Celooptické interferometrické spínače

Jsou popsány tři základní druhy celooptických spínačů (Mach-Zehnderův interferometr - MZI, Sagnacův interferometr - SI a ultrarychlý nelineární interferometr) založených na rozdílných interferometrických strukturách v kombinaci s optickým nelineárním prvkem (polovodičovým optickým zesilovačem) a jejich využití v roli celooptických demultiplexorů a vlnových konvertorů.

---

All-optical interferometer switches

Abstract

This paper describes three basic types of all-optical switches ((Mach-Zehnder interferometer - MZI, Sagnac interferometer - SI a ultra-fast nonlinear interferometer) based on different interferometrical structures in combination with optical nonlinear element (semiconductor optical amplifier) and its use as a all-optical demultiplexers and wave convectors.

---

Úvod

Současné prvky optických sítí mohou přenášet datové toky maximální přenosovou rychlostí o hodnotě 40 Gbit/s na jedné vlnové délce. Tento limit je z velké části způsoben současnými technologickými hranicemi elektro-optické konverze. Pokud chceme dosáhnout vyšších přenosových rychlostí, je nutné použití hustého vlnového multiplexu (DWDM), ovšem i tato varianta má svá omezení. Ta plynou z velikosti optického pásma, které lze využít pro přenos dat (telekomunikační okna), při DWDM přenosu dochází také k přeslechům mezi kanály [1] a v případě velkého počtu DWDM kanálů dochází vlivem nelineárních efektů např. k nežádoucímu čtyřvlnovému směšování [2].

Celooptické interferometrické spínače představují jedno z nejperspektivnějších řešení budoucích optických sítí [3], neboť požadavek na přenosové rychlosti neustále roste a již nyní začínají být klasické optické systémy na hranicích svých technologických možností. V těchto systémech se využívá "pomalá" elektro-optická konverze. Naopak, u celooptických spínačů dochází ke zpracování signálu pouze v optické doméně, a proto bude možné nejen plnohodnotně nahradit současné elektro-optické systémy opticky transparentními, ale i budovat systémy s mnohem většími přenosovými rychlostmi. Byly ohlášeny optické spínače ve funkci celooptického OTDM demultiplexoru s přenosovou rychlostí 160 Gbit/s [4], celooptické vlnové konvertory [5] a celooptické 3R regenerátory [6].

Tento článek je zaměřen na tři druhy celooptických spínačů. Jsou popsány jejich konfigurace, principy operace a přenosové parametry.

Celooptické spínače

Celooptické interferometrické spínače funkčně spojují interferometrické struktury optických komponent a opticky nelineární médium. V současnosti se jeví jako nejvýhodnější nelineární médium polovodičový optický zesilovač (dále jen anglická zkratka SOA - Semiconductor optical amplifier), neboť se vyznačuje kompaktní velikostí a velmi rychlou dynamikou [7]. Polovodičové prostředí SOA dává vzniknout optickým nelineárním efektům jako např. křížové fázové modulaci (angl. XPM - Cross-phase modulation), křížové modulaci zisku (angl. XGM - Cross-gain modulation) nebo čtyřvlnovému směšování (angl. FWM - Four-wave mixing). Nelinearity fáze a zisku SOA jsou následně efektivně využity ve spolupráci s interferometrickými strukturami.

MZI spínač se skládá z Mach-Zehnderova interferometru a SOA, který je umístěn do jednoho z ramen interferometru. Obě ramena musí být stejně dlouhá, neboť přenos interferometru je silně závislý na jejich rozměrové symetrii. Z tohoto důvodu se MZI spínač nečastěji vyrábí v opticky integrované formě s monoliticky integrovaným SOA. Integrovaná forma také zajišťuje teplotní stabilitu obou ramen.

Obr. 1 zobrazuje konfiguraci MZI s jedním SOA. Optický datový puls vstupující do MZI spínače je rozdělen na vstupním vazebním členu (vazební útlum 3 dB) do dvou identických pulsů. Jeden puls se šíří v ramenu se SOA a druhý puls (replika) v ramenu neobsahujícím zesilovač. Pokud nejsou vysílány řídicí pulsy do SOA, oba datové pulsy spolu interferují na výstupním vazebním členu. Vlivem konstruktivní a destruktivní interference se na výstupním portu 2 objeví datový puls a port 1 zůstane bez datového signálu.

Obr. 1 Konfigurace MZI spínače.

Pokud vysíláme řídicí puls (λ_C ≠ λ_D) do SOA přesně v okamžiku, kdy se jím šíří i datový puls, řídicí puls vytvoří změnu indexu lomu prostředí vlivem změny koncentrace nosičů a tedy fáze datového pulsu je změněna.

Obr. 2 Princip spínacího okna (příklad SMZI) - řídicí pulsy vysílány do ramene č. 1 (plná křivka) v okamžiku τ₁ a do ramena č. 2 (čárkovaná křivka) v okamžiku τ₂ způsobí fázový rozdíl ΔΦ na výstupu spínače v časovém intervalu Δτ

V ideálním případě je fázový posun roven p a datový puls se objeví na výstupním portu 1 (místo portu 2). Tento příklad popisuje jednoduchý OTDM demultiplexor. Pro potlačení pomalých složek dynamiky SOA můžeme využít dalšího SOA a umístit ho do druhé větve interferometru (konfigurace se nazývá symetrický MZI - SMZI), čímž vylepšíme přenosové parametry spínače. Časové zpoždění mezi řídicími pulsy pro jednotlivá ramena definuje šířku spínacího okna (první řídicí puls spínač "otevře" a druhý "zavře"). Spínací okno je základní přenosový parametr celooptických spínačů (obr. 2).

SI spínač (také nazývaný SLALOM) se skládá z vláknové smyčky, do které je umístěn SOA a ze vstupně-výstupního optického vazebního členu (obr. 3). Princip operace je velmi podobný principu MZI, ovšem s tím rozdílem, že u tohoto spínače se datový puls a jeho replika šíří protisměrně stejným optickým vláknem. Tato konfigurace zajišťuje dokonalou symetrii interferometru (smyčka nahrazuje dvě ramena MZI). Datový puls je na vstupním portu rozdělen na dva proti sobě se šířící pulsy. Pokud není v SOA přítomen řídicí puls, oba pulsy se šíří optickým prostředím se stejnými vlastnostmi, a proto spolu interferují na optickém vazebním členu a výsledný datový puls se odráží stejným vstupním portem směrem ke zdroji datových pulsů. Abychom mohli provádět spínání, musíme zavést do interferometrické konfigurace asymetrii a sice změnou pozice SOA ve vláknové smyčce. Tato asymetrie vytvoří časový rozdíl mezi příchodem datových pulsů do SOA. Pozicí SOA definujeme časové spínací okno a jeho šířka je dána

(1)

kde n je index lomu vlákna, c značí rychlost světla a Δx popisuje offset pozice SOA, jak je naznačeno na obr. 3. Pokud je řídicí puls vysílán do SOA skrze vazební člen (WDM) nacházející se uvnitř smyčky, vyvolá změnu fáze mezi oběma datovými pulsy šířícími se protisměrně a dochází ke konstruktivní interferenci na výstupním portu spínače.

Obr. 3 Konfigurace SI spínače (SLALOM)

Další zástupce vláknových celooptických spínačů je ultrarychlý nelineární interferometr (angl. UNI - Ultrafast nonlinear interferometer) zobrazený na obr. 4. Podstata spínače spočívá v použití polarizaci zachovávajícího vlákna (PM vlákno). Princip operace je následující. Datový puls je rozdělen s ohledem na jeho polarizační stav v polarizačním děliči svazků. Puls opouštějící dělič je navázán do obou os, rychlé a pomalé, dvojlomného vlákna. Obě ortogonálně polarizované složky pulsu se od sebe časově vzdálí vlivem šíření v různých osách vlákna. Tento časový rozdíl závisí na délce vlákna a na parametru dvojlomu B. Časový rozdíl také definuje šířku časového spínacího okna Δτ UNI spínače

(2)

kde n_rychl a n_pomal jsou indexy lomu rychlé a pomalé osy PM vlákna, L je délka vlákna a c je rychlost světla. Po šíření v PM vláknu se obě komponenty pulsu dostanou skrze optický cirkulátor do smyčky, ve které se nachází i SOA. Pokud není řídicí puls přítomen v SOA, obě komponenty lišící se polarizací nejsou ovlivněny přídavnou změnou fáze. Než opustí smyčku, jejich polarizační stav je změněn pomocí polarizačního kontroléru tak, aby byl vykompenzován dvojlom (časový rozdíl) při zpětném šíření PM vláknem. Na vstupně-výstupním polarizačním děliči svazků (angl. PBS - Polarization beam splitter) spolu interferují obě komponenty destruktivně na výstupním portu. Pokud chceme přepnout datový puls na výstupní port, musíme vysílat do SOA řídicí puls (λ_C ≠ λ_D) časově přesně mezi komponenty datového pulsu. Řídicí puls změní fázi zpožděné repliky datového pulsu skrze efekt křížové fázové modulace. Tato změna fáze vede ve výsledku k přepnutí datového pulsu na výstupní port spínače.

Obr. 4 Konfigurace UNI spínače. Polarizační dělič svazku (PBS), polarizaci zachovávající vlákno (PMF), cirkulátor (CIR), polarizační kontrolér (PC).

Celooptické spínače popsané výše charakterizuje jejich přenos. Principiálně je tato vlastnost interferometrických spínačů popsána rovnicí

P_in(t) a P_out(t) jsou vstupní a výstupní výkonové charakteristiky datového signálu. G₁(t), G₂(t) a Φ₁(t), Φ₂(t) je časově závislý zisk, resp. fázový posun SOA. Tyto charakteristiky SOA jsou řízeny pomocí nelineárních procesů vyvolaných řídicími pulsy. V případě MZI spínače, indexy zisků a fáze odpovídají jednotlivým optickým zesilovačům v ramenech interferometru. SI spínač využívá pouze jeden SOA, a proto indexy odpovídají různým směrům zisku a fáze. V případě UNI spínače se jedná o zisky a fázové charakteristiky pro TE a TM vid SOA. Nutno podotknout, že veškeré ztráty jsou zanedbány a vazební poměr pro všechny tři interferometry je roven 0,5 (3 dB).

Použití celooptických spínačů

Celooptické interferometrické spínače mohou být použity pro potřeby optického demultiplexování a vlnové konverze. Obr. 5 zobrazuje schéma celooptického spínače ve funkci demultiplexoru OTDM kanálů. Datový tok je přiveden na vstupní port spínače, kde každý puls odpovídá jednomu multiplexovanému kanálu nižší úrovně. Abychom mohli vydělit OTDM kanál na vydělovací port (angl. drop port), musíme přesně načasovat řídicí pulsy na tento daný kanál. Pro potřeby dalšího zpracování a přenosu datových signálů je nutné na výstupu řídicí pulsy potlačit filtrací.

Obr. 5 OTDM demultiplexor založený na celooptickém spínači - celooptický spínač (AOS), optický filtr (OF)

Spínače mohou být také využity jako vlnové konvertory. Konfigurační schéma optického vlnového konvertoru je naznačeno na obr. 6. Rozdíl mezi demultiplexorem a vlnovým konvertorem spočívá v rozdílném využití vstupních portů celooptického spínače.

Obr. 6 Vlnový konvertor založený na celooptickém spínači - celooptický spínač (AOS), optický filtr (OF)

Datové pulsy jsou vysílány na řídicí port a signál kontinuální vlny (dále jen CW) na datový port spínače. Datové pulsy o vlnové délce λ_D modulují CW signál a opouštějí spínač na nové vlnové délce λ_CW. Původní datový signál je nutné na výstupu potlačit filtrací.

Závěr

Cílem tohoto článku byl popis tří základních celooptických interferometrických spínačů, jejich principů operace a definice přenosových parametrů (časové spínací okno, přenos). Byly také naznačeny možné způsoby využití spínačů ve funkci celooptického demultiplexoru a vlnového konvertoru.

Článek vznikl v rámci projektu Optimalizace přenosu dat rychlostí 10 Gbit/s - GA102/04/0773.

Použité zdroje

[1] B. Cai, L. A. Johansson, C. F. C. Silva, S. Bennett, Alwyn J. Seeds. Crosstalk, Noise, and Stability Analysis of DWDM Channels Generated by Injection Locking Techniques. Journal of Lightwave Technology, vol. 21, no. 12, December 2003.
[2] S. Song. Higher-order four-wave mixing and its effect in WDM systems. Optics Express, vol. 7, p. 166-171, 2000.
[3] R. J. Runser et al. Interferometric ultrafast SOA-based optical switches: From devices to applications. Optical and Quantum Electronics, vol. 33, p. 841-874, 2001.
[4] Schubert, C. Berger, J. Diez, S. Ehrke, H.J. Ludwig, R. Feiste, U. Schmidt, C. Weber, H.G. Toptchiyski, G. Randel, S. Petermann, K. Comparison of interferometric all-optical switches for demultiplexing applications in high-speed OTDM systems. Journal of Lightwave Technology, vol. 20, no. 4, p. 618-624, April 2002.
[5] H. Kim, J. Kim, E. D. Sim, Y. S. Baek, K. H. Kim, O. K. Kwon, K. Oh. All-optical wavelength conversion in SOA-based Mach-Zehnder interferometer with monolithically integrated loss-coupled DFB laser diode. Semicond. Sci. Technol, vol. 19, p. 574-578, 2004.
[6] G. Gavioli, P. Bayvel. Novel, High-Stability 3R All-Optical Regenerator Based On polarization Switching In A Semiconductor Optical Amplifier. European Conference on Optical Communication, 2002.
[7] K. L. Hall, G. Lenz, A. M. Darwish, E. P. Ippen. Subpicosecond gain and index nonlinearities in InGaAsP diode lasers. Optics Communications, vol. 111, p. 589-612, 1994.