光通信中的全光信号处理绪论.ppt

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1、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 第一章第一章 绪论绪论一一光纤通信研究什么？光纤通信研究什么？二二为什么要为什么要“全光信号处理全光信号处理”？三三什么是什么是“全光信号处理全光信号处理”？四四全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？五五全光信号处理的基本理论基础是什么？全光信号处理的基本理论基础是什么？六六 全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？一一 光纤通信研究什么？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

2、光时分复用光传输技术，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（）技术可望在密集波分复用（DWDM）基础上进一步）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传输速率超过 10Tbit/s、传输距离超、传输距离超1000km 的解决方案。的解决方案。光纤通信研究什么？光纤通信研究什么？图图1 波分复用（波分复用（WDM）光纤通信研究什么？光纤通信研究什么？图图2 时

3、分复用（时分复用（OTDM）光纤通信研究什么？光纤通信研究什么？图图3 单波长信道传输速率的发展状况单波长信道传输速率的发展状况光纤通信研究什么？光纤通信研究什么？图图4 跨洋通信的单纤传输容量增长情况跨洋通信的单纤传输容量增长情况光纤通信研究什么？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，但光控制光较难实光子虽然具有优越的传输特性，但光

4、控制光较难实现，存在一些基本问题需要突破。现，存在一些基本问题需要突破。一一光纤通信研究什么？光纤通信研究什么？二二为什么要为什么要“全光信号处理全光信号处理”？三三什么是什么是“全光信号处理全光信号处理”？四四全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？五五全光信号处理的基本理论基础是什么？全光信号处理的基本理论基础是什么？六六 全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？二二 为什么要为什么要“全光信号处理全光信号处理”？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，中

5、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、融合和高通信网络要适应其开放、融合和高 QOS 的特点，需的特点，需要朝着要朝着 IP 化、宽带化和智能化的方向发展，这就对化、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。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。然而依作用，在今后的一段时间内可能仍

6、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，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。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

7、容量的提高。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。问题的必由之路。光子相对于电子具有很多优点；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；可以克服当前光通信系统中电学器件的速率瓶颈；v 光子具有极快的传播速度光子具有极快的传播速度 真空真空 30万万km/sec v 光子具有极高的信息容量和效率光子具有极高的信息容量和效率 （波长短、频带宽）（波长短、频带宽）无线电波无线电波 1m(f 3 108 Hz)微微 波波 1m1mm(f=3 108

8、 Hz f=3 1011 Hz)光光 波波 1mm5nm(f=3 1011 Hz f=6 1016 Hz)v 光子具有极快的响应能力光子具有极快的响应能力 最窄电脉冲：最窄电脉冲：ns 10-9s,通信速率被限定在通信速率被限定在 Gb/s 109 b/s 最窄光脉冲：最窄光脉冲：ps/fs 10-12/10-15s,通信速率可达通信速率可达 及百及百 Gb/s 甚至几十甚至几十Tb/s 带宽距离积非常可观！带宽距离积非常可观！光的优越性光的优越性v 光子具有极强的互联能力和并行处理能力光子具有极强的互联能力和并行处理能力 电电子子与与电电子子之之间间具具有有库库仑仑力力，电电子子线线路路无无

9、法法交交连连，互互联联受受阻阻，成成为为限限制电子信息速率和容量的一个主要因素，制电子信息速率和容量的一个主要因素，电电子子信信号号只只能能串串行行提提取取、传传输输和和处处理理，将将二二维维转转换换为为一一维维串串行行信信号号，光子间不存在排斥和吸引力，空间相容，光子间不存在排斥和吸引力，空间相容，可并行处理。可并行处理。v 光子具有极大的存储能力光子具有极大的存储能力 光光子子除除进进行行一一维维、二二维维存存储储外外，还还能能进进行行三三维维存存储储，加加上上频频率率、偏偏振振等等维，可用于存储的参量更多，具有极大的存储能力。维，可用于存储的参量更多，具有极大的存储能力。一一个个存存储储

10、器器的的容容量量极极限限是是由由单单位位信信息息量量（bit）所所需需最最小小存存储储介介质质的的体体积积决决定定的的，对对于于光光而而言言，为为波波长长量量级级（），因因此此，三三维维存存储储容容量量为为(1/)3量级。量级。三三维维存存储储除除容容量量大大外外，还还可可并并行行存存取取，即即信信息息写写入入和和读读出出都都是是“逐逐页页”进行的。进行的。一一光纤通信研究什么？光纤通信研究什么？二二为什么要为什么要“全光信号处理全光信号处理”？三三什么是什么是“全光信号处理全光信号处理”？四四全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？五五全光信号处理的基本理论基础是什么？全光信号处

11、理的基本理论基础是什么？六六 全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？三三 什么是什么是“全光信号处理全光信号处理”？利用全光的方法对光信号进行处理（放大、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）；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；用光来控制光，避免光电和电光转换；对光信号（对光信号（carrier）上携带的信息进行处理；）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、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。频率或偏振信息进行变换和控制。上述模上述模上述模上

12、述模拟拟芯片完成了芯片完成了芯片完成了芯片完成了对对N N N N个信道（每个信道速率个信道（每个信道速率个信道（每个信道速率个信道（每个信道速率10Gbit/s10Gbit/s10Gbit/s10Gbit/s）光）光）光）光信号全光路由功能，信号全光路由功能，信号全光路由功能，信号全光路由功能，N N N N个信道先被波分解复用到个信道先被波分解复用到个信道先被波分解复用到个信道先被波分解复用到WDMWDMWDMWDM光子回路光子回路光子回路光子回路中，然后被重新分布中，然后被重新分布中，然后被重新分布中，然后被重新分布进进入光交叉入光交叉入光交叉入光交叉连连接模接模接模接模块块中，加中，加

13、中，加中，加载载新的新的新的新的标头标头后被重新波分复用后被重新波分复用后被重新波分复用后被重新波分复用进进入另一根光入另一根光入另一根光入另一根光纤纤中。数据包中。数据包中。数据包中。数据包经过经过光延光延光延光延时线时线进进行行行行缓缓冲，后被送入光冲，后被送入光冲，后被送入光冲，后被送入光电电探探探探测测器器器器进进行信道行信道行信道行信道监监控，采用控，采用控，采用控，采用CMOSCMOSCMOSCMOS电电路路路路监监控信道特性，不同的芯片之控信道特性，不同的芯片之控信道特性，不同的芯片之控信道特性，不同的芯片之间间用用用用电电信号信号信号信号连连接。接。接。接。超高速率网超高速率网

14、超高速率网超高速率网络络中，若中，若中，若中，若继续继续采用原有的采用原有的采用原有的采用原有的ATM ATM ATM ATM 电电学学学学设备设备，节节点点点点将将将将变变的十分的十分的十分的十分庞庞大复大复大复大复杂杂，超高速率，超高速率，超高速率，超高速率传输带传输带来的来的来的来的经济经济效益被高昂的效益被高昂的效益被高昂的效益被高昂的转转接接接接费费用升所抵消。用升所抵消。用升所抵消。用升所抵消。例如思科（例如思科（例如思科（例如思科（CISCOCISCOCISCOCISCO）的）的）的）的 CRS-1 CRS-1 CRS-1 CRS-1 型路由器型路由器型路由器型路由器实现实现 9

15、2Tbit/s 92Tbit/s 92Tbit/s 92Tbit/s 的交的交的交的交换换容量，却占用了容量，却占用了容量，却占用了容量，却占用了 100m100m100m100m2 2 2 2的空的空的空的空间间，消耗了，消耗了，消耗了，消耗了 1MW 1MW 1MW 1MW 的功率，体重达的功率，体重达的功率，体重达的功率，体重达 60 60 60 60 吨！吨！吨！吨！唯一的技唯一的技唯一的技唯一的技术术解决方案是采用全光信号解决方案是采用全光信号解决方案是采用全光信号解决方案是采用全光信号处处理！理！理！理！澳大利亚悉尼大学澳大利亚悉尼大学 CUDOS 研究中心开发的光子集成的全光信号

16、处理器件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一个完整的光数据包括一个完整的光数据包括一个完整的光数据包括帧头帧头和和和和净负载净负载两部分，首先两部分，首先两部分，首先两部分，首先对输对输入的数入的数入的数入的数据包信号据包信号据包信号据包信号进进行光再生，然后提取行光再生，然后提取行光再生，然后提取行光再生，然后提取帧头帧头信息，确定下一步信息，确定下一步信息，确定下一步信息，确定下一步净负载净负载的路的路的路的路由和交由和交由和交由和交换换，如果在波，如果在波，如果在波，如果在波长长域出域出域出域出现现阻塞或者冲突就需要波阻塞或者冲突就需要波阻塞或者冲突就需要波阻

17、塞或者冲突就需要波长转换长转换，如果，如果，如果，如果在在在在时时域中出域中出域中出域中出现竞现竞争冲突就需要光争冲突就需要光争冲突就需要光争冲突就需要光缓缓存存存存单单元。由此可元。由此可元。由此可元。由此可见见光数据包的光数据包的光数据包的光数据包的产产生、生、生、生、识别识别以及以及以及以及传输传输、再生和存、再生和存、再生和存、再生和存储储等涉及到全光波等涉及到全光波等涉及到全光波等涉及到全光波长转换长转换、时钟时钟恢复、恢复、恢复、恢复、3R 3R 3R 3R 再生（再定再生（再定再生（再定再生（再定时时，再放大，再整形）、全光，再放大，再整形）、全光，再放大，再整形）、全光，再放大

18、再整形）、全光逻辑逻辑和全光和全光和全光和全光缓缓存等技存等技存等技存等技术术。因此全光信号。因此全光信号。因此全光信号。因此全光信号处处理技理技理技理技术术是下一代光通信网是下一代光通信网是下一代光通信网是下一代光通信网络络的基石，其与光的基石，其与光的基石，其与光的基石，其与光传传输输技技技技术术相匹配，达到超高速全光网相匹配，达到超高速全光网相匹配，达到超高速全光网相匹配，达到超高速全光网络络的的的的畅畅通无阻。通无阻。通无阻。通无阻。一一光纤通信研究什么？光纤通信研究什么？二二为什么要为什么要“全光信号处理全光信号处理”？三三什么是什么是“全光信号处理全光信号处理”？四四全光信号处理

19、基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？五五全光信号处理的基本理论基础是什么？全光信号处理的基本理论基础是什么？六六 全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？四四 全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？periodically poled LiNbO3(PPLN)Waveguide Quasi phase match（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？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）硫化

20、物波导全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？（3）硅波导）硅波导全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？20 mm（4）硅基微环）硅基微环全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？（5）光子晶体光纤）光子晶体光纤全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？（6）色散位移光纤）色散位移光纤全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？（7）半导体光放大器（）半导体光放大器（SOA）SOA的特点：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

21、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。基于基于SOA的关键器件的关键器件长有源区SOA；量子点SOA；SOAMZI；SOA-DI；SOALOM；SOA-UNI；SOA环形腔激光器；全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？（9）电吸收调制器）电吸收调制器（EAM）全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？（10）沉积碳纳米管的）沉积碳纳米管的D型光纤型光纤一一光纤通信研究什么？光纤通信研究什么？二二为什么要为什么要“全光信号处理

22、全光信号处理”？三三什么是什么是“全光信号处理全光信号处理”？四四全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？五五全光信号处理的理论基础是什么？全光信号处理的理论基础是什么？六六 全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？五五 全光信号处理的理论基础是什么？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。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

23、内场强非常高，且作用距离长，使得光芯小，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。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。开发放大器、调制器等新型器件。导致新的学科分支导致新的学科分支非线性光纤光学。非线性光纤光学。非线性效应的起源非线性效应的起源涉及的非线性效应涉及的非线性效应二阶：和频、差频、倍频、光参量放大、二阶：和频、差频、倍频、光参量放大、光参量振荡光参

24、量振荡三阶：自相位调制、交叉相位调制、四波混频三阶：自相位调制、交叉相位调制、四波混频 孤子效应孤子效应受激非弹性散射：受激布里渊散射受激非弹性散射：受激布里渊散射(SBS)受激喇曼散射受激喇曼散射(SRS)一一光纤通信研究什么？光纤通信研究什么？二二为什么要为什么要“全光信号处理全光信号处理”？三三什么是什么是“全光信号处理全光信号处理”？四四全光信号处理基于哪些器件？全光信号处理基于哪些器件？五五全光信号处理的理论基础是什么？全光信号处理的理论基础是什么？六六 全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？六六 全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？全光信号处理涉及

25、的关键技术包括哪些？光调制技术光调制技术光复用技术光复用技术全光放大；全光放大；全光全光3R再生（全光整形、时钟恢复）；再生（全光整形、时钟恢复）；全光波长转换全光波长转换；全光码型转换；全光码型转换；全光逻辑与全光计算全光逻辑与全光计算；全光缓存全光缓存；全光标记全光标记全光互联全光互联全光模拟信号全光模拟信号/数字信号转换；数字信号转换；全光波长交换与路由全光波长交换与路由全光分组交换与路由全光分组交换与路由1 全光放大全光放大动机动机：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全光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用全光放大器出现之前，光纤通信的

26、中继器采用全光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光光电光光电光光电光(O-E-O)(O-E-O)变换方式。变换方式。变换方式。变换方式。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在在在在WDMWDM系统中复杂性和成本倍增。系统中复杂性和成本倍增。系统中复杂性和成本倍增。系统中复杂性和成本倍增。n n光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。里程碑。影响影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术(WD

27、M)走向实用化、促进了光接入网的实用化历史历史：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。n n利用稀土掺杂的光纤放大器（利用稀土掺杂的光纤放大器（利用稀土掺杂的光纤放大器（利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFAEDFA、PDFAPDFA）n n利用半导体制作的半导体光放大器（利用半导体制作的半导体光放大器（利用半导体制作的半导体光放大器（利用半导体制作的半导体光放大器（SOASOA）n n利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（

28、FRAFRA、FBAFBA）类型类型:在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受反转（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。激辐射实现对入射光的放大。激辐射实现对入射光的放大。激辐射实现对入射光的放大。n n光放大器是基于光放大器是基于光放大器是基于光放大器是基于受激辐射或受激散射受激辐射或受激散射受激辐射或受激散射受激辐射或受激散射原理

29、实现原理实现原理实现原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器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完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个完全相同。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。没有反馈或反馈较小的激光器。没有反馈或反馈较小的激光器。没有反馈或反馈较小的激光器。原理原理: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)掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFAEDFA

30、性能稳定、增益高、噪声指数性能稳定、增益高、噪声指数34dB、高饱和输出功率高饱和输出功率（10w输出）、便于多信道放大。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（喇曼放大全光放大（喇曼放大RA）RA噪声低，分布式放大，用普通传输噪声低，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，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容易损伤光纤。采用多个泵浦波长泵浦，可实现浦，可实现80nm范围内增益平坦。范围内增益平坦。(3)全光放

31、大（半导体光放大器全光放大（半导体光放大器SOA）A 1550 nm semiconductor optical amplifier using a InGaAsP chipSOA做线性应用：放大，与探测器集成做前置放大，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。电光效率高。SOA最大的问题：最大的问题：ASE噪声，交叉增益调制。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。全光放大还有全光参量放大，光纤布里渊放大器等

32、2 全光波长转换全光波长转换 WDM 全光网的一个重要特征全光网的一个重要特征是利是利用波长来进行用波长来进行路由。路由。在在 WDM 系系统中，如果光交叉连接（统中，如果光交叉连接（OXC）设备不具备波长转换功）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。能，光通道在各光纤段中必须采用相同的波长。如下图所示：如下图所示：假设终端假设终端 A 要要与终端与终端 C 进行进行通信，此时终通信，此时终端端 E 又要与终又要与终端端B 进行通信，进行通信，这就产生了波这就产生了波长竞争关系，长竞争关系，A 与与 C 通信时，通信时，将占用通信信将占用通信信道，此时则道，此时则 E

33、 与与B 无法进行无法进行通信。通信。因此为了避免网因此为了避免网络中出现大量终络中出现大量终端同时通信时产端同时通信时产生的波长竞争以生的波长竞争以及网络阻塞现象，及网络阻塞现象，应当引用具有波应当引用具有波长转换功能的光长转换功能的光交叉连接设备，交叉连接设备，使得光通道在不使得光通道在不同的光纤段中可同的光纤段中可以根据需要占用以根据需要占用不同的通信波长。不同的通信波长。2 全光波长转换全光波长转换 若采用具有波长转换功能的光交叉连接设备，若采用具有波长转换功能的光交叉连接设备，则则如下图所如下图所示，示，A 与与 C 通信的同时，通信的同时，E 与与 B 要进行通信，要进行通信，A

34、与与 C 的通信占的通信占用了通信波长用了通信波长1，当，当 E 与与 B 要进行通信时发现波长要进行通信时发现波长1已被已被占用，占用，则利用则利用 OXC 设备将其通信波长变换到空闲波长设备将其通信波长变换到空闲波长2，因此通过引，因此通过引进进 OXC 能够使得光通信网络同时进行多个链路的通信。这样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。率。2 全光波长转换全光波长转换（SOA交叉增益调制）交叉增益调制）SOAInput signalPump(CW)Output sign

35、al 100 Gbit/s conversion over 5 nm using specially optimized SOA A.D.Ellis et al,Electronics Letters,vol.34,No.20 SOAXGM型波长转换结构简单，容易实现，转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。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

36、限制因子是个矛盾。长有源区、高的模场限制因子SOA有助有助于高速和高输出消光比。同时大的增益调制会伴随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。大的啁啾。全光波长转换全光波长转换（SOA四波混频型四波混频型FWM）SOApumpsignalOutput signal泵浦光为连续光可同时实现多泵浦光为连续光可同时实现多波长转换，对速率和格式完全波长转换，对速率和格式完全透明。无论透明。无论SOA是否偏振无是否偏振无关，都具有内在的偏振相关性；关，都具有内在的偏振相关性；转换效率较低，随转换间隔加转换效率较低，随转换间隔加大急剧降低，光信噪比较差。大急剧降低，光信噪比较差。上转换和下转

37、换效率有差别。上转换和下转换效率有差别。采用采用2mm长长SOA可可实现实现100Gb/sFWM波长转换波长转换;2004年采年采用双泵浦用双泵浦1480nm辅助光方案实现辅助光方案实现10G的的80nm范围内转换范围内转换效率大于效率大于10dB。交叉增益调制型可调谐全光波长转换器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/s 223-1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 全光全光3R再生再生基本概念基本概念 全光全光 3R 再生（再生（R

38、e-amplification、Re-sharping、Re-timing）是光网络的一个关键功能。由于色散、）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，尤噪声等因素都不可避免的引起网络中信号的恶化，尤其在其在 40Gb/s及以上的高速光网络中，这种恶化对信号的影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。必须对信号进行响更是不可忽略。必须对信号进行 3R 再生。全光再生。全光 3R 再生再生系统包括光放大、时钟提取和光判决三个部

39、分。系统包括光放大、时钟提取和光判决三个部分。全光全光3R再生再生基本概念基本概念 光放大可以由光放大可以由 EDFA 实现，因此时钟提取和光判决技术实现，因此时钟提取和光判决技术是全光是全光 3R 再生的关键。全光判决技术通常由全光开关来实再生的关键。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、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

40、钟提取，光电混合时钟提取，和全光时钟提取三大类。电时钟提取，光电混合时钟提取，和全光时钟提取三大类。全光全光3R再生再生基本概念基本概念3R：Re-amplification,Re-timing,Re-shaping 解决损耗、噪声、串音和抖动问题解决损耗、噪声、串音和抖动问题 2R：Re-amplification,Re-shaping 解决损耗、噪声和串音问题解决损耗、噪声和串音问题全光全光2R一般用干涉型波长转换器可以实现；一般用干涉型波长转换器可以实现；全光全光3R关键是全光时钟恢复和光判决门；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。而信号再生包括时钟恢复和光判

41、决。而NRZ信号再生还需要先进行码型转换，信号再生还需要先进行码型转换，将将NRZ信号转换成信号转换成RZ信号或信号或PRZ信号，进行时钟恢复，利用恢复出的时钟进信号，进行时钟恢复，利用恢复出的时钟进行光判决。行光判决。光通信系统中常用的码型(幅度调制)4 全光码型转换全光码型转换DPSK星座图星座图QPSK星座图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，较高色散容忍产生简单，较高色散容忍度，较高频谱效率度，较高频谱效率低非线性容忍度，传输距离低非线性容忍度，传输距离短短城域或区域城域或区域DWDMRZ高非线性容忍度高非线性容忍度产生较复

42、杂，低色散容忍度，产生较复杂，低色散容忍度，窄带滤波敏感窄带滤波敏感长距离长距离WDMCSRZ较高非线性容忍度，较高较高非线性容忍度，较高色散容忍度，高谱效率色散容忍度，高谱效率产生较复杂，窄带滤波敏感产生较复杂，窄带滤波敏感长距离长距离WDMDuobinary高色散容忍度，高频谱效高色散容忍度，高频谱效率率低非线性容忍度，发送信号低非线性容忍度，发送信号需经过电上预编码需经过电上预编码城域或区域城域或区域DWDMDPSK高色散容忍度，高非线性高色散容忍度，高非线性容忍度，高频谱效率容忍度，高频谱效率产生和接收较复杂产生和接收较复杂长距离长距离WDMRZ-DPSK较高色散容忍度，高非线较高色散

43、容忍度，高非线性容忍度性容忍度产生和接收较复杂产生和接收较复杂长距离长距离WDMDQPSK高色散容忍度，高非线性高色散容忍度，高非线性容忍度，高频谱效率容忍度，高频谱效率产生和接收复杂产生和接收复杂长距离长距离DWDM瞬态光学与光子技术国家重点实瞬态光学与光子技术国家重点实验室验室第一部分：介绍全光信号处理的研究现状第一部分：介绍全光信号处理的研究现状NRZNRZ到到到到RZRZ码型转换技术是码型转换技术是码型转换技术是码型转换技术是WDM/OTDMWDM/OTDM混合光子网络关键技术！混合光子网络关键技术！混合光子网络关键技术！混合光子网络关键技术！SOANRZ信号PRZ信号方案简单，输出信

44、号质量较好，在上升沿提取光脉冲，需要较窄的光滤方案简单，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。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中的自相位调制效应 单片集成有源麦克尔逊干涉仪实现单片集成有源麦克尔逊干涉仪实现RZ-to-NRZ转换转换 RZ信号从其中一个干涉信号从其中一个干涉臂注入，引起该干涉臂上臂注入，引起该干涉臂上SOA的折射率和位相变化，的折射率和位相变化，由于载流子浓度的调制带由于载流子浓度的调制带宽有限，注入的宽有限，注入的RZ光脉光脉冲会展宽冲会展宽。这种脉

45、冲展宽。这种脉冲展宽效应再结合干涉仪的正弦效应再结合干涉仪的正弦传输方程就可以实现传输方程就可以实现RZ-to-NRZ转换。转换。半导体光放大器延迟干涉（半导体光放大器延迟干涉（SOA-DI）装置实现装置实现RZ-to-NRZ转换转换 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足相消干涉条件就可以实现RZ-to-NRZ的转换的转换 5 全光逻辑门全光逻辑门-基本概念基本概念 在未来的高速光通信网络中，为了避开复杂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，全光逻辑门模和高功耗的

46、光一电一光变换过程，全光逻辑门模块将有重要的应用。块将有重要的应用。Boolean逻辑门逻辑门(包括包括AND和和OR门门)是基本的逻辑器件，它们是更复杂的全光是基本的逻辑器件，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、功能模块或子系统的重要组成部分，例如半加器、全加器、计数器的实现等等。己有几种基于全加器、计数器的实现等等。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。案都有它自身的优点和缺点。全光全光NOR

47、门（门（SOA中的中的XGM作用）作用）全光或非门的工作原理可描述为全光或非门的工作原理可描述为：当信号光：当信号光 A 或或 B 为为比特比特“1”时，会消耗时，会消耗 SOA的载流子浓度，连续光经过的载流子浓度，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，输出为一个很低的水平，输出为“0”；只有当信号光；只有当信号光 A 与与 B 都都为比特为比特“0”时，连续光才能经过时，连续光才能经过 SOA 得到放大，输出为得到放大，输出为“1”。全光全光XNOR门（门（SOA中的中的FWM和和XGM同时作用）同时作

48、用）S1和和S2的四波混频，产生新的四波混频，产生新频率光信号上是频率光信号上是AND门；门；S1和和S2共同作用在另外一个光时共同作用在另外一个光时钟信号上，得到一个或非门的钟信号上，得到一个或非门的结果；分别滤出这两个结果，结果；分别滤出这两个结果，用耦合器耦合到一起，得到用耦合器耦合到一起，得到XNOR门。门。6 全光分插复用（用于全光分插复用（用于OTDM系统中的系统中的OADM）基于基于SOALOM在在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

49、信号中，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，载流子恢复速度不够，较难得到较难得到 的位相差的位相差，需要选择合适控制光和数据光功，需要选择合适控制光和数据光功率。率。40GHz光时钟的系统可工作。光时钟的系统可工作。7 全光解复用全光解复用 SOAUNI注意：采用的是注意：采用的是1310nm的控制光脉冲，使用的的控制光脉冲，使用的SOA增益峰增益峰值波长在值波长在1310nm。从从1550nm 160Gb/s的的OTDM信号中分离信号中分离出出10Gb/s的信号。的信号。SOA中的四波混频中的四波混频 利用利用SOA阵列与集成的平面光波回路

50、实现阵列与集成的平面光波回路实现 160G到到20G的解复用；的解复用；利用时间抖动小于利用时间抖动小于100fs、脉宽小于脉宽小于1ps 的超连续光脉冲作为的超连续光脉冲作为 500Gb/s 的信号和的信号和10GHz的泵浦光脉冲，从的泵浦光脉冲，从500Gb/s的光信号中成的光信号中成 功解复用出了功解复用出了10Gb/s的信号脉冲，并可以实现无误码操作；的信号脉冲，并可以实现无误码操作；利用利用SOA已能实现已能实现200Gb/s信号的偏振无关的解复用。信号的偏振无关的解复用。8 全光串并转换技术全光串并转换技术 全光串并转换（全光串并转换（AOSPC）技术相当于在光域内实现多）技术相当