Villamosmérnöki tudományok doktori iskola

Távközlési és Médiainformatikai Tanszék

Témavezető: 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, nagyméretűek 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 kutatóhely rövid bemutatása

A kutatást PhD hallgatóként, a Távközlési és Médiainformatikai Tanszéken (TMIT), a High Speed Network Laboratory (HSN Lab) keretein belül végzem. Jelenleg a japán National Institute of Information Communications Technology (NICT) és a TMIT közötti együttműködésnek köszönhetően Tokióban végzem kutatásaimat, ahol betekintést nyerhetek a nemzetközi eredményekbe és részt vehetek a világ egyik vezető laboratóriumának munkáiban.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

2005-ben, másodéves egyetemi 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 tapasztalatokra alapozva 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 [11], amely azonban a speciális, nemlineáris optikai szál miatt nagy helyet foglal és nem integrálható. Célom hasonló eredmények elérése egy különleges szerkezetű nemlineáris kristályban, a PPLN-ben (Periodically Poled Lithium Niobate). Ez kisméretű, 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.

A fázisregenerátorok eszközszintű vizsgálata mellett számítógépes modellt készítek, amely ezen eszközök hálózatban történő elrendezését, optimalizálását, az ott fellépő halmozódó jelenségek megértését segíti. Ehhez egy egyszerűsített általános modellt fejlesztek, amelyet az eszközszintű modellekkel, illetve a kísérleti eredményekkel validálok.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A kutatás két területen folyik párhuzamosan. Az első a fázisregenerátorok eszközszintű vizsgálata. A fő kérdés e téren 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 eredményekről még senki nem számolt be. A mai optikai rendszerekben egy szálon egyidőben több, akár száz hullámhosszon keresztül folyik az átvitel. Az elektronikus feldolgozáshoz ezeket szét kell választani, azonban az itt javasolt felépítés segítségével ez párhuzamosan, egyazon eszközben is elvégezhető, amely méret, ár és bonyolultság szempontjából is nagy előnyt jelent.

A második kérdés az, hogy egy hálózatban milyen hatékonyságú regenerátorokra van szükség, milyen más paraméterek befolyásolásával lehet javítani a teljes teljesítményt, illetve hogyan kell elhelyeznünk a regenerátorokat. Ilyen jellegű vizsgálatokat a nemzetközi irodalomban legjobb tudomásom szerint még nem publikáltak. Az első eredmények megmutatták, hogy ezek rendkívül összetett kérdések, és gyakran mellékesnek tartott jelenségek is komoly szerepet játszanak [9].

Módszerek

Az NICT-nél való tartózkodás idején lehetőségem van a fázisregenerátorok kísérleti vizsgálatára. Ennek során tervem egy már publikált mérési elrendezés reprodukálása, majd annak folyamatos átépítése. A legfontosabb lépés a nemlineáris optikai szálak PPLN-ekre cserélése. Ennek segítségével a felépítés egyszerűsíthető és a méret csökkenthető (ld. fenti ábrák). Így várhatóan nőni fog a rendszer stabilitása is (elsősorban hőmérséklet szempontjából). A mérésekhez – a jobb hatékonyság érdekében – speciális segédelektronikát készítettem.

A kísérletekkel párhuzamosan, Matlab programban szimulátorszoftvert fejlesztek az optikai terjedés alapegyenleteitől indulva, hogy kiküszöböljem a szimulátor szoftvertermékek azon hibáit és pontatlanságait, amelyek nemlineáris jelenségek esetében gyakran tapasztalhatók. Bár a fázisérzékeny erősítőre készített modellek alkalmasak lehetnek hálózati szimulációkra is, jelenleg ezek elsősorban a kísérletek kiegészítői, illetve a kísérletek és az egyszerűbb hálózati modellek közötti kapcsolatot teremtik meg. Várakozásaim szerint a fizikai modell pontossága nem követelmény a hálózati szimulációkhoz, számításigénye azonban magas, ezért azt ott nem tervezem hosszú távon használni.

Eddigi eredmények

Kísérleti eredmények: Az első mérések során az eddig publikáltnál egy nagyságrenddel nagyobb fázisérzékeny erősítést (15 dB) kaptunk, melynek publikálását a közeljövőben tervezzük. A valós körülmények között megvalósított regeneráláshoz szükséges a bejövő jel hullámhosszának pontos kinyerése, amelyet egy PPLN segítségével szintén sikeresen végrehajtottunk.

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].

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 – kisméretű és 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. oldal

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 (elfogadva)

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 (elfogadva)

11. 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