導(dǎo)讀
美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（UTA）和佛蒙特大學(xué)（UVM）的一項突破性研究，實現(xiàn)了多通道全光學(xué)再生器，有望大幅度降低高速互聯(lián)網(wǎng)連接的能耗和成本。
背景
非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的一個分支，主要用于研究介質(zhì)在強相干光作用下產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象及其應(yīng)用。研究非線性光學(xué)對激光技術(shù)、光譜學(xué)的發(fā)展以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等都有重要意義。
非線性光學(xué)效應(yīng)，包括：強度依賴的折射率、多光子、受激拉曼和布里淵散射，以及相關(guān)的現(xiàn)象，例如：自聚焦、自相位調(diào)制、光相位共軛和光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)等。采用非線性光學(xué)處理數(shù)據(jù)的速度比電子方式要快幾千倍。到目前為止，這種處理方式只能一次作用于一束光，因為當(dāng)出現(xiàn)多束光時，非線性光學(xué)效應(yīng)也會引起不受歡迎的光束間交互或者串?dāng)_。
創(chuàng)新
近期，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（UTA）和佛蒙特大學(xué)（UVM）的一項突破性研究，將大幅降低高速互聯(lián)網(wǎng)連接的能耗和成本。UTA 電氣工程教授 Michael Vasilyev 的研究小組與UVM 數(shù)學(xué)教授 Taras I. Lakoba 合作在《自然通信》雜志上發(fā)表了一篇論文，論文詳細描述了一種光學(xué)介質(zhì)的實驗演示。在這種光學(xué)介質(zhì)中，多束光可自動校正它們的形狀，且相互之間不會干擾。
（圖片來源：UTA）
該研究由美國國家科學(xué)基金會贊助，他可以通過單個設(shè)備實現(xiàn)多光束同步的非線性光學(xué)處理，而無需將它們轉(zhuǎn)化為電氣形式。
技術(shù)
目前，為了消除光線在光通信鏈接中傳播時累積的噪音，電信運營商必須借助于頻繁的光電再生，通過高速光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化電信號，通過硅基電路處理它們，然后再使用激光以及電光調(diào)制器，將電信號轉(zhuǎn)化回光信號。雖然每根光纖可攜帶超過一百種不同波段的信號，也被稱為“波分復(fù)用”（WDM），但是這樣一種光電再生卻需要在每個波段上單獨實現(xiàn)，所以使得再生器變得龐大、昂貴和功耗效率低。
針對上述情況，一種頗具吸引力的替代方案就是直接處理光信號，無需將它先轉(zhuǎn)換為電信號，然后再轉(zhuǎn)換回來。尤其是，在透明介質(zhì)中，通過光線強度的變化，可以稍稍改變光線傳播速度。這是非線性光學(xué)效應(yīng)的一種表現(xiàn)，也稱為“自相位調(diào)制”或者簡稱SPM。如果光線里同時含有信號和噪音，SPM 可以通過將噪音的能量分散到信號波段之外的頻率上，在那里過濾器可以很容易地過濾掉噪音，從而達到清除信號噪音的目的。當(dāng)該過程作用于包含有用信息的光線時，這種具有SPM功能的噪音消除操作也被稱為“全光學(xué)再生”。它會引起信號的自動校正，而這些信號攜帶的數(shù)據(jù)率比傳統(tǒng)電子處理方式要快幾百倍。
然而，在通信系統(tǒng)中采用全光學(xué)再生，也會因為無法處理WDM信號而受到阻礙。這是因為想要在多信號光束或者多個WDM信道中實現(xiàn)SPM，通常伴隨兩種不符合要求的效應(yīng)：交叉相位調(diào)制，一個信道的強度改變另外一個信道的傳播速度；四波混頻，幾個信道之間的交互導(dǎo)致與其他信道之間的相互干擾。
在他們發(fā)表的論文中，Vasilyev 及其同事們通過實驗演示，報告了一種新型“群延遲管理的非線性光學(xué)介質(zhì)”。在這種介質(zhì)中，實現(xiàn)強烈的SPM效應(yīng)不會帶來信道間的干擾。將傳統(tǒng)的非線性媒介，例如光纖，拆分為幾個短部件。這些部件由特殊的周期性群延時過濾器分開，這些過濾器產(chǎn)生一種介質(zhì)，在這種介質(zhì)中，同樣的WDM信道的所有頻率部件的光線傳輸速度相同，從而保證了強烈的SPM。不同的WDM信道中，光線以不同的速度傳播，這樣明顯地抑制了信道間的交互。
