專(zhuān)利名稱(chēng)：在光碼分多址中使用的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上屬于光學(xué)通信領(lǐng)域，并涉及碼分多址(CDMA)的光學(xué)方法和系統(tǒng)，以及適于在CDMA中使用的經(jīng)寬帶下轉(zhuǎn)換的光的光源。
參考文獻(xiàn)列表以下的參考文獻(xiàn)被認(rèn)為有助于理解本發(fā)明的背景。
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背景技術(shù)：
碼分多址(CDMA)是對(duì)通信信道進(jìn)行復(fù)用的已知方案，其基于直接序列擴(kuò)頻方法[1]。CDMA通常被結(jié)合到電子通信網(wǎng)絡(luò)中，特別是蜂窩通信中，并且其被認(rèn)為優(yōu)于其他的傳統(tǒng)復(fù)用方案，例如時(shí)分復(fù)用(TDMA)和頻分復(fù)用(FDMA)。在時(shí)分復(fù)用中，一個(gè)信道在一短時(shí)間片上可以使用整個(gè)帶寬。在頻分復(fù)用中，在所有時(shí)間中，一個(gè)信道僅能使用一部分帶寬。
在CDMA中，所有的信道在所有的時(shí)間中都可使用整個(gè)帶寬。各信道具有對(duì)其進(jìn)行識(shí)別的唯一的鍵(key)，從而信息接收者可以對(duì)信道進(jìn)行區(qū)分。這種鍵是偽噪聲序列，其帶寬比輸入數(shù)據(jù)的大很多。在電子通信中，鍵序列是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩者都預(yù)先知道的。
圖1A-1C示意性地示出了CDMA工作原理。圖1A示出了CDMA發(fā)射機(jī)方案發(fā)射機(jī)使輸入數(shù)據(jù)信號(hào)與鍵序列相乘，因而擴(kuò)展了輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的譜，并使其完全表現(xiàn)為噪聲。圖1B示出了CDMA接收機(jī)方案從“噪聲”中提取數(shù)據(jù)，將所接收的輸出與共軛鍵序列(如果鍵序列是實(shí)數(shù)，則為鍵本身)相乘。圖1C示出了CDMA譜特性?？汕宄乜吹?，如果接收機(jī)鍵不是正確的那個(gè)，或者如果沒(méi)有與發(fā)射機(jī)很好地同步，則與共軛鍵序列的相乘無(wú)法展現(xiàn)該數(shù)據(jù)，并且僅能產(chǎn)生類(lèi)似寬帶噪聲的結(jié)果。
因而，通過(guò)對(duì)各信道使用不同的鍵，可以在同一帶寬上復(fù)用許多信道。所有其他信道對(duì)于給定信道的影響在該接收機(jī)處僅反映為噪聲級(jí)。因此，要使用具有良好自相關(guān)和互相關(guān)性質(zhì)的鍵來(lái)使噪聲級(jí)最小化。理想地，該鍵將模仿限帶白噪聲的相關(guān)性性質(zhì)，并且盡可能的長(zhǎng)。
與常規(guī)方法相比，CDMA具有以下的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一，CDMA可以很好地適應(yīng)同時(shí)操作的信道的數(shù)目的動(dòng)態(tài)改變。具體地，當(dāng)一個(gè)信道不活動(dòng)時(shí)，其他的信道會(huì)獲得噪聲級(jí)下降的好處。因而，在CDMA中，在給定時(shí)間內(nèi)不進(jìn)行發(fā)送的已分配信道會(huì)自動(dòng)“釋放其空間”給在該時(shí)刻需要帶寬的其他信道。第二，CDMA對(duì)任何信道的比特率和服務(wù)質(zhì)量(信噪比)的動(dòng)態(tài)改變具有天生的靈活性，并且不會(huì)影響所有信道所傳送的數(shù)據(jù)總量。這是由于在CDMA中，每個(gè)信道所分配的資源是功率(這與其他方法中分配的是時(shí)間和帶寬不同)。因此，如果信道被允許傳送更多的功率，其可以提高服務(wù)質(zhì)量或增加該信道的比特率。因而，可以在信道間動(dòng)態(tài)地分配共享的資源(功率)，并且在給定的功率下，任何信道都可以用比特率來(lái)?yè)Q取服務(wù)質(zhì)量，或者反之。第三，在CDMA中，所有的信道都是同等的，因而服務(wù)質(zhì)量是平均信道的服務(wù)質(zhì)量，而在其他的方法中，服務(wù)質(zhì)量由較差的信道決定。
在光通信中，可用的光學(xué)帶寬比當(dāng)前電調(diào)制器所能支持的大得多。因此，為有效地利用可用帶寬，需要光學(xué)復(fù)用幾個(gè)電信道。因此為此目的，CDMA方法是最引人注目的，并且已經(jīng)進(jìn)行了將光CDMA并入光通信網(wǎng)絡(luò)中的各種嘗試[14-20]。在以下的專(zhuān)利公報(bào)中公開(kāi)了光CDMA方案的各種技術(shù)方案US 4,866,699、US 5,177,768、US 5,867,290、US 6,236,483、US 2002/0163696；WO 00/29887；US 5,784,506；US 6,025,944。
獲得光CDMA的主要問(wèn)題是偽噪聲鍵的生成。由于該鍵在帶寬上比數(shù)據(jù)寬很多，并且由于光通信中的數(shù)據(jù)帶寬已經(jīng)接近于電調(diào)制器所能支持的極限，所以無(wú)法電學(xué)地生成該鍵，因而需要光學(xué)地生成該鍵。解決該問(wèn)題的各種嘗試可以分為兩類(lèi)相干法和不相干法。相干法[14-16]從寬帶相干光源(也就是發(fā)射轉(zhuǎn)換極限脈沖的模式鎖定激光器)開(kāi)始，在該處，已知所有頻率的相位都為O。隨后通過(guò)某種脈沖整形設(shè)備(其將脈沖變形以模擬偽噪聲脈沖串)以唯一的方式主動(dòng)將各不同頻率的相位整形，來(lái)產(chǎn)生各信道的鍵。在接收機(jī)系統(tǒng)中，整形器執(zhí)行反整形以再現(xiàn)最初的轉(zhuǎn)換極限脈沖，然后對(duì)該脈沖進(jìn)行檢測(cè)。這種方法受對(duì)于光纖中的分散和非線(xiàn)性效應(yīng)的靈敏度的影響，尤其重要的是，還受以下事實(shí)的影響由于主動(dòng)脈沖整形帶來(lái)的局限性(例如信道的總數(shù)受脈沖整形器的像素?cái)?shù)的限制，每個(gè)信道的最低有效位速率受整形器的譜分辨率的限制)，CDMA喪失了很多靈活性。
非相干法(及其各種版本)[15，17-20]包括非相干寬帶光源。雖然這種源發(fā)射“真實(shí)的噪聲(true noise)”，但所發(fā)射的場(chǎng)的相位是未知的，所以?xún)H可能進(jìn)行強(qiáng)度操作。這使得非相干法在對(duì)因傳播影響而導(dǎo)致的相位改變相對(duì)免疫的意義上講比較健壯。然而，由于非相干法本質(zhì)上是單極的，不同鍵的互相關(guān)性不能平均為零。因此，許多信道的存在不僅提供了噪聲，而且提供了背景直流強(qiáng)度，這導(dǎo)致信噪比和性能?chē)?yán)重下降[15-20]。為此，非相干CDMA系統(tǒng)的容量本質(zhì)上要顯著低于相干系統(tǒng)的(如果相干法中為N個(gè)信道，則非相干法為 個(gè)信道)。
已知CDMA技術(shù)利用了復(fù)雜的算法來(lái)預(yù)先設(shè)計(jì)近似于所需的理想白噪聲鍵的特性的實(shí)際鍵。這些近似通常受到其他設(shè)計(jì)考慮的制約(例如碼長(zhǎng)和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性之間的權(quán)衡)，而導(dǎo)致了并非最佳的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本領(lǐng)域存在著通過(guò)提供新穎的鍵生成方法和系統(tǒng)以及使用它們的復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)來(lái)推動(dòng)光CDMA的需要。
本發(fā)明提供了光CDMA的完整方案，包括生成CDMA鍵及其共軛的光學(xué)方法，以及用于數(shù)據(jù)信道的復(fù)用/解復(fù)用的光學(xué)方法等。
依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)，通過(guò)下轉(zhuǎn)換的物理處理(其包括生成相互復(fù)共軛的兩個(gè)寬帶場(chǎng))來(lái)自動(dòng)生成理想的CDMA鍵及其共軛。這種處理例如可以是參量下轉(zhuǎn)換，即，泵浦非線(xiàn)性光介質(zhì)以發(fā)出相互復(fù)共軛的兩個(gè)寬帶輸出光場(chǎng)——信號(hào)光場(chǎng)和閑置光(idler)場(chǎng)。
在本文中所用的“下轉(zhuǎn)換”一詞是指與相互復(fù)共軛的被稱(chēng)為“信號(hào)光場(chǎng)”和“閑置光場(chǎng)”的兩個(gè)寬帶光場(chǎng)的發(fā)射有關(guān)的任何物理處理。已知這樣的處理，在該處理中，產(chǎn)生一對(duì)相干光子，以使得雖然每個(gè)光子的能量未定義，但它們的能量和是被清楚定義的。這種物理處理的示例包括兩光子發(fā)射以及參量非線(xiàn)性交互，例如三波混合(參量下轉(zhuǎn)換)、四波混合等。能夠執(zhí)行下轉(zhuǎn)換處理的介質(zhì)用作同時(shí)生成寬帶噪聲及其復(fù)共軛(隨后被用作CDMA鍵及其共軛)的光源。相應(yīng)地，本文使用的“上轉(zhuǎn)換”一詞是指與本文描述的下轉(zhuǎn)換處理相反的一類(lèi)物理處理，例如兩光子吸收、參量上轉(zhuǎn)換，或更高階參量非線(xiàn)性交互。
因而，基于寬帶參量下轉(zhuǎn)換和上轉(zhuǎn)換，本發(fā)明提供了一種用于光學(xué)直接序列擴(kuò)頻通信的新穎的方法。利用參量下轉(zhuǎn)換，窄帶CW(連續(xù)波)光場(chǎng)被轉(zhuǎn)換成相互復(fù)共軛的兩個(gè)CW寬帶白噪聲場(chǎng)。這兩個(gè)噪聲場(chǎng)被用作光學(xué)直接序列擴(kuò)頻通信中的鍵和共軛鍵。隨后在接收機(jī)側(cè)處，使用相反處理的參量上轉(zhuǎn)換，將該鍵和共軛鍵相乘，以提取所發(fā)送的數(shù)據(jù)。依據(jù)這種技術(shù)，自動(dòng)生成理想的白噪聲鍵，得到高容量的通用CDMA結(jié)構(gòu)。寬帶白噪聲碼和其復(fù)共軛兩者是同時(shí)生成的。應(yīng)該理解，對(duì)于CDMA來(lái)說(shuō)，不需要預(yù)先知道該鍵。事實(shí)上，只要該鍵和共軛鍵是一起生成的，那么就可以將共軛鍵與數(shù)據(jù)一起傳送到接收機(jī)(代價(jià)是帶寬的一半)。隨后，在接收機(jī)處進(jìn)行參量上轉(zhuǎn)換處理(也被稱(chēng)為和頻(sum frequency)生成)來(lái)光學(xué)地將該鍵和共軛鍵相乘。
在過(guò)去的35年間，對(duì)參量下轉(zhuǎn)換和參量上轉(zhuǎn)換處理進(jìn)行了廣泛地研究，開(kāi)發(fā)出了基于這些處理的許多設(shè)備，例如光參量振蕩器(OPO)和光參量放大器(OPA)。經(jīng)典理學(xué)理論和量子理學(xué)理論都給出了這些處理的理論分析[2-12]。由非線(xiàn)性介質(zhì)(通常是晶體)生成的信號(hào)光頻率和閑置光頻率是與泵浦光相位匹配的(信號(hào)光-閑置光對(duì)的相位速率與泵浦光的相位速率相等)。可以通過(guò)調(diào)諧光在介質(zhì)中的傳播方向或者通過(guò)調(diào)諧晶體的溫度來(lái)控制晶體中的相位匹配狀態(tài)，從而控制所發(fā)出的信號(hào)光頻率和閑置光頻率。在信號(hào)光-閑置光頻率對(duì)的寬帶帶寬與泵浦光相位匹配的狀態(tài)下，下轉(zhuǎn)換處理可以產(chǎn)生寬帶信號(hào)光和閑置光。由于可以激發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的非線(xiàn)性交互，被泵浦光所泵浦的非線(xiàn)性介質(zhì)將用作其信號(hào)光和其閑置光輸出頻率的放大器。
本發(fā)明利用了參與用于光學(xué)生成CDMA鍵及其共軛的參量下轉(zhuǎn)換[2]處理的光學(xué)場(chǎng)之間的特定的相位振幅關(guān)系。經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光由相互復(fù)共軛的寬帶CW白噪聲信號(hào)光和閑置光組成，這是生成CDMA鍵的必要條件。因此，參量上轉(zhuǎn)換(也被稱(chēng)為和頻生成)的相反處理可被用于在接收機(jī)側(cè)使鍵和其共軛相乘。
因此，在本發(fā)明的方案中的CDMA發(fā)送器使用復(fù)共軛的兩個(gè)寬帶場(chǎng)的光源。因而，在本方案中，CDMA接收機(jī)所需的全部是相反的物理處理(例如，兩光子吸收或更高階參量非線(xiàn)性交互)，此外，發(fā)送和接收所使用的處理無(wú)需相同。發(fā)射機(jī)基于兩光子發(fā)射而接收機(jī)基于參量上轉(zhuǎn)換是可行的。
本發(fā)明的光CDMA方案表現(xiàn)出了相干法和非相干法之間的某種混合，這消除了這兩種方法的某些局限性。本發(fā)明的方案在其依賴(lài)于信號(hào)光分量和閑置光分量(碼及其共軛)之間的相干相位關(guān)系這個(gè)意義上講是使用了相干法，因而，容量可以與相干法的容量相比。另一方面，鍵是被動(dòng)生成的實(shí)數(shù)白噪聲，這使非線(xiàn)性效應(yīng)最小并保護(hù)了CDMA的完整的靈活性。
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)廣義的方面，提供了一種自動(dòng)生成在光碼分多址系統(tǒng)中使用的鍵和共軛鍵的方法。該方法包括對(duì)泵浦輸入光進(jìn)行下轉(zhuǎn)換處理，從而產(chǎn)生相互共軛的寬帶下轉(zhuǎn)換信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)用作鍵及其共軛。
所述下轉(zhuǎn)換處理包括將泵浦光穿過(guò)帶有或不帶有用于經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光的腔的非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)，從而生成經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)(信號(hào)光和閑置光)。
總的來(lái)說(shuō)，任何合適的非線(xiàn)性介質(zhì)(通常是晶體)都可以被用作這種鍵及其共軛的光源。為了使這一處理更加有效，可以使用由兩個(gè)反射鏡之間的非線(xiàn)性介質(zhì)形成的單諧振腔或雙諧振腔(光學(xué)參量振蕩器)。優(yōu)選地，使用由本發(fā)明人開(kāi)發(fā)的新穎的OPO結(jié)構(gòu)，其中，為了提供寬帶寬信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，在腔中提供了用于抑制腔中的模式競(jìng)爭(zhēng)的裝置。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在光碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中使用的方法，該方法包括對(duì)用于將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)載運(yùn)到數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的光信道施加下轉(zhuǎn)換處理，所述光信道的下轉(zhuǎn)換自動(dòng)產(chǎn)生寬帶信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，該兩個(gè)光場(chǎng)相互復(fù)共軛并因此用作鍵及其共軛，從而能夠?qū)υ撔盘?hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制，并對(duì)它們一起進(jìn)行上轉(zhuǎn)換處理，從而提取數(shù)據(jù)。
該旨在產(chǎn)生信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的下轉(zhuǎn)換處理可以在數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)中執(zhí)行，其中這些光場(chǎng)中的一個(gè)隨后被各個(gè)數(shù)據(jù)所調(diào)制。另選地，在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中執(zhí)行該下轉(zhuǎn)換處理，信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之一被發(fā)送到數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)以進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在光碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中使用的方法，該方法包括以下中的至少之一——對(duì)用于將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)向數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)載運(yùn)的光信道進(jìn)行下轉(zhuǎn)換處理，所述光信道的下轉(zhuǎn)換自動(dòng)產(chǎn)生寬帶信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，這兩個(gè)光場(chǎng)相互復(fù)共軛并因此用作鍵及其共軛，從而使得能夠用所述數(shù)據(jù)對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一進(jìn)行調(diào)制，并一起處理所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)以提取數(shù)據(jù)；以及——對(duì)包含代表光學(xué)信道的下轉(zhuǎn)換信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的數(shù)據(jù)載運(yùn)光施加上轉(zhuǎn)換處理，從而在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中恢復(fù)表示數(shù)據(jù)信道的光。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在光碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中產(chǎn)生光學(xué)信道的方法，該方法包括(i)對(duì)用于將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)載運(yùn)到數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的輸入光進(jìn)行下轉(zhuǎn)換處理，所述下轉(zhuǎn)換處理產(chǎn)生寬帶信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，它們相互復(fù)共軛并因此代表鍵及其共軛；(ii)對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一的譜相位進(jìn)行唯一的影響，從而定義所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的唯一相位關(guān)系，從而使得能夠利用上轉(zhuǎn)換處理來(lái)提取數(shù)據(jù)。
這種相位影響或相位操縱可以是利用脈沖整形技術(shù)對(duì)信號(hào)光場(chǎng)和/或閑置光場(chǎng)施加的簡(jiǎn)單相對(duì)延遲或材料色散或通用譜相位濾波。考慮到在接收機(jī)側(cè)進(jìn)行的下轉(zhuǎn)換處理，被傳送的一個(gè)光場(chǎng)由于數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)之間的預(yù)定距離而被唯一地相位影響。另一個(gè)光場(chǎng)在接收系統(tǒng)處被進(jìn)行了這樣的唯一相位影響(使用相反的相位影響值)，該兩個(gè)光場(chǎng)(從數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)返回的經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制的光場(chǎng)和在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中被相位影響的光場(chǎng))隨后被進(jìn)行上轉(zhuǎn)換。
可以依據(jù)將由該光學(xué)信道載運(yùn)的數(shù)據(jù)對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之一或者它們兩者進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。該調(diào)制可以在所述各光場(chǎng)被相位影響之前或之后進(jìn)行。
為了在接收機(jī)側(cè)對(duì)信道進(jìn)行解碼，對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一施加譜相位影響(操縱)，從而恢復(fù)相位關(guān)系并使得能夠進(jìn)行上轉(zhuǎn)換。通常，該譜相位影響與在編碼該光信道時(shí)所施加的影響相反。例如，如果在編碼該光信道的同時(shí)對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之一施加了相對(duì)延遲，則解碼對(duì)另一光場(chǎng)施加相反的延遲。隨后對(duì)所得的經(jīng)上轉(zhuǎn)換的光進(jìn)行檢測(cè)，以檢索數(shù)據(jù)。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種復(fù)用光信道的方法，包括——產(chǎn)生N個(gè)光學(xué)信道，N≥1，所述光學(xué)信道由一對(duì)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)代表，該一對(duì)光場(chǎng)相互復(fù)共軛并代表了鍵及其共軛，從而可以依據(jù)待由所述光信道所載運(yùn)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)所述光信道進(jìn)行調(diào)制；——對(duì)該同一信道的所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一施加唯一的相位影響值，從而限定該信道的所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間唯一的相位關(guān)系，從而使得能夠利用各自唯一的相位影響和上轉(zhuǎn)換處理在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中進(jìn)行光的解復(fù)用，以提取特定信道。
如果延遲是所選相位操縱，則與不同的信道相關(guān)的唯一延遲值之間的差值將長(zhǎng)于寬帶信號(hào)光分離和閑置光分量的相干時(shí)間。
可以將該N個(gè)光學(xué)信道制造為使得它們都共享同一對(duì)信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，例如通過(guò)將單個(gè)光源的輸出分成N個(gè)信道，或通過(guò)由一個(gè)噪聲光源種下(seeding)N個(gè)光源，從而使得所有光源都產(chǎn)生相同的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)。另選地，該N個(gè)光學(xué)信道可以被制造使得每個(gè)信道都具有其自己的一組信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，例如通過(guò)泵浦N個(gè)不相關(guān)的光源，從而分別產(chǎn)生N對(duì)信號(hào)光分量和閑置光分量。根據(jù)光源的相位匹配類(lèi)型(共線(xiàn)型或非共線(xiàn)型)，該系統(tǒng)可以包括也可以不包括用于在經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間進(jìn)行空間分離的頻率濾波器。對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之一或它們兩者施加數(shù)據(jù)調(diào)制。
用于從特定信道提取所接收的光的解復(fù)用包括影響所接收的光中的所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的至少之一的相位，以恢復(fù)所述特定信道的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的相位關(guān)系；對(duì)所得的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)施加上轉(zhuǎn)換處理，從而使得能夠提取所述特定信道(如果需要，則使用適當(dāng)?shù)念l率濾波器)；并且可選地，進(jìn)一步影響所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中至少之一的相位，以使后面接收機(jī)的狀態(tài)保持不變。
如上所述，由于在穿過(guò)非線(xiàn)性介質(zhì)時(shí)下轉(zhuǎn)換的效率通常很低，因而優(yōu)選地在諧振腔(OPO)內(nèi)部執(zhí)行該處理，以在低閾值處實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。該腔可以是單諧振或雙諧振的(即，只對(duì)一個(gè)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)諧振或?qū)@兩者諧振)。然而，當(dāng)使用諧振腔時(shí)，模式競(jìng)爭(zhēng)將顯著地使帶寬變窄，而對(duì)于本發(fā)明的目的(即光CDMA方案)來(lái)說(shuō)，優(yōu)選地提供盡可能高的信號(hào)光-閑置光對(duì)的帶寬。本發(fā)明通過(guò)在該腔中增加控制上轉(zhuǎn)換的影響的能力(其用作腔內(nèi)的損失機(jī)制)來(lái)解決該問(wèn)題，以抑制模式競(jìng)爭(zhēng)并低閾值高效率地提供經(jīng)下轉(zhuǎn)換的寬帶光分量。通過(guò)控制腔中上轉(zhuǎn)換介質(zhì)中的上轉(zhuǎn)換損失來(lái)實(shí)現(xiàn)模式競(jìng)爭(zhēng)抑制。通過(guò)對(duì)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光分量的譜相位進(jìn)行整形來(lái)控制腔中的上轉(zhuǎn)換損失，例如通過(guò)在經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間引入相對(duì)延遲或材料色散，從而減少腔中的上轉(zhuǎn)換損失，并恢復(fù)信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的相位關(guān)系，從而不影響下轉(zhuǎn)換。如果該腔是單諧振腔，則為了能夠進(jìn)行這種控制，非諧振場(chǎng)還應(yīng)當(dāng)穿過(guò)該腔中的上轉(zhuǎn)換介質(zhì)。
通過(guò)使用線(xiàn)性腔結(jié)構(gòu)中的帶有一個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的腔或在環(huán)或線(xiàn)性腔結(jié)構(gòu)中帶有兩個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的腔，以及相位整形組件可以實(shí)現(xiàn)上述各項(xiàng)。當(dāng)使用單個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)時(shí)，由位于所述介質(zhì)上游和下游的兩個(gè)相位整形單元形成該相位整形組件，從而控制經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光分量在后向(相對(duì)于泵浦光)傳播時(shí)，在介質(zhì)中發(fā)生的上轉(zhuǎn)換損失。當(dāng)使用兩個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)時(shí)，第一非線(xiàn)性介質(zhì)被泵浦以進(jìn)行下轉(zhuǎn)換，在第二未泵浦的介質(zhì)的相對(duì)的輸入/輸出側(cè)的兩個(gè)相位整形單元用于控制在該第二介質(zhì)中的上轉(zhuǎn)換損失。應(yīng)該理解，如果使用單諧振腔，則非諧振場(chǎng)應(yīng)當(dāng)也被導(dǎo)入上轉(zhuǎn)換介質(zhì)。
優(yōu)選地，當(dāng)使用雙諧振腔時(shí)，使用主動(dòng)改變腔的光學(xué)長(zhǎng)度的機(jī)構(gòu)以將輸入的泵浦光的頻率鎖定為腔的模式。其原因在于，在雙諧振腔中，信號(hào)光和閑置光兩者都具有離散的、等間距的譜(縱向腔模式)，所以泵浦頻率(正好是所有信號(hào)光-閑置光對(duì)的和)必須與腔的模式匹配。
因而，依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種產(chǎn)生經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的方法，該方法包括通過(guò)使輸入光穿過(guò)諧振非線(xiàn)性光學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生相互復(fù)數(shù)共軛的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的寬帶信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，并在該經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)的同時(shí)影響該經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的相位，以減少上轉(zhuǎn)換對(duì)所述經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的寬帶振蕩的影響，從而抑制腔中的模式競(jìng)爭(zhēng)。
依據(jù)本發(fā)明的再一廣義方面，提供了一種用于發(fā)射寬帶譜相關(guān)光的新穎的光源(可以用于CDMA和其他應(yīng)用的低閾值、高效率的光學(xué)參量振蕩器結(jié)構(gòu))；以及雙諧振非線(xiàn)性光學(xué)結(jié)構(gòu)；光學(xué)復(fù)用系統(tǒng)；以及光學(xué)解復(fù)用系統(tǒng)。


為了理解本發(fā)明，并了解在實(shí)踐中可以如何執(zhí)行本發(fā)明，現(xiàn)在僅以非限制性的示例的方式參照附圖描述優(yōu)選實(shí)施例。在附圖中圖1A-1C示意性地示出了CDMA技術(shù)的一般原理，其中，圖1A示出了CDMA發(fā)射機(jī)方案；圖1B示出了CDMA接收機(jī)方案；而圖1C示出了CDMA譜特性；圖2A和2B示出了依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例的光CDMA鍵生成方案的主要原理，其中圖2A示出了在發(fā)射機(jī)側(cè)執(zhí)行的CDMA鍵生成，圖2B示出了在接收機(jī)側(cè)執(zhí)行的鍵相乘；圖3A和圖3B分別示出了依據(jù)本發(fā)明的光CDMA發(fā)射機(jī)系統(tǒng)(復(fù)用器)的兩個(gè)示例，其中在數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)處生成所述鍵；圖3C示出了依據(jù)本發(fā)明的光CDMA信道接收機(jī)系統(tǒng)(解復(fù)用器)；圖3D示出了依據(jù)本發(fā)明另一示例的光CDMA鍵生成方案的主要原理，其中在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)處生成該鍵；圖3E示出了利用圖3D的示例的原理的光CDMA發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)；圖3F圖示了所計(jì)算的誤碼率(BER)，其為同時(shí)進(jìn)行發(fā)送的CDMA信道的數(shù)目對(duì)于利用非相干檢測(cè)的通斷鍵控調(diào)制(OOK)和利用相干檢測(cè)的相移鍵控(PSK)的函數(shù)；
圖4A示出了信號(hào)光/閑置光相位失配，其為簡(jiǎn)并點(diǎn)(degeneracy point)附近的波長(zhǎng)對(duì)于在532nm處泵浦出的周期性截角的KTP晶體(periodically polled KTP crystal)的函數(shù)；圖4B示出了信號(hào)光/閑置光相位失配，其為零色散超寬帶情況下的簡(jiǎn)并點(diǎn)附近的波長(zhǎng)對(duì)于728nm處泵浦出的BBO晶體的函數(shù)；圖5A和圖5B分別示出了描述了三波混合和四波混合處理的費(fèi)因曼圖，該三波混合和四波混合處理可在光CDMA方案中被用作生成兩帶寬共軛場(chǎng)的機(jī)制；圖6A和圖6B示意性地示出了適于在依據(jù)本發(fā)明的光CDMA方案中使用的帶有共線(xiàn)相位匹配的線(xiàn)性腔雙諧振OPO光源的兩個(gè)示例；圖7A示意性地示出了帶有非共線(xiàn)相位匹配的線(xiàn)性腔雙諧振OPO光源；圖7B和圖7C示出了帶有共線(xiàn)相位匹配的環(huán)腔雙諧振OPO光源的實(shí)例圖7B示出了在自由空間中的實(shí)現(xiàn)；圖7C示出了在光纖內(nèi)的實(shí)現(xiàn)；圖7D和圖7E示意地示出了依據(jù)本發(fā)明的線(xiàn)性單諧振OPO光源的示例；圖8更具體地示例了依據(jù)本發(fā)明的共線(xiàn)、雙諧振OPO腔結(jié)構(gòu)的概圖，使用色散作為用于控制腔內(nèi)的相位關(guān)系的機(jī)制；圖9示出了經(jīng)計(jì)算的轉(zhuǎn)換效率，作為N＝Ip/Ith(Ip是實(shí)際泵浦強(qiáng)度，Ith是閾值泵浦強(qiáng)度)對(duì)于很窄振蕩、理想寬帶振蕩和實(shí)際寬帶振蕩的函數(shù)；以及圖10A-10B分別示出了作為信號(hào)光波長(zhǎng)對(duì)于兩種寬相位匹配情況的函數(shù)的閾值泵浦強(qiáng)度(Ith)，這兩種情況即在寬相位匹配結(jié)構(gòu)中的被532nm所泵浦的腔中的具有2％損失的1cm長(zhǎng)PPKTP晶體；以及在零色散超寬相位匹配結(jié)構(gòu)中的被728nm所泵浦的腔中的具有1％損失的1.4cm長(zhǎng)BBO晶體。
具體實(shí)施例方式
完整的CDMA方案通常包括鍵生成以及在數(shù)據(jù)發(fā)送側(cè)和數(shù)據(jù)接收側(cè)進(jìn)行通信信道的復(fù)用和解復(fù)用。
參照?qǐng)D2A和圖2B，它們示意性地示出了依據(jù)本發(fā)明的光CDMA鍵生成方案的主要原理，該方案能夠生成理想鍵(寬帶噪聲)及其復(fù)共軛兩者。圖2A示出了一般在10中進(jìn)行的參量下轉(zhuǎn)換處理，其在數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)或數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中用于生成CDMA碼。如上所述，在依據(jù)本發(fā)明的CDMA鍵生成技術(shù)中使用的下轉(zhuǎn)換處理是包括發(fā)射相互共軛的兩個(gè)寬帶場(chǎng)的任何已知物理處理(例如兩光子發(fā)射或參量非線(xiàn)性交互作用，例如三波混合(參量下轉(zhuǎn)換)、四波混合等)，在該過(guò)程中發(fā)射一對(duì)相干的光子，從而盡管各光子的能量不確定但可以很好地確定它們能量的總和。圖2B示出了參量上轉(zhuǎn)換(和頻生成)的處理，其用于在數(shù)據(jù)接收機(jī)系統(tǒng)11處執(zhí)行的碼相乘。通常，在本發(fā)明的接收機(jī)系統(tǒng)中使用的物理處理是與下轉(zhuǎn)換處理相逆的一種處理。還應(yīng)該理解，在發(fā)送和接收中所使用的處理無(wú)需相同。例如，可以發(fā)送基于兩光子發(fā)射來(lái)進(jìn)行發(fā)送，而基于參量基于參量上轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行接收?？梢员挥米魉l(fā)明的CDMA方案的基礎(chǔ)的幾種可能的交互作用的費(fèi)因曼圖在圖5A和圖5B中示出。
當(dāng)泵浦光Lpump穿過(guò)非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)12并因此被轉(zhuǎn)換為一對(duì)輸出場(chǎng)(頻率分別為ωs和ωi的信號(hào)光場(chǎng)Ls和閑置光場(chǎng)Li)時(shí)執(zhí)行參量下轉(zhuǎn)換(圖2A)。這種非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)可以是合適的晶體。該非線(xiàn)性介質(zhì)可以布置在用于提高下轉(zhuǎn)換效率并降低其閾值的諧振腔中，因而形成光學(xué)參量振蕩器(OPO)。該普通的OPO常規(guī)地具有通過(guò)將非線(xiàn)性材料(非線(xiàn)性晶體，例如周期性截角的KTP、BBO、LBO等)插入由兩個(gè)鏡子組成的光諧振器而獲得的結(jié)構(gòu)。
對(duì)于本發(fā)明的目的來(lái)說(shuō)，這種用于制造彼此復(fù)共軛的兩個(gè)光場(chǎng)的光源優(yōu)選地被配置為發(fā)射寬帶譜相干的下轉(zhuǎn)換光。下面將參照?qǐng)D6A-6B、7A-7C和圖8進(jìn)一步描述本發(fā)明人開(kāi)發(fā)的光源結(jié)構(gòu)的示例。
在參量下轉(zhuǎn)換中，泵浦能量Ipump從高頻率場(chǎng)(頻率為ωp、波向量為 的泵浦場(chǎng))通過(guò)非線(xiàn)性晶體12的調(diào)解而轉(zhuǎn)移到兩個(gè)低頻率場(chǎng)，即信號(hào)光場(chǎng)Ls和閑置光場(chǎng)Li(頻率分別為ωs、ωI，波向量分別為 )。當(dāng)該非線(xiàn)性介質(zhì)厚時(shí)，只有在滿(mǎn)足了相位匹配要求(即，能量被保存為(ωp＝ωs+ωi)并且動(dòng)量被保存為(K→p=K→S+K→i)]]>)時(shí)才會(huì)發(fā)生該轉(zhuǎn)換。在這一處理中，所生成的信號(hào)光場(chǎng)Ls相對(duì)泵浦Lin相位的相位是未定義的，但所生成的信號(hào)光場(chǎng)Ls的相位與對(duì)應(yīng)的閑置光的相位相反(ωi＝ωp-ωs)，也就是說(shuō)信號(hào)光和閑置光的振幅是復(fù)共軛的。因此，由于不同的信號(hào)光(或閑置光)頻率之間沒(méi)有相位關(guān)聯(lián)，但是在對(duì)應(yīng)的信號(hào)光-閑置光頻率之間存在特定的相位和振幅關(guān)聯(lián)，所以下轉(zhuǎn)換光包括相互復(fù)共軛的寬帶CW白噪聲信號(hào)光Ls和閑置光Li光分量，并因此代表了在該CDMA方案中使用的鍵和其共軛。
在生成了鍵和其共軛之后，它們中的任何一個(gè)(例如鍵信號(hào)光Ls)可以由特定信息外部調(diào)制。如果在數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)中執(zhí)行下轉(zhuǎn)換處理(即，鍵及其共軛的創(chuàng)建)，那么數(shù)據(jù)調(diào)制場(chǎng)(例如鍵信號(hào)光L’s)和共軛鍵(閑置光Li)可以通過(guò)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到接收機(jī)端。如果在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中執(zhí)行下轉(zhuǎn)換處理，那么只有下轉(zhuǎn)換場(chǎng)之一(例如鍵信號(hào)光L’s)被發(fā)送到數(shù)據(jù)接收機(jī)器系統(tǒng)，以與數(shù)據(jù)相調(diào)制，并被返回到數(shù)據(jù)接收機(jī)系統(tǒng)。為了能夠進(jìn)行信道復(fù)用/解復(fù)用，鍵(或共軛)被特別編碼。這些特征將在下面參照?qǐng)D3A-3E進(jìn)一步描述。
如圖2B所示，在接收機(jī)系統(tǒng)11中，將所接收的光與共軛鍵相乘。這通過(guò)對(duì)信號(hào)光場(chǎng)Ls和閑置光場(chǎng)和Li進(jìn)行上轉(zhuǎn)換處理(也稱(chēng)為和頻生成)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即，通過(guò)使所接收的光穿過(guò)非線(xiàn)性介質(zhì)12。
參量上轉(zhuǎn)換處理與參量下轉(zhuǎn)換處理逆對(duì)稱(chēng)，即，參量上轉(zhuǎn)換處理包括能量從兩個(gè)輸入的低頻場(chǎng)Ls和Li轉(zhuǎn)移到輸出的高頻場(chǎng)Lup-conv，該高頻等于該兩個(gè)低頻之和。在這一處理中，所生成的和頻處的輸出場(chǎng)Lup-conv的相位等于該兩個(gè)低頻率場(chǎng)的相位之和。數(shù)學(xué)上，這相當(dāng)于表示在和頻處的復(fù)數(shù)場(chǎng)幅值與兩個(gè)低頻率場(chǎng)處的復(fù)數(shù)幅值的乘積成正比。
應(yīng)該明白，對(duì)于給定的泵浦頻率，根據(jù)非線(xiàn)性介質(zhì)的特定色散特性及其厚度，可能存在著滿(mǎn)足相位匹配要求的信號(hào)光-閑置光對(duì)的寬頻帶。在一些結(jié)構(gòu)中，對(duì)于厚至幾厘米的厚晶體，相位匹配帶寬可以達(dá)到IR附近的幾百納米。
本發(fā)明的用于復(fù)用CDMA信道的方法源于這樣的事實(shí)通過(guò)以受控的可逆方式影響(操縱)頻率之間的相位關(guān)系，可以可控地或相反地破壞信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的相干相位關(guān)系。該受控的可逆方式例如為使用通用脈沖整形技術(shù)，或通過(guò)簡(jiǎn)單得多的方式，例如在信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間引入相對(duì)延遲或材料色散等?？梢灾恍柰ㄟ^(guò)反轉(zhuǎn)該操作，例如通過(guò)插入相反的延遲或相反的色散，來(lái)恢復(fù)該相位關(guān)系。通過(guò)為特定信道的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之一分配唯一的相位影響值，即，分配該特定信道的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的唯一的相位關(guān)系(例如相對(duì)延遲)，可以從到達(dá)該接收機(jī)側(cè)的其他信道中提取出該信道內(nèi)的數(shù)據(jù)。
圖3A示出了本發(fā)明的光CDMA復(fù)用系統(tǒng)100A的一個(gè)示例。在該示例中，所有信道共享相同的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)(鍵和共軛)，也就是，這些信道分別使用從一個(gè)光源發(fā)射的信號(hào)光-閑置光對(duì)。另選地，可以通過(guò)由一個(gè)寬帶噪聲場(chǎng)產(chǎn)生所有光源而將許多光源耦合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)100A因此包括由光源結(jié)構(gòu)102和相位影響裝置104(例如大量的色散玻璃)形成的編碼器組件；與控制單元(未示出)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)調(diào)制裝置106；以及輸出光束耦合器108。應(yīng)該注意，調(diào)制裝置106可以另選地設(shè)置在相位影響裝置的上游(相對(duì)于穿過(guò)系統(tǒng)100A的光的傳播方向)。光源結(jié)構(gòu)102包括非線(xiàn)性介質(zhì)，并可以由單個(gè)非線(xiàn)性晶體構(gòu)成，該晶體可以包括在也可以不包括在諧振腔(OPO)中。優(yōu)選地，光源102是發(fā)明人開(kāi)發(fā)的新穎的OPO結(jié)構(gòu)(如后文所描述)。光源102與容納在下轉(zhuǎn)換信號(hào)光場(chǎng)Ls和閑置光場(chǎng)Li中任何一個(gè)的光路上(在本示例中在信號(hào)光場(chǎng)Ls的光路上)的分光器組件105相關(guān)聯(lián)。該相位影響裝置104由相位影響單元D1-DN的陣列組成，各相位影響單元可操作(例如通過(guò)施加相對(duì)延遲或材料色散)以唯一地影響穿過(guò)其中的光的相位。在本示例中，所有信道的閑置光場(chǎng)分量一起通過(guò)該系統(tǒng)傳播，該相位影響裝置與信號(hào)光場(chǎng)分量相關(guān)聯(lián)。該數(shù)據(jù)調(diào)制裝置106由調(diào)制器M1-MN陣列組成，各調(diào)制器用于依據(jù)各信道將載運(yùn)的特定信息片對(duì)穿過(guò)其中的光進(jìn)行調(diào)制。
在該系統(tǒng)100A中還提供了頻率濾波器109，其容納在位于分光器105的上游的光源102的輸出處。應(yīng)該注意，設(shè)置頻率濾波器105是可選的，這取決于所使用的OPO光源的結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)使用非共線(xiàn)型OPO結(jié)構(gòu)時(shí)，輸出信號(hào)光和閑置光場(chǎng)在空間上相互分開(kāi)，在這種情況下，不需要在OPO光源的輸出處進(jìn)行頻率濾波。在該系統(tǒng)100A的輸出處提供類(lèi)似的頻率濾波器109’，以在將信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)向接收機(jī)側(cè)發(fā)送之前對(duì)它們進(jìn)行組合。
系統(tǒng)100A以下面的方式操作。OPO光源102被輸入光Lpump所泵浦，并將該光轉(zhuǎn)換成相匹配的輸出信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)Ls和Lid對(duì)，它們?cè)诳臻g上是相互分開(kāi)的(例如通過(guò)頻率濾波器109)。分光組件105(例如蒙片(mask)或級(jí)聯(lián)的半透明發(fā)光鏡)容納在信號(hào)光場(chǎng)Ls的光路上，并將其分成N個(gè)空間分開(kāi)的信號(hào)光分量L(1)s、L(2)s、...、L(N)s。這些信號(hào)光分量L(1)s-L(N)s隨后分別穿過(guò)相位影響裝置104的相對(duì)延遲單元D1-DN(它們被預(yù)編程以對(duì)穿過(guò)其中的光施加不同的延遲值τ1到τN)。被如此延遲(編碼)的信號(hào)光分量L(1)s-L(N)s分別穿過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)制裝置106的調(diào)制器M1-MN，在該處依據(jù)將由各信道載運(yùn)的特定信息片對(duì)這些分量進(jìn)行放大調(diào)制。應(yīng)該明白，通常對(duì)下轉(zhuǎn)換信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之一施加相位影響，并且對(duì)這些場(chǎng)中任意一個(gè)和它們兩者進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。
因此，在復(fù)用系統(tǒng)100A中，由光源102產(chǎn)生的每個(gè)信號(hào)光場(chǎng)都被唯一的相位影響值(即，例如信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的唯一延遲量)所調(diào)制和編碼。應(yīng)該理解，在該非限制性示例中，相對(duì)延遲的這種簡(jiǎn)單情況被用作受控可逆相位操縱的機(jī)制。應(yīng)該明白，使用其他的相位操縱技術(shù)也是同樣良好的(例如色散或通用脈沖整形)。
依據(jù)當(dāng)前的方案，用于所有信道的鍵是唯一延遲的單個(gè)白噪聲鍵。為使這兩種單個(gè)白噪聲鍵不相關(guān)所需的最小延遲值與信號(hào)光場(chǎng)(或閑置光場(chǎng))的相干時(shí)間τ＝1/Δω大致相同，其中Δω是經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光的譜寬度。因此，這是與不同信道相關(guān)的唯一延遲之間的最小差值。當(dāng)使用其他相位操縱技術(shù)時(shí)，可以計(jì)算類(lèi)似的判據(jù)(例如，對(duì)于所需色散值之間的最小差值)。
在被相位影響和數(shù)據(jù)調(diào)制之后，所有N個(gè)信號(hào)光分量被光耦合器108結(jié)合在一起，被頻率濾波器109’與閑置光場(chǎng)Li相組合，并且這兩者都被導(dǎo)向光網(wǎng)絡(luò)以發(fā)送到接收機(jī)端。在該發(fā)送的光中，損壞了所有信道的相位關(guān)系，如果試圖對(duì)從該網(wǎng)絡(luò)到達(dá)的譜進(jìn)行頻率上轉(zhuǎn)換，則將檢測(cè)不到任何信道。這與電CDMA中的同步損失情況相類(lèi)似，其中接收機(jī)乘以正確的鍵，但不是在正確的時(shí)間。
圖3B示出了依據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的光CDMA復(fù)用系統(tǒng)100B。在該示例中，與圖3A的示例不同的是，各信道有其自己的鍵，即，由其自己的光源生成。為便于理解，相同的附圖標(biāo)記用于識(shí)別在圖3A和圖3B的示例中共有的部件。在本示例中，調(diào)制裝置106位于延遲裝置104的上游，但應(yīng)該理解，在這個(gè)問(wèn)題上，可以構(gòu)造得與圖3A的相類(lèi)似。這樣，該系統(tǒng)100B包括光源結(jié)構(gòu)102，其包括N個(gè)下轉(zhuǎn)換光光源(優(yōu)選地采用后文描述的新穎的帶寬OPO結(jié)構(gòu))S1-SN；數(shù)據(jù)調(diào)制裝置106，包括由控制單元適當(dāng)操作的N個(gè)調(diào)制器M1-MN；和相位影響(例如延遲或材料色散)裝置104，包括N個(gè)相位影響單元(相對(duì)延遲單元)D1-DN，這些單元在本示例中進(jìn)行操作以對(duì)穿過(guò)其中的光施加不同的相對(duì)延遲τ1-τN；以及光束耦合器108。雖然在本示例中所示的相位影響裝置與信號(hào)光場(chǎng)相關(guān)聯(lián)，但應(yīng)該理解，其通常與信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中至少一個(gè)相連。在本示例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中(信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)在空間上被分成多個(gè)信道分量)，相位影響裝置可以與信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)兩者相連，只要它在各信道的信號(hào)光場(chǎng)分量和閑置光場(chǎng)分量之間創(chuàng)建了唯一的相位關(guān)系即可?？蛇x地，在系統(tǒng)100B中提供了頻率濾波器，通常位于光源S1-SN的輸出處的109處；以及頻率濾波器109’，各頻率濾波器109’位于對(duì)應(yīng)的經(jīng)調(diào)制和相位影響的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)向耦合器108傳播的光路上。如上所述，是否需要頻率濾波器取決于OPO腔結(jié)構(gòu)的類(lèi)型。
系統(tǒng)100B以下面的方式操作。各下轉(zhuǎn)換光源S1-SN被泵浦以產(chǎn)生信號(hào)光場(chǎng)-閑置光場(chǎng)對(duì)。該信號(hào)光分量Ls(1)-LS(N)與閑置光分量L(1)i-L(N)i在空間上相互分開(kāi)。該信號(hào)光分量Ls(1)-LS(N)(或閑置光分量、或信號(hào)光閑置光對(duì))穿過(guò)調(diào)制器M1-MN，并因此依據(jù)各自的數(shù)據(jù)部分被放大調(diào)制。經(jīng)調(diào)制的信號(hào)光分量L(1)s-L(N)s隨后分別穿過(guò)相對(duì)延遲單元D1-DN。另選地，信號(hào)光分量(經(jīng)調(diào)制或未經(jīng)調(diào)制的)可以通過(guò)穿過(guò)單元D1-DN而被相位影響。
被如此調(diào)制的經(jīng)相位影響的信號(hào)光分量L(1)s-L(N)s和未受影響的閑置光分量被光束耦合器108組合在一起，并被導(dǎo)向光網(wǎng)絡(luò)以發(fā)送到接收機(jī)端。應(yīng)該注意，為數(shù)據(jù)調(diào)制的目的，通常各對(duì)信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)可以分離，并且可以都被調(diào)制。因而，在數(shù)據(jù)調(diào)制后對(duì)信號(hào)光(或閑置光)分量進(jìn)行編碼(相位影響)的特定示例中，可以對(duì)傳向相位影響裝置104的調(diào)制后的光進(jìn)行頻率分割。
圖3C示意性地示出了依據(jù)本發(fā)明的光CDMA接收系統(tǒng)200，在該處執(zhí)行所接收的光的解碼，以從到達(dá)該站的所有其他信道中提取出一個(gè)特定光學(xué)信道，同時(shí)使得所有其他信道繼續(xù)向網(wǎng)絡(luò)上的下一站傳播。完整的解復(fù)用器將相應(yīng)地由許多這種接收機(jī)級(jí)聯(lián)而成。
系統(tǒng)200包括輸入頻率濾波器209；輸入相位影響(例如相對(duì)延遲)裝置204；上轉(zhuǎn)換器(非線(xiàn)性介質(zhì))202；頻率濾波器207；并可選地包括頻率濾波器209’和209”，以及相位影響(相對(duì)延遲)裝置204’。解碼特定信道所需的數(shù)據(jù)僅包括泵浦頻率和用于編碼該特定信道的相位影響(延遲)值。這兩個(gè)條件可以由通信協(xié)議一次性預(yù)設(shè)，然后不依賴(lài)于與該信道相關(guān)的鍵噪聲而使用。
從光網(wǎng)絡(luò)到達(dá)的寬帶閑置光部分Li(包含光分量L(1)i-L(N)i)以及寬帶信號(hào)光部分Ls(包含光分量Ls(1)-LS(N)穿過(guò)系統(tǒng)200。輸入濾波器209(例如光柵輔助耦合器或雙色光束分束器/組合器)因此接收到來(lái)的光，并在信號(hào)光部分Ls和閑置光部分Li之間進(jìn)行空間分割。輸入相位影響裝置204被容納在濾波器209的輸出處，該濾波器209與閑置光部分Li的光路相關(guān)。上轉(zhuǎn)換器202容納在裝置204的下游處的209的兩個(gè)輸出處，并因此在信號(hào)光部分和經(jīng)相位影響(延遲)的閑置光部分的光路上。
通常，在解碼系統(tǒng)的輸入處的相位影響的目的在于恢復(fù)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的相位關(guān)系(其已在編碼系統(tǒng)處被損壞)。因此，考慮延遲作為相位影響，相位影響裝置204被容納為操縱在編碼器系統(tǒng)處被相位影響的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的場(chǎng)的相位。相對(duì)延遲裝置204被預(yù)編程以對(duì)穿過(guò)其中的光施加唯一的延遲值，該延遲值是在發(fā)送系統(tǒng)中對(duì)該特定信道進(jìn)行編碼的同時(shí)所施加的延遲的相反延遲。因此，在該信號(hào)中，只有經(jīng)延遲(相位影響)的閑置光中的一個(gè)頻率分量(如L(1)i)具有其自己的延遲匹配信號(hào)光分量Ls(1)，從而，由于只有場(chǎng)分量對(duì)Ls(1)-L(1)1滿(mǎn)足有效上轉(zhuǎn)換的要求，所以在參量上轉(zhuǎn)換中只有一個(gè)信道的相位關(guān)系被恢復(fù)為最初的泵浦頻率。這樣，頻率濾波器207(例如雙色反光鏡)從上轉(zhuǎn)換器202的整個(gè)輸出中分離出經(jīng)上轉(zhuǎn)換的光，并將其導(dǎo)向檢測(cè)器。
當(dāng)檢測(cè)到泵浦頻率處的上轉(zhuǎn)換強(qiáng)度時(shí)，該信道在噪聲(通常由其他信道產(chǎn)生)上突出。由于各接收機(jī)系統(tǒng)只檢測(cè)一個(gè)信道，所有其他信道只是無(wú)障礙地穿過(guò)，因而在檢測(cè)該特定(經(jīng)濾波的)信道之后，接收機(jī)系統(tǒng)重新插入相位影響(延遲)以使所有其他信道的狀態(tài)保持不變，這是合理的(但不是必須的)。上轉(zhuǎn)換器202的其余輸出因而穿過(guò)頻率濾波器209”，該頻率濾波器209”分離開(kāi)信號(hào)光部分和閑置光部分。該剩余信號(hào)光部分穿過(guò)輸出延遲裝置204’，在該處被相對(duì)延遲(等于延遲裝置204預(yù)先施加到閑置光部分的延遲量)，并且該信號(hào)光部分和閑置光部分向網(wǎng)絡(luò)中的下一站傳播。
應(yīng)該理解，提供濾波器209”和輸出相位影響裝置204’是可選的，并可以通過(guò)對(duì)編碼器和解碼器之間的通信協(xié)議進(jìn)行特定設(shè)計(jì)而消除。例如，該協(xié)議設(shè)置陣列解碼器的順序，由此各解碼器在對(duì)輸入的光施加相位影響的同時(shí)，考慮該光在前面的解碼器中受到的全部相位影響。
比較圖3A和3B的發(fā)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該理解，圖3B的結(jié)構(gòu)由于除了多個(gè)信道之外還存在多個(gè)鍵(閑置光)(相位編碼信號(hào)光)，因而在接收側(cè)承受較高的噪聲級(jí)，因此，與圖3A的結(jié)構(gòu)可支持的信道數(shù)(N)相比，只能支持較少的信道( )。然而，圖3B的方案在以下的方面是比較簡(jiǎn)單的每個(gè)信道是自包含的，并與共有資源相獨(dú)立；可以通過(guò)窄帶泵浦(而不是寬帶信號(hào)光)的直接調(diào)制來(lái)進(jìn)行調(diào)制。因此，當(dāng)信道數(shù)目相對(duì)系統(tǒng)容量少時(shí)，可以考慮多光源結(jié)構(gòu)。
因此，依據(jù)本發(fā)明，一旦實(shí)現(xiàn)了寬帶下轉(zhuǎn)換，則利用譜濾波器將信號(hào)光場(chǎng)與閑置光場(chǎng)分開(kāi)。信號(hào)光場(chǎng)被識(shí)別為鍵，而閑置光場(chǎng)被識(shí)別為共軛鍵。該鍵本質(zhì)上是未知的。共軛鍵必須以某種方式與數(shù)據(jù)載運(yùn)鍵一起到達(dá)數(shù)據(jù)接收側(cè)，以能夠提取所傳送的數(shù)據(jù)。
上述圖2A-2B和圖3A-3C的示例代表了一種可能(可能是最直覺(jué))的結(jié)構(gòu)，其中發(fā)送側(cè)(說(shuō)話(huà)方)生成鍵和共軛鍵，用數(shù)據(jù)調(diào)制它們中的一個(gè)，并將它們兩者傳送到接收側(cè)(“收聽(tīng)者”)。收聽(tīng)者進(jìn)行上轉(zhuǎn)換并提取數(shù)據(jù)。
圖3D例示了另一種結(jié)構(gòu)，其與公共鍵加密有點(diǎn)類(lèi)似。在該圖中示意性地示出了發(fā)送系統(tǒng)100D(說(shuō)話(huà)者)和接收系統(tǒng)200D(收聽(tīng)者)。在該示例中，鍵和共軛鍵在收聽(tīng)者系統(tǒng)200D中生成，并且僅將這些鍵(信號(hào)光)中的一個(gè)發(fā)送到說(shuō)話(huà)者系統(tǒng)100D。收聽(tīng)者系統(tǒng)200D包括鍵生成器(光源)102、濾波器109、相位整形器(例如延遲裝置)104、上轉(zhuǎn)換202、另一頻率濾波器207以及監(jiān)測(cè)器212。說(shuō)話(huà)者系統(tǒng)100D包括與數(shù)據(jù)生成單元(未示出)相連的數(shù)據(jù)調(diào)制裝置106。
在收聽(tīng)者系統(tǒng)200D，光源102生成信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)Ls和Li(鍵及其共軛鍵)，它們被濾波器109空間分離，并且其中之一(例如信號(hào)光分量Ls)被傳送到說(shuō)話(huà)者系統(tǒng)200D，而另一光場(chǎng)Li被保持在收聽(tīng)者系統(tǒng)以穿過(guò)相位整形器104，并因此獲得適當(dāng)?shù)难舆t閑置光場(chǎng)L’i，以能夠通過(guò)上轉(zhuǎn)換提取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)之間的距離可以用作唯一的延遲簽名。說(shuō)話(huà)者系統(tǒng)100D接收鍵Ls，對(duì)其進(jìn)行調(diào)制(可以與數(shù)據(jù)一起到達(dá)的其他噪聲一起)，并將經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制的信號(hào)光發(fā)送回收聽(tīng)者系統(tǒng)200D，在該處，該調(diào)制后的信號(hào)光L’s與其他經(jīng)延遲的鍵(閑置光)L’i一起被上轉(zhuǎn)換，并檢測(cè)所得的信號(hào)光。
應(yīng)該注意，本發(fā)明允許使用任何類(lèi)型的數(shù)據(jù)發(fā)送用調(diào)制，即，不僅可以調(diào)幅，而且可以調(diào)頻和調(diào)相。在這種連接中，應(yīng)該理解，雖然仍不能根據(jù)寬帶相干鍵(信號(hào)光)直接檢測(cè)微小的頻率/相位偏移，但由于上轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在相位為信號(hào)光相位和閑置光相位的和的和頻處，因此，很小的頻率/相位偏移將導(dǎo)致窄帶相干上轉(zhuǎn)換場(chǎng)的相同的頻率/相位偏移，這是很容易檢測(cè)到的。
圖3E以自示例的方式示出了利用圖3D的技術(shù)原理的光CDMA復(fù)用和解復(fù)用系統(tǒng)的示例，其中由“收聽(tīng)者”執(zhí)行鍵生成。在本示例中，網(wǎng)絡(luò)包括用于所有“公共鍵”(分別尋址到說(shuō)話(huà)者1和說(shuō)話(huà)者2的信號(hào)光Ls(1)、LS(2))的前向信道；以及用于返回?cái)?shù)據(jù)(經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制的信號(hào)光Ls(1)’、LS(2)’)的后向信道。希望接收數(shù)據(jù)的使用者(收聽(tīng)者)生成他自己的鍵Ls(1)和Li(1)，并將該“公共鍵”Ls(1)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的前向信道。想與該收聽(tīng)者通信的其他使用者(說(shuō)話(huà)者1)分得該前向信道的一部分，以接收信號(hào)光Ls(1)，用數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，并將經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制的信號(hào)光Ls(1)’輸入到后向信道。該說(shuō)話(huà)者還可以增加譜相位簽名以識(shí)別該特定說(shuō)話(huà)者-收聽(tīng)者連接。由于到該特定說(shuō)話(huà)者的距離已經(jīng)用作唯一的延遲簽名，因而這是可選的。在適當(dāng)?shù)难舆t和插入相對(duì)譜相位之后，該收聽(tīng)者將使用其共軛“私人鍵”Li(1)通過(guò)上轉(zhuǎn)換來(lái)提取該數(shù)據(jù)。
在光CDMA方案中，可以被同時(shí)容納在總帶寬Δ中的信道的數(shù)目、各帶寬δ由以下公式給出N=121s/n(Δδ)---(1)]]>其中s/n是所允許的最小信噪比，并假定主噪聲源為其他信道所引起的干擾。結(jié)果正好是比理想異步CDMA系統(tǒng)中所期待的小的系數(shù)2，這是由于依據(jù)本發(fā)明的CDMA方案，鍵也必須被傳送。因此，在該方案中，譜效率可以到達(dá)0.5/(s/n)。注意到，由于鍵是理想的(實(shí)數(shù)白噪聲)，因此結(jié)果與實(shí)際的限制(例如單個(gè)信道比特率的高/低限度)無(wú)關(guān)，這是非常重要的。
公式(1)反映了單個(gè)信道在接收機(jī)處的噪聲級(jí)與同時(shí)信道的總數(shù)的關(guān)系。參照?qǐng)D3F，曲線(xiàn)R1和R2分別將此關(guān)系轉(zhuǎn)換為針對(duì)利用非相干檢測(cè)的通斷鍵控調(diào)制(OOK)和利用相干檢測(cè)的相移鍵控(PSK)的誤碼率(BER)。從該圖中顯見(jiàn)，與不相干OOK相比，相干PSK可以獲得好得多的BER結(jié)果。這是因?yàn)樵谠S多方面(BER、功率管理、減少的非線(xiàn)性等)相干調(diào)制都已知是優(yōu)選的。Albeit相干調(diào)制被認(rèn)為在光學(xué)領(lǐng)域是不實(shí)用的，因?yàn)槠湫枰邮諜C(jī)處具有被相位鎖定以發(fā)射激光的本地振蕩器。利用本發(fā)明的CDMA方法，可以很容易地將基準(zhǔn)本地振蕩器從發(fā)射器發(fā)送到接收機(jī)。由于所有信道共享相同的下轉(zhuǎn)換場(chǎng)和相同的泵浦，該泵浦用作所有信道的本地振蕩器。該泵浦不能原樣地與數(shù)據(jù)一起發(fā)送(主要由于非線(xiàn)性)，但如果一個(gè)信道“被犧牲”，并且沒(méi)有通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，則該信道的上轉(zhuǎn)換場(chǎng)將正好是CW泵浦場(chǎng)的復(fù)制品，可以被用作所有其他信道的相位基準(zhǔn)。因此，可以以一個(gè)較少數(shù)據(jù)的信道為代價(jià)而執(zhí)行相干檢測(cè)。由于所有的信道在共享相同的泵浦(或上轉(zhuǎn)換)以及經(jīng)下轉(zhuǎn)換的場(chǎng)的意義上是光學(xué)平等的，所以可以進(jìn)行相干調(diào)制。這個(gè)事實(shí)可以被用于其他類(lèi)型的光學(xué)操縱。例如，可以配置光學(xué)切換方案，其中在解復(fù)用(利用各信道的適當(dāng)延遲進(jìn)行上轉(zhuǎn)換)之后，可能通過(guò)對(duì)它們?cè)俅芜M(jìn)行下轉(zhuǎn)換并重新排列它們的延遲而以不同的順序重新復(fù)用這些信道。
在依據(jù)本發(fā)明的光CDMA方案中，所有信道在具有相同泵浦(或上轉(zhuǎn)換)波長(zhǎng)和相同下轉(zhuǎn)換譜的意義上是光學(xué)平等的，因而，可以較容易地對(duì)這些信道執(zhí)行光學(xué)操縱。該特征可以有利地用于例如光學(xué)切換方案中，其中，在解復(fù)用(對(duì)各信道進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔挥绊懙纳限D(zhuǎn)換)后，可以通過(guò)對(duì)它們?cè)俅芜M(jìn)行下轉(zhuǎn)換并重新排列它們的相位關(guān)系而以不同的順序重新復(fù)用這些信道。另外，本發(fā)明的光CDMA方案基本不受光纖中的非線(xiàn)性效應(yīng)(例如布里淵(Brillouin)色散、自相位調(diào)制、互相位調(diào)制以及四波混合)的影響。當(dāng)光纖中強(qiáng)度高時(shí)出現(xiàn)非線(xiàn)性效應(yīng)，并因此一般被寬帶類(lèi)噪聲場(chǎng)最小化(如信號(hào)光和閑置光的情況)，這是因?yàn)轭?lèi)噪聲場(chǎng)使持續(xù)建設(shè)性干涉的可能性最小。
為了理解參量下轉(zhuǎn)換中的信號(hào)光-閑置光關(guān)系，本發(fā)明人利用了在文獻(xiàn)2第六章67-85頁(yè)中給出的理論處理。下面是描述在簡(jiǎn)單地假定了無(wú)損介質(zhì)和完美的相位匹配的情況下的下轉(zhuǎn)換處理的三波混合的標(biāo)準(zhǔn)公式∂As∂z=-iκAi*Ap]]>∂Ai∂z=-iκAs*Ap,---(2)]]>∂Ap∂z=-iκAsAi]]>其中，As、Ai和Ap分別是信號(hào)光的慢變振幅、閑置光和泵浦，k是以如下方式與非線(xiàn)性系數(shù)d(MKS)相關(guān)的非線(xiàn)性耦合κ=d2μ0s0ωzωiωpnsninp---(3)]]>
其中nx是場(chǎng)x(x＝s、i、p)的折射系數(shù)。
對(duì)于本發(fā)明的目的來(lái)說(shuō)，關(guān)注該三個(gè)振幅之間的相位關(guān)系，從而到極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換可以使用∂Rs∂z+iRi∂θs∂z=-ikRiRpexp[i(θp-θs-θi)]]]>∂Ri∂z+iRi∂θi∂z=-ikRsRpexp[i(θp-θs-θi)]---(4)]]>∂Rp∂z+iRi∂θp∂z=-ikRiRsexp[i(θp-θs-θi)]]]>其中，對(duì)所有三個(gè)波(x＝s、i、p)替換了表達(dá)式Ax＝Rx·exp(iθx)。
下面將表達(dá)Δθ＝θp-θs-θi帶入公式(4)，并將實(shí)部與虛部分開(kāi)。
∂Rs∂z=kRiRpsinΔθ]]>∂Ri∂z=kRsRpsinΔθ]]>∂Rp∂z·=-kRsRisinΔθ---(5)]]>∂Δθ∂z=kcosΔθ[RiRpRs+RsRpRi-RiRsRp]]]>將三個(gè)較上的公式(5)待入第四個(gè)公式，并執(zhí)行一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理，得到1cosΔθsinΔθ∂Δθ∂z=1Rs∂Rs∂z+1Ri∂Ri∂z+1Rp∂Rp∂z---(6)]]>公式(6)等價(jià)于下面的公式-∂∂z[ln(cosΔθ)]=∂∂z[ln(RsRiRp)]---(7)]]>公式7的解為cosΔθ=C1RsRiRp---(8)]]>其中C1是綜合常數(shù)。由于相位差Δθ是實(shí)數(shù)，所以很清楚，常數(shù)C1如下地被場(chǎng)振幅Rx
的初始值所限制0≤|C1|≤Rs
Ri
Rp
(9)在大多數(shù)實(shí)際情況中，至少場(chǎng)As、Ai和Ap之一被自發(fā)射噪聲初始化，因而實(shí)際為0。因而，隨著場(chǎng)振幅增加，公式(8)的分母變得比分子大許多，從而常數(shù)C1的值變得不相關(guān)，對(duì)于所有實(shí)際目的，我們得到了cosΔθ＝0。因此，信號(hào)光和閑置光的相位依據(jù)以下公式相關(guān)θs+θi=θp-π2---(10)]]>如果泵浦相位被選為θp＝π/2，則我們得到θs＝-θi(11)因此，在OPO腔中閑置光模式的相位與對(duì)應(yīng)信號(hào)光模式的相位相反?？梢詮囊韵碌氖聦?shí)中理解信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的絕對(duì)值相關(guān)性它們?cè)诠?4)中是對(duì)稱(chēng)的。因此，如果初始條件是對(duì)稱(chēng)的，那么對(duì)稱(chēng)性被保持，從而信號(hào)光模式和對(duì)應(yīng)閑置光模式的復(fù)數(shù)振幅是彼此共軛的。
通常，信號(hào)光和閑置光都是寬帶，并包含很多頻率。原因是相位匹配(其為對(duì)于最大可能譜寬度的限制參量)很少窄于1nm，并且在某些情況下可能超過(guò)幾百納米。因此，信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)通常包含其間沒(méi)有相位相關(guān)性的很多模式，從而它們的相位是隨機(jī)的。這產(chǎn)生了連續(xù)波(CW)信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，各場(chǎng)在其模式之間沒(méi)有譜相干。
考慮到和頻生成(參量上轉(zhuǎn)換)的一般處理，如下頻率ω處的上轉(zhuǎn)換光的強(qiáng)度R(ω)給出R(ω)∝|∫dω′A(ω′)A(ω-ω′)|2(12)其中，A(ω)是頻率ω處的場(chǎng)的慢變振幅。
此處，和為頻率ω的所有振幅對(duì)被相干相加。通常，譜非相干寬帶光源的轉(zhuǎn)換效率較差，因?yàn)閰⑴c頻率的相位是不相關(guān)(隨機(jī))的，從而和為特定的上轉(zhuǎn)換頻率的所有低頻對(duì)導(dǎo)致幾乎完全破壞性的干涉。
然而，當(dāng)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光被用作上轉(zhuǎn)換處理的輸入時(shí)，由于信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的相位關(guān)系，和為最初泵浦頻率的所有頻率對(duì)具有相同的相位，所以所有這些對(duì)干涉，建設(shè)性地獲得上轉(zhuǎn)換強(qiáng)度，與沒(méi)有相位相關(guān)存在時(shí)所期望的相比，其被增強(qiáng)了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。該增強(qiáng)依賴(lài)于信號(hào)光和閑置光的實(shí)際譜帶寬。這種增強(qiáng)只能在信號(hào)光場(chǎng)遇到其“孿生”閑置光場(chǎng)時(shí)才會(huì)發(fā)生，所以其僅在鍵匹配(即，在CDMA中如所期望地根據(jù)與共軛鍵的相乘而精確作用)時(shí)才會(huì)從噪聲中提取出數(shù)據(jù)。
因此，考慮對(duì)參量下轉(zhuǎn)換所生成的光施加上轉(zhuǎn)換，假定整個(gè)譜的譜相位已經(jīng)被一些通用相位函數(shù)Φ(ω)調(diào)制，則我們得到A(ω)=exp[iφ(ω)](As(ω)+Ai(ω))=exp[iφ(ω)](As(ω)+As*(ωp-ω))---(13)]]>其中，As(ω)具有隨機(jī)相位，并且考慮了信號(hào)光和閑置光是復(fù)共軛的事實(shí)。將公式(13)插入公式(12)，得到R(ω)∝|∫dω′As(ω′)As(ω-ω′)+As*(ωp-ω′)As*(ωp-ω+ω′)+As(ω′)As*(ωp-ω+ω′)+As*(ωp-ω′)As(ω-ω′)exp[iφ(ω′)+iφ(ω-ω′)]|2---(14)]]>公式(14)的被積函數(shù)中包含四項(xiàng)。既然As(ω)的相位被假定為是隨機(jī)的，則由于破壞性干涉，前兩項(xiàng)的積分對(duì)R(ω)的影響可以被忽略。當(dāng)ω＝ωp時(shí)，后兩項(xiàng)的影響是非常重要的。這樣，我們得到R(ωp)∝|∫dω′|As(ω′)|2exp[iφ(ω′)+iφ(ωp-ω′)]|2(15)很明顯，所得的上轉(zhuǎn)換強(qiáng)度將主要依賴(lài)于相位函數(shù)的特性其將被繞ωp/2對(duì)稱(chēng)的相位函數(shù)顯著減少，并對(duì)于反對(duì)稱(chēng)相位函數(shù)不敏感。
如果在信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的相對(duì)延遲值在特定閾值之上，則不會(huì)發(fā)生該信號(hào)光-閑置光對(duì)的上轉(zhuǎn)換。對(duì)于信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的相對(duì)延遲τ(等價(jià)于代表譜的線(xiàn)性相位函數(shù))的簡(jiǎn)單情況，我們得到R(ωp)∝|∫0ωp/2dω′|As(ω′)|2exp[iω′τ]|2---(16)]]>該結(jié)果與對(duì)相同譜帶寬和相對(duì)延遲τ的兩個(gè)相等轉(zhuǎn)換受限脈沖的和進(jìn)行上轉(zhuǎn)換時(shí)獲得的相等。當(dāng)相對(duì)延遲超過(guò)了脈沖時(shí)間寬度(其與脈沖譜寬度成反比)時(shí)，將不會(huì)發(fā)生任何上轉(zhuǎn)換。因此，通過(guò)施加與信號(hào)光場(chǎng)的相干時(shí)間大體相同的延遲τ＝1/Δω(Δω是下轉(zhuǎn)換光的譜寬度)，可以破壞建設(shè)性干涉。
如上所述，參量光源所獲得的時(shí)間分辨率等于轉(zhuǎn)換受限脈沖所獲得的時(shí)間分辨率。因此，為了充分利用該特征，在最寬的可能脈沖上振蕩的OPO/OPA是理想的。寬帶振蕩所需的條件是在寬波長(zhǎng)范圍上的相位匹配。
通常已知當(dāng)信號(hào)光和閑置光接近于簡(jiǎn)并(即ωi≈ωs≈ωp/2)時(shí)，類(lèi)型I相位匹配(其中信號(hào)光和閑置光具有相同的極性)變寬。這在圖4A的曲線(xiàn)中示出，其示出了相位誤匹配(Δk＝kp-ks-ki)，其為532nm處被泵浦的周期性截角KTP晶體的簡(jiǎn)并點(diǎn)附近的波長(zhǎng)的函數(shù)。很明顯，首先按波長(zhǎng)排序，接近于該點(diǎn)的波長(zhǎng)的相位匹配條件是相同的。因此，對(duì)于1cm的晶體長(zhǎng)度，可以期待接近1064nm的幾十納米的譜寬度。
如果該泵浦被調(diào)諧為使得簡(jiǎn)并點(diǎn)與晶體的零色散點(diǎn)相同(λ＝2λp＝4πc/ωp)，那么可以實(shí)現(xiàn)更寬的相位匹配。在零色散點(diǎn)，折射系數(shù)相對(duì)于該波長(zhǎng)的二次偏倒數(shù)消失，所以折射系數(shù)在波長(zhǎng)上主要是線(xiàn)性的。當(dāng)折射系數(shù)為線(xiàn)性時(shí)，任何兩個(gè)互補(bǔ)的波長(zhǎng)都是相位匹配的。高階色散將限制相位匹配帶寬，但由于奇數(shù)階的色散不影響相位匹配，所以只能到第四階波長(zhǎng)。因此，利用零色散，可以獲得直到幾百納米的超寬相位匹配。這在圖4B中示出，該圖示出了相位失配，其為在零色散超帶寬的情況下，簡(jiǎn)并點(diǎn)附近的波長(zhǎng)對(duì)于在728m處被泵浦的BBO晶體的函數(shù)。
該OPO可以被配置并操作為使得信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)是共線(xiàn)型(在這種情況下，在簡(jiǎn)并點(diǎn)附近發(fā)生寬相位匹配)或非共線(xiàn)型，在這種情況下，可以使用附加的自由度(例如泵浦光束和信號(hào)光束之間的角)來(lái)在常規(guī)泵浦波長(zhǎng)處提供寬相位匹配。
對(duì)于本發(fā)明的目的(即設(shè)計(jì)完整的CDMA方案)來(lái)說(shuō)，信號(hào)光/閑置光生成光源將是發(fā)射寬帶譜相關(guān)光的那種。此處，“譜相關(guān)”一詞表明光源沒(méi)有一階相干(即，各頻率的相位未知，所獲得的光基本上類(lèi)似白噪聲)，但仍擁有該頻率對(duì)之間的相位相關(guān)性。頻率之間的相位相關(guān)性在許多處理中發(fā)生，其中發(fā)射了多于一個(gè)的光子，例如二階或更高階非線(xiàn)性交互和兩光子發(fā)射。基于二階非線(xiàn)性的光源(χ2效應(yīng))也被稱(chēng)為三波混合或參量下轉(zhuǎn)換，同時(shí)基于其他已知機(jī)制的光源可以被用于生成兩個(gè)寬帶共軛場(chǎng)。這種光源特有的相干性質(zhì)的操縱使得可以將它們用在光CDMA中。
上述處理可以由圖5A(三波混合)和圖5B(四波混合)所示的費(fèi)因曼圖來(lái)描述。該三波混合處理可以用量子力學(xué)解釋為將一個(gè)高能量泵浦光子轉(zhuǎn)換為兩個(gè)低能量信號(hào)光光子和閑置光光子。由于存在許多可能的信號(hào)光-閑置光對(duì)，所以它們的能量是不確定的。四波混合可以被解釋為兩個(gè)泵浦光子轉(zhuǎn)換為兩個(gè)寬帶信號(hào)光光子和閑置光光子。通常，n個(gè)泵浦光子被轉(zhuǎn)換為兩個(gè)光子的任何處理都可以被認(rèn)為是依據(jù)本發(fā)明的光CDMA的基礎(chǔ)。
當(dāng)考慮到用于寬帶下轉(zhuǎn)換光的光源時(shí)，高轉(zhuǎn)換效率和低閾值是重要的因素。如上所述，由于在穿過(guò)非線(xiàn)性介質(zhì)時(shí)下轉(zhuǎn)換的效率通常很低，因而優(yōu)選地在諧振腔(OPO)內(nèi)執(zhí)行該處理。該腔可以是單諧振的或雙諧振的(僅諧振一個(gè)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的場(chǎng)或諧振它們兩者)。然而，當(dāng)使用諧振腔時(shí)，模式競(jìng)爭(zhēng)會(huì)使帶寬顯著變窄，從而需要對(duì)該腔進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)以抑制模式競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)對(duì)付這個(gè)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該意識(shí)到腔中的獲勝諧振模式并非必須是具有最高增益的那個(gè)，而是具有最高增益-損失差的那個(gè)。因此，如果該腔包括影響窄帶諧振但并不傷害寬帶諧振的損失機(jī)制時(shí)，后者將成為獲勝模式。
本發(fā)明通過(guò)將上諧振損失引入CPO腔來(lái)抑制在OPO腔中的模式競(jìng)爭(zhēng)。由于通過(guò)色散或相對(duì)延遲可以顯著減少上轉(zhuǎn)換，所以只要振蕩是寬帶的，則引入上轉(zhuǎn)換損失用作抑制模式競(jìng)爭(zhēng)的選擇性損失機(jī)制。可以通過(guò)利用簡(jiǎn)單的方法(例如延遲或色散)或利用更復(fù)雜的方法(例如空間光調(diào)制或在超短脈沖整形中使用的那些方法)對(duì)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光的譜相位進(jìn)行整形來(lái)控制該上轉(zhuǎn)換譜。
為此可以考慮幾種OPO結(jié)構(gòu)，例如圖6A-6B、圖7A-7C和圖8中所示。該結(jié)構(gòu)可以是共線(xiàn)的/非共線(xiàn)的、雙諧振/單諧振的、包括一個(gè)/兩個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的、配置為線(xiàn)性/環(huán)形的腔。最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是圖6A所示的帶有一個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的線(xiàn)性雙諧振腔結(jié)構(gòu)。發(fā)明人已經(jīng)詳細(xì)分析了這種結(jié)構(gòu)的性能。對(duì)其他結(jié)構(gòu)的分析與此類(lèi)似。僅在經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光前向穿過(guò)該介質(zhì)(在泵浦的方向)時(shí)，該OPO中才存在增益。在后向傳播中，只會(huì)出現(xiàn)后向傳播上轉(zhuǎn)換。該上轉(zhuǎn)換通常是限制了OPO性能的主要損失機(jī)制。例如，由于該損失，線(xiàn)性雙諧振OPO的轉(zhuǎn)換效率不會(huì)超過(guò)50％。
圖6A和圖6B示意性地示出了依據(jù)本發(fā)明的OPO光源結(jié)構(gòu)的兩個(gè)示例，適于在CDMA發(fā)送系統(tǒng)中使用以執(zhí)行下轉(zhuǎn)換處理。圖6A的OPO光源300A包括插入在包括兩個(gè)反射鏡311A和311B的光學(xué)腔中的非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)(晶體)310A；以及在介質(zhì)310的相對(duì)兩側(cè)處的兩個(gè)相位整形單元(如延遲/色散單元)312和314形成的相位整形器結(jié)構(gòu)，即容納在介質(zhì)310A相對(duì)于泵浦光信號(hào)光Lpump穿過(guò)腔300A的傳播方向的上游的反向相對(duì)延遲/色散單元312、以及容納在介質(zhì)310A的下游的可變相對(duì)延遲單元314。此處，使介質(zhì)310A進(jìn)行泵浦光Lpump轉(zhuǎn)換所獲得的信號(hào)光光分量和閑置光光分量Ls和Li穿過(guò)可變相對(duì)延遲/色散單元314(其在信號(hào)光分量和閑置光分量之間引入了小的相對(duì)延遲/色散)而避免了寬帶諧振的上轉(zhuǎn)換損失。為了防止在前向傳播期間該相對(duì)延遲/色散對(duì)于下轉(zhuǎn)換處理的影響，通過(guò)提供反向延遲/色散單元312在介質(zhì)310A的另一側(cè)上恢復(fù)該相位關(guān)系。由于所需的延遲與振蕩帶寬成反比，因此可能使所引入的延遲最優(yōu)化以?xún)H對(duì)于寬振蕩減小上轉(zhuǎn)換損失，而窄帶振蕩仍遭受下轉(zhuǎn)換損失。因此，在這樣的腔中，寬帶振蕩可以成為獲勝模式。
在圖6B的光源結(jié)構(gòu)300B中，與圖6A不同的是非線(xiàn)性介質(zhì)由兩個(gè)相同的非線(xiàn)性晶體310A和310B構(gòu)成，晶體310A為經(jīng)泵浦的晶體并用作主振蕩器，另一個(gè)晶體310B為未經(jīng)泵浦的晶體并用于抑制模式競(jìng)爭(zhēng)。在泵浦光束Lpump經(jīng)過(guò)主振蕩器晶體310A之后，該光束被從腔中去除(通過(guò)附加的反射鏡的反射)，并隨后通過(guò)使經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)Ls和閑置光場(chǎng)Li穿過(guò)在該信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間引入一些相對(duì)延遲(或色散)的相位整形單元311A，而對(duì)它們進(jìn)行相位整形。該信號(hào)光和閑置光隨后進(jìn)入晶體310B，在該處可能進(jìn)行上轉(zhuǎn)換以回到泵浦。該上轉(zhuǎn)換會(huì)引起振蕩信號(hào)光和閑置光的損失。如前所述，寬帶振蕩的上轉(zhuǎn)換對(duì)于信號(hào)光和閑置光之間的相對(duì)延遲非常敏感。因此，如果正確地控制該延遲，則寬帶振蕩將幾乎不受第二晶體310B的影響，而同時(shí)通過(guò)該上轉(zhuǎn)換將消除窄振蕩。為了能夠在前向傳播期間進(jìn)行下轉(zhuǎn)換，通過(guò)引入反向相對(duì)延遲/色散的反向延遲/色散單元311B恢復(fù)該相位關(guān)系。
在上面的示例中，使用了共線(xiàn)的雙諧振結(jié)構(gòu)。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明的原理(包括通過(guò)將上轉(zhuǎn)換損失引入腔中來(lái)抑制OPO腔中的模式競(jìng)爭(zhēng))可以很容易地由非共線(xiàn)和/或單諧振OPO腔結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖7A和7B示意性地示出了依據(jù)本發(fā)明的用于寬帶譜相關(guān)光的光源的另外兩個(gè)示例。在圖7A的示例中，該光源結(jié)構(gòu)500包括位于兩個(gè)反射鏡511A和511B之間的單個(gè)非共線(xiàn)晶體510；以及由第一和第二雙側(cè)反射鏡512和514形成的相位整形器結(jié)構(gòu)。通過(guò)移動(dòng)雙側(cè)反射鏡中的至少一個(gè)，在后向傳播時(shí)在信號(hào)光和閑置光之間引入了相對(duì)延遲，并在前向傳播中自動(dòng)去除該相對(duì)延遲。泵浦光Lpump穿過(guò)晶體510并被轉(zhuǎn)換為在空間上彼此分開(kāi)的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)Ls和Li。在圖7B的示例中，OPO結(jié)構(gòu)600采用容納在兩個(gè)反射鏡611A和611B之間的兩個(gè)隔開(kāi)的共線(xiàn)晶體610A和610B，其中晶體610A被泵浦，而晶體610B未被泵浦，并且該OPO結(jié)構(gòu)600包括在晶體610B的相對(duì)的輸入/輸出側(cè)的正負(fù)相對(duì)延遲單元612和614形式的相位整形結(jié)構(gòu)。以自示例的方式示出穿過(guò)OPO結(jié)構(gòu)500和600的光。
圖7B的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)可以在光纖中實(shí)現(xiàn)。這在示出了光源結(jié)構(gòu)700的圖7C中示意性示出，在該圖7C中，相隔開(kāi)的兩個(gè)非線(xiàn)性晶體710A和710B被以隔開(kāi)關(guān)系放置，并且它們通過(guò)形成環(huán)形腔的兩個(gè)光纖段F1和F2相互耦合。該光纖段F1和F2被設(shè)計(jì)為分別向穿過(guò)其中的光施加正負(fù)色散。該晶體710被泵浦而發(fā)出經(jīng)下轉(zhuǎn)換的場(chǎng)，并且通過(guò)在作為各個(gè)區(qū)的五芯上設(shè)置布拉格反射器而將泵浦光Lpump從該腔中去除。
圖7D和圖7E中示出了依據(jù)本發(fā)明的光源結(jié)構(gòu)的一些其他可能實(shí)現(xiàn)。這些示例表現(xiàn)了單諧振、非共線(xiàn)結(jié)構(gòu)。
在圖7D的示例中，光源結(jié)構(gòu)700包括由兩個(gè)反射鏡711A和711B之間的非共線(xiàn)晶體(非線(xiàn)性介質(zhì))710形成的諧振腔，并包括附加的反射鏡711C和由兩個(gè)相位整形單元712和714形成的相位整形結(jié)構(gòu)，它們都位于腔外。如圖所示，引導(dǎo)泵浦光束Lpump穿過(guò)晶體710并因此發(fā)射沿交叉軸傳播的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)Ls和Li。信號(hào)光場(chǎng)Ls被從反射鏡711A反射以傳播回晶體710。閑置光場(chǎng)Li穿過(guò)相位整形單元712，因此相對(duì)于信號(hào)光場(chǎng)發(fā)生相位偏移，并被從反射鏡711C反射以傳播回晶體710。通過(guò)使閑置光穿過(guò)反向相位整形單元714而在晶體的另一側(cè)處恢復(fù)信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的相位關(guān)系。
圖7E中所示的光源結(jié)構(gòu)800包括在兩個(gè)反射鏡811A和811B之間的由兩個(gè)晶體810A和810B形成的諧振腔，并包括反射鏡811C和兩個(gè)相位整形單元812和814。非線(xiàn)性晶體810A被光束Lpump所泵浦，并且所發(fā)射的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)Ls和Li分別向反射鏡811A和811C傳播，并由此被反射向晶體810A和810B。閑置光場(chǎng)在傳播到晶體810B的同時(shí)穿過(guò)相位整形器單元812，并因此避免了晶體810B中的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的上轉(zhuǎn)換。閑置光場(chǎng)在從晶體810B中出來(lái)之后，穿過(guò)反向相位整形器814，并因此恢復(fù)了輸出信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的相位關(guān)系。
定期截角KTP可以被選為非線(xiàn)性介質(zhì)，主要是由于其高非線(xiàn)性常數(shù)和商業(yè)可獲得性，并且還因?yàn)橥ㄟ^(guò)小的溫度改變(幾攝氏度)就可以很容易在這種晶體中控制相位匹配。該相位整形單元可以是適當(dāng)設(shè)計(jì)的玻璃板、光纖、空間光調(diào)制器。
光源還可以包括主動(dòng)改變?cè)撉坏墓鈱W(xué)長(zhǎng)度的一種機(jī)構(gòu)。這與這樣的事實(shí)相關(guān)只有在泵浦激光器頻率和OPO腔的模式相一致時(shí)，才會(huì)在OPO腔中發(fā)生寬帶下轉(zhuǎn)換。利用常規(guī)OPO(其中無(wú)需寬帶輸出)，由于腔中元素的色散未被補(bǔ)償，所以O(shè)PO輸出模式不是等間隔的，結(jié)果在任何泵浦頻率下，總是存在至少一對(duì)信號(hào)光和閑置光分量。然而，本發(fā)明的OPO結(jié)構(gòu)要求盡可能多的信號(hào)光/閑置光對(duì)(即，幾乎為零的總色散)，從而得到了相等間隔的輸出模式。因而，腔模式的譜結(jié)構(gòu)應(yīng)該使泵浦頻率落在腔模式的頻率上。為此，對(duì)泵浦進(jìn)行正確調(diào)諧，或者鎖定OPO腔的光學(xué)長(zhǎng)度以與泵浦頻率相匹配。該腔鎖定的反饋輸入可以是輸出光束強(qiáng)度。例如，腔內(nèi)電光調(diào)制器(EOM)可用于此目的，這是由于其能夠補(bǔ)償大寬帶的噪聲。
圖8例示了本發(fā)明的OPO腔結(jié)構(gòu)400的詳細(xì)布局，由于利用對(duì)稱(chēng)布魯斯(Brewster)角結(jié)構(gòu)中的棱鏡對(duì)可以獲得低損失的正色散和負(fù)色散，所以該OPO腔結(jié)構(gòu)400利用色散作為控制腔內(nèi)相位關(guān)系的機(jī)制。該結(jié)構(gòu)400包括增益介質(zhì)(非線(xiàn)性晶體)400；EOM單元411；反射鏡416A和416B；高反射性元件417；可調(diào)諧負(fù)色散元件(棱鏡)P1、P2；可調(diào)諧正色散棱鏡P3、P4和輸出光束耦合器418。棱鏡P5、P6用于重排輸出光束以與腔內(nèi)未被色散的光束相同。該結(jié)構(gòu)用于獲得1064nm周?chē)蠹s50nm的振蕩帶寬。
上面的光源結(jié)構(gòu)用于控制減少的損失的量。因此，與不具有模式競(jìng)爭(zhēng)抑制的OPO相比，幾乎會(huì)使寬帶振蕩的OPO效率加倍。
發(fā)明人已進(jìn)行了詳細(xì)的原理和示例分析，該分析示出了低閾值高效率寬帶OPO的可行性?；趯?duì)文獻(xiàn)2第9章117-140頁(yè)出現(xiàn)的單色信號(hào)光和閑置光的情況的閾值泵浦強(qiáng)度和轉(zhuǎn)換效率的分析，已分析了轉(zhuǎn)換效率與圖6A的OPO結(jié)構(gòu)的振蕩帶寬的依賴(lài)關(guān)系(假定穩(wěn)定的狀態(tài)操作)。更具體地，對(duì)圖6A的帶有模式競(jìng)爭(zhēng)抑制方案的寬帶信號(hào)光和閑置光進(jìn)行了類(lèi)似的分析。
假定泵浦的損耗低，在穿過(guò)長(zhǎng)度l的非線(xiàn)性介質(zhì)之后的泵浦振幅Ap+[l]為Ap+[l]＝Ap+
-lk∫As+(ω)Al+(ωp-ω)dω (17)其中，As+(ω)是頻率ω處的信號(hào)光場(chǎng)的前向傳播分量(“+”表示前向傳播)，Ap+
是進(jìn)入介質(zhì)的泵浦振幅，并假設(shè)非線(xiàn)性耦合常數(shù)k獨(dú)立于頻率，對(duì)于接近簡(jiǎn)并點(diǎn)的頻率來(lái)說(shuō)，這是合理的假設(shè)。
類(lèi)似地，后向傳播上轉(zhuǎn)換振幅為Ap-
＝lk∫As-(ω)Al-(ωp-ω)dω(18)當(dāng)輸出耦合器的反射率對(duì)信號(hào)光和閑置光都相同時(shí)，腔狀態(tài)對(duì)兩者是對(duì)稱(chēng)的。在這些條件下，前向傳播閑置光場(chǎng)與信號(hào)光場(chǎng)復(fù)共軛，同時(shí)后向傳播閑置光具有附加的相位，這是由于在腔中的相對(duì)延遲τ產(chǎn)生的Al+(ωp-ω)＝(As+(ω))*Al-(ωp-ω)＝(As-(ω))*exp[iωτ] (19)當(dāng)使用其他相位控制機(jī)制時(shí)，例如色散，公式(19)被相應(yīng)修改(對(duì)分析沒(méi)有影響)。
將公式(19)代入公式(17)和(18)，得到Ap+[1]＝Ap+
-lk∫|As+(ω)|2dω (20)Ap-
＝lk∫|As-(ω)|2exp[iωτ]dω (21)
如果腔中的增益不是很高，則信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)可以在任何頻率上近似，以成為強(qiáng)度為常數(shù)的駐波。
|As+(ω)|≈|As-(ω)|并且因此可以不要上標(biāo)號(hào)+/-。
將函數(shù)F(τ)定義為F(τ)≡∫|As(ω)|2exp[iωτ]dω (22)我們得到Ap+[l]＝Ap+
-lkF(0) (23)Ap-
＝lkF(τ) (24)這是對(duì)常規(guī)雙諧振OPO結(jié)構(gòu)所獲得的。
應(yīng)該注意，F(xiàn)(0)＝∫|As(ω)|2dω與腔中的信號(hào)光光子的數(shù)目(其等于下轉(zhuǎn)換光子對(duì)的數(shù)量)成正比。
這樣可以寫(xiě)出能量保存公式，根據(jù)該公式，在穩(wěn)定狀態(tài)，每秒泵浦所損失的光子數(shù)目等于每秒離開(kāi)腔的信號(hào)光-閑置光光子對(duì)的數(shù)目|Ap+
|2-|Ap+[l]|2-|Ap-
|2=TF(0)---(25)]]>其中T是腔中的損失，等于理想腔中的輸出耦合器發(fā)送。
將公式(23)和公式(24)代入公式(25)，并進(jìn)行一些算術(shù)操作，可以得到TF(0)|Ap+
|2=11+|F(τ)F(0)|2[2TκlAp+
-T2κ2l2|Ap+
|2]---(26)]]>公式(26)的左側(cè)可以被識(shí)別為轉(zhuǎn)換效率η，由于其恰好是每秒離開(kāi)腔的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光-閑置光光子對(duì)除以每秒入射泵浦光子的數(shù)目。由于假定了良好的相位匹配，所以泵浦場(chǎng)可以被取為實(shí)數(shù)，并調(diào)用閾值泵浦強(qiáng)度[2，3]的表達(dá)式|Ap-th|2=T2/4κ2l2]]>，公式(26)可以被寫(xiě)為η=41+|F(τ)F(0)|2[|Ap-thAp+
|-|Ap-thAp+
|2]---(27)]]>將N≡Ip/Ith=|Ap+
/Ap-th|2]]>定義為實(shí)際泵浦強(qiáng)度(Ip)和閾值泵浦強(qiáng)度(Ith)之間的比值，得到η=21+|F(τ)F(0)|2[2N-2N]---(28)]]>應(yīng)該注意，在沒(méi)有相對(duì)延遲(τ＝0)的情況下，公式(28)變?yōu)?amp;eta;0=2N[N-1]---(29)]]>上面是通過(guò)沒(méi)有模式競(jìng)爭(zhēng)抑制的雙諧振OPO而獲得的常規(guī)結(jié)果。
為確定在腔中增加相對(duì)延遲的效應(yīng)，進(jìn)行了如下考慮。根據(jù)公式(28)，對(duì)于具有相同閾值(相同N)的兩個(gè)振蕩，對(duì)于任何泵浦功率(對(duì)于任何N)，主要振蕩將是具有較小的F(τ)的振蕩。F(τ)的時(shí)間寬度與該振蕩的譜寬度成反比，從而較寬的振蕩將是主要的。比較非常窄振蕩(F(τ)基本上獨(dú)立于τ)與非常寬振蕩(對(duì)于大于信號(hào)光場(chǎng)相干時(shí)間的τ，F(xiàn)(τ)趨近于0)的兩個(gè)受限的可能性，得出轉(zhuǎn)換效率的提高接近系數(shù)2，這是相當(dāng)大的改進(jìn)。
實(shí)踐中，期望寬振蕩具有較高的閾值，因此，當(dāng)泵浦功率低時(shí)，窄振蕩將占優(yōu)勢(shì)。但是，當(dāng)隨著泵浦功率提高，高于閾值時(shí)，情況變得越來(lái)越有利于較寬振蕩。
圖9示出了所計(jì)算出的轉(zhuǎn)換效率，其為N(N＝Ip/Ith)對(duì)于很窄振蕩(曲線(xiàn)圖G1)、理想寬帶振蕩(曲線(xiàn)圖G2)和實(shí)際寬帶振蕩(曲線(xiàn)圖G3)的函數(shù)。取強(qiáng)度Ith作為所有可能振蕩中的最小閾值強(qiáng)度。對(duì)于很寬的寬帶振蕩，τ可以被調(diào)諧，從而F(τ)可以忽略，這樣在N＝4附近，轉(zhuǎn)換效率可以接近100％，這對(duì)于很多應(yīng)用都是最理想的。因此，顯而易見(jiàn)，為了獲得寬帶振蕩，使寬帶振蕩的閾值等于窄帶振蕩的最小閾值是理想的。換句話(huà)說(shuō)，由于可以將寬帶振蕩分解成許多信號(hào)光-閑置光對(duì)，所以希望所有這些對(duì)具有相同的閾值，即，閾值強(qiáng)度獨(dú)立于波長(zhǎng)。
可以在很大程度上滿(mǎn)足上述要求。這在圖10A-10B中示出，其示出了閾值泵浦強(qiáng)度(Ith)的計(jì)算，該閾值泵浦強(qiáng)度(Ith)是信號(hào)光波長(zhǎng)對(duì)于兩種寬相位匹配情況的函數(shù)，這兩種情況分別為在寬相位匹配結(jié)構(gòu)中被532nm所泵浦的腔中的損失為2％的1cm長(zhǎng)的PPKTP晶體(圖10A)；和在零色散超寬相位匹配結(jié)構(gòu)中被728nm所泵浦的腔中的損失為1％的1.4cm長(zhǎng)的BBO晶體(圖10B)。很顯然，直到整個(gè)相位匹配帶寬的15％，閾值強(qiáng)度都是常數(shù)。
上述考慮證明了對(duì)依據(jù)本發(fā)明的新穎的OPO結(jié)構(gòu)的需要和可行性。通常，本發(fā)明的光源由于其唯一的光譜和時(shí)間特性，可以用于各種應(yīng)用中，例如可以用在非線(xiàn)性顯微術(shù)和層析X射線(xiàn)攝影術(shù)中，其中在低CW強(qiáng)度處可以獲得超短脈沖的大約1微米的空間分辨率，避免了脈沖的損害性的峰值強(qiáng)度，或在光學(xué)通信中(具體地是在光CDMA中)用作鍵生成光源。本發(fā)明的鍵編碼/解碼方案可以用于光學(xué)復(fù)用/解復(fù)用。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易意識(shí)到可以在不脫離所附權(quán)利要求限定的范圍的情況下對(duì)前面例示的本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行各種變形和改變。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)生成在光碼分多址系統(tǒng)中使用的鍵和共軛鍵的方法，該方法包括對(duì)泵浦輸入光施加下轉(zhuǎn)換處理，從而產(chǎn)生相互復(fù)共軛的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的寬帶信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)用作鍵及其共軛。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述下轉(zhuǎn)換處理包括使泵浦光穿過(guò)非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述下轉(zhuǎn)換處理包括使泵浦光穿過(guò)具有由在兩個(gè)反射體之間的至少一個(gè)非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)形成的諧振腔的光學(xué)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，包括減少穿過(guò)所述諧振腔的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述上轉(zhuǎn)換效應(yīng)的減少包括在經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的至少其中之一穿過(guò)所述光學(xué)結(jié)構(gòu)的同時(shí)對(duì)該光場(chǎng)施加進(jìn)行譜相位整形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述譜相位整形包括在從非線(xiàn)性介質(zhì)中出現(xiàn)的所述經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間引入相對(duì)延遲，并在所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)進(jìn)一步穿過(guò)所述非線(xiàn)性介質(zhì)之前恢復(fù)它們的相位關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述相對(duì)延遲與各個(gè)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的場(chǎng)的相干時(shí)間τ＝1/Δω大體相同，其中，Δω是經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光的譜寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述下轉(zhuǎn)換處理在數(shù)據(jù)發(fā)送側(cè)執(zhí)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述下轉(zhuǎn)換處理在數(shù)據(jù)接收側(cè)執(zhí)行。
10.一種在光碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中使用的方法，該方法包括對(duì)用于將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)載運(yùn)到數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的光信道施加下轉(zhuǎn)換處理，所述光信道的下轉(zhuǎn)換自動(dòng)產(chǎn)生寬帶信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，該兩個(gè)光場(chǎng)相互復(fù)共軛并因此用作鍵及其共軛，從而能夠?qū)υ撔盘?hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制，并通過(guò)對(duì)它們一起進(jìn)行上轉(zhuǎn)換處理，從而提取數(shù)據(jù)。
11.一種在光碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中使用的方法，該方法包括以下步驟中的至少之一——對(duì)用于將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)載運(yùn)到數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的光信道進(jìn)行下轉(zhuǎn)換處理，所述光信道的下轉(zhuǎn)換自動(dòng)產(chǎn)生寬帶信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，這兩個(gè)光場(chǎng)相互復(fù)共軛并因此用作鍵及其共軛，從而使得能夠用所述數(shù)據(jù)對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一進(jìn)行調(diào)制，并一起處理所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)以提取數(shù)據(jù)；以及——對(duì)包含代表光學(xué)信道的下轉(zhuǎn)換信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的數(shù)據(jù)載運(yùn)光施加上轉(zhuǎn)換處理，從而在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中恢復(fù)表示數(shù)據(jù)信道的光。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，對(duì)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中的光信道施加所述下轉(zhuǎn)換處理，并且將信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之一被從所述接收系統(tǒng)發(fā)送到所述數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)，從而使得能夠在數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)處對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的所述之一進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，對(duì)所述數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)中的光信道施加所述下轉(zhuǎn)換處理。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中對(duì)光信道進(jìn)行所述下轉(zhuǎn)換處理，并且將所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之一從所述接收系統(tǒng)發(fā)送到所述數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)，從而使得可以在所述數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)處對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的所述之一進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在所述數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)中對(duì)光信道施加所述下轉(zhuǎn)換處理。
16.一種在光碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中產(chǎn)生光學(xué)信道的方法，該方法包括對(duì)用于將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)載運(yùn)到數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的輸入光施加下轉(zhuǎn)換處理，所述下轉(zhuǎn)換處理產(chǎn)生經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，這兩個(gè)光場(chǎng)相互復(fù)共軛并因此表示鍵及其共軛，從而使得能夠?qū)π盘?hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一的譜相位進(jìn)行唯一的影響，以定義所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的唯一相位關(guān)系，并使得能夠利用上轉(zhuǎn)換處理提取數(shù)據(jù)。
17.一種在光碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中產(chǎn)生光學(xué)信道的方法，該方法包括(i)對(duì)用于將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)載運(yùn)到數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的輸入光進(jìn)行下轉(zhuǎn)換處理，所述下轉(zhuǎn)換處理產(chǎn)生經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，它們相互復(fù)共軛并因此代表鍵及其共軛；(ii)對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一的譜相位進(jìn)行唯一的影響，從而定義所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的唯一相位關(guān)系，從而使得能夠利用上轉(zhuǎn)換處理來(lái)提取數(shù)據(jù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的一個(gè)用于數(shù)據(jù)調(diào)制，對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的所述一個(gè)施加所述唯一的譜相位影響。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的一個(gè)用于數(shù)據(jù)調(diào)制，對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的另一個(gè)進(jìn)行所述唯一的譜相位影響。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述下轉(zhuǎn)換處理在執(zhí)行數(shù)據(jù)調(diào)制的所述數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)中執(zhí)行。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述下轉(zhuǎn)換處理在所述數(shù)據(jù)接收信號(hào)中執(zhí)行。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述下轉(zhuǎn)換處理在執(zhí)行數(shù)據(jù)調(diào)制的所述數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)中進(jìn)行。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括操縱所述數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)以執(zhí)行以下步驟施加所述下轉(zhuǎn)換處理，將所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之一發(fā)送到所述數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)，從而使所述數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)能夠用各個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)制所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的所述之一，所述數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)之間的特定距離定義了所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間唯一的相位關(guān)系，對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的另一個(gè)施加唯一的譜相位影響；并且在接收到所述經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制的光場(chǎng)時(shí)，對(duì)所述受譜相位影響的經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制的光場(chǎng)和另一受譜相位影響的光場(chǎng)施加上轉(zhuǎn)換處理。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括操作所述數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)以執(zhí)行以下步驟施加所述下轉(zhuǎn)換處理；利用各個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)制所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之一；對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的至少一個(gè)執(zhí)行所述唯一的譜相位影響，從而限定所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間唯一的相位關(guān)系；以及將所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)發(fā)送到所述數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，從而使所述數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)能夠?qū)λ邮盏墓鈭?chǎng)之一采用所述唯一的相位影響值以由此恢復(fù)所述光場(chǎng)之間的相位關(guān)系，并且對(duì)所接收的光場(chǎng)進(jìn)行上轉(zhuǎn)換處理。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述相位影響包括以下之一相對(duì)延遲、材料色散、基于脈沖整形的譜相位濾波。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述唯一延遲值與各光場(chǎng)的相干時(shí)間τ＝1/Δω大體相當(dāng)，其中，Δω是經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光的譜寬度。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括依據(jù)待由所述光學(xué)信道載運(yùn)的數(shù)據(jù)，對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一進(jìn)行調(diào)制。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中的所述數(shù)據(jù)提取包括通過(guò)使用唯一的相位影響值對(duì)所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的至少一個(gè)進(jìn)行譜相位影響，從而恢復(fù)所述特定信道的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的相位關(guān)系；并且隨后對(duì)包含受相位影響的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的光進(jìn)行上轉(zhuǎn)換處理，從而使得能夠?qū)⑺鲂诺琅c所述光的剩余部分分離開(kāi)。
29.一種復(fù)用光學(xué)信道的方法，包括——產(chǎn)生N個(gè)光學(xué)信道，N≥1，所述光學(xué)信道由一對(duì)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)代表，該一對(duì)光場(chǎng)相互復(fù)共軛并代表了鍵及其共軛，從而可以依據(jù)待由所述光學(xué)信道載運(yùn)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)所述光信道進(jìn)行調(diào)制；——對(duì)該同一信道的所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一施加唯一的相位影響值，從而限定該信道的所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間唯一的相位關(guān)系，從而使得能夠利用各自唯一的相位影響和上轉(zhuǎn)換處理在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中進(jìn)行光的解復(fù)用，以提取特定信道。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述相位影響包括以下之一相對(duì)延遲、材料色散、基于脈沖整形的譜相位濾波。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述唯一延遲與各光場(chǎng)的相干時(shí)間τ＝1/Δω大體相當(dāng)，其中，Δω是經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光的譜寬度。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述與不同信道相關(guān)聯(lián)的唯一延遲之間的差值長(zhǎng)于所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)的相干長(zhǎng)度。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述N個(gè)光學(xué)信道共享同一對(duì)信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，通過(guò)用泵浦光泵浦單個(gè)非線(xiàn)性光源從而生成相互復(fù)共軛的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的寬帶信號(hào)光部分和閑置光部分，并將所述信號(hào)光部分和閑置光部分之一分成N個(gè)空間上分開(kāi)的光分量，來(lái)生成所述N個(gè)光學(xué)信道。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，通過(guò)一個(gè)噪聲源種下N個(gè)光源來(lái)生成所述N個(gè)光學(xué)信道，從而使所有光源產(chǎn)生相同的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)。
36.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述N個(gè)光學(xué)信道中的每一個(gè)具有其自己的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中，通過(guò)泵浦出N個(gè)不相干光源產(chǎn)生所述N個(gè)光學(xué)信道，從而分別產(chǎn)生N對(duì)信號(hào)光分量和閑置光分量。
38.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括對(duì)所述信道的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的任一個(gè)施加數(shù)據(jù)調(diào)制。
39.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述一對(duì)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)所代表的光學(xué)信道的產(chǎn)生以及對(duì)所述光場(chǎng)中的至少一個(gè)施加所述唯一相位影響值的操作在數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)中執(zhí)行。
40.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述一對(duì)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)所代表的光學(xué)信道在所述數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中產(chǎn)生。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中將所述唯一相位影響值施加到待用特定數(shù)據(jù)調(diào)制的光場(chǎng)的操作是通過(guò)所述數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)之間的預(yù)定距離實(shí)現(xiàn)的，并且將所述唯一相位影響值的相反值施加到所述數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中的另一光場(chǎng)。
42.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括在數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中對(duì)光進(jìn)行解復(fù)用，以提取該特定信道，所述解復(fù)用包括——通過(guò)使用與所述特定信道對(duì)應(yīng)的所述唯一相位影響的相反值來(lái)影響所接收光中的所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的至少一個(gè)，從而恢復(fù)所述特定信道的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的相位關(guān)系，以使得可以進(jìn)行上轉(zhuǎn)換處理；——施加上轉(zhuǎn)換處理，從而使得能夠恢復(fù)并提取所述特定信道。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，包括對(duì)所述經(jīng)上轉(zhuǎn)換的光中的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)至少之一的剩余部分施加所述唯一的相位影響值，并使得可以將所述剩余光場(chǎng)傳送到接收機(jī)系統(tǒng)。
44.一種在光碼分多址中使用的方法，所述方法包括產(chǎn)生N個(gè)光學(xué)信道，每個(gè)光學(xué)信道由相互復(fù)共軛的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光分量和閑置光分量形式的鍵及其共軛代表，從而可以依據(jù)待由各所述信道載運(yùn)的各個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)所述信道進(jìn)行調(diào)制；使用與施加給其他信道的相位影響值不同的唯一的相位影響值對(duì)該信道的所述信號(hào)分量和閑置分量至少之一進(jìn)行相位影響，從而限定各信道的所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間唯一的相位關(guān)系，來(lái)唯一地對(duì)各個(gè)信道進(jìn)行編碼，并使得可以將經(jīng)下轉(zhuǎn)換的分量向接收系統(tǒng)發(fā)送，從而使得能夠在各接收系統(tǒng)中通過(guò)在所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間進(jìn)行分離，使用與所述特定信道相對(duì)應(yīng)的所述唯一相位影響的相反值來(lái)影響所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)中的至少一個(gè)的相位，從而恢復(fù)所述特定信道的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的相位關(guān)系，來(lái)從所有其他信道中提取該特定信道；以及對(duì)所接收的光施加上轉(zhuǎn)換處理，從而恢復(fù)該特定信道，并使得能夠?qū)⑵渑c所接收的光的其余部分分離開(kāi)。
45.一種在光碼分多址中使用的方法，所述方法包括由各數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)產(chǎn)生光學(xué)信道，所述光學(xué)信道由相互復(fù)共軛的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)分量和閑置分量形式的鍵及其共軛代表，并通過(guò)發(fā)送信道發(fā)送所述光場(chǎng)之一，以在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)中接收，從而使得可以在所述數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)中對(duì)所述光場(chǎng)的所述之一進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制，并將經(jīng)調(diào)制的光場(chǎng)返回到所述數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)之間的預(yù)定距離導(dǎo)致對(duì)所述光場(chǎng)的所述之一施加了唯一的相位影響值，這定義了所述信道的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間的唯一的相位關(guān)系；對(duì)另一光場(chǎng)施加所述唯一相位影響值的相反值；以及當(dāng)接收到所返回的經(jīng)調(diào)制的受相位影響的光場(chǎng)時(shí)，對(duì)所述兩個(gè)光場(chǎng)都施加上轉(zhuǎn)換處理，從而提取所述數(shù)據(jù)。
46.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，包括對(duì)經(jīng)上轉(zhuǎn)換的光的剩余部分中的其他信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)施加所述唯一相位影響，并使得可以將所述剩余光傳送到接收系統(tǒng)。
47.一種光學(xué)復(fù)用系統(tǒng)，包括——光源結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生N個(gè)光學(xué)信道，每個(gè)光學(xué)信道由相互復(fù)共軛并代表鍵及其共軛的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)代表；——相位影響裝置，容納在所述鍵場(chǎng)的光學(xué)路徑中，并可用于以向各鍵場(chǎng)施加與施加到其他鍵場(chǎng)的相位影響值不同的唯一相位影響值；——輸出耦合器，用于組合所述經(jīng)相位影響的鍵場(chǎng)和共軛鍵場(chǎng)，以使得它們可以經(jīng)過(guò)光網(wǎng)絡(luò)傳輸。
48.一種光學(xué)解復(fù)用系統(tǒng)，可用于接收輸入的多信道光，并從中提取特定光學(xué)信道，所述系統(tǒng)包括——頻率濾波器，用于在所接收的光中的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間進(jìn)行空間分離，所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)表示該特定信道的鍵及其共軛；——相位影響裝置，被預(yù)編程以通過(guò)對(duì)所述共軛光場(chǎng)施加與所述特定信道對(duì)應(yīng)的預(yù)定唯一相位影響的相反值，來(lái)影響所述共軛光場(chǎng)的相位；以及——光源結(jié)構(gòu)，用于對(duì)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)施加上轉(zhuǎn)換處理，從而使得能夠提取所述特定信道。
49.一種光學(xué)復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)，包括——光源結(jié)構(gòu)，用于對(duì)待載運(yùn)特定光學(xué)信道的數(shù)據(jù)的光進(jìn)行下轉(zhuǎn)換處理，所述經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光包括相互復(fù)共軛并代表該特定信道的鍵及其共軛的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)；——頻率濾波器，用于在經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間進(jìn)行空間分離；——相位影響裝置，可用于對(duì)光場(chǎng)施加唯一的相位影響；——光源結(jié)構(gòu)，用于對(duì)經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)施加上轉(zhuǎn)換處理，從而使得能夠提取所述特定信道。
50.一種用于在碼分多址系統(tǒng)中生成用作光學(xué)信道的寬帶鍵及其共軛的光源，所述光源包括非線(xiàn)性光學(xué)結(jié)構(gòu)，可用于接收輸入光，并生成輸出的相互復(fù)共軛并因此代表鍵及其共軛的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的光源，其中，所述結(jié)構(gòu)包括由兩個(gè)反射鏡之間的至少一個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)形成的諧振腔；以及相位整形結(jié)構(gòu)，用于影響所述經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)中至少之一的譜相位，從而在經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)之間引入特定的相位關(guān)系，并在經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)在穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)的同時(shí)減小該經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的寬帶振蕩的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的光源，其中，所述相位整形器被構(gòu)造為在所述非線(xiàn)性介質(zhì)所發(fā)射的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)之間引入相對(duì)延遲，并在所述光場(chǎng)在穿過(guò)所述諧振腔的同時(shí)在進(jìn)一步穿過(guò)所述介質(zhì)之前恢復(fù)所述光場(chǎng)的相位關(guān)系。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的光源，其中，所述相對(duì)延遲與各經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的相干時(shí)間τ＝1/Δω大體相當(dāng)，其中，Δω是經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光的譜寬度。
54.根據(jù)權(quán)利要求51所述的光源，包括單個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)，以及分別位于所述非線(xiàn)性介質(zhì)的上游和下游的兩個(gè)相位整形單元。
55.根據(jù)權(quán)利要求51所述的光源，包括第一非線(xiàn)性介質(zhì)，其被輸入光所泵浦以產(chǎn)生經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)；第二非線(xiàn)性介質(zhì)，在所述經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的光路中；以及容納在該第二介質(zhì)的相對(duì)的輸入/輸出側(cè)的兩個(gè)相位整形單元。
56.一種產(chǎn)生寬帶的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的方法，所述方法包括將輸入光穿過(guò)諧振非線(xiàn)性光學(xué)結(jié)構(gòu)，并在經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)的同時(shí)，影響其相位，以減少所述經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的寬帶振蕩的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)。
57.一種用于寬帶的譜相關(guān)光的光源，該光源包括諧振非線(xiàn)性光學(xué)結(jié)構(gòu)，具有由兩個(gè)反射鏡之間的至少一個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)形成的諧振腔；以及相位整形結(jié)構(gòu)，所述相位整形結(jié)構(gòu)可用于在所述經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)之間引入特定的相位關(guān)系，并減少穿過(guò)所述光學(xué)結(jié)構(gòu)的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的光源，其中，所述相位整形器結(jié)構(gòu)可用于在所述信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)之間引入相對(duì)延遲或色散。
59.根據(jù)權(quán)利要求57所述的光源，其中，所述腔包括單個(gè)非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)，被所述輸入光所泵浦以發(fā)出經(jīng)下轉(zhuǎn)換的信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)，以及分別容納在所述介質(zhì)上游和下游的兩個(gè)相位整形單元。
60.根據(jù)權(quán)利要求57所述的光源，其中，所述腔包括第一非線(xiàn)性介質(zhì)，被輸入光所泵浦以發(fā)出經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)；第二非線(xiàn)性介質(zhì)，在所述經(jīng)下轉(zhuǎn)換的光場(chǎng)的光路中；以及分別容納在所述第二介質(zhì)的相對(duì)的輸入/輸出側(cè)的兩個(gè)相位整形單元。
全文摘要
一種用于自動(dòng)生成在光碼分多址系統(tǒng)中使用的鍵和共軛鍵的方法和設(shè)備(100A)。該方法包括對(duì)泵浦輸入光進(jìn)行下轉(zhuǎn)換處理，從而產(chǎn)生相互復(fù)共軛的經(jīng)下轉(zhuǎn)換的寬帶信號(hào)光場(chǎng)和閑置光場(chǎng)(L
文檔編號(hào)G02F1/35GK1774881SQ200480010098
公開(kāi)日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2004年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月15日
發(fā)明者阿維·皮爾, 巴拉克·達(dá)揚(yáng), 亞龍·西爾伯貝格, 阿舍·A·弗里塞姆 申請(qǐng)人:曳達(dá)研究和發(fā)展有限公司