适用于模分复用光纤通信网络的新型全光开关基础研究

Optical fiber communication networks will remain the main body of the next generation communication networks. Due to the impact of fiber nonlinearities, the information capacity of widely employed single mode fiber starts to approach its fundamental limit. One of the effective technique to avoid this capacity crunch is mode division multiplexing. On the other hand, all-optical switching technology could effectively bypass the electronic bottleneck and realize large through-put, reconfigurable switching demand. From the view point of next generation optical fiber communication networks based on mode division multiplexing technologies, inter-mode switching mechanism will be soon required. In this project, by exploring the spatial dimension provided by mode division multiplexing technologies, we choose multi-mode fiber as the main nonlinear media and investigate the feasibility of all-optical inter-mode switching schemes based on inter-mode phase modulation and four wave mixing. Two important features of this project are: 1) we propose all optical inter-modal switching mechanism for optical fiber network based on mode division multiplexing; 2) we propose an effective method to recover output signal from random mode coupling along the fiber, enabling retrieving correct switching information. Novel researches and new discoveries could be expected from this project which serves to improve the development of next generation all optical switching technologies.

光纤通信网络依然是下一代网络的核心，受到光纤非线性效应的影响，单模光纤的通信容量已经接近理论极限，有效扩容的方法之一是发展模分复用技术。另一方面，全光开关技术可以有效克服光电光转换以及电子瓶颈问题，是实现光纤网络大容量交换、灵活可控的核心技术。在模分复用背景下，全光开关技术需要发展模间控制机制来应对新的开关内容和要求。拟利用模分复用带来的空间场分布这一新维度，探索适用于模分复用光纤通信网络全光交换的模间控制机制。拟选择工艺成熟的多模光纤作为主要的非线性媒质，利用其三阶非线性效应，借助已有一定研究基础的多模非线性耦合模型，从理论和实验方面研究基于模间交叉相位调制效应和模间四波混频效应的全光开关方案。主要创新点包括针对模分复用光纤通信网络提出了基于模间控制非线性的新型全光开关机制，及克服多模光纤随机模式耦合、提取开关信息的有效方法，可望对模分复用全光网络的全光交换技术起到一定的指导作用。

模分复用技术能够在兼容已有成熟复用技术的基础上，进一步提高系统的通信容量，是未来光纤通信系统发展极有潜力的方向之一。另一方面，全光开关技术可以有效克服光电光转换以及电子瓶颈问题，是实现光纤网络大容量交换、灵活可控的核心技术。在模分复用背景下，全光开关技术需要发展模间控制机制来应对新的开关内容和要求。本项目提出利用模分复用带来的空间场分布这一新维度，探索适用于模分复用光纤通信网络全光交换的模间控制机制。选择工艺成熟的多模光纤作为主要的非线性媒质，利用其三阶非线性效应，借助国内外已有一定研究基础的多模非线性耦合模型，探索适用于模分复用光纤通信网络的新型全光开关机制。本项目紧紧围绕项目主题，开展了一系列适用于模分复用光纤通信网络的新型全光开关的基础研究。通过三年的项目开展，研究了多种光开关机制，包括模间交叉相位调制（XPM）光开关、模间四波混频（FWM）光开关，还开展了利用模内四波混频效应的多路并行光开关机制及其应用研究，及其通过多模转单模的多模光开关研究。基于多模非线性薛定谔耦合方程，建立了完整的数值仿真模型，从理论和实验上验证了模间交叉相位调制效应。通过寻找合适的集成波导参数，利用数值仿真模型，验证了基于模间四波混频效应的10Gbit/s模式A对B的开关控制。基于多模转单模新思路实现了大于40Gbit/s的多模光开关操作（185.8Gbit/s）并应用在多模波长转换以及多路全光逻辑操作等应用中。另外还开展了针对双各向异性这一类特殊多模波导的耦合模理论分析。本项目针对模分复用系统的光开关技术进行了探索，为下一代光通信网络的全光、智能化提供了一些知识储备。