基于半导体光放大器的双泵浦结构对NRZ信号波长变换的性能研究

周慧，曾羽婷，马天雨

(湖南师范大学 物理与信息科学学院，湖南 长沙，410081)

基于半导体光放大器的双泵浦结构对NRZ信号波长变换的性能研究

周慧，曾羽婷，马天雨

(湖南师范大学 物理与信息科学学院，湖南 长沙，410081)

本文基于半导体光放大器中四波混频效应的原理，研究了垂直双泵浦和平行双泵浦两种泵浦结构的全光波长变换，理论分析的结果表明平行双泵浦和垂直双泵浦结构是偏振不敏感的系统。根据理论分析，采用光通信仿真软件Optisystem建立了仿真系统。实现了5Gb/s的NRZ信号的偏振不敏感的全光波长变换，仿真结果验证了理论分析的结论。仿真还研究了SOA电流和泵浦光与信号光频率间距对系统性能的影响，并比较了两种泵浦结构系统的转换效率。

光通信技术；全光波长变换；四波混频；半导体光放大器

密集型波分复用(DWDM)技术在光纤通信中的应用，使得通信骨干传送网具有更高的频谱效率。为了提高波分复用通信网络的容量，以及增进网络间的信息的交换，需要在光网络节点处采用波长变换(WC)技术，解决波长竞争和网络拥塞的问题，实现灵活的路由选择。目前商用的波长变换器一般采用光-电-光的方式，即载有信号的波长经过光电检测之后再通过激光器调制到空闲波上。但当网络的业务量巨大且传输速率提高时，光-电-光方式会带来巨大的能耗并出现电子瓶颈现象。全光波长变换技术在光域上将一个波长信道的信息转换到空闲的一个或多个波长上完成信号的波长变换，可以解决光-电-光方式的电子瓶颈问题，实现灵活的波长分配和选路，使得网络管理更便捷、更智能[1]。

全光波长变换有很多种实现方式，包括利用非线性介质如半导体光放大器(SOA)或者高非线性光纤(HNLF)中的交叉相位调制(XPM)效应[2]、交叉增益调制(XGM)效应[3]和四波混频(FWM)效应[4]，利用电吸收调制器(EAM)中的交叉吸收调制(XAM)效应[5]，利用DFB激光器和法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光器中的饱和吸收效应[6]，以及利用注入锁定技术的半导体激光器的全光波长变换[7]。在光网络节点处，波长变换技术应该与数据的调制格式无关，即需要具有较好的透明性[8-10]，以实现不同网络之间的互联。四波混频效应产生的光波保留了信号光的相位和幅度信息是目前唯一能够实现严格透明的波长变换技术[11]。当有多个光功率较高的泵浦光时，能实现多播波长变换系统[12-13]。四波混频过程可以在SOA和高非线性光纤中实现。利用高非线性光纤来实现波长变换，对光功率具有较高的承受能力，但泵浦光的频率需要非常接近线性器件的零色散点以获得可观的变换效率[14]。而利用半导体光放大器中FWM效应来进行全光波长变换，对数据调制格式及比特率具有良好的透明性，且结构简单易于系统集成[4，15]。

本文利用SOA中的FWM效应对垂直双泵浦和平行双泵浦两种结构进行了理论研究，并通过仿真实现了5Gb/s NRZ 信号的波长变换，仿真验证了这两种结构的系统均是偏振不敏感系统，这与理论分析一致。仿真研究了影响系统性能的若干参数，如:SOA电流、泵浦光与信号光频率间距等,并分析比较了两种泵浦结构系统的转换效率。

1 理论分析

图1所示是基于四波混频效应的波长变换原理图。两个泵浦光通过光耦合器耦合起来，利用外部强度调制器(IM) 将数据基带信号调制在信号光上，再用光耦合器将调制了数据的信号光和两个泵浦光耦合，送入SOA中进行四波混频。根据四波混频的原理，混频的过程可以看成是两列光波在介质中形成拍，调制自己或第三列波，从而产生新的边带[11]。泵浦光和信号光的电场表达式可以写为:

其中，ki，ωi，φi，分别为光的波矢，角频率和相位，i=l，2，3分别对应于1号泵浦光、2号泵浦光和信号光。调制了数据基带信号的信号光可以表示为:

其中，s(t)为调制在信号光上的NRZ信号。

图1 基于FWM效应的全光波长变换原理图Fig.1 Principle of wavelength conversion based on four wave mixing effect

1.1 基于垂直双泵浦的NRZ信号波长变换

在垂直泵浦结构中，建立坐标系如图1(b)所示:令1号泵浦光偏振方向为水平方向(x方向)，2号泵浦光偏振方向为垂直方向(y方向)，信号光偏振方向与x方向夹角为θ。经过FWM之后，新产生了频率为ω1+ω2-ω3的光波，它主要由信号光与1号泵浦光产生拍ω1-ω3调制2号泵浦光(ω2)和信号光与2号泵浦光产生拍ω2-ω3调制1号泵浦光(ω1)形成。则新的转换光可以表示为:

(1)

(2)

从式(2)可以看出，新频率光波的光功率与转换效率系数r(ω1-ω3)、r(ω2-ω3)和信号光的偏振夹角θ有关。由于两个泵浦光间的频率差不大,因此r(ω1-ω3)≈r(ω2-ω3),此时将信号的功率可近似表示为:

(3)

从式(3)可以看出，新频率光波的光功率与偏振夹角θ无关，即垂直双泵浦的结构系统的输出功率与输入信号光的偏振态无关，是偏振不敏感系统。同时，功率取决于频率间距r(ω1-ω3)，即当泵浦光与信号光频率差增大时，光功率将逐渐减小。

1.2 基于平行双泵浦的NRZ信号波长变换

在平行泵浦结构中，建立坐标系如图1(c)所示:两个泵浦光的偏振方向为x方向，信号光与 x 方向的夹角为θ。经过FWM之后,产生频率为ω1-ω2+ω3的光波，它主要由两个泵浦光产生拍ω1-ω2调制信号光(ω3)和信号光与2号泵浦光产生拍ω3-ω2调制1号泵浦光(ω1)形成。则新的转换光可以表示为:

(4)

从式(4)中，A1，A2和 A3分别为1号泵浦光、2号泵浦光以及信号光的幅度。r(ω1-ω2)，r(ω3-ω2)为转换效率系数，其大小与频率差成反比，即泵浦光与信号光的两频率差越大，转换效率越低。由于信号光与泵浦光之间的频率差大于两个泵浦之间的频率差，所以r(ω1-ω2)>r(ω3-ω2)。则转换光的功率为:

(5)

从式(5) 可以看出，新频率光波的光功率与偏振夹角θ无关，由此可知，平行双泵浦的结构系统的输出功率与输入信号光的偏振态无关，是偏振不敏感系统。同时，它取决于r(ω1-ω2)，即两泵浦光频率差增大时，光功率逐渐减小。

2 仿真及结果分析

根据上述的理论分析，利用Optisystem仿真平台搭建相应的仿真系统进行仿真实验。

2.1 垂直泵浦结构的系统仿真

垂直双泵浦结构系统的仿真中，三个连续波激光器(CW)分别产生信号光和两个泵浦光，其频率分别为193.1THz、193.2THz和193.26THz。信号光和两个泵浦光的光功率分别是:6dBm、9dBm和9dBm。仿真中的数据信号速率为5Gb/s。将1号泵浦和2号泵浦偏振态设置为偏振方向互相垂直(分别为90°和0°)，利用外部强度调制器(IM) 将数据信号调制在信号光上，之后通过光耦合器将两个泵浦光与调制了数据信号的信号光耦合，送入SOA进行波长变换。仿真中，SOA的工作电流设置为0.3A。SOA输入端的信号的光谱如图2(a)所示。SOA输出端的信号的光谱图如图2(b)所示，转换后的新产生的光波频率为193.36THz。采用一个中心频率193.36THz和有效带宽为10GHz的光滤波器滤波后得到转换光，如图3(a) 所示。原始信号的眼图和转换光信号的眼图如图3 (b)和(c)所示。

图2 波长变换前后的光谱图Fig.2 The optical spectrum before and after wavelength conversion

图3 转换光的光谱图及眼图Fig.3 The optical spectrum and eye diagram of the converted signal

基于垂直双泵浦仿真系统，下面探讨信号光偏振态、频率间距和SOA的电流对系统波长转换的影响。

仿真过程中保持其他参数不变，改变信号光的偏振夹角，偏振夹角θ为0°、45°和90°时接收到的眼图如图4所示。通过观察眼图可以看出信号光的不同偏振态对波长转换的影响并不明显，由此可知该系统是偏振不敏感的，仿真结果与理论分析是一致的。

图4 不同偏振夹角对应的眼图Fig.4 The eye diagram at different polarization angle

仿真过程中保持其他参数不变，改变SOA的电流，接收得到的眼图如图5所示。观察眼图可以看到，随着电流的逐渐增大“眼睛”越来越清晰，但由于SOA的增益饱和效应，电流不能无限制增大，SOA电流存在一个最佳值，在该系统中约为0.6A。

图5 SOA不同电流的系统眼图Fig.5 The eye diagram at different SOA current

研究信号光和泵浦光的频率间隔(ω1-ω3)对垂直泵浦结构系统转换效率的影响。仿真过程中保持其他参数不变，信号光和泵浦光的频率间隔分别为0.1THz、0.2THz与0.3THz，接收得到眼图如图6所示。通过对眼图的观察可以得出结论:信号光与泵浦光频率间隔越窄，转换效率越高。

图6 不同频率间隔的系统眼图Fig.6 The eye diagram at different frequency interval

2.2 平行泵浦结构的系统仿真

平行双泵浦结构系统仿真中，三个连续波激光器(CW)分别产生两个泵浦光和信号光，其频率分别为193.21THz、193.25THz和193.1THz。信号光和两个泵浦光的光功率分别是:5dBm、7dBm和7dBm。仿真中的数据信号速率为5Gbit/s。将1号泵浦和2号泵浦偏振态设置为0°，之后将两个泵浦光与调制了数据信号的信号光通过光耦合器耦合，送入SOA进行波长变换。仿真中，SOA的工作电流设置为0.3A。SOA输入端的信号的光谱如图7(a)所示。SOA输出端的信号的光谱图如图7(b)所示，转换后的新产生的光波频率为193.06THz。采用一个中心频率193.06THz和有效带宽为10GHz的光滤波器滤波后得到转换光，如图8(a) 所示。原始信号的眼图和转换后的眼图所示为图8(b)和(c)所示。

图7 波长变换前后的光谱图Fig.7 The optical spectrum before and after wavelength conversion

图8 转换光的光谱图及眼图Fig.8 The optical spectrum and eye diagram of the converted signal

基于平行双泵浦仿真系统，下面探讨信号光偏振态、频率间距和SOA的电流对系统波长转换的影响。

仿真过程中保持其他参数不变，改变信号光的偏振夹角，偏振夹角θ为0°、45°和90°时接收到的眼图如图9所示。通过眼图的观察可以看出，信号光的不同偏振态对波长转换的影响并不明显，由此可知该系统是偏振不敏感的，仿真结果与理论分析是一致的。

图9 不同偏振夹角对应的眼图Fig.9 The eye diagram at different polarization angle

仿真过程中保持其他参数不变，改变SOA的电流，接收得到的眼图如图10所示。观察眼图可以看到，随着电流的逐渐增大“眼睛”越来越清晰，但由于SOA增益饱和效应，电流不能无限制增大，SOA电流存在一个最佳值，在该系统中约为0.4A。

图10 不同SOA电流系统的眼图Fig.1 The eye diagram at different SOA current

最后研究两个泵浦光的频率间隔(ω1-ω2)对平行泵浦结构系统转换效率影响。仿真过程中保持其他参数不变，两泵浦光的频率间隔分别为0.03THz、0.06THz和0.09THz，接收得到眼图如图11所示。通过对眼图的观察我们可以得出结论:两个泵浦光频率间隔越窄，转换效率越高。

图11 不同频率间隔的系统眼图Fig.11 The eye diagram at different frequency interval

在仿真中得到垂直泵浦结构和平行泵浦结构波长变换后的光谱图如图12(a)和(b)所示。由图可知在垂直泵浦结构的系统中，原信号光的转换效率为-25dB，在平行泵浦结构的系统中，原信号光的转换效率为-10dB。结果表明平行泵浦结构的系统转换效率高于垂直泵浦结构的系统。

图12 波长变换后的光谱图Fig.12 The optical spectrum after wavelength conversion

3 结论

本文理论和仿真研究了SOA中基于FWM效应的垂直泵浦和平行泵浦对信号的波长变换，研究结果表明基于这两种双泵浦结构的系统是偏振不敏感的系统。通过仿真实现了5Gbit/s信号的波长变换，分析了SOA电流和泵浦光与信号光之间的频率间距对波长变换的影响，还分析比较了这两种波长变换系统的转换效率，结果表明平行泵浦结构的系统转换效率高于垂直泵浦结构的系统。

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Research on all-optical wavelength conversion based on dual-pump for NRZ signal in SOA

ZHOU Hui,ZENG Yuting,MA Tianyu

(College of Physics and Information Science，Hunan Normal University，Changsha 410081，China)

All-optical wavelength conversion for NRZ signal based orthogonal dual-pump and parallel dual-pump four wavelength mixing effect in an semiconductor optical amplifier was theoretically investigated，and the theoretical results show that orthogonal dual-pump and parallel dual-pump are polarization insensitive system.The simulation system was built by means of the Optisystem software based on the theoretical analysis.Polarization insensitive wavelength conversion for 5Gb/s NRZ signal was successfully implemented，simulation results agree well with the theoretical analyses.The effects on the system performance,which was influenced by SOA’s current and frequency spacing between the pump and signal lightwave were also analyzed.

optical communication;all-optical wavelength conversion;four wave mixing (FWM) ;semiconductor optical amplifier (SOA)

1672-7010(2016)04-0038-07

2016-09-09

湖南省自然科学基金资助项目(2016JJ6097)

周慧(1984-)，女，湖南长沙人，讲师，博士，从事光纤无线通信技术、新型调制格式技术和全光波长变换技术等方面的研究； E-mail：zhou_zh_hui@163.com

TN929.9

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