超高速全光信息处理

基金项目：教育新世纪优秀人才项目(NCET-08-0821)

    为了满足P比特级光交换网络的需求(包括高传输容量、可变传输比特率、不同调制方法、不同复用和解复用形式等)，同时保障数据的安全可靠、高速多维(包括多波长-信道、多偏振态)，光信息处理无疑是关键技术之一。目前的光信息处理方式分为电信息处理和光信息处理两种。电信息处理主要应用于基于数字信号处理(DSP)技术的均衡和补偿等方面。由于电子“瓶颈”和光电光(OEO)转换效率的限制，基于电子的信息处理方式在未来较长时间内还无法满足P比特级光网络的(超)高速需求；另一方面，由于光子技术具有超宽带和超高速响应(飞秒量级)的特点，全光信息处理在P比特级的交换光网络中占据重要的地位。一般来讲，由于光子技术中不需要对每个比特进行特殊控制或者操作，因此光子元件或功能单元对信息的处理可以与速率和调制格式无关，这种在时域和频域的全透明特性随着人们对信号传输速度的要求越来越高而成为一个重要的研究方向[1-2]。

    目前许多光子材料都可以作为全光信号处理的非线性介质，包括高非线性光纤(HNLF)、周期极化反转铌酸锂(PPLN)波导、硅波导等。其中，基于光纤的解决方案可以方便地与现有光纤网络直接互联与融合，而且成本相对较低。尽管很多新型光纤如光子晶体光纤(PCF)、掺氧化铋高非线性光纤(Bi-HNLF)等在光信息处理中都显示出较大的潜力，但实际中最常用的还是基于硅结构的HNLF。在集成光子器件方面，集成波导器件在实验室中已经实现了1.28 Tbit/s的信号处理速度。

    在过去的10年中，人们利用这些非线性介质中的各种非线性效应，在越来越快的传输速度下，成功实现了波长转换、信号再生、多点传送、复用以及波长交换等网络功能。这些效应包括：PPLN中的级联二次谐波，级联倍频与差频(cSHG/DFG)，级联和频与差频(cSFG/DFG)；光纤、波导中的自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)，交叉增益调制(XGM)以及四波混频(FWM)等。

    为了让大家更清楚了解光信息处理的重要性及挑战，本文首先介绍产生超高速信号的几种常用复用技术；然后总结近年来超高速光信息处理技术在实现各种网络功能中的应用，包括信号再生、波长转换、码型变换、逻辑门以及组播等；最后针对目前广泛采用但极具挑战性(对光信息处理而言)的偏振复用系统，本文介绍相关工作进展(以全光再生和波长转换为例)。

1 T比特级大容量信道传输技术
    光纤最重要的一个特点是容量大，可以传输超高速率的数字信号。P比特级光网络作为下一代网络发展的趋势，要求网络中单信道传输速率达到T比特以上。但是随着单信道传输速率的提升，光纤本身的损耗、非线性、色散等因素，使光信号在传输过程中发生畸变，制约了系统性能，因此通过调制直接到达T比特非常困难。经过研究人员的不懈努力，直接调制的单信道传输速率从20世纪90年代的2.5 Gbit/s调到40 Gbit/s甚至更高。更为重要的是，通过不同的复用技术实现了单信道T比特级的传输容量。

    所谓复用技术，是指在发送端将多路信号按照某一方式合成，然后送入信道中传输，接收端采用某些处理方法将接收到的混合信号还原成多路源信号，从而避免了网络的重复建设。复用方式包括频分复用(FDM)、波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)以及偏振复用(PDM)等。在光正交频分复用(OFDM)技术和传统的光时分复用(OTDM)技术的推动下，目前光纤中单信道的信息传输速率已经超过1 Tbit/s[3-5]。

1.1 正交频分复用
    正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输方案，也可以看成是一种信号调制技术，特点是各个子载波正交，频谱可以相互重叠，这样不但减小了载波间干扰，还大大提高了频谱利用率[6]，能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰，且可以有效地消除信号由于多径传输所带来的码间干扰(ISI)，是许多典型接入系统的物理层核心技术。

    鉴于OFDM的技术优势，将其引入到光纤通信系统中是近年来的一个研究热点。实验表明在不采取任何补偿的情况下采用OFDM技术的单模光纤通信系统可以将10 Gbit/s信号传输l 000 km以上。采用光OFDM直接调制的300 m多模光纤的链路在高速通信中也表现出了良好工作性能。在光纤通信系统中引入OFDM技术可以很明显地改善系统性能，所以研究基于OFDM的多模(多芯)光纤通信系统对短距离高速大容量信息通信有着重要的现实意义[7]。具体的内容可以见文献[5,8-9]。

1.2 光时分复用
    光时分复用(OTDM)技术克服了放大器级联产生的增益不平坦和光纤非线性的限制，被认为是一种影响较为长远的网络技术。未来网络如果采用全光交换和全光路由，则OTDM的一些特点使它作为全光网络关键技术之一更具吸引力，例如上下话路方便，可适用于本地网和主干网。目前基于OTDM的传输速率已经可以高达数太比特每秒。另一方面，由于OTDM必须采用归零码超短脉冲，占用带宽宽，而且色散和色散斜率影响较为显著。

    OTDM传输系统的关键技术包括超短光脉冲发生技术、全光时分复用/解复用技术和超高速定时提取技术等。例如，对于超短光脉冲发生技术，从时域看，要求超短光脉冲的-20 dB脉宽小于单位比特时长；而从频域看，由于信号脉冲的谱宽是传输距离的限制因素，频谱越宽信号的色散损伤就越严重，因而希望信号谱宽要尽可能小。对于时分复用与解复用技术，使用电子电路的最高速率目前只能达到几十吉比特每秒，因而人们正在研制全光控制的各种超高速逻辑单元，包括速度在皮秒(ps)量级的超高速全光开关，尤其是基于非线性效应的全光开关，如光学克尔开关、四波混频(FWM)开关、交叉相位调制(XPM)开关及非线性光学环路镜(NOLM)等结构。

1.3 偏振复用
    从近些年来国际光纤通信系统传输容量不断突破的技术途径来看，偏振复用(PDM)技术无疑是最为常用的提高信道速率的复用技术[10]。它利用光在单模光纤中传输的偏振特性，将传输波长的两个独立且相互正交的偏振态作为独立信道分别传输两路信号，成倍提高了系统容量和频谱利用率。该技术可在已铺设光纤网络的基础上极大地提升系统容量，实现快速、低成本的系统升级。

    偏振复用技术所面临的关键挑战之一是在于如何进行信号的解复用，这是一直困扰和阻碍偏振复用技术进入实际应用的难题。由于两束光信号偏振复用合并后，经过长距离的光纤传输，受到光纤应力、偏振模色散(PMD)、偏振相关损耗(PDL)等因素的影响，偏振状态会发生变化并有可能形成相互之间的串扰，使得光信号在到达接收端的时候信号的偏振态(SOP)随时间可能快速变化。这就要求解复用端能够自动调整，使两个正交偏振通道实现分离。目前常用的解复用技术包括：基于电域数字信号处理(DSP)技术实现(尤其是与相干接收系统结合)[11]解复用、基于光域信号特征监控(如功率均衡情况、偏振串扰大小等)与反馈进行自动偏振控制实现解复用。

2 网络功能实现
    基于各种光信息处理技术可以实现不同的网络功能，下面介绍相关进展。

2.1 码型变换
    P比特级网络传输系统中，由于链路状况的不同，并不是所有的光脉冲波型都适合在太比特每秒的大容量信道中传输，同时也存在不同的业务需求，因此我们需要进行全光码型变换来实现更高效的网络传输。目前主要的传输码型有归零码(RZ)、非归零码(NRZ)等。基于不同的调制方式如开关键控(OOK)、二进制相移键控(BPSK)、差分相移键控(DPSK)等来实现RZ与NRZ的码型之间以及不同调制信号的相互转换技术是非常重要的，其中对基于OOK调制方式的幅值码型变换的研究已经相当普遍。随着P比特级交换网络的发展，BPSK、DPSK、QAM、OFDM、PolSK等新型调制方式的出现，为了进一步提高频谱利用率和传输性能，码型变换也由之前的单一的幅值码型变换发展为幅值、相位联合的码型变换，甚至是幅值、相位、偏振态混合的码型变换。相位敏感型码型变换技术、偏振不敏感型码型变换技术相继出现。同时由于密集波分复用(DWDM)和PDM等复用系统的发展，已提出了对多信道或多偏振态的全光码型变换的研究[12]。

    图1为几种常见的全光码型变换原理，图1(a)通过时钟信号和原NRZ信号发生XGM效应，根据“1”和“0”比特时对应的增益不同实现NRZ-RZ的码型变换，但产生变换后的信号与原信号的极性相反；图1(b)表示了XPM效应作用下NRZ-RZ的码型变换；图1(c)是XPM效应作用下RZ-NRZ的码型变换；图1(d)则是FWM作用下DQPSK-DPSK的码型变换。图1(d)是相位调制信号的码型转换(主要基于四波混频的原理)，若使用波形图(时域)表示则无法清楚表示四波混频的过程，为了便于理解我们采用频域表示方法。

2.2 光逻辑
    光逻辑门是采用光控制的方式来实现布尔运算，如与、或、异或等。P比特级交换网络中采用OTDM、DWDM等系统，光逻辑不仅可应用在再生、波长转换、全光解/复用等功能实现中，而且可用在光数据包交换中，如包头识别、全光路由、标记交换、数据编码/解码、检错/纠错等[13]。在光插分复用(OADM)和光分插复用(OXC)中也需要光逻辑运算，如设计“与”逻辑门工作在1比特时可以用来实现包头的识别和数据的检错/纠错中。如图2中用“与”门实现时间到波长转换的网络功能(TDM到WDM)，将时分复用信号转换到4个其他波长上[14]。

    光逻辑门的实现主要利用各种非线性器件中的四波混频(FWM)效应以及半导体放大器(SOA)的组合干涉结构等，目前已经通过简并四波混频效应实现OOK信号多种逻辑门，通过非简并四波混频效应实现两路DPSK信号的逻辑门[15]。随着P比特级交换光网络的发展，节能、高度集成的特性越来越突出，迫切需求多种逻辑门功能综合和适合多种调制方式的光子集成逻辑器件。

2.3 组播
    组播是指一个信号输入后在输出端输出多路相同的信号。它在增大网络流量方面有着重要的作用，特别是高速视频信号流，因此也是光网络中必不可少的一种功能。在光网络中，根据泵浦光数量的不同，产生波长多点复制的原理也有所不同，如图3所示。

    (1)最直接的方法如图3(a)所示。在简并四波混频中，输入信号作为泵浦光，信号光与探测光混合从而产生了一路闲频光，这样N个探测光输入便有N个信号光输出。

    (2)利用低色散、高非线性材料作为非线性介质，信号光仍然作为泵浦，当泵浦功率足够大时，可以产生参量放大效应。这种放大效应使探测光受到调制，同时携带上要求的信息，这样只需要N/2个探测光即可得到N个通道的信号输出，如图3(b)。

    (3)利用非简并四波混频效应，连续波作为泵浦，来产生多路闲频光。这种方法可以实现PSK信号的多点复制。如图3(c)所示，N/2个泵浦光可以实现N -1个信号光的复制。

    (4)利用非线性介质中超连续谱的产生以及周期性滤波器来实现多点复制。这种方法在较低输入功率情况下，同样能够适用于PSK信号。

    到目前为止，Bill P. P. Kuo等人在实验室中，利用双泵浦已经成功实现了1到60个波长信道的多点5输[16]；我们则利用单泵浦实现了1到11的多点复制[17]。图4描述了实验装置图以及主要的信道误码率(BER)。经过FWM后，得到了16个信道中的11个信道BER在10-9以下(图4b)，可以认为是无误码信道。图4(b)中1 540.79、1 542.50等数字表示不同波长。

3 偏振复用系统中的高速光信息处理
    如前所述，鉴于偏振复用系统的广泛采用，研究在偏振复用系统中的光信息处理技术就变得非常热门。可以通过偏振解复用后对每个信道单独进行处理，然后再复用后传输。然而，这样的方式既复杂，又不可靠，因此，在偏振复用系统中，基于单一信息处理单元技术实现两个偏振态信号的同时处理就变得非常重要，也极具挑战性。

3.1 全光波长再生
    随着P比特级光通信网络的发展，在偏振复用系统中由于光纤及光器件的群速度色散(GVD)、偏振模色散(PMD)、放大器的自发辐射噪声、光纤非线性效应以及信道内和信道间串扰等各种因素影响，将导致光信号经传输后产生恶化，例如PMD效应对偏振复用系统的影响是单偏振态系统的5倍以上[18]。目前已经提出多种提高信号质量的方法：

    (1)简单的电信号处理(均衡)。
    (2)DSP辅助相干探测。
    (3)新的调制编码方式，如正交频分复用。
    (4)全光再生技术。自相位调制加偏移滤波实现全光再生的原理如图5(a)所示。

    前4种是在电域中处理，不适合超高速光网络中的应用，后一种则是利用非线性效应的全光信号处理方式实现，成功克服了电域中速率“瓶颈”的限制。

    全光信号再生实验装置如图5(b)所示[19]。恶化的PDM信号首先经过掺铒光放大器(EDFA)，再由低通滤波器滤除放大产生的自发辐射噪声。通过偏振控制器、环形器到达偏振分束器(PBS)，从而分为两个不同偏振态的光：垂直偏振态和水平偏振态。不同偏振态的光以相对的方向一段高非线性光纤(HNLF)和一个偏振旋转器(ILF)。由于光纤中的SPM效应分别使得不同偏振态的光频谱展宽，并在PBS处重新合成偏振复用信号，最后经过一个偏移滤波器后可以得到再生后的PDM信号。相互垂直的偏振态的光在HNLF中传输的相互作用时间短，相互影响较小，且可以忽略XPM效应、FWM效应和后向散射的SBS噪声等。

    图6(a)、图6(b)给出了再生系统的工作性能。PDM信号经过SPM后频谱展宽基本一致，这样我们只需要一个偏移滤波器就可以实现两个信号的再生。

3.2 全光波长转换
    波长变换也是光网络中的关键技术之一，可以实现信号质量的优化(类似于再生)，也可以实现信号的交换。在PDM系统中，基于类似再生技术的原理，我们也实现了波长转换功能。

    图7(a)为PDM信号的波长转换原理图，波长为λ1的PDM信号经过EDFA放大后与波长为λ2的连续泵浦光共同注入到双偏振环中，由于泵浦光的注入使得不同偏振态的光在HNLF中各自发生XPM效应，波长为λ1的PDM信号对波长为λ2的泵浦光进行相位调制，使得其频谱展宽。展宽后的两个不同偏振态的光在PBS处复用、滤波，然后再经过一个中心波长为λ2+Δλ的低通滤波器可得到波长转换后的光信号。

    图7(b)为不同转换波长信号的信噪比提高情况以及两个不同偏振态的信号眼图。实验中转换器实现了从1 535 nm到1 565 nm的PDM信号波长转换[20]。

4 结束语
    为了实现P比特级的超高速网络，必须实现单信道在T比特级容量以上的传输链路。在实现T比特级大容量传输系统中，复用技术是一套行之有效的方法，尤其是偏振复用技术；另一方面，调制方式也从传统的OOK方式向多电平、相位调制方式发展。在这些技术的共同推动下，全光信息处理技术得到了快速发展，不仅可以摆脱电域中的速率“瓶颈”问题，也使得T比特级大容量传输和P比特级网络成为可能。未来的超高速光信息处理技术必然朝着多维(多信道、偏振复用)、集成(功能与器件)的方向发展。

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收稿日期：2011-09-19

[摘要] P比特级光交换网络的发展，要求网络在传输、复用和交换方式上具有灵活性、多样性和高效性，因此基于超高速全光信息处理的网络功能存在较大价值。利用不同光子材料非线性效应(SPM\XPM\FWM等)已成功实现了组播、码型变换、逻辑门等不同的全光信息处理单元技术，其中高非线性光纤以其易与现有光纤网络相融合和成本相对较低等特点而具有较大潜力。在总结光信息处理的相关研究进展的基础上，文章重点介绍了偏振复用(PDM)系统中的高速全光信息处理技术，包括基于自相位调制效应(SPM)的全光再生和基于交叉相位调制效应(XPM)的波长转换实现。

[关键词] 光信息处理；偏振复用；全光再生；波长变换；高非线性光纤

[Abstract] Flexible, diverse, and efficient methods of data transmission, multiplexing and exchange are necessary for all-optical networks. All-optical signal processing is highly valuable for network functionality. Multicasting, format conversion, and optical logics can be performed by various nonlinear techniques, including self phase modulation (SPM), cross-phase modulation (XPM), and four-wave mixing (FWM) in different kinds of photonic materials. Highly nonlinear optical fiber has great potential because it is easy to integrate with existing fiber networks and is relatively cheap. This paper reviews current research and highlights all-optical signal processing techniques in polarization division multiplexed (PDM) systems. These techniques include SPM-based all-optical signal regeneration and XPM-based wavelength conversion.

[Keywords] optical signal processing; polarization division multiplexing; all-optical regeneration; wavelength conversion; highly nonlinear optical fiber