Мамышева 2Р регенератор - Mamyshev 2R regenerator

В Мамышева 2Р регенератор полностью оптический регенератор используется в оптическая связь В 1998 г. Павел Васильевич Мамышев Bell Labs предложили и запатентовали использование фазовая самомодуляция (SPM) для изменения формы и повторного усиления одноканального оптического импульса.[1][2] Более современные приложения нацелены на генерацию ультракоротких импульсов с высокой пиковой мощностью.

Конструкция регенератора 2R

Схема обычного регенератора Мамышева приведена выше. А Усилитель на оптоволокне с легированным эрбием (HP-EDFA) увеличивает входящий сигнал до мощности (Pm), необходимой для оптимального выравнивания пиковой мощности символа «один». За этим усилителем может быть установлен оптический полосовой фильтр (на рисунке не показан) для подавления внеполосных помех. усиленное спонтанное излучение.[3]

В фазовая самомодуляция -индуцированное спектральное уширение возникает в одномодовое оптическое волокно с длиной . В хроматическая дисперсия волокна нормальное и его значение равно D. Нелинейный коэффициент равен , а линейные потери равны . Успешно протестированы несколько типов волокон: волокна с ненулевой смещенной дисперсией,[1] высоконелинейные кремнеземные волокна (HNLF), микроструктурированные кремнеземные волокна,[4] халькогенидные волокна[5] или теллуритовые волокна.[6]

На выходе волокна оптический полосовой фильтр (ОБПФ) со спектральной шириной на полувысоте , (определенная таким образом, что ширина импульса на выходе такая же, как и на входе системы), спектрально смещается на величину относительно длины волны несущей входного сигнала и используется для вырезания в расширенном спектре, тем самым действуя как преобразователь импульса.

Экспериментальная установка на регенераторе Мамышева

Это конфигурация агрегата, которую можно повторить для более высокой точности регенерации.

Было показано, что можно выгодно заменить нелинейное волокно на высоконелинейный халькогенидный волновод, что открывает путь к полностью интегрированной регенерации фотонного чипа.[7]

Принцип работы и конструкция

Рисунок 1: (Нижняя панель) Вход и (Верхняя панель) Выходные / регенерированные импульсы.
Рисунок 2: Передаточная функция, относящаяся к входным выходным мощностям для регенератора Мамышева 2Р.

Регенератор Мамышева справится возврат к нулю сигналы со сверхвысокой скоростью передачи данных. Действительно, благодаря квази-мгновенному отклику нелинейного Эффект Керра, этот регенератор не страдает от конечного времени восстановления некоторых насыщаемые поглотители.

Интерес к регенератору Мамышева заключается в его способности регенерировать одновременно «единицы» и «нули» бит информации.

Ключевым эффектом, влияющим на эволюцию импульса в регенераторе, является фазовая самомодуляция, которая расширяет спектр пропорционально интенсивности начального оптического импульса. В сочетании с OBPF смещения выходной частоты это составляет эффективный сверхбыстрый порог. Более подробно, импульсы или шум низкой интенсивности не расширяются значительно и выходят за пределы смещенного BPF, и, следовательно, выход для зашумленных нулей в потоке данных снижается до нулевого уровня. Напротив, для импульсов данных 1 интенсивность достаточно велика, чтобы расширить спектр с помощью SPM, и значительная часть спектра попадает в полосу пропускания OBPF, что приводит к генерации импульса на выходе 1.

Для тщательного проектирования регенератора и соответствующей комбинации параметра фильтра (спектральное смещение и полоса пропускания) / параметра волокна (значения длины, дисперсии и нелинейности),[8][9] также может быть достигнуто уменьшение амплитудных колебаний, что приводит к выравниванию мощности импульсного потока.

Результаты моделирования регенератора 2R представлены в статье. На рис. 1 на верхней панели изображен регенерированный импульс со входа (нижняя панель) регенератора Мамышева 2Р. Импульсы зашумленной 1 повышаются до тех же уровней мощности на выходе, в то время как импульсы 0 уменьшаются до минимального уровня шума.

Важным свойством регенератора Мамышева является его передаточная функция, которая связывает выходную пиковую мощность с входной пиковой мощностью. Для эффективной работы и выравнивания мощности эта передаточная функция должна иметь заметное плато на уровне мощности 1.[9] Пример передаточной функции представлен на рисунке 2.

Спектральные операции расширения, фильтрации и регенерации относительно центральной длины волны показаны на рисунке 3.

При проектировании этого нелинейного регенератора следует позаботиться о том, чтобы избежать последствий вредного воздействия. Обратное рассеяние Бриллюэна[10] а также импульсное взаимодействие, приводящее к эффектам формирования паттерна в выходной последовательности.[9][10]

Рисунок 3: Схема оператора регенератора 2R в спектральной области. На верхнем графике показан исходный спектр импульса на входе; на среднем рисунке показан импульс, уширенный SPM, и область расстройки фильтра и области фильтрации; нижнее изображение показывает отфильтрованный спектр. Горизонтальная шкала длин волн в нанометрах с центром в области телекоммуникационной длины волны 1550 нм.

Мамышева регенератор - Варианты

Благодаря процессу спектральной фильтрации регенерированный импульс по сути смещается от исходной частоты. Это может быть полезно, если преобразование длины волны должно достигаться одновременно с регенерацией и, следовательно, можно рассмотреть возможность переключения каналов.[11] Однако, если кто-то хочет восстановить выходной сигнал, имеющий исходную длину волны, возможность применения другой регенерации с центральной частотой BPF, помещенной на исходную центральную частоту канала, позволяет преодолеть эту проблему. Это можно сделать в одном волокне, используя двунаправленное распространение в нелинейном волокне.[12]

Многоканальная регенерация 2R

Регенератор Мамышева в его стандартной конфигурации ограничен одноволновым режимом работы во избежание кросс-фазовая модуляция (XPM) эффекты от соседних каналов. Было предложено несколько схем расширения области его работы до многоканального режима.

В своей работе по компенсации четырехволнового микширования (FWM) с помощью HLNF и его XPM Михаил Васильев и его коллеги предложили:[13] и продемонстрировал до 12 каналов оптической регенерации в системах 10 Гбит / с.[14]

В другой работе, использующей схему встречного распространения, была продемонстрирована регенерация двойной длины волны.[15] Количество обрабатываемых каналов увеличено до четырех благодаря поляризации. мультиплексирование.[16]

Эффективная полностью оптическая регенерация на базе прибора Мамышева была продемонстрирована при различных частотах следования: 10 Гбит / с, 40 Гбит / с и до 160 Гбит / с.[11]

Регенератор Мамышева может иметь низкую производительность: спектральная фильтрация расширенного спектра вызывает большие внутренние потери энергии. Чтобы компенсировать эти потери, распределили Рамановское усиление могут быть задействованы.[17]

3R регенерация

Регенерация 2R может быть объединена с дополнительной стадией регенерации, чтобы обеспечить регенерацию 3R.[11][18]

Техника Мамышева также использовалась для передачи OCDMA.[19] и было предложено использовать установку Мамышева в рамках мониторинг оптических характеристик.[20]Функции изменения формы регенератора Мамышева также были объединены с процессом поляризационного притяжения, который позволяет одновременно восстанавливать состояние поляризации и профиль интенсивности ухудшенных импульсных потоков.[21]

Генерация ультракоротких импульсов высокой пиковой мощности

Возможности применения регенераторов Мамышева не ограничиваются областью оптических телекоммуникаций. Этот метод также оказался полезным в области генерации ультракоротких импульсов и импульсов с высокой пиковой мощностью. Действительно, улучшение фона и изменение формы регенераторов Мамышева открыли новые перспективы для использования лазеров с переключением усиления и позволили генерировать субпикосекундные импульсы с пиковой мощностью, превышающей уровень мегаватт, в так называемых генераторах Мамышева.[22] Другой пример был достигнут с увеличением контраста на несколько порядков величины фемтосекундного импульса в мДж в заполненном аргоном световоде с полой сердцевиной.[23]

Объединение регенераторов Мамышева и использование в оптоволоконном генераторе

Конкатенация пар регенераторов Мамышева была численно изучена и показала, что четко определенные структуры могут спонтанно возникать из архитектуры осциллятора,[24][25] что затем было экспериментально подтверждено.[26] Дополнительные исследования были сосредоточены на разработке ультракоротких волоконных лазеров с высокой пиковой мощностью. [27][28] и другие конструкции резонаторов.[29][30] В 2017 году были достигнуты рекордные пиковые мощности, намного превышающие уровень МВт.

Рекомендации

  1. ^ а б Мамышев П.В. (1998). «Полностью оптическая регенерация данных на основе эффекта фазовой самомодуляции». 24-я Европейская конференция по оптической связи. ECOC '98 (каталожный номер IEEE 98TH8398). 1. С. 475–476. Дои:10.1109 / ECOC.1998.732666. ISBN  84-89900-14-0.
  2. ^ П.В. Мамышев, «Способ и устройство для полностью оптической регенерации данных», Патент США 6141129.
  3. ^ Nguyen, T.N .; Гей, М .; Bramerie, L .; Chartier, T .; Simon, J.C .; Жундо, Мишель (2006). «Снижение шума в технике 2R-регенерации с использованием фазовой самомодуляции и фильтрации». Оптика Экспресс. 14 (6): 1737–1747. Bibcode:2006OExpr..14.1737N. Дои:10.1364 / OE.14.001737. PMID  19503502.
  4. ^ Petropoulos, P .; Monro, T.M .; Belardi, W .; Furusawa, F .; Lee, J.H .; Ричардсон, Д.Дж. (2001). «Полностью оптический переключатель с регенерацией 2R на основе сильно нелинейного дырявого волокна». Письма об оптике. 26 (16): 1233–1235. Bibcode:2001OptL ... 26.1233P. Дои:10.1364 / OL.26.001233. PMID  18049570.
  5. ^ Fu, L.B .; Rochette, M .; Ta'eed, V.G .; Moss, D. J .; Эгглтон, Б.Дж. (2005). «Исследование оптической регенерации на основе фазовой самомодуляции в одномодовом халькогенидном стекловолокне As2Se3». Оптика Экспресс. 13 (19): 7639–7646. Bibcode:2005OExpr..13.7637F. Дои:10.1364 / opex.13.007637. PMID  19498791.
  6. ^ Parmigiani, F .; Asimakis, S .; Sugimoto, N .; Коидзуми, Ф; Petropoulos, P .; Ричардсон, Д. Дж. (2006). «Регенератор 2R на основе высоконелинейного волокна оксида висмута длиной 2 м». Оптика Экспресс. 14 (12): 5038–5044. Bibcode:2006OExpr..14.5038P. Дои:10.1364 / OE.14.005038. PMID  19516664.
  7. ^ Ta'eed, V.G .; Шоку-Сареми, М .; Fu, L .; Moss, D. J .; Rochette, B.J .; Littler, I. C. M .; Эгглтон, Бенджамин Дж .; Ruan, Y .; Лютер-Дэвис, Б. (2005). «Встроенный полностью оптический регенератор импульсов в халькогенидных волноводах». Письма об оптике. 30 (21): 2900–2902. Bibcode:2005OptL ... 30.2900T. Дои:10.1364 / OL.30.002900. HDL:2440/34932. PMID  16279463.
  8. ^ Her, T.H; Raybon, G .; Хедли, Г. (2004). «Оптимизация регенерации импульсов на скорости 40 Гбит / с на основе спектральной фильтрации фазовой самомодуляции в волокне». IEEE Photon. Technol. Латыш. 16 (1): 200–202. Bibcode:2004IPTL ... 16..200H. Дои:10.1109 / LPT.2003.819367.
  9. ^ а б c Провост, Л .; Finot, C .; Мукаса, К .; Petropoulos, P .; Ричардсон, Д. Дж. (2007). «Разработайте правила масштабирования для регенераторов 2R на основе оптической самофазовой модуляции 2R регенерации». Оптика Экспресс. 15 (8): 5100–5113. Дои:10.1364 / OE.15.005100. PMID  19532760.
  10. ^ а б Nguyen, T. N .; Chartier, T .; Bramerie, L .; Гей, М .; Le, C .; Лобо, С .; Joindot, M .; Simon, J.C .; и другие. (2009). «Регенератор 2R на основе фазовой модуляции, включая сжатие импульсов и фильтрацию смещения для систем передачи RZ-33% со скоростью 42,6 Гбит / с». Оптика Экспресс. 17 (20): 17747–17757. Bibcode:2009OExpr..1717747N. Дои:10.1364 / OE.17.017747. PMID  19907561.
  11. ^ а б c Murai, H .; Kanda, Y .; Kagawa, M .; Арахира, С. (2009). «Регенеративное преобразование длины волны на основе SPM и демонстрация в полевых условиях полностью оптической работы 3R со скоростью 160 Гбит / с». Журнал технологии световых волн. 28 (6): 910–921. Дои:10.1109 / jlt.2009.2035061.
  12. ^ Мацумото, М. (2006). «Эффективная полностью оптическая регенерация 2R с использованием фазовой самомодуляции в двунаправленной конфигурации волокна». Оптика Экспресс. 14 (23): 11018–11023. Bibcode:2006OExpr..1411018M. Дои:10.1364 / OE.14.011018. PMID  19529517.
  13. ^ http://www.opticsinfobase.org/ol/abstract.cfm?id=84193
  14. ^ Патки, Паллави Г .; Васильев Михаил; Лакоба, Тарас И. (2009). «Полностью оптическая регенерация многоволновых сигналов». Серия зимних тематических встреч 2009 IEEE / LEOS. С. 254–255. Дои:10.1109 / LEOSWT.2009.4771754. ISBN  978-1-4244-2610-2.
  15. ^ Провост, Л .; Parmigiani, F .; Finot, C .; Мукаса, К. Petropoulos, P .; Ричардсон, Д. Дж. (2008). «Анализ двухканального полностью оптического регенератора 2R на основе конфигурации встречного распространения». Оптика Экспресс. 16 (3): 2264–2275. Bibcode:2008OExpr..16.2264P. Дои:10.1364 / OE.16.002264. PMID  18542306.
  16. ^ Провост, Л .; Parmigiani, F .; Petropoulos, P .; Ричардсон, Д. Дж .; Мукаса, К .; Takahashi, H .; Hiroishi, J .; Такакума, М. (2008). «Исследование четырехволнового регенератора с использованием поляризационного и направленного мультиплексирования» (PDF). IEEE Photon. Technol. Латыш. 20 (20): 1676–1678. Bibcode:2008IPTL ... 20.1676P. Дои:10.1109 / LPT.2008.2003389.
  17. ^ Finot, C .; Fatome, J .; Pitois, S .; Millot, G .; Пинсемин, Э. (2011). «Активный мамышевский регенератор» (PDF). Оптический обзор. 18 (3): 257–263. Bibcode:2011OptRv..18..257F. Дои:10.1007 / s10043-011-0052-9.
  18. ^ Дайкоку, М .; Yoshikane, N .; Отани, Т .; Танака, Х (2006). «Оптический регенератор 3R 40 Гбит / с с комбинацией эффектов SPM и XAM для полностью оптических сетей». Журнал технологии световых волн. 24 (3): 1142–1148. Bibcode:2006JLwT ... 24.1142D. Дои:10.1109 / JLT.2005.863330.
  19. ^ Ван, X .; Hamanaka, T .; Wada, N .; Китайма, К. (2005). «Оптический порог оптического волокна со сплющенной дисперсией для подавления помех с множественным доступом в системе OCDMA». Оптика Экспресс. 13 (14): 5499–5505. Bibcode:2005OExpr..13.5499W. Дои:10.1364 / OPEX.13.005499. PMID  19498545.
  20. ^ Westbrook, P. S .; Eggleton, B.J .; Hunsche, S .; Raybon, G .; Эгглтон, Б.Дж. (2002). «Измерение деградации импульсов с использованием полностью оптического регенератора 2R». Электрон. Латыш. 38 (20): 1193–1194. Дои:10.1049 / el: 20020837.
  21. ^ Морин П., Дж. Фатом Дж., Финот К., Питойс С., Клаво Р. и Милло, Г. (2011). «Полностью оптическая нелинейная обработка как состояния поляризации, так и профиля интенсивности для приложений регенерации 40 Гбит / с». Оптика Экспресс. 19 (18): 17158–17166. Bibcode:2011OExpr..1917158M. Дои:10.1364 / OE.19.017158. PMID  21935078.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  22. ^ Фу, Уолтер; Райт, Логан Дж .; Мудрый, Фрэнк В. (2017-07-20). «Мощные фемтосекундные импульсы без лазера с синхронизацией мод». Optica. 4 (7): 831–834. arXiv:1705.03940. Bibcode:2017arXiv170503940F. Дои:10.1364 / optica.4.000831. ISSN  2334-2536. ЧВК  5714286. PMID  29214187.
  23. ^ Булдт, Иоахим; Мюллер, Михаэль; Клас, Роберт; Эйдам, Тино; Лимперт, Йенс; Тюннерманн, Андреас (2017). «Повышение временного контраста мощных лазерных импульсов с помощью фильтрованных спектров, уширенных фазовой самомодуляцией». Письма об оптике. 42 (19): 3761–3764. Bibcode:2017OptL ... 42.3761B. Дои:10.1364 / OL.42.003761. PMID  28957121.
  24. ^ Питуа, Стефан; Финот, Кристоф; Провост, Лайонел (15 ноября 2007 г.). «Асимптотические свойства некогерентных волн, распространяющихся в линии полностью оптических регенераторов» (PDF). Письма об оптике. 32 (22): 3263–3265. Bibcode:2007OptL ... 32.3263P. Дои:10.1364 / ол.32.003263. ISSN  1539-4794. PMID  18026274.
  25. ^ Питуа, Стефан; Финот, Кристоф; Провост, Лайонел; Ричардсон, Дэвид Дж. (01.09.2008). «Генерация локализованных импульсов из некогерентной волны в волоконно-оптических линиях на основе каскадных регенераторов Мамышева» (PDF). JOSA B. 25 (9): 1537–1547. Bibcode:2008JOSAB..25.1537P. Дои:10.1364 / josab.25.001537. ISSN  1520-8540.
  26. ^ Север, Тибо; Рошетт, Мартин (01.01.2014). «Регенеративные самопульсирующие источники большой полосы пропускания». Письма об оптике. 39 (1): 174–177. Bibcode:2014OptL ... 39..174N. Дои:10.1364 / ol.39.000174. ISSN  1539-4794. PMID  24365851.
  27. ^ Регельскис, Кястутис; Желудявичюс, Юлиянас; Висконтас, Каролис; Рачюкайтис, Гедиминас (15.11.2015). «Генератор ультракоротких импульсов на волокне, легированном иттербием, на основе фазовой самомодуляции и переменной спектральной фильтрации». Письма об оптике. 40 (22): 5255–5258. Bibcode:2015OptL ... 40.5255R. Дои:10.1364 / ол.40.005255. ISSN  1539-4794. PMID  26565848.
  28. ^ Лю, Чжаньвэй; Ziegler, Zachary M .; Райт, Логан Дж .; Мудрый, Фрэнк В. (20.06.2017). «Мегаваттная пиковая мощность генератора Мамышева». Optica. 4 (6): 649–654. arXiv:1703.09166. Bibcode:2017arXiv170309166L. Дои:10.1364 / optica.4.000649. ISSN  2334-2536. ЧВК  6181231. PMID  30320157.
  29. ^ Север, Тибо; Брес, Камилла-Софи (01.05.2016). «Регенеративный симилятонный лазер». APL Photonics. 1 (2): 021302. Bibcode:2016APLP .... 1b1302N. Дои:10.1063/1.4945352.
  30. ^ Тарасов, Никита; Perego, Auro M .; Чуркин, Дмитрий В .; Сталюнас, Кестутис; Турицын, Сергей К. (2016-08-09). «Синхронизация мод через диссипативную неустойчивость Фарадея». Nature Communications. 7: ncomms12441. Bibcode:2016НатКо ... 712441T. Дои:10.1038 / ncomms12441. ЧВК  4980481. PMID  27503708.