基于Optisystem 的AOWC实验平台设计与实现

王维涛，张 颖，韩纪广

（聊城大学实验管理中心，山东聊城 252059）

Optisystem 是一款光通信系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，具有强大的模拟环境和真实的器件以及系统的分级定义。它的器件库包括超过200种的模型，而且在子系统级和器件级上，它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为光通信领域广泛使用的工具。

AOWC（全光波长变换）可以不经过光／电／光（O／E／O）变换，而将光信号从一个波长直接变换到另一个波长，从而实现信号转换。因此它是未来基于WDM（波分复用网络）全光网络的一个关键技术，它可以有效解决WDM 网络中的波长竞争以及WDM网络高阻塞率问题，而实现动态波长路由和波长的再利用［1］。在众多实现技术中，基于四波混频（FWM）效应的AOWC是唯一可对调制方式、码速率完全透明的波长变换［2－3］。

1 全光波长变换的原理

量子力学对FWM 的定义:一个或几个光波的光子被湮灭，同时产生几个不同频率的新光子，在该过程中，动量和净能量是守恒的，该过程称为四波混频［4］。

SOA（半导体光放大器）具有非线性系数高，增益带宽大、能动态转换波长、体积小、泵浦简单、易于集成等优势，成为目前实现全光波长变换的最佳器件。SOA 中基于三阶非线性效应产生FWM:不同波长的两束光同时耦合进入SOA 中，一束称为泵浦光、另一束称为信号光，频率分别为fp、fs。两束光经过SOA的载流子光栅散射后能够产生新的光波:变换光和闲频光，其频率分别为:fc＝2fp－fs和fx＝2fs－fp。由此实现了全光域内的信号转换［4－5］。原理图见图1。

2 AOWC的实验系统平台

图1 FWM 原理图

实验系统平台如图2 所示。在Optisystem 中选用传输库中连续光源作为泵浦和信号光源，泵浦光与信号光频率分别调整为193.49THz和193.52THz，功率设为1dBm。两束光分别通过偏振控制器控制其偏振态，然后共同耦合进入3dB 耦合器内，耦合光通过半导体光放大器件SOA（参数见表1）。FWM 效应在SOA 中完成，通过观察仪器库中选用的光谱分析仪来观测FWM 频谱。

图2 基于SOA的AOWC实验平台

表1 SOA参数

3 性能测试及实验结果分析

通过调整AOWC 实验平台相关器件的参数，如调整表1中Injection current、length以及泵浦和信号光的功率和频率差，可以较为直观地观测AOWC 变换情况。

3.1 SOA 注入电流的影响

载流子密度、动态载流子、散热过程3 种机制对SOA 形成载流子光栅有作用［6－7］。SOA 的注入电流（injection current）影响载流子浓度和半导体光放大器的增益。载流子密度、动态载流子决定能否形成稳定的载流子光栅，进而对FWM 产生的变换波的功率有影响。如图3所示，注入电流小于0.8A 时，FWM 效率随着注入电流的增大逐渐增大，在注入电流大于0.8A 时注入电流的变化对变换效率影响不大。

图3 SOA注入电流对FWM 变换效率的影响

SOA 具有非线性作用，因此满足一定条件下产生FWM 现象，形成波长变换，此外SOA 还具有线性放大功能［8－9］。在注入电流较大时，随着载流子密度的增加，SOA 放大效应逐渐增强，进而产生高阶FWM 现象。图4 所示注入电流为0.18 A 时，产生的一阶FWM 频谱。图5所示注入电流为1A 时，产生的高阶FWM 频谱。

图4 SOA注入电流为0.18A时FWM 频谱图

3.2 SOA 腔长变化的影响

增益恢复时间用来衡量SOA 的动态增益特性，增益恢复时间指一路光脉冲经过SOA 有源区后，SOA 的增益从他的稳态值的10%上升到90%所需要的时间［10－11］。增益恢复时间随SOA 腔长的增大而缩短。经过调整SOA 参数length，得到腔长对FWM 变换效率关系如图6所示。由图6可知，腔长小于200 μm 时，波长变换效率随着SOA 腔长的增加而增大；在腔长大于200μm、小于800μm 的范围内，波长变换效率基本不受腔长变化的影响。

图5 SOA注入电流为1A时FWM 频谱图

图6 SOA腔长对FWM 变换效率的影响

3.3 泵浦光功率的影响

通过仿真研究发现，泵浦光的功率对混频效率影响较大。当泵浦光功率较大时，非线性效应引起的相位失配较大，如果此时材料色散引起的相位失配不变，则不能满足完全相位匹配，因此随着泵浦功率的变化，相位失配随之变化，进而影响到变换效率，见图7。

图7 泵浦光功率对变换效率的影响

3.4 泵浦光与信号光频率差的影响

四波混频的一个重要条件是系统满足相位匹配［3－4］。泵浦光与信号光频率差对相位匹配有一定的影响，系统无法满足相位匹配时，FWM 不能有效产生，波长变换无法实现。仿真实验得到的泵浦光与信号光频率差（fp－fs）对FWM 变换效率的影响见图8。泵浦光与信号光的频率差门限值为0.14THz，当二者差值大于0.14THz时，无法实现波长变换。如图9频谱所示，当泵浦光频率设为193.5THz，而信号光频率设为193.36THz时，无FWM 产生。

图8 泵浦光与信号光频率差对变换效率的影响

图9 fp－fs＝0.14THz时FWM 频谱图

4 结束语

Optisystem 能够模拟各种环境，元件性能还可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为光通信领域广泛使用的工具。通过Optisystem 系统环境下搭建的AOWC 实验平台，成功模拟出了全光波长变换，并通过对系统参数的调整，找到了影响AOWC 波长变换效率的各种因素，为学生掌握AOWC原理提供了一定的实验基础，并为AOWC 的具体实现提供了模型依据［12］。

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［1］周云峰，张君毅.基于半导体光放大器交叉偏振调制效应实现正、反相波长变换［J］.光子学报，2006，35（7）:1035－1037.

［2］Jia D F，Yu Z H.2002Nonlinear Fiber Optics ＆ Applications of Nonlinear Fiber Optics［M］.Beijing:Bei jing Publishing House of Electronics Industry，2002:244.

［3］项鹏，王荣.基于四波混频的全光波长转换技术［J］.光子技术，2004（2）:100－103.

［4］贾东方，余震虹.非线性光纤光学原理及应用［M］.北京:电子工业出版社，2002.

［5］王维涛，刘山亮.基于SOA 全光波长变换的研究［J］.光通信技术，2007，31（3）:46－48.

［6］赵婵，张新亮.基于同一结构实现全光逻辑“与门”和“或非门”的研究［J］.物理学报，2006，55（8）:4150－4155.

［7］董建绩，张新亮.SOA 动态增益特性的理论和实验研究［J］.物理学报，2005，54（2）:763－767.

［8］李培丽，张新亮.基于环行腔激光器四波混频型可调谐波长转换的理论研究［J］.物理学报，2005，54（3）:1 221－1 228.

［9］Inoue K，Mukai T.Signal wavelength dependence of gain saturation in a fiber optical parametric amplifier［J］.Optics Letter，2001，26（1）:10－12.

［10］Deepa R，Vijaya R.Generalised dispersive phase and its effect on four wave mixing in fibers［J］.Optics Communications，2007，269（1）:206－214.

［11］王维涛，刘山亮，张霞，等.一种基于EDFA＋NDF 的全光波长变换［J］.光电工程，2008（35）:131－134.

［12］吕晖，马晓红，赵华凤，等.波分复用传输系统实验设计［J］.实验技术与管理，2011，28（12）:76－79.