banner.jpg)
摘要:P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)(SPM\XPM\FWM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而具有較大潛力。在總結(jié)光信息處理的相關(guān)研究進展的基礎(chǔ)上，文章重點介紹了偏振復(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-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)的均衡和補償?shù)确矫�。由于電�?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，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[1-2]。
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1.28 Tbit/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(OFDM)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[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調(diào)制技術(shù)，特點是各個子載波正交，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[6]，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)中是近年來的一個研究熱點。實驗表明在不采取任何補償?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)對短距離高速大容量信息通信有著重要的現(xiàn)實意義[7]。具體的內(nèi)容可以見文獻[5,8-9]。
