高速光通信中的全光數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

袁偉

【摘要】 全光信號(hào)處理技術(shù)是將某個(gè)光信號(hào)通過(guò)另外的光信號(hào)對(duì)其的振幅、相位等信息進(jìn)行變動(dòng)和控制。全光信號(hào)處理需要包括很多個(gè)環(huán)節(jié)，如放大、緩存、信號(hào)再生等等。將全光信號(hào)處理技術(shù)有效應(yīng)用到通信網(wǎng)絡(luò)上，可以促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、寬帶利用率的提高。所以在以后的光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中， 全光信號(hào)處理技術(shù)的作用和意義是非常重要的，必須予以重視。

【關(guān)鍵詞】 高速光通信 全光數(shù)字信號(hào)處理 光子神經(jīng)元

一、全光邏輯與全光波長(zhǎng)變換

1、全光邏輯。當(dāng)下使用率比較高的邏輯門(mén)技術(shù)有兩種，第一種，邏輯運(yùn)算是通過(guò)SOA自身的非線性效應(yīng)來(lái)進(jìn)行的，比如交叉相位調(diào)制（XPM） 和四波混頻效應(yīng) （FWM） 等；第二種的邏輯預(yù)算則是配有光纖結(jié)構(gòu)或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的干涉儀來(lái)完成的， 如Sagnac干涉儀、超高速非線性干涉儀等。

2、全光波長(zhǎng)變換。全光波長(zhǎng)變換技術(shù)能夠順利實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波長(zhǎng)光信息之間的傳遞，完成對(duì)信息的切換，將波長(zhǎng)再次利用起來(lái)，促進(jìn)其利用率的提高，更好的為全光通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)做出貢獻(xiàn)。SOA元件在集成性、使用性等方面的優(yōu)勢(shì)非常大，如輸入功率小、集成性高等特點(diǎn)，所以它可以更好的適用于全光波長(zhǎng)變換器件的構(gòu)建。

二、全光緩存技術(shù)

1、基于光纖延遲線的全光緩存技術(shù)。FDL型全光緩存器有兩種結(jié)構(gòu)形式的光線結(jié)構(gòu)： 第一種是由長(zhǎng)度不等的光線延遲線構(gòu)成的，當(dāng)數(shù)據(jù)包通過(guò)延遲線時(shí)，會(huì)通過(guò)線的長(zhǎng)短而實(shí)現(xiàn)延時(shí)緩沖作用； 第二種結(jié)構(gòu)是環(huán)形的光纖單元，通過(guò)對(duì)光開(kāi)關(guān)進(jìn)行有效的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的延時(shí)通過(guò)。雖然前一種光緩存器的操作以及結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單，但是延遲單元僅能夠?yàn)楣鈹?shù)據(jù)包進(jìn)行一次處理，需要更多的光纖延遲線才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的多次通過(guò)，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(wèn)題，它的集成性非常好，并且可以使光信號(hào)在緩存單元內(nèi)重復(fù)通過(guò)，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(shù)。即便當(dāng)下的慢光型緩存技術(shù)還不夠成熟，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)緩存要求不達(dá)標(biāo)、信號(hào)失真等情況，然而慢光緩存卻具有可調(diào)分辨率高、實(shí)用性強(qiáng)以及延時(shí)時(shí)間便于調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，所以它對(duì)于全光緩存技術(shù)的研究還是具有很大的貢獻(xiàn)。根據(jù)作用原理的不同可以將慢光型緩存技術(shù)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(xiàn)象；第二種利用是電磁誘導(dǎo)透明 （EIT）的原理；第三種利用的是具有特殊結(jié)構(gòu)的介質(zhì)；第四種利用的是相干布居振蕩的原理。

3、濾波法實(shí)現(xiàn)PRBS和單脈沖信號(hào)的可調(diào)延時(shí)。以往所用的相干布居振蕩會(huì)限制入射信號(hào)的工作帶寬，但是如果使用上轉(zhuǎn)型相干布居振蕩就可以有效解決這一問(wèn)題，以確保高頻正弦信號(hào)慢光的實(shí)現(xiàn)。然而這種方法也是有缺陷的，它產(chǎn)生的慢光需要新的調(diào)制頻率與其對(duì)應(yīng)，而且其需要更為先進(jìn)和精確的設(shè)備，比如高帶寬矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 ，它可以用于對(duì)輸入頻率的管控和對(duì)固頻信號(hào)的檢測(cè)。綜合考慮各種條件的影響，選擇采用優(yōu)化后的光濾波法，該方法的實(shí)用性非常強(qiáng)，可以幫助改進(jìn)以往布居振蕩極限的SOA中高調(diào)制速率偽隨機(jī)PRBS的快慢光。

三、光子計(jì)算

1、光子神經(jīng)元。人之所以具備學(xué)習(xí)、思考和運(yùn)動(dòng)等能力，那是因?yàn)槿说拇竽X中具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而神經(jīng)元?jiǎng)t是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最重要的組成部分。神經(jīng)元是由樹(shù)突、 細(xì)胞體、 軸突等結(jié)構(gòu)組成的， 它是構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它的功能有 延遲、時(shí)空整合、 閾值處理等等 （圖1） ?，F(xiàn)階段將光學(xué)上用來(lái)模擬神經(jīng)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(lái)代替神經(jīng)元，后者利用激光器來(lái)代替神經(jīng)元。

2、學(xué)習(xí)機(jī)制。學(xué)習(xí)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大計(jì)算能力的基礎(chǔ)， 學(xué)習(xí)實(shí)際上就是對(duì)神經(jīng)元之間權(quán)重的調(diào)整過(guò)程。STDP（spike-timing-dependent plasticity） 是目前脈沖神經(jīng)元使用較為普遍的學(xué)習(xí)機(jī)制。STDP學(xué)習(xí)函數(shù)如圖2 （a） 所示， t pre 為突觸前脈沖激發(fā)時(shí)間， t post 為突觸后脈沖激發(fā)時(shí)間。當(dāng)t pre

結(jié)論：從全光邏輯、 全光波長(zhǎng)變換技術(shù)、 全光偽隨機(jī)碼發(fā)生器和速率倍增技術(shù)、 全光緩存技術(shù)等方面介紹了高速光通信中全光數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的研究進(jìn)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 董建績(jī)， 張新亮， 黃德修. 基于半導(dǎo)體光放大器四波混頻效應(yīng)的多種調(diào)制格式的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)， 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(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京： 北京交通大學(xué)物理系， 2010：5-6.

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