解锁混沌光通信潜力：VPIPhotonics仿真助力研究突破

2/01/2024，光纤在线讯，在当今飞速发展的信息时代，光通信技术正扮演日益重要的角色。混沌光通信，以其独特的非线性特性，使得信息加密更加安全，同时其抗干扰能力也保证了信号在复杂环境中的稳定性，为信息加密和传输提供了新的可能。然而，混沌光通信在实际应用中面临传输距离受限、噪声干扰等挑战。因此，如何实现长距离、高保真度的混沌光信号传输是当前研究的重点。

针对这些问题，VPIPhotonics软件提供了强大的解决方案，该软件采用精确的光纤传输模型，能够模拟各种复杂的光通信系统，包括光纤放大器、调制器等。用户可通过设置参数模拟混沌光信号在长距离光纤中的传输，并观察信号的畸变情况。软件还支持噪声干扰的模拟，帮助用户深入了解噪声对系统性能的影响。

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为例，该方案结合了光纤放大器和分布式光纤拉曼放大器，实现了长距离的混沌同步传输。VPIPhotonics软件在仿真中展现出极高的准确性，为系统优化提供了有力支持。


图1

图1(a)是用于研究通过中继放大传输激光混沌保真度的实验图，用于确认建立远距离混沌同步的最佳条件。受到镜面光学反馈的半导体激光器产生作为传输信号的激光混沌。该信号首先由EDFA1进行前放大，然后通过光学滤波器滤除带外ASE噪声，并传递到由光耦合器、标准单模光纤和色散补偿光纤组成的光纤环中。在光纤环中，通过具有沿光纤反向泵浦的拉曼激光器和波长分束器的DFRA以及EDFA2进行混合放大混沌信号，其后另一滤波器进一步用于过滤ASE噪声。需要注意的是，通过去除拉曼激光器，可以将混合放大的场景切换为仅使用EDFA放大的场景。此外，由于光纤环的长度可以灵活变化，通过反复在光纤环上传输混沌信号，即N周期传输，以传输不同距离的混沌信号是经济且方便的。经过N周期传输后，混沌信号通过光耦合器输出，并由光电探测器检测。在光纤环之前，由任意波形发生器周期调制的电光调制器被部署为光开关，以防止相邻周期内属于不同混沌信号的串扰。

在确认混沌保真度传输条件之后，我们按照图1(b)所示的设置安排如下，以实现远距离的共混沌诱导同步，该同步可以应用于混沌通信和密钥分发。如图1(a)所示，具有混沌输出的镜面反馈激光器被采用作为驱动激光器（DL）。DL的输出被分为两个分支，其中一个单向注入到局部响应激光器（RL）RL_A中，另一个通过具有混合中继放大的长距离传输链注入到RL_B中，以诱导混沌同步。这种远距离的情景是通过直接部署由标准单模光纤和色散补偿光纤组成的N段光纤而实现的，而不是通过在光纤环中重复传输。

作为图1(a)所示传输实验的补充验证，还进行了基于VPIphotonics软件的仿真。仿真中主要使用的激光器、光纤、滤波器和放大器的参数分别在表1和表2中。


表1


表2

具有EDFA继电的光纤传输的混沌保真度结果

实验结果显示，在使用EDFA继电的光纤传输中，通过调整输入信号功率可以实现混沌传输的最佳保真度。随着传输距离的增加，保真度先增加后减小，达到最大值的最佳功率随之增加。在多段传输中，随着继电次数的增加，保真度呈现逐渐下降的趋势，因为信道失真在传输过程中不断累积。


单跨光纤传输 (a) 实验结果和 (b) 仿真结果


使用 EDFA 中继器的多跨光纤传输(a) 实验结果和 (b) 仿真结果

混沌在具有EDFA和DFRA继电的光纤传输中的保真度结果

实验结果显示，在混合使用EDFA和DFRA继电的光纤传输中，通过调整输入信号功率和增益比可以实现最佳保真度。相较于仅使用EDFA的情况，混合放大不仅提高了单跨传输的保真度，而且在多跨传输中扩大了传输距离，特别是在采用130 km光纤长度时，最大传输距离增加了约200 km。这为实现长距离高质量的混沌传输提供了重要的指导。


单跨光纤传输 (a) 实验结果和 (b) 仿真结果


使用 EDFA 和 DFRA 中继器的多跨光纤传输 (a) 实验结果和 (b) 仿真结果

研究结果表明，混合放大在延伸混沌传输距离方面优于单独放大，且保真度不低于0.92，这归功于DFRA对ASE噪声和SPM的抑制。鉴于这些最佳条件，文章团队成功构建了一条由八段130km光纤组成、经过色散补偿的直线传输链上稳定的1040km共混沌诱导同步^[1]。该研究为建立长距离混沌同步提供了一种途径，并为远距离光学混沌通信和密钥分发奠定了基础。
同时，实验还验证了VPIPhotonics软件仿真结果的高准确性，为混沌光通信系统的研究和优化提供了重要的参考依据。这不仅极大地缩短了实验周期，降低了成本，还有助于深入了解混沌光通信系统的内在规律，为新技术的开发和应用提供有力支持。

总之，VPIPhotonics软件作为混沌光通信系统仿真的得力工具，通过精确的模拟和深入的分析，用户能更好地理解和优化混沌光通信系统的性能，推动该领域的不断发展。随着光通信技术的不断进步和应用领域的拓展，VPIPhotonics软件将继续发挥其关键作用。

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

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