基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器及生成方法技术

本发明专利技术提出了一种基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器及生成方法，用以解决现有PSA中不易产生四阶阶梯相位响应，不能实现QPSK信号的相位再生的问题；步骤为：有N个光波在四波混频过程中相互作用，得到以下N个耦合差分方程；确定具体有多少个波长参与了四波混频过程；将所有参与四波混频过程的波长列入步骤一中N个耦合差分方程中计算输出波的复振幅和相位，得到相位敏感放大器；利用多波模型对相位敏感放大器的配置参数优化，得到三种基于HNLF的多泵浦PSA用于QPSK信号再生。本发明专利技术通过优化泵浦光与信号光的初始功率设计出高能效的PSA，以较低的非线性相移得到四阶阶梯相位响应对QPSK信号进行相位再生。

【技术实现步骤摘要】
基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器及生成方法
本专利技术涉及光通信的
，尤其涉及一种基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器及生成方法。
技术介绍
在光通信中，相位敏感放大器(Phasesensitiveamplifier，PSA)在低噪声放大与相位噪声消除领域得到了广泛的应用。在高速光通信系统中，为了适应快速增长的网络流量，具有高频谱效率的高级调制格式成为了研究热点。目前，利用QPSK调制格式的100Gb/s传输系统已经投入到商用通信网络中。为了拓展高速QPSK光网络的规模，研究用于消除网络节点传输中累积噪声的再生器具有重要的意义。相位敏感放大器(PSA)能够放大差分相移键控(differentialphaseshiftkeying，DPSK)信号中的同相分量并同时衰减正交分量，因此能够有效地抑制DPSK信号中的相位噪声。传统的PSA会将信号的复振幅投射至增益轴上，因此对于QPSK信号而言，会被转换为二进制相位相移键控(binaryphaseshiftkeying，BPSK)信号而无法进行直接信号的再生。而多泵浦PSA可以通过改变配置参数，实现四阶阶梯相位响应，因此可以适用于QPSK信号的再生。目前对基于不同非线性光学介质的PSA已进行了广泛地研究，其中基于高非线性光纤(Highlynonlinearfiber，HNLF)的PSA因克尔效应的超快响应速度(10-14s)而具有的超高速信号处理、低损耗特性与色散可控性等特点使其在众多的PSA中脱颖而出。基于HNLF的相位敏感放大器因其超快响应速度、低损耗与色散可控等特点使得PSA的结构能够灵活多变。通过合理调整基于HNLF的多泵浦相位敏感放大器的配置参数就能获得理想的增益与相应曲线。双泵浦简并PSA因其同相放大、反相衰减(二进制阶梯相位响应)的特性常常用来对BPSK信号进行再生。但是对于QPSK信号的再生而言，则需要一个具有四阶阶梯相位转移函数的PSA。基于HNLF的PSA基本原理可以理解为能量在信号光、泵浦光以及四波混频所产生边带之间的转移。拥有低色散斜率的基于HNLF的PSA必然会因FWM产生很多高阶边带，于是往往利用7波模型(例如：双泵浦简并PSA)来计算PSA的高增益消光比。在这种模型中，高阶边带能够通过消耗泵浦功率来促进相位敏感衰减，从而获得较高的增益消光比。当有更多的波长参与到PSA中的四波混频(FWM)过程中时，就需要对原先的7波模型做成相应的扩展了。对于具有各种频率分配以及输入波功率分配的多泵浦PSA，此时就需要相应地建立一个多波数值模型了。
技术实现思路
针对现有PSA中不易产生四阶阶梯相位响应，不能实现QPSK信号的相位再生的技术问题，本专利技术提出一种基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器及生成方法，提出了三种基于高非线性光纤的相位敏感放大器，并通过优化它们的配置参数使其尽可能在较小的非线性相移(nonlinearphaseshift，NPS)情况下具有四阶阶梯相位响应，实现对QPSK信号进行再生的功能。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器生成方法，其步骤如下：步骤一：有N个光波在四波混频过程中相互作用，包括泵浦光、信号光以及产生的四波混频边带，忽略一些特殊结构的相位敏感放大器，得到以下N个耦合差分方程：其中，Ai为N个光波的复振幅，i＝1,2…,N；Ai(z)、z、α、Ap、Am、Aq、Δβi,q,q,o分别表示i光波振幅、光波在光纤中的距离、光纤损耗、四波混频产生的光波n振幅共轭、泵浦光波振幅、四波混频产生的光波m振幅、四波混频产生的光波o振幅共轭、四波混频产生的光波q振幅、相位失配；Δβi,p,m,n＝βp+βm-βi-βn，β为光波传输常数β＝1/2*β2，其中β2为光纤的二阶色散系数，βp、βm、βi、βn分别为不同光波p、m、i和n的传输常数；γ＝2πn2/λAeff为光纤非线性系数，n2为光纤非线性折射率，Aeff为有效模场面积；步骤二：确定具体有多少个波长参与了四波混频过程；步骤三：将所有参与四波混频过程的波长列入步骤一中N个耦合差分方程中计算输出波的复振幅和相位，得到相位敏感放大器；步骤四：利用多波模型对相位敏感放大器的配置参数优化，得到所预期的相位敏感放大器的增益与相位特性，得到用于QPSK信号再生的多泵浦相位敏感放大器。确定参与四波混频过程中波长具体个数的方法为：在N个波长中找到所有能够满足能量转换关系的波长组合；将找出的波长组合进行分类，分成非简并四波混频过程与简并四波混频过程；分别在非简并四波混频过程与简并四波混频过程中对所找出的重复组合进行整理，将表示同一个四波混频的过程记为一个FWM过程；将所有整理出的FWM过程通过N个耦合差分方程计算输出波的复振幅。所述计算输出波的复振幅的方法为：计算所有光波的模传播常数β，依据之前确定的FWM过程的波长组合与各个波长的频率ωi，计算出所有FWM过程的相位失配Δβi,p,m,n＝βp+βm-βi-βp；根据整理出的FWM过程分别写出N个耦合差分方程，并对输入光波进行初始化，确定泵浦、信号以及四波混频边带初始时的功率和相位参数；对所列出的N个耦合差分方程进行积分计算，求解出各个光波的输出复振幅与相位。借助三阶边带能够实现四阶阶梯相位转移函数的双泵浦非简并相位敏感放大器的输出信号表示为：其中A为输出信号包含相位φs的复振幅，φ为输入信号的相位，m1为其权重系数。借助五阶边带能够实现四阶阶梯相位转移函数的双泵浦非简并相位敏感放大器的输出信号表示为：其中，A为输出信号包含相位φs的复振幅，φ为输入信号的相位，m2为其权重系数。利用第三种多谐波相位敏感放大器来实现信号的转换，得到振幅保留多谐波相位敏感放大器的输出信号表示为：其中，A为输出信号包含相位φs的复振幅，φ为输入信号的相位，m3和m4为其权重系数。画出上述三阶双泵浦非简并相位敏感放大器、五阶双泵浦非简并相位敏感放大器和振幅保留多谐波相位敏感放大器三种相位敏感放大器的泵浦光、信号光以及边带的频谱分配图，三阶双泵浦非简并相位敏感放大器和五阶双泵浦非简并相位敏感放大器中有4个输入光，振幅保留多谐波相位敏感放大器有6个输入光，包括输入泵浦光、输入信号光、输入边带与FWM产生的边带在内总共有11个光波参与振幅保留多谐波相位敏感放大器中；用一组11个耦合差分方程来表示在这三种相位敏感放大器中参与到FWM过程的所有光波的振幅Ai，i＝1,2…,11；这11个光波能够构成满足FWM过程的组合共有610个，其中包括560个非简并四波混频过程和50个简并四波混频过程；对这些FWM过程组合进行整理，得到70个不同的非简并四波混频过程与25个不同的简并四波混频过程；计算了各个FWM过程中不同频率ωi的模传播常数；对输入波进行了初始化，确定其功率和相位参数对11个耦合差分方程求解积分，便可得到所有波的振幅与相位。采用一段长度为600m、零色散波长为1542nm、非线性系数为10W-1km-1、衰减为0.65dB/km、色散斜率为0.026ps·nm-2km-1的高非线性光纤，给定第二泵浦波长λp2在1544nm的位置，信号光在距此大约0.3nm的波长间隔δλ处，其他波长均可由第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器生成方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：有N个光波在四波混频过程中相互作用，包括泵浦光、信号光以及产生的四波混频边带，忽略一些特殊结构的相位敏感放大器，得到以下N个耦合差分方程：

【技术特征摘要】
1.一种基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器生成方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：有N个光波在四波混频过程中相互作用，包括泵浦光、信号光以及产生的四波混频边带，忽略一些特殊结构的相位敏感放大器，得到以下N个耦合差分方程：其中，Ai为N个光波的复振幅，i＝1,2…,N；Ai(z)、z、α、Ap、Am、Aq、Δβi,q,q,o分别表示i光波振幅、光波在光纤中的距离、光纤损耗、四波混频产生的光波n振幅共轭、泵浦光波振幅、四波混频产生的光波m振幅、四波混频产生的光波o振幅共轭、四波混频产生的光波q振幅、相位失配；Δβi,p,m,n＝βp+βm-βi-βn，β为光波传输常数β＝1/2*β2，其中β2为光纤的二阶色散系数，βp、βm、βi、βn分别为不同光波p、m、i和n的传输常数；γ＝2πn2/λAeff为光纤非线性系数，n2为光纤非线性折射率，Aeff为有效模场面积；步骤二：确定具体有多少个波长参与了四波混频过程；步骤三：将所有参与四波混频过程的波长列入步骤一中N个耦合差分方程中计算输出波的复振幅和相位，得到相位敏感放大器；步骤四：利用多波模型对相位敏感放大器的配置参数优化，得到所预期的相位敏感放大器的增益与相位特性，得到用于QPSK信号再生的多泵浦相位敏感放大器。2.根据权利要求1所述的基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器生成方法，其特征在于，确定参与四波混频过程中波长具体个数的方法为：在N个波长中找到所有能够满足能量转换关系的波长组合；将找出的波长组合进行分类，分成非简并四波混频过程与简并四波混频过程；分别在非简并四波混频过程与简并四波混频过程中对所找出的重复组合进行整理，将表示同一个四波混频的过程记为一个FWM过程；将所有整理出的FWM过程通过N个耦合差分方程计算输出波的复振幅。3.根据权利要求1或2所述的基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器生成方法，其特征在于，所述计算输出波的复振幅的方法为：计算所有光波的模传播常数β，依据之前确定的FWM过程的波长组合与各个波长的频率ωi，计算出所有FWM过程的相位失配Δβi,p,m,n＝βp+βm-βi-βp；根据整理出的FWM过程分别写出N个耦合差分方程，并对输入光波进行初始化，确定泵浦、信号以及四波混频边带初始时的功率和相位参数；对所列出的N个耦合差分方程进行积分计算，求解出各个光波的输出复振幅与相位。4.根据权利要求3所述的基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器生成方法，其特征在于，借助三阶边带能够实现四阶阶梯相位转移函数的双泵浦非简并相位敏感放大器的输出信号表示为：其中A为输出信号包含相位φs的复振幅，φ为输入信号的相位，m1为其权重系数。5.根据权利要求3所述的基于高非线性光纤的多泵浦相位敏感放大器生成方法，其特征在于，借助五阶边带能够实现四阶阶梯相位转移函数的双泵浦非简并相位敏感放大器的输出信号表示为：其中，A为输出信号包含相位φs的复振幅，φ为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凤歌，王辉，靳莹瑞，王庭太，孙丽娟，李晓荃，柴旭朝，刘萍，但永平，路向阳，钱佳沁，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：河南,41