光通信中的全光信号处理-绪论(与“全光”相关共76张)

光通信中的全光信号处理技术光通信中的全光信号处理技术第一章绪论光纤通信研究什么？为什么要“全光信号处理”？什么是“全光信号处理”？全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理的基本理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？一光纤通信研究什么？光通信网络的蓬勃发展依赖于两大核心技术的突破，一是光传输技术，另一个是光交换技术。在传输层，光时分复用（OTDM）技术可望在密集波分复用（DWDM）基础上进一步提高传输容量，再辅以高级调制码型技术提高单个码元的信息容量，光传输技术已经取得突飞猛进的发展。目前已经报道了传输速率超过10Tbit/s、传输距离超1000km的解决方案。光纤通信研究什么？图1波分复用（WDM）光纤通信研究什么？图2时分复用（OTDM）光纤通信研究什么？图3单波长信道传输速率的发展状况光纤通信研究什么？图4跨洋通信的单纤传输容量增长情况光纤通信研究什么？

而在光网络的节点处需要相匹配的光交换技术来处理相应的数据信息，但是当前的全光交换技术发展相对滞后，交换速率相对较低。这主要是因为光子虽然具有优越的传输特性，但光控制光较难实现，存在一些基本问题需要突破。光纤通信研究什么？为什么要“全光信号处理”？什么是“全光信号处理”？全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理的基本理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？二为什么要“全光信号处理”？

下一代网络关键技术是我国中长期科技发展规划中的优先发展主题。为满足日益增长的信息容量需求，光通信网络无可争辩地仍然是下一代网络的核心。光通信网络要适应其开放、融合和高QOS的特点，需要朝着IP化、宽带化和智能化的方向发展，这就对网络节点和传输中的信号处理技术提出了很高的要求。

在目前光通信网络的信号处理中，微电子技术发挥着重要作用，在今后的一段时间内可能仍然会发挥主导作用。然而依靠缩尺效应来提高集成电路信号处理速度的方法慢慢趋向于理论上的极限，电子学处理速率不可能无限制提高。研究表明，集成电路的线度将趋于极限，进一步减小尺寸，晶体管就变成了电阻，量子尺寸效应将使电信号的处理速度达到极限。而在高速大容量光通信网络中，有限的电信号处理速率必将带来网络节点交换和处理速度的瓶颈，限制通信容量的提高。

发展超高速的全光信号处理技术，是解决光网络节点拥塞问题的必由之路。光子相对于电子具有很多优点；可以克服当前光通信系统中电学器件的速率瓶颈；

光子具有极快的传播速度真空30万km/sec光子具有极高的信息容量和效率

（波长短、频带宽）

无线电波>1m(f<3

108Hz)微波1m~1mm(f=3

108Hz~f=3

1011Hz)光波1mm~5nm(f=3

1011Hz~f=6

1016Hz)光子具有极快的响应能力

最窄电脉冲：ns10-9s,通信速率被限定在Gb/s109b/s最窄光脉冲：ps/fs10-12/10-15s,通信速率可达及百Gb/s甚至几十Tb/s

带宽距离积非常可观！

光的优越性光子具有极强的互联能力和并行处理能力

电子与电子之间具有库仑力，电子线路无法交连，互联受阻，成为限制电子信息速率和容量的一个主要因素，电子信号只能串行提取、传输和处理，将二维转换为一维串行信号，光子间不存在排斥和吸引力，空间相容，可并行处理。光子具有极大的存储能力

光子除进行一维、二维存储外，还能进行三维存储，加上频率、偏振等维，可用于存储的参量更多，具有极大的存储能力。一个存储器的容量极限是由单位信息量（bit）所需最小存储介质的体积决定的，对于光而言，为波长量级（λ），因此，三维存储容量为(1/λ)3量级。三维存储除容量大外，还可并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的。

光纤通信研究什么？为什么要“全光信号处理”？什么是“全光信号处理”？全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理的基本理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？三什么是“全光信号处理”？

利用全光的方法对光信号进行处理（放大、光束变换、信息提取、信息运算等）；用光来控制光，避免光电和电光转换；对光信号（carrier）上携带的信息进行处理；利用光信号对另一个光信号的振幅、相位、频率或偏振信息进行变换和控制。上述模拟芯片完成了对N个信道（每个信道速率10Gbit/s）光信号全光路由功能，N个信道先被波分解复用到WDM光子回路中，然后被重新分布进入光交叉连接模块中，加载新的标头后被重新波分复用进入另一根光纤中。数据包经过光延时线进行缓冲，后被送入光电探测器进行信道监控，采用CMOS电路监控信道特性，不同的芯片之间用电信号连接。超高速率网络中，若继续采用原有的ATM电学设备，节点将变的十分庞大复杂，超高速率传输带来的经济效益被高昂的转接费用升所抵消。例如思科（CISCO）的CRS-1型路由器实现92Tbit/s的交换容量，却占用了100m2的空间，消耗了1MW的功率，体重达60吨！唯一的技术解决方案是采用全光信号处理！澳大利亚悉尼大学CUDOS研究中心开发的光子集成的全光信号处理器件一个完整的光数据包括帧头和净负载两部分，首先对输入的数据包信号进行光再生，然后提取帧头信息，确定下一步净负载的路由和交换，如果在波长域出现阻塞或者冲突就需要波长转换，如果在时域中出现竞争冲突就需要光缓存单元。由此可见光数据包的产生、识别以及传输、再生和存储等涉及到全光波长转换、时钟恢复、3R再生（再定时，再放大，再整形）、全光逻辑和全光缓存等技术。因此全光信号处理技术是下一代光通信网络的基石，其与光传输技术相匹配，达到超高速全光网络的畅通无阻。光纤通信研究什么？为什么要“全光信号处理”？什么是“全光信号处理”？全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理的基本理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？四全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？periodicallypoledLiNbO3(PPLN)Waveguide

Quasiphasematch（1）全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？（2）硫化物波导全光信号处理基于哪些器件？（3）硅波导全光信号处理基于哪些器件？20mm（4）硅基微环全光信号处理基于哪些器件？（5）光子晶体光纤全光信号处理基于哪些器件？（6）色散位移光纤全光信号处理基于哪些器件？（7）半导体光放大器（SOA）SOA－XGM型波长转换结构简单，容易实现，转换效率高，输入功率动态范围大，可以偏振不敏感。全光信号处理基于哪些器件？同时大的增益调制会伴随大的啁啾。光树是对光路扩展后一种新的连接关系，一棵光树是包含一个光发射机和多个光接收机的传输通道。三阶：自相位调制、交叉相位调制、四波混频发展超高速的全光信号处理技术，是解决光网络节点拥塞问题的必由之路。六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？高速与消光比之间是个矛盾。在目前光通信网络的信号处理中，微电子技术发挥着重要作用，在今后的一段时间内可能仍然会发挥主导作用。10全光模拟数字转换技术5全光逻辑门------基本概念利用时间抖动小于100fs、脉宽小于1ps的超连续光脉冲作为三什么是“全光信号处理”？三维存储除容量大外，还可并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的。长有源区、高的模场限制因子的SOA有助于高速和高输出消光比。SOA的特点：体积小，便于集成（大规模阵列），增益带宽宽，可适合工作波长范围（1200-1700nm），便于光信号处理；存在问题：端面剩余反射引起的增益纹波，噪声指数（放大的自发辐射噪声），有限的饱和输出功率（增益饱和），偏振相关性;SOA中的交叉增益调制、交叉相位调制、自相位调制、四波混频和交叉偏振效应等被广泛利用来实现各种全光信号处理功能。基于SOA的关键器件长有源区SOA；量子点SOA；SOA－MZI；SOA-DI；SOALOM；SOA-UNI；SOA环形腔激光器；全光信号处理基于哪些器件？

（9）电吸收调制（EAM）全光信号处理基于哪些器件？（10）沉积碳纳米管的D型光纤光纤通信研究什么？为什么要“全光信号处理”？什么是“全光信号处理”？全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理的理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？五全光信号处理的理论基础是什么？以非线性光学基本理论为基础在高强电磁场中任何介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。比如开发放大器、调制器等新型器件。导致新的学科分支—非线性光纤光学。非线性效应的起源涉及的非线性效应二阶：和频、差频、倍频、光参量放大、光参量振荡三阶：自相位调制、交叉相位调制、四波混频孤子效应受激非弹性散射：受激布里渊散射(SBS)受激喇曼散射(SRS)光纤通信研究什么？为什么要“全光信号处理”？什么是“全光信号处理”？全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理的理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？光调制技术光复用技术全光放大；全光3R再生（全光整形、时钟恢复）；全光波长转换；全光码型转换；全光逻辑与全光计算；全光缓存；全光标记全光互联全光模拟信号/数字信号转换；全光波长交换与路由全光分组交换与路由1全光放大动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题全光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增。光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术(WDM)走向实用化、促进了光接入网的实用化历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器(EDFA)代表的全光放大技术是光纤通信技术上的一次革命。利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）类型:在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。原理:periodicallypoledLiNbO3(PPLN)Waveguide如果做成与SOA集成的窄带滤波器，应该具有极大的研究价值。利用全光的方法对光信号进行处理（放大、6全光分插复用（用于OTDM系统中的OADM）下一代网络关键技术是我国中长期科技发展规划中的优先发展主题。6全光分插复用（用于OTDM系统中的OADM）Ellisetal,ElectronicsLetters,vol.全光信号处理基于哪些器件？全光NOR门（SOA中的XGM作用）己有几种基于SOA非线性的全光逻辑门，这些非线性包括交叉增益调制、交叉相位调制和非线性偏振旋转。全光信号处理基于哪些器件？己有几种基于SOA非线性的全光逻辑门，这些非线性包括交叉增益调制、交叉相位调制和非线性偏振旋转。走向实用化、促进了光接入网的实用化泵浦光为连续光可同时实现多波长转换，对速率和格式完全透明。光子具有极快的传播速度真空30万km/sec五全光信号处理的理论基础是什么？光树实现点到多点的通信，即光层组播（Multicast）技术，如下图所示。光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制(2)受激辐射(1)能量注入(1)掺铒光纤放大器－EDFAEDFA性能稳定、增益高、噪声指数3～4dB、高饱和输出功率（10w输出）、便于多信道放大。存在问题：增益平坦、增益瞬态、增益带宽拓宽（2）全光放大（喇曼放大－RA）RA噪声低，分布式放大，用普通传输光纤作为增益介质，但增益较低（10dB左右），所需泵浦光功率较大，容易损伤光纤。采用多个泵浦波长泵浦，可实现80nm范围内增益平坦。（3）全光放大（半导体光放大器－SOA）A1550nmsemiconductoropticalamplifierusingaInGaAsPchipSOA做线性应用：放大，与探测器集成做前置放大，SOA与阵列波导光栅集成构成光开关矩阵。最大优势：集成，可实现增益带宽200nm，电光效率高。SOA最大的问题：ASE噪声，交叉增益调制。全光放大还有全光参量放大，光纤布里渊放大器等。2全光波长转换

WDM全光网的一个重要特征是利用波长来进行路由。在WDM系统中，如果光交叉连接（OXC）设备不具备波长转换功能，光通道在各光纤段中必须采用相同的波长。如下图所示：假设终端A要与终端C进行通信，此时终端E又要与终端B进行通信，这就产生了波长竞争关系，A与C通信时，将占用通信信道，此时则E与B无法进行通信。因此为了避免网络中出现大量终端同时通信时产生的波长竞争以及网络阻塞现象，应当引用具有波长转换功能的光交叉连接设备，使得光通道在不同的光纤段中可以根据需要占用不同的通信波长。2全光波长转换若采用具有波长转换功能的光交叉连接设备，则如下图所示，A与C通信的同时，E与B要进行通信，A与C的通信占用了通信波长λ1，当E与B要进行通信时发现波长λ1已被占用，则利用OXC设备将其通信波长变换到空闲波长λ2，因此通过引进OXC能够使得光通信网络同时进行多个链路的通信。这样提高了波长利用率，降低了信号阻塞率，大大提高了光通信效率。2全光波长转换（SOA交叉增益调制）SOAInputsignalPump(CW)Outputsignal

100Gbit/sconversionover5nmusingspeciallyoptimizedSOA

A.D.Ellisetal,ElectronicsLetters,vol.34,No.20

SOA－XGM型波长转换结构简单，容易实现，转换效率高，输入功率动态范围大，可以偏振不敏感。但输出消光比退化严重，高速波长转换时码型效应严重（载流子恢复时间限制）。高速与消光比之间是个矛盾。长有源区、高的模场限制因子的SOA有助于高速和高输出消光比。同时大的增益调制会伴随大的啁啾。全光波长转换（SOA四波混频型FWM）SOApumpsignalOutputsignal泵浦光为连续光可同时实现多波长转换，对速率和格式完全透明。无论SOA是否偏振无关，都具有内在的偏振相关性；转换效率较低，随转换间隔加大急剧降低，光信噪比较差。上转换和下转换效率有差别。采用2mm长SOA可实现100Gb/sFWM波长转换;2004年采用双泵浦＋1480nm辅助光方案实现10G的80nm范围内转换效率大于－10dB。交叉增益调制型可调谐全光波长转换器基于可调谐激光器和单端SOA实现交叉增益调制型10Gb/s40nm范围内可调谐全光波长转换10Gb/s223-1伪随机信号波长转换输出结果合适条件下，40nm范围内输出消光比大于10dB，转换效率大于0dB.3全光3R再生——基本概念

全光3R再生（Re-amplification、Re-shaping、Re-timing）是光网络的一个关键功能。由于色散、WDM信道间的串扰、光纤中的非线性效应、光源和光放大器的ASE噪声等因素都不可避免的引起网络中信号的恶化，尤其在40Gb/s及以上的高速光网络中，这种恶化对信号的影响更是不可忽略。必须对信号进行3R再生。全光3R再生系统包括光放大、时钟提取和光判决三个部分。全光3R再生——基本概念

光放大可以由EDFA实现，因此时钟提取和光判决技术是全光3R再生的关键。全光判决技术通常由全光开关来实现，时钟提取单元负责从恶化的数据信号中提取出低抖动、高消光比的时钟脉冲，时钟脉冲的形状和质量直接影响着再生信号的质量。常用的时钟提取方案根据提取的机制可分为电时钟提取，光电混合时钟提取，和全光时钟提取三大类。全光3R再生——基本概念3R：Re-amplification,Re-timing,Re-shaping解决损耗、噪声、串音和抖动问题2R：Re-amplification,Re-shaping解决损耗、噪声和串音问题全光2R一般用干涉型波长转换器可以实现；全光3R关键是全光时钟恢复和光判决门；RZ信号再生包括时钟恢复和光判决。而NRZ信号再生还需要先进行码型转换，将NRZ信号转换成RZ信号或PRZ信号，进行时钟恢复，利用恢复出的时钟进行光判决。光通信系统中常用的码型(幅度调制)4全光码型转换DPSK星座图QPSK星座图光通信系统中常用的码型（相位调制）不同码型性能的比较调制码型优点缺陷应用场合NRZ产生简单，较高色散容忍度，较高频谱效率低非线性容忍度，传输距离短城域或区域DWDMRZ高非线性容忍度产生较复杂，低色散容忍度，窄带滤波敏感长距离WDMCSRZ较高非线性容忍度，较高色散容忍度，高谱效率产生较复杂，窄带滤波敏感长距离WDMDuobinary高色散容忍度，高频谱效率低非线性容忍度，发送信号需经过电上预编码城域或区域DWDMDPSK高色散容忍度，高非线性容忍度，高频谱效率产生和接收较复杂长距离WDMRZ-DPSK较高色散容忍度，高非线性容忍度产生和接收较复杂长距离WDMDQPSK高色散容忍度，高非线性容忍度，高频谱效率产生和接收复杂长距离DWDM…瞬态光学与光子技术国家重点实验室第一部分：介绍全光信号处理的研究现状NRZ到RZ码型转换技术是WDM/OTDM混合光子网络关键技术！SOANRZ信号PRZ信号方案简单，输出信号质量较好，在上升沿提取光脉冲，需要较窄的光滤波器。如果做成与SOA集成的窄带滤波器，应该具有极大的研究价值。◆SOA中的自相位调制效应

◆单片集成有源麦克尔逊干涉仪实现RZ-to-NRZ转换

RZ信号从其中一个干涉臂注入，引起该干涉臂上SOA的折射率和位相变化，由于载流子浓度的调制带宽有限，注入的RZ光脉冲会展宽。这种脉冲展宽效应再结合干涉仪的正弦传输方程就可以实现RZ-to-NRZ转换。

半导体光放大器延迟干涉（SOA-DI）装置实现RZ-to-NRZ转换

通过调节延迟干涉装置两臂的延时和位相差，使两路信号分量满足相消干涉条件就可以实现RZ-to-NRZ的转换

5全光逻辑门------基本概念

在未来的高速光通信网络中，为了避开复杂和高功耗的光一电一光变换过程，全光逻辑门模块将有重要的应用。Boolean逻辑门（包括AND、OR门等）是基本的逻辑器件，它们是更复杂的全光功能模块或子系统的重要组成部分，例如半加器、全加器、计数器等。己有几种基于SOA非线性的全光逻辑门，这些非线性包括交叉增益调制、交叉相位调制和非线性偏振旋转。每个方案都有它自身的优点和缺点。全光NOR门（SOA中的XGM作用）

全光或非门的工作原理可描述为：当信号光A或B为比特“1”时，会消耗SOA的载流子浓度，连续光经过SOA被饱和吸收，泵浦光将半导体光放大器的增益抑制到一个很低的水平，输出为“0”；只有当信号光A与B都为比特“0”时，连续光才能经过SOA得到放大，输出为“1”。全光XNOR门（SOA中的FWM和XGM同时作用）S1和S2的四波混频，产生新频率光信号上是AND门；S1和S2共同作用在另外一个光时钟信号上，得到一个或非门的结果；分别滤出这两个结果，用耦合器耦合到一起，得到XNOR门。6全光分插复用（用于OTDM系统中的OADM）基于SOALOM在SLALOM的输入端口用环形器取出某一信道下载之后的数据，光时钟信号作为控制光，调整延时，可使反射和透射的曲线互补。关键：在高速信号中，载流子恢复速度不够，较难得到的位相差，需要选择合适控制光和数据光功率。40GHz光时钟的系统可工作。7全光解复用SOA－UNI注意：采用的是1310nm的控制光脉冲，使用的SOA增益峰值波长在1310nm。从1550nm160Gb/s的OTDM信号中分离出10Gb/s的信号。SOA中的四波混频利用SOA阵列与集成的平面光波回路实现160G到20G的解复用；利用时间抖动小于100fs、脉宽小于1ps的超连续光脉冲作为500Gb/s的信号和10GHz的泵浦光脉冲，从500Gb/s的光信号中成功解复用出了10Gb/s的信号脉冲，并可以实现无误码操作；

利用SOA已能实现200Gb/s信号的偏振无关的解复用。

PCF中的四波混频8全光串并转换技术全光串并转换（AOSPC）技术相当于在光域内实现多路同时进行的解复用，以1:N的AOSPC为例，一路高速串行光信号（速率为MGb/s）通过全光串并转换后，同时输出N路低速并行光信号（每路速率为M/NGb/s）。AOSPC的主要应用在于未来的光子分组交换网络。光分组交换通过分组级的光信号处理，实现光分组数据的路由和交换，最大利用网络资源并减少数据流量对网络带宽的需求。AOSPC具有大容量、灵活、可配置、带宽利用率高等特点，但所面临的最大问题是：一方面需要实现存储转发功能，另一方面在光域内实现信号的缓存和逻辑运算难度较大。9全光组播技术