∝型平坦展寬頻譜可調(diào)全光時(shí)延線

曹繼紅，陳　偉

(北京交通大學(xué) 全光網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

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∝型平坦展寬頻譜可調(diào)全光時(shí)延線

曹繼紅*，陳偉

(北京交通大學(xué) 全光網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

根據(jù)全光網(wǎng)交換和高速時(shí)分復(fù)用技術(shù)對(duì)時(shí)延調(diào)節(jié)的需求，提出一種新的基于光纖非線性效應(yīng)的∝型全光再生可調(diào)時(shí)延線。該時(shí)延線由小段高非線性光纖、色散補(bǔ)償光纖、光纖光柵濾波器和光纖放大器等構(gòu)成；利用自相位調(diào)制、小量群速度色散效應(yīng)、以及光波分裂效應(yīng)獲得攜帶近似線性時(shí)延的平坦化展寬光譜，并在波長(zhǎng)可調(diào)諧光纖光柵的配合下實(shí)現(xiàn)時(shí)延控制，同時(shí)具有對(duì)工作波長(zhǎng)進(jìn)行適當(dāng)變換的功能。單皮秒脈沖演變數(shù)值分析顯示其在10 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)量可達(dá)300 ps以上，在40 Gbps脈沖序列仿真?zhèn)鬏攲?shí)驗(yàn)中Q值可達(dá)23.6。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的時(shí)延線在保證輸出脈沖質(zhì)量仍然良好(比特誤差率(BER)?10-12)的情況下獲得了較大的時(shí)延調(diào)節(jié)量，能滿足全光網(wǎng)和高速時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的需求。

全光時(shí)延線；可調(diào)時(shí)延線；光纖非線性效應(yīng)；頻譜展寬；色散；全光網(wǎng)交換；時(shí)分復(fù)用

*Correspondingauthor,E-mail:jhcao@bjtu.edu.cn

1　引　言

未來(lái)的全光路由器必須支持可變長(zhǎng)度的信息包，即可以異步到達(dá)分組路由節(jié)點(diǎn)。這種路由器需要低信號(hào)失真的全光緩存器，通過(guò)時(shí)延管理解決光包同步或沖突的問(wèn)題[1]。時(shí)延管理方法有：利用已經(jīng)報(bào)道的慢光光譜共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)延遲[2-3]；基于同一介質(zhì)中不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同色散來(lái)實(shí)現(xiàn)大時(shí)間延遲[4]。但這兩種方法都還處于研究探索階段，目前常采用光纖時(shí)延線(Fiber Delay Line，F(xiàn)DL)[5]。它通過(guò)控制光纖的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)延大小，不僅調(diào)節(jié)控制很不方便，而且時(shí)延數(shù)值是離散的。另外，雖然現(xiàn)在單根光纖承載的波長(zhǎng)通道數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了很高的水平[6-8]，但遠(yuǎn)不能滿足全球用戶的需求。所以在全光網(wǎng)絡(luò)中必然存在波長(zhǎng)沖突問(wèn)題，這要通過(guò)變換波長(zhǎng)來(lái)解決。常見(jiàn)的全光型波長(zhǎng)變換主要基于非線性的光光互調(diào)制，不但成本高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜[9-10]。

Hu等人[11]利用自相位調(diào)制效應(yīng)(Self-Phase Modulation，SPM)和光纖色散在10 Gb/s系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了最大時(shí)延為170 ps的調(diào)節(jié)量，而且把脈沖從25 ps壓縮到了20 ps。該方法同時(shí)使用了3種特種光纖：高非線性光纖(High Nonlinear Fiber，HNLF)、色散補(bǔ)償光纖(Dispersion Compensation Fiber，DCF)和色散位移光纖(Dispersion Shift Fiber，DSF)，所以成本較高；此外，所采用的鏈狀裝置布局也很復(fù)雜。文獻(xiàn)[12]報(bào)道了一種波長(zhǎng)變換器，原理上也是利用SPM，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，但功能單一。

本文提出了一種全光再生型時(shí)延線，其基本原理同樣利用了光纖的SPM和色散，但結(jié)合了文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大延時(shí)和適量波長(zhǎng)調(diào)節(jié)。該時(shí)延線基于全光纖器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便，能保證光信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定。

2　時(shí)延線的基本原理和構(gòu)成

時(shí)延原理是光波在光纖中的群時(shí)延量因色散的原因依賴于光脈沖的波長(zhǎng)(或頻率)。對(duì)單模光纖有：

(1)

其中：τ是群時(shí)延，β是傳播常數(shù)，ω是角頻率，β2是光纖的群速度色散(Group Velocity Dispersion，GVD)。所以在單模光纖中可以通過(guò)調(diào)節(jié)工作波長(zhǎng)來(lái)獲得不同時(shí)延。時(shí)延量由光纖的色散大小決定，而時(shí)延量隨波長(zhǎng)值變化的快慢由色散斜率(即三階色散)決定。為了有較高的調(diào)節(jié)靈敏度和調(diào)節(jié)范圍，需要選擇色散斜率較大的光纖，如DCF。同時(shí)為了讓光信號(hào)在DCF中獲得盡可能大的時(shí)延差別(即調(diào)節(jié)量)，需要對(duì)光信號(hào)的頻譜進(jìn)行展寬。信號(hào)頻譜的展寬采用HNLF的SPM效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)采用可調(diào)諧光帶通濾波器(Optical BandPass Filter，OBPF)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本文提出的∝型時(shí)延線如圖1所示。入射信號(hào)光經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器-1(Erbium Doped Fiber Amplifier， EDFA)放大到SPM效應(yīng)需要的高功率，再經(jīng)OBPF-1(采用光纖光柵)濾波后，通過(guò)環(huán)行器進(jìn)入HNLF中。在這里，高峰值功率下光脈沖會(huì)發(fā)生SPM等非線性效應(yīng)，使脈沖的頻譜展寬。光信號(hào)再通過(guò)環(huán)行器進(jìn)入光纖環(huán)路中，由可調(diào)OBPF-3選出某波長(zhǎng)并在DCF作用下獲得需要的延時(shí)。從DCF輸出的光信號(hào)再經(jīng)EDFA-2放大、及HNLF再擴(kuò)展頻譜，最后由OBPF-2調(diào)整到需要的波長(zhǎng)輸出。整個(gè)過(guò)程不但可以調(diào)節(jié)時(shí)延量和波長(zhǎng)，還對(duì)光脈沖進(jìn)行了再放大和整形。

圖1　∝型時(shí)延線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Scheme of ∝-type delay line

3　時(shí)延線的性能分析

3.1描述脈沖演變的方程

在HNLF中有多路光脈沖在傳輸，如來(lái)回的高峰值脈沖及它們可能產(chǎn)生的Raman散射信號(hào)等，涉及SPM、XPM、Raman等多種效應(yīng)[13-15]。所以脈沖演變過(guò)程采用耦合非線性薛定鄂方程(Nonlinear Schr?dinger equation，NLS)來(lái)描述[16]。即:

(2)

式中:A是電場(chǎng)振幅，s和t是時(shí)間變量，vg是群速度，β2是GVD，γ是非線性系數(shù)，α是損耗系數(shù)，fR表示延時(shí)Raman效應(yīng)對(duì)非線性極化貢獻(xiàn)的比例，hR是拉曼響應(yīng)函數(shù)，j=1或2，m=3-j。方程左邊包含了色散項(xiàng)和損耗項(xiàng)，右邊依次是SPM及XPM項(xiàng)、分子振動(dòng)項(xiàng)、能量轉(zhuǎn)移項(xiàng)(由Raman放大引起)。在DCF中，因高色散采用忽略非線性效應(yīng)的基本傳輸方程來(lái)描述脈沖的演變。

3.2平坦展寬頻譜

正向進(jìn)入HNLF中的是無(wú)啁啾高斯脈沖，半極大全寬為6.2 ps，工作波長(zhǎng)為1 548.5 nm，經(jīng)EDFA-1放大后峰值功率為2 W。HNLF非線性系數(shù)γ=16 W-1/km，色散參數(shù)D=-0.35 ps/(nm·km)@1 550 nm(可以導(dǎo)出β2)，損耗系數(shù)為1.5 dB/km，在長(zhǎng)度約2 km處達(dá)到最寬的SPM展寬頻譜。因?yàn)閾p耗較大，不宜通過(guò)增長(zhǎng)HNLF來(lái)獲得更大的SPM頻譜展寬。

首先只考慮HNLF中SPM和GVD相互作用的情形，即式(2)中fR=0，此時(shí)SPM起著決定性作用。但在小量正常色散的作用下，會(huì)出現(xiàn)光波分裂現(xiàn)象[17]。與純SPM的結(jié)果比較，適度的光波分裂存在兩方面的影響：一個(gè)是在時(shí)域，脈沖邊沿變陡，脈沖有較大失真(如圖2(a)所示)；另一個(gè)是在頻域，頻譜展寬范圍稍有減小，但頻譜中間區(qū)域變得更平坦。本文中頻譜振蕩幅度減小了5.5 dB，而且平坦區(qū)的平均功率水平提高了5.2 dB(如圖2(b)所示)。雖然脈沖的失真會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，但是頻譜的平坦化有益于時(shí)延線輸出波長(zhǎng)的平滑調(diào)諧和最終輸出脈沖的穩(wěn)定性。如果把脈沖的失真控制在比特周期內(nèi)合理的范圍，光波分裂是可以利用的。所以無(wú)需為了獲得盡可能大的SPM頻譜展寬而把輸入的工作波長(zhǎng)選在HNLF的零色散位置，而且小量色散也有益于抑制四波混頻(Four Wave Mixing，F(xiàn)WM)等其它非線性效應(yīng)。

(a)脈沖邊沿變陡 (a) Pulse shape became steeper

(b)頻譜變窄，但更平坦(b) Spectrum became narrower， but flatter圖2　HNLF中小量正常色散的影響 Fig.2　Effects of a small amount of dispersion in HNLF

3.3最大時(shí)延調(diào)節(jié)量

由∝型時(shí)延線原理可知，其最大時(shí)延調(diào)節(jié)量由DCF的色散參數(shù)特性和光譜被展寬的范圍兩個(gè)因數(shù)決定。DCF的色散斜率、長(zhǎng)度及光譜范圍值越大，獲得的最大時(shí)延調(diào)節(jié)量也越大。圖2的分析結(jié)果顯示，本文中進(jìn)入DCF的光譜平坦區(qū)是1 544～1 553 nm。本文采用烽火的一款DCF產(chǎn)品，其參數(shù)為：色散斜率是-0.4 ps/(nm2·km)，色散參數(shù)D=-100 ps/(nm·km) @1 545 nm。在頻譜平坦區(qū)內(nèi)，由OBPF-3濾出所需波長(zhǎng)。OBPF-3是一階高斯可調(diào)濾波器，帶寬是0.4 nm。

DCF長(zhǎng)度取優(yōu)化值300 m,因?yàn)镈CF長(zhǎng)度不同，色散總量也不同?？偵⑴c輸入DCF時(shí)的反向啁啾相互作用后，凈余啁啾的符號(hào)和大小將影響脈沖質(zhì)量,所以DCF有一個(gè)最佳的長(zhǎng)度。這里根據(jù)DCF輸出脈沖的質(zhì)量選取長(zhǎng)度優(yōu)化值。

圖3是OBPF-3濾波器選出的波長(zhǎng)在通過(guò)DCF后所獲得的時(shí)延量。時(shí)延-波長(zhǎng)曲線是一條斜率為-31.8 ps/nm的直線(因?yàn)镈CF的色散在1 550 nm 附近是近似線性的)。這表明∝型時(shí)延線的調(diào)節(jié)量是線性且靈敏的，理論上根據(jù)頻譜平坦區(qū)范圍，最大時(shí)延調(diào)節(jié)量達(dá)300 ps以上。

圖3　脈沖時(shí)延量與選出波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.3　Relationship between delay and selected wavelength

3.4波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍

全光再生對(duì)高速傳輸系統(tǒng)和全光網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有益的功能[18]?！匦蜁r(shí)延線的主要功能是調(diào)節(jié)光脈沖信號(hào)的時(shí)延，同時(shí)因2R(Reamplification and Reshaping)再生而具有一定的波長(zhǎng)調(diào)整功能，所以時(shí)延線的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍分為兩種情況。

系統(tǒng)主要作為時(shí)延線使用時(shí)， 中心波長(zhǎng)一旦根據(jù)所需時(shí)延量通過(guò)OBPF-3選定后，就不再改變。因而波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)范圍僅限于OBPF-3選出的譜再回到HNLF展寬后的區(qū)域。圖4為例，OBPF-3濾出以1 553 nm為中心的譜，再經(jīng)HNLF展寬，此時(shí)能通過(guò)OBPF-2輸出的最終波長(zhǎng)是1 551～1 555 nm。在這種情況下，首先需要獲得較大的時(shí)延量，因而用高峰值功率脈沖進(jìn)入HNLF來(lái)獲得足夠強(qiáng)的SPM效應(yīng)以展寬頻譜。其負(fù)作用是脈沖反向再次進(jìn)入HNLF前會(huì)有較大的啁啾，使得再次展寬的頻譜較窄，兩側(cè)不夠平坦。

圖4　光脈沖的頻譜在時(shí)延線中的演變過(guò)程Fig.4　Evolution of pulse spectrum in delay line

另一種是完全用作波長(zhǎng)變換器。不考慮時(shí)延量時(shí)，通過(guò)OBPF-2和OBPF-3的配合，波長(zhǎng)的最大調(diào)節(jié)范圍是兩次HNLF展寬的頻譜的總和。仍以圖4為例，OBPF-3所在的1 553 nm是HNLF第一次展寬頻譜的右邊緣。再經(jīng)HNLF展寬頻譜后，OBPF-2能達(dá)到的右邊緣是1 555 nm?？紤]到頻譜的對(duì)稱性，延時(shí)器能夠調(diào)節(jié)的最大波長(zhǎng)是1 542～1 555 nm。這種情況只有在不得已時(shí)使用，因?yàn)闀r(shí)延線里面的DCF不但多余，而且其大色散還具有負(fù)面影響。

3.5其它非線性影響

在皮秒脈沖下，布里淵效應(yīng)可以忽略；在有一定量色散的情況下，F(xiàn)WM也可以不考慮。所以這里主要分析了交叉相位調(diào)制(Cross Phase Modulation， XPM)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering， SRS)效應(yīng)的影響。

圖5顯示了包含XPM和SRS效應(yīng)(但忽略弱散射光產(chǎn)生的效應(yīng))的數(shù)值分析結(jié)果，數(shù)據(jù)采集于脈沖第一次通過(guò)HNLF之后。對(duì)比有無(wú)XPM和SRS效應(yīng)時(shí)的曲線可知：有XPM和SRS效應(yīng)時(shí)，在時(shí)域脈沖邊沿變得更陡，峰值功率下降，但脈寬沒(méi)有太大變化；在頻域，因脈沖峰值功率的降低，SPM致頻譜展寬的范圍也減少(本文約有1 nm多，比前文平坦區(qū)譜寬減少約10%)。XPM給往返的脈沖帶來(lái)了更多的啁啾，致使脈沖分裂現(xiàn)象更強(qiáng)，所以圖5(a)中脈沖邊沿底部已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)振蕩結(jié)構(gòu)，但沒(méi)有出現(xiàn)XPM效應(yīng)典型的非對(duì)稱性，可見(jiàn)XPM此時(shí)還不是很強(qiáng)，不會(huì)轉(zhuǎn)移較多的脈沖能量，所以脈沖峰值功率下降主要來(lái)源于SRS效應(yīng)。NLS(式(2))中分子振動(dòng)項(xiàng)和Raman放大項(xiàng)都會(huì)產(chǎn)生額外的功率消耗。

(a)　　　脈沖變得更陡，峰值功率下降，兩側(cè)　　　邊沿底部出現(xiàn)紋波(a) Pulse shape became steeper with a ripple at bottom and peak power decline

(b)頻譜變窄(b) Spectrum became narrower圖5　XPM和SRS效應(yīng)對(duì)光脈沖的影響Fig.5　Effect of XPM and SRS on pulse

顯然，在小量色散的影響下，XPM和SRS效應(yīng)的最大影響是耗散了脈沖的部分功率，減小了時(shí)延線的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍，而對(duì)脈沖寬度和頻譜的平坦度沒(méi)有顯著影響。通過(guò)環(huán)形腔再次經(jīng)過(guò)HNLF后的脈沖，也存在類似的現(xiàn)象。

4　仿真實(shí)驗(yàn)傳輸

把∝型時(shí)延線背靠背接入40 Gb/s的仿真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中，如圖6所示。發(fā)送機(jī)發(fā)送的單脈沖參數(shù)同前，序列為16位二進(jìn)制特征碼“1010110011100010”。通過(guò)∝型時(shí)延線后，接收機(jī)接收到的傳輸結(jié)果由數(shù)值仿真示波器(Oscilloscope，OSC)和誤碼儀(Bit Error Rate Instrument， BERI)測(cè)量。

圖6　40 Gb/s仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6　40 Gb/s simulation experiment system

圖7是OBPF-3選擇不同波長(zhǎng)時(shí)OSC測(cè)量到的時(shí)延輸出脈沖序列。圖中以1 553 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的時(shí)延為參考點(diǎn)，測(cè)得1 548 nm脈沖序列延遲185 ps，1 544 nm脈沖序列延遲316 ps。這些脈沖的半極大全寬介于5～6 ps，比初始脈沖(6.25 ps)稍窄。

圖7　輸出不同時(shí)延的脈沖序列Fig.7　Pulse sequence outputting different output delays

圖8是BERI檢測(cè)到的輸出脈沖序列的波形質(zhì)量，此時(shí)OBPF-3中心波長(zhǎng)置于1 544 nm，OBPF-2中心波長(zhǎng)置于1 546.5 nm。圖8(a)中Q最大值是23.6，曲線較對(duì)稱，峰值位于比特周期的中間，表明輸出序列易于判決。圖8(b)的眼圖直觀顯示了通過(guò)時(shí)延線后脈沖的失真程度，而中間的BER模板(BER patterns)更好地表明輸出脈沖序列的質(zhì)量很好(BER?10-12)。

(a)最大Q值為23.6(a) Maximum Q value is 23.6

(b)眼圖，BER?10-12(b) Eye pattern， BER?10-12圖8　輸出脈沖序列的Q值和眼圖Fig.8　Output Q values of pulse sequence and eye pattern

5　結(jié)　論

本文根據(jù)全光網(wǎng)交換和高速光通信的時(shí)分復(fù)用技術(shù)對(duì)時(shí)延調(diào)節(jié)的需求，提出了平坦展寬頻譜的易于實(shí)現(xiàn)的全光纖∝型時(shí)延線。首先介紹了通過(guò)展寬頻譜的選擇獲得不同時(shí)延的工作原理，然后研究了時(shí)延線的工作性能。在適宜的脈沖峰值功率下，因HNLF中小量色散的存在，除SPM以外的非線性效應(yīng)不會(huì)對(duì)∝型時(shí)延線性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，利用光波分裂可使展寬頻譜平坦化。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：40 Gbps脈沖序列仿真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的Q值達(dá)23.6，時(shí)延線在保證輸出脈沖質(zhì)量(BER?10-12)的情況下可以獲得較大的時(shí)延調(diào)節(jié)量，能滿足全光網(wǎng)和高速時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的需求。

后續(xù)工作將進(jìn)一步分析初始啁啾、脈寬、脈沖形狀和調(diào)制碼型等對(duì)∞型時(shí)延線性能的影響和適用性，并研究解決方案。

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曹繼紅(1978-)，男，四川鄰水人，博士，講師，2003年于中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得碩士學(xué)位，2007年于北京交通大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光通信和光傳感方面的研究。E-mail: cjhjohn@sina.com

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∝-type tunable all-optical delay line on flat broadened spectrum

CAO Ji-hong*， CHEN Wei

(KeyLaboratoryofAllOpticalNetwork&AdvancedTelecommunicationNetwork，theMinisterofEducationofChina,BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China)

According to the requirements of all optical networks and high speed optical time division multiplex systems for the time delay adjustment, a novel tunable ∝-type delay line is proposed based on the optical fiber nonlinear effect. The delay line is consist of some all-fiber-type devices, such as special optical fibers， optical fiber gratings， and optical fiber amplifiers. On the self-phase modulation, group-velocity dispersion effect and the light splitting effect, the delay line obtains the flat broadened spectrum with an approximate linear time delay and implements the time delay control with the help of a tunable optical fiber grating. Moreover, it converts the operation wavelength in a certain range under the control. The numerical evolution results of single picosecond pulse indicate that the delay has been up to 300 ps in the wavelength range of 10 nm， and the maximum outputQvalue up to 23.6 in one 40 Gbps at the simulation experiment system. These experiment results show that the all-optical delay line gets better time delay properties under maintaining a good pulse output(Bit Error Ratio (BER)?10-12) and satisfies the requirements of all optical networks and high speed optical time division multiplex systems.

all-optical delay line; tunable delay line; optical fiber nonlinear effect; flat broadened spectrum; dispersion; all-optical network; time division multiplexing

2016-03-02；

2016-05-04.

國(guó)家973重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2010CB328206)

文章編s號(hào)1004-924X(2016)08-1827-07

TN929.11; TN915.05

A

10.3788/OPE.20162408.1827