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。
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本文内容
摘要
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....
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方案
1. 系统准备（图4）
- 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。
- 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。
图 4. QLS 实验装置，可实现强度和相位调制信号的存储
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 激光二极管 | 3S Photonics | A1905LMI | 2x |
| 激光器支架 | 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 | High-Wave | HWT-EDFA-B-30-1-FC/PC | |
| 光隔离器 | OFR | OCT-3-IR2 | |
| 波形发生器 | Tektronix | AWG7102 | |
| 光纤 20 km | OFS | AllWave-ZWP G652C-D | |
| 偏振控制器 | Thorlabs | Fiber Pol. Contr. 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 | 幅度，数据 |
| 调制器 | Covega | Mach10 | 幅度，梳状 |
| 光谱分析仪 | Yokogawa | AQ6370C | |
| 示波器 | Agilent | DCA-J 86100C | |
| 测量模块 | Agilent | 86106B | |
| 光纤激光器 | Koheras | Adjustik | |
| 耦合器 | Newport | F-CPL-L22151-P | 比例：90/10 |
| 耦合器 | Newport | F-CPL-L12155-P | 比例：50/50 |
| 电源 | Zentro-Elektrik | LD 2x15/1 GB | |
| 电放大器 | SHF | 826H | |
| 供电端口 | SHF | B826 | |
| 电放大器 | Amplifier Research | 10W1000 | |
| 光电二极管 | Newport | D-8ir | |
| 电谱分析仪 | HP | 8563E |
参考文献
- Spring, J., Tucker, R. S. Photonic 2 x 2 packet switch with input buffers. Electron. Lett. 29 (3), 284-285 (1993).
- Krauss, T. F. Why do we need slow light. Nat. Photonics. 2, 448-450 (2008).
- Hau, L. V., Harris, S. E., Dutton, Z., Behroozi, C. H.
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重印与许可
