自相位调制的频谱展宽研究.docx

2009 年 第 5 期(总第 155 期)光 通 信 研 究STUD Y ON OP TICAL COMMUNICA TIONS2009. 10( Sum. No. 155)自相位调制的频谱展宽研究朱莉娟(南京邮电大学 电子科学与工程学院 ,江苏 南京 210003)通信系统与网络技术摘要 :光纤中的自相位调制 ( SPM) 会导致光脉冲的频谱展宽 。文章作者通过调整光纤参数和光脉冲参数 ,利用 OptisyStem 软 件成功地模拟出了 SPM 效应 ,并详细分析了光纤长度 、峰值功率 、脉冲形状和初始啁啾等参数对 SPM 谱的影响 ,观察到了负 的初始啁啾使光纤输出端的脉冲频谱窄化的现象 。关键词 :自相位调制 ;频谱展宽 ;高斯脉冲 ;超高斯脉冲 ;啁啾中图分类号 : TN915文献标识码 :A文章编号 :100528788 (2009) 0520030203SPM2induced spectral broadeningZhu Lijuan(College of Electronic Science and Engineering , Nanjing University of Posts and Telecommunications , Nanjing 210003 , China)Abstract : Self2Phase Modulation ( SPM) in optical fibers tends to result in the spectral broadening of optical pulses. In this pa2 per , SPM effect is simulated in Optisystem by adjusting the parameters of fibers and optical pulses , the influences of such pa2 rameters as fiber length , peak power , pulse shape and initial chirps on SPM spectrum are analyzed in detail and a phenomenonof spectral narrowing at the fiber output end caused by the negative initial chirp is observed.Key words : SPM ; spectral broadening ; Gaussian pulse ; super2Gaussian pulse ; chirp2 m自相位调制 ( SPM) 效应是光波在光纤中传输 时光波本身引起的相移 ,起源于光纤的折射率与电 场强度之间的非线性效应 克尔 ( Kerr) 效应 ,其结 果会导致光脉冲的频谱展宽。在密集波分复用形状保持不变 。而瞬时变化的相位引起了瞬时频率 的变化 ,其差值对时间的依赖关系可被看作频率 啁啾 。当考虑入射场为超高斯脉冲时 , 其 SPM 所 致啁啾( T) 为(DWDM) 系统中 ,频谱展宽是非常严重的问题 ,可( T) = 2 m L eff T2 m- 1exp - T ,(1)导致一个信道的脉冲光谱与另一个信道的脉冲光谱 发生重叠 ,从而影响系统性能。SPM 所带来的频谱展宽与许多因素有关 ,如入 纤信号的峰值功率 、光纤长度 、脉冲形状和初始啁啾 等 ,但脉冲形状始终保持不变 。而当 SPM 和群速 度色散 ( GVD) 同时作用影响光脉冲时 ,脉冲形状也 会受影响 。在光纤的反常色散区 ,这两种现象共同T 0 L NLT 0T 0上式在 m = 1 时对应高斯脉冲 。对于较大的 m , 入射 脉冲的前后沿变陡 ,脉冲近似为矩形。L eff 为有效长度 , 且 L eff = 1 - exp ( - z ) /, 式中 ,为光纤损耗 。由于光纤存在损耗 , 因此 L eff 比 实际光纤长度要短 。当光纤无损耗时 , 有效长度 L eff 等于光纤长度 z 。光纤的非线性长度表示为 L NL , 且作用的结果导致光纤中孤子的形成 ; 在光纤的正常色散区 , SPM 和 GVD 效应的共同作用已在光脉冲 n20cAL NL =P0eff- 1, 式中 , P0 为峰值功率 , n2 为非线压缩方面得到了应用 。但对于具有较高峰值功率的 脉冲 ( P0 1 W) , 若 其 脉 冲 宽 度 较 宽 ( T0 100 p s) ,则 GVD 效应可以忽略 。本文主要考虑忽 略 GVD 效应的 SPM 对脉冲频谱的展宽。1 SPM 与仿真模型1. 1 SPM光纤中 SPM 的一般描述需要对光脉冲在光纤 中的脉冲传输方程求数值解。数值解结果表明 , SPM 产生了随光强及光纤长度变化的相位 ,但脉冲性折射率系数 , c 为光速 ,0 为中心频率 , A eff 为纤芯有效截面 。从以上分析可知 ,对于给定的信号峰值功率 ,频 率啁啾随着光纤长度 z 线性增大 ; 对于给定的光纤 长度 , 频率啁啾则随着峰值功率 P0 线性增大。1. 2仿真模型OptiSystem 是一款光通信系统模拟软件 ,具有 强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义 。 利用 Opti System 模拟软件搭建的仿真装置如图 1 所示 。发端利用比特序列发生器和光高斯脉冲发生收稿日期 :2009206204作者简介 :朱莉娟 (19732) ,女 ,江苏泰兴人 ,讲师 ,硕士 ,研究方向为光通信技术 。朱莉娟 : 自相位调制的频谱展宽研究器产生入纤信号 ;光纤选用单模光纤 ,可以通过设置 光纤的色散参数和非线性参数来仿真光纤的色散效 应和非线性效应 。为了收集仿真结果 ,选用了光谱 分析仪来观测脉冲传输前后的频谱 ,选用光时域示 波器来观察脉冲传输前后的时域波形。度 ,分别取 z/ L NL 为 0. 5、1. 5 和 2 . 5,无啁啾高 斯脉冲的 SPM 展宽频谱随光纤长度的变化规律如 图 2 所示 。图 1演示 SPM 对脉冲频谱影响的仿真装置图 为简单起见 ,仿真时选取光纤损耗为零 ,则光纤的有效长度 L eff 等于光纤实际长度 z 。光高斯脉冲 及光纤的主要参数设置分别如表 1表 3 所示。表 1光高斯脉冲的主要参数名 称数 值 功率/ W1波长/ nm1 550半高宽/ ps12. 5阶数 m1 或 3啁啾定义线性 啁啾因子 C/ ra d/ s0 、5 或 - 5 表 2光纤的主要参数名 称数 值纤长见表 3衰减/ dB/ km0有效面积/m280图 2m = 1 、C = 0 rad/ s 时 ,无啁啾高斯脉冲的 SPM 展宽频谱随光纤长度的变化规律从图 2 可以看到 ,当脉冲沿光纤传输时 ,随着光 纤长度的增加 ,新的频率分量不断产生 ,从而导致频 谱展宽 。同时 , SPM 所致频谱展宽在整个频率范围内伴随着振荡结构 。通常 ,频谱由多个峰组成 ,且最非线性系数/ m2 / W2. 6e - 020自相位调制使能 群速度色散未使能 外层峰幅度最大 而增多。,峰的数目也随着传输距离的增加 表 3 不同 z/ L NL 下的光纤长度取值 z/ L NL00 . 51 . 52 . 54 . 5 z/ k m01 . 192 3 3 . 577 0 5 . 961 7 10 . 731 1 2仿真结果分析2. 1无啁啾高斯脉冲的 SPM 谱固定信号峰值功率为 1 W ,通过改变光纤长度 观察无啁啾脉冲的频谱演变 。同样 ,固定光纤长度 , 增加信号峰值功率 ,也可以观察到相同的频谱演变 过程。为了观测无啁啾高斯脉冲频谱的变化规律 ,取 表 1 中的阶数 m = 1 , 啁啾因子 C = 0 rad/ s 。信号 的峰值功率固定为 1 W 。根据表 3 改变光纤的长2. 2脉冲形状对 SPM 谱的影响由式 (1) 得知 , SPM 所致频率啁啾与脉冲形状 有关 ,不同的 m 值会影响 SPM 对频谱的展宽状况 。 图 2 显示了 m = 1 时的高斯脉冲的频谱变化规律 , 下面将观察 m = 3 时的超高斯脉冲的频谱变化规 律 , 以考查 m 变化所带来的脉冲形状变化对频谱变 化的影响 。事实上 , m 值越大 ,脉冲的前后沿就变得 越陡 ,这样的脉冲一开始就有较宽的频谱 。通常 ,由 直接调制的半导体激光器发射的脉冲就属于这一 类 ,而不能近似为高斯脉冲 。取 m = 3 ,其它参数同上 。无啁啾超高斯脉冲 的 SPM 展宽频谱随光纤长度的变化规律如图 3 所 示 。显然 ,对于超高斯脉冲 ,其很大一部分能量仍集 中在中心峰处 ,这说明 SPM 在中心频率附近产生31光通信研究2009 年 第 5 期 总第 155 期的频率啁啾几乎为 0 ,其频率啁啾主要出现在前后沿附近 。这和图 2 所示的高斯脉冲谱的演变有很大 差异。图 3m = 3 时 ,无啁啾超高斯脉冲的 SPM 展宽 频谱随光纤长度的变化规律图 4 是高斯脉冲 ( m = 1) 和超高斯脉冲 ( m = 3) 在 z/ L NL 取 4. 5时的频谱对照图 。该图进一步 说明了脉冲形状所带来的频谱差异 。此时 ,超高斯 脉冲的频谱范围大约是高斯脉冲频谱的 3 倍 ,表明 具有较陡前后沿的脉冲更易被展宽 。另外 ,尽管两 者的频谱都出现了 5 个峰 ,但其能量分布不同。图 4无啁啾高斯和超高斯脉冲 SPM展宽频谱的比较2. 3初始啁啾对脉冲频谱的影响SPM 所产生的频率啁啾会导致脉冲频谱的展 宽 ,初始频率啁啾和 SPM 同时作用时 , 则会引起 SPM 所致展宽的脉冲频谱发生急剧变化 。取 m = 1 , C = 5 rad/ s 。光纤长度 z 由 0 递增至 8 km 。带有初始啁啾的高斯脉冲的 SPM 展宽频谱如图 5 所示 。图 5初始啁啾对脉冲频谱的影响从图 5 中看出 ,随着光纤长度的增加 ,光纤输出 端的频谱先是变窄 ,在 4 km 左右达到最窄 ,然后又 慢慢 变 宽 , 同 时 频 谱 形 状 发 生 畸 变 。取 C = 5 rad/ s ,其他参数不变 ,可以观察到正的初始啁啾 对 SPM 展宽频谱的影响 。仿真结果表明 , 正的初 始啁啾不会导致频谱的窄化现象 。由此可以得出结 论 ,SPM 产生的频率啁啾对脉冲的负初始啁啾有补 偿作用。3结束语光纤中的 SPM 会造成脉冲频谱的变化 。例 如 ,通过对高斯脉冲的分析可知 , SPM 会导致前沿 谱红移 ,后沿谱蓝移 ,脉冲频谱被展宽 ,同时频谱出 现振荡结构。对超高斯脉冲的分析也有类似的结 果 ,只是频谱能量 分布 有很大 差异。另 外 , 由 于 SPM 会引入新的频率啁啾 ,该频率啁啾附加到脉冲 的初始线性啁啾上 ,也会改变其频谱结构 。一般情况下 , SPM 效应在超长距离的高速光 纤通信系统中表现比较明显 ,在进行此类系统的设 计时 ,除了要考虑色散之外 ,还应注意光纤非线性效 应对传输性能的影响 。通常 ,可以通过合理分配线 路光信号功率或色散补偿的方法来改善 SPM 带来 的信号劣化 ,增加系统的传输距离。参考文献 : 1 贾东方. 光纤光学原理及应用 M . 北京 : 电子工业 出版社 ,2002. 2 陈胜钰 , 邱怡申 , 李雪梅. 自相位调制的频谱分析J . 闽江学院学报 (自然科学版) , 2006 , 27 (2) : 37241. 3 朱伟明. 光子晶体光纤中自相位调制效应对超高斯脉 冲传输的影响 J . 光子学报 , 2007 , 36 (12) :22226. 4 Rui Meleiro , Alvaro Buxens , Daniel Fonseca. Impact of Self2Phase Modulation on In2Band Crosstalk Penal2 ties J