Regulátor Mamyshev 2R - Mamyshev 2R regenerator

The Regulátor Mamyshev 2R je všeoptický regenerátor použito v optická komunikace V roce 1998 Pavel V. Mamyshev ze dne Bell Labs navrhla a patentovala použití vlastní fázová modulace (SPM) pro jednorázové přepracování optického pulzu a opětovné zesílení.[1][2] Novější aplikace se zaměřují na oblast ultrakrátkého generování pulzů vysokého špičkového výkonu.

Design 2R regenerátoru

Schéma konvenčního regenerátoru Mamyshev je uvedeno výše. A High-Power Erbium dopovaný vláknový zesilovač (HP-EDFA) zvyšuje příchozí signál na výkon (Pm) potřebný pro optimální vyrovnání špičkového výkonu „jednoho“ symbolu. Za tímto zesilovačem může následovat optický pásmový filtr (na obrázku není zobrazen), aby bylo možné vyřadit pásmo zesílená spontánní emise.[3]

The vlastní fázová modulace -indukované spektrální rozšíření je generováno v a jednovidové optické vlákno s délkou . The chromatická disperze tohoto vlákna je normální a jeho hodnota je D. Nelineární koeficient je a lineární ztráty jsou . Několik typů vláken bylo úspěšně testováno: vlákna s nulovou disperzí posunutá,[1] vysoce nelineární křemičitá vlákna (HNLF), mikrostrukturovaná křemičitá vlákna,[4] chalkogenidová vlákna[5] nebo telluritová vlákna.[6]

Na výstupu vlákna, an optický pásmový filtr (OBPF) se spektrální šířkou FWHM , (definováno tak, že šířka impulzu na výstupu je stejná jako šířka na vstupu systému), je spektrálně posunuta o částku vzhledem k vlnové délce nosiče vstupního signálu a používá se k vyřezávání do rozšířeného spektra - čímž působí jako přetváření pulzu.

Experimentální nastavení použité pro regenerátor Mamyshev

Toto je konfigurace jednotky, kterou lze pro vyšší přesnost regenerace opakovat.

Ukázalo se, že je možné výhodně nahradit nelineární vlákno vysoce nelineárním chalkogenidovým vlnovodem, což otevírá cestu k plně integrované regeneraci fotonického čipu.[7]

Princip činnosti a konstrukce

Obrázek 1: (Dolní panel) Vstup & (Horní panel) Výstupní / regenerované impulsy.
Obrázek 2: Přenosová funkce týkající se vstupních výstupních výkonů pro regenerátor Mamyshev 2R.

Regulátor Mamyshev zvládne návrat k nule signály s ultravysokými datovými přenosovými rychlostmi. Opravdu, díky kvazi okamžité odezvě nelineárního Kerrův efekt, tento regenerátor netrpí konečnou dobou zotavení některých saturovatelné absorbéry.

Zájem regenerátoru Mamyshev spočívá v jeho schopnosti regenerovat současně informace „nula“ a „nula“.

Klíčovým účinkem ovlivňujícím vývoj pulsu v regenerátoru je autofázová modulace, která rozšiřuje spektrum v poměru k intenzitě počátečního optického impulzu. V kombinaci s offsetem výstupní frekvence OBPF to představuje efektivní ultrarychlou prahovou hodnotu. Podrobněji se pulzy nebo šum s nízkou intenzitou významně nerozšiřují a spadají mimo nescentrovaný BPF, a proto se výstup pro hlučné nuly v datovém proudu sníží na nulu. Naopak pro datové impulsy 1 je intenzita dostatečně silná, aby rozšířila spektra o SPM, a významná část spektra spadá do propustného pásma OBPF, což vede ke generování impulzu výstupu 1.

Pro pečlivý návrh regenerátoru a vhodnou kombinaci parametrů filtru (spektrální offset a šířka pásma) / parametrů vlákna (hodnoty délky, disperze a nelinearity),[8][9] lze také dosáhnout snížení fluktuací amplitudy, což vede k vyrovnání výkonu pulzního proudu.

Výsledky modelování pro regenerátor 2R jsou uvedeny v článku. Na obrázku 1 ukazuje horní panel regenerovaný pulz ze vstupu (spodní panel) pro regenerátor Mamyshev 2R. Pulzy hlučné 1 jsou na výstupu zesíleny na stejnou úroveň výkonu, zatímco pulzy 0 jsou redukovány na úroveň šumu.

Důležitou vlastností Mamyshevova regenerátoru je jeho přenosová funkce, která spojuje výstupní špičkový výkon se vstupním špičkovým výkonem. Pro efektivní provoz a vyrovnání výkonu by tato přenosová funkce měla vykazovat výrazné plató na úrovni výkonu 1.[9] Příklad funkce přenosu je uveden na obrázku 2.

Spektrální operace rozšiřování, filtrování a regenerace kolem centrální vlnové délky jsou znázorněny na obrázku 3.

Při konstrukci tohoto nelineárního regenerátoru je třeba dbát na to, aby nedošlo k následkům škodlivých účinků Brillouin zpětný rozptyl[10] stejně jako interakce puls na puls vedoucí k vzorovacím efektům ve výstupní sekvenci.[9][10]

Obrázek 3: Schematický operátor regenerátoru 2R ve spektrální oblasti. Horní graf ukazuje původní pulzní spektrum na vstupu; prostřední obrázek ukazuje pulz rozšířený o SPM a oblast rozladění a filtrování filtru; spodní obrázek ukazuje filtrované spektrum. Horizontální měřítko vlnových délek v nanometrech, soustředěné kolem telekomunikační vlnové délky 1550 nm

Mamyshev regenerátor - varianty

Díky procesu spektrálního filtrování je regenerovaný puls skutečně posunut z původní frekvence. To může být prospěšné, pokud má být konverze vlnových délek dosaženo současně s regenerací, a proto lze uvažovat o přepínání kanálů.[11] Pokud však někdo chce obnovit výstupní signál mající počáteční vlnovou délku, možnost použití další regenerace s centrální frekvencí BPF umístěnou na původní střední frekvenci kanálu umožňuje tento problém překonat. To lze provést v jednom vlákně pomocí obousměrného šíření v nelineárním vlákně.[12]

Vícekanálová 2R regenerace

Regulátor Mamyshev ve své standardní konfiguraci je omezen na provoz s jednou vlnovou délkou, aby se zabránilo mezifázová modulace (XPM) efekty ze sousedních kanálů. Bylo navrženo několik schémat pro rozšíření jeho provozního regionu na vícekanálový režim.

Ve své práci na kompenzaci čtyř vln (FWM) pomocí HLNF a jeho XPM navrhli Michael Vasilyev a spolupracovníci,[13] a prokázal až 12kanálovou optickou regeneraci v systémech 10 Gbit / s.[14]

V jiné práci, využívající výhod protipropagačního schématu, byla prokázána regenerace dvojité vlnové délky.[15] Počet kanálů, se kterými lze manipulovat, byl díky polarizaci zvýšen až na čtyři multiplexování.[16]

Účinná všeoptická regenerace založená na zařízení Mamyshev byla prokázána při různých opakovacích rychlostech: 10 Gbit / s, 40 Gbit / s a ​​až 160 Gbit / s.[11]

Regulátor Mamyshev může trpět špatným výtěžkem: spektrální filtrace rozšířeného spektra indukuje vysoké ztráty vnitřní energie. Aby bylo možné tyto ztráty vyrovnat, rozdělit Ramanovo zesílení může být zapojen.[17]

3R regenerace

Regeneraci 2R lze kombinovat s další fází regenerace, která zajistí regeneraci 3R.[11][18]

Pro přenos OCDMA byla také použita mamyshevská technika[19] a bylo navrženo použít nastavení Mamyshev v rámci sledování optického výkonu.[20]Funkce přetváření regenerátoru Mamyshev byly také kombinovány s procesem polarizační přitažlivosti, který umožňuje současně regenerovat stav polarizace a profil intenzity degradovaných pulzních proudů.[21]

Generování ultrakrátkého pulzu s vysokým špičkovým výkonem

Potenciální aplikace Mamyshevových regenerátorů se neomezují pouze na oblast optických telekomunikací. Tato technika byla také shledána přínosnou v oblasti ultrakrátkých a generování vysokých špičkových výkonových pulsů. Opravdu vlastnosti zlepšování a přetváření pozadí Mamyshevových regenerátorů otevřely nové perspektivy pro použití laserů se změnou zesílení a umožnily generování subpikosekundových pulzů se špičkovými výkony přesahujícími úroveň megaWattů v takzvaných Mamyshevových oscilátorech.[22] Dalšího příkladu bylo dosaženo zvýšením kontrastu o několik řádů mJ femtosekundového pulzu ve vlákně dutého jádra plného argonu.[23]

Zřetězení regenerátorů Mamyshev a použití v optickém oscilátoru na bázi vláken

Zřetězení párů regenerátorů Mamyshev bylo numericky studováno a ukázalo se, že dobře definované struktury by mohly spontánně vzniknout z architektury oscilátoru,[24][25] který byl poté experimentálně potvrzen.[26] Další výzkumy se zaměřily na vývoj ultrakrátkých vysokovýkonových vláknových laserů [27][28] a byly zváženy další návrhy dutin.[29][30] V roce 2017 bylo dosaženo rekordních špičkových výkonů vysoko nad úrovní MW.

Reference

  1. ^ A b Mamyshev, P. V. (1998). „All-optical data regeneration based on self-phase modulation effect“. 24. evropská konference o optické komunikaci. ECOC '98 (IEEE kat. Č. 98TH8398). 1. 475–476. doi:10.1109 / ECOC.1998.732666. ISBN  84-89900-14-0.
  2. ^ P.V. Mamyshev, „Metoda a zařízení pro plně optickou regeneraci dat“, US patent 6141129
  3. ^ Nguyen, T.N .; Gay, M .; Bramerie, L .; Chartier, T .; Simon, J.C .; Joindot, Michel (2006). "Redukce šumu v 2R-regenerační technice využívající vlastní fázovou modulaci a filtrování". Optika Express. 14 (6): 1737–1747. Bibcode:2006Odpr .. 14.1737N. doi:10.1364 / OE.14.001737. PMID  19503502.
  4. ^ Petropoulos, P .; Monro, T. M.; Belardi, W .; Furusawa, F .; Lee, J.H .; Richardson, D.J. (2001). „2R-regenerativní all-optický přepínač založený na vysoce nelineárním děrovaném vlákně“. Optická písmena. 26 (16): 1233–1235. Bibcode:2001OptL ... 26.1233P. doi:10,1364 / OL.26.001233. PMID  18049570.
  5. ^ Fu, L.B .; Rochette, M .; Ta'eed, V. G .; Moss, D. J .; Eggleton, B.J. (2005). „Vyšetřování optické regenerace založené na jednofázové modulaci v jednom režimu chalkogenidového skleněného vlákna As2Se3“. Optika Express. 13 (19): 7639–7646. Bibcode:2005Oexpr..13.7637F. doi:10.1364 / opex.13.007637. PMID  19498791.
  6. ^ Parmigiani, F .; Asimakis, S .; Sugimoto, N .; Koizumi, F; Petropoulos, P .; Richardson, D. J. (2006). „2R regenerátor založený na 2 m dlouhém vysoce nelineárním vláknu oxidu vizmutu“. Optika Express. 14 (12): 5038–5044. Bibcode:2006Oexpr..14.5038P. doi:10.1364 / OE.14.005038. PMID  19516664.
  7. ^ Ta'eed, V.G .; Shokooh-Saremi, M .; Fu, L .; Moss, D. J .; Rochette, B.J .; Littler, I. C. M .; Eggleton, Benjamin J .; Ruan, Y .; Luther-Davies, B. (2005). "Integrovaný all-optický pulzní regenerátor v chalkogenidových vlnovodech". Optická písmena. 30 (21): 2900–2902. Bibcode:2005OptL ... 30.2900T. doi:10,1364 / OL.30.002900. hdl:2440/34932. PMID  16279463.
  8. ^ Her, T.H; Raybon, G .; Headley, G. (2004). "Optimalizace pulzní regenerace při 40 Gb / s na základě spektrálního filtrování autofázové modulace ve vlákně". IEEE Photon. Technol. Lett. 16 (1): 200–202. Bibcode:2004IPTL ... 16..200H. doi:10.1109 / LPT.2003.819367.
  9. ^ A b C Provost, L .; Finot, C .; Mukasa, K .; Petropoulos, P .; Richardson, D. J. (2007). "Pravidla pro návrh měřítka pro 2R-optickou regeneraci na bázi 2-fázové modulace s regenerací 2R". Optika Express. 15 (8): 5100–5113. doi:10.1364 / OE.15.005100. PMID  19532760.
  10. ^ A b Nguyen, T. N .; Chartier, T .; Bramerie, L .; Gay, M .; Le, C .; Lobo, S .; Joindot, M .; Simon, J. C .; et al. (2009). „2R regenerátor na bázi vlastní fáze s modulací včetně komprese impulzů a offsetového filtrování pro přenosové systémy RZ-33% 42,6 Gbit / s“. Optika Express. 17 (20): 17747–17757. Bibcode:2009Oexpr..1717747N. doi:10.1364 / OE.17.017747. PMID  19907561.
  11. ^ A b C Murai, H .; Kanda, Y .; Kagawa, M .; Arahira, S. (2009). „Regenerativní konverze vlnových délek založená na SPM a demonstrace pole s plně optickým provozem 3R 160 Gb / s“. Journal of Lightwave Technology. 28 (6): 910–921. doi:10.1109 / jlt.2009.2035061.
  12. ^ Matsumoto, M. (2006). "Efektivní celooptická regenerace 2R pomocí samofázové modulace v konfiguraci obousměrného vlákna". Optika Express. 14 (23): 11018–11023. Bibcode:2006Oexpr..1411018M. doi:10.1364 / OE.14.011018. PMID  19529517.
  13. ^ http://www.opticsinfobase.org/ol/abstract.cfm?id=84193
  14. ^ Patki, Pallavi G .; Vasilyev, Michael; Lakoba, Taras I. (2009). "All-optická regenerace signálů s více vlnovými délkami". Série setkání IEEE / LEOS Winter Topicals Meeting 2009. str. 254–255. doi:10.1109 / LEOSWT.2009.4771754. ISBN  978-1-4244-2610-2.
  15. ^ Provost, L .; Parmigiani, F .; Finot, C .; Mukasa, K; Petropoulos, P .; Richardson, D. J. (2008). "Analýza dvoukanálového 2R all-optického regenerátoru na základě konfigurace proti šíření". Optika Express. 16 (3): 2264–2275. Bibcode:2008Oexpr..16.2264P. doi:10.1364 / OE.16.002264. PMID  18542306.
  16. ^ Provost, L .; Parmigiani, F .; Petropoulos, P .; Richardson, D. J .; Mukasa, K .; Takahashi, H .; Hiroishi, J .; Takakuma, M. (2008). „Vyšetřování čtyřvlnového regenerátoru pomocí polarizačního a směrového multiplexování“ (PDF). IEEE Photon. Technol. Lett. 20 (20): 1676–1678. Bibcode:2008IPTL ... 20.1676P. doi:10.1109 / LPT.2008.2003389.
  17. ^ Finot, C .; Fatome, J .; Pitois, S .; Millot, G .; Pincemin, E. (2011). "Aktivní regenerátor Mamyshev" (PDF). Optická kontrola. 18 (3): 257–263. Bibcode:2011OptRv..18..257F. doi:10.1007 / s10043-011-0052-9.
  18. ^ Daikoku, M .; Yoshikane, N .; Otani, T .; Tanaka, H (2006). „Optical 40-Gb / s 3R Regenerator with a combination of the SPM and XAM effects for all-optical networks“. Journal of Lightwave Technology. 24 (3): 1142–1148. Bibcode:2006JLwT ... 24.1142D. doi:10.1109 / JLT.2005.863330.
  19. ^ Wang, X .; Hamanaka, T .; Wada, N .; Kitayama, K. (2005). „Disperze zploštělých optických prahových vláken pro potlačení rušení více přístupů v systému OCDMA“. Optika Express. 13 (14): 5499–5505. Bibcode:2005Oexpr..13,5499W. doi:10.1364 / OPEX.13.005499. PMID  19498545.
  20. ^ Westbrook, P. S .; Eggleton, B. J .; Hunsche, S .; Raybon, G .; Eggleton, B.J. (2002). Msgstr "Měření degradace pulzu pomocí plně optického 2R regenerátoru". Elektron. Lett. 38 (20): 1193–1194. doi:10.1049 / el: 20020837.
  21. ^ Morin P., J. Fatome J., Finot C., Pitois S., Claveau R. a Millot, G. (2011). "All-optické nelineární zpracování polarizačního stavu a profilu intenzity pro regenerační aplikace 40 Gbit / s". Optika Express. 19 (18): 17158–17166. Bibcode:2011Opr ...1917158M. doi:10.1364 / OE.19.017158. PMID  21935078.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  22. ^ Fu, Walter; Wright, Logan G .; Wise, Frank W. (2017-07-20). „Vysoce výkonné femtosekundové pulzy bez modelockovaného laseru“. Optica. 4 (7): 831–834. arXiv:1705.03940. Bibcode:2017arXiv170503940F. doi:10,1364 / optica.4.000831. ISSN  2334-2536. PMC  5714286. PMID  29214187.
  23. ^ Buldt, Joachim; Müller, Michael; Klas, Robert; Eidam, Tino; Limpert, Jens; Tünnermann, Andreas (2017). „Vylepšení dočasného kontrastu energetických laserových pulzů filtrovanými spektry rozšířenými vlastní fázovou modulací“. Optická písmena. 42 (19): 3761–3764. Bibcode:2017OptL ... 42,3761B. doi:10.1364 / OL.42.003761. PMID  28957121.
  24. ^ Pitois, Stéphane; Finot, Christophe; Provost, Lionel (2007-11-15). „Asymptotické vlastnosti nekoherentních vln šířících se v řadě optických regenerátorů“ (PDF). Optická písmena. 32 (22): 3263–3265. Bibcode:2007OptL ... 32.3263P. doi:10,1364 / ol.32.003263. ISSN  1539-4794. PMID  18026274.
  25. ^ Pitois, Stéphane; Finot, Christophe; Provost, Lionel; Richardson, David J. (01.09.2008). „Generování lokalizovaných pulzů z nekoherentní vlny v optických vláknech ze zřetězených Mamyshevových regenerátorů“ (PDF). JOSA B. 25 (9): 1537–1547. Bibcode:2008JOSAB..25.1537P. doi:10.1364 / josab.25.001537. ISSN  1520-8540.
  26. ^ North, Thibault; Rochette, Martin (01.01.2014). "Regenerativní samovolně pulzující zdroje velkých šířek pásma". Optická písmena. 39 (1): 174–177. Bibcode:2014OptL ... 39..174N. doi:10,1364 / ol. 39,000174. ISSN  1539-4794. PMID  24365851.
  27. ^ Regelskis, Kęstutis; Želudevičius, Julijanas; Viskontas, Karolis; Račiukaitis, Gediminas (2015-11-15). "Ultrakrátký pulzní generátor vláken dopovaných yterbiem založený na samofázové modulaci a střídavém spektrálním filtrování". Optická písmena. 40 (22): 5255–5258. Bibcode:2015OptL ... 40.5255R. doi:10,1364 / ol.40.005255. ISSN  1539-4794. PMID  26565848.
  28. ^ Liu, Zhanwei; Ziegler, Zachary M .; Wright, Logan G .; Wise, Frank W. (2017-06-20). „Špičkový výkon megawattu z Mamyshevova oscilátoru“. Optica. 4 (6): 649–654. arXiv:1703.09166. Bibcode:2017arXiv170309166L. doi:10,1364 / optica.4.000649. ISSN  2334-2536. PMC  6181231. PMID  30320157.
  29. ^ North, Thibault; Brès, Camille-Sophie (01.05.2016). "Regenerativní similaritonový laser". APL Photonics. 1 (2): 021302. Bibcode:2016APLP .... 1b1302N. doi:10.1063/1.4945352.
  30. ^ Tarasov, Nikita; Perego, Auro M .; Churkin, Dmitry V .; Staliunas, Kestutis; Turitsyn, Sergei K. (08.08.2016). „Uzamčení režimu pomocí disipativní Faradayovy nestability“. Příroda komunikace. 7: ncomms12441. Bibcode:2016NatCo ... 712441T. doi:10.1038 / ncomms12441. PMC  4980481. PMID  27503708.