淺談光纖色散在光信息處理中的應(yīng)用

摘 要：傳統(tǒng)的電子技術(shù)受各種信息載體的限制，已經(jīng)與當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展需求顯得不相適應(yīng)。光纖技術(shù)以信息傳播的高速性、高質(zhì)性、高量化成為了受人追捧的新型信息載體。如今，更多的光纖色散技術(shù)成為了重要的光信息處理手段。文章在概述光纖色散的基礎(chǔ)上，針對(duì)光纖色散的兩大分類，提出了基于光纖色散的光信息處理技術(shù)的應(yīng)用，旨在不斷拓展光纖色散的應(yīng)用光信息處理的能力。

關(guān)鍵詞：光纖色散；光信息處理；運(yùn)用分析

科技的不斷進(jìn)步，讓如今的時(shí)代成為了高度信息化的大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。隨著海量信息的交換傳輸頻次和規(guī)模增多，傳統(tǒng)的電子技術(shù)已經(jīng)顯現(xiàn)出各種信息載體的局限性，在人們不斷提高更高要求的同時(shí)，光纖技術(shù)成為了受人青睞的新型信息載體，它體現(xiàn)出更具優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn)：具有光速信息傳播速率，具有高保真低失誤的質(zhì)量保障，具有可攜帶海量信息的容量等。隨著光信息處理業(yè)務(wù)的增多，光纖色散技術(shù)也成為了重要的光信息處理技術(shù)，值得人們認(rèn)真研究，不斷擴(kuò)展色散技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 光纖色散

光纖色散，是不同頻率、不同模式分量的光信號(hào)或光脈沖出現(xiàn)在光纖中，保持不同速度傳輸后出現(xiàn)信號(hào)失真的現(xiàn)象，也可形容為出現(xiàn)脈沖拓寬的現(xiàn)象。一般而言光纖色散可分三類，一是模式色散，主要是不同模式傳輸時(shí)，若光的波長(zhǎng)相同，但切分量不同而引發(fā)群速不同形成色散；二是材料色散，受材料自身材質(zhì)特質(zhì)影響，光的折射率不一而引發(fā)群速不同形成色賽；三是波導(dǎo)色散，對(duì)單模式的光傳輸而言，光的寬度頻帶不變但切分量不同形成色散。上述三類色散中，材料色散與波導(dǎo)色膽的光傳播速度受頻率的差異影響，因而又統(tǒng)稱色度色賽，而模式色散則主要出現(xiàn)在多模光纖中。在光纖領(lǐng)域的研究中，色散一直是主要的影響光纖通信傳輸性能的因素。色散越大則光纖的帶寬距離積越小，如何能夠利用色散的補(bǔ)償原理，是實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)優(yōu)化的重要管理手段。在光信息處理技術(shù)研究發(fā)展過程中，人們基于光纖色散的脈沖展寬特性已經(jīng)探索出各種技術(shù)應(yīng)用，不斷體現(xiàn)該技術(shù)的快速與高帶寬特性。

2 光纖色散在光信息處理中的應(yīng)用

2.1 色度色散的技術(shù)應(yīng)用

2.1.1 基于時(shí)域展寬特性的轉(zhuǎn)換技術(shù)

當(dāng)前，我國(guó)的高速光網(wǎng)絡(luò)與無線雷達(dá)等高新技術(shù)研發(fā)取得重大突破，在國(guó)防通信、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)若搭載傳統(tǒng)的電子模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，并不能發(fā)揮出高性能與高效率，只有匹配基于時(shí)域展寬特性的光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，才能更好地解決關(guān)鍵指標(biāo)問題。如光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)超高的比特精度在保持高速信息傳播的同時(shí)，將容納攜帶更大規(guī)模的數(shù)據(jù)量，這樣便為雷達(dá)、高速光網(wǎng)等的組建和運(yùn)行提供了更多技術(shù)支撐，平臺(tái)響應(yīng)良好，應(yīng)用效果也十分出色。而且，光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)所表現(xiàn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換效率將更加突出，轉(zhuǎn)換性能被不斷放大。當(dāng)然，基于時(shí)域展寬特性的光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)雖然在實(shí)際操作中還存在傳速受限、成本偏高等問題，但現(xiàn)階段的研究所提出的非線性光纖應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)光信號(hào)向電的轉(zhuǎn)換，一定程度解決了光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用問題。

2.1.2 圖像串行編碼技術(shù)

光信息的高速傳播，讓光纖色散技術(shù)在成像方面體現(xiàn)了極高的優(yōu)勢(shì)，因此讓圖像串行編碼技術(shù)有了更多的應(yīng)用實(shí)踐。傳統(tǒng)的相機(jī)成像技術(shù)要實(shí)現(xiàn)對(duì)流體或閃電等自然現(xiàn)象的捕捉，需在長(zhǎng)時(shí)間預(yù)讀后才能正式讀取數(shù)據(jù)。而且，相機(jī)的像素在追求提高幀速的同時(shí)會(huì)大幅降低，十分不利于成像。運(yùn)用串行編碼技術(shù)正可以解決此類問題，光譜中的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)光纖色散后在時(shí)間區(qū)域內(nèi)鋪展，直接完成圖像映射，實(shí)現(xiàn)加速成像。

2.1.3 時(shí)光透鏡技術(shù)

大量的科學(xué)研究表明，基于光纖色散所產(chǎn)生的時(shí)光透鏡技術(shù)可加速光數(shù)據(jù)的傳輸與處理。如一道2.5納米的激光束，經(jīng)過時(shí)光透鏡技術(shù)的作用可同時(shí)在保持?jǐn)?shù)據(jù)不失真的情況下減小光束傳播的時(shí)間。這就說明，若合理運(yùn)用時(shí)光透鏡技術(shù)，將有效提升光纖線路的信息數(shù)據(jù)傳播速度。通常，時(shí)光透鏡可直接放大或壓縮光信號(hào)或光脈沖，也能夠更好地促進(jìn)光脈沖在時(shí)域與頻域范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換，這樣就能夠大量運(yùn)用在光通信、光信號(hào)處理、時(shí)域成像等領(lǐng)域。

2.1.4 全光積分器應(yīng)用

光纖色散中的色度色散能夠發(fā)揮顯著的延緩信息傳輸時(shí)長(zhǎng)的作用，因此采用光纖色散的延時(shí)特性，結(jié)合在時(shí)域和頻域中的波形作用，可以研制出積分器。光信息在光纖中傳輸時(shí)，大量的脈沖可分解為不同的頻率分量，差異性的頻率間不同作用導(dǎo)致脈沖擴(kuò)展的發(fā)生，因此各分量不會(huì)同時(shí)在光纖輸出端出現(xiàn)。對(duì)于不同的頻率分量而言，雖然具有相同的光波形，但在接收端的延時(shí)出現(xiàn)，使得大量信號(hào)出現(xiàn)了相同波形的疊加，相當(dāng)于完成了某段時(shí)間的積分。積分器的原理即使如此，在應(yīng)用的過程中能夠直接濾波并調(diào)制光譜，從而發(fā)揮具體作用。大量的研究探索中，人們認(rèn)為色度色散的這種延時(shí)效果，也會(huì)同時(shí)導(dǎo)致光纖長(zhǎng)度的縮減，反而可以嘗試應(yīng)用模式色散技術(shù)進(jìn)行替換應(yīng)用，就不再出現(xiàn)這樣異常的影響。當(dāng)然，模式色散的應(yīng)用過程，必然加強(qiáng)對(duì)光源光譜的均勻化控制，確保不同模式都具有相同的功率，消除功率波動(dòng)，始終讓激光設(shè)備保持不受影響的狀態(tài)。

2.1.5 光纖光柵波長(zhǎng)調(diào)解技術(shù)

光纖光柵傳感器，是一種準(zhǔn)分布式光纖傳感裝置，優(yōu)點(diǎn)在于不易受光源波動(dòng)影響、具有特定波長(zhǎng)編碼、適于波分復(fù)用等，因而是基于光纖色散技術(shù)下能夠通過調(diào)節(jié)波長(zhǎng)來完成光信息處理的可靠應(yīng)用。當(dāng)前，光纖光柵傳感器主要應(yīng)用于監(jiān)測(cè)靜態(tài)事件，或是應(yīng)用于無較高實(shí)時(shí)性要求的情況中，而在很多有高實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)或動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，容易受到不同程度的限制，如汽車定位于測(cè)速、水下聲吶傳感、地震波檢測(cè)等。需要注意的是，若在未出現(xiàn)關(guān)聯(lián)光源的情況下使用光纖光柵傳感器去調(diào)節(jié)波長(zhǎng)，將會(huì)產(chǎn)生額外的影響，導(dǎo)致成本增加。

2.2 模式色散的技術(shù)應(yīng)用

近年來，模式色散技術(shù)隨著模分復(fù)用技術(shù)和多輸入多輸出技術(shù)的發(fā)展也有了新的突破，能夠在更多的光信息處理研究中被應(yīng)用到。

2.2.1 用模式色散增強(qiáng)的色度色散

實(shí)際應(yīng)用中，光纖色散對(duì)有些波長(zhǎng)的分量表現(xiàn)較小。可以借助新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)光纖色散的波長(zhǎng)增大。即在空間利用衍射光柵分離不同頻率的光，以不同角度輸入多模光纖中，這樣就能產(chǎn)生不同的傳輸模式，而光波長(zhǎng)與傳輸模式之間也建立起特殊的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)光信號(hào)脈沖傳輸?shù)蕉嗄９饫w后，模式色散將導(dǎo)致脈沖展寬，從而使得不同波長(zhǎng)之間出現(xiàn)差異色散。

2.2.2 用模式色散制作全光積分器

研究表明，模式色散產(chǎn)生延時(shí)效果后，光纖長(zhǎng)度降低，積分器將與光脈沖的波長(zhǎng)沒有關(guān)系，光源的帶寬也無法影響到積分器。從這個(gè)理論來思考，全光積分器的應(yīng)用要改進(jìn)，就可以借助不同的色散來實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的邏輯功能。利用模式色散制作積分器時(shí)，并不需要如色度色散一樣，需要靠控制光源光譜完成功率均衡來實(shí)現(xiàn)延時(shí)與疊加部分的能量一致，而是可以通過技術(shù)手段讓多個(gè)模式之間承載相同的功率就可以實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語

科技的進(jìn)步仍更多的行業(yè)領(lǐng)域開始應(yīng)用到光纖通信技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳播的高速；速度與高質(zhì)量。光纖色賽技術(shù)是光纖通信理論的重要內(nèi)容，能夠在光信息處理中發(fā)揮巨大的作用。人們應(yīng)該保持對(duì)光纖色散技術(shù)光脈沖擴(kuò)展特色的強(qiáng)化研究，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，促進(jìn)光信息技術(shù)更好的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：孟祥成（1992-），男，漢族，山東濱州人，本科在校，研究方向：光信息工程與技術(shù)。