专利名称：光四相制相移键控信号的全光再生方法
光四相制相移键控信号的全光再生方法
所属4支术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种用于对有失真的光四相制相移键控信号(包 括光差分四相制相移键控信号)进行全光信号再生的方法。
背景技术：
光通信技术由于其高速率、大容量等优点，成为目前通信领域的主要技术。近来，随着 因特网以及其他数据业务的日益增加，大容量波分复用(WDM)光网络成为光纤通信系统的主 要形式。光网络中，光纤的色散和非线性效应、光放大器产生的光噪声以及在诸如光开关、 光上/下路复用器(OADM)和光路由器等节点中产生的串扰、噪声和非线性现象可以使传输的 高速光信号发生失真以及信噪比下降，从而最终限制通信传输距离。
采用光电变换然后对电信号进行信号恢复的方法存在着成本高、处理速度受限的缺点。 信号的全光再生技术在光域中对相应信号进行放大、整形等。采用光信号处理方法直接对传 输的带有噪声和失真的光信号进行整形、放大而无需转化为电信号的方法，则可能不受数据 率的限制而使高速光信号的传输距离得到有效提高。
光网络中主要采用强度或相位调制来表征所传递的信息。开关强度键控(OOK)采用光信号 功率的大小来表征传递的二进制信息，并已获得广泛的应用。对于开关强度键控信号来说， 信号再生主要是对信号强度上的噪声进行抑制。已有一些公知技术可以实现光OOK信号的全 光再生[l]。
光相移键控(PSK)是用光信号的相位来表征信息的信号格式。二进制相移键控夂BPSK)及差 分二进制相移键控(DBPSK)可改善光纤通信系统的传输性能，已应用于高速长距离光网络中 [2]。对于二进制相移键控信号来说，信号再生主要是对信号相位上的噪声进行抑制。基于相 位敏感放大器(PSA)的用于二进制差分相移键控(DBPSK)信号全光再生方法已经被实验证明 [4]。相位敏感放大器是一种增益与输入光场相位相关的光放大技术，几种基于光纤干涉仪或 光纤环镜的PSA具体实现方法也已被系统地研究[3]。对于BPSK信号，通过控制PSA泵浦光的 相位，使得信号实部(I方向)的放大远远大于信号虚部(Q方向)，从而抑制相位噪声。
作为另一种相移键控信号，光四相制相移键控(QPSK)(包括光差分四相制相移键控 (DQPSK))是用每个字符的四种可能的光波相位状态来传输两个比特的数据。其信号的四中 符号间的相位差分别为0， Tt/2, Ti， 3tt/2 (或一ti/2)。若以其中一个符号的相位为参考相位零 点，在信号空间图上，四个符号分别位于实部和虚部轴上，且距坐标原点的距离相同。由于 一个符号代表两个比特的信息，频谱利用率是BPSK的两倍，而且在同样的速率甜提下，符号 速率仅为二进制调制系统的一半。这使得QPSK调制技术不仅具有BPSK技术的优点，并且可 能具有更强的抗色散和偏振模色散(PMD)的能力[5]。但光QPSK信号的全光再生则更加困难， 其信号同时由实部和虚部构成，前述全光再生方式对一个方向上的信号的再生，会将与其正 交的另一方向上的信号压縮到原点附近而无法进一步处理，因此不能实现信号再生。目前尚 未发现有能实现此类技术的报道。 S. Boscolo, S. K. Turitsyn and V. K. Mezentsev, "Performance Comparison of 2R and 3R Optical Regeneration Schemes at 40 Gb/s for Application to All-Optical Networks," J. Lightw. Technol.， vol. 23， pp. 304, Jan. 2005. [2] L. G. Kazovsky, "Homodyne phase-shift-keying systems: past challenges and future
opportunities," in Proc. OFC， OTuL3， Anaheim CA， 2005. [3] C. J. McKinstrie and S. Radic, "Phase-sensitive amplification in fiber," Opt. Express, Vol. 12， pp. 4973-4979， Oct. 2004. K. Croussore， C. Kim, Y. Han, I. Kim, and G. Li， "All-optical phase and amplitude regeneration of DPSK signals based on phase-sensitive amplification," in Proc. OFC， OFH7, Anaheim CA, 2006. G. Charlet and A. Klekamp, "Optimum modulation format for high density and/or ultra long haul transmission at 40Gbit/s," in Proc. OFC, OThI3, Anaheim CA, 2006.
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供了一种采用全光学方法对光四相制相移键控信号(包括光差分四相 制相移键控信号)进行信号整形再生的实现方法及相关的全光再生器。基于非线性光学放大 和处理过程，通过对信号幅度和相位起伏的均衡，使原己失真的光四相制相移键控信号的质 量得到改善，具有更小的失真和噪声，从而可以传输更长距离。
技术方案
带有噪声和失真的光四相制相移键控信号首先被光分路器l分成功率相等的上下两路(见 附图l)。上下两路信号分别通过光延迟线2、非线性光学信号处理器4与光延迟线3、非线性光 学信号处理器5。光延迟线2和光延迟线3提供一定的信号延迟，用于保证上下两路从光分路器 l的输出到光合波器6的输入的信号通路具有相同的延迟。若非线性光学信号处理器4和非线性 光学信号处理器5可保证对于两路信号的延迟完全相同，光延迟线2和光延迟线3也可省略。非 线性光学信号处理器4的功能是对光四相制相移键控信号进行信号压縮和处理，使其输出信号 的相位分布由四相制(分别位于0，兀/2， 7c， 3t:/2)，变为主要沿n/4和57i/4方向，则输出信号 将接近于输入信号向该角平分线方向上的投影。非线性光学信号处理器5的功能与非线性光学 信号处理器4的功能相类似，但其输出相位方向与非线性光学信号处理器4相垂直，即沿着3tt/4 和7兀/4方向。光合波器6的两个输入与非线性光学信号处理器4和非线性光学信号处理器5的输 出分别相连，两路光信号幅度相同，光合波器6将这两路相干的二相制光信号相干合成为--路 四相制相移键控信号，其原来的数据与相位的映射关系得到保持，而噪声与失真在压縮、处 理过程中得到抑制。 有益效果
采用光四相制相移键控信号的全光再生方法可以有效地抑制输入的光四相相移键控信号 上的幅度与相位失真。以图4与图5为例，图4中给出了经400km光纤传输后计算得到的40Gb/s 的光四相制相移键控信号在其符号中心点处的光场采样值。由图可明显看出在该判决点上信 号带有大量的幅度与相位噪声，这些噪声是在传输过程中逐渐积累而成的，随着传输距离增 加而增加，从而会产生越来越多的误码，最终限制传输距离。图5中给出了分析计算得到的以 图4中的信号为输入信号，经全光再生方法处理后的光四相相移键控输出信号在其符号中心点 处的光场采样值。与图4相比，采样点的光场上的幅度与相位噪声都已得到明显抑制。因此将 可降低误码率，并且该信号可以继续传输更长的距离。
与传统的光一电一光中继再生相比，光一电一光中继再生器需要复杂的解调、检测、再 调制发射的过程，同时设备只能工作在某一码速率。而本发明的全光再生则可对各种速率的 光四相制相移键控信号进行再生，特别利于对高速信号的再生，同时可对包括光差分四相制 相移键控信号在内的各种光四相制相移键控信号进行再生。
本发明提出的再生系统构成方法解决了己公知的全光再生技术中无法对多进制光相移键 控信号进行再生的问题，采用对不同象限的光信号进行分解一合成的方式解决这一问题，同 时需要利用非线性光学过程中对信号幅度和相位两个方向的噪声抑制作用才能实现对非共线 的输入信号的有效再生。
图l是光四相制相移键控信号全光再生器的组成示意图，其中有光分路器l、光延迟线2、
光延迟线3、非线性光学信号处理器4、非线性光学信号处理器5、光合波器6
图2是光四相制相移键控信号全光再生器的一种实现方式的组成示意图，其中有50/50 光纤分路耦合器l、光纤延迟线2、光纤延迟线3、激光泵浦源4、激光泵浦源5、光纤分路耦合 器6、光纤分路耦合器7、高非线性光纤8、高非线性光纤9、高非线性光纤IO、高非线性光纤 11、光纤分路耦合器12、光纤分路耦合器13、 50/50光纤分路耦合器14
图3是光四相制相移键控信号全光再生器的一种实现方式的组成示意图，其中有50/50 光纤分路耦合器l、光纤延迟线2、光纤延迟线3、激光泵浦源4、激光泵浦源5、光纤环形器6、 光纤环形器7、光纤分路耦合器8、光纤分路耦合器9、高非线性光纤IO、高非线性光纤ll 、 50/50 光纤分路耦合器12
图4是一个40Gb/s光四相制相移键控信号经400公里后仿真计算得到的信号空间图。 图5是计算得到的上图中信号经过本发明的全光再生方法处理后的输出信号的信号空间图。
具体实施例方式
该再生方法的一种实施方式由50/50光纤分路耦合器1、光纤延迟线2、光纤延迟线3、激 光泵浦源4、激光泵浦源5、光纤分路耦合器6、光纤分路耦合器7、高非线性光纤8、高非线性 光纤9、高非线性光纤IO、高非线性光纤ll、光纤分路耦合器12、光纤分路耦合器13、 50/50 光纤分路耦合器14所组成(如图2所示)。50/50光纤分路耦合器1可采用1X2光纤耦合分路器 或1X2光纤偏振分路器。其输出两端的功率应相等。若采用偏振分路器，上下两路中其它光 信号的偏振态应相应改变。两输出端分别依次与光纤延迟线2、光纤分路耦合器6、高非线性 光纤8、高非线性光纤9、光纤分路耦合器12和光纤延迟线3、光纤分路耦合器7、高非线性光 纤IO、高非线性光纤ll、光纤分路耦合器13相连。然后两路信号与2Xl的50/50光纤分路耦合 器14的两输入端相连。再生后的信号由50/50光纤分路耦合器14的输出端输出。激光泵浦源4、 激光泵浦源5分别与光纤分路耦合器6和光纤分路耦合器7连接。
光纤延迟线2和3可以由具有一定长度的光纤构成，其长度的选择应使从50/50光纤分路耦 合器1输出端到50/50光纤分路耦合器14的上下两条信号通路的延迟相同。激光泵浦源4和5产 生相干直流光作为泵浦光，其两个光场的相位相差Tl/2，并分别处于被再生的光四相制相移键 控信号的理想相位分布的两个角平分线上，即相位分别为Ti/4 (或5W4)和-7r/4 (或3rr/4)的直 流光(设光四相制相移键控信号的理想相位分布在O， t:/2， tt， -7i/2)。激光泵浦源4、激光泵 浦源5也可由一个光源产生，然后分为两路通过不同的光延迟线使其输入到光纤分路耦合器6 和光纤分路耦合器7的泵浦光具有上述相位分布。非线性全光信号处理部分的工作原理是信 号光和泵浦光在高非线性光纤中相互作用会产生非线性相移，由于上下两段高非线性光纤(如 高非线性光纤8与高非线性光纤9)中不同的信号功率造成了不同的非线性相移，在之后的耦 合器处(如光耦合器12)就累积了不同的光相位差从而发生干涉。干涉的结果使得信号光和 泵浦光的功率发生交换，这就对信号光形成了相位相关的增益。这个增益的大小与信号光和 泵浦光的相位差有关。具体地说就是可以使信号光中与泵浦光同相的分量得到比与泵浦光相 位正交的分量大得多的放大。这样的效应最终导致了输出信号光的相位趋向于泵浦光相位线 方向，从而对与相位线垂直方向的信号分量实现了幅度变化的抑制。另外，应使上面所述的 非线性信号处理器工作在饱和状态下，使得在信号幅度大时增益降低，从而使沿泵浦光相位 方向的输出信号分量的幅度变化得到抑制，以获得对信号的进一步均衡效果。本发明中利用 上述过程将光四相制相移键控信号分别压縮为两个相互正交方向的光二相制相移键控信号， 其中分别携带了原信号中的一个比特的信息。50/50光纤分路耦合器14的输出为两路输入信号 光场的相干叠加，从而得到一个噪声、失真得到抑制的光四相制相移键控信号。
该再生方法的另一种实施方式由光四相制相移键控信号全光再生器的一种实现方式的 组成示意图，其中有50/50光纤分路耦合器1、光纤延迟线2、光纤延迟线3、激光泵浦源4、 激光泵浦源5、光纤环形器6、光纤环形器7、光纤分路耦合器8、光纤分路耦合器9、高非线性 光纤IO、高非线性光纤ll、 50/50光纤分路耦合器12所组成(如图3所示)。50/50光纤分路耦合 器1可采用1X2光纤耦合分路器或1X2光纤偏振分路器。其输出两端的功率应相等。若采用偏 振分路器，上下两路中其它光信号的偏振态应相应改变。两输出端分别依次与光纤延迟线2、 光纤环形器6、光纤分路耦合器8、高非线性光纤10和光纤延迟线3、光纤环形器7、光纤分路 耦合器9、高非线性光纤ll相连。其中高非线性光纤10的两端与光纤分路耦合器8的两个输出 端口相连，高非线性光纤11的两端与光纤分路耦合器9的两个输出端口相连。然后两路信号与 2X1的50/50光纤分路耦合器12的两输入端相连。再生后的信号由50/50光纤分路耦合器14的输 出端输出。激光泵浦源4、激光泵浦源5分别与光纤分路耦合器8和光纤分路耦合器9连接。
这一实施方式的原理与上一方式有相似之处。光纤延迟线2和3可以由具有一定长度的光 纤构成，其长度的选择应使从50/50光纤分路耦合器l输出端到50/50光纤分路耦合器14的上下 两条信号通路的延迟相同。激光泵浦源4和5产生相千直流光作为泵浦光，其两个光场的相位 相差ti/2，并分别处于被再生的光四相制相移键控信号的理想相位分布的两个角平分线上，即 相位分别为Ti/4 (或5冗/4)和-7t/4 (或3:i/4)的直流光(设光四相制相移键控信号的理想相位分 布在O， 7t/2， 7t， -7t/2)。激光泵浦源4、激光泵浦源5也可由一个光源产生，然后分为两路通过 不同的光延迟线使其输入到光纤分路耦合器6和光纤分路耦合器7的泵浦光具有上述相位分 布。以上面一路信号为例，非线性全光信号处理部分的工作原理是信号光和泵浦光经过光 耦合器8后，分为两路分别以顺时针和逆时针经过高非线性光纤IO。在高非线性光纤中相互作 用会产生非线性相移，通过选择光耦合器8的分光比，使得顺时针和逆时针的光功率不同，从 而造成不同的非线性相移，在回到耦合器8处时，就累积了不同的光相位差从而发生干涉。千 涉的结果使得信号光和泵浦光的功率发生交换，这就对信号光形成了相位相关的增益。这个 增益的大小与信号光和泵浦光的相位差有关。对于此种实现方式，可使信号光中与泵浦光相 位正交的分量得到比与泵浦光同相的分量大得多的放大。这样的效应最终导致了输出信号光 的相位趋向于泵浦光相位线的垂直方向，从而对与相位线同相方向的信号分量实现了幅度变 化的抑制。另外，应使上面所述的非线性信号处理器工作在饱和状态下，使得在信号幅度大 时增益降低，从而使沿泵浦光相位垂直方向的输出信号分量的幅度变化得到抑制，以获得对 信号的进一步均衡效果。本发明中利用上述过程将光四相制相移键控信号分别压縮为两个相 互正交方向的光二相制相移键控信号，其中分别携带了原信号中的一个比特的信息。从光耦 合器8输出的信号沿原路返回到环形器6，并由环形器的另一输出端传到50/50光纤分路耦合器 12的一个输入。由50/50光纤分路耦合器12将两路输入信号光场的相干叠加，从而得到一个噪 声、失真得到抑制的光四相制相移键控信号。
权利要求
1.一种光四相制相移键控信号(包括光差分四相制相移键控信号)的全光再生方法，其特征在于将受损伤的有失真和噪声的光四相制相移键控信号光经过光分路器，分为两路经过光延迟线和非线性光学信号处理器，之后两路光信号在通过光耦合器合成一路光信号输出。
2. 根据权利要求1所述的光四相制相移键控信号(包括光差分四相制相移键控信号)的全光 再生方法，其特征是所述的非线性光学信号处理器使光四相制相移键控信号向其相位分布 的角平分线方向压縮；非线性光学信号处理器对信号在其信号空间的径向和切向的分量都进 行压缩；两路的非线性光学信号处理器的压缩方向相互垂直。
3. 根据权利要求1所述的一种全光四相制相移键控信号(包括光差分四相制相移键控信号) 的再生装置，其特征是非线性光学信号处理器由光纤耦合器、高非线性光纤、光纤耦合器 和泵浦激光器构成；信号光与泵浦光由光纤耦合器的两个输入端输入，光纤耦合器的两个输 出端分别与两段高非线性光纤相连，然后连接到第二个光纤耦合器的输入端，最终信号由第 二个光纤耦合器的输出端输出。
4. 根据权利要求1所述的一种全光四相制相移键控信号(包括光差分四相制相移键控信号) 的再生装置，其特征是非线性光学信号处理器由光环形器、光纤耦合器、高非线性光纤和 泵浦激光器构成；信号光经光环形器连到光纤耦合器的一个输入端，泵浦光由光纤耦合器的 另一个输入端输入，光纤耦合器的两个输出端分别与一段高非线性光纤的两端相连，最终信 号原光纤耦合器的输入端输出，经过光环形器由其另一端输出。
全文摘要
本发明公开了一种用于在光通信传输过程中，对有失真和噪声的光四相制相移键控信号(包括光差分四相制相移键控信号)进行重整的全光信号再生的方法和相应装置。该再生方法中已受损伤的输入光信号通过光分路耦合器(1)的两个输出端口分为两路，其中一路信号接光延迟线(2)和非线性光学信号处理器(4)，另一路信号接光延迟线(3)和非线性光学信号处理器(5)，非线性光学信号处理器(4)和(5)分别对两路信号在相互正交的四相制相移键控信号的角平分线方向上进行相位和幅度压缩，生成两路相互正交的二相制相移键控信号。之后两路信号由光合波器(6)合成一路再生后的光四相制相移键控输出信号。这种信号再生技术可用于高速光通信网络中对被噪声污染的光四相制相移键控信号(包括光差分四相制相移键控信号)进行信号再生，从而降低幅度和相位噪声对光通信系统性能的影响，提高无电中继传输距离，降低接收机的误码率。
文档编号H04B10/20GK101102162SQ20061009068
公开日2008年1月9日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者翔 刘, 琳 安, 欣 赵, 铮 郑 申请人:北京航空航天大学