一种高速多通道全光3R再生方法及装置 【技术领域】：本发明涉及高速大容量全光网络通信技术领域，具体涉及高速多通道全光3R再生技术及装置。
【技术背景】：在全光网络中，信号的全光3R再生(Reamplification、Reshaping、Retiming)是一个亟待解决的关键问题。由于色散、WDM信道间的干扰、系统的非线性效应、光源和光放大器的ASE噪声等因素都不可避免的引起网络中信号的恶化，尤其在40Gb/s及以上的超高速光网络中，这种恶化对信号的影响更是不可忽略。未来的光网络动态灵活的特性又决定了信号的传输路径的不确定性，因此对信号的恢复不可能采取固定补偿的方案，而必须对信号进行3R再生。
但是目前对信号进行3R再生技术的研究集中在单波长系统中，40Gb/s的单波长全光3R再生方案在国际上已经有不少报道，国内的天津大学和清华大学也都完成了系统实验。但是单波长全光3R系统目前处于一种两难的地步：1、单路速率在40Gb/s以下系统中，全光再生无论在性能还是成本上与OEO方案相比都没有优势可言。2、单路速率大于40Gb/s以上的系统在系统成本，光信号传输中均存在很大问题，很难与WDM系统竞争，近期很难实用化，因此，单波长光3R再生技术的需求不是十分紧迫。
在这里需要特别指出的，光网络中光信号传输与电信号的本质区别在于：光由于采用了波分复用(WDM)技术是可以多路并行传输的，而电只能是单路串行传输。这也是光信号传输比电信号传输的最大优势所在。正如前面提到的，尽管在40Gbit/s以下的系统中，电的3R技术要远比全光的3R技术成本低、可靠性好。但对于目前光传输系统中广泛采用的WDM系统，由于电处理机理的局限，采用电的方式只能分别对各个波长分别再生，其成本、可靠性的优势随波长数的增加而被大大抵消。而从光的本质讲，理论上可以在同一系统中对多个波长同时进行3R再生，这是电的3R技术所无法企及的。所以，只有能够用于WDM系统的多波长全光3R技术才可能充分发挥全光技术优势。
回顾历史，WDM技术的迅速商业化得益于掺铒光纤放大器(EDFA)技术的成熟，实现了光通信系统容量的一次阶跃式发展。发展至今，现在的WDM技术已经可以在单纤上同时复用上百路不同波长的光信号流，充分利用了单模光纤的通信窗口，在单纤中实现了Tb/s量级的传输容量。可以说正是EDFA的出现使得WDM技术成为发展最为迅捷的电信传输技术。
历史往往惊人的相似，多波长全光3R再生技术的突破必将为WDM技术在新一代的光网络中的应用带来又一次变革性的发展，为未来新型的高速率宽带光网络打下良好的技术基础。
迄今为止，多波长全光再生的系统研究仍主要停留在2R再生上。例如丹麦的研究人员利用非线性光纤环形镜(NOLM)和非平衡色散光纤环形镜(DILM)实现多波长全光2R再生。
3R的系统实验和方案还很少。中国北京邮电大学的研究人员提出了一个多波长全光3R的系统框图结构，提出了利用可调谐地光纤布拉格光栅(FBG)将多波长的信号调节同步，从而只需恢复出单一的时钟并对多路不同波长的信号同时再生，该方案可以降低多波长全光3R系统的实现难度。但是该文仅仅给出了系统的框架结构，并没有进一步讨论时钟提取和单一时钟对多路信号进行判决的具体实现方法，需要对多路信号同步也大大降低了该方案的实用性。美国普林斯顿大学的研究人员则利用太赫兹光学非对称解复用器(TOAD)将多路不同波长的WDM信号进行串并转换，然后高速串行信号进行全光再生，但是多波长信号必须经过时序调整再进行时分复用，从时间上看仍然是单路信号的3R再生，并不能实现完全意义上的多波长光信号同时3R再生。而且这意味着各个波长的信号必须有相同的时钟信号，现有的分组网络中不同的用户间的时钟是相互独立的，不可能实现精确同步。所以，这种的方案并不适用于现有的多信源网络。
【发明内容】：本发明目的是解决目前实现多通道全光3R再生方案中存在的系统复杂、成本高、稳定性差等问题，提供一种高速多通道全光3R再生方法及装置，实现真正意义上的多通道同时全光3R再生。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种高速多通道全光3R再生方法，通过如下步骤实现：
第一、由本地光源提供连续光作为泵浦光；
第二、将本地接收到的多路恶化光信号分成两路，其中一路与上述连续光进行波长变换，将多路恶化光信号的信息分别转移到新波长处；
第三、将第二步经波长变换的多路信号一起注入到多波长时钟提取单元中，实现多路信号的同时时钟提取；
第四、为了减小多路信号及多路时钟之间的相互干扰，在全光判决之前对多路恶化光信号及对应多路时钟分别进行预处理，改变相邻通道之间信号和时钟的偏振态，使相邻通道之间信号及时钟的偏振态正交。
第五、把预处理后的多路恶化光信号及对应多路时钟共同注入多波长判决单元，在多波长判决单元中各路恶化光信号分别与相对应的时钟进行作用，得到整形后的再生信号。
一种实现上述高速多通道全光3R再生方法的装置，包括：
耦合器：用于将接收到的多路恶化光信号分为两路，一路用来进行时钟提取以获得低抖动的定时时钟，另一路作为原始的多路恶化光信号进行相邻信号偏振态正交的预处理；
可调光源：与多波长变换器连接，产生高稳定、窄线宽激光，为波长变换提供泵浦光；
多波长变换器：与耦合器的一端连接，用于将耦合器分出的其中一路多路恶化光信号的信息转移到多波长连续光上；
多波长时钟提取单元：与多波长变换器的输出连接，用于同时提取多路恶化光信号对应的多路时钟信息；所述的多波长时钟提取单元采用无源梳状滤波器实现，无源梳状滤波器的自由光谱区等于各路传输光信号的比特率。
第一偏振正交单元：与时钟提取单元的输出连接，用于分别改变相邻通道之间信号和时钟的偏振态，使相邻两路时钟的偏振态正交；
第二偏振正交单元：与耦合器的另一端连接，用于改变耦合器分出的其中另一路多路恶化光信号的偏振态，使相邻两路光信号的偏振态正交；
多波长判决器：分别连接第一、第二偏振正交单元，用于多路恶化信号和多路时钟之间的全光判决并输出。所述多波长判决器全光判决的实现是各路恶化光信号分别和本身相对应的时钟信号进行判决，而非用一路时钟信号与多个恶化信号进行判决。
本发明的优点和意义：1、方案简单经济实用，关键处理单元多为无源器件，结构简单。2、当通道数增加时，系统的复杂度不会提高。3、系统中核心工作单元的工作性能不因通道数的增加而下降。
【附图说明】
图1为本发明3R再生装置的总体结构示意图；
图2a及图2b为本发明中多波长变换器工作示意图；
图3a至图3d为本发明中多波长时钟提取示意图；
图4为本发明中偏振正交预处理示意图；
图5a及图5b为本发明中多波长全光判决示意图。
【具体实施方法】：
现结合附图对多波长全光3R再生过程进行详细说明。
总体实现方式见图1：
本发明中高速多通道全光3R再生方法及装置，它包括全光多波长变换器、多波长时钟提取单元、偏振正交单元、多波长判决器。从WDM系统传输来的多波长信号，由于传输中的多级放大及色散导致信号的严重恶化，在本再生装置中，首先光信号经耦合器被分为两路，其中第一路用来进行时钟提取以获得低抖动的定时时钟，第二路作为原始的恶化光信号进行相邻信号偏振态正交的预处理，见图4，然后进入多波长判决器，见图5a和图5b。第一路的信号，为便于多波长时钟提取单元提取时钟，首先进行多波长变换，将WDM信号变换到规定的波长位置，见图2a和图2b，波长变换后的信号便可顺利经梳状滤波器滤波，提取到WDM信号中每个信号的时钟，见图3a、图3b、图3c、图3d，紧接着对提取到的多路时钟进行偏振态正交的预处理，见图4，使相邻两路时钟的偏振态正交，最后时钟与同样预处理过的恶化光信号共同注入到多波长判决器中，见图5a和图5b，最终实现多波长全光3R同时再生。
多波长变换器见图2a和图2b：
在本多波长变换装置中的核心单元为具有非线性特性的光纤或与光波导器件，例如光纤光参量放大器OPA，周期性极化铌酸锂PPLN等具有非线性效应的所有器件。在多波长变换器中，以高功率的本地连续光为泵浦光，多波长信号进入非线性器件后，由于较强的非线性效应，导致会在以连续光波长为中心的另一侧出现新频率的信号光，且波长位置在输入信号光与泵浦光的拍频处，这样信号光的调制信息会出现在对应新频率的光波上，而新产生的光波波长随泵浦光波长的改变而改变，因此可通过该方案将多波长信号变换到所需要波长处。由于在一个器件中同时实现多个信号的波长变换，一方面结构上简单，不需要对每一个波长的信号分别进行波长变换而构建多个波长变换器，另一方面对多波长信号的处理效率高，不会因结构复杂引入额外的干扰和恶化，最重要是实施成本低，易于大规模使用。
多波长时钟提取单元见图3：
在本多波长时钟提取装置中的核心单元为具有梳状窗口的滤波器件，例如F-P滤波器、偏振相关干涉仪等器件。利用梳状滤波器对光脉冲提取时钟信号必须满足两个条件：自由光谱区宽度FSR要与输入序列码速率相匹配，滤波器的一个透射窗口中心位置要与输入序列的载波中心频率精确对准。只要多波长信号的波长间隔为自由光谱区的整数倍，就可以同时提取多波长信号的时钟。梳状滤波器的精细度与通带宽度关系为(fineness为精细度，FSR为自由光谱区，FWHM为透射窗口半高全宽)，当精细度为1000，自由光谱区为40GHz时，通带宽度为40MHz，原理上讲精细度越高，通带宽度越小，得到的时钟抖动越小；但如果梳状滤波器精细度过高，比如精细度为10000，自由光谱区为40GHz时，通带宽度仅为4MHz，当输入光信号的时钟频率与梳状滤波器的FSR差别大于通带宽度时，就无法提取时钟信息。因此，通过选择合适精细度的梳状滤波器，既可以得到较低抖动的光时钟信息，又可以允许输入光信号之间有一定的频率差别。
偏振态正交预处理见图4：
在本偏振态正交装置中核心单元为双折射器件，例如双折射光纤，SOA等具有双折射特性的所有器件。在多波长信号进入双折射器件之前，首先要经过一个偏振控制器PC，以确保多波长信号具有相同的偏振态，这样，多波长信号进入双折射器件之后，不同波长信号的偏振态旋转角度不同，要使相邻通道的偏振态正交，则要使两路光波在快慢轴上的分量的相位差为π+2kπ(k为整数)，必须符合关系式(Δf为通道间隔，AτDGD为差分群延时)，因此根据多波长信号的波长间隔，只要选择规定差分群延时参数的双折射器件，可以确保偏振态相同的多波长信号在经过双折射器件之后，使相邻信道之间的偏振态正交。
多波长全光判决器见图5：
在本多波长判决装置中核心单元为一具有高非线性的装置，例如高非线性光纤HNLF、等无源器件。前面经偏振正交处理后的恶化光信号和时钟光共同注入多波长判决器后，由于非线性效应导致参量过程，在泵浦光的两侧分别产生两个判决窗口，并且对应于信号光波长和闲频光波长位置。由于这样通过窄带滤波器或波分解复用器对应信号光波长处就可得到再生后的多波长信号。