基于光子晶體光纖中雙抽運四波混頻效應的非歸零到歸零碼型轉換實驗研究*

惠戰強 張建國

1)(西安郵電大學電子工程學院,西安 710121)

2)(中國科學院西安光學精密機械研究所,瞬態光學與光子技術國家重點實驗室,西安 710119)

(2012年6月1日收到;2012年12月21日收到修改稿)

1 引言

高清電視、互聯網業務日益融合,不斷刺激著網絡帶寬持續增長,將各種新型調制格式與復用方式相結合,構建超高速、大容量光子網絡,是當前光纖通信的發展趨勢.在實際應用中,非歸零碼(NRZ)具有較高的光譜效率和時間抖動容忍性,主要用于波分復用(WDM)系統中;而歸零碼(RZ)的占空比相對較小,具有良好的抗鏈路非線性損傷能力,主要用于光時分復用(OTDM)系統中.未來的超高速光纖通信網絡將采用WDM與OTDM相結合的方式,以充分發揮兩種技術的優勢.在這樣的混合系統中,網絡的不同部分具有不同的調制格式.因此,如何將光子網絡中的不同部分有機結合以實現全光網絡接口和確保不同調制格式網絡間的無縫連接,已成為實現全光通信網的研究熱點[1-4].全光NRZ-RZ的碼型轉換技術是實現全光網絡接口的關鍵技術之一,它能在光域內將NRZ碼轉換為RZ碼,完成從WDM到OTDM的轉換,從而增加網絡的級聯性和擴展性[4,5],對透明光子網絡的設計與實現具有重要的價值.

一般來講,光學NRZ到RZ的碼型轉換技術可以通過光電結合和全光結構兩種方案加以實現.前者主要依靠相位調制器[6,7]、光電振蕩器[8]、Fabry-Perot激光器[9]等光電器件及相關高頻電子器件,雖然工作原理簡單,但具有設備昂貴且受電子“速率瓶頸”限制等弊端.后者主要是基于各種光子器件中的非線性光學效應來實現,例如,可利用交叉相位調制效應、交叉偏振調制效應、四波混頻效應、主要存在于半導體光放大器中的交叉增益調制效應[10]、基于電吸收調制器的交叉吸收調制效應[11]、主要存在于周期極化鈮酸鋰波導中的二階和頻/差頻產生效應[12-14]、基于硅基微環諧振器的窄帶濾波效應[15,16]、含有耦合環形硅波導共振器的非平衡干涉效應[17]、光克爾開關聯合脈沖預啁啾效應[18]和基于太赫茲光學非對稱解復用器結構中的瞬時相位調制效應[19]等.其中,交叉相位調制效應可以在半導體光放大器[20,21]、高非線性光纖[3]、硅納米線[22]、光子晶體光纖[23]等器件中產生;而交叉偏振調制效應可借助于半導體光放大器[24]和高非線性光纖[25]等加以實現.在上述這些效應中,由于四波混頻效應是一個滿足能量動量守恒的超快非線性過程,因此基于此原理的碼型轉換器具有對信號調制格式和比特率完全透明的優點,非常適合于在未來透明光子網絡中的應用.目前,四波混頻效應的產生主要是通過使用半導體光放大器[26]、色散位移高非線性光纖[27,28]、硅納米線[22]、光子晶體光纖[29]、三五族化合物波導[30]等光子器件.基于四波混頻效應的全光NRZ到RZ碼型轉換方案可以分為兩類,第一類是采用單個信號光和單個抽運光,同時提高其輸入功率,利用級聯四波混頻效應連同光纖中的各種非線性效應,產生多個新頻率分量,實現單到多的NRZ到RZ碼型轉換[28];另一種為利用多個信號光與單個抽運光相互作用,僅基于一階四波混頻效應,產生多個四波混頻邊帶,完成單到多的NRZ到RZ碼型轉換[20].可是,傳統色散位移光纖需要將信號光與抽運光設置在光纖零色散點附近,因此限制了該技術的靈活性.而半導體光放大器又存在著四波混頻效率低的問題.新出現的光子晶體光纖具有可控的非線性和色散特性[31,32],因此非常適于用作全光信號處理器[33,34].我們曾利用色散平坦光子晶體光纖中的單抽運四波混頻效應實現了速率為10 Gbit/s的NRZ到RZ碼型轉換[29].但是在此結構中,由于受到四波混頻能量守恒原理限制,兩路組播信號的波長相互制約,不能獨立調諧,在一定程度上限制了光網絡的靈活性.為了解決這一問題,本文提出采用雙抽運結構的四波混頻效應實現單到雙NRZ到RZ碼型轉換的新方案.該方案的最大優點在于充分利用了光子晶體光纖的色散平坦特性,通過獨立設置兩路抽運光波長,實現了兩路組播信號波長可靈活調節的目的.這可充分滿足光子網絡對波長設置靈活性的需求,且具有單抽運結構中對調制格式和比特率完全透明、易于與現有的超高速光纖通信系統連接等優點.因此,該研究工作對于WDM/OTDM混合光子網絡的設計與實現具有一定的借鑒作用.

2 工作原理

圖1為基于雙抽運四波混頻效應實現單到雙全光碼型轉換的原理示意圖.待轉換的NRZ碼為加載數據的信號光,由一束波長為λs的連續光波經強度調制器調制后產生.兩束抽運光為波長分別是λp1,λp2的周期窄脈沖序列,其重復率與信號光比特率相同,可看作是占空比相對較低的比特全“1”RZ碼,將兩束抽運光與信號光耦合后注入高線性光子晶體光纖,由于光子晶體光纖在較寬波長范圍內色散平坦,均可滿足相位匹配條件,因此,兩束抽運光分別與信號光發生四波混頻效應,導致在相應波長位置有閑頻光產生.若適當控制信號光功率較大,則在抽運光旁側(與信號光對應的地方)就會產生出兩束具有相對較大光學信噪比(OSNR)的閑頻光,并且它們所含原始信號光的信息較強.根據能量動量守恒,此兩束閑頻光的波長分別為

圖1 利用雙抽運四波混頻效應實現單到雙全光NRZ-RZ碼型轉換的原理 (a)輸入光譜;(b)輸出光譜;(c)NRZ信號波形;(d)抽運光1波形;(e)抽運光2波形;(f)閑頻光1(轉換后的)RZ波形;(g)閑頻光2(轉換后的)RZ波形

由于抽運光為比特全“1”的周期性短脈沖序列,只有信號光才攜帶了數據信息,而四波混頻又相當于一個“與”門,對二者進行運算,產生閑頻光波,且閑頻光波所含數據信息與信號光完全相同,只是前者的脈寬遠小于信號光脈沖寬度,因此這就實現了由NRZ碼到RZ碼的轉換.圖1(a)和(b)分別代表發生四波混頻前后的光譜,圖1(c)—(g)分別為對應時域信號光、抽運光1、抽運光2、閑頻光1和閑頻光2的波形.

雖然兩束抽運光的相互作用也能產生四波混頻邊帶項,但是它們不含數據信息,因此這些無用四波混頻邊帶項的出現將會導致信道串擾,無益于碼型轉換.在實際應用中,可以調節雙抽運光的偏振方向,使其互相垂直,但均與信號光的偏振方向成45°夾角,這就使得兩束抽運光可分別與信號光實現四波混頻,同時又能抑制由雙抽運光所產生的四波混頻邊帶項.因此,在圖1中可忽略這些微弱的無用邊帶項.

3 實驗裝置與結果

圖2是利用色散平坦高非線性光子晶體光纖中雙抽運四波混頻效應實現全光NRZ到RZ碼型轉換的實驗裝置圖.首先使用波長可調諧激光器(Santec)產生一束波長為1548 nm的連續光波,經偏振控制器(PC1)后注入鈮酸鋰(LiNbO3)強度調制器.射頻(RF)信號源輸出10 GHz的信號,同時驅動誤碼儀和主動鎖模半導體激光器(AML-SL).誤碼儀中的偽隨機碼產生器(PPG)提供字節長度為231-1,速率為10 Gbit/s偽隨機比特序列(PRBS),用于驅動鈮酸鋰調制器,產生速率為10Gbit/s,具有NRZ調制格式的數據光信號.AML-SL輸出頻率為10 GHz,波長為1550 nm的超短光脈沖序列.該序列經過高功率摻鉺光纖放大器(HP-EDFA)后注入一根700 m的高非線性光纖(HNLF),在光纖內發生超連續譜效應.使用兩個光學濾波器(OBPF2和OBPF3)分別在不同波長處濾出光信號,用于充當兩路具有不同中心波長的短脈沖抽運光.這兩束抽運光經過光耦合器(OC)后,再進一步與NRZ光信號耦合,然后一起注入另一個高功率摻鉺光纖放大器,最后輸入50 m光子晶體光纖中(PCF,POS-1550).信號光與兩束抽運光在PCF內分別獨立發生四波混頻效應,在信號光旁側產生兩個邊帶,完成全光碼型轉換功能.在實驗中,使用光譜儀(橫河AQ6370)來測量A點至H點處的光譜,使用70 GHz帶寬的光電探測器(PD：XPDV 3120R)和示波器(OSO：Agilent 86100C)對光信號進行測量.

圖2 利用光子晶體光纖中雙抽運四波混頻效應實現碼型轉換的實驗裝置

實驗裝置主要由時鐘信號產生模塊和碼型轉換模塊組成,兩個模塊的核心器件分別為700 m傳統高非線性光纖和50 m色散平坦高非線性光子晶體光纖.在第一個模塊中,超短光脈沖經功率放大后注入高非線性光纖,在光纖內發生超連續譜效應,光譜展寬達30 nm.在高非線性光纖輸出端分束后,使用兩個波長可調諧光濾波器OBPF2(OTF950)和OBPF3(OTF300)同時濾出兩路時鐘信號,濾波器中心波長分別為1555.50和1558.52 nm,使用光譜儀在高非線性光纖輸入、輸出以及濾波器輸出端(相應于圖2中A,B,C和D點)監測光譜,記錄結果如圖3.將濾出的兩路信號經過光電轉換后進一步在示波器上監測,得到圖4.結果表明,得到的時鐘信號消光比(extinction ration,ER)高,Q因子大,可以滿足后續碼型轉換需求.

圖3 利用高非線性光纖中超連續譜效應產生時鐘信號光譜

實驗中,兩路時鐘控制光和NRZ信號經光耦合器(OC2)后進入碼型轉換模塊,功率放大后注入50 m光子晶體光纖.實驗中,調節HP-EDFA2的輸出功率,同時調節PC2,PC3和PC4,以改善各束光偏振態,使雙抽運四波混頻效果最佳.當HP-EDFA2輸出功率為26 dBm時,光譜監測顯示在光子晶體光纖內發生明顯的雙抽運四波混頻效應,在光子晶體光纖輸入、輸出端、濾波器輸出端(圖2中E,F,G和H點)測量光譜得到圖5.結果表明,輸入光纖前只有待轉換的NRZ信號光和兩路時鐘抽運光,而經過光子晶體光纖后,輸出光譜表現出以下特點：第一,待轉換的NRZ信號光光譜明顯加寬,這是由于抽運光調制了信號光相位所致;第二,兩路時鐘抽運光分別獨立地與NRZ信號光發生四波混頻效應,在其兩側產生兩組邊帶;第三,由于光子晶體光纖非線性系數較大,且色散平坦,導致有高階四波混頻效應發生,但高階閑頻光OSNR相對較低,無法從中提取出信號光信息.圖5中兩條較窄的譜線(淺綠線和淺紅線)分別代表從濾波器濾出的兩組閑頻波光,此二分量即對應于轉換后得到的兩路RZ信號.

圖4 利用高非線性光纖中超連續譜效應得到時鐘信號眼圖每格40 ps (a)抽運時鐘信號(λp1=1555.50 nm);(b)抽運時鐘信號 (λp2=1558.52 nm)的眼圖

圖5 利用光子晶體光纖中雙抽運四波混頻效應實現碼型轉換的光譜

圖6 碼型轉換前后不同信號的眼圖,每格40ps(a)原始NRZ信號(λs=1548 nm);(b)碼型轉換后閑頻光2(λI2=1537.48 nm);(c)閑頻光1(λI1=1540.50 nm)對應的RZ信號眼圖

為了進一步驗證所設計碼型轉換器是否完成了碼型轉換功能,用示波器監測轉換光的時域特性.首先使用可調諧光濾波器(對應圖2中的OBPF4和OBPF5)將左側的兩個一階邊帶依次濾出,濾波器的3 dB帶寬為0.36 nm,中心波長在1530—1570 nm連續可調,將濾出的信號經過光電轉換后在示波器上監測,得到結果如圖6.圖6(a)為原始待變換的NRZ信號眼圖,圖6(b)和(c)分別為將左側兩個一階閑頻光波分量(波長λI2=1537.48 nm,對應抽運光λp2=1558.52 nm)和(波長λI1=1540.50 nm,對應抽運光λp1=1555.50 nm)濾出,得到的轉換后的RZ信號眼圖.可見,NRZ信號經過轉換后比特“1”出現歸零,變為RZ信號,并且眼圖清晰,說明實現了單到雙的碼型轉換.同時,由于轉換光與信號光波長不同,說明設計的碼型轉換器同時實現了波長轉換功能,特別需要指出的是,由于得到的兩路RZ信號是由于雙抽運四波混頻效應引起的,因此可以通過分別單獨調節兩路抽運光的中心波長,實現靈活調節各路轉換信號波長的目的,進而滿足大容量波分復用光子網絡在波長開關/波長路由時對波長靈活性的需求,這也是雙抽運相對于單抽運四波混頻的最大優點所在.

4 分析與討論

4.1 波長調諧性

未來透明光子網絡需要碼型轉換器具有較寬的波長調諧范圍,然而基于傳統高非線性光纖的碼型轉換器,工作波長范圍非常有限.本文提出基于光子晶體光纖中雙抽運四波混頻效應實現碼型轉換的方案,由于此光纖在1550 nm附近色散平坦,因此在該波長附近均可發生四波混頻,且通過單獨改變其中一束抽運光波長,可以實現對兩束轉換光波長獨立調諧的目的,這是基于單抽運四波混頻效應的碼型轉換器所沒有的優點.為了證明所設計碼型轉換器的波長獨立調諧功能,實驗中分別選取抽運光中心波長處于不同位置,觀察不同信號光與抽運光波長間距下的碼型轉換器性能.理論上可以在超連續譜的30 nm光譜展寬范圍內任意波長上得到抽運時鐘信號,但由于所用光學濾波器工作波長范圍有限,為保證雙抽運四波混頻效應所產生閑頻光仍處于濾波器工作波長范圍內,可被作為轉換后的RZ信號濾出,實驗中選擇抽運光與信號光波長間距不能太遠,得到的典型光譜如圖7.圖7(a)和(b)分別為抽運波長在1556.02/1559.83 nm和1557.86/1562.00 nm的情況.進入光子晶體光纖之前的光譜、在光子晶體光纖中發生雙抽運四波混頻效應后的輸出光譜、以及將一階邊帶濾出后得到的閑頻波光譜分別對應圖2中的E,F,G和H點.結果表明：在進入光子晶體光纖之前只有信號光和抽運光,而輸出頻率成分豐富,說明發生了雙抽運四波混頻作用.其中,在信號光左側,與抽運光對應處出現的兩個閑頻光的OSNR較高,將這兩個分量在示波器上監測,顯示均得到了RZ碼.

圖7 利用光子晶體光纖中雙抽運四波混頻效應實現NRZRZ碼型轉換的光譜 (a)λp1/λp2=1556.02/1559.83 nm;(b)λp1/λp2=1557.86/1562.00 nm

4.2 轉換效率

對于以四波混頻效應為基礎的全光碼型轉換器而言,轉換效率是衡量全光碼型轉換器的重要參數.在傳統的高非線性光纖、半導體光放大器乃至化合物波導中,其四波混頻效率都比較低,因此導致基于此效應的全光NRZ到RZ碼型轉換器轉換效率低下.而對于我們設計的全光碼型轉換器,由于采用了新型高非線性光子晶體光纖,其良好的非線性及色散特性,使得在較寬波長范圍內均取得了令人滿意的轉換效率.實驗中,我們測量了不同波長范圍內的碼型轉換效率,得到結果如圖8所示.可見,碼型轉換器呈現出在1556 nm附近轉換效率最高,往兩端逐漸降低的趨勢,分析認為這與光子晶體光纖的色散特性相關.

圖8 轉換效率與波長的關系

4.3 對輸入功率波動的容忍性

對基于非線性光學效應工作的器件而言,輸入光功率的變化會影響器件性能,若功率過小,則相應非線性效應變弱,使得器件不能正常工作;反之,若光功率較大,則會導致其他非線性效應發生,影響光網絡性能.而在實際的光子網絡中,由于溫度等環境因素的隨機起伏以及光纖彎曲等不可預料的條件變化,往往導致光網絡中的光功率發生波動,影響系統性能.因此,測量光子晶體光纖基碼型轉換器對輸入光功率波動的容忍性,具有工程實用價值.實驗中,我們通過連續調節HP-EDFA的抽運電流,系統測量了輸入光功率從25到27.5 dBm時光纖中雙抽運四波混頻效應的強弱,以及轉換得到的RZ信號的Q因子,ER,眼圖張開因子(eye open factor,EOF)和均方根抖動(RMSjitter),得到不同輸入功率下光譜演化如圖9,信號質量如圖10.結果表明,當輸入光功率較低時,雙抽運四波混頻效應很微弱,無法得到碼型轉換信號,隨著輸入功率增大,四波混頻效應增強,但轉換信號ER很低.輸入功率進一步增大,閑頻光的OSNR開始大于10dB,轉換信號的眼圖逐漸清晰.對于轉換得到的雙通道RZ信號,我們發現：在整個輸入光功率變化范圍內,組播信道1的信號質量整體優于組播信道2;在25—27.5 dBm范圍內,轉換信號的Q因子,ER,EOF均隨著輸入光功率的增大而增大,而均方根抖動隨著輸入光功率的增大而減小.

5 結論

提出并實驗證實了一種基于高非線性色散平坦光子晶體光纖的單到雙全光NRZ-RZ碼型轉換器.該器件利用光子晶體光纖中的雙抽運四波混頻原理工作,通過單獨改變兩束抽運光波長,可以實現兩路組播信號波長獨立調諧的目的.所設計的碼型轉換器充分利用光子晶體光纖特有的平坦色散與高非線性特性,克服了傳統光纖需要較長長度/較大功率、輸出波長不能靈活設置的弊端,所得轉換信號的最優ER和Q因子分別為15 dB和5.4.整個系統具有對信號調制格式和比特率透明的優點,且完成了波長轉換和波長組播功能,這些研究對于超高速WDM/OTDM混合光子網絡的設計實現和工程應用具有重要參考意義.

圖9 不同光功率下NRZ-to-RZ碼型轉換器的光譜演化(λs=1548 nm,λp1/λp2=1555.50/1558.52 nm)

圖10 光功率對轉換信號質量的影響 (a)Q因子;(b)ER;(c)眼圖張開度;(d)RMS抖動

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