突破性成果：有望大幅降低高速互联网能耗和成本！

2017 年 12 月 16 日 IntelligentThings John

导读

美国德克萨斯大学奥斯汀分校（UTA）和佛蒙特大学（UVM）的一项突破性研究，实现了多通道全光学再生器，有望大幅度降低高速互联网连接的能耗和成本。

背景

非线性光学是现代光学的一个分支，主要用于研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。研究非线性光学对激光技术、光谱学的发展以及物质结构分析等都有重要意义。

非线性光学效应，包括：强度依赖的折射率、多光子、受激拉曼和布里渊散射，以及相关的现象，例如：自聚焦、自相位调制、光相位共轭和光学双稳态等。采用非线性光学处理数据的速度比电子方式要快几千倍。到目前为止，这种处理方式只能一次作用于一束光，因为当出现多束光时，非线性光学效应也会引起不受欢迎的光束间交互或者串扰。

创新

近期，美国德克萨斯大学奥斯汀分校（UTA）和佛蒙特大学（UVM）的一项突破性研究，将大幅降低高速互联网连接的能耗和成本。UTA 电气工程教授 Michael Vasilyev 的研究小组与UVM 数学教授 Taras I. Lakoba 合作在《自然通信》杂志上发表了一篇论文，论文详细描述了一种光学介质的实验演示。在这种光学介质中，多束光可自动校正它们的形状，且相互之间不会干扰。

（图片来源：UTA）

该研究由美国国家科学基金会赞助，他可以通过单个设备实现多光束同步的非线性光学处理，而无需将它们转化为电气形式。

技术

目前，为了消除光线在光通信链接中传播时累积的噪音，电信运营商必须借助于频繁的光电再生，通过高速光电探测器将光信号转化电信号，通过硅基电路处理它们，然后再使用激光以及电光调制器，将电信号转化回光信号。虽然每根光纤可携带超过一百种不同波段的信号，也被称为“波分复用”（WDM），但是这样一种光电再生却需要在每个波段上单独实现，所以使得再生器变得庞大、昂贵和功耗效率低。

针对上述情况，一种颇具吸引力的替代方案就是直接处理光信号，无需将它先转换为电信号，然后再转换回来。尤其是，在透明介质中，通过光线强度的变化，可以稍稍改变光线传播速度。这是非线性光学效应的一种表现，也称为“自相位调制”或者简称SPM。如果光线里同时含有信号和噪音，SPM 可以通过将噪音的能量分散到信号波段之外的频率上，在那里过滤器可以很容易地过滤掉噪音，从而达到清除信号噪音的目的。当该过程作用于包含有用信息的光线时，这种具有SPM功能的噪音消除操作也被称为“全光学再生”。它会引起信号的自动校正，而这些信号携带的数据率比传统电子处理方式要快几百倍。

然而，在通信系统中采用全光学再生，也会因为无法处理WDM信号而受到阻碍。这是因为想要在多信号光束或者多个WDM信道中实现SPM，通常伴随两种不符合要求的效应：交叉相位调制，一个信道的强度改变另外一个信道的传播速度；四波混频，几个信道之间的交互导致与其他信道之间的相互干扰。

在他们发表的论文中，Vasilyev 及其同事们通过实验演示，报告了一种新型“群延迟管理的非线性光学介质”。在这种介质中，实现强烈的SPM效应不会带来信道间的干扰。将传统的非线性媒介，例如光纤，拆分为几个短部件。这些部件由特殊的周期性群延时过滤器分开，这些过滤器产生一种介质，在这种介质中，同样的WDM信道的所有频率部件的光线传输速度相同，从而保证了强烈的SPM。不同的WDM信道中，光线以不同的速度传播，这样明显地抑制了信道间的交互。

（图片来源：参考资料【2】）

价值

现在，Vasilyev 博士的研究小组已经克服了单个信道实现SPM遇到的障碍，为更高效地信息传输奠定了基础，未来有望实现太比特每秒的数据传输速度，带来更便宜、更节能的高速互联网通信。

未来

Vasilyev 表示，他们的新型非线性介质让他们可以通过一个设备，同时演示16个WDM信道的全光学再生，而且这个数字只受到了他们实验室后勤方面的限制。这个实验开打开了新的机遇，信道数目有望超过100，同时成本不会增加，而且所有这些都有望实现在一个书本大小的设备中。如果非线性介质可以在微芯片上实现，未来多信道再生器甚至有望缩减至火柴盒大小。

关键字

光学、通信、芯片

参考资料

【1】https://www.uta.edu/news/releases/2017/12/vasilyev-nature-communications-journal.php

【2】Lu Li, Pallavi G. Patki, Young B. Kwon, Veronika Stelmakh, Brandon D. Campbell, Muthiah Annamalai, Taras I. Lakoba, Michael Vasilyev. All-optical regenerator of multi-channel signals. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-00874-0