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,同時提升了網(wǎng)絡(luò)的性能。隨著5G時代的到來,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)中實現(xiàn)全光組播,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須可以在光域上對信號進行復(fù)制,從而實現(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]實現(xiàn)全光組播,其原因在于SRS效應(yīng)的響應(yīng)時間短,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,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來實現(xiàn)全光組播,并根據(jù)理論模型給出設(shè)計方案。

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實現(xiàn)全光組播是利用SRS的放大原理[10],所以將需要進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PCF的拉曼增益譜。可以看出與傳統(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,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”碼元時功率較高,在“0”碼元時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行了復(fù)制,實現(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的全光組播進行設(shè)計仿真,圖3為依據(jù)理論模型設(shè)計的原理流程圖。使用射頻信號源和偽隨機序列發(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。可以看出組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進行直線擬合,根據(jù)SRS前向瞬態(tài)耦合波方程,對設(shè)計進行了數(shù)值仿真及分析。在理論模型的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于PCF中SRS的全光組播實現(xiàn)的原理流程圖,并利用Optisystem軟件進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,驗證了該設(shè)計的可行性。