,et al.Continuous-wave band translation between the near-infrared and visiblespectral rangesJ.Journal of Lightwave Technology,2006,25(1):58-66.6Govind P,Agrawal.Nonlinear fiber optics,Third Edition & Ap-plications of Nonlinear Fiber Optics.2002.7WANG Qiu-guo, ZHANG Hu, ZHANG Xia, et al. Experiment