CN110505021B - 一种光通信装置、光通信系统及光信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明了一种光通信装置、光通信系统以及光信号处理方法，该光通信装置包括光子神经网络芯片、第一光电转换模块以及电信号处理模块。其中，光子神经网络芯片接收光信号，对光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号。第一光电转换模块将光信号中的非线性光信号以及第一中间光信号转换成第一中间电信号。电信号处理模块将第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。可见，本方案中，光信号中的线性光信号通过光子神经网络芯片进行补偿和恢复，无需进行光电转换，非线性光信号仍由电信号处理模块进行处理，进而使得整个光通信装置提高了数据处理的速率，并降低了电信号处理模块的能耗。

Description

一种光通信装置、光通信系统及光信号处理方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种光通信装置、光通信系统及光信号处理方法。
背景技术
目前，数字光纤通信系统中，光接收端在接收到光信号后，通过光电转换模块将光信号转化成电信号，然而，信号在传输过程会存在传输损伤，因此需要通过电信号处理模块对电信号进行补偿和损伤恢复。
常用的电信号处理模块为高速数字信号处理器DSP，通常，光纤通信系统的光接收端需要接收大量的数据，如几十G，这使得光纤通信系统的成本较大。除此，电信号处理模块包括模数转换单元、时钟提取与同步单元、数字滤波单元、相偏补偿单元以及抽样判决单元等，使得电信号处理模块的运算复杂，功耗较大。
因此，如何提供一种光通信装置及系统，能够降低电信号处理模块的运算复杂度以及功耗，提高运算速率，是本领域技术人员亟待解决的一大技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光通信装置及系统，能够降低电信号处理模块的运算复杂度以及功耗，提高运算速率。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种光通信装置，包括光子神经网络芯片、第一光电转换模块以及电信号处理模块；
所述光子神经网络芯片用于接收光信号，对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号；
所述第一光电转换模块与所述光子神经网络芯片的输出端相连，用于将所述光信号中的非线性光信号以及所述第一中间光信号转换成第一中间电信号；
所述电信号处理模块与所述第一光电转换模块的输出端相连，用于将所述第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。
可选的，还包括第二光电转换模块；
所述第二光电转换模块与所述电信号处理模块的输出端相连，用于将所述目标电信号进行信号处理，生成目标光信号。
可选的，所述光子神经网络芯片包括马赫-曾德尔干涉仪、多模干涉仪、直接耦合器、光子晶体、微环谐振器中的任意一个。
可选的，所述光子神经网络芯片对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号，具体用于：
确定目标权重与所述光信号中的线性信号的线性卷积为所述第一中间光信号。
一种光通信系统，包括光接收端以及光输出端；所述光接收端包括光子神经网络芯片、第一光电转换模块以及电信号处理模块；
所述光子神经网络芯片用于接收光信号，对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号；
所述第一光电转换模块与所述光子神经网络芯片的输出端相连，用于将所述光信号中的非线性光信号以及所述第一中间光信号转换成第一中间电信号；
所述电信号处理模块与所述第一光电转换模块的输出端相连，用于将所述第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。
可选的，所述光接收端还包括第二光电转换模块；
所述第二光电转换模块与所述电信号处理模块的输出端相连，用于将所述目标电信号进行信号处理，生成目标光信号。
可选的，所述光子神经网络芯片包括马赫-曾德尔干涉仪、多模干涉仪、直接耦合器、光子晶体、微环谐振器中的任意一个。
一种光信号处理方法，应用于任意一项上述的光通信装置，包括：
接收光信号，对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号；
将所述光信号中的非线性光信号以及所述第一中间光信号转换成第一中间电信号；
将所述第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。
可选的，还包括：
将所述目标电信号进行信号处理，生成目标光信号。
可选的，所述对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号，包括：
获取所述光子神经网络芯片的目标权重；
确定目标权重与所述光信号中的线性信号的线性卷积为所述第一中间光信号。
基于上述技术方案，本发明实施例提供了一种光通信装置，包括光子神经网络芯片、第一光电转换模块以及电信号处理模块。其中，光子神经网络芯片用于接收光信号，对光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号。第一光电转换模块与光子神经网络芯片的输出端相连，用于将光信号中的非线性光信号以及第一中间光信号转换成第一中间电信号。电信号处理模块与第一光电转换模块的输出端相连，用于将第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。可见，本方案中，光信号中的线性光信号通过光子神经网络芯片进行补偿和恢复，无需进行光电转换，非线性光信号仍由电信号处理模块进行处理，进而使得整个光通信装置提高了数据处理的速率，并降低了电信号处理模块的能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实施例提供的一种光通信装置的结构示意图；
图2为本实施例提供的一种光通信装置的又一结构示意图；
图3为本实施例提供的一种光通信装置中光子神经网络芯片的结构示意图；
图4为本实施例提供的一种光通信系统的结构示意图；
图5为本实施例提供的一种光信号处理方法的流程示意图；
图6为本实施例提供的一种光信号处理方法的又一流程示意图；
图7为本实施例提供的一种光信号处理方法的又一流程示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，目前的数字光纤通信系统中，在接收端机接收到光信号后，将光信号转换为电信号，然后通过电信号处理技术来对信号进行补偿和恢复传输损伤。
具体的，光通信系统中造成信道传输损伤和接收信号畸变如下：
a、线性损伤，如光纤的色散、偏振摸色散及偏振相关损耗等；
b、非线性损伤，包括有自相位调制(SPM)，WDM系统中的交叉相位调制(XPM)和四波混频效应(FWM)；
c、本地激光器和信号载波的不匹配造成载波偏频；
d、激光器线宽引入的相位偏移。
即，电信号处理的作用在于恢复接收信号中的传输数据，主要包括有模数转换、时钟提取与同步，数字滤波，相偏补偿和抽样判决等模块，而电信号处理涉及到各种复杂运算，功耗大。
除此，光通信接收端的光数据高达几十G，使得采样高速模数转换器(ADC)和高速数字信号处理(DSP)的实现难度大且成本高昂。
有鉴于此，请参阅图1，图1为本实施例提供的一种光通信装置的结构示意图，包括光子神经网络芯片11、第一光电转换模块12以及电信号处理模块13。
其中，所述光子神经网络芯片11用于接收光信号，对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号。所述第一光电转换模块12与所述光子神经网络芯片11的输出端相连，用于将所述光信号中的非线性光信号以及所述第一中间光信号转换成第一中间电信号。所述电信号处理模块13与所述第一光电转换模块12的输出端相连，用于将所述第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。
可见，本方案中，光信号中的线性光信号通过光子神经网络芯片进行补偿和恢复，光信号直接进入光子神经网络芯片，无需进行光电转换，且光子神经网络芯片处理光信号的速度要远高于电芯片的处理速率，同时，光子神经网络芯片处理光信号的功率也低于电芯片能耗。
除此，本方案中，非线性光信号仍由电信号处理模块进行处理，进而使得进入电信号处理模块的数据的计算量降低，提高了整个光通信装置提高了数据处理的速率。
需要说明的是，在本实施例中，光信号中的线性光信号可以包括色度色散(CD)、偏振模色散(PMD)、偏振相关损耗(PDL)、载波相位模糊以及发送与接收端的激光频率差等。
在上述实施例的基础上，如图2所示，本实施例提供的光通信装置，还包括第二光电转换模块21。
其中，所述第二光电转换模块21与所述电信号处理模块13的输出端相连，用于将所述目标电信号进行信号处理，生成目标光信号。
示意性的，在本实施例中，光信号进入光子神经网络芯片11进行线性处理，处理后的信号进入第一光电转换模块12，然后进入电信号处理模块13，电信号处理模块13对电信号进行处理，处理后的信号进入第二电光转换模块21，最后输出光信号。本实施提供的光通信装置可以应用在光性能检测、网络故障预测、系统损伤诊断、信号测试分析等领域方向。
在上述实施例的基础上，本实施例提供的光子神经网络芯片的结构示意图如图3所示，包括待处理信号输入、线性处理部分、处理完后信号输出。其中，所述光子神经网络芯片对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号，具体为：
确定目标权重与所述光信号中的线性信号的线性卷积为所述第一中间光信号。
即，线性处理部分的输出是输入光信号和权重系统的线性卷积。
其中，所述光子神经网络芯片可以包括马赫-曾德尔干涉仪、多模干涉仪、直接耦合器、光子晶体、微环谐振器中的任意一个。
除此，本实施例中的光子神经网络芯片在进行光信号的线性处理之前，还需要对光子神经网络芯片进行权重训练，通过数据输入以及输出判断，训练光子神经网络芯片的权重值。之后，使用训练好的光子神经网络芯片对光信号进行线性处理。
综上，本方案中，光信号中的线性光信号通过光子神经网络芯片进行补偿和恢复，光信号直接进入光子神经网络芯片，无需进行光电转换，且光子神经网络芯片处理光信号的速度要远高于电芯片的处理速率，同时，光子神经网络芯片处理光信号的功率也低于电芯片能耗。
在上述实施例的基础上，本实施例还提供了一种光通信系统，如图4所示，包括光接收端41以及光输出端42。所述光接收端41包括光子神经网络芯片、第一光电转换模块以及电信号处理模块。
其中，所述光子神经网络芯片用于接收光信号，对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号；
所述第一光电转换模块与所述光子神经网络芯片的输出端相连，用于将所述光信号中的非线性光信号以及所述第一中间光信号转换成第一中间电信号；
所述电信号处理模块与所述光电转换模块的输出端相连，用于将所述第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。
除此，本实施例提供的光通信系统中，所述光接收端还包括第二光电转换模块；
所述第二光电转换模块与所述电信号处理模块的输出端相连，用于将所述目标电信号进行信号处理，生成目标光信号。
而所述光子神经网络芯片包括马赫-曾德尔干涉仪、多模干涉仪、直接耦合器、光子晶体、微环谐振器中的任意一个。
该光通信系统的工作原理请参见上述光通信装置的工作原理，均为：通过光子神经网络芯片对光信号中的线性光信号进行补偿和恢复，光信号直接进入光子神经网络芯片，无需进行光电转换，且光子神经网络芯片处理光信号的速度要远高于电芯片的处理速率，同时，光子神经网络芯片处理光信号的功率也低于电芯片能耗。
相应的，本实施例如图5所示，还提供了一种光信号处理方法，应用于任意一项上述的光通信装置，包括：
S51、接收光信号，对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号；
S52、将所述光信号中的非线性光信号以及所述第一中间光信号转换成第一中间电信号；
S53、将所述第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。
除此，如图6所示，本实施例提供的光信号处理方法，还包括：
S61、将所述目标电信号进行信号处理，生成目标光信号。
在上述实施例的基础上，本实施例进一步提供了一种对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号的具体实现方法，如图7所示包括：
S71、获取所述光子神经网络芯片的目标权重；
S72、确定目标权重与所述光信号中的线性信号的线性卷积为所述第一中间光信号。
同理，该光信号处理方法，通过光子神经网络芯片对光信号中的线性光信号进行补偿和恢复，其中，光信号直接进入光子神经网络芯片，无需进行光电转换，且光子神经网络芯片处理光信号的速度要远高于电芯片的处理速率，同时，光子神经网络芯片处理光信号的功率也低于电芯片能耗。
除此，本方案中，非线性光信号仍由电信号处理模块进行处理，进而使得进入电信号处理模块的数据的计算量降低，提高了整个光通信装置提高了数据处理的速率。
综上，本发明了一种光通信装置、光通信系统以及光信号处理方法，该光通信装置包括光子神经网络芯片、第一光电转换模块以及电信号处理模块。其中，光子神经网络芯片接收光信号，对光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号。第一光电转换模块将光信号中的非线性光信号以及第一中间光信号转换成第一中间电信号。电信号处理模块将第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。可见，本方案中，光信号中的线性光信号通过光子神经网络芯片进行补偿和恢复，无需进行光电转换，非线性光信号仍由电信号处理模块进行处理，进而使得整个光通信装置提高了数据处理的速率，并降低了电信号处理模块的能耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光通信装置，其特征在于，应用于数字光纤通信系统中，包括光子神经网络芯片、第一光电转换模块以及电信号处理模块；
所述光子神经网络芯片用于接收光信号，对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号；其中，所述对所述光信号中的线性光信号进行预处理用于实现对所述线性光信号的补偿和恢复；
所述第一光电转换模块与所述光子神经网络芯片的输出端相连，用于将所述光信号中的非线性光信号以及所述第一中间光信号转换成第一中间电信号；
所述电信号处理模块与所述第一光电转换模块的输出端相连，用于将所述第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。
2.根据权利要求1所述的光通信装置，其特征在于，还包括第二光电转换模块；
所述第二光电转换模块与所述电信号处理模块的输出端相连，用于将所述目标电信号进行信号处理，生成目标光信号。
3.根据权利要求1所述的光通信装置，其特征在于，所述光子神经网络芯片包括马赫-曾德尔干涉仪、多模干涉仪、直接耦合器、光子晶体、微环谐振器中的任意一个。
4.根据权利要求1所述的光通信装置，其特征在于，所述光子神经网络芯片在对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号，具体用于：
确定目标权重与所述光信号中的线性信号的线性卷积为所述第一中间光信号。
5.一种光通信系统，其特征在于，应用于数字光纤通信系统中，包括光接收端以及光输出端；所述光接收端包括光子神经网络芯片、第一光电转换模块以及电信号处理模块；
所述光子神经网络芯片用于接收光信号，对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号；其中，所述对所述光信号中的线性光信号进行预处理用于实现对所述线性光信号的补偿和恢复；
所述第一光电转换模块与所述光子神经网络芯片的输出端相连，用于将所述光信号中的非线性光信号以及所述第一中间光信号转换成第一中间电信号；
所述电信号处理模块与所述第一光电转换模块的输出端相连，用于将所述第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。
6.根据权利要求5所述的光通信系统，其特征在于，所述光接收端还包括第二光电转换模块；
所述第二光电转换模块与所述电信号处理模块的输出端相连，用于将所述目标电信号进行信号处理，生成目标光信号。
7.根据权利要求5所述的光通信系统，其特征在于，所述光子神经网络芯片包括马赫-曾德尔干涉仪、多模干涉仪、直接耦合器、光子晶体、微环谐振器中的任意一个。
8.一种光信号处理方法，其特征在于，应用于如权利要求1-4中任意一项所述的光通信装置，包括：
接收光信号，对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号；其中，所述对所述光信号中的线性光信号进行预处理用于实现对所述线性光信号的补偿和恢复；
将所述光信号中的非线性光信号以及所述第一中间光信号转换成第一中间电信号；
将所述第一中间电信号进行信号处理，生成目标电信号。
9.根据权利要求8所述的光信号处理方法，其特征在于，还包括：
将所述目标电信号进行信号处理，生成目标光信号。
10.根据权利要求8所述的光信号处理方法，其特征在于，所述对所述光信号中的线性光信号进行预处理，生成第一中间光信号，包括：
获取所述光子神经网络芯片的目标权重；
确定目标权重与所述光信号中的线性信号的线性卷积为所述第一中间光信号。
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