高速光通信中的全光信号处理技术浅

谈丽娜

摘 要：高速光通信是用光代替电作为信息的载体，用光作为通信传输的途径的一种新的通信途径，这不仅是通信史上，也是人类史上的划时代进步。光通信的发展对通信领域带来了巨大的变化，也使人类真正步入了信息时代。光通信已由初期的以实现信息的大容量传输为主进一步承担信息的交换与选路发展，光通信的发展不仅对光信号处理技术提出了更高的要求，也使得光信号处理所涵盖的内容进一步扩大。光信号处理技术已经成为光通信的支撑技术，并在光通信中发挥越来越重要的地位。

关键词：高速光通信；光信号处理技术；光再生技术；光互连技术；光交换技术

随着信息爆炸时代的到来，科技日新月异，传统的电或者电磁波处理信息已经不能满足科技发展的要求，随着高速光通信技术的发展与成熟，高速光通信在通信、微电子、电子科学等多领域得到了广泛应用，信号处理技术是高速光通信工程中重要的技术之一。

一、高速光通信中的全光数字信号处理

光通信中的光信号处理主要包含光的产生、传输、光路的控制和探测，因此必须有相应的光器件。与电子学器件相比，光子学器件的时间响应和单通道超大容量要比电子学器件高得多。由于低阈值、低功耗、长寿命及响应快的半导体激光器的诞生促进了光纤通信的实用化，并以0.8微米，1.3微米，1.55微米的激光光源为基础形成三个光通信的窗口。多量子陷器件，高密度垂直腔面发射器、量子级器件和微腔光子动力学器件的发展，使激光阈值不断降低，激光转换效率与输出功率不断提高，波段得到拓展，线宽得以改善。用EDFA代替常规的光电光中继系统，是光信号处理技术给光纤通信带来的伟大变革，由此可见光信号处理技术是光通信技术的重要组成部分。

二、全光数字信号处理技术

（一）光调制技术

激光作为传递信息的有效工具，首先需要解决的问题是如何将信号加载到激光辐射上去，即使信号从其原来的形式转变为一种更适于信道传输的形式。把欲传输的信息加载到江光辐射上的过程，成为激光调制，把完成这一过程的装置称作激光调制器。调制后的光波经过光纤信道传送至接收端，由光接收机鉴别出它的变化，再出现原来所加载的信息，把这这个过程成为光解调制。其中激光频率较高，对于光起控制作用的信息相对来说是一个低频信号，我们这里吧低频信号成为调制信号，而被调制后载携低频信号的光波成为载波或调制光波。光调制技术可以有不同的分类方式，按照载波是否连续可分为连续式调制和脉冲式调制；按照激光器和调制器的关系可分为直接调制和间接调制。从调制信号的连续性来看，光调制又可以分为模拟调制和数字调制。

（二）光再生技术

光再生从广义上理解指完成光信号的再生，即光信号质量回复。光信号的再生技术包括光放大技术、光整形技术、光时钟恢复技术，又称3R再生。对于理想的光再生技术，有以下几方面要求：对数据格式和速率透明：功耗低；对输入定时抖动和功率起伏不敏感；高消光比；简单有效，成本低；偏振不敏感；输入功率的动态范围要大。

1.光放大技术

光放大器是光通信系统中不可少的关键器件。波分复技术在高速大容量传输系统中所取得的成果很大程度上应归功于光放大技术的成熟。由于光线损耗限制了光纤通信系统的传送距离，光放大器可以把不同波长的光放大，令高速光通信的远距离传输得以实现，传统的光电光中继方式，不仅技术复杂而且造价较高，由于光波之间的波长不同，所以为了将不同波长的光放大，势必要准备很多的中继器，这于经济高效的理念相违背，光放大技术的出现实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，使得光纤损耗不再成为限制距离的主要障碍，同时使传输链路透明化，简化了系统，促进了真正意义上的密集波吩咐技术的飞速发展，是光通信领域的一次革命。

2.光整形技术

长距离的传输会造成光信号质量的下降，例如色散会造成脉冲的宽度，体现在眼前变得模糊。这种变化可用光谱检测仪看到，一旦因脉冲展宽和信噪比下降造成的信号劣化积累到一定程度，则必须对信号进行整形，整形的目的就是恢复原来的脉冲形状。实现光整形最为关键的一步就是对光信号重新判决，因此光整形又称为光判决技术。主要的光判决门技术有基于非线性光环形镜的光判决门、基于半导体放大器的光判决门、基于非线性饱和吸收效应的光判决门。

3.光时钟恢复技术

光时钟恢复技术是全光再生技术的重要组成部分，是全光再生中定时、整形的基础。光时钟恢复技术包括用外腔锁膜激光器进行时钟恢复、用DFB激光器自脉动进行时钟提取、利用锁膜光纤环激光器进行时钟恢复、基于光锁相环的适中恢复。

（三）光互连技术

随着当前信息系统所需处理的信息量不断增大，人们对处理器的速度和吞吐能力也提出了越来越高的要求。人们从两个方面對现有计算机体系结构进行改造，一个方面是提高了计算机处理单元的速度；另一方面是采用大规模并行处理的方式，实现系统处理速度的大规模提高和吞吐能力的扩大，但这也带来了怎样进行处理器与处理器、处理器与其他模块的互连问题，需要考虑用什么方式、以什么样的结构进行连接。

虽然当前抄答案规模集成电路技术发展很快，处理速度不断提高，但是这种基于电互连的方式存在一系列的缺陷，如电互连速度受电阻。电容的影响、时钟歪斜问题、串音问题。可以看出，这些缺陷为电互连的固有属性，很难突破，只有采用新的互连方式，才有可能克服这些限制，扩展超大规模集成电路的功能，一个可行的方案是采用光互连取代电互连解决互连通信问题。光互连采用光作为数据传递媒质，进行互连通信。与电互连相比具有很大的优势。在光互连方式下，由于光信号不存在相互干扰，而且可以显著的降低外界电磁场的干扰。

此外，光信号本身失真度小，因而不存在信号失真、时钟扭曲的现象。光互连即通过光信号传输，把光源、互连通道、光探测器等组成部分连成一体，完成信息交换功能。其中光源用于产生携带数据的光信号，早期的光互连对光源的研究主要基于外部光源研究光源分束技术，包括如何使各个光束能分布均匀，减少光能损耗，研究设计微透镜阵列，并利用这些微透镜阵列使激光器分成能量均匀的光束，目前，光互连的研究主要采用垂直腔面发光二极管阵列，该阵列用做光互连光源优点很多：互连密度高、功耗小、工作频率高和易与CMOS电路大规模集成等，还可对单个光源的发光角度和波长等进行调制，尤其是对三位VLSL芯片的自由空間互连具有重大意义。

光互连中最复杂的是光互连通道，我们这里把光互连通道按照其所涉及的功能粗略的分为两类，一类是灵巧像素阵列，另一类是空间调制器。灵巧像素阵列使光电子器件与电子逻辑器件的混合体，该期间具有高宽带的光数据传输通路，又具有一定的逻辑功能，能够满足光数据在传输过程中需要进行数据寻径等简单处理的需要，灵巧像素阵列使光互连中的关键部位。空间光调制器主要对于光的各种物理特性进行调制，如改变波长、光强度、光极化方向等。空间光调制器与灵巧像素阵列相配合，共同构成光互连的复杂结构。对于光互连的分类，如果按互连组成的层次来分类，光互连可分为计算机间光互连、电路板间光互连，以及芯片内光互连。但更多的是按互连通道之间的介质分，则可分为介质光互连和自由空间光互连，其中介质光互连指光信息沿特定的物理通路传播，又可分为光纤互连和波导互连。

自由空间光互连是一种光束在自由空间无导波方式的光互连。光纤技术是最成熟的互连技术，即光纤的一端与光信号源耦合，另一端与探测器耦合，光信号在光线中传输，从而实现信号源与光互连。波导光互连与电互连方式下电信号通过信号传输有些类似，当高折射率的介质被低折射率的介质包围从而形成的光波约束于其中的传播通道，这就是波导光，波导光的一端与信号源互连，另一端与光控制器互连，在光纤或波导管内可以采用波分复等方式并行传送多路光信号，完成不同的通信连接，同时还可用滤波器等光学元件进行路由选择。

（四）光波长交换与路由技术

从目前以及未来的信息技术的需求判断，传输速度快，容量高以及安全可靠的高光速通信必将被广泛用于诸多领域，为了实现这一目的实现，高速光通信的处理技术也再不断地变革。当通信网中电传输被光传输取代，那么电交换逐步被光交换取代必然成为通信网进一步发展的步骤，建设具有高度生存性的全光通信网已经是不得不进行的项目。

在高光速通信中的信号处理中，光交换是必不可少的环节，可以说光交换技术的发展程度决定了高光速通信工程的发展。目前的光电混合网络仅仅由光传输系统和电子节点构成，光传输仅用于两个电子节点间的点对点传输，网络节点的信息交换仍采用电交换技术，为了完成信息的交换，每个电子节点中光信号都要转换成电信号进行电处理，转换完成后，再讲电信号恢复成光信号，送到线路上传输。由于电子元件本身具有的属性，比如電阻，电子元件长时间工作会出现发热得到问题，电子节点负担过重，造成信息在网络节点的时延较大。尤其是在多波长光传输技术使传输容量大大增加的情况下，电节点处理能力与大容量传输不匹配的问题更显得突出。

光交换与路由技术可以进入节点的高速信息流提供动态光域处理，仅将属于该节点及其子网的信息上下路交由电设备继续处理，这样不仅能克服电子交换的容量瓶颈问题，大量节省建网和网络升级成本，还能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由平台，大大提高网络的重构灵活性和生存性，并加快网络恢复的时间，保证网络的高速率和协议透明性。随着通信网络逐渐向全光平台发展，基于光层实现网络的优化、路由、保护和自愈功能在光通信领域中越来越重要。光交换与路由技术可分为空分光交换技术，波分/频分交换技术，时分光交换技术，光分组交换技术，复合型光交换技术。

三、总结

全光信号处理技术是高速光通信中非常重要的技术，这有加强全光信号处理技术的发展才能让高速通信网高速，信息容量大的功能发挥出来。

参考文献：

[1] 袁伟.高速光通信中的全光数字信号处理技术[J].中国新通信，2016，（24）：27.

[2] 王智.高速光通信中的全光数字信号处理技术[J].科技导报，2016，（16）：121-138.

[3] 张方正.高速光通信中数字信号处理（DSP）与波形产生技术研究[D].北京邮电大学，2013.

作者简介：丽娜（1980-），女，达斡尔族，辽宁阜新人，硕士，副教授，研究方向：電子信息。