光通信中的全光信號處理-緒論ppt課件

1、光通訊中的全光信號處置技術(shù)光通訊中的全光信號處置技術(shù) 第一章第一章 緒論緒論光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什么？為什么要為什么要“全光信號處置？全光信號處置？什么是什么是“全光信號處置？全光信號處置？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置的根本實際根底是什么？全光信號處置的根本實際根底是什么？六六 全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些？些？一一 光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什么？ 光通訊網(wǎng)絡(luò)的蓬勃開展依賴于兩大中心技術(shù)的突破，一是光通訊網(wǎng)絡(luò)的蓬勃開展依賴于兩大中心技術(shù)的突破，一是光傳輸技術(shù)，另一個是光交換技術(shù)。在傳輸層，光時分復用光傳輸

2、技術(shù)，另一個是光交換技術(shù)。在傳輸層，光時分復用OTDM技術(shù)可望在密集波分復用技術(shù)可望在密集波分復用DWDM根底上進一步根底上進一步提高傳輸容量，再輔以高級調(diào)制碼型技術(shù)提高單個碼元的信息提高傳輸容量，再輔以高級調(diào)制碼型技術(shù)提高單個碼元的信息容量，光傳輸技術(shù)曾經(jīng)獲得突飛猛進的開展。目前曾經(jīng)報道了容量，光傳輸技術(shù)曾經(jīng)獲得突飛猛進的開展。目前曾經(jīng)報道了傳輸速率超越傳輸速率超越 10Tbit/s、傳輸間隔超、傳輸間隔超1000km 的處理方案。的處理方案。光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什么？圖圖1 波分復用波分復用WDM光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什么？圖圖2 時分復用時分復用OTDM光纖通訊研討什么

3、？光纖通訊研討什么？圖圖3 單波長信道傳輸速率的開展情況單波長信道傳輸速率的開展情況光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什么？圖圖4 跨洋通訊的單纖傳輸容量增長情況跨洋通訊的單纖傳輸容量增長情況光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什么？ 而在光網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點處需求相匹配的光交換技術(shù)來處置而在光網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點處需求相匹配的光交換技術(shù)來處置相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，但是當前的全光交換技術(shù)開展相對滯后，相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，但是當前的全光交換技術(shù)開展相對滯后，交換速率相對較低。這主要是由于光子雖然具有優(yōu)越的傳輸交換速率相對較低。這主要是由于光子雖然具有優(yōu)越的傳輸特性，但光控制光較難實現(xiàn)，存在一些根本問題需求突破。特性，但光控制光較難實

4、現(xiàn)，存在一些根本問題需求突破。光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什么？為什么要為什么要“全光信號處置？全光信號處置？什么是什么是“全光信號處置？全光信號處置？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置的根本實際根底是什么？全光信號處置的根本實際根底是什么？六六 全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些？些？二二 為什么要為什么要“全光信號處置？全光信號處置？ 下一代網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)是我國中長期科技開展規(guī)劃中的優(yōu)先開展主題。為滿足日益增長的信息容量需求，光通訊網(wǎng)絡(luò)無可爭辯地依然是下一代網(wǎng)絡(luò)的中心。光通訊網(wǎng)絡(luò)要順應(yīng)其開放、交融和高 QOS 的特點，需求朝著

5、IP 化、寬帶化和智能化的方向開展，這就對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和傳輸中的信號處置技術(shù)提出了很高的要求。 在目前光通訊網(wǎng)絡(luò)的信號處置中，微電子技術(shù)發(fā)揚著重要作用，在今后的一段時間內(nèi)能夠依然會發(fā)揚主導作用。然而依托縮尺效應(yīng)來提高集成電路信號處置速度的方法漸漸趨向于實際上的極限，電子學處置速率不能夠無限制提高。研討闡明，集成電路的線度將趨于極限，進一步減小尺寸，晶體管就變成了電阻，量子尺寸效應(yīng)將使電信號的處置速度到達極限。而在高速大容量光通訊網(wǎng)絡(luò)中，有限的電信號處置速率必將帶來網(wǎng)絡(luò)節(jié)點交換和處置速度的瓶頸，限制通訊容量的提高。 開展超高速的全光信號處置技術(shù)，是處理光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點擁塞問題的必由之路。光子相對于電子具有

6、很多優(yōu)點；光子相對于電子具有很多優(yōu)點；可以抑制當前光通訊系統(tǒng)中電學器件的速率瓶頸；可以抑制當前光通訊系統(tǒng)中電學器件的速率瓶頸；v 光子具有極快的傳播速度光子具有極快的傳播速度 真空真空 30萬萬km/sec v 光子具有極高的信息容量和效率光子具有極高的信息容量和效率v 波長短、頻帶寬波長短、頻帶寬v 無線電波無線電波 1m (f 3 108 Hz)v 微微 波波 1m1mm (f=3 108 Hz f=3 1011 Hz)v 光光 波波 1mm5nm (f=3 1011 Hz f=6 1016 Hz)v 光子具有極快的呼應(yīng)才干光子具有極快的呼應(yīng)才干v 最窄電脈沖：最窄電脈沖：ns 10-9s

7、, 通訊速率被限定在通訊速率被限定在 Gb/s 109 b/sv 最窄光脈沖：最窄光脈沖：ps/fs 10-12/10-15s, 通訊速率可達通訊速率可達 及百及百 Gb/s 甚至幾十甚至幾十Tb/sv 帶寬間隔積非常可觀！帶寬間隔積非?？捎^！ 光的優(yōu)越性光的優(yōu)越性v 光子具有極強的互聯(lián)才干和并行處置才干光子具有極強的互聯(lián)才干和并行處置才干v 電子與電子之間具有庫侖力，電子線路無法交連電子與電子之間具有庫侖力，電子線路無法交連， 互聯(lián)受阻，互聯(lián)受阻， 成為限制電子信息速率和容量的一個主成為限制電子信息速率和容量的一個主要要素，要要素，v 電子信號只能串行提取、傳輸和處置，將二維電子信號只能串行

8、提取、傳輸和處置，將二維轉(zhuǎn)換為一維串行信號，轉(zhuǎn)換為一維串行信號， 光子間不存在排斥和吸引力，光子間不存在排斥和吸引力，空間相容，空間相容， 可并行處置?？刹⑿刑幹?。v 光子具有極大的存儲才干光子具有極大的存儲才干v 光子除進展一維、二維存儲外，還能進展三維存光子除進展一維、二維存儲外，還能進展三維存儲，加上頻率、偏振等維，可用于存儲的參量更多，儲，加上頻率、偏振等維，可用于存儲的參量更多，具有極大的存儲才干。具有極大的存儲才干。v 一個存儲器的容量極限是由單位信息量一個存儲器的容量極限是由單位信息量bit所需最小存儲介質(zhì)的體積決議的，對于光而言，為波所需最小存儲介質(zhì)的體積決議的，對于光而言，為

9、波長量級長量級，因此，三維存儲容量為，因此，三維存儲容量為(1/)3量級。量級。v 三維存儲除容量大外，還可并行存取，即信息三維存儲除容量大外，還可并行存取，即信息寫入和讀出都是寫入和讀出都是“逐頁進展的。逐頁進展的。 光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什么？為什么要為什么要“全光信號處置？全光信號處置？什么是什么是“全光信號處置？全光信號處置？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置的根本實際根底是什么？全光信號處置的根本實際根底是什么？六六 全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些？些？三三 什么是什么是“全光信號處置？全光信號處置？ 利用全光

10、的方法對光信號進展處置放利用全光的方法對光信號進展處置放大、大、 光束變換、信息提取、信息運算等；光束變換、信息提取、信息運算等； 用光來控制光，防止光電和電光轉(zhuǎn)換；用光來控制光，防止光電和電光轉(zhuǎn)換； 對光信號對光信號carrier上攜帶的信息進展上攜帶的信息進展處置；處置； 利用光信號對另一個光信號的振幅、相利用光信號對另一個光信號的振幅、相位、位、 頻率或偏振信息進展變換和控制。頻率或偏振信息進展變換和控制。澳大利亞悉尼大學澳大利亞悉尼大學 CUDOS 研討中心開發(fā)的光子集成的全光信號處置器件研討中心開發(fā)的光子集成的全光信號處置器件光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什么？為什么要為什么要“全光

11、信號處置？全光信號處置？什么是什么是“全光信號處置？全光信號處置？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置的根本實際根底是什么？全光信號處置的根本實際根底是什么？六六 全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些？些？四四 全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？periodically poled LiNbO3 (PPLN) Waveguide Quasi phase match1全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？

12、全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？2硫化物波導硫化物波導全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？3硅波導硅波導全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？20 mm4硅基微環(huán)硅基微環(huán)全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？ 5光子晶體光纖光子晶體光纖全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？ 6色散位移光纖色散位移光纖全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？ 7半導體光放大器半導體光放大器SOASOA的特點：的特點： 體積小，便于集成大規(guī)模陣列，增益帶寬寬，可適宜任務(wù)波長范圍1200-1700nm，便于光信號處置； 存在問

13、題： 端面剩余反射引起的增益紋波， 噪聲指數(shù)放大的自發(fā)輻射噪聲，有限的飽和輸出功率增益飽和，偏振相關(guān)性 ; SOA中的交叉增益調(diào)制、交叉相位調(diào)制、自相位調(diào)制、四波混頻和交叉偏振效應(yīng)等被廣泛利用來實現(xiàn)各種全光信號處置功能。基于基于SOA的關(guān)鍵器件的關(guān)鍵器件 長有源區(qū)SOA； 量子點SOA； SOAMZI ； SOA-DI ； SOALOM ； SOA-UNI； SOA環(huán)形腔激光器；全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？ 9電吸收調(diào)制電吸收調(diào)制器器EAM全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？ 10堆積碳納米管的堆積碳納米管的D型光纖型光纖光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什

14、么？為什么要為什么要“全光信號處置？全光信號處置？什么是什么是“全光信號處置？全光信號處置？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置的實際根底是什么？全光信號處置的實際根底是什么？六六 全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些？些？五五 全光信號處置的實際根底是什么？全光信號處置的實際根底是什么？以非線性光學根本實際為根底以非線性光學根本實際為根底 在高強電磁場中任何介質(zhì)對光的呼應(yīng)都會變成非線在高強電磁場中任何介質(zhì)對光的呼應(yīng)都會變成非線性，光纖也不例外。性，光纖也不例外。 雖然用于光纖的玻璃資料的非線性很弱，但由于纖雖然用于光纖的玻璃資料的非線

15、性很弱，但由于纖芯小，纖芯內(nèi)場強非常高，且作用間隔長，使得光芯小，纖芯內(nèi)場強非常高，且作用間隔長，使得光纖中的非線性效應(yīng)會積累到足夠的強度，導致對信纖中的非線性效應(yīng)會積累到足夠的強度，導致對信號的嚴重干擾和對系統(tǒng)傳輸性能的限制。號的嚴重干擾和對系統(tǒng)傳輸性能的限制。 反之，可以利用非線性景象產(chǎn)生有用的效應(yīng)。比如反之，可以利用非線性景象產(chǎn)生有用的效應(yīng)。比如開發(fā)放大器、調(diào)制器等新型器件。開發(fā)放大器、調(diào)制器等新型器件。 導致新的學科分支導致新的學科分支非線性光纖光學。非線性光纖光學。非線性效應(yīng)的來源非線性效應(yīng)的來源涉及的非線性效應(yīng)涉及的非線性效應(yīng)二階：和頻、差頻、倍頻、光參量放大、二階：和頻、差頻、倍

16、頻、光參量放大、 光參量振蕩光參量振蕩三階：自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻三階：自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻 孤子效應(yīng)孤子效應(yīng)受激非彈性散射：受激布里淵散射受激非彈性散射：受激布里淵散射(SBS) 受激喇曼散射受激喇曼散射(SRS)光纖通訊研討什么？光纖通訊研討什么？為什么要為什么要“全光信號處置？全光信號處置？什么是什么是“全光信號處置？全光信號處置？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置基于哪些器件？全光信號處置的實際根底是什么？全光信號處置的實際根底是什么？六六 全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些？些？六六 全光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些？全

17、光信號處置涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些？光調(diào)制技術(shù)光復用技術(shù)全光放大；全光3R再生全光整形、時鐘恢復；全光波長轉(zhuǎn)換；全光碼型轉(zhuǎn)換；全光邏輯與全光計算；全光緩存；全光標志全光互聯(lián)全光模擬信號/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換；全光波長交換與路由全光分組交換與路由1 全光放大全光放大動機：處理電中繼器設(shè)備復雜、維護難、本錢高的動機：處理電中繼器設(shè)備復雜、維護難、本錢高的問題問題 影響：光放大器最重要的意義在于促使波分復用技影響：光放大器最重要的意義在于促使波分復用技術(shù)術(shù) (WDM) 走向適用化、促進了光接入網(wǎng)的適用化走向適用化、促進了光接入網(wǎng)的適用化歷史：以歷史：以1989年誕生的摻鉺年誕生的摻鉺光纖放大器光纖放大器(ED

18、FA)代表的全代表的全光放大技術(shù)是光纖通訊技術(shù)光放大技術(shù)是光纖通訊技術(shù)上的一次革命。上的一次革命。類型類型:原理原理:光放大器與激光器的獨一區(qū)別就是光放大器沒有正反響機制(2) 受激輻射(1) 能量注入(1) 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器EDFAEDFA性能穩(wěn)定、增益高、噪聲指數(shù)性能穩(wěn)定、增益高、噪聲指數(shù)34dB、高飽和輸出功率、高飽和輸出功率10w輸出、便于多信道放大。輸出、便于多信道放大。存在問題：增益平坦、增益瞬態(tài)、增益帶寬拓寬存在問題：增益平坦、增益瞬態(tài)、增益帶寬拓寬(2) 全光放大喇曼放大全光放大喇曼放大RARA噪聲低，分布式放大，用普通傳輸噪聲低，分布式放大，用普通傳輸光纖作為增益

19、介質(zhì)，但增益較低光纖作為增益介質(zhì)，但增益較低10dB左右，所需泵浦光功率較大，左右，所需泵浦光功率較大，容易損傷光纖。采用多個泵浦波長泵容易損傷光纖。采用多個泵浦波長泵浦，可實現(xiàn)浦，可實現(xiàn)80nm范圍內(nèi)增益平坦。范圍內(nèi)增益平坦。(3) 全光放大半導體光放大器全光放大半導體光放大器SOAA 1550 nm semiconductor optical amplifier using a InGaAsP chipSOA做線性運用：放大，與探測器集成做前置放大，做線性運用：放大，與探測器集成做前置放大，SOA與陣列波導光柵集成與陣列波導光柵集成構(gòu)成光開關(guān)矩陣。最大優(yōu)勢：集成，可實現(xiàn)增益帶寬構(gòu)成光開關(guān)矩

20、陣。最大優(yōu)勢：集成，可實現(xiàn)增益帶寬200nm，電光效率高。，電光效率高。SOA最大的問題：最大的問題：ASE噪聲，交叉增益調(diào)制。噪聲，交叉增益調(diào)制。全光放大還有全光參量放大，光纖布里淵放大器等。全光放大還有全光參量放大，光纖布里淵放大器等。 2 全光波長轉(zhuǎn)換全光波長轉(zhuǎn)換 WDM 全光網(wǎng)的一個重要特征是利用波長來進展路由。在全光網(wǎng)的一個重要特征是利用波長來進展路由。在 WDM 系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，假設(shè)光交叉銜接假設(shè)光交叉銜接OXC設(shè)備不具備波長轉(zhuǎn)換功能，光通道在各光纖段中必設(shè)備不具備波長轉(zhuǎn)換功能，光通道在各光纖段中必需采用一樣的波長。如以下圖所示：需采用一樣的波長。如以下圖所示：假設(shè)終端假設(shè)終端 A

21、 要要與終端與終端 C 進展進展通訊，此時終通訊，此時終端端 E 又要與終又要與終端端B 進展通訊，進展通訊，這就產(chǎn)生了波這就產(chǎn)生了波長競爭關(guān)系，長競爭關(guān)系，A 與與 C 通訊時，通訊時，將占用通訊信將占用通訊信道，此時那么道，此時那么 E 與與B 無法進無法進展通訊。展通訊。因此為了防止網(wǎng)因此為了防止網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量終絡(luò)中出現(xiàn)大量終端同時通訊時產(chǎn)端同時通訊時產(chǎn)生的波長競爭以生的波長競爭以及網(wǎng)絡(luò)阻塞景象，及網(wǎng)絡(luò)阻塞景象，該當引器具有波該當引器具有波長轉(zhuǎn)換功能的光長轉(zhuǎn)換功能的光交叉銜接設(shè)備，交叉銜接設(shè)備，使得光通道在不使得光通道在不同的光纖段中可同的光纖段中可以根據(jù)需求占用以根據(jù)需求占用不同的通訊

22、波長。不同的通訊波長。 2 全光波長轉(zhuǎn)換全光波長轉(zhuǎn)換 假設(shè)采器具有波長轉(zhuǎn)換功能的光交叉銜接設(shè)備，那么如以假設(shè)采器具有波長轉(zhuǎn)換功能的光交叉銜接設(shè)備，那么如以下圖所示，下圖所示，A 與與 C 通訊的同時，通訊的同時，E 與與 B 要進展通訊，要進展通訊，A 與與 C 的的通訊占用了通訊波長通訊占用了通訊波長1，當，當 E 與與 B 要進展通訊時發(fā)現(xiàn)波長要進展通訊時發(fā)現(xiàn)波長1已已被占用，那么利用被占用，那么利用 OXC 設(shè)備將其通訊波長變換到空閑波長設(shè)備將其通訊波長變換到空閑波長2，因此經(jīng)過引進因此經(jīng)過引進 OXC 可以使得光通訊網(wǎng)絡(luò)同時進展多個鏈路的可以使得光通訊網(wǎng)絡(luò)同時進展多個鏈路的通訊。這樣提

23、高了波長利用率，降低了信號阻塞率，大大提高通訊。這樣提高了波長利用率，降低了信號阻塞率，大大提高了光通訊效率。了光通訊效率。2 全光波長轉(zhuǎn)換全光波長轉(zhuǎn)換SOA交叉增益調(diào)制交叉增益調(diào)制SOAInput signalPump (CW)Output signal 100 Gbit/s conversion over 5 nm using specially optimized SOA A. D. Ellis et al, Electronics Letters, vol. 34, No. 20 SOAXGM型波長轉(zhuǎn)換構(gòu)造簡單，容易實現(xiàn)，轉(zhuǎn)型波長轉(zhuǎn)換構(gòu)造簡單，容易實現(xiàn)，轉(zhuǎn)換效率高，輸入功率動態(tài)范圍大，

24、可以偏振不敏感。換效率高，輸入功率動態(tài)范圍大，可以偏振不敏感。但輸出消光比退化嚴重，高速波長轉(zhuǎn)換時碼型效應(yīng)但輸出消光比退化嚴重，高速波長轉(zhuǎn)換時碼型效應(yīng)嚴重載流子恢復時間限制。高速與消光比之間嚴重載流子恢復時間限制。高速與消光比之間是個矛盾。長有源區(qū)、高的模場限制因子是個矛盾。長有源區(qū)、高的模場限制因子SOA有助有助于高速和高輸出消光比。同時大的增益調(diào)制會伴隨于高速和高輸出消光比。同時大的增益調(diào)制會伴隨大的啁啾。大的啁啾。 全光波長轉(zhuǎn)換全光波長轉(zhuǎn)換SOA四波混頻型四波混頻型FWMSOApumpsignalOutput signal泵浦光為延續(xù)光可同時實現(xiàn)多泵浦光為延續(xù)光可同時實現(xiàn)多波長轉(zhuǎn)換，對速

25、率和格式完全波長轉(zhuǎn)換，對速率和格式完全透明。無論透明。無論SOA能否偏振無能否偏振無關(guān)，都具有內(nèi)在的偏振相關(guān)性；關(guān)，都具有內(nèi)在的偏振相關(guān)性；轉(zhuǎn)換效率較低，隨轉(zhuǎn)換間隔加轉(zhuǎn)換效率較低，隨轉(zhuǎn)換間隔加大急劇降低，光信噪比較差。大急劇降低，光信噪比較差。上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換效率有差別。上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換效率有差別。采用采用2mm長長SOA可可實現(xiàn)實現(xiàn)100Gb/sFWM波長轉(zhuǎn)換波長轉(zhuǎn)換; 2019年采年采用雙泵浦用雙泵浦1480nm輔助光方案實現(xiàn)輔助光方案實現(xiàn)10G的的80nm范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率大于效率大于10dB。交叉增益調(diào)制型可調(diào)諧全光波長轉(zhuǎn)換器交叉增益調(diào)制型可調(diào)諧全光波長轉(zhuǎn)換器基于可調(diào)諧激光器和單端S

26、OA實現(xiàn)交叉增益調(diào)制型10Gb/s40nm范圍內(nèi)可調(diào)諧全光波長轉(zhuǎn)換10Gb/s 223-1偽隨機信號波長轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果適宜條件下，40nm范圍內(nèi)輸出消光比大于10dB，轉(zhuǎn)換效率大于0dB. 3 全光全光3R再生再生根本概念根本概念 全光全光 3R 再生再生Re-amplification、Re-sharping、 Re-timing是光網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵功能。由于色散、是光網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵功能。由于色散、WDM 信道間的串擾、光纖中的信道間的串擾、光纖中的非線性效應(yīng)、光源和光放大器的非線性效應(yīng)、光源和光放大器的 ASE 噪聲等要素都不可防止的引起網(wǎng)噪聲等要素都不可防止的引起網(wǎng)絡(luò)中信號的惡化，尤其在絡(luò)中

27、信號的惡化，尤其在 40Gb/s及以上的高速光網(wǎng)絡(luò)中，這種惡化對及以上的高速光網(wǎng)絡(luò)中，這種惡化對信號的影響更是不可忽略。必需對信號進展信號的影響更是不可忽略。必需對信號進展 3R 再生。全光再生。全光 3R 再生系再生系統(tǒng)包括光放大、時鐘提取和光判決三個部分。統(tǒng)包括光放大、時鐘提取和光判決三個部分。 全光全光3R再生再生根本概念根本概念 光放大可以由光放大可以由 EDFA 實現(xiàn)，因此時鐘提取和光判決技術(shù)實現(xiàn)，因此時鐘提取和光判決技術(shù)是全光是全光 3R 再生的關(guān)鍵。全光判決技術(shù)通常由全光開關(guān)來實再生的關(guān)鍵。全光判決技術(shù)通常由全光開關(guān)來實現(xiàn)，時鐘提取單元擔任從惡化的數(shù)據(jù)信號中提取出低抖動、現(xiàn)，時鐘

28、提取單元擔任從惡化的數(shù)據(jù)信號中提取出低抖動、高消光比的時鐘脈沖，時鐘脈沖的外形和質(zhì)量直接影響著再高消光比的時鐘脈沖，時鐘脈沖的外形和質(zhì)量直接影響著再生信號的質(zhì)量。常用的時鐘提取方案根據(jù)提取的機制可分為生信號的質(zhì)量。常用的時鐘提取方案根據(jù)提取的機制可分為電時鐘提取，光電混合時鐘提取，和全光時鐘提取三大類。電時鐘提取，光電混合時鐘提取，和全光時鐘提取三大類。 全光全光3R再生再生根本概念根本概念3R：Re-amplification, Re-timing, Re-shaping 處理損耗、噪聲、串音和抖動問題處理損耗、噪聲、串音和抖動問題 2R： Re-amplification, Re-shap

29、ing 處理損耗、噪聲和串音問題處理損耗、噪聲和串音問題全光全光2R普通用干涉型波長轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)；普通用干涉型波長轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)；全光全光3R關(guān)鍵是全光時鐘恢復和光判決門；關(guān)鍵是全光時鐘恢復和光判決門；RZ信號再生包括時鐘恢復和光判決。而信號再生包括時鐘恢復和光判決。而NRZ信號再生還需求先進展碼型轉(zhuǎn)換，信號再生還需求先進展碼型轉(zhuǎn)換，將將NRZ信號轉(zhuǎn)換成信號轉(zhuǎn)換成RZ信號或信號或PRZ信號，進展時鐘恢復，利用恢復出的時鐘進信號，進展時鐘恢復，利用恢復出的時鐘進展光判決。展光判決。光通訊系統(tǒng)中常用的碼型(幅度調(diào)制)4 全光碼型轉(zhuǎn)換全光碼型轉(zhuǎn)換DPSK星座圖星座圖QPSK星座圖星座圖光通訊系統(tǒng)中

30、常用的碼型相位調(diào)制不同碼型性能的比較調(diào)制碼型優(yōu)點缺陷應(yīng)用場合NRZ產(chǎn)生簡單，較高色散容產(chǎn)生簡單，較高色散容忍度，較高頻譜效率忍度，較高頻譜效率低非線性容忍度，傳輸距離低非線性容忍度，傳輸距離短短城域或區(qū)域城域或區(qū)域DWDMRZ高非線性容忍度高非線性容忍度產(chǎn)生較復雜，低色散容忍度，產(chǎn)生較復雜，低色散容忍度，窄帶濾波敏感窄帶濾波敏感長距離長距離WDMCSRZ較高非線性容忍度，較較高非線性容忍度，較高色散容忍度，高譜效高色散容忍度，高譜效率率產(chǎn)生較復雜，窄帶濾波敏感產(chǎn)生較復雜，窄帶濾波敏感長距離長距離WDMDuobinary高色散容忍度，高頻譜高色散容忍度，高頻譜效率效率低非線性容忍度，發(fā)送信號低非

31、線性容忍度，發(fā)送信號需經(jīng)過電上預編碼需經(jīng)過電上預編碼城域或區(qū)域城域或區(qū)域DWDMDPSK高色散容忍度，高非線高色散容忍度，高非線性容忍度，高頻譜效率性容忍度，高頻譜效率產(chǎn)生和接收較復雜產(chǎn)生和接收較復雜長距離長距離WDMRZ-DPSK較高色散容忍度，高非較高色散容忍度，高非線性容忍度線性容忍度產(chǎn)生和接收較復雜產(chǎn)生和接收較復雜長距離長距離WDMDQPSK高色散容忍度，高非線高色散容忍度，高非線性容忍度，高頻譜效率性容忍度，高頻譜效率產(chǎn)生和接收復雜產(chǎn)生和接收復雜長距離長距離DWDM瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室驗室第一部分：引見全光信號處置的研討現(xiàn)狀第一部分：引見全光信

32、號處置的研討現(xiàn)狀SOANRZ信號PRZ信號方案簡單，輸出信號質(zhì)量較好，在上升沿提取光脈沖，需求較窄的光濾方案簡單，輸出信號質(zhì)量較好，在上升沿提取光脈沖，需求較窄的光濾波器。假設(shè)做成與波器。假設(shè)做成與SOA集成的窄帶濾波器，應(yīng)該具有極大的研討價值。集成的窄帶濾波器，應(yīng)該具有極大的研討價值。 SOA中的自相位調(diào)制效應(yīng)中的自相位調(diào)制效應(yīng) 單片集成有源麥克爾遜干涉儀實現(xiàn)單片集成有源麥克爾遜干涉儀實現(xiàn)RZ-to-NRZRZ-to-NRZ轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 RZ信號從其中一個干涉信號從其中一個干涉臂注入，引起該干涉臂上臂注入，引起該干涉臂上SOA的折射率和位相變化，的折射率和位相變化，由于載流子濃度的調(diào)制帶由于載流

33、子濃度的調(diào)制帶寬有限，注入的寬有限，注入的RZ光脈光脈沖會展寬。這種脈沖展寬沖會展寬。這種脈沖展寬效應(yīng)再結(jié)合干涉儀的正弦效應(yīng)再結(jié)合干涉儀的正弦傳輸方程就可以實現(xiàn)傳輸方程就可以實現(xiàn)RZ-to-NRZ轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。 半導體光放大器延遲干涉半導體光放大器延遲干涉SOA-DI安裝實現(xiàn)安裝實現(xiàn)RZ-to-NRZ轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 經(jīng)過調(diào)理延遲干涉安裝兩臂的延時和位相差，使兩路信號分量滿經(jīng)過調(diào)理延遲干涉安裝兩臂的延時和位相差，使兩路信號分量滿足相消干涉條件就可以實現(xiàn)足相消干涉條件就可以實現(xiàn)RZ-to-NRZRZ-to-NRZ的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換 5 全光邏輯門全光邏輯門-根本概念根本概念 在未來的高速光通訊網(wǎng)絡(luò)中，為了避開復

34、雜和高功在未來的高速光通訊網(wǎng)絡(luò)中，為了避開復雜和高功耗的光一電一光變換過程，全光邏輯門模塊將有重要的運耗的光一電一光變換過程，全光邏輯門模塊將有重要的運用。用。Boolean邏輯門邏輯門(包括包括AND和和OR門門)是根本的邏輯器是根本的邏輯器件，它們是更復雜的全光功能模塊或子系統(tǒng)的重要組成部件，它們是更復雜的全光功能模塊或子系統(tǒng)的重要組成部分，例如半加器、全加器、計數(shù)器的實現(xiàn)等等。己有幾種分，例如半加器、全加器、計數(shù)器的實現(xiàn)等等。己有幾種基于基于SOA非線性的全光邏輯門，這些非線性包括交叉增非線性的全光邏輯門，這些非線性包括交叉增益調(diào)制、交叉相位調(diào)制和非線性偏振旋轉(zhuǎn)。每個方案都有益調(diào)制、交叉

35、相位調(diào)制和非線性偏振旋轉(zhuǎn)。每個方案都有它本身的優(yōu)點和缺陷。它本身的優(yōu)點和缺陷。 全光全光NOR門門SOA中的中的XGM作用作用 全光或非門的任務(wù)原理可描畫為：當信號光全光或非門的任務(wù)原理可描畫為：當信號光 A 或或 B 為為比特比特“1時，會耗費時，會耗費 SOA的載流子濃度，延續(xù)光經(jīng)過的載流子濃度，延續(xù)光經(jīng)過 SOA 被飽和吸收，泵浦光將半導體光放大器的增益抑制到被飽和吸收，泵浦光將半導體光放大器的增益抑制到一個很低的程度，輸出為一個很低的程度，輸出為“0；只需當信號光；只需當信號光 A 與與 B 都為都為比特比特“0時，延續(xù)光才干經(jīng)過時，延續(xù)光才干經(jīng)過 SOA 得到放大，輸出為得到放大，輸

36、出為“1。 全光全光XNOR門門SOA中的中的FWM和和XGM同時作用同時作用S1和和S2的四波混頻，產(chǎn)生新的四波混頻，產(chǎn)生新頻率光信號上是頻率光信號上是AND門；門； S1和和S2共同作用在另外一個光時共同作用在另外一個光時鐘信號上，得到一個或非門的鐘信號上，得到一個或非門的結(jié)果；分別濾出這兩個結(jié)果，結(jié)果；分別濾出這兩個結(jié)果，用耦合器耦合到一同，得到用耦合器耦合到一同，得到XNOR門。門。6 全光分插復用用于全光分插復用用于OTDM系統(tǒng)中的系統(tǒng)中的OADM基于基于SOALOM在在SLALOM的輸入端口用環(huán)形器取出某一信道下載之后的數(shù)據(jù)，光時鐘信號的輸入端口用環(huán)形器取出某一信道下載之后的數(shù)據(jù)，

37、光時鐘信號作為控制光，調(diào)整延時，可使反射和透射的曲線互補。關(guān)鍵：在高速信號中，作為控制光，調(diào)整延時，可使反射和透射的曲線互補。關(guān)鍵：在高速信號中，載流子恢復速度不夠，較難得到載流子恢復速度不夠，較難得到的位相差，需求選擇適宜控制光和數(shù)據(jù)光的位相差，需求選擇適宜控制光和數(shù)據(jù)光功率。功率。40GHz光時鐘的系統(tǒng)可任務(wù)。光時鐘的系統(tǒng)可任務(wù)。7 全光解復用全光解復用 SOAUNI留意：采用的是留意：采用的是1310nm的控制光脈沖，運用的的控制光脈沖，運用的SOA增益峰增益峰值波長在值波長在1310nm。從。從1550nm 160Gb/s的的OTDM信號中分信號中分別出別出10Gb/s的信號。的信號。

38、 SOA中的四波混頻中的四波混頻 利用利用SOA陣列與集成的平面光波回路實現(xiàn)陣列與集成的平面光波回路實現(xiàn) 160G到到20G的解復用；的解復用； 利用時間抖動小于利用時間抖動小于100fs、脈寬小于、脈寬小于1ps 的超延續(xù)光脈沖作為的超延續(xù)光脈沖作為 500Gb/s 的信號和的信號和10GHz的泵浦光脈沖，從的泵浦光脈沖，從500Gb/s的光信號中成的光信號中成 功解復用出了功解復用出了10Gb/s的信號脈沖，并可以實現(xiàn)無誤碼操作；的信號脈沖，并可以實現(xiàn)無誤碼操作； 利用利用SOA已能實現(xiàn)已能實現(xiàn)200Gb/s信號的偏振無關(guān)的解復用。信號的偏振無關(guān)的解復用。 8 全光串并轉(zhuǎn)換技術(shù)全光串并轉(zhuǎn)換

39、技術(shù) 全光串并轉(zhuǎn)換全光串并轉(zhuǎn)換AOSPC技術(shù)相當于在光域內(nèi)實現(xiàn)多技術(shù)相當于在光域內(nèi)實現(xiàn)多路同時進展的解復用，以路同時進展的解復用，以 1:N 的的 AOSPC 為例，一路高速為例，一路高速串行光信號速率為串行光信號速率為 M Gb/s經(jīng)過全光串并轉(zhuǎn)換后，同時經(jīng)過全光串并轉(zhuǎn)換后，同時輸出輸出 N 路低速并行光信號每路速率為路低速并行光信號每路速率為 M/N Gb/s。 AOSPC 的主要運用在于未來的光子分組交換網(wǎng)絡(luò)。光的主要運用在于未來的光子分組交換網(wǎng)絡(luò)。光分組交換經(jīng)過分組級的光信號處置，實現(xiàn)光分組數(shù)據(jù)的路由分組交換經(jīng)過分組級的光信號處置，實現(xiàn)光分組數(shù)據(jù)的路由和交換，最大利用網(wǎng)絡(luò)資源并減少數(shù)據(jù)

40、流量對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需和交換，最大利用網(wǎng)絡(luò)資源并減少數(shù)據(jù)流量對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。求。AOSPC具有大容量、靈敏、可配置、帶寬利用率高等具有大容量、靈敏、可配置、帶寬利用率高等特點，但所面臨的最大問題是：一方面需求實現(xiàn)存儲轉(zhuǎn)發(fā)功特點，但所面臨的最大問題是：一方面需求實現(xiàn)存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能，另一方面在光域內(nèi)實現(xiàn)信號的緩存和邏輯運算難度較大。能，另一方面在光域內(nèi)實現(xiàn)信號的緩存和邏輯運算難度較大。9 全光組播技術(shù)全光組播技術(shù) 在多波長路由的光網(wǎng)絡(luò)中，一條由一個光發(fā)射機和一個光在多波長路由的光網(wǎng)絡(luò)中，一條由一個光發(fā)射機和一個光接納機構(gòu)成的光傳輸通道被稱為光路，光路可以實現(xiàn)點到點的接納機構(gòu)成的光傳輸通道被稱為光路，光

41、路可以實現(xiàn)點到點的通訊。光樹是對光路擴展后一種新的銜接關(guān)系，一棵光樹是包通訊。光樹是對光路擴展后一種新的銜接關(guān)系，一棵光樹是包含一個光發(fā)射機和多個光接納機的傳輸通道。光樹實現(xiàn)點到多含一個光發(fā)射機和多個光接納機的傳輸通道。光樹實現(xiàn)點到多點的通訊，即光層組播點的通訊，即光層組播Multicast技術(shù)，如以下圖所示。技術(shù)，如以下圖所示。MCOXS 是具有是具有 Multicast 才干的光交換節(jié)點，才干的光交換節(jié)點，OXS 是普通是普通的光交換節(jié)點。的光交換節(jié)點。10 全光模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)全光模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù) 模擬和數(shù)字是兩種最主要的信號方式，前者是指信息參數(shù)模擬和數(shù)字是兩種最主要的信號方式，前者是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為延續(xù)的信號，而后者是人為籠統(tǒng)出來的在在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為延續(xù)的信號，而后者是人為籠統(tǒng)出來的在幅度取值上不延續(xù)的信號。幅度取值上不延續(xù)的信號。 模擬信號廣泛分布于自然界的各個角落，但數(shù)字系統(tǒng)在穩(wěn)定模