Summary

Almacenamiento cuasi-luz de los datos ópticos de paquetes

Published: February 06, 2014
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Summary

El artículo describe un procedimiento para almacenar paquetes de datos ópticos con una modulación arbitraria, de longitud de onda, y la velocidad de datos. Estos paquetes son la base de las telecomunicaciones modernas.

Abstract

Telecomunicaciones de hoy se basa en paquetes ópticos que transmiten la información en las redes de fibra óptica en todo el mundo. Actualmente, el procesamiento de las señales se realiza en el dominio eléctrico. Almacenamiento directo en el dominio óptico sería evitar la transferencia de los paquetes a la eléctrica y de vuelta al dominio óptico en cada nodo de la red y, por lo tanto, aumentar la velocidad y posiblemente a reducir el consumo de energía de las telecomunicaciones. Sin embargo, la luz se compone de fotones que se propagan con la velocidad de la luz en el vacío. Por lo tanto, el almacenamiento de la luz es un gran reto. Existen algunos métodos para ralentizar la velocidad de la luz, o almacenarlo en excitaciones de un medio. Sin embargo, estos métodos no pueden ser utilizados para el almacenamiento de paquetes de datos ópticos utilizados en las redes de telecomunicaciones. Aquí se muestra cómo el tiempo-frecuencia-coherencia, que se mantiene para cada señal y por lo tanto para los paquetes ópticos, así, puede ser explotado para construir una memoria óptica. Nos WilL opinión el fondo y muestran en detalle y a través de ejemplos, cómo un peine de frecuencias se pueden utilizar para la copia de un paquete óptico que entra en la memoria. Una de estas copias de dominio de tiempo se extrae entonces de la memoria por un interruptor de dominio de tiempo. Vamos a mostrar este método para la intensidad así como para señales moduladas en fase.

Introduction

El transporte de datos en las redes de telecomunicaciones es ópticamente, ya que sólo las fibras ópticas ofrecen la capacidad requerida para el tráfico de datos de hoy en día transmitida en todo el mundo. Sin embargo, en cada nodo de la red de la señal óptica tiene que ser transferido en el dominio eléctrico con el fin de procesarla. Después de procesar la señal se convierte de nuevo en el dominio óptico para su posterior transmisión. Esta doble transferencia entre los dominios es a la vez tiempo y consume mucha energía. Con el fin de utilizar un procesamiento totalmente óptico de los datos, el problema de la almacenamiento intermedio tiene que ser resuelto. Por lo tanto, se han sugerido una gran cantidad de métodos para el almacenamiento o el almacenamiento en búfer de las señales ópticas. La forma más sencilla es la de enviar las señales en una matriz de guías de ondas de diferentes longitudes 2. Sin embargo, estas matrices son voluminosos y el tiempo de almacenamiento no se pueden sintonizar, ya que está predefinida por la longitud de la guía de ondas.

El método de "Slow-Light" se basa en una tunabLe cambio del índice de refracción grupo de un medio para ralentizar la velocidad de propagación de pulsos de la señal óptica 2. Varios efectos físicos y sistemas de materiales pueden ser utilizados para este propósito 3-6. Sin embargo, con estos métodos, la señal puede ser frenado por unos pocos-longitudes de bits, que es, con mucho, no es suficiente para los nodos de red óptica 7,8.

Otro enfoque utiliza la conversión de longitud de onda y de dispersión para la generación de retrasos sintonizables. De este modo, la longitud de onda central de la señal de entrada se desplaza a través de la conversión óptica no lineal. Después, la señal se alimenta a una fibra altamente dispersiva. La diferencia en la velocidad de grupo en la fibra de dispersión conduce a un retraso que es proporcional al producto de la longitud de onda de desplazamiento y la dispersión de velocidad de grupo (EVI) en la fibra. Con una segunda conversión de la longitud de onda se desplaza de nuevo a su valor original. Para las técnicas de desplazamiento de la longitud de onda como la mezcla de cuatro ondas o mo fase de autodulation se puede utilizar. Con la conversión y tiempos método de almacenamiento de la dispersión hasta 243 ns de retardo ajustable, que corresponden a 2400 bits, se reportaron 10. Sin embargo, los métodos de conversión de longitud de onda y de dispersión en general necesitan componentes especiales y configuraciones para la producción de un gran cambio de longitud de onda y / o grande GVD. Adicionalmente, se encuentran entre los más complejos y de alto consumo métodos de retardo 2.

Otros métodos de almacenar la señal óptica en una excitación de un sistema de materiales. Un haz de la sonda se utiliza para leer la información. Por lo general, estos sistemas no se pueden utilizar en el área de las telecomunicaciones puesto que requieren temperaturas ultra altas o-bajo 11, no funcionan con anchos de banda de telecomunicaciones, o bien requieren configuraciones complicadas y de alta potencia 12-14.

Aquí se muestra cómo una propiedad básica de las señales (la coherencia tiempo-frecuencia) puede ser explotado para el almacenamiento de los paquetes de datos ópticos. Since no se utiliza la excitación de un sistema material, que hemos llamado el método de almacenamiento Quasi-luz (ECV) 15-17. El QLS es independiente de la modulación, el formato de datos y velocidad de datos de los paquetes y puede almacenar los paquetes ópticos para varios miles de longitudes de bits 18.

La idea básica se puede ver en la Figura 1, se muestran los pulsos con forma aquí rectangulares. Sin embargo, el método funciona para cada forma de impulsos y de los paquetes de impulsos. La única restricción es que las señales tienen que ser limitado en el tiempo.

Figura 1
Figura 1. Coherencia de tiempo-frecuencia para una señal de intensidad modulada 23. Una señal rectangular única en el dominio del tiempo (a) está representado por una función sinc en la frecuencia-domaen (b). Aquí se muestra la intensidad normalizada, ya que no es posible medir los campos con los equipos ópticos. La representación en el dominio de tiempo para una secuencia de señales rectangulares se muestra en (c). Esta secuencia tiene todavía la misma forma espectral. Pero, se trata de una única frecuencia equidistantes bajo la envolvente sinc (d). El eje de tiempo se normalizaron a la mitad de la duración de una única señal y el eje de frecuencias para los primeros pasos por cero, respectivamente. Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Un impulso rectangular en el dominio del tiempo (Figura 1A) tiene un "cardinalis sinusal" o función sinc pecado (píxeles) / espectro en forma de píxeles (Figura 1b), donde todas las frecuencias menores de la envoltura están presentes. Un tren de impulsos rectangulares en el dominio del tiempo (Figura 1c) tiene todavía un SIfunción nc forma del espectro (Figura 1d) con el ancho de banda Δ f. Sin embargo, debido a la periodicidad, no todas las frecuencias están presentes nunca más. En lugar de ello, el espectro consiste en frecuencias equidistantes y la inversa de la separación de frecuencia define la separación de tiempo entre los pulsos Δ T = 1 / Δ v.

La idea básica de los QLS es ahora simplemente para extraer las frecuencias equidistantes fuera del espectro del paquete de entrada. Debido a la coherencia de tiempo-frecuencia esto resulta en una copia del paquete en el dominio del tiempo. La copia con el retardo deseado puede ser extraído por un interruptor de dominio de tiempo.

El principio de nuestro experimento se muestra en la Figura 2. Una señal de entrada limitada en el tiempo se multiplica con un peine de frecuencias en el dominio de la frecuencia. Para la multiplicación se utiliza el efecto no lineal de la dispersión de Brillouin estimulada (SBS). Los resultados son copias equidistantes de la señal de entrada en the el dominio del tiempo. Una de las señales se extrae con un interruptor accionado por una función rectangular. Por lo tanto, en la salida de la memoria, en principio, se puede esperar una copia libre de distorsión del pulso de entrada.

Figura 2
Señal de entrada limitada Figura 2. Idea básica del almacenamiento cuasi-luz 15. Un tiempo de (a) se multiplica con un peine de frecuencia (b) en el dominio de la frecuencia, que se indica con una X. Esto lleva a varias copias de la la señal en el dominio del tiempo (c). Desde el tren de pulsos generado una de las copias (d) se extrae con un interruptor de dominio de tiempo por una señal de lectura rectangular (e). El interruptor puede ser un modulador. El resultado es un dispositivo de almacenamiento de la señal óptica. La víatiempo de orage se define por la separación de frecuencias entre las líneas de peine y la señal de lectura. Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

SBS es en sí un efecto no lineal que puede ocurrir en fibras monomodo estándar (SSMF) en potencias bajas. De este modo, la señal interactúa con un cambio de densidad óptica que es generado por una onda de bomba de contador de propagación. Si la onda de la señal se redujo la marcha en la frecuencia, se forma una región de ganancia en el que se amplifica la señal. Si es desplazado hacia arriba-la señal se atenúa en la región correspondiente pérdida. El desplazamiento de frecuencia entre la bomba y la señal se define por la onda acústica, que depende de las propiedades del material. La mayor ventaja de la SBS para la aplicación que se presenta es el ancho de banda estrecho Δ f SBS de la región de ganancia. Por lo tanto, prácticamente SBS forma un filtro óptico anchura de línea estrecha. El ancho de banda estrecho de tgranjeare región depende de la longitud y el área efectiva de la fibra, así como en la potencia de la bomba utilizada 19. El ancho completo natural, a media altura (FWHM) de ancho de banda de la ganancia de SBS en un SSMF es de alrededor de 30 MHz. En las guías de onda especiales, tales como fibras AllWave y con potencias altas de la bomba, el ancho de banda se puede reducir hasta 10 MHz 20. Debido a la anchura de banda de filtro de las diferentes copias están cubiertos con un sobre. Por lo tanto, el tiempo de almacenamiento máximo de los QLS depende inversamente de la anchura de banda de SBS. Un ancho de banda de 10 MHz se traduciría en un tiempo máximo de almacenamiento de 100 nanosegundos. Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Para la transmisión de muy alta tasa de bits de la información tiene que ser codificado en la fase de la portadora en lugar de su amplitud, ya que este ofrece un montón de ventajas. Así, contrariamente a impulsos, las señales en estas redes ópticas tienen amplitud constante. <strong> La figura 3 muestra una señal de este tipo de fase modulada en el tiempo (izquierda) y el dominio de la frecuencia (derecha). Este espectro se puede muestrear en la misma forma que la de la señal modulada en amplitud 21. De hecho, el espectro de la función rectangular para señales y de intensidad modulada en fase se filtra debido a la transmisión, lo que limita el espectro.

Figura 3
Figura 3. La coherencia de tiempo-frecuencia para una modulación de fase 21. En una señal modulada en fase la fase de la portadora se cambia por la señal que ha de ser transmitida. Si cada símbolo se compone de 1 bit, la fase se cambia entre 0 y π, por ejemplo. El lado izquierdo de la figura muestra la representación del dominio del tiempo como resultado de un cambio de fase, tal binario introducidoSeñal (BPSK). La señal de dominio de la frecuencia resultante se muestra en el lado derecho. En comparación con la Figura 1 se puede observar que el espectro de la señal modulada en fase es cualitativamente la misma que la de la señal modulada en intensidad. Por lo tanto, los QLS se pueden aplicar de la misma manera.

Protocol

1. Preparación del sistema (Figura 4) Inserte el LD1 y LD2 diodos láser en el monte específica y conectarlo con la corriente (LDC) y controladores de temperatura (TEC). Encienda los dispositivos y compruebe la funcionalidad de los diodos láser con el analizador de espectro óptico. Por lo general, se utiliza una longitud de onda de telecomunicaciones alrededor de 1550 nm. Conecte el diodo láser a los moduladores (IM / PM y MZM1) de acuerdo con la configuración de la figura 4.</st…

Representative Results

Para la medición se utilizó un patrón de datos modulada 10110101 intensidad con una velocidad de datos de 1 Gbps. La línea de color negro en la Figura 6 representa la señal original y las líneas de colores representan los diferentes tiempos de almacenamiento obtenidos con los QLS. La referencia se mide sin los QLS y el interruptor desactivado en la salida. Bajo condiciones ideales de almacenamiento veces hasta 100 nanosegundos son alcanzables. Los resultados para el patrón de datos almacenados 11…

Discussion

El paso más crítico durante el experimento es el ajuste de la peine de frecuencia, es decir, el ancho de banda, planeidad y posición con respecto a la señal de datos en el dominio de la frecuencia. De acuerdo con el teorema de muestreo en el dominio de frecuencia, distorsiones de la señal se evitan si todo el ancho de banda de la óptica de paquetes se muestrea con un peine idealmente plana. Por lo tanto, el ancho de banda del paquete de óptica define el ancho de banda mínimo del peine de frecuencia y en…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos el apoyo financiero de Deutsche Telekom Laboratorios de Innovación.

Materials

Laser diode 3S Photonics A1905LMI 2x
Laser Mount Tektronix LDH BFY-B2 2x
Temperature Controller LightWave LDT-5948 2x
Current Controller LightWave LDX-3220 2x
Optical amplifier High-Wave HWT-EDFA-B-30-1-FC/PC
Circulator OFR OCT-3-IR2
Waveform Generator Tektronix AWG7102
Fiber 20km OFS AllWave-ZWP G652C-D
Polarization Controller Thorlabs Fiber Pol. Contr. IPC030 2x
Modulator Avanex IM-10-P Phase
Modulator Avanex SD20 Amplitude, extract
Modulator Avanex PowerBit F-10 Amplitude, data
Modulator Covega Mach10 Amplitude, comb
Optical Spectrum Analyzer Yokogawa AQ6370C
Oscilloscope Agilent DCA-J 86100C
Measurement Modul Agilent 86106B
Fiber Laser Koheras Adjustik
Coupler Newport F-CPL-L22151-P Ratio: 90/10
Coupler Newport F-CPL-L12155-P Ratio: 50/50
Power supply Zentro-elektrik LD 2×15/1 GB
Electrical amplifier SHF 826H
Supply port SHF B826
Electrical amplifier Amplifier Research 10W1000
Photo diode Newport D-8ir
Electrical spectrum analyzer HP 8563E

References

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Cite This Article
Schneider, T., Preußler, S. Quasi-light Storage for Optical Data Packets. J. Vis. Exp. (84), e50468, doi:10.3791/50468 (2014).

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