光通信中的全光信号处理-绪论

光通信中的全光信号处理技术第一章绪论一光纤通信研究什么？二为什么要“全光信号处理”？三什么是“全光信号处理”？四全光信号处理基于哪些器件？五全光信号处理的基本理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？一光纤通信研究什么？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（DWDM）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10Tbit/s、传输距离超1000km的解决方案。光交换技术光传输技术光光光光光光光纤通信研究什么？图1波分复用（WDM）光纤通信研究什么？OpticalPulseSourceModulator1Modulator3Modulator4Modulator5Modulator2T2T3T4TEDFATTOpticalcouplerOpticalsplitter图2时分复用（OTDM）光纤通信研究什么？图3单波长信道传输速率的发展状况光纤通信研究什么？图4跨洋通信的单纤传输容量增长情况光纤通信研究什么？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。这主要是因为光子虽然具有优越的传输特性，但光控制光较难实现，存在一些基本问题需要突破。一光纤通信研究什么？二为什么要“全光信号处理”？三什么是“全光信号处理”？四全光信号处理基于哪些器件？五全光信号处理的基本理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？二为什么要“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中的优先发展主题。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。光通信网络要适应其开放、融合和高QOS的特点，需要朝着IP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。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，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。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问题的必由之路。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；光子具有极快的传播速度真空30万km/sec光子具有极高的信息容量和效率（波长短、频带宽）无线电波1m(f3108Hz)微波1m~1mm(f=3108Hz~f=31011Hz)光波1mm~5nm(f=31011Hz~f=61016Hz)光子具有极快的响应能力最窄电脉冲：ns10-9s,通信速率被限定在Gb/s109b/s最窄光脉冲：ps/fs10-12/10-15s,通信速率可达及百Gb/s甚至几十Tb/s带宽距离积非常可观！光的优越性光子具有极强的互联能力和并行处理能力电子与电子之间具有库仑力，电子线路无法交连，互联受阻，成为限制电子信息速率和容量的一个主要因素，电子信号只能串行提取、传输和处理，将二维转换为一维串行信号，光子间不存在排斥和吸引力，空间相容，可并行处理。光子具有极大的存储能力光子除进行一维、二维存储外，还能进行三维存储，加上频率、偏振等维，可用于存储的参量更多，具有极大的存储能力。一个存储器的容量极限是由单位信息量（bit）所需最小存储介质的体积决定的，对于光而言，为波长量级（λ），因此，三维存储容量为(1/λ)3量级。三维存储除容量大外，还可并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的。一光纤通信研究什么？二为什么要“全光信号处理”？三什么是“全光信号处理”？四全光信号处理基于哪些器件？五全光信号处理的基本理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？三什么是“全光信号处理”？•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）；•用光来控制光，避免光电和电光转换；•对光信号（carrier）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、频率或偏振信息进行变换和控制。•上述模拟芯片完成了对N个信道（每个信道速率10Gbit/s）光信号全光路由功能，N个信道先被波分解复用到WDM光子回路中，然后被重新分布进入光交叉连接模块中，加载新的标头后被重新波分复用进入另一根光纤中。数据包经过光延时线进行缓冲，后被送入光电探测器进行信道监控，采用CMOS电路监控信道特性，不同的芯片之间用电信号连接。超高速率网络中，若继续采用原有的ATM电学设备，节点将变的十分庞大复杂，超高速率传输带来的经济效益被高昂的转接费用升所抵消。例如思科（CISCO）的CRS-1型路由器实现92Tbit/s的交换容量，却占用了100m2的空间，消耗了1MW的功率，体重达60吨！唯一的技术解决方案是采用全光信号处理！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处理器件一个完整的光数据包括帧头和净负载两部分，首先对输入的数据包信号进行光再生，然后提取帧头信息，确定下一步净负载的路由和交换，如果在波长域出现阻塞或者冲突就需要波长转换，如果在时域中出现竞争冲突就需要光缓存单元。由此可见光数据包的产生、识别以及传输、再生和存储等涉及到全光波长转换、时钟恢复、3R再生（再定时，再放大，再整形）、全光逻辑和全光缓存等技术。因此全光信号处理技术是下一代光通信网络的基石，其与光传输技术相匹配，达到超高速全光网络的畅通无阻。一光纤通信研究什么？二为什么要“全光信号处理”？三什么是“全光信号处理”？四全光信号处理基于哪些器件？五全光信号处理的基本理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？四全光信号处理基于哪些器件？(f)(a)(c)(d)(b)全光信号处理基于哪些器件？periodicallypoledLiNbO3(PPLN)WaveguideQuasiphasematch（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？（2）硫化物波导全光信号处理基于哪些器件？（3）硅波导全光信号处理基于哪些器件？20mm（4）硅基微环全光信号处理基于哪些器件？（5）光子晶体光纤全光信号处理基于哪些器件？（6）色散位移光纤全光信号处理基于哪些器件？（7）半导体光放大器（SOA）SOA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SOA的关键器件•长有源区SOA；•量子点SOA；•SOA－MZI；•SOA-DI；•SOALOM；•SOA-UNI；•SOA环形腔激光器；全光信号处理基于哪些器件？（9）电吸收调制器（EAM）全光信号处理基于哪些器件？（10）沉积碳纳米管的D型光纤一光纤通信研究什么？二为什么要“全光信号处理”？三什么是“全光信号处理”？四全光信号处理基于哪些器件？五全光信号处理的理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？五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•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。•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。比如开发放大器、调制器等新型器件。•导致新的学科分支—非线性光纤光学。非线性效应的起源涉及的非线性效应二阶：和频、差频、倍频、光参量放大、光参量振荡三阶：自相位调制、交叉相位调制、四波混频孤子效应受激非弹性散射：受激布里渊散射(SBS)受激喇曼散射(SRS)一光纤通信研究什么？二为什么要“全光信号处理”？三什么是“全光信号处理”？四全光信号处理基于哪些器件？五全光信号处理的理论基础是什么？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？六全光信号处理涉及的关键技术包括哪些？•光调制技术•光复用技术•全光放大；•全光3R再生（全光整形、时钟恢复）；•全光波长转换；•全光码型转换；•全光逻辑与全光计算；•全光缓存；•全光标记•全光互联•全光模拟信号/数字信号转换；•全光波长交换与路由•全光分组交换与路由1全光放大动机：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光－电－光(O-E-O)变换方式。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增。光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术(WDM)走向实用化、促进了光接入网的实用化历史：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。利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）类型: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），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现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没有反馈或反馈较小的激光器。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－EDFAEDFA性能稳定、增益高、噪声指数3～4dB、高饱和输出功率（10w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(2)全光放大（喇曼放大－RA）RA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（10dB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浦，可实现80nm范围内增益平坦。(3)全光放大（半导体光放大器－SOA）A1550nmsemiconductoropticalamplifierusingaInGaAsPchipSOA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。SOA最大的问题：ASE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。2全光波长转换WDM全光网的一个重要特征是利用波长来进行路由。在WDM系统中，如果光交叉连接（OXC）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。如下图所示：假设终端A要与终端C进行通信，此时终端E又要与终端B进行通信，这就产生了波长竞争关系，A与C通信时，将占用通信信道，此时则E与B无法进行通信。因此为了避免网络中出现大量终端同时通信时产生的波长竞争以及网络阻塞现象，应当引用具有波长转换功能的光交叉连接设备，使得光通道在不同的光纤段中可以根据需要占用不同的通信波长。2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，则如下图所示，A与C通信的同时，E与B要进行通信，A与C的通信占用了通信波长λ1，当E与B要进行通信时发现波长λ1已被占用，则利用OXC设备将其通信波长变换到空闲波长λ2，因此通过引进OXC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率。2全光波长转换（SOA交叉增益调制）SOAInputsignalPump(CW)Outputsig