Villamosmérnöki tudományok doktori iskola

BME VIK, Távközlési és Médiainformatikai Tanszék

Konzulens: Dr. Cinkler Tibor

Optikai fázisregenerátorok vizsgálata

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A modern távközlésben döntő szerep jut a száloptikai rendszereknek. A technika fejlődése lehetővé tette, hogy az egyre növekvő igények kielégítésére az információt a lézerfény ki-bekapcsolása helyett fázisának modulációjával vigyük át. Mivel így jelentős növekedést érhetünk el az átvitel sebességében és minőségében, a módszer a gyakorlatban is elterjedt, és jelentősége a jövőben várhatóan tovább nő. A nagyobb méretű – nagyvárosi, országos, nemzetközi – hálózatok üzemeltetéséhez regenerátorokra (jelismétlőkre) van szükség, amelyek a nagy átviteli sebesség (akár több tíz terabit másodpercenként) következtében drágák, nagy méretűek, és sok energiát fogyasztanak. Jelenlegi kutatásom célja a fázismodulált jelek regenerálásának optikai úton történő megvalósítása, így hely- és energiatakarékos, potenciálisan egyszerűbb felépítésű és olcsóbb eszközök hozhatók létre. A kezdeti eredményeket a 2010-es BME kutatói pályázaton mutattam be, a témában jelentős előrelépéseket értünk el az elmúlt egy évben.

A kutatóhely rövid bemutatása

A kutatást PhD hallgatóként, a Távközlési és Médiainformatikai Tanszéken (TMIT), a High Speed Network Laboratory (HSN Lab) keretein belül végzem. Kutatói ösztöndíjjal 2010 januártól szeptemberig a japán National Institute of Information Communications Technology (NICT) intézetében folytattam kutatásaimat a TMIT és az NICT közötti együttműködésnek köszönhetően. A tokiói intézetben található a világ egyik vezető száloptikai laboratóriuma, amely a legmagasabb szintű száloptikai kutatásokra alkalmas.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

2005-ben, másodéves villamosmérnök hallgatóként (osztatlan képzés) kezdtem száloptikával foglalkozni. 2006-ban a nemlineáris optikai jelenségekkel foglalkozó TDK dolgozatom első díjat nyert mind az egyetemi, mind az országos konferencián, amelyet később hasonló eredmények követtek (ld. publikációk). A témában szerzett tapasztalataimat hasznosítva diplomamunkámban a "hagyományos" optikai modulációs formák regenerálásával foglalkoztam, majd érdeklődésem a fázisregenerálás irányába fordult. Az új modulációs formák terjedésével e terület jelentősége is gyorsan nő, de a kutatás jelenleg kezdeti fázisban van. A legígéretesebb eszköz a fázisérzékeny erősítő; az ezen alapuló első valódi regenerátort idén (2010) tavasszal mutatták be [16]. Ez speciális, nemlineáris optikai szálon alapult, amely azonban nagy helyet foglal és nem integrálható. Célom hasonló eredmények elérése PPLN-ben (Periodically Poled Lithium Niobate), amely egy különleges szerkezetű nemlineáris kristály. Kis méretű, könnyen integrálható, és a nemlineáris optikai szálnál több szempontból könnyebben kezelhető. Nehézséget okoz, hogy a két eszközben lejátszódó fizikai jelenségek gyökeresen különböznek; és az utóbbiról minimális információ található a nemzetközi irodalomban.

PPLN kristály (vörös) mérete pénzérmével összehasonlítva.
A fenti eszközbe 50 hullámvezető van integrálva

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A kutatás két irányban zajlik párhuzamosan. Az első a fázisregenerátorok eszközszintű vizsgálata. A fő kérdés itt az, hogy PPLN-ek segítségével megvalósítható-e hatékony fázisregenerátor, illetve mennyivel előnyösebb az a szálalapú regenerátoroknál. A nemzetközi irodalom alapján pozitív végeredmény várható, de értékelhető kísérleti eredményeket még senki sem publikált. A mai optikai rendszerekben egy szálon egyidőben több, akár száz hullámhosszon keresztül folyik az átvitel. Elektronikus feldolgozáshoz ezeket szét kell választani, azonban az itt javasolt felépítés segítségével ez párhuzamosan, egyazon eszközben is elvégezhető, ami méret, ár és bonyolultság szempontjából is nagy előnyt jelent.

A másik irány a tisztán optikai regenerátorok használhatósága, elhelyezése nagy hálózatban. Itt a fő kérdések a regenerátorok elvárt minimális hatékonysága, hogy milyen más paraméterek befolyásolásával lehet javítani a teljes teljesítményt; illetve hogy kell elhelyeznünk a regenerátorokat. Ilyen jellegű vizsgálatokat a nemzetközi irodalomban még nem publikáltak. Az első eredmények megmutatták, hogy ezek rendkívül összetett kérdések, és gyakran mellékesnek tartott jelenségek is komoly szerepet játszanak [9, 11].

Módszerek

Az NICT-ben tartózkodásom idején a kísérleti munkát Dr. Ben Puttnam kutatóval közösen végeztük. Az együttműködést hazaérkezésem után is folytattuk, az intézetben folyó kísérleteket a BME-n fejlesztett matematikai modellekkel egészítettük ki. A modellek és a kísérletek alkalmasak voltak az eredmények kölcsönös validálására, alátámasztva az eredmények helyességét és segítve a gyakorlatban fellépő jelenségek könnyebb megértését.

A Matlabban fejlesztett szimulátorszoftvert az optikai terjedés alapegyenleteiből készítettem, így küszöbölve ki a piaci szimulátorokban nemlineáris jelenségek esetében gyakran tapasztalt hibákat és pontatlanságokat. Bár a fázisérzékeny erősítőre készített modellek alkalmasak lehetnek hálózati szimulációkra is, jelenleg elsősorban a kísérletek jobb megértésére szolgálnak, illetve a kísérletek és az egyszerűbb, hálózati modellek közötti kapcsolatot teremtik meg. Várakozásaim szerint a fizikai modell pontossága nem lesz szükséges feltétel a hálózati szimulációkhoz; számításigénye azonban magas, ezért azt hosszú távon nem tervezem ott használni.

Korábbi, optikai intenzitásregenerálással kapcsolatos kutatásaim során egyszerűsített regenerátormodelleket alkalmaztam hosszú regenerátorláncok leírására. E tapasztalatok alapján a fázisérzékeny erősítőkre is sikerült egyszerűsített matematikai modellt bevezetni, mely segítségével tetszőleges hatékonyságú fázisérzékeny elemek írhatók le matematikailag. E modell a korábbinál jobban használható hálózati szintű vizsgálatok során.

Eddigi eredmények

Kísérleti eredmények: Az első mérések során az eddig publikáltnál egy nagyságrenddel nagyobb fázisérzékeny erősítést (15 dB) kaptunk. A következő lépésben sikeresen regeneráltunk fázismodulált jeleket [15].

A gyakorlatban is használható, tisztán optikai fázisregenerátorok megvalósítása felé tett utolsó lépés az optikai vivő visszaállítása. Az első kísérletekhez ezt – a bevett szokásnak megfelelően – kívülről adtuk a rendszerhez, a gyakorlatban azonban ez nem áll rendelkezésre. Ennek megvalósítása elméleti és szimulációs úton már bizonyított, a kísérleti megvalósítás folyamatban van.

Szimulációs eredmények: Matlab-szimulációk segítségével vizsgálom a sok regenerátort tartalmazó átviteli vonalakon történő zajfelhalmozódást. A vonalon különböző hatékonyságú fázis- és amplitúdóregenerátorokat elhelyezve vizsgálom az átvitelt. Azt a – korábban még le nem írt jelenséget – figyeltem meg, hogy az átvitel minőségét általában nagyban javíthatjuk, ha a fázisregenerálás mellett minimális intenzitásregenerálást is alkalmazunk. A jelenség nagyban függ a szálra jellemző diszperziótól, e kapcsolatot részletesen vizsgáltam [9].

A kísérleti összeállítás

Várható impakt, további kutatás

Kutatómunkám során a jövő optikai hálózatainak egyik kulcsfontosságú elemét, a jel visszaállítására alkalmas regenerátorokat vizsgálom. A megfelelő funkcionalitás megvalósítása mellett szem előtt tartom a könnyű – kis méretű, olcsó – megvalósíthatóságot. Az átfogó vizsgálat érdekében a kísérleteket hálózati és eszközszintű szimulációkkal egészítem ki. Hosszú távú tervem több hullámhossz párhuzamos kezelésére alkalmas PPLN-alapú regenerátor gyakorlati megvalósítása és egy általános szimulációs modell megalkotása. A témában és a nemlineáris optikai jelenségek terén eddig megjelent publikációim alább találhatók.

Saját publikációk, hivatkozások

1. Mazroa Dániel, Optimális jelszint meghatározása optikai szálakban, TDK dolgozat, BME-VIK 2006, I. díj, OTDK 2007 I. hely

2. Mazroa Dániel, 10 Gb/s-os DWDM hálózatok optimalizálása az optikai szálban fellépő nemlineáris hatások függvényében, TDK dolgozat, BME-VIK 2007, II. díj

3. Mazroa Dániel, Nagysebességű adatátvitel megvalósíthatósági vizsgálata multimódusú optikai szálak alkalmazásával, TDK dolgozat, BME-VIK 2007, I. díj, OTDK 2009, III. hely

4. Mazroa Dániel, Zsigmond Szilárd, Maximális optikai jelszint meghatározása DWDM rendszerekben, Híradástechnika, 2007. június, 26-33.

5. Mazroa Dániel, Zsigmond Szilárd, Cinkler Tibor, Determining the Maximum Power Level in Optical Fibers, BONE Summer School 2008

6. Mazroa Dániel, Félvezető optikai erősítőkkel megvalósított optikai regenerátorok szimulációja és mérése, TDK dolgozat, BME-VIK 2008, II. díj

7. Dániel Mazroa, Szilárd Zsigmond, Tibor Cinkler, Determining the Maximum Signal Power in 10 Gb/s WDM Optical Networks, Photonic Network Communications, 2008. augusztus

8. Mazroa Dániel, Optikai regenerátorok szimulációja és mérése, BME-HTE végzős konferencia, 2009, legjobb előadás díja

9. Dániel Mazroa, Satoshi Shinada, Hideaki Furukawa, Szilárd Zsigmond, Tibor Cinkler, Naoya Wada, Amplitude vs Phase Regeneration for BPSK Modulation Format, IEICE, Technical Meeting on Photonic Networks, Akita, 2010. június

10. Szilárd Zsigmond, Dániel Mazroa, Hideaki Furukawa, Naoya Wada, Limitation of Spectral Efficient Modulation Formats for Circuit and Packet Switched Networks, OECC, Sapporo, 2010. július

11. Dániel Mazroa, Benjamin James Puttnam, Satoshi Shinada, Naoya Wada, Large C-band Phase Sensitive Gain in a Periodically-Poled Lithium-Niobate Waveguide, OECC Sapporo, 2010. július

12. Dániel Mazroa, Szilárd Zsigmond, Benjamin James Puttnam, Satoshi Shinada, Naoya Wada, Optimal Regenerator Spacing in BPSK/DPSK Modulated All-Optical Networks, Bone Summer and Master School, Budapest, 2010. szeptember

13. Benjamin James Puttnam, Dániel Mazroa, Satoshi Shinada, Wada, Naoya, Towards Regeneration of BPSK Signals in Periodically-Poled Lithium-Niobate Waveguides, IEICE Technical Meeting on Photonic Networks, Osaka, 2011. február

14. Benjamin James Puttnam, Dániel Mazroa, Satoshi Shinada, Naoya Wada, Large Phase Sensitive Gain in Periodically-Poled Lithium-Niobate with High Pump Power, Photonics Technology Letters, 2011. április

15. Benjamin James Puttnam, Dániel Mazroa, Satoshi Shinada, Naoya Wada, Experimental Investigation of Phase Squeezing in a Non-Degenerate PSA Based on a PPLN Waveguide, ECOC, Geneva, 2011. szeptember (elfogadva)

16. Benjamin James Puttnam, Guo-Wei Lu, Dániel Mazroa, Naoya Wada, Evaluation of a Fiber-Optic Parametric Amplifier with Optical Feedback in Multi-Channel Dynamic Networks, OFC, Los Angeles, 2011. március
    

17. Francesca Parmigiani, Radan Slavic, Joseph Kakande, Carl Lundström, Martin Sjödin, Peter Andrekson, Ruwan Weerasuriya,
    Stylianos Sygletos, Andrew D. Ellis, Lars Grüner‐Nielsen, D. Jakobsen, S. Herstrøm, Richard Phelan, James O’Gorman,
    Adonis Bogris, Dimitris Syvridis, Sonali Dasgupta, Periklis Petropoulos, David J. Richardson, All‐Optical Phase Regeneration of 40Gbit/s DPSK Signals in a Black‐Box Phase Sensitive Amplifier, OFC, San Diego, 2010. március