Решение задач обработки оптических сигналов без оптоэлектронного преобразования

Решение задач обработки оптических сигналов без оптоэлектронного преобразования

Pассматриваются вопросы решения задач демультиплексирования оптических потоков, коммутации и маршрутизации пакетов на основании обработки заголовка без выполнения оптоэлектронного преобразования. Рассматриваются типы полностью оптических устройств, которые могут применяться для решения указанных задач обработки оптических сигналов, а именно: волновые конвертеры, демультиплексоры во временной области, оптические логические элементы и оптические триггеры. Изучаются физические принципы, позволяющие получить требуемую функциональность. Достижение скоростей работы, существенно превышающих скорость электронных устройств, возможно при использовании нелинейных эффектов, возникающих в веществе вследствие взаимного влияния оптических сигналов. Приводятся результаты экспериментальных исследований по созданию полностью оптических волновых конвертеров, демультиплексоров, логических элементов и триггеров, выделяются разновидности устройств в зависимости от физических принципов работы и/или конструктивных и технологических решений. Приводятся скоростные характеристики полностью оптических устройств, а также сложности, связанные с их применением для создания макетов. На рассмотренных примерах обосновывается теоретическая и практическая возможность создания полностью оптических устройств, способных обрабатывать быстрые оптические сигналы в волоконных линиях связи со скоростями более 100 гигабит в секунду.

Ключевые слова: Демультиплексирование, нелинейные эффекты, оптические логические элементыы, оптический триггер, полностью оптическая обработка, полупроводниковый оптический усилитель.

Кузнецова О.В., Сперанский В.С. Введение

В настоящее время обработка оптических потоков невозможна без выполнения оптоэлектронного преобразования. В качестве устройств обработки применяются стандартные вычислительные средства, такие как универсальные (CPU) и специализированные (GPU, сигнальные и др.) процессоры, а также программируемые логические интегральные схемы Field Programmable Gate Array (FPGA, программируемая вентильная матрица).

Производительность вычислительных средств напрямую зависит от пропускной способности соединений и скорости работы вычислителя. В таблице 1 указаны характеристики современных вычислительных средств.

Таким образом, максимально достижимая скорость передачи данных по одной линии на сегодняшний день не превышает 28 Гбит/с, а необходимая скорость обработки достигается за счет распараллеливания данных, и соответственно, за счет увеличения используемых ресурсов кристалла. Тогда как современное оптическое оборудование способно работать с последовательными сигналами на одной длине волны со скоростью 100 Гбит/с [1]. Возможность "разместить" в одном волокне несколько десятков спектральных каналов 100G позволяет добиться пропускной способности в несколько Тбит/с. Для достижения этого результата, который еще недавно казался фантастическим, пришлось решить немало технических проблем.

Работы в области полностью оптических вычислений ведутся уже более 40 лет, однако сейчас с развитием элементной базы появились средства для практической реализации отдельных функциональных возможностей. Как в конце 70-х гг. успех в области полупроводниковых источников, детекторов и соединителей обусловил существенное продвижение на пути создания волоконно-оптических систем, так и сегодня появление новых типов лазеров, усилителей

и применение нанотехнологий вызвали бурный рост исследований по ультра высокоскоростной передаче и оптическим средствам обработки информации. Современные линии связи ориентированы на пакетные технологии. С помощью полностью оптических технологий возможно выполнение демультиплексирования оптического сигнала во временной области, решение задач коммутации и маршрутизации пакетов на основании обработки заголовков [2]. Поэтому сегодня проблема полностью оптической обработки сигналов не перестает быть актуальной.

Выполнение оптического демультиплексирования оптического сигнала во временной области требует наличия возможности "переноса" части информации мультиплексированного высокоскоростного потока, передающегося на одной длине волны, на другую длину волны.

Выполнение коммутации и маршрутизации пакетов на основании обработки заголовков связано с необходимостью "чтения" заголовка пакета и интерпретации адреса пункта назначения для передачи пакета на соответствующий порт. Для этого могут потребоваться элементы оптической памяти (для сохранения информации заголовка), логические функции (для реализации логических вентилей и сравнения данных между собой), волновые конвертеры (для передачи отобранного пакета в нужный "порт").

Итак, для решения указанных задач обработки оптического потока без оптоэлектронного преобразования потребуется иметь следующую оптическую элементную базу:

— волновые конвертеры,

— демультиплексоры во временной области,

— логические элементы,

— триггеры.

Таблица 1

Характеристики современных вычислительных средств

Название CPU AMD CPU Intel GPU FPGA

Тактовая частота кристалла, МГц около 3500 2500, max 3000 1200-1500, max 1900 710

Внешний интерфейс TIT 3.0 QPI PCI press Gen 2 GT7 transceiver

Пропускная способность (номинальная. в одном паправлспии) одной линии внешнего интерфейса, Гбит/с 6.4 6,4 5 2S

Физические основы оптической обработки сигнала

Анализ современного состояния фотонных средств обработки оптических сигналов позволил выявить, что принципы работы таких устройств основаны на следующем.

1. Изменение свойств вещества при внешнем воздействии, в качестве которого может выступать электрическое, магнитное поле, акустические колебания. В устройствах этой группы используется способность вещества менять свои оптические характеристики (чаще всего это показатель преломления, часто используется также коэффициент поглощения света) при наличии какого-либо воздействия. Эти свойства широко применяются для реализации фотонных коммутаторов и переключателей. Использование в качестве внешнего воздействия изменения электрического поля позволяет получить наилучшие скоростные характеристики. Так, например, время переключения электрооптических коммутаторов и оптических коммутаторов на основе полупроводниковых оптических усилителей (Semiconductor optical amplifier, SOA) составляет порядка 1 нс [3-5].

Этот способ не позволяет получить значительного выигрыша по скорости, поскольку достижимая частота работы устройства составляет около 1 ГГц, тогда как современные программируемые логические интегральные схемы поддерживают работу на частотах до 710 МГц (семейство Virtex-7 фирмы Xilinx). Кроме того, в данном случае не получается устранить применение электрических сигналов.

2. Использование нелинейных эффектов, возникающих в веществе вследствие взаимного влияния оптических сигналов. В качестве нелинейной среды в настоящее время широко применяются полупроводниковые оптические усилители.

Нелинейные эффекты в SOA связаны с изменениями концентрации носителей заряда, вызванными изменениями сигналов на входе усилителя. Существует четыре основных типа нелинейных эффектов [6]:

— перекрестная модуляция усиления (cross gain modulation, XGM);

— перекрестная фазовая модуляция (cross phase modulation, XPM) и фазовая автомодуляция (self-phase modulation, SPM);

— перекрестная поляризационная модуляция (cross-polarization modulation, XPOM);

— четырехволновое смешение (four-wave mixing, FWM).

Перекрестная модуляция усиления

Перекрестная модуляция усиления - модуляция, изменяющая коэффициент усиления устройства, работающего на одной длине волны, вследствие влияния сигнала с другой длиной волны.

Спектр усиления вещества SOA расширен однородно. Это означает, что изменение концентрации носителей заряда в усилителе затрагивает все входные сигналы. Изменения концентрации носителей заряда могут вызвать интерференционные эффекты и межка-нальные перекрестные помехи при многоволновом усилении. Самый простой сценарий XGM показан на рисунке 1, где слабый непрерывный пробный световой пучок и интенсивный световой пучок накачки со слабой гармонической модуляцией на угловой частоте ? введены в SOA. Эффект XGM в усилителе наложит модуляцию светового пучка накачки на пробный сигнал. Это означает, что усилитель начинает работать как преобразователь длин волн, т.е. переносит информацию с одной длины волны на другой сигнал с другой длиной волны.

Перекрестная фазовая модуляция

Показатель преломления активной области SOA не является величиной постоянной, а зависит от концентрации носителей заряда. Прохождение оптического сигнала через SOA приводит к изменениям концентрации носителей заряда. Так как время жизни носителей заряда конечно, передний фронт импульса испытывает фазовый сдвиг, отличный от заднего фронта. Эта фазовая автомодуляция бу-

дет изменять форму импульса, также как и его спектр. Если в SOA вводится более одного сигнала, между ними возникнет эффект перекрестной фазовой модуляции, так как фронт импульса в соседнем канале модулирует фазу волны в основном канале [7]. XPM может быть использована для создания конвертеров длин волн и других функциональных устройств. Однако так как XPM вызывает только изменения фазы, SOA должен быть размещен в некоторой конфигурации с интерферометром для преобразования изменения фазы в изменение интенсивности сигнала при помощи конструктивной или деструктивной интерференции.

Перекрестная поляризационная модуляция

Большинство коммерческих SOA поляризационно-независимы. Однако эффект двулучепреломления вещества устройства может вызвать сдвиг фазы проходящего оптического сигнала. XPOM может быть использована в демультиплексировании или изменении длины волны.

Четырехволновое смешение

Четырехволновое смешение - нелинейный процесс, вызванный тем, что при совместном распространении трех волн с частотами ffli, fflj и fflk возникает новая волна на частоте [8]. Четырех-

волновое смешение, сгенерированное в SOA, может иметь много областей применения, включая преобразователи длин волн, компенсаторы дисперсии и оптические демультиплексоры.

Таким образом, нелинейные эффекты могут применяться для создания полностью оптических устройств, способных обрабатывать быстрые оптические сигналы в волоконных системах связи.

Волновые конвертеры

Оптические волновые конвертеры широко применяются при построении мультиплексоров WDM (приведение входного сигнала в соответствие с рабочими длинами волн или с шагом сетки волнового плана мультиплексора) и для оптической маршрутизации по длине волны. Среди волновых конверторов на основе нелинейных эффектов наиболее широко используются два вида [3]:

— волновые конвертеры на основе оптической кросс-модуляции;

— волновые конвертеры на основе эффекта четырехволнового смешения.

В волновых конвертерах на основе оптической кросс-модуляции основная несущая модулирует дополнительную несущую. В качестве оптической кросс-модуляции используются эффекты перекрестной модуляции усиления и перекрестной фазовой модуляции.

Примером такого типа волновых конвертеров является волновой конвертер 160 Гбит/с (рис. 2) [9]. Волновой конвертер состоит из SOA, брэгговского поляризационного фильтра и интерферометра с задержкой. Входной 160 Гбит/с сигнал изменяет состояние носителей SOA, в результате сигнал CW модулируется за счет эффекта перекрестной модуляции усиления, следствием чего также является инвертирование длины волны. Задний фронт, имеющий фиолетовое смещение, отфильтровывается при помощи брэгговского фильтра. Далее 160 Гбит/с сигнал подается на интерферометр с задержкой, где полярность сигнала меняется, т.е. он становится неинвертированным.

Волновые конвертеры на основе перекрестной модуляции фазы и эффекта четырехволнового смешения используют нелинейные свойства оптического волокна, а не SOA, поэтому достижение необходимого эффекта связано с длиной оптоволокна, что может являться существенным недостатком при макетировании.

fwwvm

time

fwwvm

Pump. CW probe'

SOA

time

Modulated probe

Kilter

Рис. 1. Эффект перекрестной модуляции усиления в SOA

| Tunable Laser | 1560.77шіі

PCI

ООО

All optical wavelength converter (AOWC) 1.4ШП PC2 рсз

oqo ;; ooo

160 Gbit s receiver

SOA

1.9 ps 10 Gbit s MLFRL

160 Gbit s transmitter

EDFA

MOD

hOH

10^160

MuX

BPF

1549.98nm Ю Gbit s PRBS 27-l

МШ1

BPF

Control Pulse

Рис. 3. Демультиплексор на основе NOLM

Port 1

Port 2

Mach-Zehnder

rterferometer

Port з Resonant Outputs Coupler

2 ps PMF

PBS ,

Mllll

BPF

160->io

DcMuX

10 Gbit/s Receiver

Optical

sampling

scope

Демультиплексоры во временной области

Принципы работы полностью оптических устройств, производящих демультиплексирование во временной области, основываются на эффектах перекрестной фазовой модуляции и четырехволнового смешения.

При перекрестной фазовой модуляции возникающий сдвиг фаз может быть использован при встречном распространении сигналов в зеркале на основе нелинейной оптической петли (NOLM, NonLinear Optical Loop Mirror) или в интерферометрических схемах [10] (рис. 3, 4).

На практике в экспериментальных установках чаще применяется эффект четырехволнового смешения. В качестве примеров можно привести эксперимент 2008 г. по демультиплексированию из сигнала 640 Гбит/с подпотока 10 Гбит/с при помощи эффекта четырехволнового смешения в 5 см планарном халькогенидном волноводе As2S3 [11] и эксперимент 2010 г. по демультиплексированию из 160 Гбит/с сигнала 10 Гбит/с подпотока при помощи эффекта четырехволнового смешения в SOI нановолокне (silicon-on-insulator, кремний на диэлектрике - нелинейный материал, полученный с использованием достижений нанофотоники) длиной 1,1 см [12]. Все эти способы предполагают использование сложных технологий изготовления, таких как применение различных техник литографии, реактивного ионного травления и тд

Оптические логические элементы

Реализация логических функций при помощи нелинейных эффектов требует использования дополнительной системы фильтров, поляризаторов и т.п.

В работе [11] используются оптические логические элементы на базе интерферометров Маха-Цандера с использованием SOA, выполняющие функцию XOR (рис. 5). Тип применяемого нелинейного эффекта не указывался. Работоспособность проекта проверялась при помощи программного обеспечения фирмы Virtual Photonics. Моделирование было проведено для скорости 10 Гбит/с.

В 2009 г. было сообщено об эксперименте [13] по реализации логической функции OR/NOR на основе перекрестной фазовой модуляции. Выбор режима работы (OR или NOR) осуществлялся настройкой параметров оптического фильтра и ге-

Рис. 2. Экспериментальная установка с волновым конвертером 160 Гбит/с

нератора дифференциальной групповой задержки. Устройство способно было работать с сигналами 40 Гбит/с.

В эксперименте 2010 г. [14], демонстрирующем функцию XOR, был использован интерферометр Маха-Цандера, в каждом из плеч которого был встроен участок SOI волновода. Также известно о применении таких волноводов для создания устройств, реализующих функции AND и NOR. Преимуществом SOI волноводов является высокая скорость их работы—до сотен гигабит в секунду, тогда как SOA способны работать только на десятках гигабит в секунду. В результате эксперимента была достигнута скорость работы 0,33 Тбит/с.

Оптические триггеры

Если оптические логические элементы исследуются уже давно, то создание оптических запоминающих устройств связано с определенными трудностями, главной из которых является проблема времени сохранения запомненного значения. Примерами таких устройств являются следующие.

1. Система из двух лазеров. Примером такого устройства является экспериментальная установка, описанная в работе [15] (рис. 6). Лазеры объединены таким образом, что излучение одного гасит излучение другого. Состояние триггера определяется тем лазером, который излучает в данный момент. Лазеры были сконструированы из двух SOA и оптоволоконных брэгговских решеток с различными длинами волн.

Принцип работы устройства основан на том факте, что излучение лазера на "собственной" длине волны может быть погашено под воздействием внешнего светового сигнала, вводимого в резонатор лазера и имеющего другую длину волны. Излучение прекращается, так как коэффициент усиления внутри лазера падает ниже порога генерации вследствие усиленного внешнего света.

Один из лазеров работает как "ведущий", подавляя излучение второго лазера, который работает как "ведомый". Роли лазеров могут быть изменены вследствие симметричности системы. Триггер сохраняет свое состояние даже после удаления внешнего света.

Скорость работы и переходные характеристики при переключении не были рассмотрены, внимание в данной работе было сфокусировано на достижении устоявшегося режима работы системы. Данная схема не основывается на нелинейных эффектах.

ь —« :— .

BPF

Рис. 5. Логический элемент XOR на базе интерферометра Маха-Цандера

Рис. 4. Демультиплексор на основе интерферометра Маха Цандера

Рис. 6. Оптический триггер на основе системы из двух лазеров

2. Система из двух интерферометров Маха-Цандера (рис. 7), каждый из которых содержит SOA в одном плече [16]. Состояние триггера определяется тем, сигнал какого из интерферометров подавляет другой.

3. Интерферометр Маха-Цандера, содержащий SOA в обоих плечах (рис. 8). Такая схема была продемонстрирована в работе [17]. Управляющие сигналы Set и Reset подаются на разные плечи интерферометра, а с выхода часть оптической мощности отводится в цепь обратной связи. Данное устройство требует особого представления управляющих сигналов в виде серии импульсов, первый из которых имеет значительно большую мощность, чем остальные, для обеспечения приемлемого времени хранения информации.

Работоспособность триггера проверялась путем моделирования при помощи программного обеспечения Virtual Photonics, время сохранения состояния составляло 0.1; 0.2; 0.5; 1; 2 и 5 нс.

4. Отдельно можно отметить эксперимент [18,19], использующий в качестве SOA лазер с распределенной обратной связью (Distributed Feedback, DFB) (рис. 9). В качестве принципа работы установки используется эффект оптической бистабильности, основанный на смещении петли гистерезиса под воздействием перекрестной фазовой модуляции. Скорость работы оптического триггера ограничена низкой скоростью модуляции прямо модулируемого лазера для сигнала Reset (около 1 ГГц).

Рис. 7. Оптический триггер на основе системы двух интерферометров

Практически все приведенные примеры (за исключением системы лазеров) зачастую имеют довольно жесткие условия работы (диапазон длин волн управляющих сигналов, влияние поляризации, время хранения информации), что может вызвать сложности с использованием их в качестве готовых решений.

Заключение

Без оптоэлектронного преобразования возможно успешное решение задач преобразования длин волн, демультиплексирования во временной области и создание логических элементов. Сложности, возникающие с построением оптических триггеров, связаны с физической природой носителя информации и могут быть преодолены изменением подхода к концепции хранения. Так, например, значение бита информации, выраженное в высоком уровне или отсутствии/низком уровне оптической мощности, заменяется представлением длины волны излучаемого света [лазеры].

Рассмотренные примеры доказывают теоретическую и практическую возможность создания полностью оптических устройств, способных обрабатывать быстрые оптические сигналы в волоконных линиях связи. Достижимая скорость работы полностью оптических устройств обработки может составлять более 100 Гбит/с.

Литература

1. Барсков А. После сорока // Журнал сетевых решений / Телеком. — № 3. — 2011.

2. Calabretta N. All-optical header processing based on nonlinear gain and index dynamics in semiconductor optical amplifiers. — Eindhoven University of Technology, 2004.

Рис. 8. Оптический триггер на основе интерферометра Маха-Цандера

Рис. 9. Оптический триггер на основе DFB-SOA

3. Слепов Н. Оптические волновые конвертеры и коммутаторы // Электроника: наука, технология, бизнес. — 2000. С.6-10.

4. Слепов Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. — М.: Радио и связь, 2000.

5. Yadav R., Aggarwal R.R. Survey and Comparison of Optical Switch Fabrication Techniques and Architectures // Journal of computing. Vol.2. Uss.4. -

2010. - P133-137.

6. Connelly MJ. Semiconductor Optical Amplifiers. — Kluwer Academic Publishers, 2002.

7. Листвин В.Н. DWDM-системы // Фотон-экспресс №1(89). —

2011. — С.40-42.

8. Агравал Г.П. Применение нелинейной волоконной оптики / Перевод В.И. Кузина; под ред. ИЮ. Денисюка: Учебное пособие. — СПб.: Издательство "Лань", 2011. — 592 с.: ил.

9. Liu Y., Tangdiongga E., Li Z., Zhang S., Hill M.T., van Zanlvoort J.H.C., Huijskens F.M., de Waardt H., Smit M.K., Koonen A.M.J., Khoe G.D., Dorren HJ.S. Ultra-fast all-optical processing: towards optical packet switching // Optical Transmission, Switching and Subsystems. — 2006.

10. Dutton HJ.R. Understanding Optical Communications, IBM Corporation, 1998.

11. Ramos F., Kehayas E., Martinez J.M., Clavero R., Marti J., Stampoulidis L, Tsiokos D., Avramopoulos H., Zhang J., Holm-Nielsen P.V., Chi N., Jeppesen P., Yan N., Tafur Monroy I., Koonen A.M.J., Hill M.T., Liu Y., Dorren HJ.S., van Caenegem R., Colle D., Pickavet M., Riposati B. IST-LASAGNE: Towards All-Optical Label Swapping Employing Optical Logic

Gates and Optical Flip-Flops // Journal of lightwave technology. — Vol.23. — №.10. — 2005.

12. Li F., Pelus M., Xu D-X., Densmore A., Ma R, Janz S., Moss DJ. Error-free all-optical demultiplexing at 160 GB/s via FWM in a silicon nanow're // Optics Express. — Vol.18. — No.4. — 2010. — P3905-3910.

13. Feng Y., Zhao X., Wang L., Lou C. High-performance all-optical OR/NOR logic gate in a single semiconductor optical amplifier with delay interference filtering // Applied optics. — Vol.48. — No.14. —2009. — R2638-2641.

14. WU J.W., Sarma A.K. Ultrafast all-optical XOR logic gate based on a symmetrical Mach-Zehnder interferometer employing SOI waveguides // Optics Communications. — 2010. — R2914-2917.

15. Hill M., de Waardt H., Khoe G.D., Dorren HJ.S. All-Optical Flip-Flop Based on Coupled Laser Diodes // IEEE Journal of quantum electronics. — Vol.37. — No.3. —2001. — R405-413.

16. Liu Y., Herrera J., Raz O., Tangdiongga E., Marti J., Ramos F., Maxwell G., Pouslie A., Mulvad H.C.H., Hill M.T., de Waardt H., Khoe G.D., Koonen AMJ., Dorren HJ.S. Field Trial of 160 Gb/s All-Optical Packet Switching // Optoelectronic Materials and Devices II, Proc. of SPIE. — Vol.6782. — 2007.

17. Le Minh H., Ghassemlooy Z, Wai Pang Ng. All-optical flip flop based on a symmetric Mach-Zehnder switch with a feed-back loop and multiple forward set/reset signals // Optical Engineering. Vol.46(4). — 2007.

18. Maywar D.N., Agrawal R.P. Robust optical control of an optical-ampli-fier based flip-flop // Optics Express. — Vol.6. — No.3. — 2000. — P75-80.

19. Maywar D.N. All-Optical Processing of Optical-Network Signals using Distributed Feedback Amplifiers. — University of Rochester, 2000.

SOLVING OF THE OPTICAL SIGNAL PROCESSING PROBLEM WITHOUT OPTOELECTRONIC CONVERSION Speransky V.S., Kuznetsova O.V.

Abstract: This article describes out-of-optoelectronic conversion methods for optical stream demultiplexing, packet switching and routing based on header processing. We analyzed different types of all-optical devces, which can be used for the problem solving: wavelength converters, optical time domain demultiplexers, optical logic gates and optical flip-flops. We studied physical principles using to achieve needed functionality. Nonlinear effects caused by interaction between optical signals in a material can be used to overcome electronic speed limits. Examples of experimental setups are being shown which investigate making of all-optical wavelength converters, demultiplexers, logic gates and flip-flops; different kinds of such devces are being selected by their physical principle of operation and/or their structure and technology. Speed performance and making difficulties that took place in the experimental setups are being shown for these all-optical devices. Mentioned examples are used to demonstrate theoretical and practical possibility of making all-optical devces which can process ultra-fast (100 Gb/s and more) optical signals.

Keywords: Demultiplex'ng, nonlinear effects, optical logic gates, optical flip-flop, all optical signal processing, semiconductor optical amplifier.