一种高效率的多进制相移键控光信号的全光再生方法技术

本发明专利技术公开了一种在全光网络中，高效率的多进制相移键控光信号的全光再生方法。该发明专利技术相对于现有基于二模相位敏感放大器(PSA phase sensitive amplifier)实现MPSK信号相位再生方法，仅采用(M/2‑1)次谐波即可实现MPSK信号的相位再生，大大降低了对四波混频转化效率的要求，从而实现高效再生。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是采用全光信号处理技术对多进制相移键控(MPSKmultilevelphaseshiftkeying)光信号进行处理，涉及到通信领域研究，尤其属于全光信号处理

技术介绍
全光信号处理作为作为未来大容量光网络的关键技术，摆脱了光电光转换的限制，成为了目前炙手可热的研究话题。而随着信息化时代的到来，用户在通讯时需要越来越大的传输容量，为了达到高传输容量、高频谱利用率的目的，MPSK调制格式凭借其较强的抗噪能力、较高的频谱利用率等优势，得到人们的广泛关注。然而在光通信系统中，链路中光放大器的自发辐射噪声(ASEamplifierspontaneoousemissionnoise)和光纤中的克尔效应相互作用会导致非线性相位噪声，这将严重导致MPSK信号质量劣化，从而影响通信质量。尤其对于M值越大的MPSK调制格式来说，由于星座图中的相位状态数越多，更容易受到相位噪声的影响。因此，采用全光信号处理技术对MPSK信号实现再生，在信号传输系统中是一个非常重要的环节。相位敏感放大器(PSAphasesensitiveamplifier)本质上是一种光放大器，可以利用参量过程使信号光的增益具有强烈的相位敏感特性，即信号光的同相分量被放大，而正交分量则被衰减，因此可用来实现信号的相位再生。目前，国内外基于PSA实现MPSK信号再生的方法主要采用相位不敏感放大器(PIAphaseinsensitiveamplifier)产生四波混频光梳，再从光梳中选取第(M-1)次谐波作为PSA的闲频光输入，第M次谐波作为第二个泵浦，与信号光和本地泵浦光一起输入到PSA中，从而实现MPSK信号的再生。已经有实验采用该方法成功实现QPSK信号(M＝4)的相位再生。但随着M值增的大，需要的谐波阶数会越来越高，而产生高次谐波的四波混频效应转换效率却会越来越低，因此很难实现更高阶PSK信号的相位再生。本专利技术正是针对现有基于PSA的MPSK信号全光再生方式效率不高的问题，提出一种更高效率的再生方法，即采用多个低次谐波取代高次谐波，从而提高基于PSA实现MPSK信号全光再生的效率。
技术实现思路
本专利技术在现有基于PSA实现MSPK信号全光相位再生方法的基础上，提出一种高效率的多进制相移键控光信号的全光再生方法，其核心思想为采用多个相位不敏感放大器产生四波混频光梳，再从中选取多个低次谐波作为PSA的输入，从而可实现MPSK信号的相位再生。下面将从基于二模PSA实现光信号相位再生原理、基于二模PSA的高效率MPSK信号全光再生原理两个方面进行介绍。1、基于二模PSA实现光信号相位再生原理由于本专利技术中仅涉及二模参量过程中的相位共轭(PCphaseconjugation)过程，因此仅分析利用PC过程实现PSA的情况。附图1是高非线性光纤中相位共轭过程示意图。其中w1和w2是泵浦波，w3是信号波，w4是闲频波，且四个波之间的频率满足关系式w4+w1＝w2+w3。其耦合幅度方程如下所示：其中β是波失失配因子，满足关系式β＝β2+β3-β4-β1。是同偏振波的非线性耦合系数。公式(1)-(4)是假设了光场单色，横向均匀，所有光波均为沿x方向的线偏振波，且沿光纤传输方向光波偏振态不变，也不用考虑光纤群速色散和损耗效应。如果光场横向不均匀，还需要考虑光纤的有效面积，则光纤非线性系数会有不同。如果光波具有任意的振幅，那么四波混频(FWMfourwavemixing)过程就会变成矢量FWM过程，式(1)-(4)中的系数将要做出一定的变化。如果假定泵浦波比信号波和闲频波强很多，即在小信号模式下，四波混频过程中可以忽略泵浦消耗的影响。那么容易求出方程(1)和(4)的解为：式中Pj(j＝1,2,3,4)为z＝0处各波的功率，且Pj＝|Aj(0)|。将式(5)和式(6)代入到式(2)和(3)中，可以得到其中为了解这两个方程，可以引入方程(9)此时，式(7)、(8)可以转化成dzB2-iδB2＝iγB3*(10)dzB3*+iδB3*＝-iγB2(11)其中解微分方程可以得到B2(z)＝μ(z)B2(0)+v(z)B3*(0)(12)B3*(z)＝v*(z)B2(0)+μ*(z)B3*(0)(13)其中μ和v表示传输系数，满足关系式|μ|2-|v|2＝1。式(12)和(13)就是二模PC过程信号光和闲频刚的输入输出关系式。其中μ(z)＝cosh(kz)+i(δ/k)sinh(kz)(14)v(z)＝i(γ/k)sinh(kz)(15)其中k＝(|γ|2+δ2)1/2。为了更好地讨论利用PSA实现相位再生原理，可以将式(12)转化为由于当δ＝0时四波混频发生最明显，因此可以假设δ＝0。则可以得到因此式(16)就可以进一步被转化成：为了更好地体现PSA的再生特性，需要对信号输入与输出前后进行比较，可以定义增益G为：那么将式(17)代入到式(18)中，可以得到式(19)就是二模PSA的增益方程。从式(19)可知，泵浦光和闲频光的相位决定了增益的大小，只要改变相应泵浦光和闲频光的相位，就可以得到不同的增益曲线，从而可对不同的MPSK信号进行相位再生。例如，当两个泵浦光的相位均为0时，如果信号光的相位等于闲频光的相位，那么增益G取得最大值的点为信号光相位为mπ(m＝0,1,2……)的点，在信号光相位为mπ/2(m＝1,3,5……)时增益G取得最小值，从而可以使BPSK信号的相位实现再生。本专利技术提出的高效再生MPSK信号方式正是基于这一理论进行推导的，即改变泵浦光和闲频光的相位，产生不同的增益曲线，从而实现MPSK信号的相位再生。2、基于二模PSA的高效率MPSK信号全光再生原理附图2是利用二模PSA实现MPSK信号高效相位再生的原理示意图。本专利技术采用两个PIA生成两个不同的由于四波混频级联效应而产生的光梳。这两个PIA中的信号光来自于同一个携带有相位噪声的信号光，唯一的区别在于两个本地泵浦的频率不同，但是这两个本地泵浦的相位是共轭的，可以利用相位调制器(PMphasemodulation)产生光梳得到。随后，从第一个四波混频光梳中选择相位为的谐波作为PSA的输入，在第二个四波混频光梳中选择相位为的谐波作为PSA的输入。那么式(19)就可以转换成：从式(20)可以看出，式(20)代表的增益波形相邻两个增益峰值出现的周期为2π/M，因此可用来再生有M个相位状态的MPSK信号。在本专利技术中，仅采用最高为(M/2-1)次谐波就可实现MPSK信号的相位再生，与现有的MPSK信号再生方式相比较，对于同样阶的MPSK信号，不再需要(M-1)次谐波和M次谐波。而对于四波混频效应来说，需要产生的谐波阶数越高，对四波混频转化效率的要求更高。因此，本专利技术相对于现有基于二模PSA实现MPSK信号相位再生方式拥有更高的效率。在式(20)中有一个额外的相位π/2，如果要实现MPSK信号相位再生，必须将这个额外的相位消除掉，但由于这是一个确定的相位，可以通过锁相环调节，从而去除这个固定相位带来的影响。附图说明图1高非线性光纤中相位共轭过程示意图图2高效率的MPSK信号全光再生方法原理示意图图3高效率的8PSK信号全光再生方法原理示意图具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效率的多进制相移键控光信号的全光再生方法，其特征在于包括如下步骤：(1)采用多个相位不敏感放大器，通过四波混频级联效应生成不同的四波混频光梳；(2)从所生成的所有四波混频光梳中，分别挑选出相位为的谐波(3)将这四个谐波进行放大或衰减处理后，作为PSA的输入，从而实现MPSK信号的全光相位再生。

【技术特征摘要】
1.一种高效率的多进制相移键控光信号的全光再生方法，其特征在于包括如下步骤：(1)采用多个相位不敏感放大器，通过四波混频级联效应生成不同的四波混频光梳；(2)从所生成的所有四波混频光梳中，分别挑选出相位为的谐波(3)将这四个谐波进行放大或衰减处理后，作为PSA的输入，从而实现MPSK信号的全光相位再生。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：只需要通过四波混频级联效应产生最高阶次为(M/2-1)次谐波，不再需要产生(M-1)次...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏祥，易留洋，纪越峰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11