随心所欲改变光脉冲的胖瘦

现代光纤通信中的信息往往通过一个个短促的光脉冲（归零码，RZ）进行传递。为在光纤衰减、色散及非线性效应等复杂信道条件下优化系统性能，工程师们需要为系统匹配最合适的光脉冲宽度。以往改变光脉冲的宽度需要调整施加在脉冲上的啁啾以及色散元件的色散值，但高速率传输下需要过度驱动相位调制器，实施起来十分困难。为了解决这一问题，本研究研发了基于高非线性光纤中四波混频效应的全新方法。

这项研究的核心工具是“高非线性光纤（HNLF）”以及其中的“四波混频（FWM）”效应。首先，研究人员让两束不同波长（分别为1548纳米和1552纳米）的光脉冲序列进入这根特殊的光纤。四波混频效应是一个超快物理过程，且有一个关键特点：只有当这两束输入光在时间上发生重叠时，它们才会相互作用，生成第三束全新波长（1556纳米）的光脉冲。

利用这个特点，研究人员只需通过电学手段调节两束原始光脉冲之间发射的延迟时间。在论文的图1（Fig. 1）中展示了这一概念原理图和实验装置图。图中显示，由于新脉冲是由两束原脉冲重叠的部分决定的，所以两束光错开的延迟时间越长，它们交汇重叠的时间就越短，生成的新脉冲也就越窄。因此，只要连续调节这个延迟时间，就能实现新脉冲宽度的连续、平滑调节。为验证这个方法的可行性，研究团队分别在5吉赫兹（GHz）和10吉赫兹（GHz）的时钟频率下进行了实际的实验测试。

论文的图2（Fig. 2）展示了生成的脉冲宽度与延迟时间的对应关系。从图中可以看出，实验数据和模拟数据高度吻合，脉冲宽度随着延迟时间的增加呈现出平缓的下降趋势：

（1）5G速率下，通过将两束光的延迟时间从0调整到80皮秒，生成的脉冲宽度成功实现了从85皮秒到25皮秒的连续调节。

（2）10G速率下，将延迟时间从0调至40皮秒，脉冲宽度则从33皮秒平稳调节到了18皮秒。

（3）40G的超高速率下，该方法依然有效，脉冲宽度可以通过调节延迟时间，实现从10.6皮秒到2.9皮秒的连续变化。

为了直观地看到这些光脉冲的实际形态，可以参考论文中的图3（Fig. 3）。该图展示了示波器捕捉到的真实波形：无论是5G下的80皮秒、50皮秒、30皮秒宽度的脉冲，还是10G下的30皮秒、25皮秒、20皮秒宽度的脉冲，波形的形状都清晰完整，展现出了良好的信号特征。

这种“剪裁”出来的脉冲在实际通信中是否稳定可靠？研究人员进行了一项长途传输实验。10 Gb/s速率下、调节为25皮秒宽度的光脉冲，让其携带数据在59公里的单模光纤（SMF）以及11.4公里的色散补偿光纤（DCF）中进行传输。论文中的图6（Fig. 6）记录了这段传输前后的误码率（BER）测量结果。数据显示，经过传输后，信号几乎没有出现功率代价（Negligible power penalty）。客观说明生成的不同宽度的脉冲信号具备优异的传输质量，不会因为宽度的改变而导致信号明显劣化，能够很好地胜任高速光纤通信系统的实际传输要求。

学者介绍：余长源，香港理工大学电子及资讯工程学系光子信息系统讲座教授、博士生导师，香港理工大学晋江技术创新研究院院长，Optica/OSA Fellow，IEEE Senior Member。主要研究方向包括光子器件、光子子系统、光纤通信与传感系统及生物医学仪器，聚焦光通信信号处理、光纤感测与光电系统应用等问题。

ORCID：0000-0002-3185-0441

DOI：10.1109/LPT.2004.842372

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