利用光子晶体光纤的SPM效应实现2R全光再生

1、精品论文推荐利用光子晶体光纤的 spm 效应实现 2r 全光再生的研究1陆川 北京邮电大学光通信与光电子研究院，北京 (100876) e-mail：bjluchuan摘要：随着全光互联网的提出，无源光器件的研究已经成为当前的一个热点，光纤的非线 性效应也越来越得到人们的重视。光子晶体光纤是一种新型光纤，具有无尽淡漠，高非线性及色散可控等传统光纤无法比拟的特点，由于这些优良的性质，人们对利用其实现全光器件方面展开了大量研究。本文介绍了当前利用光子晶体光纤这种新型高非线性光纤实现全光2r 再生的研究状况，详细分析了利用 spm(self phase modulation)效应实现全光再生的原理

2、和特点，并对利用光子晶体光纤的 spm 效应的应用前景进行了展望，提出 spm 效应的利用 还有广阔的研究空间。关键词：全光再生；自相位调制；光子晶体光纤 中图分类号：tn929.111引言随着光互联网的不断发展，dwdm系统以及全光网络对于新型无源光器件的需求也日 渐提高。高速光信号经过长途传输之后，由于色散，光纤非线性，各信道的不一致性等导致 了信号产生严重的恶化，不利于在dwdm系统中传输，因此就需要全光再生装置对光信号 进行恢复再生1。自1992年光子晶体光纤的概念提出以来，基于光子晶体光纤的研究便成为 当前光电子器件研究的热点，其无尽单模，大模场面积，高非线性等特性为光电子器件提供

3、了广阔 的研究空间 2-3 。严格 意义上的全光再生主 要指的是 3r 再生，即 再放大 （re-amplifying），再整形（re-shaping），再定时（re-timing），本文主要对利用光子晶 体光纤的自相位调制（spm）效应实现2r全光再生（re-amplifying, re-shaping）进行详细研 究和分析，并提出了展望。2光子晶体光纤光子晶体光纤又称微结构光纤或多孔光纤，因其具有二维光子晶体4的结构，因此称之 为光子晶体光纤。光子晶体光纤在诸多方面有着传统光纤不可比拟的优势，例如其无尽单模 传输特性，大模场面积，高非线性，色散人工可调等，这些特性也是它吸引国内外研究人员

4、倾注热情的重要原因。2.1 光子晶体光纤的结构光子晶体光纤是一种二维光子晶体结构，而在实际拉制过程中是将一定数量的毛细硅管 堆放子一起，经挤压填充之后形成的，如图 1 所示：1本课题得到国家 973 计划 （基金号：2003cb314900）的资助。- 7 -图 1 光子晶体光纤拉制过程示意图fig1. process of pcfs production这样形成的断面便是一种正六角形，其中有均匀分布的空气孔，正是由于这种特殊的结构，才形成了光子晶体光纤这种特殊的光纤，根据空气孔的大小，空气孔的占空比的大小， 孔的数量等，可以制成各种各样的光子晶体光纤5。2.2 光子晶体光纤的特点光子晶体光纤

5、由于其特殊的结构，具有其与众不同的特点：（1）作为一种特殊光纤，它的色散特性人工可调。色散是光纤中最为重要的属性之 一，它直接影响着光脉冲在光线中的传输，且与光纤中多种非线性效应之间 存在相互作用6，因此色散可调对于光通信中的光纤具有极其重要的意义。（2）作为一种传输介质，它的无尽单模特性，模场面积可调，禁带特性使得光子晶 体光纤成为未来传输光纤的新宠。通过调解空气孔的孔径比，可以使得光子 晶体光纤的截止波长很短，扩展单模传输的范围；另外设置极大模场面积便 可以进行高功率光传输，极小模场面积又可以产生较大的非线性效应；原用 于光子晶体的禁带属性对于光子晶体光纤有着更大的潜力。（3）高非线性成为

6、当前光子晶体最炙手可热研究方向。光纤的非线性效应逐渐被 人们认识以来，在超大容量光波系统中扮演越来越重要的角色，已报道的光子晶体光 纤的非线性系数可达 1860 w-1km-17 ，国内外已有多所研究机构开展利用光子晶体光 纤的非线性特性的研究。3光子晶体光纤3.1 全光再生介绍广义的全 光再生指 的 是 3r 全光再 生，即 包括再定 时（ re-timing ），再放大 （re-amplifying），再整形（re-shaping）三个部分。其中，再定时是指从时间畸变的信号中 恢复原始的时钟信号，再放大同一般意义的光放大，再整形指的是消除信号时域或者频域畸 变，使之恢复到信源信号的水平。这

7、三部分的作用时恢复劣化的信号，对由色散导致的脉冲 展宽进行脉冲压缩，放大衰减的信号，消除幅度抖动（包括在比特“0”和“1”上的抖动）。其 中再定时一般可与另外两个部分相分离，如图 2 所示：图 2 3r 全光再生示意图17fig2 3r all-optical regeneration再放大部分与一般的光信号放大相同，即用一个光放大器来实现，而再整形部分相当于一个光判决门，通过对存在幅度抖动的光信号进行优化合理的判决，利用再定时部分恢复出 的原始光时钟，便得到再生后的信号，再生信号提高了光信号信噪比，降低了系统的误码率， 达到再生的目的。3.2 2r 全光再生正是由于再定时和另外两个部分可以相

8、分离，因此 3r 全光再生可以分为两部分，一部 分是时钟再生，另一部分便是通常所说的 2r 再生，即再放大，再整形。本文主要集中在 2r 全光再生上。实际上，2r 再生是全光再生的核心部分，是实现信号再生的关键和核心，要 实现全光再生首先要了解全光再生的原因17：（1） 高速数据长距离传输导致信号恶化；（2） 光信号在 wdm 系统中传输时，由于是动态路由，经过的路径不同，因此信号 劣化的程度也就不同，如果需要耦合到同一信道，需要消除各个光信号的差异；（3） “全光”再生较之“光电光”再生，处理速度高，损耗低； 另外还需了解信号劣化的原因1：（1） 放大器的自发辐射噪声；（2） 色散导致脉冲展

9、宽；（3） 偏振摸色散导致随机时变噪声；（4） 高速数据信号（>10gbits/s）经过光纤时，由于非线性效应导致的信号畸变； 目前全光再生实现的方法主要有：基于光纤非线性效应（spm，xpm 交叉相位调制，fwm 四波混频），基于 soa 非线性效应和基于点吸收调制器（eam）的全光再生。当把全 光再生器件用于 wdm 系统中甚至光交换系统中时，其明显的提高系统的性能的作用已经被 证实10-11。本文集中分析了利用自相位调制（spm）这种非线性效应实现全光再生的原理及 特点。4利用光子晶体光纤的 spm 效应实现全光再生4.1基本原理早在 1998 年，p.v. mamyshev 就提

10、出可以利用光纤的 spm 效应来实现全光再生9，如 图 3 所示，该再生器包含两个部分，第一部分是非线性光纤介质，第二部分是一个光带通滤波器，该光滤波器的中心波长在原信号波长0 基础上增加了一个偏移量 shift 。输入恶化的归零信号经过光纤之后，产生了 spm 效应，再通过光滤波器之后便得到整形后的信号。4.2实现方式图 3 利用 spm 效应实现全光再生示意图fig3. optical regeneration based on spm光纤的自相位调制的实质6，是光脉冲在光纤中传输时，因其满足非线性薛定谔方程而 产生的非线性相位，从而导致光脉冲在频域的展宽，因此称为自相位调制。自相位调制导

11、致 的频谱展宽由下式表示：spm= 0(2 )n2 i p l（1）9其中 0 1/ （ 脉冲宽度）表示原始信号频宽， 为信号中心波长， i p 表示 脉冲强度， n 2 表示非线性折射率， l 为光纤长度。如 3.2 所述，裂化的信号主要有以下几个方面需要解决，第一，信号衰减；第二，低频噪声；第三，高频噪声（即在信号中心波长附近的噪声）。信号衰减可以通过光放大器如 edfa 来进行补偿，对于这两种噪声，如图 4（a）所示，波浪线所示为宽带白噪声，经过高非线 性光纤的 spm 作用之后，原信号频谱得到展宽，又（1）式可知 spm 致脉冲频谱展宽的程 度与信号强度成正比，如果分开考虑信号和叠加在

12、信号上的高频噪声，那么相比于信号，噪 声强度远小于信号强度，因此噪声由于 spm 所展宽的程度远小于信号展宽的程度，如图 4（b）所示，在中心波长附近较小的幅度为噪声，若选择在原信号中心波长的偏移位置滤波， 便会滤掉原来叠加在信号上的高频噪声，同时也会滤掉低频噪声，如图 4（c）所示，从而 提高了信号的信噪比，进而提高了系统的误码率。（a）（b）（c）图 4 利用光纤 spm 效应实现全光再生原理图fig4. optical regeneration based on fibers spm尽管图 3 所示系统已给出了利用 spm 实现全光再生的基本形式，但是仍不够完善，若 要实现 2r 全光再

13、生，还需添加偏振控制器，光放大器，滤波器等器件。目前对利用 spm 效应实现全光再生系统的研究主要考虑以下几个问题：（1） 信号的输入功率（光放大器的选用）；（2） 光纤种类，长度等；（3） 滤波器偏移位置。 根据式（1），以上三个参数相互之间均相互影响，因此如何优化这三个参数达到最好的再生效果是当前研究的重点，而利用 spm 效应实现全光再生的核心便是系统所用非线性介 质，即高非线性光纤，因此，光纤的选用便影响整个系统的结构和性能，这里我们选用光子 晶体光纤，如第 2 部分所述，光子晶体光纤是一种新型灵活多变的特种光纤，选用光子警惕 光纤也为我们的研究提供了更为开阔的空间。4.3利用光子晶体

14、光纤目前利用光纤 spm 效应实现全光再生大部分采用的都是高非线性色散位移光纤12或 者一些特殊材质的光纤13，光子晶体光纤与其它高非线性光纤相比主要区别在于色散及非 线性系数，如表 1 所示，光子晶体光纤通过一定的设计和制作，可以极大地提高非线性系数， 同时可将色散控制在我们需要的范围之内（平坦负色散），以达到优化整个系统结构。由（1） 式可知体高非线性系数可以相应的减小所用光纤长度，而平坦的负色散将会促进 spm 效应 频谱展宽的程度6。表 1 光子晶体光纤与高非线性光纤比较非线性系数色散光子晶体光纤101000+w-1.km-1可调（大小、正负、曲线斜率高非线性色散位移光纤8w-1.km

15、-1-0.7ps/nm.km）另外正如前所述，光子晶体光纤灵活的特性，使得实现多通道全光再生的可能性大大增加，目前由于受限于设计分析方法和制备工艺的难度，光子晶体光纤仍无法完全按照人们的 需求大量制作，相信随着科学技术水平的不断发展，最终可得到真正灵活按需制作的光子晶 体光纤。5结论与展望随着人们对光纤非线性效应重要性的认识，基于光子晶体光纤的功能器件层出不穷，为 将来高速大容量光纤通信系统铺下了条条通路，全状态、多波长的全光再生装置以及全光再 生和波长变换的结合是全光再生发展的方向，同时 spm 效应在其他诸如光逻辑门的应用还 有待进一步研究和挖掘，光纤非线性效应将对高速光纤器件的产生重要影

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21、tion in fiber.j photon. technol. lett. , 2004, vol. 16, pp:200-20213 l. b. fu, m. rochette, et al. investigation of self-phase modulation based optical regeneration in single modeas2se3 chalcogenide glass fiberj o.e. 2005 vol. 13, no.19, pp:7637-7644research of 2r regeneration using photonic crystal

22、 fiber based on spm effectlu chuaninstitute of optical communications and optoselectronics, beijing university of posts andtelecommunications, beijing (100876)abstractthe all-optical internet has been studied for a while, therefore research of passive optical equipmentsis currently attracting interest due to its potential appl