基于相位敏感放大器的宽带全光相位再生技术

我们将提出一种宽带全光相位再生技术，它可用于波分复用（WDM）的相移键控（PSK）码型（包括多进制PSK，如DQPSK）通信系统中的信号相位再生，从而大幅提高系统性能。PSK码型利用光相位承载信息，其比传统的开关键控码型具有更优越的性能，近来受到极大地关注。为提高带宽，实际的PSK系统中应采用现已广泛应用的WDM技术。PSK信号极易受相位噪声的干扰而导致系统性能急剧下降，而相位再生技术能够恢复信号的原始相位信息，是一种很有前景的技术。尽管人们提出了很多相位再生技术，但尚未有实际可行的能用于WDM-PSK系统中的宽带相位再生技术。本项目将提出、实验验证并优化一种基于相位敏感放大器的宽带相位再生技术，其通过两段高非线性光纤中的级联矢量四波混频效应以及对泵浦的相位和信号、闲频光的功率进行调节来实现。该技术可以很好地再生宽带信道的相位，并获得高信号增益，同时根据需求该技术还可实现宽带波长转换。

信息时代中海量数据在全球传输，然而很多传输噪声或畸变限制了光纤通信系统的传输能力。近年来，相干光通信技术，如相移键控传输系统，拥有比传统通信技术更佳的性能，因而受到广泛的重视。但传输过程中的相位噪声会极大地降低相移键控信号的质量。尽管人们发现相位敏感放大器（PSA）可以对信号的相位进行再生从而恢复信号的相位，但是之前的PSA技术的带宽大都很窄，一般只能支持一个信道的信号相位再生。因此迫切需要能用于波分复用的相移键控码型通信系统的宽带PSA技术。在本项目中，我们提出并实验验证了基于单根光纤中两次四波混频过程的宽带PSA技术，并且实验研究、优化了该技术在多种不同结构时的效果。（1）通过测量该PSA的噪声增益谱，证明了其具有宽带增益的性能（我们实验得到了30nm以上的带宽，如果利用更好的高非线性光纤，能够得到更佳的性能）；（2）通过测试不同参数下输出的各种增益谱，分析了泵浦功率、泵浦波长以及色散光纤长度等对该PSA性能的影响；（3）更进一步，通过实验验证了该技术对两个信道同时具有相位敏感放大的性能。本宽带PSA技术仅使用单根光纤，结构简单且经济实用，既具有再生宽带信道相位的能力，同时能够根据需求实现宽带的波长转换。我们还从理论上对基于两次四波混频的PSA进行了研究，得到了近似条件下的解析式，验证了其能用于相位敏感放大和相位再生，并指出了信号脉冲引起的自相位调制和交叉相位调制将会导致输出脉冲的相位产生畸变。此外，在本项目的支持下，还对光纤中四波混频的产生进行了深入研究，理论上得到了多级四波混频的各阶输出光功率的近似表达式，实验研究了多级四波混频的演化过程，提出并实验验证了产生宽带的多级四波混频方案。这些研究为高性能、宽带的四波混频、PSA、相位再生的实现和应用提供了支持。