光信息处理中光纤色散的应用探讨

摘 要 随着科学技术的日益发展，光纤通信和光网络技术也随之迅速的发展。与光纤通信和光网络技术紧密相关的光信息处理技术也受到人们越来越多的关注。常用的光纤色散的光信息处理技术有基于时域展宽的光模数转换技术、图像的时域串行编码技术、时间透镜等。对于光信息处理来说，目前存在一些问题，在众多问题中，光纤色散是一个普遍存在且难以解决的。本文将对光信息处理中光纤色散的应用作简要介绍。

关键词 光纤光学；光信息处理；光纤色散；模式色散；色度色散

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0098-01

随着科学技术的日益发展，现代多媒体也随之迅速发展。互联网，电子商务，邮件，视频，等现代技术的发展，导致人们迫切希望找到一种新的物质来作为理想信息载体。随着日益发达的媒体发展，电子技术已经不能满足超高的信息处理要求。于是光纤应运而生，因为其高速传输速度和超宽信带带宽等优点，在信息处理领域受到越来越多的使用。本文将简要介绍模式色散和色度色散光信息处理技术中的运用及发展前景。本人才疏学浅，如有不妥之处，望大家多多谅解。

1 光纤色散

光信号在光纤介质中的传播有着一定带宽的广谱，其信号的频率是处于一定范围之内的。对于这个传输范围内的频率来说，每个小频率成分都是由若干个模式分量构成。依据光纤的物理传输特性，不同频率上的光信号或是光脉冲会有不同的传输速度，这些分量的综合就购成了总体的光信号。在某些频率部分会有比较严重的光信号失真问题，即经常说到的脉冲展宽，学术上将这种现象定义为光的弥散或色散。这种问题会极大的干扰系统性能，产生较高的误码率。

光纤的色散依据原因及产生机理不同可以进行区分，主要有材料色散、偏振色散、模间色散以及波导色散。大家都知道光纤的购成主要是二氧化硅，即常见的玻璃，玻璃石英自身的分子结构因素导致光信号在传播中部分频率会有色散问题，这个色散叫材料色散。结构色散主要是因为光纤信号中的导引模的群速度在波长不同的条件下产生的变化。实际的光纤中含有两个相互垂直的偏振模，在传播过程中，受到外部环境的作用，两模式及其容易发生耦合，加之速度不同，从而导致光脉冲展宽，导致信号失真，这种光纤中偏振色散就称为偏振模色散。模间色散是由于不同的导引模的群速度不同引起的，并且只出现在多模光纤中。

光纤信号的色散问题影响了光纤传输的带宽参数。色散问题越严重，则光纤中的可用带宽越窄，传输的总容量也就越小。因此，要想在在信息处理领域更好地使用光纤，必须要解决光纤色散问题。近年来，人们通过色散的光脉冲展宽特性，研制出来了一些速度快、宽度大的光信息处理技术。本文下面将几种基于光纤色散的光信息处理技术。

2 基于光纤色散的光信息处理技术

1）基于时域展宽的光模数转换技术。随着科学技术的日益发展，一些高科技水平的应用平台，如雷达、高速光网络等系统对光学模数转换技术的要求越来越高，传统的电模数转换器已难以满足其需求。因此相关专业人员迫切需要找出一种具有高速的采样速度、超宽的信带，以及高比特精度的模数转换技术。光学模数转换技术应运而生，能够满足上述各项标准，因此被人们广泛热爱。

基于时域展宽的光模数转换技术通过在采样量化之前对模拟信号进行时域上的展宽，可大幅度提高光学模数转换器的数模转换性能。基于时域展宽的光模数转换技术理论上较美，但是实际应用中也存在问题，比如说，此转换器系统的高成本以及速度限制问题等。这些问题产生的原因是时间展宽的光模数转换系统还需要用光电转换设备将展宽后的光信号变成电信号再进行取样。但是幸运的是，该问题在使用高非线性光纤后就得到了完美解决。

2）图像的时域串行编码技术。快速成像技术对记录以及观察闪电、液体的流动等动态过程有着很重要的作用。然而一个普通的相机读取数据并完成并行到串行的变换需要很长的时间，并且相机像素会随着帧速的提高而减小。因此，快速成像技术很难达到高灵敏度和高速率的理想要求。通过用光纤的色散作用，把包含图像信息的光谱在时域展开。利用这种技术使空间中不同位置的图像映射到光谱中，避免使用阵列式的光电转换设备，因此提高了成像速度。

3）时间透镜。据研究报道，国外某研究机构的工作人员正在开发一种加速光数据的简单硅设备，该设备由一种叫“时间透镜”的硅芯片。研究人员发射出一束2.5纳秒长的激光束，编码成24比特信息，通过时间透镜后，数据还是同样的24比特，但时间压缩为92皮秒。该研究实践的结果证实硅芯片可以将光纤通信的速度明显提升。

利用光电相位调制器实现和利用非线性晶体的和频或差可以实现时间透镜，以此应用于成像、光通信、光信号处理等领域。各路研究人员对于时间透镜的研究一直没有停歇过。为了解决时间透镜分辨率高度方面的问题， 康奈尔大学研究人员经过很长时间努力，终于得到了分辨率很高的时间透镜。

4）基于模式色散的全光积分器。实际中，一些研究人员利用色度色散来产生延时。随着研究的深入，科研人员发现利用模式色散来产生延时，将大大减少所需光纤的长度。不仅如此，利用模式色散时，光源带宽和波长对于激光器都没有任何影响。但是前提条件是要通过功率均衡实现对光源的光谱的有效控制，并且要控制个模式所承载的功率保持一致，不可以出现功率此高彼低的现象。

5）光纤光栅的波长解调。相较于等其他传感器，光纤光栅传感器具有波长编码、易于波分等优点。虽说如此，但是光纤光栅传感器的实际应用往往受到一些限制，比如对于要求较高的、多点的动态系统中的应用就不适合。光纤光栅传感器对于实时性要求不高的情况下，还是比较受欢迎的。此外，基于色散的光纤光栅的波长快速解调系统，使用非相干光源时成本会变高。

3 结束语

由于光纤具有高速传输速度和超宽信带带宽等优点，因此在信息处理领域受到越来越多的使用。 研究人员通过色散的光脉冲展宽特性，研制出来了一些速度快、宽度大的光信息处理技术。比如说，基于模式色散的全光积分器、图像的时域串行编码技术、时间透镜、基于时域展宽的光模数转换技术、光纤光栅的波长解调等技术。

参考文献

[1]王润轩，窦春升，周晨立，等.光子晶体光纤色散特性的研究[J].半导体光电，2012，26（3）：49-50.

[2]谭中伟，秦凤杰，任文华，等.光纤色散在光信息处理中的应用[J].中国激光，2013（12）：47-48.

[3]宋扬，王丽.光纤色散效应对脉冲展宽的影响[J].激光技术，2012，32（6）：65-66.

作者简介

李济慈（1990-），男，山东枣庄人，曲阜师范大学物理工程学院光信息科学与技术专业在校学生。endprint