光纤通信中非线性香农极限的突破

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1、科技导报2016，34（16）光纤通信中非线性香农极限的突破——光频梳应用及发展趋势李建平，李朝晖暨南大学光子技术研究院，广州510632摘要受限于光纤克尔非线性效应对传输信号质量的影响，光纤通信系统的传输速率和容量难以突破非线性香农极限的限制。利用光频梳的相干特性结合数字信号处理技术突破了早期非线性香农极限的传输性能，有望开启光频梳在下一代光纤通信领域研究的新时代。本文介绍光频梳的定义及产生机制、光频梳在信息通信系统中的最新典型应用、基于光频梳和通信信号处理技术在其他物理科学领域中的交叉应用，探讨了光频梳技术的未来发展方向。关键词光

2、纤通信；非线性香农极限；光频梳；信号处理随着全球宽带业务的飞速增长，大制。2015年，贝尔实验室在全球首次情况下也可简单地说成实现频率梳齿容量和高速率已成为通信网络最基本演示了MIMO-SDM技术进行实时数据精确锁定的多波长光源。作为一种开的要求。自诺贝尔奖获得者高锟在20传输的实验，该技术有望把目前10~20创性技术，光频梳概念简单、实现方案[1]世纪60年代预测光纤将成为大容量光Tbit/s的光纤容量提升至Pbit/s级。但多样，用以建立一个精确的“频率尺纤通信的传输介质、Maiman于1960年尽管如此，随着空分复用并行信道数目

3、子”。按其基本实现方案来分，光频梳成功展示了红宝石激光器等以来，光纤的增加，光纤克尔非线性效应带来的影的产生机制可以包括锁模激光器、超连通信得到了飞速发展，传输容量已实现响依然无法轻易消除。另一方面，如何续谱光源、电光调制光频梳及克尔光频成百上千倍地增加。最近研究表明，网通过新的补偿机制来突破单模光纤非梳等。络数据流量的累计年均增幅已超过线性香农极限的容量限制，依然是一个1.1锁模激光器100%；而随着5G无线技术的出现，预急待解决的关键问题。2015年，美国锁模激光器指利用锁模技术构成计在10年之内，市场将对Pbit/s加州大学科学

4、家提出一种基于光频梳的具有稳定输出的多波长激光器，是最（Petabit，1Pbit相当于1000Tbit或者的新型技术方案，可以突破因光纤克尔早用来产生光频梳的技术方案。锁模100万Gbit）级别的商用光传输系统有非线性效应引入的非线性香农极限，从技术就是采用一定的调制方法，使激光迫切需求。而大幅提高单模光纤的传输容量，冲破振荡不同频率的各纵模之间有确定的然而，近年来光通信系统传输容量基于SMF的波分复用系统的香农极限相位关系，同时各纵模之间相邻频率间[2]的增长速度却逐渐缓慢下来，这主要是传输容量。隔相等。因此，锁模激光器产生的多波

5、由于之前看似无限的光传输带宽已逐因此，光频梳——由诺贝尔物理学长分量就是一个光频梳。受限于实现步变成稀缺宝贵的资源；同时，由于光奖获得者JohnL.Hall和TheodorW.结构和控制系统的复杂，易于受温度变纤非线性效应的影响，单根光纤的传输Hansch于2005年首次提出的新颖技化影响和光纤材料的漂移损坏，锁模激容量受到非线性香农极限的限制，导致术，在光通信领域展现出非凡的应用光器性能难以得到进一步的提高；同系统传输容量无法按预期的速度增加。潜力。时，由于梳齿间隔取决于重复频率及腔为了应对业务流量的飞速增长需内色散所引起的偏置频率

6、，因而锁模激求，贝尔实验室提出利用多入多出空分1光频梳及其产生光器的梳齿间隔很难实现动态可调。复用MIMO-SDM技术克服和打破由光光频梳即光学频率梳，是具有确定1.2超连续谱光源纤非线性“香农极限”所规定的容量限光频梳齿间隔及频率的光频标尺，一般超连续谱光源指利用强短光脉冲收稿日期：2016-04-26；修回日期：2016-07-18基金项目：国家自然科学基金面上项目（61575082）作者简介：李建平，副研究员，研究方向为光通信及光频梳技术，电子信箱：tjpli421@jnu.edu.cn；李朝晖（通信作者），教授，研究方向为光通

7、信技术、光电检测技术等，电子信箱：tlzh88@jnu.edu.cn引用格式：李建平,李朝晖.光纤通信中非线性香农极限的突破——光频梳应用及发展趋势[J].科技导报,2016,34(16):108-111;doi:10.3981/j.issn.1000-7857.2016.16.013108科技导报2016，34（16）通过非线性介质后，由于介质中的自相入光学微腔后，由于光学微腔的场强增光纤的传输容量，改善了系统性能。因位调制、交叉相位调制、四波混频和受强效应，光学微腔内的光强度可以增大此，该机制可以冲破基于单模光纤的非激拉曼散射等非

8、线性效应和色散的共很多倍（与外部泵浦光强相比），从而激线性香农极限，增加单模光纤的传输容同作用导致脉冲光谱展宽，使输出光谱发克尔效应，并通过四波混频等非线性量和传输距离。美国光学学会《Optics产生许多频率成分而形成的