基于超快二阶非线性高速全光信息交换的新机理新技术研究

全光信息交换在高速大容量全光通信网中发挥着至关重要的交通枢纽作用。全光通信网新的发展需求期待单个光学器件即可完成调制格式透明且灵活高效的全光信息交换。本项目拟利用周期极化反转铌酸锂(PPLN)超快二阶非线性实现全光信息交换。交换仅在单个PPLN中一次性实现，且具有调制格式透明、低噪声、宽带可调和偏振无关等优越性。首先，探索基于二阶非线性调制格式透明全光信息交换新机理，分析信号光幅度和相位在非线性作用中的演变规律，研究波导长度和输入光功率、波长等参数对交换性能的影响并进行优化设计；其次，采用直接键合和脊波导法研制室温工作的高效稳定且偏振无关PPLN光波导；最后，实验研究基于PPLN超快二阶非线性高速全光信息交换，DPSK和DQPSK等调制格式透明的全光信息交换，WDM系统波长可选择性和OTDM系统子信道时隙可选择性的全光信息交换。该研究可提升全光信息交换竞争力并对全光通信网发展产生推动作用。

在信息高速时代，高速、灵活、大容量是未来光通信网发展必然趋势，与之匹配的网络节点高速光信息处理是关键。全光信息交换，即在全光域内实现信息双向转换，是有效利用网络资源和提升网络灵活性的重要技术。本项目对全光信息交换新机理新技术进行探索研究，提出利用非线性效应特别是周期极化反转铌酸锂（PPLN）光波导超快二阶非线性参量衰减和波长转换实现全光信息交换，整个交换过程仅在单个器件中一次完成，具有高速和调制格式透明等优点。首先，深入研究了全光信息交换新机理，对PPLN光波导超快二阶非线性全光信息交换进行了理论数值分析，揭示了二阶非线性参量衰减和波长转换实现全光信息交换可行性，推导了解析解并对波导参数优化设计；其次，理论研究了调制格式透明全光信息交换，解析解明确指出超快二阶和三阶非线性均可以实现调制格式透明全光信息交换；再次，对铌酸锂光波导制备工艺进行研究，包括直接键合工艺、黏胶键合工艺、掺镁铌酸锂干法刻蚀工艺和退火质子交换掺镁铌酸锂脊波导工艺；然后，系统实验研究了高速全光信息交换技术，报道了利用PPLN光波导实现全光信息交换，论证了间隔100 GHz两信号光40 Gbit/s全光信息交换，进一步利用高非线性光纤实验报道了40 Gbit/s 差分相移键控（DPSK）及100 Gbit/s 差分正交相移键控（DQPSK）全光信息交换，同时，利用单个非线性器件构成环形腔，利用单个抽运光及双向波长转换实现了4个波长100 Gbit/s DQPSK全光信息交换；最后，实验报道了波长和时隙可选择性灵活全光信息交换，包括4个波长间40 Gbit/s波长子信道可选择全光信息交换、实验产生了160/320/640 Gbit/s超高速光时分复用（OTDM）信号并实现了双波长160 Gbit/s OTDM信号光时隙子信道全光信息交换、提出并实验论证了灵活多功能高速大容量全光交换体系（2.3 Tbit/s波分复用信号可重构功率均衡、全光上下路和多信道同时全光信息交换）。另外，在超快非线性全光信息交换研究基础上，进一步开展项目拓展研究，包括基于硅基集成光波导调制格式透明全光信息交换、基于非线性效应相位操控实现多进制光计算和光编译码和硅基集成器件工艺研究。本项目超快非线性全光信息交换新机理新技术研究及相关拓展研究将极大丰富高速全光信息处理技术，有望推动高速光通信网快速全面发展。