Применение нелинейных световодов для сверхбыстрой оптической обработки сигналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Кравцов, Константин Сергеевич

• Кравцов, Константин Сергеевич
• кандидат наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат наук Кравцов, Константин Сергеевич

Оглавление

Аннртация

Благодарности

Список таблиц

Список иллюстраций

1 Введение

2 Нелинейные световоды с сердцевиной из оксида германия Ge02

2.1 Обзор

2.2 Оптические свойства высокогерманатных световодов

I

2.3 Оптический демультиплексор для сигналов с временным уплотнением

на скорости 160 Гбит/с

3 Оптический пороговый элемент и его применения

3.1 Оптический пороговый элемент, основанный на нелинейном интерферометре

3.2 Скрытая передача данных по WDM сетям

4 Применения нелинейной обработки сигнала для оптического CDMA

4.1 / Оптический CDMA как способ оптического мультиплексирования с

распределенным спектром

4.2 Детектирование ультракоротких оптических импульсов для асинхронного оптического CDMA

4.3 Детектирование в системах оптического CDMA с использованием оптического порогового элемента: экспериментальная реализация

5 Квантовая обработка света с помощью солитонов Тирринга

5.1 Введение

5.2 Система уравнений Тирринга

5.3 Квантовые возмущения для солитонов модели Тирринга

5.4 Операторы квантовых флуктуаций

5.5 Сжатие

5.6 Столкновения солитонов Тирринга

5.7 Заключение

5.8 Приложение

6 Заключение 125 Список литературы 128 Список использованных сокращений

/

Список таблиц

2.1 Параметры нелинейных световодов, измеренные на длине волны Л = 1550 нм

2.2 Оптические демультиплексоры использующие нелинейные световоды

4.1 Свойства импульсного отклика фильтров Баттерворта и Бесселя

4.2 Полная пропускная способность оптической сети CDMA для разных

' методов детектирования

I

Список иллюстраций

2.1 Типичная структура микроструктурированного световода

2.2 Зависимость нелинейного коэффициента и распределенных потерь от концентрации Ge02 в высокогерманатных световодах

2.3 Суммарная нелинейность и оптические потери в зависимости от длины световод^ для высокогерманатных световодов и световодов на основе оксида висмута

2.4 Полные оптические потери в зависимости от суммарного нелинейного коэффициента для высокогерманатных световодов и световодов из оксида висмута

2.5 160 Gbits/s demultiplexer experimental setup

2.6 Количество битовых ошибок в демультиплексированном сигнале в зависимости от принимаемой мощности сигнала

2.7 Измеренные осциллограммы для всех 16ти ОС-192 подканалов

I i

2.8 Количество битовых ошибок в зависимости от средней мощности сигнала часов

2.9 Количество битовых ошибок в зависимости от мощности сигнала 160 Гбит/с

2.10 Пиковая мощность управляющего сигнала в зависимости от длины нелинейного световода для оптических демультиплексоров

3.1 Схема NOLM

3.2 Экспериментальная установка оптического порогового элемента

3.3 Измеренная передаточная функция порогового элемента

i j

I

3.4 Измеренная передаточная функция в двойном логарифмическом масштабе

3.5 Действие порогового элемента на одной длине волны

3.6 Пороговое декодирование широкополосного сигнала оптического CDMA

3.7 Экспериментальная установка для скрытой передачи данных

3.8 Спектральная маскировка секретной передачи данных

3.9 Осциллограммы скрытой передачи данных

3.10; Осциллограммы с синхронизацией по открытому каналу

3.11 Детектирование секретного канала с помощью оптического порога

3.12 Количество битовых ошибок для секретного канала как функция отношения мощностей

4.1 Модель оптического приемника CDMA

4.2 Измеренные осциллограммы сигналов для различных отношений сигнал/помехи и различных полос пропускания детектора

4.3 Вычисленные диаграммы сигналов для различных отношений сигнал/помехи < и различных полос пропускания детектора

4.4 Минимальная полоса пропускания фотодетектора как функция количества пользователей

4.5 Скорость передачи, достигаемая для разных способов детектирования, при использовании 10 ГГц фотодетектора в зависимости от количества пользователей

4.6 Схема экспериментальной установки, показывающая систему OCDMA

и Gigabit Ethernet интерфейс

4.7 I (а), (Ь) - примеры использованных OCDMA кодов Codel и Code2 в Тх1

и Тх2, соответственно; (с) - объединенный трафик от обоих передатчиков

4.8 (a), (b) - декодированные коды Codel и Code2, соответственно; (с), (d) - декодированные сигналы после прохождения оптического порогового элемента, MAI сильно подавлено

4.9 Количество битовых ошибок и вероятность потери пакетов как функция отношения мощностей между двумя кодами

4.10 Экспериментальная установка системы оптического CDMA

4.11 а, радиочастотный сигнал после генератора импульсов используемый для ЕАМ; Ь, Оптический импульсный сигнал на выходе ЕАМ измеренный с помощью осциллографа

4.12 Количество битовых ошибок детектированного сигнала как функция отношения мощностей между пользователями

4.13 Измеренные осциллограммы сигналов в случае асинхронного детектирования

5.1 Пиковая интенсивность и ширина огибающей на полувысоте (FWHM) солитоно| модели Тирринга как функция амплитуды Q, вычисленные

для у = 0

5.2 Контурная диаграмма среднеквадратичной неопределенности фазы (Аф2) как функции t и амплитуды солитона Q для у = 1

5.3 Контурная диаграмма среднеквадратичной неопределенности положения солитона (Axq) как функции t и амплитуды солитона Q для у = 1

5.4 Степень сжатия как функция t для пары Q-tp вычисленная для Q = 7г/4

5.5 Графики отношения вариаций фазы и координаты как функции t/т, вычисленные для разных уг

5.6 Контурная диаграмма отношения неопределенностей фазы {A(pl(t))coll / (A^iW)' вычисленных для t = Зт и у2 = 0 как функция амплитуд Qi = Q2 и относительной скорости у\—у2

5.7 Контурная диаграмма отношения неопределенностей положения соли-тона (Джо1(£))соп/ вычисленное для Ь = Зт, уг = 1, и у2 = О

как функция амплитуд С^х и

5.8 Контурная диаграмма отношения неопределенностей оператора положения Ях для солитонов НУШ, вычисленное для £ = Зт и А2 = 1 как функция амплитуды Ах и относительной скорости рг —'Р2

хш

I

Глава

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение нелинейных световодов для сверхбыстрой оптической обработки сигналов»

Введение

Возможности передачи информации испытали чрезвычайный прогресс за последние 30 лет. В эти годы появилась и распространилась идея оптической связи, т.е. использования света для передачи цифровой информации. Эта идея привела к огромному качественному скачку в развитии технологий связи как результат намного лучших характеристик передачи данных, которые могут быть достигнуты при использовании оптических сигналов, и которые недоступны при передаче по проводам. Изначально волоконно-оптические линии связи стали использоваться для передачи данных на большие расстояния (long-haul), но вскоре они стали продвигаться и на уровень городских сетей. В настоящее время практически все сети от городского до межконтинентального масштаба являются волоконно-оптическими [1, 2].

Замена проводных электрических линий связи на оптические происходит на все более и более мелких масштабах: от дальних линий до линий средней дальности, от локальных сетей до связи между оборудованием внутри одной серверной комнаты, от соединений между электронными платами до оптических линий связи между микросхемами в масштабах одной платы. И каждый раз, когда оптический сигнал достигает преемника он сначала преобразуется в электрический, а затем уже происходит его дальнейшая обработка. Возникает вопрос, можем ли мы избежать бесчисленных преобразований сигнала из оптического в электрический? Возможно ли производить обработку сигналов прямо в оптической форме?

Ответ на этот вопрос да. Это известно с конца 1980х годов, хотя до недавнего времени подобная оптическая обработка сигналов была непрактична по причине отсутствия подходящих материалов и технологий. Сейчас они есть в доступности, и цель настоящей диссертации показать возможные практические применения оптической обработки сигналов. В первую очередь мы рассматриваем такие применения нелинейной оптической обработки сигналов, которые позволяют достигнуть различные характеристики недоступные для современной электроники.

Fрассмотрим историю оптической передачи данных чтобы вспомнить основные достижения на пути прогресса в этой области. Вскоре после изобретения лазеров в 1960 году, беспрецедентная скорость протекания некоторых оптических процессов была экспериментально обнаружена и подтверждена теоретически. Тем не менее, в то

время физика коротких оптических импульсов и сверхбыстрых процессов оставалась

/

исключительно научной задачей и не имела никаких применений для телекоммуникаций. Ситуация сильно изменилась после появления первых волоконно-оптических световодов с низкими потерями света (меньше 20 дБ/км), которые были разработаны около 1970 года в Corning Glass Laboratories [3]. Такие световоды позволяли передачу света на расстояния порядка нескольких километров, что вскоре привело к разработке первых волоконно-оптических систем связи.

Простые расчеты показали, что световоды лишены тех недостатков которые неизбежны при использовании традиционных проводных линий: в то время как потери

сигнала в медном кабеле увеличиваются при увеличении скорости потока данных,

I

потери в оптических световодах остаются неизменными. То есть, используя световоды, можно передавать данные на максимально допустимой скорости поддерживаемой

конечным оборудованием без дополнительного ухудшения сигнала. Это наблюдение быстро привело к существенному увеличению скорости и расстояния передачи данных после замены медных кабелей на световоды из кварцевого стекла. Это также сильнейшим образом повлияло на количество средств инвестированных в разработку оптических технологий связи.

После такого колоссального прорыва в развитии, главные силы индустрии стали ориентированы на дальнейшее улучшение технологий, позволяющих улучшить пропускную способность и расстояние передачи за счет достижений в электронике и изготовлении используемых световодов. Обзор этих достижений выходит за рамки настоящего введения. Мы же обратим внимание на основные моменты в развитии оптической обработки сигналов и нелинейной оптики.

Термин нелинейная используется здесь по следующей причине: в классической оптике пучки света никогда не взаимодействуют друг с другом. Поэтому справедлив принцип суперпозиции: результат действия нескольких источников света является суммой действий каждого из них.2 Такое поведение называется линейным. Напротив, нелинейными называют те случаи, когда свет не может считаться невзаимодействующим сам с собой. Другими словами, если пучок света воздействует на распространение другого пучка или самого себя, т.е. участвует в нелинейном взаимодействии, такой процесс называется нелинейным.

'Для простоты мы здесь не учитываем дисперсионные явления в световодах, которые ухудшают передачу данных на больших скоростях. Позже дисперсия стала ограничивающим фактором для скорости потока данных.

2Мы приводим здесь слегка упрощенную модель, которая не учитывает интерференцию света. Более аккуратное изложение может быть найдено в любом учебнике по нелинейной оптике.

С квантовомеханической точки зрения, мы знаем, что свет состоит из фотонов, которые не взаимодействуют друг с другом.3 Фотоны могут взаимодействовать с заряженными частицами, в основном электронами, потому что большинство других частиц слишком тяжелы для того, чтобы существенно повлиять на распространение света. Таким образом, большинство оптических нелинейных процессов происходят благодаря взаимодействию фотонов через электроны в нелинейной среде.

Изучение нелинейных процессов в волоконных световодах началось вскоре после появления первых световодов с низкими оптическими потерями. Хотя нелинейность кварцевого стекла очень мала, волноводная структура оптического волокна позволяет поддерживать очень высокую интенсивность света, сконцентрированную в сердцевине световода на протяжении большой длины. В результате, после распространения через достаточно длинный отрезок световода, нелинейные отклик, т.е. воздействие оптического импульса на себя самого, накапливается и может стать достаточным для изменения пути распространения света.

Первая экспериментальная демонстрация нелинейного самовоздействия света в волоконных световодах была осуществлена только в 1978 году [4], хотя за пять лет до этого теоретики из Bell Laboratories предсказали распространение нелинейных оптических импульсов, названных солитонами, в волоконных световодах [5]. Такие импульсы распространяются в световоде без искажения формы только благодаря нелинейному поведению среды. В отличие от классических линейно распространяющихся импульсов, которые уширяются во времени при распространении, солитоны компенсируют это уширение за счет нелинейного самовоздействия. Из-за такого уникального свойства солитоны стали очень привлекательны для оптической передачи данных. Казалось; что они решают проблему уширения импульсов, которая ограничивала скорость передачи данных. Но позже, в 1986 году, было показано [6], что другие соображения ограничивают применимость солитонных линий связи, приводящих к намного более пессимистичным прогнозам, чем казалось раньше.

3Строго говоря, они могут взаимодействовать через рождение виртуальных частиц, но для оптических частот и типичных интенсивностей света эти эффекты пренебрежимо малы и поэтому должны быть опущены.

I

История исследования солитонов заслуживает особого внимания. Изначально, со-литоны были открыты и задокументированы в первой половине XIX века как волны на мелкой воде. Их теоретическое описание было разработано к концу XIX века Кор-тевегом и Де Вризом [7]. Затем интерес к ним прекратился на долгие десятилетия. Настоящее возрождение науки о солитонах произошло в конце 1950х годов, когда была обнаружена их связь с квантовой теорией поля. Усилия теоретиков привели к предсказанию нескольких других типов солитонов в том числе и наиболее известных солитонов модели Тирринга [8], солитонов уравнения синуса-Гордона (Sine-Gordon),

а также солитонов нелинейного уравнения Шредингера.

|

Экспериментальное доказательство существования солитонов в волоконных световодах, выполненное в Bell Laboratories в 1980 году [9], повлекло за собой новую волну исследований. Среди полученных результатов было продемонстрировано [10, 11], что солитоны могут изменять квантовые состояния света предсказуемым образом и поэтому могут быть использованы для приготовления квантовых состояний с уровнем шума ниже обыкновенного квантового предела, так называемых сжатых квантовых состояний. В главе 5 настоящей диссертации мы разрабатываем квантовую теорию солитонов модели Тирринга которая может найти применение для получения сжатых квантовых состояний света в некоторых нелинейных системах.

ПОСЛЕ открытия солитонов в волоконных световодах, появилась другая не менее важная тема для исследований, которая была направлена на улучшение нелинейных свойств световодов. К концу 80-х сформировались два основных направления: согласно первому, очень слабая нелинейность световодов из кварцевого стекла повышалась за счет изменения формы поля моды так, чтобы повышалась интенсивность света в сердцевине световода; второй подход был основан на использо-

вании тяжелых и сильно нелинейных стекол в качестве материала для изготовления световода. Оба метода давали существенные результаты, которые используются и в настоящее время. Последние достижения в этом направлении — это демонстрация дырчатых световодов в 1996 году [12] и появление сильно нелинейных световодов из оксида висмута в 2004 году [13]. Еще один новый тип нелинейных световодов — высоколегированные оксидом германия световоды из кварцевого стекла — представлен в главе 2 настоящей диссертации, где мы изучаем их свойства, сравниваем с другими рекордными типами световодов, а также демонстрируем их применение для сверхбыстрой оптической обработки сигналов.

Кроме эффективности самих нелинейных элементов практическое использование нелинейных эффектов в оптике также требует разработки простых функциональных модулей для обработки сигналов. Одна из простейших функций, оптическое переключение сигналов, может быть реализовано с помощью нелинейных световодов несколькими разными способами. Исторически, одно из наиболее важных достижений заключалось в изобретении нелинейного оптического петлевого зеркала (NOLM) в 1988 году [14] которое было затем использовано для оптического переключения импульсов [15]. Другие типы оптического переключателя на нелинейных световодах включают в себя нелинейное вращение поляризации [16], где поляризационное состояние света изменяется за счет нелинейного сдвига фазы; четырехволновое смешение (four-wave fixing, FWM) [17], где нелинейный сдвиг фазы порождает новые оптические частоты за счет эффектов когерентности; а также нелинейную фазовую само- и кросс-модуляцию (self- and cross-phase modulation, SPM and XPM) [18], где нелинейный сдвиг фазы приводит к уширению оптического спектра сигнала.

В 1993 году появился еще один тип сверхбыстрых оптических переключателей — терагерцовый оптический асимметричный демультиплексор (terahertz optical asymmetric demultiplexer, TOAD) [19]. Хотя вместо нелинейных световодов TOAD основан на полупроводниковом усилителе света (semiconductor optical amplifier, SOA), он тоже может осуществлять сверхбыстрое переключение сигналов с характерным временем переключения порядка 1 пикосекунды (пс).

Наряду с оптическим переключением с помощью нелинейных световодов были реализованы несколько других функций: регенерация сигнала [20, 21], простейшие логические функции [22], преобразование длины волны [23], а также оптический пороговый элемент [24]. В главе 3 диссертации мы представляем улучшенную конфигурацию оптического порогового элемента и демонстрируем его применение для синхронизации часов в передаче данных с временным уплотнением.

Как замечено ранее, нелинейная обработка оптических сигналов в волоконной оптике является важным средством для реализации оптической передачи данных. В связи с этим разработка новых функциональных элементов для обработки сигналов тесно связана с вопросами модуляции и мультиплексирования данных в скоростных волоконно-оптических средствах связи. Повторяя историю развития радиосвязи, первые способы мультиплексирования примененные в оптической связи в начале 1970-х — это спектральное и временное уплотнение каналов (wavelength- and time-division multiplexing, WDM and TDM [25, 26]). Принципиальная разница между двумя этими

I

способами заключается в том, что в случае спектрального уплотнения для разделения сигналов достаточно использовать только пассивные оптические фильтры, в то время как для разделения каналов с временным уплотнением требуются активные оптические демультиплексоры, которые намного сложнее в реализации. В связи с этим спектральное уплотнение каналов вскоре стало основным способом мультиплексирования в коммерческих оптических сетях, в то время как временное уплотнение осталось скорее экспериментальным подходом, с потенциально большими возможностями масштабирования; его основные недостатки связаны в первую очередь с необходимостью синхронизации передатчика и приемника. Для преодоления проблемы синхронизации и для дальнейшего улучшения масштабируемости сетей было предложено использовать множественный доступ с кодовым разделением (code-division multiple access, CDMA) адаптированный под оптическую передачу данных. Первые прототипы оптических CDMA сетей были продемонстрированы в середине 1980-х годов [27]. Благодаря свойствам кодов используемых в оптическом CDMA, этот тип мультиплексирования может быть значительно более гибким нежели WDM и TDM,

реализуя асинхронный режим передачи, лучшую масштабируемость, т.е. количество доступных кодов, улучшенную спектральную эффективность, а также контролируемое качество сигнала и защиту данных на физическом уровне.

Некоторые свойства оптических CDMA сетей изучены в главе 4 настоящей диссертации, где были предложены и реализованы методы асинхронного детектирования сигналов CDMA с помощью оптического порогового элемента, новый метод оптической зашифровки данных, а также экспериментальная работа по использованию

I

оптического порогового элемента для извлечения сигнала синхронизации и последующего синхронного детектирования для сетей CDMA.

В целом, настоящая диссертация посвящена различным аспектам нелинейной

оптики, в приложении к волоконно-оптической передаче данных. Новый тип

j

нелинейных световодов был использован для решения разнообразных проблем обработки сигналов в различных волоконно-оптических системах передачи данных, в том числе использующих временное уплотнение и CDMA. Некоторые теоретические аспекты систем множественного доступа с кодовым разделением были также изучены с целью подтверждения эффективности использования нелинейной обработки сигналов и информации для улучшения приема сигнала. Некоторые вопросы квантовых свойств нелинейной обработки сигнала были также изучены на примере оптических солитонов модели Тирринга.

Глава 2

Нелинейные световоды с сердцевиной из оксида германия ве02

I

I

Разработка новых нелинейных материалов является важной состовляющей развития методов оптической обработки сигналов для волоконно-оптической связи. Без современных высоконелинейных оптических световодов реализация многих важных решений в сверхбыстрой обработке сигналов была бы невозможна. В недавнее время появление новых нелинейных световодов, таких как дырчатые стветоводы и световоды на основе висмутового стекла привело к значительнному прогрессу в развитии оптической нелинейной обработки сигналов. В этой главе мы рассметриваем еще один перспективный тип нелинейных световодов — световоды с сердцевиной из ок-

I í

сида германия 0е02.

2.1 Обзор

Линейное распространение света предполагает, что все параметры распространения не зависят от интенсивности света. Нелинейное же поведение выражается в зависящем от интенсивности сдвиге фазы у распространяющегося света. В волоконно-оптических световодах такой сдвиг фазы, обычно называемый "нелинейный сдвиг фазы", ¿может быть вычислен как

I

(^nl = 7 LP, (2.1)

где L — длина световода, P — полная мощность распространяющегося света, которая

I

пропорциональна интенсивности света в сердцевине световода, и 7 — нелинейный коэффициент, который обычно измеряется в единицах Вт_1км-1 [28]. Для стандартных одномодовых световодов (single mode fiber, SMF) нелинейный коэффициент составляет порядка 1 Вт-1км-1, т.е. для накопления 1 радиана нелинейного сдвига фазы требуется 1 км световода и 1 Вт оптической мощности.

С исторической точки зрения, прогресс в разработке более эффективных нелинейных световодов начался в начале 1990-х годов, когда были продемонстрированы высоконелинейные световоды со сдвигом дисперсии (highly nonlinear dispersion shifted fibers, HNL-DSFs). Нелинейный коэффициент таких световодов был всего в 5-7 раз выше, чем у стандартных одномодовых световодов, так что их использование даже для простейших функций обработки сигналов требовало больше чем 500 метров световода для накопления достаточного нелинейного сдвига фазы. Такая большая длина была неудобна и непрактична для большинства приложений; в связи с этим были сильно востребованы световоды с более высоким нелинейным коэффициентом.

Приблизительно в то же время были разработаны высоконелинейные халько-генидные световоды [29]. Как и другие тяжелые стекла, халькогенидное стекло (AsxSy), используемое в этих световодах, обладает намного большей нелинейностью по сравнению с кварцевым стеклом. Но, хотя, халькогенидные световоды обладали очень высоким нелинейным коэффициентом, они не могли быть соединены со стандартными световодами из кварцевого стекла методом сварки и поэтому требовали дополнительных оптических систем для введения света, что приводило к высоким оптическим потерям на вводе. Так называемые серые потери, т.е. нерезонансные потери света при распространении в световоде, в халькогенидных волокнах были также очень высоки, порядка нескольких дБ/м. Другая проблема, связанная с использованием халькогенидных волокон, заключается в их гигроскопичности (легко

mimm

-V* Л /

Л V/

щ - ш » * щ * .

в « « с i : *

Рис. 2.1: Типичная структура микроструктурированного световода (взято с сайта http: //www. bath.ac.uk/physics/groups/cppm/).

поглощают влагу из воздуха) и их токсичности. Главным образом из-за этих недостатков халькогенидные световоды до сих пор широко не используется.

Позднее, в начале 2000-х, стали широко доступны микроструктурированные световоды. Внутренняя дырчатая структура таких волокон (рис. 2.1) позволяет изменять свойства волокна, такие как его дисперсия и нелинейный коэффициент. Сжатие поля моды в сердцевине световода позволяет существенно увеличить нелинейность таких световодов. Однако, нелинейный коэффициент микроструктурированных световодов на основе диоксида кремния ограничен теоретическим верхним пределом равным 52 Вт"1 км-1 [30] при длине волны Л = 1550 нм, в то время как экспериментально достигнутый максимум составляет 35 Вт 'км-1 [20]. Хотя микроструктурированные световоды очень полезны для некоторых приложений, особенно там, где требуется точное управление дисперсией при относительно высоком нелинейном коэффициенте, они по-прежнему очень дороги в изготовлении из-за сложности технологии. Они также имеют относительно высокие оптические потери и плохо свариваются со стандартным одномодовыми световодами.

Относительно недавно, в 2004 году, было продемонстрировано новое поколение не кварцевых нелинейных световодов — световоды на основе оксида висмута [13]. В отличие от халькогенидных световодов, световоды из оксида висмута могут быть сварены со стандартными одномодовыми волокнами, хотя и с использованием допол-

нительного промежуточного волокна. Нелинейный коэффициент этих световодовна длине волны Л = 1550 нм может достигать 1300 Вт-1км-1 [31], что значительно выше, чем у любых световодов на основе диоксида кремния. Однако, высокие оптические потери на вводе и при распространении в них света (около 2 дБ на соединении и 1 дБ/м, соответственно) накладывают определенные ограничения на их применение. Кроме того, несоответствие их коэффициента преломления со световодами из кварцевого стекла ( пВг2о3 ~ 2.1 в то время как п3ю2 = 1-46) приводит к относительно высоким паразитным отражениям в точках сварки, что делает световоды из оксида висмута неприменимыми для некоторых задач, в том числе для использования

I

в ШБМ.

В то же время прогресс в производстве высоконелинейных световодов на основе кварцевого стекла привел к демонстрации волокон с нелинейным коэффициентом равным 20.4 Вт-1км-1 [32]. На следующем этапе были разработаны так называемые высокогерманатные световоды, т.е. световоды с предельно высокой концентрацией 0е02 в сердцевине [33]. Параметры этих нелинейных волокон, сравнение их с волокнами из оксида висмута, а также их применение для обработки оптических сигналов будет обсуждаться в следующих разделах данной главы.

I

2.2 Оптические свойства высокогерманатных световодов

Процесс производства высокогерманатных световодов очень близок к стандартному, использующемуся для телекоммуникационных одномодовых световодов, поскольку используются те же самые заготовки из кварцевого стекла и то же самое легирующее вещество — 0е02. Основное отличие заключается в более высокой концентрации оксида германия в сердцевине волокна. В деталях, эта технология описана в [33], где

I

приведены все параметры использованных заготовок и параметры вытяжки волокна.

У нас был доступ к трем типам высокогерманатных волокон с различной концен-

Световод нелин. коэффициент 7 (Вт-км)"1 дисперсия В пс/(нм-км) потери а дБ/км отсечка Асо нм Дп концентрация Се02 молярн. %

140с 50 ±5 -90 ±5 210 1250 0.142 97

311с1 35 ±5 -70 ±5 36 1340 0.111 75

Ое037уз2 10 ± 1 -50 ±5 1.8 1100 0.044 30

БМР28е 1.1 +17 0.20 < 1260 0.0054 3.6

Е^Оз-Ьаэес! 750 ± 100 -300 ~ 1400 - - -

Таблица 2.1: Параметры нелинейных световодов, измеренные на длине волны Л = 1550 нм.

трацией 0е02 в сердцевине. Два из них, которые мы будем называть 31и 140с, сделаны из заготовок #311 и #140 описанных в [33]; третий тип, 0е037уз2, обладает более низкой концентрацией легирующего вещества и является промежуточным шагом между стандартными высоконелинейными и высокогерманатными световодами.

Основные параметры этих трех образцов приведены в таблице 2.1. Для сравнения,

I !

в таблице также содержится информация об имеющемся у нас образце световода из оксида висмута и о стандартном одномодовом телекоммуникационном оптоволокне [34].

Как следует из таблицы, нелинейный коэффициент высокогерманатных световодов зависит от концентрации 0е02 в сердцевине, и при максимальной концентрации равен 50 Вт-1км-1. Насколько нам известно, это самый высокий нелинейный коэффициент достигнутый для световодов на основе диоксида кремния. Хроматическая дисперсия высокогерманатных световодов имеет отрицательный знак и, следовательно, так^е световоды могут также быть использованы для компенсации дисперсии в

I

стандартных телекоммуникационных линиях связи. Оптические потери в высокогерманатных световодах также увеличиваются с увеличением концентрации легирующей примеси. Подробное обсуждение природы таких потерь приведены в [33]. На рисунке 2.2 показано, как нелинейный коэффициент и рапределенные потери высокогерманатных световодов зависят от концентрации 0е02 в сердцевине. Соответствующие значения для световодов из оксида висмута также приведены на рисунке.

Интересно сравнить параметры высокогерманатных световодов и световодов на

I >

1000 4

£ s

100

¡t 0) о

2 ю

n

Bismuth oxide (-1 000 W1kr Г1)

Bes t_PCFJ[32 311c

SMF28e Ge037vs2 i

г* t

1000

! 100

m ■o

O 10

a. O

0.1

______ Bism uth oxide (1400 dB km)

140c:

311ci !Éf

Ge037vs2 ík

SMF28e

20

40 60 80

GeO concentration, %

100

20 40 60 80

GeO, concentration, %

100

Рис. 2.2: Зависимость нелинейного коэффициента и распределенных потерь от концентрации 0е02 в высокогерманатных световодах.

основе оксида висмута, которые являются сегодня самыми популярными из нелинейных световодов. Как следует из таблицы, и нелинейность и потери значительно выше для волокон из оксида висмута. Чтобы сделать более точные сравнения этих двух типов световодов мы должны также учитывать потери на вводе, которые также значительно выш^ для световодов из оксида висмута из-за различия химического состава и плохой совместимости со световодами на основе кварцевого стекла. Типичные потери на вводе для световодов на основе оксида висмута на сегодняшний день составляют около 2 дБ на каждое соединение, в то время как тот же параметр для высокогерманатного волокна 140с составляет около 0,3 дБ и 0,2 дБ для 311 сГ и Се037уз2.

На рис. 2.3 приведены суммарный нелинейный коэффициент и полные потери, вычисленные для случая двух соединений со стандартным одномодовым световодом. Как следует из приведенного графика, нелинейный коэффициент для световодов из оксида висмута становится большим уже на очень коротких длинах волокна — всего несколько метров. Однако, когда нелинейный коэффициент достигает 1 Вт-1, потери достигают 10 дБ и дальнейшее увеличение длины не дает значительного увеличения нелинейного коэффициента.

Высокогерманатное оптоволокно 140с позволяет достичь приблизительно такого же нелинейного коэффициента на длине около 30 м, на которой потерь становятся

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кравцов, Константин Сергеевич, 2009 год

Литература

[1] R. Ramaswami, "Optical fiber communication: from transmission to networking," IEEE Commun. Mag., vol. 40, no. 5, pp. 138-147, 2002.

[2] J. N. Downing, Fiber optic Communications. Clifton Park, NY: Thomson/Delmar Learning, 2005.

[3] F. P. Kapron, D. B. Keck, and R. D. Maurer, "Radiation losses in glass optical waveguides," Appl. Phys. Lett., vol. 17, no. 10, pp. 423-425, 1970.

[4] R. H. Stolep and C. Lin, "Self-phase-modulation in silica optical fibers," Phys. Rev. A, vol.'17, no. 1, pp. 1448-1453, 1978.

[5] A. Hasegawa and F. Tappert, "Transmission of stationary nonlinear optical pulses in dispersive dielectric fibers 1: Anomalous dispersion," Appl. Phys. Lett., vol. 23, no. 3, pp. 142-144, 1973.

[6] J. P. Gordon and H. A. Haus, "Random walk of coherently amplified solitons in optical fiber transmission," Opt. Lett., vol. 11, no. 10, p. 665, 1986.

[7] D. J. Korteweg and G. de Vries, "On the change of form of long waves advancing in a rectangular canal, and on a new type of long stationary waves," Philosophical Magazine, vol. 39, pp. 422-443, 1895.

[8] W. E. Thirring, "A soluble relativistic field theory," Ann. Phys., vol. 3, pp. 91-112, 1958.

i i

[9] L. F. Mollenauer, R. H. Stolen, and J. P. Gordon, "Experimental observation of picosecond pulse narrowing and solitons in optical fibers," Phys. Rev. Lett., vol. 45, no. 13, pp. 1095-1098, 1980.

[10] S. J. Carter, P. D. Drummond, M. D. Reid, and R. M. Shelby, "Squeezing of quantum solitons," Phys. Rev. Lett., vol. 58, no. 18, pp. 1841-1844, 1987.

[11] P. D. Drummond and S. J. Carter, "Quantum-field theory of squeezing in solitons," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 4, no. 10, pp. 1565-1573, 1987.

[12] J. C. Knight, T. A. Birks, P. S. Russell, and D. M. Atkin, "All-silica single-mode fiber with photonic crystal cladding," Opt. Lett., vol. 21, no. 19, pp. 1547-1549, 1996.

I t

[13] T. Nagashima, T. Hasegawa, S. Ohara, N. Sugimoto, K. Taira, and K. Kikuchi, "Bi203-based highly nonlinear fiber with step index structure," Proc. SPIE, vol. 5350, pp. 50-57, 2004.

[14] N. J. Doran and D. Wood, "Non-linear optical loop mirror," Opt. Lett., vol. 13, pp. 56-58, 1988.

[15] K. J. Blow, N. J. Doran, and B. K. Nayar, "Experimental demonstration of optical soliton switching in an all-fiber nonlinear Sagnac interferometer," Opt. Lett., vpl. 14, no. 14, pp. 754-756, 1989.

[16] T. Morioka, M. Saruwatari, and A. Takada, "Ultrafast optical multi/demultiplexer utilizing optical Kerr effect in polarization maintaining single-mode fibres," Electron. Lett, vol. 23, no. 9, pp. 453-454, 1987.

[17] P. A. Andrekson, N. A. Olsson, J. R. Simpson, T. Tanbun-Ek, R. A. Logan, and M. Haner, "16 Gbit/s all-optical demultiplexing using four-wave mixing," Electron. Lett, vol. 27, no. 11, pp. 922-924, 1991.

[18] T. Morioka, K. Mori, and M. Saruwatari, "Ultrafast polarization-independent optical demultiplexer using optical carrier frequency shift through crossphase modulation," Electron. Lett, vol. 28, no. 11, pp. 1070-1072, 1992.

[19] J. P. Sokoloff, P. R. Prucnal, I. Glesk, and M. Kane, "A terahertz optical asymmetric demultiplexer (TOAD)," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 5, no. 7, pp. 787-790, 1993.

[20] P. Petropoulos, T. M. Monro, W. Belardi, K. Furusawa, J. H. Lee, and D. J. Richardson, "2R-regenerative all-optical switch based on a highly nonlinear holey fiber," Opt. Lett., vol. 26, no. 16, pp. 1233-1235, 2001.

[21] K. Cvecek, G. Onishchukov, K. Sponsel, A. G. Striegler, B. Schmauss, and G. Leuchs, "Experimental investigation of a modified NOLM for phase-encoded signal regeneration," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 18, no. 17, pp. 1801-1803, 2006.

[22] Y. Miyoshi, K. Ikeda, H. Tobioka, T. Inoue, S. Namiki, and K.-I. Kitayama, "Ultrafast all-optical logic gate using a nonlinear loop mirror based multi-periodic transfer function," Opt. Express, vol. 16, no. 4, pp. 2570-2577, 2008.

i

[23] R. Stolen and J. Bjorkholm, "Parametric amplification and frequency conversion in optical fibers," IEEE J. Quant. Electron., vol. 18, no. 7, pp. 1062-1072, 1982.

[24] J. H. Lee, P. C. Teh, Z. Yusoff, M. Ibsen, W. Belardi, T. M. Monro, and D. J. Richardson, "A holey fiber-based nonlinear thresholding device for optical CDMA receiver performance enhancement," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, pp. 876-878, 2002.

[25] T. S. Kinsel, "Wide-band optical communication systems: Part I — Time division multiplexing," Proc. IEEE, vol. 58, no. 10, pp. 1666-1683, 1970.

[26] O. E. DeLange, "Wide-band optical communication systems: Part II — Frequency-division multiplexing," Proc. IEEE, vol. 58, no. 10, pp. 1683-1690, 1970.

[27] M. A. Santoro and P. R. Prucnal, "Asynchronous fiber optic local area network using CDMA and optical correlation," Proc. IEEE, vol. 75, no. 9, pp. 1336-1338, 1987.

[28] G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics. Academic Press, third ed., 2001.

[29] M. Asobe, T. Kanamori, and K. Kubodera, "Applications of highly nonlinear chalcogenid^ glass fibers in ultrafast all-optical switches," IEEE J. Quant. Electron., vol. 29, pp. 2325-2333, 1993.

[30] V. Finazzi, T. M. Monro, and D. J. Richardson, "Small-core silica holey fibers: nonlinearity and confinement loss trade-offs," I. Opt. Soc. Am. B, vol. 20, no. 7, pp. 1427-1436, 2003.

[31] N. Sugimoto, T. Nagashima, T. Hasegawa, S. Ohara, K. Taira, and K. Kikuchi, "Bismuth-based optical fiber with nonlinear coefficient of 1360 W^km-1," in Proc. of OFC 2004 PDP26, (Los Angeles, CA), 2004.

[32] T. Okuno, M. Onishi, T. Kashiwada, S. Ishikawa, and M. Nishimura, "Silica-based functional fibers with enhanced nonlinearity and their applications," IEEE I. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 5, no. 5, pp. 1385-1391, 1999.

[33] E. M. Dianov and V. M. Mashinsky, "Germania-based core optical fibers," I. Lightwav. iechnol., vol. 23, no. 11, pp. 3500-3508, 2005.

[34] A. Boskovic, S. V. Chernikov, J. R. Taylor, L. Gruner-Nielsen, and O. A. Levring, "Direct continuous-wave measurement of n2 in various types of telecommunication fiber at 1.55 pm," Opt. Lett., vol. 21, pp. 1966-1968, 1996.

[35] J. H. Lee, T. Tanemura, K. Kikuchi, T. Nagashima, T. Hasegawa, S. Ohara, and N. Sugimoto, "Use of 1-m Bi203 nonlinear fiber for 160-Gbit/s optical timedivision demultiplexing based on polarization rotation and a wavelength shift induced by cross-phase modulation," Opt. Lett., vol. 30, no. 11, pp. 1267-1269, 2005.

[36] M. Scaffardi, F. Fresi, G. Meloni, A. Bogoni, L. Poti, N. Calabretta, and M. Guglielmucci, "Ultra-fast 160:10 Gbit/s time demultiplexing by four wave

mixing in 1 m-long Bi203-based fiber," Opt. Commun., vol. 268, pp. 38-41, 2006.

i

[37] A. S. Lenihan, R. Salem, T. E. Murphy, and G. M. Carter, "All-optical 80-Gb/s time-division demultiplexing using polarization-insensitive cross-phase modulation in photonic crystal fiber," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 18, no. 12, pp. 1329-1331, 2006.

[38] J. W. Lou, K. S. Jepsen, D. A. Nolan, S. H. Tarcza, W. J. Bouton, A. F. Evans, and M. N. Islam, "80 Gb/s to 10 Gb/s polarization-insensitive demultiplexing with circularly polarized spun fiber in a two-wavelength nonlinear optical loop rpirror," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 12, no. 12, pp. 1701-1703, 2000.

[39] J. H. Lee, T. Tanemura, Y. Takushima, and K. Kikuchi, "All-optical 80 Gbit/s OTDM add-drop multiplexer using a single fiber-based nonlinear optical loop mirror," in CLEO, (Baltimore, MD), pp. 886-888, May 2005.

[40] K. Kravtsov, P. R. Prucnal, and M. M. Bubnov, "Simple nonlinear interferometer-based all-optical thresholder and its applications for optical CDMA," Opt. Express, vol. 15, no. 20, pp. 13114-13122, 2007.

[41] T. Sakamoto, H. C. Lim, and K. Kikuchi, "All-optical polarization-insensitive timedivision demultiplexer using a nonlinear optical loop mirror with a pair of short polarization-maintaining fibers," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, no. 12, pp. 1737-1739, 2002.

[42] ri. Sotobayashi, C. Sawaguchi, Y. Koyamada, and W. Chujo, "Ultrafast walk-off-free nonlinear optical loop mirror by a simplified configuration for 320-Gbit/s time-division multiplexing signal demultiplexing," Opt. Lett., vol. 27, no. 17, pp. 1555-1557, 2002.

[43] V. Marembert, C. Schubert, C. Schmidt-Langhorst, M. Kroh, S. Ferber, and H. G. Weber, "Investigation of fiber based gates for time division demultiplexing up to 640 Gbit/s," in OFC'06 OWI12, (Anaheim, CA), Mar. 2006.

[44] V. Marembert, C. Schubert, C. Weinert, H. G. Weber, K. Schulze, F. Futami, and S. Watanabe, "Investigations of fiber Kerr switch: Nonlinear phase shift measurements and optical time-division demultiplexing of 320 Gbit/s DPSK signals," in CLEO 2005, vol. 2, (Baltimore, MD), pp. 1432-1434, May 2005.

[45] J( H. Lee, T. Nagashima, T. Hasegawa, S. Ohara, N. Sugimoto, and K. Kikuchi, "Bismuth oxide nonlinear fibre-based 80 Gbit/s wavelength conversion and demultiplexing using cross-phase modulation and filtering scheme," Electron. Lett, vol. 41, no. 22, pp. 1237-1238, 2005.

[46] J. H. Lee, T. Tanemura, T. Nagashima, T. Hasegawa, S. Ohara, N. Sugimoto, and K. Kikuchi, "80 Gbit/s OTDM demultiplexer based on polarization rotation and XPM induced wavelength shift in a 1-m Bi203 nonlinear fiber," in Proc. of CLEO 2005, (Baltimore, MD), pp. 1423-1425 (CWK4), May 2005.

[47] B.-E. Olsson and P. A. Andrekson, "Polarization independent demultiplexing in a polarization diversity nonlinear optical loop mirror," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, no. 6, pp. 764-766, 1997.

I 131

[48] A. J. Boyle, B.-E. Olsson, and P. A. Andrekson, "Wavelength-tunable polarization-independent demultiplexing in an all-fiber polarization diversity nonlinear optical-loop mirror," in Proc. of CLEO 1998, pp. 425-426 (CTh056), May 1998.

[49] T. Yamamoto, E. Yoshida, and M. Nakazawa, "Ultrafast nonlinear optical loop mirror for demultiplexing 640Gbit/s TDM signals," Electron. Lett, vol. 34, no. 10, pp. 1013-1014, 1998.

[50] Y. Liang, J. W. Lou, J. K. Andersen, J. C. Stocker, O. Boyraz, M. N. Islam, and D. A. Nolan, "Polarization-insensitive nonlinear optical loop mirror demultiplexer with twisted fiber," Opt. Lett., vol. 24, no. 11, pp. 726-728, 1999.

[51] J. Li, B.-E. Olsson, M. Karlsson, and P. A. Andrekson, "OTDM demultiplexer based on XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber," in Proc. of OFC 2003, pp. 198-200, Mar. 2003.

[52] A. I. Siahlo, L. K. Oxenlawe, K. S. Berg, A. T. Clausen, P. A. Andersen, C. Peucheret, A. Tersigni, P. Jeppesen, K. P. Hansen, and J. R. Folkenberg, "A high-speed demultiplexer based on a nonlinear optical loop mirror with a photonic crystal fiber," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 15, no. 8, pp. 1147-1149, 2003.

[53] J. Li, B.-E./Olsson, M. Karlsson, and P. A. Andrekson, "OTDM demultiplexer based on XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 15, no. 12, pp. 1770-1772, 2003.

[54] J. Li, B.-E. Olsson, M. Karlsson, and P. A. Andrekson, "OTDM add-drop multiplexer based on XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber," /. Lightwav. Technol, vol. 23, no. 9, pp. 2654-2661, 2005.

[55] S. Ono, R. Okabe, F. Futami, and S. Watanabe, "A novel demultiplexer for ultra high speed pulses using a perfect phase-matched parametric amplifier," in Proc. of OFC 2006, (Anaheim, CA), p. OWT2, Mar. 2006.

[56] K.-L. Deng, I. Glesk, K. I. Kang, and P. R. Prucnal, "Unbalanced TOAD for optical data and clock separation in self-clocked transparent OTDM networks," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, pp. 830-832, 1997.

I

[57] Z. Zheng, A. M. Weiner, J. H. Marsh, and M. M. Karkhanehchi, "Ultrafast optical thresholding based on two-photon absorption GaAs waveguide photodetectors," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, no. 4, pp. 493-495, 1997.

[58] X. Wang, T. Hamanaka, N. Wada, and K. Kitayama, "Dispersion-flattened-fiber based optical thresholder for multiple-access-interference suppression in OCDMA system," Opt. Express, vol. 13, pp. 5499-5505, 2005.

[59] Z. Jiang, D. S. Seo, S.-D. Yang, D. E. Leaird, R. V. Roussev, C. Langrock, M. M. Fejer, and A. M. Weiner, "Low-power high-contrast coded waveform

discrimination at 10 GHz via nonlinear processing," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 16, pp. 1778-1780, 2004.

[60] M. E. Fermann, F. Haberl, M. Holer, and H. Hochreiter, "Nonlinear amplifying loop mirror," Opt. Lett., vol. 15, pp. 752-754, 1990.

[61] A. G. Striegler, M. Meissner, K. Cvecek, K. Sponsel, G. Leuchs, and B. Schmauss, "NOLM-based RZ-DPSK signal regeneration," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, pp. 639-641, 2005.

[62] D. J. Richardson, R. I. Laming, and D. N. Payne, "Switching and passive mode-locking of fibre lasers using nonlinear loop mirrors," Proc. SPIE, vol. 1581, pp. 2639, 1991.

[63] It' Glesk, V. Baby, C.-S. Brès, L. Xu, D. Rand, and P. R. Prucnal, "Experimental demonstration of 2.5 Gbit/s incoherent two-dimensional optical code division multiple access system," Acta Physica Slovaca, vol. 54, pp. 245-250, 2004.

[64] B. B. Wu, P. R. Prucnal, and E. E. Narimanov, "Secure transmission over an existing public WDM lightwave network," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 18, no. 17, pp. 1870-1872, 2006.

[65] R. Pickholtz, D. Schilling, and L. Milstein, "Theory of spread-spectrum communications — a tutorial," IEEE Trans. Commun., vol. COM-30, no. 5, pp. 855-884, 1982.

[66] A. J. Viterbi, CDMA: principles of spread spectrum communication. Addison Wesley Longman, Inc., 1995.

[67] I, Chih-Lin and K. K. Sabnani, "Variable spreading gain CDMA with adaptive control for true packet switching wireless network," in ICC 95, vol. 2, (Seattle), pp. 725-730, June 1995.

[68] P. R. Prucnal, ed., Optical Code Division Multiple Access: Fundamentals and Applications. Taylor & Francis Ltd., 2006.

[69] X. Wang, K. Matsushima, K. Kitayama, A. Nishiki, N. Wada, and F. Kubota, "High-performance optical code generation and recognition by use of a 511-chip, 640-Gchip/s phase-shifted superstructured fiber Bragg grating," Opt. Lett., vol. 30, no. 4, pp. 355-357, 2005.

[70] X. Wang, N. Wada, T. Hamanaka, K. Kitayama, and A. Nishiki, "10-user, truly-asynchronous OCDMA experiment with 511-chip SSFBG en/decoder and SC-based optical thresholder," in OFC2005 PDP33, (Anaheim, CA), 2005.

[71] A. Wang, N. Wada, G. Cincotti, T. Miyazaki, and K.-i. Kitayama, "Demonstration of over 128-Gb/s-capacity (12-user x 10.71-Gb/s/user) asynchronous OCDMA using FEC and AWG-based multiport optical encoders/decoders," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 18, no. 15, pp. 1603-1605, 2006.

[72] G. Cincotti,, "Design of optical full encoders/decoders for code-based photonic routers," /. Lightwav. Technol., vol. 22, no. 7, pp. 1642-1650, 2004.

[73] G. Cincotti, N. Wada, and K.-i. Kitayama, "Characterization of a full encoder/decoder in the AWG configuration for code-based photonic routers - part I: Modelling and design," /. Lightwav. Technol., vol. 24, no. 1, pp. 103-112, 2006.

[74] N. Wada, G. Cincotti, S. Yoshima, N. Kataoka, and K. Kitayama, "Characterization of a full encoder/decoder in the AWG configuration for code-based photonic routers — part II: Experiments and applications," /. Lightwav. Technol., vol. 24, no. 1, pp. 113-121, 2006.

[75] X. Wang, N. Wada, T. Miyazaki, G. Cincotti, and K. Kitayama, "Field trial of 3-WDM x ÎO-OCDMA x 10.71-Gb/s asynchronous WDM/DPSK-OCDMA using hybrid E/D without FEC and optical thresholding," J. Lightwav. Technol., vol. 25, no. 1, pp. 2 (17-215, 2007.

[76] R. Lupas and S. Verdu, "Linear multiuser detectors for synchronous code-division multiple-access channels," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 35, no. 1, pp. 123— 136, 1989.

[77] S. Verdii, Multiuser detection. Cambridge University Press, 1998.

[78] H. M. H. Shalaby, "Complexities, error probabilities, and capacities of optical OOK-CDMA communication systems," IEEE Trans. Commun., vol. 50, no. 12, pp. 2009-2017, 2002.

[79] J. A. Salehi, "Emerging OCDMA communication systems and data networks [Invited]," /. Opt. Networking, vol. 6, no. 9, pp. 1138-1178, 2007.

!

[80] H. M. H. Shalaby, "Chip-level detection in optical code division multiple access," /. Lightwav. Technol., vol. 16, no. 6, pp. 1077-1087, 1998.

[81] S. Mashhadi and J. A. Salehi, "Code-division multiple-access techniques in optical fiber networks — part III: optical AND logic gate receiver structure with generalized optical orthogonal codes," IEEE Trans. Commun., vol. 54, no. 8, pp. 1457-1468, 2006.

[82] K. Jamshidi and J. A. Salehi, "Performance analysis of spectral-phase-encoded optical CDMA system using two-photon-absorption receiver structure for asynchronous and slot-level synchronous transmitters," I. Lightwav. Technol., vol. 25, no. 6, pp. 1638-1645, 2007.

[83] B. Ni, J. S. Lehnert, and A. M. Weiner, "Performance of nonlinear receivers in asynchronous spectral-phase-encoding optical CDMA systems," /. Lightwav. Technol., vol. 25, no. 8, pp. 2069-2080, 2007.

[84] P. Mamyshev, "All-optical data regeneration based on self-phase modulation effect," in ECOC'98, (Madrid, Spain), pp. 475-476, Sept. 1998.

[85] H. P. Sardesai, C.-C. Chang, and A. M. Weiner, "A femtosecond code-division multiple-access communication system test bed," /. Lightwav. Technol., vol. 16, no. 11, pp. 1953-1964, 1998.

[86] J. H. Lee, P. C. Teh, P. Petropoulos, M. Ibsen, and D. J. Richardson, "Reduction di interchannel interference noise in a two-channel grating-based OCDMA system using a nonlinear optical loop mirror," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 13, no. 5, pp. 529-531, 2001.

[87] J. H. Lee, P. C. Teh, P. Petropoulos, M. Ibsen, and D. J. Richardson, "A grating-based OCDMA coding-decoding system incorporating a nonlinear optical loop mirror for improved code recognition and noise reduction," /. Lightwav. Technol., vol. 20, no. 1, pp. 36-46, 2002.

[88] Z. Jiang, D. Seo, S. Yang, D. E. Leaird, R. Roussev, C. Langrock, M. M. Fejer, and A. M. Weiner, "Four-user 10-Gb/s spectrally phase-coded O-CDMA system operating at 30 fJ/bit," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, no. 3, pp. 705-707,

2005.

[89] Y. Deng, K. Kravtsov, Y.-K. Huang, B. Wu, I. Glesk, P. R. Prucnal, and F>. Toliver, "Experimental evaluation of near-far effect in optically-thresholded OCDMA network transporting gigabit ethernet traffic," in LEOS'07, (Lake Buena Vista, FL), pp. 612-613, Oct. 2007.

[90] J. A. Salehi, A. M. Weiner, and J. P. Heritage, "Coherent ultrashort light pulse code-division multiple access communication systems," J. Lightwav. Technol., vol. 8, pp. 478-491, 1990.

[91] S. Etemad, P. Toliver, R. Menendez, J. Young, T. Banwell, S. Galli, J. Jackel, P. Delfyett, C. Price, and T. Turpin, "Spectrally efficient optical CDMA using coherent phase-frequency coding," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, no. 4, pp. 929-931, 2005.

[92] C.-S. Brès, I. Glesk, and P. R. Prucnal, "Demonstration of an eight-user 115-Gchips/s incoherent OCDMA system using supercontinuum generation and optical time gating," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 18, no. 7, pp. 889-891,

2006.

[93] L. Tancevski and L. A. Rusch, "Impact of the beat noise on the performance of 2-D optical CDMA systems," IEEE Commun. Lett., vol. 4, no. 8, pp. 264-266, 2000.

[94] X. Wang and K. Kitayama, "Analysis of beat noise in coherent and incoherent time-spreading OCDMA," /. Lightwav. Technol, vol. 22, no. 10, pp. 2226-2235, 2004.

[95] T. M. Bazan, D. Harle, and I. Andonovic, "Performance analysis of 2-D time-wavelength OCDMA systems with coherent light sources: Code design considerations," /. Lightwav. Technol., vol. 24, no. 10, pp. 3583-3589, 2006.

[96] T. M. Bazan, D. Harle, and I. Andonovic, "Mitigation of beat noise in time-wavelength optical code-division multiple-access systems," /. Lightwav. Technol., vol. 24, no. 11, pp. 4215-4222, 2006.

[97] C. Michie, I. Andonovic, R. Atkinson, Y. Deng, J. Szefer, C.-S. Bres, Y.-K. Huang, I. Glesk, P. R. Prucnal, K. Sasaki, and G. Gupta, "Interferometric noise characterization of a.2-D time-spreading wavelength-hopping OCDMA network using FBG encoding and decoding," /. Opt. Networking, vol. 6, no. 6, pp. 663676, 2007.

[98] B. M. Dwork, "Detection of a pulse superimposed on fluctuation noise," Proc. I.R.E., vol. 38, pp. 771-774, 1950.

[99] J. Hu, V. Hernandez, B. H. Kolner, J. P. Heritage, and S. J. B. Yoo, "Network performance evaluation of end-to-end application over SPECTS O-CDMA testbed," in Proc. of OFC, p. 0M04, 2007.

[100] V. Baby, I. Glesk, R. Runser, R. Fischer, Y.-K. Huang, C.-S. Bres, W. Kwong, T. Curtis, and P. Prucnal, "Experimental demonstration and scalability analysis of a four-no^e 102-Gchip/s fast frequency-hopping time-spreading optical CDMA network," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, no. 1, pp. 253-255, 2005.

[101] R. Maher, P. M. Anandarajan, and L. P. Barry, "Generation and characterization of 40 GHz picosecond optical pulses generated using an EAM," in International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), pp. 201-204, 2006.

[102] K. Takiguchi, T. Shibata, and M. Itoh, "Encoder/decoder on planar lightwave circuit fortime-spreading/wavelength-hopping optical CDMA," Electron. Lett, vol. 38, no. 10, pp. 469-470, 2002.

[103] Y.-K. Huang, V. Baby, P. R. Prucnal, C. M. Greiner, D. Iazikov, and T. W. Mossberg, "Integrated holographic encoder for wavelength-hopping/time-spreading optical CDMA," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, no. 4, pp. 825827, 2005.

i i

[104] N. Minato, S. Kutsuzawa, K. Sasaki, S. Kobayashi, A. Nishiki, T. Ushikubo, T. Kamijoh, Y. Kamio, N. Wada, and F. Kubota, "Field trial of time-spreading and wavelength-hopping OCDM transmission using FBG en/decoders," Opt. Express, vol. 14, no. 13, pp. 5853-5859, 2006.

[105] G.-C. Yang and W. C. Kwong, Prime Codes with Applications to CDMA Optical and Wireless Networks. Boston, MA: Artech House, 2002.

[106] J. Faucher, S. Ayotte, L. A. Rusch, S. LaRochelle, and D. Plant, "Experimental BER performance of 2D A-t OCDMA with recovered clock," Electron. Lett, Vol. 41, no. 12, pp. 713-714, 2005.

[107] H. A. Haus and Y. Lai, "Quantum theory of soliton squeezing: a linearized approach," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 7, no. 3, pp. 386-392, 1990.

[108] M. Rosenbluh and R. M. Shelby, "Squeezed optical solitons," Phys. Rev. Lett., vol. 66, pp. 153-156, Jan 1991.

[109] H. A. Haus, K. Watanabe, and Y. Yamamoto, "Quantum-nondemolition measurement of optical solitons," /. Opt. Soc. Am. B, vol. 6, no. 6, pp. 1138— 1148, 1989.

[110] P. D. Drummond and W. Man, "Quantum noise in reversible soliton logic," Opt. Comm., vol. 105, pp. 99-103, 1994.

[111] R. D. Drummond, J. Breslin, and R. M. Shelby, "Quantum-nondemolition measurements with coherent soliton probes," Phys. Rev. Lett., vol. 73, pp. 28372840, 1994.

[112] V. V. Kozlov and D. A. Ivanov, "Accurate quantum nondemolition measurements of optical solitons," Phys. Rev. A, vol. 65, p. 023812, 2002.

[113] F. König, M. A. Zielonka, and A. Sizmann, "Transient photon-number correlations of interacting solitons," Phys. Rev. A, vol. 66, p. 013812, 2002.

[114] D. Rand, K. Steiglitz, and P. R. Prucnal, "Quantum phase noise reduction in soliton collisions and application to nondemolition measurements," Phys. Rev. A, vol. 72, p. 041805, 2005.

[115] S. R. Friberg, S. Machida, and Y. Yamamoto, "Quantum-nondemolition rtieasurement of the photon number of an optical soliton," Phys. Rev. Lett., vol. 69, pp. 3165-3168, Nov 1992.

[116] S. R. Friberg, T. Mukai, and S. Machida, "Dual quantum nondemolition measurements via successive soliton collisions," Phys. Rev. Lett., vol. 84, no. 1, pp. 59-62, 2000.

[117] F. König, B. Buchler, T. Rechtenwald, G. Leuchs, and A. Sizmann, "Soliton backaction-evading measurement using spectral filtering," Phys. Rev. A, vol. 66, p. 043810, Oct 2002.

[118] D. Rand, K. Steiglitz, and P. R. Prucnal, "Quantum theory of Manakov solitons," Phys. Rev. A, vol. 71, p. 053805, 2005.

[119] P. D. Drummond, R. M. Shelby, S. R. Friberg, and Y. Yamamoto, "Quantum splitons in optical fibers," Nature, vol. 365, no. 6444, pp. 307-313, 1993.

120] A. Sizmann and G. Leuchs, "The optical Kerr effect and quantum optics in fibers," in Progress in optics, Vol. XXXIX, pp. 373-469, Amsterdam: North-Holland, 1999.

121] S. Coleman, "Quantum sine-Gordon equation as the massive Thirring model," Phys. Rev. D, vol. 11, pp. 2088-2097, 1975.

122] S. Mandelstam, "Soliton operators for the quantized sine-Gordon equation," Phys. Rev. D, vol. 11, pp. 3026-3030, 1975.

123] S. Trillo, "Resonance Thirring solitons in type II second-harmonic generation," Opt. Lett., vol. 21, no. 21, pp. 1732-1734, 1996.

124] H. He and P. D. Drummond, "Ideal soliton environment using parametric band gaps," Phys. Rev. Lett., vol. 78, pp. 4311-4315, 1997.

125] H. He and P. D. Drummond, "Theory of multidimensional parametric band-gap simultons," Phys. Rev. E, vol. 58, pp. 5025-5046, 1998.

126] I. Friedler, G. Kurizki, O. Cohen, and M. Segev, "Spatial Thirring-type solitons via electromagnetically induced transparency," Opt. Lett., vol. 30, no. 24, pp. 33743376, 2005.

127] O. Cohen, T. Carmon, M. Segev, and S. Odoulov, "Holographic solitons," Opt. Lett., vol. 27, no. 22, pp. 2031-2033, 2002.

128] G. Lenz, P. Meystre, and E. M. Wright, "Nonlinear atom optics," Phys. Rev. Lett., vol. 71, pp. 3271-3274, Nov 1993.

129] G. Lenz, P. Meystre, and E. M. Wright, "Nonlinear atom optics: General formalism and atomic solitons," Phys. Rev. A, vol. 50, pp. 1681-1691, Aug 1994.

130] 0. Zobay, S. Potting, P. Meystre, and E. M. Wright, "Creation of gap solitons in Bose-Einstein condensates," Phys. Rev. A, vol. 59, pp. 643-648, Jan 1999.

i

131] A. B. Aceves and S. Wabnitz, "Self-induced transparency solitons in nonlinear refractive periodic media," Phys. Lett. A, vol. 141, pp. 37-42, 1989.

132] B. J. Eggleton, R. E. Slusher, C. M. de Sterke, P. A. Krug, and J. E. Sipe, "Bragg grating solitons," Phys. Rev. Lett., vol. 76, pp. 1627-1630, Mar 1996.

133] I. V. Barashenkov, D. E. Pelinovsky, and E. V. Zemlyanaya, "Vibrations and oscillatory instabilities of gap solitons," Phys. Rev. Lett., vol. 80, p. 5117, 1998.

134] R.-K. Lee and Y. Lai, "Amplitude-squeezed fiber-Bragg-grating solitons," Phys. Rev. A, vol. 69, p. 021801, 2004.

135] R.-K. Lee and Y. Lai, "Quantum theory of fiber Bragg grating solitons," /. Opt. B, vol. 6, pp. S638-S644, 2004.

[136] K. J. Schernthanner, G. Lenz, and P. Meystre, "Influence of spontaneous emission on atomic solitons," Phys. Rev. A, vol. 50, pp. 4170-4175, Nov 1994.

[137] P. D. Drummond and J. F. Corney, "Quantum noise in optical fibers. I. Stochastic equations," /. Opt. Soc. Am. B, vol. 18, no. 2, pp. 139-152, 2001.

[138] J. F. Corney, P. D. Drummond, J. Heersink, V. Josse, G. Leuchs, and U. L. Andersen, "Many-body quantum dynamics of polarization squeezing in optical fibers," Phys. Rev. Lett., vol. 97, no. 2, p. 023606, 2006.

[139] Y. Lai and H. A. Haus, "Quantum theory of solitons in optical fibers. II. Exact sblution," Phys. Rev. A, vol. 40, no. 2, pp. 854-866, 1989.

[140] Y. Lai and H. A. Haus, "Quantum theory of solitons in optical fibers. I. Time-dependent Hartree approximation," Phys. Rev. A, vol. 40, no. 2, pp. 844-853, 1989.

[141] E. A. Kuznetsov and A. V. Mikhailov, "On the complete integrability of the two-dimensional classical Thirring model," Teoret. Mat. Fiz., vol. 30, p. 303, 1977. [Theor. Math. Phys. 30, 193 (1977)].

[142] F. X. Kartner and L. Boivin, "Quantum noise of the fundamental soliton," Phys. Rev. A, vol. 53, no. 1, pp. 454-466, 1996.

[143] A. B. Matsko and V. V. Kozlov, "Second-quantized models for optical solitons in nonlinear fibers: Equal-time versus equal-space commutation relations," Phys. Rev. A, vol. 62, no. 3, p. 033811, 2000.

[144] D. J. Kaup and T. I. Lakoba, "The squared eigenfunctions of the massive Thirring model in laboratory coordinates," J. Math. Phys., vol. 37, no. 1, pp. 308-323, 1996.

[145] V. Giovannetti, S. Lloyd, and L. Maccone, "Quantum-enhanced positioning and clock synchronization," Nature, vol. 412, pp. 417-419, 2001.

[146] M. Tsang, "Quantum temporal correlations and entanglement via adiabatic control of vector solitons," Phys. Rev. Lett., vol. 97, no. 2, p. 023902, 2006.

[147] V. E. Zakharov and A. B. Shabat, "Exact theory of two-dimensional self-focusing and one-dimensional self-modulation of waves in nonlinear media," Zh. Eksp. Teor. Fiz., vol. 61, no. 1, pp. 118-134, 1971. [Sov. Phys. JETP 34, 62 (1972)].

Список использованных сокращений

ASE (Amplified Spontaneous Emission) Усиленное спонтанное излучение

AWG ('Arrayed Waveguide Grating) Структурированная система волново-

дов

BAE (Back Action Evading) Измерение обратного действия

BER (Bit-Error Ratio) Относительное количество битовых ошибок

BERT (Bit-Error Rate Tester) Тестер количества битовых ошибок

BPF (Band-Pass Filter) Полосовой фильтр

CDMA (Code Division Multiple Access) Множественный доступ с кодовым

разделением

CDR (Clock and Data Recovery) Синхронизация и восстановление данных

CW (Continuous Wave) Постоянный свет

DFB (^Distributed Feedback) Распределенная обратная связь

ЕАМ (Electroabsorption Modulator) Электроабсорбционный модулятор

EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Эрбиевый волоконный усилитель

FBG (Fiber Bragg Grating) Волоконная брэгговская решетка

FDM (Frequency Division Multiplexing) Мультиплексирование с частот-

ным разделением

FWHM (Full Width at Half Maximum) Ширина на полувысоте

FWM (Four Wave Mixing) Четырехволновое смешение

HNLF (Highly Nonlinear Fiber) Высоконелинейный световод

IIR (Infinite Impulse Response) Бесконечный импульсный отклик

LAN (Local Area Network) Локальная сеть

MAI (Multiple Access Interference) Интерференция множественного до-

ступа

MLL (Mode-Locked Laser) Лазер с синхронизацией мод

MUX (Multiplexer) Мультиплексор

NIC (Network Interface Card) Сетевая карта

NL (Nonlinear) Нелинейный

NLF (Nonlinear Fiber) Нелинейный световод

j

NLSE 5 (Nonlinear Schrodinger Equation) Нелинейное уравнение Шрединге-

pa

NOLM (Nonlinear Optical Loop Mirror) Нелинейное оптическое петлевое

зеркало

OCDMA (Optical CDMA) Оптический CDMA

OOK (On-Off Keying) Бинарная амплитудная модуляция

OTDM (Optical Time Division Multiplexing) Оптическое мультиплексирова-

ние с временным разделением PC (Polarization Controller) Контроллер поляризации

PCF (Photonic Crystal Fiber) Микроструктурированное волокно

!

PPLN " (Periodically Poled Lithium Niobate) Периодически поляризованный

ниобат лития

PRBS (Pseudo-Random Bit Sequence) Псевдослучайная последовательность

битов

QND (Quantum Nondemolition) Квантовое неразрушающее

RF (Radio Frequency) Радиочастотный

SHG (Second Harmonic Generation) Генерация второй гармоники

SMF (Single-Mode Fiber) Одномодовый световод

SNR (Signal-to-Noise Ratio) Отношение сигнал-шум

SOA (Semiconductor Optical Amplifier) Оптический полупроводниковый

I i

усилитель

SPM (Self-Phase Modulation) Фазовая самомодуляция

TCP (Transmission Control Protocol) Протокол управления передачей

TDM (Time Division Multiplexing) Временное мультиплексирование

TOAD (Terahertz Optical Asymmetric Multiplexer) Терагерцовый оптиче-

ский ассимметричный мультиплексор ТРА (Two Photon Absorption) Двухфотонное поглощение

UDP (User Datagram Protocol) Протокол пользовательских датаграмм

VLSI (Very-Large-Scale Integration) Сверхбольшие интегральные схемы

WDM (Wavelength Division Multiplexing) Спектральное мультиплексирование

XGM (Cross-Gain Modulation) Кросс-модуляция усиления

XPM (Cross-Phase Modulation) Фазовая кросс-модуляция

АЧХ Амплитудно-частотная характеристика

НУШ Нелинейное уравнение Шредингера

I I.