超高速全光信息處理

　　摘要:P比特級(jí)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(jià)值。利用不同光子材料非線性效應(yīng)(SPM\XPM\FWM等)已成功實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)。

　　關(guān)鍵字: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(jí)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(shí)保障數(shù)據(jù)的安全可靠、高速多維(包括多波長-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(hào)處理(DSP)技術(shù)的均衡和補(bǔ)償?shù)确矫妗Ｓ捎陔娮?ldquo;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(shí)間內(nèi)還無法滿足P比特級(jí)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(jí))的特點(diǎn)，全光信息處理在P比特級(jí)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(duì)每個(gè)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(duì)信息的處理可以與速率和調(diào)制格式無關(guān)，這種在時(shí)域和頻域的全透明特性隨著人們對(duì)信號(hào)傳輸速度的要求越來越高而成為一個(gè)重要的研究方向[1-2]。

　　目前許多光子材料都可以作為全光信號(hào)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(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1.28 Tbit/s的信號(hào)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(shí)現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換、信號(hào)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(jí)聯(lián)二次諧波，級(jí)聯(lián)倍頻與差頻(cSHG/DFG)，級(jí)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(hào)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(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)功能中的應(yīng)用，包括信號(hào)再生、波長轉(zhuǎn)換、碼型變換、邏輯門以及組播等；最后針對(duì)目前廣泛采用但極具挑戰(zhàn)性(對(duì)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(jí)大容量信道傳輸技術(shù)

　　光纖最重要的一個(gè)特點(diǎn)是容量大，可以傳輸超高速率的數(shù)字信號(hào)。P比特級(jí)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(hào)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(shí)現(xiàn)了單信道T比特級(jí)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(hào)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(hào)還原成多路源信號(hào)，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(shí)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(OFDM)技術(shù)和傳統(tǒng)的光時(shí)分復(fù)用(OTDM)技術(shù)的推動(dòng)下，目前光纖中單信道的信息傳輸速率已經(jīng)超過1 Tbit/s[3-5]。

　　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(hào)調(diào)制技術(shù)，特點(diǎn)是各個(gè)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[6]，能夠很好地對(duì)抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾，且可以有效地消除信號(hào)由于多徑傳輸所帶來的碼間干擾(ISI)，是許多典型接入系統(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(gè)研究熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)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 Gbit/s信號(hào)傳輸l 000 km以上。采用光OFDM直接調(diào)制的300 m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(duì)短距離高速大容量信息通信有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[7]。具體的內(nèi)容可以見文獻(xiàn)[5,8-9]。