Solitons escuros, cristas de frequência, microcavidades e 80 km de cabo de fibra óptica

Imagem artística de um soliton

Em 1834, sentado nas margens do canal, John Scott Russell observou o comportamento da água. Foi nesse momento que surgiu o conceito de “onda solitária”, que mais tarde ficou conhecido como soliton. Este termo refere-se a uma onda solitária que se propaga em um meio não linear. O comportamento dos solitons é semelhante ao comportamento das partículas, porque ao interagir umas com as outras, elas não entram em colapso, mas continuam a se mover. Os Solitons tornaram-se a base para o estudo de muitos conceitos e fenômenos diferentes, da freqüência cardíaca às ondas de tsunami. No entanto, hoje consideraremos um estudo baseado em solitons escuros (pulsos escuros). Por que os solitões mudaram para o "lado sombrio do poder", como usar esse fenômeno, e os pesquisadores conseguiram obter os resultados desejados de sua experiência prática? Um relatório de cientistas nos dirá sobre tudo isso. Vamos lá

Primeiro você precisa determinar o que é um soliton escuro. Como já entendemos, um soliton é uma onda que viaja sozinha em um meio não linear. Um soliton escuro é formado quando essa intensidade diminui localmente em uma onda contínua de uma certa intensidade. Ou seja, são lacunas na onda, por mais rude que possa parecer.


Exemplo de crista de frequência

As cristas de frequência * do microrressonador usam o efeito Kerr não linear * na cavidade óptica integrada para gerar muitas linhas de frequência de fase. O espaçamento entre as linhas pode chegar a 100 GHz, o que torna o sistema uma excelente fonte de luz com vários comprimentos de onda para dispositivos e sistemas de comunicação por fibra óptica. A dispersão * de um microrressonador afeta a própria dinâmica física. Um estudo recente dos estados do pente de frequência demonstrou a formação de pulsos escuros em uma microcavidade com dispersão normal.

Cristas de frequência * - uma fonte de luz laser, cujo espectro consiste em uma série de linhas de frequência equidistantes discretas.

Efeito Kerr * - em eletro-óptica, esse fenômeno de alterações no índice de refração de um material óptico é proporcional ao quadrado da força do campo elétrico aplicado.

Dispersão * de ondas - a diferença nas velocidades de fase das ondas, dependendo de sua frequência.

Tais cristas de "impulso sombrio" ganharam grande popularidade entre os pesquisadores devido ao seu possível uso em comunicações coerentes * devido à alta eficiência * .

Comunicação óptica coerente * é um tipo de comunicação óptica na qual a informação é transmitida usando um sinal de luz devido à sua modulação de fase.

Coeficiente de desempenho * (COP) - um indicador da eficácia do sistema, determinado pela razão entre a energia útil usada e a quantidade total de energia recebida pelo sistema.

Este estudo descreve o primeiro experimento com transmissão de dados coerente usando modulação de amplitude de 64 quadraturas * codificada nas linhas de frequência de uma crista de pulso escura.

Modulação em amplitude em quadratura * é a soma de duas oscilações de portadora da mesma frequência, mas 90 ° mudaram de fase em relação uma à outra.

A impressionante eficiência da crista permitiu atingir uma relação sinal-ruído * de 33 dB. Nesse caso, o nível de potência da bomba a laser * permaneceu comparável ao poder dos modernos lasers híbridos de silício.

Relação sinal / ruído * (SNR) é a proporção da potência útil do sinal em relação à potência do ruído. Quanto maior a relação sinal / ruído, menor o efeito do ruído no sistema.

Bombeamento a laser * é o processo de bombear a energia de uma fonte externa para o ambiente de trabalho do laser.

Laser de silício híbrido * - um laser semicondutor (um laser cuja substância ativa é um semicondutor) feito de materiais de silício e semicondutores dos grupos III-V.

Base de pesquisa

Muitos pesquisadores e pessoas associadas às tecnologias de transmissão de dados não se recusariam a substituir um grande número de lasers usados ​​em sistemas ópticos baseados em WDM (Spectral Channel Multiplexing) por um pente de frequência óptica.

Até recentemente, experimentos práticos eram direcionados ao estudo de lasers baseados na sincronização de modos * e cristas de freqüência eletro-ópticas feitas usando uma cascata de moduladores de fase e intensidade. O gerador pente eletro-óptico é capaz de usar um único laser como fonte primária e, em seguida, replicar suas propriedades em vários canais. Para aumentar ainda mais a banda, é necessário usar a amplificação não linear, o que aumentará o número de canais WDM.

A sincronização de modo * é um método de ligação de fase de vários modos longitudinais em um laser.

Modos * são ondas normais existentes em um sistema dinâmico com parâmetros constantes na ausência de absorção e dissipação de energia.

Também é importante notar que os pentes de frequência óptica têm um intervalo de frequência estável * , que acompanha a melhoria do desempenho da transmissão para o nível mais alto possível ao usar lasers não sincronizados.

Este estudo demonstra um algoritmo multicanal para compensar interações de sinal não lineares, bem como a capacidade de reduzir as “lacunas” entre canais (usamos essa palavra como a mais adequada em essência para significar o termo “ faixa de guarda * ”).

Intervalo de frequência * - um valor exibido como o logaritmo da razão de duas ou mais frequências ou a largura de banda da frequência.

Faixa de guarda * - parte não utilizada do espectro entre as ondas.

Outra perspectiva interessante de usar um pente de frequência nos sistemas WDM é a capacidade de enfraquecer os requisitos de recursos no lado receptor do sinal, implementando compensação mútua e rastreamento para vários canais de dados. Essa técnica usa a coerência de fase do pente de frequência como base, o que o torna inaplicável em matrizes de lasers de várias ondas.

Para implementar a implementação de transmissores WDM, minimizando o número de componentes discretos, tive que usar um circuito integrado de fótons * .

O Photon Integrated Circuit * é um dispositivo multicomponente feito em um substrato plano, necessário para o processamento de sinais ópticos.

Os primeiros experimentos práticos incluíram o uso de moduladores híbridos orgânicos de silício, lasers bloqueados por modo pulsado quântico e diodos a laser controlados por ganho * .

A troca de ganho * (troca de ganho) é uma técnica em óptica que permite criar um laser que produz pulsos de luz de duração incrivelmente curta (literalmente em femtossegundos).

Para pesquisa, foi criado um sistema compatível com o CMOS. Cristas de frequência de microcavidade foram implementadas com base em nitreto de silício ( Si ₃ N ₄ ). Esses microrressonadores usam o efeito Kerr nas microcavidades para separar a luz de um laser de ondas contínuas ao longo de linhas uniformemente distribuídas em uma banda larga.


Estrutura molecular do nitreto de silício (Si ₃ N ₄ )

A primeira transferência de dados foi demonstrada usando 64-QAM (Quadratic Amplitude Shift Keying * ), que exibia dados digitais na presença ou ausência de uma onda portadora.

Manipulação de amplitude * - uma mudança no sinal no qual a amplitude da oscilação da portadora muda abruptamente (como um exemplo, em telegrafia - código Morse).

Logo, os pesquisadores descobriram que o desempenho das cristas de microrressonadores é muito alto e atende aos requisitos dos modernos sistemas de comunicação coerente, em particular em termos de estabilidade de frequência, relação sinal / ruído e largura da linha. Por esse motivo, decidiu-se realizar experimentos, incluindo sistemas de comunicação de longa distância e a expansão de formatos de modulação.

A identificação de solitons dissipativos * em microcavidades Kerr e esquemas de estabilização associados a eles * Kerr abriu a possibilidade de controlar com mais eficiência a largura de banda e o número de linhas de crista.

Um soliton dissipativo * é uma onda solitária estruturalmente estável que se propaga em um meio não linear, localizado no tempo ou no espaço, com a participação do equilíbrio do fluxo de entrada e saída de energia no sistema físico.

Um dos experimentos mostrou excelentes resultados usando dois microrressonadores de nitreto de silício, cobrindo a conexão de fibra óptica das bandas C e L.

As cristas de frequência do microrressonador são sistemas muito complexos que permitem vários modos de operação com baixo ruído. No entanto, os sistemas de comunicação coerente concentram-se principalmente nas cristas que operam nos modos de soliton brilhante e modulação coerente. Neste estudo, um estado de sincronização de modo foi revelado quando a cavidade mostrou dispersão normal. Esse estado da crista corresponde a impulsos escuros em circulação na cavidade. E isso pode ser muito interessante para a transmissão coerente de dados em sistemas WDM.

As medições das cristas de pulsos escuros mostraram uma eficiência 30% maior do que as cristas de solitões brilhantes. Na prática, uma diferença tão grande pode ser usada para reduzir os requisitos de energia ou aumentar o SNR.

Este estudo, de acordo com os cientistas, é a primeira demonstração de um sistema coerente de transmissão de dados WDM baseado em cristas de pulsos escuros. Foi utilizada uma fonte de energia externa (800 mW * ). Os dados foram transmitidos por uma distância de 80 km através de 20 canais, cada um contendo dados codificados com um QAM de 20 gigabits * 64-QAM, que mostrava uma taxa de transferência média de 4,4 Tb / s.

mW * - 1 miliwatt = 10 ^-3 watts.

Bot * - uma unidade de medida da velocidade simbólica (o número de estados de sinal na linha por unidade de tempo), o número de alterações no parâmetro de informação do sinal periódico da portadora por segundo.

Resultados da pesquisa

Pente de frequência e microrressonadores

Como já aprendemos anteriormente, uma microcavidade de nitreto de silício foi usada para gerar um pente de frequência. O raio do ressonador era de 100 μm, o que levou à formação da faixa espectral livre * a 230 GHz.

Faixa espectral livre * - o intervalo em frequência ou comprimento de onda entre duas reflexões consecutivas ou a intensidade óptica máxima transmitida máxima ou mínima do interferômetro ou elemento óptico difrativo.

Um guia de ondas anular com largura de 2 μm e espessura de 600 nm foi acompanhado por dispersão normal na banda C. O fator Q interno * foi de 1,6 milhão.

O fator de qualidade * - ou fator Q (do fator de qualidade em inglês) é o parâmetro de largura de ressonância, que indica quantas vezes o suprimento de energia no sistema é maior que sua perda durante a fase de mudança de fase por um radiano.

Durante as experiências, foi utilizado um laser sintonizável com uma cavidade externa com largura de radiação a laser inferior a 10 kHz. Antes de atingir a microcavidade, a radiação laser é amplificada e filtrada para obter um fluxo contínuo da bomba de 25,6 dBm * .

dBm * - decibel-miliwatts - razão de potência em decibéis para a potência medida em miliwatts. É usado em tecnologias de fibra óptica para indicar potência absoluta, pois pode exibir números grandes e extremamente pequenos em formato abreviado. 0 dBm = 1 mW.

Imagem No. 1a

A Figura 1a mostra a configuração do processo de geração de crista. Com uma grande potência da bomba, as perdas no lado da comunicação por fibra óptica foram de aproximadamente 5 dB / face. O microrressonador é equipado com uma porta de passagem e uma porta resultante, sendo esta última usada para avaliar a forma de onda dentro da cavidade de ressonância. Devido ao forte acoplamento entre a cavidade e a porta de passagem, o pente obtido na porta de passagem é usado para experiências de comunicação.

A crista é formada pela conversão do comprimento de onda do laser da bomba em ressonância. Para monitorar a crista no estado ativo, um fotodiodo foi colocado na linha recém-formada (cerca de 1536 nm), imediatamente após o filtro passa-banda. (Isso é mostrado no diagrama 1a).

Um fotodiodo, funcionando como uma espécie de indicador das configurações do comprimento de onda do laser, permite que você passe o pente assim que o laser estiver próximo da ressonância. Assim, o bombeamento do laser para automaticamente quando o pente atinge um estado predeterminado.

Essa fixação da conexão entre o fotodiodo, o laser e o próprio pente não é necessária para garantir a estabilidade do estado deste último por várias horas. A conclusão é que o feedback cíclico do sistema garante que fatores externos não afetem o estado do espectro.


Imagem # 1b

A imagem acima mostra a curva das características dos pulsos escuros do espectro da crista gerada na porta de passagem. Para garantir que o pente corresponda aos pulsos escuros que circulam na cavidade, duas medições separadas foram realizadas no lado da porta resultante.


Imagem No. 1s

Acima está o resultado de medições feitas por um osciloscópio óptico (500 GHz).


Imagem # 1d

E aqui vemos o resultado da medição das fases espectrais da crista.


Imagem No. 1e

Finalmente, um gráfico de batida mostrando um pico pronunciado> 50 dB acima do nível de ruído. Nesse caso, a função Gaussiana se encaixa em FWHM * <30 kHz. Tudo isso indica que a sincronização de modo opera em um nível muito superior ao exigido para os sistemas WDM modernos.

FWHM * - largura total a meia amplitude - a diferença entre os valores mínimo e máximo do argumento da função, tomada pela metade do seu valor máximo.

Modulação Ótica de Dados

Agora, o pente de microcavidade está pronto para uso na transmissão de dados usando certos formatos de modulação. Para garantir a potência máxima do pente durante o experimento de transferência de dados, os pesquisadores usaram um pente de pulsos escuros na porta de transferência como fonte de luz para transmissão. A potência total não era superior a 28 mW (dos quais 8,6 mW pertencem a ondas de crista recém-formadas). Eficiência aumentada em 20%.

Nossa crista é seguida por um filtro de banda estreita (200 GHz), cuja tarefa é suprimir a onda central da crista, o que torna possível operar com mais eficiência com um amplificador óptico (EDFA).


Imagem No. 2a

O esquema de transmissão de dados em um único intervalo em uma distância de 80 km é mostrado na Figura 2a .


Imagem nº 2b: Espectro da crista após amplificação e filtragem.

Após o amplificador óptico, é instalado um interruptor de comprimento de onda seletivo (WSS), com o qual a potência do pente é dividida em duas direções (ímpar (ímpar) e par (par)). Isso permite que você mantenha o número necessário de ondas indo para cada modulador (10 para cada). Além disso, o comutador permite alinhar a potência das ondas da crista em cada direção separadamente.

Cada um dos moduladores é controlado por sinais de geradores de formas de onda arbitrárias (AWGs), cada um dos quais é programado para gerar dois sinais aleatórios 64-QAM independentes usando o meandro * , cada pulso transportando 6 bits por símbolo a uma velocidade de 20 gigabytes.

O meandro * é um sinal periódico de forma retangular.

A frequência aleatória consiste em 216 caracteres e a superamostragem * é 3, porque o AWG pode funcionar apenas a 60 GS / s.

Sobreamostragem * - altera a frequência de amostragem de um sinal digital discreto.

Para compensar imprecisões nos conversores digital-analógico (DAC) e nos moduladores, a compensação preliminar digital foi aplicada ao sinal no AWG.

Em seguida, o estágio de multiplexação * com separação e atraso é ativado, onde um ramo com ≥1 m de comprimento corresponde a ≥100 caracteres de dados. O uso dos dois métodos de multiplexação permitiu duplicar o desempenho do sistema.

O último estágio é que ambas as ramificações (ambas as direções dos sinais) são recombinadas e compactadas, após o que são enviadas diretamente para o canal de comunicação.


Imagem No. 2s

Esta imagem ( 2c ) demonstra como o segundo estágio de compactação converte a diferença de potência de duas direções em um nível de ruído ligeiramente variável.

Resultados da Transferência de Dados

Após o cabo de fibra óptica monomodo padrão de 80 quilômetros, vem um receptor coerente de multicanal de canal único. Um laser sintonizável com um ressonador externo, cuja largura da linha é inferior a 100 kHz, atua como um oscilador local. Isso permite que você receba um fluxo de dados por vez usando um osciloscópio com uma largura de banda de 23 GHz operando no modo 50 GS / s. Em seguida, os algoritmos padrão de processamento de dados digitais que funcionam offline são conectados ao processo.


Imagem nº 3a, que mostra o esquema de transmissão de dados.


Imagem No. 3b: constelação de sinal * 64 modulação em amplitude em quadratura.

Constelação de sinais * é um diagrama que representa vários valores da amplitude complexa de sinais sujeitos a manipulação em um plano complexo.

Para garantir o nível ideal de potência do sinal, os dados foram registrados com diferentes potências de partida. Na imagem 3c, vemos a opção mais ideal quando a potência inicial do sinal é de 3 dBm / canal. Esse nível é realmente o mais adequado, pois uma potência mais alta leva à distorção não linear e uma potência mais baixa reduz o desempenho de todo o sistema.


Imagem No. 3c

A taxa de erro de bit também foi calculada (o erro foi exagerado, ou seja, a proporção de bits de erro em relação ao número total de bits transmitidos). . , 80 . , ( BER — Bit error rate ) * 9,1%. 10 ^-15 , 4.4 /.

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Epílogo

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