新发现有望实现低成本的高速互联网连接
Michael Vasilyev(左)是德克萨斯大学阿灵顿分校电子工程系教授,他正与他的一位研究生交谈。援引:德州大学阿灵顿分校
据2017年12月15日Herb Booth报道,来自德克萨斯大学阿灵顿分校和佛蒙特大学的突破性研究有望实现高速互联网连接的成本和能耗的大幅降低。
非线性光学效应,诸如强度相关的折射率,可实现以数千倍于电子方式的速率处理数据。目前,只能同时进行一个光束的此种处理。因为当存在多个光束时,非线性光学效应也会致使不利的波间相互作用或者串扰。
发表在顶级期刊《Nature Communications》上的文章,由Michael Vasilyev的研究团队和Taras I. Lakoba共同完成。Michael Vasilyev是德州大学阿林顿分校电子工程教授,Taras I. Lakoba是佛蒙特大学(UVM)的数学教授。文章详细介绍了一种光学介质的实验演示,在介质中多光束可以自动校正自己的形状而不相互影响。
这项工作由美国国家科学基金会支持,使多光束由单个设备同时进行非线性光学处理,而无需将其转换为电形式,为达到每秒数太比特的可能性开辟了道路,进而获得更便宜和更节能的高速网络通讯。
目前,为了消除在光通信链路中光传播累积的噪声,电信运营商必须通过不断地光电再生过程。在再生处它们通过快速光电检测器将光信号转换为电信号,然后由硅基电路处理它们,再将电信号转换回光信号,由激光器发出并由电光调制器进行调制。由于每根光纤可以经不同的光波承载一百路不同的信号,也就是所谓的波分复用(WDM)。因此需要将各波长分开进行光电再生,这也致使信号再生器价格非常昂贵且对消费者的电力利用低效。
一个非常有吸引力的替代方法是直接处理光信号, 而无需将其转换为电信号又转回光信号。特别是, 光在透明介质中传播的速度可以通过光强的变化而略微改变。这是一种被称为“自相位调制”或SPM非线性光学效应的表现形式。如果光信号同时包含信号和噪声, SPM 可以通过将噪声能量散射到信号波段以外的频率帮助清理信号, 而在信号波段噪声可以很容易地被过滤器去除。当应用于包含有用数据的光时, 这种 SPM 启用的噪声去除的操作被称为 "全光再生", 这会使得信号的光学自动校正比电处理数据速率快数百倍。
然而, 在通信系统中采用全光再生技术却由于无法与波分复用信号协同工作而受到阻碍。这是因为在多个信号光束或波分复用通道存在的情况下,所需的 SPM 总是伴有两个不良效应: 交叉调制, 其中一个通道的强度改变了另一个通道的传播速度;另一个是四波混频, 其中多个通道的交互导致干扰其他通道。
在他们发表的文章中,Vasilyev和他的同事报告了一种新型群延迟管理非线性光学介质的实验演示,实现了没有这样的信道间干扰时的强SPM效应。将诸如光纤的传统非线性介质,分割成由特定的周期性群延迟滤波器分离的若干个短区段,产生其中同一波分复用信道的所有频率分量以相同速度传播的介质,从而确保强的SPM。不同的波分复用信道以不同的速度传播,这大大抑制了信道间的相互作用。
“我们的新型非线性介质使我们能够通过一个设备同时演示16个波分复用信道的全光再生,而且这个数量只受到我们实验室的逻辑限制,” Vasilyev说道。“这项实验有望实现在不增加成本的情况下将通道数量扩大到100个以上, 所有这些都在书本大小的设备上进行。”如果能够在微芯片上实现非线性光学介质,那么在将来多通道再生器甚至可能缩小到火柴盒的尺寸。
“这一突破是一个例子, 说明了在数据驱动的发现和全球环境影响方面, 德州大学阿灵顿分校的研究人员如何能够积极地影响社会的物质和经济福祉, 这是德州大学阿灵顿分校‘战略计划2020解决方案|全球影响’的主题,”德州大学阿灵顿分校电子工程系教授兼主任 Jonathan Bredow说道。
“先前的研究工作诸如再生的非线性光学处理的努力未能产生影响,由于不能使用多个通道,相对于电信号而言毫无优势。现在, Vasilyev博士的团队已经克服了这一障碍, 因此有巨大的新可能性,实现更快、更有效地信息传输。” Bredow说。
来源:https://phys.org/news/2017-12-discovery-energy-high-speed-internet.html
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