光纖通信中自相位調(diào)制與四波混頻影響因素仿真*

孫 活

(四川工商學(xué)院 電子信息工程學(xué)院， 成都 610000)

光纖通信中自相位調(diào)制與四波混頻影響因素仿真*

孫 活

(四川工商學(xué)院 電子信息工程學(xué)院， 成都 610000)

為了解決在高速率傳輸過程中，光纖介質(zhì)的非線性效應(yīng)及其在波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中光信號造成的嚴(yán)重衰減問題，圍繞自相位調(diào)制和四波混頻兩種非線性效應(yīng)進(jìn)行分析，采用OptiSystem模擬軟件分析了造成SPM和FWM效應(yīng)的主要變量因素.結(jié)果表明，輸入功率、信道間隔以及色散是造成自相位調(diào)制和四波混頻性能變化的主要原因，通過調(diào)整這些參數(shù)可以提高光纖傳輸性能，為進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ).

四波混頻； 信號衰減； 自相位調(diào)制； 非線性效應(yīng)； 脈沖頻移； 光纖色散； 信道間隔； 邊帶功率

光纖是長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Х绞剑畔⒁怨獾男问酵ㄟ^光纖傳輸.由于光纖具有高帶寬、高數(shù)據(jù)傳輸速率、強(qiáng)抗干擾能力、電氣隔離、信號安全性高、較小的尺寸和重量等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前的主導(dǎo)技術(shù).然而，光學(xué)光纖通信中仍存在一些物理限制因素，這些限制因素包括線性和非線性兩種.在光通信系統(tǒng)中，通過光纖的光信號可能受到線性或非線性影響，此處線性與非線性特指強(qiáng)度獨(dú)立和強(qiáng)度依賴現(xiàn)象.非線性效應(yīng)在高功率情況下變得明顯，并影響系統(tǒng)性能.因此，在設(shè)計光纖通信系統(tǒng)時應(yīng)著重考慮非線性效應(yīng).非線性效應(yīng)分為兩類，分別為非線性折射效應(yīng)和非線性散射效應(yīng).主要的非線性效應(yīng)包括自相位調(diào)制(SPM)、相位調(diào)制(XPM)、四波混頻(FWM)、受激拉曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS).SPM、XPM和FWM是非線性折射效應(yīng)，SRS和SBS是非線性散射效應(yīng).非線性折射效應(yīng)是由于折射率對施加的電場強(qiáng)度的依賴性所造成的[1].例如，光纖二氧化硅的介質(zhì)在強(qiáng)電磁場時非線性地響應(yīng)于光.光纖中的感應(yīng)非線性介電極化表達(dá)式為

PNL(r，t)=ε0χ(3)E3(r，t)

(1)

式中：PNL(r，t)為非線性介電極化，r為位置矢量，t為時間；ε0為真空介電常數(shù)；χ(3)為三階極化率；E3(r，t)為電場.三階極化率χ(3)引起SPM、XPM和FWM效應(yīng).本文圍繞自相位調(diào)制與四波混頻兩種非線性效應(yīng)對光纖通信的非線性信號進(jìn)行觀察，并采用OptiSystem13模擬工具對變量效應(yīng)因素進(jìn)行了分析，以觀察導(dǎo)致SPM和FWM增長的各種因素.

1 自相位調(diào)制

光纖的折射率取決于通過光纖傳播的光信號強(qiáng)度.在SPM中，由于光信號在光纖傳播過程中經(jīng)歷的相移是自感的，因此，該現(xiàn)象被稱為自相位調(diào)制[2].當(dāng)光脈沖通過光纖傳輸時，光纖中任意一點(diǎn)的強(qiáng)度隨著脈沖的通過而上升，然后下降，導(dǎo)致產(chǎn)生時變折射率.短暫性變化指標(biāo)造成非線性相移隨時間變化.光場的相位變化表達(dá)式為

(2)

圖1 SPM引起的光脈沖頻移對比Fig.1 Comparison in frequency shiftof optical pulse due to SPM

頻移的時間依賴性稱為頻率啁啾.由于SPM效應(yīng)，當(dāng)脈沖持續(xù)通過光纖傳播時，會連續(xù)產(chǎn)生新的頻率分量.由SPM生成的頻率分量擴(kuò)大了光脈沖的頻譜，這種脈沖頻譜擴(kuò)展顯著增加了信號帶寬，并限制了光纖通信系統(tǒng)的性能[3].SPM造成的損耗取決于系統(tǒng)的輸入功率.

2 四波混頻

四波混頻是非線性現(xiàn)象，也稱為三階參數(shù)過程.參數(shù)化過程源自材料的有界電子對應(yīng)用光場的非線性響應(yīng)，其中，介質(zhì)中引發(fā)的極化是非線性的，其幅度由非線性磁化率決定.三階極化率造成FWM現(xiàn)象，F(xiàn)WM包括頻率為ωi、ωj、ωk的3個波組合以及頻率為ωi±ωj±ωk的第4個波.頻率1和2兩種波的混合如圖2所示.當(dāng)這些波混合時，其以新的頻率2ω1-ω2和2ω2-ω1產(chǎn)生邊帶.這些邊帶與光纖中的原始波一起向前傳播，從而導(dǎo)致信號強(qiáng)度被消耗.一般而言，若N個波進(jìn)入光纖，則FWM產(chǎn)生的混合波數(shù)量M的計算表達(dá)式為

M=N2(N-1)/2

(3)

圖2 兩種波的混合Fig.2 Mixing of two waves

混合產(chǎn)物中的一部分出現(xiàn)在接近某些工作波長的范圍，新產(chǎn)生的光波干擾原始信號.FWM降低了系統(tǒng)性能，并在波分復(fù)用(WDM)光通信系統(tǒng)中引入了串?dāng)_，因此，F(xiàn)WM是主要的限制因素，F(xiàn)WM效應(yīng)隨光纖功率水平而變化.FWM干擾取決于在多信道光纖通信系統(tǒng)中如何選擇信道數(shù)量或信道間隔.通信系統(tǒng)中FWM的限制依賴于色散[4]，因此，研究提高光纖非線性的因素極其重要.

3 模擬設(shè)置

本文使用OptiSystem 13仿真軟件分析助長SPM和FWM效應(yīng)的不同因素.OptiSystem可以用來設(shè)計絕大部分類型的光鏈路，并對各類光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析.OptiSystem提供有源和無源元件庫，用于實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)和查看結(jié)果.每個元件均有可調(diào)整的參數(shù)，以獲得優(yōu)化的結(jié)果[5].

SPM分析系統(tǒng)模型如圖3所示.光學(xué)高斯脈沖發(fā)生器的工作波長設(shè)定為1 552 nm，其功率從10～47 mW不等，光纖長度為76 km.在光纖中引入了自相位調(diào)制效應(yīng)，光譜分析儀用于在光纖輸出端觀察SPM引起的輸入脈沖頻譜[6].

圖3 SPM分析模擬模型Fig.3 Simulation model for SPM analysis

本文采用雙信道WDM系統(tǒng)對FWM分析，如圖4所示.兩個連續(xù)波(CW)激光器在1 540和1 540.5 nm波長處產(chǎn)生所需的光信號.使用2×1的WDM多路復(fù)用器通過單信道復(fù)用兩個信號，且多路復(fù)用信號被饋送到光纖中[7].將系統(tǒng)的輸入功率設(shè)置為0 dBm，光纖的有效面積為64 m2，長度為75 km，光譜分析儀顯示光纖端的FWM過程輸出.

圖4 FWM分析模擬模型Fig.4 Simulation model for FWM analysis

4 仿真結(jié)果分析

本文主要觀察影響光纖中SPM和FWM效應(yīng)的因素，如系統(tǒng)的輸入功率、光纖色散和信道間隔等，從而觀察非線性效應(yīng).

4.1 自相位調(diào)制分析

將光學(xué)高斯脈沖發(fā)生器的輸入功率設(shè)置為10 mW，相應(yīng)的輸出光譜如圖5所示.當(dāng)光纖的輸入功率為16、47、78和110 mW時，這些輸入功率值相應(yīng)的輸出光譜如圖6～9所示.由圖6～9可以看出，SPM隨著功率的增加，脈沖頻譜擴(kuò)大.此外，峰值的數(shù)量隨著功率的增加而增加.

4.2 四波混頻分析

使用光纖末端的光譜分析儀觀察輸入功率、色散和信道間隔變化對FWM的影響[8].

圖5 10 mW功率的輸出光譜

圖6 16 mW功率的輸出光譜Fig.6 Output optical spectrum at power of 16 mW

圖7 47 mW功率的輸出光譜Fig.7 Output optical spectrum at power of 47 mW

圖8 78 mW功率的輸出光譜Fig.8 Output optical spectrum at power of 78 mW

1) 輸入功率的影響.CW激光器的輸入功率從0 dBm變化到30 dBm.0、10和20 dBm輸入的輸出頻譜如圖10～12所示.由于現(xiàn)有信號之間產(chǎn)生干擾的四波混頻和新的邊帶信號，故從輸出光譜測量邊帶信號功率，以分析光纖中四波混頻效應(yīng)的程度.圖13為輸入功率與邊帶功率關(guān)系圖.

圖9 110 mW功率的輸出光譜Fig.9 Output optical spectrum at power of 110 mW

圖10 FWM影響下0 dBm功率的輸出光譜Fig.10 Output optical spectrum at powerof 0 dBm under effect of FWM

圖11 FWM影響下10 dBm功率的輸出光譜Fig.11 Output optical spectrum at powerof 10 dBm under effect of FWM

圖12 FWM影響下20 dBm功率的輸出光譜Fig.12 Output optical spectrum at powerof 20 dBm under effect of FWM

由圖10～12可知，在輸入為0 dBm時，由FWM產(chǎn)生的邊帶功率為-60.95 dBm.FWM在10 dBm輸入下產(chǎn)生的邊帶功率為-31.5 dBm.上述曲線圖和功率電平增加的輸出頻譜表明，F(xiàn)WM效應(yīng)、邊帶數(shù)量和邊帶功率均有所增加.

圖13 輸入功率與邊帶功率關(guān)系圖Fig.13 Relationship between input powerand sideband power

2) 色散的影響.為了檢查光纖色散的影響，色散參數(shù)設(shè)置為5和10 ps/nm，相應(yīng)的輸出光譜如圖14、15所示.FWM損害隨著色散的增加而降低，5 ps/nm色散的邊帶功率為-84.32 dBm，而10 ps/nm色散的邊帶功率為-88.14 dBm.圖16為色散與邊帶功率關(guān)系圖.

圖14 色散為5 ps/nm時的輸出光譜Fig.14 Output optical spectrum under chromaticdispersion of 5 ps/nm

圖15 色散為10 ps/nm 時的輸出光譜Fig.15 Output optical spectrum under chromaticdispersion of 10 ps/nm

在增加光纖色散時的曲線圖和輸出光譜表明，F(xiàn)WM損耗減少導(dǎo)致邊帶數(shù)量與邊帶功率減少.

3) 信道間隔的影響.信道間隔變化為1和2 nm，這意味著連接到信道1的CW激光器被設(shè)置在1 540 nm波長，而連接到信道2的CW激光器被設(shè)置在1 541 nm波長以獲得1 nm的信道間隔.連接到信道1的CW激光器設(shè)置在1 540 nm波長，且連接到信道2的CW激光器被設(shè)置在1 542 nm波長以獲得2 nm的信道間隔，輸出光譜如圖17、18所示.

圖16 色散與邊帶功率關(guān)系圖Fig.16 Relationship between chromaticdispersion and sideband power

圖17 1 nm信道間隔的輸出光譜Fig.17 Output optical spectrum atchannel spacing of 1 nm

圖18 2 nm信道間隔的輸出光譜Fig.18 Output optical spectrum atchannel spacing of 2 nm

圖10顯示了信道間隔為0.5 nm的系統(tǒng)輸出光譜.由于FWM在0.5 nm信道間隔處產(chǎn)生的邊帶功率為-60.95 dBm，信道間隔1 nm處的邊帶功率為-77.78 dBm，信道間隔2 nm處的邊帶功率為-83.50 dBm，從而顯示邊帶功率值降低.因此，從圖10、17和18中可明顯看出，F(xiàn)WM效應(yīng)隨著信道間隔的增加而減小.

綜上，在對SPM和FWM分析中，脈沖的輸入功率、信道的數(shù)量及間隔以及光纖介質(zhì)的色散程度都影響著光纖通信的性能，在實(shí)際優(yōu)化工作中，可根據(jù)需求降低傳輸功率，適當(dāng)增加信道間隔，從而提升光纖通信的性能.

5 結(jié) 論

光纖中的非線性效應(yīng)影響通信系統(tǒng)的性能.SPM隨著輸入功率的增加而增長，導(dǎo)致頻譜擴(kuò)大，F(xiàn)WM效應(yīng)在高功率水平下變得顯著.FWM通過引入更多的干擾增加信道數(shù)量或減少信道間隔，色散的降低使FWM效應(yīng)變差.調(diào)整上述參數(shù)能夠獲得可靠的光纖通信系統(tǒng)，使得這些非線性因子均可得以最小化.

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(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Simulationofinfluencingfactorsofself-phasemodulationandfour-wavemixinginopticalfibercommunication

SUN Huo

(School of Electronic Information Engineering, Sichuan Technology and Business University, Chengdu 610000, China)

In order to solve the nonlinear effect of optical fiber medium and the severe attenuation of optical signal in the wavelength division multiplexing (WDM) system during the high speed transmission process, two nonlinear effects of self-phase modulation (SPM) and four-wave mixing (FWM) were analyzed. With the OptiSystem simulation software, the main variable factors causing the SPM and FWM effects were analyzed. The results show that the input power, channel spacing and chromatic dispersion are the main reasons for the performance change of SPM and FWM. Through adjusting these parameters, the transmission performance of optical fiber can be optimized, which lays the foundation for further optimization.

four-wave mixing (FWM); signal attenuation; self-phase modulation (SPM); nonlinear effect; pulse frequency shift; optical fiber dispersion; channel spacing; sideband power

TN 913.8

： A

： 1000-1646(2017)05-0535-05

2017-04-24.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372071).

孫 活(1983-)，男，重慶人，講師，碩士，主要從事電子技術(shù)、光纖通信和通信系統(tǒng)等方面的研究.

* 本文已于2017-08-01 12∶24在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170801.1224.020.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.11