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?shù)耐緩降囊环N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(fā)展對通信領(lǐng)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(xiàn)信息的大容量傳輸為主進一步承擔信息的交換與選路發(fā)展，光通信的發(fā)展不僅對光信號處理技術(shù)提出了更高的要求，也使得光信號處理所涵蓋的內(nèi)容進一步擴大。光信號處理技術(shù)已經(jīng)成為光通信的支撐技術(shù)，并在光通信中發(fā)揮越來越重要的地位。

關(guān)鍵詞：高速光通信；光信號處理技術(shù)；光再生技術(shù)；光互連技術(shù)；光交換技術(shù)

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

一、高速光通信中的全光數(shù)字信號處理

光通信中的光信號處理主要包含光的產(chǎn)生、傳輸、光路的控制和探測，因此必須有相應(yīng)的光器件。與電子學器件相比，光子學器件的時間響應(yīng)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(yīng)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(chǔ)形成三個光通信的窗口。多量子陷器件，高密度垂直腔面發(fā)射器、量子級器件和微腔光子動力學器件的發(fā)展，使激光閾值不斷降低，激光轉(zhuǎn)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(guī)的光電光中繼系統(tǒng)，是光信號處理技術(shù)給光纖通信帶來的偉大變革，由此可見光信號處理技術(shù)是光通信技術(shù)的重要組成部分。

二、全光數(shù)字信號處理技術(shù)

（一）光調(diào)制技術(shù)

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(zhuǎn)變?yōu)橐环N更適于信道傳輸?shù)男问健０延麄鬏數(shù)男畔⒓虞d到江光輻射上的過程，成為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱作激光調(diào)制器。調(diào)制后的光波經(jīng)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(xiàn)原來所加載的信息，把這這個過程成為光解調(diào)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(diào)制信號，而被調(diào)制后載攜低頻信號的光波成為載波或調(diào)制光波。光調(diào)制技術(shù)可以有不同的分類方式，按照載波是否連續(xù)可分為連續(xù)式調(diào)制和脈沖式調(diào)制；按照激光器和調(diào)制器的關(guān)系可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制。從調(diào)制信號的連續(xù)性來看，光調(diào)制又可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。

（二）光再生技術(shù)

光再生從廣義上理解指完成光信號的再生，即光信號質(zhì)量回復。光信號的再生技術(shù)包括光放大技術(shù)、光整形技術(shù)、光時鐘恢復技術(shù)，又稱3R再生。對于理想的光再生技術(shù)，有以下幾方面要求：對數(shù)據(jù)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(tài)范圍要大。

1.光放大技術(shù)

光放大器是光通信系統(tǒng)中不可少的關(guān)鍵器件。波分復技術(shù)在高速大容量傳輸系統(tǒng)中所取得的成果很大程度上應(yīng)歸功于光放大技術(shù)的成熟。由于光線損耗限制了光纖通信系統(tǒng)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?shù)靡詫崿F(xiàn)，傳統(tǒng)的光電光中繼方式，不僅技術(shù)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(jīng)濟高效的理念相違背，光放大技術(shù)的出現(xiàn)實現(xiàn)了直接光放大，節(jié)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(tǒng)，促進了真正意義上的密集波吩咐技術(shù)的飛速發(fā)展，是光通信領(lǐng)域的一次革命。

2.光整形技術(shù)

長距離的傳輸會造成光信號質(zhì)量的下降，例如色散會造成脈沖的寬度，體現(xiàn)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(xiàn)光整形最為關(guān)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(shù)。主要的光判決門技術(shù)有基于非線性光環(huán)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(yīng)的光判決門。

3.光時鐘恢復技術(shù)

光時鐘恢復技術(shù)是全光再生技術(shù)的重要組成部分，是全光再生中定時、整形的基礎(chǔ)。光時鐘恢復技術(shù)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(huán)激光器進行時鐘恢復、基于光鎖相環(huán)的適中恢復。

（三）光互連技術(shù)

隨著當前信息系統(tǒng)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(xiàn)有計算機體系結(jié)構(gòu)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(guī)模并行處理的方式，實現(xiàn)系統(tǒng)處理速度的大規(guī)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(jié)構(gòu)進行連接。

雖然當前抄答案規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)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?？梢钥闯?，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(guī)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(shù)據(jù)傳遞媒質(zhì)，進行互連通信。與電互連相比具有很大的優(yōu)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(xiàn)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(chǎn)生攜帶數(shù)據(jù)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(shù)，包括如何使各個光束能分布均勻，減少光能損耗，研究設(shè)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(fā)光二極管陣列，該陣列用做光互連光源優(yōu)點很多：互連密度高、功耗小、工作頻率高和易與CMOS電路大規(guī)模集成等，還可對單個光源的發(fā)光角度和波長等進行調(diào)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(diào)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(shù)據(jù)傳輸通路，又具有一定的邏輯功能，能夠滿足光數(shù)據(jù)在傳輸過程中需要進行數(shù)據(jù)尋徑等簡單處理的需要，靈巧像素陣列使光互連中的關(guān)鍵部位?？臻g光調(diào)制器主要對于光的各種物理特性進行調(diào)制，如改變波長、光強度、光極化方向等?？臻g光調(diào)制器與靈巧像素陣列相配合，共同構(gòu)成光互連的復雜結(jié)構(gòu)。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(nèi)光互連。但更多的是按互連通道之間的介質(zhì)分，則可分為介質(zhì)光互連和自由空間光互連，其中介質(zhì)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(shù)是最成熟的互連技術(shù)，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(xiàn)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(zhì)被低折射率的介質(zhì)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(nèi)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(shù)

從目前以及未來的信息技術(shù)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(lǐng)域，為了實現(xiàn)這一目的實現(xiàn)，高速光通信的處理技術(shù)也再不斷地變革。當通信網(wǎng)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(wǎng)進一步發(fā)展的步驟，建設(shè)具有高度生存性的全光通信網(wǎng)已經(jīng)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(huán)節(jié)，可以說光交換技術(shù)的發(fā)展程度決定了高光速通信工程的發(fā)展。目前的光電混合網(wǎng)絡(luò)僅僅由光傳輸系統(tǒng)和電子節(jié)點構(gòu)成，光傳輸僅用于兩個電子節(jié)點間的點對點傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信息交換仍采用電交換技術(shù)，為了完成信息的交換，每個電子節(jié)點中光信號都要轉(zhuǎn)換成電信號進行電處理，轉(zhuǎn)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(xiàn)發(fā)熱得到問題，電子節(jié)點負擔過重，造成信息在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時延較大。尤其是在多波長光傳輸技術(shù)使傳輸容量大大增加的情況下，電節(jié)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(shù)可以進入節(jié)點的高速信息流提供動態(tài)光域處理，僅將屬于該節(jié)點及其子網(wǎng)的信息上下路交由電設(shè)備繼續(xù)處理，這樣不僅能克服電子交換的容量瓶頸問題，大量節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級成本，還能夠保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和提供靈活的信號路由平臺，大大提高網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)靈活性和生存性，并加快網(wǎng)絡(luò)恢復的時間，保證網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議透明性。隨著通信網(wǎng)絡(luò)逐漸向全光平臺發(fā)展，基于光層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、路由、保護和自愈功能在光通信領(lǐng)域中越來越重要。光交換與路由技術(shù)可分為空分光交換技術(shù)，波分/頻分交換技術(shù)，時分光交換技術(shù)，光分組交換技術(shù)，復合型光交換技術(shù)。

三、總結(jié)

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

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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。