本發明是采用全光信號處理技術對多進制相移鍵控(MPSK multilevel phase shift keying)光信號進行處理，涉及到通信領域研究，尤其屬于全光信號處理技術領域。

背景技術：

全光信號處理作為作為未來大容量光網絡的關鍵技術，擺脫了光電光轉換的限制，成為了目前炙手可熱的研究話題。而隨著信息化時代的到來，用戶在通訊時需要越來越大的傳輸容量，為了達到高傳輸容量、高頻譜利用率的目的，MPSK調制格式憑借其較強的抗噪能力、較高的頻譜利用率等優勢，得到人們的廣泛關注。然而在光通信系統中，鏈路中光放大器的自發輻射噪聲(ASE amplifier spontaneoous emission noise)和光纖中的克爾效應相互作用會導致非線性相位噪聲，這將嚴重導致MPSK信號質量劣化，從而影響通信質量。尤其對于M值越大的MPSK調制格式來說，由于星座圖中的相位狀態數越多，更容易受到相位噪聲的影響。因此，采用全光信號處理技術對MPSK信號實現再生，在信號傳輸系統中是一個非常重要的環節。

相位敏感放大器(PSA phase sensitive amplifier)本質上是一種光放大器，可以利用參量過程使信號光的增益具有強烈的相位敏感特性，即信號光的同相分量被放大，而正交分量則被衰減，因此可用來實現信號的相位再生。

目前，國內外基于PSA實現MPSK信號再生的方法主要采用相位不敏感放大器(PIA phase insensitive amplifier)產生四波混頻光梳，再從光梳中選取第(M-1)次諧波作為PSA的閑頻光輸入，第M次諧波作為第二個泵浦，與信號光和本地泵浦光一起輸入到PSA中，從而實現MPSK信號的再生。已經有實驗采用該方法成功實現QPSK信號(M＝4)的相位再生。但隨著M值增的大，需要的諧波階數會越來越高，而產生高次諧波的四波混頻效應轉換效率卻會越來越低，因此很難實現更高階PSK信號的相位再生。本發明正是針對現有基于PSA的MPSK信號全光再生方式效率不高的問題，提出一種更高效率的再生方法，即采用多個低次諧波取代高次諧波，從而提高基于PSA實現MPSK信號全光再生的效率。

技術實現要素：

本發明在現有基于PSA實現MSPK信號全光相位再生方法的基礎上，提出一種高效率的多進制相移鍵控光信號的全光再生方法，其核心思想為采用多個相位不敏感放大器產生四波混頻光梳，再從中選取多個低次諧波作為PSA的輸入，從而可實現MPSK信號的相位再生。下面將從基于二模PSA實現光信號相位再生原理、基于二模PSA的高效率MPSK信號全光再生原理兩個方面進行介紹。

1、基于二模PSA實現光信號相位再生原理

由于本發明中僅涉及二模參量過程中的相位共軛(PC phase conjugation)過程，因此僅分析利用PC過程實現PSA的情況。附圖1是高非線性光纖中相位共軛過程示意圖。其中w1和w2是泵浦波，w3是信號波，w4是閑頻波，且四個波之間的頻率滿足關系式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，滿足關系式β＝β2+β3-β4-β1。是同偏振波的非線性耦合系數。公式(1)-(4)是假設了光場單色，橫向均勻，所有光波均為沿x方向的線偏振波，且沿光纖傳輸方向光波偏振態不變，也不用考慮光纖群速色散和損耗效應。如果光場橫向不均勻，還需要考慮光纖的有效面積，則光纖非線性系數會有不同。如果光波具有任意的振幅，那么四波混頻(FWM four wave mixing)過程就會變成矢量FWM過程，式(1)-(4)中的系數將要做出一定的變化。

如果假定泵浦波比信號波和閑頻波強很多，即在小信號模式下，四波混頻過程中可以忽略泵浦消耗的影響。那么容易求出方程(1)和(4)的解為：

式中Pj(j＝1,2,3,4)為z＝0處各波的功率，且Pj＝|Aj(0)|。將式(5)和式(6)代入到式(2)和(3)中，可以得到

其中為了解這兩個方程，可以引入方程(9)

此時，式(7)、(8)可以轉化成

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表示傳輸系數，滿足關系式|μ|²-|v|²＝1。式(12)和(13)就是二模PC過程信號光和閑頻剛的輸入輸出關系式。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。

為了更好地討論利用PSA實現相位再生原理，可以將式(12)轉化為

由于當δ＝0時四波混頻發生最明顯，因此可以假設δ＝0。則可以得到因此式(16)就可以進一步被轉化成：

為了更好地體現PSA的再生特性，需要對信號輸入與輸出前后進行比較，可以定義增益G為：

那么將式(17)代入到式(18)中，可以得到

式(19)就是二模PSA的增益方程。從式(19)可知，泵浦光和閑頻光的相位決定了增益的大小，只要改變相應泵浦光和閑頻光的相位，就可以得到不同的增益曲線，從而可對不同的MPSK信號進行相位再生。例如，當兩個泵浦光的相位均為0時，如果信號光的相位等于閑頻光的相位，那么增益G取得最大值的點為信號光相位為mπ(m＝0,1,2……)的點，在信號光相位為mπ/2(m＝1,3,5……)時增益G取得最小值，從而可以使BPSK信號的相位實現再生。本發明提出的高效再生MPSK信號方式正是基于這一理論進行推導的，即改變泵浦光和閑頻光的相位，產生不同的增益曲線，從而實現MPSK信號的相位再生。

2、基于二模PSA的高效率MPSK信號全光再生原理

附圖2是利用二模PSA實現MPSK信號高效相位再生的原理示意圖。本發明采用兩個PIA生成兩個不同的由于四波混頻級聯效應而產生的光梳。這兩個PIA中的信號光來自于同一個攜帶有相位噪聲的信號光，唯一的區別在于兩個本地泵浦的頻率不同，但是這兩個本地泵浦的相位是共軛的，可以利用相位調制器(PM phase modulation)產生光梳得到。隨后，從第一個四波混頻光梳中選擇相位為的諧波作為PSA的輸入，在第二個四波混頻光梳中選擇相位為的諧波作為PSA的輸入。那么式(19)就可以轉換成：

從式(20)可以看出，式(20)代表的增益波形相鄰兩個增益峰值出現的周期為2π/M，因此可用來再生有M個相位狀態的MPSK信號。

在本發明中，僅采用最高為(M/2-1)次諧波就可實現MPSK信號的相位再生，與現有的MPSK信號再生方式相比較，對于同樣階的MPSK信號，不再需要(M-1)次諧波和M次諧波。而對于四波混頻效應來說，需要產生的諧波階數越高，對四波混頻轉化效率的要求更高。因此，本發明相對于現有基于二模PSA實現MPSK信號相位再生方式擁有更高的效率。在式(20)中有一個額外的相位π/2，如果要實現MPSK信號相位再生，必須將這個額外的相位消除掉，但由于這是一個確定的相位，可以通過鎖相環調節，從而去除這個固定相位帶來的影響。

附圖說明

圖1高非線性光纖中相位共軛過程示意圖

圖2高效率的MPSK信號全光再生方法原理示意圖

圖3高效率的8PSK信號全光再生方法原理示意圖

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

實施例：

本實施例是基于如圖3所示的基于二模PSA的高效率8PSK信號全光再生方法原理示意圖加以說明。

首先在本地產生兩個頻率不同、相位共軛泵浦光，再分別于信號光一起同時輸入到兩段高非線性光纖中，通過四波混頻級聯效應，產生兩個不同的四波混頻光梳。隨后，從第一個四波混頻光梳中提取出二次諧波信號波三次諧波分別作為PSA的泵浦光、信號光和閑頻光，從第二個四波混頻光梳中提取另外一個二次諧波作為PSA的另外一個泵浦波。最后將這四個波同時輸入到PSA中，就可實現8PSK信號的相位再生。

分別將四個波的相位表達式帶入到式(19)，則式(19)可轉換為：

從式(21)中可看出，在其所表示的相位增益曲線中，在0到2π周期內，會出現8個增益峰值，且相鄰兩個增益峰值的相位間隔為π/4，因此可用來再生具有八個相位狀態的調相信號。