Применение нелинейных световодов для сверхбыстрой оптической обработки сигналов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

62 11/23

I !

Применение нелинейных световодов для

сверхбыстрой оптической обработки сигналов

Константин Кравцов

Диссертация Представленная Профессорам Принстонского Университета Соискателем на Ученую Степень Кандидата Наук

Рекомендовано к Приему

Факультетом Электронной Инженерии [Научный Руководитель: Paul R. Prucnal]

езидиум ВАК России

выдать диплом КА~ ~

лШки

1009

наук

-шльтщ управления ВАК России

OlQH cpt\JUA(t\

К ft J

января 2011,.

© Copyright Константин Кравцов, 2009. Все Права Защищены

Д13153-11

! 5

Аннотация

В настоящей диссертации мы рассматриваем различные аспекты оптической обработки сигналов, достижимые при использовании нелинейных световодов. В частности, мы изучаем различные применения новых высокогерманатных световодов, которые зарекомендовали себя как более эффективные, чем другие типы нелинейных световодов из-за их высокой нелинейности и пригодности к использованию в нелинейных оптических петлевых зеркалах (nonlinear optical loop mirror, NOLM). Используя конфигурацию NOLM с высокогерманатными световодами, мы продемонстрировали различные функции обработки сигналов такие как оптическое переключение, пороговый элемент и преобразование длины волны. Эти основные функции были затем использованы для реализации временных демультиплексоров, восстановления синхронизации, детекторов ультракоротких импульсов и скрытой'передачи данных, а также элементов для аналоговых оптических вычислительных машин.

Еще одна важная технология, которая заметно может быть улучшена использованием обработки сигналов с помощью нелинейных световодов, это оптический множественный доступ с кодовым разделением (CDMA, code-division multiple access). Как показывают и теория и эксперимент, использование оптических пороговых элементов — это уникальный способ улучшения методов детектирования для оптического CDMA. Это также способ реализации полностью асинхронных оптических сетей с расширенным спектром, которые позволяют использовать весь потенциал оптической технологии CDMA.

Некоторые аспекты квантовой обработки сигналов и манипуляции квантовыми состояниями также исследованы в настоящей работе. Было показано, что распространение и столкновения солитонов модели Тирринга приводят к значительному сжатию квантовых состояний, что может найти применения для генерации сжатого света.

Благодарности

Настоящая диссертация — результат моей работы в Принстонском университете. За этот интересный и продуктивный отрезок времени я обязан многим людям окружавшим и поддерживавшим меня в течение моей жизни в Принстоне.

Я хочу поблагодарить моего научного руководителя, профессора Пола Пруцнала (Paul R. Prucnal), который направлял меня в течение всех этих лет. Его потрясающая научная интуиция и понимание всегда помогали мне заинтересоваться и найти интересные проекты. Я очень ценю ту свободу, которую он мне дал в праве выбора моего собственного направления исследований. Огромное спасибо ему и его жене Mindy за их гостеприимство, заботу и помощь.

Я благодарен моим коллегам по лаборатории: Camille-Sophie Brès, Darren Rand, Yue-Kai Huang, Yanhua Deng, John Suarez, Natalie Kostinski, и Zhenxing Wang. Вместе с ними мы сделали много интересного как в лаборатории так и в свободное время. Я также хочу поблагодарить двух других сотрудников лаборатории, которые мне очень помогали — Ivan Glesk и Mable Fok. Без них лаборатория не была бы такой продуктивной.

Я бы хотел сказать спасибо рецензентам моей диссертации профессорам Andrew Houck и Claire Gmachl за их квалифицированные рецензии и полезные замечания.

Также, я хочу поблагодарить профессоров, которые преподавали мне в течение этих лет: William Bialek, Robert Calderbank, Jason Fleischer, David Huse, Igor Klebanov, Stephen Lyon, Evgenii Narimanov, Alexander Polyakov, Marlan Scully и Mansour Shayegart.

Я очень хочу сказать большое спасибо нашим коллабораторам, Михаилу Бубнову, Евгению Дианову, Валерию Машинскому и David Rosenbluth.

Я благодарен тем, кто был рядом в эти годы и предлагал свою помощь и поддержку: Vaneet Aggarwal, Léo Alekseyev, Abhishek Bhattacharjee, Bryan Bosworth, Eugene Brevdo, Bryan Conroy, Afusat Dirisu, Sharon Goldberg, Saurabh Gupta, Daniel

Huang, Joyelle Jones, Kevin Loutherback, Robert MacGregor, Patrick Murphy, Clinton Smith, Jakub Szefer, Arvid Wang и Bernard Wu.

ОсоЬая благодарность тем, кто не давал мне погибнуть в дальнем забугорье. Без вас, друзья, все было бы намного скучнее и тоскливее. Спасибо Юрану Полянскому, Зауру Агаеву, Михе Дорфу, Коляну Ямпольскому, Митяю Дылову, Оле Полянской, Диману Опаицу, Саньку Лиханскому, Даше Солодкой, Андрею Жмогинову, Ирке Ямпольской, Тане Медведевой, Артему Смирнову, Славику Лукину, Лене Заяркиной, Майклу Шилову, Тане Гончаровой, Лехе Бойко, Лене Мединой и всем остальным кто был рядом.

Принстон — Москва

To those who have enough patience to read it through

i

Оглавление

Аннртация ..........................................................................iii

Благодарности ......................................................................iv

Список таблиц......................................................................ix

Список иллюстраций ..............................................................х

1 Введение 1

2 Нелинейные световоды с сердцевиной из оксида германия Ge02 9

2.1 Обзор..........................................................................9

2.2 Оптические свойства высокогерманатных световодов....................12

I

2.3 Оптический демультиплексор для сигналов с временным уплотнением

на скорости 160 Гбит/с ......................................................17

3 Оптический пороговый элемент и его применения 28

3.1 Оптический пороговый элемент, основанный на нелинейном интерферометре ........................................................................28

3.2 Скрытая передача данных по WDM сетям................................43

4 Применения нелинейной обработки сигнала для оптического CDMA 50

4.1 / Оптический CDMA как способ оптического мультиплексирования с

распределенным спектром....................................................51

4.2 Детектирование ультракоротких оптических импульсов для асинхронного оптического CDMA....................................................63

4.3 Детектирование в системах оптического CDMA с использованием оптического порогового элемента: экспериментальная реализация .... 81

5 Квантовая обработка света с помощью солитонов Тирринга 95

5.1 Введение......................................................................97

5.2 Система уравнений Тирринга................................................99

5.3 Квантовые возмущения для солитонов модели Тирринга................101

5.4 Операторы квантовых флуктуаций..........................................103

5.5 Сжатие........................................................................109

5.6 Столкновения солитонов Тирринга..........................................115

5.7 Заключение....................................................................122

5.8 Приложение ..................................................................122

6 Заключение 125 Список литературы 128 Список использованных сокращений 140

/

Список таблиц

2.1 Параметры нелинейных световодов, измеренные на длине волны Л = 1550 нм..........................................................................13

2.2 Оптические демультиплексоры использующие нелинейные световоды. 25

4.1 Свойства импульсного отклика фильтров Баттерворта и Бесселя ... 71

4.2 Полная пропускная способность оптической сети CDMA для разных

' методов детектирования......................................................80

I

Список иллюстраций

2.1 Типичная структура микроструктурированного световода........ 11

2.2 Зависимость нелинейного коэффициента и распределенных потерь от концентрации Ge02 в высокогерманатных световодах.......... 14

2.3 Суммарная нелинейность и оптические потери в зависимости от длины световод^ для высокогерманатных световодов и световодов на основе оксида висмута................................ 15

2.4 Полные оптические потери в зависимости от суммарного нелинейного коэффициента для высокогерманатных световодов и световодов из оксида висмута................................ 16

2.5 160 Gbits/s demultiplexer experimental setup............... 20

2.6 Количество битовых ошибок в демультиплексированном сигнале в зависимости от принимаемой мощности сигнала.............. 22

2.7 Измеренные осциллограммы для всех 16ти ОС-192 подканалов .... 22

I i

2.8 Количество битовых ошибок в зависимости от средней мощности сигнала часов .................................. 23

2.9 Количество битовых ошибок в зависимости от мощности сигнала 160 Гбит/с 24

2.10 Пиковая мощность управляющего сигнала в зависимости от длины нелинейного световода для оптических демультиплексоров....... 26

3.1 Схема NOLM................................. 31

3.2 Экспериментальная установка оптического порогового элемента .... 33

3.3 Измеренная передаточная функция порогового элемента . . . ..... 36

i j

I

3.4 Измеренная передаточная функция в двойном логарифмическом масштабе ..................................... 37

3.5 Действие порогового элемента на одной длине волны.......... 39

3.6 Пороговое декодирование широкополосного сигнала оптического CDMA 40

3.7 Экспериментальная установка для скрытой передачи данных ..... 44

3.8 Спектральная маскировка секретной передачи данных......... 46

3.9 Осциллограммы скрытой передачи данных................ 47

3.10; Осциллограммы с синхронизацией по открытому каналу........ 47

3.11 Детектирование секретного канала с помощью оптического порога . . 48

3.12 Количество битовых ошибок для секретного канала как функция отношения мощностей............................. 48

4.1 Модель оптического приемника CDMA.................. 67

4.2 Измеренные осциллограммы сигналов для различных отношений сигнал/помехи и различных полос пропускания детектора......... 72

4.3 Вычисленные диаграммы сигналов для различных отношений сигнал/помехи < и различных полос пропускания детектора................ 73

4.4 Минимальная полоса пропускания фотодетектора как функция количества пользователей ............................ 76

4.5 Скорость передачи, достигаемая для разных способов детектирования, при использовании 10 ГГц фотодетектора в зависимости от количества пользователей ................................ 79

4.6 Схема экспериментальной установки, показывающая систему OCDMA

и Gigabit Ethernet интерфейс........................ 83

4.7 I (а), (Ь) - примеры использованных OCDMA кодов Codel и Code2 в Тх1

и Тх2, соответственно; (с) - объединенный трафик от обоих передатчиков...................................... 83

4.8 (a), (b) - декодированные коды Codel и Code2, соответственно; (с), (d) - декодированные сигналы после прохождения оптического порогового элемента, MAI сильно подавлено...................... 84

4.9 Количество битовых ошибок и вероятность потери пакетов как функция отношения мощностей между двумя кодами............. 85

4.10 Экспериментальная установка системы оптического CDMA...... 88

4.11 а, радиочастотный сигнал после генератора импульсов используемый для ЕАМ; Ь, Оптический импульсный сигнал на выходе ЕАМ измеренный с помощью осциллографа...................... 89

4.12 Количество битовых ошибок детектированного сигнала как функция отношения мощностей между пользователями.............. 91

4.13 Измеренные осциллограммы сигналов в случае асинхронного детектирования .................................... 93

5.1 Пиковая интенсивность и ширина огибающей на полувысоте (FWHM) солитоно| модели Тирринга как функция амплитуды Q, вычисленные

для у = 0.................................... 101

5.2 Контурная диаграмма среднеквадратичной неопределенности фазы (Аф2) как функции t и амплитуды солитона Q для у = 1............ 108

5.3 Контурная диаграмма среднеквадратичной неопределенности положения солитона (Axq) как функции t и амплитуды солитона Q для у = 1. 108

5.4 Степень сжатия как функция t для пары Q-tp вычисленная для Q = 7г/4 112

5.5 Графики отношения вариаций фазы и координаты как функции t/т, вычисленные для разных уг......................... 119

5.6 Контурная диаграмма отношения неопределенностей фазы {A(pl(t))coll / (A^iW)' вычисленных для t = Зт и у2 = 0 как функция амплитуд Qi = Q2 и относительной скорости у\—у2....................... 120

5.7 Контурная диаграмма отношения неопределенностей положения соли-тона (Джо1(£))соп/ вычисленное для Ь = Зт, уг = 1, и у2 = О

как функция амплитуд С^х и ...................... 121

5.8 Контурная диаграмма отношения неопределенностей оператора положения Ях для солитонов НУШ, вычисленное для £ = Зт и А2 = 1 как функция амплитуды Ах и относительной скорости рг —'Р2.......124

хш

I

Глава 1

Введение

Возможности передачи информации испытали чрезвычайный прогресс за последние 30 лет. В эти годы появилась и распространилась идея оптической связи, т.е. использования света для передачи цифровой информации. Эта идея привела к огромному качественному скачку в развитии технологий связи как результат намного лучших характеристик передачи данных, которые могут быть достигнуты при использовании оптических сигналов, и которые недоступны при передаче по проводам. Изначально волоконно-оптические линии связи стали использоваться для передачи данных на большие расстояния (long-haul), но вскоре они стали продвигаться и на уровень городских сетей. В настоящее время практически все сети от городского до межконтинентального масштаба являются волоконно-оптическими [1, 2].

Замена проводных электрических линий связи на оптические происходит на все более и более мелких масштабах: от дальних линий до линий средней дальности, от локальных сетей до связи между оборудованием внутри одной серверной комнаты, от соединений между электронными платами до оптических линий связи между микросхемами в масштабах одной платы. И каждый раз, когда оптический сигнал достигает преемника он сначала преобразуется в электрический, а затем уже происходит его дальнейшая обработка. Возникает вопрос, можем ли мы избежать бесчисленных преобразований сигнала из оптического в электрический? Возможно ли производить обработку сигналов прямо в оптической форме?

Ответ на этот вопрос да. Это известно с конца 1980х годов, хотя до недавнего времени подобная оптическая обработка сигналов была непрактична по причине отсутствия подходящих материалов и технологий. Сейчас они есть в доступности, и цель настоящей диссертации показать возможные практические применения оптической обработки сигналов. В первую очередь мы рассматриваем такие применения нелинейной оптической обработки сигналов, которые позволяют достигнуть различные характеристики недоступные для современной электроники.

Fрассмотрим историю оптической передачи данных чтобы вспомнить основные достижения на пути прогресса в этой области. Вскоре после изобретения лазеров в 1960 году, беспрецедентная скорость протекания некоторых оптических процессов была экспериментально обнаружена и подтверждена теоретически. Тем не менее, в то

время физика коротких оптических импульсов и сверхбыстрых процессов оставалась

/

исключительно научной задачей и не имела никаких применений для телекоммуникаций. Ситуация сильно изменилась после появления первых волоконно-оптических световодов с низкими потерями света (меньше 20 дБ/км), которые были разработаны около 1970 года в Corning Glass Laboratories [3]. Такие световоды позволяли передачу света на расстояния порядка нескольких километров, что вскоре привело к разработке первых волоконно-оптических систем связи.

Простые расчеты показали, что световоды лишены тех недостатков которые неизбежны при использовании традиционных проводных линий: в то время как потери

сигнала в медном кабеле увеличиваются при увеличении скорости потока данных,

I

потери в оптических световодах остаются неизменными. То есть, используя световоды, можно передавать данные на максимально допустимой скорости поддерживаемой

конечным оборудованием без дополнительного ухудшения сигнала. Это наблюдение быстро привело к существенному увеличению скорости и расстояния передачи данных после замены медных кабелей на световоды из кварцевого стекла. Это также сильнейшим образом повлияло на количество средств инвестированных в разработку оптических технологий связи.

После такого колоссального прорыва в развитии, главные силы индустрии стали ориентированы на дальнейшее улучшение технологий, позволяющих улучшить пропускную способность и расстояние передачи за счет достижений в электронике и изготовлении используемых световодов. Обзор этих достижений выходит за рамки настоящего введения. Мы же обратим внимание на основные моменты в развитии оптической обработки сигналов и нелинейной оптики.

Термин нелинейная используется здесь по следующей причине: в классической оптике пучки света никогда не взаимодействуют друг с другом. Поэтому справедлив принцип суперпозиции: результат действия нескольких источников света является суммой действий каждого из них.2 Такое поведение называется линейным. Напротив, нелинейными называют те случаи, когда свет не может считаться невзаимодействующим сам с собой. Другими словами, если пучок света воздействует на распространение другого пучка или самого себя, т.е. участвует в нелинейном взаимодействии, такой процесс называется нелинейным.

'Для простоты мы здесь не учитываем дисперсионные явления в световодах, которые ухудшают передачу данных на больших скоростях. Позже дисперсия стала ограничивающим фактором для скорости потока данных.

2Мы приводим здесь слегка упрощенную модель, которая не учитывает интерференцию света. Более аккуратное изложение может быть найдено в любом учебнике по нелинейной оптике.

С квантовомеханической точки зрения, мы знаем, что свет состоит из фотонов, которые не взаимодействуют друг с другом.3 Фотоны могут взаимодействовать с заряженными частицами, в основном электронами, потому что большинство др�