基于光子晶體光纖中SRS的全光組播

鞏稼民,尤曉磊,毛俊杰,田 寧,徐雨田,何佳蔓,張玉蓉

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

1 引 言

組播[1]最早是1988年Stanford大學(xué)的Steve Deering提出的,組播技術(shù)可以把一個發(fā)送端的數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到多個接收端,這就大大減少了網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備成本,同時(shí)提升了網(wǎng)絡(luò)的性能。隨著5G時(shí)代的到來,通信網(wǎng)絡(luò)不斷向透明、高速、高容量和寬帶寬的方向發(fā)展[2]。全光組播[3]的提出,將組播技術(shù)應(yīng)用到光層中,突破了傳統(tǒng)IP組播具有的“電子瓶頸”,對信號的復(fù)制在光域中完成,組播前后信號的編碼格式和比特率完全透明。

在光網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)全光組播,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須可以在光域上對信號進(jìn)行復(fù)制,從而實(shí)現(xiàn)一對多通信。目前對全光組播的研究主要基于自相位調(diào)制、交叉增益調(diào)制、交叉相位調(diào)制,四波混頻等各種非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)[4-6]。選擇利用光纖中受激拉曼散射效應(yīng)(Stimulated Raman Scattering,SRS)[7]實(shí)現(xiàn)全光組播,其原因在于SRS效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間短,只有0.1 ps,可以提高組播效率；拉曼增益譜曲線呈指數(shù)增長,隨著泵浦光功率的增大,SRS 放大效應(yīng)的增強(qiáng),可以得到高消光比的組播信號；拉曼增益譜是連續(xù)譜,且增益帶寬較寬。相比于普通石英光纖,光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)[8]具有更高的增益系數(shù)以及更寬的增益范圍,更適用于高效率的全光組播。因此選擇利用PCF中的SRS來實(shí)現(xiàn)全光組播,并根據(jù)理論模型給出設(shè)計(jì)方案。

2 理論基礎(chǔ)及原理

全光組播的數(shù)學(xué)理論模型是基于光纖中SRS效應(yīng)N-信道前向瞬態(tài)耦合波方程[9]:

(1)

式中,ni(t)表示第i信道在z=0處t時(shí)刻入射的光子通量;α表示線性衰減系數(shù);ni(z,t),nj(z,t)表示z處、t時(shí)刻、i與j信道中的光子通量。設(shè)ui為第i信道中光傳輸?shù)娜核俣?rij為i與j信道間的拉曼增益系數(shù)。由于基于光纖中SRS實(shí)現(xiàn)全光組播是利用SRS的放大原理[10],所以將需要進(jìn)行組播的信號光作為泵浦光,其他信道輸入連續(xù)探測光。在不考慮色散引起的群速度失配條件下,即各信道中信號光群速度相同(都為u),使第1信道為泵浦信號光,則耦合波方程解析解的功率形式為:

(2)

其中,Pi(z,t)表示光纖中第i信道z處t時(shí)刻的功率;νi表示第i信道頻移量;ν表示各信道光頻率的平均值；Leff表示光纖中z處的有效互作用距離;M表示保偏系數(shù),取值范圍為 1≤M≤2；Aeff表示光纖有效截面積；λ1表示泵浦波長；G1i表示第1信道與第i信道探測光間的增益；k為常數(shù)。

由式(2)可見,當(dāng)光纖長度與泵浦波長確定的情況下,G1i隨泵浦光功率變化而變化,則對探測光的放大倍數(shù)也會隨之變化。泵浦光攜帶的信號中“0”和“1”碼元功率大小不同,泵浦信號光與連續(xù)探測光在光纖中發(fā)生SRS作用后,不同碼元對連續(xù)探測光的放大程度會呈現(xiàn)與信號光相同的功率分布,即泵浦光上的信息會被復(fù)制到探測光上,將泵浦光與多路探測光分別濾波輸出,即實(shí)現(xiàn)對泵浦信號光的組播。

3 軟件仿真及分析

3.1 拉曼增益譜分析

圖1為泵浦光波長為1450 nm時(shí)PCF的拉曼增益譜?？梢钥闯雠c傳統(tǒng)的石英光纖相比,PCF具有更高的拉曼增益系數(shù)以及更寬的拉曼增益范圍,因此選擇PCF來實(shí)現(xiàn)全光組播。

圖1 泵浦光波長為1450 nm的PCF拉曼增益譜

由圖1可見PCF在[9.0,12.0]THz即[300,400]cm-1頻移范圍內(nèi)幾乎為直線增大,對此頻移范圍內(nèi)的拉曼增益譜線性擬合,擬合后的直線可以表示為:

其中,k表示線性擬合后得到的斜率;b表示截距,取值分別為:k1=2.70×10-7W-1,b1=-4.65 W-1km-1。

3.2 MATLAB仿真分析

根據(jù)公式(2),利用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)值仿真分析。仿真中的參數(shù)設(shè)置如下:泵浦信號光波長λ1=1450 nm,峰值功率為0.7 W,三路連續(xù)探測光波長分別為λ2=1525 nm,λ3=1530 nm,λ4=1537 nm,PCF長度為500 m,線性衰減系數(shù)為α=0.7 dB/km,光纖有效截面積為Aeff=9.5×10-12m2,保偏系數(shù)M=2。

如圖2所示,在仿真時(shí),設(shè)置泵浦光攜帶的待組播信號為非歸零碼,“1”碼元功率為0.7 W,“0”碼元功率為0 W。當(dāng)泵浦信號光碼元為“1”時(shí)才能通過SRS效應(yīng)對連續(xù)探測光產(chǎn)生放大的效果,因此在組播后,輸出的組播信號波形在“1”碼元時(shí)功率較高,在“0”碼元時(shí)功率會低于組播前的連續(xù)探測光,這是由于光纖中的線性損耗造成的。如圖2所示,連續(xù)探測光λ2、λ3、λ4在經(jīng)過組播后,輸出的組播信號與組播前的泵浦信號光波形一致,成功對需要組播的信號光攜帶的信息進(jìn)行了復(fù)制,實(shí)現(xiàn)了全光組播。

(a)組播前泵浦信號光λ1的波形圖

(b)組播前連續(xù)探測光λ2、λ3、λ4的波形圖

(c)組播后泵浦信號光λ1的波形圖

(d)組播后組播信號λ2的波形圖

(e)組播后組播信號λ3的波形圖

(f)組播后組播信號λ3的波形圖

3.3 Optisystem仿真分析

使用Optisystem軟件對基于PCF中SRS的全光組播進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真,圖3為依據(jù)理論模型設(shè)計(jì)的原理流程圖。使用射頻信號源和偽隨機(jī)序列發(fā)生器模擬待組播信號,經(jīng)過馬赫曾德爾調(diào)制器對其整形、放大,得到一個光功率較大的泵浦信號光λ1。將泵浦信號光λ1與不攜帶信息的連續(xù)探測光λ2、λ3,…,λN耦合進(jìn)同一根PCF。經(jīng)過PCF中SRS放大作用,將泵浦信號光λ1中攜帶的信息復(fù)制到λ2、λ3,…,λN中,經(jīng)過濾波器將原信號光λ1與其組播后的復(fù)制信號λ2、λ3,…,λN分別輸出,這就實(shí)現(xiàn)了基于PCF中SRS的全光組播的完整過程。

圖3 基于PCF中SRS的全光組播原理流程圖

為方便分析,對輸出四路組播信號的全光組播進(jìn)行仿真,仿真中參數(shù)設(shè)置如下:泵浦光波長為1450 nm,功率為2 W,攜帶的信號設(shè)為非歸零碼,比特序列為“10011010”；三路探測光波長分別為1525 nm、1530 nm、1537 nm,功率為0.001 mW；PCF長度為0.5 km,線性衰減系數(shù)為0.7 dB/km,色散系數(shù)為0.05 ps/nm·km,色散斜率為0.001 ps/(nm2·km),有效橫截面積為9.5 μm2；光電探測器的響應(yīng)度為1 A/W,暗電流為10 nA,不考慮PCF中的自發(fā)輻射和散彈噪聲。

圖4是使用Optisystem軟件對基于PCF中SRS的全光組播進(jìn)行仿真,得到的組播前后各信號的波形圖。

圖4(a)為待組播信號的波形圖,波長為1450 nm。圖4(b)為組播后的原信號波形圖,圖4(c)、(d)、(e)分別為組播后的組播信號,波長分別為1525 nm、1530 nm、1537 nm?？梢钥闯鼋M播后各路光的信號波形與組播前的泵浦信號光的波形基本相同。組播后的各信號波形圖出現(xiàn)了明顯的抖動,這是由于在理論分析中我們只考慮SRS效應(yīng)而忽略了其他非線性效應(yīng),而實(shí)際中還會有其他非線性效應(yīng)的影響。

圖4 組播前后Optisystem仿真波形圖

圖5是使用Optisystem軟件對基于PCF中SRS的全光組播的仿真眼圖。由圖可見,眼圖的軌跡線條清晰,且張開度良好,說組播后的組播信號具有較大的信噪比和較小的碼間串?dāng)_。可以證明基于PCF中SRS的全光組播的設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖5 基于PCF中SRS的全光組播仿真眼圖

4 結(jié) 論

利用光纖中SRS的放大作用,以及PCF的高拉曼增益和較寬的增益譜帶寬設(shè)計(jì)了基于PCF中SRS的全光組播。選取PCF拉曼增益譜頻移范圍[300,400]cm-1進(jìn)行直線擬合,根據(jù)SRS前向瞬態(tài)耦合波方程,對設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值仿真及分析。在理論模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于PCF中SRS的全光組播實(shí)現(xiàn)的原理流程圖,并利用Optisystem軟件進(jìn)行了模擬仿真及分析。通過仿真結(jié)果中組播前后的波形圖以及眼圖的分析,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。