Imagen de arte de un solitónEn 1834, sentado a orillas del canal, John Scott Russell observó el comportamiento del agua. Fue en este momento que apareció el concepto de "onda solitaria", que más tarde se conoció como un solitón. Este término se refiere a una onda solitaria que se propaga en un medio no lineal. El comportamiento de los solitones es similar al comportamiento de las partículas, porque al interactuar entre ellas no colapsan, sino que continúan moviéndose. Los solitones se convirtieron en la base para el estudio de muchos conceptos y fenómenos diferentes, desde el ritmo cardíaco hasta las olas de tsunami. Sin embargo, hoy consideraremos un estudio basado en solitones oscuros (pulsos oscuros). ¿Por qué los solitones cambiaron al "lado oscuro del poder", cómo usar este fenómeno, y los investigadores lograron obtener los resultados deseados de su experiencia práctica? Un informe de científicos nos contará sobre todo esto. Vamos
Primero debes determinar qué es un solitón oscuro. Como ya entendimos, un solitón es una onda que viaja en un medio no lineal por sí mismo. Se forma un solitón oscuro cuando esta intensidad disminuye localmente en una onda continua de cierta intensidad. Es decir, estas son brechas en la ola, no importa cuán grosero pueda sonar.
Ejemplo de cresta de frecuenciaLas crestas de frecuencia * del microresonador utilizan el
efecto Kerr * no lineal en la cavidad óptica integrada para generar muchas líneas de frecuencia de fase. El espacio entre las líneas puede alcanzar los 100 GHz, lo que hace que el sistema sea una excelente fuente de luz de múltiples longitudes de onda para dispositivos y sistemas de comunicación de fibra óptica.
La dispersión * de un microresonador afecta la dinámica física misma. Un estudio reciente de los estados del peine de frecuencia ha demostrado la formación de pulsos oscuros en una microcavidad con dispersión normal.
Crestas de frecuencia * : una fuente de luz láser, cuyo espectro consiste en una serie de líneas de frecuencia equidistantes discretas.
Efecto Kerr * : en la electroóptica, este fenómeno de cambios en el índice de refracción de un material óptico es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo eléctrico aplicado.
Dispersión * de ondas: la diferencia en las velocidades de fase de las ondas según su frecuencia.
Tales crestas de "impulso oscuro" han ganado gran popularidad entre los investigadores debido a su posible uso en
comunicaciones coherentes * debido a la muy alta
eficiencia * .
La comunicación óptica coherente * es un tipo de comunicación óptica en la que la información se transmite utilizando una señal luminosa debido a su modulación de fase.
Coeficiente de rendimiento * (COP): un indicador de la efectividad del sistema, determinado por la relación entre la energía útil utilizada y la cantidad total de energía recibida por el sistema.
Este estudio describe el primer experimento con transmisión de datos coherente utilizando 64
modulaciones de amplitud en cuadratura * codificadas en las líneas de frecuencia de una cresta de pulso oscuro.
La modulación de amplitud en cuadratura * es la suma de dos oscilaciones portadoras de la misma frecuencia, pero desplazadas 90 ° en fase una respecto de la otra.
La impresionante eficiencia de cresta permitió lograr una
relación señal / ruido * de 33 dB. En este caso, el nivel de potencia de
la bomba láser * siguió siendo comparable al de los modernos láseres híbridos de silicio.
La relación señal / ruido * (SNR) es la relación entre la potencia de señal útil y la potencia de ruido. Cuanto mayor sea la relación señal / ruido, menor será el efecto del ruido en el sistema.
El bombeo con láser * es el proceso de bombear la energía de una fuente externa al entorno de trabajo del láser.
Láser híbrido de silicio * : un láser semiconductor (un láser cuya sustancia de trabajo es un semiconductor) hecho de silicio y materiales semiconductores de los grupos III-V.
Base de investigaciónMuchos investigadores y personas asociadas con las tecnologías de transmisión de datos no se negarían a reemplazar una gran cantidad de láseres utilizados en sistemas ópticos basados en WDM (Spectral Channel Multiplexing) con un peine de frecuencia óptica.
Hasta hace poco, los experimentos prácticos tenían como objetivo estudiar láseres basados en
sincronización de modo * y crestas de frecuencia electroópticas realizadas utilizando una cascada de moduladores de fase e intensidad. El generador de peine electroóptico puede usar un solo láser como fuente primaria y luego replicar sus propiedades en varios canales. Para aumentar aún más la banda, es necesario utilizar amplificación no lineal, lo que aumentará el número de canales WDM.
La sincronización de modo * es un método de unión de fase de varios modos longitudinales en un láser.
Los modos * son ondas normales que existen en un sistema dinámico con parámetros constantes en ausencia de absorción y disipación de energía.
También vale la pena señalar que los peines de frecuencia óptica tienen un
intervalo de frecuencia estable
* , que acompaña la mejora del rendimiento de la transmisión al nivel más alto posible cuando se utilizan láseres no sincronizados.
Este estudio demuestra un algoritmo multicanal para compensar las interacciones de señal no lineal, así como la capacidad de reducir las "brechas" entre canales (usamos esta palabra como la más adecuada en esencia para denotar el término "
Banda de protección * ").
Intervalo de frecuencia * : un valor que se muestra como el logaritmo de la relación de dos o más frecuencias, o el ancho de banda de frecuencia.
Banda de protección * : porción no utilizada del espectro entre las olas.
Otra posibilidad interesante de utilizar un peine de frecuencia en los sistemas WDM es la capacidad de debilitar los requisitos de recursos en el lado receptor de la señal mediante la implementación de compensación mutua y seguimiento de múltiples canales de datos. Esta técnica utiliza la coherencia de fase del peine de frecuencia como base, lo que lo hace inaplicable en conjuntos de láseres de ondas múltiples.
Para implementar la implementación de transmisores WDM, minimizando la cantidad de componentes discretos, tuve que usar un
circuito integrado de fotones * .
Photon Integrated Circuit * es un dispositivo multicomponente hecho sobre un sustrato plano, necesario para procesar señales ópticas.
Los primeros experimentos prácticos incluyeron el uso de moduladores híbridos orgánicos de silicio, láseres bloqueados por modo de pulsos cuánticos y diodos láser
controlados por ganancia * .
Gain-switching * (Gain-switching) es una técnica en óptica que le permite crear un láser que produce pulsos de luz de duración increíblemente corta (literalmente en femtosegundos).
Para la investigación, se creó un sistema compatible con CMOS. Se implementaron crestas de frecuencia de microcavidad basadas en nitruro de silicio (
Si 3 N 4 ). Estos microresonadores utilizan el efecto Kerr en microcavidades para separar la luz de un láser de onda continua a lo largo de líneas distribuidas uniformemente en una banda ancha.
Estructura molecular del nitruro de silicio (Si 3 N 4 )La primera transferencia de datos se demostró utilizando 64-QAM (Quadratic
Amplitude Shift Keying * ), que mostraba datos digitales en presencia o ausencia de una onda portadora.
Manipulación de amplitud * : un cambio en la señal a la que la amplitud de la oscilación de la portadora cambia abruptamente (como ejemplo, en telegrafía, código Morse).
Pronto, los investigadores pudieron descubrir que el rendimiento de las crestas de microresonadores es muy alto y cumple con los requisitos de los sistemas de comunicación coherentes modernos, en particular en términos de estabilidad de frecuencia, relación señal / ruido y ancho de línea. Por esta razón, se decidió realizar experimentos, incluidos sistemas de comunicación a larga distancia y la expansión de formatos de modulación.
La identificación de
solitones disipativos * en las microcavidades de Kerr y los esquemas de estabilización asociados con ellos
* Kerr ha abierto la posibilidad de controlar de manera más efectiva el ancho de banda y el número de líneas de cresta.
Un solitón disipativo * es una onda solitaria estructuralmente estable que se propaga en un medio no lineal, localizado en el tiempo o el espacio con la participación del equilibrio de entrada y salida de energía en el sistema físico.
Uno de los experimentos mostró excelentes resultados utilizando dos microresonadores de nitruro de silicio, que cubren la conexión de fibra óptica de las bandas C y L.
Las crestas de frecuencia de Microresonator son sistemas muy complejos que permiten varios modos de operación con bajo nivel de ruido. Sin embargo, los sistemas de comunicación coherentes se centran principalmente en las crestas que operan en solitones brillantes y modos de modulación coherentes. En este estudio, se reveló un estado de sincronización de modo cuando la cavidad mostró una dispersión normal. Este estado de cresta corresponde a los impulsos oscuros circulantes en la cavidad. Y esto puede ser muy interesante para la transmisión coherente de datos en sistemas WDM.
Las mediciones de las crestas de pulsos oscuros mostraron una eficiencia 30% mayor que las crestas de solitones brillantes. En la práctica, una diferencia tan grande podría usarse para reducir los requisitos de energía o para aumentar la SNR.
Este estudio, según los científicos, es la primera demostración de un sistema coherente de transmisión de datos WDM basado en crestas de pulsos oscuros. Se utilizó una fuente de energía externa (800
mW * ). Los datos se transmitieron a través de una distancia de 80 km a través de 20 canales, cada uno de los cuales contenía datos codificados con 20
gigabits * 64-QAM, que mostraron una velocidad de transferencia promedio de 4.4 Tb / s.
mW * - 1 milivatio = 10 -3 vatios.
Bot * : una unidad de medida de velocidad simbólica (el número de estados de señal en la línea por unidad de tiempo), el número de cambios en el parámetro de información de la señal periódica de portadora por segundo.
Resultados de la investigaciónPeine de frecuencia y microresonadoresComo ya aprendimos anteriormente, se utilizó una microcavidad de nitruro de silicio para generar un peine de frecuencia. El radio del resonador fue de 100 μm, lo que condujo a la formación del
rango espectral libre * a 230 GHz.
Rango espectral libre * : intervalo en frecuencia o longitud de onda entre dos reflexiones consecutivas o máximos o mínimos de intensidad óptica transmitida del interferómetro o elemento óptico difractivo.
Una guía de ondas anular con un ancho de 2 μm y un espesor de 600 nm fue acompañada por una dispersión normal en la banda C. El
factor Q interno
* ascendió a 1,6 millones.
El factor de calidad * - o factor Q (del factor de calidad inglés) es el parámetro de ancho de resonancia, que indica cuántas veces el suministro de energía dentro del sistema es mayor que su pérdida durante la fase de cambio de fase en un radián.
Durante los experimentos, se utilizó un láser sintonizable con una cavidad externa con un ancho de radiación láser de menos de 10 kHz. Antes de llegar a la microcavidad, la radiación láser se amplifica y se filtra para lograr un flujo continuo de la bomba de 25,6
dBm * .
dBm * - decibelios-milivatios - relación de potencia en decibelios a la potencia medida en milivatios. Se utiliza en tecnologías de fibra óptica para indicar potencia absoluta, ya que puede mostrar números grandes y extremadamente pequeños en forma corta. 0 dBm = 1 mW.
Imagen No. 1aLa Figura
1a muestra la configuración del proceso de generación de crestas. Con una gran potencia de bombeo, las pérdidas en el lado de la comunicación de fibra óptica fueron de aproximadamente 5 dB / cara. El microresonador está equipado con un puerto pasante y un puerto resultante, este último se utiliza para evaluar la forma de onda dentro de la cavidad de resonancia. Debido al fuerte acoplamiento entre la cavidad y el puerto de paso, el peine obtenido en el puerto de paso se utiliza para experimentos de comunicación.
La cresta se forma al convertir la longitud de onda del láser de la bomba en resonancia. Para controlar la cresta en el estado activo, se colocó un fotodiodo en la línea recién formada (aproximadamente 1536 nm), inmediatamente después del filtro de paso de banda. (Esto se muestra en el diagrama 1a).
Un fotodiodo, que funciona como una especie de indicador de la configuración de la longitud de onda del láser, le permite ejecutar el peine tan pronto como el láser esté cerca de la resonancia. Por lo tanto, el bombeo del láser se detendrá automáticamente tan pronto como el peine alcance un estado predeterminado.
Tal fijación de la conexión entre el fotodiodo, el láser y el peine en sí no es necesario para garantizar la estabilidad del estado de este último durante varias horas. La conclusión es que la retroalimentación cíclica del sistema asegura que los factores externos no afecten el estado del espectro.
Imagen # 1bLa imagen de arriba muestra la curva de las características de los pulsos oscuros del espectro de la cresta generada en el puerto de paso. Para asegurarse de que el peine corresponde a los pulsos oscuros que circulan en la cavidad, se realizaron dos mediciones separadas en el lado del puerto resultante.
Imagen No. 1sArriba está el resultado de mediciones realizadas por un osciloscopio óptico (500 GHz).
Imagen # 1dY aquí vemos el resultado de medir las fases espectrales de la cresta.
Imagen No. 1eFinalmente, un gráfico de tiempo que muestra un pico pronunciado> 50 dB por encima del nivel de ruido. En este caso, la función gaussiana se ajusta a
FWHM * <30 kHz. Todo esto indica que la sincronización de modo opera a un nivel mucho más alto que el requerido para los sistemas WDM modernos.
FWHM * : ancho completo a media amplitud: la diferencia entre los valores mínimo y máximo del argumento de la función, tomada a la mitad de su valor máximo.
Modulación óptica de datosAhora el peine de microcavidad está listo para usarse en la transmisión de datos utilizando ciertos formatos de modulación. Para garantizar la máxima potencia del peine durante el experimento de transferencia de datos, los investigadores utilizaron un peine de pulsos oscuros en el puerto de rendimiento como fuente de luz para la transmisión. La potencia total no era más de 28 mW (de los cuales 8,6 mW pertenecen a ondas de cresta recién formadas). La eficiencia aumentó en un 20%.
Después de nuestra cresta hay un filtro de barrera de banda estrecha (200 GHz), cuya tarea es suprimir la onda central de la cresta, lo que permite operar de manera más eficiente con un amplificador óptico (EDFA).
Imagen No. 2aEl esquema de transmisión de datos en un rango único en una distancia de 80 km se muestra en la
Figura 2a .
Imagen No. 2b: Espectro de la cresta después de la amplificación y filtrado.Después del amplificador óptico, se instala un interruptor de longitud de onda selectiva (WSS), con el cual la potencia del peine se divide en dos direcciones (impar (impar) e par (par)). Esto le permite mantener el número requerido de ondas que van a cada modulador (10 para cada uno). Además, el interruptor le permite alinear la potencia de las ondas de cresta en cada dirección por separado.
Cada uno de los moduladores está controlado por señales de generadores de formas de onda arbitrarias (AWG), cada uno de los cuales está programado para generar dos señales 64-QAM aleatorias independientes utilizando el
meandro * , cada pulso lleva 6 bits por símbolo a una velocidad de 20 gigabots.
El meandro * es una señal periódica de forma rectangular.
La frecuencia aleatoria consta de 216 caracteres, y el
sobremuestreo * es 3, porque AWG solo puede funcionar a 60 GS / s.
Sobremuestreo * : cambia la frecuencia de muestreo de una señal digital discreta.
Para compensar las inexactitudes en los convertidores digital a analógico (DAC) y en los moduladores, se aplicó una compensación preliminar digital a la señal en AWG.
A continuación, se activa la etapa de multiplexación * con separación y retraso, donde una rama de ≥1 m de longitud corresponde a ≥100 caracteres de datos. El uso de ambos métodos de multiplexación permitió duplicar el rendimiento del sistema.
La última etapa es que ambas ramas (ambas direcciones de las señales) se recombinan y comprimen, después de lo cual se envían directamente al canal de comunicación.
Imagen No. 2sEsta imagen (
2c ) demuestra cómo la segunda etapa de compactación convierte la diferencia de potencia de dos direcciones en un nivel de ruido ligeramente cambiante.
Resultados de transferencia de datosDespués del cable de fibra óptica monomodo estándar de 80 kilómetros viene un receptor coherente de un solo canal multipolarización. Un láser sintonizable con un resonador externo, cuyo ancho de línea es inferior a 100 kHz, actúa como un oscilador local. Esto le permite recibir un flujo de datos a la vez utilizando un osciloscopio con un ancho de banda de 23 GHz que funciona en modo 50 GS / s. A continuación, los algoritmos de procesamiento de datos digitales estándar que funcionan sin conexión se conectan al proceso.
Imagen No. 3a, que muestra el esquema de transmisión de datos.
Imagen No. 3b: constelación de señal * 64 modulación de amplitud en cuadratura.La constelación de señal * es un diagrama que representa varios valores de la amplitud compleja de señales sujetas a manipulación en un plano complejo.
Para garantizar el nivel óptimo de potencia de señal, los datos se registraron con diferentes potencias de arranque. En la imagen
3c, vemos la opción más óptima cuando la potencia inicial de la señal es de 3 dBm / canal. Este nivel es realmente el más adecuado, ya que una mayor potencia conduce a una distorsión no lineal y una menor potencia reduce el rendimiento de todo el sistema.
Imagen No. 3cTambién se calculó la tasa de error de bits (el error fue exagerado, es decir, la relación de bits de error con el número total de bits transmitidos). . , 80 . , (
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