eng
Выпуск #7/2020
В. М. Петров, А. В. Шамрай, И. В. Ильичев, Н. Д. Герасименко, В. С. Герасименко, П. М. Агрузов, В. В. Лебедев
Генерация оптических частотных гармоник для систем квантовых коммуникаций на боковых частотах
Генерация оптических частотных гармоник для систем квантовых коммуникаций на боковых частотах
Просмотры: 2019
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.7.570.582
Впервые продемонстрировано существенное влияние пассивной (т. е. без дополнительного усиления) оптической обратной связи на количество спектральных компонент выходного сигнала фазового СВЧ интегрально-оптического модулятора. Выявлены условия, при которых количество дополнительных спектральных компонент увеличивается вплоть до 2 × 20 шт, а перекрываемый ими спектральный диапазон достигает 69 ГГц.
Предложено использовать данный эффект для увеличения скорости передачи квантового ключа, а также для расширения функциональных возможностей оптических систем связи, использующих спектральное уплотнение (DWDM).
Впервые продемонстрировано существенное влияние пассивной (т. е. без дополнительного усиления) оптической обратной связи на количество спектральных компонент выходного сигнала фазового СВЧ интегрально-оптического модулятора. Выявлены условия, при которых количество дополнительных спектральных компонент увеличивается вплоть до 2 × 20 шт, а перекрываемый ими спектральный диапазон достигает 69 ГГц.
Предложено использовать данный эффект для увеличения скорости передачи квантового ключа, а также для расширения функциональных возможностей оптических систем связи, использующих спектральное уплотнение (DWDM).
Теги: microwave integrated optical modulators optical feedback performance characteristics of modulators quantum communications интегрально-оптические модуляторы квантовые коммуникации оптическая обратная связь эксплуатационные характеристики модуляторов
Статья получена: 06.11.2020
Принята к публикации: 19.11.2020
Введение
В предыдущей статье [1] мы описали СВЧ интегрально-оптические модуляторы, которые были разработаны нами для систем квантовых коммуникаций, использующих технологию передачи квантового ключа на боковых частотах [2]. Нами разработаны оба типа модуляторов: фазовый (ФМ) и амплитудный (АМ) высокого качества. Согласно алгоритму работы для передачи квантового ключа, как правило, используются пара боковых частот f ± F, возникающих при фазовой модуляции на частоте F оптической несущей на частоте f. Для этого используется ФМ-модулятор. АМ-модулятор обеспечивает ввод передаваемой информации, т. е. самого кода.
Одной из главных задач с точки зрения практических применений является повышение скорости передачи квантового ключа. Очевидно, что повысить скорость передачи квантового ключа можно, увеличив количество генерируемых пар боковых частот f ± N × F, N = 1, 2, 3 ….
В данной работе мы продемонстрируем простую и эффективную методику увеличения пар боковых частот без использования дополнительного оптического усилителя.
Использование обратной связи для генерации набора пар боковых частот
Идея использования обратной связи (как электрической, так и оптической) в комбинации с СВЧ оптическим модулятором была предложена ещё в 90‑е годы прошлого века [3–6]. Излучение от лазерного источника вводилось в кольцевой волноводный резонатор, в котором многократно проходило через модулятор и усилитель, после чего часть излучения попадала на оптический анализатор спектра и фотодиод [3].
Как видно на рис. 1а, в качестве элемента ввода-вывода в резонаторе предлагалось использовать X-светоделитель (делитель 2 на 2). Нижние вход и выход светоделителя используются для создания петли обратной связи, верхний выход использовался для вывода излучения. После вывода излучения из волноводной петли оно должно подаваться на еще один делитель, откуда направляется на анализатор спектра и на фотодиод. Сигнал с последнего подается в электронный блок управления модулятором, где используется для подстройки петли не только для СВЧ, но и для оптического резонанса. Задача волоконного усилителя – скомпенсировать потери в петле, включая отвод части энергии на делителе.
На рис. 1b показаны частотные гребенки, полученные в результате расчетов, для различных коэффициентов усиления петли резонатора.
Дальнейшие опыты с использованием аналогичной схемы (рис. 2а) позволили покрыть более широкий спектральный интервал частотной гребенкой более равномерной интенсивности (рис. 2b) [4].
Другим интересным способом создания обратной связи было превращение модулятора в резонатор Фабри-Перо путём помещения его между брэгговских зеркал, отражающих часть боковых спектральных линий с одной из сторон от оптической несущей [5–7]. В некоторых таких схемах также использовались усилители внутри резонатора, позволившие добиться появления нескольких дополнительных спектральных пиков с использованием однопортового фазового модулятора [5].
На рис. 3а показана схема эксперимента с брэгговскими зеркалами. Фазовый модулятор помещен между брэгговскими зеркалами, в результате чего и возникает обратная связь и происходит генерация боковых частот (рис. 3b).
Важно обратить внимание, что использование усилителей внутри резонатора приводит к тому, что оптический шум на собственных частотах начинает усиливаться и вредит качеству линий гребенки [3]. Именно поэтому интереснее было бы обратить внимание на исследования схем без усиления [6, 7]. В них также используются брэгговские зеркала, в связи с чем получавшиеся частотные гребенки приобретали спектральный провал шириной в несколько пиков [6].
На рис. 4а показана схема эксперимента без использования усилителя. Здесь электрический СВЧ-сигнал подается на два электрических входа фазового модулятора через циркулятор и делитель мощности. Сам модулятор помещен между брэгговскими зеркалами. В результате происходит модуляция прямой и обратной оптических волн электрическими сигналами (двунаправленная накачка). На рис. 4b показан выходной спектр при двунаправленной накачке, в котором наблюдается провал, обусловленный полосой отражения зеркал.
Для компенсации этого провала в некоторых экспериментах в оптический канал добавлялся волоконно-оптический эрбиевый усилитель уже вне резонатора [7].
На рис. 5а показана схема эксперимента с усилителем. Фазовый модулятор помещен между брэгговскими фильтрами, а усилители располагаются перед линий обратной связи (перед контроллером поляризации) и за ней (непосредственно после второго фильтра).
На рис. 5b показан выходной спектр: пунктиром обозначен немодулированный сигнал, сплошной линией – промодулированный.
Также можно отметить, что в этих исследованиях использовались двухпортовые фазовые модуляторы, эффективно взаимодействующие со светом независимо от направления хода лучей.
Все рассмотренные выше схемы применялись для получения оптических частотных гребенок. Однако эту задачу решали и решают сейчас и другими способами, обратим внимание и на них. Одним из решений является использование электрооптического осциллятора [8]: системы, состоящей из электрооптического модулятора, светоделителя, отводящего часть излучения через светофильтр на фотодиод, электронной системы усиления и фильтрации и СВЧ-делителя, возвращающего часть обработанного сигнала с фотодиода на электронный вход модулятора [9]. Даже в исходной идее с выделением на фотодетекторе одной частоты после радиочастоного усилителя на модуляторе естественным образом могут возникать гармоники высших порядков. Когда же в электронную обратную связь возвращается несколько боковых частот, система производит модуляцию на каждой из них, что значительно увеличивает число спектральных пиков.
Другой способ получения частотных гребенок основан на возможности при определенном подборе управляющего напряжения использовать модулятор Маха-Цендера для выравнивания интенсивности его выходного спектра [10] (идея основана на возможности подстройкой длины плеч интерферометра Маха-Цендера уменьшать по необходимости интенсивность четных либо нечетных гармоник). Однако только выравнивания спектра не достаточно – необходимо еще получить достаточно большое количество пиков гребенки.
Для решения этой задачи использовались каскады модуляторов [11–14]. В простейшем варианте свет проходил сначала амплитудный модулятор, а потом фазовый [11]. В более сложных опытах, демонстрировавших более ровные и широкие гребенки, каскад из двух модуляторов дополнялся еще одним: амплитудным на входе каскада [12] или фазовым на выходе [13]. Первый из этих каскадов демонстрировал большую ширину гребенки, но меньшую интенсивность каждого пика. В связи с этим дальнейшее увеличение числа модуляторов исследовалось только для фазовых устройств: в опытах с каскадом из трех фазовых модуляторов с одним амплитудным на выходе было получено более 70 спектральных линий в пределах –10 дБ относительно входной мощности [14] (рис. 6).
На рис. 6 приведен выходной спектр при использовании каскада модуляторов, состоящего из трех фазовых и одного амплитудного: сверху вниз – 73, 65 и 63 линии соответственно.
Также интересным направлением исследований являются пленочные модуляторы на ниобате лития [15–17]. Использование тонких полосковых волноводов, полученных электронно-лучевой литографией, позволяет локализовать световое поле в значительно меньшем сечении волновода, чем при использовании традиционной диффузионной технологии. Это позволяет уменьшить расстояние между электродами бегущей волны.
Кроме того, существуют технологии для расположения такого волновода не под электродами, а между ними. Все это позволяет добиться огромных напряженностей модулирующего поля в области волновода, а значит, и эффективной модуляции с большим количеством гармоник высших порядков [15] (рис. 7).
На рис. 7а приведена схема модулятора, на рис. 7b – измеренный (красный) и теоретический (синий) выходные спектры.
Кроме того, эта же технология позволяет получать интегрально-оптические кольцевые резонаторы крайне высокой добротности, которые сами по себе могут выступать источниками частотных гребенок за счет эффекта Керра [16, 18] (рис. 8).
На рис. 8а изображена схема эксперимента: в волоконный кольцевой резонатор помещен режекторный фильтр из волоконной брэгговской решетки. За счет резонатора при ослаблении основной частоты происходит перекачка энергии в боковые частоты (рис. 8b). Управление периодом частотной гребенки происходит за счет внесения расстройки между частотой накачки резонатора и параметрами фильтра: изменение частоты накачки без изменения центральной частоты фильтра приводит к сдвигу спектральных компонент высших порядков.
Однако возможно и совмещение описанных выше СВЧ-модулятора и интегрального кольцевого резонатора, дающее хоть и менее широкую, но более ровную гребенку [17] (рис. 9).
На рис. 9а приведена схема модулятора (черным изображены оптические волноводы, желтым – электроды), на рис. 9b приведен выходной спектр – более 900 линий.
Как показал проведённый нами анализ литературы, достаточно хорошо исследованы схемы оптической генерации гребенчатой (comb) функции, которые содержат СВЧ оптический модулятор и петлю оптической обратной связи, содержащую оптический усилитель. Наличие оптического усилителя в таких схемах приводит к заметному негативному влиянию собственных шумов на формирование профиля гребенчатой функции.
Важно обратить внимание, что с точки зрения квантовых систем связи самым главным недостатком описываемых схем является наличие оптического усилителя. Согласно «Теореме Клонирования» [19] кванты света невозможно копировать, а следовательно, и усиливать. Это значит, что рассмотренные выше схемы принципиально неприменимы для систем квантовых коммуникаций.
Таким образом, разработка схемы, не содержащей оптический усилитель, и при этом позволяющей кратно увеличивать количество генерируемых пар боковых частот, является актуальной задачей.
Эксперимент
Нами были исследованы оптические спектры на выходе фазового СВЧ интегрально-оптического модулятора (ФМ) собственного производства [1]. Схема установки приведена на рис. 10. Нами использовался лазер с длиной волны 1 550 нм, шириной спектральной линии <1 МГц и выходной мощностью 2 мВт. Петля обратной оптической связи была выполнена в виде отрезка волокна длиной L ≈ 8,43 м. Примерно посередине петли находился стандартный оптический разъём, который позволял «включать» и «выключать» обратную связь. При включении обратной связи большая часть оптической мощности с выхода ФМ поступала на его вход, что приводило к существенному увеличению числа высших гармоник в спектре сигнала.
В наших экспериментах использовались Y-ветвители двух типов: с коэффициентом деления 1 : 9 и 1 : 3. Наибольшее влияние обратной связи было обнаружено для ветвителя 1 : 9 (т. е. примерно 90% мощности направлялось в петлю обратной связи). На рис. 11а приведены спектры сигналов для случая «обычного» режима работы ФМ, на рис. 11б – для нелинейного режима работы с включённой петлёй обратной оптической связи. Данные зависимости получены для частоты фазовой модуляции F = 1,725 ГГц.
Аналогичные эксперименты были проведены для Y-ветвителя с коэффициентом связи 1 : 3. В этом случае также наблюдались все характерные зависимости, однако влияние обратной связи было значительно меньшим.
Было исследовано влияние частоты фазовой модуляции на число высших спектральных компонент (при фиксированной длине петли обратной связи), (рис. 12а) и влияние входной мощности сигнала фазовой модуляции (рис. 12b).
На рис. 12а показана зависимость числа спектральных компонент при включённой обратной связи от частоты модуляции при мощности 25 дБм. Из графика видно, что максимальное количество спектральных компонент наблюдалось при частоте модуляции 1,725 ГГц и составляло до 40 шт. (т. е. примерно по 20 с каждой стороны от несущей). Изменение частоты модуляции даже на 5 МГц приводило к тому, что число пиков сокращалось в два раза, причем наблюдалась четко выраженная симметричность зависимости для уменьшения и увеличения частоты модуляции в окрестностях пика. Увеличение числа максимумов у краев исследуемой области связано со следующими пиками, т.е наблюдается периодичность зависимости.
Обсуждение результатов
Мы продемонстрировали эффективность использования оптической обратной связи для увеличения числа высших спектральных компонент. Предложенная нами схема является предельно простой: в качестве обратной связи используется только отрезок оптического волокна, что выгодно отличает нашу схему от всех других, рассмотренных в литературе.
В нашей схеме не используются усилители, что позволяет снизить уровень шума по сравнению с экспериментами с использованием усилителей, и при этом в получающейся гребенке не возникает спектральных провалов, связанных со способом формирования обратной связи. Продемонстрированная на рис. 11а) периодичность зависимости числа спектральных компонент от частоты модуляции легко объясняется следующими соображениями: для возникновения резонанса необходимо, чтобы в длину петли обратной связи укладывалось целое число длин СВЧ-волн: l = c / f, где c – скорость света в вакууме, F – частота фазовой модуляции. В нашем эксперименте l ≈ 0,17379 м, и несложно подсчитать, что тогда в длину петли резонатора (8,52 м) укладывается 49 длин СВЧ-волн l с хорошей точностью.
Обсудим несколько примеров функциональных возможностей предложенной нами здесь схемы.
Во-первых, система «лазер + СВЧ оптический модулятор с петлёй обратной связи» может быть рассмотрена как источник излучения набора N когерентных колебаний. В наших экспериментах спектральный интервал ΔF составлял 1,725 ГГц, а число N достигало в общей сложности 40 шт, следовательно, весь спектральный диапазон достигал 40 × 1,725 ГГц = 69 ГГц. Очевидно что, меняя длину обратной связи нужным образом, можно подобрать спектральный интервал ΔF так, чтобы он соответствовал стандартной сетке частот (H)DWDM, т. е. шагу 25, 50 или 100 ГГц. В этом случае один лазер может быть использован для обеспечения работы сразу в нескольких частотных каналов. Другая интересная возможность – это «уместить» сразу большое число спектральных каналов в полосе одного стандартного спектрального канала. Обе эти опции востребованы в системах связи, использующих принцип CDMA (Сode Division Multiple Access) или аналогичный.
Во-вторых, поскольку представленные здесь СВЧ интегрально-оптические модуляторы предназначены для использования в системах квантовых коммуникаций на боковых частотах, то наличие большого (до 20 шт.) числа высших гармоник открывает возможность передачи информации на различных парах боковых частот, что является дополнительной степенью защиты передачи данных.
В-третьих, заметным преимуществом нашей технологии является возможность существенно снизить требования, а следовательно, и стоимость, к самому СВЧ-генератору. Так, например, возможность работы на 10‑й гармонике позволяет использовать генератор, создающий частоту фазовой модуляции F = 1 ГГц, что эквивалентно работе на первой гармонике генератора с частотой F = 10 ГГц.
И наконец, самое главное преимущество: отсутствие в нашей схеме оптического усилителя позволяет использовать её в системах квантовых коммуникаций.
Таким образом, рассмотренная здесь схема усиления нелинейностей в СВЧ интегрально-оптических модуляторах позволяют существенно расширить их функциональные возможности и снизить стоимость применительно к системам квантовых коммуникаций.
Список литературы
Petrov V. M., Shamrai A. V. et al. National microwave integrateed optical modulators for quantum communications. Photonics Russia. 2020; 14(5): 414–423. DOI: 10.22184/1993–7296.
Петров В. М., Шамрай А. В. и др. Отечественные СВЧ интегрально-оптические модуляторы для квантовых коммуникаций. Фотоника. 2020; 14(5): 414–423. DOI: 10.22184/1993–7296.
Petrov V. M., Shamrai A. V. Interference and Diffraction for Information Photonics. – SPb .: Lan’. 2019. 460 pp.
Петров В. М., Шамрай А. В. Интерференция и дифракция для информационной фотоники. – СПб.: Лань. 2019. 460 с.
Ho K. P., Kahn J. M. Optical frequency comb generator using phase modulation in amplified circulating loop. IEEE photonics technology letters. 1993; 5(6): 721–725. DOI: 10.1109/68.219723.
Kawanishi T. et al. Optical frequency comb generator using optical fiber loops with single-sideband modulation. IEICE Electronics Express. 2004; 1(8): 217–221. DOI: 10.1109/CLEOPR.1999.817825.
Kogahara S. et al. Reciprocating Optical Modulation on Erbium-Doped LiNbO3 for Harmonic Generation. IEEE Photonics Technology Letters. 2007; 19(19): 1565–1567. DOI: 10.1109/QELS.2007.4431438.
Kawanishi T. et al. Reciprocating optical modulation for harmonic generation.IEEE Photonics Technology Letters. 2001; 13(8):854–856. DOI: 10.1109/68.935826.
Принята к публикации: 19.11.2020
Введение
В предыдущей статье [1] мы описали СВЧ интегрально-оптические модуляторы, которые были разработаны нами для систем квантовых коммуникаций, использующих технологию передачи квантового ключа на боковых частотах [2]. Нами разработаны оба типа модуляторов: фазовый (ФМ) и амплитудный (АМ) высокого качества. Согласно алгоритму работы для передачи квантового ключа, как правило, используются пара боковых частот f ± F, возникающих при фазовой модуляции на частоте F оптической несущей на частоте f. Для этого используется ФМ-модулятор. АМ-модулятор обеспечивает ввод передаваемой информации, т. е. самого кода.
Одной из главных задач с точки зрения практических применений является повышение скорости передачи квантового ключа. Очевидно, что повысить скорость передачи квантового ключа можно, увеличив количество генерируемых пар боковых частот f ± N × F, N = 1, 2, 3 ….
В данной работе мы продемонстрируем простую и эффективную методику увеличения пар боковых частот без использования дополнительного оптического усилителя.
Использование обратной связи для генерации набора пар боковых частот
Идея использования обратной связи (как электрической, так и оптической) в комбинации с СВЧ оптическим модулятором была предложена ещё в 90‑е годы прошлого века [3–6]. Излучение от лазерного источника вводилось в кольцевой волноводный резонатор, в котором многократно проходило через модулятор и усилитель, после чего часть излучения попадала на оптический анализатор спектра и фотодиод [3].
Как видно на рис. 1а, в качестве элемента ввода-вывода в резонаторе предлагалось использовать X-светоделитель (делитель 2 на 2). Нижние вход и выход светоделителя используются для создания петли обратной связи, верхний выход использовался для вывода излучения. После вывода излучения из волноводной петли оно должно подаваться на еще один делитель, откуда направляется на анализатор спектра и на фотодиод. Сигнал с последнего подается в электронный блок управления модулятором, где используется для подстройки петли не только для СВЧ, но и для оптического резонанса. Задача волоконного усилителя – скомпенсировать потери в петле, включая отвод части энергии на делителе.
На рис. 1b показаны частотные гребенки, полученные в результате расчетов, для различных коэффициентов усиления петли резонатора.
Дальнейшие опыты с использованием аналогичной схемы (рис. 2а) позволили покрыть более широкий спектральный интервал частотной гребенкой более равномерной интенсивности (рис. 2b) [4].
Другим интересным способом создания обратной связи было превращение модулятора в резонатор Фабри-Перо путём помещения его между брэгговских зеркал, отражающих часть боковых спектральных линий с одной из сторон от оптической несущей [5–7]. В некоторых таких схемах также использовались усилители внутри резонатора, позволившие добиться появления нескольких дополнительных спектральных пиков с использованием однопортового фазового модулятора [5].
На рис. 3а показана схема эксперимента с брэгговскими зеркалами. Фазовый модулятор помещен между брэгговскими зеркалами, в результате чего и возникает обратная связь и происходит генерация боковых частот (рис. 3b).
Важно обратить внимание, что использование усилителей внутри резонатора приводит к тому, что оптический шум на собственных частотах начинает усиливаться и вредит качеству линий гребенки [3]. Именно поэтому интереснее было бы обратить внимание на исследования схем без усиления [6, 7]. В них также используются брэгговские зеркала, в связи с чем получавшиеся частотные гребенки приобретали спектральный провал шириной в несколько пиков [6].
На рис. 4а показана схема эксперимента без использования усилителя. Здесь электрический СВЧ-сигнал подается на два электрических входа фазового модулятора через циркулятор и делитель мощности. Сам модулятор помещен между брэгговскими зеркалами. В результате происходит модуляция прямой и обратной оптических волн электрическими сигналами (двунаправленная накачка). На рис. 4b показан выходной спектр при двунаправленной накачке, в котором наблюдается провал, обусловленный полосой отражения зеркал.
Для компенсации этого провала в некоторых экспериментах в оптический канал добавлялся волоконно-оптический эрбиевый усилитель уже вне резонатора [7].
На рис. 5а показана схема эксперимента с усилителем. Фазовый модулятор помещен между брэгговскими фильтрами, а усилители располагаются перед линий обратной связи (перед контроллером поляризации) и за ней (непосредственно после второго фильтра).
На рис. 5b показан выходной спектр: пунктиром обозначен немодулированный сигнал, сплошной линией – промодулированный.
Также можно отметить, что в этих исследованиях использовались двухпортовые фазовые модуляторы, эффективно взаимодействующие со светом независимо от направления хода лучей.
Все рассмотренные выше схемы применялись для получения оптических частотных гребенок. Однако эту задачу решали и решают сейчас и другими способами, обратим внимание и на них. Одним из решений является использование электрооптического осциллятора [8]: системы, состоящей из электрооптического модулятора, светоделителя, отводящего часть излучения через светофильтр на фотодиод, электронной системы усиления и фильтрации и СВЧ-делителя, возвращающего часть обработанного сигнала с фотодиода на электронный вход модулятора [9]. Даже в исходной идее с выделением на фотодетекторе одной частоты после радиочастоного усилителя на модуляторе естественным образом могут возникать гармоники высших порядков. Когда же в электронную обратную связь возвращается несколько боковых частот, система производит модуляцию на каждой из них, что значительно увеличивает число спектральных пиков.
Другой способ получения частотных гребенок основан на возможности при определенном подборе управляющего напряжения использовать модулятор Маха-Цендера для выравнивания интенсивности его выходного спектра [10] (идея основана на возможности подстройкой длины плеч интерферометра Маха-Цендера уменьшать по необходимости интенсивность четных либо нечетных гармоник). Однако только выравнивания спектра не достаточно – необходимо еще получить достаточно большое количество пиков гребенки.
Для решения этой задачи использовались каскады модуляторов [11–14]. В простейшем варианте свет проходил сначала амплитудный модулятор, а потом фазовый [11]. В более сложных опытах, демонстрировавших более ровные и широкие гребенки, каскад из двух модуляторов дополнялся еще одним: амплитудным на входе каскада [12] или фазовым на выходе [13]. Первый из этих каскадов демонстрировал большую ширину гребенки, но меньшую интенсивность каждого пика. В связи с этим дальнейшее увеличение числа модуляторов исследовалось только для фазовых устройств: в опытах с каскадом из трех фазовых модуляторов с одним амплитудным на выходе было получено более 70 спектральных линий в пределах –10 дБ относительно входной мощности [14] (рис. 6).
На рис. 6 приведен выходной спектр при использовании каскада модуляторов, состоящего из трех фазовых и одного амплитудного: сверху вниз – 73, 65 и 63 линии соответственно.
Также интересным направлением исследований являются пленочные модуляторы на ниобате лития [15–17]. Использование тонких полосковых волноводов, полученных электронно-лучевой литографией, позволяет локализовать световое поле в значительно меньшем сечении волновода, чем при использовании традиционной диффузионной технологии. Это позволяет уменьшить расстояние между электродами бегущей волны.
Кроме того, существуют технологии для расположения такого волновода не под электродами, а между ними. Все это позволяет добиться огромных напряженностей модулирующего поля в области волновода, а значит, и эффективной модуляции с большим количеством гармоник высших порядков [15] (рис. 7).
На рис. 7а приведена схема модулятора, на рис. 7b – измеренный (красный) и теоретический (синий) выходные спектры.
Кроме того, эта же технология позволяет получать интегрально-оптические кольцевые резонаторы крайне высокой добротности, которые сами по себе могут выступать источниками частотных гребенок за счет эффекта Керра [16, 18] (рис. 8).
На рис. 8а изображена схема эксперимента: в волоконный кольцевой резонатор помещен режекторный фильтр из волоконной брэгговской решетки. За счет резонатора при ослаблении основной частоты происходит перекачка энергии в боковые частоты (рис. 8b). Управление периодом частотной гребенки происходит за счет внесения расстройки между частотой накачки резонатора и параметрами фильтра: изменение частоты накачки без изменения центральной частоты фильтра приводит к сдвигу спектральных компонент высших порядков.
Однако возможно и совмещение описанных выше СВЧ-модулятора и интегрального кольцевого резонатора, дающее хоть и менее широкую, но более ровную гребенку [17] (рис. 9).
На рис. 9а приведена схема модулятора (черным изображены оптические волноводы, желтым – электроды), на рис. 9b приведен выходной спектр – более 900 линий.
Как показал проведённый нами анализ литературы, достаточно хорошо исследованы схемы оптической генерации гребенчатой (comb) функции, которые содержат СВЧ оптический модулятор и петлю оптической обратной связи, содержащую оптический усилитель. Наличие оптического усилителя в таких схемах приводит к заметному негативному влиянию собственных шумов на формирование профиля гребенчатой функции.
Важно обратить внимание, что с точки зрения квантовых систем связи самым главным недостатком описываемых схем является наличие оптического усилителя. Согласно «Теореме Клонирования» [19] кванты света невозможно копировать, а следовательно, и усиливать. Это значит, что рассмотренные выше схемы принципиально неприменимы для систем квантовых коммуникаций.
Таким образом, разработка схемы, не содержащей оптический усилитель, и при этом позволяющей кратно увеличивать количество генерируемых пар боковых частот, является актуальной задачей.
Эксперимент
Нами были исследованы оптические спектры на выходе фазового СВЧ интегрально-оптического модулятора (ФМ) собственного производства [1]. Схема установки приведена на рис. 10. Нами использовался лазер с длиной волны 1 550 нм, шириной спектральной линии <1 МГц и выходной мощностью 2 мВт. Петля обратной оптической связи была выполнена в виде отрезка волокна длиной L ≈ 8,43 м. Примерно посередине петли находился стандартный оптический разъём, который позволял «включать» и «выключать» обратную связь. При включении обратной связи большая часть оптической мощности с выхода ФМ поступала на его вход, что приводило к существенному увеличению числа высших гармоник в спектре сигнала.
В наших экспериментах использовались Y-ветвители двух типов: с коэффициентом деления 1 : 9 и 1 : 3. Наибольшее влияние обратной связи было обнаружено для ветвителя 1 : 9 (т. е. примерно 90% мощности направлялось в петлю обратной связи). На рис. 11а приведены спектры сигналов для случая «обычного» режима работы ФМ, на рис. 11б – для нелинейного режима работы с включённой петлёй обратной оптической связи. Данные зависимости получены для частоты фазовой модуляции F = 1,725 ГГц.
Аналогичные эксперименты были проведены для Y-ветвителя с коэффициентом связи 1 : 3. В этом случае также наблюдались все характерные зависимости, однако влияние обратной связи было значительно меньшим.
Было исследовано влияние частоты фазовой модуляции на число высших спектральных компонент (при фиксированной длине петли обратной связи), (рис. 12а) и влияние входной мощности сигнала фазовой модуляции (рис. 12b).
На рис. 12а показана зависимость числа спектральных компонент при включённой обратной связи от частоты модуляции при мощности 25 дБм. Из графика видно, что максимальное количество спектральных компонент наблюдалось при частоте модуляции 1,725 ГГц и составляло до 40 шт. (т. е. примерно по 20 с каждой стороны от несущей). Изменение частоты модуляции даже на 5 МГц приводило к тому, что число пиков сокращалось в два раза, причем наблюдалась четко выраженная симметричность зависимости для уменьшения и увеличения частоты модуляции в окрестностях пика. Увеличение числа максимумов у краев исследуемой области связано со следующими пиками, т.е наблюдается периодичность зависимости.
Обсуждение результатов
Мы продемонстрировали эффективность использования оптической обратной связи для увеличения числа высших спектральных компонент. Предложенная нами схема является предельно простой: в качестве обратной связи используется только отрезок оптического волокна, что выгодно отличает нашу схему от всех других, рассмотренных в литературе.
В нашей схеме не используются усилители, что позволяет снизить уровень шума по сравнению с экспериментами с использованием усилителей, и при этом в получающейся гребенке не возникает спектральных провалов, связанных со способом формирования обратной связи. Продемонстрированная на рис. 11а) периодичность зависимости числа спектральных компонент от частоты модуляции легко объясняется следующими соображениями: для возникновения резонанса необходимо, чтобы в длину петли обратной связи укладывалось целое число длин СВЧ-волн: l = c / f, где c – скорость света в вакууме, F – частота фазовой модуляции. В нашем эксперименте l ≈ 0,17379 м, и несложно подсчитать, что тогда в длину петли резонатора (8,52 м) укладывается 49 длин СВЧ-волн l с хорошей точностью.
Обсудим несколько примеров функциональных возможностей предложенной нами здесь схемы.
Во-первых, система «лазер + СВЧ оптический модулятор с петлёй обратной связи» может быть рассмотрена как источник излучения набора N когерентных колебаний. В наших экспериментах спектральный интервал ΔF составлял 1,725 ГГц, а число N достигало в общей сложности 40 шт, следовательно, весь спектральный диапазон достигал 40 × 1,725 ГГц = 69 ГГц. Очевидно что, меняя длину обратной связи нужным образом, можно подобрать спектральный интервал ΔF так, чтобы он соответствовал стандартной сетке частот (H)DWDM, т. е. шагу 25, 50 или 100 ГГц. В этом случае один лазер может быть использован для обеспечения работы сразу в нескольких частотных каналов. Другая интересная возможность – это «уместить» сразу большое число спектральных каналов в полосе одного стандартного спектрального канала. Обе эти опции востребованы в системах связи, использующих принцип CDMA (Сode Division Multiple Access) или аналогичный.
Во-вторых, поскольку представленные здесь СВЧ интегрально-оптические модуляторы предназначены для использования в системах квантовых коммуникаций на боковых частотах, то наличие большого (до 20 шт.) числа высших гармоник открывает возможность передачи информации на различных парах боковых частот, что является дополнительной степенью защиты передачи данных.
В-третьих, заметным преимуществом нашей технологии является возможность существенно снизить требования, а следовательно, и стоимость, к самому СВЧ-генератору. Так, например, возможность работы на 10‑й гармонике позволяет использовать генератор, создающий частоту фазовой модуляции F = 1 ГГц, что эквивалентно работе на первой гармонике генератора с частотой F = 10 ГГц.
И наконец, самое главное преимущество: отсутствие в нашей схеме оптического усилителя позволяет использовать её в системах квантовых коммуникаций.
Таким образом, рассмотренная здесь схема усиления нелинейностей в СВЧ интегрально-оптических модуляторах позволяют существенно расширить их функциональные возможности и снизить стоимость применительно к системам квантовых коммуникаций.
Список литературы
Petrov V. M., Shamrai A. V. et al. National microwave integrateed optical modulators for quantum communications. Photonics Russia. 2020; 14(5): 414–423. DOI: 10.22184/1993–7296.
Петров В. М., Шамрай А. В. и др. Отечественные СВЧ интегрально-оптические модуляторы для квантовых коммуникаций. Фотоника. 2020; 14(5): 414–423. DOI: 10.22184/1993–7296.
Petrov V. M., Shamrai A. V. Interference and Diffraction for Information Photonics. – SPb .: Lan’. 2019. 460 pp.
Петров В. М., Шамрай А. В. Интерференция и дифракция для информационной фотоники. – СПб.: Лань. 2019. 460 с.
Ho K. P., Kahn J. M. Optical frequency comb generator using phase modulation in amplified circulating loop. IEEE photonics technology letters. 1993; 5(6): 721–725. DOI: 10.1109/68.219723.
Kawanishi T. et al. Optical frequency comb generator using optical fiber loops with single-sideband modulation. IEICE Electronics Express. 2004; 1(8): 217–221. DOI: 10.1109/CLEOPR.1999.817825.
Kogahara S. et al. Reciprocating Optical Modulation on Erbium-Doped LiNbO3 for Harmonic Generation. IEEE Photonics Technology Letters. 2007; 19(19): 1565–1567. DOI: 10.1109/QELS.2007.4431438.
Kawanishi T. et al. Reciprocating optical modulation for harmonic generation.IEEE Photonics Technology Letters. 2001; 13(8):854–856. DOI: 10.1109/68.935826.
Отзывы читателей
