寬帶光纖喇曼波長轉換器的可調諧研究

鞏稼民，冷 斌，趙 云

（1.西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安710121； 2.西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安710121）

波長轉換通過防止波長路由中的信道阻塞，從而為客戶提供高靈活性和高利用率的波長分配，是波長路由光網絡中的一個重要元素。全光波長轉換的方法能夠避免比特率相關的信號之間昂貴的光－電轉換，有利于實現光網絡大容量高速率的傳輸。

當前，實現全光波長轉換的方法主要有基于半導體光放大器中交叉增益調制效應［1］、交叉相位調制效應［2］、交叉偏振調制效應［3］、四波混頻效應［4］；基于電吸收調制器中交叉吸收調制效應［5］；基于周期極化鈮酸鋰波導中的級聯和頻、差頻產生效應［6］；基于光纖中交叉相位調制效應［7］、四波混頻效應［8］、交叉偏振調制效應［9］、受激喇曼效應［10］等。特別是，基于受激喇曼散射效應（Stimulated RamanScattering，SRS）的全光波長轉換，其結構簡單，轉換速率快、轉換范圍寬，相比于基于半導體和基于四波混頻效應等全光波長轉換方法是一種更有前途的技術。

光纖喇曼波長轉換的實現是利用了泵浦信號光對連續光的喇曼放大效應［10］。由已經成熟的光纖喇曼放大器的研究中可以得知喇曼放大與光纖的喇曼增益譜密切相關［11－13］。同理，光纖喇曼波長轉換亦然。由于喇曼增益譜帶寬很寬（達40THz），在泵浦信號光中心波長固定的情況下，可以實現喇曼波長轉換的范圍很大，所以基于光纖中SRS效應的全光波長轉換器能實現可調諧的波長轉換，并且轉換帶寬很寬，可實現跨波段轉換。

本文擬利用光纖中SRS的瞬態耦合波方程，給出光纖喇曼波長轉換可調諧范圍的理論值，并通過搭建仿真實驗平臺，驗證此種方法的可行性。

1 基于光纖中SRS的波長轉換技術

光纖喇曼可調諧波長轉換的原理如圖1所示。

圖1 光纖喇曼可調諧波長轉換的原理

在連續波的條件下，泵浦信號光和連續探測光之間的作用可表示為耦合波方程［14］

其中ni（t）為連續探測光在z＝0處t時刻入射的初始光子通量，α為線性衰減系數。u為信道中探測光的群速度，rip為泵浦光和探測光之間光子通量的喇曼增益系數。對上述耦合波方程進行求解，解析解的功率形式為

其中Pi（t－z／u）為連續探測光的初始輸入光功率，Pi（z，t）為轉換輸出的信號光功率，Pp（t－z／u）為泵浦信號光的初始輸入功率，z為光纖長度，Gip為泵浦信號光和連續探測光之間的增益，vp為泵浦信號光的光波頻率，為信道中光波頻率的統計平均值，gR為喇曼增益系數，Ae為光纖的有效截面積，Le為光纖中z處的有效互作用距離。

分析式（1）和式（2），在光纖長度和探測光波長確定的情況下，泵浦信號光和探測光之間的增益Gip只隨著泵浦信號光功率的變化而變化，即對連續探測光的放大倍數將隨著泵浦信號光的變化而變化。這樣就相當于利用泵浦信號光來調制連續探測光，泵浦信號光上的信息自然就被調制到了連續探測光上，從而實現波長轉換。

2 波長轉換的可調諧分析

光纖喇曼波長轉換的實現是利用了喇曼放大的原理［10］，圖2給出了石英光纖的喇曼增益系數gR與頻移Δ?v的變化關系［14］。

圖2 喇曼增益譜

在光纖喇曼波長轉換過程中，只要泵浦信號光和探測光之間的頻移量位于圖2所示喇曼增益譜的帶寬內，如式（1）所示，探測光就會由于喇曼增益而被放大，泵浦信號光的能量和所攜帶的信息由此轉移到了探測光之上，從而實現波長轉換。由于SRS增益譜帶寬很寬（達40THz），所以在泵浦信號光中心波長固定的情況下，可以實現喇曼波長轉換的范圍很大，所以基于光纖中SRS效應能夠實現可調諧的波長轉換。

喇曼放大原理中，一般情況下泵浦信號光功率遠遠大于探測光功率，所以可近似認為≈vp，從而式（2）可化為

由式（4）可推出喇曼增益系數

另由式（1）可得到關于Gip的關系式

聯立式（3）、式（5）和式（6），可得

從圖2中可以看出，光纖中的喇曼增益系數在前半部分隨著頻移的增大而增大，在后半部分幾乎是隨著頻移的增大而減小，探測光也會隨之而被不同程度的放大，波長轉換后的光功率也隨之變化。

對圖2中的石英光纖喇曼增益譜進行最小二乘擬合，即取

擬合之后所得喇曼增益系數值與實測數值誤差在10%之內［11］。

在光通信系統的接收端，使用光接收機來恢復出光纖傳輸后由光載波所攜帶的信息。光接收機性能的綜合指標用接收機靈敏度來表示。記光接收機所需的最小平均接收光功率為〈p〉min，則接收機靈敏度是指，在保證通信質量（限定誤碼率或信噪比）的前提下，光接收機所需的最小平均接收光功率，也即

靈敏度反映了光接收機調整到最佳狀態時，能接收到微弱光信號的能力［15］。根據ITU－T G.957標準中STM－16光接口規定的參數［16］，應用代碼為I－16和S－16.2的最小光發射機消光比（Extinction Ratio，ER）要求為8.2dB，而最低光接收機靈敏度要求為－18dBm。即光接收機可檢測接收的最低光功率為－18dBm，低于此功率的信號光將不會被接收從而恢復出光載波所攜帶的信息。

若使用泵浦光功率為5W，探測光的初始輸入光功率為－20dBm，光纖衰減為0.22dB／km，光纖長度為0.1km，光纖有效截面積為60um2，轉換輸出信號光的最小功率為最低靈敏度－18dBm，則根據上述參數，利用式（7）可求出獲得最低靈敏度相等的輸出功率所對應的最小喇曼增益系數

再利用式（8）確定相應的頻移范圍，得可調諧范圍為7.303～16.386THz。

3 仿真實驗分析

寬帶可調諧波長轉換方案的仿真實驗裝置如圖1所示。激光器2輸出峰值功率為5W的泵浦光，經過M－Z調制器后被調制成泵浦信號光，與激光器1輸出的－20dBm的連續探測光一起通過耦合器進入光纖。在光纖中進行SRS效應，然后將探測光濾出就實現了波長轉換。其中，光纖長度為L＝0.1km，光纖衰減為α＝0.22dB／km，光纖有效截面積為60μm2。耦合器對泵浦光與探測光產生功率的衰減均忽略不計，光電探測器的響應度設為1A／W，暗電流為10nA。仿真中，信號利用強度調制產生，比特序列為“10101001”，速率為10Gbit／s，由上述參數進行仿真。

圖3 仿真實驗平臺

輸入泵浦光和探測光的波長分別取為

經過耦合器之后和經過光纖之后的光譜如圖4所示。探測光在經過光纖之后，光譜明顯展寬，這是由于泵浦光信號光和探測光在光纖中發生受激喇曼效應，探測光被泵浦光放大從而引起的。探測光的光譜在展寬的同時，也得到了泵浦信號光所攜帶的信息，從而實現全光波長轉換。

圖4 波長轉換前后的光譜

測量不同的輸入探測波波長（1600～1700nm）在波長轉換后輸出的光功率來研究波長轉換器的可調諧性能，結果如圖5所示。

圖5 轉換輸出光功率

從圖5可看見，滿足不低于－18dBm輸出光功率這一條件的可調諧范圍為1616～1690.8nm，即7.899～16，116THz，與 理 論 計 算 值 的 范 圍7.303～16.386THz的相對誤差范圍約為7.5%～1.67%，在實測值和擬合曲線的誤差范圍之內，因此，所提出的光纖喇曼波長轉換的可調諧范圍理論計算方法是可行的。從圖5的仿真結果可得出可調諧范圍約為74.8nm，可實現跨波段的波長轉換。

利用10Gb／s的比特誤碼率（Bit error rate，BER）分析儀測試寬帶波長轉換器的系統性能。圖6和圖7分別繪制了輸出的最小誤碼率值和最大Q因子與探測光頻率的關系圖。

圖6 最小誤碼率分析

圖7 最大Q因子分析圖

從圖6可見，最小誤碼率隨著探測光頻率的增加先減小后逐漸增大，與喇曼增益譜曲線走勢相反，最小值為－85.6251。從圖7可見，最大Q因子隨著探測光頻率的增加先增大后減小，與喇曼增益譜曲線走勢相同，最大值為19.66。綜上可知，在喇曼增益最大處進行波長轉換，可實現誤碼率最小、轉換信號質量最優。

誤碼率最小、Q因子最大時探測光的頻率為179.73THz，即在1668nm波長處。圖8繪制了1668nm探測波長經過波長轉換后的信號波形圖和眼圖。從圖中可見轉換輸出的信號光的碼型為“10101001”，與輸入泵浦信號光的碼型基本一致，轉換信號的眼圖清晰，張開度好。

圖8 1668nm探測波長輸出信號

4 結語

利用光纖中前向瞬態SRS耦合波方程的解析解，給出了一種理論上計算光纖喇曼波長轉換器的可調諧范圍的方法，并搭建仿真平臺，利用仿真實驗驗證了此理論方法的可行性。仿真實驗結果表明在給定泵浦光的情況下，光纖喇曼波長轉換器的可調諧范圍約為74.8nm，可實現跨波段的波長轉換，擴展了光纖喇曼波長轉換器的工程應用范圍。另外，系統的誤碼率和Q因子與喇曼增益有關，在喇曼增益達到最大時，系統的誤碼率最小，轉換信號質量最優。若給定的泵浦光功率增大，則波長轉換范圍從理論上將增大，具體的實驗驗證有待進一步研究。

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