四波混频相位运算器研究

作     者：曹亚敏 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武保剑

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：四波混频 光学计算 误差矢量幅度 高非线性光纤 少模光纤 

摘      要：光逻辑运算器件作为未来高速大容量全光信号处理的关键器件,不仅能够摆脱“电子瓶颈的限制,还有助于降低信息的传输时延。利用高非线性光纤的四波混频(Four-Wave Mixing,FWM)非线性效应可以实现光逻辑相位运算。本文通过研究FWM过程中非相敏放大(Phase Insensitive Amplifier,PIA)模式下输出闲频光与输入信号光之间的相位关系,实现了高阶相位调制格式信号的全光逻辑运算。本文创新体现在三个方面:(1)采用极限分析方法,证明了非相敏放大FWM相位加减混合运算器的相位关系,为相位运算器设计提供理论基础;(2)设计了单通道和三通道相位运算器,比较了它们的幅度和相位噪声转移性能;(3)分析了少模光纤(Few-Mode Fiber,FMF)中模间四波混频光相位运算器的性能,当无纠错编码的符号错误率(Symbol Error Rate,SER)低于10时要求输入导波光的信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)大于25dB、误差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)小于13%。本文具体工作内容如下:1.推导了泵浦消耗情形下,简并和非简并FWM闲频光幅度和相位的统一解析表达式。采用极限方法,计算证明了非相敏放大模式下闲频光相位与输入光初始相位之间的关系,从而揭示了FWM相位加减混合运算器的工作机理。以四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)信号为例,对基于非简并FWM的相位运算器进行了设计,重点分析了三种基本加减混合运算的噪声转移性能及其对光纤长度、输入光波长和功率的依赖特性。计算表明,该运算器的噪声指数约为1.1dB;当输入光信号的信噪比大于24dB时无纠错编码的符号错误率可低于10。2.利用光纤FWM的非相敏放大(FWM-PIA)机理,设计三通道光相位混合运算器(A+B-C,A+C-B,B+C-A)。通过建立并求解级联FWM的非线性耦合模方程组,揭示了光相位运算器输出闲频光与输入信号光之间的固定相移关系,为相位补偿方法的实施提供了理论依据。计算表明,该并行混合运算器的幅度噪声指数和相位噪声误差矢量幅度的转移系数分别为0.9dB和1.67;当输入QPSK信号的信噪比大于24dB和EVM小于12%时,无纠错编码的符号错误率低于10。研究表明,三通道相位运算器与单通道相位运算器具有相同的相位噪声转移特性,但前者的噪声指数略低0.2dB,其光功率转移效率也比后者高一倍以上。3.利用少模光纤中模间四波混频(Intermode Four Wave Mixing,IM-FWM)的光相位互调原理,设计了适用于空分复用(Space Division Multiplexing,SDM)系统中的相位混合运算器。通过求解少模光纤中IM-FWM耦合模方程的解析解,再次印证了光相位运算器输出闲频光与输入信号光之间的固定相移关系,并为少模光纤运算器设计提供了理论依据。计算表明,非简并IM-FWM混合运算结构的幅度噪声指数约为1.4dB,相位噪声转移系数为1.69;当输入导波光的SNR大于25dB和EVM小于13%时,可以保证混合运算器无纠错编码的符号错误率可低于10。