Tek Bir Çip Kaynağı ile Standart Fiber Üzerinden Ultra Yoğun Optik Veri İletimi

Özet;

Mikro taraklar, entegre mikro boşluklu rezonatörler tarafından üretilen optik frekans tarakları toplu muadillerinin tam potansiyelini ancak entegre bir kapsam alanında sunar. Spektroskopi, mikrodalga fotoniği, frekans sentezi, optik aralık, kuantum kaynakları, metroloji ve ultra yüksek kapasiteli veri iletimi dahil olmak üzere birçok alanda atılımlar sağladılar. Burada, soliton kristalleri adı verilen güçlü bir mikro tarak sınıfı kullanarak, tek bir entegre çip kaynağı ile 75 km standart optik fiber üzerinden ultra yüksek veri iletimi elde edebiliyoruz. 10.4bit/Ps−1 Hz−1 (üstü-1 demek) spektral verimlilikle 1550 nm'de telekomünikasyon C bandını kullanarak 44.2Terabit/Ps−1 hat hızı gösteriyoruz. Soliton kristalleri, 48.9GHz'lik son derece düşük soliton mikro tarak aralığı ile birlikte, çok yüksek tutarlı veri modülasyon formatının (64 QAM dörtlü genlik modülasyonlu) kullanılmasını sağlayarak, sağlam ve kararlı üretim ve operasyonun yanı sıra yüksek bir iç verimlilikte sergiler. Bu çalışma, optik mikro tarakların zorlu ve pratik optik iletişim ağlarında performans gösterme yeteneğini göstermektedir.

Giriş;

Küresel fiber optik ağlar saniyede yüzlerce Terabit taşıyor ve kapasitesi yılda ~%25 artıyor. Bant genişliği kapasitesini önemli ölçüde artırmak için, ultra yüksek kapasiteli iletim omurgaları, çok çekirdekli veya çok modlu fiber üzerinden uzaysal bölmeli çoğullama (Spatial Division Multiplexing) kullanarak tutarlı modülasyon formatları ve son laboratuvar tabanlı araştırmalarda büyük ölçüde paralel dalga boyu bölmeli çoğullama (WDM) kullanır. Aynı zamanda, daha fazla sayıda daha kısa yüksek kapasiteli bağlantılara doğru güçlü bir eğilim var. 10 yıl önce küresel ağlarda temel uzun mesafeli (1000 km'yi kapsayan) iletişim hâkimken, şimdi vurgu doğrudan metropol alanı ağlarına (10 ila 100 km'yi birbirine bağlayan) ve hatta veri merkezlerine (<10 km) kaymıştır. Tüm bunlar, fotonik entegre devrelerin en uygulanabilir yaklaşım olarak ortaya çıkmasıyla, giderek daha kompakt, düşük maliyetli ve enerji verimli çözümlere olan ihtiyacı da artırıyor. Optik kaynak, her bağlantının merkezinde yer alır ve bu nedenle, belki de entegrasyon için en büyük ihtiyaca sahiptir. Birçok paralel lazerin yerini alan tek, kompakt entegre bir çip ile tüm dalga boylarını sağlama yeteneği, en büyük faydaları sağlayacaktır.

Temeli, mikro boşluklu rezonatörlere dayanan optik frekans tarak aralıkları olan mikro taraklar, bu rolü yerine getirirken önemli umutlar vadediyor, entegre bir iz düşümde (alanda) toplu muadillerinin tam potansiyelini sunabilirler. Geçici soliton durumlarının (DKS, Dissipative Kerr Solitons) mod kilitlemeli mikro tarakların bir yolu olarak keşfedilmesi, spektroskopi mikrodalga fotoniği dahil birçok alanda atılımlar sağlamıştır, bunlara örnek vermemiz gerekirse, frekans sentezi, optik aralık, kuantum kaynakları, metroloji ve daha fazlası. En umut verici uygulamalarından biri, büyük ölçüde paralel, ultra yüksek kapasiteli çoklamalı veri iletimi sağladıkları fiber optik iletişimlerdir.

Mikro tarakların başarısı, tarak hatlarını faz kilitleme veya mod kilitleme özelliği sayesinde sağlanmıştır. Bu özellik, geri besleme ile stabilize edilmiş Kerr tarakları, koyu renkli solitonlar ve DKS dahil olmak üzere, zamansal soliton durumları gibi yeni salınım durumlarının keşfedilmesinden kaynaklanmıştır.

Özellikle DKS durumları, C ve L telekomünikasyon bantlarını kullanarak birleşik iki cihaz için 55Tbit, tek bir cihaz içinde 30Tbit’lik iletim hızlarını etkinleştirmişlerdir. Özellikle, pratik sistemler için, yüksek bir spektral verimliliğin elde edilmesi kritik öneme sahiptir. Spektral verimlilik, belirli bir optik iletişim bant genişliği ve veri taşıma kapasitesinin temel sınırını belirlediği için anahtar bir parametredir.

Son zamanlarda, soliton kristalleri olarak adlandırılan güçlü bir mikro tarak sınıfı anons edildi ve CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) uyumlu bir platformda gerçekleştirilen cihazlar, mikrodalga ve RF fotonik cihazların temelini oluşturmada oldukça başarılı olduklarını kanıtladı.

Mikrodalga ve RF fotonik cihazları için soliton kristalleri, mikro halka rezonatörleri (MRR'ler) içinde sıkıca paketlenmiş, kendinden lokalize darbelerin açısal alanındaki kristal benzeri profilleri nedeniyle bu şekilde adlandırıldılar. Kendinden lokalize DKS dalgaları oluşturmak için gerekli olan karmaşık dinamik pompalama ve stabilizasyon şemalarına ihtiyaç duymadan uygun mod geçişleri ile mikro boşluklarda doğal olarak oluşturulurlar (Lugiato-Lefever denklemi ile tanımlanmıştır). İstikrarlarının anahtarı, uzay-zamansal kaotik durumlarınkine çok yakın olan boşluk içi güçlerinde yatmaktadır. Bu nedenle, kaotik durumlardan çıkarken, boşluk içi gücünde çok az değişiklik olur ve bu nedenle, rezonant pompalamayı daha zor hale getiren 'soliton adımından' kaynaklanan ısıl uyumsuzluk veya kararsızlık yoktur. Bir Terabit/Ps'nin ötesinde ultra yüksek kapasiteli iletim gibi zorlu uygulamalar için onları son derece uygun kılan, içsel kararlılık (harici yardıma ihtiyaç duymadan), üretim kolaylığı ve genel verimlilik kombinasyonudur.

Burada, tek bir entegre çip kaynağı ile standart fiber üzerinden ultra yüksek bant genişliğine sahip optik veri iletiminden bahsedilmektedir. Tek bir kaynaktan 44.2Tb'lik bir veri hattı hızı elde etmek için CMOS uyumlu bir platformda gerçekleştirilen soliton kristallerini ve 10.4Bit/s/Hz'lik yüksek spektral verimliliğini kullanıyoruz. Bu sonuçları, 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation-Dörtlü Genlik Modülasyonu) yüksek modülasyon formatı, 48.9GHz düşük taraksız spektral aralık (FSR, a Low Comb-Free Spectral Range) ve yalnızca telekomünikasyon C-bandını kullanarak gerçekleştiriyoruz. Laboratuvarda 75 km'den fazla bir fiber optik hat üzerinde yapılan çalışmada soliton kristalinin son derece sağlam ve istikrarlı çalışmasından/üretilmesinden ve çok daha yüksek içsel verimliliğinden kaynaklanan sonuçlar elde edilmiştir. Bunların tümü entegre bir CMOS uyumlu platform tarafından sağlanmaktadır.

Sonuçlar;

Soliton kristalinin optik yapısını gösteren şema, şekil 1a'da, şekil 1b'de gösterilen fiziksel çip ve şekil 1c'de ultra yüksek bant genişliği optik iletimi için deneysel kurulumu ile gösterilmiştir. Mikro rezonatör, 48.9GHz'lik bir FSR aralığına sahipti ve 1550 nm'de 1.8W sürekli dalga (CW) gücü ile pompalandığında >80nm'lik bir bant genişliği boyunca (bu aralıkta ~0.4 nm) bir soliton kristali üretti. Soliton kristal mikro tarağı, pompa lazerini önceden belirlenmiş bir değere otomatik olarak ayarlanarak üretildi. Birincil tarak ve üretilen soliton kristal durumları şekil 2a ve b'de gösterilmiştir. Şekil 2c, dalga boyu süpürme yoluyla (1550.300'den 1550.527 nm'ye) 10 farklı nesil örnek üzerinde <±0.9dB bireysel titreşim güçlerinde bir değişiklik göstererek soliton kristal tarak üretiminin stabilitesini ve entegre CMOS uyumlu cihazlardan anahtar teslimi mikro tarak üretiminin tekrarlanabilirliğini göstermektedir.

Şekil 1: Soliton kristal mikro tarak iletişim deneyinin kavramsal diyagramı.

• a. Bu yazıda kullanılan soliton kristalinin şeması. Oluşturulan spektrumda durumun, halka boyunca tek bir geçici ve yetersiz kristal olduğu sonucuna vardık. Durum, tek geçici ve yetersiz kristal durumuna karşılık gelen karakteristik bir "taraklı" mikro tarak spektrumuna sahipti.
• b. Soliton kristal üretimi için kullanılan fiber optik paketlenmiş mikro halkalı rezonatör çipinin fotoğrafı. Tam çip 5mm × 9mm'dir, bu tip cihazları kullanıyoruz ve alanın ~¼'ünde dalga kılavuzlarına erişiyoruz. Ölçek için gösterilen madeni para 20.5 mm çapındadır. Ankastre, bir ölçek çubuğu ile halka rezonatör elemanının bir mikroskop görüntüsüdür. Görünür bozulmalar, fiber dizisinden gelen bir tutkal katmanından kaynaklanır.
• c. Deneysel kurulumda, 1.8W'a yükseltilen bir CW lazer, 48.9GHz FSR mikro halka rezonatörünü pompalar ve bir soliton kristal salınım durumundan bir mikro tarak ürettir. Tarak, modülasyona izin vermek için düzleştirilir ve optik olarak demultiplexed ve elde edilen veriler, EDFA amplifikasyonu ile lifler aracılığıyla sonraki iletimden önce optik olarak çoğaltılır. Alıcıda, her kanal alımdan önce optik olarak demultiplexed edilir. (ECL kenar birleşiğinde lazer, WSS dalgaboyu seçici anahtarı, Rx alıcı.)

Şekil 2: Soliton kristal üretimi.

Bir soliton kristali oluşturmak için, bir lazer yumuşak bir geçişle bir rezonansın kırmızı tarafından önceden ayarlanmış bir dalga boyuna çevrilir.

• a. Lazer, halka ile rezonansa ayarlandığında birincil tarak üretilir.
• b. Deneyler için kullanılan soliton kristal salınım durumunun spektrumu. Halka üzerinde gösterilen tek değişken yetersiz kristal durumuna karşılık gelen karakteristik bir “taraklı” mikro tarak spektrumuna sahiptir. Önceden ayarlanmış dalga boyunda, birincil tarak çizgilerinin etrafında spektral özelliklere sahip bir soliton kristali oluşturur. Kullanılan ortam, optik iletişimde C bandının çoğunda tarak hattı sağlar.
• c. 10 bağımsız kristal oluşturma örneği için Soliton kristal tarak hattı güç farkı, tarak hattı güçleri istenen soliton kristal halinin güvenilir bir şekilde üretildiğini gösteren başlangıç spektrumunun ± 0.9 dB'si içinde kalır.

Oluşturulan mikro-tarak için telekomünikasyon C bandı üzerinde 80 adet hat seçildi ve daha sonra bir spektral şekillendirici ile düzleştirildi. Daha sonra, tek/çift ilişkili test kanalları oluşturmak için tek taraflı bir modülasyon şeması kullanılarak spektral verimliliği optimize etmek için dalga boylarının sayısı etkili bir şekilde 160'a yani iki katına çıkarıldı. Daha sonra altı kanaldan oluşan bir test bandı birleştirildi, kalan bantlar aynı tek ve çift kanal yapısına sahip yükleme kanalları olarak ayrıldı. Operasyonu 23 Gigabaud karakter hızında modüle etmek için 64 QAM yüksek mertebeden bir format kullanıldı ve bu da mevcut spektrumun %94'ünün kullanılmasına neden oldu.

İki iletim deneyleri, laboratuvarda 75 km'lik tek modlu fiber üzerinde ve Melbourne şehir kampüsünü RMIT ve Monash Üniversitesi Clayton kampüsüne bağlayan tek modlu fiber ağı üzerinde denendi. Melbourne'un büyük Metropol alanını kapsayan anahtar noktalardaki tarak spektrumları şekil 3a ve c'de verilmiştir. Ana noktalardaki tarağın spektrumları şekil 3a ve c'de verilmiştir. Alıcıda sinyal, ortak bir çevrimdışı dijital sinyal işleme (DSP) akışı kullanılarak geri kazanıldı. Şekil 3d, 194.34THz'de sinyal için takımyıldız diyagramlarını göstermektedir. Arka arkaya yapılandırmada, test bağlantıları aracılığıyla tamamen modüle edilmiş tarağı iletirken 18,5dB'ye yaklaşan ve yaklaşık 17,5dB'ye düşen bir sinyal kalitesi ölçüldü.

Şekil 3: Soliton kristali süper kanal spektrumları ve gösterge işaret takımyıldızları.

a – c Düzleştirmeden sonra soliton kristal frekans tarağının spektrumlarını a, modülasyon ve iletimi b, 75km’lik laboratuvar lifi yada saha deneme bağlantısını c Spektrumu a, ayrı tarak hatlarını çözmek için 12.5GHz çözünürlükle ölçülür, oysa b ve c, ortalama kanal güçlerini göstermek için 50GHz çözünürlükte çizilir. Düzleştirme, tarak hattı gücü 1dB'ye eşitlendi. Modülasyon ve amplifikasyondan sonra, kanallar EDFA kazanç spektrumu ile şekillendirildi. b'deki ek, 150MHz çözünürlüklü optik spektrum analizörü ile yakalanan test kanalı spektrumlarını gösterir ve test bandındaki her bir tarak hattına modüle edilen tek ve çift alt bantları vurgular. d hem X hem de Y polarizasyon kanalları için 193,4THz'de bir tarak hattı için takımyıldız diyagramlarıdır. "Arka arkaya" metodu ile alıcıya doğrudan bağlanan vericiyi, laboratuvar içindeki 75km'lik fiberden iletildikten sonra alımı gösterirken, 76,6km saha fiberi deneme bağlantısı yoluyla iletildiğini belirtir. Takımyıldızlarla ilgili BER ve Q2 her birinin üzerinde ayrı ayrı belirtilmiştir.

İletim Sonuçları;

Şekil 4a, metrik olarak her kanal için bit hata oranını (BER) kullanan iletim performansını gösterir. Üç senaryo incelendi (1) verici aşaması ile alıcı arasında doğrudan bir bağlantı, (2) laboratuvar içi fiber yoluyla ve (3) saha deneme ağı üzerinden erişim. İletim, beklendiği gibi küresel olarak tüm kanalların performansını düşürdü. Bir performans karşılaştırması olarak, şekil 4a, gösterilen bir koddan 4 × 10−2'lik bir BER'de verilen %20'lik bir soft decision forward error correction (SD-FEC) eşiğini göstermektedir. Tüm sonuçlar, verilen FEC sınırının altındadır, ancak BER'e dayalı SD-FEC eşiklerinin kullanılması, daha yüksek dereceli modülasyon formatları ve yüksek BER'ler için hata oranı daha fazla olduğundan, sistem performansını hesaplamak için ek olarak genelleştirilmiş karşılıklı bilgileri (GMI) kullanırız. Şekil 4b, Laboratuvar ve saha deneme aktarım deneyleri için sırasıyla 39,2Tb ve 39,0Tb'ye düşen, 40,1Tb'lik ulaşılabilir kodlanmış hız anlamına gelen 44,2Tb ham bit hızına ulaştık. Bunlar 10,4 – 10,2 ve 10,1bit/Hz'lik spektral verimlilikler sağlamıştır. Bu veri oranları, tek bir entegre cihazdan bildirilen en yüksek sonuca göre ~%50'lik bir artışı temsil ederken, spektral verimlilik 3,7 kat daha yüksektir. Bu, deneylerin kapalı döngü geri beslemesi veya stabilizasyon olmadan gerçekleştirildiğini de düşündüğümüzde dikkate değerdir.

Şekil 4: Aktarım deneyi için bit hata oranı, spektral verimlilik ve GMI.

a Her tarak hattı için bir BER. Mavi daire noktaları, bir B2B konfigürasyonunda kanalların performansını gösterir, kırmızı kare noktalar, 75km'lik laboratuvarda biriktirilmiş fiber üzerinden iletimden sonraki performansı gösterirken, yeşil üçgenler, 76,6km'lik kurulu metropol alan fiber bağlantısı üzerinden aktarımdan sonradır. Uzaysal olarak bağlanmış LDPC kodlarına dayalı olarak % 20 soft decition FEC için bir ön FEC hata oranına karşılık gelen gösterge FEC eşiği 4 x 10−2 olarak verilmektedir. İletimden sonra tüm kanalların hatasız olduğu görüldü. b Her tarak hattı için ölçülen GMI ve spektral verimliliğini gösterir. GMI, sinyal gürültü oranını hesaba katmak için takımyıldızlarının ölçekle işlemi normalizasyondan sonra hesaplanır.

Hatlar % 20 ve % 10 genel kayıplar içindir. Spektral verimlilik, GMI'dan ve sembol oranının tarak aralığına oranından elde edildi. GMI, sistem için ideal bir kodun benimsenmesini varsaydığından, GMI belirtilen SD-FEC eşiğiyle BER'den daha yüksek bir toplam kapasiteyi gösterir. back to back için GMI (SE) 11.3b/symb arasında değişmiştir. (10.6b/s/Hz) ve 10.9b/symb. (10,3b/sn/Hz). Laboratuvar içi fiber iletiminden sonra, kanal başına elde edilebilir GMI (SE) 11.0b/symb arasında değişmiştir. (10.4b/s/Hz) ve 10.7b/symb. (10.1b/s/Hz), kurulu saha fiberleri üzerinde yapılan gözlemlerde aynı aralık ile genel kapasiteyi, sembol oranı ile çarpılan GMI'lerin toplamından tahmin ediyoruz.

Tartışma Konusu;

Tablo 1’de tek bir entegre kaynağa ve standart fiber üzerinden gösterimler için çeşitli sistem performans ölçümlerini karşılaştıran literatürdeki temel sonuçlar özetlemektedir. Bu çalışmanın öncesinde, en iyi sonuç (çekirdek başına), standart bir ayarlanabilir lazer uyumlu alıcı kullanılarak C ve L bantları üzerinden 30,1Tb/Ps'yi destekleyebilen tek mikro tarağa dayanıyordu. Bu, sonuçlarımızı değerlendirdiğimiz karşılaştırma sonucudur, tek bir mikro tarak kullanılarak yayınlanan en iyi sonuç değildir. Sistemimizin referans spektrumunun yarısından daha azını kullandığını unutmayın. Çok daha yüksek spektral verimliliği (3,7 kat daha yüksek) nedeniyle veri hızını önemli ölçüde aşarken dark solitonlar ile yüksek modülasyon formatları da elde edilmiştir, ancak yine de daha düşük bir genel veri hızında, özellikle spektral verimliliği önemli ölçüde sınırlayan yüksek tarak hattı aralığı nedeniyle referans çalışması, dalga kılavuzu spektral genişlemesi ile birleştirilmiş bir pulsed seed fiber lazer kaynağına dayalı bir tarak jeneratörü kullanıldığını unutmayalım. Tamamen entegre bir sistem sağlamak için bu kaynağın çip üzerinde olması gerekir. Bu deneydeki odak noktası, 0,66Petabit/Ps'ye ulaşmak için bu uzaysal olarak çoğullamalı sistemde fibere göre bant genişliğinde 30 kat daha fazla artış elde etmek için multi core fiber kullanmaktı.

Mod başı esasına göre, bu 25.6Tb/s/mod, bu işe göre ve referansındakinden daha düşük bir mod kapasitesi sağlar. Hem yaklaşımımızın hem de referansın, multi mod çekirdekli fiber kullanarak genel bant genişliğini ölçeklendirmek için SDM tekniklerinden yararlanabildiğini not ediyoruz. Aşağıda daha fazla bir karşılaştırma tablosu bulabilirsiniz. Yüksek iletim kapasitemiz ve spektral verimliliğimiz kısmen, enjekte edilen CW dalgası ile soliton kristal durumu arasındaki yüksek dönüşüm verimliliğinin bir sonucudur ve bu, bir soliton adımının neredeyse yetersiz halindeyken yansımasıyle elde edilir. Deneylerin C-bandı ile sınırlı olmasına rağmen, soliton kristal tarağı (Şekil 2b) 80nm'yi aşan bir bant genişliğine sahipti. S ve L bantlarındaki (1500-1535nm ve 1565-1605nm) tarak hatlarının gücü, pompa dalga boyunu ve gücünü değiştirerek, dispersiyonu uyarlayarak ve / veya üç bandın tamamında iletimi mümkün kılmak için prensipte artırılabilir. Benzer tarak kalitesi varsayıldığında, bu, tek bir entegre cihazdan toplam veri hızında üç kat artışla 120Tb/Ps'ye neden olacaktır.

Daha düşük FSR'li mikro taraklar, sinyal kalitesi daha düşük sembol oranlarında da gelişebildiği için daha da yüksek spektral verimliliği destekler. Bununla birlikte, bu, daha dar bir tarak bant genişliği anlamına gelebilir. Deneyimizde, tek yan bant modülasyonu, iki kanalın tek bir ışık kaynağı üzerinde çoklanmasını sağlayarak, tarak aralığını etkili bir şekilde yarıya indirirken, alıcı verici gürültüsüyle sınırlı olarak arka arkaya performansı artırır. Bu yaklaşım, soliton kristal taraklarının kararlı doğası ile uygulanabilir hale getirilmiştir. Öte yandan, elektro optik modülasyon, mikro tarakların tekrar oranını alt bölümlere ayırmak için de kullanılabilir, bu da geniş tarak bant genişliklerini mümkün kılar. Ayrıca, lazer boşluklu soliton mikro taraklar yoluyla tarak üretim verimliliğini artırmak, sinyal kalitesini ve sistem kapasitesini daha da geliştirmek için güçlü bir yol sağlayabilir. Son olarak, yeni konuşlandırılan bağlantılar için yaklaşım, multi mod fiber kullanılarak uzay bölmeli çoklama ile kolayca birleştirilebilir, bu da tek bir kaynaktan birçok Petabit/Ps veri hızı elde edilmesiyle sonuçlanır.

Sonuç olarak, soliton kristal mikro taraklar kullanarak tek bir entegre çip kaynağından yüksek performanslı ultra yüksek bant genişliğine sahip optik iletimi rapor edebilir. Bu başarı, tümü CMOS uyumlu entegrasyon platformuyla sağlanan, soliton kristal taraklarının kararlı, verimli ve geniş bant genişliği ile birlikte düşük tarak aralığının bir sonucudur. Soliton kristal mikro tarakları, doğası gereği uyumludur, düşük gürültülüdür ve kullanıma hazır ekipmanla standart açık döngü kontrolü kullanılarak başlatılabilir ve bakımı yapılabilir. Bu çalışma, pratik ve zorlu ortamlarda ultra yüksek bant genişliğine sahip veri iletimini destekleme yeteneklerini göstermektedir.

Yöntemler;

CMOS Uyumlu Mikro Tarak Kaynağı

Tarak üretimi için MRR, düşük doğrusal kayıp (~0.06 dB cm−1), Orta doğrusal olmayan bir parametre (~233 w−1 km−1) ve ultra yüksek doğrusal olmayan bir uygun, yeterli rakama yol açan ihmal edilebilir doğrusal olmayan kayıplara sahiptir. MRR'nin enine kesiti 3×2 μm ve yarıçapı ~592 μm olup, 48,9 GHz FSR ve> 1,5 milyon Q faktörü verir. TM modunun dağılımı, mod geçişinin getirdiği ~1552 nm'de bir sıçrama ile C bandında anormal olacak şekilde tasarlandı. MRR'nin veriyolu dalga kılavuzları, çip üzerinde mod dönüştürücülere yönlendirildi, ardından faset başına ~0,5 dB'lik bir fiber-çip bağlantı kaybı ile tek modlu bir fiber diziye bağlandı. Üretim verimine ilişkin istatistiksel çalışmalar bu çalışmanın kapsamı dışında olmasına rağmen, tam devre levhası üzerinde kademeli maske hizalayıcılar kullanan platformumuzun tamamen CMOS uyumludur. Ayrıca, düşük indeks kontrastımız (çekirdek indeksi = 1.7), daha büyük dalga kılavuzu boyutlarına neden olur ve bu da onları imalat hatalarına karşı daha az hassas hale getirir. FSR ve Q faktörü için tipik verimimiz son derece yüksektir %90'ın çok üzerindedir ve mod geçişleri için belirli bir zorluk oluşturmaz. Yüksek tekrarlanabilirlik ile birçok soliton kristal cihazı üretildi. Mod geçişlerinin sağlam ve hatta belirleyici mikro tarak nesillerini elde etmeye yönelik güçlü bir yaklaşım sağladığının keşfi, bu yapıların daha fazla mühendisliğinin yeni işlevsellik sağlayacak önemli ve oldukça faydalı bir zorluk olmaya devam ettiğini gösteriyor.

Soliton Kristal Mikro Tarak Üretimi

Çalışmada kullanılan mikro tarak, yukarıda açıklanan katkılı silika çift yollu mikro halkalı rezonatörden oluşturuldu ve dört cihaz bağlantı noktasının hepsine bir fiber dizi bağlantısı ile paketlendi. Halkayı 15mW çıkış gücünde bir CW harici boşluk lazeri (Yenista Tunics 100S-HP) ile pompaladık, bu daha sonra erbiyum katkılı fiber amplifikatör (EDFA) (Pritel PMFA-37) korunan bir polarizasyonda 1,8W'a yükseltildi. Rezonatörün yalnızca TM modu, soliton kristal durumunda salınım yaptı, dolayısıyla pompa polarizasyonu bu moda uyacak şekilde ayarlandı. Şekil 1a'da gösterildiği gibi, pompa ışığını 'geçiş' bağlantı noktasına yerleştirdik ve ilgili 'damla' bağlantı noktasından ışık topladık. MRR yongası, standart bir NTC sıcaklık sensörü tarafından izlenen bir Peltier soğutucusuna monte edildi. Sıcaklık bir termo-elektrik soğutucu (TCM-M207) ile 25˚C'de (0.1˚C hassasiyetle) tutulmuştur. Lazer, çıkış frekansını stabilize etmek için hiçbir ekstra adım atılmadan standart çalışma moduna ayarlandı.

Soliton kristallerimizin dahili dönüşüm verimliliğini tüm spektrum için %42 ve C bandı üzerinden 80 adet hat seçerken %38 olarak ölçtük ve mevcut tarak gücümüzün %90'ından fazlasının standart C bandı ekipmanıyla uyumlu olduğunu vurguladık. Üretilen soliton kristal mikro tarak daha sonra iki bağımsız programlanabilir optik filtre (Finisar WaveShaper 4000 S) ile iki aşamada düzleştirildi. WaveShapers, herhangi bir değişken zayıflamaya ek olarak her biri 5dB ekleme kaybına sahipti. İlki, kullanmayı seçtiğimiz soliton kristal halinin genel şekline kabaca uyması için her bir tarak hattını birbirinin ~1dB dahilinde eşitleyecek şekilde ayarlanmış statik bir filtre şekline sahipti. İkinci programlanabilir filtre, yeni bir soliton kristal durumu başlatıldığında, tarak hattı güçlerini birbirinin <1dB dahilinde eşitlemek için her seferinde ayarlandı, ancak yeni bir soliton oluştururken filtre profilini değiştirmenin genellikle gereksiz olduğu görüldü. Bir tarak kaynağı kullanan bir WDM alıcı-vericisinde spektral şekillendirme, her bir tarak hattını ayrı bir modülatöre yönlendireceği ve WDM demultiplexer’ından sonra zayıflatıcılar eklenmesi gerekeceğinden minimum karmaşıklığa sahiptir. Tarak daha sonra, modülasyon için bölünmeden önce EDFA'yı koruyan başka bir polarizasyon ile amplifiye edildi. Modülasyondan önce, ayrı tarak hatlarının optik sinyal-gürültü oranı (OSNR)> 28 dB idi. Soliton kristal tarakların tek biçimli olmayan spektrumu bir dezavantaj olarak kabul edilmiştir ve bu nedenle, mikro tarakların kullanıldığı önceki çalışmayla daha kolay karşılaştırmayı kolaylaştırmanın yanı sıra, optik frekans tarağının tüm hatların aynı olacak şekilde düzleştirilmesini sağlandı.

Tarak düzleştirme aslında ne deneylerimizde ne de diğer mikro tarak gösterilerinde gerekli değildir, çünkü tüm tarak hatları tipik olarak dalga boyu ayrı dalga kılavuzlarına ayrıştırılır ve ayrı modülatörlere gönderilir. Bu durumda, tarak hattı gücünü değişken zayıflatıcılar, amplifikatörler veya hatta RF sürücü genliğini modülatörlere göre değiştirerek ayarlamak basittir. Aslında, daha yüksek güçlü tarak hatları, modülasyondan önce daha az zayıflatma veya amplifikasyona ihtiyaç duyacağı ve daha yüksek bir OSNR ile sonuçlanacağından, daha düşük güçlü tarak hatları esasen burada bildirilenle aynı performansa sahip olur. Ayrıca, ham spektrumun kullanılması fazladan Waveshaper kaybını önleyecektir. Bu nedenle, düzleştirmeden kaçınmak (ham spektrumla çalışmak) aslında daha da yüksek sistem performansı sağlar.

Sistem Deneyi;

Detaylı deney düzeneği Ek Şekil l'de gösterilmiştir. Verici hem tek hem de çift test bantlarının yanı sıra bir yükleme bandı sağlamak için üç ayrı karmaşık Mach-Zehnder modülatörü kullanıldı. Bu bantların her biri için tarak hatları, başka bir programlanabilir filtre (Finisar WaveShaper 4000 S) kullanılarak bölündü ve modülasyondan önce amplifiye edildi. Seçilen test frekansı etrafında 98GHz ile ayrılan üç ton, iki ayrı modülatöre (Sumitomo Osaka Electric Company New Business T.SBXH1.5-20) yönlendirildi. İki modülatör, 23Gbaud'luk bir sembol oranında çalıştırılarak, alt bant başına 23Giga-Sembol/Ps x 6bit/sembol x 2 polarizasyon = 276Gb/Ps'lik bir alt-bant hat hızı (yani, ek yükler hariç) sağlanmıştır. Alt bantlar, optik taşıyıcıdan 12GHz kaydırıldı; bir modülatör, optik taşıyıcıdan aşağı kaydırılmış bir yan bant, diğeri ise yukarı kaydırılmış bir yan bant sağladı. Bu, sistemimizde sahip olduğumuz alıcı-verici gürültü sınırlamaları göz önüne alındığında, basit 46Gbd tek taşıyıcı modülasyonundan daha yüksek aslına uygunluk modülasyonu sağladı. Tek ve çift bantlar, 'çift' yolda ekstra uzunlukta optik fiber ile bir gecikme eklenerek ilişkisizleştirildi. Tek ve çift test bantlarının yapısını taklit etmek için iki Nyquist alt taşıyıcı modülasyon şemasından oluşan yükleme bantlarını modüle etmek için üçüncü bir modülatör (Covega Mach-40 806) kullanıldı. İki bant, AWG'nin pozitif ve negatif diferansiyel çıkışlarının (Keysight M8195A, 65GSa/Ps, 25GHz bant genişliği) çiftleri tarafından tahrik edilirken, yükleme kanalları ayrı bir bağımsız çıkış çifti tarafından çalıştırıldı. Modüle edici dalga formları, 23Gigabaud'da çalışan, %2.5'lik bir roll-off RRC filtresiyle darbe şeklinde 64QAM sinyali sağlayacak şekilde ayarlandı. 48.9GHz ızgarada, %94 spektral doluluk sağlandı. Modülatör optik çıkışlarının her biri, 3dB güç ayırıcıyı koruyan bir polarizasyondan geçirildi, bir çıkış birkaç metre optik fiber ile geciktirildi ve ardından 90° döndürüldü.

Bu, gecikmeli de-korelasyon ile polarizasyon çoğullamasını sağladı. Tek ve çift yükleme bantlarının tümü, birkaç metrelik farklı elyaf gecikmeleriyle birbirlerinden ayrıştırıldı. Tek ve çift kanallar, merkezi kanalların darbe şeklini korumak için pasif olarak bir 3dB güç ayırıcı ile birleştirildi. Birleşik test ve yükleme bantları, başka bir programlanabilir filtre ile çoğaltıldı. Filtrelerin bu cihazdan çıkarılması, test bandının dış kanallarını ve yükleme kanallarındaki komşu kanalları etkiledi. Çoğullamadan sonra, tamamen modüle edilmiş tarak belirli bir başlatma gücüne yükseltildi. Tx DSP, Ek Not 1'de açıklanmaktadır. Fiziksel fiber optik ağ coğrafyası Ek Şekil 2'de ve şematik yerleşim Ek Şekil 1'de gösterilmiştir. İletim bağlantısı, RMIT Üniversitesi (Swanston St., Melbourne CBD) ve Monash Üniversitesi (Wellington Rd, Clayton) laboratuvarlarını birbirine bağlayan iki fiber kablodan oluşuyordu. Bu kablolar, laboratuvarların erişim panellerinden AARNet'in fiber ağı ile bir ara bağlantı noktasına yönlendirildi. Fiber bağlantılar, OS1 ve OS2 standart kablolarının bir karışımıdır ve hem yer altı hem de hava yollarını içerir. Bu hatlarda, iki laboratuvar arasında doğrudan bir dark fiber bağlantısı sağlayan aktif bir ekipman yoktur. Bu kablolar için toplam kayıp RMIT-Monash bağlantısı için 13,5dB ve Monash-RMIT yolları için 14,8dB olarak ölçüldü. OTDR tarafından ölçülen kablo uzunluklarının her ikisi de 38,3km idi (geri döngü yapılandırmasında toplam 76,6km). Monash'ta, bir EDFA, C-bandı test kanallarının yanında çalışan 1310nm'lik bir fiber-ethernet bağlantısı kullanılarak uzaktan izlendi ve kontrol edildi. Tarak, piyasaya sürülmeden önce, Monash'ta ve RMIT'e döndükten sonra 19dBm'ye yükseltildi.

Foto-algılamadan önce sinyal, ölçülecek kanalı seçmek için 35GHz'lik bir geçiş bandına ayarlanmış programlanabilir bir optik filtre (Finisar WaveShaper 4000 S) ile filtrelenmiştir. 35GHz geçiş bandının deneyde en uygun ayar olduğu bulunmuştur. Filtrenin çıkışı, çift polarizasyon uyumlu bir alıcıya (Finisar CPDV1200, 43GHz bant genişliği) yönlendirilmeden önce ~10dBm'ye yükseltildi. Yerel osilatör, 16 dBm çıkış gücünde, tarak hattına yakın ayarlanmış bir Agilent N7714A lazer tarafından sağlandı. Fotoğrafla tespit edilen sinyaller, bir Keysight osiloskobunun (DSO-Z504A, 50GHz, 160GSa/Ps) saniyede 80giga örnek (GSa/Ps), 33GHz bant genişliği girişleri ile sayısallaştırıldı. Sayısallaştırılmış dalga formları, çevrimdışı DSP için bir PC'ye iletildi. DSP akışı, yeniden normalleştirme ile başladı, ardından örtüşme-ekleme kromatik dağılım telafisi, ardından frekans kayması telafisi için bir spektral tepe araması, ardından son eşitlemeden önce kısa bir BPSK başlığı kullanılarak çerçeve senkronizasyonu izlendi. Bağlantı boyunca kullanılan spesifik fiber türleri iyi bilinmediğinden, başlık korelasyonunun tepe yüksekliği analiz edilerek kromatik dispersiyon kompanzasyon seviyesi tahmin edilmiştir. Eşitleme iki aşamada gerçekleşti, eğitim destekli en az ortalama kare ekolayzır, ön yakınsama gerçekleştirdi, musluklar kör bir çok modüllü ekolayzıra gönderildi. Eşitlemeden sonra, sinyal BER, hata vektör büyüklüğü (EVM) ve GMI açısından analiz edilmeden önce faz gürültüsünü azaltmak için maksimum olabilirlik faz tahmincisi kullanıldı. Daha fazla bilgi Ek NOT 1'de yer almaktadır.

                                                                                           Saygılarımla

                                                                                           Engin Demirbora

Kaynak: https://www.nature.com/articles/s41467-020-16265-x
Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source