近年来，随着数据通信和云计算等业务的迅猛发展, 用户对具有高运算速率的计算机的需求急剧增长,然而传统的COMS微处理器在处理速率、设计复杂度、功耗和散热受到了电子瓶颈的限制。一种潜在解决途径是直接在光域进行高速信号处理，而光的非线性特性非常适合实现各种光信号处理。石墨烯作为一种二维材料具有超高三阶非线性，使得人们研究其在全光信号处理领域的应用。同时硅光子学又是是目前集成领域最为活跃的学科。

武汉光电国家实验室王健教授领导的多维光子学实验室（MDPL：Multi-Dimensional Photonics Laboratory）利用石墨烯光非线性器件以及硅直波导/硅基马赫泽德调制器的相关研究并取得了一系列进展。

1. 博士生龙运等人最近提出一种基于片上四波混频的方案实现PAM-4信号的全光再生。2016年3月24日，该研究成果以论文“All-optical wavelength conversion and signal regeneration of PAM-4 signal using a silicon waveguide”发表在Optics Express (vol. 24, no. 7, pp. 7158-7167, 2016)

2. 博士生龙运等人提出一种利用片上光调制器实现微波倍频和微波幅移键控（ASK）调制的方案并进行了实验验证。2016年2月2日，该研究成果以论文“Photonic-assisted microwave signal multiplication and modulation using a silicon Mach-Zehnder modulator”发表在Scientific Reports上 (6:20215, 2016)。

3. 博士生胡晓等人提出利用简并四波混频/非简并四波混频和正交幅度（QAM）信号实现了基于石墨烯相位共轭/透明波长转换。2016年2月2日，期刊Scientific Reports 6, 22379 (2016)，发表了题为“基于石墨烯相位共轭和透明的赖奎斯特16-QAM波长转换”（Phase Conjugated and Transparent Wavelength Conversions of Nyquist16-QAM Signals Employing a Single-Layer Graphene Coated Fiber Device）的研究成果。

4. 博士生胡晓等人利用石墨烯-微环增强非线性效应，实现了上下载高级调制格式-差分正交相移键控（DQPSK）QPSK的波长转换。2016年4月4日，光学期刊Optics Express 24(7), 7168-7177 (2016)发表了题为“石墨烯微环谐振器增强全光上下载波长转换QPSK信号”（Graphene-silicon microring resonator enhanced all-optical up and down wavelength conversion of QPSK signal）。

该工作得到了国家自然科学基金(61222502,11574001,11274131,61077051)、新世纪优秀人才计划(NCET-11-0182)、武汉科技计划项目(2014070404010201)、中央高校基本科研业务费专项资金(2012YQ008, 2013ZZGH003)、武汉光电国家实验室种子计划的资助。

图. 1. 硅波导中PAM-4信号再生的原理

图. 2. 调制前的基带数字信号、射频载波信号以及调制后的ASK信号波形

图3 （a）简并四波混频过程误码率和光信噪比曲线； （b）非简并四波混频过程误码率和光信噪比曲线； 插图是16-QAM星座图

图4 上下载波长转换光谱图

文章链接：

1. Yun Long, Andong Wang, Linjie Zhou, and Jian Wang*, “All-optical wavelength conversion and signal regeneration of PAM-4 signal using a silicon waveguide,” Optics Express 24(7), 7158-7167 (2016).

   https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-24-7-7158

2. Yun Long, Linjie Zhou, and Jian Wang*, “Photonic-assisted microwave signal multiplication and modulation using a silicon Mach-Zehnder modulator,” Scientific Reports 6, 20215 (2016).

   https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4735760/

3. Xiao Hu, Mengqi Zeng, Yun Long, Jun Liu, Yixiao Zhu, Kaiheng Zou, Fan Zhang, Lei Fu, and Jian Wang*, “Phase conjugated and transparent wavelength conversions of Nyquist 16-QAM signals employing a single-layer graphene coated fiber device,” Scientific Reports 6, 22379 (2016).

   https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4773766/

4. Xiao Hu, Yun Long, Mengxi Ji, Andong Wang, Long Zhu, Zhengsen Ruan, Yi Wang, and Jian Wang*, “Graphene-silicon microring resonator enhanced all-optical up and down wavelength conversion of QPSK signal,” Optics Express 24(7), 7168-7177 (2016).

   https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-24-7-7168