CN1119044A - 光学编码信号 - Google Patents

Abstract

在一种识别光学编码二进制字的方法中，这个字是从一个满足下述逻辑条件的二进制字的子组中选取的：如果当W＝T时W×T＝0，当W≠T时W×T＝1为真，其中T是目标字，W是准备比较的字，以及×代表运算公式(1)。这个字通过在光学领域内执行逐个比特的布尔“与”运算来识别。该运算是对准备识别的字和目标字的逻辑“补”来执行的。这个“与”运算可以这样执行：把准备识别的字和目标字引入一个非线性晶体，并探测晶体的二次谐波输出。目标字的“补”可以由一个固定的字形成网络产生。该方法可以应用于识别光学网络上一个数据包的地址。

Description

光学编码信号

本发明涉及一种用来处理光学编码信号的方法和设备，特别地，涉及光学编码二进制字的识别。

把一个数字编码的字和一个目标字进行比较的需要发生于光学通信和光学信号处理系统全部领域内的许多不同场合。这种技术的一个重要应用在于，识别光学通信网络中所携带的一个数据帧的引头部分内的地址。为了能以非常高的比特率，例如100Gbit/s，来利用这种网络，重要的是能够以超高速的速度，例如对一个40比特的字以400ps，来执行上述识别。至今已经提出了许多不同的方法。它们包括超短脉冲谱相位编码、利用扩展谱和时间分割编码技术的光学相关，以及例如利用孤立子滞后门(soliton-dragging gate)或非线性光学环反射镜的全光学逻辑技术。在最后这一类技术中，已经有可能利用非线性光纤维器件处理超快速光学信号。然而，这些器件有一个很大的缺点，即它们有长的等待时间，也就是在输入信号和输出信号之间有长的延时。

在PCT/CH91/00122中公开了一种识别代码字的方法。虽然认识到了需要提供速度和灵敏度，但这个过去的系统却依赖于一个电/光混合系统，其中准备识别的字W以光学方式被施加给一个由对应于目标字T的电控制序列所操纵的门。该门的输出在一个光电探测器中非相干地相加。在实践中，用这种系统可达到的识别速度是受到严重限制的。

根据本发明的第一个方面，提供了一种识别光学编码二进制字W的方法，其特征是，这个字是通过在光学领域内对准备识别的字W或一个由此导出的字和目标字T或一个由此导出的字逐个比特地执行布尔“与”运算来识别的。

这个编码字最好是从满足下述逻辑条件的二进制字子组中选取的：

WT＝0，若W＝T

WT＝1，若W≠T为真，其中T是目标字，W是准备比较的字。

在本说明书所采用的符号中，WT表示下述运算： $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(w_i\·\stackrel{\‾}{t_i})$ 其中W_i和t_i分别是两个二进制字的第i个比特，并且如布尔代数中习惯采用的那样，求和及相乘分别代表“或”及“与”运算， x代表x的逻辑“补”。

本发明者已经认识到，若选择恰当的代码字，便有可能在光学领域内用光学“与”运算进行全部的识别。

优选实施例把编码字限制在所有可能的n比特的二进制字中的一个子组之内，然后利用一种完全基于在比特级别上的“与”运算的方法来执行字的识别。如下面将更详细地讨论的那样，由两个光学场的简单的标量积所代表的“与”运算是许多非线性光学器件的一个基本功能。从而，它能够比其他逻辑运算，例如以前用来识别光学代码字的“异或”运算，远为直接地来实现。因此，这个方法将使得光学代码字的处理有远远超过电子逻辑电路能力的超高速度，而且还可能具有一般的能量需要、高稳定性和信号处理器件中的小等待时间，以及小的物理体积和集成化的潜力。比特率能够达到超过10Gbit/s，并可能高达100Gbit/s甚至更高。

以前已经提出把超快速非线性光学“与”门用作对非常高速的光学数据进行信号分离的手段。在这种方案中，如果A是一个十分高速的数据流，B是较低频率的光学时钟信号，则输出A·B是A以时钟频率这个较低频率的采样。当该输出A·B被探测和转换成一个电信号时，能够使用的最高时钟频率被光探测器和有关的电子电路的响应时间所限制。近来F·Forghieri等人[7]建议把这种信号分离技术应用到非常高速光学数据包中的引头信息的识别和解释问题之中。然而，他们虽然用光学“与”运算来分离信号，但字的识别却不是在光学领域而是在电学领域内执行的。于是能够处理的比特率被光探测器和有关电路的响应时间所限制。例如，在一个100Gbit/s的系统中，如果全部引头场含有40个比特，并且光探测器的响应时间是100ps，则采用Forghieri等人的方法读出引头所需的时间为40×100ps=4ns。

与以往技术形成对比的是，在本发明所采用的方法中，字的识别处理是在光学领域内执行的，只有最后用来甄别的输出在电学领域内产生。从而比特率不受光探测器和电子电路响应时间的限制。这意味着，例如当该系统用来读出非常高速光学数据包中的引头时，能够以该数据包的满比特率来进行。在前面给出的例子中，用我们的方法来处理40比特的引头所需的时间将是40×10ps＝400ps，与Forghieri等人所描述的系统相比，速度提高到10倍。

对超高速光学网络来说，这个识别处理可以在一个分路节点上来执行，在该节点处一个以RTZ格式，例如孤立子，编码的输入数据包括根据其包地址场H是否等于当地地址A来导向。可以产生一个与该输入数据包精确同步的单个光学脉冲P，并使之通过一个被动的分光-延时-再结合网络把它转换成一个代表A(当地地址A的二进制逻辑“补”)的脉冲序列。

在该例子中，输入数据包的引头H和该脉冲序列A同时输入给一个超高速光学“与”门。仅当H等于A时该门的输出为零。如果H不等于A，则在光学“与”门的输出中至少要得到一个光学脉冲。探测这个输出(即转换到电学领域)，它可以用来控制通道转换开关。只需要一个光学“与”门。不需要电学求和或者多电平鉴别。由于门的输出立即被转换到电学领域，该门既不要求是保持波长不变的，也不要求有高的光学效率或者可以串级工作。任何能够产生正比于两个输入场的标量积的输出的非线性光学器件都可以使用。

用来执行“与”运算的非线性光学器件例如可以是一块SHG(二次谐波发生器)晶体。或者也可以利用其他的非线性光学处理，例如光学和频或差频混频，谐波发生，利用光学克尔效应的偏振面旋转，交叉相位调制，简并四波混频，或者光学相位共轭。所有这些非线性光学现象都产生正比于两个输入光学信号的标量积的输出。可以使用各种非线性光学媒质，例如晶体，半导体，有机材料，或玻璃。采用具有光学波导形式的非线性光学媒质可能是特别有利的。

本发明并不局限于处理代表一个时间序列的信号，例如光学网络上数据包的引头。它也可以用于图形或图像的识别，在这种情形下，二进制字的各个不同比特将分布在空间，而不是按时间分布。于是一个字的各个不同比特W₁、W₂、…W_i对应于二进制像素，并且图象的识别通过在光学领域中对备像素和二进制目标图象的“补”进行“与”运算来实现。

代码字W最好被提供有一个与该字的其余部分有固定的、非比特同步的时间关系的基准脉冲，该基准脉冲在产生取决于目标字T的脉冲序列T’时使用。

字T’最好通过把含有基准脉冲的字W施加到一个分光-延时网络中来产生，该网络的各个臂分别具有由目标字T确定的各种延时时间。

本发明的这一特点免除了在当地产生一个同步于输入代码字的脉冲的需要。代替这一需要的是每个代码字都被提供有一个附加的脉冲，该脉冲与代码字脉冲序列有固定的时间关系，但与该脉冲序列是非比特同步的。例如，基准脉冲可以出现在数据包引头始端前面1.5个比特周期的时刻。然后该基准脉冲被应用于产生用来与输入代码字作“与”运算的一个与目标字T相关的字。这可以利用例如一个能产生包含目标字的逻辑“补”T在内的信号的网络来实现。

根据本发明的第二个方面，提供了一种用来探测和识别与光学通信系统中的一个数据包相关连的地址的地址读出器，其特征是，上述手段被设计成是利用根据本发明第一方面的一种方法来识别地址的。

虽然本发明的应用对象绝对不是局限于在光学通信系统中读出地址，但它在这个应用领域确实给出了特别的优点。它有潜力提供超吉比特处理速率的工作容量这一事实使得在高级宽频带光学网络中更高速度的数据包分路转换成为可能。

下面将仅仅通过例子来说明本发明的实施例，本发明的理论背景将参考附图进行讨论，在附图中：

图1是说明本发明所使用的受限制的字组中的字的数字的图；

图2a和2b分别是实施本发明的一个光学通信系统和一个字形成网络的原理图；

图3示出一个光学“与”门；

图4a和4b说明利用图2所示系统来识别引头的地址场；

图5是本发明另一个实施例的原理图；

图6是图5所示被动网络的较详细的图；

图7a至7e是说明图6所示网络的工作过程中的时间系列图；

图8是光学“与”门的另一个例子；

图9是“与”门的再一个实施例；

图10是利用可重构形态的字形成网络的另一个实施例的原理图；

图11(a)是可构形成能选择不同引头场的再一个实施例的原理图，图11(b)示出一些不同的引头场；以及

图12是又一个实施例的原理图。

在图2a所示的实施例中，一个宽频带光学网络携带了一些光学编码数据的数据包。在电光分路(转换)开关2处，数据包被导向网络两个分支中的某一支中。在开关2的上游，网络所携带的一部分信号被分出来并受到门控，使得传送中的数据包的引头被输送到脉冲符合探测门3。在那里组成地址的二进制字W与由一个字形成网络4向门提供的目标字T的“补”进行比较。字形成网络4的输入由一个时钟恢复单元CR提供。门3的输出被探测器5转换成电信号，该结果信号被用来控制开关2。延时器1使数据包延时，直到分路开关2已经正确地设置好之后才到达该分路开关2。

门3对脉冲序列执行逐个比特的布尔“与”运算。该门可以由一块适当的非线性晶体组成，其取向使得只有当两个输入脉冲A和B以不同的角度同时入射到晶体内并在晶体中相交时，该两个光脉冲序列才能有效地产生二次谐波辐射。这就是被称作非线性SHG(二次谐波发生)的技术。晶体的取向满足相位匹配条件，能保证在只有单个脉冲射入时不会产生明显的SHG。

从晶体输出的二次谐波被探测并用来控制电光开关2，以给出对数据包的正确的路径导向。分路开关例如可以是一个具有亚纳秒开关时间的铌酸锂平面波导2×2开关，例如像由E-Tek Dynamics公司所制作并由Milton Keynes的Optilas Limited公司所供应的那种波导开关。光探测器把光学“与”信号转换成电信号。有一个光栏和一个滤光器使得输入到晶体的光学信号不能到达光探测器，但可以让SHG信号通过。另一种做法是，在光探测器后方放置一个电子鉴别器，并对它设置一个决策阈值电平使得只有当同时出现输入A和B时它才有输出。

光学“与”门还可以有另一种布局。特别地，可以使用第二类相位匹配二次谐波发生方式。在这种布局下，两束输入光束在一直线上，但它们的电场矢量分别在两个正交的方向上偏振。然后对晶体取向，使得只有当两个在各自偏振方向上的输入脉冲同时出现时才能得到SHG。用一个滤光器在输入光到达光探测器之前把它们挡住。

在图2a所示的线路中，时钟恢复单元(CR)产生一个与输入光学数据包严格同步的光学时钟脉冲(即每个数据包一个脉冲)。这个时钟恢复可以用S.P.Dijaili等人[8]所描述的光学锁相环来完成。然后该时钟脉冲信号经过一个被动光学网络，在那里单个脉冲被转换成代表一个二进制字的脉冲序列。这个字形成网络可以由一个多路分光器和再结合器组成，其中有许多分离的光学通道。这些通道的长度各稍有差别，其取值使得输出的脉冲序列能代表目标字T的逻辑“补”。因此该字形成网络是“硬连线”地产生所需字T的。这种类型的被动网络可以利用光学制版处理和平面硅波导技术(例如如C.J.Beaumont等人所描述[9])很容易地制作。图中所示的光学延时线使输入数据包延时，直到电光开关有足够的时间被正确地设定。

在某些应用领域，用一种能够例如在网络管理控制之下灵活地改变结构形态的字形成网络来代替单个硬连线字形成网络可能是有好处的。对于有必要改变一个节点的地址或者动态地改变通信网络形态的情形，例如当对要求改变数据的传送而作出响应时，或者对出现网络错误作出响应时，这种替换将特别有利。这时，字形成网络由多个可以借助于电光开关或光机械开关来选择的光学通道组成；其中某些光学通道或者所有的光学通道可以含有一个这样的开关。通过在这些开关上加上电信号以挡住某些通道和开放某些通道，或者重组其他一些通道，便可能以许多方式来重构该字形成网络的形态，从而在实际上任意地改变了输出字 T。

图10示出这种方法的第一个例子。在该例子中提供了k个固定的字形成网络，并利用两个1×k(转换)开关从这些网络中选出一个指定的网络。每个不同的网络对应于一个不同的目标字。

图11(a)示出了另一种布局，其中有可能对引头部分的不同的场(图11(b)执行字识别处理。和前面一样，字形成网络N(可以是固定的，也可以是可重构形态的)用来识别输入字是否与目标字T相匹配，在本情形中 T的长度和引头中的一个分场的长度相同。通过在k条延迟线中选择一条来组建这些开关的形态，从而设定延时长度，便有可能选出引头中的哪一部分(即哪一场)将要被识别。

图12示出了又一个实施例，它可以给出更大的灵活性。在这个线路中，利用各个开关来完全组建目标字和光学“与”门的第二个输入的通道形态，便不但可以自由地选择目标字，而且还可以在需要时自由地选择引头中的各场。

应该看到，借助于电光开关或光机械开关和各条不同延时线的适当的排列组合，还有可能有许多不同的布局。在图10至12的例子中，字形成网络是以下面结合图5所详细说明的方式作用在由准备识别的字所携带的基准脉冲上的。可重新组建形态的字形成网络也可以以类似的方式用于前述线路结构，例如图2A所示结构中的独立产生的同步脉冲的情形。

图5示出另一个实施例，它免除了在产生目标字时在当地产生同步脉冲P的必要性。和前面一样，输入数字包被分光成两路，一路通过延时器1进入分路开关2，另一路用来作为“与”门3的一个输入。然而，如图所示，产生该“与”门的另一个输入的方式被改变了。

现在输入的数据包含有一个附加的脉冲，即“基准脉冲”，它位在引头之前，并与引头脉冲序列有固定的时间关系。该基准脉冲相对于引头来说是非比特同步的，也就是说，它与引头之间的时间距离不是比特周期的整数倍。在本例子中，基准脉冲出现在引头始端前面1.5个比特周期处。

输入数据包第二次被分光成两路，一路被施加给被动网络4’，另一路直接传送到光学“与”门3的一个输入端。网络4’在图6中表示得更为详细，它含有n个臂，其中n是A中“0”的总数。该网络重新产生和重新结合包括基准脉冲在内的全部数据包共n次，每个重新产生的数据包被延时了时间τ_j，其中τ_j是基准脉冲和当地地址A中第j个“0”之间的时间差。通过下面所说明的例子将会看到，这具有产生一个结合输出字T’的效果，在引头中每一个对应于当地地址A中为“0”的比特位置上，T’都有一个从基准脉冲导出的脉冲。在当地地址A为“1”的比特位置上T’不含有脉冲。因此基准脉冲实际上被用来产生当地地址的二进制“补” A。

网络4’的输出被施加给“与”门3，和前面一样，当H不等于A时，“与”门3的输出不为零。因此该技术使得自我分路成为可能，而不需在网络节点处有比特级别上的同步。该被动网络4’可以用紧凑型平面硅对硅技术来制作，这样得到的元件可以容易地更换，例如可以容许当地地址的改变。

图7示出了该技术的一个简单的例子，其中再次假定了当地地址A和数据包引头H都是5比特的字。为了便于说明，当地地址仍设为A＝01011，所以n＝2， A＝10100。在图7(a)中，输入数据包的引头地址场H＝01011，所以H＝A。假定比特周期为T，则基准脉冲出现在引头场H第一个比特的前面1.5T处。该数据包被输入给一个延时为τ₁＝1.5T，τ₂=3.5T的被动网络N，以产生如图7(b)和(c)所示的两个延时数据包，它们相结合之后产生图7(d)所示的光学信号。该信号被加到光学“与”门的一个输入端，而加在该“与”门另一输入端上的是如图7(e)所示的未经延时的数据包。在该情形中，因为H＝A，所以没有同时输入到“与”门两个输入端上的脉冲，于是该“与”门没有光学输出(即H×A＝0)。然而，如果H≠A，并且H和A是从所要求的组中取出的，那末就会从该门得到一个光学输出信号，它可以被用来相应地设定分路开关。

为了保证在H＝A情形下不从“与”门得到明显的光学输出，数据包中每个光学脉冲的宽度必须实际上短于比特周期T。该脉冲宽度短于T所必需的确切大小取决于一些因素，例如“与”门的效率，光探测器的灵敏度、脉冲的时间轮廓、以及光学噪声和电学噪声的大小等。在实践中，这必须用试探/误差法来确定，不过下面的近似判据可以给出一个指导。对于宽度为t的矩形光脉冲，我们要求t＜T/2。对于光强时间轮廓为sech²的脉冲(例如孤立子脉冲)，我们要求近似有t＜T/4，其中t是脉冲的半高全宽(FWHM)。

在本例子中，光学波长是1.55μm，光学线速率为100Gbit/s(即比特周期T＝10ps)，每个光学脉冲为2ps宽。

需要注意，仅仅当由被动网络N延时的基准脉冲(图5(d)中施加给“与”门一个输入端的信号)和施加给“与”门另一输入端的图7(e)所示的未延时信号的引头地址场中的脉冲相重合时，“与”门才能够有零输出。这种结果是借助于采用下述措施而得到的：安排基准脉冲使得它与数据包的其余部分不同步，以及在被动网络N中使用不是比特周期T的整数倍的延时时间τ_i。还需要注意，由于图7(b)和(c)中某些脉冲有重叠，所以当它们在被动网络N的输出端相结合时将发生相干干涉，换言之，在某些时刻图7(d)所示的结合信号的合成强度可能取零与输入强度之和之间的任何值，具体取值取决于相结合的各脉冲的相对光学相位关系。这在图(d)中用虚线脉冲表示。数据脉冲序列中的脉冲(图中未详细示出)也可能有相似的干涉。不过，因为在“与”门的输入端虚线脉冲永远不会和图7(e)所示的未延时的引头地址中的脉冲同时出现，因此这种干涉效应并不重要。

在图5的线路中，各种光学连接是用单模光学纤维方便地实现的。两个分光器(一个在线路的输入端，另一个在“被动网络N”的紧前方)都是标准的融熔结合光纤耦合器。分光比并不特别关键。第一个分光器或许可以具有10％：90％的分光比，使得输入数据包的大部分能量得以通过分路开关传送，而只有较小部分的能量进入到线路的引头识别部分。第二个分光器(即被动网络N紧前方的那个)的分光比可以选择得使出现在光学“与”门的两个输入端处的备个脉冲的强度大致相同。(对于下面将说明的基于二次谐波发生的光学“与”门而言，由于其输出强度正比于两个输入强度的乘积，所以实际上不要求两个输入有相同的强度)。因为器件N中有两个臂，所以第二个分光器的分光比取为例如33％：66％可能是较为合适的，这样进入到器件N输入端的功率为沿着下部通道直接进入到“与”门输入端的功率的两倍。延时器可以方便地只是一段长度的单模光学纤维：其长度要足够的长，以使得数据包得到足够的延时，即在数据包到达分路开关之前该开关已完成正确的设定。在本例中，所谓“足够”可以是约2ns的延时，这可以由一段约40cm长的光学纤维给出。被动器件N可以方便地利用照相制版处理和平面硅波导技术制作(例如见C.J.Beaumont等人在BTTechnology Journal(英国技术期刊)第9卷第4期，30-35页，1991年10月中的说明)。光电(O/E)转换器可以方便地是一个光电倍增管及其随后的TTL(晶体管-晶体管逻辑)单稳态电路，其输出脉冲宽度刚刚长到足以使在来自光电倍增管的电输出脉冲之后出现的分路开关“激活”状态能保持到让整个数据包通过(例如，一个速率为100Gbit/s的500比特数据包将要求开关至少有5ns保持在正确的状态)。本例中的光电倍增管应该有约2ns的上升时间和对二次谐波波长(1.55μm/2＝0.77μm)灵敏，一种适用的器件是Thorn EMI公司制造的9817B型光电倍增管。

虽然用来执行光学“与”运算的非线性光学器件可以是许多种非线性光学处理器，但例如可以采用一块二次谐波发生晶体。类似地，上面所描述的各种其他元件也只是进行了举例性的说明。正如将可看到的那样，在实现本发明时有许多另外类型的器件可以代用。

图8示出一个适当的光学“与”门和探测器的例子。该系统含在一个防光室60中。透镜61把两条输入光纤a和b的输出引导到SHG晶体62内部的一个共同焦斑处。一部分输入光被转换成二次谐波波长。晶体的取向使得仅仅当分别来自两条光学纤维的光脉冲同时入射到晶体上时才产生一个二次谐波脉中；如果只有来自其中一条光学纤维的脉冲到达晶体而没有来自另一条光学纤维的脉冲同时到达，就不会产生二次谐波脉冲。这是称做“非共线相位匹配”的众所周知的技术。光栏63和滤光器64的目的是在让二次谐波光束通过的同时，防止来自输入光纤的光照射到光电倍增管上。该滤光器应该具有这样的光谱特性：它能强烈地衰减输入波长(1.55μm)的光，而对二次谐波(0.77μm)的光的衰减程度要小得多。一种合适的滤光器可以是Schott Glas Werke(肖特玻璃厂)制造的KG5玻璃型滤光器。从滤光器的输出光照射到光电倍增管65上。

图9示出利用半导体激光放大器(SLA)中的四波混频的另一种“与”门。这种结构对于需要小等待时间(即对输入信号的响应时间短)的应用，例如引头识别，是较为优越的。

在图9所示的门中，两个滤长为λs的信号以互相正交的偏振状态被注入到SLA中。与信号A有相同偏振状态的一个波长为λp的CW(连续)泵浦光束p也被注入到SLA中。在信号A和P之间产生四波混频，在波长λs－(λp－λs)和λp＋(λp－λs)处产生初级边带。在SLA上加上了频率为λp和λs间的拍频的增益调制(从而加上了折射率调制)。信号B“看到”了这个调制，从而在正交于A和P的偏振状态下产生频率为λs＋(λp－λs)和λs－(λp－λs)的边带。当泵浦光束和信号光束以正交的偏振状态注入到SLA中时不会产生混频现象，因此除非同时出现A、B不会发生波长变化。利用一个光学偏振器和一个带通滤光器，把B偏振平面内的波长为λs－(λp－λs)的信号分离出来。由于P光束是连续的，所以该分离出的信号代表信号A和信号B的“与”。

在图示的线路中，波长为1553.15nm的信号A和来自可调谐外腔式激光器91的波长为1555.08nm的泵浦光P在一个3dB耦合器中相结合。该结合信号A＋P在一根掺铒光纤放大器92中被放大，然后经过一个分光/合光器93，与处于与A＋P相正交的偏振态的B相结合。利用尾纤式偏振分光/合光器，A、B和P的偏振状态得到优化，以获得最大的透过率。然后这三个信号被耦合到一个500μm长的应变层8井多量子井埋藏式异质结构SLA中，当它的偏置电流为340mA时，其增益峰位在约1.56μm处。SLA的输出通过一个光纤偏振器，它调节到能使处于A＋P偏振态的信号消光的方位上。其后由一根中心波长为1551.20nm、带宽为0.6nm的光纤光栅带通滤波器把“与”信号分离出来。在被高速光探测器(带宽约18GHz)探测之前，该信号被又一次放大。如前面一样，光探测器的输出可以用来例如控制一个分路开关。为了验证，可以在示波器上观察这个输出。

虽然为了实验的目的，图9的线路示出了利用基于马赫-阵德尔调制器的脉冲图形发生器来产生输出A和B的情况，但当应用于本发明的代码字识别系统时，该“与”门例如可以把准备识别的字W作为输入A，把字形成网络的对应于目标字的“补” T的输出作为输入B。

下面将更详细地说明识别代码字(在本例中为地址)的方法和所采用的编码算法的理论背景。

虽然上面的说明是关于宽频带光学网络中数据包地址的识别的，但应该看到，这只是一个举例，本发明的方法可以在大量领域中应用。

信息处理中的一个基本操作是识别二进制字(例如数据包传送通道可转换的通信网络中的引头地址序列。识别一个n比特的字W＝W₁ W₂…W_n的问题就是要确定该给定的字是否与某个特定的目标字T＝t₁ t₂相同(其中W_i和t_i是二进制数)。用符号来说，该任务就是要确定 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}\left(\stackrel{\‾}{w_i\⊕t_i}\right)$ 是等于0还是等于1，其中值1代表识别成立(W＝T)，值0代表识别不成立(W≠T)。(作为布尔代数的习惯用法，求和和求积分别代表逻辑“或”和逻辑“与”运算，＋代表“异或”， x代表x的逻辑“补”)，对于某些应用来说(例如超高速光学信号处理)，以不同的形式来表达逻辑任务是有利的，即用零输出来代表字识别成立是有利的，这在实践中可以使设定鉴别阈值变得较为容易[1]。在这情形下，适当的算法： $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(w_i\⊕t_i)=0\mathrm{or}1$ 其中0代表W＝T，1代表W≠T。不论使用哪种算法，一般情形下的字识别任务都需要在比特级别上的“异或”运算(或其等效的逻辑运算)。利用非线性光纤器件，例如Sagnac干涉仪[2-4]和孤立子滞后门[5]，来实现超高速非线性光学的“异或”门已经有人演示过。这些器件可以处理超高速光学信号，但典型的情况是对每个逻辑门需要几百米长的光学纤维。

本发明用另外一种方法实现字的识别，其中使用了基于比特级别的“与”运算的算法。与其他的逻辑运算不同，由两个光学场的简单的标量积所表征的“与”运算对所有超高速非线性光学现象来说是一个基本现象[6]。因此这种算法开拓了许多具有所希望的性质的各种新器件的可能性，这些性质例如小等待时间(输入和输出信号之间的短延时时间)、被动式的长时期稳定性、小的物理体积、和集成化的潜力。

我们提出识别二进制字的下述算法：

WT＝0，若W＝T，

WT＝1，若W≠T                       (1)其中使用了上面所定义的符号。通过一个简单的例子(n＝3)很容易证明，当把算法(1)应用于任意n比特的字时它将失效。设目标T为任意一个三比特字，当W＝T时都能得到所需的结果WT＝0(例如，若T＝011，TT＝0·1＋1·0＋1·0＝0)。还有，当在式(1)中取W为一个不同的3比特字时也有可能正确地表明该识别不成立(例如，若T＝011和W＝110，则如所需的那样，WT＝1·1＋1·0＋0·0＝1)。然而，某些字将错误地给出识别成立(例如，若T＝011和W＝010，则WT＝0·1＋1·0＋0·0＝0)。因此，为了应用这个算法，我们必须把这些n比特的字(以及目标字)从总共2ⁿ种可能性中限制到一个子组之内，使得从该子组中选出的任一个字和目标关系式(1)总能成立。不难证明，对于三比特字而言，字组001、010、和100(或者011、101和110)将容许正确地使用式(1)。

现在考察这样的问题：能够组成多大的一个n比特字组，它能够容许正确地使用式(1)。我们在这里作为定理给出，对于偶数的n，最大容许的字组含有n！/[(n/2)！]²个字，它们由n/2个1和n/2个0通过所有的排列组合构成。对于奇数的n，存在有两个同样大小但互相为“补”的最大字组，每个字组都含有n！/{[(n＋1)/2]！[(n－1)/2]}个字，其中一个字组所含的字由(n＋1)/2个1和(n－1)/2个0通过所有排列组合而成，而另一个字组的字由上一个字组中的字经过0和1的对换而得到。

对小的n值显然可以直接地证明这个定理。现在我们对任意大的n值来证明该定理。三个证明步骤中的第一步是对任意选择的一个n比特目标字T确定哪些n比特的字具有WT＝0的性质。具有该性质的字是：ⅰ)目标字T自身；ⅱ)所有可能的其中“0”的位置与T中“0”的位置相同，而其余的比特位或者为1或者为0的字(即当t_i＝0时W_i＝0，当t_i＝1时W_i＝0或1的所有字)。因此除非W＝T，所有具有该性质的字所含1的个数必然比T少。从而，如果用Sq表示必定是由q个1和n-q个0的所有可能的排列组合所组成的n比特字组，则Sq中所有的字和目标字必然具有所希望的性质(1)。作为这一点的一个简单的例子，表1列出了所有含有2个1的4比特字(n＝4的字组S₂)。假定我们取T＝0101作为目标字。然后就很容易证明除了W＝T之外对表1中的所有字都满足WT＝1，(W＝T时WT＝0·1＋1·0＋0·1＋1·0＝0)。

第二步是要证明，如果在字组Sq中加上任何其他一个n比特字，则性质(1)将变得不成立。设加到Sq中的n比特字Wp含有p(p＜q)个1。我们能够从原来的字组Sq中找出一个字W，它在对应于Wp中的1的位置上有p个1，在其他任何位置上还有q-p个1。于是即使当W_p≠W时也含有W_pW＝0，所以这使得条件(1)不成立。类似地，如果除了p＞q之外Wp仍如上面所定义的那样，则我们可以在原始字组Sq中选出一个字W，它在对应于Wp中为0的位置上有n-p个0，而还有p-q个0位在任何其他位置上。从而在该情形下即使W_p≠W也会有WW_p＝0，于是再次使得条件(1)不成立。这样就完成了本证明的第二步。作为说明这一点的例子，不能把字0001和0111加到表1所列的字组S2中而不造成性质(1)的失效。

证明的最后一步是要理解到，当n为偶数时，在q＝n/2的时候出现每个具有q个1的n比特字的最大字组Sq，该字组含有n！/[(n/2)！]²个字。当n为奇数时，存在有两个各含有n！/{[(n＋1)/2]！[(n－1)/2]！}个字的同样是最大的字组，一组的q＝(n－1)/2，另一组的q＝(n＋1)/2。这样就完成了定理的证明。

概括地说，我们已经描述了一种识别二进制字的算法。这个算法是基于比特级别上的逻辑“与”运算的。“与”运算由两个光学场的简单的标量积代表，是超高速非线性光学现象的基本现象。使用这种算法的代价是能够利用的n比特字的范围受到了限制。因此，一个剩下的问题是这种限制在实际上有多严重？图1分别示出了使用受限制的字组(n为偶时字的总数为Sn/2的字数，n为奇时为S(n＋1)/2的字数和不受限制的代码(字的总数为2ⁿ－1)时，所需的字长n和所需的字的总数目的依赖关系。可以看出，对于受限制的情形，为了构筑多达一亿个不同的字，典型地只需要增加2或3个比特的字长。例如，使用不受限制的代码时可以用20比特的字长构筑一百万个字，而构筑容许正确使用算法(1)的同样大小的受限字组需要23比特的字长。对于某些应用，例如在未来的超高速光子网络中识别数据包引头，为了明显地减少网络节点处硬件的整体复杂程度，需要额外增加几个比特是可接受的值得付出的代价。参考文献

      表1：n＝4的字组S2i    W_i1    00112    01013    01104    10015    10106    1100

Claims (34)

1、一种识别光学编码二进制字的方法，其特征为，字的识别是通过对准备识别的字W或由其导出的字和目标字T或由其导出的字在光学领域内逐个比特地执行布尔“与”运算来完成的。

2、根据权利要求1的方法，其中编码字是从满足下述逻辑条件的二进制字的子组中选出的：

WT＝0，若W＝T

WT＝1，若W≠T为真，其中T为是目标字，W是准备比较的字，以及是下述运算 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\·(w_i\·\stackrel{\‾}{t_i})$ ，并且字的识别是通过对准备识别的字和目标字的“补”执行“与”运算来完成的。

3、根据权利要求1或2的方法，其中“与”运算是这样执行的：把由准备识别的字W编码的第一光学信号引入到一个非线性光学媒质中，把由目标字T的“补”编码的第二光学信号引进到该非线性光学媒质中，并探测该非线性光学媒质的输出。

4、根据权利要求3的方法，其中该非线性媒质的光学输出信号借助于它的频率被从第一和第二光学信号中鉴别出来。

5、根据权利要求4的方法，其中第一和第二光学信号的频率为ω，光学输出信号的频率是二次谐波频率2ω。

6、根据权利要求3、4或5的方法，其中光学输出信号是借助于它的传播方向而与第一和第二光学信号区分开来的。

7、根据权利要求3、4、或5的方法，其中光学输出信号是借助于它的偏振状态而与第一和第二光学信号区分开来的。

8、根据权利要求3的方法，其中输出光学信号是借助于它的相位而与第一和第二光学信号区分开来的。

9、根据权利要求3至8中任一项的方法，其中该非线性光学媒质是一块晶体。

10、根据权利要求3至9中任一项的方法，它包括把一个光学信号引进到一个设计得能根据目标字的“补”来产生一个输出的字形成网络中。

11、根据前述各权利要求中任一项的方法，其中该非线性媒质是一个光学波导。

12、根据前述各权利要求中任一项的方法，其中二进制字以超过10Gbit/s的比特率进行处理。

13、根据前述任一项权利要求的方法，其中各比特W₁、W₂、…、W_n对应于一个准备识别的图像的各二进制像素。

14、根据前述任一项权利要求的方法，其中代码字W被提供有一个相对于该字的其余部分具有固定的、非比特同步的时间关系的基准脉冲，并且该基准脉冲使用于产生一个取决于目标字的脉冲序列T’。

15、根据权利要求14的方法，其中脉冲序列T’通过把含有基准脉冲的代码字W施加给一个分光/延时网络来产生，该网络的不同的臂具有取决于目标字T的各种延时时间。

16、根据权利要求15的方法，其中该网络的第j个臂(j代表各条臂的序号)把字W和相应的基准脉冲延时一个时间T_j，这个时间T_j是基准脉冲和目标字T中第j个零之间的时间差。

17、根据前述各权利要求中任一项的方法，其中字W是在一个光学网络中传输的数据包的引头中所携带的地址，该方法还包括根据光学“与”运算的结果来控制数据包的分路开关。

18、一种用来探测和识别与一个光学通信系统上的数据包相关的地址的地址读出器(3，5)，其特征为，该读出器被设计得能够利用根据前述权利要求中任一项的方法来识别地址。

19、根据权利要求18的一种装置，其中该地址读出器含有一个构成具有为第一和第二光学信号而设置的输入端和连接有一个探测器的“与”门形式的非线性光学媒质，其中的探测器用来接收来自非线性光学媒质的输出信号。

20、根据权利要求19的装置，其中该非线性光学媒质是一个光学波导。

21、根据权利要求19的装置，其中该非线性光学媒质是一块晶体。

22、根据权利要求18至21中任一项的装置，它含有一个设计得能产生一个目标字或由其导出的字的字形成网络(4)。

23、根据权利要求22的装置，其中该字形成网络(4)安排得能够产生一个对应于目标字的“补”的输出。

24、根据权利要求18至23中任一项的装置，其特征在于一个光学脉冲序列发生器(4’)，它能响应于被代码字W所携带的，并与该代码字的其余部分有固定的而且是非比特同步的时间关系的基准脉冲，上述脉冲序列发生器输出一个取决于上述目标字T的脉冲序列T’。

25、一种光学通信系统，其中光学数据包携带有n比特的标识字W，其特征为，该标识字是从满足下列逻辑条件的二进制字组中选出的：

WT＝0，若W＝T

WT＝1，若W≠T

对子组中的任何标识字W和目标字T均为真，其中是运算： $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(w_i\·\stackrel{\‾}{t_i})$

26、一种为了在光学领域内传送而对信号编码的方法，其特征为，该信号是用从满足下列逻辑条件的二进制字子组中选出的二进制字来编码的：

WT＝0，若W＝T

WT＝1，若W≠T

对该子组中任何字W和目标字T均为真，其中是运算 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(w_i\·\stackrel{\‾}{t_i})$

27、根据权利要求26的方法，它还包括产生一个与代码字W的其余部分有固定的，非比特同步的时间关系的基准脉冲。

28、一种光学通信系统，它包含通过把一个准备识别的光学代码字W和一个从目标字T导出的光学脉冲序列T’施加到一个光学“与”门上来识别该光学代码字的装置，其特征在于，用来从一个被该代码字W所携带的并与该字的其余部分有固定的、非比特同步的时间关系的基准脉冲中产生该光学脉冲序列T’的装置。

29、根据权利要求10的，或当与权利要求10有关时的权利要求11至17中任一项的方法，其中该字形成网络含有光学转换开关装置，并被该光学转换开关装置构造成能够识别从多个不同的目标字中选出的一个目标字的形态。

30、根据权利要求10的，或当与权利要求10有关时的权利要求11至17中的任一项的，或权利要求29的方法，它还包括从一个输入脉冲序列的多个子场中选出一个子场作为准备识别的字。

31、一种用来识别光学编码二进制字的装置，其特征在于一个光学“与”门，它包含用于准备识别的字W的第一光学输入端和用于目标字T或由其导出的字的第二光学输入端，其特征还在于一个响应于该“与”门输出的探测器，该“与”门设计得能够对输入的字在光学领域内逐个比特地执行布尔“与”运算。

32、根据权利要求31的装置，它含有一个设计得能够产生用来输入给该光学“与”门的一个目标字或者一个由该目标字导出的字的字形成网络。

33、根据权利要求32的装置，其中该字形成网络含有光学转换开关装置，并被该光学转换开关装置构造成能够识别从多个不同的目标字中选出的一个目标字的形态。

34、根据权利要求32或33的装置，它包含用来从一个输入脉冲序列的多个子场中选出一个子场作为准备识别的字W的装置。

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