摘要:P比特级光交换网络的发展，要求网络在传输、复用和交换方式上具有灵活性、多样性和高效性，因此基于超高速全光信息处理的网络功能存在较大价值。利用不同光子材料非线性效应(SPM\XPM\FWM等)已成功实现了组播、码型变换、逻辑门等不同的全光信息处理单元技术，其中高非线性光纤以其易与现有光纤网络相融合和成本相对较低等特点而具有较大潜力。在总结光信息处理的相关研究进展的基础上，文章重点介绍了偏振复用(PDM)系统中的高速全光信息处理技术，包括基于自相位调制效应(SPM)的全光再生和基于交叉相位调制效应(XPM)的波长转换实现。
关键字:光信息处理；偏振复用；全光再生；波长变换；高非线性光纤
为了满足P比特级光交换网络的需求(包括高传输容量、可变传输比特率、不同调制方法、不同复用和解复用形式等)，同时保障数据的安全可靠、高速多维(包括多波长-信道、多偏振态)，光信息处理无疑是关键技术之一。目前的光信息处理方式分为电信息处理和光信息处理两种。电信息处理主要应用于基于数字信号处理(DSP)技术的均衡和补偿等方面。由于电子“瓶颈”和光电光(OEO)转换效率的限制，基于电子的信息处理方式在未来较长时间内还无法满足P比特级光网络的(超)高速需求；另一方面，由于光子技术具有超宽带和超高速响应(飞秒量级)的特点，全光信息处理在P比特级的交换光网络中占据重要的地位。一般来讲，由于光子技术中不需要对每个比特进行特殊控制或者操作，因此光子元件或功能单元对信息的处理可以与速率和调制格式无关，这种在时域和频域的全透明特性随着人们对信号传输速度的要求越来越高而成为一个重要的研究方向[1-2]。
目前许多光子材料都可以作为全光信号处理的非线性介质，包括高非线性光纤(HNLF)、周期极化反转铌酸锂(PPLN)波导、硅波导等。其中，基于光纤的解决方案可以方便地与现有光纤网络直接互联与融合，而且成本相对较低。尽管很多新型光纤如光子晶体光纤(PCF)、掺氧化铋高非线性光纤(Bi-HNLF)等在光信息处理中都显示出较大的潜力，但实际中最常用的还是基于硅结构的HNLF。在集成光子器件方面，集成波导器件在实验室中已经实现了1.28 Tbit/s的信号处理速度。
在过去的10年中，人们利用这些非线性介质中的各种非线性效应，在越来越快的传输速度下，成功实现了波长转换、信号再生、多点传送、复用以及波长交换等网络功能。这些效应包括：PPLN中的级联二次谐波，级联倍频与差频(cSHG/DFG)，级联和频与差频(cSFG/DFG)；光纤、波导中的自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)，交叉增益调制(XGM)以及四波混频(FWM)等。
为了让大家更清楚了解光信息处理的重要性及挑战，本文首先介绍产生超高速信号的几种常用复用技术；然后总结近年来超高速光信息处理技术在实现各种网络功能中的应用，包括信号再生、波长转换、码型变换、逻辑门以及组播等；最后针对目前广泛采用但极具挑战性(对光信息处理而言)的偏振复用系统，本文介绍相关工作进展(以全光再生和波长转换为例)。
1 T比特级大容量信道传输技术
光纤最重要的一个特点是容量大，可以传输超高速率的数字信号。P比特级光网络作为下一代网络发展的趋势，要求网络中单信道传输速率达到T比特以上。但是随着单信道传输速率的提升，光纤本身的损耗、非线性、色散等因素，使光信号在传输过程中发生畸变，制约了系统性能，因此通过调制直接到达T比特非常困难。经过研究人员的不懈努力，直接调制的单信道传输速率从20世纪90年代的2.5 Gbit/s调到40 Gbit/s甚至更高。更为重要的是，通过不同的复用技术实现了单信道T比特级的传输容量。
所谓复用技术，是指在发送端将多路信号按照某一方式合成，然后送入信道中传输，接收端采用某些处理方法将接收到的混合信号还原成多路源信号，从而避免了网络的重复建设。复用方式包括频分复用(FDM)、波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)以及偏振复用(PDM)等。在光正交频分复用(OFDM)技术和传统的光时分复用(OTDM)技术的推动下，目前光纤中单信道的信息传输速率已经超过1 Tbit/s[3-5]。
1.1 正交频分复用
正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输方案，也可以看成是一种信号调制技术，特点是各个子载波正交，频谱可以相互重叠，这样不但减小了载波间干扰，还大大提高了频谱利用率[6]，能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰，且可以有效地消除信号由于多径传输所带来的码间干扰(ISI)，是许多典型接入系统的物理层核心技术。
鉴于OFDM的技术优势，将其引入到光纤通信系统中是近年来的一个研究热点。实验表明在不采取任何补偿的情况下采用OFDM技术的单模光纤通信系统可以将10 Gbit/s信号传输l 000 km以上。采用光OFDM直接调制的300 m多模光纤的链路在高速通信中也表现出了良好工作性能。在光纤通信系统中引入OFDM技术可以很明显地改善系统性能，所以研究基于OFDM的多模(多芯)光纤通信系统对短距离高速大容量信息通信有着重要的现实意义[7]。具体的内容可以见文献[5,8-9]。
