自相位調(diào)制的頻譜展寬研究_圖文

1、通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自相位調(diào)制的頻譜展寬研究朱莉娟(南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210003摘要:光纖中的自相位調(diào)制(SPM 會(huì)導(dǎo)致光脈沖的頻譜展寬。文章作者通過調(diào)整光纖參數(shù)和光脈沖參數(shù),利用OptisyStem 軟件成功地模擬出了SPM 效應(yīng),并詳細(xì)分析了光纖長(zhǎng)度、峰值功率、脈沖形狀和初始啁啾等參數(shù)對(duì)SPM 譜的影響,觀察到了負(fù)的初始啁啾使光纖輸出端的脈沖頻譜窄化的現(xiàn)象。關(guān)鍵詞:自相位調(diào)制;頻譜展寬;高斯脈沖;超高斯脈沖;啁啾中圖分類號(hào):TN915文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100528788(20090520030203SPM 2induced spectral broadenin

2、gZhu Liju an(College of Electronic Science and Engineering ,Nanjing University of Posts and Telecommunications ,Nanjing 210003,China Abstract :Self 2Phase Modulation (SPM in optical fibers tends to result in the spectral broadening of optical pulses.In this pa 2per ,SPM effect is simulated in Optisy

3、stem by adjusting the parameters of fibers and optical pulses ,the influences of such pa 2rameters as fiber length ,peak power ,pulse shape and initial chirps on SPM spectrum are analyzed in detail and a phenomenon of spectral narrowing at the fiber output end caused by the negative initial chirp is

4、 observed.K ey w ords :SPM ;spectral broadening ;G aussian pulse ;super 2Gaussian pulse ;chirp自相位調(diào)制(SPM 效應(yīng)是光波在光纖中傳輸時(shí)光波本身引起的相移,起源于光纖的折射率與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的非線性效應(yīng)克爾(Kerr 效應(yīng),其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致光脈沖的頻譜展寬。在密集波分復(fù)用(DWDM 系統(tǒng)中,頻譜展寬是非常嚴(yán)重的問題,可導(dǎo)致一個(gè)信道的脈沖光譜與另一個(gè)信道的脈沖光譜發(fā)生重疊,從而影響系統(tǒng)性能。SPM 所帶來的頻譜展寬與許多因素有關(guān),如入纖信號(hào)的峰值功率、光纖長(zhǎng)度、脈沖形狀和初始啁啾等,但脈沖形狀始終保持不變。

5、而當(dāng)SPM 和群速度色散(GVD 同時(shí)作用影響光脈沖時(shí),脈沖形狀也會(huì)受影響。在光纖的反常色散區(qū),這兩種現(xiàn)象共同作用的結(jié)果導(dǎo)致光纖中孤子的形成;在光纖的正常色散區(qū),SPM 和GVD 效應(yīng)的共同作用已在光脈沖壓縮方面得到了應(yīng)用。但對(duì)于具有較高峰值功率的脈沖(P 0>1W ,若其脈沖寬度較寬(T 0>100p s ,則GVD 效應(yīng)可以忽略。本文主要考慮忽略GVD 效應(yīng)的SPM 對(duì)脈沖頻譜的展寬。1SPM 與仿真模型1.1SPM光纖中SPM 的一般描述需要對(duì)光脈沖在光纖中的脈沖傳輸方程求數(shù)值解。數(shù)值解結(jié)果表明,SPM 產(chǎn)生了隨光強(qiáng)及光纖長(zhǎng)度變化的相位,但脈沖形狀保持不變。而瞬時(shí)變化的相位引

6、起了瞬時(shí)頻率的變化,其差值對(duì)時(shí)間的依賴關(guān)系可被看作頻率啁啾。當(dāng)考慮入射場(chǎng)為超高斯脈沖時(shí),其SPM 所致啁啾(T 為(T =2m T 0L effL NLTT 02m-1exp -T2mT 0,(1上式在m =1時(shí)對(duì)應(yīng)高斯脈沖。對(duì)于較大的m ,入射脈沖的前后沿變陡,脈沖近似為矩形。L eff 為有效長(zhǎng)度,且L eff =1-exp (-z /,式中,為光纖損耗。由于光纖存在損耗,因此L eff 比實(shí)際光纖長(zhǎng)度要短。當(dāng)光纖無損耗時(shí),有效長(zhǎng)度L eff 等于光纖長(zhǎng)度z 。光纖的非線性長(zhǎng)度表示為L(zhǎng) NL ,且L NL =n 20cA effP 0-1,式中,P 0為峰值功率,n 2為非線性折射率系數(shù),

7、c 為光速,0為中心頻率,A eff 為纖芯有效截面。從以上分析可知,對(duì)于給定的信號(hào)峰值功率,頻率啁啾隨著光纖長(zhǎng)度z 線性增大;對(duì)于給定的光纖長(zhǎng)度,頻率啁啾則隨著峰值功率P 0線性增大。1.2仿真模型OptiSystem 是一款光通信系統(tǒng)模擬軟件,具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境和真實(shí)的器件和系統(tǒng)的分級(jí)定義。利用OptiSystem 模擬軟件搭建的仿真裝置如圖1所示。發(fā)端利用比特序列發(fā)生器和光高斯脈沖發(fā)生收稿日期:2009206204作者簡(jiǎn)介:朱莉娟(19732,女,江蘇泰興人,講師,碩士,研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶夹g(shù)。32009年第5期(總第155期光通信研究STUD Y ON OP TICAL COMMUNIC

8、A TIONS器產(chǎn)生入纖信號(hào);光纖選用單模光纖,可以通過設(shè)置光纖的色散參數(shù)和非線性參數(shù)來仿真光纖的色散效應(yīng)和非線性效應(yīng)。為了收集仿真結(jié)果,選用了光譜分析儀來觀測(cè)脈沖傳輸前后的頻譜,選用光時(shí)域示波器來觀察脈沖傳輸前后的時(shí)域波形 。圖1演示SPM 對(duì)脈沖頻譜影響的仿真裝置圖為簡(jiǎn)單起見,仿真時(shí)選取光纖損耗為零,則光纖的有效長(zhǎng)度L eff 等于光纖實(shí)際長(zhǎng)度z 。光高斯脈沖及光纖的主要參數(shù)設(shè)置分別如表1表3所示。表1光高斯脈沖的主要參數(shù)名稱數(shù)值功率/W 1波長(zhǎng)/nm 1550半高寬/ps 12.5階數(shù)m 1或3啁啾定義線性啁啾因子C/rad/s0、5或-5表2光纖的主要參數(shù)名稱數(shù)值纖長(zhǎng)見表3衰減/dB/

9、km 0有效面積/m 280非線性系數(shù)/m 2/W2.6e -020自相位調(diào)制使能群速度色散未使能表3不同z/L NL 下的光纖長(zhǎng)度取值z(mì)/L NL 00.5 1.5 2.5 4.5z/km1.19233.57705.961710.73112仿真結(jié)果分析2.1無啁啾高斯脈沖的SPM 譜固定信號(hào)峰值功率為1W ,通過改變光纖長(zhǎng)度觀察無啁啾脈沖的頻譜演變。同樣,固定光纖長(zhǎng)度,增加信號(hào)峰值功率,也可以觀察到相同的頻譜演變過程。為了觀測(cè)無啁啾高斯脈沖頻譜的變化規(guī)律,取表1中的階數(shù)m =1,啁啾因子C =0rad/s 。信號(hào)的峰值功率固定為1W 。根據(jù)表3改變光纖的長(zhǎng) 圖2所示。圖2m =1、C =0r

10、ad/s 時(shí),無啁啾高斯脈沖的SPM 展寬頻譜隨光纖長(zhǎng)度的變化規(guī)律從圖2可以看到,當(dāng)脈沖沿光纖傳輸時(shí),隨著光纖長(zhǎng)度的增加,新的頻率分量不斷產(chǎn)生,從而導(dǎo)致頻譜展寬。同時(shí),SPM 所致頻譜展寬在整個(gè)頻率范圍內(nèi)伴隨著振蕩結(jié)構(gòu)。通常,頻譜由多個(gè)峰組成,且最外層峰幅度最大,峰的數(shù)目也隨著傳輸距離的增加而增多。2.2脈沖形狀對(duì)SPM 譜的影響由式(1得知,SPM 所致頻率啁啾與脈沖形狀有關(guān),不同的m 值會(huì)影響SPM 對(duì)頻譜的展寬狀況。圖2顯示了m =1時(shí)的高斯脈沖的頻譜變化規(guī)律,下面將觀察m =3時(shí)的超高斯脈沖的頻譜變化規(guī)律,以考查m 變化所帶來的脈沖形狀變化對(duì)頻譜變化的影響。事實(shí)上,m 值越大,脈沖的前

11、后沿就變得越陡,這樣的脈沖一開始就有較寬的頻譜。通常,由直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器發(fā)射的脈沖就屬于這一類,而不能近似為高斯脈沖。取m =3,其它參數(shù)同上。無啁啾超高斯脈沖的SPM 展寬頻譜隨光纖長(zhǎng)度的變化規(guī)律如圖3所示。顯然,對(duì)于超高斯脈沖,其很大一部分能量仍集中在中心峰處,這說明SPM 在中心頻率附近產(chǎn)生13朱莉娟:自相位調(diào)制的頻譜展寬研究的頻率啁啾幾乎為0,其頻率啁啾主要出現(xiàn)在前后沿附近。這和圖2所示的高斯脈沖譜的演變有很大差異 。圖3m =3時(shí),無啁啾超高斯脈沖的SPM 展寬頻譜隨光纖長(zhǎng)度的變化規(guī)律圖4是高斯脈沖(m =1和超高斯脈沖(m =3在z/L NL 取4.5時(shí)的頻譜對(duì)照?qǐng)D。該圖進(jìn)一

12、步說明了脈沖形狀所帶來的頻譜差異。此時(shí),超高斯脈沖的頻譜范圍大約是高斯脈沖頻譜的3倍,表明具有較陡前后沿的脈沖更易被展寬。另外,盡管兩者的頻譜都出現(xiàn)了5,但其能量分布不同 。圖4無啁啾高斯和超高斯脈沖SPM展寬頻譜的比較2.3初始啁啾對(duì)脈沖頻譜的影響SPM 所產(chǎn)生的頻率啁啾會(huì)導(dǎo)致脈沖頻譜的展寬,初始頻率啁啾和SPM 同時(shí)作用時(shí),則會(huì)引起SPM 所致展寬的脈沖頻譜發(fā)生急劇變化。取m =1,C =5rad/s 。光纖長(zhǎng)度z 由0遞增至8km 。帶有初始啁啾的高斯脈沖的SPM 展寬頻譜如圖5所示 。圖5初始啁啾對(duì)脈沖頻譜的影響從圖5中看出,隨著光纖長(zhǎng)度的增加,光纖輸出端的頻譜先是變窄,在4km 左右

13、達(dá)到最窄,然后又慢慢變寬,同時(shí)頻譜形狀發(fā)生畸變。取C =5rad/s ,其他參數(shù)不變,可以觀察到正的初始啁啾對(duì)SPM 展寬頻譜的影響。仿真結(jié)果表明,正的初始啁啾不會(huì)導(dǎo)致頻譜的窄化現(xiàn)象。由此可以得出結(jié)論,SPM 產(chǎn)生的頻率啁啾對(duì)脈沖的負(fù)初始啁啾有補(bǔ)償作用。3結(jié)束語光纖中的SPM 會(huì)造成脈沖頻譜的變化。例如,通過對(duì)高斯脈沖的分析可知,SPM 會(huì)導(dǎo)致前沿譜紅移,后沿譜藍(lán)移,脈沖頻譜被展寬,同時(shí)頻譜出現(xiàn)振蕩結(jié)構(gòu)。對(duì)超高斯脈沖的分析也有類似的結(jié)果,只是頻譜能量分布有很大差異。另外,由于SPM 會(huì)引入新的頻率啁啾,該頻率啁啾附加到脈沖的初始線性啁啾上,也會(huì)改變其頻譜結(jié)構(gòu)。一般情況下,SPM 效應(yīng)在超長(zhǎng)距離

14、的高速光纖通信系統(tǒng)中表現(xiàn)比較明顯,在進(jìn)行此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí),除了要考慮色散之外,還應(yīng)注意光纖非線性效應(yīng)對(duì)傳輸性能的影響。通常,可以通過合理分配線路光信號(hào)功率或色散補(bǔ)償?shù)姆椒▉砀纳芐PM 帶來的信號(hào)劣化,增加系統(tǒng)的傳輸距離。參考文獻(xiàn):1賈東方.光纖光學(xué)原理及應(yīng)用M .北京:電子工業(yè)出版社,2002.2陳勝鈺,邱怡申,李雪梅.自相位調(diào)制的頻譜分析J .閩江學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2006,27(2:37241.3朱偉明.光子晶體光纖中自相位調(diào)制效應(yīng)對(duì)超高斯脈沖傳輸?shù)挠绊慗 .光子學(xué)報(bào),2007,36(12:22226.4Rui Meleiro ,Alvaro Buxens ,Daniel Fonseca.Impactof Self 2Phase Modulation on In 2Band Crosstalk Penal 2ties J .IEEE Photonics Technology Letters ,20