作者，浙江大學(xué)，宋軍博士
   本期的JLT是一個(gè)關(guān)于光學(xué)信號(hào)處理的�？�。光學(xué)信號(hào)處理是一個(gè)很大的研究方向，從研究?jī)?nèi)容上主要有系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)施制造和數(shù)學(xué)算法研究這三塊。而其應(yīng)用方向則琳瑯滿目，不勝枚舉，常見的如不波形發(fā)生、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)均衡化、非線性處理、可變信號(hào)延時(shí)、傳感等。本期的�？�由近30篇論文組成，無論從研究?jī)?nèi)容還是應(yīng)用方向上看，都能揭示出當(dāng)前光學(xué)信號(hào)處理的最高研究水準(zhǔn)，和主流發(fā)展方向。下面我按照幾個(gè)關(guān)鍵的研究方向，對(duì)主要論文作簡(jiǎn)單的評(píng)析。

   一、時(shí)間-頻率信號(hào)處理：

   1. 脈沖扭曲恢復(fù)：

   時(shí)間-頻率信號(hào)處理是基于時(shí)間對(duì)頻率傅立葉分析的光學(xué)信號(hào)處理方式。在本期�？�里面，對(duì)時(shí)間-頻率信號(hào)處理的應(yīng)用，關(guān)注度最高的是對(duì)高速脈沖信號(hào)扭曲的恢復(fù)。在以往的評(píng)析里面，我們已經(jīng)提到光網(wǎng)絡(luò)里由于色散效應(yīng)的影響，信號(hào)會(huì)發(fā)生扭曲，進(jìn)而產(chǎn)生誤碼。而對(duì)色散的影響作彌補(bǔ)的最普通方式當(dāng)然是使用色散補(bǔ)償光纖。但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)里色散并不僅僅由光纖長(zhǎng)度決定，還受到有無源器件的散射、衍射，甚至環(huán)境變化等多方面因素的影響，是個(gè)可變因素，因此對(duì)色散的動(dòng)態(tài)可調(diào)補(bǔ)償也是一個(gè)熱門方向。而以往的評(píng)析里也介紹過應(yīng)用啁啾光纖光柵等方式可以實(shí)現(xiàn)類似的補(bǔ)償。但現(xiàn)實(shí)里光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，要精確測(cè)量色散大小再實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償有很多困難。有很多研究者認(rèn)為采用時(shí)間-頻率信號(hào)處理可以對(duì)任意脈沖扭曲作有效的補(bǔ)償，特別該技術(shù)能應(yīng)用在高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里。

   對(duì)一個(gè)時(shí)間脈沖信號(hào)，在譜域上可以看作是具有一定頻譜寬度的頻率信號(hào)復(fù)用，這樣一個(gè)扭曲的脈沖就可以看作在一定傳輸距離上一些到達(dá)時(shí)間發(fā)生變化的頻率信號(hào)的疊加。因此對(duì)由色散產(chǎn)生的脈沖扭曲，采用時(shí)間-頻率信號(hào)處理做脈沖恢復(fù)的基本過程為，將脈沖信號(hào)按頻率解復(fù)用――>讓每個(gè)頻率信號(hào)到達(dá)時(shí)間回復(fù)到一個(gè)基準(zhǔn)值――>再對(duì)各頻率信號(hào)復(fù)用，從而恢復(fù)出原脈沖信號(hào)。顯然這是一個(gè)典型的傅立葉分析過程。來自大阪大學(xué)的一篇特邀論文就對(duì)上述過程做了細(xì)節(jié)的描繪。首先對(duì)信號(hào)的頻率解復(fù)用作者將脈沖通過一個(gè)BBO非線性晶體，讓脈沖兩個(gè)相鄰時(shí)間對(duì)發(fā)生相位匹配，不同入射脈沖具有相對(duì)不同的入射角，因此相鄰子脈沖合成后的出射角也不同，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)色散脈沖信號(hào)的時(shí)間采樣處理。然后讓時(shí)間上分離出的子脈沖序列經(jīng)過一個(gè)光柵，利用光柵的空間色散特性，可以按空間位置的不同轉(zhuǎn)換到頻率域來分析問題。然后對(duì)每個(gè)頻率分量分別進(jìn)行光學(xué)相位漂移操作，可以消除每個(gè)分量間的延時(shí)，讓每個(gè)頻率的到達(dá)時(shí)間回復(fù)到一個(gè)基準(zhǔn)值。最后復(fù)用回復(fù)至?xí)r間域的過程完全可以看作剛才解復(fù)用的逆過程來實(shí)現(xiàn)。此外本期�？�里還有另一篇來自Tohoku大學(xué)的特邀論文，同樣是利用時(shí)間-頻率信號(hào)處理來做脈沖扭曲恢復(fù)的，采用原理大體類似，所不同的是該文章主要立足于對(duì)PMD的高階分量進(jìn)行補(bǔ)償。

   2. OTDM的加減復(fù)用：

   對(duì)高速的OTDM網(wǎng)絡(luò)，在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有效下載、上載時(shí)間信號(hào)，而不影響相鄰?fù)ǖ佬盘?hào)是很重要的。已有的加減復(fù)用方式很多。最典型的是商用的四端口系統(tǒng)。兩個(gè)輸入端一個(gè)用來輸入傳輸信號(hào)，另一個(gè)則輸入同步時(shí)鐘信號(hào)，并靠該信號(hào)決定某一個(gè)固定時(shí)刻是否由一個(gè)輸出端切換信號(hào)到另一個(gè)輸出端口。此外，也有其他一些方案基于其他不同原理，例如使用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)OTDM信號(hào)的上下載。在轉(zhuǎn)換速度上，這些方案基本都能適應(yīng)未來的高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而最根本的問題在于這些方案的消光比普遍不高，一般都在25dB以下。當(dāng)這樣的系統(tǒng)級(jí)聯(lián)使用時(shí)，信號(hào)透明度變得不可接受。

   因此最近有很多研究者開始探索新的上下載方案。采用時(shí)間-頻率信號(hào)處理技術(shù)則是最受關(guān)注的一個(gè)。本期來自Southampton大學(xué)的一篇特邀論文詳細(xì)介紹了相關(guān)的原理和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)�？偟乃悸肥乾F(xiàn)將OTDM信號(hào)轉(zhuǎn)換成WDM信號(hào)，然后利用環(huán)路器和FBG對(duì)WDM信號(hào)進(jìn)行我們熟知的OADM操作，最后再把WDM信號(hào)轉(zhuǎn)換為OTDM信號(hào)。顯然兩邊的OTDM對(duì)WDM互相轉(zhuǎn)換過程都是時(shí)間-頻率信號(hào)處理的過程，也就是在傅立葉變化的譜域進(jìn)行加減復(fù)用操作，再反變換為時(shí)域復(fù)用信號(hào)。對(duì)這一關(guān)鍵轉(zhuǎn)換過程的實(shí)現(xiàn)，作者利用的是XPM效應(yīng)。將兩路信號(hào)輸入一個(gè)非線性光纖環(huán)形腔（NOLM），一路是OTDM輸入信號(hào)，另一路則是人為生成的一路時(shí)間脈寬啁啾的信號(hào)。兩路信號(hào)做交叉相位調(diào)制的時(shí)候，不同的脈寬對(duì)應(yīng)的頻率漂移也不同，這樣在XPM操作后就得到一系列頻率不同的復(fù)用信號(hào)，從而完成了對(duì)WDM的轉(zhuǎn)換。而那路啁啾信號(hào)的生成，則是將一路非啁啾的時(shí)鐘信號(hào)通過一段高非線性光纖，再經(jīng)過一個(gè)由啁啾的光纖光柵和環(huán)行器組成的環(huán)路裝置調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。依靠現(xiàn)在的信號(hào)處理方案，加減復(fù)用后的OTDM信號(hào)消光比可以優(yōu)于35dB。

   二、RF光子信號(hào)處理：

   RF光子信號(hào)處理是指用光學(xué)的方法（代替無線電）產(chǎn)生具有特定波形分布的微波信號(hào)的處理技術(shù)。能發(fā)生任意波形的微波發(fā)生器有很多應(yīng)用，例如雷達(dá)、超寬帶應(yīng)用、光電測(cè)試等。在光通訊領(lǐng)域這樣的系統(tǒng)也有很多應(yīng)用。比如高速電光設(shè)施（調(diào)制器、相位偏移器等）通常都需要10V左右的高速RF信號(hào)做驅(qū)動(dòng)。而采用光學(xué)方法生成的RF信號(hào)具有大帶寬特性，通常能實(shí)現(xiàn)超過60GHz的光譜容量。本次專刊里關(guān)于這方面的內(nèi)容很多，主要的論文有：（1）以色列的研究者提供的波形發(fā)生技術(shù)主要基于泰伯效應(yīng)。所謂泰伯效應(yīng)是一種很重要的光學(xué)現(xiàn)象，簡(jiǎn)單的說就是可以在一定條件下讓物體經(jīng)過一個(gè)周期性媒介成像，而像一般也是周期性的。作者將一個(gè)超短的脈沖（對(duì)應(yīng)則是超寬帶）通過一段色散光纖展寬，在經(jīng)過一個(gè)電光調(diào)制器，而調(diào)制器的調(diào)制信號(hào)則是周期性微波信號(hào)，靠調(diào)制信號(hào)的選擇可以輸出周期性的，具有任意波形的輸出信號(hào)；（2）Purdue大學(xué)的研究者采用譜線控制的方法來實(shí)現(xiàn)任意波形的發(fā)生，原理其實(shí)和剛才說的時(shí)間-頻率信號(hào)處理一樣，只不過現(xiàn)在針對(duì)微波信號(hào)。將時(shí)域的脈沖變換到譜域，然后根據(jù)需要濾掉某些頻譜分量，再反變換回去，顯然時(shí)域波形會(huì)相應(yīng)發(fā)生預(yù)定的變化。而頻譜修剪過程則是通過一程序可控的脈沖整形器實(shí)現(xiàn)的。最后信號(hào)再通過EDFA做功耗補(bǔ)償；（3）California大學(xué)的研究者則針對(duì)任意波形RF發(fā)生器存在的增益譜起伏（帶通紋波）做了矯正。原理還是一樣，信號(hào)經(jīng)過光柵按頻率散開，再通過可控光空間濾波器做頻譜修剪，最后再經(jīng)過一光柵反變回去。

   三、光學(xué)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換：

   光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換相對(duì)電子模數(shù)轉(zhuǎn)換最顯著的優(yōu)勢(shì)在于其具有很高的處理速度。對(duì)電子轉(zhuǎn)換，目前的報(bào)導(dǎo)，最高的大概是實(shí)現(xiàn)了24Gs/s（gigasamples per second），但要再高已經(jīng)很困難了。一個(gè)典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程包括采樣-量化-編碼三個(gè)步驟。對(duì)光學(xué)數(shù)據(jù)采樣近年已經(jīng)陸續(xù)提出了許多方法，然而在光學(xué)上實(shí)現(xiàn)量化和編碼則很少有非常好的方案被提出。本期來自大阪大學(xué)的一篇特邀論文就對(duì)光學(xué)的量化和編碼過程開展了研究。作者主要利用了氧化硅里的克爾效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速采樣。之后采樣信號(hào)和連續(xù)等間隔的探測(cè)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)Sagnac環(huán)狀干涉儀來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的編碼。其中探測(cè)脈沖先經(jīng)過3dB耦合器分為兩束，一束與采樣信號(hào)經(jīng)過一個(gè)復(fù)用器后進(jìn)入高非線性光纖，作交叉相位調(diào)制。調(diào)制信號(hào)再與另一路探測(cè)信號(hào)干涉。線路中有偏振控制器做調(diào)節(jié)，以便獲得最大的XPM。采樣信號(hào)在與探測(cè)信號(hào)XPM后，將強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化為對(duì)探測(cè)信號(hào)的相位漂移。進(jìn)而在與另一路探測(cè)信號(hào)干涉后，體現(xiàn)為相應(yīng)位置強(qiáng)度的衰減。最后信號(hào)再通過帶通濾波器濾除原探測(cè)信號(hào)。每個(gè)編碼器后跟一個(gè)門限單元來根據(jù)相應(yīng)位置信號(hào)強(qiáng)度來判定是0還是1。在實(shí)驗(yàn)上作者現(xiàn)實(shí)了10Gs/s，3字節(jié)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

   四、非線性信號(hào)處理：

   本期有一篇來自Stanford大學(xué)的特邀論文，作者非常詳盡的描述了其基于周期性極化鈮酸鋰晶體（PPLN）中二階非線性效應(yīng)的全光信號(hào)處理方法，以及相關(guān)應(yīng)用。其實(shí)二階非線性效應(yīng)原理上就類似于電學(xué)上的混頻效應(yīng)。即一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)信號(hào)和一個(gè)弱電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行差頻或和頻得到第三頻率信號(hào)。采用PPLN，是由于其提供了較大的二階非線性系數(shù)。就應(yīng)用方向，首先很容易想到和頻差頻出現(xiàn)的第三頻率可以應(yīng)用于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化。除了這個(gè)應(yīng)用，作者還詳細(xì)闡述了其它相關(guān)應(yīng)用，如數(shù)字信號(hào)處理，相位信號(hào)處理，對(duì)二維OCDMA系統(tǒng)進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)高速TDM應(yīng)用，可調(diào)光延時(shí)線等等。對(duì)每一種應(yīng)用，作者也給出了相應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。本篇論文篇幅達(dá)到14頁，內(nèi)容相當(dāng)豐富。

   五、其它光學(xué)信號(hào)方向：

   上述四個(gè)方向要么論文相對(duì)集中，要么有特邀論文。但除了這些方向，本期�？�里還有很多零散的研究方向，許多和光通訊無關(guān)，例如傳感和光電測(cè)量等。下面僅對(duì)和光通訊相關(guān)的其它分散論文作簡(jiǎn)要的介紹：（1）東京大學(xué)的研究者用梳狀截面的光纖實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖的壓縮操作；（2）愛爾蘭的研究者在一個(gè)半導(dǎo)體微腔里，利用雙光子吸收效應(yīng)設(shè)計(jì)了針對(duì)100Gb/s以上高速信號(hào)的處理器，可以應(yīng)用在TDM/WDM的混合網(wǎng)絡(luò)中；（3）以色列的研究者通過級(jí)聯(lián)均勻的光纖光柵，可以完成周期性脈沖的發(fā)生操作；（4）Texas 大學(xué)的研究者將多個(gè)雙端口耦合器和半導(dǎo)體光放大器集成在一塊芯片上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的網(wǎng)格狀濾波。