基于光子晶体光纤四波混频的光波长变换

1、基于光子晶体光纤四波混频的光波长变换*龚磊,尹飞飞,陈宏伟,陈明华,谢世钟(清华大学电子工程系,北京100084)摘要:研究了光子晶体光纤(PCF)中基于四波混频(FWM)的全光波长变换实现以及相应的变换效能。使用C-L波段内具有平坦正色散特性的高非线性PCF,对基于FWM效应的光波长变换进行了理论分析,根据相应原理进行了波长变换实验系统的软件仿真,并以此为依据设计实验装置进行了实验验证。实验结果基本符合相应的理论计算以及系统仿真,在中心波长为1540、1545以及1550 nm的频带范围内分别得到了-17.381、-16.897和-17.787 dB的最高转换效率,分别对应18、17和13

2、nm的3dB转换带宽。关键词:四波混频(FWM);波长变换;光子晶体光纤(PCF);转换效率; 3 dB带宽1引言从20世纪90年代中期开始,由于波分复用(WDM)方式在光传输网中明显的优越性,其发展非常迅速。随着WDM器、光放大器和光纤等性能的不断改进,波长信道数在逐步增加。可想而见,WDM网的带宽虽然很宽,但一根光纤中能够复用的波长数量终归是有限的,所以可用波长数将大大少于节点数目和用户数量。但如果能够采用波长变换技术,让信号在节点上从一个波长变换到另一个波长,使同一波长在不同的区域中重复使用,这样就解决了波长争用的问题。因此,波长变换是WDM全光通信网中非常关键的技术。光波长变换技术总体

3、可分为采用光-电-光和全光波长变换两种方式。前者较成熟,但面临电子瓶颈问题,传输速率受到限制;相比之下,后者是更有前景的发展方向。基于四波混频(FWM)原理的波长变换是目前非常有研究前景的全光波长变换技术1,具有保留了原有信号的相位和幅度信息、信号调制速率较高(可达到40 Gbps)、对偏振敏感程度小、变换后码型不反转以及波长变换跨度较大等优点。然而,在以往使用普通非线性光纤的试验中,变换效率低和变换信号信噪比(SNR)恶化限制了其应用。要在光纤中产生足够强的FWM效应,需要光纤具有合理的色散特性以及高非线性,普通光纤难以达到相应的要求。但如果使用微结构的光子晶体光纤(PCF),则能够在一定程

4、度上克服这些缺点。在使用PCF的波长变换实例中,文献2,3已经实现了最大转换效率-20 dB、3 dB转换带宽20 nm的全光波长变换,而文献4、5已经实现从1550nm频带变换到可见光频段,跨度达到375 THz,信号速率155.52 Mb/s的波长变换。本文使用了具有高非线性以及平坦正色散的PCF,在C波段上实现了基于FWM的光波长变换。非线性PCF的长度为60 m,采用了通过气孔将光束引导进入纯硅核心的覆层微观结构。2基于FWM效应的理论分析和仿真计算FWM是基于介质的三阶非线性效应。简并条件下,在介质中同时注入一束较强的连续泵浦光和一束较弱的信号光,频率分别为p和s,因非线性作用将产生

5、新的光波,其频率i=p-s,称为闲频光。闲频光复制了信号光的振幅和相位信息,这样就实现了波长转换的目的。参与FWM的泵浦、信号以及闲频三束光的幅度Aj(z)满足光纤中的耦合振幅方程3 Ap(z) z=i|Ap|2Ap-2(|As|2+|Ai|2)Ap+2AiAsA*pexp(iz)-p2Ap(1) As(z) z=i|As|2As+2(|Ap|2+|Ai|2)As+2A2pA*iexp(iz)-s2As(2) Ai(z) z=i|Ai|2Ai+2(|Ap|2+|As|2)Ai+2A2pA*sexp(iz)-i2Ai(3)式中:为非线性系数;为光纤衰减损耗;为相位失配,满足6= (nss+nii

6、-2npp)/c (4)其中:n代表光纤模式的有效折射率。要使得FWM过程得以进行,需要满足相位匹配条件=0。忽略波长变换跨度较小时以及受频率变化的影响,将其看做常数,能够解出7Pi=Pp1-e-L2Pse-L22+21+4e-Lsin2L2(1-e-L)(5)波矢失配在频移较小以及时可以近似表示为4=422(fp-fs)2(6)其中,2为二阶色散参量。这样,就能够在频移较小以及不太靠近零色散点的情况下将所关心的FWM波长转换效率t=10log(Pi/Ps)近似表示为和PCF属性相关的已知量以及频移的函数。基于以上分析,在OptiSystem中进行了PCF中FWM波长变换的系统仿真。仿真中,尽

7、量采用和实验相同的条件,作为后面所进行实验的参考。系统使用了2个连续激光器分别作为泵浦光和信号光,功率分别设为26 dBm和0dBm,在通过耦合器后进入光纤进行FWM波长变换。将泵浦波长分别固定在1 540、1 545以及1 550 nm,改变信号光的波长,得到的峰值效率分别为-12.194、-12.531以及-12.305 dB,得到的3 dB转换带宽均为15nm。图1给出了不用泵浦波长时的转换效率曲线图1不同泵浦波长时仿真的转换效率3实验过程图2是以OptiSystem系统仿真的结构图为基础搭建出的实现FWM波长变换的实验装置。泵浦光和信号光均使用连续激光器作为光源,其功率能够在6 dBm

8、以下进行调节。在两束光通过耦合器耦合后使用了掺铒光纤放大器(EDFA)进行放大,耦合光被放大为26 dBm。为了抑制受激布里渊散射(SBS),在泵浦光进入耦合器前通过相位调制器(PM)对泵浦光的相位进行调制,从而达到扩频的目的,提高SBS的阀值。这样就能够允许泵浦光放大到比较高的功率而不受SBS的影响，提高了波长转换效率。图2FWM波长变换实验装置将泵浦分别固定在1540、1545以及1550 nm,改变信号光的波长,测量不同位置FWM产生的闲频光以及相应信号光的功率,得到的峰值效率分别为-17.381、-16.897以及-17.787dB,3 dB转换带宽分别为18、17以及13 nm,如图

9、3所示。实验中,每改变一次信号光位置,都需要对偏振控制器(PC)进行调节,以确保信号光与泵浦光的偏振态趋于一致,从而得到最大的波长转换效率。图4给出的是一组实验中产生的典型的FWM效应光谱图,泵浦波长为1545 nm,信号波长为1550 nm。应注意的是,泵浦位于1550 nm处的3 dB转换带宽只有13 nm,实际上在15411544 nm这一段上转换效率虽然没有达到3 dB带宽要求的-20 dB,但也有-22 dB,仍可以看作处于能够有效产生FWM效应的范围内。这样,泵浦在3个位置的转换带宽大小还是比较接近的。实验的结果与相应的仿真结果基本吻合,实验测出的峰值效率之所以偏低,主要是由于实验

10、装置中的光路连接以及耦合存在一定的损耗,使得泵浦光功率低于预期的指标,从而造成波长转换效率的降低。图3不同泵浦波长时实验的转换效率图4实验产生的典型FWM波长变换光谱图4结论在PCF 1550 nm波长附近的不同位置,对基于FWM波长变换的效能进行了研究。在OptiSystem上实现了泵浦分别固定在1540、1545以及1550 nm处的基于PCF的FWM波长变换仿真,并在此基础上进行了实验,得到泵浦位于1540 nm处最高转换效率为-17.381 dB、转换带宽为18 nm;泵浦位于1545 nm处最高转换效率为-16.897 dB,转换带宽为17 nm;泵浦位于1550 nm处最高转换效率

11、为-17.381 dB、转换带宽为13 nm。实验结果与仿真结果基本吻合。参考文献:1CAO Zi-zheng,DONG Ze,LU Jia,et al.All-optical orthogonal-pump wavelength conversion of optical OFDM signalJ.Jour-nal of Optoelectronics·Laser,2009,20(5):622-627.曹子峥,董泽,卢嘉,等.光正交频分复用信号垂直泵浦全光波长变换研究J.光电子·激光,2009,20(5):622-627.2ZHANG Lan, YANG Bo-jun,

12、WANG Qiu-guo, et al.All-opticalwavelength conversion based on photonic crystal fiberJ.Journal of Acta Photonica Sinica,2008,37(11):2203-2205.张岚,杨伯君,王秋国,等.基于光子晶体光纤的全光波长变换研究J.光子学报,2008年,37(11):2203-2205.3ZHOU Hui-li,ZHANG Xia,GAO Jian,et al.Theoretical and ex-perimental analysis of wavelength conversi

13、on in dispersion-flat-ted photonic crystal fibersJ.Journal of Optoelectronics·La-ser,2009,20(1):28-31.周会丽,张霞,高健,等.色散平坦光子晶体中实现光波变换的研究J.光电子·激光,2009,20(1):28-31.4Jiang R,Saperstein R,Alic N.et al.375THz parametric trans-lation of modulated signal from1 550nm to visible bandA.Optical Fiber Com

14、munication Conference National Fiber Optic Engineers ConferenceC.2006.5Jiang,Rui,Saperstein,Robert E,Alic,Nikola,et al.Continuous-wave band translation between the near-infrared and visiblespectral rangesJ.Journal of Lightwave Technology,2006,25(1):58-66.6Govind P,Agrawal.Nonlinear fiber optics,Third Edition & Ap-plications of Nonlinear Fiber Optics.2002.7WANG Qiu-guo, ZHANG Hu, ZHANG Xia, et al. Experiment