基于非線性光纖環形鏡的少模脈沖幅度調制再生器*

王瑜浩 武保劍 郭飚 文峰 邱昆

(電子科技大學信息與通信工程學院, 光纖傳感與通信教育部重點實驗室, 成都 611731)

隨著網絡帶寬需求的快速增加, 波分復用系統的容量已接近非線性香農極限.為了適應未來網絡的發展, 空分復用技術引起了越來越多的關注.本文首次提出基于少模非線性光纖環形鏡(FM-NOLM)的脈沖幅度調制(PAM)全光再生器, 描述了其工作原理和具體設計過程.采用COMSOL軟件對組成FM-NOLM的硫化物高非線性光纖進行了模式特性仿真.以LP01, LP11, LP21三個光纖模式為例, 確定了再生器的參數, 計算出每個模式的功率轉移函數曲線.仿真分析了該少模PAM-4全光再生器的噪聲抑制(NRR)性能, 并與單模情形進行了比較.研究表明, 1)對于每個空間模式的PAM信號, 所有再生電平具有一致的功率轉移性能;2)當輸入信噪比(SNR)約大于20 dB時, 三種模式的噪聲抑制比均可超過3 dB, 并隨著輸入信噪比線性增加, 其斜率約為1.2; 3)在相同輸入SNR條件下, 三種模式的噪聲抑制比相差不大, 不超過1.1 dB.為了說明再生器的再生性能, 當輸入SNR為25 dB時, 我們還給出了再生前后PAM-4信號的功率分布直方圖.與現有的再生方案相比, 本文方案的均勻多電平再生轉移性能, 使其更適合高頻譜效率的長距空分復用系統和任意電平數的PAM信號再生.此外, 該方案也能夠擴展到波長域, 有效提高光通信系統的傳輸容量.

1 引 言

近年來, 網絡帶寬的需求量大幅度增加, 波分復用系統可以傳輸的容量已經達到香農極限.為了適應未來網絡的發展, 空分復用技術受到人們的關注.模分復用作為空分復用的一種, 早在1982年就已提出[1], 當時由于模間色散、模式耦合和差分模式群時延等問題還難以解決, 模分復用的發展幾乎處于停滯狀態.近些年來, 隨著光纖制造工藝和DSP算法的成熟, 模分復用技術重新進入了人們的視野.目前, 文獻[2]采用支持12個模式的少模光纖實現了 6.1 Tbits/s 信號的 708 km 傳輸; 文獻[3]采用每芯10個模式的12芯少模多芯光纖(FM-MCF)實現了超過100個信道數的空分復用傳輸.模式耦合[4]和模間非線性[5]成為制約少模光纖通信系統傳輸的劣化因素, 人們可以利用DSP算法在電域對模式耦合和非線性[6,7]進行補償或采用光相位共軛器(OPC)在光域補償非線性[8].另一方面, 為了增加少模光纖通信系統的傳輸距離, 少摸摻鉺光纖放大器(FM-EDFA)[9]必不可少,但對光信號進行放大的同時還會引入自發輻射噪聲(ASE).為了降低或抑制上述劣化因素的影響,可針對少模光纖通信系統研制相應的全光再生技術.

就全光再生技術而言, 1998年Mamyshev[10]提出利用光纖自相位調制(SPM)的頻譜展寬效應實現OOK信號的全光幅度再生, 后來人們利用四波混頻(FWM)效應也實現了相位調制信號的再生[11,12].隨著超高速、大容量光纖通信系統的應用,多波長和高階調制信號的再生成為研究重點[13].近幾年, 我們在這兩個方面也開展了相應研究, 通過實驗演示了8個波長的OOK信號的同時再生[14,15],并提出了基于馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)的多電平幅度再生方案[16]和基于共軛NOLM的相位保持多電平幅度再生方案[17]等.目前為止, 現有的全光再生方案能夠支持的幅度再生電平數大都為4個左右, 主要是受限于各個再生電平功率轉移函數的非一致性[16], 即信號的高低電平具有不同的再生能力.總之, 人們對單模光纖系統中的全光再生技術已經做了大量研究, 而針對多模或少模光纖系統的全光再生技術尚未見報道.

本文提出一種基于少模非線性光纖環形鏡的全光PAM再生器方案, 能夠對不同模式PAM信號的各個電平進行相同的幅度再生.這種方案的關鍵在于, 采用少模非線性光纖組成NOLM結構,并通過調節輔助光功率的方式使再生器工作在不同模式.論文按如下方式組織: 第2部分描述少模PAM再生器的結構, 理論分析工作原理; 第3部分給出再生器的設計步驟, 包括1)采用COMSOL軟件對硫化物高非線性光纖和多模耦合器的模式特性進行仿真; 2)以 LP01, LP11, LP21三個光纖模式的PAM-4信號再生為例, 確定再生器的參數;3)計算再生器的噪聲抑制比; 第4部分給出結論.

2 少模PAM再生器結構與原理

本文提出的少模光纖PAM再生器結構如圖1所示, 主要由少模光纖放大器、FM-NOLM單元以及輔助光路三部分組成, 可實現任意模式PAM信號的全光再生.少模光纖PAM再生器可作為延長光信號傳輸距離的線路中繼器, 也可以用于接收端提高光接收機靈敏度.作為線路中繼時, 少模光纖PAM再生器類似于光波分復用中交換節點的構建方式, 首先模式解復用器將少模光纖中各個模式解復用, 所得信號為劣化的PAM信號; 然后經過單通道的少模光放大器放大(無需考慮多通道情形下差模增益的限制)后由少模光纖耦合器耦合進入 FM-NOLM結構, 再生的 PAM信號由 FMNOLM的透射端口輸出, 并通過模式復用器將它們復用在一起, 繼續在少模光纖中傳輸.這種少模光纖PAM再生器具有三個特點: 一是采用高非線性少模光纖組成非線性光環形鏡(FM-NOLM)結構; 二是待整形的劣化PAM信號與連續輔助光具有相同的模式且偏振正交, 可采用模式轉換器或注入鎖定多模激光器獲得與劣化PAM信號相同空間模式的連續輔助光[18,19].調節信號光與輔助光偏振態之間的夾角, 通過監測光環形鏡反射端(圖1中Reflection端口)的功率變化可確定信號光與輔助光偏振正交[20,21].針對信號在光纖的傳輸過程中偏振態隨機變化的實際應用, 可聯合自動反饋偏振控制器增強信號光和輔助光偏振正交的穩定性; 三是利用非線性光環形鏡中的模內交叉相位調制實現PAM再生, 通過調節少模光纖放大器增益可使各個模式的功率轉移曲線與輸入信號匹配.

對于單模情形下, 我們研究組已經實現類似結構的PAM再生器[20].本文提出的基于FM-NOLM的少模PAM再生器與單模PAM再生器相比有以下不同: 1)為了解決普通少模光纖非線性系數小的問題, 采用硫化物少模高非線性光纖構建FM-NOLM;2) FM-NOLM結構用到了可商用的多模光纖耦合器多模光纖隔離器.信號模式不同多模光纖耦合器的耦合系數也不一樣.

圖1 少模 PAM 再生器原理圖Fig.1.Schematic diagram of a few-mode PAM regenerator.

對于任意給定的LP模式, 水平 x 偏振的劣化PAM信號與垂直 y 偏振的連續輔助光在FMNOLM結構中發生模內自相位調制(intra-mode SPM)和模內交叉相位調制(intra-mode XPM)[22].根據圖1, 在忽略器件插入損耗情形下, 水平和垂直兩個偏振光路的光功率轉移函數分別為:

式中 Pin,i和 Gi分別為模式 i 的輸入功率和少模光放大器增益, ρ1,i和 ρ2,i為耦合器 1和 2在不同模式下 的 耦 合 效 率 ; L 為 非 線 性 光 纖 長 度 , Ri=10?αdB,iL/10為模式的幅度衰減因子, α dB,i 為損耗系數; ? ?i=2γiPin,iLeff,iGi(1? ρ2,i)/3 為兩個偏振光路的相位差, γi為不同模式下的非線性系數,Leff,i=[1?exp(?αdB,iL)]/αdB,i為光纖的有效長度.

兩路偏振光合成的總輸出功率為

令 ?Pi=3π/γiLeff,iGi(1?ρ2,i), 并對輸入信號功率 Pin,i、輸出信號光功率 Pout,i進行歸一化, 即式中Riρ2,i(1? ρ1,i)Gi為線性增益.由(2)式可得歸一化功率轉移函數為

由(3)式可知, 歸一化輸出功率 pout,i是關于歸一化輸入功率 pin,i線性函數和余弦函數之和.要實現PAM信號再生, 全光再生器的工作點應滿足如下條件[23]:

此時有Py,i=3/[4γiLeff,iρ1,i(1?ρ2,i)], pin,i=m?1/4(m為正整數), 對應的輸入工作點為=3π(m? 1/4)/[γiLeff,iGi(1? ρ2,i)].顯然, 針對不同模式的PAM信號再生, 需要同時調節輔助光的功率 Py,i和相應再生器的工作點, 才能使PAM信號達到良好的再生效果.

下面采用非線性系數較高的硫化少模光纖來構成FM-NOLM結構, 然后優化設計少模再生器的其他參數, 并仿真計算再生器性能.

3 FM-NOLM再生器的設計與性能仿真

3.1 基于硫化物少模光纖的NOLM結構參數

石英光纖的非線性系數很小, 如果要獲得高性能的再生效應必須采用超長光纖.硫化物光纖具有紅外透過譜寬、非線性系數大等顯著優點[24], 可以大大減小再生器中光纖的長度.本文采用COMSOL軟件仿真硫化物少模光纖來構建FM-NOLM, 并對少模PAM再生器進行設計, 所用光纖纖芯/包層半徑為 8/62.5 μm, 纖芯/包層折射率為 1.4457/1.4378, 損耗系數為0.21 d B/km , 非線性折射率為4.2 × 10–18m2/W, 所用光纖長度 200 m.表1 和表2給出了 LP01, LP11, LP21三種模式 (分別對應于i=1,2,3)的仿真結果, 其中模場有效面積由計算, 進而可計算各模式在1550 nm波長的非線性系數 γi=2πn2/λAeff,i.連接光纖采用多模石英光纖, 不同材料光纖之間的連接關鍵在于模場匹配, 通過適當設計光纖結構可提高模場匹配程度, 減小連接器的插入損耗.

表1 高非線性硫化物光纖參數Table 1.The highly nonlinear As-Se chalcogenide glass fiber’s parameters.

表2 FM-NOLM 再生器設計參數Table 2.The parameters ofFM-NOLM Regenerator.

多模光纖耦合器的模式耦合效率也與導波光模場分布密切相關[13].對稱光纖耦合器的耦合效率為 ρi=sin2(κil) , 其中耦合系數[25]

3.2 少模PAM全光再生器的功率轉移曲線(PTF)

下面以PAM-4全光再生器的設計為例, 計算少模PAM全光再生器的PTF曲線.設再生器的工作波長為1550 nm, 輸入的不同模式PAM信號有相同的信號性能, 輸入的PAM-8信號的電平間隔 為 ? P=0.3W , 其 工 作點電平 為 0.225, 0.525,0.825, 1.125 W, 即 Pin=?P(0.75+i) , 其中 (i =0, 1, 2, 3).對于每個模式的輸入信號特性相同的情形, 為了使再生器工作點與輸入信號電平對準,需要同時優化設置輔助光功率 Py,i和再生器中光放大器增益 Gi, 參數優化結果列于表2中.通過改變FM-EDFA泵浦功率或在其輸入端增加可調光衰減器的方式調節再生器中光放大器的增益.當再生器工作在上述最佳參數下, 所得到的PTF曲線如圖2所示, 它們的歸一化輸出功率差異源于非線性系數及耦合效率的模式依賴性.由圖2可明顯看出, 每個模式的PTF曲線均可保持一致的可再生特性, 這種一致的可再生特性主要體現在如下兩個方面: 1)轉移曲線具有多個平坦的臺階, 即各電平的再生性能及可再生范圍均相同; 2)可再生電平之間具有相等的間隔, 即相鄰工作點之間的電平間隔保持不變.

圖2 再生器輸入輸出功率轉移曲線Fig.2.The regenerator’sinput and output power transfer function (PTF) curve.

3.3 少模PAM全光再生器的性能

為了說明少模PAM再生器的性能, 用噪聲抑制比(NRR)參數來表征再生器的整形性能.噪聲抑制比定義為[12]

下面, 通過在輸入PAM信號的幅度上疊加零均值的高斯白噪聲來模擬信號的劣化, 即輸入信噪比[26]S NRin=其中為高斯白噪聲的歸一化輸入功率.仿真中采用3.1節給出的FMNOLM參數, 輸入PAM-4信號的工作點電平為0.225, 0.525, 0.825, 1.125 W.圖3(a)和圖3(b)分別給出了LP01, LP11, LP21三個模式的NRR再生性能隨歸一化輸入噪聲功率和輸入信噪比SNRin的變化曲線.由圖3(a)可知, LP01模式的NRR性能與我們的單模NOLM再生器理論和實驗結果趨勢[20]基本類似, 存在的差異源于再生器結構取值參數的不同, 保證了本文仿真過程的可靠性.

圖3 LP01, LP11, LP21三 個 模 式 的 NRR 再 生 性 能 隨(a)歸一化輸入噪聲功率 和(b)輸入信噪比 S NRin 的變化曲線Fig.3.The NRR regeneration performance of LP01, LP11,and LP21 with (a) normalized input noise power (b) input signal-to-noise ratio.

在我們的單模全光PAM再生器實驗中, 實際輸入信號的信噪比可達到24.8 dB, 對應的歸一化輸入噪聲為–25.3 dB.因此, 我們可關注一下 S NRin=25 dB 時的再生性能, 由圖3(b)可知, LP01, LP11,LP21三種模式的 NRR 分別為 10.4, 9.3, 10.0 dB,其中 LP11模式的 NRR 略低些.此時, LP01, LP11,LP21三種模式再生前后的噪聲分布如圖4所示,相比于圖4中輸入噪聲分布, 三種模式再生后的噪聲明顯得到抑制, 如圖4(a)—圖4(c)所示.在其他輸入SNR條件下也可以進行類似分析.

圖4 LP01, LP11, LP21 再生前后電平功率分布直方圖(a) LP01; (b) LP11; (c) LP21Fig.4.The each level power histogram before and after regeneration of LP01, LP11 and LP21: (a) LP01; (b) LP11;(c) LP21.

由圖3可以看出, FM-PAM再生性能隨著輸入SNR的變化分為三個區域: 1)當輸入SNR小于 15 dB 時, LP01, LP11, LP21三種模式的噪聲抑制比基本上保持在 1.07, 0.35 和 0.94 dB, 其差異源于非線性系數及耦合效率的模式依賴性; 2)當15 dB≤SNRin≤20 dB時, NRR 開始急劇增加, 對輸入SNR的變化比較敏感, S NRin=20 dB 時三種模式的 NRR均可超過 3 dB; 3)輸入 SNR大于20 dB 時, NRR 隨輸入信噪比線性增加, 其斜率約為 1.2.因此, 結合實際情況, 該 FM-PAM 再生器的理想輸入SNR工作范圍約在20—25 dB, 三種模式的NRR相差不超過1.1 dB.由以上分析可知, 相比現有的再生器方案, 本文方案的優點在于:1)針對空分復用系統應用, 提出了少模光纖再生器, 并具有多電平再生功能; 2)本文提出的少模再生器對每個電平都有一致均勻的再生能力, 理論上可實現任意電平數的再生(實際受到注入功率的限制); 3)該再生方案構建技術基本不受帶寬限制,可與波分復用(WDM)技術相結合將其擴展到波長域.

4 結 論

本文提出一種基于FM-NOLM的全光PAM再生器方案, 描述了其工作原理和具體設計過程;采用COMSOL軟件對硫化物高非線性光纖的模式特性和多模耦合器的模式特性進行仿真, 并用于組成 FM-NOLM, 仿真計算出 LP01, LP11, LP21光纖模式的非線性系數及耦合效率; 計算出少模PAM全光再生器每個模式的PTF曲線; 最后以LP01, LP11, LP21三個光纖模式的 PAM-4 信號為例, 仿真分析了少模PAM全光再生器的再生性能.仿真結果表明, 當輸入信噪比約大于20 dB時,三種模式的噪聲抑制比均可超過3 dB, 并隨著輸入信噪比線性增加, 其斜率約為1.2; 在相同輸入SNR條件下, 三種模式的噪聲抑制比相差不大, 不超過 1.1 dB.