准光存储光学数据包

Summary

文章描述了一种方法来存储的光学数据包具有任意调制，波长，和数据传输速率。这些数据包是现代电信的基础。

Abstract

今天的通信是基于其传递的信息在世界各地的光纤网络，光纤数据包。目前，该信号的处理在电域中完成。直接存储在光域中将避免数据包的传送到电气和回在每个网络节点的光域，因此，增加速度，并可能减少通信的能量消耗。然而，光是由光子的光的速度在真空中传播的。因此，光存储是一个很大的挑战。存在着一些方法来减缓的光的速度，或者将其存储在介质中的激发。然而，这些方法不能用于在电信网络中使用的光学数据包的存储空间。在这里，我们将展示如何在时频相干，持有适用于各种信号，因此对于光学包为好，可以被利用来建立一个光存储器。之后我们将升评论的背景和显示在细节，并通过实施例中，如何将频率梳可用于其中进入存储器的光学数据包的复制。其中的一个时域的副本，然后从存储器中由时域开关萃取。我们将证明该方法对强度以及相位调制信号。

Introduction

在电信网络中的数据传输是光学的，因为只有光纤提供满足当今世界上传输的数据流量的能力。然而，在网络的每个节点的光信号已被转移到电域中，以便对其进行处理。处理后的信号被转换回用于进一步传输的光域。域之间的这种双转移是时间和功率消耗。为了使用数据的全光处理，使中间存储的问题已被解决。因此，大量的用于光信号的存储或缓冲的方法已被提出。最简单的方法是将信号发送到波导具有不同长度²的矩阵。然而，这些矩阵是笨重和存储时间不能被调谐，因为它是由波导长度预定义。

在"慢光"的方法依赖于一个tunab一个介质减慢光信号脉冲²的传播速度的群折射率乐变化。可用于这一目的^3-6一些物理效应和材料的系统。然而，在这些方法中，信号可以通过很少的位长，这是迄今为止没有足够的用于光网络节点^7,8减慢。

另一种方法是使用波长转换和色散可调谐延迟的产生。从而，输入信号的中心波长是通过非线性光学转换移位。此后，该信号被送入一个高度分散的纤维。在色散光纤群速度的差导致的延迟正比于在光纤中的波长偏移和群速度色散（GVD）的产物。与第二转换波长被移回原来的值。对于象四波混频或自相位莫波长偏移的技术dulation都可以使用。与转换和分散方法的储存时间长达243可调延迟，这对应于2400位的纳秒，据报道^10。然而，在一般的波长转换和色散的方法需要用于产生一个大的波长偏移和/或大GVD特殊的组件和设置。此外，他们是最复杂的，耗电的延时方法^2。

其他方法的光信号存储到一个材料系统的激励。甲探测光束，然后用来读出的信息。通常，这些系统不能在电信领域使用，因为它们需要超高或低温下^11，不会与电信的带宽工作，或者需要比较复杂的设置和高功率^12-14。

这里，我们显示如何的信号（时间 - 频率相干性）基本属性可被利用光学数据包的存储空间。正弦Ë无励磁材料体系的使用，我们已经调用的方法准光存储^{（QLS）15-17。}该QLS是独立的调制，数据格式和数据包的数据传输速率，并可以为几千比特存储的光学数据包长度^18。

的基本思想可以在图1中可以看出，这里矩形脉冲，如图所示。然而，本方法适用于每个脉冲形状和脉冲的包。唯一的限制是，该信号必须是有时限的。

图1。时频相干为强度调制信号^23。在时域中的单个矩形信号（a）是由一个正弦函数在频率DOMA表示在（b）所示 。这里的归一化强度示出，因为它不可能测量用光学设备的字段。为矩形的信号序列的时域表示法表示在（c）所示 。这个序列仍具有相同的频谱形状。不过，它由正弦-信封（d）根据等距单一频率。时间轴被归到一个单一信号的一半，持续时间和频率轴的第一过零点，分别点击这里查看大图。

一个矩形脉冲在时域（ 图1a）具有"窦瓢虫"或正弦函数sin（PX）/ PX状的频谱（ 图1b），其中所述包络线下的所有频率都存在。矩形脉冲在时域（ 图1c）一列火车仍有一个SINC函数状的频谱（ 图1d）与带宽Δf。但由于周期性，而不是所有的频率都存在了。相反，该频谱由等距离的频率和频率间隔的倒数定义的脉冲ΔT = 1 /ΔV之间的时间间隔。

该QLS的基本思路是现在简单地提取等距离的频率对输入数据包的频谱。由于时间 - 频率相干性这导致分组的拷贝在时域中。与所需的延迟的复制可以通过时域开关被提取。

本实验的原理示于图2。有时间限制的输入信号乘以在频域中的频率梳。为乘法用于受激布里渊散射（SBS）的非线性效应。其结果是输入信号的等距离副本在日E时间域。之一的信号中提取与由矩形函数式开关。因此，在存储器的原理的输出输入脉冲的无失真的拷贝可以预期。

图2的准光存储¹⁵的基本概念。甲时间有限的输入信号（a）被乘以一个频率梳（b）在该频域，记有X，因为这导致了各个副本在时域信号（c）。从所生成的脉冲序列的拷贝（D）的一个与时域开关由一个矩形的读信号（e）萃取。该开关可以是一个调制器。其结果是存储的光信号的。在STORAGE时间由梳线和读信号之间的频率间隔定义。 点击这里查看大图。

SBS本身是一种可以在低功率发生在标准单模光纤（SSMF）非线性效应。由此，该信号与由一个计数器传播泵波产生的光密度变化进行交互。如果信号波降档的频率，增益区形成在该信号会被放大。如果是向上移的信号将被衰减在相应的损失区域。泵和信号之间的频移是由声波，这取决于材料的性质来定义。 SBS对所提出的应用程序的最大优点是增益区的窄带宽Δf _SBS。因此，实际上SBS形成了一个窄线宽光学滤波器。 T的窄带宽他获得区域依赖于有效长度的纤维和面积以及所使用的泵功率^19。在SSMF自然全宽在SBS增益的半最大值（FWHM）的带宽大约为30兆赫。在特殊的波导，诸如全波光纤，并具有高的泵浦功率，带宽可以被降低到10 MHz ^20。由于该滤波器的带宽的不同的副本都覆盖着一个信封。因此，QLS的最大存储时间成反比取决于SBS的带宽。 10 MHz的带宽将导致100 ns的最大存储时间。 点击这里查看大图。

对于非常高的比特速率传输的信息必须被编码成载波，而不是它的振幅的相位，因为这提供了很多优点。因此，违背脉冲，这些光网络的信号具有恒定振幅。 <强>图3示出了这样一个阶段中的时间（左）和频域（右）的调制信号。这个频谱进行采样的方式相同，幅度调制信号^21。实际上矩形函数的强度和相位调制信号的频谱进行滤波，由于传输，从而限制了光谱。

图3。时频相干的相位调制^21，在一个相位调制信号的载波的相位由具有要被发送的信号改变。如果每一个符号包括1比特，相位0和π之间变化，例如。该图的左侧示出了这种键控二进制相移所产生的时域表现（BPSK）信号。所得到的频域信号被显示在右侧。通过与图1比较，可以看出，相位调制信号的频谱是定性地相同的强度调制信号。因此，QLS可以以相同的方式被应用。

Protocol

1。准备系统（图4）

1. 将激光二极管LD1和LD2在具体的安装，并与电流（LDC）和温度控制器（TEC）连接。打开设备上，并检查激光二极管的光频谱分析仪的功能。通常，围绕1550纳米的电信波长被使用。
2. 根据图4的设置的激光二极管连接到调制器（IM / PM和MZM1）。光纤连接器必须在使用前被清洁，以确保清洁的表面进行偶合。一个额外的电放大器，调制器连接一个电源（未示出）和信号从波形发生器（AWG）。确保在调制器的最大光学和电气输入功率不超过。每个调制器都配有一个偏振控制器。

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图4。的QLS由此强度和相位调制信号的存储是可能的实验装置 。蓝色标记的部分是只需要对相位调制信号的检测。该QLS过程发生在光纤。黄色标记部分定义了外差探测的频率梳的。 TEC:温度控制器，最不发达国家: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，特设工作组: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:循环，罗:本地振荡器，OSCI:示波器，OSA:光谱分析仪，PD:光电二极管，欧空局:电频谱分析仪。 点击这里查看大图。

连接光纤用的调制器，用于将数据信号。为相位调制信号，它必须是一个相位调制（PM）和用于强度调制的信号的强度调制器（IM）。通常，数据传输速率为实验是在Gbps的范围。在光纤的另一端与所述环行器（C）的端口2相连。在使用全波光纤在我们的实验有以下规格:L = 20公里处，Δf _SBS = 10.2兆赫，F _SBS = 10.852 GHz时， _第 P≈9.1 dBm的。
1. 与光学放大器（EDFA）连接振幅调制器，用于对频率梳生成（MZM1）。梳子具有以覆盖数据信号的带宽。在掺铒光纤放大器的输出端与环行器的端口1连接。
2. 对于相位调制的信号的检测中，参考源是必要的。连接的本地振荡器（LO）与环行器的输出为3〜50/50耦合在一起。对于int密度调制信号，则不需要这部分。由于LO光纤激光器（Koheras）被使用。
3. 对于相位调制的信号:连接所述第三调制器（MZM2），用于提取延迟副本中的50/50耦合器的输出。对于强度调制信号，直接连接MZM2到循环的端口3。供给调制器的偏置电压（未示出）和一个矩形信号从波形发生器的CH1 Mkr1输出端口，用于提取。因此，原始数据信号，以及该矩形信号提取同步。
4. 有关检测和分析:MZM2后，再接上90/10耦合器。示波器与成色剂的90％端口连接，并且10％的部分是用光谱分析仪相连。
5. 编程用的数据包时，频率梳和矩形信号所需的信号的波形发生器。频率梳是由一个周期的sinc函数生成的。

e_title"> 2。测量

1. 打开在波形发生器（AWG），用于对数据信号的输出。在电源改变偏置的调制器（IM / PM）和控制信号的质量在示波器上。调整最优质的转后的波形发生器关闭输出。调制器应围绕线性工作点被设置。典型值可以在结果一节中找到。
2. 调整频率梳与外差探测的品质。对于一个质量比较好的频率梳的例子示于图5。频率梳必须是平的， 例如，所有的频率分量具有相同的强度，且随时间保持稳定，以及足够宽，以覆盖整个光谱。此外，梳子的边缘应该是陡峭的， 比如有没有明显的频率分量与两侧的低强度。
3. 外差梳子检测I:连接MZM1用50/50的共同的输出upler。成色剂的其它端口都与一个光纤激光器（Koheras）作为本地振荡器相连。
4. 外差检测梳II:由于光电二极管和电频谱分析仪的带宽有限，第一耦合器的输出必须连接到光谱分析仪，以本机振荡器和所述信号之间的距离设置为8左右吉赫通过改变激光器的温度。
5. 外差检测梳三:调整后取出光谱分析仪和光电二极管和电频谱分析仪连接到的50/50耦合器的输出。调整梳调制器的偏置电压，以实现平坦的频率梳。完成后再次连接调制器的输出到光放大器（EDFA）。
6. 调整有关的布里渊频移与连续波信号的两个激光二极管（IM / PM和MZM1）之间的距离。因此，请确保波形发生器的输出是TUrned关闭。
7. 打开光放大器。看看光谱分析仪，并设置EDFA的输出功率，以低于受激布里渊散射的阈值。
8. 现在转向激光二极管的波长，它产生的数据信号（IM / PM）进入泵（MZM1）的增益区。如果波长是正确的信号会被放大。
9. 为优化改变数据信号的偏振，因此，强度为最大。
10. 打开波形发生器的两个输出（数据信号和梳状）。增加EDFA的输出功率。现在频率梳将等距抽取出来组成部分的频谱。示波器应显示由QLS产生不同的副本。对于失真减小略微移位的数据信号的波长，并改变它的偏振。
11. 以提取的副本中的一个使用波形发生器或外部源的标志信号中的一个可以制作的矩形脉冲。设置一个矩形脉冲，该数据包的长度。
12. 打开偏置MZM2并将其更改为工作点，其中提取出的信号被最大化，而所有其他副本会被抑制。现在的矩形脉冲转移到存储模式的期望版本。
13. 存储的数据模式可以保存在示波器和软件， 如地评估。
14. 为了强度的测量之间切换，相位调制的信号，需要从IM改变为强度调制信号PM对相位调制信号的调制器，用于将数据信号。另外，对于相位调制信号需要一个本地振荡器作为基准源，以根据图4被添加到安装程序。

图5。几乎平坦的频率梳13家分公司 。通过外差检测，检测的梳子。用于检测本地振荡器经3dB耦合器结合的光信号，并用光电二极管检测到。频率梳测量和记录与一个电气频谱分析仪。本机振荡器的输出功率为6 dBm和梳子8 dBm的光功率。本机振荡器与光学梳之间的距离为9.8千兆赫。为了更好地了解频率轴是归它是大约193.5兆赫（1,550 nm）的梳子的中心频率。 点击这里查看大图。

Results

对于测量用的1 Gbps的数据速率10110101强度调制的数据图案被使用。黑线在图6中表示原始信号和彩色线表示实现了与QLS不同的存储时间。基准测量而不QLS和失活的开关输出。在理想条件下的储存时间高达100纳秒是可以实现的。其结果为一个相位调制信号的存储11001101数据图案，再以1 Gbps的数据速率可以看出，在图7中 ，用在左侧（黑色）的参考信号与SBS的不同提取拷贝基于QLS 。原始信号的所存储的版本是自由几乎失真。这意味着，有在该分组中的比特的振幅只有小的变化，以及仅有轻微的脉冲展宽。的畸变的测量进行定性每个数据包通过与示波器测量的特定值。

复制品的质量和数量取决于泵浦功率，梳状的平坦度和偏振。如果频率梳是不够平坦，在图案和不同的副本失真发生。如果泵的功率过低会有印数较少量的，因为在梳子的每一行的功率将减少。在低泵浦功率的情况下，SBS增益带宽将更为广阔，因此，最大存储时间减少。此外，如果泵功率太低，就没有SBS增益和无滤波。可以看出，在图7的最大存储时间为60毫微秒...

Discussion

在实验过程中最关键的步骤是频率梳的调整， 即带宽度，平直度和位置在相对 ​​于在频域中的数据信号。根据在频域中的采样定理，信号失真是可以避免的，如果光学数据包的整个带宽被采样以一个理想的平面梳。因此，光学数据包的带宽定义的频率梳的最小带宽和在该带宽梳必须尽可能平坦。阿非理想频率梳将导致不规则的乘法与数据的频谱，因此，以不均匀的采样光谱。这将显著增加的扭曲。发生相同的效果时，增益梳的位置和数据频谱不正确地安装。如果增益梳的一半是数据的频谱内，举例来说，其结果将是不均匀的采样频谱和失真会增加。

该方法本身是由两个因素的限制。半高的SBS（FWHM）带宽的天然全宽为大约30兆赫。在特殊的波导，诸如全波光纤，并具有高的泵浦功率，带宽可以被降低到10兆赫。这将导致在100毫微秒的最大存储时间。此外，一个包的长度是有限的副本之间的距离。如果它会超过这个距离，副本会被扭曲。为了克服这一限制在频率梳分支的距离可以减小，因此，拷贝在时域中的距离将被增强。

整体存储时间直接取决于布里渊增益带宽...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
半导体激光管	3S Photonics	A1905LMI	2x
激光安装	件 Tektronix	LDH BFY-B2	2x
温度控制器	LightWave	LDT-5948	2x
电流控制器	LightWave	LDX-3220	2x
光放大器	高波	HWT-EDFA-B-30-1-FC/PC
环行器	OFR	OCT-3-IR2
波形发生器	Tektronix	AWG7102
光纤 20 km	OFS	AllWave-ZWP G652C-D
极化控制器	Thorlabs	光纤极化控制器 IPC030	2x
调制器	Avanex	IM-10-P	相位
调制器	Avanex	SD20	幅度，提取
调制器	Avanex	PowerBit F-10	振幅，数据
调制器	Covega	Mach10	振幅，梳状
光谱分析仪	横河	AQ6370C
示波器	安捷伦	DCA-J 86100C
测量模块	安捷伦	86106B
光纤激光器	Koheras	Adjustik
耦合器	Newport	F-CPL-L22151-P	比率：90/10
耦合器	Newport	F-CPL-L12155-P	比率：50/50
电源	Zentro-Elektrik	LD 2x15/1 GB
电气放大器	SHF	826H
电源端口	SHF	B826
电气放大器	放大器Research	10W1000
光电二极管	Newport	D-8ir
电频谱分析仪	HP	8563E