Лазерный мир

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)

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.

Полное содержание статьи: http://www.nanonewsnet.ru/news/2018/temnye-solitony-chastotnye-grebni-mikrorezonatory-80-km-optovolokonnogo-kabelya