7月JLT光学信号处理专刊评析
发布时间：2006-09-01 07:51:07 热度：2649
不支持该视频作者，浙江大学，宋军博士
本期的JLT是一个关于光学信号处理的专刊。光学信号处理是一个很大的研究方向，从研究内容上主要有系统设计，设施制造和数学算法研究这三块。而其应用方向则琳琅满目，不胜枚举，常见的如不波形发生、模数转换、信号均衡化、非线性处理、可变信号延时、传感等。本期的专刊由近30篇论文组成，无论从研究内容还是应用方向上看，都能揭示出当前光学信号处理的最高研究水准，和主流发展方向。下面我按照几个关键的研究方向，对主要论文作简单的评析。
一、时间-频率信号处理：
1. 脉冲扭曲恢复：
时间-频率信号处理是基于时间对频率傅立叶分析的光学信号处理方式。在本期专刊里面，对时间-频率信号处理的应用，关注度最高的是对高速脉冲信号扭曲的恢复。在以往的评析里面，我们已经提到光网络里由于色散效应的影响，信号会发生扭曲，进而产生误码。而对色散的影响作弥补的最普通方式当然是使用色散补偿光纤。但在实际网络里色散并不仅仅由光纤长度决定，还受到有无源器件的散射、衍射，甚至环境变化等多方面因素的影响，是个可变因素，因此对色散的动态可调补偿也是一个热门方向。而以往的评析里也介绍过应用啁啾光纤光栅等方式可以实现类似的补偿。但现实里光网络结构是复杂的，要精确测量色散大小再实时进行补偿有很多困难。有很多研究者认为采用时间-频率信号处理可以对任意脉冲扭曲作有效的补偿，特别该技术能应用在高速网络系统里。
对一个时间脉冲信号，在谱域上可以看作是具有一定频谱宽度的频率信号复用，这样一个扭曲的脉冲就可以看作在一定传输距离上一些到达时间发生变化的频率信号的叠加。因此对由色散产生的脉冲扭曲，采用时间-频率信号处理做脉冲恢复的基本过程为，将脉冲信号按频率解复用――>让每个频率信号到达时间回复到一个基准值――>再对各频率信号复用，从而恢复出原脉冲信号。显然这是一个典型的傅立叶分析过程。来自大阪大学的一篇特邀论文就对上述过程做了细节的描绘。首先对信号的频率解复用作者将脉冲通过一个BBO非线性晶体，让脉冲两个相邻时间对发生相位匹配，不同入射脉冲具有相对不同的入射角，因此相邻子脉冲合成后的出射角也不同，这样可以实现对一个色散脉冲信号的时间采样处理。然后让时间上分离出的子脉冲序列经过一个光栅，利用光栅的空间色散特性，可以按空间位置的不同转换到频率域来分析问题。然后对每个频率分量分别进行光学相位漂移操作，可以消除每个分量间的延时，让每个频率的到达时间回复到一个基准值。最后复用回复至时间域的过程完全可以看作刚才解复用的逆过程来实现。此外本期专刊里还有另一篇来自Tohoku大学的特邀论文，同样是利用时间-频率信号处理来做脉冲扭曲恢复的，采用原理大体类似，所不同的是该文章主要立足于对PMD的高阶分量进行补偿。
2. OTDM的加减复用：
对高速的OTDM网络，在某个网络节点有效下载、上载时间信号，而不影响相邻通道信号是很重要的。已有的加减复用方式很多。最典型的是商用的四端口系统。两个输入端一个用来输入传输信号，另一个则输入同步时钟信号，并靠该信号决定某一个固定时刻是否由一个输出端切换信号到另一个输出端口。此外，也有其他一些方案基于其他不同原理，例如使用波长转换器来实现OTDM信号的上下载。在转换速度上，这些方案基本都能适应未来的高速网络系统。而最根本的问题在于这些方案的消光比普遍不高，一般都在25dB以下。当这样的系统级联使用时，信号透明度变得不可接受。
因此最近有很多研究者开始探索新的上下载方案。采用时间-频率信号处理技术则是最受关注的一个。本期来自Southampton大学的一篇特邀论文详细介绍了相关的原理和系统实现。总的思路是现将OTDM信号转换成WDM信号，然后利用环路器和FBG对WDM信号进行我们熟知的OADM操作，最后再把WDM信号转换为OTDM信号。显然两边的OTDM对WDM互相转换过程都是时间-频率信号处理的过程，也就是在傅立叶变化的谱域进行加减复用操作，再反变换为时域复用信号。对这一关键转换过程的实现，作者利用的是XPM效应。将两路信号输入一个非线性光纤环形腔（NOLM），一路是OTDM输入信号，另一路则是人为生成的一路时间脉宽啁啾的信号。两路信号做交叉相位调制的时候，不同的脉宽对应的频率漂移也不同，这样在XPM操作后就得到一系列频率不同的复用信号，从而完成了对WDM的转换。而那路啁啾信号的生成，则是将一路非啁啾的时钟信号通过一段高非线性光纤，再经过一个由啁啾的光纤光栅和环行器组成的环路装置调制实现的。依靠现在的信号处理方案，加减复用后的OTDM信号消光比可以优于35dB。
二、RF光子信号处理：
RF光子信号处理是指用光学的方法（代替无线电）产生具有特定波形分布的微波信号的处理技术。能发生任意波形的微波发生器有很多应用，例如雷达、超宽带应用、光电测试等。在光通讯领域这样的系统也有很多应用。比如高速电光设施（调制器、相位偏移器等）通常都需要10V左右的高速RF信号做驱动。而采用光学方法生成的RF信号具有大带宽特性，通常能实现超过60GHz的光谱容量。本次专刊里关于这方面的内容很多，主要的论文有：（1）以色列的研究者提供的波形发生技术主要基于泰伯效应。所谓泰伯效应是一种很重要的光学现象，简单的说就是可以在一定条件下让物体经过一个周期性媒介成像，而像一般也是周期性的。作者将一个超短的脉冲（对应则是超宽带）通过一段色散光纤展宽，在经过一个电光调制器，而调制器的调制信号则是周期性微波信号，靠调制信号的选择可以输出周期性的，具有任意波形的输出信号；（2）Purdue大学的研究者采用谱线控制的方法来实现任意波形的发生，原理其实和刚才说的时间-频率信号处理一样，只不过现在针对微波信号。将时域的脉冲变换到谱域，然后根据需要滤掉某些频谱分量，再反变换回去，显然时域波形会相应发生预定的变化。而频谱修剪过程则是通过一程序可控的脉冲整形器实现的。最后信号再通过EDFA做功耗补偿；（3）California大学的研究者则针对任意波形RF发生器存在的增益谱起伏（带通纹波）做了矫正。原理还是一样，信号经过光栅按频率散开，再通过可控光空间滤波器做频谱修剪，最后再经过一光栅反变回去。
三、光学模拟-数字转换：
光学模数转换相对电子模数转换最显著的优势在于其具有很高的处理速度。对电子转换，目前的报导，最高的大概是实现了24Gs/s（gigasamples per second），但要再高已经很困难了。一个典型的模数转换过程包括采样-量化-编码三个步骤。对光学数据采样近年已经陆续提出了许多方法，然而在光学上实现量化和编码则很少有非常好的方案被提出。本期来自大阪大学的一篇特邀论文就对光学的量化和编码过程开展了研究。作者主要利用了氧化硅里的克尔效应来实现信号的高速采样。之后采样信号和连续等间隔的探测信号经过一个Sagnac环状干涉仪来实现对信号的编码。其中探测脉冲先经过3dB耦合器分为两束，一束与采样信号经过一个复用器后进入高非线性光纤，作交叉相位调制。调制信号再与另一路探测信号干涉。线路中有偏振控制器做调节，以便获得最大的XPM。采样信号在与探测信号XPM后，将强度信息转化为对探测信号的相位漂移。进而在与另一路探测信号干涉后，体现为相应位置强度的衰减。最后信号再通过带通滤波器滤除原探测信号。每个编码器后跟一个门限单元来根据相应位置信号强度来判定是0还是1。在实验上作者现实了10Gs/s，3字节的模数转换。
四、非线性信号处理：
本期有一篇来自Stanford大学的特邀论文，作者非常详尽的描述了其基于周期性极化铌酸锂晶体（PPLN）中二阶非线性效应的全光信号处理方法，以及相关应用。其实二阶非线性效应原理上就类似于电学上的混频效应。即一个强电场信号和一个弱电场信号进行差频或和频得到第三频率信号。采用PPLN，是由于其提供了较大的二阶非线性系数。就应用方向，首先很容易想到和频差频出现的第三频率可以应用于波长转化。除了这个应用，作者还详细阐述了其它相关应用，如数字信号处理，相位信号处理，对二维OCDMA系统进行编码，实现高速TDM应用，可调光延时线等等。对每一种应用，作者也给出了相应的系统实现方案。本篇论文篇幅达到14页，内容相当丰富。
五、其它光学信号方向：
上述四个方向要么论文相对集中，要么有特邀论文。但除了这些方向，本期专刊里还有很多零散的研究方向，许多和光通讯无关，例如传感和光电测量等。下面仅对和光通讯相关的其它分散论文作简要的介绍：（1）东京大学的研究者用梳状截面的光纤实现了对脉冲的压缩操作；（2）爱尔兰的研究者在一个半导体微腔里，利用双光子吸收效应设计了针对100Gb/s以上高速信号的处理器，可以应用在TDM/WDM的混合网络中；（3）以色列的研究者通过级联均匀的光纤光栅，可以完成周期性脉冲的发生操作；（4）Texas 大学的研究者将多个双端口耦合器和半导体光放大器集成在一块芯片上，可以实现对光信号的网格状滤波。
本期的JLT是一个关于光学信号处理的专刊。光学信号处理是一个很大的研究方向，从研究内容上主要有系统设计，设施制造和数学算法研究这三块。而其应用方向则琳琅满目，不胜枚举，常见的如不波形发生、模数转换、信号均衡化、非线性处理、可变信号延时、传感等。本期的专刊由近30篇论文组成，无论从研究内容还是应用方向上看，都能揭示出当前光学信号处理的最高研究水准，和主流发展方向。下面我按照几个关键的研究方向，对主要论文作简单的评析。
一、时间-频率信号处理：
1. 脉冲扭曲恢复：
时间-频率信号处理是基于时间对频率傅立叶分析的光学信号处理方式。在本期专刊里面，对时间-频率信号处理的应用，关注度最高的是对高速脉冲信号扭曲的恢复。在以往的评析里面，我们已经提到光网络里由于色散效应的影响，信号会发生扭曲，进而产生误码。而对色散的影响作弥补的最普通方式当然是使用色散补偿光纤。但在实际网络里色散并不仅仅由光纤长度决定，还受到有无源器件的散射、衍射，甚至环境变化等多方面因素的影响，是个可变因素，因此对色散的动态可调补偿也是一个热门方向。而以往的评析里也介绍过应用啁啾光纤光栅等方式可以实现类似的补偿。但现实里光网络结构是复杂的，要精确测量色散大小再实时进行补偿有很多困难。有很多研究者认为采用时间-频率信号处理可以对任意脉冲扭曲作有效的补偿，特别该技术能应用在高速网络系统里。
对一个时间脉冲信号，在谱域上可以看作是具有一定频谱宽度的频率信号复用，这样一个扭曲的脉冲就可以看作在一定传输距离上一些到达时间发生变化的频率信号的叠加。因此对由色散产生的脉冲扭曲，采用时间-频率信号处理做脉冲恢复的基本过程为，将脉冲信号按频率解复用――>让每个频率信号到达时间回复到一个基准值――>再对各频率信号复用，从而恢复出原脉冲信号。显然这是一个典型的傅立叶分析过程。来自大阪大学的一篇特邀论文就对上述过程做了细节的描绘。首先对信号的频率解复用作者将脉冲通过一个BBO非线性晶体，让脉冲两个相邻时间对发生相位匹配，不同入射脉冲具有相对不同的入射角，因此相邻子脉冲合成后的出射角也不同，这样可以实现对一个色散脉冲信号的时间采样处理。然后让时间上分离出的子脉冲序列经过一个光栅，利用光栅的空间色散特性，可以按空间位置的不同转换到频率域来分析问题。然后对每个频率分量分别进行光学相位漂移操作，可以消除每个分量间的延时，让每个频率的到达时间回复到一个基准值。最后复用回复至时间域的过程完全可以看作刚才解复用的逆过程来实现。此外本期专刊里还有另一篇来自Tohoku大学的特邀论文，同样是利用时间-频率信号处理来做脉冲扭曲恢复的，采用原理大体类似，所不同的是该文章主要立足于对PMD的高阶分量进行补偿。
2. OTDM的加减复用：
对高速的OTDM网络，在某个网络节点有效下载、上载时间信号，而不影响相邻通道信号是很重要的。已有的加减复用方式很多。最典型的是商用的四端口系统。两个输入端一个用来输入传输信号，另一个则输入同步时钟信号，并靠该信号决定某一个固定时刻是否由一个输出端切换信号到另一个输出端口。此外，也有其他一些方案基于其他不同原理，例如使用波长转换器来实现OTDM信号的上下载。在转换速度上，这些方案基本都能适应未来的高速网络系统。而最根本的问题在于这些方案的消光比普遍不高，一般都在25dB以下。当这样的系统级联使用时，信号透明度变得不可接受。
因此最近有很多研究者开始探索新的上下载方案。采用时间-频率信号处理技术则是最受关注的一个。本期来自Southampton大学的一篇特邀论文详细介绍了相关的原理和系统实现。总的思路是现将OTDM信号转换成WDM信号，然后利用环路器和FBG对WDM信号进行我们熟知的OADM操作，最后再把WDM信号转换为OTDM信号。显然两边的OTDM对WDM互相转换过程都是时间-频率信号处理的过程，也就是在傅立叶变化的谱域进行加减复用操作，再反变换为时域复用信号。对这一关键转换过程的实现，作者利用的是XPM效应。将两路信号输入一个非线性光纤环形腔（NOLM），一路是OTDM输入信号，另一路则是人为生成的一路时间脉宽啁啾的信号。两路信号做交叉相位调制的时候，不同的脉宽对应的频率漂移也不同，这样在XPM操作后就得到一系列频率不同的复用信号，从而完成了对WDM的转换。而那路啁啾信号的生成，则是将一路非啁啾的时钟信号通过一段高非线性光纤，再经过一个由啁啾的光纤光栅和环行器组成的环路装置调制实现的。依靠现在的信号处理方案，加减复用后的OTDM信号消光比可以优于35dB。
二、RF光子信号处理：
RF光子信号处理是指用光学的方法（代替无线电）产生具有特定波形分布的微波信号的处理技术。能发生任意波形的微波发生器有很多应用，例如雷达、超宽带应用、光电测试等。在光通讯领域这样的系统也有很多应用。比如高速电光设施（调制器、相位偏移器等）通常都需要10V左右的高速RF信号做驱动。而采用光学方法生成的RF信号具有大带宽特性，通常能实现超过60GHz的光谱容量。本次专刊里关于这方面的内容很多，主要的论文有：（1）以色列的研究者提供的波形发生技术主要基于泰伯效应。所谓泰伯效应是一种很重要的光学现象，简单的说就是可以在一定条件下让物体经过一个周期性媒介成像，而像一般也是周期性的。作者将一个超短的脉冲（对应则是超宽带）通过一段色散光纤展宽，在经过一个电光调制器，而调制器的调制信号则是周期性微波信号，靠调制信号的选择可以输出周期性的，具有任意波形的输出信号；（2）Purdue大学的研究者采用谱线控制的方法来实现任意波形的发生，原理其实和刚才说的时间-频率信号处理一样，只不过现在针对微波信号。将时域的脉冲变换到谱域，然后根据需要滤掉某些频谱分量，再反变换回去，显然时域波形会相应发生预定的变化。而频谱修剪过程则是通过一程序可控的脉冲整形器实现的。最后信号再通过EDFA做功耗补偿；（3）California大学的研究者则针对任意波形RF发生器存在的增益谱起伏（带通纹波）做了矫正。原理还是一样，信号经过光栅按频率散开，再通过可控光空间滤波器做频谱修剪，最后再经过一光栅反变回去。
三、光学模拟-数字转换：
光学模数转换相对电子模数转换最显著的优势在于其具有很高的处理速度。对电子转换，目前的报导，最高的大概是实现了24Gs/s（gigasamples per second），但要再高已经很困难了。一个典型的模数转换过程包括采样-量化-编码三个步骤。对光学数据采样近年已经陆续提出了许多方法，然而在光学上实现量化和编码则很少有非常好的方案被提出。本期来自大阪大学的一篇特邀论文就对光学的量化和编码过程开展了研究。作者主要利用了氧化硅里的克尔效应来实现信号的高速采样。之后采样信号和连续等间隔的探测信号经过一个Sagnac环状干涉仪来实现对信号的编码。其中探测脉冲先经过3dB耦合器分为两束，一束与采样信号经过一个复用器后进入高非线性光纤，作交叉相位调制。调制信号再与另一路探测信号干涉。线路中有偏振控制器做调节，以便获得最大的XPM。采样信号在与探测信号XPM后，将强度信息转化为对探测信号的相位漂移。进而在与另一路探测信号干涉后，体现为相应位置强度的衰减。最后信号再通过带通滤波器滤除原探测信号。每个编码器后跟一个门限单元来根据相应位置信号强度来判定是0还是1。在实验上作者现实了10Gs/s，3字节的模数转换。
四、非线性信号处理：
本期有一篇来自Stanford大学的特邀论文，作者非常详尽的描述了其基于周期性极化铌酸锂晶体（PPLN）中二阶非线性效应的全光信号处理方法，以及相关应用。其实二阶非线性效应原理上就类似于电学上的混频效应。即一个强电场信号和一个弱电场信号进行差频或和频得到第三频率信号。采用PPLN，是由于其提供了较大的二阶非线性系数。就应用方向，首先很容易想到和频差频出现的第三频率可以应用于波长转化。除了这个应用，作者还详细阐述了其它相关应用，如数字信号处理，相位信号处理，对二维OCDMA系统进行编码，实现高速TDM应用，可调光延时线等等。对每一种应用，作者也给出了相应的系统实现方案。本篇论文篇幅达到14页，内容相当丰富。
五、其它光学信号方向：
上述四个方向要么论文相对集中，要么有特邀论文。但除了这些方向，本期专刊里还有很多零散的研究方向，许多和光通讯无关，例如传感和光电测量等。下面仅对和光通讯相关的其它分散论文作简要的介绍：（1）东京大学的研究者用梳状截面的光纤实现了对脉冲的压缩操作；（2）爱尔兰的研究者在一个半导体微腔里，利用双光子吸收效应设计了针对100Gb/s以上高速信号的处理器，可以应用在TDM/WDM的混合网络中；（3）以色列的研究者通过级联均匀的光纤光栅，可以完成周期性脉冲的发生操作；（4）Texas 大学的研究者将多个双端口耦合器和半导体光放大器集成在一块芯片上，可以实现对光信号的网格状滤波。
