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伴随着高阶光调制信号在光纤通信系统的应用,全光再生技术不再局限于开关键控(On-Off Keying,OOK)信号,逐渐向多元数字光信号的幅度再生和相位再生发展。本论文研究多电平脉冲幅度调制(M-Pulse Amplitude Modulation,MPAM)光信号再生器的实现方案及其性能表征方法,并借助OptiSystem软件进行仿真验证。主要研究工作内容和创新如下:1.提出用线性增益和增益斜率两个参量分别表征多电平全光幅度再生器的放大和整形性能,其中增益斜率定义为再生器归一化增益对归一化输入功率的导数,与再生器的整形特性息息相关;并推导出实现多电平全光幅度再生功能应满足的增益斜率条件。研究表明,利用增益斜率曲线不但可以方便地分析全光再生器的整形范围,还可以确定全光再生器的可再生电平数和最佳工作点等特性。同时采用噪声抖动抑制比(Noise Reduction Ratio,NRR),即再生前后信号的平均归一化幅度抖动比值,能够很好的反应再生器对信号质量的改善,噪声抖动抑制比越大,再生器的整形效果越好。2.以马赫-曾德尔(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)多电平全光再生器方案为例,详细描述了线性增益和增益斜率的确定过程。MZI多电平幅度再生器的增益斜率曲线是一个周期为1的余弦振荡函数,其再生电平数可由振荡幅度来表征,振荡幅度越小表明支持的再生电平数越多。根据整形区域的分布特点以及再生电平数与振荡幅度的对应关系,设计了一个基于MZI结构的4PAM再生器,并采用OptiSystem软件进行了动态仿真。仿真结果表明,对于放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission,ASE))声劣化的4PAM信号,当输入平均归一化幅度抖动为0.0103时,使用该MZI再生器,抖动抑制比为6.79dB,能够有效抑制PAM光信号的幅度噪声。3.提出一种基于MZI和非线性光纤环形镜(Nonlinear Optical Loop Mirror,NOLM)的光控光多电平全光再生方案,其中光时钟控制信号用于实现光纤环的非对称相移,并细致讨论了光时钟泵浦的同向偏振与正交偏振两种实施方法,同向泵浦偏正方案对交叉相位相移的贡献大,但容易引起四波混频的干扰,而正交偏振方案则可以有效避免不利因素的影响。通过分析NOLM再生器功率转移函数对其结构参数的依赖性,获得了一级近似再生器的功率转移函数,理论结果与OptiSystem仿真结果一致。