CN1774881A - 在光码分多址中使用的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于自动生成在光码分多址系统中使用的键和共轭键的方法和设备(100A)。该方法包括：对泵浦输入光进行下转换处理，从而产生相互复共轭的经下转换的宽带信号光场和闲置光场(L_s、L_i)。由此所述信号光场和闲置光场用作键及其共轭。依据本发明还提供了在光码分多址系统中编码/解码信号光中使用的方法。

Description

在光码分多址中使用的系统和方法

技术领域

本发明总体上属于光学通信领域，并涉及码分多址(CDMA)的光学方法和系统，以及适于在CDMA中使用的经宽带下转换的光的光源。

参考文献列表

以下的参考文献被认为有助于理解本发明的背景。

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背景技术

码分多址(CDMA)是对通信信道进行复用的已知方案，其基于直接序列扩频方法[1]。CDMA通常被结合到电子通信网络中，特别是蜂窝通信中，并且其被认为优于其他的传统复用方案，例如时分复用(TDMA)和频分复用(FDMA)。在时分复用中，一个信道在一短时间片上可以使用整个带宽。在频分复用中，在所有时间中，一个信道仅能使用一部分带宽。

在CDMA中，所有的信道在所有的时间中都可使用整个带宽。各信道具有对其进行识别的唯一的键(key)，从而信息接收者可以对信道进行区分。这种键是伪噪声序列，其带宽比输入数据的大很多。在电子通信中，键序列是发射机和接收机两者都预先知道的。

图1A-1C示意性地示出了CDMA工作原理。图1A示出了CDMA发射机方案：发射机使输入数据信号与键序列相乘，因而扩展了输入数据信号的谱，并使其完全表现为噪声。图1B示出了CDMA接收机方案：从“噪声”中提取数据，将所接收的输出与共轭键序列(如果键序列是实数，则为键本身)相乘。图1C示出了CDMA谱特性。可清楚地看到，如果接收机键不是正确的那个，或者如果没有与发射机很好地同步，则与共轭键序列的相乘无法展现该数据，并且仅能产生类似宽带噪声的结果。

因而，通过对各信道使用不同的键，可以在同一带宽上复用许多信道。所有其他信道对于给定信道的影响在该接收机处仅反映为噪声级。因此，要使用具有良好自相关和互相关性质的键来使噪声级最小化。理想地，该键将模仿限带白噪声的相关性性质，并且尽可能的长。

与常规方法相比，CDMA具有以下的几个优点。第一，CDMA可以很好地适应同时操作的信道的数目的动态改变。具体地，当一个信道不活动时，其他的信道会获得噪声级下降的好处。因而，在CDMA中，在给定时间内不进行发送的已分配信道会自动“释放其空间”给在该时刻需要带宽的其他信道。第二，CDMA对任何信道的比特率和服务质量(信噪比)的动态改变具有天生的灵活性，并且不会影响所有信道所传送的数据总量。这是由于在CDMA中，每个信道所分配的资源是功率(这与其他方法中分配的是时间和带宽不同)。因此，如果信道被允许传送更多的功率，其可以提高服务质量或增加该信道的比特率。因而，可以在信道间动态地分配共享的资源(功率)，并且在给定的功率下，任何信道都可以用比特率来换取服务质量，或者反之。第三，在CDMA中，所有的信道都是同等的，因而服务质量是平均信道的服务质量，而在其他的方法中，服务质量由较差的信道决定。

在光通信中，可用的光学带宽比当前电调制器所能支持的大得多。因此，为有效地利用可用带宽，需要光学复用几个电信道。因此为此目的，CDMA方法是最引人注目的，并且已经进行了将光CDMA并入光通信网络中的各种尝试[14-20]。在以下的专利公报中公开了光CDMA方案的各种技术方案：US 4,866,699、US 5,177,768、US 5,867,290、US 6,236,483、US 2002/0163696；WO 00/29887；US 5,784,506；US 6,025,944。

获得光CDMA的主要问题是伪噪声键的生成。由于该键在带宽上比数据宽很多，并且由于光通信中的数据带宽已经接近于电调制器所能支持的极限，所以无法电学地生成该键，因而需要光学地生成该键。解决该问题的各种尝试可以分为两类：相干法和不相干法。相干法[14-16]从宽带相干光源(也就是发射转换极限脉冲的模式锁定激光器)开始，在该处，已知所有频率的相位都为O。随后通过某种脉冲整形设备(其将脉冲变形以模拟伪噪声脉冲串)以唯一的方式主动将各不同频率的相位整形，来产生各信道的键。在接收机系统中，整形器执行反整形以再现最初的转换极限脉冲，然后对该脉冲进行检测。这种方法受对于光纤中的分散和非线性效应的灵敏度的影响，尤其重要的是，还受以下事实的影响：由于主动脉冲整形带来的局限性(例如信道的总数受脉冲整形器的像素数的限制，每个信道的最低有效位速率受整形器的谱分辨率的限制)，CDMA丧失了很多灵活性。

非相干法(及其各种版本)[15，17-20]包括非相干宽带光源。虽然这种源发射“真实的噪声(true noise)”，但所发射的场的相位是未知的，所以仅可能进行强度操作。这使得非相干法在对因传播影响而导致的相位改变相对免疫的意义上讲比较健壮。然而，由于非相干法本质上是单极的，不同键的互相关性不能平均为零。因此，许多信道的存在不仅提供了噪声，而且提供了背景直流强度，这导致信噪比和性能严重下降[15-20]。为此，非相干CDMA系统的容量本质上要显著低于相干系统的(如果相干法中为N个信道，则非相干法为 个信道)。

已知CDMA技术利用了复杂的算法来预先设计近似于所需的理想白噪声键的特性的实际键。这些近似通常受到其他设计考虑的制约(例如码长和设计简单性之间的权衡)，而导致了并非最佳的结果。

发明内容

本领域存在着通过提供新颖的键生成方法和系统以及使用它们的复用/解复用系统来推动光CDMA的需要。

本发明提供了光CDMA的完整方案，包括生成CDMA键及其共轭的光学方法，以及用于数据信道的复用/解复用的光学方法等。

依据本发明的技术，通过下转换的物理处理(其包括生成相互复共轭的两个宽带场)来自动生成理想的CDMA键及其共轭。这种处理例如可以是参量下转换，即，泵浦非线性光介质以发出相互复共轭的两个宽带输出光场——信号光场和闲置光(idler)场。

在本文中所用的“下转换”一词是指与相互复共轭的被称为“信号光场”和“闲置光场”的两个宽带光场的发射有关的任何物理处理。已知这样的处理，在该处理中，产生一对相干光子，以使得虽然每个光子的能量未定义，但它们的能量和是被清楚定义的。这种物理处理的示例包括两光子发射以及参量非线性交互，例如三波混合(参量下转换)、四波混合等。能够执行下转换处理的介质用作同时生成宽带噪声及其复共轭(随后被用作CDMA键及其共轭)的光源。相应地，本文使用的“上转换”一词是指与本文描述的下转换处理相反的一类物理处理，例如两光子吸收、参量上转换，或更高阶参量非线性交互。

因而，基于宽带参量下转换和上转换，本发明提供了一种用于光学直接序列扩频通信的新颖的方法。利用参量下转换，窄带CW(连续波)光场被转换成相互复共轭的两个CW宽带白噪声场。这两个噪声场被用作光学直接序列扩频通信中的键和共轭键。随后在接收机侧处，使用相反处理的参量上转换，将该键和共轭键相乘，以提取所发送的数据。依据这种技术，自动生成理想的白噪声键，得到高容量的通用CDMA结构。宽带白噪声码和其复共轭两者是同时生成的。应该理解，对于CDMA来说，不需要预先知道该键。事实上，只要该键和共轭键是一起生成的，那么就可以将共轭键与数据一起传送到接收机(代价是带宽的一半)。随后，在接收机处进行参量上转换处理(也被称为和频(sum frequency)生成)来光学地将该键和共轭键相乘。

在过去的35年间，对参量下转换和参量上转换处理进行了广泛地研究，开发出了基于这些处理的许多设备，例如光参量振荡器(OPO)和光参量放大器(OPA)。经典理学理论和量子理学理论都给出了这些处理的理论分析[2-12]。由非线性介质(通常是晶体)生成的信号光频率和闲置光频率是与泵浦光相位匹配的(信号光-闲置光对的相位速率与泵浦光的相位速率相等)。可以通过调谐光在介质中的传播方向或者通过调谐晶体的温度来控制晶体中的相位匹配状态，从而控制所发出的信号光频率和闲置光频率。在信号光-闲置光频率对的宽带带宽与泵浦光相位匹配的状态下，下转换处理可以产生宽带信号光和闲置光。由于可以激发参量下转换的非线性交互，被泵浦光所泵浦的非线性介质将用作其信号光和其闲置光输出频率的放大器。

本发明利用了参与用于光学生成CDMA键及其共轭的参量下转换[2]处理的光学场之间的特定的相位振幅关系。经下转换的光由相互复共轭的宽带CW白噪声信号光和闲置光组成，这是生成CDMA键的必要条件。因此，参量上转换(也被称为和频生成)的相反处理可被用于在接收机侧使键和其共轭相乘。

因此，在本发明的方案中的CDMA发送器使用复共轭的两个宽带场的光源。因而，在本方案中，CDMA接收机所需的全部是相反的物理处理(例如，两光子吸收或更高阶参量非线性交互)，此外，发送和接收所使用的处理无需相同。发射机基于两光子发射而接收机基于参量上转换是可行的。

本发明的光CDMA方案表现出了相干法和非相干法之间的某种混合，这消除了这两种方法的某些局限性。本发明的方案在其依赖于信号光分量和闲置光分量(码及其共轭)之间的相干相位关系这个意义上讲是使用了相干法，因而，容量可以与相干法的容量相比。另一方面，键是被动生成的实数白噪声，这使非线性效应最小并保护了CDMA的完整的灵活性。

依据本发明的一个广义的方面，提供了一种自动生成在光码分多址系统中使用的键和共轭键的方法。该方法包括对泵浦输入光进行下转换处理，从而产生相互共轭的宽带下转换信号光场和闲置光场，所述信号光场和闲置光场用作键及其共轭。

所述下转换处理包括将泵浦光穿过带有或不带有用于经下转换的光的腔的非线性光学介质，从而生成经下转换的光场(信号光和闲置光)。

总的来说，任何合适的非线性介质(通常是晶体)都可以被用作这种键及其共轭的光源。为了使这一处理更加有效，可以使用由两个反射镜之间的非线性介质形成的单谐振腔或双谐振腔(光学参量振荡器)。优选地，使用由本发明人开发的新颖的OPO结构，其中，为了提供宽带宽信号光场和闲置光场，在腔中提供了用于抑制腔中的模式竞争的装置。

依据本发明的另一方面，提供了一种在光码分多址(CDMA)系统中使用的方法，该方法包括：对用于将数据从数据发送系统载运到数据接收系统的光信道施加下转换处理，所述光信道的下转换自动产生宽带信号光场和闲置光场，该两个光场相互复共轭并因此用作键及其共轭，从而能够对该信号光场和闲置光场至少之一进行数据调制，并对它们一起进行上转换处理，从而提取数据。

该旨在产生信号光场和闲置光场的下转换处理可以在数据发送系统中执行，其中这些光场中的一个随后被各个数据所调制。另选地，在数据接收系统中执行该下转换处理，信号光场和闲置光场之一被发送到数据发送系统以进行数据调制。

依据本发明的另一方面，提供了一种在光码分多址(CDMA)系统中使用的方法，该方法包括以下中的至少之一：

——对用于将数据从数据发送系统向数据接收系统载运的光信道进行下转换处理，所述光信道的下转换自动产生宽带信号光场和闲置光场，这两个光场相互复共轭并因此用作键及其共轭，从而使得能够用所述数据对所述信号光场和闲置光场至少之一进行调制，并一起处理所述信号光场和闲置光场以提取数据；以及

——对包含代表光学信道的下转换信号光场和闲置光场的数据载运光施加上转换处理，从而在数据接收系统中恢复表示数据信道的光。

依据本发明的另一方面，提供了一种在光码分多址(CDMA)系统中产生光学信道的方法，该方法包括：

(i)对用于将数据从数据发送系统载运到数据接收系统的输入光进行下转换处理，所述下转换处理产生宽带信号光场和闲置光场，它们相互复共轭并因此代表键及其共轭；

(ii)对所述信号光场和闲置光场至少之一的谱相位进行唯一的影响，从而定义所述信号光场和闲置光场之间的唯一相位关系，从而使得能够利用上转换处理来提取数据。

这种相位影响或相位操纵可以是利用脉冲整形技术对信号光场和/或闲置光场施加的简单相对延迟或材料色散或通用谱相位滤波。考虑到在接收机侧进行的下转换处理，被传送的一个光场由于数据接收系统和数据发送系统之间的预定距离而被唯一地相位影响。另一个光场在接收系统处被进行了这样的唯一相位影响(使用相反的相位影响值)，该两个光场(从数据发送系统返回的经数据调制的光场和在数据接收系统中被相位影响的光场)随后被进行上转换。

可以依据将由该光学信道载运的数据对所述信号光场和闲置光场之一或者它们两者进行数据调制。该调制可以在所述各光场被相位影响之前或之后进行。

为了在接收机侧对信道进行解码，对所述信号光场和闲置光场至少之一施加谱相位影响(操纵)，从而恢复相位关系并使得能够进行上转换。通常，该谱相位影响与在编码该光信道时所施加的影响相反。例如，如果在编码该光信道的同时对所述信号光场和闲置光场之一施加了相对延迟，则解码对另一光场施加相反的延迟。随后对所得的经上转换的光进行检测，以检索数据。

依据本发明的另一方面，提供了一种复用光信道的方法，包括：

——产生N个光学信道，N≥1，所述光学信道由一对经下转换的信号光场和闲置光场代表，该一对光场相互复共轭并代表了键及其共轭，从而可以依据待由所述光信道所载运的对应数据，对所述光信道进行调制；

——对该同一信道的所述信号光场和闲置光场至少之一施加唯一的相位影响值，从而限定该信道的所述信号光场和闲置光场之间唯一的相位关系，从而使得能够利用各自唯一的相位影响和上转换处理在数据接收系统中进行光的解复用，以提取特定信道。

如果延迟是所选相位操纵，则与不同的信道相关的唯一延迟值之间的差值将长于宽带信号光分离和闲置光分量的相干时间。

可以将该N个光学信道制造为使得它们都共享同一对信号光场和闲置光场，例如通过将单个光源的输出分成N个信道，或通过由一个噪声光源种下(seeding)N个光源，从而使得所有光源都产生相同的信号光场和闲置光场。另选地，该N个光学信道可以被制造使得每个信道都具有其自己的一组信号光场和闲置光场，例如通过泵浦N个不相关的光源，从而分别产生N对信号光分量和闲置光分量。根据光源的相位匹配类型(共线型或非共线型)，该系统可以包括也可以不包括用于在经下转换的信号光场和闲置光场之间进行空间分离的频率滤波器。对所述信号光场和闲置光场之一或它们两者施加数据调制。

用于从特定信道提取所接收的光的解复用包括：影响所接收的光中的所述信号光场和闲置光场中的至少之一的相位，以恢复所述特定信道的信号光场和闲置光场之间的相位关系；对所得的信号光场和闲置光场施加上转换处理，从而使得能够提取所述特定信道(如果需要，则使用适当的频率滤波器)；并且可选地，进一步影响所述信号光场和闲置光场中至少之一的相位，以使后面接收机的状态保持不变。

如上所述，由于在穿过非线性介质时下转换的效率通常很低，因而优选地在谐振腔(OPO)内部执行该处理，以在低阈值处实现高转换效率。该腔可以是单谐振或双谐振的(即，只对一个经下转换的光场谐振或对这两者谐振)。然而，当使用谐振腔时，模式竞争将显著地使带宽变窄，而对于本发明的目的(即光CDMA方案)来说，优选地提供尽可能高的信号光-闲置光对的带宽。本发明通过在该腔中增加控制上转换的影响的能力(其用作腔内的损失机制)来解决该问题，以抑制模式竞争并低阈值高效率地提供经下转换的宽带光分量。通过控制腔中上转换介质中的上转换损失来实现模式竞争抑制。通过对经下转换的光分量的谱相位进行整形来控制腔中的上转换损失，例如通过在经下转换的信号光场和闲置光场之间引入相对延迟或材料色散，从而减少腔中的上转换损失，并恢复信号光场和闲置光场之间的相位关系，从而不影响下转换。如果该腔是单谐振腔，则为了能够进行这种控制，非谐振场还应当穿过该腔中的上转换介质。

通过使用线性腔结构中的带有一个非线性介质的腔或在环或线性腔结构中带有两个非线性介质的腔，以及相位整形组件可以实现上述各项。当使用单个非线性介质时，由位于所述介质上游和下游的两个相位整形单元形成该相位整形组件，从而控制经下转换的光分量在后向(相对于泵浦光)传播时，在介质中发生的上转换损失。当使用两个非线性介质时，第一非线性介质被泵浦以进行下转换，在第二未泵浦的介质的相对的输入/输出侧的两个相位整形单元用于控制在该第二介质中的上转换损失。应该理解，如果使用单谐振腔，则非谐振场应当也被导入上转换介质。

优选地，当使用双谐振腔时，使用主动改变腔的光学长度的机构以将输入的泵浦光的频率锁定为腔的模式。其原因在于，在双谐振腔中，信号光和闲置光两者都具有离散的、等间距的谱(纵向腔模式)，所以泵浦频率(正好是所有信号光-闲置光对的和)必须与腔的模式匹配。

因而，依据本发明的另一方面，提供了一种产生经下转换的光场的方法，该方法包括：通过使输入光穿过谐振非线性光学结构来产生相互复数共轭的经下转换的宽带信号光场和闲置光场，并在该经下转换的光场穿过所述结构的同时影响该经下转换的光场的相位，以减少上转换对所述经下转换的光场的宽带振荡的影响，从而抑制腔中的模式竞争。

依据本发明的再一广义方面，提供了一种用于发射宽带谱相关光的新颖的光源(可以用于CDMA和其他应用的低阈值、高效率的光学参量振荡器结构)；以及双谐振非线性光学结构；光学复用系统；以及光学解复用系统。

附图说明

为了理解本发明，并了解在实践中可以如何执行本发明，现在仅以非限制性的示例的方式参照附图描述优选实施例。在附图中：

图1A-1C示意性地示出了CDMA技术的一般原理，其中，图1A示出了CDMA发射机方案；图1B示出了CDMA接收机方案；而图1C示出了CDMA谱特性；

图2A和2B示出了依据本发明的一个示例的光CDMA键生成方案的主要原理，其中图2A示出了在发射机侧执行的CDMA键生成，图2B示出了在接收机侧执行的键相乘；

图3A和图3B分别示出了依据本发明的光CDMA发射机系统(复用器)的两个示例，其中在数据发射机系统处生成所述键；

图3C示出了依据本发明的光CDMA信道接收机系统(解复用器)；

图3D示出了依据本发明另一示例的光CDMA键生成方案的主要原理，其中在数据接收系统处生成该键；

图3E示出了利用图3D的示例的原理的光CDMA发射机和接收机系统；

图3F图示了所计算的误码率(BER)，其为同时进行发送的CDMA信道的数目对于利用非相干检测的通断键控调制(OOK)和利用相干检测的相移键控(PSK)的函数；

图4A示出了信号光/闲置光相位失配，其为简并点(degeneracy point)附近的波长对于在532nm处泵浦出的周期性截角的KTP晶体(periodically polled KTP crystal)的函数；

图4B示出了信号光/闲置光相位失配，其为零色散超宽带情况下的简并点附近的波长对于728nm处泵浦出的BBO晶体的函数；

图5A和图5B分别示出了描述了三波混合和四波混合处理的费因曼图，该三波混合和四波混合处理可在光CDMA方案中被用作生成两带宽共轭场的机制；

图6A和图6B示意性地示出了适于在依据本发明的光CDMA方案中使用的带有共线相位匹配的线性腔双谐振OPO光源的两个示例；

图7A示意性地示出了带有非共线相位匹配的线性腔双谐振OPO光源；

图7B和图7C示出了带有共线相位匹配的环腔双谐振OPO光源的实例：图7B示出了在自由空间中的实现；图7C示出了在光纤内的实现；

图7D和图7E示意地示出了依据本发明的线性单谐振OPO光源的示例；

图8更具体地示例了依据本发明的共线、双谐振OPO腔结构的概图，使用色散作为用于控制腔内的相位关系的机制；

图9示出了经计算的转换效率，作为N＝I_p/I_th(I_p是实际泵浦强度，I_th是阈值泵浦强度)对于很窄振荡、理想宽带振荡和实际宽带振荡的函数；以及

图10A-10B分别示出了作为信号光波长对于两种宽相位匹配情况的函数的阈值泵浦强度(I_th)，这两种情况即：在宽相位匹配结构中的被532nm所泵浦的腔中的具有2％损失的1cm长PPKTP晶体；以及在零色散超宽相位匹配结构中的被728nm所泵浦的腔中的具有1％损失的1.4cm长BBO晶体。

具体实施方式

完整的CDMA方案通常包括键生成以及在数据发送侧和数据接收侧进行通信信道的复用和解复用。

参照图2A和图2B，它们示意性地示出了依据本发明的光CDMA键生成方案的主要原理，该方案能够生成理想键(宽带噪声)及其复共轭两者。图2A示出了一般在10中进行的参量下转换处理，其在数据发送系统或数据接收系统中用于生成CDMA码。如上所述，在依据本发明的CDMA键生成技术中使用的下转换处理是包括发射相互共轭的两个宽带场的任何已知物理处理(例如两光子发射或参量非线性交互作用，例如三波混合(参量下转换)、四波混合等)，在该过程中发射一对相干的光子，从而尽管各光子的能量不确定但可以很好地确定它们能量的总和。图2B示出了参量上转换(和频生成)的处理，其用于在数据接收机系统11处执行的码相乘。通常，在本发明的接收机系统中使用的物理处理是与下转换处理相逆的一种处理。还应该理解，在发送和接收中所使用的处理无需相同。例如，可以发送基于两光子发射来进行发送，而基于参量基于参量上转换来进行接收。可以被用作所发明的CDMA方案的基础的几种可能的交互作用的费因曼图在图5A和图5B中示出。

当泵浦光Lpump穿过非线性光学介质12并因此被转换为一对输出场(频率分别为ω_s和ω_i的信号光场L_s和闲置光场L_i)时执行参量下转换(图2A)。这种非线性光学介质可以是合适的晶体。该非线性介质可以布置在用于提高下转换效率并降低其阈值的谐振腔中，因而形成光学参量振荡器(OPO)。该普通的OPO常规地具有通过将非线性材料(非线性晶体，例如周期性截角的KTP、BBO、LBO等)插入由两个镜子组成的光谐振器而获得的结构。

对于本发明的目的来说，这种用于制造彼此复共轭的两个光场的光源优选地被配置为发射宽带谱相干的下转换光。下面将参照图6A-6B、7A-7C和图8进一步描述本发明人开发的光源结构的示例。

在参量下转换中，泵浦能量I_pump从高频率场(频率为ω_p、波向量为

的泵浦场)通过非线性晶体12的调解而转移到两个低频率场，即信号光场L_s和闲置光场L_i(频率分别为ω_s、ω_I，波向量分别为

)。当该非线性介质厚时，只有在满足了相位匹配要求(即，能量被保存为(ω_p＝ω_s+ω_i)并且动量被保存为 $({\stackrel{\→}{K}}_p={\stackrel{\→}{K}}_S+{\stackrel{\→}{K}}_i)$ )时才会发生该转换。在这一处理中，所生成的信号光场L_s相对泵浦L_in相位的相位是未定义的，但所生成的信号光场L_s的相位与对应的闲置光的相位相反(ω_i＝ω_p-ω_s)，也就是说信号光和闲置光的振幅是复共轭的。因此，由于不同的信号光(或闲置光)频率之间没有相位关联，但是在对应的信号光-闲置光频率之间存在特定的相位和振幅关联，所以下转换光包括相互复共轭的宽带CW白噪声信号光L_s和闲置光L_i光分量，并因此代表了在该CDMA方案中使用的键和其共轭。

在生成了键和其共轭之后，它们中的任何一个(例如键信号光L_s)可以由特定信息外部调制。如果在数据发送系统中执行下转换处理(即，键及其共轭的创建)，那么数据调制场(例如键信号光L’_s)和共轭键(闲置光L_i)可以通过光网络发送到接收机端。如果在数据接收系统中执行下转换处理，那么只有下转换场之一(例如键信号光L’_s)被发送到数据接收机器系统，以与数据相调制，并被返回到数据接收机系统。为了能够进行信道复用/解复用，键(或共轭)被特别编码。这些特征将在下面参照图3A-3E进一步描述。

如图2B所示，在接收机系统11中，将所接收的光与共轭键相乘。这通过对信号光场L_s和闲置光场和L_i进行上转换处理(也称为和频生成)来实现，即，通过使所接收的光穿过非线性介质12。

参量上转换处理与参量下转换处理逆对称，即，参量上转换处理包括能量从两个输入的低频场L_s和L_i转移到输出的高频场L_up-conv，该高频等于该两个低频之和。在这一处理中，所生成的和频处的输出场L_up-conv的相位等于该两个低频率场的相位之和。数学上，这相当于表示在和频处的复数场幅值与两个低频率场处的复数幅值的乘积成正比。

应该明白，对于给定的泵浦频率，根据非线性介质的特定色散特性及其厚度，可能存在着满足相位匹配要求的信号光-闲置光对的宽频带。在一些结构中，对于厚至几厘米的厚晶体，相位匹配带宽可以达到IR附近的几百纳米。

本发明的用于复用CDMA信道的方法源于这样的事实：通过以受控的可逆方式影响(操纵)频率之间的相位关系，可以可控地或相反地破坏信号光场和闲置光场之间的相干相位关系。该受控的可逆方式例如为使用通用脉冲整形技术，或通过简单得多的方式，例如在信号光场和闲置光场之间引入相对延迟或材料色散等。可以只需通过反转该操作，例如通过插入相反的延迟或相反的色散，来恢复该相位关系。通过为特定信道的信号光场和闲置光场之一分配唯一的相位影响值，即，分配该特定信道的信号光场和闲置光场之间的唯一的相位关系(例如相对延迟)，可以从到达该接收机侧的其他信道中提取出该信道内的数据。

图3A示出了本发明的光CDMA复用系统100A的一个示例。在该示例中，所有信道共享相同的信号光场和闲置光场(键和共轭)，也就是，这些信道分别使用从一个光源发射的信号光-闲置光对。另选地，可以通过由一个宽带噪声场产生所有光源而将许多光源耦合在一起来实现。该系统100A因此包括：由光源结构102和相位影响装置104(例如大量的色散玻璃)形成的编码器组件；与控制单元(未示出)相关联的数据调制装置106；以及输出光束耦合器108。应该注意，调制装置106可以另选地设置在相位影响装置的上游(相对于穿过系统100A的光的传播方向)。光源结构102包括非线性介质，并可以由单个非线性晶体构成，该晶体可以包括在也可以不包括在谐振腔(OPO)中。优选地，光源102是发明人开发的新颖的OPO结构(如后文所描述)。光源102与容纳在下转换信号光场L_s和闲置光场L_i中任何一个的光路上(在本示例中在信号光场L_s的光路上)的分光器组件105相关联。该相位影响装置104由相位影响单元D₁-D_N的阵列组成，各相位影响单元可操作(例如通过施加相对延迟或材料色散)以唯一地影响穿过其中的光的相位。在本示例中，所有信道的闲置光场分量一起通过该系统传播，该相位影响装置与信号光场分量相关联。该数据调制装置106由调制器M₁-M_N阵列组成，各调制器用于依据各信道将载运的特定信息片对穿过其中的光进行调制。

在该系统100A中还提供了频率滤波器109，其容纳在位于分光器105的上游的光源102的输出处。应该注意，设置频率滤波器105是可选的，这取决于所使用的OPO光源的结构。例如，当使用非共线型OPO结构时，输出信号光和闲置光场在空间上相互分开，在这种情况下，不需要在OPO光源的输出处进行频率滤波。在该系统100A的输出处提供类似的频率滤波器109’，以在将信号光场和闲置光场向接收机侧发送之前对它们进行组合。

系统100A以下面的方式操作。OPO光源102被输入光L_pump所泵浦，并将该光转换成相匹配的输出信号光场和闲置光场L_s和L_id对，它们在空间上是相互分开的(例如通过频率滤波器109)。分光组件105(例如蒙片(mask)或级联的半透明发光镜)容纳在信号光场L_s的光路上，并将其分成N个空间分开的信号光分量L⁽¹⁾ _s、L⁽²⁾ _s、...、L^(N) _s。这些信号光分量L⁽¹⁾ _s-L^(N) _s随后分别穿过相位影响装置104的相对延迟单元D₁-D_N(它们被预编程以对穿过其中的光施加不同的延迟值τ₁到τ_N)。被如此延迟(编码)的信号光分量L⁽¹⁾ _s-L^(N) _s分别穿过数据调制装置106的调制器M₁-M_N，在该处依据将由各信道载运的特定信息片对这些分量进行放大调制。应该明白，通常对下转换信号光场和闲置光场之一施加相位影响，并且对这些场中任意一个和它们两者进行数据调制。

因此，在复用系统100A中，由光源102产生的每个信号光场都被唯一的相位影响值(即，例如信号光场和闲置光场之间的唯一延迟量)所调制和编码。应该理解，在该非限制性示例中，相对延迟的这种简单情况被用作受控可逆相位操纵的机制。应该明白，使用其他的相位操纵技术也是同样良好的(例如色散或通用脉冲整形)。

依据当前的方案，用于所有信道的键是唯一延迟的单个白噪声键。为使这两种单个白噪声键不相关所需的最小延迟值与信号光场(或闲置光场)的相干时间τ＝1/Δω大致相同，其中Δω是经下转换的光的谱宽度。因此，这是与不同信道相关的唯一延迟之间的最小差值。当使用其他相位操纵技术时，可以计算类似的判据(例如，对于所需色散值之间的最小差值)。

在被相位影响和数据调制之后，所有N个信号光分量被光耦合器108结合在一起，被频率滤波器109’与闲置光场L_i相组合，并且这两者都被导向光网络以发送到接收机端。在该发送的光中，损坏了所有信道的相位关系，如果试图对从该网络到达的谱进行频率上转换，则将检测不到任何信道。这与电CDMA中的同步损失情况相类似，其中接收机乘以正确的键，但不是在正确的时间。

图3B示出了依据本发明另一实施例的光CDMA复用系统100B。在该示例中，与图3A的示例不同的是，各信道有其自己的键，即，由其自己的光源生成。为便于理解，相同的附图标记用于识别在图3A和图3B的示例中共有的部件。在本示例中，调制装置106位于延迟装置104的上游，但应该理解，在这个问题上，可以构造得与图3A的相类似。这样，该系统100B包括：光源结构102，其包括N个下转换光光源(优选地采用后文描述的新颖的带宽OPO结构)S₁-S_N；数据调制装置106，包括由控制单元适当操作的N个调制器M₁-M_N；和相位影响(例如延迟或材料色散)装置104，包括N个相位影响单元(相对延迟单元)D₁-D_N，这些单元在本示例中进行操作以对穿过其中的光施加不同的相对延迟τ₁-τ_N；以及光束耦合器108。虽然在本示例中所示的相位影响装置与信号光场相关联，但应该理解，其通常与信号光场和闲置光场中至少一个相连。在本示例的系统结构中(信号光场和闲置光场在空间上被分成多个信道分量)，相位影响装置可以与信号光场和闲置光场两者相连，只要它在各信道的信号光场分量和闲置光场分量之间创建了唯一的相位关系即可。可选地，在系统100B中提供了：频率滤波器，通常位于光源S₁-S_N的输出处的109处；以及频率滤波器109’，各频率滤波器109’位于对应的经调制和相位影响的信号光场和闲置光场向耦合器108传播的光路上。如上所述，是否需要频率滤波器取决于OPO腔结构的类型。

系统100B以下面的方式操作。各下转换光源S₁-S_N被泵浦以产生信号光场-闲置光场对。该信号光分量L_s ⁽¹⁾-L_S ^(N)与闲置光分量L⁽¹⁾ _i-L^(N) _i在空间上相互分开。该信号光分量L_s ⁽¹⁾-L_S ^(N)(或闲置光分量、或信号光闲置光对)穿过调制器M₁-M_N，并因此依据各自的数据部分被放大调制。经调制的信号光分量L⁽¹⁾ _s-L^(N) _s随后分别穿过相对延迟单元D₁-D_N。另选地，信号光分量(经调制或未经调制的)可以通过穿过单元D₁-D_N而被相位影响。

被如此调制的经相位影响的信号光分量L⁽¹⁾ _s-L^(N) _s和未受影响的闲置光分量被光束耦合器108组合在一起，并被导向光网络以发送到接收机端。应该注意，为数据调制的目的，通常各对信号光场和闲置光场可以分离，并且可以都被调制。因而，在数据调制后对信号光(或闲置光)分量进行编码(相位影响)的特定示例中，可以对传向相位影响装置104的调制后的光进行频率分割。

图3C示意性地示出了依据本发明的光CDMA接收系统200，在该处执行所接收的光的解码，以从到达该站的所有其他信道中提取出一个特定光学信道，同时使得所有其他信道继续向网络上的下一站传播。完整的解复用器将相应地由许多这种接收机级联而成。

系统200包括：输入频率滤波器209；输入相位影响(例如相对延迟)装置204；上转换器(非线性介质)202；频率滤波器207；并可选地包括频率滤波器209’和209”，以及相位影响(相对延迟)装置204’。解码特定信道所需的数据仅包括泵浦频率和用于编码该特定信道的相位影响(延迟)值。这两个条件可以由通信协议一次性预设，然后不依赖于与该信道相关的键噪声而使用。

从光网络到达的宽带闲置光部分L_i(包含光分量L⁽¹⁾ _i-L^(N) _i)以及宽带信号光部分L_s(包含光分量L_s ⁽¹⁾-L_S ^(N)穿过系统200。输入滤波器209(例如光栅辅助耦合器或双色光束分束器/组合器)因此接收到来的光，并在信号光部分L_s和闲置光部分L_i之间进行空间分割。输入相位影响装置204被容纳在滤波器209的输出处，该滤波器209与闲置光部分L_i的光路相关。上转换器202容纳在装置204的下游处的209的两个输出处，并因此在信号光部分和经相位影响(延迟)的闲置光部分的光路上。

通常，在解码系统的输入处的相位影响的目的在于恢复经下转换的信号光场和闲置光场的相位关系(其已在编码系统处被损坏)。因此，考虑延迟作为相位影响，相位影响装置204被容纳为操纵在编码器系统处被相位影响的经下转换的场的相位。相对延迟装置204被预编程以对穿过其中的光施加唯一的延迟值，该延迟值是在发送系统中对该特定信道进行编码的同时所施加的延迟的相反延迟。因此，在该信号中，只有经延迟(相位影响)的闲置光中的一个频率分量(如L⁽¹⁾ _i)具有其自己的延迟匹配信号光分量L_s ⁽¹⁾，从而，由于只有场分量对L_s ⁽¹⁾-L⁽¹⁾ ₁满足有效上转换的要求，所以在参量上转换中只有一个信道的相位关系被恢复为最初的泵浦频率。这样，频率滤波器207(例如双色反光镜)从上转换器202的整个输出中分离出经上转换的光，并将其导向检测器。

当检测到泵浦频率处的上转换强度时，该信道在噪声(通常由其他信道产生)上突出。由于各接收机系统只检测一个信道，所有其他信道只是无障碍地穿过，因而在检测该特定(经滤波的)信道之后，接收机系统重新插入相位影响(延迟)以使所有其他信道的状态保持不变，这是合理的(但不是必须的)。上转换器202的其余输出因而穿过频率滤波器209”，该频率滤波器209”分离开信号光部分和闲置光部分。该剩余信号光部分穿过输出延迟装置204’，在该处被相对延迟(等于延迟装置204预先施加到闲置光部分的延迟量)，并且该信号光部分和闲置光部分向网络中的下一站传播。

应该理解，提供滤波器209”和输出相位影响装置204’是可选的，并可以通过对编码器和解码器之间的通信协议进行特定设计而消除。例如，该协议设置阵列解码器的顺序，由此各解码器在对输入的光施加相位影响的同时，考虑该光在前面的解码器中受到的全部相位影响。

比较图3A和3B的发送系统结构，应该理解，图3B的结构由于除了多个信道之外还存在多个键(闲置光)(相位编码信号光)，因而在接收侧承受较高的噪声级，因此，与图3A的结构可支持的信道数(N)相比，只能支持较少的信道(

)。然而，图3B的方案在以下的方面是比较简单的：每个信道是自包含的，并与共有资源相独立；可以通过窄带泵浦(而不是宽带信号光)的直接调制来进行调制。因此，当信道数目相对系统容量少时，可以考虑多光源结构。

因此，依据本发明，一旦实现了宽带下转换，则利用谱滤波器将信号光场与闲置光场分开。信号光场被识别为键，而闲置光场被识别为共轭键。该键本质上是未知的。共轭键必须以某种方式与数据载运键一起到达数据接收侧，以能够提取所传送的数据。

上述图2A-2B和图3A-3C的示例代表了一种可能(可能是最直觉)的结构，其中发送侧(说话方)生成键和共轭键，用数据调制它们中的一个，并将它们两者传送到接收侧(“收听者”)。收听者进行上转换并提取数据。

图3D例示了另一种结构，其与公共键加密有点类似。在该图中示意性地示出了发送系统100D(说话者)和接收系统200D(收听者)。在该示例中，键和共轭键在收听者系统200D中生成，并且仅将这些键(信号光)中的一个发送到说话者系统100D。收听者系统200D包括：键生成器(光源)102、滤波器109、相位整形器(例如延迟装置)104、上转换202、另一频率滤波器207以及监测器212。说话者系统100D包括与数据生成单元(未示出)相连的数据调制装置106。

在收听者系统200D，光源102生成信号光场和闲置光场L_s和L_i(键及其共轭键)，它们被滤波器109空间分离，并且其中之一(例如信号光分量L_s)被传送到说话者系统200D，而另一光场L_i被保持在收听者系统以穿过相位整形器104，并因此获得适当的延迟闲置光场L’_i，以能够通过上转换提取数据。数据接收系统和数据发送系统之间的距离可以用作唯一的延迟签名。说话者系统100D接收键L_s，对其进行调制(可以与数据一起到达的其他噪声一起)，并将经数据调制的信号光发送回收听者系统200D，在该处，该调制后的信号光L’_s与其他经延迟的键(闲置光)L’_i一起被上转换，并检测所得的信号光。

应该注意，本发明允许使用任何类型的数据发送用调制，即，不仅可以调幅，而且可以调频和调相。在这种连接中，应该理解，虽然仍不能根据宽带相干键(信号光)直接检测微小的频率/相位偏移，但由于上转换出现在相位为信号光相位和闲置光相位的和的和频处，因此，很小的频率/相位偏移将导致窄带相干上转换场的相同的频率/相位偏移，这是很容易检测到的。

图3E以自示例的方式示出了利用图3D的技术原理的光CDMA复用和解复用系统的示例，其中由“收听者”执行键生成。在本示例中，网络包括：用于所有“公共键”(分别寻址到说话者1和说话者2的信号光L_s ⁽¹⁾、L_S ⁽²⁾)的前向信道；以及用于返回数据(经数据调制的信号光L_s ^(1)’、L_S ^(2)’)的后向信道。希望接收数据的使用者(收听者)生成他自己的键L_s ⁽¹⁾和L_i ⁽¹⁾，并将该“公共键”L_s ⁽¹⁾发送到网络的前向信道。想与该收听者通信的其他使用者(说话者1)分得该前向信道的一部分，以接收信号光L_s ⁽¹⁾，用数据对其进行调制，并将经数据调制的信号光L_s ^(1)’输入到后向信道。该说话者还可以增加谱相位签名以识别该特定说话者-收听者连接。由于到该特定说话者的距离已经用作唯一的延迟签名，因而这是可选的。在适当的延迟和插入相对谱相位之后，该收听者将使用其共轭“私人键”L_i ⁽¹⁾通过上转换来提取该数据。

在光CDMA方案中，可以被同时容纳在总带宽Δ中的信道的数目、各带宽δ由以下公式给出：

$N=\frac{1}{2}\frac{1}{s/n}\left(\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\δ}}\right)---\left(1\right)$

其中s/n是所允许的最小信噪比，并假定主噪声源为其他信道所引起的干扰。结果正好是比理想异步CDMA系统中所期待的小的系数2，这是由于依据本发明的CDMA方案，键也必须被传送。因此，在该方案中，谱效率可以到达0.5/(s/n)。注意到，由于键是理想的(实数白噪声)，因此结果与实际的限制(例如单个信道比特率的高/低限度)无关，这是非常重要的。

公式(1)反映了单个信道在接收机处的噪声级与同时信道的总数的关系。参照图3F，曲线R₁和R₂分别将此关系转换为针对利用非相干检测的通断键控调制(OOK)和利用相干检测的相移键控(PSK)的误码率(BER)。从该图中显见，与不相干OOK相比，相干PSK可以获得好得多的BER结果。这是因为在许多方面(BER、功率管理、减少的非线性等)相干调制都已知是优选的。Albeit相干调制被认为在光学领域是不实用的，因为其需要接收机处具有被相位锁定以发射激光的本地振荡器。利用本发明的CDMA方法，可以很容易地将基准本地振荡器从发射器发送到接收机。由于所有信道共享相同的下转换场和相同的泵浦，该泵浦用作所有信道的本地振荡器。该泵浦不能原样地与数据一起发送(主要由于非线性)，但如果一个信道“被牺牲”，并且没有通过数据进行调制，则该信道的上转换场将正好是CW泵浦场的复制品，可以被用作所有其他信道的相位基准。因此，可以以一个较少数据的信道为代价而执行相干检测。由于所有的信道在共享相同的泵浦(或上转换)以及经下转换的场的意义上是光学平等的，所以可以进行相干调制。这个事实可以被用于其他类型的光学操纵。例如，可以配置光学切换方案，其中在解复用(利用各信道的适当延迟进行上转换)之后，可能通过对它们再次进行下转换并重新排列它们的延迟而以不同的顺序重新复用这些信道。

在依据本发明的光CDMA方案中，所有信道在具有相同泵浦(或上转换)波长和相同下转换谱的意义上是光学平等的，因而，可以较容易地对这些信道执行光学操纵。该特征可以有利地用于例如光学切换方案中，其中，在解复用(对各信道进行适当的相位影响的上转换)后，可以通过对它们再次进行下转换并重新排列它们的相位关系而以不同的顺序重新复用这些信道。另外，本发明的光CDMA方案基本不受光纤中的非线性效应(例如布里渊(Brillouin)色散、自相位调制、互相位调制以及四波混合)的影响。当光纤中强度高时出现非线性效应，并因此一般被宽带类噪声场最小化(如信号光和闲置光的情况)，这是因为类噪声场使持续建设性干涉的可能性最小。

为了理解参量下转换中的信号光-闲置光关系，本发明人利用了在文献2第六章67-85页中给出的理论处理。下面是描述在简单地假定了无损介质和完美的相位匹配的情况下的下转换处理的三波混合的标准公式：

$\frac{{\∂A}_s}{\∂z}=-\mathrm{i\κ}{A}_i^{*}{A}_p$

$\frac{{\∂A}_i}{\∂z}=-\mathrm{i\κ}{A}_s^{*}{A}_p,---\left(2\right)$

$\frac{{\∂A}_p}{\∂z}=-\mathrm{i\κ}{A}_s{A}_i$

其中，A_s、A_i和A_p分别是信号光的慢变振幅、闲置光和泵浦，k是以如下方式与非线性系数d(MKS)相关的非线性耦合：

$\mathrm{\κ}=\frac{d}{2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{s_0}\frac{{\mathrm{\ω}}_z{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\ω}}_p}{n_s{n}_i{n}_p}}---\left(3\right)$

其中n_x是场x(x＝s、i、p)的折射系数。

对于本发明的目的来说，关注该三个振幅之间的相位关系，从而到极坐标的转换可以使用：

$\frac{\∂R_s}{\∂z}+{\mathrm{iR}}_i\frac{{\∂\mathrm{\θ}}_s}{\∂z}=-\mathrm{ik}{R}_i{R}_p\exp \left[i({\mathrm{\θ}}_p-{\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_i)\right]$

$\frac{\∂R_i}{\∂z}+{\mathrm{iR}}_i\frac{{\∂\mathrm{\θ}}_i}{\∂z}=-\mathrm{ik}{R}_s{R}_p\exp \left[i({\mathrm{\θ}}_p-{\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_i)\right]---\left(4\right)$

$\frac{\∂R_p}{\∂z}+{\mathrm{iR}}_i\frac{{\∂\mathrm{\θ}}_p}{\∂z}=-\mathrm{ik}{R}_i{R}_s\exp \left[i({\mathrm{\θ}}_p-{\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_i)\right]$

其中，对所有三个波(x＝s、i、p)替换了表达式A_x＝R_x·exp(iθ_x)。

下面将表达Δθ＝θ_p-θ_s-θ_i带入公式(4)，并将实部与虚部分开。

$\frac{{\∂R}_s}{\∂z}={\mathrm{kR}}_i{R}_p\sin \mathrm{\Δ\θ}$

$\frac{{\∂R}_i}{\∂z}={\mathrm{kR}}_s{R}_p\sin \mathrm{\Δ\θ}$

$\frac{{\∂R}_p}{\∂z}\·={-\mathrm{kR}}_s{R}_i\sin \mathrm{\Δ\θ}---\left(5\right)$

$\frac{\∂\mathrm{\Δ\θ}}{\∂z}=k\cos \mathrm{\Δ\θ}[\frac{R_i{R}_p}{R_s}+\frac{R_s{R}_p}{R_i}-\frac{R_i{R}_s}{R_p}]$

将三个较上的公式(5)待入第四个公式，并执行一些简单的数学处理，得到：

$\frac{1}{\cos \mathrm{\Δ\θ}}\sin \mathrm{\Δ\θ}\frac{\∂\mathrm{\Δ\θ}}{\∂z}=\frac{1}{R_s}\frac{{\∂R}_s}{\∂z}+\frac{1}{R_i}\frac{{\∂R}_i}{\∂z}+\frac{1}{R_p}\frac{{\∂R}_p}{\∂z}---\left(6\right)$

公式(6)等价于下面的公式：

$-\frac{\∂}{\∂z}\left[\ln \left(\cos \mathrm{\Δ\θ}\right)\right]=\frac{\∂}{\∂z}\left[\ln \left(R_s{R}_i{R}_p\right)\right]---\left(7\right)$

公式7的解为：

$\cos \mathrm{\Δ\θ}=\frac{C_1}{R_s{R}_i{R}_p}---\left(8\right)$

其中C₁是综合常数。由于相位差Δθ是实数，所以很清楚，常数C₁如下地被场振幅R_x[0]的初始值所限制：

           0≤|C₁|≤R_s[0]R_i[0]R_p[0]                           (9)

在大多数实际情况中，至少场A_s、A_i和A_p之一被自发射噪声初始化，因而实际为0。因而，随着场振幅增加，公式(8)的分母变得比分子大许多，从而常数C₁的值变得不相关，对于所有实际目的，我们得到了cosΔθ＝0。因此，信号光和闲置光的相位依据以下公式相关：

${\mathrm{\θ}}_s+{\mathrm{\θ}}_i={\mathrm{\θ}}_p-\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(10\right)$

如果泵浦相位被选为θ_p＝π/2，则我们得到：

                  θ_s＝-θ_i                     (11)

因此，在OPO腔中闲置光模式的相位与对应信号光模式的相位相反。可以从以下的事实中理解信号光场和闲置光场之间的绝对值相关性：它们在公式(4)中是对称的。因此，如果初始条件是对称的，那么对称性被保持，从而信号光模式和对应闲置光模式的复数振幅是彼此共轭的。

通常，信号光和闲置光都是宽带，并包含很多频率。原因是相位匹配(其为对于最大可能谱宽度的限制参量)很少窄于1nm，并且在某些情况下可能超过几百纳米。因此，信号光场和闲置光场通常包含其间没有相位相关性的很多模式，从而它们的相位是随机的。这产生了连续波(CW)信号光场和闲置光场，各场在其模式之间没有谱相干。

考虑到和频生成(参量上转换)的一般处理，如下频率ω处的上转换光的强度R(ω)给出：

           R(ω)∝|∫dω′A(ω′)A(ω-ω′)|²          (12)

其中，A(ω)是频率ω处的场的慢变振幅。

此处，和为频率ω的所有振幅对被相干相加。通常，谱非相干宽带光源的转换效率较差，因为参与频率的相位是不相关(随机)的，从而和为特定的上转换频率的所有低频对导致几乎完全破坏性的干涉。

然而，当经下转换的光被用作上转换处理的输入时，由于信号光场和闲置光场之间的相位关系，和为最初泵浦频率的所有频率对具有相同的相位，所以所有这些对干涉，建设性地获得上转换强度，与没有相位相关存在时所期望的相比，其被增强了几个数量级。该增强依赖于信号光和闲置光的实际谱带宽。这种增强只能在信号光场遇到其“孪生”闲置光场时才会发生，所以其仅在键匹配(即，在CDMA中如所期望地根据与共轭键的相乘而精确作用)时才会从噪声中提取出数据。

因此，考虑对参量下转换所生成的光施加上转换，假定整个谱的谱相位已经被一些通用相位函数Φ(ω)调制，则我们得到：

$A\left(\mathrm{\ω}\right)=\exp \left[\mathrm{i\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)\right](A_s\left(\mathrm{\ω}\right)+A_i\left(\mathrm{\ω}\right))=\exp \left[\mathrm{i\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)\right](A_s\left(\mathrm{\ω}\right)+A_s^{*}({\mathrm{\ω}}_p-\mathrm{\ω}))---\left(13\right)$

其中，A_s(ω)具有随机相位，并且考虑了信号光和闲置光是复共轭的事实。将公式(13)插入公式(12)，得到：

$R\left(\mathrm{\ω}\right)\∝{|\∫d{\mathrm{\ω}}^{\′}\left[\begin{array}{c}{A}_s\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)A_s(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}^{\′})+\\ A_s^{*}({\mathrm{\ω}}_p-{\mathrm{\ω}}^{\′})A_s^{*}({\mathrm{\ω}}_p-\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}^{\′})+\\ A_s\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)A_s^{*}({\mathrm{\ω}}_p-\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}^{\′})+\\ A_s^{*}({\mathrm{\ω}}_p-{\mathrm{\ω}}^{\′})A_s(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}^{\′})\end{array}\right]\exp [\mathrm{i\φ}\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)+\mathrm{i\φ}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}^{\′})\left]\right|}^2---\left(14\right)$

公式(14)的被积函数中包含四项。既然A_s(ω)的相位被假定为是随机的，则由于破坏性干涉，前两项的积分对R(ω)的影响可以被忽略。当ω＝ω_p时，后两项的影响是非常重要的。这样，我们得到：

     R(ω_p)∝|∫dω′|A_s(ω′)|²exp[iφ(ω′)+iφ(ω_p-ω′)]|²      (15)

很明显，所得的上转换强度将主要依赖于相位函数的特性：其将被绕ω_p/2对称的相位函数显著减少，并对于反对称相位函数不敏感。

如果在信号光场和闲置光场之间的相对延迟值在特定阈值之上，则不会发生该信号光-闲置光对的上转换。对于信号光场和闲置光场之间的相对延迟τ(等价于代表谱的线性相位函数)的简单情况，我们得到：

$R\left({\mathrm{\ω}}_p\right)\∝{\left|{\∫}_0^{{\mathrm{\ω}}_p/2}{\mathrm{d\ω}}^{\′}{\left|A_s\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)\right|}^2\exp \right[i{\mathrm{\ω}}^{\′}\mathrm{\τ}\left]\right|}^2---\left(16\right)$

该结果与对相同谱带宽和相对延迟τ的两个相等转换受限脉冲的和进行上转换时获得的相等。当相对延迟超过了脉冲时间宽度(其与脉冲谱宽度成反比)时，将不会发生任何上转换。因此，通过施加与信号光场的相干时间大体相同的延迟τ＝1/Δω(Δω是下转换光的谱宽度)，可以破坏建设性干涉。

如上所述，参量光源所获得的时间分辨率等于转换受限脉冲所获得的时间分辨率。因此，为了充分利用该特征，在最宽的可能脉冲上振荡的OPO/OPA是理想的。宽带振荡所需的条件是在宽波长范围上的相位匹配。

通常已知当信号光和闲置光接近于简并(即ω_i≈ω_s≈ω_p/2)时，类型I相位匹配(其中信号光和闲置光具有相同的极性)变宽。这在图4A的曲线中示出，其示出了相位误匹配(Δk＝k_p-k_s-k_i)，其为532nm处被泵浦的周期性截角KTP晶体的简并点附近的波长的函数。很明显，首先按波长排序，接近于该点的波长的相位匹配条件是相同的。因此，对于1cm的晶体长度，可以期待接近1064nm的几十纳米的谱宽度。

如果该泵浦被调谐为使得简并点与晶体的零色散点相同(λ＝2λ_p＝4πc/ω_p)，那么可以实现更宽的相位匹配。在零色散点，折射系数相对于该波长的二次偏倒数消失，所以折射系数在波长上主要是线性的。当折射系数为线性时，任何两个互补的波长都是相位匹配的。高阶色散将限制相位匹配带宽，但由于奇数阶的色散不影响相位匹配，所以只能到第四阶波长。因此，利用零色散，可以获得直到几百纳米的超宽相位匹配。这在图4B中示出，该图示出了相位失配，其为在零色散超带宽的情况下，简并点附近的波长对于在728m处被泵浦的BBO晶体的函数。

该OPO可以被配置并操作为使得信号光场和闲置光场是共线型(在这种情况下，在简并点附近发生宽相位匹配)或非共线型，在这种情况下，可以使用附加的自由度(例如泵浦光束和信号光束之间的角)来在常规泵浦波长处提供宽相位匹配。

对于本发明的目的(即设计完整的CDMA方案)来说，信号光/闲置光生成光源将是发射宽带谱相关光的那种。此处，“谱相关”一词表明光源没有一阶相干(即，各频率的相位未知，所获得的光基本上类似白噪声)，但仍拥有该频率对之间的相位相关性。频率之间的相位相关性在许多处理中发生，其中发射了多于一个的光子，例如二阶或更高阶非线性交互和两光子发射。基于二阶非线性的光源(χ₂效应)也被称为三波混合或参量下转换，同时基于其他已知机制的光源可以被用于生成两个宽带共轭场。这种光源特有的相干性质的操纵使得可以将它们用在光CDMA中。

上述处理可以由图5A(三波混合)和图5B(四波混合)所示的费因曼图来描述。该三波混合处理可以用量子力学解释为将一个高能量泵浦光子转换为两个低能量信号光光子和闲置光光子。由于存在许多可能的信号光-闲置光对，所以它们的能量是不确定的。四波混合可以被解释为两个泵浦光子转换为两个宽带信号光光子和闲置光光子。通常，n个泵浦光子被转换为两个光子的任何处理都可以被认为是依据本发明的光CDMA的基础。

当考虑到用于宽带下转换光的光源时，高转换效率和低阈值是重要的因素。如上所述，由于在穿过非线性介质时下转换的效率通常很低，因而优选地在谐振腔(OPO)内执行该处理。该腔可以是单谐振的或双谐振的(仅谐振一个经下转换的场或谐振它们两者)。然而，当使用谐振腔时，模式竞争会使带宽显著变窄，从而需要对该腔进行专门设计以抑制模式竞争。当对付这个问题时，应该意识到腔中的获胜谐振模式并非必须是具有最高增益的那个，而是具有最高增益-损失差的那个。因此，如果该腔包括影响窄带谐振但并不伤害宽带谐振的损失机制时，后者将成为获胜模式。

本发明通过将上谐振损失引入CPO腔来抑制在OPO腔中的模式竞争。由于通过色散或相对延迟可以显著减少上转换，所以只要振荡是宽带的，则引入上转换损失用作抑制模式竞争的选择性损失机制。可以通过利用简单的方法(例如延迟或色散)或利用更复杂的方法(例如空间光调制或在超短脉冲整形中使用的那些方法)对经下转换的光的谱相位进行整形来控制该上转换谱。

为此可以考虑几种OPO结构，例如图6A-6B、图7A-7C和图8中所示。该结构可以是共线的/非共线的、双谐振/单谐振的、包括一个/两个非线性介质的、配置为线性/环形的腔。最简单的结构是图6A所示的带有一个非线性介质的线性双谐振腔结构。发明人已经详细分析了这种结构的性能。对其他结构的分析与此类似。仅在经下转换的光前向穿过该介质(在泵浦的方向)时，该OPO中才存在增益。在后向传播中，只会出现后向传播上转换。该上转换通常是限制了OPO性能的主要损失机制。例如，由于该损失，线性双谐振OPO的转换效率不会超过50％。

图6A和图6B示意性地示出了依据本发明的OPO光源结构的两个示例，适于在CDMA发送系统中使用以执行下转换处理。图6A的OPO光源300A包括插入在包括两个反射镜311A和311B的光学腔中的非线性光学介质(晶体)310A；以及在介质310的相对两侧处的两个相位整形单元(如延迟/色散单元)312和314形成的相位整形器结构，即容纳在介质310A相对于泵浦光信号光L_pump穿过腔300A的传播方向的上游的反向相对延迟/色散单元312、以及容纳在介质310A的下游的可变相对延迟单元314。此处，使介质310A进行泵浦光L_pump转换所获得的信号光光分量和闲置光光分量L_s和L_i穿过可变相对延迟/色散单元314(其在信号光分量和闲置光分量之间引入了小的相对延迟/色散)而避免了宽带谐振的上转换损失。为了防止在前向传播期间该相对延迟/色散对于下转换处理的影响，通过提供反向延迟/色散单元312在介质310A的另一侧上恢复该相位关系。由于所需的延迟与振荡带宽成反比，因此可能使所引入的延迟最优化以仅对于宽振荡减小上转换损失，而窄带振荡仍遭受下转换损失。因此，在这样的腔中，宽带振荡可以成为获胜模式。

在图6B的光源结构300B中，与图6A不同的是非线性介质由两个相同的非线性晶体310A和310B构成，晶体310A为经泵浦的晶体并用作主振荡器，另一个晶体310B为未经泵浦的晶体并用于抑制模式竞争。在泵浦光束L_pump经过主振荡器晶体310A之后，该光束被从腔中去除(通过附加的反射镜的反射)，并随后通过使经下转换的信号光场L_s和闲置光场L_i穿过在该信号光场和闲置光场之间引入一些相对延迟(或色散)的相位整形单元311A，而对它们进行相位整形。该信号光和闲置光随后进入晶体310B，在该处可能进行上转换以回到泵浦。该上转换会引起振荡信号光和闲置光的损失。如前所述，宽带振荡的上转换对于信号光和闲置光之间的相对延迟非常敏感。因此，如果正确地控制该延迟，则宽带振荡将几乎不受第二晶体310B的影响，而同时通过该上转换将消除窄振荡。为了能够在前向传播期间进行下转换，通过引入反向相对延迟/色散的反向延迟/色散单元311B恢复该相位关系。

在上面的示例中，使用了共线的双谐振结构。然而，应该理解，本发明的原理(包括通过将上转换损失引入腔中来抑制OPO腔中的模式竞争)可以很容易地由非共线和/或单谐振OPO腔结构来实现。

图7A和7B示意性地示出了依据本发明的用于宽带谱相关光的光源的另外两个示例。在图7A的示例中，该光源结构500包括位于两个反射镜511A和511B之间的单个非共线晶体510；以及由第一和第二双侧反射镜512和514形成的相位整形器结构。通过移动双侧反射镜中的至少一个，在后向传播时在信号光和闲置光之间引入了相对延迟，并在前向传播中自动去除该相对延迟。泵浦光L_pump穿过晶体510并被转换为在空间上彼此分开的信号光场和闲置光场L_s和L_i。在图7B的示例中，OPO结构600采用容纳在两个反射镜611A和611B之间的两个隔开的共线晶体610A和610B，其中晶体610A被泵浦，而晶体610B未被泵浦，并且该OPO结构600包括在晶体610B的相对的输入/输出侧的正负相对延迟单元612和614形式的相位整形结构。以自示例的方式示出穿过OPO结构500和600的光。

图7B的环形腔结构可以在光纤中实现。这在示出了光源结构700的图7C中示意性示出，在该图7C中，相隔开的两个非线性晶体710A和710B被以隔开关系放置，并且它们通过形成环形腔的两个光纤段F₁和F₂相互耦合。该光纤段F₁和F₂被设计为分别向穿过其中的光施加正负色散。该晶体710被泵浦而发出经下转换的场，并且通过在作为各个区的五芯上设置布拉格反射器而将泵浦光L_pump从该腔中去除。

图7D和图7E中示出了依据本发明的光源结构的一些其他可能实现。这些示例表现了单谐振、非共线结构。

在图7D的示例中，光源结构700包括由两个反射镜711A和711B之间的非共线晶体(非线性介质)710形成的谐振腔，并包括附加的反射镜711C和由两个相位整形单元712和714形成的相位整形结构，它们都位于腔外。如图所示，引导泵浦光束Lpump穿过晶体710并因此发射沿交叉轴传播的信号光场和闲置光场L_s和L_i。信号光场L_s被从反射镜711A反射以传播回晶体710。闲置光场L_i穿过相位整形单元712，因此相对于信号光场发生相位偏移，并被从反射镜711C反射以传播回晶体710。通过使闲置光穿过反向相位整形单元714而在晶体的另一侧处恢复信号光场和闲置光场的相位关系。

图7E中所示的光源结构800包括在两个反射镜811A和811B之间的由两个晶体810A和810B形成的谐振腔，并包括反射镜811C和两个相位整形单元812和814。非线性晶体810A被光束L_pump所泵浦，并且所发射的信号光场和闲置光场L_s和L_i分别向反射镜811A和811C传播，并由此被反射向晶体810A和810B。闲置光场在传播到晶体810B的同时穿过相位整形器单元812，并因此避免了晶体810B中的信号光场和闲置光场的上转换。闲置光场在从晶体810B中出来之后，穿过反向相位整形器814，并因此恢复了输出信号光场和闲置光场之间的相位关系。

定期截角KTP可以被选为非线性介质，主要是由于其高非线性常数和商业可获得性，并且还因为通过小的温度改变(几摄氏度)就可以很容易在这种晶体中控制相位匹配。该相位整形单元可以是适当设计的玻璃板、光纤、空间光调制器。

光源还可以包括主动改变该腔的光学长度的一种机构。这与这样的事实相关：只有在泵浦激光器频率和OPO腔的模式相一致时，才会在OPO腔中发生宽带下转换。利用常规OPO(其中无需宽带输出)，由于腔中元素的色散未被补偿，所以OPO输出模式不是等间隔的，结果在任何泵浦频率下，总是存在至少一对信号光和闲置光分量。然而，本发明的OPO结构要求尽可能多的信号光/闲置光对(即，几乎为零的总色散)，从而得到了相等间隔的输出模式。因而，腔模式的谱结构应该使泵浦频率落在腔模式的频率上。为此，对泵浦进行正确调谐，或者锁定OPO腔的光学长度以与泵浦频率相匹配。该腔锁定的反馈输入可以是输出光束强度。例如，腔内电光调制器(EOM)可用于此目的，这是由于其能够补偿大宽带的噪声。

图8例示了本发明的OPO腔结构400的详细布局，由于利用对称布鲁斯(Brewster)角结构中的棱镜对可以获得低损失的正色散和负色散，所以该OPO腔结构400利用色散作为控制腔内相位关系的机制。该结构400包括增益介质(非线性晶体)400；EOM单元411；反射镜416A和416B；高反射性元件417；可调谐负色散元件(棱镜)P₁、P₂；可调谐正色散棱镜P₃、P₄和输出光束耦合器418。棱镜P₅、P₆用于重排输出光束以与腔内未被色散的光束相同。该结构用于获得1064nm周围大约50nm的振荡带宽。

上面的光源结构用于控制减少的损失的量。因此，与不具有模式竞争抑制的OPO相比，几乎会使宽带振荡的OPO效率加倍。

发明人已进行了详细的原理和示例分析，该分析示出了低阈值高效率宽带OPO的可行性。基于对文献2第9章117-140页出现的单色信号光和闲置光的情况的阈值泵浦强度和转换效率的分析，已分析了转换效率与图6A的OPO结构的振荡带宽的依赖关系(假定稳定的状态操作)。更具体地，对图6A的带有模式竞争抑制方案的宽带信号光和闲置光进行了类似的分析。

假定泵浦的损耗低，在穿过长度l的非线性介质之后的泵浦振幅A_p ⁺[l]为：

   A_p ⁺[l]＝A_p ⁺[0]-lk∫A_s ⁺(ω)A_l ⁺(ω_p-ω)dω      (17)

其中，A_s ⁺(ω)是频率ω处的信号光场的前向传播分量(“+”表示前向传播)，A_p ⁺[0]是进入介质的泵浦振幅，并假设非线性耦合常数k独立于频率，对于接近简并点的频率来说，这是合理的假设。

类似地，后向传播上转换振幅为：

   A_p ^-[0]＝lk∫A_s ^-(ω)A_l ^-(ω_p-ω)dω            (18)

当输出耦合器的反射率对信号光和闲置光都相同时，腔状态对两者是对称的。在这些条件下，前向传播闲置光场与信号光场复共轭，同时后向传播闲置光具有附加的相位，这是由于在腔中的相对延迟τ产生的：

     A_l ⁺(ω_p-ω)＝(A_s ⁺(ω))^*

     A_l ^-(ω_p-ω)＝(A_s ^-(ω))*exp[iωτ]                 (19)

当使用其他相位控制机制时，例如色散，公式(19)被相应修改(对分析没有影响)。

将公式(19)代入公式(17)和(18)，得到：

  A_p ⁺[1]＝A_p ⁺[0]-lk∫|A_s ⁺(ω)|2dω                     (20)

  A_p ^-[0]＝lk∫|A_s ^-(ω)|²exp[iωτ]dω                  (21)

如果腔中的增益不是很高，则信号光场和闲置光场可以在任何频率上近似，以成为强度为常数的驻波。

             |A_s ⁺(ω)|≈|A_s ^-(ω)|

并且因此可以不要上标号+/-。

将函数F(τ)定义为：

       F(τ)≡∫|A_s(ω)|²exp[iωτ]dω           (22)

我们得到：

       A_p ⁺[l]＝A_p ⁺[0]-lkF(0)                     (23)

       A_p ^-[0]＝lkF(τ)                           (24)

这是对常规双谐振OPO结构所获得的。

应该注意，F(0)＝∫|A_s(ω)|²dω与腔中的信号光光子的数目(其等于下转换光子对的数量)成正比。

这样可以写出能量保存公式，根据该公式，在稳定状态，每秒泵浦所损失的光子数目等于每秒离开腔的信号光-闲置光光子对的数目：

${\left|A_p^{+}\right[0\left]\right|}^2-{\left|A_p^{+}\right[l\left]\right|}^2-{\left|A_p^{-}\right[0\left]\right|}^2=\mathrm{TF}\left(0\right)---\left(25\right)$

其中T是腔中的损失，等于理想腔中的输出耦合器发送。

将公式(23)和公式(24)代入公式(25)，并进行一些算术操作，可以得到：

$\frac{\mathrm{TF}\left(0\right)}{{\left|A_p^{+}\right[0\left]\right|}^2}=\frac{1}{1+{\left|\frac{F\left(\mathrm{\τ}\right)}{F\left(0\right)}\right|}^2}[\frac{2T}{\mathrm{\κl}{A}_p^{+}\left[0\right]}-\frac{T^2}{{\mathrm{\κ}}^2{l}^2{\left|A_p^{+}\right[0\left]\right|}^2}]---\left(26\right)$

公式(26)的左侧可以被识别为转换效率η，由于其恰好是每秒离开腔的经下转换的信号光-闲置光光子对除以每秒入射泵浦光子的数目。由于假定了良好的相位匹配，所以泵浦场可以被取为实数，并调用阈值泵浦强度[2，3]的表达式 ${\left|A_{p-\mathrm{th}}\right|}^2=T^2/4{\mathrm{\κ}}^2{l}^2$ ，公式(26)可以被写为：

$\mathrm{\η}=\frac{4}{1+{\left|\frac{F\left(\mathrm{\τ}\right)}{F\left(0\right)}\right|}^2}\left[\right|\frac{A_{p-\mathrm{th}}}{A_p^{+}\left[0\right]}|-{\left|\frac{A_{p-\mathrm{th}}}{A_p^{+}\left[0\right]}\right|}^2]---\left(27\right)$

将 $N\≡I_p/I_{\mathrm{th}}={\left|A_p^{+}\right[0]/A_{p-\mathrm{th}}|}^2$ 定义为实际泵浦强度(I_p)和阈值泵浦强度(I_th)之间的比值，得到：

$\mathrm{\η}=\frac{2}{1+{\left|\frac{F\left(\mathrm{\τ}\right)}{F\left(0\right)}\right|}^2}[\frac{2}{\sqrt{N}}-\frac{2}{N}]---\left(28\right)$

应该注意，在没有相对延迟(τ＝0)的情况下，公式(28)变为：

${\mathrm{\η}}_0=\frac{2}{N}[\sqrt{N}-1]---\left(29\right)$

上面是通过没有模式竞争抑制的双谐振OPO而获得的常规结果。

为确定在腔中增加相对延迟的效应，进行了如下考虑。根据公式(28)，对于具有相同阈值(相同N)的两个振荡，对于任何泵浦功率(对于任何N)，主要振荡将是具有较小的F(τ)的振荡。F(τ)的时间宽度与该振荡的谱宽度成反比，从而较宽的振荡将是主要的。比较非常窄振荡(F(τ)基本上独立于τ)与非常宽振荡(对于大于信号光场相干时间的τ，F(τ)趋近于0)的两个受限的可能性，得出转换效率的提高接近系数2，这是相当大的改进。

实践中，期望宽振荡具有较高的阈值，因此，当泵浦功率低时，窄振荡将占优势。但是，当随着泵浦功率提高，高于阈值时，情况变得越来越有利于较宽振荡。

图9示出了所计算出的转换效率，其为N(N＝I_p/I_th)对于很窄振荡(曲线图G1)、理想宽带振荡(曲线图G2)和实际宽带振荡(曲线图G3)的函数。取强度I_th作为所有可能振荡中的最小阈值强度。对于很宽的宽带振荡，τ可以被调谐，从而F(τ)可以忽略，这样在N＝4附近，转换效率可以接近100％，这对于很多应用都是最理想的。因此，显而易见，为了获得宽带振荡，使宽带振荡的阈值等于窄带振荡的最小阈值是理想的。换句话说，由于可以将宽带振荡分解成许多信号光-闲置光对，所以希望所有这些对具有相同的阈值，即，阈值强度独立于波长。

可以在很大程度上满足上述要求。这在图10A-10B中示出，其示出了阈值泵浦强度(I_th)的计算，该阈值泵浦强度(I_th)是信号光波长对于两种宽相位匹配情况的函数，这两种情况分别为：在宽相位匹配结构中被532nm所泵浦的腔中的损失为2％的1cm长的PPKTP晶体(图10A)；和在零色散超宽相位匹配结构中被728nm所泵浦的腔中的损失为1％的1.4cm长的BBO晶体(图10B)。很显然，直到整个相位匹配带宽的15％，阈值强度都是常数。

上述考虑证明了对依据本发明的新颖的OPO结构的需要和可行性。通常，本发明的光源由于其唯一的光谱和时间特性，可以用于各种应用中，例如可以用在非线性显微术和层析X射线摄影术中，其中在低CW强度处可以获得超短脉冲的大约1微米的空间分辨率，避免了脉冲的损害性的峰值强度，或在光学通信中(具体地是在光CDMA中)用作键生成光源。本发明的键编码/解码方案可以用于光学复用/解复用。

本领域技术人员将容易意识到可以在不脱离所附权利要求限定的范围的情况下对前面例示的本发明的实施例进行各种变形和改变。

Claims (60)

1、一种自动生成在光码分多址系统中使用的键和共轭键的方法，该方法包括：对泵浦输入光施加下转换处理，从而产生相互复共轭的经下转换的宽带信号光场和闲置光场，所述信号光场和闲置光场用作键及其共轭。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述下转换处理包括使泵浦光穿过非线性光学介质。

3、根据权利要求1所述的方法，其中，所述下转换处理包括使泵浦光穿过具有由在两个反射体之间的至少一个非线性光学介质形成的谐振腔的光学结构。

4、根据权利要求3所述的方法，包括减少穿过所述谐振腔的经下转换的光场的上转换效应。

5、根据权利要求4所述的方法，其中，所述上转换效应的减少包括在经下转换的光场的至少其中之一穿过所述光学结构的同时对该光场施加进行谱相位整形。

6、根据权利要求5所述的方法，其中，所述谱相位整形包括在从非线性介质中出现的所述经下转换的信号光场和闲置光场之间引入相对延迟，并在所述信号光场和闲置光场进一步穿过所述非线性介质之前恢复它们的相位关系。

7、根据权利要求6所述的方法，其中，所述相对延迟与各个经下转换的场的相干时间τ＝1/Δω大体相同，其中，Δω是经下转换的光的谱宽度。

8、根据权利要求1所述的方法，其中，所述下转换处理在数据发送侧执行。

9、根据权利要求1所述的方法，其中，所述下转换处理在数据接收侧执行。

10、一种在光码分多址(CDMA)系统中使用的方法，该方法包括：对用于将数据从数据发送系统载运到数据接收系统的光信道施加下转换处理，所述光信道的下转换自动产生宽带信号光场和闲置光场，该两个光场相互复共轭并因此用作键及其共轭，从而能够对该信号光场和闲置光场至少之一进行数据调制，并通过对它们一起进行上转换处理，从而提取数据。

11、一种在光码分多址(CDMA)系统中使用的方法，该方法包括以下步骤中的至少之一：

——对用于将数据从数据发送系统载运到数据接收系统的光信道进行下转换处理，所述光信道的下转换自动产生宽带信号光场和闲置光场，这两个光场相互复共轭并因此用作键及其共轭，从而使得能够用所述数据对所述信号光场和闲置光场至少之一进行调制，并一起处理所述信号光场和闲置光场以提取数据；以及

——对包含代表光学信道的下转换信号光场和闲置光场的数据载运光施加上转换处理，从而在数据接收系统中恢复表示数据信道的光。

12、根据权利要求10所述的方法，其中，对数据接收系统中的光信道施加所述下转换处理，并且将信号光场和闲置光场之一被从所述接收系统发送到所述数据发送系统，从而使得能够在数据发送系统处对所述信号光场和闲置光场的所述之一进行数据调制。

13、根据权利要求10所述的方法，其中，对所述数据发送系统中的光信道施加所述下转换处理。

14、根据权利要求11所述的方法，其中，在数据接收系统中对光信道进行所述下转换处理，并且将所述信号光场和闲置光场之一从所述接收系统发送到所述数据发送系统，从而使得可以在所述数据发送系统处对所述信号光场和闲置光场的所述之一进行数据调制。

15、根据权利要求11所述的方法，其中，在所述数据发送系统中对光信道施加所述下转换处理。

16、一种在光码分多址(CDMA)系统中产生光学信道的方法，该方法包括：对用于将数据从数据发送系统载运到数据接收系统的输入光施加下转换处理，所述下转换处理产生经下转换的信号光场和闲置光场，这两个光场相互复共轭并因此表示键及其共轭，从而使得能够对信号光场和闲置光场至少之一的谱相位进行唯一的影响，以定义所述信号光场和闲置光场之间的唯一相位关系，并使得能够利用上转换处理提取数据。

17、一种在光码分多址(CDMA)系统中产生光学信道的方法，该方法包括：

(i)对用于将数据从数据发送系统载运到数据接收系统的输入光进行下转换处理，所述下转换处理产生经下转换的信号光场和闲置光场，它们相互复共轭并因此代表键及其共轭；

(ii)对所述信号光场和闲置光场至少之一的谱相位进行唯一的影响，从而定义所述信号光场和闲置光场之间的唯一相位关系，从而使得能够利用上转换处理来提取数据。

18、根据权利要求16所述的方法，其中，所述信号光场和闲置光场中的一个用于数据调制，对所述信号光场和闲置光场中的所述一个施加所述唯一的谱相位影响。

19、根据权利要求16所述的方法，其中，所述信号光场和闲置光场中的一个用于数据调制，对所述信号光场和闲置光场中的另一个进行所述唯一的谱相位影响。

20、根据权利要求18所述的方法，其中，所述下转换处理在执行数据调制的所述数据发送信号中执行。

21、根据权利要求19所述的方法，其中，所述下转换处理在所述数据接收信号中执行。

22、根据权利要求19所述的方法，其中，所述下转换处理在执行数据调制的所述数据发送信号中进行。

23、根据权利要求16所述的方法，包括操纵所述数据接收系统以执行以下步骤：

施加所述下转换处理，将所述信号光场和闲置光场之一发送到所述数据发送系统，从而使所述数据发送系统能够用各个数据调制所述信号光场和闲置光场的所述之一，所述数据接收系统和数据发送系统之间的特定距离定义了所述信号光场和闲置光场之间唯一的相位关系，对所述信号光场和闲置光场中的另一个施加唯一的谱相位影响；并且在接收到所述经数据调制的光场时，对所述受谱相位影响的经数据调制的光场和另一受谱相位影响的光场施加上转换处理。

24、根据权利要求16所述的方法，包括操作所述数据发送系统以执行以下步骤：

施加所述下转换处理；

利用各个数据调制所述信号光场和闲置光场之一；

对所述信号光场和闲置光场中的至少一个执行所述唯一的谱相位影响，从而限定所述信号光场和闲置光场之间唯一的相位关系；以及将所述信号光场和闲置光场发送到所述数据接收系统，从而使所述数据接收系统能够对所接收的光场之一采用所述唯一的相位影响值以由此恢复所述光场之间的相位关系，并且对所接收的光场进行上转换处理。

25、根据权利要求16所述的方法，其中，所述相位影响包括以下之一：相对延迟、材料色散、基于脉冲整形的谱相位滤波。

26、根据权利要求25所述的方法，其中，所述唯一延迟值与各光场的相干时间τ＝1/Δω大体相当，其中，Δω是经下转换的光的谱宽度。

27、根据权利要求16所述的方法，包括依据待由所述光学信道载运的数据，对所述信号光场和闲置光场至少之一进行调制。

28、根据权利要求16所述的方法，其中，在数据接收系统中的所述数据提取包括：通过使用唯一的相位影响值对所述信号光场和闲置光场中的至少一个进行谱相位影响，从而恢复所述特定信道的信号光场和闲置光场之间的相位关系；并且随后对包含受相位影响的信号光场和闲置光场的光进行上转换处理，从而使得能够将所述信道与所述光的剩余部分分离开。

29、一种复用光学信道的方法，包括：

——产生N个光学信道，N≥1，所述光学信道由一对经下转换的信号光场和闲置光场代表，该一对光场相互复共轭并代表了键及其共轭，从而可以依据待由所述光学信道载运的对应数据，对所述光信道进行调制；

——对该同一信道的所述信号光场和闲置光场至少之一施加唯一的相位影响值，从而限定该信道的所述信号光场和闲置光场之间唯一的相位关系，从而使得能够利用各自唯一的相位影响和上转换处理在数据接收系统中进行光的解复用，以提取特定信道。

30、根据权利要求29所述的方法，其中，所述相位影响包括以下之一：相对延迟、材料色散、基于脉冲整形的谱相位滤波。

31、根据权利要求30所述的方法，其中，所述唯一延迟与各光场的相干时间τ＝1/Δω大体相当，其中，Δω是经下转换的光的谱宽度。

32、根据权利要求30所述的方法，其中，所述与不同信道相关联的唯一延迟之间的差值长于所述信号光场和闲置光场的相干长度。

33、根据权利要求29所述的方法，其中，所述N个光学信道共享同一对信号光场和闲置光场。

34、根据权利要求33所述的方法，其中，通过用泵浦光泵浦单个非线性光源从而生成相互复共轭的经下转换的宽带信号光部分和闲置光部分，并将所述信号光部分和闲置光部分之一分成N个空间上分开的光分量，来生成所述N个光学信道。

35、根据权利要求33所述的方法，其中，通过一个噪声源种下N个光源来生成所述N个光学信道，从而使所有光源产生相同的信号光场和闲置光场。

36、根据权利要求29所述的方法，其中，所述N个光学信道中的每一个具有其自己的信号光场和闲置光场。

37、根据权利要求36所述的方法，其中，通过泵浦出N个不相干光源产生所述N个光学信道，从而分别产生N对信号光分量和闲置光分量。

38、根据权利要求29所述的方法，包括对所述信道的信号光场和闲置光场中的任一个施加数据调制。

39、根据权利要求29所述的方法，其中所述一对经下转换的信号光场和闲置光场所代表的光学信道的产生以及对所述光场中的至少一个施加所述唯一相位影响值的操作在数据发送系统中执行。

40、根据权利要求29所述的方法，其中所述一对经下转换的信号光场和闲置光场所代表的光学信道在所述数据接收系统中产生。

41、根据权利要求40所述的方法，其中将所述唯一相位影响值施加到待用特定数据调制的光场的操作是通过所述数据接收系统和数据发送系统之间的预定距离实现的，并且将所述唯一相位影响值的相反值施加到所述数据接收系统中的另一光场。

42、根据权利要求29所述的方法，包括在数据接收系统中对光进行解复用，以提取该特定信道，所述解复用包括：

——通过使用与所述特定信道对应的所述唯一相位影响的相反值来影响所接收光中的所述信号光场和闲置光场中的至少一个，从而恢复所述特定信道的信号光场和闲置光场之间的相位关系，以使得可以进行上转换处理；

——施加上转换处理，从而使得能够恢复并提取所述特定信道。

43、根据权利要求42所述的方法，包括对所述经上转换的光中的信号光场和闲置光场至少之一的剩余部分施加所述唯一的相位影响值，并使得可以将所述剩余光场传送到接收机系统。

44、一种在光码分多址中使用的方法，所述方法包括：

产生N个光学信道，每个光学信道由相互复共轭的经下转换的信号光分量和闲置光分量形式的键及其共轭代表，从而可以依据待由各所述信道载运的各个数据对所述信道进行调制；使用与施加给其他信道的相位影响值不同的唯一的相位影响值对该信道的所述信号分量和闲置分量至少之一进行相位影响，从而限定各信道的所述信号光场和闲置光场之间唯一的相位关系，来唯一地对各个信道进行编码，并使得可以将经下转换的分量向接收系统发送，从而使得能够在各接收系统中通过在所述信号光场和闲置光场之间进行分离，使用与所述特定信道相对应的所述唯一相位影响的相反值来影响所述信号光场和闲置光场中的至少一个的相位，从而恢复所述特定信道的信号光场和闲置光场之间的相位关系，来从所有其他信道中提取该特定信道；以及对所接收的光施加上转换处理，从而恢复该特定信道，并使得能够将其与所接收的光的其余部分分离开。

45、一种在光码分多址中使用的方法，所述方法包括：

由各数据接收系统产生光学信道，所述光学信道由相互复共轭的经下转换的信号分量和闲置分量形式的键及其共轭代表，并通过发送信道发送所述光场之一，以在对应的数据发送系统中接收，从而使得可以在所述数据发送系统中对所述光场的所述之一进行数据调制，并将经调制的光场返回到所述数据接收系统，对应的数据接收系统和数据发送系统之间的预定距离导致对所述光场的所述之一施加了唯一的相位影响值，这定义了所述信道的信号光场和闲置光场之间的唯一的相位关系；

对另一光场施加所述唯一相位影响值的相反值；以及

当接收到所返回的经调制的受相位影响的光场时，对所述两个光场都施加上转换处理，从而提取所述数据。

46、根据权利要求44所述的方法，包括对经上转换的光的剩余部分中的其他信号光场和闲置光场施加所述唯一相位影响，并使得可以将所述剩余光传送到接收系统。

47、一种光学复用系统，包括：

——光源结构，用于产生N个光学信道，每个光学信道由相互复共轭并代表键及其共轭的经下转换的信号光场和闲置光场代表；

——相位影响装置，容纳在所述键场的光学路径中，并可用于以向各键场施加与施加到其他键场的相位影响值不同的唯一相位影响值；

——输出耦合器，用于组合所述经相位影响的键场和共轭键场，以使得它们可以经过光网络传输。

48、一种光学解复用系统，可用于接收输入的多信道光，并从中提取特定光学信道，所述系统包括：

——频率滤波器，用于在所接收的光中的经下转换的信号光场和闲置光场之间进行空间分离，所述信号光场和闲置光场表示该特定信道的键及其共轭；

——相位影响装置，被预编程以通过对所述共轭光场施加与所述特定信道对应的预定唯一相位影响的相反值，来影响所述共轭光场的相位；以及

——光源结构，用于对经下转换的光场施加上转换处理，从而使得能够提取所述特定信道。

49、一种光学复用/解复用系统，包括：

——光源结构，用于对待载运特定光学信道的数据的光进行下转换处理，所述经下转换的光包括相互复共轭并代表该特定信道的键及其共轭的信号光场和闲置光场；

——频率滤波器，用于在经下转换的信号光场和闲置光场之间进行空间分离；

——相位影响装置，可用于对光场施加唯一的相位影响；

——光源结构，用于对经下转换的光场施加上转换处理，从而使得能够提取所述特定信道。

50、一种用于在码分多址系统中生成用作光学信道的宽带键及其共轭的光源，所述光源包括：非线性光学结构，可用于接收输入光，并生成输出的相互复共轭并因此代表键及其共轭的经下转换的信号光场和闲置光场。

51、根据权利要求50所述的光源，其中，所述结构包括：由两个反射镜之间的至少一个非线性介质形成的谐振腔；以及相位整形结构，用于影响所述经下转换的光场中至少之一的谱相位，从而在经下转换的光场之间引入特定的相位关系，并在经下转换的光场在穿过所述结构的同时减小该经下转换的光场的宽带振荡的上转换效应。

52、根据权利要求51所述的光源，其中，所述相位整形器被构造为在所述非线性介质所发射的经下转换的光场之间引入相对延迟，并在所述光场在穿过所述谐振腔的同时在进一步穿过所述介质之前恢复所述光场的相位关系。

53、根据权利要求52所述的光源，其中，所述相对延迟与各经下转换的光场的相干时间τ＝1/Δω大体相当，其中，Δω是经下转换的光的谱宽度。

54、根据权利要求51所述的光源，包括：单个非线性介质，以及分别位于所述非线性介质的上游和下游的两个相位整形单元。

55、根据权利要求51所述的光源，包括：第一非线性介质，其被输入光所泵浦以产生经下转换的光场；第二非线性介质，在所述经下转换的光场的光路中；以及容纳在该第二介质的相对的输入/输出侧的两个相位整形单元。

56、一种产生宽带的经下转换的光场的方法，所述方法包括将输入光穿过谐振非线性光学结构，并在经下转换的光场穿过所述结构的同时，影响其相位，以减少所述经下转换的光场的宽带振荡的上转换效应。

57、一种用于宽带的谱相关光的光源，该光源包括：谐振非线性光学结构，具有由两个反射镜之间的至少一个非线性介质形成的谐振腔；以及相位整形结构，所述相位整形结构可用于在所述经下转换的光场之间引入特定的相位关系，并减少穿过所述光学结构的经下转换的光的上转换效应。

58、根据权利要求57所述的光源，其中，所述相位整形器结构可用于在所述信号光场和闲置光场之间引入相对延迟或色散。

59、根据权利要求57所述的光源，其中，所述腔包括：单个非线性光学介质，被所述输入光所泵浦以发出经下转换的信号光场和闲置光场，以及分别容纳在所述介质上游和下游的两个相位整形单元。

60、根据权利要求57所述的光源，其中，所述腔包括：第一非线性介质，被输入光所泵浦以发出经下转换的光场；第二非线性介质，在所述经下转换的光场的光路中；以及分别容纳在所述第二介质的相对的输入/输出侧的两个相位整形单元。

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