基于光子晶体光纤中SRS的全光组播

巩稼民,尤晓磊,毛俊杰,田 宁,徐雨田,何佳蔓,张玉蓉

(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)

1 引 言

组播[1]最早是1988年Stanford大学的Steve Deering提出的,组播技术可以把一个发送端的数据同时发送到多个接收端,这就大大减少了网络中的设备成本,同时提升了网络的性能。随着5G时代的到来,通信网络不断向透明、高速、高容量和宽带宽的方向发展[2]。全光组播[3]的提出,将组播技术应用到光层中,突破了传统IP组播具有的“电子瓶颈”,对信号的复制在光域中完成,组播前后信号的编码格式和比特率完全透明。

在光网络中实现全光组播,网络节点必须可以在光域上对信号进行复制,从而实现一对多通信。目前对全光组播的研究主要基于自相位调制、交叉增益调制、交叉相位调制,四波混频等各种非线性效应来实现[4-6]。选择利用光纤中受激拉曼散射效应(Stimulated Raman Scattering,SRS)[7]实现全光组播,其原因在于SRS效应的响应时间短,只有0.1 ps,可以提高组播效率；拉曼增益谱曲线呈指数增长,随着泵浦光功率的增大,SRS 放大效应的增强,可以得到高消光比的组播信号；拉曼增益谱是连续谱,且增益带宽较宽。相比于普通石英光纤,光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)[8]具有更高的增益系数以及更宽的增益范围,更适用于高效率的全光组播。因此选择利用PCF中的SRS来实现全光组播,并根据理论模型给出设计方案。

2 理论基础及原理

全光组播的数学理论模型是基于光纤中SRS效应N-信道前向瞬态耦合波方程[9]:

(1)

式中,ni(t)表示第i信道在z=0处t时刻入射的光子通量;α表示线性衰减系数;ni(z,t),nj(z,t)表示z处、t时刻、i与j信道中的光子通量。设ui为第i信道中光传输的群速度,rij为i与j信道间的拉曼增益系数。由于基于光纤中SRS实现全光组播是利用SRS的放大原理[10],所以将需要进行组播的信号光作为泵浦光,其他信道输入连续探测光。在不考虑色散引起的群速度失配条件下,即各信道中信号光群速度相同(都为u),使第1信道为泵浦信号光,则耦合波方程解析解的功率形式为:

(2)

其中,Pi(z,t)表示光纤中第i信道z处t时刻的功率;νi表示第i信道频移量;ν表示各信道光频率的平均值；Leff表示光纤中z处的有效互作用距离;M表示保偏系数,取值范围为 1≤M≤2；Aeff表示光纤有效截面积；λ1表示泵浦波长；G1i表示第1信道与第i信道探测光间的增益；k为常数。

由式(2)可见,当光纤长度与泵浦波长确定的情况下,G1i随泵浦光功率变化而变化,则对探测光的放大倍数也会随之变化。泵浦光携带的信号中“0”和“1”码元功率大小不同,泵浦信号光与连续探测光在光纤中发生SRS作用后,不同码元对连续探测光的放大程度会呈现与信号光相同的功率分布,即泵浦光上的信息会被复制到探测光上,将泵浦光与多路探测光分别滤波输出,即实现对泵浦信号光的组播。

3 软件仿真及分析

3.1 拉曼增益谱分析

图1为泵浦光波长为1450 nm时PCF的拉曼增益谱。可以看出与传统的石英光纤相比,PCF具有更高的拉曼增益系数以及更宽的拉曼增益范围,因此选择PCF来实现全光组播。

图1 泵浦光波长为1450 nm的PCF拉曼增益谱

由图1可见PCF在[9.0,12.0]THz即[300,400]cm-1频移范围内几乎为直线增大,对此频移范围内的拉曼增益谱线性拟合,拟合后的直线可以表示为:

其中,k表示线性拟合后得到的斜率;b表示截距,取值分别为:k1=2.70×10-7W-1,b1=-4.65 W-1km-1。

3.2 MATLAB仿真分析

根据公式(2),利用Matlab软件进行数值仿真分析。仿真中的参数设置如下:泵浦信号光波长λ1=1450 nm,峰值功率为0.7 W,三路连续探测光波长分别为λ2=1525 nm,λ3=1530 nm,λ4=1537 nm,PCF长度为500 m,线性衰减系数为α=0.7 dB/km,光纤有效截面积为Aeff=9.5×10-12m2,保偏系数M=2。

如图2所示,在仿真时,设置泵浦光携带的待组播信号为非归零码,“1”码元功率为0.7 W,“0”码元功率为0 W。当泵浦信号光码元为“1”时才能通过SRS效应对连续探测光产生放大的效果,因此在组播后,输出的组播信号波形在“1”码元时功率较高,在“0”码元时功率会低于组播前的连续探测光,这是由于光纤中的线性损耗造成的。如图2所示,连续探测光λ2、λ3、λ4在经过组播后,输出的组播信号与组播前的泵浦信号光波形一致,成功对需要组播的信号光携带的信息进行了复制,实现了全光组播。

(a)组播前泵浦信号光λ1的波形图

(b)组播前连续探测光λ2、λ3、λ4的波形图

(c)组播后泵浦信号光λ1的波形图

(d)组播后组播信号λ2的波形图

(e)组播后组播信号λ3的波形图

(f)组播后组播信号λ3的波形图

3.3 Optisystem仿真分析

使用Optisystem软件对基于PCF中SRS的全光组播进行设计仿真,图3为依据理论模型设计的原理流程图。使用射频信号源和伪随机序列发生器模拟待组播信号,经过马赫曾德尔调制器对其整形、放大,得到一个光功率较大的泵浦信号光λ1。将泵浦信号光λ1与不携带信息的连续探测光λ2、λ3,…,λN耦合进同一根PCF。经过PCF中SRS放大作用,将泵浦信号光λ1中携带的信息复制到λ2、λ3,…,λN中,经过滤波器将原信号光λ1与其组播后的复制信号λ2、λ3,…,λN分别输出,这就实现了基于PCF中SRS的全光组播的完整过程。

图3 基于PCF中SRS的全光组播原理流程图

为方便分析,对输出四路组播信号的全光组播进行仿真,仿真中参数设置如下:泵浦光波长为1450 nm,功率为2 W,携带的信号设为非归零码,比特序列为“10011010”；三路探测光波长分别为1525 nm、1530 nm、1537 nm,功率为0.001 mW；PCF长度为0.5 km,线性衰减系数为0.7 dB/km,色散系数为0.05 ps/nm·km,色散斜率为0.001 ps/(nm2·km),有效横截面积为9.5 μm2；光电探测器的响应度为1 A/W,暗电流为10 nA,不考虑PCF中的自发辐射和散弹噪声。

图4是使用Optisystem软件对基于PCF中SRS的全光组播进行仿真,得到的组播前后各信号的波形图。

图4(a)为待组播信号的波形图,波长为1450 nm。图4(b)为组播后的原信号波形图,图4(c)、(d)、(e)分别为组播后的组播信号,波长分别为1525 nm、1530 nm、1537 nm。可以看出组播后各路光的信号波形与组播前的泵浦信号光的波形基本相同。组播后的各信号波形图出现了明显的抖动,这是由于在理论分析中我们只考虑SRS效应而忽略了其他非线性效应,而实际中还会有其他非线性效应的影响。

图4 组播前后Optisystem仿真波形图

图5是使用Optisystem软件对基于PCF中SRS的全光组播的仿真眼图。由图可见,眼图的轨迹线条清晰,且张开度良好,说组播后的组播信号具有较大的信噪比和较小的码间串扰。可以证明基于PCF中SRS的全光组播的设计方案的可行性。

图5 基于PCF中SRS的全光组播仿真眼图

4 结 论

利用光纤中SRS的放大作用,以及PCF的高拉曼增益和较宽的增益谱带宽设计了基于PCF中SRS的全光组播。选取PCF拉曼增益谱频移范围[300,400]cm-1进行直线拟合,根据SRS前向瞬态耦合波方程,对设计进行了数值仿真及分析。在理论模型的基础上设计了基于PCF中SRS的全光组播实现的原理流程图,并利用Optisystem软件进行了模拟仿真及分析。通过仿真结果中组播前后的波形图以及眼图的分析,验证了该设计的可行性。