王維濤，張 穎，韓紀(jì)廣

（聊城大學(xué)實(shí)驗(yàn)管理中心，山東聊城 252059）

Optisystem 是一款光通信系統(tǒng)模擬軟件包，它集設(shè)計(jì)、測試和優(yōu)化各種類型寬帶光網(wǎng)絡(luò)物理層的虛擬光連接等功能于一身，具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境和真實(shí)的器件以及系統(tǒng)的分級定義。它的器件庫包括超過200種的模型，而且在子系統(tǒng)級和器件級上，它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進(jìn)行擴(kuò)展，而成為光通信領(lǐng)域廣泛使用的工具。

AOWC（全光波長變換）可以不經(jīng)過光／電／光（O／E／O）變換，而將光信號從一個(gè)波長直接變換到另一個(gè)波長，從而實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。因此它是未來基于WDM（波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)）全光網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它可以有效解決WDM 網(wǎng)絡(luò)中的波長競爭以及WDM網(wǎng)絡(luò)高阻塞率問題，而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波長路由和波長的再利用［1］。在眾多實(shí)現(xiàn)技術(shù)中，基于四波混頻（FWM）效應(yīng)的AOWC是唯一可對調(diào)制方式、碼速率完全透明的波長變換［2－3］。

1 全光波長變換的原理

量子力學(xué)對FWM 的定義:一個(gè)或幾個(gè)光波的光子被湮滅，同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)不同頻率的新光子，在該過程中，動(dòng)量和凈能量是守恒的，該過程稱為四波混頻［4］。

SOA（半導(dǎo)體光放大器）具有非線性系數(shù)高，增益帶寬大、能動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換波長、體積小、泵浦簡單、易于集成等優(yōu)勢，成為目前實(shí)現(xiàn)全光波長變換的最佳器件。SOA 中基于三階非線性效應(yīng)產(chǎn)生FWM:不同波長的兩束光同時(shí)耦合進(jìn)入SOA 中，一束稱為泵浦光、另一束稱為信號光，頻率分別為fp、fs。兩束光經(jīng)過SOA的載流子光柵散射后能夠產(chǎn)生新的光波:變換光和閑頻光，其頻率分別為:fc＝2fp－fs和fx＝2fs－fp。由此實(shí)現(xiàn)了全光域內(nèi)的信號轉(zhuǎn)換［4－5］。原理圖見圖1。

2 AOWC的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺

圖1 FWM 原理圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺如圖2 所示。在Optisystem 中選用傳輸庫中連續(xù)光源作為泵浦和信號光源，泵浦光與信號光頻率分別調(diào)整為193.49THz和193.52THz，功率設(shè)為1dBm。兩束光分別通過偏振控制器控制其偏振態(tài)，然后共同耦合進(jìn)入3dB 耦合器內(nèi)，耦合光通過半導(dǎo)體光放大器件SOA（參數(shù)見表1）。FWM 效應(yīng)在SOA 中完成，通過觀察儀器庫中選用的光譜分析儀來觀測FWM 頻譜。

圖2 基于SOA的AOWC實(shí)驗(yàn)平臺

表1 SOA參數(shù)

3 性能測試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過調(diào)整AOWC 實(shí)驗(yàn)平臺相關(guān)器件的參數(shù)，如調(diào)整表1中Injection current、length以及泵浦和信號光的功率和頻率差，可以較為直觀地觀測AOWC 變換情況。

3.1 SOA 注入電流的影響

載流子密度、動(dòng)態(tài)載流子、散熱過程3 種機(jī)制對SOA 形成載流子光柵有作用［6－7］。SOA 的注入電流（injection current）影響載流子濃度和半導(dǎo)體光放大器的增益。載流子密度、動(dòng)態(tài)載流子決定能否形成穩(wěn)定的載流子光柵，進(jìn)而對FWM 產(chǎn)生的變換波的功率有影響。如圖3所示，注入電流小于0.8A 時(shí)，F(xiàn)WM 效率隨著注入電流的增大逐漸增大，在注入電流大于0.8A 時(shí)注入電流的變化對變換效率影響不大。

圖3 SOA注入電流對FWM 變換效率的影響

SOA 具有非線性作用，因此滿足一定條件下產(chǎn)生FWM 現(xiàn)象，形成波長變換，此外SOA 還具有線性放大功能［8－9］。在注入電流較大時(shí)，隨著載流子密度的增加，SOA 放大效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)生高階FWM 現(xiàn)象。圖4 所示注入電流為0.18 A 時(shí)，產(chǎn)生的一階FWM 頻譜。圖5所示注入電流為1A 時(shí)，產(chǎn)生的高階FWM 頻譜。

圖4 SOA注入電流為0.18A時(shí)FWM 頻譜圖

3.2 SOA 腔長變化的影響

增益恢復(fù)時(shí)間用來衡量SOA 的動(dòng)態(tài)增益特性，增益恢復(fù)時(shí)間指一路光脈沖經(jīng)過SOA 有源區(qū)后，SOA 的增益從他的穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需要的時(shí)間［10－11］。增益恢復(fù)時(shí)間隨SOA 腔長的增大而縮短。經(jīng)過調(diào)整SOA 參數(shù)length，得到腔長對FWM 變換效率關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，腔長小于200 μm 時(shí)，波長變換效率隨著SOA 腔長的增加而增大；在腔長大于200μm、小于800μm 的范圍內(nèi)，波長變換效率基本不受腔長變化的影響。

圖5 SOA注入電流為1A時(shí)FWM 頻譜圖

圖6 SOA腔長對FWM 變換效率的影響

3.3 泵浦光功率的影響

通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，泵浦光的功率對混頻效率影響較大。當(dāng)泵浦光功率較大時(shí)，非線性效應(yīng)引起的相位失配較大，如果此時(shí)材料色散引起的相位失配不變，則不能滿足完全相位匹配，因此隨著泵浦功率的變化，相位失配隨之變化，進(jìn)而影響到變換效率，見圖7。

圖7 泵浦光功率對變換效率的影響

3.4 泵浦光與信號光頻率差的影響

四波混頻的一個(gè)重要條件是系統(tǒng)滿足相位匹配［3－4］。泵浦光與信號光頻率差對相位匹配有一定的影響，系統(tǒng)無法滿足相位匹配時(shí)，F(xiàn)WM 不能有效產(chǎn)生，波長變換無法實(shí)現(xiàn)。仿真實(shí)驗(yàn)得到的泵浦光與信號光頻率差（fp－fs）對FWM 變換效率的影響見圖8。泵浦光與信號光的頻率差門限值為0.14THz，當(dāng)二者差值大于0.14THz時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)波長變換。如圖9頻譜所示，當(dāng)泵浦光頻率設(shè)為193.5THz，而信號光頻率設(shè)為193.36THz時(shí)，無FWM 產(chǎn)生。

圖8 泵浦光與信號光頻率差對變換效率的影響

圖9 fp－fs＝0.14THz時(shí)FWM 頻譜圖

4 結(jié)束語

Optisystem 能夠模擬各種環(huán)境，元件性能還可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進(jìn)行擴(kuò)展，而成為光通信領(lǐng)域廣泛使用的工具。通過Optisystem 系統(tǒng)環(huán)境下搭建的AOWC 實(shí)驗(yàn)平臺，成功模擬出了全光波長變換，并通過對系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，找到了影響AOWC 波長變換效率的各種因素，為學(xué)生掌握AOWC原理提供了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并為AOWC 的具體實(shí)現(xiàn)提供了模型依據(jù)［12］。

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