CN103885266B - 基于双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生装置，包括泵浦激光器、光频梳产生器、光解复用器、第一耦合器、掺饵光纤放大器、第二耦合器、第一段HNLF、波长选择开关、第二段HNLF以及光带通滤波器。该装置可用于对高速光纤通信网络中各种劣化的QPSK信号(包括DQPSK)进行信号的相位再生，从而降低相位噪声对光通信系统性能的影响，提高全光中继传输距离，降低接收机的误码率。本发明还公开了基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生方法。本发明具有结构简洁、性能稳定，简单易行，再生效果显著等优点。

Description

基于双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生装置和方法

技术领域

本发明涉及了高速光纤通信领域中相位调制信号的全光相位再生技术，特别涉及了基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生装置和方法。

背景技术

随着我国经济实体的快速发展，网络基础设施的不断完善，我国互联网对带宽的需求将保持长期高速的增长。为了有效应对各种不同应用爆发式增长所产生的带宽容量危机，人们提出了各种通信技术突破传统光纤传输容量的瓶颈。偏振复用，时分复用，波分复用以及新近出现的空分复用等技术手段使得目前商用通信系统的单波长传输速率突破了100Gbit/s，并正在向400Gbit/s演进。

采用新型光调制格式来改善系统的性能也是提高光通信系统容量的重要方法之一。新型调制格式对传输性能的改善，尤其是在克服信道串扰、非线性效应、偏振模色散(PMD)和色散容限等方面可取得十分显著地效果。在众多新型调制格式中，四相相移键控信号(QPSK)由于在高速传输系统的实验中表现出了优越的性能，近年来逐渐成为高速大容量光传输技术研究的热点。QPSK调制具有较高的频谱利用率，并且能有效抑制各类传输光纤中的交叉相位调制(XPM)、自相位调制(SPM)等非线性效应。目前，配合接收端相干检测技术，国际标准化组织OIF已经建议偏振复用加四相移键控(QPSK)或偏振复用加差分四相移键控(DQPSK)作为100Gbps以太网主流调制技术。

与传统的On-OffKeying(OOK)系统主要受限于强度噪声不同，基于相位调制的PSK系统性能主要受限于相位噪声。光纤通信系统中的相位噪声有多种来源，一是发射机中激光器的自发辐射噪声(ASE)导致激光器线宽展宽，在接收端相干检测会产生相位噪声，二是链路中放大器应用不可避免的会引入ASE噪声，三是由于链路中ASE噪声导致信号强度波动，这种强度噪声会通过自相位调制或其他信道的交叉相位调制转化为相位噪声。在相位调制格式中，由于用载波的相位来携带信息，因而，相位噪声会增加相位调制信号的误码，降低信号的最大传输距离。为保证信息传输的可靠性，消除相位噪声对信号的劣化影响，需要及时地对相位调制光信号进行相位再生。传统的光电光(OEO)再生方法把光信号转变为电信号后，在电域中对信号进行再生后再转换为光信号。采用这种传统方法的系统结构复杂、成本高、难以集成化，无法满足对传输速率和数据格式透明性等要求，因此人们提出了全光3R(Reamplifying，Reshaping，Retiming)再生的方案。全光再生是指在光域中对输入的信号进行再放大、再整形、再定时。目前基于相敏放大器(PSA)的用于二进制差分相移键控(DPSK)信号的全光相位再生方法已经被实验证明。相敏放大器是一种增益与输入光场相位相关的光放大技术，基于光纤干涉结构的相敏放大技术和基于光纤中四波混频原理实现相敏放大的技术也已经被系统的研究和论证。而基于相敏放大的用于四相相移键控(QPSK)信号的全光相位再生还处于研究阶段。现有的QPSK信号全光相位再生方案包括：基于双干涉型PSA的结构，基于环路饱和PSA的结构，基于三阶谐波干涉的结构和基于双共轭泵浦的结构，它们的工作原理分别是：

(1)基于双干涉型PSA的结构

该方法将输入的光信号通过耦合器分为两路，在两路上采用相位相差90°的泵浦光来实现相位的两级压缩，将QPSK信号压缩到两个正交的轴上，在输出端通过耦合器将两路压缩后的信号耦合矢量相加，得到再生后的QPSK信号。

(2)基于环路饱和PSA的结构

该方法是采用一个Sagnac干涉环，干涉环的输入端输入两路泵浦和信号，泵浦与信号光频率满足信号简并条件，干涉环中相向传播的两路光当工作于饱和状态时可以分别将QPSK信号压缩至两正交轴上，输出时通过耦合器相干叠加，得到再生后的QPSK信号。

(3)基于三阶谐波干涉的结构

该方案首先将输入的QPSK信号与第一路泵浦光在高非线性光纤(HNLF)中通过四波混频作用产生高阶谐波，通过滤波器将三阶谐波滤出作为闲频光，四阶谐波通过注入锁定作为第二路泵浦，连同原来的信号光和第一路泵浦光共同耦合进第二段HNLF，由信号和三阶谐波的相敏放大作用，信号得到再生。

(4)基于双共轭泵浦的结构

该方案采用两个激光器分别与信号在同一段HNLF中相向传输，通过参量放大过程分别产生两路共轭闲频光，将此两路共轭闲频光作为第二阶段的泵浦光与信号共同入射进第二段HNLF，通过相敏放大作用使信号光得到再生。

以上方案中只有(3)基于三阶谐波干涉的结构经过了实验验证，其余方案均为理论提出和仿真研究。方案(1)和方案(2)理论上均属于干涉型再生结构，需要两路相位与输入信号光相位锁定的泵浦光，且该种结构易受导引声波布里渊散射引入的相位噪声影响。方案(3)需要额外的注入锁定激光器，结构复杂，成本高，不适合于实际应用。而方案(4)则需要将两个初始激光器的相位锁定，因为若采用的两路激光器相位没有锁定，则产生的两路共轭闲频光相位没有确定的关系，在第二段HNLF中则不会产生相敏过程，QPSK信号的相位也不会再生。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的问题，利用全光学方法实现QPSK(包括DQPSK)信号相位再生的方案，本发明旨在提供基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生装置和方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生装置，其特征在于：该装置包括泵浦激光器、光频梳产生器、光解复用器、第一耦合器、掺饵光纤放大器、第二耦合器、第一段HNLF、波长选择开关、第二段HNLF以及光带通滤波器；所述泵浦激光器发出的激光依次经过光频梳产生器、光解复用器、第一耦合器和掺饵光纤放大器后，与QPSK信号光一同依次经过第二耦合器、第一段HNLF、波长选择开关、第二段HNLF和光带通滤波器后输出再生的QPSK信号光后输出再生的QPSK信号光。

基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生方法，其特征在于：首先生成频率为f_s的激光，利用该激光产生一系列频率间隔为Δf_c的光频梳，从光频梳中选出对称于中心波长的两个光频梳作为四波混频过程的两个泵浦，两个泵浦之间的频率间隔为2Δf；将这两个泵浦耦合为一路泵浦光后放大至所需功率，放大后的泵浦光与频率为f_s的QPSK信号光耦合后发生单泵浦非简并四波混频过程，使得在信号光频率f_s左右间隔2Δf处各产生一个一阶共轭闲频光，该闲频光的相位与信号光共轭；同时将前述两个一阶共轭光与QPSK信号光滤出，将两个一阶共轭光作为泵浦进行双共轭泵浦四波混频过程，从而实现对QPSK信号相位噪声的压缩；最终将再生的QPSK信号光滤出，作为系统的输出。

其中，上述单泵浦非简并四波混频过程的传递函数为：

$\left[\begin{array}{c}A{s}_{out}\\ {\mathrm{Ai}}_{out}^{*}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}u& v\\ v^{*}& u^{*}\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}A{s}_{in}\\ {\mathrm{Ai}}_{in}^{*}\end{array}\right]$

其中，As_in,Ai_in分别为第一段高非线性光纤输入端信号光和闲频光的电场强度，As_out，Ai_out分别为光纤输出端信号光和闲频光的电场强度，符号右上角标*表示取共轭操作， $u=\cosh \left(g_{1}L\right)+i\frac{k}{2g_1}\sinh \left(g_{1}L\right)$ 和 $v=i\frac{{\mathrm{\γ}}_1{P}_1}{g_1}\sinh \left(g_{1}L\right)$ 为传递函数系数，其中i为虚数单位，g₁为参量增益系数，L为第一段光纤长度，k为相位失配因子，γ₁为第一段光纤的非线性系数，P₁为泵浦光功率。

其中，上述双共轭泵浦简并四波混频过程的耦合方程为：

${\mathrm{dA}}_{p3}/dz=i\mathrm{\γ}({\left|A_{p3}\right|}^2+2{\left|A_s\right|}^2+2{\left|A_{p4}\right|}^2)A_{p3}+{\mathrm{i\γA}}_s^2{A}_{p4}^{*}\exp \left(i\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}z\right),$

${\mathrm{dA}}_s/dz=i\mathrm{\γ}(2{\left|A_{p3}\right|}^2+{\left|A_s\right|}^2+2{\left|A_{p4}\right|}^2)A_s+i2{\mathrm{\γA}}_{p3}{A}_{p4}{A}_s^{*}\exp (-i\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}z),$

${\mathrm{dA}}_{p4}/dz=i\mathrm{\γ}(2{\left|A_{p3}\right|}^2+2{\left|A_s\right|}^2+{\left|A_{p4}\right|}^2)A_{p4}+{\mathrm{i\γA}}_s^2{A}_{p3}^{*}\exp \left(i\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}z\right),$

其中，Δβ＝2β_s-β_p3-β_p4为线性相位失配，β_p3,β_p4,β_s分别为闲频光f₃，f₄以及信号光在对应波长处的传播常数，γ为第二段光纤的非线性系数，A_p3，A_p4，A_s分别为共轭泵浦f₃,f₄以及信号光的电场，符号右上角标*表示取共

轭操作，z为沿光纤传播方向上的距离。

采用上述技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明采用基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生装置，可以有效地抑制输入信号光中的相位噪声，使信号误码率下降，系统性能改善，达到再生的效果。

(2)本发明首先利用光频梳产生第一阶段的两束泵浦光，此泵浦光在相位上是锁定的，通过第一阶段的四波混频参量过程，新产生的共轭闲频光在相位上也是锁定的，这就保证了第二阶段相敏放大过程的相位相关性，因而在泵浦光的选择上相对基于干涉结构的相位再生装置，其限制条件更少。同时本发明在第二段HNLF中利用的是双共轭泵浦简并四波混频原理来实现相敏放大过程，该原理相比于信号与三阶共轭谐波相干涉的作用来说，其相位压缩倍率更大，效果更好，因而最终再生性能更理想。

(3)与传统的光电光信号再生方法相比，本发明的全光再生技术不需要复杂的解调，判决和再调制过程，结构简单，对信号的比特速率透明，即可用于各种高速信号的再生，同时可对光差分正交相移键控(DQPSK)信号进行再生，兼容性好。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明对输入QPSK信号的相位和幅度传递函数图；

图3为仿真计算的25GBaud的QPSK信号经ASE劣化后的信号星座图；

图4为图3中的信号经过本发明的全光再生系统后在输出端得到的再生信号星座图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示本发明的系统结构示意图，本发明提供的基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生装置包括：包括泵浦激光器、光频梳产生器、光解复用器、第一耦合器、掺饵光纤放大器、第二耦合器、第一段HNLF、波长选择开关、第二段HNLF以及光带通滤波器。

泵浦激光器发出的频率为f_s激光，通过光频梳发生器产生一系列间隔为Δf_c的光频梳，光解复用器从产生的频梳中滤出两个对称于中心频率的光梳，设其频率分别为f₁＝f_s-Δf,f₂＝f_s+Δf，这两个光梳由于由同一束激光产生，二者相位锁定。这两个光梳作为第一阶段HNLF中四波混频过程的两个泵浦，这两个泵浦光经第一耦合器耦合为一路泵浦光，该泵浦经掺饵光纤放大器放大至所需功率后与QPSK信号光(该信号光的频率为f_s)经第二耦合器耦合进第一段HNLF。

在第一段HNLF中，输入的QPSK信号光分别与两路泵浦光产生非相敏的单泵浦非简并四波混频过程，两个四波混频过程在放大信号的同时，分别产生了频率为f₃＝f_s-2Δf,f₄＝f_s+2Δf的闲频光。

该单泵浦非简并四波混频过程的传递函数为

$\left[\begin{array}{c}A{s}_{out}\\ {\mathrm{Ai}}_{out}^{*}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}u& v\\ v^{*}& u^{*}\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}A{s}_{in}\\ {\mathrm{Ai}}_{in}^{*}\end{array}\right]$

其中，As_in,Ai_in分别为第一段高非线性光纤输入端信号光和闲频光的电场强度，As_out，Ai_out分别为光纤输出端信号光和闲频光的电场强度，符号右上角标*表示取共轭操作(以下同)。 $u=\cosh \left(g_{1}L\right)+i\frac{k}{2g_1}\sinh \left(g_{1}L\right),v=i\frac{{\mathrm{\γ}}_1{P}_1}{g_1}\sinh \left(g_{1}L\right)$ 为传递函数系数，其中i为虚数单位，g₁为参量增益系数，L为第一段光纤长度，k为相位失配因子，γ₁为第一段光纤的非线性系数，P₁为泵浦光功率。设输入端信号光电场

P_s为信号光功率，为信号光相位。

由于为非相敏过程，输入端无闲频光，即Ai_in＝0，因而可得在第一段HNLF输出端的闲频光光场

由此可以看到第一段HNLF输出端闲频光场与信号光互为共轭光，这为第二段HNLF中双共轭放大实现了基础。需要注意的是，信号光分别与两个作为泵浦的光梳独立产生上述单泵浦非简并四波混频过程，上述分析对两个过程是相同的，因而经过第一段HNLF后产生了两束频率分别为f₃、f₄，相位与输入信号共轭的闲频光。

第一段HNLF后的波长选择开关将新产生的两束闲频光f₃、f₄与信号光f_s一起滤出后送入第二段HNLF中，在第二段HNLF中两束闲频光f₃、f₄作为泵浦，发生双共轭泵浦四波混频过程，对QPSK信号的相位噪声进行压缩。

第二段HNLF光纤中双共轭泵浦简并四波混频过程可采用耦合方程描述：

${\mathrm{dA}}_{p3}/dz=i\mathrm{\γ}({\left|A_{p3}\right|}^2+2{\left|A_s\right|}^2+2{\left|A_{p4}\right|}^2)A_{p3}+{\mathrm{i\γA}}_s^2{A}_{p4}^{*}\exp \left(i\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}z\right)$

${\mathrm{dA}}_s/dz=i\mathrm{\γ}(2{\left|A_{p3}\right|}^2+{\left|A_s\right|}^2+2{\left|A_{p4}\right|}^2)A_s+i2{\mathrm{\γA}}_{p3}{A}_{p4}{A}_s^{*}\exp (-i\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}z)$

${\mathrm{dA}}_{p4}/dz=i\mathrm{\γ}(2{\left|A_{p3}\right|}^2+2{\left|A_s\right|}^2+{\left|A_{p4}\right|}^2)A_{p4}+{\mathrm{i\γA}}_s^2{A}_{p3}^{*}\exp \left(i\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}z\right)$

其中Δβ＝2β_s-β_p3-β_p4为线性相位失配，β_p3,β_p4,β_s分别为闲频光f₃，f₄以及信号光在对应波长处的传播常数，γ为第二段光纤非线性系数，A_p3，A_p4，A_s分别为共轭泵浦f₃,f₄以及信号光的电场，z为沿光纤传播方向上的距离。

假设泵浦光f₃,f₄为强泵浦而信号光为弱信号，则在小信号近似下，泵浦光强度P₃,P₄为常数，在三阶介质中，仅受自相位调制SPM和交叉相位调制XPM的影响。即：

A_p3(z)＝A_p3(0)exp[iγ(P₃+2P₄)z]

A_p4(z)＝A_p4(0)exp[iγ(2P₃+P₄)z]

为使公式表示更方便和简洁，以下引入符号B。

设初始信号则共轭泵浦初始信号为：

其中B_s(0),B₃(0),B₄(0)分别表示信号光，泵浦光f₃、f₄在光纤输入端即z＝0处的电场强度。

设 $A_s\left(z\right)=B_s\left(z\right)\exp \[-\frac{i\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}z}{2}+\frac{i3\mathrm{\γ}(P_3+P_4)z}{2}\],$ 带入耦合方程可得：

$\frac{{\mathrm{dB}}_s\left(z\right)}{dz}-i\frac{\mathrm{\κ}}{2}{B}_s\left(z\right)=i\·2{\mathrm{\γB}}_3\left(0\right)B_4\left(0\right)B_s^{*}\left(z\right)$

其中κ＝Δβ+γ(P₃+P₄)为有效相位失配因子，解上面方程可得，

$B_s\left(z\right)=\[\cosh \left(gz\right)+i\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}}{2g}\sinh \left(gz\right)\]B_s\left(0\right)+i\frac{2{\mathrm{\γB}}_3\left(0\right)B_4\left(0\right)}{g}{B}_s^{*}\left(0\right)$

其中为参量增益系数，将上述解中的B₃(0),B₄(0),B_s(z)用信号电场A_s替换，可得最终方程解为：

上式即为输出端信号光的电场强度表达式。

根据得到的输出端信号光的电场强度表达式，可以发现输出光的相位传递函数呈四阶梯状，即输出相位被压缩至四个相位态，实现了相位压缩。在这个过程中，相位噪声被抑制，从而实现了QPSK信号的相位再生。如图2所示为本发明对输入QPSK信号的相位和幅度传递函数图，其横坐标为输入信号的相位(单位是弧度)，纵坐标分别为输出信号的副频增益(单位是分贝)和输出信号的相位(单位是弧度)。

本发明采用基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生装置，可以有效地抑制输入信号光中的相位噪声，使信号误码率下降，系统性能改善，达到再生的效果。以图3和图4为例，图3为仿真计算的25GBaud的QPSK信号经ASE劣化后的信号星座图，图4为图3中的信号经过本发明的全光再生系统后在输出端得到的再生信号星座图。与图3相比，信号每个采样点上的相位噪声已得到明显抑制。因此本系统可降低误码率，改善信号性能，并使信号传输更长的距离。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生方法，其特征在于：首先生成频率为f_s的激光，利用该激光产生一系列频率间隔为Δf_c的光频梳，从光频梳中选出对称于中心波长的两个光频梳作为四波混频过程的两个泵浦，两个泵浦之间的频率间隔为2Δf；将这两个泵浦耦合为一路泵浦光后放大至所需功率，放大后的泵浦光与频率为f_s的QPSK信号光耦合后发生单泵浦非简并四波混频过程，使得在信号光频率f_s左右间隔2Δf处各产生一个一阶共轭闲频光，该闲频光的相位与信号光共轭；同时将前述两个一阶共轭光与QPSK信号光滤出，将两个一阶共轭光作为泵浦进行双共轭泵浦简并四波混频过程，从而实现对QPSK信号相位噪声的压缩；最终将再生的QPSK信号光滤出，作为系统的输出。

2.根据权利要求1所述基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生方法，其特征在于，所述单泵浦非简并四波混频过程的传递函数为：

其中，As_in,Ai_in分别为第一段高非线性光纤输入端信号光和闲频光的电场强度，As_out，Ai_out分别为光纤输出端信号光和闲频光的电场强度，符号右上角标*表示取共轭操作，和为传递函数系数，其中i为虚数单位，g₁为参量增益系数，L为第一段光纤长度，k为相位失配因子，γ₁为第一段光纤的非线性系数，P₁为泵浦光功率。

3.根据权利要求1所述基于光频梳的双共轭泵浦相位调制信号全光相位再生方法，其特征在于，所述双共轭泵浦简并四波混频过程的耦合方程为：

，

，

，

其中，Δβ＝2β_s-β_p3-β_p4为线性相位失配，β_p3,β_p4,β_s分别为闲频光f₃，f₄以及信号光在对应波长处的传播常数，γ为第二段光纤的非线性系数，A_p3，A_p4，A_s分别为共轭泵浦f₃,f₄以及信号光的电场，符号右上角标*表示取共轭操作，z为沿光纤传播方向上的距离。