التخزين شبه ضوء لحزم البيانات البصرية
Summary
يصف المقالة إجراء لتخزين حزم البيانات البصرية مع التشكيل التعسفي، والطول الموجي، ومعدل البيانات. هذه الحزم هي أساس الاتصالات الحديثة.
Abstract
ويستند الاتصالات السلكية واللاسلكية اليوم على الحزم الضوئية التي تنقل المعلومات في شبكات الألياف البصرية في جميع أنحاء العالم. حاليا، يتم معالجة الإشارات في المجال الكهربائي. سوف التخزين المباشر في المجال البصري تجنب نقل الحزم إلى الكهربائية والعودة إلى المجال البصري في كل عقدة الشبكة، وبالتالي زيادة السرعة وربما تقلل من استهلاك الطاقة في الاتصالات السلكية واللاسلكية. ومع ذلك، وعلى ضوء يتكون من الفوتونات التي تنتشر مع سرعة الضوء في الفراغ. وبالتالي، فإن تخزين ضوء يشكل تحديا كبيرا. توجد بعض الطرق لإبطاء سرعة الضوء، أو لتخزينه في الإثارات من المتوسط. ومع ذلك، هذه الأساليب لا يمكن أن تستخدم لتخزين حزم البيانات البصرية المستخدمة في شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية. نحن هنا إظهار كيف أن الوقت التردد التماسك، والذي يحمل كل إشارة، وبالتالي للحزم الضوئية كذلك، يمكن استغلالها لبناء الذاكرة البصرية. نحن فيلل مراجعة الخلفية وتظهر في التفاصيل والأمثلة من خلال، كيف مشط التردد يمكن استخدامها لنسخ من حزمة الضوئية التي تدخل الذاكرة. واحدة من هذه النسخ نطاق الوقت ثم يتم استخراجها من الذاكرة بواسطة مفتاح المجال الزمني. وسوف نعرض هذا الأسلوب لشدة فضلا عن إشارات التضمين المرحلة.
Introduction
نقل البيانات في شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية بصريا، منذ الألياف البصرية فقط توفر القدرة اللازمة لحركة مرور البيانات اليوم تنتقل في جميع أنحاء العالم. ومع ذلك، في كل عقدة من شبكة الإشارات الضوئية لابد من نقلها إلى المجال الكهربائي من أجل معالجته. بعد معالجة يتم تحويل الإشارة مرة أخرى إلى المجال البصري لمزيد من الإرسال. هذا نقل مزدوج بين المجالات هو الوقت واستهلاك الطاقة. من أجل استخدام تجهيز جميع البصرية للبيانات، ومشكلة تخزين وسيطة لابد من حلها. وهكذا، وقد اقترحت الكثير من الطرق لتخزين أو التخزين المؤقت من الإشارات الضوئية. أبسط طريقة لإرسال إشارات إلى مصفوفة من الدليل الموجي مع أطوال مختلفة 2. ومع ذلك، هذه المصفوفات هي ضخمة ولا يمكن ضبطها وقت التخزين حيث يتم مسبقا من قبل طول الدليل الموجي.
تعتمد طريقة "البطيء الضوء" على tunabلو تغير مؤشر الانكسار مجموعة من وسيلة لإبطاء سرعة انتشار النبضات إشارة ضوئية 2. العديد من الآثار الجسدية وأنظمة المواد يمكن استخدامها لهذا الغرض 3-6. ومع ذلك، مع هذه الأساليب إشارة يمكن أن يبطئ من قبل عدد قليل بت أطوال، التي هي حتى الآن غير كافية لعقد الشبكة البصرية 7،8.
يستخدم نهج آخر تحويل الطول الموجي والتشتت لتوليد التأخير الانضباطي. وبالتالي، يتم إزاحة الطول الموجي مركز إشارة الدخل عن طريق التحويل البصرية غير الخطية. بعد ذلك، يتم تغذية إشارة إلى الألياف التشتت للغاية. الفرق في سرعة المجموعة في الألياف التشتت يؤدي إلى التأخير الذي يتناسب مع نتاج التحول الطول الموجي وتشتت جماعة سرعة (GVD) في الألياف. مع التحويل الثاني هو تحول الطول الموجي مرة أخرى إلى القيمة الأصلية. لتقنيات الطول الموجي تحول مثل أربعة موجة خلط أو مرحلة النفس موdulation يمكن استخدامها. مع تحويل والأوقات أسلوب تشتت تخزين تصل إلى 243 NSEC تأخير الانضباطي، والتي تتوافق مع 2،400 بت، تم الإبلاغ عن 10. ومع ذلك، وتحويل الطول الموجي وتشتت الطرق بشكل عام تحتاج مكونات والاجهزة الخاصة لإنتاج تحولا الطول الموجي كبيرة و / أو GVD كبيرة. بالإضافة إلى ذلك، فإنها هي من بين الأساليب الأكثر تعقيدا تأخير والمتعطشين للسلطة 2.
أساليب أخرى تخزين الإشارات الضوئية إلى الإثارة من نظام المواد. ثم يتم استخدام شعاع التحقيق لقراءة المعلومات. عادة هذه الأنظمة لا يمكن استخدامها في مجال الاتصالات السلكية واللاسلكية لأنها تتطلب عالية جدا أو منخفضة درجات الحرارة 11، لن تعمل مع عرض الموجات الاتصالات السلكية واللاسلكية، أو تتطلب بدلا الاجهزة معقدة وعالية الطاقة 12-14.
نحن هنا تبين كيف يمكن استغلال خاصية أساسية من إشارات (تماسك الوقت التردد) لتخزين حزم البيانات البصرية. سينكه عدم استخدام الإثارة لنظام المواد، طالبنا طريقة التخزين شبه ضوء (QLS) 15-17. وQLS مستقلة عن التشكيل، تنسيق البيانات ومعدل البيانات من الحزم ويمكن تخزين الحزم الضوئية لعدة آلاف من أطوال 18 بت.
يمكن أن ينظر إلى الفكرة الأساسية في الشكل 1، وتظهر على شكل نبضات مستطيلة هنا. ومع ذلك، يعمل طريقة كل شكل النبض وللحزم من النبضات. والقيد الوحيد هو أن الإشارات يجب أن تكون محدودة زمنيا.
الشكل 1. التماسك وقت التردد لكثافة التضمين إشارة 23. إشارة مستطيلة واحد في المجال الوقت (أ) ويمثله الوظائف سينك في التردد دومةفي (ب). هنا يظهر كثافة تطبيع، لأنه ليس من الممكن لقياس الحقول مع المعدات البصرية. يظهر تمثيل المجال الزمني لسلسلة من الإشارات مستطيلة في (ج). هذا التسلسل لا يزال لديه نفس الشكل الطيفي. ولكن، وتتكون من الترددات واحدة على مسافة واحدة تحت مغلف سينك (د). يتم تطبيع محور الوقت لنصف مدة إشارة واحدة ومحور التردد على المعابر الصفر الأولى، على التوالي. اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.
A نبض مستطيلة في نطاق الوقت (الشكل 1A) لديها "cardinalis الجيوب الأنفية" أو وظيفة سينك الخطيئة (بكسل) / مقصف شكل الطيف (الشكل 1B)، حيث جميع الترددات تحت المغلف موجودة. قطار من النبضات المستطيلة في نطاق الوقت (الشكل 1C) ما زال الاشتراكيةوظيفة نورث كارولاينا على شكل الطيف (الشكل 1D) مع عرض النطاق الترددي و Δ. ولكن نظرا لتواترها، وليس جميع الترددات موجودة بعد الآن. بدلا من ذلك، يتكون طيف الترددات مسافة واحدة ومعكوس تردد التباعد يحدد الفصل الزمني بين النبضات Δ T = 1 / Δ ت.
الفكرة الأساسية من QLS الآن ببساطة لاستخراج الترددات مسافة واحدة من الطيف من الحزمة الإدخال. بسبب تماسك الوقت التردد هذه النتائج في نسخ الحزمة في المجال الزمني. نسخة مع تأخير المطلوب يمكن استخراجها بواسطة مفتاح المجال الزمني.
ويرد مبدأ تجربتنا في الشكل 2. يتم ضرب A-محدودة الوقت إشارة الدخل مع مشط التردد في تردد المجال. للتكاثر يتم استخدام تأثير غير الخطية من حفز نثر بريلوين (SBS). النتائج هي على مسافة واحدة من نسخ إشارة الدخل في الالمجال الساعة الإلكترونية. يتم استخراج واحدة من الإشارات مع التحول يقودها ظيفة مستطيلة. وبالتالي، في إخراج الذاكرة من حيث المبدأ يمكن توقع نسخة خالية من التشويه للنبض الإدخال.
يتم ضرب الرقم 2. الفكرة الأساسية من شبه ضوء التخزين 15. وقت مدخلات محدودة إشارة (أ) مع تردد مشط (ب) في مجال التردد، الذي هو الرمز مع X. وهذا يؤدي إلى نسخ مختلفة من إشارة في المجال الزمني (ج). من القطار نبض ولدت واحدة من نسخ (د) يتم استخراج مع التبديل الوقت المجال بإشارة قراءة مستطيلة (ه). التحول يمكن أن يكون المغير. والنتيجة هي تخزين للإشارة الضوئية. في الحادي وويعرف الوقت أوراج من تباعد التردد بين السطور مشط وإشارة للقراءة. اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.
SBS نفسه هو تأثير غير الخطية التي يمكن أن تحدث في الألياف وضع معيار واحد (SSMF) في القوى منخفضة. وبالتالي، يتفاعل إشارة مع تغير الكثافة البصرية التي يتم إنشاؤها بواسطة موجة مضخة مكافحة التكاثر. إذا تم downshifted موجة إشارة في التردد، يتم تشكيل المنطقة مكاسب التي سوف تتضخم الإشارة. إذا كان يصل تحولت سيتم الموهن إشارة في المنطقة خسارة المقابلة. يتم تعريف التحول تردد بين المضخة وإشارة من الموجة الصوتية، والتي تعتمد على خصائص المواد. أكبر ميزة لSBS الطلب المقدم هو عرض النطاق الترددي الضيق Δ و SBS في المنطقة مكسب. وبالتالي، عمليا SBS يشكل linewidth مرشح الضوئية الضيقة. عرض النطاق الترددي الضيق روقال انه كسب المنطقة يعتمد على طول ومساحة فعالة من الألياف وكذلك على استخدام قوة المضخة 19. الطبيعية عرض كامل في نصف كحد أقصى (FWHM) عرض النطاق الترددي من الربح SBS في SSMF حوالي 30 ميغاهرتز. في الدليل الموجي الخاصة، مثل الألياف AllWave، ومع القوى مضخة عالية، وعرض النطاق الترددي ويمكن تخفيض وصولا الى 10 ميغاهيرتز 20. ويرجع ذلك إلى عرض النطاق الترددي تصفية تتم تغطية نسخ مختلفة مع مغلف. لذا، في المرة التخزين القصوى للQLS يعتمد عكسيا على عرض النطاق الترددي SBS. ومن شأن عرض النطاق الترددي من 10 ميغاهرتز يؤدي في وقت التخزين أقصى قدره 100 نانو ثانية اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.
لنقل عالية جدا معدل بت المعلومات يجب أن يتم تشفيرها في مرحلة من الناقل بدلا من السعة لها، لأن هذا يوفر الكثير من المزايا. وبالتالي، على عكس والبقول، والإشارات الضوئية في هذه الشبكات لديها السعة ثابتة. <ويبين الشكل قوية> 3 مثل هذا التضمين إشارة المرحلة في ذلك الوقت (يسار) ومجال التردد (يمين). يمكن أخذ عينات هذا الطيف في نفس الطريق كما ان من السعة التضمين إشارة 21. في الواقع يتم تصفية الطيف وظيفة مستطيلة لوكثافة إشارات التضمين المرحلة نظرا لنقل، مما يحد من الطيف.
الرقم 3. تماسك وقت التردد لمرحلة التشكيل 21. وفي مرحلة التضمين إشارة يتم تغيير مرحلة الناقل من إشارة له إلى أن تنتقل. إذا يتكون كل رمز من 1 بت، يتم تغيير المرحلة بين 0 و π، على سبيل المثال. على الجانب الأيسر من الرقم يظهر الناتجة تمثيل الوقت المجال لمثل هذا التحول مرحلة ثنائي مقفول(BPSK) إشارة. ويظهر الناتج إشارة التردد المجال على الجانب الأيمن. بالمقارنة مع الشكل 1 فإنه يمكن ملاحظة أن الطيف للمرحلة التضمين إشارة نوعيا نفس كما ان من شدة إشارة التضمين. وبالتالي، فإن QLS يمكن تطبيقها بنفس الطريقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوة الأكثر أهمية أثناء التجربة هو تعديل المشط تردد، أي عرض النطاق الترددي، والتسطيح في موقف يتعلق إشارة البيانات في مجال التردد. وفقا لنظرية أخذ العينات في مجال التردد، وتجنب التشوهات إشارة إذا تم أخذ عينات من عرض النطاق الترددي كاملة من الحزمة الضوئية م?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نحن نعترف بامتنان الدعم المالي من مختبرات دويتشه تليكوم الابتكار.
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
- 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. Light speed reduction to 17 meters per second in an ultracold atomic gas. Nature. 397, 594-598 (1999).
- Chang-Hasnian, C. J., Ku, P. C., Kim, J., Chuang, S. L. Variable optical buffer using slow light in semiconductor nanostructures. Proc. IEEE. 91 (11), 1897-1810 (2003).
- Gersen, H., Karle, T. J., et al. Real-space observation of ultraslow light in Photonic Crystal Waveguides. Phys. Rev. Lett. 94 (7), 073903-073907 (2005).
- Thévenaz, L. Slow and fast light in optical fibres. Nature Photon. 2, 472-481 (2008).
- Uskov, A. V., Sedgwick, F. G., Chang-Hasnian, C. J. Delay Limit of Slow Light in Semiconductor Optical Amplifiers. IEEE Photon. Technol. Lett. 18 (6), 731-733 (2006).
- Schneider, T. Time Delay Limits of stimulated-Brillouin-scattering-based slow light systems. Opt. Lett. 33 (13), 1398-1400 (2008).
- Sharping, J., Okawachi, Y., van Howe, J., Xu, C., Wang, Y., Willner, A., Gaeta, A. All-optical, wavelength and bandwidth preserving, pulse delay based on parametric wavelength conversion and dispersion. Opt. Express. 13 (20), 7872-7877 (2005).
- Okawachi, Y., Foster, M., Chen, X., Turner-Foster, A., Salem, R., Lipson, M., Xu, C., Gaeta, A. Large tunable delays using parametric mixing and phase conjugation in Si nanowaveguides. Opt. Express. 16 (14), 10349-10357 (2008).
- Kash, M. M., et al. Ultraslow group velocity and enhanced nonlinear optical effects in a coherently driven hot atomic gas. Phys. Rev. Lett. 82 (26), 5229-5232 (1999).
- Turukhin, A. V., et al. Observation of ultraslow and stored light pulses in a solid. Phys. Rev. Lett. 88 (2), 023602-023605 (2001).
- Fleischhauer, M., Yelin, S. F., Lukin, M. D. How to trap photons? Storing single-photon quantum states in collective atomic excitations. Opt. Commun. 179 (1-6), 395-410 (2000).
- Zhu, Z., Gauthier, D. J., Boyd, R. W. Stored Light in an Optical Fiber via Stimulated Brillouin Scattering. Science. 318 (5857), 1748-1750 (2007).
- Preußler, S., Jamshidi, K., Wiatrek, A., Henker, R., Bunge, C. A., Schneider, T. Quasi-Light-Storage based on time-frequency coherence. Opt. Express. 17 (18), 15790-15798 (2009).
- Jamshidi, K., Preußler, S., Wiatrek, A., Schneider, T. A review to the all optical Quasi Light Storage. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. Special Issue: Nonlinear Optical Signal Processing. 18 (2), 884-890 (2012).
- Preußler, S., Jamshidi, K., Schneider, T. Quasi-Light-Storage Enhancement by Reducing the Brillouin Gain Bandwidth. Appl. Opt. 50 (22), 4252-4256 (2011).
- Schneider, T., Jamshidi, K., Preußler, S. Quasi-Light Storage: A Method for the Tunable Storage of Optical Packets With a Potential Delay-Bandwidth Product of Several Thousand. Bits, J. Lightwave Technol. 28 (17), 2586-2592 (2010).
- Boyd, R. . Nonlinear Optics. , (2003).
- Yeniay, A., Delavaux, J., Toulouse, J. Spontaneous and Stimulated Brillouin Scattering Gain Spectra in Optical Fibers. J. Lightwave Technol. 20 (8), 1425-1432 (2002).
- Preußler, S., Schneider, T. All optical storage of phase-shift-keyed data packets. Opt. Express. 20 (16), 18224-18229 (2012).
- Preußler, S., Schneider, T. Bandwidth reduction in a multistage Brillouin system. Opt. Lett. 37 (19), 4122-4124 (2012).
- Preußler, S., Jamshidi, K., Wiatrek, A., Schneider, T. Einfache variable, optische Datenspeicherung bis zu 800 ns. Proceedings Photonische Netze. (ITG-FB 228), P8. , (2011).
