Regenerador totalmente óptico utilizado en comunicaciones ópticas
El regenerador Mamyshev 2R es un regenerador totalmente óptico utilizado en comunicaciones ópticas . En 1998, Pavel V. Mamyshev de Bell Labs propuso y patentó el uso de la modulación de fase propia (SPM) para la remodelación y reamplificación de pulsos ópticos de un solo canal. [1] [2] Aplicaciones más recientes apuntan al campo de la generación de pulsos ultracortos de alta potencia de pico.
Diseño del regenerador 2R
El esquema del regenerador Mamyshev convencional se muestra a continuación. Un amplificador de fibra dopada con erbio de alta potencia (HP-EDFA) aumenta la señal entrante a la potencia (Pm) necesaria para la ecualización óptima de la potencia pico de los símbolos "uno". Este amplificador puede ir seguido de un filtro de paso de banda óptico (no se muestra en la figura) para rechazar la emisión espontánea amplificada fuera de banda . [3]
En la salida de la fibra, un filtro de paso de banda óptico (OBPF) con un ancho espectral FWHM (definido de modo que el ancho de pulso en la salida sea el mismo que el de la entrada del sistema), está desplazado espectralmente por una cantidad con respecto a la longitud de onda de la portadora de la señal de entrada y se utiliza para tallar en el espectro ampliado, actuando así como un remodelador de pulsos.
Esta es la configuración de la unidad, que puede repetirse para una mayor precisión de la regeneración.
Se ha demostrado que es posible sustituir de forma ventajosa la fibra no lineal por una guía de ondas de calcogenuro altamente no lineal, abriendo así el camino a la regeneración de chips fotónicos totalmente integrados. [7]
Principio de funcionamiento y diseño
El regenerador Mamyshev puede manejar señales de retorno a cero con velocidades de bits de datos ultraaltas. De hecho, gracias a la respuesta casi instantánea del efecto Kerr no lineal , este regenerador no sufre el tiempo de recuperación finito de algunos absorbedores saturables .
El interés del regenerador Mamyshev radica en su capacidad de regenerar simultáneamente los bits de información "unos" y "ceros".
El efecto clave que afecta la evolución del pulso en el regenerador es la modulación de fase propia que amplía el espectro en proporción a la intensidad del pulso óptico inicial. Combinado con un desplazamiento de frecuencia de salida OBPF, esto constituye un umbralizador ultrarrápido eficiente. En más detalles, los pulsos de baja intensidad o el ruido no se amplían significativamente y caen fuera del BPF descentrado y, por lo tanto, la salida para los 0 ruidosos en el flujo de datos se reduce al piso cero. Por el contrario, para los pulsos de datos 1, la intensidad es lo suficientemente fuerte como para ampliar los espectros por SPM, y una parte significativa del espectro cae en la banda de paso OBPF, lo que lleva a una generación del pulso 1 de salida.
Mediante un diseño cuidadoso del regenerador y una combinación apropiada de parámetros de filtro (desplazamiento espectral y ancho de banda) / parámetros de fibra (valores de longitud, dispersión y no linealidad), [8] [9] también se puede lograr una reducción de las fluctuaciones de amplitud, lo que conduce a una ecualización de potencia del flujo de pulsos.
Los resultados del modelado para el regenerador 2R se muestran en el artículo. En la Figura 1, el panel superior muestra el pulso regenerado de la entrada (panel inferior) para el regenerador Mamyshev 2R. Los pulsos 1 ruidosos se amplifican a los mismos niveles de potencia en la salida, mientras que los pulsos 0 se reducen al nivel de ruido de fondo.
Una propiedad importante de un regenerador Mamyshev es su función de transferencia que vincula la potencia pico de salida con la potencia pico de entrada. Para un funcionamiento eficiente y la ecualización de potencia, esta función de transferencia debe exhibir una meseta marcada en el nivel de potencia de 1. [9] Se proporciona un ejemplo de una función de transferencia en la Figura 2.
Las operaciones espectrales de ensanchamiento, filtrado y regeneración alrededor de la longitud de onda central se muestran en la Figura 3.
En el diseño de este regenerador no lineal, se debe tener cuidado para evitar las consecuencias de la retrodispersión de Brillouin perjudicial [10], así como la interacción pulso a pulso que conduce a efectos de patrón en la secuencia de salida. [9] [10]
Regenerador Mamyshev - Variantes
Debido al proceso de filtrado espectral, el pulso regenerado se desplaza intrínsecamente de la frecuencia original. Esto puede ser beneficioso si se desea lograr la conversión de longitud de onda simultáneamente con la regeneración y, por lo tanto, se puede considerar la conmutación de canal. [11] Sin embargo, si se desea recuperar una señal de salida que tenga la longitud de onda inicial, una opción de aplicar otra regeneración con la frecuencia central del BPF colocada en la frecuencia central del canal original permite superar este problema. Esto se puede hacer en una sola fibra utilizando una propagación bidireccional en la fibra no lineal. [12]
Regeneración multicanal 2R
El regenerador Mamyshev en su configuración estándar está limitado a la operación en una sola longitud de onda para evitar efectos de modulación de fase cruzada (XPM) de canales adyacentes. Se han propuesto varios esquemas para extender su región de operación al régimen multicanal.
En su trabajo sobre compensación de mezcla de cuatro ondas (FWM) mediante el uso de un HLNF y su XPM, Michael Vasilyev y sus colaboradores propusieron [13] y demostraron una regeneración óptica de hasta 12 canales en sistemas de 10 Gbit/s. [14]
En otros trabajos, aprovechando el esquema de contrapropagación, se ha demostrado la regeneración de doble longitud de onda. [15] El número de canales que se pueden manejar se ha incrementado hasta cuatro gracias a la multiplexación de polarización . [16]
Se ha demostrado una regeneración totalmente óptica eficiente basada en el dispositivo Mamyshev a varias tasas de repetición: 10 Gbit/s, 40 Gbit/s y hasta 160 Gbit/s. [11]
El regenerador Mamyshev puede tener un rendimiento bajo: el filtrado espectral del espectro expandido induce una pérdida de energía intrínseca elevada. Para compensar esas pérdidas, se puede utilizar una amplificación Raman distribuida. [17]
Regeneración 3R
La regeneración 2R se puede combinar con una etapa adicional de regeneración para proporcionar una regeneración 3R. [11] [18]
La técnica Mamyshev también se ha utilizado para la transmisión OCDMA [19] y se ha propuesto utilizar la configuración Mamyshev en el marco del monitoreo del rendimiento óptico . [20]
Las características de remodelación del regenerador Mamyshev también se han combinado con un proceso de atracción de polarización que permite regenerar simultáneamente el estado de polarización y el perfil de intensidad de los flujos de pulsos degradados. [21]
Generación de pulsos ultracortos de alta potencia de pico
Las posibles aplicaciones de los regeneradores Mamyshev no se limitan al campo de las telecomunicaciones ópticas. Esta técnica también ha demostrado ser beneficiosa en el campo de la generación de pulsos de potencia de pico ultracortos y altos. De hecho, las características de mejora y remodelación del fondo de los regeneradores Mamyshev han abierto nuevas perspectivas para el uso de láseres con ganancia conmutada y han permitido generar pulsos de subpicosegundos con potencias de pico superiores al nivel de megavatios en los denominados osciladores Mamyshev. [22] Otro ejemplo se ha logrado con la mejora del contraste en varios órdenes de magnitud de pulsos de femtosegundos de mJ en fibras de núcleo hueco rellenas de argón. [23]
Concatenación de regeneradores Mamyshev y uso en un oscilador óptico basado en fibra
Se ha estudiado numéricamente la concatenación de pares de regeneradores Mamyshev y se ha demostrado que podrían surgir espontáneamente estructuras bien definidas a partir de una arquitectura de oscilador, [24] [25] lo que luego se ha confirmado experimentalmente. [26] Investigaciones adicionales se han centrado en el desarrollo de láseres de fibra de alta potencia de pico ultracorto [27] [28] y se han considerado otros diseños de cavidad. [29] [30] En 2017, se alcanzaron potencias pico récord muy por encima del nivel de MW.
Referencias
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