宽带光纤喇曼波长转换器的可调谐研究

巩稼民，冷 斌，赵 云

（1.西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安710121； 2.西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安710121）

波长转换通过防止波长路由中的信道阻塞，从而为客户提供高灵活性和高利用率的波长分配，是波长路由光网络中的一个重要元素。全光波长转换的方法能够避免比特率相关的信号之间昂贵的光－电转换，有利于实现光网络大容量高速率的传输。

当前，实现全光波长转换的方法主要有基于半导体光放大器中交叉增益调制效应［1］、交叉相位调制效应［2］、交叉偏振调制效应［3］、四波混频效应［4］；基于电吸收调制器中交叉吸收调制效应［5］；基于周期极化铌酸锂波导中的级联和频、差频产生效应［6］；基于光纤中交叉相位调制效应［7］、四波混频效应［8］、交叉偏振调制效应［9］、受激喇曼效应［10］等。特别是，基于受激喇曼散射效应（Stimulated RamanScattering，SRS）的全光波长转换，其结构简单，转换速率快、转换范围宽，相比于基于半导体和基于四波混频效应等全光波长转换方法是一种更有前途的技术。

光纤喇曼波长转换的实现是利用了泵浦信号光对连续光的喇曼放大效应［10］。由已经成熟的光纤喇曼放大器的研究中可以得知喇曼放大与光纤的喇曼增益谱密切相关［11－13］。同理，光纤喇曼波长转换亦然。由于喇曼增益谱带宽很宽（达40THz），在泵浦信号光中心波长固定的情况下，可以实现喇曼波长转换的范围很大，所以基于光纤中SRS效应的全光波长转换器能实现可调谐的波长转换，并且转换带宽很宽，可实现跨波段转换。

本文拟利用光纤中SRS的瞬态耦合波方程，给出光纤喇曼波长转换可调谐范围的理论值，并通过搭建仿真实验平台，验证此种方法的可行性。

1 基于光纤中SRS的波长转换技术

光纤喇曼可调谐波长转换的原理如图1所示。

图1 光纤喇曼可调谐波长转换的原理

在连续波的条件下，泵浦信号光和连续探测光之间的作用可表示为耦合波方程［14］

其中ni（t）为连续探测光在z＝0处t时刻入射的初始光子通量，α为线性衰减系数。u为信道中探测光的群速度，rip为泵浦光和探测光之间光子通量的喇曼增益系数。对上述耦合波方程进行求解，解析解的功率形式为

其中Pi（t－z／u）为连续探测光的初始输入光功率，Pi（z，t）为转换输出的信号光功率，Pp（t－z／u）为泵浦信号光的初始输入功率，z为光纤长度，Gip为泵浦信号光和连续探测光之间的增益，vp为泵浦信号光的光波频率，为信道中光波频率的统计平均值，gR为喇曼增益系数，Ae为光纤的有效截面积，Le为光纤中z处的有效互作用距离。

分析式（1）和式（2），在光纤长度和探测光波长确定的情况下，泵浦信号光和探测光之间的增益Gip只随着泵浦信号光功率的变化而变化，即对连续探测光的放大倍数将随着泵浦信号光的变化而变化。这样就相当于利用泵浦信号光来调制连续探测光，泵浦信号光上的信息自然就被调制到了连续探测光上，从而实现波长转换。

2 波长转换的可调谐分析

光纤喇曼波长转换的实现是利用了喇曼放大的原理［10］，图2给出了石英光纤的喇曼增益系数gR与频移Δ˜v的变化关系［14］。

图2 喇曼增益谱

在光纤喇曼波长转换过程中，只要泵浦信号光和探测光之间的频移量位于图2所示喇曼增益谱的带宽内，如式（1）所示，探测光就会由于喇曼增益而被放大，泵浦信号光的能量和所携带的信息由此转移到了探测光之上，从而实现波长转换。由于SRS增益谱带宽很宽（达40THz），所以在泵浦信号光中心波长固定的情况下，可以实现喇曼波长转换的范围很大，所以基于光纤中SRS效应能够实现可调谐的波长转换。

喇曼放大原理中，一般情况下泵浦信号光功率远远大于探测光功率，所以可近似认为≈vp，从而式（2）可化为

由式（4）可推出喇曼增益系数

另由式（1）可得到关于Gip的关系式

联立式（3）、式（5）和式（6），可得

从图2中可以看出，光纤中的喇曼增益系数在前半部分随着频移的增大而增大，在后半部分几乎是随着频移的增大而减小，探测光也会随之而被不同程度的放大，波长转换后的光功率也随之变化。

对图2中的石英光纤喇曼增益谱进行最小二乘拟合，即取

拟合之后所得喇曼增益系数值与实测数值误差在10%之内［11］。

在光通信系统的接收端，使用光接收机来恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息。光接收机性能的综合指标用接收机灵敏度来表示。记光接收机所需的最小平均接收光功率为〈p〉min，则接收机灵敏度是指，在保证通信质量（限定误码率或信噪比）的前提下，光接收机所需的最小平均接收光功率，也即

灵敏度反映了光接收机调整到最佳状态时，能接收到微弱光信号的能力［15］。根据ITU－T G.957标准中STM－16光接口规定的参数［16］，应用代码为I－16和S－16.2的最小光发射机消光比（Extinction Ratio，ER）要求为8.2dB，而最低光接收机灵敏度要求为－18dBm。即光接收机可检测接收的最低光功率为－18dBm，低于此功率的信号光将不会被接收从而恢复出光载波所携带的信息。

若使用泵浦光功率为5W，探测光的初始输入光功率为－20dBm，光纤衰减为0.22dB／km，光纤长度为0.1km，光纤有效截面积为60um2，转换输出信号光的最小功率为最低灵敏度－18dBm，则根据上述参数，利用式（7）可求出获得最低灵敏度相等的输出功率所对应的最小喇曼增益系数

再利用式（8）确定相应的频移范围，得可调谐范围为7.303～16.386THz。

3 仿真实验分析

宽带可调谐波长转换方案的仿真实验装置如图1所示。激光器2输出峰值功率为5W的泵浦光，经过M－Z调制器后被调制成泵浦信号光，与激光器1输出的－20dBm的连续探测光一起通过耦合器进入光纤。在光纤中进行SRS效应，然后将探测光滤出就实现了波长转换。其中，光纤长度为L＝0.1km，光纤衰减为α＝0.22dB／km，光纤有效截面积为60μm2。耦合器对泵浦光与探测光产生功率的衰减均忽略不计，光电探测器的响应度设为1A／W，暗电流为10nA。仿真中，信号利用强度调制产生，比特序列为“10101001”，速率为10Gbit／s，由上述参数进行仿真。

图3 仿真实验平台

输入泵浦光和探测光的波长分别取为

经过耦合器之后和经过光纤之后的光谱如图4所示。探测光在经过光纤之后，光谱明显展宽，这是由于泵浦光信号光和探测光在光纤中发生受激喇曼效应，探测光被泵浦光放大从而引起的。探测光的光谱在展宽的同时，也得到了泵浦信号光所携带的信息，从而实现全光波长转换。

图4 波长转换前后的光谱

测量不同的输入探测波波长（1600～1700nm）在波长转换后输出的光功率来研究波长转换器的可调谐性能，结果如图5所示。

图5 转换输出光功率

从图5可看见，满足不低于－18dBm输出光功率这一条件的可调谐范围为1616～1690.8nm，即7.899～16，116THz，与 理 论 计 算 值 的 范 围7.303～16.386THz的相对误差范围约为7.5%～1.67%，在实测值和拟合曲线的误差范围之内，因此，所提出的光纤喇曼波长转换的可调谐范围理论计算方法是可行的。从图5的仿真结果可得出可调谐范围约为74.8nm，可实现跨波段的波长转换。

利用10Gb／s的比特误码率（Bit error rate，BER）分析仪测试宽带波长转换器的系统性能。图6和图7分别绘制了输出的最小误码率值和最大Q因子与探测光频率的关系图。

图6 最小误码率分析

图7 最大Q因子分析图

从图6可见，最小误码率随着探测光频率的增加先减小后逐渐增大，与喇曼增益谱曲线走势相反，最小值为－85.6251。从图7可见，最大Q因子随着探测光频率的增加先增大后减小，与喇曼增益谱曲线走势相同，最大值为19.66。综上可知，在喇曼增益最大处进行波长转换，可实现误码率最小、转换信号质量最优。

误码率最小、Q因子最大时探测光的频率为179.73THz，即在1668nm波长处。图8绘制了1668nm探测波长经过波长转换后的信号波形图和眼图。从图中可见转换输出的信号光的码型为“10101001”，与输入泵浦信号光的码型基本一致，转换信号的眼图清晰，张开度好。

图8 1668nm探测波长输出信号

4 结语

利用光纤中前向瞬态SRS耦合波方程的解析解，给出了一种理论上计算光纤喇曼波长转换器的可调谐范围的方法，并搭建仿真平台，利用仿真实验验证了此理论方法的可行性。仿真实验结果表明在给定泵浦光的情况下，光纤喇曼波长转换器的可调谐范围约为74.8nm，可实现跨波段的波长转换，扩展了光纤喇曼波长转换器的工程应用范围。另外，系统的误码率和Q因子与喇曼增益有关，在喇曼增益达到最大时，系统的误码率最小，转换信号质量最优。若给定的泵浦光功率增大，则波长转换范围从理论上将增大，具体的实验验证有待进一步研究。

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