基于參量放大的BPSK信號(hào)相位噪聲監(jiān)控方案

董洪光，余建興

（國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210032）

基于參量放大的BPSK信號(hào)相位噪聲監(jiān)控方案

董洪光，余建興

（國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210032）

相位噪聲是限制新型調(diào)制信號(hào)傳輸性能的主要因素之一。相位噪聲監(jiān)控技術(shù)可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地獲取系統(tǒng)性能，是未來高性能光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用參量放大過程對(duì)參與信號(hào)相位敏感的特性，提出了一種基于雙泵浦參量放大的全光BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）信號(hào)相位噪聲監(jiān)控方案。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，針對(duì)40 Gbit/s BPSK信號(hào)，該方案可以實(shí)現(xiàn)0～0.4 Vπ范圍內(nèi)相位噪聲的全光監(jiān)控。

光通信；二進(jìn)制相移鍵控；相位噪聲；參量放大

0 引 言

與傳統(tǒng)的OOK（開關(guān)鍵控）調(diào)制格式相比，新型調(diào)制格式BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）、QPSK（正交相移鍵控）和QAM（正交幅度調(diào)制）等，因具有更高的頻譜利用率、更高的接收靈敏度和更強(qiáng)的抗光纖非線性的能力而被業(yè)界認(rèn)為是下一代光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-6］。與OOK調(diào)制格式不同，上述新型調(diào)制格式的性能極易受傳輸系統(tǒng)線性和非線性相位噪聲影響。因此，針對(duì)采用新型調(diào)制格式的光纖傳輸系統(tǒng)，除了需要對(duì)OSNR（光信噪比）進(jìn)行監(jiān)控外，還需對(duì)信號(hào)相位噪聲進(jìn)行監(jiān)控［4，6-9］。目前針對(duì)相位噪聲監(jiān)控已有相關(guān)報(bào)道。文獻(xiàn)［7］報(bào)道了一種基于FWM（四波混頻）技術(shù)的相位噪聲監(jiān)控方案，該方案通過監(jiān)控FWM過程中閑頻光的功率實(shí)現(xiàn)對(duì)相位噪聲的監(jiān)控。文獻(xiàn)［8］報(bào)道了一種利用非對(duì)稱干涉光纖環(huán)行鏡實(shí)現(xiàn)相位噪聲監(jiān)控的方案。文獻(xiàn)［9］報(bào)道了一種利用相位調(diào)制相干接收技術(shù)實(shí)現(xiàn)相位噪聲監(jiān)控的方案。而全光、精確、大動(dòng)態(tài)范圍相位噪聲監(jiān)控技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。

本文針對(duì)BPSK信號(hào)提出了一種基于光纖參量放大的全光相位噪聲監(jiān)控方案，即通過監(jiān)控參量放大過程中的信號(hào)光功率來監(jiān)控信號(hào)相位噪聲的大小。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，針對(duì)40 Gbit/s BPSK信號(hào)，該方案可以實(shí)現(xiàn)0～0.4Vπ（Vπ為相位調(diào)制器的電壓）范圍內(nèi)相位噪聲的監(jiān)控。

1 全光相位噪聲監(jiān)控原理

基于參量放大的BPSK信號(hào)全光相位噪聲監(jiān)控原理如圖1所示。在本方案中，我們采用雙泵浦參量放大的方式。兩路中心角頻率分別為ω1和ω2的連續(xù)光和一路中心角頻率為ω3的BPSK信號(hào)光注入到非線性介質(zhì)中（如：光纖），當(dāng)連續(xù)光與輸入信號(hào)光的頻率滿足2ω3=ω1+ω2關(guān)系時(shí)［10］，連續(xù)光與信號(hào)光之間通過參量放大過程會(huì)產(chǎn)生功率的相互轉(zhuǎn)移，具體的功率轉(zhuǎn)移過程取決于連續(xù)光和信號(hào)光之間的相位關(guān)系。

圖1 基于參量放大的全光相位噪聲監(jiān)控原理圖

假設(shè)兩路連續(xù)光的相位分別為φ1和φ2，帶有相位噪聲的BPSK信號(hào)的相位為φ3，則根據(jù)參量放大過程中的相位匹配條件有［10］：φ=φ1+φ2-2φ3，式中，φ為相位失配量。為了利用參量放大過程實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入BPSK信號(hào)的相位噪聲監(jiān)控，我們固定輸入泵浦信號(hào)的相位φ1和φ2（例如設(shè)φ1=φ2=π）。因此，由參量放大的相位匹配條件可知，滿足不同相位失配量φ的BPSK信號(hào)將在參量放大過程中被放大或衰減。具體來說，如果輸入BPSK信號(hào)的相位φ3使得φ滿足-π/2＜φ＜0，則輸入的BPSK信號(hào)將被放大，否則，輸入的BPSK信號(hào)被衰減。而且BPSK信號(hào)的放大增益或衰減系數(shù)也與輸入的BPSK信號(hào)的瞬時(shí)相位φ3有關(guān)。因此，我們?cè)诮邮斩送ㄟ^監(jiān)控參量放大后BPSK信號(hào)光的光功率就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸入BPSK信號(hào)相位噪聲的監(jiān)控。

2 系統(tǒng)仿真和分析

我們基于Rsoft商用仿真軟件搭建了仿真系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 基于參量放大的相位噪聲監(jiān)控仿真系統(tǒng)

設(shè)定兩路連續(xù)泵浦光和一路BPSK信號(hào)光的中心角頻率分別為ω1=193.9 THz、ω2=194.1 THz 和ω3=194 THz。為了模擬鏈路中的相位噪聲，我們將電高斯白噪聲通過相位調(diào)制器加載到BPSK信號(hào)上，并且通過控制電高斯白噪聲的電壓幅值來控制加載到BPSK信號(hào)上相位噪聲的大小。然后，將兩路連續(xù)泵浦光和一路帶有相位噪聲的BPSK信號(hào)一同注入到高非線性光纖中以實(shí)現(xiàn)參量放大。其中，兩路連續(xù)光的光功率均為12 dBm，BPSK信號(hào)的光功率為-10 d Bm，傳輸比特率為40 Gbit/s。光纖長(zhǎng)度為1 km，非線性系數(shù)為30 km-1·W-1。最后，在高非線性光纖的輸出端用中心角頻率為ω3=194 THz、帶寬為100 GHz的光帶通濾波器濾出BPSK信號(hào)光，并用光功率計(jì)監(jiān)控其功率。

圖3給出了噪聲電壓為0 V時(shí)輸入BPSK信號(hào)的眼圖和經(jīng)過高非線性光纖后的光譜圖。由于此時(shí)的相位失配量φ接近零，信號(hào)在參量放大過程中獲得最大增益。經(jīng)過參量放大過程后，BPSK信號(hào)的功率放大到約-5 d Bm。

圖3 噪聲電壓為0 V時(shí)輸入BPSK信號(hào)的眼圖和經(jīng)過高非線性光纖后的光譜圖

圖4給出了噪聲電壓為0.4 Vπ時(shí)輸入BPSK信號(hào)的眼圖和經(jīng)過高非線性光纖后的光譜圖。由于此時(shí)的相位失配量φ在-π/2＜φ＜0范圍以外，BPSK信號(hào)在參量放大過程中被衰減，其功率衰減約為-14.5 dBm。

圖4 噪聲電壓為0.4 Vπ時(shí)輸入BPSK信號(hào)的眼圖和經(jīng)過高非線性光纖后的光譜圖

隨后，我們進(jìn)一步研究了具有不同相位噪聲的BPSK信號(hào)經(jīng)參量放大過程后的功率變化情況。圖5給出了不同噪聲電壓情況下，高非線性光纖輸出端信號(hào)光功率的變化。在此，我們通過改變加載到相位調(diào)制器上的噪聲電壓值來改變加載到輸入BPSK信號(hào)上的相位噪聲。從圖中可以看出，當(dāng)噪聲平均電壓在0～0.4 Vπ范圍內(nèi)變化時(shí)，監(jiān)控到的BPSK信號(hào)的光功率隨加載到相位調(diào)制器的電壓（對(duì)應(yīng)于加載到BPSK信號(hào)上的相位噪聲）呈單調(diào)遞減變化，表明本方案能夠?qū)崿F(xiàn)BPSK信號(hào)在0～0.4 Vπ范圍內(nèi)的相位噪聲監(jiān)控。

圖5 輸出光功率隨相位噪聲的變化曲線

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于雙泵浦參量放大的全光BPSK信號(hào)相位噪聲監(jiān)控方案，并在40 Gbit/s BPSK系統(tǒng)中仿真驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。仿真結(jié)果表明，本方案針對(duì)BSPK信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)0～0.4 Vπ范圍內(nèi)相位噪聲的監(jiān)控。該技術(shù)可用于未來高性能光纖通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)相位噪聲的監(jiān)控，從而實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地獲取系統(tǒng)性能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)、管理以及可重構(gòu)配置。

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All-optical Phase Noise Monitoring for BPSK Signal Based on Parametric Amplifying

DONG Hong-guang，YU Jian-xing
（Guodian Nanjing Automation Co.，Ltd.，Nanjing 210032，China）

Phase noise is one of the key limitations for phase-modulated signal in high-speed optical communication system as its information is coded in the optical phase.Therefore，phase noise monitoring technique is highly required in future reconfigurable and flexible optical communication system.It can provide real-time information about the quality of the transmitted signal during the fiber transmission.In this paper，we apply the phase sensitive characteristic in the parametric amplifying process and propose a phase noise monitoring method for Binary Phase Shift Keying（BPSK）signal based on dual-pump parametric amplifying in highly nonlinear fiber.The simulation results show that the phase noise monitoring can be successfully achieved in the range of 0 to 0.4 Vπfor 40 Gbit/s BPSK signal.

optical communication；BPSK；phase noise；parametric amplifying

TN247

A

1005-8788（2016）03-0019-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.007

2015-12-11

董洪光（1981-），男，江蘇連云港人。碩士研究生，研究方向?yàn)檐壍澜煌娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)、信號(hào)與通信系統(tǒng)。

余建興，工程師。E-mail：yjx2605@126.com