光纤中的四波混频FWM效应及其带来的利弊

1、o p t ica lcom m u n ica t iont echn ol o gyn o. 2中国电信技术类核心期刊光纤中的四波混频(fw m ) 效应及其带来的利弊肖学智 (电子工业部第三十四研究所桂林541004)摘要介绍 fw m 产生的机理, 指出 fw m 效应在光纤通信系统和网络中带来的利和弊,论述了如何利用 fw m 的积极作用和抑制其消极影响。关键词四波混频波分复用光时分复用four-w a ve m ix in g ( fwm ) in f iber- its a c t ive fun c t ion an d nega t ive ef f ec tx ia oxu

2、ezh igu il in in st itute of o p t ica l comm un ica t ion sa bstra c t t h e m ech an ism o f th e gen e r ted fw m in f ib e r is in t ro du ced in th is p ap e r. t h e ac t ive fu n c t io n an d th e n ega t ive effec t o f f ib e r fw m o n op t ica l f ib e r comm u n ica t io n sy s2 tem s a

3、n d n e tw o rk s a re po in ted o u t. h ow to u se th e ac t ive fu n c t io n an d how to supp re ss th e n ega t ive effec t a re a lso d iscu ssed.keyword s fo u r2w ave m ix in g w dm o tdm1引言在一定条件下, 光波在单模光纤中传输 会出现多种光学非线性效应, 其中, 有受激喇 曼散射, 受激布里渊散射, 载波诱导相位噪声 和四波混频 (fw m ) 现象1 。 一方面, 可利用 某些非线性效应设

4、计出多种有用的新型光器 件, 应当加强它; 另一方面, 这些非线性相互 作用又会对光纤传输系统的性能产生不利影 响, 必须设法抑制它。这篇文章将扼要介绍光的光波 f i , f j 和 f k (k i, j ) 注入光纤时, 由于光纤的三阶非线性电极化率的相互作用, 就 会产生频率为 f f = f i j k = f i + f j - f k 的新光频 分 量, 并 遵 从 能 量 守 恒 和 动 量 守 恒 定律2 8 , 根据产生效率的高低, 可检测出一个 或多个。这种非线性相互作用的效率与相位失配 状态密切相关。要获得高的 fw m 效率, 相位 匹配条件必须得到满足3 。 单模光

5、纤中的 fw m 相位匹配条件取决于光纤的色散5 ,纤中的 fw m效应及其带来的利和弊, 指出如何利用其有利方面, 减弱其不利影响。可以推出 fw m系为3, 6 8 :fw m 的效率的效率与相位失配的依赖关产生机理2fwm- lfw m 现象是光纤中的一种有趣的光学非线性过程, 当有任意两个或三个频距很小24esin (l 2)2(1) =1 + + ( )221 - e xp (- l ) 2光 通 信技 术1999 年第 2 期132其中, 相位失配 = (f i ) + (f j ) - (f k ) - (f f ) (2)是光纤损耗系数, l 是光纤长度, 是 传播常数。 =

6、0, 取最大值, 此时, 认为相位匹配 条件得到满足。在光通信技术领域, 人们普遍纤的色散率、光频间隔相关。从 的表达式 ( 式 ( 1) ) 可以看出, 与 , l , 等因素有关, 对给定的光纤而言, , l 一定, 主要考虑 的影响。在 的表达式中, 值得注意的是: 当零 色散波长正好处于两个输入光频 f i 和 f j 的中值光频时, 相匹配条件总能满足。此时, f= f i - f 0 = - (f j - f 0 ) , 即 f i , f j 与 f 0 间的频关心的是零色散波长区光纤中的 fw m象, 其原因是:现距 f相等, 在这种条件下, 由于为了避免由于色散引起的高速传输

7、系统性能恶化, 系统宜工作在零色散波长上, 但f f = f i j k =(f 0 +2f 0 -f i + f j - f k =又要避开该区域中 fw m过程引起的干扰;f ) +f k(f 0 -f ) -f k =在零色散波长附近, 由于相位匹配条件易达到, 此时的 fw m 的效率高, 可发挥fw m 的积极作用。在零色散波长附近考察 时, 可对传 播常数 (f ) 在零色散波长 f 0 附近进行级数 展开8 , 即:于是, 可得出 f k - f 0 =(f f - f 0 ) = f 0 - f f-= f , 即新生光频 f f 和注入的第三个光频f k 与零色散光频 f 0

8、 间的频距 f 也相等。这就是说, 在这三个注入光频不相等的非简并状态下, 由 fw m效应产生的光频分量和第三个光频分量 f k 分别处于以零色散波长 0(或 f 0 ) 为中心对称点的两边对称位置上。当注入的三个光频信号中有两个光频相同时 ( 如 f i = f j ) , 称为部分简并状态, 的表达 式可简化为:(f ) = (f 0 ) + (f - f 0 ) d (f 0 ) +d f1 (f - f 0 ) 2 d (f 0 ) +2d f 2231 (f - f 0 ) 3 d (f 0 ) =d f 3f 0 ) d (f 0 ) -64 dd cd 2 (f i - f k

9、 ) (f i - f 0 )2 = -(f 0 ) +(f -c2d f在 = 0 的相位匹配条件下, f i、f j 均处于f 0 位置即 f i = f j = f 0 , 此时的 fw m 新生光频则处于第三光频分量 f k 以 f 0 为对称中心 的相对位置上。在零色散波长附近, 满足相位匹配条件 的波长排列如图 1 所示。2f 0 ) 2 (f -()c d c f 0 +4f 0 ) 3 (f -3c 2 r2 d c (f 0 ) +dd c(f 0 )(3)d 式中, f 是光频, d c 是光纤色散。该式适用于色散斜率线性的波长区 ( 此时的二阶色散是效应的积极作用及应用前

10、景效 应 的 积 极 作 用 在 于 高 效 的3fwm常量)。再用关系 f f = f i j k = f i + f j -(f 0 ) = 0 可简化得出:f k 及d cfw mfw m 过程产生的新光频分量有种种用途,可以设计出多种新型光器件, 如: 全光波长变4dd c (f = -) +(f-) rffi0j0c2d 换器6, 9 29 , 光解复用器30, 31, 光相位共 轭(f i - f k ) (f j - f k )(4)及色散补偿器3 35 等。器21, 32, 33式(4) 描述了零色散波长附近的相位失配状过程的全光波长变换功能3. 1fwm态。 其中, 是波长,

11、 c 是光速, dd 是光纤色所谓波长变换器是指能把某一波长光波载运的信息变换到另一波长光波上的装置。d 散率, f 0 是零色散光频。 可以看出, 与光1999 年第 2 期肖学智:光纤中的四波混频 (fwm ) 效应及其带来的利弊133光波, 由于在此注入的两光波满足了相位匹配条件, 能够在探测光波的另一边 ( 以 0 为 中心) 获得 fw m 新生波。 此时, 若通过光滤 波器滤掉注入的泵浦波和探测波, 就可以在 检测装置上检测到变换后的新生波信号。这种全光波长变换器在未来的密集波分 复用全光网络中有重要应用, 当网络波长拥 挤或可能出现链路故障时, 需要重组波长路 由, 此时, 波长

12、变换器能作为波长路由的相互 交换器, 引导信号到给定的网络结点, 通过再 利用现有波长来提高网络的容量和灵活性。3. 2 fwm 在高速光定时提取技术中的应 用在高比特率的网络系统中, 为了克服电 处理速度的限制, 人们研究和开发了诸如光时分复用解复用和定时提取之类的时域光 信号处理技术, 采用这种超高速全光信号处理技术的 100gb s 时分复用光传输实验己 见报导30, 36 。 其中, 定时提取或时钟恢复技术必须产生一种能与输入光信号同步的低抖动( 1p s) 的定时时钟, 这是由于所提取的时 钟要分配到诸如去复用器, 路由器, 信道选择 器以及接收机之类的单元中, 而且, 其相位噪 声

13、特性会大大影响网络系统的比特误码率性 能。 高速光定时提取的方法除了用自脉动半 导体激光器的注入锁定技术37 38 、自脉动分图 1 在零色散波长附近满足相位匹配条件的波长排列(a) 为非简并状态 (b) 为部分简并状布反馈激光器 (d fb ) 技术39以及用输入光脉冲流去对锁模环形激光器建立注入锁定的全光时钟恢复技术外40 41 , 还有一种称为锁 相环 (pl l ) 的技术, 其定时提取电路中, 光信 号和时钟之间的相差通过电增益调制激光二 极管行波放大器 (tw 2l da ) 来检测。将光纤 中或半导体光放大器中的 fw m 高速非线性 现象应用于互相关检测, 可大大提高锁相环 技

14、术的工作速度42 43 。3. 3 fwm 过程在光时分复用 (o tdm ) 系 统中的去复用功能为了充分利用光纤的巨大带宽, 光时分 复用系统的信号复用和去复用应在极高的比 特率下进行, 此时, 要避免因电子瓶颈效应引图 2 fwm 波长变换原理实验装置实现全光波长转换的技术途径有多种,利用光纤中的 fw m过程只是其中之一, 借助 fw m 效应来实现全光波长变换的原理实验装置见图 2。 利用前述零色散波长附近的相位匹配特性, 取用给定长度零色散波长为 0 的单模光 纤, 由探测激光器和泵浦激光器分别注入两束激光, 配置泵浦光的波长为 0 , 以 0 为中 心, 在长波或短波方向注入载有

15、调制信号的光 通 信技 术1999 年第 2 期134起的限制, 必须考虑复用和去复用的全光实现方式, 全光去复用将起到低比特率电信号 和高比特率光时分复用信号间的桥梁作用。 迄今, 实现无误码全光去复用的技术有克尔 效应引起相移技术, 也有基于光纤或半导体激光器件的 fw m 过程的技术, 利用 fw m过程作去复用器的特点是结构简单, 无需干 涉装置及相关的高稳定性要求。t. m o r io k a是 用 发 自 另 一 只 ed frl 光 源, 波 长 为1545nm , 脉宽为 3. 5p s 的 tl脉冲去泵浦1km 偏振保持色散移位光纤而产生的。形成的两种超连续脉冲分别通过两只

16、 5nm 带宽 的 光学带通滤波器 (ob f ) 各自产生 1548.9nm 、1. 3p s 泵浦脉冲和 1562. 6nm 、0. 98p s的信号脉冲, 这里的泵浦带宽将受到 3nm 带 宽的w dm 复用器限制。测得泵浦脉冲和信 号脉冲的均方根定时抖动分别为 77f s 和97f s。 信号脉冲以 10gb s (prb s) 速率进行 调制后进入平面波导复用器 ( 50 路 tdm ) 产生 500gb stdm 信号, 这两路脉冲信号 ( 泵等人44首次报导了利用抖动低达 100f s 的低噪声超连续 (sc ) 窄脉冲, 基于 300 米长偏振保持 (pm ) 光纤中 fw m

17、 过程的 500gb s 无 误码全光去复用装置。p. o. h edek v ist 等人45浦和 信 号) 分 别 经 过 ed fa放 大 器 后, 在利用参量放大原理可大大提高去复用功能中 fw m文献 44过程的转换效应。演示的 500gb s 全光去复用w dm 2m u x 合波, 合波信号经 pol起偏后以相同的偏振方向馈入 300m长, 模场直径为 6.fw m8m 的 pm 2d sf光 纤, 该 光 纤 即 为实验装置示于图 3。实验中的 500gb s 信号和 10gh z 泵浦 脉冲均用低噪声超连续窄脉冲, 用于泵浦的 超连续脉冲是用发自一只 ed frl 光源, 波

18、 长为 1570nm , 脉宽为 3. 5p s, 频率为 10gh z 的受限变换 (tl ) 窄脉冲去泵浦 3km 单模色 散移位光纤产生的。 用于信号的超连续脉冲非 线 性 介 质, 其 零 色 散 波 长 为1549nm 。 新生的 fw m 光频分量用 5nm 带宽的两级串联的ob f 滤出, 该去复用信号经前 置 放 大 和 接 收 信 号 处 理, 取 出ed fa10gb s prb s 信号, 通过误码测试仪, 可测出其比特误码率性能。图 3 500gb s 全光去复用实验装置简图ed frl : 掺铒光纤环形激光器; ed fa : 掺铒光纤放大器; sc f: 超连续光纤

19、; ob f: 光学带通滤波器; pc: 偏振态控制器; pol : 起偏器; pm 2d sf: 偏振保持色散移位光纤; pm 2sc f: 偏振保持超连续光纤; m od : 马赫2任达调制器; tdm m u x: 光时分复用 器; p p g: 脉冲图形发生器; b er : 误码测试仪; prb s: 随机比特脉冲序列; p in : 光电检测器; a t t: 衰减器1999 年第 2 期肖学智: 光纤中的四波混频 (fwm ) 效应及其带来的利弊1353. 4 fwm 过程应用于超高速信号在标准单模光纤中传输时的色散补偿在已敷设好的现存诸多系统和网络中, 大都采用了标准的非色散移

20、位光纤 ( n d s f ) , 随着传输速率和通信容量的剧增, 光纤 的色散限制问题就显露出来了。例如: 一个以40gb s 速度传输的系统, 色散将限制传输距 离小于 3km 34 35 , 因此, 必须进行色散补偿。 目前, 人们采用的色散补偿技术有三种: 采 用色散补偿光纤, 这是一种简单而宽带宽的 解决途径, 但耗资将与传输距离成正比, 8 40gb s 传输 240km 实验已见报导46 ; 采 用啁啾布拉格光纤光栅, 这是一种很有前途 的技术, 目前成本仍太高; 采用半导体光放 大 器 中 的 fw m 过 程 实 现 中 距 光 谱 逆 转法抑制 fw m 过程。 消除或减弱

21、其影响的技术途径有: 利用适当的不等间距的信道配置设 计来实现, 其代价是系统占用带宽过大, 限于10 个信道, 每个信道速率为 10gb s 以下的系统49; 利用部分等间距的信道划分并结合特殊设计的色散移位光纤, 能较好地兼顾引入的光功率恶化和系统占用带宽间fw m的矛盾, 也使色散和受激喇曼散射的影响可以忽略50 ; 利用恰当的色散管理方案, 使全色散 补偿波长配置于系统带宽之外, 可以抑制长距离传输积累的 fw m 干扰影响。例如: 对于 长距离、多级 ed fa 放大的dw dm 系统, 若采用标准单模光纤作传输光纤, 高负色散光应 用 此 法 的 传 输 距 离 已 达(m ss

22、i ) ,406km 34 。fw m 2m ss i 法的特点是在相当长的传输距离内, 成本与光纤跨距无关, 且能 部分消除光纤中的自 相 位 调 制 引 起 的 失真47 。d. d. m a rcen ac 等人最近还报导了一 种与偏振无关的m ss i 解决方案, 40gb s 速 率在n d sf 光纤中传输距离达 103km 35 。纤作色散补偿, 由于高的局域色散, fw m的产生受到有效抑制, 这样色散管理的系统, 在可接受的信噪比 (sn r ) 及其变化量的情况下, 20个 w dm信 道 的 系 统 可 传 输4000km 51 。以上途径有的是使 fw m效率降低, 有

23、的是让新生波落在有用信号带外, 均能不同程度地达到抑制 fw m干扰的效果。fwm 现象的不利影响及抑制方法未来光通信是向超高速、超大容量系统 和 网 络 方 向 发 展, 光 密 集 波 分 复 用(odw dm ) 技术被认为是最有实际意义的 技术之一, 在 odw dm 系统中, 由于信道多而密集, 信道间隔小, 光功率密度大, 致使fw m 现象显著, 造成系统的信号功率下降,串音或误码率上升, 使系统性能变坏5, 48 。为45结束语在多波长注入的光纤传输系统中, fw m现象是客观存在的, 其强弱程度与多种因素 有关, 当人们需要避免其不利影响时, 就要设法降低 fw m 的效率,

24、 抑制 fw m 波产生。当 要用其新生光频分量开发新的光器件时, 又了充分利用odw dm技术的优越性, 必须设要设法提高 fw m效率。参考文献123s to len r h. n o n linea r ity in f ib re t ran sm issio n. p ro c. ie e e , 1980 ; 68 : 1232 1236h ill k o et a l. cw th ree2w ave m ix ing in sing le2m o de op t ica l f ibe r s. j. a pp l. p h y s. , 1978; 49 ( 10) : 50

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45、 t rac t io n and a ll2op t ica l dem u lt ip lex ing ba sed o n po la r iza t io n in sen sit ive fo u r2w ave m ix ing. in o fc 94 t ech. d ig. , p a2 p e r pd 23h edek v ist p o et a l. f ibe r fo u r2w ave m ix ing dem u lt ip lex ing w ith inh e ren t p a ram e t r ic am p lif ica t io n. j. l

46、igh tw ave t ech 2no l. , 1997 ; 15 ( 11) : 2051 2058w a tanabe s et a l. com p en sa t io n o f p u lse sh ap e d isto r t io n due to ch rom a t ic d isp e r sio n and ke r r effec t by op t ica l p h a se co n juga t io n. ie e e p ho to n. t ech no l. l e t t. , 1993; 5 ( 10) : 1241 1243k ik uch

47、 is k et a l . com p en sa t io n fo r p u lse w avefo rm d isto r t io n in u lt ra2lo ng d istance op t ica l comm un ica t io n sy stem s by u sing m idw ay op t ica l p h a se co n juga t io r. ie e e p ho to n. t ech no l. l e t t. , 1994; 6 ( 1) : 104 105m a rcenac d d et a l. 40gb its t ram s

48、m issio n o ve r 406km o f n d sf u sing m id2sp an sp ec t ra l inve r slo n by fo u r2w ave2m ix2ing in a 2nm lo ng sem ico nduc to r op t ica l am p lif ie r. e lec t ro n. l e t t. , 1997; 33 ( 10) : 879 880m a rcenac d. d et a l. 40gb its t ram sm issio n o ve r 103km o f n d sf u sing po la r

49、iza t io n indep enden t m id2sp an sp ec t ra l in2ve r sio n by fo u r2w ave m ix ing in a sem ico nduc to r op t ica l am p lif ie r. e lec t ro n. l e t t. , 1998; 34 ( 1) : 100 101m o r io k a t et a l. po la r iza t io n 2indep enden t 100gb its a ll2op t ica l dem u lt ip lexe r u sing fo u r

50、2w avem ix ing in a po la r iza t io n 2m a in ta in ing f ib re loop. e lec t ro n. l e t t. , 1994; 30 ( 7) : 591 592j inno m et a l. a ll2op t ica l t im ing ex t rac t io n u sing a 1. 5m se lf p u lsa t ing m u lt ie lec t ro de d fb l d. e lec t ro n. l e t t. ,1988; 24 ( 23) : 1426 1427b a rn

51、 sley p e et a l. a 45gb s t ran sm issio n sy stem w ith a ll2op t ica l c lo ck reco ve ry. ie e e p ho to n. t ech no l. l e t t. ,1992; 4 ( 1) : 83 86sa r to r iu s b et a l. h igh f requency lo ck ing a t 18gh z in a se lf p u lsa t ing d fb la se r. in t ech. d ig. ecx 93, p ap e r w ep 8.2sm

52、ith k et a l. a ll2op t ica l c lo ck reco ve ry u sing a m o de2lo ck ed la se r. e lec t ro n. l e t t. , 1992; 28 ( 19) : 1814 1816e llisr a d et a l. a ll2op t ica l c lo ck reco ve ry a t b it ra te s up to 40 gb its. e lec t ro n. l e t t. , 1993; 29 ( 15) : 1323 1324kam a tan i o et a l. u lt rah igh 2sp eed c lo ck reco ve ry w ith p h a se lo ck loop ba sed o n fo u r2w ave m ix ing in a t rave ling2w