作者，浙江大學，宋軍博士
   本期的JLT是一個關(guān)于光學信號處理的�？�。光學信號處理是一個很大的研究方向，從研究內(nèi)容上主要有系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)施制造和數(shù)學算法研究這三塊。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、信號均衡化、非線性處理、可變信號延時、傳感等。本期的�？�由近30篇論文組成，無論從研究內(nèi)容還是應(yīng)用方向上看，都能揭示出當前光學信號處理的最高研究水準，和主流發(fā)展方向。下面我按照幾個關(guān)鍵的研究方向，對主要論文作簡單的評析。

   一、時間-頻率信號處理：

   1. 脈沖扭曲恢復(fù)：

   時間-頻率信號處理是基于時間對頻率傅立葉分析的光學信號處理方式。在本期專刊里面，對時間-頻率信號處理的應(yīng)用，關(guān)注度最高的是對高速脈沖信號扭曲的恢復(fù)。在以往的評析里面，我們已經(jīng)提到光網(wǎng)絡(luò)里由于色散效應(yīng)的影響，信號會發(fā)生扭曲，進而產(chǎn)生誤碼。而對色散的影響作彌補的最普通方式當然是使用色散補償光纖。但在實際網(wǎng)絡(luò)里色散并不僅僅由光纖長度決定，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，是個可變因素，因此對色散的動態(tài)可調(diào)補償也是一個熱門方向。而以往的評析里也介紹過應(yīng)用啁啾光纖光柵等方式可以實現(xiàn)類似的補償。但現(xiàn)實里光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，要精確測量色散大小再實時進行補償有很多困難。有很多研究者認為采用時間-頻率信號處理可以對任意脈沖扭曲作有效的補償，特別該技術(shù)能應(yīng)用在高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里。

   對一個時間脈沖信號，在譜域上可以看作是具有一定頻譜寬度的頻率信號復(fù)用，這樣一個扭曲的脈沖就可以看作在一定傳輸距離上一些到達時間發(fā)生變化的頻率信號的疊加。因此對由色散產(chǎn)生的脈沖扭曲，采用時間-頻率信號處理做脈沖恢復(fù)的基本過程為，將脈沖信號按頻率解復(fù)用――>讓每個頻率信號到達時間回復(fù)到一個基準值――>再對各頻率信號復(fù)用，從而恢復(fù)出原脈沖信號。顯然這是一個典型的傅立葉分析過程。來自大阪大學的一篇特邀論文就對上述過程做了細節(jié)的描繪。首先對信號的頻率解復(fù)用作者將脈沖通過一個BBO非線性晶體，讓脈沖兩個相鄰時間對發(fā)生相位匹配，不同入射脈沖具有相對不同的入射角，因此相鄰子脈沖合成后的出射角也不同，這樣可以實現(xiàn)對一個色散脈沖信號的時間采樣處理。然后讓時間上分離出的子脈沖序列經(jīng)過一個光柵，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。然后對每個頻率分量分別進行光學相位漂移操作，可以消除每個分量間的延時，讓每個頻率的到達時間回復(fù)到一個基準值。最后復(fù)用回復(fù)至時間域的過程完全可以看作剛才解復(fù)用的逆過程來實現(xiàn)。此外本期專刊里還有另一篇來自Tohoku大學的特邀論文，同樣是利用時間-頻率信號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PMD的高階分量進行補償。

   2. OTDM的加減復(fù)用：

   對高速的OTDM網(wǎng)絡(luò)，在某個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有效下載、上載時間信號，而不影響相鄰?fù)ǖ佬盘柺呛苤匾�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)。兩個輸入端一個用來輸入傳輸信號，另一個則輸入同步時鐘信號，并靠該信號決定某一個固定時刻是否由一個輸出端切換信號到另一個輸出端口。此外，也有其他一些方案基于其他不同原理，例如使用波長轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)OTDM信號的上下載。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。當這樣的系統(tǒng)級聯(lián)使用時，信號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。采用時間-頻率信號處理技術(shù)則是最受關(guān)注的一個。本期來自Southampton大學的一篇特邀論文詳細介紹了相關(guān)的原理和系統(tǒng)實現(xiàn)�？偟乃悸肥乾F(xiàn)將OTDM信號轉(zhuǎn)換成WDM信號，然后利用環(huán)路器和FBG對WDM信號進行我們熟知的OADM操作，最后再把WDM信號轉(zhuǎn)換為OTDM信號。顯然兩邊的OTDM對WDM互相轉(zhuǎn)換過程都是時間-頻率信號處理的過程，也就是在傅立葉變化的譜域進行加減復(fù)用操作，再反變換為時域復(fù)用信號。對這一關(guān)鍵轉(zhuǎn)換過程的實現(xiàn)，作者利用的是XPM效應(yīng)。將兩路信號輸入一個非線性光纖環(huán)形腔（NOLM），一路是OTDM輸入信號，另一路則是人為生成的一路時間脈寬啁啾的信號。兩路信號做交叉相位調(diào)制的時候，不同的脈寬對應(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，從而完成了對WDM的轉(zhuǎn)換。而那路啁啾信號的生成，則是將一路非啁啾的時鐘信號通過一段高非線性光纖，再經(jīng)過一個由啁啾的光纖光柵和環(huán)行器組成的環(huán)路裝置調(diào)制實現(xiàn)的。依靠現(xiàn)在的信號處理方案，加減復(fù)用后的OTDM信號消光比可以優(yōu)于35dB。

   二、RF光子信號處理：

   RF光子信號處理是指用光學的方法（代替無線電）產(chǎn)生具有特定波形分布的微波信號的處理技術(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、超寬帶應(yīng)用、光電測試等。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信號做驅(qū)動。而采用光學方法生成的RF信號具有大帶寬特性，通常能實現(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現(xiàn)象，簡單的說就是可以在一定條件下讓物體經(jīng)過一個周期性媒介成像，而像一般也是周期性的。作者將一個超短的脈沖（對應(yīng)則是超寬帶）通過一段色散光纖展寬，在經(jīng)過一個電光調(diào)制器，而調(diào)制器的調(diào)制信號則是周期性微波信號，靠調(diào)制信號的選擇可以輸出周期性的，具有任意波形的輸出信號；（2）Purdue大學的研究者采用譜線控制的方法來實現(xiàn)任意波形的發(fā)生，原理其實和剛才說的時間-頻率信號處理一樣，只不過現(xiàn)在針對微波信號。將時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，顯然時域波形會相應(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現(xiàn)的。最后信號再通過EDFA做功耗補償；（3）California大學的研究者則針對任意波形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、光學模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換：

   光學模數(shù)轉(zhuǎn)換相對電子模數(shù)轉(zhuǎn)換最顯著的優(yōu)勢在于其具有很高的處理速度。對電子轉(zhuǎn)換，目前的報導，最高的大概是實現(xiàn)了24Gs/s（gigasamples per second），但要再高已經(jīng)很困難了。一個典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程包括采樣-量化-編碼三個步驟。對光學數(shù)據(jù)采樣近年已經(jīng)陸續(xù)提出了許多方法，然而在光學上實現(xiàn)量化和編碼則很少有非常好的方案被提出。本期來自大阪大學的一篇特邀論文就對光學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)來實現(xiàn)信號的高速采樣。之后采樣信號和連續(xù)等間隔的探測信號經(jīng)過一個Sagnac環(huán)狀干涉儀來實現(xiàn)對信號的編碼。其中探測脈沖先經(jīng)過3dB耦合器分為兩束，一束與采樣信號經(jīng)過一個復(fù)用器后進入高非線性光纖，作交叉相位調(diào)制。調(diào)制信號再與另一路探測信號干涉。線路中有偏振控制器做調(diào)節(jié)，以便獲得最大的XPM。采樣信號在與探測信號XPM后，將強度信息轉(zhuǎn)化為對探測信號的相位漂移。進而在與另一路探測信號干涉后，體現(xiàn)為相應(yīng)位置強度的衰減。最后信號再通過帶通濾波器濾除原探測信號。每個編碼器后跟一個門限單元來根據(jù)相應(yīng)位置信號強度來判定是0還是1。在實驗上作者現(xiàn)實了10Gs/s，3字節(jié)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

   四、非線性信號處理：

   本期有一篇來自Stanford大學的特邀論文，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)的全光信號處理方法，以及相關(guān)應(yīng)用。其實二階非線性效應(yīng)原理上就類似于電學上的混頻效應(yīng)。即一個強電場信號和一個弱電場信號進行差頻或和頻得到第三頻率信號。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)用于波長轉(zhuǎn)化。除了這個應(yīng)用，作者還詳細闡述了其它相關(guān)應(yīng)用，如數(shù)字信號處理，相位信號處理，對二維OCDMA系統(tǒng)進行編碼，實現(xiàn)高速TDM應(yīng)用，可調(diào)光延時線等等。對每一種應(yīng)用，作者也給出了相應(yīng)的系統(tǒng)實現(xiàn)方案。本篇論文篇幅達到14頁，內(nèi)容相當豐富。

   五、其它光學信號方向：

   上述四個方向要么論文相對集中，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)，例如傳感和光電測量等。下面僅對和光通訊相關(guān)的其它分散論文作簡要的介紹：（1）東京大學的研究者用梳狀截面的光纖實現(xiàn)了對脈沖的壓縮操作；（2）愛爾蘭的研究者在一個半導體微腔里，利用雙光子吸收效應(yīng)設(shè)計了針對100Gb/s以上高速信號的處理器，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 大學的研究者將多個雙端口耦合器和半導體光放大器集成在一塊芯片上，可以實現(xiàn)對光信號的網(wǎng)格狀濾波。