專利名稱：處理光脈沖信號(hào)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在光通信網(wǎng)絡(luò)，特別在光纖鏈路中脈沖整型，處理非線性和監(jiān)控的技術(shù)。本申請(qǐng)是2001年2月12日提交的系列號(hào)為09/780,572的美國(guó)專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)。
非線性表現(xiàn)為光信號(hào)經(jīng)由光纖傳輸而累積的非線性相移，是因玻璃中的所謂克耳(Kerr)效應(yīng)而產(chǎn)生的。由于此效應(yīng)，光學(xué)材料的折射系數(shù)按以下公式隨光信號(hào)的強(qiáng)度而變化n＝n0+K|E|2(1)式中K為Kerr系數(shù)。
WO 00/49458-A1描述了一種在光學(xué)器件和傳輸系統(tǒng)中補(bǔ)償光學(xué)非線性的方法和裝置。在相位失配的二次諧波產(chǎn)生中，級(jí)聯(lián)兩次二階交互而累積基波的非線性相移。此非線性相移可加以調(diào)節(jié)使之提供所需的非線性補(bǔ)償量。當(dāng)具有負(fù)有效非線性折射指數(shù)的補(bǔ)償介質(zhì)處于其設(shè)計(jì)的運(yùn)行條件時(shí)即發(fā)生補(bǔ)償。利用這些原理的補(bǔ)償器可作為無(wú)源或有源元件組裝入光發(fā)射器，中繼器或接收器中。有源元件可藉改變補(bǔ)償介質(zhì)的工作條件加以調(diào)諧，例如，控制溫度或控制施加的應(yīng)力。本發(fā)明的實(shí)施例將補(bǔ)償器用作光放大器中的前置補(bǔ)償器或后補(bǔ)償器，以消除或降低Kerr效應(yīng)導(dǎo)致的光放大器的自相位調(diào)制。
C.Pare等人在他們的文章“光通信系統(tǒng)中色散和自相位調(diào)制的分離補(bǔ)償”(Optics Letters，1 April 1996，Vol 21，No.7，p.459-461，Opt.Soc.of America)中討論了一種想法，即利用同時(shí)具有負(fù)Kerr系數(shù)和特殊定制色散的(通用，非特定)介質(zhì)使非線性符號(hào)隨局部色散符號(hào)而改變。作者簡(jiǎn)短地提到具有負(fù)Kerr系數(shù)的可用介質(zhì)可以是半導(dǎo)體波導(dǎo)或利用級(jí)聯(lián)機(jī)理的介質(zhì)。作者進(jìn)一步指出，雖然這些材料僅有大約1cm大小的短樣品，但其非線性強(qiáng)度足以補(bǔ)償數(shù)公里的低光纖非線性，必要時(shí)可加前置放大。
必須指出他們的估計(jì)過(guò)于樂(lè)觀了事實(shí)上半導(dǎo)體波導(dǎo)由于其很強(qiáng)的雙光子吸收根本不能使用；至于SHG材料，一個(gè)現(xiàn)實(shí)的估算表明，為了補(bǔ)償在大約50公里跨距內(nèi)累積的非線性相移，二次諧波產(chǎn)生材料中所需的光程不得少于5米。
按照該文中討論的恢復(fù)全信號(hào)的一種可能途徑，色散補(bǔ)償和Kerr效應(yīng)必須同時(shí)發(fā)生，例如，利用在具有負(fù)Kerr系數(shù)的非線性波導(dǎo)上形成的光柵結(jié)構(gòu)。文中提出的另一種可能途徑是分離補(bǔ)償過(guò)程，即，先進(jìn)行色散補(bǔ)償，然后，第二步再消除Kerr效應(yīng)引起的非線性影響。
目前已知的SHG介質(zhì)以能從光信號(hào)的基波產(chǎn)生高次諧波的非線性光學(xué)晶體為代表。這類晶體，例如磷酸鈦氧基鉀(KTP)，磷酸二氫鉀(KDP)，硼酸鋇光學(xué)晶體(BBO)等已在各種類型的激光發(fā)生器中使用。在JP 08201862 A2，US 6047011等文中有這類系統(tǒng)的實(shí)例。
盡管色散和非線性有一定程度的補(bǔ)償，但仍不能完全忽略不計(jì)，因?yàn)樗鼈兏淖兞嗣}沖形狀，而光纖鏈路中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)不歸零(NRZ)形式正是以脈沖形狀為基礎(chǔ)的。最理想的是，代表“1”比特?cái)?shù)據(jù)的脈沖應(yīng)為矩形。而事實(shí)上，非線性和色散將其變換成了平滑的信號(hào)，接近于高斯波形。載有數(shù)據(jù)的脈沖偏離了理想的矩形，相鄰脈沖的延長(zhǎng)的“尾部”就會(huì)相互疊加而產(chǎn)生問(wèn)題。這種尾部的疊加導(dǎo)致在“1”比特間出現(xiàn)寄生最大值，于是對(duì)可獲得的比特率又增加了一個(gè)限制因素，稱為符號(hào)間干擾(ISI)。雖然上述色散補(bǔ)償可以部分解決這個(gè)問(wèn)題，但只有對(duì)高斯脈沖作強(qiáng)有力的再整形(即，周期性恢復(fù)所需的近矩形波形)才能完全解決ISI問(wèn)題。
T.Zhang和M.Yonemura在他們的“用非線性光學(xué)晶體對(duì)超短激光脈沖作脈沖整形”(Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.38，1999，pp.6351-6358)一文中，描述了一種用時(shí)延光學(xué)晶體和II型KDP光學(xué)晶體對(duì)由基波攜帶的一系列兩個(gè)雙超短脈沖作脈沖整形的技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)脈沖整形，交互作用的脈沖必需首先滿足以下條件二次諧波的群速接近于此兩個(gè)基波脈沖的平均群速。若此條件可以滿足，那么正確地選擇基波強(qiáng)度，強(qiáng)度平衡，延遲時(shí)間和晶體厚度，就有可能實(shí)現(xiàn)脈沖整形。
上述參考文件均未對(duì)具有不同長(zhǎng)度和光纖值的光纖鏈路中的脈沖整形和非線性補(bǔ)償提出切實(shí)可行的方法/裝置。
此外，還有一種已知的監(jiān)控光脈沖傳輸?shù)募夹g(shù)，即將脈沖信號(hào)分割，并從分割出的較小的信號(hào)部分中獲取傳輸參數(shù)的信息。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種處理光脈沖信號(hào)的方法以實(shí)現(xiàn)上述目的，處理至少包括脈沖整形，非線性處理和信號(hào)監(jiān)控中的一項(xiàng)，此方法包括以下各步驟提供能相對(duì)特定基波(FH)產(chǎn)生級(jí)聯(lián)的二次諧波(SHG)的信號(hào)處理裝置，在所述信號(hào)處理裝置中選擇適合于對(duì)由特定基波(FH)定義的波長(zhǎng)攜帶的輸入光脈沖信號(hào)進(jìn)行所述處理中的至少一項(xiàng)的光程長(zhǎng)度，
在所述信號(hào)處理裝置中沿所選光程傳送由所述波長(zhǎng)攜帶的輸入光脈沖信號(hào)，從所述信號(hào)處理裝置中獲取至少一種以下輸出光脈沖信號(hào)---經(jīng)非線性處理和/或脈沖整形的基波(FH)輸出光脈沖信號(hào)，---二次諧波(SHG)輸出光脈沖信號(hào)，供進(jìn)一步監(jiān)控它并判斷所述輸入光脈沖信號(hào)。
進(jìn)行非線性處理的一種可取方法包括這樣選擇經(jīng)由信號(hào)處理裝置傳送已知振幅的輸入光脈沖信號(hào)的光程長(zhǎng)度，使得其實(shí)際上接近于基波(FH)輸出光脈沖信號(hào)通過(guò)該長(zhǎng)度后可達(dá)最大峰值功率的長(zhǎng)度。
確保進(jìn)行脈沖整形處理的可取方法包括這樣選擇經(jīng)由信號(hào)處理裝置傳送已知振幅的輸入光脈沖信號(hào)的光程長(zhǎng)度，使得其實(shí)際上接近于基波(FH)輸出光脈沖信號(hào)通過(guò)該長(zhǎng)度后可達(dá)最大峰值功率的最短光程長(zhǎng)度。
另外，進(jìn)行所述監(jiān)控處理的方法包括這樣選擇經(jīng)由信號(hào)處理裝置傳送輸入光脈沖信號(hào)的光程長(zhǎng)度，使之能從所述裝置獲取具有非零峰值功率的二次諧波輸出光脈沖信號(hào)，以監(jiān)控由基波攜帶的輸入光脈沖信號(hào)。
光程長(zhǎng)度的選擇原則將在發(fā)明的詳細(xì)描述中加以說(shuō)明。
為獲得所需的光程長(zhǎng)度的方法最好包括在所述裝置中沿多段軌跡傳送信號(hào)，由此設(shè)置延長(zhǎng)的光程。
獲得所選光程長(zhǎng)度的一種可能方法是通過(guò)在信號(hào)處理裝置中安排一次或多次內(nèi)部反射而使輸入光脈沖信號(hào)經(jīng)由多段“Z”形軌跡傳輸。
在此方法中，信號(hào)處理裝置基于從以下非完備的清單中選擇的元件產(chǎn)生二次諧波(SHG)的光學(xué)晶體和產(chǎn)生二次諧波(SHG)的聚合物光纖，已知此二者均為產(chǎn)生非線性或非線性相移的元件。
根據(jù)所述方法的最佳形式，所述方法還包括確保由所述元件產(chǎn)生的Kerr效應(yīng)的符號(hào)對(duì)于由基波定義的波長(zhǎng)而言為負(fù)的。這樣，此方法就可以對(duì)輸入光脈沖信號(hào)中由于光纖通常的正Kerr效應(yīng)而積聚的正非線性進(jìn)行補(bǔ)償而實(shí)現(xiàn)非線性處理。
應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，和非線性補(bǔ)償不同，脈沖整形和監(jiān)控可利用產(chǎn)生任何符號(hào)的非線性的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。同樣，必要時(shí)，作為非線性處理的特例，正非線性調(diào)節(jié)也可利用引發(fā)正Kerr效應(yīng)的裝置來(lái)進(jìn)行。
此方法對(duì)于可能還要同時(shí)作信號(hào)監(jiān)控的光纖鏈路作逐漸非線性補(bǔ)償和/或逐漸脈沖整形最為有效，此時(shí)該方法還包括以下附加步驟經(jīng)由包括至少一個(gè)附加的信號(hào)處理裝置的線路傳送輸出光脈沖信號(hào)，線路中的各裝置由多段光纖鏈路跨接。換句話說(shuō)，如果把多于一個(gè)的所述處理裝置插入鏈路中且相互間隔開(kāi)，那么，就非線性補(bǔ)償、脈沖整形和/或信號(hào)監(jiān)控等方面而言，它們中的每一個(gè)都對(duì)光信號(hào)處理起了作用。
通過(guò)選擇裝置的種類、所述一個(gè)或多個(gè)裝置中光程的總長(zhǎng)度以及一段或多段光纖鏈路的長(zhǎng)度，就可對(duì)信號(hào)處理的所得結(jié)果加以調(diào)節(jié)。
所建議的方法也適用于多信道傳輸光數(shù)據(jù)的情況，此時(shí)每一光信道傳輸某一特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。通常，SHG裝置能在由相互接近的波長(zhǎng)定義的各基波的有限頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生二次諧波。因此，該方法可應(yīng)用于WDM(波分多路復(fù)用)傳輸方式，此方式下光信道的波長(zhǎng)各自稍有不同。
通過(guò)對(duì)每一特定光信道執(zhí)行此基本方法的各種處理，所建議的方法便可用于多信道傳輸系統(tǒng)。
根據(jù)一種方案是，不同光信道的光脈沖信號(hào)加在各自不同的所述信號(hào)處理裝置上并經(jīng)其傳送。
在所述方法的另一方案中，所述方法包括將不同信道的光脈沖信號(hào)經(jīng)由同一個(gè)共用信號(hào)處理裝置傳送。
在另一種更有希望的方案中，將不同光信道的光脈沖信號(hào)加在同一個(gè)共用信號(hào)處理裝置的各不同層上，并經(jīng)由同一個(gè)共用信號(hào)裝置的各不同層來(lái)傳送。
后兩種方案適合于不同光信道的波長(zhǎng)相互接近的傳輸方式，條件是此共用信號(hào)處理裝置能響應(yīng)每一光信道的波長(zhǎng)執(zhí)行其SHG級(jí)聯(lián)功能。
若在多信道傳輸中不同光信道的脈沖處理結(jié)果不均一(常是這種情況)，那么具有較好結(jié)果的光信道(例如，較好的非線性補(bǔ)償/更有效的脈沖整形)可用來(lái)傳輸具有較高優(yōu)先權(quán)的信息。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種裝置來(lái)處理光脈沖信號(hào)，它至少能完成脈沖整形，非線性處理和信號(hào)監(jiān)控中的一項(xiàng)處理，此裝置能對(duì)某一特定基波(FH)實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)二次諧波產(chǎn)生(SHG)，此裝置的特點(diǎn)是，這樣選擇由某一特定基波(FH)定義的波長(zhǎng)攜帶的輸入光脈沖信號(hào)的光程長(zhǎng)度，使得當(dāng)輸入光脈沖信號(hào)沿所選光程傳輸后，此裝置能獲得至少以下一種輸出光脈沖信號(hào)---進(jìn)行非線性處理和/或脈沖整形的基波(FH)輸出光脈沖信號(hào)，---適合于進(jìn)一步監(jiān)控和判斷所述輸入光脈沖信號(hào)的二次諧波(SH)的輸出光脈沖信號(hào)。
所述信號(hào)處理裝置包括二次諧波產(chǎn)生(SHG)元件，最好是從包括KTP，KDP和BBO的非完備清單中選擇的SHG光學(xué)晶體。
需要指出，是本發(fā)明人首先提出設(shè)計(jì)一種當(dāng)加有某一波長(zhǎng)時(shí)至少能完成脈沖整形、非線性處理和信號(hào)監(jiān)控中的一項(xiàng)的光脈沖信號(hào)處理裝置，其中所述裝置包括SHG元件，用于執(zhí)行關(guān)于由所述特定波長(zhǎng)定義的基波(FH)的級(jí)聯(lián)二次諧波產(chǎn)生，該元件至少應(yīng)在其相對(duì)的兩個(gè)面上復(fù)以鏡面，且在該相對(duì)的面上留有至少兩個(gè)窗口，分別用于輸入光束和輸出光束，并且，所述配置使得當(dāng)光束在該二個(gè)窗口之間通過(guò)時(shí)有一次或多次反射，從而提供延長(zhǎng)的光程。
該延長(zhǎng)的光程的長(zhǎng)度最好是能獲得接近最大峰值功率的基波(FH)輸出光脈沖信號(hào)和/或具有非零峰值功率的二次諧波(SH)輸出光脈沖信號(hào)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該元件(最好是SHG晶體)為立方形，并且在相對(duì)的兩個(gè)面上復(fù)以鏡面(用于內(nèi)部反射)，在該相對(duì)的面上留有至少兩個(gè)窗口，分別用于輸入光束和輸出光束，這些窗口設(shè)置成使光束通過(guò)晶體獲得延長(zhǎng)的光程。
在該裝置的最佳實(shí)施例中，所述裝置適合于改變多段軌跡的總長(zhǎng)度，從而能對(duì)非線性補(bǔ)償、脈沖整形和/或信號(hào)監(jiān)控的可能性進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，該裝置可具有不止兩個(gè)光端口用于輸入光束和輸出光束，這樣就能為某一具體軌跡長(zhǎng)度選擇和激活任一對(duì)光端口?？晒┻x擇或者以附加的方式，該裝置也可配備有與所述光端口關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)直器，用來(lái)調(diào)節(jié)光束的入射角。
該裝置可用于多信道傳輸方式中的信號(hào)處理，此時(shí)每一光信道傳輸某一特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，該裝置可實(shí)現(xiàn)關(guān)于此傳輸方式下多于一個(gè)信道的波長(zhǎng)的二次諧波產(chǎn)生。
根據(jù)一個(gè)特定的實(shí)施例，對(duì)多個(gè)復(fù)合光信道波長(zhǎng)都具有SHG特性的脈沖處理裝置可分成許多層，用于分別傳輸經(jīng)過(guò)它們的不同光信道的光信號(hào)。該裝置最好適合于所有復(fù)合(multiple)光信道。
該實(shí)施例適用于WDM(波分多路復(fù)用)傳輸方式，此方式下不同光信道的波長(zhǎng)相互接近(且假定此共用脈沖處理裝置能至少相對(duì)于各個(gè)光信道的若干波長(zhǎng)實(shí)行其SHG特性)。
所述各層可以是幾何分割，也可是物理分割，例如利用用于防止相鄰光信道的波長(zhǎng)通過(guò)某同一層的光柵。實(shí)際上，這種物理分割裝置提供波長(zhǎng)濾波。
該裝置最好與光放大器結(jié)合一起，并且最好設(shè)置在緊隨放大器之后。所述放大器通常用來(lái)調(diào)節(jié)加在所述裝置上的脈沖幅度。在實(shí)際應(yīng)用中，該建議的裝置可以構(gòu)成光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供該信號(hào)處理裝置的設(shè)計(jì)方法，在發(fā)明詳述中將結(jié)合附圖進(jìn)行說(shuō)明。
最后，本發(fā)明還提出一種從脈沖整形、非線性處理和/或信號(hào)監(jiān)控方面考慮的、對(duì)經(jīng)過(guò)光纖鏈路的信號(hào)作處理的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩個(gè)或更多的上述定義的裝置，后者被插入一條或多條光纖鏈路中，用于至少對(duì)經(jīng)過(guò)一個(gè)光信道的光脈沖信號(hào)進(jìn)行脈沖整形、非線性處理和/或監(jiān)控。
系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)節(jié)可由以下方法實(shí)現(xiàn)1)重新配置信號(hào)處理裝置(選擇輸入-輸出端口，調(diào)整準(zhǔn)直儀，等)；2)引入附加的裝置，或去除多余的裝置；3)改變裝置與鏈路中其他元件之間的距離。
本發(fā)明的其它方面和細(xì)節(jié)從以下描述中可一目了然。


圖1b(先有技術(shù))基波和二次諧波信號(hào)的輸出功率與在SHG元件中傳播長(zhǎng)度的關(guān)系示意圖。
圖2a示意地說(shuō)明SHG裝置的脈沖整形功能的效果。
圖2b示意地說(shuō)明SHG裝置的脈沖整形功能的反效果。
圖3示出用數(shù)學(xué)模擬得出的若干曲線圖，表明SHG晶體中最短光程與其失配系數(shù)q間的關(guān)系。
圖4示出用數(shù)學(xué)模擬得出的曲線圖，表明SHG元件在不同q值時(shí)的脈沖整形能力。
圖5示意地示出用數(shù)學(xué)方法得到的、SHG元件分別在正、負(fù)Kerr系數(shù)情況下引起的非線性的曲線圖。
圖6a和6b示意地說(shuō)明利用SHG元件產(chǎn)生的二次諧波監(jiān)控輸入光信號(hào)的建議的原理。
圖7示意地說(shuō)明本發(fā)明的信號(hào)處理裝置的一個(gè)實(shí)施例。
圖8示意地說(shuō)明信號(hào)處理裝置另一個(gè)實(shí)施例。
圖9a，9b示出適用于多信道傳輸系統(tǒng)的信號(hào)處理裝置又一個(gè)實(shí)施例。
圖10是在光纖通信鏈路中作非線性補(bǔ)償、監(jiān)控和/或脈沖整形等光信號(hào)處理的方法和系統(tǒng)的示意圖。
圖11示意地說(shuō)明本發(fā)明的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，用于多信道傳輸方式。
一方面，發(fā)明人提出了一種調(diào)節(jié)非線性的方法，通常并且最好是用于對(duì)光纖通信鏈路中規(guī)則的正非線性進(jìn)行補(bǔ)償，其方法是在所述鏈路中引入一個(gè)或多個(gè)能對(duì)所經(jīng)過(guò)的光信號(hào)產(chǎn)生人為負(fù)非線性的所謂脈沖處理裝置。
所述通信鏈路是一種用來(lái)利用相應(yīng)的一種或多種波長(zhǎng)傳輸一種或多種光信號(hào)的光纖鏈路。
上述脈沖處理裝置實(shí)例可以是以下非完備的清單中的裝置之一非線性光學(xué)晶體，極化聚合物光纖，也可是半導(dǎo)體波導(dǎo)。最好是周期性地進(jìn)行非線性調(diào)整，此時(shí)可將各處理裝置互相間隔一段距離插入，所述距離由光纖跨接。不過(guò)，調(diào)整也可以是非周期性的，即將處理裝置設(shè)置在鏈路的某一特定點(diǎn)，數(shù)(n)個(gè)非線性晶體試樣緊靠一起，這樣就可得到n倍的調(diào)整(補(bǔ)償)效果。
非線性光學(xué)晶體(例如，目前可利用的KTP，KDP，BBO等)能接收基波光束并從中產(chǎn)生二次諧波光束。為了敘述簡(jiǎn)明，在本說(shuō)明書中這些晶體將被稱為二次諧波產(chǎn)生晶體，或SHG晶體。
眾所周知，聚合物光纖若具有均勻的極化就會(huì)獲得類似于上述晶體的特性，即，在傳導(dǎo)基波光束時(shí)產(chǎn)生二次諧波的能力。
在非線性晶體和聚合物光纖中，SHG(二次諧波產(chǎn)生)特性均能導(dǎo)致所述裝置產(chǎn)生負(fù)符號(hào)的有效非線性。
半導(dǎo)體波導(dǎo)在特定條件下(當(dāng)光信號(hào)的載頻接近于半導(dǎo)體材料的半波段時(shí))也能產(chǎn)生負(fù)的非線性，雖然此效應(yīng)基于不同的物理原理。
專家們都知道，二次非線性介質(zhì)中的二次諧波產(chǎn)生可用一組兩個(gè)微分方程來(lái)表述 式中U(z)為光信號(hào)基(一次)波的復(fù)數(shù)振幅，V(z)為在晶體中產(chǎn)生的光信號(hào)二次諧波的復(fù)數(shù)振幅，Z為光信號(hào)的傳播距離，q為所謂失配系數(shù)，或相速度失配參數(shù)，取決于光信號(hào)波長(zhǎng)，i是(-1)的平方根，*-是復(fù)共軛的符號(hào)。
已知基波光束在晶體中的非線性相移Δφ與以下乘積成正比Δφ≈Keff|U|2(3)式中Keff為晶體中達(dá)到的有效Kerr系數(shù)，F(xiàn)H域取Z＝0(輸入域)。
另外，已知通過(guò)二次諧波光學(xué)晶體的所謂級(jí)聯(lián)機(jī)理可以產(chǎn)生有效Kerr系數(shù)(Keff)的極大值[見(jiàn)G.I.Stegemen，D.J.Hagan，和L.Torner在Optical and Quantum Electrnics.，vol.28，p.1691-1740(1996)的評(píng)論文章，以及C.Etrich，F(xiàn).ledere，B.A.Malomed，Thomas Pesehel在Progress in optics，vol.41((E.Wolf，Editor；＿2000 Elsevier ScienceB.V.))發(fā)表的更新的評(píng)論“二次非線性介質(zhì)中的光弧立子”]。簡(jiǎn)言之根據(jù)“級(jí)聯(lián)二次諧波產(chǎn)生”，就不難理解當(dāng)以基波發(fā)射輸入信號(hào)時(shí)，SHG元件中至少要進(jìn)行一個(gè)完整的能量轉(zhuǎn)換周期“基波—二次諧波—基波”(FH-SH-FH)。
也就是說(shuō)，大家已注意到非線性(SHG)晶體中的Kerr值遠(yuǎn)大于晶體的固有Kerr系數(shù)，|Keff|～+104*K， (4)式中Keff為晶體本征Kerr系數(shù)。
最重要的事實(shí)是由級(jí)聯(lián)機(jī)理導(dǎo)致的巨大Kerr系數(shù)Keff可具有或正或負(fù)的符號(hào)。由方程組(2)可知，用相速度失配參數(shù)q就可很容易對(duì)其加以控制。而此相速度失配參數(shù)又可利用基于光學(xué)晶體的周期極化的所謂準(zhǔn)相位匹配技術(shù)來(lái)加以有效控制，例如見(jiàn)O.Bang，C.B.Clausen，P.I.Christiansen和L.Torner在Optics Letter，October 15，1999，Vol.24，No.20發(fā)表的“Engineering competing nonlinearities”(工程對(duì)抗非線性)一文。因此，可使級(jí)聯(lián)導(dǎo)致的有效Kerr系數(shù)Keff為負(fù)以產(chǎn)生負(fù)的形式Kerr效應(yīng)，這是補(bǔ)償長(zhǎng)光纖跨距積聚的普通正Kerr效應(yīng)所必需的。
上述估計(jì)，即由級(jí)聯(lián)導(dǎo)致的有效Kerr系數(shù)Keff可能超過(guò)本征Kerr系數(shù)K高達(dá)四個(gè)數(shù)量級(jí)，意味著對(duì)于50公里的長(zhǎng)光纖線路，二次諧波發(fā)生晶體的所需補(bǔ)償光程大約為5米。目前用SHG介質(zhì)直接實(shí)現(xiàn)這一條件看來(lái)不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槟壳翱捎玫臉悠反笮?立方體)只有5cm(不過(guò)，如果所建議的非線性補(bǔ)償技術(shù)被業(yè)界接受，過(guò)些時(shí)候在實(shí)踐中可能會(huì)出現(xiàn)其它樣品)。
考慮到目前可利用的立方形晶體的實(shí)際大小，一種可行的解決方案就是用鏡面復(fù)蓋立方樣品的兩個(gè)相對(duì)表面。利用光束從鏡面的反射，就可使光束在晶體中作多次傳輸。根據(jù)以上估算，使相鄰軌跡間隔約0.5mm，實(shí)際的通過(guò)次數(shù)可達(dá)100，這是很容易作到的。
為使此裝置最有效和最經(jīng)濟(jì)，此裝置應(yīng)與放大器結(jié)合一起，在光纖通信線路周期性地設(shè)置該放大器。最好把二次諧波發(fā)生晶體裝置設(shè)置成緊隨放大器之后，以便該裝置利用可能的最大輸入功率提供最大的補(bǔ)償作用。
如果把光信號(hào)在自由傳播光纖線路中的逐漸衰減考慮在內(nèi)，一項(xiàng)簡(jiǎn)單的計(jì)算表明，如果把該裝置緊隨放大器后設(shè)置，則非線性補(bǔ)償光程的所需長(zhǎng)度可再進(jìn)一步減少，減少系數(shù)約為2.5。此結(jié)果最終意味著，在5cm×5cm大小的復(fù)有鏡面的二次諧波發(fā)生晶體中來(lái)往穿梭的光束的入射角應(yīng)為大約1.5度，這是相當(dāng)容易作到的。
對(duì)于多信道傳輸，例如在WDM系統(tǒng)中，一個(gè)非線性晶體可用來(lái)作多個(gè)WDM信道的非線性調(diào)整/補(bǔ)償。波長(zhǎng)不同的許多光信道可在非線性補(bǔ)償裝置中在不同層沿不同軌跡傳播。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于不同的波長(zhǎng)失配系數(shù)q亦不同(即q受色散影響)，這種情況，原則上，使通過(guò)SHG晶體的攜帶有不同信道在空間上相互隔開(kāi)的光束具有略微不同的入射角，就可進(jìn)行補(bǔ)償。在任何情況下，如果事先已知某些信道的非線性不能得到完全補(bǔ)償，可用它們來(lái)傳輸較為不重要的信息。
發(fā)明人已注意到，所建議的裝置既可有效進(jìn)行非線性的調(diào)整/補(bǔ)償，又可成功進(jìn)行脈沖整形。換句話說(shuō)，使光脈沖信號(hào)通過(guò)上述SHG裝置(一種小光學(xué)晶體，或原則上，一段極化的聚合物光纖)就可實(shí)現(xiàn)脈沖整形。已假定光信號(hào)的載頻與介入到SHG模塊內(nèi)參量能量轉(zhuǎn)換的基波頻率恰好一致。模塊的參數(shù)(首先是光束在模塊內(nèi)的傳播光程)很容易選擇，使得既定輸入信號(hào)的峰值功率精確地或近似地對(duì)應(yīng)于完整的轉(zhuǎn)換級(jí)聯(lián)FH＞SH＞FH，這樣，其中心附近的信號(hào)部分將從模塊通過(guò)，只有很小一部分功率損失分?jǐn)偟疆a(chǎn)生剩余部分的二次諧波(SH)。但是，對(duì)于同一信號(hào)的對(duì)應(yīng)于較小的局部功率值的不同部分，在模塊中的實(shí)際傳播長(zhǎng)度與完全級(jí)聯(lián)情況下的傳播長(zhǎng)度大不相同，故而，相當(dāng)一部分能量會(huì)被這些部分丟失(因?yàn)镾H波不能在光通信纖維中傳播)。這一簡(jiǎn)單的機(jī)理就可有效的切掉平滑脈沖的尾翼，使其形狀基本接近于矩形。
當(dāng)然，建議的整形機(jī)理導(dǎo)致額外的能量損失，這可通過(guò)增加裝在鏈路中的光放大器的增益來(lái)補(bǔ)償。由此，較好的鏈路設(shè)置是把脈沖處理裝置放在緊隨放大器之后，從而有可能減小信號(hào)在裝置中的傳播長(zhǎng)度，這是完成非線性(與功率有關(guān))轉(zhuǎn)換級(jí)聯(lián)所必須的。
但是，估算表明，即使在這種配置下，在某一功率幅度時(shí)脈沖整形所需的FH傳播長(zhǎng)度，(用現(xiàn)有SHG晶體能達(dá)到的)，遠(yuǎn)大于晶體的可能最大尺寸。上述對(duì)非線性補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方案同樣也可解決此問(wèn)題讓信號(hào)通過(guò)晶體多次。換言之，對(duì)于非線性補(bǔ)償和脈沖整形，發(fā)明人均建議作如下配置將SHG元件(實(shí)際上，就是晶體)的正面和背面復(fù)以反射鏡面，留兩個(gè)狹窄窗口用作輸入信號(hào)的入口和輸出信號(hào)的出口。
實(shí)際上，上述裝置是一個(gè)很容易插入光鏈路某一適當(dāng)點(diǎn)的單元。例如，它可以集成到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般都包含有放大器和補(bǔ)償其它不需要的效應(yīng)的裝置(例如，濾光器)。
以下提到的附圖示出了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，根據(jù)該最佳實(shí)施例，所述脈沖處理裝置基于SHG光學(xué)晶體。
M.Gutin，U.Mahlab，B.A.Malomed的理論文章“用二次諧波模塊整形NRZ脈沖并且抑制符號(hào)間干擾”(Shaping NRZ pulses andsuppression of the inter-symbol interference by a second harmonicgenerating module)，Optics Communications 200(2001)401-414，15December 2001，進(jìn)一步描述了技術(shù)細(xì)節(jié)，此處附上供參考。
另外，發(fā)明人建議用包括SHG元件的信號(hào)處理裝置來(lái)監(jiān)控加在該裝置上的基波(FH)信號(hào)，方法是監(jiān)控和進(jìn)一步處理二次諧波(SH)輸出信號(hào)。通過(guò)在信號(hào)處理裝置中選擇內(nèi)部光程，就可獲得適當(dāng)?shù)腟H信號(hào)用以監(jiān)控和判斷輸入信號(hào)，包括確定其多個(gè)參數(shù)。若由同一裝置進(jìn)行，則最好將監(jiān)控與非線性處理/補(bǔ)償結(jié)合進(jìn)行。
在圖1a中，10是光學(xué)非線性晶體，12是基波攜帶的輸入光信號(hào)U(FH)，14是晶體的光軸”z”。晶體產(chǎn)生輸出基波U’信號(hào)(16)和輸出二次諧波信號(hào)V(18)。基波(FH)U’和二次諧波(SH)V的輸出功率與信號(hào)在晶體中傳播長(zhǎng)度的關(guān)系見(jiàn)圖1b。
為獲得脈沖整形和非線性處理的效果，本發(fā)明把重點(diǎn)放在從晶體獲得FH信號(hào)U’上，其特點(diǎn)是級(jí)聯(lián)導(dǎo)致的有效Kerr系數(shù)的特定的符號(hào)。在正或負(fù)有效Kerr系數(shù)情況下晶體產(chǎn)生的非線性的特性示于圖5。
上述效果基于輸出FH信號(hào)U’，而監(jiān)控效果則使用輸出SH信號(hào)(見(jiàn)圖s 6a，b，c)。為在級(jí)聯(lián)過(guò)程完成時(shí)獲得輸出FH信號(hào)，晶體中所需的光程(沿軸z)長(zhǎng)度“z”可利用方程組(2)預(yù)測(cè)。以下的結(jié)果是已知的且在圖1b示出FH輸出依晶體中光程的長(zhǎng)度而周期性地增加和減小(見(jiàn)FH輸出的最大值Z’和Z”點(diǎn))。因此，為獲得脈沖整形和非線性處理的效果，晶體應(yīng)當(dāng)提供這樣的光程長(zhǎng)度它確保FH的最大功率輸出。其它條件將結(jié)合圖2a和2b加以說(shuō)明。
為設(shè)計(jì)適于非線性補(bǔ)償?shù)难b置，在晶體中產(chǎn)生的Kerr效應(yīng)的符號(hào)應(yīng)為負(fù)。設(shè)計(jì)主要用于脈沖整形和監(jiān)控的裝置時(shí)，引發(fā)的Kerr效應(yīng)的符號(hào)并不重要，雖然在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中仍應(yīng)考慮在內(nèi)。需強(qiáng)調(diào)指出，對(duì)于上述任一目的均可設(shè)計(jì)和使用具有負(fù)符號(hào)Kerr效應(yīng)的單個(gè)非線性晶體。
圖2a和2b示出脈沖整形機(jī)理對(duì)SHG元件中基波的光程(傳播長(zhǎng)度)的依賴關(guān)系。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)并示明，如果將振幅為Pmax、具有高斯波形的光脈沖信號(hào)加在SHG裝置上作為其基波，在該裝置中就可找到一條最短的光程，它對(duì)應(yīng)于FH輸出功率信號(hào)的第一個(gè)最大值，經(jīng)過(guò)此光程后脈沖離開(kāi)SHG裝置，其峰值功率沒(méi)有損失，而脈沖的斜度部分傳輸中卻有損失。獲得的再整形脈沖接近矩形脈沖，見(jiàn)圖2a的17。
當(dāng)光程偏離最短通路Z’而接近于通路Z”、即對(duì)應(yīng)于FH輸出功率信號(hào)的第二最大值時(shí)，所得脈沖的形狀就會(huì)失真，最終得到的波形如圖2b的實(shí)線所示。如果光程繼續(xù)增長(zhǎng)，達(dá)到第三個(gè)最大值，那么，輸出脈沖波形則會(huì)如橡樹(shù)葉形(波紋線所示)。所以，為從所建議的信號(hào)處理裝置獲得脈沖整形效果，最好使用最短的光程。FH輸出能量的其他最大值以及與之相關(guān)的光程可用于非線性補(bǔ)償，但由于輸出波形嚴(yán)重變形，對(duì)脈沖整形的要求來(lái)說(shuō)看來(lái)不太實(shí)用。
圖3，4，5示出表示各種SHG元件特性的用數(shù)學(xué)方法得到的曲線圖，這些曲線圖可用來(lái)設(shè)計(jì)本發(fā)明提出的信號(hào)處理裝置。在本文的實(shí)例中，我們將敘述適合于作脈沖整形和非線性處理的裝置設(shè)計(jì)。
為實(shí)際確定在作脈沖整形的具體脈沖處理裝置中的“最短光程”或最短傳播長(zhǎng)度，可進(jìn)行以下步驟。
由于每種SHG元件均以兩個(gè)固有參數(shù)為其特征---非線性系數(shù)γ和失配系數(shù)q(此二系數(shù)原則上都取決于載波波長(zhǎng))，所以，可以畫出關(guān)于具體元件和特定FH波長(zhǎng)的FH-SH-FH級(jí)聯(lián)產(chǎn)生曲線圖(圖3示出多條不同失配系數(shù)q值的曲線)。每一條特定曲線是對(duì)應(yīng)于標(biāo)稱化無(wú)量綱的脈沖功率值和標(biāo)稱化而且也無(wú)量綱的傳播距離畫出的，實(shí)際上示出了FH通過(guò)元件的傳播如何隨傳播長(zhǎng)度而變化的關(guān)系。
本發(fā)明人建議的以下方程就實(shí)際傳播長(zhǎng)度定義了在裝置中的標(biāo)稱傳播長(zhǎng)度，并構(gòu)成了所謂最佳脈沖整形條件Z′=(γPmax)Zreal---(5)]]>式中Z’是光程在某一SHG元件中的標(biāo)稱長(zhǎng)度，位于所傳輸?shù)腇H功率的第一個(gè)最大值處；γ是某一SHG元件的已知非線性系數(shù)；Pmax是加在SHG元件上的FH脈沖的峰值功率；Zreal是為滿足完全傳輸脈沖峰值功率的條件，輸入光束在SHG元件中必須通過(guò)的實(shí)際光程。
利用上述為某一SHG元件所作的曲線圖，就可找出FH第一最大值發(fā)生在哪一條光程Z’的位置。
所得無(wú)量綱Z’值用來(lái)求方程的數(shù)值解，得Z′/γ=Pmax*Zreal---(6)]]>換句話說(shuō)，已知已選定SH元件的Z’和γ，利用上述公式，就可在加到SHG元件上的實(shí)際光脈沖的振幅功率和此實(shí)際功率在元件中必須經(jīng)過(guò)的實(shí)際光程間選擇一適當(dāng)?shù)谋嚷?。用此適當(dāng)?shù)谋嚷示涂色@得供脈沖整形和/或非線性調(diào)整的輸出脈沖。
此裝置可設(shè)計(jì)成用來(lái)作處理單一處理過(guò)程(比如，脈沖整形)，或在作脈沖整形的同時(shí)也作非線性處理。
發(fā)明人還進(jìn)一步說(shuō)明，脈沖整形的效率依賴于SHG晶體的失配系數(shù)q的值，即失配系數(shù)q越小，脈沖整形效果越明顯(圖4)。因此，在設(shè)計(jì)主要用于脈沖整形的脈沖處理裝置時(shí)，應(yīng)選擇q值小的SHG元件。
為了實(shí)際估算由某一SHG元件引入的正或負(fù)非線性相移的程度，可結(jié)合以上傳輸曲線作另一曲線圖。實(shí)際上，對(duì)于某一SHG元件的同樣的γ值和q值，以及同樣的FH波長(zhǎng)，我們可繪出相移相對(duì)于標(biāo)稱傳播長(zhǎng)度的曲線圖(圖5)。相移曲線22或24上對(duì)應(yīng)于傳輸曲線20的第一最大值(Z’)的點(diǎn)即表示該信號(hào)處理裝置可能引入光纖鏈路的非線性程度。記住非線性的符號(hào)可以為正也可為負(fù)，如圖5所示，(曲線22和24分別對(duì)應(yīng)于所得的正或負(fù)的Kerr效應(yīng))，此裝置可用作調(diào)整光鏈路的總非線性。
基于上述，并根據(jù)本發(fā)明的另一方面，我們提供了一種設(shè)計(jì)信號(hào)處理裝置的方法，用于處理以下清單中的至少一種效應(yīng)，所述清單包括加在裝置上的某一特定波長(zhǎng)光脈沖的的非線性和/或脈沖失真。此方法包括
選擇用于所述裝置的二次諧波產(chǎn)生(SHG)元件，后者對(duì)由特定波長(zhǎng)定義的并且以其物理參數(shù)為特征的基波(FH)敏感；通過(guò)適當(dāng)?shù)挠?jì)算，選擇加在脈沖處理裝置上的既定波長(zhǎng)的脈沖的振幅和在裝置中必須經(jīng)過(guò)的光程之間的至少一種比率，以確保FH輸出脈沖的最大峰值功率，選擇限定所選光程的輸入和輸出端口，最后一步最好包括設(shè)計(jì)具有鏡面的元件，以便在輸入和輸出端口之間形成由鏡面的一次或多次內(nèi)反射產(chǎn)生所需的多段軌跡。
之所以需要具有延長(zhǎng)(多段)的光程，是因?yàn)槟艽_保有FH脈沖的最大峰值功率從該裝置輸出的光程(長(zhǎng)度)通常超出了裝置中SHG元件的實(shí)際可用尺寸。
在設(shè)計(jì)/生產(chǎn)所述裝置以對(duì)感興趣的特定波長(zhǎng)的光信號(hào)作非線性補(bǔ)償時(shí)，所述方法必須保證由所得到的元件產(chǎn)生的關(guān)于感興趣的特定波長(zhǎng)的有效Kerr非線性的符號(hào)為負(fù)。
在制造所述裝置時(shí)，在晶體中引發(fā)的有效Kerr系數(shù)可通過(guò)對(duì)所述SHG光學(xué)晶體的周期性極化(poling)來(lái)加以控制。
該裝置也可設(shè)計(jì)成具有多個(gè)任選的輸入/輸出端口和光準(zhǔn)直器，以便在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)裝置使之適應(yīng)于變化的條件和要求(如監(jiān)控特性)。
圖6a示出如何利用含有SHG元件的信號(hào)處理裝置10、通過(guò)監(jiān)控波長(zhǎng)為1/2λ1的輸出二次諧波信號(hào)V(18)來(lái)監(jiān)控波長(zhǎng)為λ1的輸入基波信號(hào)U(12)，以及監(jiān)控處理結(jié)果。監(jiān)控濾波器26用來(lái)從非線性元件中輸出一小部分(比如，5％或更多)SHG信號(hào)；二次諧波信號(hào)處理器(SHSP)則進(jìn)行所需的處理，使所得信號(hào)能與其基波(FH)光信號(hào)的性能相參照，并確定FH信號(hào)的參數(shù)、如比特率，BER(誤碼率)，F(xiàn)H信號(hào)功率，F(xiàn)H頻譜等。處理器28可根據(jù)監(jiān)控結(jié)果產(chǎn)生各種信息和/或控制命令。就SHG元件而言，監(jiān)控濾波器的位置可能與FH輸出的位置并不一致，即為監(jiān)控而選擇的內(nèi)光程可能與選擇來(lái)傳輸通過(guò)SHG元件的主要基波信號(hào)的光程不同。監(jiān)控器的這種任選位置在圖中以示意框27來(lái)表示。
圖6b示出如何選擇輸出SH信號(hào)18的輸出功率相位，以獲得適用于監(jiān)控的二次諧波輸出的非零功率。如上所述，SH輸出信號(hào)的功率信號(hào)的相位取決于輸入光束在裝置中的內(nèi)光程長(zhǎng)度。因此，為能對(duì)SH進(jìn)行監(jiān)控操作，雖要保證初始脈沖信號(hào)能通過(guò)裝置傳送和關(guān)于FH的輸出，但內(nèi)光程最好選擇得不會(huì)產(chǎn)生基波(FH)的輸出功率峰值，例如圖中所示的m1，m2，m3各點(diǎn)對(duì)應(yīng)之處。一般來(lái)說(shuō)，二次諧波(SH)信號(hào)可從不是獲取基波信號(hào)的端口提取。在任何情況下都應(yīng)考慮到，從SHG元件提取的SH信號(hào)的功率將會(huì)減小所得FH信號(hào)的功率幅度。因此，可在圖中對(duì)應(yīng)于m4點(diǎn)的元件的輸出端口處探測(cè)用于監(jiān)控的SH信號(hào)，但需借助于僅允許提取部分信號(hào)的監(jiān)控濾波器。
如果是單一裝置，監(jiān)控功能可單獨(dú)進(jìn)行，或者最好與非線性處理功能結(jié)合進(jìn)行。如果還有必要，可通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的信號(hào)處理裝置來(lái)獲得較好的脈沖整形功能，當(dāng)然采用其它組合亦可以。
圖7示出信號(hào)處理裝置一個(gè)實(shí)施例30的截面圖，該裝置包括光學(xué)晶體，后者適合于形成光束的多通路(多段)軌跡、并適用于調(diào)整非線性、脈沖整形和/或監(jiān)控光信號(hào)。光學(xué)晶體30是立方形的KTP或BBO非線性晶體，在其相對(duì)兩個(gè)表面上復(fù)有內(nèi)反射面32。已知有各種方法制造這種反射面。圖7中，晶體在反射面?zhèn)溆休斎腴_(kāi)口34，輸入光脈沖信號(hào)通過(guò)此開(kāi)口進(jìn)入晶體，此輸入光脈沖信號(hào)在前述數(shù)學(xué)模型中所采用的符號(hào)方面對(duì)應(yīng)于基波載波U。晶體已作預(yù)先控制(圖中箭頭38所示)，以調(diào)節(jié)其產(chǎn)生的有效Kerr系數(shù)的符號(hào)及數(shù)值。假定已確保其為負(fù)Kerr系數(shù)。在晶體中，由于反射面的作用，光束不得不沿多通路軌跡35傳輸以延長(zhǎng)光程，最后以改變了的信號(hào)U’經(jīng)輸出窗口36輸出。在信號(hào)U’中，早先積聚的正Kerr效應(yīng)由晶體產(chǎn)生的負(fù)Kerr效應(yīng)所補(bǔ)償。如前所述，所述軌跡可作得足夠長(zhǎng)以提供補(bǔ)償積聚的正Kerr效應(yīng)所需的有效Kerr系數(shù)值。積聚的補(bǔ)償相移幾乎與經(jīng)過(guò)晶體的總光程長(zhǎng)度成正比。如果除了非線性補(bǔ)償外還要獲得脈沖整形的效果，此長(zhǎng)度應(yīng)大致對(duì)應(yīng)于基波的第一傳播最大值。而軌跡長(zhǎng)度又可由光束的入射角來(lái)調(diào)節(jié)。
可用方程組(2)來(lái)計(jì)算非線性補(bǔ)償所需的延長(zhǎng)的光程，且應(yīng)考慮反射的邊界條件，以便將光束從鏡面的反射點(diǎn)的相移考慮在內(nèi)。另外，如需同時(shí)作脈沖整形和非線性處理，最小傳輸長(zhǎng)度和FH輸入振幅的功率間的關(guān)系也需加以考慮。
應(yīng)指出，為了提供監(jiān)控功能，所選軌跡長(zhǎng)度不得對(duì)應(yīng)于基波的最大值(即，二次諧波的最小值)。
晶體30可設(shè)置在一容器中，窗口34和36可裝有準(zhǔn)直透鏡用以聚焦和調(diào)節(jié)光束。
圖8示出所建議的裝置的另一修改方案40，其中，非線性光晶體(圖中示出其截面)全部復(fù)有反射面42。鏡面上的窗口44和46都配有可調(diào)的準(zhǔn)直透鏡(圖中示為小方框)與光纖43和45相連接。由于多了晶體底面的反射面，與圖7所示光程相比，光束48在晶體中的光程可長(zhǎng)兩倍(如果晶體相同)。另外，在晶體表面還可再作一個(gè)或多個(gè)任選窗口49。這樣，選擇某一入射角和光束需在其間通過(guò)的某一對(duì)窗口，就可調(diào)節(jié)軌跡長(zhǎng)度。原則上，這樣的裝置也可用作可變信號(hào)處理模塊。它可調(diào)節(jié)以適應(yīng)變化的條件和要求，用來(lái)進(jìn)行脈沖整形，非線性處理和信號(hào)監(jiān)控中的任意一項(xiàng)。
圖7和8也能成功地說(shuō)明用于多信道光傳輸?shù)男盘?hào)處理裝置。在這種情況下(例如，在WDM傳輸系統(tǒng)中)從光纖來(lái)的輸入光束含有多種基波，波長(zhǎng)分別為λ1，λ2，---λn(n光信道)?；ǖ娜肷浣窍嗤?，故在晶體中沿幾乎共用的軌跡傳播。應(yīng)考慮到在晶體中產(chǎn)生的Kerr系數(shù)值取決于波長(zhǎng)，由晶體提供的所需信號(hào)處理操作的結(jié)果對(duì)于不同的信道也各不相同。
圖9a和9b，表示兩個(gè)相互垂直的截面，示出信號(hào)處理裝置的另一實(shí)施例50，具體地說(shuō)，設(shè)計(jì)用在多信道傳輸系統(tǒng)中，如WDM傳輸系統(tǒng)的信號(hào)處理裝置。與其相關(guān)的多路復(fù)用和多路分解單元標(biāo)為52和54。實(shí)施例50包括SHG晶體，他被幾何地分成多層56(最好平行)，每一層作為一單獨(dú)的SHG元件在某一光信道中作非線性調(diào)整、脈沖整形和/或監(jiān)控。晶體50中的各層56和多信道傳輸?shù)男诺?8一一對(duì)應(yīng)。
在此實(shí)施例中，晶體的兩個(gè)相對(duì)面上也復(fù)有鏡面60，以使每一輸入光束作內(nèi)反射。每一層的鏡面60上都有一對(duì)窗口62和64，供每一光信道的輸入光束和輸出光束進(jìn)出。由于每一光束在其自己的空間隙縫中傳播，所以它不會(huì)影響鄰近層中的過(guò)程。估算表明，每一層的厚度不必大于1mm。
但是，每一信道可能含有不同于基波的寄生波長(zhǎng)。而且，這種無(wú)關(guān)的波長(zhǎng)可能在通過(guò)多路分解信道進(jìn)入SHG晶體50的階段進(jìn)入各層。為克服這一點(diǎn)，圖9a和9b所示實(shí)施例可包括由任何絕緣界面(圖中未示出)、例如用基于光柵的界面相互隔離的各SHG層56。
每一層，根據(jù)為某一信道的光束所選的內(nèi)光程長(zhǎng)度及附加設(shè)備(放大器，監(jiān)控器，準(zhǔn)直器等)，完成一種或多種信號(hào)處理功能。
圖10示出的系統(tǒng)中，一個(gè)以上的本發(fā)明裝置(圖示66和68)周期性地插入光纖鏈路70中，用以補(bǔ)償在長(zhǎng)光纖跨距上積聚的普通正Kerr效應(yīng)、對(duì)失真的脈沖進(jìn)行整形并監(jiān)控信號(hào)。非線性光學(xué)晶體可適用于此目的。已知在較小的SHG晶體中級(jí)聯(lián)引發(fā)的有效Kerr系數(shù)(Keff)可以非常高，且已知如何調(diào)節(jié)晶體中有效Kerr系數(shù)(Keff)的符號(hào)，此問(wèn)題便可解決。檢查晶體Kerr系數(shù)(Keff)符號(hào)的過(guò)程應(yīng)預(yù)先(制造時(shí))進(jìn)行。如果有效Kerr系數(shù)(Keff)的符號(hào)不適于此用途，可通過(guò)周期性的極化(poling)方法(準(zhǔn)相位匹配技術(shù))加以改變。最后，用此過(guò)程，也可調(diào)節(jié)有效Kerr系數(shù)的值。在確證有效Kerr系數(shù)為負(fù)后(箭頭21表明了預(yù)先提供的此操作)，可進(jìn)一步調(diào)節(jié)其值使之適應(yīng)于需補(bǔ)償其積聚的非線性的光纖跨距的既定長(zhǎng)度。最好的一種可選方案是通過(guò)設(shè)置多路徑內(nèi)部傳輸而在裝置內(nèi)調(diào)節(jié)光束的有效光程，如圖7或8所示。另一種可供選擇的方案是在鏈路70中插入多個(gè)信號(hào)處理裝置。
假設(shè)非線性光學(xué)晶體66還進(jìn)行脈沖整形。其內(nèi)部光程調(diào)至FH功率輸出達(dá)其第一最大值的最小光程。若已知通信鏈路有效運(yùn)行所需的峰值功率，則晶體中的相應(yīng)的最小光程可與之匹配并維持。
光信號(hào)放大器72和74分別用于調(diào)節(jié)進(jìn)入裝置66和68的FH脈沖的峰值功率。
假設(shè)裝置68除進(jìn)行非線性補(bǔ)償外，還利用一個(gè)通常稱之為二次諧波監(jiān)控處理器(SHMP)，圖中方框75，來(lái)監(jiān)控二次諧波信號(hào)。例如，方框75可分析晶體68輸出的SH信號(hào)的幅度并據(jù)此調(diào)節(jié)放大器74的增益。另一種可供選擇的方案或者以附加的方式，可以使方框75運(yùn)行來(lái)分析到達(dá)裝置66的脈沖的矩形程度是否足夠，并作用于非線性元件66的放大器72以調(diào)節(jié)其脈沖整形功能。方框75的另一輸出77用來(lái)將監(jiān)控結(jié)果輸送到管理單元(未示出)，供分析，管理，控制和維護(hù)之用(例如，根據(jù)BER測(cè)量來(lái)改變比特率)。
非線性晶體66和68可以物理方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)76和78的一部分。最好把晶體設(shè)置在緊隨節(jié)點(diǎn)的光學(xué)放大器72，74之后。
圖11所示為利用不同類型的信號(hào)處理裝置(即設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)一種或多種上述功能)的多信道傳輸系統(tǒng)80的一個(gè)示范的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，此系統(tǒng)是一種OADM，包括多路復(fù)用和多路分解組件以處理WDM傳輸方式的多個(gè)信道。把作非線性處理的脈沖處理裝置標(biāo)為“A”，作脈沖整形的標(biāo)為“B”，可監(jiān)控二次諧波信號(hào)的標(biāo)為“C”。波長(zhǎng)分別為λ1，λ2，…λn的多個(gè)光信道在傳輸鏈路82上傳輸?！癆”型信號(hào)處理裝置84可插入鏈路82中，初步補(bǔ)償因鏈路的光纖特性而在所有信道中積聚的非線性。光信號(hào)由DWUX單元86多路分解。各信道之一(λn)被分接(drop)，然后又插入(add)，但在分接給用戶之前，在光信號(hào)中積聚的非線性由裝置88作精密補(bǔ)償。裝置88是能監(jiān)控信號(hào)的“A”“C”型的結(jié)合。如果此信道中數(shù)據(jù)信號(hào)的比特率較低，則不需信號(hào)整形。其它的信道既要處理非線性積聚，又要處理脈沖失真。例如，經(jīng)由λ1信道傳送的光信號(hào)先通過(guò)“A”型裝置90，然后再通過(guò)“A”型裝置92。λ2信道的光信號(hào)則由能對(duì)此二種效應(yīng)均提供合理處理的組合型“A，B”裝置來(lái)處理。不同信道被恢復(fù)的信號(hào)，和新加上的尚未失真的λn波長(zhǎng)的信號(hào)96，一起由MUX單元98多路復(fù)用，傳輸至后續(xù)光鏈路100。
其它信道的光信號(hào)可用類似方法處理，或采用圖9a和9b所示的信號(hào)處理裝置的多層實(shí)施例50。
應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，本發(fā)明的實(shí)施例不限于以上所述，在所述概念范圍之內(nèi)的其它實(shí)施例可能被提出，應(yīng)視為本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種用于通過(guò)確保脈沖整形、非線性處理和信號(hào)監(jiān)控中至少一項(xiàng)功能來(lái)處理光脈沖信號(hào)的方法，所述方法包括以下步驟提供相對(duì)于特定基波(FH)產(chǎn)生級(jí)聯(lián)的二次諧波(SHG)的信號(hào)處理裝置，在所述信號(hào)處理裝置中選擇適合于對(duì)由所述特定基波(FH)定義的波長(zhǎng)攜帶的輸入光脈沖信號(hào)進(jìn)行至少一種所述處理的光程長(zhǎng)度，沿所述信號(hào)處理裝置中所述選擇的光程傳輸所述波長(zhǎng)攜帶的所述輸入光脈沖信號(hào)，從所述信號(hào)處理裝置獲得以下清單中至少一種輸出光脈沖信號(hào)---經(jīng)非線性處理和/或脈沖整形的基波(FH)輸出光脈沖信號(hào)，---二次諧波(SH)輸出光脈沖信號(hào)，用以作進(jìn)一步信號(hào)監(jiān)控并判斷所述輸入光脈沖信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的能進(jìn)行非線性處理的方法，其特征在于在所述選擇步驟中這樣選擇經(jīng)由所述信號(hào)處理裝置傳送具有已知振幅的所述輸入光脈沖信號(hào)的光程長(zhǎng)度，使得其基本上接近于所述基波(FH)輸出光脈沖信號(hào)通過(guò)所述光程后達(dá)到其最大峰值功率的長(zhǎng)度。
3.如權(quán)利要求1所述的能進(jìn)行脈沖整形的方法，其特征在于在所述選擇步驟中這樣選擇經(jīng)由所述信號(hào)處理裝置傳送具有已知振幅的所述輸入光脈沖信號(hào)的光程長(zhǎng)度，使得其基本上接近于所述基波(FH)輸出光脈沖信號(hào)通過(guò)所述光程后達(dá)到其最大峰值功率的最短光程長(zhǎng)度。
4.如權(quán)利要求1所述的能進(jìn)行監(jiān)控操作的方法，其特征在于在所述選擇步驟中這樣選擇經(jīng)由所述信號(hào)處理裝置傳送所述輸入光脈沖信號(hào)的光程長(zhǎng)度，使得能從所述裝置中獲得非零峰值功率的所述二次諧波(SH)輸出光脈沖信號(hào)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過(guò)使所述信號(hào)在所述裝置中沿著多段軌跡傳輸來(lái)進(jìn)行所述傳送，從而獲得延長(zhǎng)的光程。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于通過(guò)在所述信號(hào)處理裝置中安排一次或多次內(nèi)部反射而經(jīng)由多段“Z”形軌跡來(lái)進(jìn)行所述傳送。
7.如權(quán)利要求2所述的進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)姆椒?，其特征在于還包括預(yù)處理步驟以確保在所述波長(zhǎng)下由所述裝置產(chǎn)生的Kerr效應(yīng)的符號(hào)是負(fù)的。
8.如權(quán)利要求1所述的對(duì)光纖鏈路中的光信號(hào)作逐漸處理的方法，其特征在于包括另一步驟，即經(jīng)由至少包括另一個(gè)信號(hào)處理裝置的鏈(chain)來(lái)傳送所述輸出光信號(hào)，在此鏈中所述各裝置通過(guò)各光纖鏈路段跨接。
9.如權(quán)利要求1所述的在光數(shù)據(jù)的多信道傳輸中處理光脈沖信號(hào)的方法，其特征在于每一個(gè)所述光信道傳輸特光波長(zhǎng)的特定光信號(hào)，并且包括對(duì)每一個(gè)特定的光信道執(zhí)行權(quán)利要求1的各步驟。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于包括經(jīng)由各個(gè)不同的所述信號(hào)處理裝置傳送不同的所述光信道的光脈沖信號(hào)。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于包括經(jīng)由同一個(gè)共用的信號(hào)處理裝置傳送不同的所述光信道的光脈沖信號(hào)。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于包括選擇具有較好的信號(hào)處理結(jié)果的光信道、用以傳輸具有較高優(yōu)先權(quán)等級(jí)的信息。
13.一種能在脈沖整形、非線性處理和信號(hào)監(jiān)控三者中至少一個(gè)方面處理光脈沖信號(hào)的裝置，所述裝置能執(zhí)行關(guān)于特定基波(FH)的級(jí)聯(lián)二次諧波產(chǎn)生(SHG)，所述裝置具有以下特征這樣選擇由所述特定基波(FH)定義的波長(zhǎng)所攜帶的輸入光脈沖信號(hào)的光程長(zhǎng)度，使得當(dāng)沿著所述選擇的光程傳送所述輸入光脈沖信號(hào)時(shí)，所述裝置能獲得以下清單中至少一種輸出光脈沖信號(hào)，所述清單包括---經(jīng)非線性處理和/或脈沖整形的基波(FH)輸出光脈沖信號(hào)，---二次諧波(SH)輸出光脈沖信號(hào)，用以作進(jìn)一步信號(hào)監(jiān)控并判斷所述輸入光脈沖信號(hào)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述光程長(zhǎng)度接近于使所述輸出FH光脈沖信號(hào)通過(guò)該光程長(zhǎng)度之后達(dá)最大峰值功率的最短光程長(zhǎng)度，從而該裝置適合于脈沖整形。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于包括從以下非完備的清單中選擇的二次諧波產(chǎn)生(SHG)元件，所述清單包括二次諧波產(chǎn)生(SHG)光學(xué)晶體和二次諧波產(chǎn)生(SHG)聚合物光纖。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述SHG元件是從以下非完備清單中選取的SHG光學(xué)晶體，所述清單包括KTP，KDP和BBO。
17.一種能在脈沖整形、非線性處理和信號(hào)監(jiān)控三者中至少一個(gè)方面處理所加的某一波長(zhǎng)的光脈沖信號(hào)的裝置，所述裝置包括SHG元件，用于執(zhí)行關(guān)于由所述特定波長(zhǎng)定義的基波(FH)的級(jí)聯(lián)二次諧波產(chǎn)生(SHG)，所述元件至少在其相對(duì)的兩個(gè)表面上復(fù)有鏡面，并且在所述相對(duì)表面上至少留有分別用于輸入光束和輸出光束的兩個(gè)窗口，所述配置是這樣的，使得當(dāng)光束在所述兩窗口之間通過(guò)時(shí)作一次或多次內(nèi)部反射，從而提供延長(zhǎng)的內(nèi)部光程。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述延長(zhǎng)的內(nèi)部光程長(zhǎng)度適合于獲得具有接近最大值的峰值功率的基波輸出光脈沖信號(hào)和/或具有非零峰值功率的二次諧波(SH)輸出光脈沖信號(hào)。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于所述延長(zhǎng)的內(nèi)部光程長(zhǎng)度基本接近于基波(FH)輸出光脈沖信號(hào)通過(guò)該光程長(zhǎng)度后達(dá)到其最大峰值功率的最短長(zhǎng)度。
20.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述元件為立方形，在所述元件相對(duì)的兩個(gè)表面上復(fù)有鏡面，在所述各鏡面上留有分別用于輸入光束和輸出光束的兩個(gè)窗口，所述窗口安排成當(dāng)所述光束通過(guò)所述元件時(shí)獲得延長(zhǎng)的光程。
21.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述裝置配備有兩個(gè)以上的所述窗口，從而可選擇和激活任何一對(duì)所述窗口、以便調(diào)節(jié)所述內(nèi)光程的長(zhǎng)度。
22.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述裝置配備有與所述窗口關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)直器，用來(lái)調(diào)節(jié)所述光束的入射角。
23.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述裝置適合于在復(fù)合信道(multi-channel)傳輸方式下進(jìn)行信號(hào)處理，其中，所述復(fù)合信道以彼此不同的波長(zhǎng)發(fā)送光信號(hào)，所述裝置能執(zhí)行關(guān)于所述復(fù)合信道傳輸方式的一個(gè)以上信道的波長(zhǎng)的二次諧波產(chǎn)生(SHG)。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于能執(zhí)行關(guān)于多個(gè)所述復(fù)合光信道的波長(zhǎng)的二次諧波產(chǎn)生(SHG)的脈沖處理裝置分成若干層，用于分別傳送從其中通過(guò)的所述多個(gè)復(fù)合光信道的光信號(hào)。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于所述裝置的各層以幾何的方式相互分隔開(kāi)。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述裝置的各層借助波長(zhǎng)濾波裝置相互分隔開(kāi)。
27.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述裝置與光放大器結(jié)合在一起并且設(shè)置在緊隨所述放大器之后。
28.一種能在脈沖整形、非線性處理和/或信號(hào)監(jiān)控方面處理通過(guò)光纖鏈路傳送的光脈沖信號(hào)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括兩個(gè)或兩個(gè)以上如權(quán)利要求13或17所述的信號(hào)處理裝置，它們插入一條或多條光纖鏈路中，用于執(zhí)行關(guān)于至少一種光脈沖信號(hào)的脈沖整形、非線性處理和/或信號(hào)監(jiān)控。
29.一種設(shè)計(jì)光信號(hào)處理裝置的方法，所述裝置對(duì)以特定波長(zhǎng)加于所述裝置的光脈沖信號(hào)執(zhí)行脈沖整形、非線性處理和/或信號(hào)監(jiān)控等三者中至少一項(xiàng)處理，所述方法包括選擇對(duì)由特定波長(zhǎng)定義的基波(FH)敏感的用于所述裝置的二次諧波產(chǎn)生(SHG)元件；經(jīng)適當(dāng)?shù)挠?jì)算，選擇準(zhǔn)備加在所述的脈沖處理裝置上的所述波長(zhǎng)脈沖的振幅與準(zhǔn)備在所述裝置中通過(guò)的光程之間的至少一種關(guān)系，以便或者確保FH輸出脈沖信號(hào)的最大輸出峰值功率，或者確保SH輸出脈沖信號(hào)的非零峰值輸出功率。安排至少一個(gè)輸入端口和至少一個(gè)輸出端口，用于限定所述選擇的關(guān)系的至少一段光程的。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于包括設(shè)計(jì)有鏡面的元件，以便在所述輸入和輸出端口之間形成由所述元件的內(nèi)部反射產(chǎn)生的至少一條多段軌跡。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于包括為有效的脈沖整形選擇具有小的失配參數(shù)值的所述SHG元件。
32.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述光程長(zhǎng)度接近于當(dāng)所述輸出FH光脈沖信號(hào)通過(guò)所述光程長(zhǎng)度后達(dá)最大峰值功率的光程長(zhǎng)度，從而所述裝置適合于處理非線性。
33.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述光程長(zhǎng)度使所述二次諧波(SH)的輸出光脈沖信號(hào)具有非零峰值功率，從而所述裝置適合于信號(hào)監(jiān)控。
全文摘要
一種處理光脈沖信號(hào)的技術(shù),所述處理包括脈沖整形、非線性處理和信號(hào)監(jiān)控中的一項(xiàng)或多項(xiàng);該技術(shù)使用能執(zhí)行關(guān)于特定基波(FH)的級(jí)聯(lián)二次諧波發(fā)生(SHF)的裝置,并包括:在裝置中選擇特定光路長(zhǎng)度,后者適合于對(duì)由基波(FH)定義的波長(zhǎng)攜帶的輸入光脈沖信號(hào)作上述各種處理中至少一項(xiàng)處理;在裝置中沿所選光程傳輸所定義的波長(zhǎng)所攜帶的輸入光脈沖信號(hào);從所述裝置獲得經(jīng)非線性處理和/或脈沖整形的基波(FH)輸出光脈沖信號(hào),或獲得二次諧波(SH)輸出光脈沖信號(hào),用以作進(jìn)一步信號(hào)監(jiān)控并判斷輸入光脈沖信號(hào)。
文檔編號(hào)H04B10/2543GK1371187SQ0210309
公開(kāi)日2002年9月25日 申請(qǐng)日期2002年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月12日
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