高速光通信中的全光數字信號處理技術

袁偉

【摘要】 全光信號處理技術是將某個光信號通過另外的光信號對其的振幅、相位等信息進行變動和控制。全光信號處理需要包括很多個環節，如放大、緩存、信號再生等等。將全光信號處理技術有效應用到通信網絡上，可以促進網絡傳輸速率、寬帶利用率的提高。所以在以后的光通信網絡發展中， 全光信號處理技術的作用和意義是非常重要的，必須予以重視。

【關鍵詞】 高速光通信 全光數字信號處理 光子神經元

一、全光邏輯與全光波長變換

1、全光邏輯。當下使用率比較高的邏輯門技術有兩種，第一種，邏輯運算是通過SOA自身的非線性效應來進行的，比如交叉相位調制（XPM） 和四波混頻效應 （FWM） 等；第二種的邏輯預算則是配有光纖結構或波導結構的干涉儀來完成的， 如Sagnac干涉儀、超高速非線性干涉儀等。

2、全光波長變換。全光波長變換技術能夠順利實現兩個波長光信息之間的傳遞，完成對信息的切換，將波長再次利用起來，促進其利用率的提高，更好的為全光通信網絡的建設做出貢獻。SOA元件在集成性、使用性等方面的優勢非常大，如輸入功率小、集成性高等特點，所以它可以更好的適用于全光波長變換器件的構建。

二、全光緩存技術

1、基于光纖延遲線的全光緩存技術。FDL型全光緩存器有兩種結構形式的光線結構： 第一種是由長度不等的光線延遲線構成的，當數據包通過延遲線時，會通過線的長短而實現延時緩沖作用； 第二種結構是環形的光纖單元，通過對光開關進行有效的調控來實現數據包的延時通過。雖然前一種光緩存器的操作以及結構都非常簡單，但是延遲單元僅能夠為光數據包進行一次處理，需要更多的光纖延遲線才能實現數據包的多次通過，集成性非常差； 而第二種形式的的光緩存器就可以有效解決這一問題，它的集成性非常好，并且可以使光信號在緩存單元內重復通過，它是以后FDL型全光緩存器的主要研究方向。

2、慢光型全光緩存技術。即便當下的慢光型緩存技術還不夠成熟，經常會出現緩存要求不達標、信號失真等情況，然而慢光緩存卻具有可調分辨率高、實用性強以及延時時間便于調控等優點，所以它對于全光緩存技術的研究還是具有很大的貢獻。根據作用原理的不同可以將慢光型緩存技術分為以下幾種：第一種利用的是受激布里淵散射 （SBS） 和受激拉曼散射 （SRS）現象；第二種利用是電磁誘導透明 （EIT）的原理；第三種利用的是具有特殊結構的介質；第四種利用的是相干布居振蕩的原理。

3、濾波法實現PRBS和單脈沖信號的可調延時。以往所用的相干布居振蕩會限制入射信號的工作帶寬，但是如果使用上轉型相干布居振蕩就可以有效解決這一問題，以確保高頻正弦信號慢光的實現。然而這種方法也是有缺陷的，它產生的慢光需要新的調制頻率與其對應，而且其需要更為先進和精確的設備，比如高帶寬矢量網絡分析儀 ，它可以用于對輸入頻率的管控和對固頻信號的檢測。綜合考慮各種條件的影響，選擇采用優化后的光濾波法，該方法的實用性非常強，可以幫助改進以往布居振蕩極限的SOA中高調制速率偽隨機PRBS的快慢光。

三、光子計算

1、光子神經元。人之所以具備學習、思考和運動等能力，那是因為人的大腦中具有神經網絡，而神經元則是神經網絡中最重要的組成部分。神經元是由樹突、 細胞體、 軸突等結構組成的， 它是構成神經網絡的基礎，它的功能有 延遲、時空整合、 閾值處理等等 （圖1） 。現階段將光學上用來模擬神經元功能的方法有兩種，即分立器件模擬和激光器模擬，前者利用分立器件來代替神經元，后者利用激光器來代替神經元。

2、學習機制。學習是神經網絡實現強大計算能力的基礎， 學習實際上就是對神經元之間權重的調整過程。STDP（spike-timing-dependent plasticity） 是目前脈沖神經元使用較為普遍的學習機制。STDP學習函數如圖2 （a） 所示， t pre 為突觸前脈沖激發時間， t post 為突觸后脈沖激發時間。當t pre

結論：從全光邏輯、 全光波長變換技術、 全光偽隨機碼發生器和速率倍增技術、 全光緩存技術等方面介紹了高速光通信中全光數字信號處理技術的研究進展。

參 考 文 獻

[1] 董建績， 張新亮， 黃德修. 基于半導體光放大器四波混頻效應的多種調制格式的波長轉換實驗[J]. 光學學報， 2008， 28（7）： 1327-1332.

[2] 王亞平. 光分組交換中全光路由控制的若干關鍵技術研究[D]. 北京： 北京交通大學物理系， 2010：5-6.

[3]馮震. 基于光緩存器的全光時分交換技術研究[D]. 北京： 北京交通大學物理系， 2013： 35-40.