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1、基于光子晶体光纤四波混频的光波长变换**龚 磊,尹飞飞,陈宏伟,陈明华,谢世钟(清华大学电子工程系,北京100084)摘要:研究了光子晶体光纤(PCF)中基于四波混频(FWM)的全光波长变换实现以及相应的变换效能。使用C-L波段内具有平坦正色散特性的高非线性PCF,对基于FWM效应的光波长变换进行了理论分析,根据相应原理进行了波长变换实验系统的软件仿真,并以此为依据设计实验装置进行了实验验证。实验结果基本符合相应的理论计算以及系统仿真,在中心波长为1540、1545以及1550nm的频带范围内分别得到了-17.
2、381、-16.897和-17.787dB的最高转换效率,分别对应18、17和13nm的3dB转换带宽。关键词:四波混频(FWM);波长变换;光子晶体光纤(PCF);转换效率;3dB带宽1 引 言 从20世纪90年代中期开始,由于波分复用(WDM)方式在光传输网中明显的优越性,其发展非常迅速。随着WDM器、光放大器和光纤等性能的不断改进,波长信道数在逐步增加。可想而见,WDM网的带宽虽然很宽,但一根光纤中能够复用的波长数量终归是有限的,所以可用波长数将大大少于节点数目和用户数量。但如果能够采用波长变换技术,让
3、信号在节点上从一个波长变换到另一个波长,使同一波长在不同的区域中重复使用,这样就解决了波长争用的问题。因此,波长变换是WDM全光通信网中非常关键的技术。 光波长变换技术总体可分为采用光-电-光和全光波长变换两种方式。前者较成熟,但面临电子瓶颈问题,传输速率受到限制;相比之下,后者是更有前景的发展方向。基于四波混频(FWM)原理的波长变换是目前非常有研究前景的全光波长变换技术[1],具有保留了原有信号的相位和幅度信息、信号调制速率较高(可达到40Gbps)、对偏振敏感程度小、变换后码型不反转以及波长变换跨度较大
4、等优点。然而,在以往使用普通非线性光纤的试验中,变换效率低和变换信号信噪比(SNR)恶化限制了其应用。要在光纤中产生足够强的FWM效应,需要光纤具有合理的色散特性以及高非线性,普通光纤难以达到相应的要求。但如果使用微结构的光子晶体光纤(PCF),则能够在一定程度上克服这些缺点。在使用PCF的波长变换实例中,文献[2],[3]已经实现了最大转换效率-20dB、3dB转换带宽20nm的全光波长变换,而文献[4]、[5]已经实现从1550nm频带变换到可见光频段,跨度达到375THz,信号速率155.52Mb/s的波
5、长变换。本文使用了具有高非线性以及平坦正色散的PCF,在C波段上实现了基于FWM的光波长变换。非线性PCF的长度为60m,采用了通过气孔将光束引导进入纯硅核心的覆层微观结构。2 基于FWM效应的理论分析和仿真计算 FWM是基于介质的三阶非线性效应。简并条件下,在介质中同时注入一束较强的连续泵浦光和一束较弱的信号光,频率分别为ωp和ωs,因非线性作用将产生新的光波,其频率ωi=ωp-ωs,称为闲频光。闲频光复制了信号光的振幅和相位信息,这样就实现了波长转换的目的。 参与FWM的泵浦、信号以及闲频三束光的幅度A
6、j(z)满足光纤中的耦合振幅方程[3] Ap(z)z=iγ[
7、Ap
8、2Ap-2(
9、As
10、2+
11、Ai
12、2)Ap+2AiAsA*pexp(iΔβz)]-αp2Ap(1) As(z)z=iγ[
13、As
14、2As+2(
15、Ap
16、2+
17、Ai
18、2)As+2A2pA*iexp(iΔβz)]-αs2As(2) Ai(z)z=iγ[
19、Ai
20、2Ai+2(
21、Ap
22、2+
23、As
24、2)Ai+2A2pA*sexp(iΔβz)]-αi2Ai(3)式中:γ为非线性系数;α为光纤衰减损耗;Δβ为相位失配,满足[6] Δβ=(~nsωs+~n
25、iωi-2~npωp)/c(4)其中:~n代表光纤模式的有效折射率。要使得FWM过程得以进行,需要满足相位匹配条件Δβ=0。忽略波长变换跨度较小时γ以及α受频率变化的影响,将其看做常数,能够解出[7]Pi=γPp1-e-αLα2Pse-αLα2α2+Δβ21+4e-αLsin2ΔβL2(1-e-αL)(5) 波矢失配Δβ在频移较小以及时可以近似表示为[4] Δβ=4π2β2(fp-fs)2(6)其中,β2为二阶色散参量。这样,就能够在频移较小以及不太靠近零色散点的情况下将所关心的FWM波长转换效率ηt=
26、10log(Pi/Ps)近似表示为和PCF属性相关的已知量以及频移的函数。 基于以上分析,在OptiSystem中进行了PCF中FWM波长变换的系统仿真。仿真中,尽量采用和实验相同的条件,作为后面所进行实验的参考。系统使用了2个连续激光器分别作为泵浦光和信号光,功率分别设为26dBm和0dBm,在通过耦合器后进入光纤进行FWM波长变换。将泵浦波长分别固定在1540、1545以及155
