一种基于多光波干涉的高精度光相位量化方法与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种在光信号处理过程中实现高精度相位量化的方法。该方法主要用于对光信号相位进行量化，并可应于受噪声影响而产生相位模糊的调相信号的再生，是一种能够获得更精确相位量化结果的方法，尤其涉及全光信号处理领域。

背景技术：

随着社会信息化水平的不断提高，信息量也在爆炸式增长，光通信系统所承载的传输压力也随之增大，利用全光的方法对光信号进行处理，可避免光电和电光转换，满足高速处理信号的需求。如今，全光信号处理在采样、复数滤波、傅里叶变换等方面均有较多的研究，在全光模数转换(ADC)方面的研究也更集中与光信号幅度的量化，而对全光量化光信号相位的量化方面的研究还有所欠缺。光相位量化作为全光模数转换(ADC)的有力补充，可以弥补现有全光量化研究中相位量化的空白。

信号在传输过程中会受到噪声的影响，对于目前通信系统中广泛应用的相位调制格式信号，噪声会带来相位模糊的现象，进而增大信号误码率；同时，放大器(如掺铒光纤放大器)作为光通信系统中必不可少器件，会引入放大的自发辐射噪声，在放大信号的过程中将噪声也一同放大，会对原本就相位模糊的信号带来更加不利的影响。

针对上述问题，有研究者提出了解决方案。RadanSlavl′k等人研究发现，信号光与强泵浦光注入高非线性光纤中通过四波混频能够产生各阶相位谐波，通过选择其中特定阶次的相位谐波通过新的四波混频过程与信号进行干涉，可实现相位量化，但其量化结果的精度还有待提高。由于参与干涉光波之间的功率比对量化精度有一定影响，Radan Slavl′k等人又研究了量化不同阶次信号时需要的相位谐波以及谐波与信号的最优功率比。Parmigiani F等人针对相位量化过程中，在原始信号频率处新产生的信号的强度不易控制，进而在两者干涉时无法达到最优的相位量化结果的问题(即解决实际中如何实现最优功率比的问题)，提出了解决方案。利用正 交的泵浦产生简并正交的信号闲频组，再通过偏振控制器调节信号和闲频在X-Y平面的角度，使其发生干涉，进行相位量化。但是该方法在实现相位量化的时候，由于信号在X-Y平面移动了一定的角度损耗了信号的功率，所以并没有同时实现信号的相位敏感放大，即牺牲了放大的能力来换取更精确的相位量化结果。

技术实现要素：

本发明提供一种在全光信号处理中，信号高精度相位量化的方法，旨在解决现有光相位量化研究结果中存在的量化结果精确度不高、高次谐波与信号的功率比不易精确控制的问题。新的方法带来更为精确的量化结果、更为方便的功率比控制，同时可以应用到相位调制信号的再生。

本发明提供一种基于相位敏感放大(phase sensitive amplifier，PSA)的多光波干涉相位量化方法，其主要思想是在现有选择一个特定相位谐波与信号光进行干涉的基础上，通过引入一个或多个更高次特定谐波对低次谐波的量化结果进行改善和矫正；同时通过干涉光波产生和叠加分开的实现方式来精确控制干涉光波间的功率比，以实现高量化精度的目标。下面从相位敏感放大原理、相位量化结果主要影响因素、多光波干涉相位量化原理几个部分介绍。

1)相位敏感放大原理：

光域中单色波可以表达为公式(1)所示的形式：

两个光波间发生干涉前提是频率相同，因此将双光波干涉简化表达为复振幅(即光波幅度和相位)相加的形式，如公式(2)所示，其中，N是量化的阶次

将公式(2)进行扩展，可以得到多光波干涉的公式(3)，其中， 为相位，在0-2π间变化。

实现相位量化，基础是满足相位敏感放大的条件。相位敏感放大在实 现上可以分为两步：谐波产生和相干叠加。谐波产生是在非线性介质(如高非线性光纤、SOA、PPLN、硅波导等)中，利用非线性效应(如三波混频、四波混频等)产生与输入信号相位匹配的高次谐波；相干叠加是根据量化阶次的需要选择特定谐波，利用非线性效应将满足相位匹配条件的两个波转换成相同频率并发生干涉，实现相位量化。

传统的双光波干涉相位量化，参与量化的光波分别为信号光和与信号光有固定相位关系的谐波，如果需要量化N阶信号，就需要N-1阶的谐波与待量化信号干涉。以在光纤中实现相位敏感放大为例，第一步需要在高非线性光纤输入端同时输入强泵浦和待量化信号，在光纤中会产生级联的四波混频效应。如图3-2所示，按照四波混频过程的频率关系，第一级四波混频为单泵浦简并四波混频过程，产生谐波H1’和H1，频率关系分别为ω_H1'＝2ω_s-ω_P,ω_H1＝2ω_P-ω_S，若假定泵浦P相位为0，信号S相位为则第二级四波混频过程需要有第一级过程产生的新频率光波作为输入信号，分为两种情况，均会产生谐波H2’和H2，一种是简并四波混频过程，频率关系为ω_H2'＝2ω_H1'-ω_s，ω_H2＝2ω_H1-ω_P，仍假定泵浦P相位为0，信号S相位为则 另一种是非简并四波混频，频率关系ω_H2'＝ω_H1'+ω_s-ω_P，ω_H2＝ω_H1+ω_P-ω_S，相位为同理，在泵浦和信号功率足够强，且高非光纤非线性系数较高时可以发生多级的四波混频过程，产生高次谐波，且越高级的四波混频过程越不易发生，故高次谐波的功率在逐渐降低。通过级联四波混频过程，会在泵浦光的两侧以泵浦和信号的频率差为间隔等间隔的产生各级高次谐波，这些高次谐波的相位按照倍数递增。

若通过级联的四波混频过程无法产生需要阶次的谐波，则可以通过若干低次谐波间的四波混频产生该高次谐波。

第二步需要在获得高次谐波之后，依据量化阶次选择特定谐波进行相干叠加。以信号进行三阶量化为例，由Radan Slavl′k等人的研究结果知，需要相位为的信号与待量化信号相干叠加，如图2所示，首先选择第一步通过级联四波混频生成的相位为谐波H1'，通过双泵浦非简并四波混频过程，在信号S的相同频率处，产生新的谐波S'，频率关系为ω_P1+ω_P2＝ω_S'+ω_H1'，假定泵浦2的相位也为0，则由于新生成的谐波S'与信号波S相同频率且相位匹配，会在该频率处发生相干 叠加，将振幅归一化并用光矢量叠加表示为其中p干涉的量信号功率比，传统的双光波干涉一般选择

2)相位量化结果主要影响因素：

信号的相位量化特性主要受两方面影响：一是参与干涉的信号的相位关系，二是参与干涉的信号的功率比。相位关系决定量化阶次，如图3(a)星座图所示，实线为输入待量化信号，用表示，相位在0-2π间变化，虚线为信号三阶量化后结果，用表示，最终的干涉过程表达为 其中为-2次谐波，a的取值为0.5。图3(b)是相位转移曲线，信号量化前相位曲线是45度斜向右上的直线；量化后的信号出现了阶梯状的趋势，但与理想阶梯状量化曲线相比，在与目标相位正交的相位(π/3、π、-π/3)附近，未能实现有效的量化，在相位转移曲线中表现为“台阶”的边缘不够锐化，量化结果还有待提高。

参与干涉信号的功率比影响量化精度。两信号干涉(即两个光矢量进行叠加)的结果，受功率比影响可以见图4，干涉过程表达为： 其中图4(a)为待量化的信号星座图，相位在0-2π间变化，幅度为一定值；图4(b)-4(e)为两信号干涉后结果，其中功率比a分别为：0.25,0.5,0.75,1。星座图中曲线围成的阴影面积，可以表征量化精度的高低，理想的量化阴影面积应该为0。可以看到，随着功率比的不断增大，量化结果出现了两个变化：一是横线填充的阴影面积逐渐缩小，并且在a＝1时为0，即参与叠加的两光矢量幅度相同，在方向相反的时刻矢量和为0。二是方格填充的阴影部分在a从0变化至0.5时均未出现，超过0.5时在三个量化目标相位(0、2π/3、-2π/3)处同时出现，且在a从0.5变化至1的过程中面积始终增大，并在a＝1时达到最大值，方格填充的阴影部分的出现代表相位“过量化”现象。可以发现，随着a的增大，横线填充的阴影部分面积与方格填充的阴影部分面积的变化趋势相反，两者不可能同时达到最小值。即，无论如何调节功率比a，只能得到该条件下的相对最优解，而无法实现理想的相位量化。

3)多光波干涉相位量化原理：

将信号量化为N阶，通常采用-(N-1)次谐波与其干涉，除此之外，(N+1)次相位谐波也可实现信号的N阶量化。如图5(a)所示，原始信号相位在0-2π间变化，与4次相位谐波矢量叠加后星座图如5(b)所示，数学表 达式为其中a＝0.2。可以看到，4次相位谐波与信号发生干涉，对π/3、π、-π/3附近的相位产生向内的压缩作用，对-2π/3、0、2π/3附近的相位产生向外的拉伸作用，这在一定程度上同样实了信号的三阶量化。图5(c)所示为信号与-5次相位谐波干涉，数学表达式为 其中a＝0.2，量化后的信号出现6个峰值。

总的来说，-(N-1)次相位谐波与信号干涉后的结果是将目标相位附近的相位向外拉伸，将与目标相位正交的相位向里压缩；(N+1)次相位谐波与信号干涉后的结果是将目标相位附近的相位向内压缩，将与目标相位正交的相位向外扩展。利用不同阶次相位谐波与信号干涉后的不同结果，选择多个合适谐波的与信号作用，能够实现更为精确的量化结果。

以信号三阶量化为例。可以发现，能够将信号量化为三阶的两个谐波：-2次谐波和4次谐波，对信号的量化作用恰好是互补的。将4次谐波作为-2次谐波和信号干涉结果的修正，可解决相位“过量化”现象且进一步将目标相位的正交相位向内压缩。三光波干涉三阶量化的数学表达式为 其中a,b<0，若要实现好的量化结果，需要合理选择三者之间的功率比，即a、b的取值。如图6所示，图6(a)、6(b)、6(c)分别为待量化信号、-2次谐波与信号以功率比0.7干涉、4次谐波与信号以功率比0.2干涉。图6(d)、6(e)、6(f)为三光波量化结果，a、b取值分别为0.7,0.08；0.7,0.12；0.7,0.18。对比6(b)、6(d)、6(e)、6(f)四图可发现，随着b的取值不断增大，横线填充的阴影部分的面积在逐渐缩小，即目标相位的正交部分得到了进一步压缩。对于过量化的部分，当b的取值较小时，不能够进行完全矫正，如图6(d)所示；当b的取值较大时，会出现过矫正现象，使其远离目标相位，如图6(f)所示；当b取合适值时，矫正效果最好，目标相位附近几乎量化为一条直线。

将三波干涉相位量化推广到四波乃至更多相位谐波的干涉，使高次谐波作为低次谐波量化结果的微调，合理控制干涉光波间的功率比，可以实现近乎理想的相位量化。如图7(a)所示，四个光波进行干涉，数学表达式为：其中a＝0.8，b＝0.29，c＝0.125。从星座图中可以看出相位在0-2π间变化的信号量化后几乎全部被压缩到三个目标相位处，实现了近乎理想的相位量化。图7(b)为待量化信号、双光波干涉、三光波干涉、四光波干涉以及理想量化的相位转移曲线。随着 参与量化的谐波数目的增加，同时合理调节各谐波的功率，相位转移曲线越来越接近理想量化曲线。星座图中圆心处压缩的越好，相位转移曲线在各量化阶次间的跃变越接近阶跃函数；星座图中目标相位径向上越接近一条直线，相位转移曲线在同一个量化等级内的变化越小，接近一条水平直线。

附图说明

图1级联四波混频产生谐波示意图

图2四波混频光波干涉示意图

图3双光波三阶相位量化星座图及相位转移曲线

图4双光波三阶相位量化不同功率比星座图及相位转移曲线

图5不同阶次相位谐波干涉结果

图6多光波干涉不同信号功率比结果

图7四光波干涉星座图及相位转移曲线

图8三光波干涉相位三阶量化结构示意图

图9三光波干涉相位三阶量化结果星座图

图10三光波干涉相位三阶量化结果相位分布直方图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

本实施例基于如图8所示的三光波干涉相位三阶量化仿真结构示意图对多光波干涉高精度相位量化进行说明。

第一部分为高次谐波产生。信号和泵浦光1一同输入高非光纤1中，其中泵浦光的频率为193.1THz，功率为100mw。信号光的产生由图8左下信号产生部分示出，信号光源和正弦波共同输入到相位调制器中，相位调制器的传输函数为：其中E_in(t)为输入的光信号，频率为193.13THz，功率为1mw；data(t)为输入电域正弦波，幅值为1，频率为50M；为相位调制器内部的相位偏移，设置为180°。相位调制器输出相位在0-2π间变化的信号。高非光纤1的非线性系数为13w^-1/km，长度为1km。高非光纤1的输出为等间隔分布的级联四波混频产 生的高次谐波，间隔为泵浦1与信号的频率差：30GHz。

第二部分为信号同频相位谐波产生。频率选择开关从级联四波混频生成的各次谐波中选出需要的两个谐波和并分别送入上路和下路，上下两路结构相同，只是参与反应的谐波和泵浦的频率、相位不同。为保证实现相位量化，每一路参与作用的两个泵浦必须是相位相干的，即两者需要有固定的相位差。通过相位调制器可生成光梳，这些不同频率的光波之间满足相干关系。上路选择相位为频率为193.16THz的谐波H1'，由光梳生成的泵浦1、2的频率分别为193.1THz和193.19THz。三个光波一同输入到高非光纤2(非线性系数为13w^-1/km，长度为500m)，发生双泵浦非简并四波混频，根据四波混频发生的频率关系ω_P1+ω_P2＝ω_H1'+ω_S1在与信号相同频率处产生相位为的光波S1，再通过中心频率为193.13THz的带通滤波器滤出S1。下路选择相位为频率为192.98THz的谐波H4，由光梳生成的泵浦1、3的频率分别为193.1THz和193.01THz。三个光波一同输入到高非光纤3(非线性系数为13w^-1/km，长度为500m)，发生双泵浦非简并四波混频，根据四波混频发生的频率关系ω_P1+ω_P3＝ω_H4+ω_S2在与信号相同频率处产生相位为的光波S2，再通过中心频率为193.13THz的带通滤波器滤出S2。

第三部分为同频率信号干涉。相位为的原始信号经过延时器后，与滤波器输出的光波S1、S2在光耦合器中相遇并发生干涉，由于信号光S与S1、S2经过的路径与器件不同，在相位匹配上会有一定的偏差，延时器可以起到微调信号相位的目的，实现精确的相位匹配。通过上述三个步骤后输出的信号即为三阶相位量化后的信号。

多光波干涉相位量化的仿真结果如图9所示，图9(a)为输入的待量化原始信号星座图，相位在0-2π间变化；通过两次四波混频过程，最终在与信号相同频率处产生的相位为的光波与信号单独发生干涉后的量化结果星座图如图9(b)所示，两者的功率比为0.72:1(的谐波：信号)；同样通过两次四波混频过程，在与信号相同频率处产生的相位为的光波与信号单独发生干涉后的量化结果星座图如图9(c)所示，两者的功率比为0.12:1(的光波：信号)；上述三个光波按照功率比1:0.72:0.12一同发生干涉，量化结果星座图如图9(e)所示，与传统双光波干涉实现的相位量化结果(图9(d)所示)相比，信号得到了更好的压缩，尤其体 现在与量化目标相位正交(90°、210°和330°)的相位部分，几乎全部被压缩到的三个目标相位处，星座图中已经可以明显看到三条直线。从相位转移曲线(图9(f)所示)中可以看出，其中横坐标为输入信号相位，纵坐标量化后的输出信号相位，传统双光波干涉结果虽然一定程度上实现了阶梯状输出，但是在每个“台阶”上，并不是十分平坦，而三光波干涉结果每个台阶几乎与X轴平行，即对于在一定范围内变化的输入信号相位，全部量化至同一相位；观察每个台阶的转换处(可称作过度相位)，传统双光波干涉曲线的斜率小于三光波干涉结果，且有更多的相位点处在过度位置，而处在过度位置的三波量化后的点点则大大减少，基本变成了一个阶跃函数，即有更多的相位被量化至目标相位，量化结果更加精确。

传统双光波干涉量化结果与三光波干涉量化结果的相位分布直方图如图10所示。图中，横坐标为信号量化后的相位，纵坐标为某特定相位对应的相位点数。其中，图10(a)为双光波干涉量化结果，可以看到，相位有在三个区间(15度、135度和255度)聚集的趋势，但是几乎在(-π,π)的所有范围内都有相位的分布，并不能集中在被量化到的三个区间，图中纵坐标的最大值也小于20，即信号没有得到有效的量化。图10(b)为三光波干涉三阶相位量化的相位分布直方图，可以看到，相位在三个区间(15度、135度和255度)有较传统双光波干涉更为集中的分布，同时更突出的是，信号在其他相位的分布数大大减少，已经可以较为明显的看到三个不相连的相位聚集区域，图中纵坐标的最大值已经较图10(a)有增加,变为22，也证明对于信号的量化更加精确。经计算，传统双光波干涉量化结果的相位分布方差为3.3821，本论文提出的三光波干涉量化结果的相位分布方差为2.4434，降低了了27.8个百分点。从另一个角度论证了多光波干涉相位量化较传统量化方式具有精度更高的优点。