基于参量放大的BPSK信号相位噪声监控方案

董洪光，余建兴

（国电南京自动化股份有限公司，南京 210032）

基于参量放大的BPSK信号相位噪声监控方案

董洪光，余建兴

（国电南京自动化股份有限公司，南京 210032）

相位噪声是限制新型调制信号传输性能的主要因素之一。相位噪声监控技术可以实时、动态地获取系统性能，是未来高性能光纤通信系统中的关键技术之一。利用参量放大过程对参与信号相位敏感的特性，提出了一种基于双泵浦参量放大的全光BPSK（二进制相移键控）信号相位噪声监控方案。系统仿真结果表明，针对40 Gbit/s BPSK信号，该方案可以实现0～0.4 Vπ范围内相位噪声的全光监控。

光通信；二进制相移键控；相位噪声；参量放大

0 引 言

与传统的OOK（开关键控）调制格式相比，新型调制格式BPSK（二进制相移键控）、QPSK（正交相移键控）和QAM（正交幅度调制）等，因具有更高的频谱利用率、更高的接收灵敏度和更强的抗光纤非线性的能力而被业界认为是下一代光纤通信系统的关键技术之一［1-6］。与OOK调制格式不同，上述新型调制格式的性能极易受传输系统线性和非线性相位噪声影响。因此，针对采用新型调制格式的光纤传输系统，除了需要对OSNR（光信噪比）进行监控外，还需对信号相位噪声进行监控［4，6-9］。目前针对相位噪声监控已有相关报道。文献［7］报道了一种基于FWM（四波混频）技术的相位噪声监控方案，该方案通过监控FWM过程中闲频光的功率实现对相位噪声的监控。文献［8］报道了一种利用非对称干涉光纤环行镜实现相位噪声监控的方案。文献［9］报道了一种利用相位调制相干接收技术实现相位噪声监控的方案。而全光、精确、大动态范围相位噪声监控技术还有待进一步研究。

本文针对BPSK信号提出了一种基于光纤参量放大的全光相位噪声监控方案，即通过监控参量放大过程中的信号光功率来监控信号相位噪声的大小。系统仿真结果表明，针对40 Gbit/s BPSK信号，该方案可以实现0～0.4Vπ（Vπ为相位调制器的电压）范围内相位噪声的监控。

1 全光相位噪声监控原理

基于参量放大的BPSK信号全光相位噪声监控原理如图1所示。在本方案中，我们采用双泵浦参量放大的方式。两路中心角频率分别为ω1和ω2的连续光和一路中心角频率为ω3的BPSK信号光注入到非线性介质中（如：光纤），当连续光与输入信号光的频率满足2ω3=ω1+ω2关系时［10］，连续光与信号光之间通过参量放大过程会产生功率的相互转移，具体的功率转移过程取决于连续光和信号光之间的相位关系。

图1 基于参量放大的全光相位噪声监控原理图

假设两路连续光的相位分别为φ1和φ2，带有相位噪声的BPSK信号的相位为φ3，则根据参量放大过程中的相位匹配条件有［10］：φ=φ1+φ2-2φ3，式中，φ为相位失配量。为了利用参量放大过程实现对输入BPSK信号的相位噪声监控，我们固定输入泵浦信号的相位φ1和φ2（例如设φ1=φ2=π）。因此，由参量放大的相位匹配条件可知，满足不同相位失配量φ的BPSK信号将在参量放大过程中被放大或衰减。具体来说，如果输入BPSK信号的相位φ3使得φ满足-π/2＜φ＜0，则输入的BPSK信号将被放大，否则，输入的BPSK信号被衰减。而且BPSK信号的放大增益或衰减系数也与输入的BPSK信号的瞬时相位φ3有关。因此，我们在接收端通过监控参量放大后BPSK信号光的光功率就能够实现对输入BPSK信号相位噪声的监控。

2 系统仿真和分析

我们基于Rsoft商用仿真软件搭建了仿真系统，如图2所示。

图2 基于参量放大的相位噪声监控仿真系统

设定两路连续泵浦光和一路BPSK信号光的中心角频率分别为ω1=193.9 THz、ω2=194.1 THz 和ω3=194 THz。为了模拟链路中的相位噪声，我们将电高斯白噪声通过相位调制器加载到BPSK信号上，并且通过控制电高斯白噪声的电压幅值来控制加载到BPSK信号上相位噪声的大小。然后，将两路连续泵浦光和一路带有相位噪声的BPSK信号一同注入到高非线性光纤中以实现参量放大。其中，两路连续光的光功率均为12 dBm，BPSK信号的光功率为-10 d Bm，传输比特率为40 Gbit/s。光纤长度为1 km，非线性系数为30 km-1·W-1。最后，在高非线性光纤的输出端用中心角频率为ω3=194 THz、带宽为100 GHz的光带通滤波器滤出BPSK信号光，并用光功率计监控其功率。

图3给出了噪声电压为0 V时输入BPSK信号的眼图和经过高非线性光纤后的光谱图。由于此时的相位失配量φ接近零，信号在参量放大过程中获得最大增益。经过参量放大过程后，BPSK信号的功率放大到约-5 d Bm。

图3 噪声电压为0 V时输入BPSK信号的眼图和经过高非线性光纤后的光谱图

图4给出了噪声电压为0.4 Vπ时输入BPSK信号的眼图和经过高非线性光纤后的光谱图。由于此时的相位失配量φ在-π/2＜φ＜0范围以外，BPSK信号在参量放大过程中被衰减，其功率衰减约为-14.5 dBm。

图4 噪声电压为0.4 Vπ时输入BPSK信号的眼图和经过高非线性光纤后的光谱图

随后，我们进一步研究了具有不同相位噪声的BPSK信号经参量放大过程后的功率变化情况。图5给出了不同噪声电压情况下，高非线性光纤输出端信号光功率的变化。在此，我们通过改变加载到相位调制器上的噪声电压值来改变加载到输入BPSK信号上的相位噪声。从图中可以看出，当噪声平均电压在0～0.4 Vπ范围内变化时，监控到的BPSK信号的光功率随加载到相位调制器的电压（对应于加载到BPSK信号上的相位噪声）呈单调递减变化，表明本方案能够实现BPSK信号在0～0.4 Vπ范围内的相位噪声监控。

图5 输出光功率随相位噪声的变化曲线

3 结束语

本文提出了一种基于双泵浦参量放大的全光BPSK信号相位噪声监控方案，并在40 Gbit/s BPSK系统中仿真验证了该方案的可行性和有效性。仿真结果表明，本方案针对BSPK信号可以实现0～0.4 Vπ范围内相位噪声的监控。该技术可用于未来高性能光纤通信系统实现对信号相位噪声的监控，从而实时、动态地获取系统性能，以实现对系统的维护、管理以及可重构配置。

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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，江苏连云港人。硕士研究生，研究方向为轨道交通电力监控系统、信号与通信系统。

余建兴，工程师。E-mail：yjx2605@126.com