CN105700270B - 一种多电平脉幅调制信号全光整形器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多电平脉幅调制信号全光整形器的设计方法，先根据再生电平数确定MZI整形模块，以实现多电平PAM信号的整形功能，再根据劣化输入多电平PAM信号功率与MZI整形模块工作范围之间的差异，调节线性匹配光放大器的增益，使劣化多电平PAM光信号功率与MZI整形模块的工作范围相匹配；其中，MZI整形模块是全光整形器的核心，可采用一段非线性光学介质实现，主要完成多电平PAM信号的整形功能；这样便解决了多电平PAM光信号在光纤通信系统中信号劣化问题，延长了多电平PAM光信号的传输距离，为多电平PAM光信号在光纤通信系统中长距离有效传输提供了强有力的支撑。

Description

一种多电平脉幅调制信号全光整形器的设计方法
技术领域
本发明属于全光信息处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种多电平脉幅调制信号全光整形器的设计方法。
背景技术
在光纤通信系统中，随着对传输带宽与速率要求的不断提升，光-电-光转换技术已不能满足需求，全光信息处理技术成为未来发展的方向。在全光通信系统中，由于光放大器的ASE噪声积累、光纤色散、光纤非线性效应，以及信道内或信道间的相互作用等影响，致使光信号劣化，严重影响了通信的质量，同时也限制了通信系统的容量和传输距离，为此需要对劣化的光信号再生，当前，全光再生技术主要包括再放大、再定时和再整形三种。
另一方面，多电平幅度或相位调制信号在光纤通信中越来越多地应用，其中多电平的脉幅调制(PAM)信号有助于实现光接入网与光交换中的带宽灵活分配、频谱资源冲突解决、频谱利用率和速率提升等。相对于OOK光信号，多电平PAM光信号对光纤色散、ASE、非线性等劣化因素更加敏感，一定程上限制了多电平PAM光信号的传输距离。目前，大多全光整形器是针对OOK光信号来设计的，其实现方案和相应的设计方法均难以直接用于多电平PAM信号。事实上，多电平PAM信号的全光整形器实现起来要困难得多，原因之一是缺少一种较为通用的设计方法加以指导。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多电平脉幅调制信号全光整形器的设计方法，用于抑制多电平PAM光信号在传输过程中发生的光信号劣化。
为实现上述发明目的，本发明一种多电平脉幅调制信号全光整形器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、设计MZI整形模块
(1.1)、根据多电平脉幅调制PAM信号的电平数及整形性能设计要求，确定输入、输出耦合器的直通效率，光学非线性单元与光移相器的透射系数比及相位差；
(1.2)、根据透射系数比，确定光学非线性单元的透射系数；
(1.3)、根据光学非线性单元的透射系数，结合光学非线性单元所采取非线性光学介质的衰减系数和非线性系数，确定光学非线性单元结构及非线性光学介质的长度；
(1.4)、根据光学非线性单元引起的非线性相移大小，结合输入耦合器的直通效率，确定MZI整形模块的整形电平步长；
(1.5)、根据光学非线性单元与光移相器的透射系数比及相位差值，结合光学非线性单元的透射系数、非线性相移及其结构参数，确定光移相器的透射系数、相移及光学非线性单元产生的传输延迟；
(1.6)、根据以上参数，确定MZI整形模块的工作范围；判断MZI整形模块的工作范围是否与实际相符，若不相符，则返回步骤(1.1)，按照步骤(1.1)-(1.6)所述方法进行优化，直到所得参数与实际相符，再进入步骤(2)；
(2)、调节线性匹配光放大器的增益，使多电平PAM信号功率与MZI整形模块的工作范围相匹配。
其中，所述的MZI整形模块包括输入、输出耦合器、光学非线性单元和光移相器；
光通信传输链路劣化的多电平PAM光信号经过线性匹配光放大器放大后，被输入耦合器分成两路，一路通过光学非线性单元，发生非线性效应，产生一个依赖于光功率的非线性相移；另一路通过光移相器，并利用光移相器平衡光学非线性单元产生的传输延迟，同时产生一个不依赖于光功率的相移，最后将两路信号由输出耦合器耦合输出，得到整形后的多电平PAM信号。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种多电平脉幅调制信号全光整形器的设计方法，先根据再生电平数确定MZI整形模块，以实现多电平PAM信号的整形功能，再根据劣化输入多电平PAM信号功率与MZI整形模块工作范围之间的差异，调节线性匹配光放大器的增益，使劣化多电平PAM光信号功率与MZI整形模块的工作范围相匹配；其中，MZI整形模块是全光整形器的核心，可采用一段非线性光学介质实现，主要完成多电平PAM信号的整形功能；这样便解决了多电平PAM光信号在光纤通信系统中信号劣化问题，延长了多电平PAM光信号的传输距离，为多电平PAM光信号在光纤通信系统中长距离有效传输提供了强有力的支撑。
附图说明
图1是本发明一种多电平脉幅调制信号全光整形器的结构图；
图2是归一化微分增益与归一化输入功率Pin/P0关系示意图；
图3(a)(b)是劣化多电平PAM光信号经过全光整形器整形后的效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
MZI(Mach-Zehnder Interferometer)：马赫曾德尔干涉仪；
PAM(pulse amplitude modulation)：脉幅调制；
图1是本发明一种多电平脉幅调制信号全光整形器的结构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种多电平脉幅调制信号全光整形器，包括：线性匹配光放大器和MZI整形模块；
其中，MZI整形模块包括输入、输出耦合器、光学非线性单元和光移相器；如图1所示，其中光学非线性单元和光移相器的透射系数比为定值或与输入光功率近似线性关系，相位差与输入光功率呈线性关系；如图1所示，光通信系统输出的劣化多电平PAM光信号由端口A输入，经过线性匹配光放大器放大后，被输入耦合器分成两路，一路通过光学非线性单元，发生非线性效应，产生一个依赖于光功率的非线性相移；另一路通过光移相器，并利用光移相器平衡光学非线性单元产生的传输延迟，同时产生一个不依赖于光功率的相移，最后将两路信号由输出耦合器耦合输出，在端口B得到整形后多电平PAM信号。
在现实设计时，只要找到满足上述透射系数和相位差关系的方案即可。我们以光学非线性单元和光移相器的透射系数比为定值，相位差与输入光功率呈线性关系为例，其光学非线性单元采用一段非线性介质(如光纤、硅基波导等)，下面详细阐述其设计方法。
S1、设计MZI整形模块
S1.1、根据多电平PAM信号的电平数及整形性能设计要求，选取合适的输入、输出耦合器的直通效率，确定光学非线性单元与光移相器的透射系数比及相位差；
在本实施例中，设全光整形器性能需求为4PAM信号整形，4PAM信号对应的电平分别为1.35W、1.05W、0.75W、0.45W,设输入、输出耦合器直通效率分别为ρ1、ρ2，光学非线性单元的透射系数为R1，引起的非线性相移为光移相器的透射系数为R2，在平衡光学非线性单元产生的传输延迟的同时，产生一个不依赖于光功率的相移MZI整形模块对应多电平PAM信号的步长为P0，光学非线性单元与光移相器的透射系数比为r12，相位差为则r12、满足如下关系：
其中，Pmax表示MZI整形模块对应多电平PAM信号的最高电平值，Pin表示输入功率，表示归一化值，m为正整数；
MZI整形模块对应多电平PAM信号的电平数越多，取值越大，并且取值越大，可得到更好的整形性能；对4PAM信号，则再根据该归一化值选取合适的输入、输出耦合器直通效率，即ρ1＝0.95，ρ2＝0.0189，据此可算出光学非线性单元与光移相器的透射系数比r12，当式(1)中取“+”时，r12＝0.899；
S1.2、根据透射系数比r12，选取合适的光学非线性单元透射系数R1；
根据透射系数比r12＝0.899，选取光学非线性单元透射系数R1＝0.899；
S1.3、根据光学非线性单元的透射系数，结合光学非线性单元所采取非线性光学介质的衰减系数和非线性系数，确定光学非线性单元结构及非线性光学介质的长度；
根据光学非线性单元透射系数R1＝0.899，选取光学非线性单元为一段非线性光纤，其折射率为n，衰减系数为α＝0.21km-1，非线性系数为γ＝12W-1·km-1，则其透射系数R1与非线性光纤长度L的关系表达式为
即非线性光纤长度
S1.4、根据光学非线性单元引起的非线性相移大小，结合输入耦合器的直通效率，确定MZI整形模块的整形电平步长；
非线性介质引起的非线性相移的表达式为:
结合式(1)，可得:
即步长P0为:
S1.5、根据光学非线性单元与光移相器的透射系数比及相位差值，结合光学非线性单元的透射系数、非线性相移及其结构参数，确定光移相器的透射系数、相移以及光学非线性单元产生的传输延迟；
即
式中λ为多电平PAM信号的波长；
S1.6、根据以上参数，确定MZI整形模块的工作范围
确定MZI整形模块对应4PAM信号的电平值。根据MZI整形模块对应多电平PAM信号的最高归一化电平值选取归一化电平值分别1.5、2.5、3.5、4.5，结合步长P0＝0.6W，计算出MZI整形模块对应4PAM信号的电平值分别为2.7W、2.1W、1.5W、0.9W；
S1.7、验证以上所得参数与实际是否相符，若不相符，则返回步骤S1.1，按照步骤S1.1-S1.6所述方法反复进行优化，直到所得参数与实际相符为止。
S2、调节线性匹配光放大器的增益，使多电平PAM信号功率与MZI整形模块的工作范围相匹配；
根据以上分析可得MZI整形模块对应多电平4PAM信号的电平分别为2.7W、2.1W、1.5W、0.9W，根据输入4PAM信号电平值分别为1.35W、1.05W、0.75W、0.45W，确定线性匹配放大器增益G＝2；
令MZI整形模块的归一化微分增益为其中G(pin)为增益，G0为直流增益，归一化微分增益与归一化输入功率Pin/P0呈余弦函数关系，如图2所示。假设有一个4PAM信号，其归一化输入功率Pin/P0的均值分别为1.5、2.5、3.5、4.5，并都存在归一化功率抖动σin＝0.1的高斯噪声，该劣化信号经过上述设计的MZI整形模块后的整形效果如图3(a)和(b)所示，它们分别用输入和输出4PAM信号的极坐标表示，显然，各电平上的噪声得到了抑制。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种多电平脉幅调制信号全光整形器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、设计MZI整形模块；
(1.1)、根据多电平脉幅调制PAM信号的电平数及整形性能设计要求，确定输入、输出耦合器的直通效率，光学非线性单元与光移相器的透射系数比及相位差；
(1.2)、根据透射系数比，确定光学非线性单元的透射系数；
(1.3)、根据光学非线性单元的透射系数，结合光学非线性单元所采取非线性光学介质的衰减系数和非线性系数，确定光学非线性单元结构及非线性光学介质的长度；
(1.4)、根据光学非线性单元引起的非线性相移大小，结合输入耦合器的直通效率，确定MZI整形模块的整形电平步长；
(1.5)、根据光学非线性单元与光移相器的透射系数比及相位差值，结合光学非线性单元的透射系数、非线性相移及其结构参数，确定光移相器的透射系数、相移及光学非线性单元产生的传输延迟；
(1.6)、根据以上参数，确定MZI整形模块的工作范围；判断MZI整形模块的工作范围是否与实际相符，若不相符，则返回步骤(1.1)，按照步骤(1.1)-(1.6)所述方法进行优化，直到所得参数与实际相符，再进入步骤(2)；
(2)、调节线性匹配光放大器的增益，使多电平PAM信号功率与MZI整形模块的工作范围相匹配。
2.根据权利要求1所述一种多电平脉幅调制信号全光整形器的设计方法，其特征在于，所述的MZI整形模块包括输入、输出耦合器、光学非线性单元和光移相器；
光通信传输链路劣化的多电平PAM光信号经过线性匹配光放大器放大后，被输入耦合器分成两路，一路通过光学非线性单元，发生非线性效应，产生一个依赖于光功率的非线性相移；另一路通过光移相器，并利用光移相器平衡光学非线性单元产生的传输延迟，同时产生一个不依赖于光功率的相移，最后将两路信号由输出耦合器耦合输出，得到整形后的多电平PAM信号。
3.根据权利要求1所述一种多电平脉幅调制信号全光整形器的设计方法，其特征在于，所述的光学非线性单元为一段光纤或硅基波导构成的非线性光学介质。
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