相位共轭技术在高速远距光通信系统中的应用

1）光通信系统受到的两种限制

对当前广泛应用的长距离光纤通信系统来说，通常采用时分复用（TDM）或波分复用（WDM）的机制来实现大量信息的多通道同时传输。为进一步提高系统的信息传输速率，在采用TDM机制的情况下，要求尽量压缩每一通信频道载波的脉冲时间宽度；而在采用WDM机制的情况下，则要求尽量压缩每一通信频道载波的脉冲频谱宽度。实际上，这两种要求都受到一定程度的限制。

首先以第一种要求为例进行考虑。当波长处于石英光纤透光窗口光谱区（1.3～1.5μm）的载波脉冲宽度压缩至10～1 ps范围时，由测不准关系确定的谱宽已达到1～10 nm范围；此时由光纤群速度色散（GVD）所导致的脉冲波形的时间加宽已不可忽略（参见12.1.3节），因此对载波脉冲宽度的进一步压缩受到限制［100，101］。

其次再考虑在WDM机制下对载波频谱宽度压缩的限剖。为增长光纤通信的有效传输距离，需要载波光脉冲有较高的功率；但另一方面，长距离光纤本身又是一种效率较高的三阶非线性介质，因此初始频宽较窄的载波光束，在传输过程中受相位自调制的影响而本身频谱宽度有可能加宽。

综上所述，光载波在光纤传输系统中经受到的群速度色散和自调制光谱加宽，是限制信息传输速率进一步提高的两种主要因素。为克服这两种不利因素的影响，自20世纪90年代开始，通过理论与实验研究证实，利用前向相位共轭波脉冲的频谱结构反转原理，可以巧妙地同时克服这两种因素的影响。

2）采用相位共轭技术对两种限制的解除

早在1979年，Yariv等就曾从理论上指出，利用在两段全同的光波导之间，经四波或三波混频方法产生后向共轭波，当后者继续通过第二个光波导后，则由波导系统GVD效应导致的脉冲光信号的时间加宽影响可以消除［102］。1992年，Inoue进一步针对光纤通信系统从理论上研究了这一课题，指出可以利用工作在光纤零GVD光谱区附近的非简并四波混频，作为产生有效前向共轭波的手段；这是因为在泵浦光频率足够接近入射信号光频率的前提下，发生上述四波混频的相位匹配要求可近似在同方向上满足［103］。1993年，Watanabe等首先在实验上，利用非简并四波混频在长度为23 km的色散移动光纤（DSF）中产生前向共轭波，并证实了将该相位共轭装置放置于两长度近似相等（80 km）的两段标准单模光纤中间，可基本消除由GVD影响造成的脉冲时间加宽［104］。稍后，Jopson等也完成了类似的成功实验［105］。

利用放置于两段具有相同GVD≠0特性标准单模光纤中间的前向共轭装置，消除GVD引起脉冲时间加宽影响的原理，是基于所产生前向相位共轭脉冲的频谱分布，相对于入射信号光脉冲来说发生了反转的缘故。前面讨论已知，可分别利用非简并四波混频或者三波混频方法产生前向相位共轭波。将这种结论推广到光纤通信系统，信号脉冲光波和经由四波（或三波）混频产生的共轭脉冲光波，都具有一定宽度和形状的频谱结构；但按能量守恒要求，这两种脉冲光波的频谱结构相对于泵浦频率（ωp或ωp/2）来说，应保持镜面对称。换句话说，此情况下相位共轭装置的作用，是使得新产生的共轭脉冲的频谱结构相对于入射信号脉冲而言，发生了反转。

图8-31为利用非简并四波混频，在色散移动光纤样品中产生前向共轭波的频谱结构测量结果［105］。输入信号光中心波长为1 543.1 nm，泵浦光波长为1 546.7 nm（正好位于该光纤零GVD波长处），相位共轭光中心波长为1 550.3 nm。从这一实验结果可看出，相位共轭光的频谱结构，相对于入射信号光而言，确实发生了反转。

图8-31　采用四波混频方法通过21 km长色散移动光纤产生前向相位共轭光的频谱反转［105］

图8-32可说明相位共轭波的频谱反转可以消除GVD影响。在两个长度以及GVD相同的标准单模光纤区段中途，配置一前向共轭装置，经过一个带通滤波器后，只有前向共轭脉冲可通过第二区段继续传输，如图中上部所示。假设输入信号脉冲的中心频率为ω0，频宽为2δω，在入射到第一段光纤前，所有光谱成分在时间上彼此重合。进一步假设传输光纤具有负GVD特性，则经长距离传输后，不同光谱成分将彼此在时间上前后分离。如图中下部所示，高频成分脉冲先到达共轭器，低频成分脉冲晚到达共轭器，从而使得总的信号脉冲轮廓加宽。产生前向共轭过程的结果，是使得首先到达的信号波高频成分转换成为共轭波的低频成分，而最后到达的信号波低频成分转换为新产生共轭波的高频成分。因此不难理解，在完成第二光纤区段内的传输后，输出共轭脉冲不同光谱成分彼此又恢复重合，从而消除了光纤GVD效应对脉冲时间加宽的影响。

图8-32　利用在两相同标准单模光纤区段中途放置相位共轭器消除GVD影响（ω0在共轭器前代表输入信号脉冲中心频率，在共轭器之后代表共轭脉冲中心频率）

进一步说明，配置于两相同光纤区段的前向相位共轭装置，还可以同时消除光脉冲在长距离光纤传输过程中经受的自调制和光谱自加宽影响。如图8-33所示，设入射到第一个光纤区段的信号光脉冲具有较窄的初始频宽2δω，通过该段光纤传输后由自相位调制引起的光谱最大加宽量为2Δω，其特征是在脉冲的前半部光谱发生红移，而在脉冲的后半部光谱发生蓝移（参见6.3节）。如前所述，中途共轭装置的作用，是使新产生的前向共轭脉冲的频谱分布发生反转，亦即脉冲前半部具有较高频成分，而脉冲后半部具有较低频成分。这样一种脉冲在第二段光纤继续传输过程中，脉冲前半部光谱成分有向低频方向移动的趋势，而脉冲后半部光谱成分有向高频方向移动的趋势，从而使得总的光谱宽度有逐渐变小的趋势。如果两段光纤的物性和长度相同，光脉冲在两段光纤中的功率水平接近，则最后的输出光脉冲的频谱宽度可恢复到初始的2δω值。

图8-33　利用中途相位共轭器消除两相同光纤区段自调制和自光谱加宽影响（δω是输入光脉冲初始频谱半宽度，Δω是经一段光纤传输后由自调制引起的最大频移）

图8-34　位于两相同光纤区段中途的相位共轭装置（a）、组成示意图（b）以及作为该装置核心的非线性介质的3种可行选择（c）

图8-34为用于实际光纤通信系统中途光学相位共轭装置的构成示意图。作为装置核心的是用于实现四波或三波混频的非线性介质以及泵浦激光源。可用的非线性介质有3类：①在工作波长区有零GVD特性的色散移动光纤，长度可为10-1～101 km量级，用于四波混频［104～111］；②半导体激光放大器（SOA），可提供共振增强的有效三阶非线性系数，同样用于四波混频［112～119］；③具有较高三阶非线性特性的光波导系统，用于实现四波混频［120～123］，或具有较高二阶非线性特性的（例如周期极化的LiNbO3）光波导系统，用于实现三波混频［124～126］。泵浦源通常是发射适当波长的半导体激光器，其输出激光经一个掺铒光纤放大器（EDFA）放大后，再通过光纤耦合器注入非线性介质。(www.xing528.com)

图8-35　利用中途相位共轭装置克服自调制光谱加宽［106］

（a）输入信号光频谱；（b）经过长度各为44 km的两段单模光纤传输后的输出信号频谱；（c）经过第二段光纤传输后的输出相位共轭（OPC）波频谱；（d）～（f）三种情况下对应的理论计算曲线

作为成功演示采用中途相位共轭装置克服自调制光谱加宽影响的实例，图8-35给出了利用半导体激光放大器作为四波混频介质的有关实验结果［106］。实验中，共轭装置串联到两段长度各为44 km的标准单模光纤的中间，入射信号波长为1 565 nm，泵浦波长为1 550 nm，新产生的共轭光波长为1535 nm。图8-35（a）是输入到第一段光纤前的信号光频谱；图8-35（b）是在不放置相位共轭装置时，经两段光纤传输后的信号光输出频谱，可看出明显的光谱加宽；图8-35（c）是在中途放置相位共轭装置后，由第二段光纤输出的共轭光频谱，可看出加宽效应基本消除；而图8-35（d）～（f）则是与图（a）～（c）相对应的理论计算结果，可看出两者符合较好。

图8-36为在配置有中途相位共轭装置的双区段标准光纤通信系统中，信号光脉冲以及共轭光脉冲沿传输距离上各自脉冲形状和频谱结构的变化行为。由图可知，在最好的情况下，共轭光脉冲的时间宽度和频谱宽度均可恢复到入射信号脉冲的初始大小。

图8-36　配置于两光纤区段中间的相位共轭（PC）系统（a）以及信号脉冲和相位共轭脉冲形状的变化（b）、频谱的变化（c）

3）研究进展实例

图8-37（a）为一种实际中采用量子点SOA作为四波混频用三阶非线性介质中途相位共轭器的结构示意图［119］。输入是波长分别为1 550.92，1 551.72，1 552.52 nm的三通道信号组，通道间距为100 GHz；对于每个通道，信号可以被调制为开关键控（OOK）信号或者差分相移键控（DPSK）信号。波长为1 548.92 nm的泵浦源是一个外腔式激光二极管，整个共轭系统位于两个50 km长的标准单模光纤区段之间。图8-37（b），（c）中分别给出了在两种不同通道组合安排条件下，测得的输入（虚线）和输出（实线）信号光谱。四波混频的转换效率是-0.9 dB，而共轭信号输出的信/噪比可达30 dB。这种共轭系统已经被用来实现10 Gb/s多通道信号通过100 km长光纤的低耗损传输。

图8-37　采用量子点半导体光放大器（QD-SOA）做四波混频中途相位共轭器（a），在两种不同通道组合安排下测得的相位共轭器的输入与输出3个频道的信号光谱［（b），（c）］［119］

图8-38（a）则是光纤通信系统的另一个例子，该系统使用一种肋状硅波导作为四波混频的相位共轭器［120］。该波导的宽度、高度和腐蚀深度分别是1.5，1.55，0.7μm，总长度为8 cm并按双S形状部局。在经过160 km长的第一个光纤区段后，在单通道中携带40 Gb/s伪随机序列（PRBS）数据的1 555.8 nm信号光束与波长为1 557.3 nm以及功率为600 mw的泵浦光相结合，通过四波混频在波导中产生波长为1 558 nm的相位共轭信号输出。图8-38（b）为在中途共轭器处测得的速率为10 Gb/s的光信号的误码率（BER）对信号光功率的依赖性，图中也同时给出了相应测得的眼图。可以看出，两条曲线在BER值为10-9水平时的功率损失小于0.3 dB。

图8-39（a）是一种采用PPLN晶体波导实现三波混频的中途相位共轭器的结构示意图［126］。该配置的特点是对光偏振变化不敏感，同时又可提供二阶非线性过程较高的转换效率。在共轭器的输入中包含了一个波长为λs=1 551 nm的脉冲信号光束和一个波长为λf=1 546.1 nm的连续基频光束；它们在Ti：PPLN晶体波导行进过程中，其中的基频光首先产生波长为λf/2=773.05 nm的二次谐波，后者再与脉冲信号光相互作用而产生波长为λpc=1 541 nm的相位共轭信号。将该相位共轭器放置在两个长度分别为52.8，57.6 km的光纤区段之间，在该处测得的输入和输出的光谱如图8-39（b）所示；表明了向速率为160 Gb/s的共轭信号的转换效率为22 dB。整个通信系统的输入信号脉冲宽度为2.7 ps，而在第二个光纤段终点测量的共轭信号脉冲宽度为3.5 ps，这一略微增宽主要是由于光纤传输过程中的三阶色散效应无法经由相位共轭波得到补偿。

图8-38　采用硅波导做相位共轭器的实验装置图（a）；速率为10 Gb/s的PRBS信号，在经过一个含有中途硅共轭器的320 km标准光纤系统之前（圆点）与之后（三角点）测得的BER随信号光功率的变化（b）（3个矩形嵌图为相应测得的眼图）［120］

近期另外一个光纤通信系统，采用一种高质量As2 S3波导作为中途相位共轭器，实现了速率为3×40 Gb/s之WDM信号经由225 km长光纤线路的消色散传输［123］。

图8-39　对偏振不敏感的PPLN相位共轭器系统，PBS是一个偏振分束器（a）；在共轭器处的输入与输出光谱（b）［126］