Regenerator Mamyshev 2R

Regenerator Mamyshev 2R to w pełni optyczny regenerator używany w komunikacji optycznej . W 1998 roku Pavel V. Mamyshev z Bell Labs zaproponował i opatentował zastosowanie samofazowej modulacji (SPM) do przekształcania i ponownego wzmacniania jednokanałowego impulsu optycznego. Nowsze zastosowania dotyczą dziedziny generowania ultrakrótkich impulsów o dużej mocy szczytowej.

Konstrukcja regeneratora 2R

Schemat konwencjonalnego regeneratora Mamyshev pokazano poniżej. Wzmacniacz światłowodowy o dużej mocy domieszkowany erbem (HP-EDFA) wzmacnia przychodzący sygnał do mocy (Pm) wymaganej do optymalnego wyrównania mocy szczytowej symboli „jedynki”. Po tym wzmacniaczu można zastosować optyczny filtr pasmowoprzepustowy (nie pokazany na rysunku) w celu odrzucenia wzmocnionej emisji spontanicznej poza pasmem .

modulacją własną fazy jest generowane w światłowodzie jednomodowym o długości ${\ displaystyle L}$ . Dyspersja chromatyczna tego włókna jest $jej wartość$$wynosi$ Współczynnik nieliniowy to , a straty liniowe to . Z powodzeniem przetestowano kilka rodzajów włókien: włókna o niezerowej przesunięciu dyspersji , wysoce nieliniowe włókna krzemionkowe (HNLF), mikrostrukturalne włókna krzemionkowe , włókna chalkogenkowe lub włókna tellurowe.

Na wyjściu światłowodu optyczny filtr pasmowoprzepustowy (OBPF) o szerokości widmowej FWHM $($ wyjściu jest taka sama jak na wejściu systemu), ${\ Displaystyle \ Delta \ lambda}$ w odniesieniu do długości fali nośnej sygnału wejściowego i jest $używany$ do wyrzeźbienia w poszerzonym widmie - działając w ten sposób jak przekształcający.

Jest to konfiguracja jednostki, którą można powtórzyć dla większej dokładności regeneracji.

Wykazano, że możliwe jest korzystne zastąpienie włókna nieliniowego wysoce nieliniowym falowodem chalkogenkowym, otwierając w ten sposób drogę do całkowicie zintegrowanej regeneracji chipa fotonicznego.

Zasada działania i konstrukcja

Rysunek 1: (Panel dolny) Wejście i (Panel górny) Impulsy wyjściowe/zregenerowane.

Rysunek 2: Funkcja przenoszenia odnosząca się do wejściowych mocy wyjściowych dla regeneratora Mamyshev 2R.

Regenerator Mamyshev może obsługiwać sygnały powrotu do zera z ultrawysokimi przepływnościami danych. Rzeczywiście, dzięki quasi-natychmiastowej odpowiedzi nieliniowego efektu Kerra , ten regenerator nie cierpi z powodu skończonego czasu regeneracji niektórych absorberów ulegających nasyceniu .

Zainteresowanie regeneratora Mamyshev polega na jego zdolności do jednoczesnej regeneracji bitów informacji „jedynki” i „zera”.

Kluczowym efektem wpływającym na ewolucję impulsu w regeneratorze jest samomodulacja fazy, która poszerza widmo proporcjonalnie do intensywności początkowego impulsu optycznego. W połączeniu z przesunięciem częstotliwości wyjściowej OBPF, stanowi to wydajny ultraszybki prog. Bardziej szczegółowo, impulsy lub szumy o niskim natężeniu nie rozszerzają się znacznie i wychodzą poza niecentryczny BPF, a zatem wyjście dla hałaśliwych zer w strumieniu danych jest zredukowane do poziomu zerowego. Wręcz przeciwnie, dla impulsów danych 1 intensywność jest wystarczająco silna, aby poszerzyć widmo przez SPM, a znaczna część widma mieści się w paśmie przepustowym OBPF, co prowadzi do wygenerowania impulsu wyjściowego 1.

Przy starannym zaprojektowaniu regeneratora i odpowiedniej kombinacji parametrów filtra (przesunięcie widmowe i szerokość pasma) / parametrów światłowodu (wartości długości, dyspersji i nieliniowości) można również uzyskać redukcję fluktuacji amplitudy, prowadzącą do wyrównania mocy strumienia impulsów .

Wyniki modelowania dla regeneratora 2R przedstawiono w artykule. Na rysunku 1 górny panel pokazuje zregenerowany impuls z wejścia (dolny panel) dla regeneratora Mamyshev 2R. Zaszumione impulsy 1 są wzmacniane do tych samych poziomów mocy na wyjściu, podczas gdy impulsy 0 są redukowane do poziomu szumów.

Ważną właściwością regeneratora Mamyshev jest jego funkcja transferu, która łączy moc szczytową wyjściową z mocą szczytową wejściową. W celu wydajnego działania i wyrównania mocy ta funkcja transferu powinna wykazywać wyraźne plateau na poziomie mocy 1. Przykład funkcji przenoszenia przedstawiono na rysunku 2.

Widmowe operacje poszerzania, filtrowania i regeneracji wokół centralnej długości fali pokazano na rysunku 3.

Przy projektowaniu tego nieliniowego regeneratora należy zwrócić uwagę, aby uniknąć konsekwencji szkodliwego rozpraszania wstecznego Brillouina, jak również interakcji między impulsami, prowadzących do efektów wzorcowania w sekwencji wyjściowej.

Rysunek 3: Schematyczny operator regeneratora 2R w domenie widmowej. Górny wykres przedstawia oryginalne widmo impulsów na wejściu; środkowe zdjęcie pokazuje impuls rozszerzony przez SPM oraz obszar rozstrojenia i filtrowania filtra; dolny rysunek pokazuje przefiltrowane widmo. Pozioma skala długości fal w nanometrach, wyśrodkowana wokół długości fali telekomunikacyjnej 1550 nm

Regenerator Mamyshev - Warianty

Ze względu na proces filtrowania widmowego, zregenerowany impuls jest wewnętrznie przesunięty w stosunku do pierwotnej częstotliwości. Może to być korzystne, jeśli konwersja długości fali ma być osiągnięta jednocześnie z regeneracją, a zatem można rozważyć przełączanie kanałów. Jeśli jednak chce się odzyskać sygnał wyjściowy mający początkową długość fali, możliwość zastosowania kolejnej regeneracji z częstotliwością środkową BPF umieszczoną na oryginalnej częstotliwości środkowej kanału pozwala przezwyciężyć ten problem. Można to zrobić w pojedynczym włóknie, stosując dwukierunkową propagację w nieliniowym włóknie.

Wielokanałowa regeneracja 2R

Regenerator Mamyshev w swojej standardowej konfiguracji jest ograniczony do pracy na jednej długości fali, aby zapobiec efektom modulacji międzyfazowej (XPM) z sąsiednich kanałów. Zaproponowano kilka schematów rozszerzenia regionu działania na reżim wielokanałowy.

W swojej pracy nad kompensacją miksowania czterofalowego (FWM) przy użyciu HLNF i jego XPM, Michael Vasilyev i współpracownicy zaproponowali i zademonstrowali do 12-kanałowej regeneracji optycznej w systemach 10 Gbit/s.

W innych pracach, wykorzystując schemat przeciwpropagujący, zademonstrowano regenerację podwójnej długości fali. Liczba obsługiwanych kanałów została zwiększona do czterech dzięki multipleksowaniu polaryzacyjnemu .

Wydajna, w pełni optyczna regeneracja oparta na urządzeniu Mamyshev została zademonstrowana przy różnych szybkościach powtarzania: 10 Gbit/s, 40 Gbit/s i do 160 Gbit/s.

Regenerator Mamyshev może mieć słabą wydajność: filtrowanie widmowe rozszerzonego widma powoduje duże straty energii wewnętrznej. Aby zrekompensować te straty, można zastosować rozproszone wzmocnienie ramanowskie .

Regeneracja 3R

Regenerację 2R można połączyć z dodatkowym etapem regeneracji, aby zapewnić regenerację 3R.

Technika Mamyshev została również wykorzystana do transmisji OCDMA i zaproponowano wykorzystanie konfiguracji Mamyshev w ramach monitorowania wydajności optycznej . Funkcje przekształcania regeneratora Mamyshev zostały również połączone z procesem przyciągania polaryzacji, który umożliwia jednoczesną regenerację stanu polaryzacji i profilu intensywności zdegradowanych strumieni impulsów.

Generowanie ultrakrótkich impulsów o wysokiej mocy szczytowej

Potencjalne zastosowania regeneratorów Mamyshev nie ograniczają się do dziedziny telekomunikacji optycznej. Ta technika okazała się również korzystna w dziedzinie generowania ultrakrótkich i wysokich szczytowych impulsów mocy. Rzeczywiście, ulepszanie tła i funkcje przekształcania regeneratorów Mamyshev otworzyły nowe perspektywy wykorzystania laserów z przełączaniem wzmocnienia i umożliwiły generowanie impulsów subpikosekundowych o mocy szczytowej przekraczającej poziom megawatów w tak zwanych oscylatorach Mamyshev. Inny przykład uzyskano ze wzmocnieniem kontrastu o kilka rzędów wielkości impulsu femtosekundowego mJ w wypełnionym argonem pustym włóknie rdzeniowym.

Konkatenacja regeneratorów Mamysheva i zastosowanie w światłowodowym oscylatorze optycznym

Łączenie par regeneratorów Mamysheva zostało zbadane numerycznie i wykazało, że dobrze zdefiniowane struktury mogą spontanicznie wyłonić się z architektury oscylatora, co zostało następnie potwierdzone eksperymentalnie. Dodatkowe badania koncentrowały się na opracowaniu ultrakrótkich laserów światłowodowych o dużej mocy szczytowej i rozważano inne projekty wnęk. W 2017 roku osiągnięto rekordowe moce szczytowe znacznie powyżej poziomu MW.