Использование волнового конвертирования и дисперсии

Схема оптической задержки на основе конвертирования длин волн использует эффект четырехволнового смешения (ЧВС) [9] и среду с дисперсионным коэффициентом D (l). Совместное действие ЧВС и дисперсии дает возможность [16]:

• · генерировать задержки в диапазоне от 1−10 нс, позволяющие достичь относительной задержки до 400 (для импульсов 25 пс — SDH STM-256 — 40 Гбит/с) или 1000 (для импульсов 10 пс — 100 Гбит/с Ethernet);
• · формировать непрерывно изменяемую задержку;
• · добиться совместимости с короткими (10 пс) и длинными (1 нс) импульсами;
• · обеспечить одинаковую ширину полосы и длину волны сигнала на входе и на выходе;
• · связать фазу выходного сигнала с фазой входного сигнала, установив необходимость фазовой совместимости.

Концептуально схема формирования оптической задержки включает управляемый сдвиг длины волны импульса под действием ЧВС (конвертирования), пропускания задерживаемого импульса через дисперсионную среду и обратноый управляемый сдвиг его длины волны под действием ЧВС (реконвертирования). Общая задержка, получаемая импульсом, пропорциональна сдвигу исходной длины волны, умноженному на ДГС ОВ дисперсионной среды: Dt ~ D (l)(ls — lp). Конвертирование длин волн осуществляет оптоволоконный параметрический усилитель (FOPA), что позволяет избежать оптоэлектронного преобразования сигнала.

Блок-схема оптической задержки. Сигнальные импульсы частотой 75 МГц и шириной 10 пс генерируются оптическим параметрическим генератором OPO. Часть этого сигнала детектируется в точке, А и используется для модуляции перестраиваемого непрерывного лазера, применяемого для первичной накачки. В результате модуляции накачки формируются импульсы накачки шириной 500 пс. Они усиливаются усилителем EDFA и синхронно объединяются мультиплексором WDM с сигнальными импульсами. Параметрическое усиление сигнальных импульсов в ОВ со сдвигом нуля дисперсии (длиной 1 км) и с высокой степенью нелинейности (HNL-DSF) приводит к генерации (за счет ЧВС) дополнительных импульсов по схеме: 2wн = wс + wд, где wн, wс и wЧВС — частоты импульсов накачки, сигнала и ЧВС соответственно. На выходе ОВ HNL-DSF импульсы накачки и сигнала отфильтровываются, а импульсы ЧВС для компенсации дисперсии проходят через петлю ОВ (типа DCF) с дисперсией групповых скоростей D (l) = -74 пс/нм. Задержка, приобретаемая импульсами ЧВС, пропорциональна сдвигу исходной длины волны, умноженному на коэффициент ДГС волокна DCF.

Аналогично тому, как это делалось на входе, выходной сигнал петли ОВ DCF детектируется в точке В и модулирует сигнал вторичной накачки. В результате импульсы ЧВС сдвигаются обратно к исходной частоте, пройдя через ту же петлю ОВ HNL-DSF усилителя FOPA. После этого, пройдя через циркулятор и фильтр (отфильтровывающий накачку и ЧВС-импульсы), задержанный выходной сигнал детектируется и подается на осциллограф. приведены зависимости длительности задержки и коэффициента параметрического усиления от длины волны накачки и вид сдвинутых выходных импульсов (рис.14б), позиции которых соответствуют точкам на прямой. максимальная задержка превышает 800 пс, а форма импульсов не изменилась и сдвига длины волны выходного сигнала (по сравнению с входным 1565 нм) нет, но есть существенное уширение импульса на уровне -8дБ от пика, вызванное усиленным спонтанным излучением (ASE), фазовая информация импульса при этом сохраняется.

Другой вариант схемы оптической задержки можно представить в виде пары пространственных призм. Первая призма изменяет волновой вектор k падающего поля на k', что приводит к его пространственному сдвигу. Вторая такая же (но перевернутая) призма меняет вектор k' обратно на k, но оставляет полученный пространственный сдвиг Dd. Пространственные призмы можно заменить временными, так как математически последние приводят к линейной временной задержке (линейной фазе) входящего поля, аналогично тому, как это делает обычная призма в пространстве.

Реализация этой идеи была описана в [17], где пара временных призм моделировалась парой электрооптических фазовых модуляторов (на LiNbO3) и дисперсионной средой, включенной между ними Первый модулятор изменял частоту поля (вносил фазовый сдвиг) Dwt, а второй — возвращал ее обратно, внося фазовый сдвигDwt, тогда как дисперсионная среда вносила временную задержку Dt = DlD, где l — центральная длина волны падающего цуга импульсов, Dl = (l2/2pc) Dw — соответствующий сдвиг длины волны, вызванный фазовой модуляцией, а D — дисперсионный параметр (пс/нм).

В схеме эксперимента импульсный источник генерировал цуг импульсов (частотой 5 ГГц и длительностью импульсов 8 пс), который компенсировался до (pre-comp) и после (post-comp) для устранения уширения импульсов за счет дисперсионной задержки путем пропускания через катушки волокна с дисперсионным параметром 37 пс/нм каждая. Согласованная с компенсаторами дисперсионная задержка (-74 пс/нм) использовалась для генерации временной задержки. Временные призмы, возбуждаемые 5 ГГц синусоидальным сигналом, модулировались RF-модуляторами, которые управляли напряжением смещения оптических фазовых модуляторов. В результате достигался определенный частотный сдвиг и соответствующая временная задержка (рис.15г). Максимально достигнутая величина задержки составила 19 пс.

Основным ограничением используемой схемы является то, что дисперсия, используемая для получения необходимой временной задержки, неизбежно приводит к уширению импульсов, которое приходится компенсировать, что уменьшает возможность получения большой относительной задержки (она составила 2,4 для импульсов шириной 8 пс). Устранить эффект уширения импульсов можно, применив, например, солитонный режим распространения волны [9] между временными призмами.

Такую модификацию своего предыдущего эксперимента авторы представили в работе [18]. В схеме модифицированного эксперимента для демонстрации больших возможностей использовались импульсы длительностью 5,5 пс в цуге 10 ГГц импульсов с центральной частотой 1549,3 нм. Частота повторения цуга импульсов делилась пополам модулятором Маха-Цендера (MZ). Длина волны несущей затем сдвигалась вверх первой временной призмой, или оптическим фазовым модулятором (PM-1), возбуждаемым 10 ГГц синусоидальным сигналом и модулируемым 0,5 ГГц сигналом. Для формирования солитонного режима модулированный сигнал усиливался оптическим усилителем EDFA (примерно до уровня 19−20 дБм) и пропускался через дисперсионную среду в виде волокна SMF-28 (2,88 км с общей дисперсией 49 пс/нм). После чего несущая длина волны сдвигалась обратно с помощью второго фазового модулятора (временной призмы PM-2). Достигнутая задержка составила 33 пс, а относительная задержка — 6 (вместо 2,4). Дополнительным преимуществом схемы явилось то, что не нужно было использовать преи посткомпенсацию.