光信息處理中光纖色散的應(yīng)用探討

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，光纖通信和光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也隨之迅速的發(fā)展。與光纖通信和光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密相關(guān)的光信息處理技術(shù)也受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。常用的光纖色散的光信息處理技術(shù)有基于時(shí)域展寬的光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、圖像的時(shí)域串行編碼技術(shù)、時(shí)間透鏡等。對(duì)于光信息處理來(lái)說(shuō)，目前存在一些問(wèn)題，在眾多問(wèn)題中，光纖色散是一個(gè)普遍存在且難以解決的。本文將對(duì)光信息處理中光纖色散的應(yīng)用作簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞 光纖光學(xué)；光信息處理；光纖色散；模式色散；色度色散

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）08-0098-01

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，現(xiàn)代多媒體也隨之迅速發(fā)展?；ヂ?lián)網(wǎng)，電子商務(wù)，郵件，視頻，等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致人們迫切希望找到一種新的物質(zhì)來(lái)作為理想信息載體。隨著日益發(fā)達(dá)的媒體發(fā)展，電子技術(shù)已經(jīng)不能滿足超高的信息處理要求。于是光纖應(yīng)運(yùn)而生，因?yàn)槠涓咚賯鬏斔俣群统瑢捫艓挼葍?yōu)點(diǎn)，在信息處理領(lǐng)域受到越來(lái)越多的使用。本文將簡(jiǎn)要介紹模式色散和色度色散光信息處理技術(shù)中的運(yùn)用及發(fā)展前景。本人才疏學(xué)淺，如有不妥之處，望大家多多諒解。

1 光纖色散

光信號(hào)在光纖介質(zhì)中的傳播有著一定帶寬的廣譜，其信號(hào)的頻率是處于一定范圍之內(nèi)的。對(duì)于這個(gè)傳輸范圍內(nèi)的頻率來(lái)說(shuō)，每個(gè)小頻率成分都是由若干個(gè)模式分量構(gòu)成。依據(jù)光纖的物理傳輸特性，不同頻率上的光信號(hào)或是光脈沖會(huì)有不同的傳輸速度，這些分量的綜合就購(gòu)成了總體的光信號(hào)。在某些頻率部分會(huì)有比較嚴(yán)重的光信號(hào)失真問(wèn)題，即經(jīng)常說(shuō)到的脈沖展寬，學(xué)術(shù)上將這種現(xiàn)象定義為光的彌散或色散。這種問(wèn)題會(huì)極大的干擾系統(tǒng)性能，產(chǎn)生較高的誤碼率。

光纖的色散依據(jù)原因及產(chǎn)生機(jī)理不同可以進(jìn)行區(qū)分，主要有材料色散、偏振色散、模間色散以及波導(dǎo)色散。大家都知道光纖的購(gòu)成主要是二氧化硅，即常見(jiàn)的玻璃，玻璃石英自身的分子結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致光信號(hào)在傳播中部分頻率會(huì)有色散問(wèn)題，這個(gè)色散叫材料色散。結(jié)構(gòu)色散主要是因?yàn)楣饫w信號(hào)中的導(dǎo)引模的群速度在波長(zhǎng)不同的條件下產(chǎn)生的變化。實(shí)際的光纖中含有兩個(gè)相互垂直的偏振模，在傳播過(guò)程中，受到外部環(huán)境的作用，兩模式及其容易發(fā)生耦合，加之速度不同，從而導(dǎo)致光脈沖展寬，導(dǎo)致信號(hào)失真，這種光纖中偏振色散就稱為偏振模色散。模間色散是由于不同的導(dǎo)引模的群速度不同引起的，并且只出現(xiàn)在多模光纖中。

光纖信號(hào)的色散問(wèn)題影響了光纖傳輸?shù)膸拝?shù)。色散問(wèn)題越嚴(yán)重，則光纖中的可用帶寬越窄，傳輸?shù)目側(cè)萘恳簿驮叫?。因此，要想在在信息處理領(lǐng)域更好地使用光纖，必須要解決光纖色散問(wèn)題。近年來(lái)，人們通過(guò)色散的光脈沖展寬特性，研制出來(lái)了一些速度快、寬度大的光信息處理技術(shù)。本文下面將幾種基于光纖色散的光信息處理技術(shù)。

2 基于光纖色散的光信息處理技術(shù)

1）基于時(shí)域展寬的光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，一些高科技水平的應(yīng)用平臺(tái)，如雷達(dá)、高速光網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)對(duì)光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的電模數(shù)轉(zhuǎn)換器已難以滿足其需求。因此相關(guān)專業(yè)人員迫切需要找出一種具有高速的采樣速度、超寬的信帶，以及高比特精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，能夠滿足上述各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，因此被人們廣泛熱愛(ài)。

基于時(shí)域展寬的光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)通過(guò)在采樣量化之前對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行時(shí)域上的展寬，可大幅度提高光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換性能?；跁r(shí)域展寬的光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)理論上較美，但是實(shí)際應(yīng)用中也存在問(wèn)題，比如說(shuō)，此轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的高成本以及速度限制問(wèn)題等。這些問(wèn)題產(chǎn)生的原因是時(shí)間展寬的光模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還需要用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將展寬后的光信號(hào)變成電信號(hào)再進(jìn)行取樣。但是幸運(yùn)的是，該問(wèn)題在使用高非線性光纖后就得到了完美解決。

2）圖像的時(shí)域串行編碼技術(shù)。快速成像技術(shù)對(duì)記錄以及觀察閃電、液體的流動(dòng)等動(dòng)態(tài)過(guò)程有著很重要的作用。然而一個(gè)普通的相機(jī)讀取數(shù)據(jù)并完成并行到串行的變換需要很長(zhǎng)的時(shí)間，并且相機(jī)像素會(huì)隨著幀速的提高而減小。因此，快速成像技術(shù)很難達(dá)到高靈敏度和高速率的理想要求。通過(guò)用光纖的色散作用，把包含圖像信息的光譜在時(shí)域展開。利用這種技術(shù)使空間中不同位置的圖像映射到光譜中，避免使用陣列式的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，因此提高了成像速度。

3）時(shí)間透鏡。據(jù)研究報(bào)道，國(guó)外某研究機(jī)構(gòu)的工作人員正在開發(fā)一種加速光數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單硅設(shè)備，該設(shè)備由一種叫“時(shí)間透鏡”的硅芯片。研究人員發(fā)射出一束2.5納秒長(zhǎng)的激光束，編碼成24比特信息，通過(guò)時(shí)間透鏡后，數(shù)據(jù)還是同樣的24比特，但時(shí)間壓縮為92皮秒。該研究實(shí)踐的結(jié)果證實(shí)硅芯片可以將光纖通信的速度明顯提升。

利用光電相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)和利用非線性晶體的和頻或差可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間透鏡，以此應(yīng)用于成像、光通信、光信號(hào)處理等領(lǐng)域。各路研究人員對(duì)于時(shí)間透鏡的研究一直沒(méi)有停歇過(guò)。為了解決時(shí)間透鏡分辨率高度方面的問(wèn)題， 康奈爾大學(xué)研究人員經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間努力，終于得到了分辨率很高的時(shí)間透鏡。

4）基于模式色散的全光積分器。實(shí)際中，一些研究人員利用色度色散來(lái)產(chǎn)生延時(shí)。隨著研究的深入，科研人員發(fā)現(xiàn)利用模式色散來(lái)產(chǎn)生延時(shí)，將大大減少所需光纖的長(zhǎng)度。不僅如此，利用模式色散時(shí)，光源帶寬和波長(zhǎng)對(duì)于激光器都沒(méi)有任何影響。但是前提條件是要通過(guò)功率均衡實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的光譜的有效控制，并且要控制個(gè)模式所承載的功率保持一致，不可以出現(xiàn)功率此高彼低的現(xiàn)象。

5）光纖光柵的波長(zhǎng)解調(diào)。相較于等其他傳感器，光纖光柵傳感器具有波長(zhǎng)編碼、易于波分等優(yōu)點(diǎn)。雖說(shuō)如此，但是光纖光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)用往往受到一些限制，比如對(duì)于要求較高的、多點(diǎn)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用就不適合。光纖光柵傳感器對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的情況下，還是比較受歡迎的。此外，基于色散的光纖光柵的波長(zhǎng)快速解調(diào)系統(tǒng)，使用非相干光源時(shí)成本會(huì)變高。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于光纖具有高速傳輸速度和超寬信帶帶寬等優(yōu)點(diǎn)，因此在信息處理領(lǐng)域受到越來(lái)越多的使用。 研究人員通過(guò)色散的光脈沖展寬特性，研制出來(lái)了一些速度快、寬度大的光信息處理技術(shù)。比如說(shuō)，基于模式色散的全光積分器、圖像的時(shí)域串行編碼技術(shù)、時(shí)間透鏡、基于時(shí)域展寬的光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、光纖光柵的波長(zhǎng)解調(diào)等技術(shù)。

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作者簡(jiǎn)介

李濟(jì)慈（1990-），男，山東棗莊人，曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在校學(xué)生。endprint