随着光纤通信和光网络技术的快速发展, 产生和控制色散在许多光学应用中都非常重要。着重介绍了3种产生色散的新型方法的原理、近期发展情况和优缺点, 包括基于模式色散的色散系统、基于电子诱导透明的色散系统和基于实时傅里叶变换的等效色散系统;分析了目前产生色散技术所普遍存在的困难, 对其发展趋势进行了展望, 同时探讨了不同产生色散的技术在光信息处理技术的应用前景。

针对光纤通信高速传输过程中的非线性效应问题, 基于卷积神经网络提出一种光纤通信非线性失真补偿方法。利用卷积神经网络捕捉光纤传输信号的非线性变化特征, 在网络最后一层通过回归层对光信号进行非线性拟合; 通过量子粒子群优化算法搜索深度卷积神经网络的超参数集, 降低卷积神经网络的训练难度。数值仿真实验结果表明, 量子粒子群优化算法能够有效地优化卷积神经网络的超参数, 并且所训练的卷积神经网络能够改善光纤传输的通信质量。

提出了一种采用单个光调制器生成多路无线和有线信号的系统方案,并成功实现了两路5 Gbaud四相相移键控(QPSK)无线信号和一路5 Gb/s二进制振幅开关键控(OOK)基带信号在80 km单模光纤(SMF)中的有效传输。利用双极化马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)、功率耦合器、光滤波器等器件,实现了经济高效、结构简单的多路无线、有线双重服务,减小了信号间干扰、光纤色散走离效应等因素的影响,避免了传输距离的限制,提高了系统的可靠性。实验结果表明,5 Gb/s OOK基带有线信号经80 km SMF传输后的功率代价仅为1 dB,承载5 Gbaud QPSK的15 GHz和30 GHz信号经80 km SMF传输后的功率代价分别为2 dB和4 dB。

为了提高基于拉曼散射分布式光纤温度传感器的测量准确度和稳定性,提出了一种自动补偿光纤损耗、光纤色散和系统波动的温度解调方法,并进行实验验证。通过采样值对Stokes和Anti-Stokes散射光的损耗系数进行实时计算,并对二者的差异进行动态补偿,弥补了温度测温准确度随光纤长度增加而下降的缺点。采用linear插值算法对因光纤色散效应导致Stokes和Anti-Stokes背向散射光信号的错位进行修正,消除了升温处两侧因色散导致的温度异常点,提高了温度测量准确度。最后根据采样值和环境温度值对系统的波动性进行修正,减小了温度解调值波动范围。实验结果表明:经过修正后的系统在8 km处温度的测量误差范围从-2.72%~7.24%缩小为-0.34%~1.04%,整条光纤的温度波动性从-0.0128~1.6181 ℃下降为-0.8991~ 0.6476 ℃。

在检测频率复杂的信号时,光学傅里叶变换的高带宽、快速性优势凸显,其在光谱和高速射频信号的实时检测中都有重要应用。基于色散的光学傅里叶变换方法包括色散展宽和时间透镜方法。基于光纤色散方法,对比分析了基于色散展宽和基于时间透镜的光学傅里叶变换的实现原理。对两类方案中5种不同系统的输出结果、色散量、光谱分辨率、时间带宽积等影响因素进行分析,分别阐述了其应用及改进方案。

本文研究了余弦-超高斯(CSG)脉冲在光纤中的演化特性并对CSG 脉冲在光纤中的传输过程进行了数值研究。得到了脉冲的初始相位φ₀ 和脉冲阶数m 对脉冲传输过程及其演化规律的影响。结果表明，增大φ₀ 值到80 rad 时的一阶余弦-超高斯脉冲可以在相对较长的光纤中实现脉冲压缩；而高阶余弦-超高斯脉冲在经历较短的脉冲压缩后，随即展宽。脉冲阶数越高，其脉冲压缩所经历光纤长度越短。本文还将余弦-超高斯脉冲、简单高斯脉冲和双曲正割脉冲进行对比，对比结果表明双曲正割脉冲展宽速度最快，简单高斯脉冲次之，而余弦-超高斯脉冲的展宽速度最慢。所提出的余弦-超高斯脉冲对光纤色散不敏感，该研究对于实际中要得到大容量，长距离通讯用的特殊脉冲的研究提供了一定的理论依据。

最大似然估计能够准确地估计光通信的色散, 但其对高速符号传输的计算复杂度较高, 云计算数据中心的光网络是一种高速光通信的情况, 为了降低数据中心中光通信色散估计的计算成本, 设计了一种基于深度学习的数据中心光通信均衡器。基于人工神经网络的均衡器分为两个阶段, 第一阶段采用光信道的脉冲响应数据对人工神经网络进行训练, 对人工神经网络的模型参数进行优化, 建立人工神经网络的非线性响应模型; 第二阶段采用训练的人工神经网络均衡器对光信道的传输数据进行处理, 实现对光信道色散的估计与补偿。按照数据中心的光网络方案进行了仿真实验, 结果显示, 基于人工神经网络的均衡器提高了光通信的光信噪比, 并且延长了光通信的传输距离。

为了提升光载射频传输链路的链路增益以及传输距离, 采用了L波段的超长分布式2阶喇曼放大器结构对光信号进行放大。从理论上对分布式2阶喇曼放大器以及光载射频传输链路的原理进行了解释, 利用信号光、1阶抽运光、2阶抽运光以及噪声之间的耦合方程组分析了它们之间的关系, 并且得到了基于超长分布式2阶喇曼放大器的光载射频传输系统的1阶射频信号增益。通过数值仿真以及系统实验得到了抽运功率大小对超长分布式2阶喇曼放大器的开关增益的影响、光载射频传输系统在0GHz~7GHz范围内的频率响应及其射频增益以及该光载射频传输链路在应用超长分布式2阶喇曼放大器后的相位噪声情况。结果表明, 光载射频传输在超长分布式2阶喇曼放大器的作用下获得了28.1dB的链路增益, 在距离为80.94km的光链路上实现了近似无损传输, 射频信号开关增益与射频信号频率无关。该研究在光载射频链路的长距离传输中有重要的应用价值。

宽带光控阵列是将微波光子学技术同阵列技术相结合的产物, 它不仅保留了阵列系统的技术优势, 而且具有大带宽、易于同时形成多个波束、抗电磁干扰等特点, 宽带光学波束形成网络正是宽带光控阵列的核心技术。介绍了光学波束形成的基本原理及其宽带特性, 介绍了一种基于光纤色散的光学波束形成技术, 并搭建了光学波束形成网络试验系统, 对试验系统进行了测试, 最后给出结论。