Name: Quasi-light storage dla optycznych pakietów danych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-02-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 45 s
Description: Poznaj metodę quasi-light storage do opóźniania pakietów danych optycznych wykorzystującą koherencję czasowo-częstotliwościową. Technika umożliwia przechowywanie tysięcy bitów z minimalnym zniekształceniem sygnału.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Z wdzięcznością dziękujemy za wsparcie finansowe Laboratoriów Innowacji Deutsche Telekom.

1. Przygotowanie układu (Rysunek 4)
<ol>
	<li>Wstaw diody laserowe LD1 i LD2 do odpowiedniego uchwytu i podłącz je do kontrolerów prądu (LDC) oraz temperatury (TEC). Włącz urządzenia i sprawdź funkcjonalność diod laserowych za pomocą analizatora widma optycznego. Zazwyczaj stosuje się długość fali telekomunikacyjnej w okolicy 1,550 nm.</li>
	<li>Podłącz diodę laserową do modulatorów (IM/PM i MZM1) zgodnie z układem przedstawionym na Rysunku 4. Przed użyciem należy wyczyścić złącza optyczne, aby zapewnić czystą powierzchnię sprzężenia. Podłącz zasilacz (niewidoczny na schemacie) oraz sygnał z generatora przebiegów (AWG) poprzez dodatkowy wzmacniacz elektryczny do modulatora. Upewnij się, że nie przekroczono maksymalnej mocy wejściowej optycznej i elektrycznej modulatora. Każdy modulator jest wyposażony w kontroler polaryzacji.</li>
</ol>
<img alt="Schemat optycznej detekcji heterodynowej: układ laserowy, modulatory, włókna, detekcja grzebienia, analiza spektralna." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50468/50468fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50468/50468fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50468/50468fig4highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.</a>
<ol start="3">
	<li>Podłącz światłowód z modulatorem dla sygnału danych. W przypadku sygnałów modulowanych fazowo musi to być modulator fazowy (PM), a dla sygnałów modulowanych amplitudowo — modulator intensywności (IM). Zazwyczaj szybkość transmisji danych dla eksperymentu mieści się w zakresie Gbps. Druga strona światłowodu jest podłączona do portu 2 cyrkulatora (C). Zastosowany w naszych eksperymentach światłowód AllWave posiada następujące parametry: L = 20 km, ΔfSBS = 10.2 MHz, fSBS = 10.852 GHz, Pth ≈ 9.1 dBm.</li>
	<li>Podłącz modulator amplitudy do generowania grzebienia częstotliwości (MZM1) z wzmacniaczem optycznym (EDFA). Grzebień musi pokrywać pasmo sygnału danych. Wyjście EDFA jest podłączone do portu 1 cyrkulatora.</li>
	<li>Do detekcji sygnałów modulowanych fazowo wymagane jest źródło referencyjne. Podłącz oscylator lokalny (LO) wraz z wyjściem 3 cyrkulatora do sprzęgacza 50/50. W przypadku sygnałów modulowanych amplitudowo ten element nie jest wymagany. Jako LO zastosowano laser światłowodowy (Koheras).</li>
	<li>W przypadku sygnałów modulowanych fazowo: podłącz trzeci modulator (MZM2), służący do wyodrębniania opóźnionych kopii, do wyjścia sprzęgacza 50/50. W przypadku sygnałów modulowanych amplitudowo podłącz MZM2 bezpośrednio do portu 3 cyrkulatora. Dostarcz do modulatora napięcie polaryzacji (niewykazane na schemacie) oraz sygnał prostokątny z portu wyjściowego CH1 Mkr1 generatora przebiegów w celu wyodrębnienia. Dzięki temu oryginalne sygnały danych oraz sygnał prostokątny do wyodrębniania są zsynchronizowane.</li>
	<li>Do detekcji i analizy: podłącz sprzęgacz 90/10 za modulatorem MZM2. Oscyloskop jest podłączony do portu 90% sprzęgacza, a część 10% jest podłączona do optycznego analizatora widma.</li>
	<li>Zaprogramuj generator przebiegów z wymaganymi sygnałami dla pakietu danych, grzebienia częstotliwości oraz sygnału prostokątnego. Grzebień częstotliwości jest generowany przez okresową funkcję sinc.</li>
</ol>
2. Pomiar
<ol>
	<li>Włącz wyjście sygnału danych w generatorze przebiegów (AWG). Zmień napięcie polaryzacji modulatora (IM/PM) w zasilaczu i kontroluj jakość sygnału na oscyloskopie. Po ustawieniu optymalnej jakości wyłącz wyjście generatora przebiegów. Modulatory powinny być ustawione w pobliżu liniowego punktu pracy. Przykładowe wartości znajdują się w sekcji wyników.</li>
	<li>Dostrój jakość grzebienia częstotliwości za pomocą detekcji heterodynowej. Przykład grzebienia częstotliwości o względnie dobrej jakości przedstawiono na Rysunku 5. Grzebień częstotliwości musi być płaski, np. wszystkie składowe częstotliwości powinny mieć taką samą intensywność i być stabilne w czasie, a także być wystarczająco szeroki, aby pokryć całe widmo. Dodatkowo krawędzie grzebienia powinny być strome, np. po bokach nie powinno być widocznych składowych częstotliwości o niskiej intensywności.</li>
	<li>Detekcja heterodynowa grzebienia I: Połącz wyjście MZM1 za pomocą sprzęgacza 50/50. Drugi port sprzęgacza połącz z laserem światłowodowym (Koheras) pełniącym rolę oscylatora lokalnego.</li>
	<li>Detekcja heterodynowa grzebienia II: Ze względu na ograniczoną szerokość pasma fotodiody i elektrycznego analizatora widma, najpierw wyjście sprzęgacza należy podłączyć do optycznego analizatora widma, aby ustawić odległość między oscylatorem lokalnym a sygnałem na około 8 GHz poprzez zmianę temperatury lasera.</li>
	<li>Detekcja heterodynowa grzebienia III: Po dostrojeniu usuń optyczny analizator widma i podłącz fotodiodę oraz elektryczny analizator widma do wyjścia sprzęgacza 50/50. Dostrój napięcie polaryzacji modulatora grzebienia, aby uzyskać płaski grzebień częstotliwości. Po zakończeniu ponownie połącz wyjście modulatora z wzmacniaczem optycznym (EDFA).</li>
	<li>Dostrój odległość między obiema diodami laserowymi (IM/PM i MZM1) względem przesunięcia Brillouina za pomocą sygnałów ciągłych (CW). Upewnij się zatem, że wyjście generatora przebiegów jest wyłączone.</li>
	<li>Włącz wzmacniacz optyczny. Obserwuj optyczny analizator widma i ustaw moc wyjściową EDFA na wartość poniżej progu stymulowanego rozpraszania Brillouina.</li>
	<li>Teraz przesuń długość fali diody laserowej generującej sygnał danych (IM/PM) do obszaru wzmocnienia pompy (MZM1). Sygnał zostanie wzmocniony, jeśli długość fali będzie poprawna.</li>
	<li>W celu optymalizacji zmień polaryzację sygnału danych, aby zwiększyć intensywność do maksimum.</li>
	<li>Włącz oba wyjścia (sygnału danych i grzebienia) generatora przebiegów. Zwiększ moc wyjściową EDFA. Teraz grzebień częstotliwości będzie wyodrębniał równoodległe składowe z widma. Oscyloskop powinien pokazać różne kopie wygenerowane przez QLS. Aby zredukować zniekształcenia, lekko przesuń długość fali sygnału danych i zmień polaryzację.</li>
	<li>Aby wyodrębnić jedną z kopii, użyj jednego z sygnałów markerowych generatora przebiegów lub zewnętrznego źródła zdolnego do generowania impulsu prostokątnego. Ustaw impuls prostokątny o długości odpowiadającej długości pakietu.</li>
	<li>Włącz polaryzację dla MZM2 i zmień ją na punkt pracy, w którym wyodrębniony sygnał jest maksymalny, a wszystkie pozostałe kopie są tłumione. Teraz przesuń impuls prostokątny na pożądany wariant zapisanego wzorca.</li>
	<li>Zapisany wzorzec danych można zapisać za pomocą oscyloskopu i poddać analizie za pomocą oprogramowania, np. Origin.</li>
	<li>Aby przełączyć się między pomiarem sygnałów modulowanych intensywnością a modulowanych fazowo, modulator sygnału danych należy zmienić z IM (dla sygnałów modulowanych intensywnością) na PM (dla sygnałów modulowanych fazowo). Dodatkowo, dla sygnałów modulowanych fazowo do układu należy dodać oscylator lokalny jako źródło referencyjne, zgodnie z Rysunkiem 4.</li>
</ol>
<img alt="Wykres przesunięcia częstotliwości pokazujący znormalizowaną intensywność; schemat analizy spektralnej w zakresie MHz." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50468/50468fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50468/50468fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 5"> 
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). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50468/50468fig5highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.</a>

<ol><li>Spring, J., Tucker, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photonic+2+x+2+packet+switch+with+input+buffers%5BTitle%5D)+AND+%22Electron.+Lett%22%5BJournal%5D)">Photonic 2 x 2 packet switch with input buffers.</a> Electron. Lett. 29 (3), 284-285 (1993).</li>
<li>Krauss, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Why+do+we+need+slow+light%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Why do we need slow light.</a> Nat. Photonics. 2, 448-450 (2008).</li>
<li>Hau, L. V., Harris, S. E., Dutton, Z., Behroozi, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light+speed+reduction+to+17+meters+per+second+in+an+ultracold+atomic+gas%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Light speed reduction to 17 meters per second in an ultracold atomic gas.</a> Nature. 397, 594-598 (1999).</li>
<li>Chang-Hasnian, C. J., Ku, P. C., Kim, J., Chuang, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Variable+optical+buffer+using+slow+light+in+semiconductor+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+IEEE%22%5BJournal%5D)">Variable optical buffer using slow light in semiconductor nanostructures.</a> Proc. IEEE. 91 (11), 1897-1810 (2003).</li>
<li>Gersen, H., Karle, T. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-space+observation+of+ultraslow+light+in+Photonic+Crystal+Waveguides%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Real-space observation of ultraslow light in Photonic Crystal Waveguides.</a> Phys. Rev. Lett. 94 (7), 073903-073907 (2005).</li>
<li>Thévenaz, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Slow+and+fast+light+in+optical+fibres%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Photon%22%5BJournal%5D)">Slow and fast light in optical fibres.</a> Nature Photon. 2, 472-481 (2008).</li>
<li>Uskov, A. V., Sedgwick, F. G., Chang-Hasnian, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Delay+Limit+of+Slow+Light+in+Semiconductor+Optical+Amplifiers%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Photon.+Technol.+Lett%22%5BJournal%5D)">Delay Limit of Slow Light in Semiconductor Optical Amplifiers.</a> IEEE Photon. Technol. Lett. 18 (6), 731-733 (2006).</li>
<li>Schneider, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time+Delay+Limits+of+stimulated-Brillouin-scattering-based+slow+light+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Time Delay Limits of stimulated-Brillouin-scattering-based slow light systems.</a> Opt. Lett. 33 (13), 1398-1400 (2008).</li>
<li>Sharping, J., Okawachi, Y., van Howe, J., Xu, C., Wang, Y., Willner, A., Gaeta, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-optical%2C+wavelength+and+bandwidth+preserving%2C+pulse+delay+based+on+parametric+wavelength+conversion+and+dispersion%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">All-optical, wavelength and bandwidth preserving, pulse delay based on parametric wavelength conversion and dispersion.</a> Opt. Express. 13 (20), 7872-7877 (2005).</li>
<li>Okawachi, Y., Foster, M., Chen, X., Turner-Foster, A., Salem, R., Lipson, M., Xu, C., Gaeta, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large+tunable+delays+using+parametric+mixing+and+phase+conjugation+in+Si+nanowaveguides%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Large tunable delays using parametric mixing and phase conjugation in Si nanowaveguides.</a> Opt. Express. 16 (14), 10349-10357 (2008).</li>
<li>Kash, M. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultraslow+group+velocity+and+enhanced+nonlinear+optical+effects+in+a+coherently+driven+hot+atomic+gas%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Ultraslow group velocity and enhanced nonlinear optical effects in a coherently driven hot atomic gas.</a> Phys. Rev. Lett. 82 (26), 5229-5232 (1999).</li>
<li>Turukhin, A. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+ultraslow+and+stored+light+pulses+in+a+solid%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Observation of ultraslow and stored light pulses in a solid.</a> Phys. Rev. Lett. 88 (2), 023602-023605 (2001).</li>
<li>Fleischhauer, M., Yelin, S. F., Lukin, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+to+trap+photons%3F+Storing+single-photon+quantum+states+in+collective+atomic+excitations%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Commun%22%5BJournal%5D)">How to trap photons? Storing single-photon quantum states in collective atomic excitations.</a> Opt. Commun. 179 (1-6), 395-410 (2000).</li>
<li>Zhu, Z., Gauthier, D. J., Boyd, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stored+Light+in+an+Optical+Fiber+via+Stimulated+Brillouin+Scattering%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Stored Light in an Optical Fiber via Stimulated Brillouin Scattering.</a> Science. 318 (5857), 1748-1750 (2007).</li>
<li>Preußler, S., Jamshidi, K., Wiatrek, A., Henker, R., Bunge, C. A., Schneider, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quasi-Light-Storage+based+on+time-frequency+coherence%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Quasi-Light-Storage based on time-frequency coherence.</a> Opt. Express. 17 (18), 15790-15798 (2009).</li>
<li>Jamshidi, K., Preußler, S., Wiatrek, A., Schneider, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+to+the+all+optical+Quasi+Light+Storage%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+J.+Sel.+Top.+Quantum+Electron.+Special+Issue%3A+Nonlinear+Optical+Signal+Processing%22%5BJournal%5D)">A review to the all optical Quasi Light Storage.</a> IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. Special Issue: Nonlinear Optical Signal Processing. 18 (2), 884-890 (2012).</li>
<li>Preußler, S., Jamshidi, K., Schneider, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quasi-Light-Storage+Enhancement+by+Reducing+the+Brillouin+Gain+Bandwidth%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Quasi-Light-Storage Enhancement by Reducing the Brillouin Gain Bandwidth.</a> Appl. Opt. 50 (22), 4252-4256 (2011).</li>
<li>Schneider, T., Jamshidi, K., Preußler, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quasi-Light+Storage%3A+A+Method+for+the+Tunable+Storage+of+Optical+Packets+With+a+Potential+Delay-Bandwidth+Product+of+Several+Thousand%5BTitle%5D)+AND+%22Bits%2C+J.+Lightwave+Technol%22%5BJournal%5D)">Quasi-Light Storage: A Method for the Tunable Storage of Optical Packets With a Potential Delay-Bandwidth Product of Several Thousand.</a> Bits, J. Lightwave Technol. 28 (17), 2586-2592 (2010).</li>
<li>Boyd, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBoyd%2C+R+%22Nonlinear+Optics%22">Nonlinear Optics</a>. , Academic Press. (2003).</li>
<li>Yeniay, A., Delavaux, J., Toulouse, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spontaneous+and+Stimulated+Brillouin+Scattering+Gain+Spectra+in+Optical+Fibers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Lightwave+Technol%22%5BJournal%5D)">Spontaneous and Stimulated Brillouin Scattering Gain Spectra in Optical Fibers.</a> J. Lightwave Technol. 20 (8), 1425-1432 (2002).</li>
<li>Preußler, S., Schneider, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All+optical+storage+of+phase-shift-keyed+data+packets%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">All optical storage of phase-shift-keyed data packets.</a> Opt. Express. 20 (16), 18224-18229 (2012).</li>
<li>Preußler, S., Schneider, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bandwidth+reduction+in+a+multistage+Brillouin+system%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Bandwidth reduction in a multistage Brillouin system.</a> Opt. Lett. 37 (19), 4122-4124 (2012).</li>
<li>Preußler, S., Jamshidi, K., Wiatrek, A., Schneider, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Einfache+variable%2C+optische+Datenspeicherung+bis+zu+800+ns%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+Photonische+Netze.+%28ITG-FB+228%29%2C+P8%22%5BJournal%5D)">Einfache variable, optische Datenspeicherung bis zu 800 ns.</a> Proceedings Photonische Netze. (ITG-FB 228), P8. , (2011).</li>
</ol>

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.

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...

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.
<img alt="Diagram transformaty Fouriera z wykresami natężenia i częstotliwości ilustrujący relację czas-częstotliwość." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50468/50468fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50468/50468fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50468/50468fig1highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.</a>
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.
<img alt="Schemat przetwarzania sygnału z wykresami częstotliwość-czas i mechanizmem przełączania; proces modulacji danych." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50468/50468fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50468/50468fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50468/50468fig2highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększony obraz.</a>
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50468/50468fig3highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.</a>
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.
<img alt="Schemat modulacji sygnału optycznego z analizą wykresu gęstości widmowej mocy dla BPSK i QLS." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50468/50468fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50468/50468fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
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.

<table><tbody><tr><td>Dioda</td><td>laserowa 3S Photonics</td><td>A1905LMI</td><td>2x</td></tr><tr><td>Uchwyt laserowy</td><td>Tektronix</td><td>LDH BFY-B2</td><td>2x</td></tr><tr><td>Regulator temperatury</td><td>LightWave</td><td>LDT-5948</td><td>2x</td></tr><tr><td>Regulator prądu</td><td>LightWave</td><td>LDX-3220</td><td>2x</td></tr><tr><td>Wzmacniacz optyczny</td><td>High-Wave</td><td>HWT-EDFA-B-30-1-FC/PC</td><td></td></tr><tr><td>Cyrkulator</td><td>Generator przebiegów OFR</td><td>OCT-3-IR2</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Tektronix</td><td>AWG7102</td><td></td></tr><tr><td>Fiber 20 km</td><td>OFS</td><td>AllWave-ZWP G652C-D</td><td></td></tr><tr><td>Kontroler polaryzacji</td><td>Thorlabs</td><td>Fiber Pol. Konfiguracja IPC030</td><td>2x</td></tr><tr><td>Modulator</td><td>Avanex</td><td>IM-10-P</td><td>Modulator fazy</td></tr><tr><td></td><td>Avanex</td><td>SD20</td><td>Amplituda, ekstrakt</td></tr><tr><td>Modulator</td><td>Avanex</td><td>PowerBit F-10</td><td>Amplitude,</td></tr><tr><td>modulator</td> danych <td>Covega</td><td>Mach10</td><td>Amplitude, grzebień</td></tr><tr><td>Optyczny analizator widma</td><td>Yokogawa</td><td>AQ6370C</td><td></td></tr><tr><td>Oscyloskop</td><td>Agilent</td><td>DCA-J 86100C</td><td></td></tr><tr><td>Moduł pomiarowy</td><td>Agilent</td><td>86106B</td><td></td></tr><tr><td>Laser światłowodowy</td><td>Koheras</td><td>Adjustik</td><td></td></tr><tr><td>Łącznik</td><td>Newport</td><td>F-CPL-L22151-P</td><td>Stosunek: 90/10</td></tr><tr><td>Łącznik</td><td>Newport</td><td>F-CPL-L12155-P</td><td>Stosunek: 50/50</td></tr><tr><td></td><td>Zasilacz Zentro-Elektrik</td><td>LD 2x15/1 GB</td><td></td></tr><tr><td>Wzmacniacz elektryczny</td><td>SHF</td><td>826H</td><td></td></tr><tr><td>Port zasilania</td><td>SHF</td><td>B826</td><td></td></tr><tr><td>Wzmacniacz elektryczny</td><td>Wzmacniacz Badania</td><td>10W1000</td><td></td></tr><tr><td>Fotodioda</td><td>Newport</td><td>D-8ir</td><td></td></tr><tr><td>Analizator widma elektrycznego</td><td>HP</td><td>8563E</td><td></td></tr></tbody></table>

quasi-light storage dla optycznych pakietów danych

Quasi-light Storage for Optical Data Packets

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.

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...

Artykuł opisuje procedurę przechowywania pakietów danych optycznych o dowolnej modulacji, długości fali i szybkości transmisji danych. Pakiety te są podstawą nowoczesnej telekomunikacji.

Quasi-light storage dla optycznych pakietów danych

Today's telecommunication is based on optical packets which transmit the information in optical fiber networks around the world. Currently, the processing ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest przechowywanie i opóźnianie informacji zakodowanych w optycznych pakietach danych poprzez wykorzystanie koherencji czasowo-częstotliwościowej. Jest to osiągane poprzez wstrzyknięcie optycznego pakietu danych do systemu Quantum Light Storage QLS dla pojedynczego pakietu. Reprezentacja widmowa jest ciągła, co oznacza, że różnica między dwiema sąsiednimi częstotliwościami widma wynosi zero.Drugim krokiem jest pomnożenie widma przez grzebień częstotliwości wewnątrz systemu QLS poprzez stymulowane rozproszenie Brillouina. Mnożenie to w dziedzinie częstotliwości odpowiada wyodrębnieniu pojedynczych częstotliwości oddalonych o równe odstępy z widma pakietu. Mnożenie w dziedzinie częstotliwości jest równoważne splotowi z impulsem w dziedzinie czasu.Skutkuje to powstaniem szeregu kopii sygnału pierwotnego. Ostatnim krokiem jest wyodrębnienie jednej z tych kopii za pomocą prostokątnego sygnału odczytu. Opóźniony sygnał danych pojawia się na wyjściu systemu QLS.Ostatecznie do wizualizacji i pomiaru opóźnienia optycznych sygnałów danych wykorzystuje się oscyloskop. Główną zaletą tej metody w porównaniu z innymi technikami, takimi jak powolne światło, gdz

quasi-light-storage-for-optical-data-packets

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Prawie-lekkie przechowywanie pakietów danych optycznych

Niniejszy protokół ilustruje, w jaki sposób barwniki napięciowo-wrażliwe umożliwiają optyczną rejestrację aktywności elektrycznej z nienaruszonych sieci neuronalnych, takich jak sploty jelitowego układu nerwowego świnki morskiej, z regulowaną rozdzielczością obejmującą zakres od pojedynczych komórek po obwody wieloganglionarne.

Optyczny zapis aktywności elektrycznej w sieciach jelitowych świnki morskiej z użyciem barwników napięcioczułych

Wykorzystanie falowodów i wnęk fotonicznych zostało szeroko przyjęte przez społeczność fotoniczną w wielu różnych zastosowaniach. Dlatego produkcja i charakterystyka tych urządzeń cieszy się dużym zainteresowaniem. W artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwie metody charakterystyki optycznej, a mianowicie: interferometrię (falowody) i rozpraszanie rezonansowe (wnęki).

Wytwarzanie i charakterystyka falowodów i wnęk wolnowodnych kryształów fotonicznych

Pamięć echa gradientowego to protokół do przechowywania optycznych stanów kwantowych światła w zespołach atomowych. Pamięć kwantowa jest kluczowym elementem wzmacniacza kwantowego, który może rozszerzyć zakres kwantowej dystrybucji klucza. Przedstawiamy działanie schematu w przypadku implementacji w 3-poziomowym zespole atomowym.

Pamięć kwantowa echa gradientowego w ciepłej parze atomowej

Rozwijamy i charakteryzujemy nieuporządkowany światłowód polimerowy, który wykorzystuje poprzeczną lokalizację Andersona jako nowatorski mechanizm falowody. To mikrostrukturalne włókno może transportować małą zlokalizowaną wiązkę o promieniu porównywalnym z promieniem wiązki konwencjonalnych światłowodów.

Wytwarzanie i charakterystyka nieuporządkowanych światłowodów polimerowych do poprzecznej lokalizacji światła Andersona

Opisujemy niezawodne generowanie niegaussowskich stanów podróżujących pól optycznych, w tym stanów pojedynczych fotonów i superpozycji stanów koherentnych, przy użyciu metody warunkowego przygotowania działającej na nieklasycznym świetle emitowanym przez optyczne oscylatory parametryczne. Rozważane są oscylatory typu I i typu II z dopasowaniem fazowym i szczegółowo opisano typowe procedury, takie jak wymagane filtrowanie częstotliwości lub charakterystyka stanu kwantowego o wysokiej wydajności...

Inżynieria stanu kwantowego światła za pomocą optycznych oscylatorów parametrycznych o fali ciągłej

Demonstrujemy transmisję wielu niezależnych sygnałów przez światłowód wielomodowy za pomocą kształtowania czoła fali za pomocą pojedynczego przestrzennego modulatora światła. Modulując czoło fali dla każdego sygnału z osobna, przesyłane są przestrzennie oddzielone ogniska. Potencjalne zastosowania to multipleksowany transfer danych w inżynierii komunikacyjnej oraz endoskopowe dostarczanie światła w biofotonice.

Transmisja wielu sygnałów przez światłowód z wykorzystaniem kształtowania czoła fali

Ta praca opisuje innowacyjną platformę czujników światłowodowych z silikonową końcówką (Si-FOSP) do wysokiej rozdzielczości i szybkiego pomiaru różnych parametrów fizycznych, takich jak temperatura, przepływ i promieniowanie. Zastosowania tego Si-FOSP obejmują zarówno badania oceanograficzne, przemysł mechaniczny, jak i badania nad energią syntezy jądrowej.

Światłowodowa platforma detekcyjna z silikonową końcówką o wysokiej rozdzielczości i szybkiej reakcji

Opisujemy system optyczny do generowania bezwarunkowych fotonów splątanych polaryzacją na podstawie wielokrotnych efektów interferencji kwantowej za pomocą schematu detekcji w celu oszacowania eksperymentalnej wierności generowanych splątanych fotonów.

System fotoniczny do generowania bezwarunkowych fotonów splątanych polaryzacją w oparciu o wielokrotne interferencje kwantowe

Prezentujemy obszerny przewodnik po przygotowywaniu próbek do stałego celu, zbieraniu danych i przetwarzaniu danych dla szeregowej krystalografii synchrotronowej na linii badawczej Diamond I24.

Poprawiono zbieranie danych szeregowych celu w Diamond Light Source

Ten protokół opisuje wytwarzanie stabilnego, biologicznie istotnego materiału fantomowego do zastosowań optycznego i akustycznego obrazowania biomedycznego, o niezależnych właściwościach akustycznych i optycznych.

Stabilny materiał fantomowy do obrazowania optycznego i akustycznego

Poznaj metodę quasi-light storage do opóźniania pakietów danych optycznych wykorzystującą koherencję czasowo-częstotliwościową. Technika umożliwia przechowywanie tysięcy bitów z minimalnym zniekształceniem sygnału.

Quasi-light storage dla optycznych pakietów danych

Przeglądaj więcej filmów