利用鉍酸鹽光纖高非線性效應實現40Gb/s全光3R再整形

摘要:該文研究的重點是全光3R再生技術中的再整形方法。研究了一個利用光纖的非線性的基于交叉相位調制與自相位調制的40Gb/s歸零信號的再整形方法。文中使用軟件Optisystem 3.0分別對基于高非線性光纖中的自相位調制和交叉相位調制實現再整形，并進行了仿真實驗。該文提出的方案整形后得到的3R再生信號的質量得到了大幅改善。

關鍵詞:全光3R再生;鉍酸鹽光纖;交叉相位調制;自相位調制;再整形;高非線性光纖

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)32-9080-03

40Gb/S Optical 3R-Regeneration Based on Nonlinearities in Bismuthate Fiber

ZHUO Li， WANG Ting， GENG Fu-li

(Xuzhou Air Force College， Xuzhou 221008， China)

Abstract: The paper focuses on re-shaping in all-optical 3R regeneration. First， the concept of all-optical 3R regeneration and methods in common use for the reshaping in all-optical 3R regeneration were introduced. Then， a 40Gbit/s 3R-regeneration system was demonstrated in the paper. The 3R-regeneration system is based on SPM and XPM in HNLF. The experiments were simulated with Optisystem3.0 and compared with other method.The results of experiments and comparison showed that the quality of 3R-regenerated signal was improved greatly.

Key words: 3R-regeneration; Bismuthate Fiber; XPM; SPM

隨著全光網絡的不斷發展，電信行業對信號的傳輸速率和傳輸距離提出了更高的要求。然而，在光通信網中，光纖和各種光器件的損耗會造成信號的衰減;色散(群速度色散和偏振模色散)，會導致光信號的展寬和畸形，發生碼間干擾，使系統的誤碼率增加，限制了網絡節點級聯的能力，嚴重影響通信質量，最終限制了系統和網絡的傳輸速率和距離。所以對光信號進行全光3R再生變得十分必要。全光3R再生保證了信號的質量，提高信號的傳輸距離，可以較好的解決上述問題，使網絡的透明度與靈活性得到增強。

再整形是全光3R再生中的一個重要的環節，它決定了再生信號的最后輸出性能。再整形利用光開關來實現光信號的判決，因而光開關的設計是再整形的核心技術。目前全光3R中實現光判決的方法有:基于半導體飽和吸收效應的電吸收調制器(EAM)，基于非線性光學環鏡(NOLM)，基于SOA的XPM效應的馬赫一曾德干涉儀(SOA-MZI) 或邁克爾遜干涉儀(SOA-MI)等[1]。其中基于EAM 的光開關系統利用EAM的非線性交叉飽和吸收效應，性能穩定，但是EAM工作時需要直流偏置電壓，所以算不上整整意義上的全光判決;基于非線性光學環鏡(NOLM)的光開工作速率高，但是存在尺寸大、不易集成;基于SOA的馬赫一曾德干涉儀(SOA-MZI)光開關系統由于半導體載流子慢恢復時間特性限制了開關工作速度，影響其級聯能力[1]。

本文通過利用光纖的非線性效應，構造了一種基于光纖的自相位調制和交叉相位調制效應的全光光開關，實現全光3R再整形，結構簡單，性能穩定。

1 理論分析

當光纖中存在強電磁場時，由外電場引起的電極化強度P 與外加電場強度E 的非線性關系可表述為

(1)

式中:ε0 是真空中的介電常數，x(j) 為j 階極化率張量。在石英玻璃中，由于介質呈反轉對稱， x(2) 項消失，因而x(3)成為最重要的非線性分量。在準單色近似情況下，將電場的快變化部分分開，寫成如下形式:

(2)

而晶體的非線性極化強度可表示為:

(3)

將(2)代入(3)得:

(4)

上式中 (5)

用為有效的非線性參量。

(4)中產生的新頻率2ω1-ω2;2ω2-ω1屬于四波混頻討論的范疇，必須滿足一定的條件才能產生，而實際過程中一般不滿足，所以忽略這兩項。剩下的兩項對折射率產生非線性作用。可以看出:

(6)

將其與線性部分合在一起: P(ωj)=ε0εjEj (7)

其中:(8)

njL是折射率的線性部分，△nj是三介非線性效應引起的折射率改變量。利用△nj ≤njL(j=1，2)，則非線性部分為

(9)

由(9)式可知，光波的折射率不僅與自身的強度有關，而且還與共同傳輸的其他波的強度有關。當光波在光纖中傳輸時，會獲得一個與強度有關的非線性相位:

(10)

上式中，第一相對應的自相為調制SPM，第二相對應的是交叉相位調制XPM。

當光纖中只有單色光傳輸時，(10)可簡化為: (11)

當E3-j≥Ej時自相為調制可以忽略，(10)可簡化為:(12)

其中γ=ωjn2/c為介質的非線性系數， P0=∣E1∣2，Pp=∣E3-j∣2，L=Z 為互作用長度，(11)和(12)兩式分別對應自相位調制和交叉相位調制的強度。

2 方案設計

系統整體結構如圖1所示，用40G/s的偽隨機序列發生器驅動高斯光脈沖發生器，產生載波波長1548nm的光信號，信號光功率1mw。在傳遞過程中發生衰減、色散和噪聲干擾。接收端首先通過EDFA對衰減的信號光進行放大〔Re-amplifying)。放大之后的信號分成兩路，一路進入時鐘提取模塊進行時鐘提取[3]，提取的時鐘信號波長1551nm，功率100mw。同另一路共同進入三端口光開關，使展寬和受噪聲污染的信號光得到整形(Pre-shaping)，此時的整形信號有可能將正巧處于時鐘脈沖時刻的噪聲也同時放大。

為了解決這個問題，我們讓預整形之后的信號進入我們設計的另一個利用自相位調制效應(SPM)制作的干涉儀如圖4所示，由(11)可知，在設有鉍酸鹽光纖的一臂由于自相位調制產生的信號光相移量為:。通過調整光纖長度使得兩臂線性相位差為л的奇數倍;同時使得通過鉍酸鹽光纖SPM效應產生的非線性相移在信號沖峰值功率處為л，上下兩路光上下兩路光信號相干涉。上下信號光碼元有2л整數倍的相位差，因此信號光產生相長干涉，得以保留，而噪聲部分功率遠低于信號光，SPM效應導致的相移很小，只獲得л的奇數倍的線性相移，因此發生相消干涉而涉被抑制，如圖5所示。

3 仿真結果

圖2 初始信號圖3 進入系統前的退化信號

由圖2和圖3對比可以看出，在傳輸過程中由于光纖和各種光器件的損耗會造成信號的衰減;色散，會導致光信號的展寬和畸形并混入了噪聲。

圖4 初始信號眼圖 圖5 退化信號眼圖

由圖4和5可知退化信號受損嚴重，眼圖線跡模糊不清，噪聲容限極低，幾乎完全閉合。

圖6 初始信號誤碼率圖7 退化信號誤碼率

由圖6與圖7對比可以看出，受損信號的品質因子(Q Factor)降低至1.72，誤碼率升高至 ，此時信號嚴重受損。

圖8 整形后信號波形 圖9整形后信號眼圖圖10 整形后信號誤碼率

由圖8、圖9、圖10可知，通過再整形，信號的眼圖線跡變得更加清楚，品質因子(Q Factor)明顯提高，提高到26.4，信號波形變得更瘦長。最小誤碼率降至1.8×10 -153說明本系統進一步有效提高了受損信號的質量，凈化了信號，實現了3R再生的效果。

5 結論

該文研究了利用高非線性鉍酸鹽光纖的交叉相位調制和自相位調制效應實現3R信號再生的一種方法。方法簡單，性能可靠，使再生信號的質量得到明顯的改善。

實驗中使用鉍酸鹽光纖的原因是:一般石英光纖γ值很小(2.7W-1Km-1)，而目前所知道的超高非線性鉍酸鹽光纖在1550nm波長處的非線性系數≥900 W-1km-1[9]可以用更短的長度實現足夠的非線性效應，大大提高了系統的集成化程度，解約了制造成本。

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