寬帶光纖喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的可調(diào)諧研究

鞏稼民，冷 斌，趙 云

（1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121； 2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710121）

波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換通過(guò)防止波長(zhǎng)路由中的信道阻塞，從而為客戶提供高靈活性和高利用率的波長(zhǎng)分配，是波長(zhǎng)路由光網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要元素。全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的方法能夠避免比特率相關(guān)的信號(hào)之間昂貴的光－電轉(zhuǎn)換，有利于實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)大容量高速率的傳輸。

當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的方法主要有基于半導(dǎo)體光放大器中交叉增益調(diào)制效應(yīng)［1］、交叉相位調(diào)制效應(yīng)［2］、交叉偏振調(diào)制效應(yīng)［3］、四波混頻效應(yīng)［4］；基于電吸收調(diào)制器中交叉吸收調(diào)制效應(yīng)［5］；基于周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)中的級(jí)聯(lián)和頻、差頻產(chǎn)生效應(yīng)［6］；基于光纖中交叉相位調(diào)制效應(yīng)［7］、四波混頻效應(yīng)［8］、交叉偏振調(diào)制效應(yīng)［9］、受激喇曼效應(yīng)［10］等。特別是，基于受激喇曼散射效應(yīng)（Stimulated RamanScattering，SRS）的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換速率快、轉(zhuǎn)換范圍寬，相比于基于半導(dǎo)體和基于四波混頻效應(yīng)等全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方法是一種更有前途的技術(shù)。

光纖喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)是利用了泵浦信號(hào)光對(duì)連續(xù)光的喇曼放大效應(yīng)［10］。由已經(jīng)成熟的光纖喇曼放大器的研究中可以得知喇曼放大與光纖的喇曼增益譜密切相關(guān)［11－13］。同理，光纖喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換亦然。由于喇曼增益譜帶寬很寬（達(dá)40THz），在泵浦信號(hào)光中心波長(zhǎng)固定的情況下，可以實(shí)現(xiàn)喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的范圍很大，所以基于光纖中SRS效應(yīng)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器能實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn)換帶寬很寬，可實(shí)現(xiàn)跨波段轉(zhuǎn)換。

本文擬利用光纖中SRS的瞬態(tài)耦合波方程，給出光纖喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換可調(diào)諧范圍的理論值，并通過(guò)搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證此種方法的可行性。

1 基于光纖中SRS的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)

光纖喇曼可調(diào)諧波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的原理如圖1所示。

圖1 光纖喇曼可調(diào)諧波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的原理

在連續(xù)波的條件下，泵浦信號(hào)光和連續(xù)探測(cè)光之間的作用可表示為耦合波方程［14］

其中ni（t）為連續(xù)探測(cè)光在z＝0處t時(shí)刻入射的初始光子通量，α為線性衰減系數(shù)。u為信道中探測(cè)光的群速度，rip為泵浦光和探測(cè)光之間光子通量的喇曼增益系數(shù)。對(duì)上述耦合波方程進(jìn)行求解，解析解的功率形式為

其中Pi（t－z／u）為連續(xù)探測(cè)光的初始輸入光功率，Pi（z，t）為轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)光功率，Pp（t－z／u）為泵浦信號(hào)光的初始輸入功率，z為光纖長(zhǎng)度，Gip為泵浦信號(hào)光和連續(xù)探測(cè)光之間的增益，vp為泵浦信號(hào)光的光波頻率，為信道中光波頻率的統(tǒng)計(jì)平均值，gR為喇曼增益系數(shù)，Ae為光纖的有效截面積，Le為光纖中z處的有效互作用距離。

分析式（1）和式（2），在光纖長(zhǎng)度和探測(cè)光波長(zhǎng)確定的情況下，泵浦信號(hào)光和探測(cè)光之間的增益Gip只隨著泵浦信號(hào)光功率的變化而變化，即對(duì)連續(xù)探測(cè)光的放大倍數(shù)將隨著泵浦信號(hào)光的變化而變化。這樣就相當(dāng)于利用泵浦信號(hào)光來(lái)調(diào)制連續(xù)探測(cè)光，泵浦信號(hào)光上的信息自然就被調(diào)制到了連續(xù)探測(cè)光上，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

2 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧分析

光纖喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)是利用了喇曼放大的原理［10］，圖2給出了石英光纖的喇曼增益系數(shù)gR與頻移Δ?v的變化關(guān)系［14］。

圖2 喇曼增益譜

在光纖喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，只要泵浦信號(hào)光和探測(cè)光之間的頻移量位于圖2所示喇曼增益譜的帶寬內(nèi)，如式（1）所示，探測(cè)光就會(huì)由于喇曼增益而被放大，泵浦信號(hào)光的能量和所攜帶的信息由此轉(zhuǎn)移到了探測(cè)光之上，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。由于SRS增益譜帶寬很寬（達(dá)40THz），所以在泵浦信號(hào)光中心波長(zhǎng)固定的情況下，可以實(shí)現(xiàn)喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的范圍很大，所以基于光纖中SRS效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)諧的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

喇曼放大原理中，一般情況下泵浦信號(hào)光功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探測(cè)光功率，所以可近似認(rèn)為≈vp，從而式（2）可化為

由式（4）可推出喇曼增益系數(shù)

另由式（1）可得到關(guān)于Gip的關(guān)系式

聯(lián)立式（3）、式（5）和式（6），可得

從圖2中可以看出，光纖中的喇曼增益系數(shù)在前半部分隨著頻移的增大而增大，在后半部分幾乎是隨著頻移的增大而減小，探測(cè)光也會(huì)隨之而被不同程度的放大，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換后的光功率也隨之變化。

對(duì)圖2中的石英光纖喇曼增益譜進(jìn)行最小二乘擬合，即取

擬合之后所得喇曼增益系數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)值誤差在10%之內(nèi)［11］。

在光通信系統(tǒng)的接收端，使用光接收機(jī)來(lái)恢復(fù)出光纖傳輸后由光載波所攜帶的信息。光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)用接收機(jī)靈敏度來(lái)表示。記光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率為〈p〉min，則接收機(jī)靈敏度是指，在保證通信質(zhì)量（限定誤碼率或信噪比）的前提下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率，也即

靈敏度反映了光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，能接收到微弱光信號(hào)的能力［15］。根據(jù)ITU－T G.957標(biāo)準(zhǔn)中STM－16光接口規(guī)定的參數(shù)［16］，應(yīng)用代碼為I－16和S－16.2的最小光發(fā)射機(jī)消光比（Extinction Ratio，ER）要求為8.2dB，而最低光接收機(jī)靈敏度要求為－18dBm。即光接收機(jī)可檢測(cè)接收的最低光功率為－18dBm，低于此功率的信號(hào)光將不會(huì)被接收從而恢復(fù)出光載波所攜帶的信息。

若使用泵浦光功率為5W，探測(cè)光的初始輸入光功率為－20dBm，光纖衰減為0.22dB／km，光纖長(zhǎng)度為0.1km，光纖有效截面積為60um2，轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)光的最小功率為最低靈敏度－18dBm，則根據(jù)上述參數(shù)，利用式（7）可求出獲得最低靈敏度相等的輸出功率所對(duì)應(yīng)的最小喇曼增益系數(shù)

再利用式（8）確定相應(yīng)的頻移范圍，得可調(diào)諧范圍為7.303～16.386THz。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

寬帶可調(diào)諧波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案的仿真實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。激光器2輸出峰值功率為5W的泵浦光，經(jīng)過(guò)M－Z調(diào)制器后被調(diào)制成泵浦信號(hào)光，與激光器1輸出的－20dBm的連續(xù)探測(cè)光一起通過(guò)耦合器進(jìn)入光纖。在光纖中進(jìn)行SRS效應(yīng)，然后將探測(cè)光濾出就實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。其中，光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝0.1km，光纖衰減為α＝0.22dB／km，光纖有效截面積為60μm2。耦合器對(duì)泵浦光與探測(cè)光產(chǎn)生功率的衰減均忽略不計(jì)，光電探測(cè)器的響應(yīng)度設(shè)為1A／W，暗電流為10nA。仿真中，信號(hào)利用強(qiáng)度調(diào)制產(chǎn)生，比特序列為“10101001”，速率為10Gbit／s，由上述參數(shù)進(jìn)行仿真。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

輸入泵浦光和探測(cè)光的波長(zhǎng)分別取為

經(jīng)過(guò)耦合器之后和經(jīng)過(guò)光纖之后的光譜如圖4所示。探測(cè)光在經(jīng)過(guò)光纖之后，光譜明顯展寬，這是由于泵浦光信號(hào)光和探測(cè)光在光纖中發(fā)生受激喇曼效應(yīng)，探測(cè)光被泵浦光放大從而引起的。探測(cè)光的光譜在展寬的同時(shí)，也得到了泵浦信號(hào)光所攜帶的信息，從而實(shí)現(xiàn)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

圖4 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換前后的光譜

測(cè)量不同的輸入探測(cè)波波長(zhǎng)（1600～1700nm）在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換后輸出的光功率來(lái)研究波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的可調(diào)諧性能，結(jié)果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換輸出光功率

從圖5可看見，滿足不低于－18dBm輸出光功率這一條件的可調(diào)諧范圍為1616～1690.8nm，即7.899～16，116THz，與 理 論 計(jì) 算 值 的 范 圍7.303～16.386THz的相對(duì)誤差范圍約為7.5%～1.67%，在實(shí)測(cè)值和擬合曲線的誤差范圍之內(nèi)，因此，所提出的光纖喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧范圍理論計(jì)算方法是可行的。從圖5的仿真結(jié)果可得出可調(diào)諧范圍約為74.8nm，可實(shí)現(xiàn)跨波段的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

利用10Gb／s的比特誤碼率（Bit error rate，BER）分析儀測(cè)試寬帶波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)性能。圖6和圖7分別繪制了輸出的最小誤碼率值和最大Q因子與探測(cè)光頻率的關(guān)系圖。

圖6 最小誤碼率分析

圖7 最大Q因子分析圖

從圖6可見，最小誤碼率隨著探測(cè)光頻率的增加先減小后逐漸增大，與喇曼增益譜曲線走勢(shì)相反，最小值為－85.6251。從圖7可見，最大Q因子隨著探測(cè)光頻率的增加先增大后減小，與喇曼增益譜曲線走勢(shì)相同，最大值為19.66。綜上可知，在喇曼增益最大處進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)誤碼率最小、轉(zhuǎn)換信號(hào)質(zhì)量最優(yōu)。

誤碼率最小、Q因子最大時(shí)探測(cè)光的頻率為179.73THz，即在1668nm波長(zhǎng)處。圖8繪制了1668nm探測(cè)波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)波形圖和眼圖。從圖中可見轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)光的碼型為“10101001”，與輸入泵浦信號(hào)光的碼型基本一致，轉(zhuǎn)換信號(hào)的眼圖清晰，張開度好。

圖8 1668nm探測(cè)波長(zhǎng)輸出信號(hào)

4 結(jié)語(yǔ)

利用光纖中前向瞬態(tài)SRS耦合波方程的解析解，給出了一種理論上計(jì)算光纖喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的可調(diào)諧范圍的方法，并搭建仿真平臺(tái)，利用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此理論方法的可行性。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在給定泵浦光的情況下，光纖喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的可調(diào)諧范圍約為74.8nm，可實(shí)現(xiàn)跨波段的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展了光纖喇曼波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的工程應(yīng)用范圍。另外，系統(tǒng)的誤碼率和Q因子與喇曼增益有關(guān)，在喇曼增益達(dá)到最大時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率最小，轉(zhuǎn)換信號(hào)質(zhì)量最優(yōu)。若給定的泵浦光功率增大，則波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換范圍從理論上將增大，具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有待進(jìn)一步研究。

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