CN1253754C - 处理光脉冲信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种处理光脉冲信号的技术，所述处理包括脉冲整形、非线性处理和信号监控中的一项或多项；该技术使用能执行关于特定基波(FH)的级联二次谐波发生(SHF)的装置，并包括：在装置中选择特定光路长度，后者适合于对由基波(FH)定义的波长携带的输入光脉冲信号作上述各种处理中至少一项处理；在装置中沿所选光程传输所定义的波长所携带的输入光脉冲信号；从所述装置获得经非线性处理和/或脉冲整形的基波(FH)输出光脉冲信号，或获得二次谐波(SH)输出光脉冲信号，用以作进一步信号监控并判断输入光脉冲信号。

Description

处理光脉冲信号的方法和装置
技术领域
本发明涉及在光通信网络，特别在光纤链路中脉冲整型，处理非线性和监控的技术。本申请是2001年2月12日提交的系列号为09/780,572的美国专利申请的部分继续申请。
背景技术
在光通信链路中已知有三个基本的物理因素会限制可获得的比特率，即色散，功率损失和非线性。众所周知，功率损失可以通过在长光纤链路中进行全光掺铒或周期性地安装Raman放大器加以补偿。色散也可通过周期性地插入具有相反符号且绝对值大的色散的较短的元件加以补偿，这样有可能使平均色散近乎等于零。特殊制造的光纤，或其上写有Bragg光栅的极短的光纤段都可用作这种色散补偿元件。
非线性表现为光信号经由光纤传输而累积的非线性相移，是因玻璃中的所谓克耳(Kerr)效应而产生的。由于此效应，光学材料的折射系数按以下公式随光信号的强度而变化：
             n＝n0+K|E|2                      (1)
式中K为Kerr系数。
WO00/49458-A1描述了一种在光学器件和传输系统中补偿光学非线性的方法和装置。在相位失配的二次谐波产生中，级联两次二阶交互而累积基波的非线性相移。此非线性相移可加以调节使之提供所需的非线性补偿量。当具有负有效非线性折射指数的补偿介质处于其设计的运行条件时即发生补偿。利用这些原理的补偿器可作为无源或有源元件组装入光发射器，中继器或接收器中。有源元件可藉改变补偿介质的工作条件加以调谐，例如，控制温度或控制施加的应力。本发明的实施例将补偿器用作光放大器中的前置补偿器或后补偿器，以消除或降低Kerr效应导致的光放大器的自相位调制。
C.Pare等人在他们的文章“光通信系统中色散和自相位调制的分离补偿”(Optics Letters，1 April 1996，Vol21，No.7，p.459-461，Opt.Soc.of America)中讨论了一种想法，即利用同时具有负Kerr系数和特殊定制色散的(通用，非特定)介质使非线性符号随局部色散符号而改变。作者简短地提到：具有负Kerr系数的可用介质可以是半导体波导或利用级联机理的介质。作者进一步指出，虽然这些材料仅有大约1cm大小的短样品，但其非线性强度足以补偿数公里的低光纤非线性，必要时可加前置放大。
必须指出他们的估计过于乐观了：事实上半导体波导由于其很强的双光子吸收根本不能使用；至于SHG材料，一个现实的估算表明，为了补偿在大约50公里跨距内累积的非线性相移，二次谐波产生材料中所需的光程不得少于5米。
按照该文中讨论的恢复全信号的一种可能途径，色散补偿和Kerr效应必须同时发生，例如，利用在具有负Kerr系数的非线性波导上形成的光栅结构。文中提出的另一种可能途径是分离补偿过程，即，先进行色散补偿，然后，第二步再消除Kerr效应引起的非线性影响。
目前已知的SHG介质以能从光信号的基波产生高次谐波的非线性光学晶体为代表。这类晶体，例如磷酸钛氧基钾(KTP)，磷酸二氢钾(KDP)，硼酸钡光学晶体(BBO)等已在各种类型的激光发生器中使用。在JP08201862A2，US6047011等文中有这类系统的实例。
尽管色散和非线性有一定程度的补偿，但仍不能完全忽略不计，因为它们改变了脉冲形状，而光纤链路中数据传输的标准不归零(NRZ)形式正是以脉冲形状为基础的。最理想的是，代表“1”比特数据的脉冲应为矩形。而事实上，非线性和色散将其变换成了平滑的信号，接近于高斯波形。载有数据的脉冲偏离了理想的矩形，相邻脉冲的延长的“尾部”就会相互叠加而产生问题。这种尾部的叠加导致在“1”比特间出现寄生最大值，于是对可获得的比特率又增加了一个限制因素，称为符号间干扰(ISI)。虽然上述色散补偿可以部分解决这个问题，但只有对高斯脉冲作强有力的再整形(即，周期性恢复所需的近矩形波形)才能完全解决ISI问题。
T.Zhang和M.Yonemura在他们的“用非线性光学晶体对超短激光脉冲作脉冲整形”(Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.38，1999，pp.6351-6358)一文中，描述了一种用时延光学晶体和II型KDP光学晶体对由基波携带的一系列两个双超短脉冲作脉冲整形的技术。为了实现脉冲整形，交互作用的脉冲必需首先满足以下条件：二次谐波的群速接近于此两个基波脉冲的平均群速。若此条件可以满足，那么正确地选择基波强度，强度平衡，延迟时间和晶体厚度，就有可能实现脉冲整形。
上述参考文件均未对具有不同长度和光纤值的光纤链路中的脉冲整形和非线性补偿提出切实可行的方法/装置。
此外，还有一种已知的监控光脉冲传输的技术，即将脉冲信号分割，并从分割出的较小的信号部分中获取传输参数的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供在电信光纤链路中进行脉冲整型，处理非线性和/或监控的方法，装置和系统。
根据本发明的第一方面，提供一种处理光脉冲信号的方法以实现上述目的，处理至少包括脉冲整形，非线性处理和信号监控中的一项，此方法包括以下各步骤：
提供能相对特定基波(FH)产生级联的二次谐波(SHG)的信号处理装置，
在所述信号处理装置中选择适合于对由特定基波(FH)定义的波长携带的输入光脉冲信号进行所述处理中的至少一项的光程长度，
在所述信号处理装置中沿所选光程传送由所述波长携带的输入光脉冲信号，
从所述信号处理装置中获取至少一种以下输出光脉冲信号：
---经非线性处理和/或脉冲整形的基波(FH)输出光脉冲信号，
---二次谐波(SHG)输出光脉冲信号，供进一步监控它并判断所述输入光脉冲信号。
进行非线性处理的一种可取方法包括：这样选择经由信号处理装置传送已知振幅的输入光脉冲信号的光程长度，使得其实际上接近于基波(FH)输出光脉冲信号通过该长度后可达最大峰值功率的长度。
确保进行脉冲整形处理的可取方法包括：这样选择经由信号处理装置传送已知振幅的输入光脉冲信号的光程长度，使得其实际上接近于基波(FH)输出光脉冲信号通过该长度后可达最大峰值功率的最短光程长度。
另外，进行所述监控处理的方法包括：这样选择经由信号处理装置传送输入光脉冲信号的光程长度，使之能从所述装置获取具有非零峰值功率的二次谐波输出光脉冲信号，以监控由基波携带的输入光脉冲信号。
光程长度的选择原则将在发明的详细描述中加以说明。
为获得所需的光程长度的方法最好包括：在所述装置中沿多段轨迹传送信号，由此设置延长的光程。
获得所选光程长度的一种可能方法是通过在信号处理装置中安排一次或多次内部反射而使输入光脉冲信号经由多段“Z”形轨迹传输。
在此方法中，信号处理装置基于从以下非完备的清单中选择的元件：产生二次谐波(SHG)的光学晶体和产生二次谐波(SHG)的聚合物光纤，已知此二者均为产生非线性或非线性相移的元件。
根据所述方法的最佳形式，所述方法还包括：确保由所述元件产生的Kerr效应的符号对于由基波定义的波长而言为负的。这样，此方法就可以对输入光脉冲信号中由于光纤通常的正Kerr效应而积聚的正非线性进行补偿而实现非线性处理。
应强调指出，和非线性补偿不同，脉冲整形和监控可利用产生任何符号的非线性的装置来实现。同样，必要时，作为非线性处理的特例，正非线性调节也可利用引发正Kerr效应的装置来进行。
此方法对于可能还要同时作信号监控的光纤链路作逐渐非线性补偿和/或逐渐脉冲整形最为有效，此时该方法还包括以下附加步骤：经由包括至少一个附加的信号处理装置的线路传送输出光脉冲信号，线路中的各装置由多段光纤链路跨接。换句话说，如果把多于一个的所述处理装置插入链路中且相互间隔开，那么，就非线性补偿、脉冲整形和/或信号监控等方面而言，它们中的每一个都对光信号处理起了作用。
通过选择装置的种类、所述一个或多个装置中光程的总长度以及一段或多段光纤链路的长度，就可对信号处理的所得结果加以调节。
所建议的方法也适用于多信道传输光数据的情况，此时每一光信道传输某一特定波长的光信号。通常，SHG装置能在由相互接近的波长定义的各基波的有限频谱范围内产生二次谐波。因此，该方法可应用于WDM(波分多路复用)传输方式，此方式下光信道的波长各自稍有不同。
通过对每一特定光信道执行此基本方法的各种处理，所建议的方法便可用于多信道传输系统。
根据一种方案是，不同光信道的光脉冲信号加在各自不同的所述信号处理装置上并经其传送。
在所述方法的另一方案中，所述方法包括将不同信道的光脉冲信号经由同一个共用信号处理装置传送。
在另一种更有希望的方案中，将不同光信道的光脉冲信号加在同一个共用信号处理装置的各不同层上，并经由同一个共用信号装置的各不同层来传送。
后两种方案适合于不同光信道的波长相互接近的传输方式，条件是此共用信号处理装置能响应每一光信道的波长执行其SHG级联功能。
若在多信道传输中不同光信道的脉冲处理结果不均一(常是这种情况)，那么具有较好结果的光信道(例如，较好的非线性补偿/更有效的脉冲整形)可用来传输具有较高优先权的信息。
根据本发明的第二方面，提供一种装置来处理光脉冲信号，它至少能完成脉冲整形，非线性处理和信号监控中的一项处理，
此装置能对某一特定基波(FH)实现级联二次谐波产生(SHG)，
此装置的特点是，这样选择由某一特定基波(FH)定义的波长携带的输入光脉冲信号的光程长度，使得当输入光脉冲信号沿所选光程传输后，此装置能获得至少以下一种输出光脉冲信号：
---进行非线性处理和/或脉冲整形的基波(FH)输出光脉冲信号，
---适合于进一步监控和判断所述输入光脉冲信号的二次谐波(SH)的输出光脉冲信号。
所述信号处理装置包括二次谐波产生(SHG)元件，最好是从包括KTP，KDP和BBO的非完备清单中选择的SHG光学晶体。
需要指出，是本发明人首先提出设计一种当加有某一波长时至少能完成脉冲整形、非线性处理和信号监控中的一项的光脉冲信号处理装置，其中所述装置包括：
SHG元件，用于执行关于由所述特定波长定义的基波(FH)的级联二次谐波产生，
该元件至少应在其相对的两个面上复以镜面，且在该相对的面上留有至少两个窗口，分别用于输入光束和输出光束，并且，所述配置使得当光束在该二个窗口之间通过时有一次或多次反射，从而提供延长的光程。
该延长的光程的长度最好是能获得接近最大峰值功率的基波(FH)输出光脉冲信号和/或具有非零峰值功率的二次谐波(SH)输出光脉冲信号。
根据一个实施例，该元件(最好是SHG晶体)为立方形，并且在相对的两个面上复以镜面(用于内部反射)，在该相对的面上留有至少两个窗口，分别用于输入光束和输出光束，这些窗口设置成使光束通过晶体获得延长的光程。
在该装置的最佳实施例中，所述装置适合于改变多段轨迹的总长度，从而能对非线性补偿、脉冲整形和/或信号监控的可能性进行调节。为此，该装置可具有不止两个光端口用于输入光束和输出光束，这样就能为某一具体轨迹长度选择和激活任一对光端口。可供选择或者以附加的方式，该装置也可配备有与所述光端口关联的准直器，用来调节光束的入射角。
该装置可用于多信道传输方式中的信号处理，此时每一光信道传输某一特定波长的光信号，该装置可实现关于此传输方式下多于一个信道的波长的二次谐波产生。
根据一个特定的实施例，对多个复合光信道波长都具有SHG特性的脉冲处理装置可分成许多层，用于分别传输经过它们的不同光信道的光信号。该装置最好适合于所有复合(multiple)光信道。
该实施例适用于WDM(波分多路复用)传输方式，此方式下不同光信道的波长相互接近(且假定此共用脉冲处理装置能至少相对于各个光信道的若干波长实行其SHG特性)。
所述各层可以是几何分割，也可是物理分割，例如利用用于防止相邻光信道的波长通过某同一层的光栅。实际上，这种物理分割装置提供波长滤波。
该装置最好与光放大器结合一起，并且最好设置在紧随放大器之后。所述放大器通常用来调节加在所述装置上的脉冲幅度。在实际应用中，该建议的装置可以构成光网络节点的一部分。
根据本发明的另一方面，还提供该信号处理装置的设计方法，在发明详述中将结合附图进行说明。
最后，本发明还提出一种从脉冲整形、非线性处理和/或信号监控方面考虑的、对经过光纤链路的信号作处理的系统，该系统包括两个或更多的上述定义的装置，后者被插入一条或多条光纤链路中，用于至少对经过一个光信道的光脉冲信号进行脉冲整形、非线性处理和/或监控。
系统运行的调节可由以下方法实现：
1)重新配置信号处理装置(选择输入-输出端口，调整准直仪，等)；
2)引入附加的装置，或去除多余的装置；
3)改变装置与链路中其他元件之间的距离。
本发明的其它方面和细节从以下描述中可一目了然。
附图说明
下面将参考非限制性的附图进一步说明本发明，附图中：
图1a(先有技术)：能从所加光信号的基波产生二次谐波的非线性(SHG)元件示意图。
图1b(先有技术)：基波和二次谐波信号的输出功率与在SHG元件中传播长度的关系示意图。
图2a示意地说明SHG装置的脉冲整形功能的效果。
图2b示意地说明SHG装置的脉冲整形功能的反效果。
图3示出用数学模拟得出的若干曲线图，表明SHG晶体中最短光程与其失配系数q间的关系。
图4示出用数学模拟得出的曲线图，表明SHG元件在不同q值时的脉冲整形能力。
图5示意地示出用数学方法得到的、SHG元件分别在正、负Kerr系数情况下引起的非线性的曲线图。
图6a和6b示意地说明利用SHG元件产生的二次谐波监控输入光信号的建议的原理。
图7示意地说明本发明的信号处理装置的一个实施例。
图8示意地说明信号处理装置另一个实施例。
图9a，9b示出适用于多信道传输系统的信号处理装置又一个实施例。
图10是在光纤通信链路中作非线性补偿、监控和/或脉冲整形等光信号处理的方法和系统的示意图。
图11示意地说明本发明的系统的另一个实施例，用于多信道传输方式。
具体实施方式
在本申请中，描述了由发明人提出的利用新颖的称之为信号处理装置的三种技术。
一方面，发明人提出了一种调节非线性的方法，通常并且最好是用于对光纤通信链路中规则的正非线性进行补偿，其方法是在所述链路中引入一个或多个能对所经过的光信号产生人为负非线性的所谓脉冲处理装置。
所述通信链路是一种用来利用相应的一种或多种波长传输一种或多种光信号的光纤链路。
上述脉冲处理装置实例可以是以下非完备的清单中的装置之一：非线性光学晶体，极化聚合物光纤，也可是半导体波导。最好是周期性地进行非线性调整，此时可将各处理装置互相间隔一段距离插入，所述距离由光纤跨接。不过，调整也可以是非周期性的，即将处理装置设置在链路的某一特定点，数(n)个非线性晶体试样紧靠一起，这样就可得到n倍的调整(补偿)效果。
非线性光学晶体(例如，目前可利用的KTP，KDP，BBO等)能接收基波光束并从中产生二次谐波光束。为了叙述简明，在本说明书中这些晶体将被称为二次谐波产生晶体，或SHG晶体。
众所周知，聚合物光纤若具有均匀的极化就会获得类似于上述晶体的特性，即，在传导基波光束时产生二次谐波的能力。
在非线性晶体和聚合物光纤中，SHG(二次谐波产生)特性均能导致所述装置产生负符号的有效非线性。
半导体波导在特定条件下(当光信号的载频接近于半导体材料的半波段时)也能产生负的非线性，虽然此效应基于不同的物理原理。
专家们都知道，二次非线性介质中的二次谐波产生可用一组两个微分方程来表述：
i dU dz + U * V = 0 2 i dV dz + 1 2 U 2 - q * V = 0 - - - ( 2 )
式中：U(z)为光信号基(一次)波的复数振幅，
      V(z)为在晶体中产生的光信号二次谐波的复数振幅，
      Z为光信号的传播距离，
      q为所谓失配系数，或相速度失配参数，取决于光信号波长，
      i是(-1)的平方根，
      *-是复共轭的符号。
已知基波光束在晶体中的非线性相移Δφ与以下乘积成正比：
Δφ≈Keff|U|2                  (3)
式中Keff为晶体中达到的有效Kerr系数，FH域取Z＝0(输入域)。
另外，已知通过二次谐波光学晶体的所谓级联机理可以产生有效Kerr系数(Keff)的极大值[见G.I.Stegemen，D.J.Hagan，和L.Torner在Optical and Quantum Electrnics.，vol.28，p.1691-1740(1996)的评论文章，以及C.Etrich，F.ledere，B.A.Malomed，Thomas Peschel在Progress in optics，vol.41((E.Wolf，Editor；＿2000 Elsevier ScienceB.V.))发表的更新的评论“二次非线性介质中的光弧立子”]。简言之根据“级联二次谐波产生”，就不难理解当以基波发射输入信号时，SHG元件中至少要进行一个完整的能量转换周期“基波—二次谐波—基波”(FH-SH-FH)。
也就是说，大家已注意到非线性(SHG)晶体中的Kerr值远大于晶体的固有Kerr系数，
|Keff|～+104*K，                        (4)
式中Keff为晶体本征Kerr系数。
最重要的事实是由级联机理导致的巨大Kerr系数Keff可具有或正或负的符号。由方程组(2)可知，用相速度失配参数q就可很容易对其加以控制。而此相速度失配参数又可利用基于光学晶体的周期极化的所谓准相位匹配技术来加以有效控制，例如见O.Bang，C.B.Clausen，P.I.Christiansen和L.Torner在Optics Letter，October 15，1999，Vol.24，No.20发表的“Engineering competing nonlinearities”(工程对抗非线性)一文。因此，可使级联导致的有效Kerr系数Keff为负以产生负的形式Kerr效应，这是补偿长光纤跨距积聚的普通正Kerr效应所必需的。
上述估计，即由级联导致的有效Kerr系数Keff可能超过本征Kerr系数K高达四个数量级，意味着对于50公里的长光纤线路，二次谐波发生晶体的所需补偿光程大约为5米。目前用SHG介质直接实现这一条件看来不现实，因为目前可用的样品大小(立方体)只有5cm(不过，如果所建议的非线性补偿技术被业界接受，过些时候在实践中可能会出现其它样品)。
考虑到目前可利用的立方形晶体的实际大小，一种可行的解决方案就是用镜面复盖立方样品的两个相对表面。利用光束从镜面的反射，就可使光束在晶体中作多次传输。根据以上估算，使相邻轨迹间隔约0.5mm，实际的通过次数可达100，这是很容易作到的。
为使此装置最有效和最经济，此装置应与放大器结合一起，在光纤通信线路周期性地设置该放大器。最好把二次谐波发生晶体装置设置成紧随放大器之后，以便该装置利用可能的最大输入功率提供最大的补偿作用。
如果把光信号在自由传播光纤线路中的逐渐衰减考虑在内，一项简单的计算表明，如果把该装置紧随放大器后设置，则非线性补偿光程的所需长度可再进一步减少，减少系数约为2.5。此结果最终意味着，在5cm×5cm大小的复有镜面的二次谐波发生晶体中来往穿梭的光束的入射角应为大约1.5度，这是相当容易作到的。
对于多信道传输，例如在WDM系统中，一个非线性晶体可用来作多个WDM信道的非线性调整/补偿。波长不同的许多光信道可在非线性补偿装置中在不同层沿不同轨迹传播。一般来说，对于不同的波长失配系数q亦不同(即q受色散影响)，这种情况，原则上，使通过SHG晶体的携带有不同信道在空间上相互隔开的光束具有略微不同的入射角，就可进行补偿。在任何情况下，如果事先已知某些信道的非线性不能得到完全补偿，可用它们来传输较为不重要的信息。
发明人已注意到，所建议的装置既可有效进行非线性的调整/补偿，又可成功进行脉冲整形。换句话说，使光脉冲信号通过上述SHG装置(一种小光学晶体，或原则上，一段极化的聚合物光纤)就可实现脉冲整形。已假定光信号的载频与介入到SHG模块内参量能量转换的基波频率恰好一致。模块的参数(首先是光束在模块内的传播光程)很容易选择，使得既定输入信号的峰值功率精确地或近似地对应于完整的转换级联：FH＞SH＞FH，这样，其中心附近的信号部分将从模块通过，只有很小一部分功率损失分摊到产生剩余部分的二次谐波(SH)。但是，对于同一信号的对应于较小的局部功率值的不同部分，在模块中的实际传播长度与完全级联情况下的传播长度大不相同，故而，相当一部分能量会被这些部分丢失(因为SH波不能在光通信纤维中传播)。这一简单的机理就可有效的切掉平滑脉冲的尾翼，使其形状基本接近于矩形。
当然，建议的整形机理导致额外的能量损失，这可通过增加装在链路中的光放大器的增益来补偿。由此，较好的链路设置是把脉冲处理装置放在紧随放大器之后，从而有可能减小信号在装置中的传播长度，这是完成非线性(与功率有关)转换级联所必须的。
但是，估算表明，即使在这种配置下，在某一功率幅度时脉冲整形所需的FH传播长度，(用现有SHG晶体能达到的)，远大于晶体的可能最大尺寸。上述对非线性补偿的解决方案同样也可解决此问题：让信号通过晶体多次。换言之，对于非线性补偿和脉冲整形，发明人均建议作如下配置：将SHG元件(实际上，就是晶体)的正面和背面复以反射镜面，留两个狭窄窗口用作输入信号的入口和输出信号的出口。
实际上，上述装置是一个很容易插入光链路某一适当点的单元。例如，它可以集成到网络节点中，网络节点一般都包含有放大器和补偿其它不需要的效应的装置(例如，滤光器)。
以下提到的附图示出了本发明的最佳实施例，根据该最佳实施例，所述脉冲处理装置基于SHG光学晶体。
M.Gutin，U.Mahlab，B.A.Malomed的理论文章“用二次谐波模块整形NRZ脉冲并且抑制符号间干扰”(Shaping NRZ pulses andsuppression of the inter-symbol interference by a second harmonicgenerating module)，Optics Communications 200(2001)401-414，15December2001，进一步描述了技术细节，此处附上供参考。
另外，发明人建议用包括SHG元件的信号处理装置来监控加在该装置上的基波(FH)信号，方法是监控和进一步处理二次谐波(SH)输出信号。通过在信号处理装置中选择内部光程，就可获得适当的SH信号用以监控和判断输入信号，包括确定其多个参数。若由同一装置进行，则最好将监控与非线性处理/补偿结合进行。
在图1a中，10是光学非线性晶体，12是基波携带的输入光信号U(FH)，14是晶体的光轴”z”。晶体产生输出基波U’信号(16)和输出二次谐波信号V(18)。基波(FH)U’和二次谐波(SH)V的输出功率与信号在晶体中传播长度的关系见图1b。
为获得脉冲整形和非线性处理的效果，本发明把重点放在从晶体获得FH信号U’上，其特点是级联导致的有效Kerr系数的特定的符号。在正或负有效Kerr系数情况下晶体产生的非线性的特性示于图5。
上述效果基于输出FH信号U’，而监控效果则使用输出SH信号(见图s 6a，b，c)。为在级联过程完成时获得输出FH信号，晶体中所需的光程(沿轴z)长度“z”可利用方程组(2)预测。以下的结果是已知的且在图1b示出：FH输出依晶体中光程的长度而周期性地增加和减小(见FH输出的最大值Z’和Z”点)。因此，为获得脉冲整形和非线性处理的效果，晶体应当提供这样的光程长度：它确保FH的最大功率输出。其它条件将结合图2a和2b加以说明。
为设计适于非线性补偿的装置，在晶体中产生的Kerr效应的符号应为负。设计主要用于脉冲整形和监控的装置时，引发的Kerr效应的符号并不重要，虽然在网络计算中仍应考虑在内。需强调指出，对于上述任一目的均可设计和使用具有负符号Kerr效应的单个非线性晶体。
图2a和2b示出脉冲整形机理对SHG元件中基波的光程(传播长度)的依赖关系。
本发明人已发现并示明，如果将振幅为Pmax、具有高斯波形的光脉冲信号加在SHG装置上作为其基波，在该装置中就可找到一条最短的光程，它对应于FH输出功率信号的第一个最大值，经过此光程后脉冲离开SHG装置，其峰值功率没有损失，而脉冲的斜度部分传输中却有损失。获得的再整形脉冲接近矩形脉冲，见图2a的17。
当光程偏离最短通路Z’而接近于通路Z”、即对应于FH输出功率信号的第二最大值时，所得脉冲的形状就会失真，最终得到的波形如图2b的实线所示。如果光程继续增长，达到第三个最大值，那么，输出脉冲波形则会如橡树叶形(波纹线所示)。所以，为从所建议的信号处理装置获得脉冲整形效果，最好使用最短的光程。FH输出能量的其他最大值以及与之相关的光程可用于非线性补偿，但由于输出波形严重变形，对脉冲整形的要求来说看来不太实用。
图3，4，5示出表示各种SHG元件特性的用数学方法得到的曲线图，这些曲线图可用来设计本发明提出的信号处理装置。在本文的实例中，我们将叙述适合于作脉冲整形和非线性处理的装置设计。
为实际确定在作脉冲整形的具体脉冲处理装置中的“最短光程”或最短传播长度，可进行以下步骤。
由于每种SHG元件均以两个固有参数为其特征---非线性系数γ和失配系数q(此二系数原则上都取决于载波波长)，所以，可以画出关于具体元件和特定FH波长的FH-SH-FH级联产生曲线图(图3示出多条不同失配系数q值的曲线)。每一条特定曲线是对应于标称化无量纲的脉冲功率值和标称化而且也无量纲的传播距离画出的，实际上示出了FH通过元件的传播如何随传播长度而变化的关系。
本发明人建议的以下方程就实际传播长度定义了在装置中的标称传播长度，并构成了所谓最佳脉冲整形条件：
Z ′ = ( γ P max ) Zreal - - - ( 5 )
式中
Z’是光程在某一SHG元件中的标称长度，位于所传输的FH功率的第一个最大值处；
γ是某一SHG元件的已知非线性系数；
Pmax是加在SHG元件上的FH脉冲的峰值功率；
Zreal是为满足完全传输脉冲峰值功率的条件，输入光束在SHG元件中必须通过的实际光程。
利用上述为某一SHG元件所作的曲线图，就可找出FH第一最大值发生在哪一条光程Z’的位置。
所得无量纲Z’值用来求方程的数值解，得：
Z ′ / γ = P max * Zreal - - - ( 6 )
换句话说，已知已选定SH元件的Z’和γ，利用上述公式，就可在加到SHG元件上的实际光脉冲的振幅功率和此实际功率在元件中必须经过的实际光程间选择一适当的比率。用此适当的比率就可获得供脉冲整形和/或非线性调整的输出脉冲。
此装置可设计成用来作处理单一处理过程(比如，脉冲整形)，或在作脉冲整形的同时也作非线性处理。
发明人还进一步说明，脉冲整形的效率依赖于SHG晶体的失配系数q的值，即：失配系数q越小，脉冲整形效果越明显(图4)。因此，在设计主要用于脉冲整形的脉冲处理装置时，应选择q值小的SHG元件。
为了实际估算由某一SHG元件引入的正或负非线性相移的程度，可结合以上传输曲线作另一曲线图。实际上，对于某一SHG元件的同样的γ值和q值，以及同样的FH波长，我们可绘出相移相对于标称传播长度的曲线图(图5)。相移曲线22或24上对应于传输曲线20的第一最大值(Z’)的点即表示该信号处理装置可能引入光纤链路的非线性程度。记住：非线性的符号可以为正也可为负，如图5所示，(曲线22和24分别对应于所得的正或负的Kerr效应)，此装置可用作调整光链路的总非线性。
基于上述，并根据本发明的另一方面，我们提供了一种设计信号处理装置的方法，用于处理以下清单中的至少一种效应，所述清单包括加在装置上的某一特定波长光脉冲的的非线性和/或脉冲失真。此方法包括：
选择用于所述装置的二次谐波产生(SHG)元件，后者对由特定波长定义的并且以其物理参数为特征的基波(FH)敏感；
通过适当的计算，选择加在脉冲处理装置上的既定波长的脉冲的振幅和在装置中必须经过的光程之间的至少一种比率，以确保FH输出脉冲的最大峰值功率，
选择限定所选光程的输入和输出端口，
最后一步最好包括设计具有镜面的元件，以便在输入和输出端口之间形成由镜面的一次或多次内反射产生所需的多段轨迹。
之所以需要具有延长(多段)的光程，是因为能确保有FH脉冲的最大峰值功率从该装置输出的光程(长度)通常超出了装置中SHG元件的实际可用尺寸。
在设计/生产所述装置以对感兴趣的特定波长的光信号作非线性补偿时，所述方法必须保证由所得到的元件产生的关于感兴趣的特定波长的有效Kerr非线性的符号为负。
在制造所述装置时，在晶体中引发的有效Kerr系数可通过对所述SHG光学晶体的周期性极化(poling)来加以控制。
该装置也可设计成具有多个任选的输入/输出端口和光准直器，以便在现场调节装置使之适应于变化的条件和要求(如监控特性)。
图6a示出如何利用含有SHG元件的信号处理装置10、通过监控波长为1/2λ1的输出二次谐波信号V(18)来监控波长为λ1的输入基波信号U(12)，以及监控处理结果。监控滤波器26用来从非线性元件中输出一小部分(比如，5％或更多)SHG信号；二次谐波信号处理器(SHSP)则进行所需的处理，使所得信号能与其基波(FH)光信号的性能相参照，并确定FH信号的参数、如比特率，BER(误码率)，FH信号功率，FH频谱等。处理器28可根据监控结果产生各种信息和/或控制命令。就SHG元件而言，监控滤波器的位置可能与FH输出的位置并不一致，即：为监控而选择的内光程可能与选择来传输通过SHG元件的主要基波信号的光程不同。监控器的这种任选位置在图中以示意框27来表示。
图6b示出如何选择输出SH信号18的输出功率相位，以获得适用于监控的二次谐波输出的非零功率。如上所述，SH输出信号的功率信号的相位取决于输入光束在装置中的内光程长度。因此，为能对SH进行监控操作，虽要保证初始脉冲信号能通过装置传送和关于FH的输出，但内光程最好选择得不会产生基波(FH)的输出功率峰值，例如图中所示的m1，m2，m3各点对应之处。一般来说，二次谐波(SH)信号可从不是获取基波信号的端口提取。在任何情况下都应考虑到，从SHG元件提取的SH信号的功率将会减小所得FH信号的功率幅度。因此，可在图中对应于m4点的元件的输出端口处探测用于监控的SH信号，但需借助于仅允许提取部分信号的监控滤波器。
如果是单一装置，监控功能可单独进行，或者最好与非线性处理功能结合进行。如果还有必要，可通过设计一个单独的信号处理装置来获得较好的脉冲整形功能，当然采用其它组合亦可以。
图7示出信号处理装置一个实施例30的截面图，该装置包括光学晶体，后者适合于形成光束的多通路(多段)轨迹、并适用于调整非线性、脉冲整形和/或监控光信号。光学晶体30是立方形的KTP或BBO非线性晶体，在其相对两个表面上复有内反射面32。已知有各种方法制造这种反射面。图7中，晶体在反射面备有输入开口34，输入光脉冲信号通过此开口进入晶体，此输入光脉冲信号在前述数学模型中所采用的符号方面对应于基波载波U。晶体已作预先控制(图中箭头38所示)，以调节其产生的有效Kerr系数的符号及数值。假定已确保其为负Kerr系数。在晶体中，由于反射面的作用，光束不得不沿多通路轨迹35传输以延长光程，最后以改变了的信号U’经输出窗口36输出。在信号U’中，早先积聚的正Kerr效应由晶体产生的负Kerr效应所补偿。如前所述，所述轨迹可作得足够长以提供补偿积聚的正Kerr效应所需的有效Kerr系数值。积聚的补偿相移几乎与经过晶体的总光程长度成正比。如果除了非线性补偿外还要获得脉冲整形的效果，此长度应大致对应于基波的第一传播最大值。而轨迹长度又可由光束的入射角来调节。
可用方程组(2)来计算非线性补偿所需的延长的光程，且应考虑反射的边界条件，以便将光束从镜面的反射点的相移考虑在内。另外，如需同时作脉冲整形和非线性处理，最小传输长度和FH输入振幅的功率间的关系也需加以考虑。
应指出，为了提供监控功能，所选轨迹长度不得对应于基波的最大值(即，二次谐波的最小值)。
晶体30可设置在一容器中，窗口34和36可装有准直透镜用以聚焦和调节光束。
图8示出所建议的装置的另一修改方案40，其中，非线性光晶体(图中示出其截面)全部复有反射面42。镜面上的窗口44和46都配有可调的准直透镜(图中示为小方框)与光纤43和45相连接。由于多了晶体底面的反射面，与图7所示光程相比，光束48在晶体中的光程可长两倍(如果晶体相同)。另外，在晶体表面还可再作一个或多个任选窗口49。这样，选择某一入射角和光束需在其间通过的某一对窗口，就可调节轨迹长度。原则上，这样的装置也可用作可变信号处理模块。它可调节以适应变化的条件和要求，用来进行脉冲整形，非线性处理和信号监控中的任意一项。
图7和8也能成功地说明用于多信道光传输的信号处理装置。在这种情况下(例如，在WDM传输系统中)从光纤来的输入光束含有多种基波，波长分别为λ1，λ2，---λn(n光信道)。基波的入射角相同，故在晶体中沿几乎共用的轨迹传播。应考虑到在晶体中产生的Kerr系数值取决于波长，由晶体提供的所需信号处理操作的结果对于不同的信道也各不相同。
图9a和9b，表示两个相互垂直的截面，示出信号处理装置的另一实施例50，具体地说，设计用在多信道传输系统中，如WDM传输系统的信号处理装置。与其相关的多路复用和多路分解单元标为52和54。实施例50包括SHG晶体，他被几何地分成多层56(最好平行)，每一层作为一单独的SHG元件在某一光信道中作非线性调整、脉冲整形和/或监控。晶体50中的各层56和多信道传输的信道58一一对应。
在此实施例中，晶体的两个相对面上也复有镜面60，以使每一输入光束作内反射。每一层的镜面60上都有一对窗口62和64，供每一光信道的输入光束和输出光束进出。由于每一光束在其自己的空间隙缝中传播，所以它不会影响邻近层中的过程。估算表明，每一层的厚度不必大于1mm。
但是，每一信道可能含有不同于基波的寄生波长。而且，这种无关的波长可能在通过多路分解信道进入SHG晶体50的阶段进入各层。为克服这一点，图9a和9b所示实施例可包括由任何绝缘界面(图中未示出)、例如用基于光栅的界面相互隔离的各SHG层56。
每一层，根据为某一信道的光束所选的内光程长度及附加设备(放大器，监控器，准直器等)，完成一种或多种信号处理功能。
图10示出的系统中，一个以上的本发明装置(图示66和68)周期性地插入光纤链路70中，用以补偿在长光纤跨距上积聚的普通正Kerr效应、对失真的脉冲进行整形并监控信号。非线性光学晶体可适用于此目的。已知在较小的SHG晶体中级联引发的有效Kerr系数(Keff)可以非常高，且已知如何调节晶体中有效Kerr系数(Keff)的符号，此问题便可解决。检查晶体Kerr系数(Keff)符号的过程应预先(制造时)进行。如果有效Kerr系数(Keff)的符号不适于此用途，可通过周期性的极化(poling)方法(准相位匹配技术)加以改变。最后，用此过程，也可调节有效Kerr系数的值。在确证有效Kerr系数为负后(箭头21表明了预先提供的此操作)，可进一步调节其值使之适应于需补偿其积聚的非线性的光纤跨距的既定长度。最好的一种可选方案是通过设置多路径内部传输而在装置内调节光束的有效光程，如图7或8所示。另一种可供选择的方案是在链路70中插入多个信号处理装置。
假设非线性光学晶体66还进行脉冲整形。其内部光程调至FH功率输出达其第一最大值的最小光程。若已知通信链路有效运行所需的峰值功率，则晶体中的相应的最小光程可与之匹配并维持。
光信号放大器72和74分别用于调节进入装置66和68的FH脉冲的峰值功率。
假设装置68除进行非线性补偿外，还利用一个通常称之为二次谐波监控处理器(SHMP)，图中方框75，来监控二次谐波信号。例如，方框75可分析晶体68输出的SH信号的幅度并据此调节放大器74的增益。另一种可供选择的方案或者以附加的方式，可以使方框75运行来分析到达装置66的脉冲的矩形程度是否足够，并作用于非线性元件66的放大器72以调节其脉冲整形功能。方框75的另一输出77用来将监控结果输送到管理单元(未示出)，供分析，管理，控制和维护之用(例如，根据BER测量来改变比特率)。
非线性晶体66和68可以物理方式构成网络节点76和78的一部分。最好把晶体设置在紧随节点的光学放大器72，74之后。
图11所示为利用不同类型的信号处理装置(即设计来实现一种或多种上述功能)的多信道传输系统80的一个示范的实施例。在本实施例中，此系统是一种OADM，包括多路复用和多路分解组件以处理WDM传输方式的多个信道。把作非线性处理的脉冲处理装置标为“A”，作脉冲整形的标为“B”，可监控二次谐波信号的标为“C”。波长分别为λ1，λ2，...λn的多个光信道在传输链路82上传输。“A”型信号处理装置84可插入链路82中，初步补偿因链路的光纤特性而在所有信道中积聚的非线性。光信号由DWUX单元86多路分解。各信道之一(λn)被分接(drop)，然后又插入(add)，但在分接给用户之前，在光信号中积聚的非线性由装置88作精密补偿。装置88是能监控信号的“A”“C”型的结合。如果此信道中数据信号的比特率较低，则不需信号整形。其它的信道既要处理非线性积聚，又要处理脉冲失真。例如，经由λ1信道传送的光信号先通过“A”型装置90，然后再通过“A”型装置92。λ2信道的光信号则由能对此二种效应均提供合理处理的组合型“A，B”装置来处理。不同信道被恢复的信号，和新加上的尚未失真的λn波长的信号96，一起由MUX单元98多路复用，传输至后续光链路100。
其它信道的光信号可用类似方法处理，或采用图9a和9b所示的信号处理装置的多层实施例50。
应强调指出，本发明的实施例不限于以上所述，在所述概念范围之内的其它实施例可能被提出，应视为本发明的一部分。

Claims (25)

1.一种用于通过确保脉冲整形、非线性处理和信号监控中至少一项操作来处理光脉冲信号的方法，所述方法包括以下步骤：
提供相对于特定基波FH产生级联的二次谐波SHG的信号处理装置，
在所述信号处理装置中选择适合于对由所述特定基波FH定义的波长携带的输入光脉冲信号进行至少一种所述操作的光程长度，其中
对于非线性处理的操作，选择光程长度，使得其接近于所述基波FH输出光脉冲信号通过所述光程长度后达到其最大峰值功率的长度，
对于脉冲整形的操作，选择光程长度，使得其接近于所述基波FH输出光脉冲信号通过所述光程长度后达到其最大峰值功率的最短光程长度，
对于监控操作，选择这样的光程长度，使得能从所述装置中获得非零峰值功率的所述二次谐波SH输出光脉冲信号，
沿所述信号处理装置中所选择的光程传输所述波长携带的所述输入光脉冲信号，
从所述信号处理装置获得以下清单中至少一种输出光脉冲信号：
-经非线性处理和/或脉冲整形的基波FH输出光脉冲信号，
-二次谐波SH输出光脉冲信号，用以作进一步信号监控并判断所述输入光脉冲信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过使所述信号在所述装置中沿着多段轨迹进行所述传送，从而获得延长的光程。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：通过在所述信号处理装置中安排一次或多次内部反射而经由多段“Z”形轨迹来进行所述传送。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：当进行非线性处理时，还包括预处理步骤，即确保在所述波长下由所述装置产生的Kerr效应的符号是负的，用作进一步的非线性补偿。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：用于对光纤链路中的光信号作逐渐处理，以执行脉冲整形、非线性处理和信号监控中至少一项操作，所述方法包括另一步骤，即经由至少包括另一个信号处理装置的链来传送所述输出光信号，在此链中所述各装置通过各光纤链路段跨接。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：用于在光数据的多信道传输中处理光脉冲信号，其中多个光信道具有不同的波长，并分别携带多个光信号，且其中每个所述光信道传输特定光波长的特定光信号，所述方法包括对每个特定的光信道执行权利要求1的各步骤，以执行脉冲整形、非线性处理和信号监控中至少一项操作。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于包括经由各个不同的所述信号处理装置传送不同的所述光信道的光脉冲信号。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于包括经由同一个共用的信号处理装置传送不同的所述光信道的光脉冲信号。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于包括选择具有较好的信号处理结果的光信道，用以传输具有较高优先权等级的信息。
10.一种用于在脉冲整形、非线性处理和信号监控三者中至少一个方面处理光脉冲信号的装置，
所述装置能执行关于特定基波FH的级联二次谐波产生SHG，
所述装置具有以下特征：这样选择由所述特定基波FH定义的波长所携带的输入光脉冲信号的光程长度，使得当沿着所选择的光程传送所述输入光脉冲信号时，所述装置能获得以下清单中至少一种输出光脉冲信号，所述清单包括：
-经非线性处理和/或脉冲整形的基波FH输出光脉冲信号，
-二次谐波SH输出光脉冲信号，用以作进一步信号监控并判断所述输入光脉冲信号，开且其中
对于非线性处理的操作，选择光程长度，使得其接近于所述基波FH输出光脉冲信号通过所述光程长度后达到其最大峰值功率的长度，
对于脉冲整形的操作，选择光程长度，使得其接近于所述基波FH输出光脉冲信号通过所述光程长度后达到其最大峰值功率的最短光程长度，
对于监控操作，选择这样的光程长度，使得能从所述装置中获得非零峰值功率的所述二次谐波SH输出光脉冲信号。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于包括从以下非完备的清单中选择的二次谐波产生SHG元件，所述清单包括：二次谐波产生SHG光学晶体和二次谐波产生SHG聚合物光纤。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述SHG元件是从以下非完备清单中选取的SHG光学晶体，所述清单包括：磷酸钛氧基钾KTP，磷酸二氢钾KDP和硼酸钡BBO光学晶体。
13.一种用于在脉冲整形、非线性处理和信号监控三者中至少一个方面处理所加的一特定波长的光脉冲信号的装置，
所述装置包括SHG元件，用于执行关于由所述特定波长定义的基波FH的级联二次谐波产生SHG，
所述元件至少在其相对的两个表面上覆有镜面，并且在所述相对的表面上至少留有分别用于输入光束和输出光束的两个窗口，所述配置是这样的，使得当光束在所述两窗口之间通过时作一次或多次内部反射，以提供延长的内部光程，其中
对于非线性处理的操作，选择延长的内部光程长度，使得其接近于所述基波FH输出光脉冲信号通过所述光程长度后达到其最大峰值功率的长度，
对于脉冲整形的操作，选择延长的内部光程长度，使得其接近于所述基波FH输出光脉冲信号通过所述光程长度后达到其最大峰值功率的最短光程长度，
对于监控操作，选择延长的内部光程长度，使得能从所述装置中获得非零峰值功率的所述二次谐波SH输出光脉冲信号。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于：所述元件为立方形，在该元件相对的两个表面上覆有镜面，在所述相对的表面上留有分别用于输入光束和输出光束的两个窗口，所述窗口安排成当所述光束通过所述元件时获得延长的光程。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于：所述装置配备有两个以上的所述窗口，从而能选择和激活任何一对所述窗口，以调节所述内光程的长度。
16.如权利要求13所述的装置，其特征在于：所述装置还配备有与所述窗口关联的准直器，用来调节所述光束的入射角。
17.如权利要求13所述的装置，其特征在于：所述装置适合于以多信道传输方式进行信号处理，其中，所述多信道以彼此不同的波长发送光信号，所述装置能执行关于所述多信道传输方式的一个以上信道的波长的二次谐波产生SHG。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于：能执行关于多个所述多信道的波长的二次谐波产生SHG的脉冲处理装置分成若干层，用于分别传送从其中通过的所述多个所述多信道的光信号。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于：所述装置的各层在空间上相互分隔开。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于：所述装置的各层借助波长滤波装置相互分隔开。
21.如权利要求13所述的装置，其特征在于：所述装置与一个光放大器结合在一起并且设置在紧随所述放大器之后。
22.一种用于在脉冲整形、非线性处理和/或信号监控方面处理通过光纤链路传送的光脉冲信号的系统，所述系统包括两个或两个以上如权利要求10或13所述的信号处理装置，它们插在一条或多条光纤链路中，用于执行关于至少一种光脉冲信号的脉冲整形、非线性处理和/或信号监控。
23.一种设计光信号处理装置的方法，所述装置对以特定波长加于所述装置的光脉冲信号执行脉冲整形、非线性处理和信号监控三者中至少一项的处理，所述方法包括：
选择对由特定波长定义的基波FH敏感的用于所述装置的二次谐波产生SHG元件；
经适当的计算，选择准备加在所述装置上的所述波长脉冲的振幅与准备在所述装置中通过的光程之间的至少一种关系，以确保FH输出脉冲信号的最大输出峰值功率、用于最短光程的FH输出脉冲信号的最大输出峰值功率、以及SH输出脉冲信号的非零峰值输出功率三者中至少之一；
安排至少一个输入端口和至少一个输出端口，用于限定所选择关系的至少一段光程。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于包括设计有镜面的元件，以便在所述输入和输出端口之间形成由所述元件的内部反射产生的至少一条多段轨迹。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于包括为有效的脉冲整形选择具有小的失配参数值的所述SHG元件。
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