高速光通信中的全光信號處理技術淺

談麗娜

摘 要：高速光通信是用光代替電作為信息的載體，用光作為通信傳輸的途徑的一種新的通信途徑，這不僅是通信史上，也是人類史上的劃時代進步。光通信的發展對通信領域帶來了巨大的變化，也使人類真正步入了信息時代。光通信已由初期的以實現信息的大容量傳輸為主進一步承擔信息的交換與選路發展，光通信的發展不僅對光信號處理技術提出了更高的要求，也使得光信號處理所涵蓋的內容進一步擴大。光信號處理技術已經成為光通信的支撐技術，并在光通信中發揮越來越重要的地位。

關鍵詞：高速光通信；光信號處理技術；光再生技術；光互連技術；光交換技術

隨著信息爆炸時代的到來，科技日新月異，傳統的電或者電磁波處理信息已經不能滿足科技發展的要求，隨著高速光通信技術的發展與成熟，高速光通信在通信、微電子、電子科學等多領域得到了廣泛應用，信號處理技術是高速光通信工程中重要的技術之一。

一、高速光通信中的全光數字信號處理

光通信中的光信號處理主要包含光的產生、傳輸、光路的控制和探測，因此必須有相應的光器件。與電子學器件相比，光子學器件的時間響應和單通道超大容量要比電子學器件高得多。由于低閾值、低功耗、長壽命及響應快的半導體激光器的誕生促進了光纖通信的實用化，并以0.8微米，1.3微米，1.55微米的激光光源為基礎形成三個光通信的窗口。多量子陷器件，高密度垂直腔面發射器、量子級器件和微腔光子動力學器件的發展，使激光閾值不斷降低，激光轉換效率與輸出功率不斷提高，波段得到拓展，線寬得以改善。用EDFA代替常規的光電光中繼系統，是光信號處理技術給光纖通信帶來的偉大變革，由此可見光信號處理技術是光通信技術的重要組成部分。

二、全光數字信號處理技術

（一）光調制技術

激光作為傳遞信息的有效工具，首先需要解決的問題是如何將信號加載到激光輻射上去，即使信號從其原來的形式轉變為一種更適于信道傳輸的形式。把欲傳輸的信息加載到江光輻射上的過程，成為激光調制，把完成這一過程的裝置稱作激光調制器。調制后的光波經過光纖信道傳送至接收端，由光接收機鑒別出它的變化，再出現原來所加載的信息，把這這個過程成為光解調制。其中激光頻率較高，對于光起控制作用的信息相對來說是一個低頻信號，我們這里吧低頻信號成為調制信號，而被調制后載攜低頻信號的光波成為載波或調制光波。光調制技術可以有不同的分類方式，按照載波是否連續可分為連續式調制和脈沖式調制；按照激光器和調制器的關系可分為直接調制和間接調制。從調制信號的連續性來看，光調制又可以分為模擬調制和數字調制。

（二）光再生技術

光再生從廣義上理解指完成光信號的再生，即光信號質量回復。光信號的再生技術包括光放大技術、光整形技術、光時鐘恢復技術，又稱3R再生。對于理想的光再生技術，有以下幾方面要求：對數據格式和速率透明：功耗低；對輸入定時抖動和功率起伏不敏感；高消光比；簡單有效，成本低；偏振不敏感；輸入功率的動態范圍要大。

1.光放大技術

光放大器是光通信系統中不可少的關鍵器件。波分復技術在高速大容量傳輸系統中所取得的成果很大程度上應歸功于光放大技術的成熟。由于光線損耗限制了光纖通信系統的傳送距離，光放大器可以把不同波長的光放大，令高速光通信的遠距離傳輸得以實現，傳統的光電光中繼方式，不僅技術復雜而且造價較高，由于光波之間的波長不同，所以為了將不同波長的光放大，勢必要準備很多的中繼器，這于經濟高效的理念相違背，光放大技術的出現實現了直接光放大，節省了大量的再生中繼器，使得光纖損耗不再成為限制距離的主要障礙，同時使傳輸鏈路透明化，簡化了系統，促進了真正意義上的密集波吩咐技術的飛速發展，是光通信領域的一次革命。

2.光整形技術

長距離的傳輸會造成光信號質量的下降，例如色散會造成脈沖的寬度，體現在眼前變得模糊。這種變化可用光譜檢測儀看到，一旦因脈沖展寬和信噪比下降造成的信號劣化積累到一定程度，則必須對信號進行整形，整形的目的就是恢復原來的脈沖形狀。實現光整形最為關鍵的一步就是對光信號重新判決，因此光整形又稱為光判決技術。主要的光判決門技術有基于非線性光環形鏡的光判決門、基于半導體放大器的光判決門、基于非線性飽和吸收效應的光判決門。

3.光時鐘恢復技術

光時鐘恢復技術是全光再生技術的重要組成部分，是全光再生中定時、整形的基礎。光時鐘恢復技術包括用外腔鎖膜激光器進行時鐘恢復、用DFB激光器自脈動進行時鐘提取、利用鎖膜光纖環激光器進行時鐘恢復、基于光鎖相環的適中恢復。

（三）光互連技術

隨著當前信息系統所需處理的信息量不斷增大，人們對處理器的速度和吞吐能力也提出了越來越高的要求。人們從兩個方面對現有計算機體系結構進行改造，一個方面是提高了計算機處理單元的速度；另一方面是采用大規模并行處理的方式，實現系統處理速度的大規模提高和吞吐能力的擴大，但這也帶來了怎樣進行處理器與處理器、處理器與其他模塊的互連問題，需要考慮用什么方式、以什么樣的結構進行連接。

雖然當前抄答案規模集成電路技術發展很快，處理速度不斷提高，但是這種基于電互連的方式存在一系列的缺陷，如電互連速度受電阻。電容的影響、時鐘歪斜問題、串音問題。可以看出，這些缺陷為電互連的固有屬性，很難突破，只有采用新的互連方式，才有可能克服這些限制，擴展超大規模集成電路的功能，一個可行的方案是采用光互連取代電互連解決互連通信問題。光互連采用光作為數據傳遞媒質，進行互連通信。與電互連相比具有很大的優勢。在光互連方式下，由于光信號不存在相互干擾，而且可以顯著的降低外界電磁場的干擾。

此外，光信號本身失真度小，因而不存在信號失真、時鐘扭曲的現象。光互連即通過光信號傳輸，把光源、互連通道、光探測器等組成部分連成一體，完成信息交換功能。其中光源用于產生攜帶數據的光信號，早期的光互連對光源的研究主要基于外部光源研究光源分束技術，包括如何使各個光束能分布均勻，減少光能損耗，研究設計微透鏡陣列，并利用這些微透鏡陣列使激光器分成能量均勻的光束，目前，光互連的研究主要采用垂直腔面發光二極管陣列，該陣列用做光互連光源優點很多：互連密度高、功耗小、工作頻率高和易與CMOS電路大規模集成等，還可對單個光源的發光角度和波長等進行調制，尤其是對三位VLSL芯片的自由空間互連具有重大意義。

光互連中最復雜的是光互連通道，我們這里把光互連通道按照其所涉及的功能粗略的分為兩類，一類是靈巧像素陣列，另一類是空間調制器。靈巧像素陣列使光電子器件與電子邏輯器件的混合體，該期間具有高寬帶的光數據傳輸通路，又具有一定的邏輯功能，能夠滿足光數據在傳輸過程中需要進行數據尋徑等簡單處理的需要，靈巧像素陣列使光互連中的關鍵部位。空間光調制器主要對于光的各種物理特性進行調制，如改變波長、光強度、光極化方向等。空間光調制器與靈巧像素陣列相配合，共同構成光互連的復雜結構。對于光互連的分類，如果按互連組成的層次來分類，光互連可分為計算機間光互連、電路板間光互連，以及芯片內光互連。但更多的是按互連通道之間的介質分，則可分為介質光互連和自由空間光互連，其中介質光互連指光信息沿特定的物理通路傳播，又可分為光纖互連和波導互連。

自由空間光互連是一種光束在自由空間無導波方式的光互連。光纖技術是最成熟的互連技術，即光纖的一端與光信號源耦合，另一端與探測器耦合，光信號在光線中傳輸，從而實現信號源與光互連。波導光互連與電互連方式下電信號通過信號傳輸有些類似，當高折射率的介質被低折射率的介質包圍從而形成的光波約束于其中的傳播通道，這就是波導光，波導光的一端與信號源互連，另一端與光控制器互連，在光纖或波導管內可以采用波分復等方式并行傳送多路光信號，完成不同的通信連接，同時還可用濾波器等光學元件進行路由選擇。

（四）光波長交換與路由技術

從目前以及未來的信息技術的需求判斷，傳輸速度快，容量高以及安全可靠的高光速通信必將被廣泛用于諸多領域，為了實現這一目的實現，高速光通信的處理技術也再不斷地變革。當通信網中電傳輸被光傳輸取代，那么電交換逐步被光交換取代必然成為通信網進一步發展的步驟，建設具有高度生存性的全光通信網已經是不得不進行的項目。

在高光速通信中的信號處理中，光交換是必不可少的環節，可以說光交換技術的發展程度決定了高光速通信工程的發展。目前的光電混合網絡僅僅由光傳輸系統和電子節點構成，光傳輸僅用于兩個電子節點間的點對點傳輸，網絡節點的信息交換仍采用電交換技術，為了完成信息的交換，每個電子節點中光信號都要轉換成電信號進行電處理，轉換完成后，再講電信號恢復成光信號，送到線路上傳輸。由于電子元件本身具有的屬性，比如電阻，電子元件長時間工作會出現發熱得到問題，電子節點負擔過重，造成信息在網絡節點的時延較大。尤其是在多波長光傳輸技術使傳輸容量大大增加的情況下，電節點處理能力與大容量傳輸不匹配的問題更顯得突出。

光交換與路由技術可以進入節點的高速信息流提供動態光域處理，僅將屬于該節點及其子網的信息上下路交由電設備繼續處理，這樣不僅能克服電子交換的容量瓶頸問題，大量節省建網和網絡升級成本，還能夠保證網絡的可靠性和提供靈活的信號路由平臺，大大提高網絡的重構靈活性和生存性，并加快網絡恢復的時間，保證網絡的高速率和協議透明性。隨著通信網絡逐漸向全光平臺發展，基于光層實現網絡的優化、路由、保護和自愈功能在光通信領域中越來越重要。光交換與路由技術可分為空分光交換技術，波分/頻分交換技術，時分光交換技術，光分組交換技術，復合型光交換技術。

三、總結

全光信號處理技術是高速光通信中非常重要的技術，這有加強全光信號處理技術的發展才能讓高速通信網高速，信息容量大的功能發揮出來。

參考文獻：

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作者簡介：麗娜（1980-），女，達斡爾族，遼寧阜新人，碩士，副教授，研究方向：電子信息。