自相位调制的频谱展宽研究_图文

1、通信系统与网络技术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(20090520030203SPM 2induced spectral broadenin

2、gZhu Liju an(College of Electronic Science and Engineering ,Nanjing University of Posts and Telecommunications ,Nanjing 210003,China Abstract :Self 2Phase Modulation (SPM in optical fibers tends to result in the spectral broadening of optical pulses.In this pa 2per ,SPM effect is simulated in Optisy

3、stem by adjusting the parameters of fibers and optical pulses ,the influences of such pa 2rameters as fiber length ,peak power ,pulse shape and initial chirps on SPM spectrum are analyzed in detail and a phenomenon of spectral narrowing at the fiber output end caused by the negative initial chirp is

4、 observed.K ey w ords :SPM ;spectral broadening ;G aussian pulse ;super 2Gaussian pulse ;chirp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(DWDM 系统中,频谱展宽是非常严重的问题,可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。

5、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压缩方面得到了应用。但对于具有较高峰值功率的脉冲(P 0>1W ,若其脉冲宽度较宽(T 0>100p 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。1SPM 与仿真模型1.1SPM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,但脉冲形状保持不变。而瞬时变化的相位引

6、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(T =2m T 0L effL NLTT 02m-1exp -T2mT 0,(1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L NL =n 20cA effP 0-1,式中,P 0为峰值功率,n 2为非线性折射率系数,

7、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P 0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OptiSystem 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。32009年第5期(总第155期光通信研究STUD Y ON OP TICAL COMMUNIC

8、A TIONS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 。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/W 1波长/nm 1550半高宽/ps 12.5阶数m 1或3啁啾定义线性啁啾因子C/rad/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/

9、km 0有效面积/m 280非线性系数/m 2/W2.6e -020自相位调制使能群速度色散未使能表3不同z/L NL 下的光纤长度取值z/L NL 00.5 1.5 2.5 4.5z/km1.19233.57705.961710.73112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1W ,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 =0rad/s 。信号的峰值功率固定为1W 。根据表3改变光纤的长 图2所示。图2m =1、C =0r

10、ad/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,且最外层峰幅度最大,峰的数目也随着传输距离的增加而增多。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

11、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13朱莉娟:自相位调制的频谱展宽研究的频率啁啾几乎为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

12、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,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 =5rad/s 。光纤长度z 由0递增至8km 。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4km 左右

13、达到最窄,然后又慢慢变宽,同时频谱形状发生畸变。取C =5rad/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

14、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(12:22226.4Rui Meleiro ,Alvaro Buxens ,Daniel Fonseca.Impactof Self 2Phase Modulation on In 2Band Crosstalk Penal 2ties J .IEEE Photonics Technology Letters ,20