交叉相位调制对非线性光纤环镜中光脉冲传输的影响

第 35 卷第 6 期 2006 年 6 月 　　　　　　　　　　　　 光 　子 　学 　报 ACTA P HO TON ICA SIN ICA Vol. 35 No. 6 J une 2006 3国家自然科学基金 (编号 :60272048)资助项目 Tel : 　　Email :yuanminghui @seu. edu. cn 收稿日期 :2005 10 09 交叉相位调制对非线性光纤环镜中 光脉冲传输的影响 3 袁明辉　张明德　孙小菡 (东南大学电子工程系光子学与光通信研究室 ,南京 210096) 摘　要 　基于耦合非线性薛定谔方程 ,采用分步傅里叶方法分析了在单波长信道和 WDM (波分复 用) 4波长信道中XPM (交叉相位调制) 对高速NOLM (非线性光纤环镜) 光开关中脉冲传输的影响1 数值计算 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 :XPM 造成 NOL M 中信号脉冲串扰与畸变 ,并造成 NOL M 开关性能的下降 1 WDM 系统 NOL M 光纤环中的同向传播的各波长之间的 XPM 串扰比相向脉冲之间的 XPM 效应的影响 更大 ,并且波长越短输出功率越低 ,中间信道受 XPM 的影响所导致的脉座现象和走离效应比两侧 波长信道严重1 关键词 　物理电子学 ;全光开关 ;非线性光纤环镜 ;交叉相位调制 中图分类号 　　TN929 　　　　文献标识码 　　A 0 　引言 1988 年非线性光纤环镜 (NOL M) 在英国伯明 翰 Aston 大学问世 ,它可以灵活地构成各种全光器 件 ,如光开关[1 ] 、被动锁模光纤激光器[ 2 ] 、光纤陀螺 仪[3 ] 、全光波长转换器[4 ,5 ] 、O TDM 解复用器[6 ] 、全 光逻辑门[7 ]等1 目前 ,基于 NOL M 的全光器件技术 已经比较成熟 ,它们具有结构简单、控制灵活方便、 工作速度极高的优点1 由于 NOL M 光纤环中两路相向传播的脉冲串 在时域有叠加 ,从而产生有害的 XPM 串扰 ,造成 NOL M 中信号畸变与开关性能的下降 1 而且随着 NOL M 工作速度的提高 ,这种叠加所导致的 XPM 影响日益严重1 如果是 WDM 多波长信道 ,除了相 向脉冲时域叠加所导致的 XPM 之外 ,脉冲本身各 个波长之间的 XPM 串扰 ,并且波长间的 XPM 串扰 比时域叠加所导致的 XPM 更为严重1 本文基于耦合非线性薛定谔方程 ,采用分步傅 里叶法 ,仿真分析了在单波长信道和 WDM4 波长 信道中 XPM 对 NOL M 光开关性能的影响1 1 　模型及理论 NOL M 中光波传输原理如图 1 ,NOL M 输入的 线偏振光 Ai 经耦合器后被分成两束反向传播的线 偏振光 ,其幅值比率由耦合器的分光比 f 决定 :| Ac | = f | Ai | ; | Acc | = 1 - f | Ai | ; ,它们绕环一周后 再次回到耦合器处耦合输出 ,一部分 ( Ar )被反射 ,一 部分 (Ao )透射输出1 图 1 　NOL M 中光波传输原理 Fig. 1 　Notation used for describing optical switch in a NOL M NOL M 光纤环中两路相向传播脉冲串在时域 有叠加过程并由此产生有害的 XPM 效应[8 ]1 对于 单波长信道可以用波长和偏振态相同而传播方向相 反的耦合非线性薛定谔方程表述[9 ]5A5 z +β′5A5 t + i2β″52 A5 t2 + α2 A = iγ( | A | 2 + [ u]c| B | 2 ) A5B5 z +β′5B5 t + i2β″52 B5 t2 + α2 B = iγ( | B | 2 + [ u]c| A | 2 ) B (1) 式中 , A , B 为光纤环中两路相向传播脉冲的包络慢变 振幅 ,β′=ν- 1g (νg 是光纤中的光速) ,β″为二阶色散常 量 ,α为衰减系数 ,γ为非线性系数 , c 为 XPM 耦合系 数 ,由两路光波之间的重叠量决定 ,介于 23 和 2 之间 , [ u]在两路脉冲在时域有叠加时为 1 ,否则为 01 对于 WDM 系统多波长信道情况比较复杂 ,除 了 NOL M 中两路相向传播脉冲串之间的 XPM 以 外 ,还有脉冲自身各波长之间的 XPM 串扰 , n 路波 长的耦合非线性薛定谔方程可以表述为[9 ] 6 期 袁明辉等1 交叉相位调制对非线性光纤环镜中光脉冲传输的影响5A i5 z +β′5A i5 t + i2β″52 A i5 t2 + α2 A i = iγi (| A i | 2 + 6n j = 1 j ≠i 2| A j | 2 + 6n j = 1 j ≠i [ uj ]cj | B j | 2 ) A i5B i5 z +β′5B i5 t + i2β″52 B i5 t2 + α2 B i = iγi (| B i | 2 + 6n j = 1 j ≠i 2| B j | 2 + 6n j = 1 j ≠i [ uj ]cj | A j | 2 ) B i ( i = 1 , ⋯, n) (2) 式中 ,等式右边第二项为脉冲自身波长之间的 XPM 串扰 ,第三项为相向脉冲串的 XPM 效应1 在单模光纤中 , 非线性系数γ并不是稳定 的[9 ,10 ] ,而且由于 PMD 偏振模色散的影响 ,这种不 稳定性会加剧 1 为了限制这种不稳定性 ,在 NOL M 输入端和光纤环入口处添加偏振控制器以保证光束 是线偏振的 ,这样就在很大程度上减少了由于偏振 态的影响所造成γ的不稳定1 2 　数值计算与分析基于耦合非线性薛定谔方程 ,利用分步傅里叶数值计算法分别对 NOL M 在单波长信道和 4 波长信道时 XPM 效应的影响进行了仿真研究 1 数值计算中参量取值为 :光纤环长度为个色散长度 (0. 5LD ) ;输入信号 :单波长信道为 1550 nm 的标准高斯脉冲(归一化峰值功率 N = LD / LNL = 1) ,WDM4 波长信道(λ1 = 1560. 61 nm ,λ2 = 1557. 36 nm ,λ3 = 1554. 13 nm ,λ4 = 1550. 92 nm ,间隔 400 GHz)时每个信道信号功率与单波长信道相同12. 1 　单波长信道 XPM 的影响图 2 是单波长信道在 40 Gbp s 和 80 Gbp s 速率下受 XPM 影响的 N RZ 码高斯脉冲在 NOL M 光纤环中的演化图1 可以看出 ,光纤环中两路相向传播的脉冲由于XPM效应而被压缩或展宽 ,同时脉冲 图 2 　单波长信道受 XPM 影响的光纤环中脉冲演化图 Fig. 2 　Pulse evolution with XPM in the single wavelength channel in the fiber loop 波形也发生畸变 1 NOL M 工作速度越高 ,环中每个 脉冲传播过程中所遇到的相向脉冲数也越多 ,相应 XPM 效应的积累也就越大1 图 3 是在 40 Gbp s 和 80 Gbp s 速率下 XPM 对分 光比 f = 0. 2 的 NOL M 输出脉冲的影响 1 可以看 出 ,由于 XPM 的影响 ,输出脉冲被压缩 ,同时输出 峰值功率也发生改变1 这是由于 XPM 效应的非互 易性 ,即如果两路相向传播的脉冲功率不同 (即 f ≠ 0 . 5) , XPM 对它们的影响也不同 ,这种不平衡性对 NOL M 的开关性能造成较大的影响1 为了限制 XPM 的有害影响 ,一方面可以采用 尽量减少 NOL M 的输入功率和采用超短脉冲减少 脉冲串之间重叠时间的方法来减少 XPM 的影响 , 另一方面也可以采用预调制的方法[11 ] ,让两路反向 传播的光波在入环之前功率被调制 ,从而减少 XPM 的影响 ,利用有限相干时间的宽带光源也可起到同 样的效果[12 ]1 2. 2 　4 波长信道 XPM 的影响 对于 WDM 系统多波长信道情况比较复杂 ,其 自身的各个波长之间的 XPM 串扰远超过相向脉冲 串的 XPM 效应1 图 4 是 4 波长信道 N RZ码高斯脉冲在 40 Gbp s 和 80 Gbp s 速率下 XPM 对分光比 f = 0. 2 的 NOL M 输出脉冲的影响1 可以看出 :由于 XPM 效 938 光 　子 　学 　报 35 卷 图 3 　单波长信道 XPM 对 NOL M 输出脉冲的影响 Fig. 3 　Output pulses of the NOL M with XPM in the single wavelength channel 图 4 　4 波长信道 XPM 对 NOL M 输出脉冲的影响 Fig. 4 　Output pulses of the NOL M with XPM in the 42wavelength channel 应的影响 ,NOL M 输出的信号波形畸变 ,一部分能 量从主瓣泄漏形成脉座 ,中间波长信道的脉座比两 侧波长信道大 ,并且波长越短输出脉冲的峰值越低1 由于 XPM 效应的非互易性 ,各个波长信道的信号 在时间轴上都发生了走离 ,中间波长的走离比两侧 波长严重1 3 　结论 在高速 NOL M 光开关中 , XPM 造成 NOL M 中信号串扰与畸变 , PMD 造成 NOL M 光开关性能 恶化 ,而且 WDM 系统中在 NOL M 光纤环中的同 向传播的各波长之间的 XPM 串扰比相向脉冲之间 的 XPM 效应影响更为严重 ,并且波长越短输出功 率越低 ,中间信道受 XPM 所导致的脉座现象和走 离效应比两侧波长信道严重1 参考文献 1 　Blow K J ,Doran N J ,Nelson B P. 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O ptics L etters ,1983 ,8 (2) :119～121 Impact of XPM on the pulse transmission in NOLM Yuan Minghui ,Zhang Mingde ,Sun Xiaohan L aboratory of Photonics and O ptical Comm unications , Department of Elect ronic Engineering , S outheast Universit y , N anj ing 210096 Received date :2005 10 09 Abstract 　The impact of XPM effect on t he p ulse t ransmission in the NOL M switch wit h high working speed in t he single wavelength channel and WDM 42wavelengt h channel is analyzed by t he split2step Fourier method based on t he coupled nonlinear SchrÊdinger equation. The simulation result s show t hat XPM induces t he crosstalk and aberration of signals and deteriorates the switching performance of NOL M. Furt hermore ,t he impact of XPM crosstalk of wavelengths of the p ulse is far more t han t hat of XPM effect of counterp ropagating p ulses in t he fiber loop in t he WDM system. The shorter t he wavelengt h is , t he lower t he outp ut power of NOL M is. The p ulse pedestal and walk2off effect induced by XPM in t he middle wavelengt h channels are more t han t ho se in t he edge wavelengt h channels. Keywords 　Physical elect ronics ; All optical switch ; Nonlinear optical loop mirror ( NOL M) ; Cross2p hase modulation ( XPM) Yuan Minghui 　Male , a native of Hunan Province. He received B. S. degree in Nanjing U niversity of Science & Technology in 1998 and M. S. degree in Wuyi University in 2003. At p resent , he studies for Ph. D. at Sout heast University. His main research field is t he nonlinear fiber optics. 148