Художественное изображение солитона

Еще в далеком 1834 году, сидя на берегу канала, Джон Скотт Рассел наблюдал за поведением воды. Именно в этот момент и появилось понятие «уединенная волна», которое в дальнейшем стало известно как солитон. Этот термин обозначает уединенную волну, которая распространяется в нелинейной среде. Поведение солитонов схоже с поведением частиц, ибо при взаимодействии друг с другом они не разрушаются, а продолжают движение. Солитоны стали основой изучения многих различных понятий и явлений, от сердечного ритма до волн цунами. Однако, сегодня мы рассмотрим исследование, основой которого стали темные солитоны (темные импульсы). Почему солитоны перешли на «темную сторону силы», как использовать это явление и удалось ли исследователям получить желаемые результаты своего практического опыта? Обо всем этом нам расскажет доклад ученых. Поехали.

Для начала стоит определить что есть темный солитон. Как мы уже поняли, солитон это волна, идущая в нелинейной среде сама по себе. Темный солитон формируется, когда в непрерывной волне определенной интенсивности локально уменьшается эта интенсивность. То есть, это пробелы в волне, как бы грубо это не звучало.


Пример частотного гребня

Частотные гребни* микрорезонатора используют нелинейный эффект Керра* в интегрированной оптической полости для генерации множества фазово-частотных линий. Интервал между линиями может достигать 100 ГГц, что делает систему отличным многоволновым источником света для устройств и систем оптоволоконной связи. Дисперсия* микрорезонатора влияет на саму физическую динамику. Недавние исследование состояний частотного гребня продемонстрировало формирование темных импульсов в микрорезонаторе при нормальной дисперсии.

Частотные гребни* — лазерный источник света, спектр которого состоит из серии дискретных равноудаленных частотных линий.

Эффект Керра* — в электрооптике это явление изменений значения преломления оптического материала пропорционально квадрату напряженности приложенного электрического поля.

Дисперсия* волн — разница фазовых скоростей волн в зависимости от их частоты.

Такого рода «темно-импульсные» гребни получили большую популярность среди исследователей ввиду возможного их использования в когерентных коммуникациях* за счет весьма высокого коэффициента полезного действия*.

Когерентная оптическая связь* — вид оптической связи, в которой передача информации с помощью светового сигнала осуществляется за счёт его фазовой модуляции.

Коэффициент полезного действия* (КПД) — показатель эффективности системы, определяемый отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой.

В данном исследовании описывается первый эксперимент с когерентной передачей данных с использованием 64-квадратурной амплитудной модуляцией*, закодированной на частотных линиях темно-импульсного гребня.

Квадратурная амплитудная модуляция* — сумма двух несущих колебаний одной частоты, однако сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90°.

Внушительный КПД гребня позволил достичь показателя отношения сигнал/шум* в размере 33 дБ. При этом уровень мощности накачки лазера* оставался сопоставим с мощностью современных гибридных кремниевых лазеров.

Отношение сигнал/шум* (SNR) — отношение мощности полезного сигнала к мощности шума. Чем больше отношение сигнал/шум, тем меньше влияние шума на систему.

Накачка лазера* — процесс перекачки энергии внешнего источника в рабочую среду лазера.

Гибридный кремниевый лазер* — полупроводниковый лазер (лазер, рабочим веществом которого является полупроводник), изготовленный из кремния и полупроводниковых материалов III-V групп.

Основа исследований

Многие исследователи и люди, связанные с технологиями передачи данных, не отказались бы заменить большое количество лазеров, используемых в оптических системах на основе WDM (Спектральное уплотнение каналов), на оптический частотный гребень.

До недавнего времени, практические эксперименты были нацелены на изучении лазеров на базе синхронизации мод* и электрооптических частотных гребней, сделанных с помощью каскада модуляторов фаз и интенсивности. Генератор электрооптического гребня способен использовать в качестве первоисточника единый лазер, а потом реплицировать его свойства на несколько каналов. Чтобы увеличить полосу еще больше, необходимо использовать нелинейное усиление, что позволит увеличить число WDM-каналов.

Синхронизация мод* — метод связывания фаз различных продольных мод в лазере.

Моды* — нормальные волны, существующие в динамической системе с постоянными параметрами в отсутствие поглощения и рассеяния энергии.

Стоит также отметить, что оптические частотные гребни обладают стабильным частотным интервалом*, что сопутствует улучшению показателей передачи до максимально возможного уровня при использовании несинхронизированных лазеров.

В данном исследовании демонстрируется многоканальный алгоритм компенсации нелинейного взаимодействия сигналов, а также возможность уменьшения межканальных «пробелов» (используем это слово как самое подходящее по сути для обозначения термина «Guard band*»).

Частотный интервал* — величина, отображенная в виде логарифма соотношения двух или более частот, или ширины полосы частоты.

Guard band* — неиспользуемый участок спектра между волнами.

Еще одной занятной перспективой использования частотного гребня в WDM системах является возможность ослабить требования к ресурсам на стороне приема сигнала посредством имплементации взаимной компенсации и отслеживания для нескольких каналов данных. Этот прием использует за основу фазовую когерентность частотного гребня, что делает его неприменимым в массивах многоволновых лазеров.

Для реализации внедрения WDM-трансмиттеров, при этом минимизировав число дискретных компонентов, пришлось использовать фотонную интегральную схему*.

Фотонная интегральная схема* — многокомпонентное устройство, изготовленное на плоской подложке, необходимое для обработки оптических сигналов.

Первые практические опыты включали использование кремниево-органических гибридных модуляторов, квантово-импульсных лазеров с синхронизацией мод и лазерных диодов с регулировкой усиления*.

Регулировка усиления* (Gain-switching) — техника в оптике, позволяющая создать лазер, продуцирующий импульсы света невероятно короткой продолжительности (буквально в фемтосекундах).

Для проведения исследований была создана система, совместимая с CMOS. Микрорезонаторы частотных гребней были реализованы на основе нитрида кремния (Si₃N₄). Эти микрорезонаторы используют эффект Керра в микрополостях для разделения света от лазера с непрерывной волной по равномерно распределенным линиям в широкой полосе.


Молекулярная структура нитрида кремния (Si₃N₄)

Первая передача данных была продемонстрирована посредством 64-QAM (квадратичной амплитудной манипуляции*), которая отображала цифровые данные при наличии или отсутствии несущей волны.

Амплитудная манипуляция* — изменение сигнала, при котором скачками меняется амплитуда несущего колебания (как пример, в телеграфии — азбука Морзе).

Вскоре исследователи смогли выяснить, что производительность микрорезонаторных гребней весьма высокая и соответствует требованиям современных когерентных коммуникационных систем, в частности по показателям стабильности частоты, отношения сигнал/шум и ширины линии. По этой причине было решено провести опыты, включающие системы дальней связи и расширение форматов модуляции.

Выявление в микрорезонаторах и схемах стабилизации, связанных с ними, диссипативных солитонов* Керра открыло возможность более эффективно контролировать ширину полосы и число линий гребня.

Диссипативный солитон* — структурно устойчивая уединённая волна, распространяющаяся в нелинейной среде, локализованная во времени или пространстве с участием баланса притока и ухода энергии в физической системе.

Один из экспериментов продемонстрировал отличные результаты, используя два микрорезонатора из нитрида кремния, охватывающих световодную связь полос C и L.

Микрорезонаторные частотные гребни это весьма сложные системы, которые допускают несколько режимов работы с низким уровнем шума. Однако, когерентные коммуникационные системы в основном фокусируются на гребнях, работающих в режимах яркого солитона и когерентной модуляции. В данном исследовании было выявлено состояние синхронизации мод, когда полости демонстрирует нормальную дисперсию. Это состояние гребня соответствует циркулирующим темным импульсам в полости. А это может быть весьма интересно для когерентной передачи данных в WDM-системах.

Измерения гребней темных импульсов показали на 30% более высокий КПД, чем гребни ярких солитонов. На практике столь большую разницу можно было бы использовать для снижения требований к мощности или для увеличения SNR.

Данное исследование, по словам ученых, является первой демонстрацией когерентной WDM-системы передачи данных на основе гребней темных импульсов. При этом использовался внешний источник энергии (800 мВт*). Данные передавались на расстояние 80 км по 20 каналам, каждый из которых содержал данные, закодированные 20-гигаботной* 64-QAM, что показало в среднем скорость передачи — 4.4 Тб/с.

мВт* — 1 милливатт = 10^-3 Вт.

Бот* — единица измерения символьной скорости (число состояний сигнала в линии в единицу времени), количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду.

Результаты исследований

Частотный гребень и микрорезонаторы

Как мы уже узнали ранее, для генерации частотного гребня был использован микрорезонатор из нитрида кремния. Радиус резонатора составил 100 мкм, что привело к формированию свободного спектрального диапазона* в 230 ГГц.

Свободный спектральный диапазон* — интервал в частоте или длине волны между двумя последовательными отражениями или переданными оптическими максимумами интенсивности или минимумами интерферометра, или дифракционного оптического элемента.

Кольцевой волновод, шириной 2 мкм и толщиной 600 нм, сопутствовал нормальной дисперсии в С полосе. Показатель внутренней добротности* составил 1.6 миллиона.

Добротность* — или Q-фактор (от анг. quality factor) это параметр ширины резонанса, обозначающий во сколько раз запас энергии внутри системы больше, чем ее потери за период изменения фазы на один радиан.

Во время экспериментов использовался перестраиваемый лазер с внешним резонатором с шириной лазерного излучения менее, чем 10 кГц. Прежде, чем достичь микрорезонатора, лазерное излучение усиливается и фильтруется для достижения непрерывного потока накачки в 25.6 дБм*.

дБм* — децибел-милливатт — соотношение мощности в децибелах к измеренной мощности в милливаттах. Используется в оптоволоконных технологиях для обозначения абсолютной мощности, так как может отображать как большие, так и крайне малые числа в короткой форме. 0 дБм = 1 мВт.

Изображение №1а

На изображении 1а продемонстрирована схема настройки процесса генерации гребня. При большой мощности накачки потери на стороне волоконно-оптической связи составили примерно 5 дБ / грань. Микрорезонатор оснащен как пропускным портом так и результирующим портом, последний используется для оценки формы волны внутри полости резонанса. Ввиду сильной связи между резонатором и пропускным портом, гребень, полученный на пропускном порте, используется для коммуникативных экспериментов.

Формирование гребня осуществляется путем преобразования длины волны лазера накачки в резонанс. Дабы мониторить гребень в активном состоянии, на новообразованную линию (порядка 1536 нм), сразу после полосно-пропускающего фильтра, был размещен фотодиод. (Это отображено на схеме 1а).

Фотодиод, работающий как своего рода показатель настроек длины волны лазера, позволяет запускать гребень как только лазер будет близок к резонансу. Таким образом накачка лазера прекратится автоматически, как только гребень достигнет заданного состояния.

Такое закрепление связи между фотодиодом, лазером и самим гребнем является не обязательным для обеспечения стабильности состояния последнего на протяжении нескольких часов. Суть в том, что цикличность обратной связи системы гарантирует, что внешние факторы не повлияют на состояние спектра.


Изображение №1b

На изображении выше представлена кривая характеристик темных импульсов спектра сгенерированного гребня на пропускном порте. Чтобы убедиться в том, что гребень соответствует циркулирующим в полости темным импульсам, два отдельных измерения были проведены на стороне результирующего порта.


Изображение №1с

Выше представлен результат измерений, выполненных оптическим осциллографом (500 ГГц).


Изображение №1d

А тут мы видим результат измерения спектральных фаз гребня.


Изображение №1е

И наконец, график биения, демонстрирующий явно выраженный пик на > 50 дБ выше уровня шума. При этом функция Гаусса вписывается в FWHM* < 30 кГц. Все это указывает на то, что синхронизация мод работает на уровне гораздо более высоком, чем требуется для современных WDM-систем.

FWHM* — полная ширина на уровне половинной амплитуды — разница между минимальным и максимальным значениями аргумента функции, взятом на уровне половины ее максимального значения.

Модуляция оптических данных

Теперь гребень микрорезонатора готов к использованию в передаче данных с помощью определенных форматов модуляции. Дабы обеспечить максимальную мощность гребня во время эксперимента с передачей данных, исследователи использовали гребень темных импульсов в пропускном порту как источник света для передачи. Общая мощность составила не более 28 мВт (из которых 8.6 мВт относятся к новообразованным волнам гребня). КПД вырос на 20%.

Вслед за нашим гребнем идет узкополосный заграждающий фильтр (200 ГГц), задача которого подавлять центральную волну гребня, что позволяет более эффективно оперировать оптическим усилителем (EDFA).


Изображение №2а

Схема передачи данных по одному диапазону на расстояние 80 км продемонстрирована на изображении 2а.


Изображение №2b: Спектр гребня после усиления и фильтрации.

Вслед за оптическим усилителем установлен селективный переключатель длины волны (WSS), с помощью которого мощность гребня разделяется на два направления (odd (нечетное) и even (четное)). Это позволяет удерживать необходимое количество волн, идущих к каждому модулятору (по 10 на каждый). Помимо этого, переключатель позволяет выровнять мощность волн гребня в каждом направлении отдельно.

Каждый из модуляторов управляется сигналами, поступающими от генераторов сигналов произвольных форм (AWG), каждый из которых запрограммирован генерировать два независимых случайных 64-QAM сигнала, используя меандр*, каждый импульс которого несет 6 бит на символ со скоростью в 20 гигабот.

Меандр* — периодический сигнал прямоугольной формы.

Случайная частота состоит из 216 символов, а передискретизация* равна 3, поскольку AWG может работать только при 60 GS/s.

Передискретизация* — изменение частоты дискретизации дискретного цифрового сигнала.

Дабы нивелировать неточности в цифро-аналоговых преобразователях (DAC) и в модуляторах, на сигнал в AWG была применена цифровая предварительная компенсация.

Далее активируется этап мультиплексирования* с разделением и задержкой, где ветвь длиной ?1 м соответствует ?100 символам данных. Использование обоих методов мультиплексирования позволили вдвое увеличить производительность системы.

Последний этап — обе ветви (оба направления сигналов) рекомбинируются и уплотняются, после чего отправляются непосредственно на канал связи.


Изображение №2с

Данное изображение (2с) демонстрирует как второй этап уплотнения преобразовывает разность мощности двух направлений в слегка меняющийся уровень шума.

Результаты передачи данных

Вслед за 80-километровым стандартным одномодовым волоконно-оптическим кабелем идет многополяризационный одноканальный когерентный ресивер. В качестве локального осциллятора выступает перестраиваемый лазер с внешним резонатором, ширина линии которого меньше 100 кГц. Это позволяет получать один поток данных за раз, используя осциллограф с пропускной способностью 23 ГГц, работающий в режиме 50 GS/s. Далее к процессу подключаются стандартные алгоритмы цифровой обработки данных, работающие в автономном режиме.


Изображение №3а, на котором продемонстрирована схема передачи данных.


Изображение №3b: сигнальное созвездие* 64-квадратурной амплитудной модуляции.

Сигнальное созвездие* — диаграмма, представляющая различные значения комплексной амплитуды сигналов, подверженных манипуляции, на комплексной плоскости.

Дабы обеспечить оптимальный уровень мощности сигнала, данные записывались с разной пусковой мощностью. На изображении 3с мы видим самый оптимальный вариант, когда пусковая мощность сигнала составляет 3 дБм / канал. Данный уровень действительно самый подходящий, так как более высокая мощность приводит к возникновению нелинейного искажения, а более низкая мощность снижает производительность всей системы.


Изображение №3с

Также был вычислен коэффициент битовых ошибок (утрировано погрешность, то есть соотношение ошибочных битов к общему числу переданных). Данный показатель был получен путем сравнения декодированного потока битов с переданным. Коэффициент битовых ошибок оказался более чем приемлемым для всех линий гребня, учитывая что передача осуществлялась на 80 км. Помимо этого, полученный при вычислении коэффициент битовых ошибок (BER — Bit error rate) позволяет эффективно использовать прямую коррекцию ошибок* с запасом 9,1%. После данной процедуры коэффициент битовых ошибок составляет ниже 10^-15, что гарантирует передачу данных со скоростью порядка 4.4 Тб/с.

Прямая коррекция ошибок* — способ кодирования или декодирования, за счет которого возможно исправить ошибки путем опережения, то есть передаются не только необходимые данные, но и избыточные служебные, которые позволяют в результате восстановить первоначальное содержание передачи.

Заключительный эксперимент проводился без участия оптоволоконного кабеля, то есть прямое подключение трансмиттера и ресивера. Это позволяет проверить два важных момента:

• проверить производительность трансмиттера/ресивера в идеальных, то есть теоретических, условиях, когда учитывается исключительно аддитивный белый гауссовский шум.
• определить потери на стороне гребня и на стороне системы приемопередатчика, путем сравнения результатов с подобными измерениями, проведенными с использованием автономного лазера.

Измерения проводились путем оценки полученного BER по отношению к различным уровням SNR (отношение сигнал/шум).


Изображение №3d

Как видно из графика выше, для выбранного предела BER в размере 7х10^-3 линии гребня требуют немного более высокого OSNR (от 0 до 0.5 дБ) по сравнению с системой лазера со свободной генерацией.

Линии гребня продемонстрировали, что увеличение OSNR на 3 дБ, с учетом теоретических прогнозов, необходимо для достижения нужного значения BER.

Данные эксперименты показали, что микрорезонаторы частотных гребней не ухудшают производительность передачи, что делает их прекрасными источниками света для когерентной коммуникационной системы высокого порядка.

Дополнительные сведения

По мнению ученых их исследование и практические опыты крайне важны тем, что демонстрируют возможность использовать КПД темно-импульсных гребней для достижения соотношения сигнал/шум >33 дБ, при этом сохранять внутреннюю мощность накачки на уровне нескольких сотен мВт.

Не смотря на то, что спектральная эффективность была довольно мала (около 0.95 Б/с/Гц), эти показатели не являются граничными для систем передачи данных на основе микрорезонаторов частотных гребней.

Данное исследование помогло достичь улучшенного показателя соотношения сигнал/шум для длинноволновых каналов посредством оптимизированного темно-импульсного гребня. Достигнутый уровень соотношения сигнал/шум сопоставим с современными системами гибридных кремниевых лазеров, которые демонстрируют оптическую ширину линии в 15 кГц, а уровень мощности порядка 100 мВт.

Полученные во время экспериментов соотношения сигнал/шум достаточно велики для проведения модуляции высокого порядка, при этом уровень ошибок сохраняется на достаточно низком уровне, даже при совместной работе гребня и других подсистем во время передачи информации.

С точки зрения передачи данных, самая слабая линия в гребне будет задавать минимальный порог для возможного соотношения сигнал/шум для каждой линии на трансмиттере. Уровень мощности линии может быть повышен путем оптимизации коэффициента дисперсии и скорости связи микрорезонатора.

Для проверки этой теории был проведен тест оптимизации, где были изменены вышеуказанные параметры, а все остальные остались прежними. Мощность накачки лазера осталась на уровне 100 мВт, а интервал линий на уровне 100 ГГц, поскольку именно такой уровень наиболее подходит для WDM стандартов. Эксперимент показал, что использование большего резонатора с меньшим свободным спектральным диапазоном может привести к тому, что темно-импульсный гребень покроет полосу С, в то время как интервал будет на уровне 100 ГГц.


Изображение №4а: демонстрация результатов оптимизации.


Изображение №4b: самая слабая линия внутри полосы С возникает на уровне -10 дБм.

Мощности линий гребня варьируется от 51 до 71 дБ выше предела квантового шума.

На графике ниже продемонстрированы требования к соотношению сигнал/шум для различных форматов модуляции и разной скорости передачи символов.



Для более подробного ознакомления с исследованием рекомендую ознакомиться с отчетом ученых, доступном по ссылке.

Эпилог

Естественно, данное исследование и практический опыт, основанный на его результатах, являются первым шагом в понимании того, как применять подобные явления и техники в будущем. Любой эксперимент в первую очередь должен ответить на самый главный вопрос — стоит ли дальше проводить исследования или может игра не стоит свеч? В данном случае, темно-импульсные частотные гребни показали отличные результаты. А это значит, что в будущем мы увидим немало ученых, пытающихся еще более тщательно разобраться в вопросе применения микрорезонаторов и темных импульсов. Сыграют ли эти исследования важную роль в технологиях передачи данных? Возможно. Никто не вправе говорить наверняка, поскольку еще очень много нужно понять, начиная от самой техники микрорезонаторов и заканчивая способами ее совершенствования. Однако, не стоит по умолчанию относиться скептически ко всем исследованиям, ибо в любом случае каждое из них вносит свой вклад, может незначительный, а может колоссальный, в наше с вами будущее.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?