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方法文章

光学数据包的准光存储

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DOI：

10.3791/50468

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2014年2月6日

 , 
1Institut für Hochfrequenztechnik, Hochschule für Telekommunikation, Leipzig

本文内容

摘要

本文介绍了一种用于存储具有任意调制方式、波长和数据速率的光数据包的方法。这些数据包是现代电信技术的基础。

摘要

当前的通信技术基于光数据包，通过全球范围内的光纤网络传输信息。目前，信号处理主要在电域中完成。如果能够直接在光域中进行存储，则可避免在每个网络节点将数据包从光域转换到电域、再转换回光域的过程，从而提高通信速度，并可能降低能耗。然而，光由以真空中光速传播的光子组成，因此光的存储面临巨大挑战。尽管已有一些方法可以减缓光的传播速度，或将其存储于介质的激发态中，但这些方法无法适用于通信网络中所使用的光数据包的存储。本文将介绍如何利用适用于所有信号（包括光数据包）的时间-频率相干性，构建一种光学存储器。我们将回顾相关理论基础，并通过具体示例详细说明如何利用频率梳实现进入存储器的光数据包的复制。随后，其中一个时域副本将通过时域开关从存储器中提取出来。我们将展示该方法在强度调制和相位调制信号中的应用。

引言

电信网络中的数据传输采用光信号进行，因为只有光纤能够提供当今全球数据传输所需的容量。然而，在网络的每个节点，光信号必须转换为电信号才能进行处理。处理完成后，信号再被转换回光信号以继续传输。这种在光域与电域之间的双重转换既耗时又耗能。为了实现数据的全光处理，必须解决中间存储的问题。因此，人们已提出了多种用于光信号存储或缓存的方法。最简单的方法是将信号送入由不同长度波导组成的矩阵中2。然而，这类矩阵体积庞大，且存储时间无法调节，因为它由波导的长度预先决定。

“慢光”方法依赖于介质群折射率的可调谐变化，以降低光信号脉冲的传播速度2。已有多种物理效应和材料体系可用于实现这一目的3-6。然而，利用这些方法仅能将信号延迟几个比特长度，远不足以满足光网络节点的需求7,8。

另一种方法利用波长转换和色散来产生可调谐的延迟。该方法首先通过非线性光学转换改变输入信号的中心波长。随后，将信号注入一段高色散光纤中。由于在色散光纤中群速度不同，产生的延迟与波长偏移量和光纤中的群速度色散（GVD）的乘积成正比。再通过第二次波长转换，将波长恢复至原始值。实现波长偏移的技术可包括四波混频或自相位调制。采用波长转换与色散方法，已有研究报道实现了最长243纳秒的可调谐延迟，相当于2,400比特的存储容量10。然而，波长转换与色散方法通常需要特殊的组件和装置，以实现较大的波长偏移和/或高群速度色散。此外，这类方法属于最复杂且功耗最高的延迟技术之一2。

其他方法将光信号存储为材料系统的激发态，然后利用探测光束读取信息。通常，这些系统无法应用于通信领域，因为它们需要极高的或极低的温度11，无法兼容通信带宽，或者需要相当复杂的装置和高功率条件12-14。

本文展示了如何利用信号的一个基本特性（时频相干性）来存储光数据包。由于该方法不涉及对材料系统的激发，我们将其称为准光存储（Quasi-light Storage, QLS）15-17。QLS 与数据包的调制方式、数据格式和数据速率无关，能够将光数据包存储数千比特长度的时间18。

基本原理如图1所示，图中显示了矩形脉冲。然而，该方法适用于各种形状的脉冲以及脉冲序列。唯一的限制是信号必须是时间受限的。

显示强度和频率图表的傅里叶变换示意图，说明时频关系。
图1. 强度调制信号的时频相干性23。时域中的单个矩形信号（a）在频域中由sinc函数表示（b）。此处显示的是归一化强度，因为无法使用光学设备直接测量场量。一组矩形信号的时域表示如（c）所示。该序列仍具有相同的光谱形状，但在sinc包络下由等间距的单一频率组成（d）。时间轴已归一化为单个信号持续时间的一半，频率轴则归一化为第一个零点交叉位置。 点击此处查看高清图像。

时域中的矩形脉冲（图1a）具有“抽样函数”或sinc函数形状的频谱（图1b），其形式为 sin(px) / px，包络线内的所有频率成分均存在。时域中的一串矩形脉冲序列（图1c）的频谱仍呈sinc函数形状（图1d），带宽为Δf。但由于周期性，不再包含所有频率成分，频谱由等间距的频率分量组成，频率间隔的倒数即为脉冲之间的时间间隔，ΔT = 1/Δv。

QLS的基本思想是从输入信号包的频谱中提取等间距的频率成分。由于时频相干性，这会在时域中产生信号包的复制。通过时域开关即可提取出具有所需延迟的副本。

本实验的原理如图2所示。在频域中，一个时间受限的输入信号与一个频率梳相乘。该乘法过程利用了受激布里渊散射（SBS）的非线性效应。结果是在时域中产生等间距的输入信号副本。其中一个信号通过由矩形函数驱动的开关被提取出来。因此，在理论上，存储器输出端可得到一个无失真的输入脉冲复制品。

频率-时间图与开关机制的信号处理示意图；数据调制过程。
图 2. 准光存储的基本原理15。一个时间受限的输入信号（a）在频域中与一个频率梳（b）相乘，用符号 X 表示。这导致在时域中产生该信号的多个副本（c）。从生成的脉冲序列中，通过一个矩形读取信号（e）控制的时域开关提取其中一个副本（d），该开关可以是一个调制器。结果实现了光信号的存储。存储时间由频率梳谱线之间的频率间隔和读取信号共同决定。 点击此处查看高清图像

受激布里渊散射（SBS）本身是一种非线性效应，可在标准单模光纤（SSMF）中于低功率条件下发生。在此过程中，信号光会与由反向传播的泵浦光波产生的光密度变化发生相互作用。若信号光的频率发生下移，则会形成一个增益区域，信号在此区域内被放大；若频率上移，则信号将在相应的损耗区域被衰减。泵浦光与信号光之间的频率偏移由声波决定，而声波特性取决于材料属性。对于本文所述应用而言，SBS的最大优势在于其增益区域具有极窄的带宽 ΔfSBS，因此实际上SBS构成了一种窄线宽的光学滤波器。该增益区域的窄带宽取决于光纤的有效长度和有效面积，以及所用的泵浦功率19。在标准单模光纤中，SBS增益的自然半高全宽（FWHM）带宽约为30 MHz。在特殊波导（如AllWave光纤）中并结合高泵浦功率，该带宽可进一步降低至10 MHz20。由于滤波器带宽的存在，不同复制的信号会被一个包络覆盖。因此，量子光存储器（QLS）的最大存储时间与SBS带宽成反比。10 MHz的带宽将对应100纳秒的最大存储时间。点击此处查看高清图像

对于极高比特率的传输，信息必须编码到载波的相位而非其幅度上，因为这样做具有诸多优势。因此，与脉冲信号不同，这些光网络中的信号具有恒定的幅度。图3展示了这种相位调制信号在时域（左）和频域（右）的表现。该频谱可以采用与幅度调制信号频谱相同的方式进行采样21。实际上，由于传输过程的影响，强度调制和相位调制信号的矩形函数频谱均会受到滤波作用，从而限制了频谱范围。

采用BPSK和QLS功率谱密度图分析的光信号调制示意图。
图 3. 相位调制的时间-频率相干性21。 在相位调制信号中，载波的相位会随着待传输信号的变化而改变。例如，若每个符号包含1比特信息，则相位在0和π之间切换。图的左侧显示了这种二进制相移键控（BPSK）信号对应的时间域表示，右侧则展示了其对应的频域信号。与图 1对比可见，相位调制信号的频谱在定性上与强度调制信号的频谱相同。因此，QLS可采用相同的方式应用。

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方案

1. 系统准备（图4）

  1. 将激光二极管 LD1 和 LD2 安装到专用支架中，并将其连接至电流控制器（LDC）和温度控制器（TEC）。开启设备，并使用光谱分析仪检查激光二极管的工作状态。通常使用约 1,550 nm 的通信波长。
  2. 根据图 4中的装置，将激光二极管连接至调制器（IM/PM 和 MZM1）。使用前需清洁光学连接器，以确保耦合表面洁净。将电源（未示出）以及来自波形发生器（AWG）的信号通过额外的电放大器连接至调制器。确保调制器的光输入功率和电输入功率不超过最大允许值。每个调制器均配备有偏振控制器。

光学外差检测示意图：激光装置、调制器、光纤、频率梳检测、光谱分析。
图 4. QLS 实验装置，可实现强度和相位调制信号的存储。标为蓝色的部分仅在检测相位调制信号时需要。QLS 过程在光纤中进行。标为黄色的部分定义了频率梳的外差检测。TEC：温度控制器，LDC：激光二极管电流源，LD：激光二极管，IM：强度调制器，PM：相位调制器，PC：偏振控制器，AWG：任意波形发生器，MZM：马赫-曾德尔调制器，EDFA：掺铒光纤放大器，C：环形器，Lo：本地振荡器，Osci：示波器，OSA：光谱分析仪，PD：光电二极管，ESA：电谱分析仪。 点击此处查看大图

  1. 将光纤连接至数据信号的调制器。对于相位调制信号，必须使用相位调制器（PM）；对于强度调制信号，则使用强度调制器（IM）。通常，实验中的数据速率为 Gbps 量级。光纤的另一端连接至环形器（C）的端口 2。本实验中使用的 AllWave 光纤参数如下：L = 20 km，ΔfSBS = 10.2 MHz，fSBS = 10.852 GHz，Pth ≈ 9.1 dBm。
  2. 将用于频率梳生成的幅度调制器（MZM1）与光放大器（EDFA）连接。所生成的频率梳必须覆盖数据信号的带宽。EDFA 的输出端连接至环形器的端口 1。
  3. 检测相位调制信号需要一个参考光源。将本地振荡器（LO）与环形器的输出端口 3 连接到一个 50/50 耦合器。对于强度调制信号，此部分无需连接。本实验中使用的 LO 为光纤激光器（Koheras）。
  4. 对于相位调制信号：将第三个调制器（MZM2）用于提取延迟副本，并将其连接至 50/50 耦合器的输出端。对于强度调制信号，则将 MZM2 直接连接至环形器的端口 3。为调制器提供偏置电压（图中未示出）以及来自波形发生器 CH1 Mkr1 输出端的矩形信号以实现提取功能。因此，原始数据信号与用于提取的矩形信号保持同步。
  5. 用于检测与分析：在 MZM2 后连接一个 90/10 耦合器。示波器连接至耦合器的 90% 端口，而 10% 端口连接至光谱分析仪。
  6. 使用波形发生器编程生成所需的数据包信号、频率梳以及矩形信号。频率梳由周期性 sinc 函数生成。

2. 测量

  1. 打开波形发生器（AWG）的数据信号输出。调节电源对调制器（IM/PM）的偏置，并在示波器上监控信号质量。调整至最佳质量后，关闭波形发生器的输出。调制器应设置在其线性工作点附近。典型参数值可参见结果部分。
  2. 使用外差检测法调节频率梳的质量。图中展示了一个质量相对较好的频率梳示例。 图5频率梳需要是平坦的， 例如 所有频率成分具有相同的强度，并在时间上保持稳定，同时具有足够宽度以覆盖整个光谱。此外，梳状谱的边缘应足够陡峭。 例如 两侧没有明显低强度的频率成分。
  3. 异步外差梳状检测 I：将MZM1的输出端连接至一个50/50耦合器。该耦合器的另一端口连接一台光纤激光器（Koheras）作为本地振荡器。
  4. 外差式频率梳检测 II：由于光电二极管和电子频谱分析仪的带宽有限，需先将耦合器输出端连接至光谱分析仪，通过调节激光器温度，将本振光与信号光之间的频率间隔设置为约 8 GHz。
  5. 外差式光频梳检测 III：调节完成后，移除光谱分析仪，将光电二极管和电学谱分析仪连接至50/50耦合器的输出端。调节光频梳调制器的偏置电压，以获得平坦的频率梳。完成后，再次将调制器的输出连接至光放大器（EDFA）。
  6. 根据布里渊频移调整两个激光二极管（IM/PM 和 MZM1）之间的距离，使用连续波信号进行调节。因此，请确保波形发生器的输出已关闭。
  7. 打开光放大器。观察光谱分析仪，并将掺铒光纤放大器（EDFA）的输出功率设置为低于受激布里渊散射阈值的数值。
  8. 现在将生成数据信号（IM/PM）的激光二极管的波长调至泵浦光（MZM1）的增益区域。如果波长正确，信号将被放大。
  9. 为优化，调整数据信号的偏振方向，从而使强度达到最大。
  10. 打开波形发生器的两个输出端（数据信号和光频梳）。增加掺铒光纤放大器（EDFA）的输出功率。此时，光频梳将从光谱中提取等间距的成分。示波器应显示出由量子锁模源（QLS）产生的不同副本信号。为减小失真，可轻微调节数据信号的波长并改变其偏振态。
  11. 使用波形发生器的一个标记信号或能够产生矩形脉冲的外部信号源来提取其中一份副本。设置一个与数据包长度相同的矩形脉冲。
  12. 打开 MZM2 的偏置，并将其调整至工作点，使得提取的信号最大化，同时抑制所有其他副本信号。然后将矩形脉冲移位至所存储模式的期望版本。
  13. 存储的数据模式可与示波器一同保存，并通过软件进行分析。 例如 起源。
  14. 为了在强度调制信号和相位调制信号的测量之间进行切换，需要将数据信号的调制器从用于强度调制信号的IM更改为用于相位调制信号的PM。此外，对于相位调制信号，还需根据要求在装置中增加一个作为参考源的本地振荡器 图4.

显示归一化强度的频率偏移图；MHz范围内的光谱分析示意图。
图5. 具有13个支路的近乎平坦的频率梳。该频率梳通过外差检测进行探测。检测时，将本振信号通过一个3 dB耦合器与光信号合并，并由光电二极管进行检测。频率梳的测量和记录使用电谱分析仪完成。本振输出功率为6 dBm，频率梳的光功率为8 dBm。本振与光频梳之间的频率间隔为9.8 GHz。为了更清晰地展示，频率轴已归一化至频率梳的中心频率，该频率约为193.5 THz（1,550 nm）。点击此处查看高清图像

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结果

测量时采用了一个数据速率为 1 Gbps 的 10110101 强度调制数据序列。图 6 中的黑线代表原始信号，彩色线代表使用量子限速器（QLS）实现的不同存储时间。参考信号是在未使用 QLS 且输出端开关处于关闭状态时测得的。在理想条件下，可实现高达 100 nsec 的存储时间。对于相位调制信号的 11001101 数据序列（数据速率同样为 1 Gbps）的存储结果如图 7所示，左侧为参考信号（黑色），右侧为基于受激布里渊散射（SBS）的 QLS 提取的不同复制信号。原始信号的存储版本几乎无失真，这意味着数据包中各比特的幅度仅有微小变化，脉冲展宽也非常轻微。失真程度的测量通过示波器对每个数据包的特定参数进行定性测量来完成。

副本的质量和数量取决于泵浦功率、梳状谱的平坦度以及偏振态。如果频率梳不够平坦，则会在图案及各个副本中产生失真。如果泵浦功率过低，副本的数量会减少，因为梳状谱中每条谱线的功率都会下降。在泵浦功率较低的情况下，受激布里渊散射（SBS）增益带宽会更宽，因此最大存储时间随之缩短。此外，若泵浦功率过低...

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讨论

实验过程中最关键的步骤是调节频率梳，即在频域中相对于数据信号的带宽、平坦度和位置。i.e. 根据频域采样定理，若光学数据包的整个带宽被一个理想平坦的频率梳采样，则可避免信号失真。因此，光学数据包的带宽决定了频率梳所需的最小带宽，在此带宽范围内频率梳应尽可能平坦。非理想的频率梳将导致与数据频谱的不规则相乘，从而产生不均匀的采样频谱，这会显著增加失真。当增益梳与数据频谱的位置未正确对准时，也会出现相同效应。例如，若仅有半个增益梳位于数据频谱内，则结果将是不均匀的采样频谱，失真程度将随之增加。

该方法本身受到两个因素的限制：数据包长度和受激布里渊散射的带宽。受激布里渊散射（SBS）的自然半高全宽（FWHM）带宽约为30 MHz。在特殊波导（如AllWave光纤）中，并结合高泵浦功率，该带宽可减小至10 MHz，从而实现最长100纳秒的存储时间。此外，单个数据包的长度受限于复制信号之间的距离。如果数据包长度超过该距离，复制信号将发生畸变。为了克服这一限制，可以减小频率梳中各谱线之间的间隔，从而在时域中增大复制信号之间的距离。

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。作者Thomas Schneider为德国电信股份公司（Deutsche Telekom AG）员工。作者Stefan Preußler获得了由德国电信创新实验室（Deutsche Telekom Innovation Laboratories）提供的资金支持。

致谢

我们衷心感谢德国电信创新实验室提供的财务支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
激光二极管3S PhotonicsA1905LMI2x
激光器支架TektronixLDH BFY-B22x
温度控制器LightWaveLDT-59482x
电流控制器LightWaveLDX-32202x
光放大器High-WaveHWT-EDFA-B-30-1-FC/PC
光隔离器OFROCT-3-IR2
波形发生器TektronixAWG7102
光纤 20 kmOFSAllWave-ZWP G652C-D
偏振控制器ThorlabsFiber Pol. Contr. IPC0302x
调制器AvanexIM-10-P相位
调制器AvanexSD20幅度，提取
调制器AvanexPowerBit F-10幅度，数据
调制器CovegaMach10幅度，梳状
光谱分析仪YokogawaAQ6370C
示波器AgilentDCA-J 86100C
测量模块Agilent86106B
光纤激光器KoherasAdjustik
耦合器NewportF-CPL-L22151-P比例：90/10
耦合器NewportF-CPL-L12155-P比例：50/50
电源Zentro-ElektrikLD 2x15/1 GB
电放大器SHF826H
供电端口SHFB826
电放大器Amplifier Research10W1000
光电二极管NewportD-8ir
电谱分析仪HP8563E

参考文献

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