高速光通信中的全光数字信号处理技术

袁伟

【摘要】 全光信号处理技术是将某个光信号通过另外的光信号对其的振幅、相位等信息进行变动和控制。全光信号处理需要包括很多个环节，如放大、缓存、信号再生等等。将全光信号处理技术有效应用到通信网络上，可以促进网络传输速率、宽带利用率的提高。所以在以后的光通信網络发展中， 全光信号处理技术的作用和意义是非常重要的，必须予以重视。

【关键词】 高速光通信 全光数字信号处理 光子神经元

一、全光逻辑与全光波长变换

1、全光逻辑。当下使用率比较高的逻辑门技术有两种，第一种，逻辑运算是通过SOA自身的非线性效应来进行的，比如交叉相位调制（XPM） 和四波混频效应 （FWM） 等；第二种的逻辑预算则是配有光纤结构或波导结构的干涉仪来完成的， 如Sagnac干涉仪、超高速非线性干涉仪等。

2、全光波长变换。全光波长变换技术能够顺利实现两个波长光信息之间的传递，完成对信息的切换，将波长再次利用起来，促进其利用率的提高，更好的为全光通信网络的建设做出贡献。SOA元件在集成性、使用性等方面的优势非常大，如输入功率小、集成性高等特点，所以它可以更好的适用于全光波长变换器件的构建。

二、全光缓存技术

1、基于光纤延迟线的全光缓存技术。FDL型全光缓存器有两种结构形式的光线结构： 第一种是由长度不等的光线延迟线构成的，当数据包通过延迟线时，会通过线的长短而实现延时缓冲作用； 第二种结构是环形的光纤单元，通过对光开关进行有效的调控来实现数据包的延时通过。虽然前一种光缓存器的操作以及结构都非常简单，但是延迟单元仅能够为光数据包进行一次处理，需要更多的光纤延迟线才能实现数据包的多次通过，集成性非常差； 而第二种形式的的光缓存器就可以有效解决这一问题，它的集成性非常好，并且可以使光信号在缓存单元内重复通过，它是以后FDL型全光缓存器的主要研究方向。

2、慢光型全光缓存技术。即便当下的慢光型缓存技术还不够成熟，经常会出现缓存要求不达标、信号失真等情况，然而慢光缓存却具有可调分辨率高、实用性强以及延时时间便于调控等优点，所以它对于全光缓存技术的研究还是具有很大的贡献。根据作用原理的不同可以将慢光型缓存技术分为以下几种：第一种利用的是受激布里渊散射 （SBS） 和受激拉曼散射 （SRS）现象；第二种利用是电磁诱导透明 （EIT）的原理；第三种利用的是具有特殊结构的介质；第四种利用的是相干布居振荡的原理。

3、滤波法实现PRBS和单脉冲信号的可调延时。以往所用的相干布居振荡会限制入射信号的工作带宽，但是如果使用上转型相干布居振荡就可以有效解决这一问题，以确保高频正弦信号慢光的实现。然而这种方法也是有缺陷的，它产生的慢光需要新的调制频率与其对应，而且其需要更为先进和精确的设备，比如高带宽矢量网络分析仪 ，它可以用于对输入频率的管控和对固频信号的检测。综合考虑各种条件的影响，选择采用优化后的光滤波法，该方法的实用性非常强，可以帮助改进以往布居振荡极限的SOA中高调制速率伪随机PRBS的快慢光。

三、光子计算

1、光子神经元。人之所以具备学习、思考和运动等能力，那是因为人的大脑中具有神经网络，而神经元则是神经网络中最重要的组成部分。神经元是由树突、 细胞体、 轴突等结构组成的， 它是构成神经网络的基础，它的功能有 延迟、时空整合、 阈值处理等等 （图1） 。现阶段将光学上用来模拟神经元功能的方法有两种，即分立器件模拟和激光器模拟，前者利用分立器件来代替神经元，后者利用激光器来代替神经元。

2、学习机制。学习是神经网络实现强大计算能力的基础， 学习实际上就是对神经元之间权重的调整过程。STDP（spike-timing-dependent plasticity） 是目前脉冲神经元使用较为普遍的学习机制。STDP学习函数如图2 （a） 所示， t pre 为突触前脉冲激发时间， t post 为突触后脉冲激发时间。当t pre

结论：从全光逻辑、 全光波长变换技术、 全光伪随机码发生器和速率倍增技术、 全光缓存技术等方面介绍了高速光通信中全光数字信号处理技术的研究进展。

参 考 文 献

[1] 董建绩， 张新亮， 黄德修. 基于半导体光放大器四波混频效应的多种调制格式的波长转换实验[J]. 光学学报， 2008， 28（7）： 1327-1332.

[2] 王亚平. 光分组交换中全光路由控制的若干关键技术研究[D]. 北京： 北京交通大学物理系， 2010：5-6.

[3]冯震. 基于光缓存器的全光时分交换技术研究[D]. 北京： 北京交通大学物理系， 2013： 35-40.