Summary

Квази-свет для хранения оптических пакетов данных

Published: February 06, 2014
doi:

Summary

Статья описывает процедуру для хранения пакетов оптических данных с произвольным модуляции, длины волны и скорости передачи данных. Эти пакеты являются основой современных телекоммуникаций.

Abstract

Сегодня телекоммуникационный основана на оптических пакетов, которые передают информацию в волоконно-оптических сетей по всему миру. В настоящее время обработка сигналов выполняется в электрической области. Прямая хранения в оптическом диапазоне позволит избежать передачи пакетов к электрической и обратно в оптическом диапазоне в каждом узле сети и, следовательно, увеличить скорость и, возможно, снизить энергопотребление телекоммуникаций. Тем не менее, свет состоит из фотонов, которые распространяются со скоростью света в вакууме. Таким образом, хранение света является большой проблемой. Там существует несколько методов, чтобы замедлить скорость света, или хранить его в возбуждений среды. Однако эти способы не могут быть использованы для хранения пакетов данных, используемых оптических телекоммуникационных сетей. Здесь мы показываем, как частотно-временной когерентности, которое выполняется для каждого сигнала и, следовательно, для оптических пакетов, а также, может быть использована для создания оптической памяти. Мы Вильл отзыв фон и шоу подробно и на примерах, как частотная гребенка может быть использован для копирования оптического пакета, который входит в памяти. Один из этих временных копий домена затем экстрагируют из памяти с помощью переключателя временной области. Покажем этот метод для интенсивности, а также для фазовых модулированных сигналов.

Introduction

Транспортный данных в телекоммуникационных сетей оптически, так как только оптические волокна обеспечивают потенциал, необходимый для современной трафика данных, передаваемого во всем мире. Тем не менее, в каждом узле сети оптический сигнал должен быть передан в электрическую домена с целью его обработки. После обработки сигнал преобразуется обратно в оптическом диапазоне для дальнейшей передачи. Этот двойной передачи между доменами занимает очень много времени и энергоемким. Для того чтобы использовать все-оптического обработку данных, проблема промежуточного хранения должна быть решена. Таким образом, много методов для хранения или буферизации оптических сигналов были предложены. Самый простой способ, чтобы отправить сигналы в матрицу волноводов с различными длинами 2. Тем не менее, эти матрицы громоздки и время хранения не может быть настроена так как он предопределен длины волновода.

Метод "Замедленное Свет" опирается на tunabле изменение индекса группа рефракционной среды, чтобы замедлить скорость распространения оптического сигнала импульсов 2. Ряд физических явлений и материальные системы могут быть использованы для этой цели 3-6. Тем не менее, с помощью этих методов сигнал может быть замедлен несколько битовых длины, которая на сегодняшний день не достаточно для оптических сетевых узлов 7,8.

Другой подход использует преобразование длины волны и дисперсии для генерации перестраиваемых задержек. Таким образом, центральная длина волны входного сигнала сдвинуты по нелинейной оптической преобразования. После этого сигнал подается в очень дисперсионной волокна. Разница в групповой скорости в дисперсионной волокна приводит к задержке, которая пропорциональна произведению сдвига длины волны и дисперсии групповой скорости (дГС) в волокне. Со вторым преобразования длины волны смещается обратно в исходное значение. Для методов сдвига длины волны, как ЧВ или самостоятельно фазы моdulation могут быть использованы. С переходом и времени дисперсия способ хранения до 243 нсек перестраиваемого задержки, которые соответствуют 2400 бит, было зарегистрировано 10. Тем не менее, преобразования длины волны и дисперсионные методы в целом нуждаются в специальных компонентов и установок для производства большой сдвиг длины волны и / или большой ДГС. Кроме того, они являются одними из самых сложных и энергоемких методов задержки 2.

Другие методы хранения оптический сигнал в возбуждении материальной системы. Зонд луч затем используется для чтения информации. Как правило, эти системы не могут быть использованы в области телекоммуникаций, поскольку они требуют сверхвысоких или-низких температурах 11, не будет работать с телекоммуникационными полосы пропускания, или требуют довольно сложных установок и высокую мощность 12-14.

Здесь мы показываем, как основное свойство сигналов (частотно-временной когерентности) могут быть использованы для хранения пакетов оптических данных. Sincе не возбуждение материальной системы не используется, мы назвали метод Квази-свет хранения (QLS) 15-17. QLS не зависит от модуляции, формата данных и скорости передачи данных пакетов и может хранить оптические пакеты для нескольких тысяч бит длиной 18.

Основная идея видно на фиг.1, здесь прямоугольной формы импульсов показаны. Однако метод работает для каждого формы импульса и для пакетов импульсов. Единственное ограничение состоит в том, что сигналы должны быть ограничены во времени.

Рисунок 1
Частотно-временной когерентности при интенсивности модулированного сигнала 23 Рисунок 1.. Один прямоугольный сигнал во временной области (а) представлена ​​si-функции в частотной Domaв (б). Здесь нормированная интенсивность показано, так как это не возможно, чтобы измерить полей с оптического оборудования. Представление во временной области для последовательности прямоугольных сигналов показано в (с). Эта последовательность имеет все тот же спектральный форму. Но, он состоит из равноудаленных одиночных частот под синк-конверт (г). Ось времени нормализуются половине длительности одного сигнала и частотной оси на первые переходов через нуль, соответственно. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Прямоугольный импульс во временной области (рис. 1а) имеет "синусовый Cardinalis" или функции Sinc Sin (пикселей) / PX формы спектр (рис. 1b) где все частоты в соответствии с огибающей присутствуют. Поезд прямоугольных импульсов во временной области (рис. 1в) предстоит еще очень сиФункция пс форме спектра (рис. 1г) с пропускной способностью Δ ф. Но в связи с периодичностью, не все частоты присутствуют больше. Вместо этого, спектр состоит из эквидистантных частот и обратным шагом частоты определяет разделение времени между импульсами Δ T = 1 / Δ V.

Основная идея из QLS теперь просто извлечь эквидистантных частот из спектра входного пакета. В связи с частотно-временной когерентности это приводит к копированию пакета во временной области. Копия с требуемой задержки могут быть извлечены с помощью переключателя временной области.

Принцип нашей эксперимента приведена на рисунке 2. Ограничены во времени входной сигнал умножается на частотной гребенки в частотной области. Для умножения нелинейный эффект ВРМБ (SBS) используется. Результаты являются равноудаленными копии входного сигнала в гоэ временной области. Один из сигналов экстрагируют переключатель приводится в действие прямоугольной функции. Таким образом, на выходе памяти в принципе без искажений копия входного импульса можно ожидать.

Рисунок 2
Рисунок 2. Основная идея в квази-света хранения 15. Ограничена во времени входного сигнала (а) умножается с частотной гребенки (б) в частотной области, который обозначается с X. Это приводит к различным копий сигнал во временной области (с). От генерируемого импульсов один из экземпляров (г) экстрагируют переключателя временной области с помощью прямоугольного сигнала чтения (е). Переключатель может быть модулятор. Результатом является хранение оптического сигнала. УлOrage время определяется частотным интервалом между гребенок линий и сигнала считывания. Нажмите сюда, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Сам SBS является нелинейный эффект, что может произойти в стандартных одномодовых волокон (SSMF) при малых мощностях. Таким образом, сигнал взаимодействует с изменением оптической плотности, которая генерируется волны, распространяющейся счетчик насоса. Если волна сигнал понижающую передачу по частоте, усиление область образована в котором сигнал будет усилен. Если это до сдвинутый сигнал будет ослаблен в соответствующей области потерь. Частотный сдвиг между насосом и сигнала определяется акустической волны, которое зависит от свойств материала. Самое большое преимущество SBS для представленной заявки является узкая полоса пропускания Δ е СБС области усиления. Таким образом, практически SBS образует узкий оптический фильтр ширины линии. Узкая полоса пропускания тон приобретет область зависит от эффективной длины и площади волокна, а также от используемого мощности накачки 19. Естественный полной ширины на половине высоты (FWHM) пропускной способностью усиления SBS в SSMF составляет около 30 МГц. В специальных волноводов, таких как AllWave волокон, и с высокими мощностях накачки, пропускная способность может быть снижена до 10 МГц 20. В связи с пропускной способностью фильтра различные копии покрыты оболочкой. Таким образом, максимальное время хранения из QLS обратно зависит от пропускной способности SBS. Пропускная способность 10 МГц приведет к максимальным временем хранения 100 нс. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Для передачи очень высокой скорости информация должна быть закодирована в фазе несущей вместо его амплитуды, так как это предлагает много преимуществ. Таким образом, в отличие от импульсов, сигналы на этих оптических сетей имеют постоянную амплитуду. <сильный> 3 показана такая фаза модулированного сигнала во времени (слева) и частотной области (справа). Этот спектр может быть выбраны таким же образом, что и амплитудно-модулированного сигнала 21. На самом деле спектр прямоугольной функции для интенсивности и фазово-модулированных сигналов отфильтровывают из-за передачи, который ограничивает спектр.

Рисунок 3
Частотно-временной когерентности для фазовой модуляции 21. В фазы модулированного сигнала фазы несущей изменяется посредством сигнала, который должен быть передан Рисунок 3.. Если каждый символ состоит из 1 бита, фаза изменяется между 0 и π, например. Левая часть рисунка показывает полученное представление во временной области для такого фазового сдвига двоичного шпонкой(BPSK) сигнал. Результирующий сигнал частотной области показано на правой стороне. По сравнению с фиг.1 видно, что спектр фазы модулированного сигнала качественно такая же, как и интенсивности модулированного сигнала. Таким образом, QLS могут быть применены таким же образом.

Protocol

1. Подготовка системы (рис. 4) Вставьте LD1 лазерных диодов и LD2 в конкретной горе и подключите его с током (НРС) и терморегуляторов (TEC). Включите устройства и проверьте функциональность лазерных диодов с анализатором оптического спектра. Как правило, длина волны телеком вокруг 1550 ?…

Representative Results

Для измерения был использован 10110101 модуляцией интенсивности шаблон данных со скоростью передачи данных 1 Гбит. Черная линия на рисунке 6 представляет собой исходный сигнал и цветные линии представляют различные сроки хранения, достигнутые с QLS. Ссылка измеряется без QLS и отклю…

Discussion

Наиболее важным шагом в процессе эксперимента является регулировка частотной гребенки, т.е. полосы пропускания, плоскостности и позиции по отношению к сигналу данных в частотной области. Согласно теоремы отсчетов в частотной области, искажения сигнала можно избежать, если вся по?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы выражаем глубокую признательность за финансовую поддержку Deutsche Telekom инновационных лабораторий.

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

  1. Spring, J., Tucker, R. S. Photonic 2 x 2 packet switch with input buffers. Electron. Lett. 29 (3), 284-285 (1993).
  2. Krauss, T. F. Why do we need slow light. Nat. Photonics. 2, 448-450 (2008).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Thévenaz, L. Slow and fast light in optical fibres. Nature Photon. 2, 472-481 (2008).
  7. 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).
  8. Schneider, T. Time Delay Limits of stimulated-Brillouin-scattering-based slow light systems. Opt. Lett. 33 (13), 1398-1400 (2008).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Turukhin, A. V., et al. Observation of ultraslow and stored light pulses in a solid. Phys. Rev. Lett. 88 (2), 023602-023605 (2001).
  13. 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).
  14. Zhu, Z., Gauthier, D. J., Boyd, R. W. Stored Light in an Optical Fiber via Stimulated Brillouin Scattering. Science. 318 (5857), 1748-1750 (2007).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Preußler, S., Jamshidi, K., Schneider, T. Quasi-Light-Storage Enhancement by Reducing the Brillouin Gain Bandwidth. Appl. Opt. 50 (22), 4252-4256 (2011).
  18. 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).
  19. Boyd, R. . Nonlinear Optics. , (2003).
  20. Yeniay, A., Delavaux, J., Toulouse, J. Spontaneous and Stimulated Brillouin Scattering Gain Spectra in Optical Fibers. J. Lightwave Technol. 20 (8), 1425-1432 (2002).
  21. Preußler, S., Schneider, T. All optical storage of phase-shift-keyed data packets. Opt. Express. 20 (16), 18224-18229 (2012).
  22. Preußler, S., Schneider, T. Bandwidth reduction in a multistage Brillouin system. Opt. Lett. 37 (19), 4122-4124 (2012).
  23. Preußler, S., Jamshidi, K., Wiatrek, A., Schneider, T. Einfache variable, optische Datenspeicherung bis zu 800 ns. Proceedings Photonische Netze. (ITG-FB 228), P8. , (2011).

Play Video

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

View Video