摘要：比特級光交換網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，要求網(wǎng)絡(luò)在傳輸、復(fù)用和交換方式上具有靈活性、多樣性和高效性。因此基于超高速全光信息處理的網(wǎng)絡(luò)功能存在較大價值。利用不同光子材料非線性效應(yīng)(SPMkXPMYFWM等)已成功實現(xiàn)了組播、碼型變換、邏輯門等不同的全光信息處理單元技術(shù)，其中高非線性光纖以其易與現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)相融合和成本相對較低等特點(diǎn)而具有較大潛力。在總結(jié)光信息處理的相關(guān)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，文章重點(diǎn)介紹了偏振復(fù)用(PDM)系統(tǒng)中的高速全光信息處理技術(shù)，包括基于自相位調(diào)制效應(yīng)(SPM)的全光再生和基于交叉相位調(diào)制效應(yīng)(XPM)的波長轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：光信息處理；偏振復(fù)用；全光再生；波長變換；高非線性光纖

為了滿足P比特級光交換網(wǎng)絡(luò)的需求(包括高傳輸容量、可變傳輸比特率、不同調(diào)制方法、不同復(fù)用和解復(fù)用形式等)，同時保障數(shù)據(jù)的安全可靠、高速多維(包括多波長一信道、多偏振態(tài))，光信息處理無疑是關(guān)鍵技術(shù)之一。目前的光信息處理方式分為電信息處理和光信息處理兩種。電信息處理主要應(yīng)用于基于數(shù)字信號處理(DsP)技術(shù)的均衡和補(bǔ)償?shù)确矫?。由于電子“瓶頸”和光電光(OEO)轉(zhuǎn)換效率的限制，基于電子的信息處理方式在未來較長時間內(nèi)還無法滿足P比特級光網(wǎng)絡(luò)的(超)高速需求；另一方面，由于光子技術(shù)具有超寬帶和超高速響應(yīng)(飛秒量級)的特點(diǎn)，全光信息處理在P比特級的交換光網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)重要的地位。一般來講，_由于光子技術(shù)中不需要對每個比特進(jìn)行特殊控制或者操作，因此光子元件或功能單元對信息的處理可以與速率和調(diào)制格式無關(guān)，這種在時域和頻域的全透明特性隨著人們對信號傳輸速度的要求越來越高而成為一個重要的研究方向。

目前許多光子材料都可以作為全光信號處理的非線性介質(zhì)，包括高非線性光纖(HNLF)、周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰(PPLN)波導(dǎo)、硅波導(dǎo)等。其中，基于光纖的解決方案可以方便地與現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)直接互聯(lián)與融合，而且成本相對較低。盡管很多新型光纖如光子晶體光纖(PCF)、摻氧化鉍高非線性光纖(Bi-HNLF)等在光信息處理中都顯示出較大的潛力，但實際中最常用的還是基于硅結(jié)構(gòu)的HNLF。在集成光子器件方面，集成波導(dǎo)器件在實驗室中已經(jīng)實現(xiàn)了1.28Tbit／s的信號處理速度。

在過去的10年中，人們利用這些非線性介質(zhì)中的各種非線性效應(yīng)，在越來越快的傳輸速度下，成功實現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換、信號再生、多點(diǎn)傳送、復(fù)用以及波長交換等網(wǎng)絡(luò)功能。這些效應(yīng)包括：PPLN中的級聯(lián)二次諧波。級聯(lián)倍頻與差頻(cSHG／DFG]，級聯(lián)和頻與差頻(CSFG／DFG)；光纖、波導(dǎo)中的自相位調(diào)制(SPM)，交叉相位調(diào)制(XPM)，交叉增益調(diào)制(XGM)以及四波混頻(FWM)等。

為了讓大家更清楚了解光信息處理的重要性及挑戰(zhàn)，本文首先介紹產(chǎn)生超高速信號的幾種常用復(fù)用技術(shù)；然后總結(jié)近年來超高速光信息處理技術(shù)在實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)功能中的應(yīng)用，包括信號再生、波長轉(zhuǎn)換、碼型變換、邏輯門以及組播等；最后針對目前廣泛采用但極具挑戰(zhàn)性(對光信息處理而言)的偏振復(fù)用系統(tǒng)，本文介紹相關(guān)工作進(jìn)展(以全光再生和波長轉(zhuǎn)換為例)。

1、T比特級大容量信道傳輸技術(shù)

光纖最重要的一個特點(diǎn)是容量大，可以傳輸超高速率的數(shù)字信號。P比特級光網(wǎng)絡(luò)作為下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢，要求網(wǎng)絡(luò)中單信道傳輸速率達(dá)到T比特以上。但是隨著單信道傳輸速率的提升，光纖本身的損耗、非線性、色散等因素，使光信號在傳輸過程中發(fā)生畸變，制約了系統(tǒng)性能，因此通過調(diào)制直接到達(dá)T比特非常困難。經(jīng)過研究人員的不懈努力，直接調(diào)制的單信道傳輸速率從20世紀(jì)90年代的2.5 Gbit／s調(diào)到40 Gbit／s甚至更高。更為重要的是，通過不同的復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)了單信道T比特級的傳輸容量。

所謂復(fù)用技術(shù)，是指在發(fā)送端將多路信號按照某一方式合成，然后送入信道中傳輸，接收端采用某些處理方法將接收到的混合信號還原成多路源信號，從而避免了網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)建設(shè)。復(fù)用方式包括頻分復(fù)用(FDM)、波分復(fù)用(WDM)、時分復(fù)用(TDM)、碼分復(fù)用(CDM)以及偏振復(fù)用(PDM)等。在光正交頻分復(fù)用(0FDM)技術(shù)和傳統(tǒng)的光時分復(fù)用(OTDM)技術(shù)的推動下，目前光纖中單信道的信息傳輸速率已經(jīng)超過1 Tbit／s。

1.1 正交頻分復(fù)用

正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種特殊的多載波傳輸方案，也可以看成是一種信號調(diào)制技術(shù)，特點(diǎn)是各個子載波正交，頻譜可以相互重疊，這樣不但減小了載波間干擾，還大大提高了頻譜利用率，能夠很好地對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾，且可以有效地消除信號由于多徑傳輸所帶來的碼間干擾(ISI)，是許多典型接人系統(tǒng)的物理層核心技術(shù)。

鑒于OFDM的技術(shù)優(yōu)勢，將其引入到光纖通信系統(tǒng)中是近年來的一個研究熱點(diǎn)。實驗表明在不采取任何補(bǔ)償?shù)那闆r下采用OFDM技術(shù)的單模光纖通信系統(tǒng)可以將10 Gbids信號傳輸1000 km以上。采用光OFDM直接調(diào)制的300m多模光纖的鏈路在高速通信中也表現(xiàn)出了良好工作性能。在光纖通信系統(tǒng)中引入OFDM技術(shù)可以很明顯地改善系統(tǒng)性能，所以研究基于OFDM的多模(多芯)光纖通信系統(tǒng)對短距離高速大容量信息通信有著重要的現(xiàn)實意義。具體的內(nèi)容可以見。

1.2 光時分復(fù)用

光時分復(fù)用(0TDM)技術(shù)克服了放大器級聯(lián)產(chǎn)生的增益不平坦和光纖非線性的限制，被認(rèn)為是一種影響較為長遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。未來網(wǎng)絡(luò)如果采用全光交換和全光路由，則OTDM的一些特點(diǎn)使它作為全光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一更具吸引力，例如上下話路方便，可適用于本地網(wǎng)和主干網(wǎng)。目前基于OTDM的傳輸速率已經(jīng)可以高達(dá)數(shù)太比特每秒。另一方面，由于OTDM必須采用歸零碼超短脈沖，占用帶寬寬，而且色散和色散斜率影響較為顯著。

OTDM傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括超短光脈沖發(fā)生技術(shù)、全光時分復(fù)用，解復(fù)用技術(shù)和超高速定時提取技術(shù)等。例如，對于超短光脈沖發(fā)生技術(shù)，從時域看，要求超短光脈沖的－20 dB脈寬小于單位比特時長；而從頻域看，由于信號脈沖的譜寬是傳輸距離的限制因素，頻譜越寬信號的色散損傷就越嚴(yán)重，因而希望信號譜寬要盡可能小。對于時分復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)，使用電子電路的最高速率目前只能達(dá)到幾十吉比特每秒，因而人們正在研制全光控制的各種超高速邏輯單元，包括速度在皮秒(ps)量級的超高速全光開關(guān)，尤其是基于非線性效應(yīng)的全光開關(guān)，如光學(xué)克爾開關(guān)、四波混頻(FWM)開關(guān)、交叉相位調(diào)制(XPM)開關(guān)及非線性光學(xué)環(huán)路鏡(NOLM)等結(jié)構(gòu)。

1.3 偏振復(fù)用

從近些年來國際光纖通信系統(tǒng)傳輸容量不斷突破的技術(shù)途徑來看，偏振復(fù)用(PDM)技術(shù)無疑是最為常用的提高信道速率的復(fù)用技術(shù)。它利用光在單模光纖中傳輸?shù)钠裉匦裕瑢鬏敳ㄩL的兩個獨(dú)立且相互正交的偏振態(tài)作為獨(dú)立信道分別傳輸兩路信號，成倍提高了系統(tǒng)容量和頻譜利用率。該技術(shù)可在已鋪設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上極大地提升系統(tǒng)容量，實現(xiàn)快速、低成本的系統(tǒng)升級。

偏振復(fù)用技術(shù)所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是在于如何進(jìn)行信號的解復(fù)用，這是一直困擾和阻礙偏振復(fù)用技術(shù)進(jìn)入實際應(yīng)用的難題。由于兩束光信號偏振復(fù)用合并后，經(jīng)過長距離的光纖傳輸，受到光纖應(yīng)力、偏振模色散(PMD)、偏振相關(guān)損耗(PDL)等因素的影響，偏振狀態(tài)會發(fā)生變化并有可能形成相互之間的串?dāng)_，使得光信號在到達(dá)接收端的時候信號的偏振態(tài)(SOP)隨時間可能快速變化。這就要求解復(fù)用端能夠自動調(diào)整，使兩個正交偏振通道實現(xiàn)分離。目前常用的解復(fù)用技術(shù)包括：基于電域數(shù)字信號處理(DsP)技術(shù)實現(xiàn)(尤其是與相干接收系統(tǒng)結(jié)合)解復(fù)用、基于光域信號特征監(jiān)控(如功率均衡情況、偏振串?dāng)_大小等)與反饋進(jìn)行自動偏振控制實現(xiàn)解復(fù)用。

2、網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)

基于各種光信息處理技術(shù)可以實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)功能，下面介紹相關(guān)進(jìn)展。

2.1 碼型變換

P比特級網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中，由于鏈路狀況的不同，并不是所有的光脈沖波型都適合在太比特每秒的大容量信道中傳輸，同時也存在不同的業(yè)務(wù)需求，因此我們需要進(jìn)行全光碼型變換來實現(xiàn)更高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸。目前主要的傳輸碼型有歸零碼(RZ)、非歸零碼(NRZ)等?；诓煌恼{(diào)制方式如開關(guān)鍵控(OOK)、二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)、差分相移鍵控(DPSK)等來實現(xiàn)RZ與NRZ的碼型之間以及不同調(diào)制信號的相互轉(zhuǎn)換技術(shù)是非常重要的，其中對基于OOK調(diào)制方式的幅值碼型變換的研究已經(jīng)相當(dāng)普遍。隨著P比特級交換網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，BPSK、DPSK、QAM、OFDM、POISK等新型調(diào)制方式的出現(xiàn)，為了進(jìn)一步提高頻譜利用率和傳輸性能，碼型變換也由之前的單一的幅值碼型變換發(fā)展為幅值、相位聯(lián)合的碼型變換，甚至是幅值、相位、偏振態(tài)混合的碼型變換。相位敏感型碼型變換技術(shù)、偏振不敏感型碼型變換技術(shù)相繼出現(xiàn)。同時由于密集波分復(fù)用(DWDM)和PDM等復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展，已提出了對多信道或多偏振態(tài)的全光碼型變換的研究。

圖1為幾種常見的全光碼型變換原理，圖l(a]通過時鐘信號和原NRZ信號發(fā)生XGM效應(yīng)，根據(jù)“1”和“O”比特時對應(yīng)的增益不同實現(xiàn)NRZ-RZ的碼型變換，但產(chǎn)生變換后的信號與原信號的極性相反；圖1(b)表示了XPM效應(yīng)作用下NRZ-RZ的碼型變換；圖1(c)是XPM效應(yīng)作用下RZ-NRZ的碼型變換；圖l(d)則是FWM作用下DQPSK-DPSK的碼型變換。圖l(d)是相位調(diào)制信號的碼型轉(zhuǎn)換(主要基于四波混頻的原理)，若使用波形圖(時域)表示則無法清楚表示四波混頻的過程，為了便于理解我們采用頻域表示方法。

2.2 光邏輯

光邏輯門是采用光控制的方式來實現(xiàn)布爾運(yùn)算，如與、或、異或等。P比特級交換網(wǎng)絡(luò)中采用OTDM、DWDM等系統(tǒng)，光邏輯不僅可應(yīng)用在再生、波長轉(zhuǎn)換、全光解，復(fù)用等功能實現(xiàn)中，而且可用在光數(shù)據(jù)包交換中，如包頭識別、全光路由、標(biāo)記交換、數(shù)據(jù)編碼／解碼、檢錯／糾錯等。在光插分復(fù)用(0ADM)和光分插復(fù)用(OXC)中也需要光邏輯運(yùn)算，如設(shè)計“與”邏輯門工作在1比特時可以用來實現(xiàn)包頭的識別和數(shù)據(jù)的檢錯，糾錯中。如圖2中用“與”門實現(xiàn)時間到波長轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)功能(TDM到WDM)，將時分復(fù)用信號轉(zhuǎn)換到4個其他波長上。

光邏輯門的實現(xiàn)主要利用各種非線性器件中的四波混頻(FWM)效應(yīng)以及半導(dǎo)體放大器(sOA)的組合干涉結(jié)構(gòu)等，目前已經(jīng)通過簡并四波混頻效應(yīng)實現(xiàn)OOK信號多種邏輯門，通過非簡并四波混頻效應(yīng)實現(xiàn)兩路DPSK信號的邏輯門。隨著P比特級交換光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，節(jié)能、高度集成的特性越來越突出，迫切需求多種邏輯門功能綜合和適合多種調(diào)制方式的光子集成邏輯器件。

2.3 組播

組播是指一個信號輸入后在輸出端輸出多路相同的信號。它在增大網(wǎng)絡(luò)流量方面有著重要的作用，特別是高速視頻信號流，因此也是光網(wǎng)絡(luò)中必不可少的一種功能。在光網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)泵浦光數(shù)量的不同，產(chǎn)生波長多點(diǎn)復(fù)制的原理也有所不同，如圖3所示。

(1)最直接的方法如圖3(a]所示。在簡并四波混頻中，輸入信號作為泵浦光，信號光與探測光混合從而產(chǎn)生了一路閑頻光，這樣Ⅳ個探測光輸入便有Ⅳ個信號光輸出。

(2)利用低色散、高非線性材料作為非線性介質(zhì)，信號光仍然作為泵浦，當(dāng)泵浦功率足夠大時，可以產(chǎn)生參量放大效應(yīng)。這種放大效應(yīng)使探測光受到調(diào)制，同時攜帶上要求的信息，這樣只需要N／2個探測光即可得到N個通道的信號輸出，如圖3(b)。

(3)利用非簡并四波混頻效應(yīng)，連續(xù)波作為泵浦，來產(chǎn)生多路閑頻光。這種方法可以實現(xiàn)PSK信號的多點(diǎn)復(fù)制。如圖3(c)所示，N／2個泵浦光可以實現(xiàn)N-1個信號光的復(fù)制。

(4)利用非線性介質(zhì)中超連續(xù)譜的產(chǎn)生以及周期性濾波器來實現(xiàn)多點(diǎn)復(fù)制。這種方法在較低輸入功率情況下，同樣能夠適用于PSK信號。

到目前為止，Bill P.P.Kuo等人在實驗室中，利用雙泵浦已經(jīng)成功實現(xiàn)了1到60個波長信道的多點(diǎn)傳輸；我們則利用單泵浦實現(xiàn)了1到11的多點(diǎn)復(fù)制。圖4描述了實驗裝置圖以及主要的信道誤碼率(BER)。經(jīng)過FWM后，得到了16個信道中的11個信道BER在10^-9以下(圖4b)，可以認(rèn)為是無誤碼信道。圖4(b)中l(wèi) 540，79、1542.50等數(shù)字表示不同波長。

3、偏振復(fù)用系統(tǒng)中的高速光信息處理

如前所述，鑒于偏振復(fù)用系統(tǒng)的廣泛采用，研究在偏振復(fù)用系統(tǒng)中的光信息處理技術(shù)就變得非常熱門?？梢酝ㄟ^偏振解復(fù)用后對每個信道單獨(dú)進(jìn)行處理，然后再復(fù)用后傳輸。然而，這樣的方式既復(fù)雜，又不可靠，因此，在偏振復(fù)用系統(tǒng)中，基于單一信息處理單元技術(shù)實現(xiàn)兩個偏振態(tài)信號的同時處理就變得非常重要，也極具挑戰(zhàn)性。

3.1 全光波長再生

隨著P比特級光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在偏振復(fù)用系統(tǒng)中由于光纖及光器件的群速度色散(GVD)、偏振模色散(PMD)、放大器的自發(fā)輻射噪聲、光纖非線性效應(yīng)以及信道內(nèi)和信道間串?dāng)_等各種因素影響，將導(dǎo)致光信號經(jīng)傳輸后產(chǎn)生惡化，例如PMD效應(yīng)對偏振復(fù)用系統(tǒng)的影響是單偏振態(tài)系統(tǒng)的5倍以上。目前已經(jīng)提出多種提高信號質(zhì)量的方法：

(1)簡單的電信號處理(均衡)。

(2)DSP輔助相干探測。

(3)新的調(diào)制編碼方式，如正交頻分復(fù)用。

(4)全光再生技術(shù)。自相位調(diào)制加偏移濾波實現(xiàn)全光再生的原理如圖5(a)所示。

前4種是在電域中處理，不適合超高速光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，后一種則是利用非線性效應(yīng)的全光信號處理方式實現(xiàn)，成功克服了電域中速率“瓶頸”的限制。

全光信號再生實驗裝置如圖5(1)所示。惡化的PDM信號首先經(jīng)過摻鉺光放大器(EDFA)，再由低通濾波器濾除放大產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲。通過偏振控制器、環(huán)形器到達(dá)偏振分束器(PBS)，從而分為兩個不同偏振態(tài)的光：垂直偏振態(tài)和水平偏振態(tài)。不同偏振態(tài)的光以相對的方向一段高非線性光纖(HNLF)和一個偏振旋轉(zhuǎn)器(ILF)。由于光纖中的SPM效應(yīng)分別使得不同偏振態(tài)的光頻譜展寬，并在PBS處重新合成偏振復(fù)用信號，最后經(jīng)過一個偏移濾波器后可以得到再生后的PDM信號。相互垂直的偏振態(tài)的光在HNLF中傳輸?shù)南嗷プ饔脮r間短，相互影響較小，且可以忽略XPM效應(yīng)、FWM效應(yīng)和后向散射的SBS噪聲等。

圖6(a)、圖6(b)給出了再生系統(tǒng)的工作性能。PDM信號經(jīng)過SPM后頻譜展寬基本一致，這樣我們只需要一個偏移濾波器就可以實現(xiàn)兩個信號的再生。

3.2 全光波長轉(zhuǎn)換

波長變換也是光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以實現(xiàn)信號質(zhì)量的優(yōu)化(類似于再生)，也可以實現(xiàn)信號的交換。在PDM系統(tǒng)中，基于類似再生技術(shù)的原理，我們也實現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換功能。

圖7(a)為PDM信號的波長轉(zhuǎn)換原理圖，波長為λ₁的PDM信號經(jīng)過EDFA放大后與波長為λ₂的連續(xù)泵浦光共同注入到雙偏振環(huán)中，由于泵浦光的注入使得不同偏振態(tài)的光在HNLF中各自發(fā)生XPM效應(yīng)，波長為λ₁的PDM信號對波長為λ₂的泵浦光進(jìn)行相位調(diào)制，使得其頻譜展寬。展寬后的兩個不同偏振態(tài)的光在PBS處復(fù)用、濾波，然后再經(jīng)過一個中心波長為λ₁＋△λ的低通濾波器可得到波長轉(zhuǎn)換后的光信號。

圖7(b)為不同轉(zhuǎn)換波長信號的信噪比提高情況以及兩個不同偏振態(tài)的信號眼圖。實驗中轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了從1535 nm到1565 nm的PDM信號波長轉(zhuǎn)換。

4、結(jié)束語

為了實現(xiàn)P比特級的超高速網(wǎng)絡(luò)，必須實現(xiàn)單信道在T比特級容量以上的傳輸鏈路。在實現(xiàn)T比特級大容量傳輸系統(tǒng)中，復(fù)用技術(shù)是一套行之有效的方法，尤其是偏振復(fù)用技術(shù)；另一方面，調(diào)制方式也從傳統(tǒng)的OOK方式向多電平、相位調(diào)制方式發(fā)展。在這些技術(shù)的共同推動下，全光信息處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，不僅可以擺脫電域中的速率“瓶頸”問題，也使得T比特級大容量傳輸和P比特級網(wǎng)絡(luò)成為可能。未來的超高速光信息處理技術(shù)必然朝著多維(多信道、偏振復(fù)用)、集成(功能與器件)的方向發(fā)展。