非简并参量放大传输系统的研究

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1、精品论文非简并参量放大传输系统的研究谢文娟，余重秀（北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876）5摘要：基于光通信模拟软件 OptiSystem 7.0 ，本文成功搭建了非简并参量放大传输系统，该 系统既能观察到相位敏感放大，又能观察到相位不敏感放大。结合 FOPA 理论，分析了研究 闲频光的重要性和非简并参量放大系统的设计原理，详细介绍了具体参数，研究系统速率、 泵浦光功率和泵浦光与信号光波长的间隔这三方面因素对相位敏感放大(PSA)和相位不敏感 放大(PIA)中闲频光的影响。仿真结果发现，当系统速率不同时，相位敏感放大与相位不敏10感放大性能相差不大，而当泵浦光功率和

2、泵浦光与信号光波长的间隔变化时，相位敏感放大 性能要好于相位不敏感放大。关键词：非简并参量放大；四波混频；OptiSystem 7.0中图分类号：TN2915The research of nondegenerate parametric amplification transmission systemXie wenjuan, Yu Chongxiu(State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunicatio

3、ns, Beijing 100876)20Abstract: In this paper, we successfully set up the transmission system of nondegenerate parametricamplification based on OptiSystem 7.0 software. We could observe PSA and PIA at the same time. Combing with the theory of FOPA, the significance of idler and the design prinsiple o

4、f the non-degenerate parametric amplification are analyzed. The detail parameters are introduced. The influence of system rate and pump power and the space between the pump and the signal on the idler25power are discussed in the phase sensitive amplification (PSA) and the phase insensitive amplifica

5、tion(PIA). Simulation results are obtained, which the performance of PSA is not so far from the performance of PIA when the system rate is different and the performance of PSA are better than the performance of PIA when the pump power and the the space between the pump and the signal aredifferent.30

6、Key words: Non-degenerate Parametric Amplification; Four Wave Mixing; OptiSyatem 7.00引言与传统放大器相比，基于四波混频的参量放大（FOPA）具有比特率透明性、调制格式 透明性和多波长同时转换的能力等优势，从而在未来全光通信系统中具有巨大的应用潜力。35而基于三阶非线性克尔效应的 FOPA 既可以用做相位敏感放大器，也可以用做相位不敏感放 大器，这取决于 FOPA 的结构。相位不敏感放大器的增益并不取决于输入信号光的相位。 PSA 只会放大同相分量的信号, 却会衰减正交分量1。相位敏感放大器的应用潜力非常大，

7、如 10dB 相位敏感增益2，无噪声放大3，以及相位再生，尤其是其能实现 0dBm 理想噪声 指数的在线放大4，被认为是未来光传输系统中最有前景的光放大器。40参与参量放大的光有三种，分别是泵浦光、信号光和闲频光。参量放大产生的闲频光在 光波长转换、信号处理等领域有着良好的应用前景，对 FOPA 闲频光展开相关的研究有利于基金项目：博士学科点专项基金（编号：20090005110012）作者简介：谢文娟（1989-），女，研究生，主要研究方向：光纤通信技术，光纤放大器通信联系人：余重秀（1946-），女，教授，主要研究方向：光纤通信技术. E-mail: cxyu- 7 -扩展 FOPA 在光

8、通信系统中的应用范围5。因此，本文借助 OptiSystem 7.0，本文主要从系 统速率、泵浦光功率和泵浦光和信号光波长的间隔这三方面出发，研究其在相位敏感放大和 相位不敏感放大下对生成的闲频光的影响。45本文的结构如下:首先介绍非简并型 FOPA 的理论模型，然后仿真分析影响非简并参量 放大系统的因素并在最后部分进行全文总结。1参量放大理论参量放大（FOPA）是光纤中一种非常重要的非线性现象。四波混频通常涉及四个光波 之间的相互作用，而参量放大可认为是作为大功率的抽运光中的完全相同的两个光波与一个50很弱的信号光一起在光纤中同相传输时，由于差拍的作用产生一个新频率的闲频光。光之间必须满足相

9、位匹配关系。两个 p 频率的泵浦光与一个s 频率的信号光和一个i 频率的闲 频光作用，它们满足s + i = 2 p 。光能量会从抽运光转移到信号场中，使得信号光得到放大。三阶参量过程通常涉及四个光波的相互作用，包含三次谐波的产生、四波混频和参量放55大等现象。其主要特点可以通过考虑式中的三阶极化项来解释：( 3)PNL = 0 M EEE式（2-1）其中，PNL 为感应非线性极化， 0 为真空中的介电常数，E 为电场。振荡频率分别为1 ，2 ，3 和4 ，沿 x 方向线偏振的四个光波，其总电场可表示为：1 E =x24jjj =1E j expi(kz t )+ c.c.式（2-2）60式中

10、，传播常数 k j = n j j / c ，n j 为折射率。假设光波均沿同一个方向 z 传播，PNL 可表示为：1 4P=xP j expi(k z t )+ c.c.式（2-3）NL2jjj =1Pj ( j = 1 4) 由许多包含三个电场积的项组成6。dPp= P 4 (P 2 P P )1/ 2 sin ,式（2-4）dzpp S i65dPs= P + 2 (P 2 P P )1/ 2 sin ,式（2-5）dzsp S idPi= P + 2 (P 2 P P )1/ 2 sin ,式（2-6）d= + dzi2Pp Ps Pip S i式（2-7）dz+ (P 2 PP )1

11、 2+ (P 2 PP )1 2 4(P P )1 2 cosp sip iss iFOPA 有两种实现方式，一种是简并型的，另一种是非简并型的。前者是通过恰当选取泵浦光的频率，使得泵浦光对称分布在信号光的两侧，这是利用信号光自身来实现闲频光的70作用，达到相位敏感的作用；后者闲频光必须随着泵浦光和信号光输入光纤。对于简并型FOPA 因为要求信号光频率要严格处于两个泵浦中心，这样就限制了信号的带宽，不利于实现宽带信号的 PS-FOPA，所以本文主要采用非简并型的 FOPA。2影响非简并参量放大因素的 OptiSystem 仿真2.1 仿真条件75本文为采用的是三段光纤 DSF+SMF+DSF

12、级联的直线结构7。第一段色散位移光纤作为 相位不敏感部分，产生的闲频光随着泵浦光和信号光一并注入单模光纤，闲频光自动获得与 泵浦光和信号光固定的相位关系，单模光纤的色散作用改变这三种光之间的相对相位。相对 相位稳定的三种光进入第二段色散位移光纤，这过程即相位敏感部分,其增益由输入信号光 的相位决定。系统主要由激光产生模块、伪随机产生模块、光调制模块、光纤模块、解调模80块和光谱分析仪模块组成，框图如图 1 所示：图 1 非简并参量放大系统框图Fig. 1 The scheme of non-degenerate FOPA system本文的系统参数如下：泵浦光和信号光波长分别设为 1538nm

13、 和 1560nm，功率分别为8537dB 和-20dB，功率均为 10dBm,线宽为 0.1MHz,FWM 效应后会在 1582nm 处生成闲频光。 光纤部分，两段 DSF 的长度分别是 1.02km 和 0.5km，而 SMF 只有 10m 长，具体光纤参数 如表一所示。在光解调模块，闲频光通过一高斯光滤波器将 1541nm 处的闲频光滤出，然后 由 PIN 探测器探测，通过一低通滤波器后到 BER 分析仪。PIN 二极管的分辨率和暗电流分 别是 1A/W 和 10nA，并使用了四阶滤波。90表 1 DSF 和 SMF 光纤的参数Tab. 1 Fiber parameters about

14、DSF and SMF光纤衰减（dB/Km）色散(ps/km-nm)色散斜率(ps/km-nm)有效面积（m）DSF0.2170.07570SMF0.5-85-0.322这种结构的优势在于 DSF1 后能够观察到相位不敏感现象，而在 DSF2 后能观察到相位敏感现象。本文主要从系统速率、泵浦光功率和泵浦光和信号光波长的间隔出发，详细对比 分析其对相位敏感放大和相位不敏感放大的影响。952.2 仿真结果2.2.1系统速率在 OptiSystem 光通信系统设计软件中，系统速率属于全局变量。全局变量是使仿真达 到理想效果的关键所在。本节设置系统速率参数分别为 20Gb/s、40Gb/s 和 80G

15、b/s,得到的经 过光谱图分别如图 2、图 3 和图 4 所示：100105110115图 2 当系统速率为 20Gb/s 时，如图（a）和图（b）分别表示 经过 DSF1 和 DSF2 之后的光谱图Fig. 2 The eye diagram after DSF1 and DSF2 are shown as Fig.a and Fig.b when the system rate is 20Gb/s图 3 当系统速率为 40Gb/s 时，如图（a）和图（b）分别表示 经过 DSF1 和 DSF2 之后的光谱图Fig. 3 The eye diagram after DSF1 and DSF2

16、 are shown as Fig.a and Fig.b when the system rate is 40Gb/s图 4 当系统速率为 40Gb/s 时，如图（a）和图（b）分别表示 经过 DSF1 和 DSF2 之后的光谱图Fig. 4 The eye diagram after DSF1 and DSF2 are shown as Fig.a and Fig.b when the system rate is 40Gb/s通过观察对比图 2、3 和 4 发现当系统速率为 20Gb/s 和 80Gb/s 时，经过 DSF2 之后的闲频光功率均小于经过 DSF1 之后的闲频光功率。当系统

17、速率为 20Gb/s 时，在 1560nm 处生 成的闲频光功率相差 6dBm。而当系统速率为 80Gb/s 时，在 1560nm 处生成的闲频光功率竟 能相差达 15dBm。因此，系统速率越大，经过 DSF1 和 DSF2 之后的闲频光功率相差越大， 即放大效果不同。当系统速率为 20Gb/s 和 80Gb/s 时，相位敏感放大生成闲频光的功率小于 相位不敏感放大生产的闲频光功率，而当系统速率为 40Gb/s 时，相位敏感放大生成闲频光 的功率大于相位不敏感放大生产的闲频光功率，起到放大的作用，这是因为系统速率不一样， 色散作用不同导致。1202.2.2系统速率参量放大过程中，泵浦光功率远大

18、于信号光功率，泵浦光功率的大小会影响 FOPA 放大 的性能。由于 FOPA 的增益与泵浦光平均功率大小成正比，为了讨论泵浦光功率对相位敏感 放大器的影响，分别取泵浦光功率为 10dBm、20dBm、30dBm 和 40dBm，针对这四种情况 展开分析。其它的参数均与上节相同，信号光功率取仍为-20dBm。仿真如图 5 所示：-60闲频光功率(dBm)-65-70-75-80相位不敏感放大 相位敏感放大125-8510 15 20 25 30 35 40泵浦光功率(dBm)130135140图 5 1582nm 处的闲频光功率随泵浦光功率变化的关系Fig. 5 The relationship

19、 between the power of pump and the power of idler从图中可知，当泵浦光功率在从 10dBm 增加倒 30dBm 的过程中，在 1560nm 处生成的 闲频光功率近似成正比增长；而当泵浦光功率增加到 40dBm 时，生成的闲频光功率急剧减小。相位不敏感曲线与相位敏感变化曲线情况相类似，总体而言，相位敏感放大较之相位不 敏感放大性能好，放大的闲频光功率较大。2.2.3泵浦光和信号光波长的间隔单泵浦参量情形下的相位失配为： = + 2Pp ，相位失配与泵浦波长及功率、零色散波长、色散及色散斜率和非线性系数的值有关系, 它们的相互作用也会影响相位失配。因

20、此，研究泵浦光和信号光波长之间的间隔改变对相位敏感放大和相位不敏感放大的影响是很 有必要的。由于泵浦光波长为 1560nm，信号光波长为 1538nm，所以泵浦光和信号光波长之 间的间隔为 22nm, 以 22nm 为起点，调节信号光波长，使之不断靠近泵浦光，使信号光波长 从 1538nm 增加到 1554nm, 即间隔从 22nm 减小到 6nm，观察到 1582nm 处生成的闲频光功 率变化如下图 6 所示：-50-52-54-56-58闲频光功率(dBm)-60-62-64-66-68-70-72-74-76-78-80-82-84相位不敏感放大 相位敏感放大4681012141618泵

21、浦光和信号光的间隔(nm)145150155160165170图 6 1582nm 处的闲频光功率随泵浦光和信号光的间隔变化的关系Fig. 6 The relationship between the power of pump and the space of pump and signal根据上图可知，随着泵浦光和信号光之间的间隔的增大，两段曲线的闲频光的功率均不 断下降，即四波混频效果越不明显，其中相位不敏感放大在急剧下降后有略微上升的趋势。 相位敏感放大对应着的变化曲线比相位不敏感放大对应的曲线高，故相位敏感放大的效果较 好。3结论本文给出了 OptiSystem 7.0 仿真下非简并

22、参量放大系统的传输模型，单泵浦参量放大原 理，结合仿真条件，观察到了明显的四波混频现象。然后着重分析了系统速率、泵浦光功率 和泵浦光和信号光波长的间隔这三方面对相位敏感放大和相位不敏感放大的影响。结果表 明，当系统速率为 20Gb/s 和 80Gb/s 时，相位敏感放大不如相位不敏感放大，当系统速率为40Gb/s 时，则反之；当泵浦光功率和泵浦光和信号光波长的间隔变化时，相位敏感放大效 果都要好于相位不敏感放大。参考文献 (References)1 Carlton M C. Quantum limits on noise in linear amplifiersJ. Physical Revi

23、ew D, 1982, 26(8): 1817-1839.2 Bartolini G, Li R D, Kumar P, Riha W, Reddy K V. 1.5-m phase-sensitive amplifier for ultrahigh-speed communicationsJ. Optical Society of America, 1994, pp: 202-203.3 Levandovsky D, Vasilyev M, Kumar P. Amplitude squeezing of light by means of a phase-sensitive fiber pa

24、rametric amplifierJ. Optical Letters, 1999, 24(14): 984-986.4 Hentschel A, Sanders B C. Machine Learning for Precise Quantum MeasurementJ. Physical Review Letters,2010, 104(14): 063603-0653607.5 程晓鹏. 光纤参量放大中噪声特性的理论研究D. 北京: 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室, 2011.6 尹璐. 参量放大及偏振不敏感参量放大器的研究D. 北京: 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重 点实验室, 2011.7 Tang R, Lasri J, Devgan P S, Kumar P. Gain characteristics of a frequency nondegenerate phase-sensitivefiber-optic parametric amplifier with phase self-stabilized inputJ. Optical Society of America, 2005, 13(26):10483-10493.