利用光子晶體光纖的SPM效應(yīng)實(shí)現(xiàn)2R全光再生

1、精品論文推薦利用光子晶體光纖的 spm 效應(yīng)實(shí)現(xiàn) 2r 全光再生的研究1陸川 北京郵電大學(xué)光通信與光電子研究院，北京 (100876) e-mail：bjluchuan摘要：隨著全光互聯(lián)網(wǎng)的提出，無源光器件的研究已經(jīng)成為當(dāng)前的一個熱點(diǎn)，光纖的非線 性效應(yīng)也越來越得到人們的重視。光子晶體光纖是一種新型光纖，具有無盡淡漠，高非線性及色散可控等傳統(tǒng)光纖無法比擬的特點(diǎn)，由于這些優(yōu)良的性質(zhì)，人們對利用其實(shí)現(xiàn)全光器件方面展開了大量研究。本文介紹了當(dāng)前利用光子晶體光纖這種新型高非線性光纖實(shí)現(xiàn)全光2r 再生的研究狀況，詳細(xì)分析了利用 spm(self phase modulation)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光再生的原理

2、和特點(diǎn)，并對利用光子晶體光纖的 spm 效應(yīng)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，提出 spm 效應(yīng)的利用 還有廣闊的研究空間。關(guān)鍵詞：全光再生；自相位調(diào)制；光子晶體光纖 中圖分類號：tn929.111引言隨著光互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，dwdm系統(tǒng)以及全光網(wǎng)絡(luò)對于新型無源光器件的需求也日 漸提高。高速光信號經(jīng)過長途傳輸之后，由于色散，光纖非線性，各信道的不一致性等導(dǎo)致 了信號產(chǎn)生嚴(yán)重的惡化，不利于在dwdm系統(tǒng)中傳輸，因此就需要全光再生裝置對光信號 進(jìn)行恢復(fù)再生1。自1992年光子晶體光纖的概念提出以來，基于光子晶體光纖的研究便成為 當(dāng)前光電子器件研究的熱點(diǎn)，其無盡單模，大模場面積，高非線性等特性為光電子器件提供

3、了廣闊 的研究空間 2-3 。嚴(yán)格 意義上的全光再生主 要指的是 3r 再生，即 再放大 （re-amplifying），再整形（re-shaping），再定時（re-timing），本文主要對利用光子晶 體光纖的自相位調(diào)制（spm）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)2r全光再生（re-amplifying, re-shaping）進(jìn)行詳細(xì)研 究和分析，并提出了展望。2光子晶體光纖光子晶體光纖又稱微結(jié)構(gòu)光纖或多孔光纖，因其具有二維光子晶體4的結(jié)構(gòu)，因此稱之 為光子晶體光纖。光子晶體光纖在諸多方面有著傳統(tǒng)光纖不可比擬的優(yōu)勢，例如其無盡單模 傳輸特性，大模場面積，高非線性，色散人工可調(diào)等，這些特性也是它吸引國內(nèi)外研究人員

4、傾注熱情的重要原因。2.1 光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)光子晶體光纖是一種二維光子晶體結(jié)構(gòu)，而在實(shí)際拉制過程中是將一定數(shù)量的毛細(xì)硅管 堆放子一起，經(jīng)擠壓填充之后形成的，如圖 1 所示：1本課題得到國家 973 計劃 （基金號：2003cb314900）的資助。- 7 -圖 1 光子晶體光纖拉制過程示意圖fig1. process of pcfs production這樣形成的斷面便是一種正六角形，其中有均勻分布的空氣孔，正是由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，才形成了光子晶體光纖這種特殊的光纖，根據(jù)空氣孔的大小，空氣孔的占空比的大小， 孔的數(shù)量等，可以制成各種各樣的光子晶體光纖5。2.2 光子晶體光纖的特點(diǎn)光子晶體光纖

5、由于其特殊的結(jié)構(gòu)，具有其與眾不同的特點(diǎn)：（1）作為一種特殊光纖，它的色散特性人工可調(diào)。色散是光纖中最為重要的屬性之 一，它直接影響著光脈沖在光線中的傳輸，且與光纖中多種非線性效應(yīng)之間 存在相互作用6，因此色散可調(diào)對于光通信中的光纖具有極其重要的意義。（2）作為一種傳輸介質(zhì)，它的無盡單模特性，模場面積可調(diào)，禁帶特性使得光子晶 體光纖成為未來傳輸光纖的新寵。通過調(diào)解空氣孔的孔徑比，可以使得光子 晶體光纖的截止波長很短，擴(kuò)展單模傳輸?shù)姆秶涣硗庠O(shè)置極大模場面積便 可以進(jìn)行高功率光傳輸，極小模場面積又可以產(chǎn)生較大的非線性效應(yīng)；原用 于光子晶體的禁帶屬性對于光子晶體光纖有著更大的潛力。（3）高非線性成為

6、當(dāng)前光子晶體最炙手可熱研究方向。光纖的非線性效應(yīng)逐漸被 人們認(rèn)識以來，在超大容量光波系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色，已報道的光子晶體光 纖的非線性系數(shù)可達(dá) 1860 w-1km-17 ，國內(nèi)外已有多所研究機(jī)構(gòu)開展利用光子晶體光 纖的非線性特性的研究。3光子晶體光纖3.1 全光再生介紹廣義的全 光再生指 的 是 3r 全光再 生，即 包括再定 時（ re-timing ），再放大 （re-amplifying），再整形（re-shaping）三個部分。其中，再定時是指從時間畸變的信號中 恢復(fù)原始的時鐘信號，再放大同一般意義的光放大，再整形指的是消除信號時域或者頻域畸 變，使之恢復(fù)到信源信號的水平。這

7、三部分的作用時恢復(fù)劣化的信號，對由色散導(dǎo)致的脈沖 展寬進(jìn)行脈沖壓縮，放大衰減的信號，消除幅度抖動（包括在比特“0”和“1”上的抖動）。其 中再定時一般可與另外兩個部分相分離，如圖 2 所示：圖 2 3r 全光再生示意圖17fig2 3r all-optical regeneration再放大部分與一般的光信號放大相同，即用一個光放大器來實(shí)現(xiàn)，而再整形部分相當(dāng)于一個光判決門，通過對存在幅度抖動的光信號進(jìn)行優(yōu)化合理的判決，利用再定時部分恢復(fù)出 的原始光時鐘，便得到再生后的信號，再生信號提高了光信號信噪比，降低了系統(tǒng)的誤碼率， 達(dá)到再生的目的。3.2 2r 全光再生正是由于再定時和另外兩個部分可以相

8、分離，因此 3r 全光再生可以分為兩部分，一部 分是時鐘再生，另一部分便是通常所說的 2r 再生，即再放大，再整形。本文主要集中在 2r 全光再生上。實(shí)際上，2r 再生是全光再生的核心部分，是實(shí)現(xiàn)信號再生的關(guān)鍵和核心，要 實(shí)現(xiàn)全光再生首先要了解全光再生的原因17：（1） 高速數(shù)據(jù)長距離傳輸導(dǎo)致信號惡化；（2） 光信號在 wdm 系統(tǒng)中傳輸時，由于是動態(tài)路由，經(jīng)過的路徑不同，因此信號 劣化的程度也就不同，如果需要耦合到同一信道，需要消除各個光信號的差異；（3） “全光”再生較之“光電光”再生，處理速度高，損耗低； 另外還需了解信號劣化的原因1：（1） 放大器的自發(fā)輻射噪聲；（2） 色散導(dǎo)致脈沖展

9、寬；（3） 偏振摸色散導(dǎo)致隨機(jī)時變噪聲；（4） 高速數(shù)據(jù)信號（>10gbits/s）經(jīng)過光纖時，由于非線性效應(yīng)導(dǎo)致的信號畸變； 目前全光再生實(shí)現(xiàn)的方法主要有：基于光纖非線性效應(yīng)（spm，xpm 交叉相位調(diào)制，fwm 四波混頻），基于 soa 非線性效應(yīng)和基于點(diǎn)吸收調(diào)制器（eam）的全光再生。當(dāng)把全 光再生器件用于 wdm 系統(tǒng)中甚至光交換系統(tǒng)中時，其明顯的提高系統(tǒng)的性能的作用已經(jīng)被 證實(shí)10-11。本文集中分析了利用自相位調(diào)制（spm）這種非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光再生的原理及 特點(diǎn)。4利用光子晶體光纖的 spm 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光再生4.1基本原理早在 1998 年，p.v. mamyshev 就提

10、出可以利用光纖的 spm 效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)全光再生9，如 圖 3 所示，該再生器包含兩個部分，第一部分是非線性光纖介質(zhì)，第二部分是一個光帶通濾波器，該光濾波器的中心波長在原信號波長0 基礎(chǔ)上增加了一個偏移量 shift 。輸入惡化的歸零信號經(jīng)過光纖之后，產(chǎn)生了 spm 效應(yīng)，再通過光濾波器之后便得到整形后的信號。4.2實(shí)現(xiàn)方式圖 3 利用 spm 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光再生示意圖fig3. optical regeneration based on spm光纖的自相位調(diào)制的實(shí)質(zhì)6，是光脈沖在光纖中傳輸時，因其滿足非線性薛定諤方程而 產(chǎn)生的非線性相位，從而導(dǎo)致光脈沖在頻域的展寬，因此稱為自相位調(diào)制。自相位調(diào)制導(dǎo)

11、致 的頻譜展寬由下式表示：spm= 0(2 )n2 i p l（1）9其中 0 1/ （ 脈沖寬度）表示原始信號頻寬， 為信號中心波長， i p 表示 脈沖強(qiáng)度， n 2 表示非線性折射率， l 為光纖長度。如 3.2 所述，裂化的信號主要有以下幾個方面需要解決，第一，信號衰減；第二，低頻噪聲；第三，高頻噪聲（即在信號中心波長附近的噪聲）。信號衰減可以通過光放大器如 edfa 來進(jìn)行補(bǔ)償，對于這兩種噪聲，如圖 4（a）所示，波浪線所示為寬帶白噪聲，經(jīng)過高非線 性光纖的 spm 作用之后，原信號頻譜得到展寬，又（1）式可知 spm 致脈沖頻譜展寬的程 度與信號強(qiáng)度成正比，如果分開考慮信號和疊加在

12、信號上的高頻噪聲，那么相比于信號，噪 聲強(qiáng)度遠(yuǎn)小于信號強(qiáng)度，因此噪聲由于 spm 所展寬的程度遠(yuǎn)小于信號展寬的程度，如圖 4（b）所示，在中心波長附近較小的幅度為噪聲，若選擇在原信號中心波長的偏移位置濾波， 便會濾掉原來疊加在信號上的高頻噪聲，同時也會濾掉低頻噪聲，如圖 4（c）所示，從而 提高了信號的信噪比，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的誤碼率。（a）（b）（c）圖 4 利用光纖 spm 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光再生原理圖fig4. optical regeneration based on fibers spm盡管圖 3 所示系統(tǒng)已給出了利用 spm 實(shí)現(xiàn)全光再生的基本形式，但是仍不夠完善，若 要實(shí)現(xiàn) 2r 全光再

13、生，還需添加偏振控制器，光放大器，濾波器等器件。目前對利用 spm 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光再生系統(tǒng)的研究主要考慮以下幾個問題：（1） 信號的輸入功率（光放大器的選用）；（2） 光纖種類，長度等；（3） 濾波器偏移位置。 根據(jù)式（1），以上三個參數(shù)相互之間均相互影響，因此如何優(yōu)化這三個參數(shù)達(dá)到最好的再生效果是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，而利用 spm 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光再生的核心便是系統(tǒng)所用非線性介 質(zhì)，即高非線性光纖，因此，光纖的選用便影響整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，這里我們選用光子 晶體光纖，如第 2 部分所述，光子晶體光纖是一種新型靈活多變的特種光纖，選用光子警惕 光纖也為我們的研究提供了更為開闊的空間。4.3利用光子晶體

14、光纖目前利用光纖 spm 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光再生大部分采用的都是高非線性色散位移光纖12或 者一些特殊材質(zhì)的光纖13，光子晶體光纖與其它高非線性光纖相比主要區(qū)別在于色散及非 線性系數(shù)，如表 1 所示，光子晶體光纖通過一定的設(shè)計和制作，可以極大地提高非線性系數(shù)， 同時可將色散控制在我們需要的范圍之內(nèi)（平坦負(fù)色散），以達(dá)到優(yōu)化整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由（1） 式可知體高非線性系數(shù)可以相應(yīng)的減小所用光纖長度，而平坦的負(fù)色散將會促進(jìn) spm 效應(yīng) 頻譜展寬的程度6。表 1 光子晶體光纖與高非線性光纖比較非線性系數(shù)色散光子晶體光纖101000+w-1.km-1可調(diào)（大小、正負(fù)、曲線斜率高非線性色散位移光纖8w-1.km

15、-1-0.7ps/nm.km）另外正如前所述，光子晶體光纖靈活的特性，使得實(shí)現(xiàn)多通道全光再生的可能性大大增加，目前由于受限于設(shè)計分析方法和制備工藝的難度，光子晶體光纖仍無法完全按照人們的 需求大量制作，相信隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，最終可得到真正靈活按需制作的光子晶 體光纖。5結(jié)論與展望隨著人們對光纖非線性效應(yīng)重要性的認(rèn)識，基于光子晶體光纖的功能器件層出不窮，為 將來高速大容量光纖通信系統(tǒng)鋪下了條條通路，全狀態(tài)、多波長的全光再生裝置以及全光再 生和波長變換的結(jié)合是全光再生發(fā)展的方向，同時 spm 效應(yīng)在其他諸如光邏輯門的應(yīng)用還 有待進(jìn)一步研究和挖掘，光纖非線性效應(yīng)將對高速光纖器件的產(chǎn)生重要影

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22、 fiber based on spm effectlu chuaninstitute of optical communications and optoselectronics, beijing university of posts andtelecommunications, beijing (100876)abstractthe all-optical internet has been studied for a while, therefore research of passive optical equipmentsis currently attracting interest due to its potential appl