解鎖混沌光通信潛力：VPIPhotonics仿真助力研究突破
點(diǎn)擊次數(shù)：938 更新時間：2024-02-01
在當(dāng)今飛速發(fā)展的信息時代，光通信技術(shù)正扮演日益重要的角色。混沌光通信，以其獨(dú)特的非線性特性，使得信息加密更加安全，同時其抗干擾能力也保證了信號在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性，為信息加密和傳輸提供了新的可能。然而，混沌光通信在實(shí)際應(yīng)用中面臨傳輸距離受限、噪聲干擾等挑戰(zhàn)。因此，如何實(shí)現(xiàn)長距離、高保真度的混沌光信號傳輸是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。針對這些問題，VPIPhotonics軟件提供了強(qiáng)大的解決方案，該軟件采用精確的光纖傳輸模型，能夠模擬各種復(fù)雜的光通信系統(tǒng)，包括光纖放大器、調(diào)制器等。用戶可通過設(shè)置參數(shù)模擬混沌光信號在長距離光纖中的傳輸，并觀察信號的畸變情況。軟件還支持噪聲干擾的模擬，幫助用戶深入了解噪聲對系統(tǒng)性能的影響。以LONGSHENG WANG[1]等人在《Chaos synchronization of semiconductor lasers over 1040-km fiber relay transmission with hybrid amplification》一文中提出的混沌同步方案為例，該方案結(jié)合了光纖放大器和分布式光纖拉曼放大器，實(shí)現(xiàn)了長距離的混沌同步傳輸。VPIPhotonics軟件在仿真中展現(xiàn)出極高的準(zhǔn)確性，為系統(tǒng)優(yōu)化提供了有力支持。圖1(a)是用于研究通過中繼放大傳輸激光混沌保真度的實(shí)驗(yàn)圖，用于確認(rèn)建立遠(yuǎn)距離混沌同步的最佳條件。受到鏡面光學(xué)反饋的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生作為傳輸信號的激光混沌。該信號首先由EDFA1進(jìn)行前放大，然后通過光學(xué)濾波器濾除帶外ASE噪聲，并傳遞到由光耦合器、標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和色散補(bǔ)償光纖組成的光纖環(huán)中。在光纖環(huán)中，通過具有沿光纖反向泵浦的拉曼激光器和波長分束器的DFRA以及EDFA2進(jìn)行混合放大混沌信號，其后另一濾波器進(jìn)一步用于過濾ASE噪聲。需要注意的是，通過去除拉曼激光器，可以將混合放大的場景切換為僅使用EDFA放大的場景。此外，由于光纖環(huán)的長度可以靈活變化，通過反復(fù)在光纖環(huán)上傳輸混沌信號，即N周期傳輸，以傳輸不同距離的混沌信號是經(jīng)濟(jì)且方便的。經(jīng)過N周期傳輸后，混沌信號通過光耦合器輸出，并由光電探測器檢測。在光纖環(huán)之前，由任意波形發(fā)生器周期調(diào)制的電光調(diào)制器被部署為光開關(guān)，以防止相鄰周期內(nèi)屬于不同混沌信號的串?dāng)_。在確認(rèn)混沌保真度傳輸條件之后，我們按照圖1(b)所示的設(shè)置安排如下，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的共混沌誘導(dǎo)同步，該同步可以應(yīng)用于混沌通信和密鑰分發(fā)。如圖1(a)所示，具有混沌輸出的鏡面反饋激光器被采用作為驅(qū)動激光器（DL）。DL的輸出被分為兩個分支，其中一個單向注入到局部響應(yīng)激光器（RL）RLA中，另一個通過具有混合中繼放大的長距離傳輸鏈注入到RLB中，以誘導(dǎo)混沌同步。這種遠(yuǎn)距離的情景是通過直接部署由標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和色散補(bǔ)償光纖組成的N段光纖而實(shí)現(xiàn)的，而不是通過在光纖環(huán)中重復(fù)傳輸。作為圖1(a)所示傳輸實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充驗(yàn)證，還進(jìn)行了基于VPIphotonics軟件的仿真。仿真中主要使用的激光器、光纖、濾波器和放大器的參數(shù)分別在表1和表2中。具有EDFA繼電的光纖傳輸?shù)?/span>實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在使用EDFA繼電的光纖傳輸中，通過調(diào)整輸入信號功率可以實(shí)現(xiàn)混沌傳輸?shù)淖罴驯Ｕ娑?。隨著傳輸距離的增加，保真度先增加后減小，達(dá)到最大值的最佳功率隨之增加。在多段傳輸中，隨著繼電次數(shù)的增加，保真度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，因?yàn)樾诺朗д嬖趥鬏斶^程中不斷累積。單跨光纖傳輸 (a) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和 (b) 仿真結(jié)果使用 EDFA 中繼器的多跨光纖傳輸(a) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和 (b) 仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在混合使用EDFA和DFRA繼電的光纖傳輸中，通過調(diào)整輸入信號功率和增益比可以實(shí)現(xiàn)最佳保真度。相較于僅使用EDFA的情況，混合放大不僅提高了單跨傳輸?shù)谋Ｕ娑龋以诙嗫鐐鬏斨袛U(kuò)大了傳輸距離，特別是在采用130 km光纖長度時，最大傳輸距離增加了約200 km。這為實(shí)現(xiàn)長距離高質(zhì)量的混沌傳輸提供了重要的指導(dǎo)。單跨光纖傳輸 (a) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和 (b) 仿真結(jié)果使用 EDFA 和 DFRA 中繼器的多跨光纖傳輸 (a) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和 (b) 仿真結(jié)果研究結(jié)果表明，混合放大在延伸混沌傳輸距離方面優(yōu)于單獨(dú)放大，且保真度不低于0.92，這歸功于DFRA對ASE噪聲和SPM的抑制。鑒于這些最佳條件，文章團(tuán)隊成功構(gòu)建了一條由八段130km光纖組成、經(jīng)過色散補(bǔ)償?shù)闹本€傳輸鏈上穩(wěn)定的1040km共混沌誘導(dǎo)同步[1]。該研究為建立長距離混沌同步提供了一種途徑，并為遠(yuǎn)距離光學(xué)混沌通信和密鑰分發(fā)奠定了基礎(chǔ)。同時，實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了VPIPhotonics軟件仿真結(jié)果的高準(zhǔn)確性，為混沌光通信系統(tǒng)的研究和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。這不僅極大地縮短了實(shí)驗(yàn)周期，降低了成本，還有助于深入了解混沌光通信系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，為新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供有力支持。總之，VPIPhotonics軟件作為混沌光通信系統(tǒng)仿真的得力工具，通過精確的模擬和深入的分析，用戶能更好地理解和優(yōu)化混沌光通信系統(tǒng)的性能，推動該領(lǐng)域的不斷發(fā)展。隨著光通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，VPIPhotonics軟件將繼續(xù)發(fā)揮其關(guān)鍵作用。REFERENCES
[1] LONGSHENG WANG, JUNLI WANG, YUSHAN WU, YUEHUI SUN, SONGSUI LI, LIANSHAN YAN, YUNCAI WANG, AND ANBANG WANG, “Chaos synchronization of semiconductor lasers over 1040-km fiber relay transmission with hybrid amplification,” Vol. 11, No. 6 / June 2023 / Photonics Research
