解鎖混沌光通信潛力：VPIPhotonics仿真助力研究突破
點擊次數：1022 更新時間：2024-02-01
在當今飛速發展的信息時代，光通信技術正扮演日益重要的角色。混沌光通信，以其獨特的非線性特性，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雜環境中的穩定性，為信息加密和傳輸提供了新的可能。然而，混沌光通信在實際應用中面臨傳輸距離受限、噪聲干擾等挑戰。因此，如何實現長距離、高保真度的混沌光信號傳輸是當前研究的重點。針對這些問題，VPIPhotonics軟件提供了強大的解決方案，該軟件采用精確的光纖傳輸模型，能夠模擬各種復雜的光通信系統，包括光纖放大器、調制器等。用戶可通過設置參數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，該方案結合了光纖放大器和分布式光纖拉曼放大器，實現了長距離的混沌同步傳輸。VPIPhotonics軟件在仿真中展現出極高的準確性，為系統優化提供了有力支持。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驗圖，用于確認建立遠距離混沌同步的最佳條件。受到鏡面光學反饋的半導體激光器產生作為傳輸信號的激光混沌。該信號首先由EDFA1進行前放大，然后通過光學濾波器濾除帶外ASE噪聲，并傳遞到由光耦合器、標準單模光纖和色散補償光纖組成的光纖環中。在光纖環中，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進行混合放大混沌信號，其后另一濾波器進一步用于過濾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，由于光纖環的長度可以靈活變化，通過反復在光纖環上傳輸混沌信號，即N周期傳輸，以傳輸不同距離的混沌信號是經濟且方便的。經過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。在光纖環之前，由任意波形發生器周期調制的電光調制器被部署為光開關，以防止相鄰周期內屬于不同混沌信號的串擾。在確認混沌保真度傳輸條件之后，我們按照圖1(b)所示的設置安排如下，以實現遠距離的共混沌誘導同步，該同步可以應用于混沌通信和密鑰分發。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，以誘導混沌同步。這種遠距離的情景是通過直接部署由標準單模光纖和色散補償光纖組成的N段光纖而實現的，而不是通過在光纖環中重復傳輸。作為圖1(a)所示傳輸實驗的補充驗證，還進行了基于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分別在表1和表2中。實驗結果顯示，在使用EDFA繼電的光纖傳輸中，通過調整輸入信號功率可以實現混沌傳輸的最佳保真度。隨著傳輸距離的增加，保真度先增加后減小，達到最大值的最佳功率隨之增加。在多段傳輸中，隨著繼電次數的增加，保真度呈現逐漸下降的趨勢，因為信道失真在傳輸過程中不斷累積。單跨光纖傳輸 (a) 實驗結果和 (b) 仿真結果使用 EDFA 中繼器的多跨光纖傳輸(a) 實驗結果和 (b) 仿真結果實驗結果顯示，在混合使用EDFA和DFRA繼電的光纖傳輸中，通過調整輸入信號功率和增益比可以實現最佳保真度。相較于僅使用EDFA的情況，混合放大不僅提高了單跨傳輸的保真度，而且在多跨傳輸中擴大了傳輸距離，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。這為實現長距離高質量的混沌傳輸提供了重要的指導。單跨光纖傳輸 (a) 實驗結果和 (b) 仿真結果使用 EDFA 和 DFRA 中繼器的多跨光纖傳輸 (a) 實驗結果和 (b) 仿真結果研究結果表明，混合放大在延伸混沌傳輸距離方面優于單獨放大，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，文章團隊成功構建了一條由八段130km光纖組成、經過色散補償的直線傳輸鏈上穩定的1040km共混沌誘導同步[1]。該研究為建立長距離混沌同步提供了一種途徑，并為遠距離光學混沌通信和密鑰分發奠定了基礎。同時，實驗還驗證了VPIPhotonics軟件仿真結果的高準確性，為混沌光通信系統的研究和優化提供了重要的參考依據。這不僅極大地縮短了實驗周期，降低了成本，還有助于深入了解混沌光通信系統的內在規律，為新技術的開發和應用提供有力支持。總之，VPIPhotonics軟件作為混沌光通信系統仿真的得力工具，通過精確的模擬和深入的分析，用戶能更好地理解和優化混沌光通信系統的性能，推動該領域的不斷發展。隨著光通信技術的不斷進步和應用領域的拓展，VPIPhotonics軟件將繼續發揮其關鍵作用。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
