基于相敏放大的差分相移键控信号的全光再生外文翻译资料

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基于相敏放大的差分相移键控信号的全光再生

Kevin Croussore, Cheolhwan Kim, and Guifang Li

佛罗里达州奥兰多市中央佛罗里达大道4000号中佛罗里达大学光学与激光研究与教育中心32816

2004年5月18日

本文描述了基于相敏放大的差分相移键控信号的全光再生。 在未耗尽泵体系中可以实现接近理想的光相位再生，并且可以使用耗尽泵体实现振幅和相位的同时再生。2004年美国光学学会

OCIS码: 060.4370, 060.4510, 060.5060, 060.2330, 190.4380.

差分相移键控（DPSK）正逐步代替通断键控（OOK），特别是长距离传输上。和OOK相比，在相同的误码率条件下，基于相位的调制所需的光信噪比（OSNR）小了 3dB，提高了接收机灵敏度。DPSK信号也表现出较强的耐光纤非线性效应，特别是对通道间的交叉相位调制的影响。这些特性使DPSK信号能够广泛的应用在远距离传输上。

除了定时抖动之外，DPSK系统主要受线性和非线性相位噪声的限制，这与主要受强度噪声限制的开关键控系统不同。线性相位噪声（以及幅度噪声）是来自光放大器的自发射噪声。在单通道系统和复用系统中, 当放大的自发发射振幅噪声和色散诱导模式效应转换为相位噪声时, 就产生了非线性相位噪声, 这是由 XPM 和SPM在波分复用系统中产生的。实验表明，当相位噪声的非线性影响占主导地位时，使用平衡DPSK检测的优势就会丧失。目前已提出了解决光纤非线性和补偿非线性相位噪声的各种方法。对于波分复用系统，准确评估线性和非线性对相位噪声的影响并且区分SPM和XPM的影响是复杂的，因为可能存在大量的XPM相互作用。传输后非线性相移补偿的方案是使用脉冲相对幅值来表示非线性相移的累积但是无法准确的补偿XPM或线性相位噪声，这使得非线性相移补偿技术的有效性大大下降。如今，有限的资源放在去除DPSK数据的幅度噪声上，尽管正是这种幅度噪声导致了非线性相位噪声的累积，然而却未真正的消除相位噪声。

在本文中，我们描述了一种基于光学相敏放大器（PSA）的DPSK信号的相位和振幅再生方法。PSA在非线性光纤干涉仪中的功能是简并四波混频（FWM）。光增益的相敏特性迫使信号（降级数据）相位相对于相同频率下的强泵的值为0或。同时，当信号功率与泵浦功率相当时，增益饱和并实现限幅放大。以前研究PSA显示其具有多样的功能，包括限幅放大等。在这里我们将展示PSA如何执行DPSK再生。

一个PSA可以表示成如图1 的形式。

图1. PSA的示意图。 两个50:50定向耦合器和高度非线性光纤（HNLF）组成非线性Mach-Zehnder干涉仪。

在相同光频下的泵浦和信号在输入耦合器中被组合成平衡非线性Mach-Zehnder干涉仪。在没有信号（泵）的情况下，泵（信号）完全从泵（信号）端口产生。当泵和信号都存在时，两臂中的总场强可表示为。

光信号经历不同的非线性相移，干涉仪变得不平衡。其结果是，从泵的能量被转移到信号端口，反之亦然。信号端口的输出由下式给出：

（1）

这里；L是放大器长度，和分别是注入泵浦信号和信号的相位；是非线性效应值；是非线性相移。从方程（1）得出输出信号峰值功率Ps由下式给出：

（2）

其中P_s0 =|E_s0|²和P_p0 =|E_p0|²分别是输入泵浦和信号功率。由等式（1）和等式（2）可以得到泵浦与信号组成的系统是相位敏感的。当=0或，非线性相移达到最大值。而当，

或，线性相移为零且泵和信号之间不会有耦合。信号增益由非线性相移确定, 受放大器长度、输入功率和输入相位差的影响。当非线性相移达到/2时，信号的输出功率就等于泵浦功率。

图2(a)是在情况下信号输出功率与不同放大器长度的关系图。泵浦功率为20mW。

计算中我们取=27W^-1km^-1。可以观察到两种相位敏感放大现象。第一种情况低输入信号功率。与泵功率（未耗尽泵）相比，输出信号功率仍然较小。对于高输入信号功率，输出信号功率达到输入泵功率（耗尽泵）的水平并随距离振荡。FWM长度定义为信号功率达到其最大值时的光纤长度，随着输入信号功率的增加而减小。耗尽型泵浦与非耗尽型泵浦都可用在相位敏感放大器上来重生DPSK信号。就如我们在后面所展示的，一个非耗尽型泵浦的PSA效应可以近乎完美的达到相位再生而一个耗尽的泵PSA可以实现同时的相位和振幅再生。首先我们先使用非耗尽型泵浦来实现DPSK信号再生。在图2（b）中我们展示了光信号增益，并定义为泵浦-信号相位。泵浦和信号的功率分别为20mW和175W。放大器长度为6千米，与此相比的是FWM的长度为35千米。峰值的增益曲线出现在和其整倍数上，表示通过泵的相位或相位差的场分量被强烈放大，而那些相位差为/2并未被放大。相位增益迫使DPSK信号脉冲的输出相位接近0或，取决于脉冲相位所处的初始象限。图2（b）中还显示了输出信号相位与输入信号相位相对于未耗尽泵PSA的泵相位。如图所示，对于输入信号相位的有较大变化的，信号的输出相位被强制为几乎恒定的值。两个输出相位状态的差异为准确值, 表明所有再生信号脉冲都是0或的差分相移。我们将进一步展示40-Gbit/S DPSK信号在光纤传输后的再生。如图3(a)所示DPSK数据五次循环经过由80千米的标准单模光纤[D=16ps/(nm/km),，16千米的色散补偿光纤[D=-80ps/(nm/km),]和一个噪声为6dB的光纤放大器组成的系统。在相量图上, 每个点表示 DPSK 位采样在比特周期中心的振幅和相位。幅度噪声超过了3dB，且总的相位失真也达到了近60°。图3（b）展示了同样的数据经过相位再生后。幅度噪声并未有所影响，但是相位具有的相差，因此实现接近理想的相再生。图3(c)展示了数据在相位再生后经过10千米的放大器长度。相位噪声比之前有所减少。然而，在这种情况下，泵大约耗尽25％。

图2.（a）四个输入功率（标记）和20mW泵浦功率下的信号功率与放大器长度的关系。 （b）对于Pp0 = 20mW，L6 = 6km和Ps0 = 175mW，归一化场增益（实线）和输出信号相（虚线）对相对输入相。

图3 DPSK数据的相图（a）500 km传输后，（b）仅相位再生后，L = 6 km，（c）仅相位再生后，L = 10 km，（d） 在同步相位和振幅再生之后。

图4.（a）输入泵浦信号相位差的不同值时信号输出功率与输入功率的关系。输出功率与输入功率之间的关系，范围为5-15 mW。（b）输入功率为5和15 mW时的信号输出与输入相位的关系。输出与输入相位接近0或点，plusmn;0.2。

当放大器长度选择为接近FWM长度时，可以获得限幅放大，如图2（a）所示。当放大器长度大约在4千米时（如图所标记的箭头），但我们选择时输出信号的功率几乎都取决于输入功率（5-15mW）。如果泵浦-信号相位是非归零，FWM长度与最大信号功率将会改变。对于一个DPSK信号会受到相位与振幅的噪声，基于PSA效应的强度再生需要再加验证。在图4（a）中针对不同的泵-信号相位不匹配值，绘制信号输出功率与信号输入功率的关系图。信号功率大于5mW时，可以清楚地观察到限幅放大。如图所示当泵浦-信号相位失真少于15°时，若输入信号为4.75dB（5-15mW）则输出功率变化基于2.5dB。为了验证耗尽泵浦的同时相再生, 在图4(b)中, 我们绘制了5和15mW瓦信号功率的输出相位与输入相对相位。对于未耗尽的泵浦来说，耗尽的泵浦基于PSA的相位再生特性不再理想。但是，如果我们将参考（泵）阶段的输入相位变化限制在（如图4（b）），输出的相位变化将低于0.1，这很好的抑制了相位噪声。最后，图3（d）显示了同步相位和振幅再生图3（a）后的再生数据。 振幅噪声降低到大约1 dB，与未再生前的60°整体变化相比，再生后相位总体上仅改变了12°。

总之，文中演示了基于相敏放大的DPSK再生。对于未耗尽泵PSA的情况，输出阶段实际上是将在整个比特周期内的值定义为恒定值，除了在光强度可以忽略的区域（例如，归零数据）的区域中的相跳跃，导致再生脉冲中仅有0或的差分相移。对于耗尽泵PSA的情况，放大器可配置为实现振幅和相位再生。 所提出的方案将消除相位噪声的线性和非线性贡献。我们设想，在接收器平衡检测之前，只有相位再生将更适合于预处理，同时相位和幅度再生将更适合于在线处理，以减少由非线性传播引起的幅度噪声到相位噪声转换。G. Li的电子邮件地址是li@creol.ucf.edu。

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