Нелинейно-оптические эффекты, такие как зависящий от интенсивности показатель преломления, можно использовать для обработки данных в тысячи раз быстрее, чем это может быть достигнуто с помощью электроники. Такая обработка до сих пор работала только для одного оптического луча за раз, потому что нелинейно-оптические эффекты также вызывают нежелательное межлучевое взаимодействие или перекрестные помехи при наличии нескольких световых лучей.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, исследовательской группой Михаила Васильева, профессора электротехники в UTA, в сотрудничестве с Тарасом И. Лакоба, профессором математики из UVM, подробно описана экспериментальная демонстрация оптической среды, в которой несколько лучей света могут автоматически исправлять свои формы, не влияя друг на друга.Эта работа, финансируемая Национальным научным фондом, позволяет одновременную нелинейно-оптическую обработку нескольких световых лучей одним устройством без преобразования их в электрическую форму, открывая путь для этой технологии для достижения полного потенциала, равного нескольким терабитам в секунду, что приводит к более дешевые и энергоэффективные высокоскоростные интернет-коммуникации.В настоящее время для устранения шума, накапливаемого при распространении света в оптических линиях связи, операторы связи должны прибегать к частой оптоэлектронной регенерации, где они преобразуют оптические сигналы в электрические с помощью быстрых фотодетекторов, обрабатывают их с помощью кремниевых схем, а затем преобразуют электрические сигналы обратно. к оптическим, с использованием лазеров, за которыми следуют электрооптические модуляторы.
Поскольку каждое оптическое волокно может передавать более сотни различных сигналов на разных длинах волн, известное как мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM), такая оптоэлектронная регенерация должна выполняться отдельно для каждой длины волны, что делает регенераторы большими, дорогими и неэффективными потребителями энергии.Привлекательной альтернативой этому является прямая обработка оптического сигнала без его преобразования в электрический и обратно. В частности, скорость распространения света в прозрачной среде может быть немного изменена путем изменения интенсивности света.
Это проявление нелинейно-оптического эффекта, известного как «фазовая самомодуляция» или SPM. Если свет содержит и сигнал, и шум, SPM может помочь очистить сигнал от шума, рассеивая энергию шума по частотам, находящимся далеко за пределами полосы сигнала, откуда шум может быть легко удален фильтром. Применительно к свету, содержащему полезные данные, эта операция удаления шума с помощью SPM называется «полностью оптической регенерацией», которая может приводить к оптической автокоррекции сигналов, передаваемых со скоростью передачи данных в сотни раз выше, чем при электронной обработке.Однако внедрение полностью оптической регенерации в системах связи было затруднено из-за ее неспособности работать с сигналами WDM.
Это связано с тем, что при наличии нескольких сигнальных лучей или каналов WDM желаемый SPM всегда сопровождается двумя нежелательными эффектами: перекрестной фазовой модуляцией, когда интенсивность одного канала изменяет скорость распространения другого канала, и четырехволновым микшированием, при котором взаимодействие нескольких каналов приводит к интерференции с другими каналами.В своей опубликованной статье Васильев и его коллеги сообщают об экспериментальной демонстрации новой нелинейно-оптической среды с групповой задержкой, в которой сильный эффект SPM достигается без такой межканальной интерференции.
Разделение обычной нелинейной среды, такой как оптическое волокно, на несколько коротких участков, разделенных специальными фильтрами с периодической групповой задержкой, дает среду, в которой все частотные компоненты одного и того же канала WDM перемещаются с одинаковой скоростью, обеспечивая сильный SPM. Различные каналы WDM перемещаются с разной скоростью, что резко подавляет любое межканальное взаимодействие.«Наша новая нелинейная среда позволила нам продемонстрировать одновременную полностью оптическую регенерацию 16 каналов WDM с помощью одного устройства, и это количество было ограничено только логистическими ограничениями нашей лаборатории», — сказал Васильев. «Этот эксперимент открывает возможности для увеличения количества каналов до сотни без увеличения стоимости, и все это в устройстве размером с книгу».
Многоканальный регенератор может даже потенциально уменьшиться до размера спичечного коробки в будущем, если нелинейно-оптическая среда может быть реализована на микрочипе.«Этот прорыв является примером того, как исследователи UTA могут положительно повлиять на физическое и экономическое благополучие общества в области открытий на основе данных и глобального воздействия на окружающую среду, которые являются темами Стратегического плана UTA на 2020 год. Смелые решения | Глобальное влияние», — сказал Джонатан Бредоу, профессор и заведующий кафедрой электротехники инженерного колледжа UTA.
«Предыдущие попытки реализовать нелинейно-оптическую обработку, такую как регенерация, не дали результата, потому что не было преимуществ их использования перед электрическими сигналами из-за невозможности использовать более одного канала. Теперь, когда группа доктора Васильева преодолела это препятствие, существуют огромные новые возможности для более быстрой и эффективной передачи сообщений », — сказал Бредоу.