北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876
波分复用（WDM）光网络具有波长和节点数目众多、传输路径动态重构、业务/资源动态调度等特点，亟须发展低成本、高可靠的在线监测技术，以保障光网络的安全稳定运行。本文提出了一种基于四进制脉冲幅度调制（PAM4）数字光标签的低成本、高可靠、高效率监测方案，并创新设计了PAM4光标签加载、探测和处理等整套机制与方法，配合所提出的基于PAM4光标签序列特征的光功率监测误差修正方法以及基于频谱峰值的功率计算方法，所提方案可以准确高效地监测波长通道光功率、估计光信噪比（OSNR）并恢复数字标签信息等。搭建了16 GBaud偏振复用QPSK/16QAM WDM光传输仿真系统和离线实验平台，验证结果表明所提方案在25跨段长距离传输后的通道光功率监测误差不超过0.65 dB，OSNR估计误差不超过0.6 dB，性能略优于传统的基于差分相移键控（DPSK）低阶调制格式的光标签监测方案。
光通信 波分复用 光标签 光功率 光信噪比 监测
1 湖北大学微电子学院，湖北 武汉 430062
2 华中科技大学光学与电子信息学院下一代互联网接入系统国家工程研究中心，湖北 武汉 430074
提出了一种基于信号光谱和多任务深度神经网络（MT-DNN）的多信道并行光性能监测（OPM）方案，采集多信道光谱图进行预处理来设计幅度直方图（Ahs），可实现波分复用（WDM）系统多信道调制格式识别（MFI）和光信噪比（OSNR）监测。在建立的3信道WDM相干光通信系统中，对由PDM-4QAM/16QAM/64QAM组合的10种调制格式的3信道信号实现了MFI准确率为100%、OSNR监测的平均绝对误差（MAE）为0.16 dB的精准监测。为进一步研究所提OPM方案的性能以应对复杂的传输环境，提出了迁移学习辅助的多任务深度神经网络（TL-MT-DNN）用于多信道MFI和OSNR并行监测。结果表明，所提方案可移植性较好，还可节省大量样本和训练周期，其MFI准确率仍可达100%，3信道OSNR监测的MAE分别为0.24 dB、0.20 dB和0.19 dB。
机器视觉 光性能监测 波分复用 光信噪比 调制格式识别 迁移学习 多任务深度神经网络
针对高速旋转设备分布式测量需求, 设计了一种单通道光纤旋转连接器(FROJ), 并进行了性能测试。以此单通道FROJ为基础, 采用磁光开关通过时分复用方式设计了四通道FROJ, 在静态和动态条件下分别测试了其插入损耗。实验结果表明: 该四通道FROJ的插入损耗小于4.5 dB,旋转变化量小于2 dB, 在转速不超过600 r/min时可以实现光信号的可靠传输。
光纤旋转连接器 磁光开关 时分复用 多通道光信号传输 分布式测量 fiber optic rotary joint magneto-optic switch time-division multiplexing multi-channel optical signal transmission distributed measurement
1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电学院，北京 100049
3 暨南大学光子技术研究院，广东 广州 510632
受益于光子独特的优势，光计算技术在构建高速、高算力和高能效比的专用计算加速器方面被寄予厚望，目前已经涌现出了许多极具吸引力的方案。特别是对于涉及运算量巨大的二维矩阵-矩阵乘加操作的专用场景，光计算有望在算力和能效比等方面实现超越当前最先进电子计算机几个数量级的性能提升。不同于电子计算通过构建逻辑门实现通用数字计算，主要受深度学习驱动而复兴的光计算更倾向于模拟计算。本文从模拟和数字光计算的角度出发对主流的光计算架构进行分析和讨论，指出了目前光计算技术发展面临的瓶颈，并对光计算未来的发展趋势进行了展望。
光计算 模拟光计算 数字光计算 光计算架构 光学矩阵计算 光学神经网络 光电智能计算 光学信号处理
西南交通大学信息光子与通信研究中心，四川 成都 611756
针对光纤传输系统中多重物理损伤效应严重影响传输性能的情况，为保障高速光传输网络的正常运行，对传输信号进行光性能监测是必不可少的。提出一种基于卷积神经网络（CNN）的多任务光性能监测研究方案，将强度轮廓与强度波动特征作为CNN模型输入，对传输信号调制格式与光信噪比（OSNR）进行联合监测。研究结果表明，所有调制格式（28-GBaud PDM-QPSK/-8QAM/-16QAM/-32QAM/-64QAM）均可在20% 前向纠错（FEC）阈值条件（误码率为2.4×10-2）所对应的OSNR下实现100%的识别精度。此外，当强度轮廓特征、强度波动特征和两种特征联合作为神经网络模型输入时，OSNR监测的平均绝对误差分别为0.282 dB、0.245 dB、0.165 dB，均方根误差分别为0.352 dB、0.311 dB、0.218 dB。随后，进一步研究了残余色散度对所提方案监测性能的影响。
光通信 调制格式识别 光信噪比监测 卷积神经网络 偏振解复用 光学学报
2022, 42(22): 2206002
1 中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室，北京0090
2 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京100049
为了实现集成电路内部电信号波形的非接触探测，设计了基于共光路干涉仪的探测光路，同时利用锁相放大技术噪声抑制能力强，灵敏度高的特点，提出了基于锁相放大的信号处理方法提取反射光中携带的微弱器件电光信号。该方法利用器件电光信号强度随器件电信号周期性变化的特点，首先将来自光电探测器的电信号进行锁相放大处理消除大部分噪声，然后再利用平均处理技术进一步抑制外界噪声干扰，提高器件电光信号的信噪比，从而将淹没在噪声中的器件电光信号提取出来，重建器件内部电学信息。利用该探测方法成功探测到芯片内部动态工作电流在μA量级的电路节点电光信号，信噪比达到4.99 dB，而仅使用平均处理技术得到的信号信噪比只有-44.29 dB。研究内容为集成电路内部电信号的光学探测提供了一种新的思路，未来可在集成电路动态缺陷检测领域得到应用。
集成电路 锁相放大 电光探针 电光信号 integrated circuit lock-in amplifier electro-optical probing electro-optical signal 光学 精密工程
2022, 30(18): 2178
1 西安邮电大学电子工程学院，陕西 西安 710121
2 中国船舶重工集团第705研究所水下信息与控制重点实验室，陕西 西安 710077
基于四波混频效应的全光波长转换技术在解决全光信号处理问题中至关重要。波长转换是通过波长转换器将受阻的数据转换到其它空闲波长上进行输出，可解决资源分配不足、通信质量降低的问题。硅基波导及光子晶体光纤等都可用于波长转换，但对于短距离通信，硅基波导更具优势。构建了一种新型MEH-PPV硅基光波导，通过有限元法对其进行了色散调控，分析了该波导在最佳结构下的相位失配特性及非线性系数的变化特性。结合该波导的传输损耗、相位失配特性以及非线性系数，建立了基于泵浦简并条件下的四波混频数学模型，分析了不同信号光功率、泵浦光功率以及波导长度下的波长转换效果。结果表明：采用MEH-PPV材料作为夹层的slot硅基波导，最大波长转换效率约为16 dB，其转换带宽为400 nm左右，在全光信号处理领域具有广泛的应用前景。
光学器件 波长转换 全光信号处理 四波混频 slot硅基波导 MEH-PPV 激光与光电子学进展
2022, 59(17): 1723001
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 湖北光谷实验室，湖北 武汉 430074
随着人工智能技术的高速发展，全球的计算量急剧增长，需要以快速、高效的方式处理海量数据，这对计算硬件的算力和能效提出了较高的要求。受限于电子器件的固有极限和冯·诺依曼架构，传统的电子计算在速度和能效方面遇到了难以突破的瓶颈。光电智能计算充分融合光学的多维复用、大带宽、低能耗等优势和电学的细粒度灵活控制特性，具有光算电控和软硬协同的特点，是一种更实用、更有竞争力的人工智能计算加速方案。回顾了光电智能计算的研究进展，探讨了目前用于光学信号处理和光学神经网络的主流计算架构在线训练算法以及算力、能效提升方面的挑战，并进行了展望。
光计算 光电智能计算 人工智能 计算加速 光学信号处理 光学神经网络 中国激光
2022, 49(12): 1219001
Author Affiliations
Abstract
1 College of Microelectronics, Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
2 State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
3 School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
We focus on photonic generation and transmission of microwave signals in this work. Based on dual-pumped stimulated Brillouin scattering, a single-sideband (SSB) optical signal with high sideband rejection ratio is obtained. Combined with a phase-modulated optical carrier, an arbitrarily phase coded microwave signal is generated after photoelectric conversion. The SSB modulation can eliminate the fiber-dispersion-induced power dispersion naturally, and the phase modulation of the optical carrier can achieve arbitrary phase encoding and suppress background noise. The proposed scheme can achieve both generation and anti-dispersion transmission of arbitrarily phase coded signals simultaneously, which is suitable for one-to-multi long-distance radar networking.
microwave photonics phase coded signal anti-dispersion transmission optical signal processing Chinese Optics Letters
2022, 20(8): 083901
Author Affiliations
Abstract
1 Taiyuan University of Technology, Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control Systems, Ministry of Education, Taiyuan, China
2 Guangdong University of Technology, School of Information Engineering, Guangdong Provincial Key Laboratory of Photonics Information Technology, Guangzhou, China
3 Northwestern Polytechnical University, School of Electronics and Information, Xi’an, China
4 Institute of Southwestern Communication, Science and Technology on Communication Laboratory, Chengdu, China
5 Bangor University, School of Electronic Engineering, Wales, United Kingdom
Optical chaos generated by perturbing semiconductor lasers has been viewed, over recent decades, as an excellent entropy source for fast physical random bit generation (RBG) owing to its high bandwidth and large random fluctuations. However, most optical-chaos-based random bit generators perform their quantization process in the electrical domain using electrical analog-to-digital converters, so their real-time rates in a single channel are severely limited at the level of Gb/s due to the electronic bottleneck. Here, we propose and experimentally demonstrate an all-optical method for RBG where chaotic pulses are quantized into a physical random bit stream in the all-optical domain by means of a length of highly nonlinear fiber. In our proof-of-concept experiment, a 10-Gb/s random bit stream is successfully generated on-line using our method. Note that the single-channel real-time rate is limited only by the chaos bandwidth. Considering that the Kerr nonlinearity of silica fiber with an ultrafast response of few femtoseconds is exploited for composing the key part of quantizing laser chaos, this scheme thus may operate potentially at much higher real-time rates than 100 Gb/s provided that a chaotic entropy source of sufficient bandwidth is available.
chaos random number generation semiconductor lasers optical signal processing Advanced Photonics
2022, 4(3): 035001
