Artykuł opisuje procedurę przechowywania pakietów danych optycznych o dowolnej modulacji, długości fali i szybkości transmisji danych. Pakiety te są podstawą nowoczesnej telekomunikacji.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Artykuł opisuje procedurę przechowywania pakietów danych optycznych o dowolnej modulacji, długości fali i szybkości transmisji danych. Pakiety te są podstawą nowoczesnej telekomunikacji.
Dzisiejsza telekomunikacja opiera się na pakietach optycznych, które przesyłają informacje w sieciach światłowodowych na całym świecie. Obecnie przetwarzanie sygnałów odbywa się w domenie elektrycznej. Bezpośrednie przechowywanie w domenie optycznej pozwoliłoby uniknąć przesyłania pakietów do domeny elektrycznej i z powrotem do domeny optycznej w każdym węźle sieci, a tym samym zwiększyłoby prędkość i prawdopodobnie zmniejszyłoby zużycie energii przez telekomunikację. Jednak światło składa się z fotonów, które rozchodzą się z prędkością światła w próżni. W związku z tym magazynowanie światła jest dużym wyzwaniem. Istnieją pewne metody na zmniejszenie prędkości światła lub na jego przechowywanie w wzbudzeniach ośrodka. Metody te nie mogą być jednak stosowane do przechowywania optycznych pakietów danych stosowanych w sieciach telekomunikacyjnych. Tutaj pokazujemy, w jaki sposób spójność czasowo-częstotliwościowo-przestrzenna, która obowiązuje dla każdego sygnału, a więc także dla pakietów optycznych, może być wykorzystana do budowy pamięci optycznej. Przyjrzymy się tłu i pokażemy szczegółowo i na przykładach, w jaki sposób grzebień częstotliwości może być używany do kopiowania pakietu optycznego, który wchodzi do pamięci. Jedna z tych kopii w dziedzinie czasu jest następnie wydobywana z pamięci przez przełącznik dziedziny czasu. Pokażemy tę metodę zarówno dla intensywności, jak i dla sygnałów modulowanych fazowo.
Transport danych w sieciach telekomunikacyjnych odbywa się optycznie, ponieważ tylko włókna optyczne oferują przepustowość wymaganą dla dzisiejszego ruchu danych przesyłanych na całym świecie. Jednak w każdym węźle sieci sygnał optyczny musi zostać przeniesiony do domeny elektrycznej w celu jego przetworzenia. Po przetworzeniu sygnał jest ponownie konwertowany na domenę optyczną do dalszej transmisji. Ta podwójna konwersja między domenami jest czasochłonna i energochłonna. Aby zastosować całkowicie optyczne przetwarzanie danych, należy rozwiązać problem pamięci pośredniej. W związku z tym zaproponowano wiele metod przechowywania lub buforowania sygnałów optycznych. Najprostszym sposobem jest przesłanie sygnałów do macierzy falowodów o różnych długościach2. Jednak macierze te są nieporęczne, a czas przechowywania nie może być regulowany, ponieważ jest on zdefiniowany przez długość falowodu.
Metoda „wolnego światła” (ang. „Slow-Light”) opiera się na regulowanymy zmianie grupy współczynnika załamania ośrodka w celu spowolnienia prędkości propagacji impulsów sygnału optycznego2. W tym celu można wykorzystać kilka efektów fizycznych i układów materiałowych3-6. Jednak przy zastosowaniu tych metod sygnał może zostać spowolniony jedynie o kilka długości bitów, co jest zdecydowanie niewystarczające dla węzłów sieci optycznych7,8.
Inne podejście wykorzystuje konwersję długości fali i dyspersję do generowania regulowanych opóźnień. W tej metodzie długość fali środkowej sygnału wejściowego jest przesunięta poprzez nieliniową konwersję optyczną. Następnie sygnał jest wprowadzany do włókna o wysokiej dyspersji. Różnica w prędkości grupowej w włóknie dyspersyjnym prowadzi do opóźnienia proporcjonalnego do iloczynu przesunięcia długości fali i dyspersji prędkości grupowej (GVD) we włóknie. Podczas drugiej konwersji długość fali zostaje przywrócona do wartości pierwotnej. Do przesunięcia długości fali można wykorzystać techniki takie jak mieszanie czterofalowe lub samomodulacja fazowa. W przypadku metody konwersji i dyspersji zgłoszono czasy przechowywania z regulowanym opóźnieniem do 243 nsec, co odpowiada 2 400 bitom10. Jednak metody konwersji długości fali i dyspersji zazwyczaj wymagają specjalnych komponentów i układów do uzyskania dużego przesunięcia długości fali i/lub dużego GVD. Dodatkowo należą one do najbardziej złożonych i energochłonnych metod opóźniania2.
Inne metody przechowują sygnał optyczny w postaci wzbudzenia systemu materiałowego. Następnie do odczytu informacji wykorzystywana jest wiązka sondująca. Zazwyczaj systemy te nie mogą być stosowane w telekomunikacji, ponieważ wymagają one ultrawysokich lub ultraniskich temperatur11, nie współpracują z szerokościami pasma telekomunikacyjnego lub wymagają dość skomplikowanych układów oraz wysokiej mocy12-14.
W niniejszym materiale pokazujemy, w jaki sposób podstawową właściwość sygnałów (koherencję czasowo-częstotliwościową) można wykorzystać do przechowywania optycznych pakietów danych. Ponieważ metoda ta nie wymaga wzbudzania układu materiałowego, nazwaliśmy ją Quasi-light Storage (QLS)15-17. Metoda QLS jest niezależna od modulacji, formatu danych i szybkości przesyłu pakietów i pozwala na przechowywanie pakietów optycznych o długości wielu tysięcy bitów18.
Podstawowa koncepcja została przedstawiona na Rysunku 1, gdzie ukazano impulsy o kształcie prostokątnym. Metoda ta jest jednak zastosowalna dla każdego kształtu impulsu oraz dla pakietów impulsów. Jedynym ograniczeniem jest wymóg, aby sygnały były ograniczone w czasie.

Rycina 1. Koherencja czasowo-częstotliwościowa dla sygnału z modulacją natężenia23. Pojedynczy sygnał prostokątny w dziedzinie czasu (a) jest reprezentowany przez funkcję sinc w dziedzinie częstotliwości (b). Przedstawiono tutaj znormalizowane natężenie, ponieważ pomiar pól za pomocą sprzętu optycznego nie jest możliwy. Przedstawienie w dziedzinie czasu dla sekwencji sygnałów prostokątnych pokazano w (c). Sekwencja ta nadal ma ten sam kształt widmowy, ale składa się z równoodległych pojedynczych częstotliwości pod obwiednią funkcji sinc (d). Oś czasu została znormalizowana do połowy czasu trwania pojedynczego sygnału, a oś częstotliwości do pierwszych przejść przez zero. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.
Impuls prostokątny w dziedzinie czasu (Rysunek 1a) posiada widmo w kształcie funkcji „sinus cardinalis” lub funkcji sinc sin(px) / px (Rysunek 1b), w którym obecne są wszystkie częstotliwości pod obwiednią. Ciąg impulsów prostokątnych w dziedzinie czasu (Rysunek 1c) nadal posiada widmo w kształcie funkcji sinc (Rysunek 1d) o szerokości pasma Δf. Jednak ze względu na periodyczność, nie wszystkie częstotliwości są już obecne. Zamiast tego widmo składa się z częstotliwości równoodległych, a odwrotność odstępu między częstotliwościami definiuje odstęp czasowy między impulsami ΔT = 1/Δv.
Podstawowa idea QLS polega obecnie po prostu na wyodrębnianiu równoodległych częstotliwości ze widma pakietu wejściowego. Ze względu na koherencję czasowo-częstotliwościową prowadzi to do powielenia pakietu w dziedzinie czasu. Kopię z pożądanym opóźnieniem można wyodrębnić za pomocą przełącznika w dziedzinie czasu.
Zasada naszego eksperymentu została przedstawiona na Ryc. 2. Ograniczony w czasie sygnał wejściowy jest mnożony przez grzebień częstotliwości w dziedzinie częstotliwości. Do mnożenia wykorzystano nieliniowy efekt stymulowanego rozpraszania Brillouina (SBS). Wynikami są równoodległe kopie sygnału wejściowego w dziedzinie czasu. Jeden z sygnałów jest wyodrębniany za pomocą przełącznika sterowanego funkcją prostokątną. W związku z tym na wyjściu pamięci w zasadzie można oczekiwać kopii impulsu wejściowego pozbawionej zniekształceń.

Rycina 2. Podstawowa koncepcja quasi-magazynowania światła15. Sygnał wejściowy o ograniczonym czasie trwania (a) jest mnożony przez grzebień częstotliwości (b) w dziedzinie częstotliwości, co oznaczono symbolem X. Prowadzi to do powstania wielu kopii sygnału w dziedzinie czasu (c). Z wygenerowanego ciągu impulsów jedna z kopii (d) jest wyodrębniana za pomocą przełącznika w dziedzinie czasu przy użyciu prostokątnego sygnału odczytu (e). Przełącznik może stanowić modulator. Wynikiem jest magazynowanie sygnału optycznego. Czas przechowywania jest zdefiniowany przez odstęp częstotliwości między liniami grzebienia a sygnałem odczytu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększony obraz.
Samo SBS jest efektem nieliniowym, który może występować w standardowych światłowodach jednomodowych (SSMF) przy niskich mocach. W procesie tym sygnał oddziałuje ze zmianą gęstości optycznej generowaną przez falę pompową propagującą się w kierunku przeciwnym. Jeśli częstotliwość fali sygnałowej jest przesunięta w dół, tworzy się obszar wzmocnienia, w którym sygnał ulega amplifikacji. W przypadku przesunięcia w górę sygnał ulega tłumieniu w odpowiadającym mu obszarze strat. Przesunięcie częstotliwości między pompą a sygnałem jest definiowane przez falę akustyczną, która zależy od właściwości materiałowych. Największą zaletą SBS w prezentowanej aplikacji jest wąska szerokość pasma ΔfSBS obszaru wzmocnienia. Tym samym SBS tworzy w praktyce filtr optyczny o wąskiej szerokości linii. Wąska szerokość pasma obszaru wzmocnienia zależy od długości efektywnej i pola przekroju światłowodu, a także od zastosowanej mocy pompy19. Naturalna szerokość pasma wzmocnienia SBS w SSMF mierzona w połowie maksymalnej wartości (FWHM) wynosi około 30 MHz. W specjalnych falowodach, takich jak światłowody AllWave, i przy wysokich mocach pompy, szerokość pasma może zostać zredukowana do 10 MHz20. Ze względu na szerokość pasma filtra poszczególne kopie są pokryte obwiednią. W związku z tym maksymalny czas przechowywania w QLS zależy odwrotnie proporcjonalnie od szerokości pasma SBS. Szerokość pasma 10 MHz skutkowałaby maksymalnym czasem przechowywania wynoszącym 100 nsec. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.
W przypadku transmisji o bardzo wysokiej przepływności informacje muszą być kodowane w fazie nośnej zamiast w jej amplitudzie, ponieważ rozwiązanie to oferuje wiele zalet. W związku z tym, w przeciwieństwie do impulsów, sygnały w tych sieciach optycznych mają stałą amplitudę. Rysunek 3 przedstawia taki sygnał modulowany fazowo w dziedzinie czasu (po lewej) oraz częstotliwości (po prawej). Widmo to można próbkować w ten sam sposób, co w przypadku sygnału modulowanego amplitudowo21. W rzeczywistości widmo funkcji prostokątnej dla sygnałów modulowanych intensywnością i fazą jest filtrowane podczas transmisji, co ogranicza zakres widma.

Rysunek 3. Koherencja czasowo-częstotliwościowa dla modulacji fazowej21. W sygnale modulowanym fazowo faza nośnej jest zmieniana przez sygnał, który ma zostać przesłany. Jeśli każdy symbol składa się z 1 bita, faza zmienia się na przykład między 0 a π. Lewa strona rysunku przedstawia wynikową reprezentację w dziedzinie czasu dla takiego sygnału z binarnym kluczowaniem przesunięcia fazy (BPSK). Wynikowy sygnał w dziedzinie częstotliwości przedstawiono po prawej stronie. Porównując go z Rysunkiem 1, można zauważyć, że widmo sygnału modulowanego fazowo jest jakościowo takie samo jak widmo sygnału modulowanego amplitudowo. Zatem QLS można zastosować w ten sam sposób.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie układu (Rysunek 4)

Rycina 4. Układ eksperymentalny QLS umożliwiający przechowywanie sygnałów modulowanych intensywnością i fazą. Sekcja oznaczona na niebiesko jest niezbędna wyłącznie do detekcji sygnałów modulowanych fazowo. Proces QLS zachodzi we włóknie optycznym. Sekcja oznaczona na żółto definiuje detekcję heterodynową grzebienia częstotliwości. TEC: kontroler temperatury, LDC: źródło prądu diody laserowej, LD: dioda laserowa, IM: modulator intensywności, PM: modulator fazy, PC: kontroler polaryzacji, AWG: generator dowolnych przebiegów, MZM: modulator Macha-Zehndera, EDFA: wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem, C: cyrkulator, Lo: oscylator lokalny, Osci: oscyloskop, OSA: optyczny analizator widma, PD: fotodioda, ESA: elektryczny analizator widma. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.
2. Pomiar

Rycina 5. prawie płaski grzebień częstotliwości z 13 gałęziami. Grzebień został wykryty za pomocą detekcji heterodynowej. Do detekcji oscylator lokalny połączono poprzez sprzęgacz 3 dB z sygnałem optycznym, a następnie zarejestrowano za pomocą fotodiody. Grzebień częstotliwości zmierzono i zapisano przy użyciu analizatora widma elektrycznego. Moc wyjściowa oscylatora lokalnego wynosiła 6 dBm, a moc optyczna grzebienia 8 dBm. Odległość między oscylatorem lokalnym a optycznym grzebieniem wynosiła 9,8 GHz. Dla lepszej przejrzystości oś częstotliwości znormalizowano do częstotliwości centralnej grzebienia, która wynosiła około 193,5 THz (1 550 nm). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Do pomiaru wykorzystano wzór danych z modulacją natężenia 10110101 przy szybkości transmisji danych 1 Gbps. Czarna linia na Rysunku 6 przedstawia sygnał pierwotny, a linie kolorowe reprezentują różne czasy przechowywania uzyskane za pomocą QLS. Sygnał referencyjny mierzono bez QLS i z wyłączonym przełącznikiem na wyjściu. W idealnych warunkach możliwe jest osiągnięcie czasów przechowywania do 100 nsec. Wyniki dla przechowywanego wzoru danych 11001101 sygnału z modulacją fazową, ponownie przy szybkości tr...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Najbardziej krytycznym krokiem podczas eksperymentu jest regulacja grzebienia częstotliwości, tj. szerokości pasma, płaskości i położenia względem sygnału danych w dziedzinie częstotliwości. Zgodnie z twierdzeniem o próbkowaniu w dziedzinie częstotliwości, zniekształceń sygnału unika się, jeśli cała szerokość pasma pakietu optycznego jest próbkowana za pomocą idealnie płaskiego grzebienia. W ten sposób szerokość pasma pakietu optycznego określa minimalną szerokość pasma grzebienia częstotliwości i w tej szerokoś...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych. Autor, Thomas Schneider, jest pracownikiem Deutsche Telekom AG. Autor, Stefan Preußler, otrzymał dofinansowanie, które zostało zapewnione przez Laboratoria Innowacji Deutsche Telekom.
Z wdzięcznością dziękujemy za wsparcie finansowe Laboratoriów Innowacji Deutsche Telekom.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Dioda | laserowa 3S Photonics | A1905LMI | 2x |
| Uchwyt laserowy | Tektronix | LDH BFY-B2 | 2x |
| Regulator temperatury | LightWave | LDT-5948 | 2x |
| Regulator prądu | LightWave | LDX-3220 | 2x |
| Wzmacniacz optyczny | High-Wave | HWT-EDFA-B-30-1-FC/PC | |
| Cyrkulator | Generator przebiegów OFR | OCT-3-IR2 | |
| Tektronix | AWG7102 | ||
| Fiber 20 km | OFS | AllWave-ZWP G652C-D | |
| Kontroler polaryzacji | Thorlabs | Fiber Pol. Konfiguracja IPC030 | 2x |
| Modulator | Avanex | IM-10-P | Modulator fazy |
| Avanex | SD20 | Amplituda, ekstrakt | |
| Modulator | Avanex | PowerBit F-10 | Amplitude, |
| modulator | Covega | Mach10 | Amplitude, grzebień |
| Optyczny analizator widma | Yokogawa | AQ6370C | |
| Oscyloskop | Agilent | DCA-J 86100C | |
| Moduł pomiarowy | Agilent | 86106B | |
| Laser światłowodowy | Koheras | Adjustik | |
| Łącznik | Newport | F-CPL-L22151-P | Stosunek: 90/10 |
| Łącznik | Newport | F-CPL-L12155-P | Stosunek: 50/50 |
| Zasilacz Zentro-Elektrik | LD 2x15/1 GB | ||
| Wzmacniacz elektryczny | SHF | 826H | |
| Port zasilania | SHF | B826 | |
| Wzmacniacz elektryczny | Wzmacniacz Badania | 10W1000 | |
| Fotodioda | Newport | D-8ir | |
| Analizator widma elektrycznego | HP | 8563E |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.