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为了满足移动互联网、大数据和物联网等新业务的大容量传输需求,现代光纤通信开始由非相干系统向相干系统演进,脉冲幅度调制(pulse amplitude modulation,PAM)和正交幅度调制(quadrature amplitude modulation,QAM)等高阶调制格式信号已在光网络中实际应用。然而,高阶调制信号对光纤非线性或放大自发辐射噪声(amplified spontaneous emission,ASE)引起的劣化更为敏感,要求信道具有更高的光信噪比性能。采用光-电-光中继和全光再生技术可有效提升信号性能、延长光纤通信系统的传输距离,其中全光再生直接在光域处理光信号,可替代传统中继方式,绕过所谓的“电子瓶颈”,具有数据率高和调制格式透明等优点,能够满足大容量高速率传输系统。全光再生可按幅度再生、相位再生、相位保持的幅度再生(phase preserving amplitude regeneration,PPAR)、幅相同时再生等功能进行分类,这些功能的实现依赖于非线性光学结构,如非线性光环形镜(nonlinear optical loop mirror,NOLM)、马赫-曾德尔干涉仪(Mach Zehnder interferometer,MZI)、相敏放大器(phase sensitive amplifier,PSA)、半导体光放大器(semiconductor optical amplifier,SOA)等。同时,随着光子集成芯片技术的发展,实现全关再生器的芯片化成为可能,高性能的全光再生芯片凭借其集成化的优势,同样成为了实现全光再生技术的重要手段之一。因此基于光纤和芯片的全光再生器,都是全光再生技术研究的主要方向。本论文重点考察NOLM和MZI全光再生器,包括PAM光信号的幅度再生和QPSK/QAM光信号的相位保持幅度再生,它们涉及了非线性光纤和绝缘体硅(silicon-on-insulator,SOI)芯片两种材料体系。论文的主要研究内容和创新点如下:1.针对非相干通信系统中PAM调制格式信号,研究了NOLM再生器级联、偏振正交连续波辅助和保偏耦合器三种全光幅度再生方案,通过改进NOLM结构和优化相关结构的参数,分别提高可再生电平数、增强功率转移函数(power transfer function,PTF)均匀性和扩展再生区域宽度。(1)采用归一化功率转移函数(normalized power transfer function,NPTF)和归一化微分增益(normalized differential gain,NDG)曲线,分析了基于自相位调制(self-phase modulation,SPM)的NOLM再生器的最佳工作点(working point,WP),并总结级联NOLM方案的设计规律。仿真表明,通过优化光耦合器的耦合比和级间匹配放大器的增益系数,可实现四电平和八电平PAM信号的再生。(2)提出偏振正交连续波辅助NOLM(polarized orthogonal continuous wave assisted NOLM,PC-NOLM)全光幅度再生方案,理论分析和实验验证了其PTF曲线的台阶均匀性。该方案以交叉相位调制(cross phase modulation,XPM)为基础,理论上支持任意电平数的幅度再生。实验表明,当PAM-4光信号的平均输入功率为29.7d Bm时,噪声抑制比(noise reduction ratio,NRR)达到2.33 d B,四个幅度上的噪声同时得到抑制。(3)制作了一种特殊保偏耦合器并用于构建保偏NOLM再生器(polarizationmaintaining NOLM,PM-NOLM),实验获得了比传统NOLM方案更宽的可再生范围,再生区域提高了近一倍,可使PAM-4的信噪比改善4.5d B,并理论分析了该再生器中Kerr非线性和偏振效应之间的协作机制。2.针对相干通信系统中QPSK/QAM光正交调制信号的相位特征,从幅度和相位两个方面理论揭示了相位保持的再生机理,即线性相移分量对再生光场振幅的贡献必须远大于非线性相移分量,同时可用光学相位共轭器(optical phase conjugator,OPC)补偿残余相位扰动。相应地,提出三种相位保持的全光幅度再生方案:(1)提出了带有放大模块的MZI再生器(MZI regenerator with amplifier module,G-MZI),仿真实现了256-QAM等信号的相位保持幅度再生;(2)提出MZI嵌套NOLM(MZI-nested NOLM,MZI-NOLM)的PPAR方案,实验结果表明,QPSK信号再生过程中的平均相位扰动为4.37°,接近理论值3.8°;(3)提出光学相位共轭器辅助的NOLM(optical phase conjugator-assisted NOLM,OPC-NOLM)方案,实现相位扰动几乎为零的完美相位保持,解决了现有PPAR方案仍然存在残余相位扰动的问题。仿真表明,与传统的单一NOLM情形相比,当输入信噪比(signal to noise ratio,SNR)为15d B时,本文方案可使16-QAM信号的噪声抑制比进一步提高3.8d B。3.为了推进全光再生器件的集成化,采用2.31cm长的SOI硅线波导芯片开展了16-QAM信号的PPAR实验,验证了MZI再生芯片方案可行性。实验表明,当输入信噪比为17.3d B时,全光再生芯片可实现2.4d B的噪声抑制比,理论分析了SOI波导中双光子吸收(two-photon absorption,TPA)效应对再生器性能的影响。