超高速全光信息处理

 　　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。