All-Optical Signal Processing

Modern Telekomünikasyon ve veri merkezi ağları, her ağda yayınlayarak, bulut bilişimi, Nesnelerin İnterneti (IoT), ve yapay zeka ve özerk sistemler gibi gelişmekte olan uygulamaları, optik-elektrikli sinyal işleme gerektiren tüm kısıtlamalarla karşı karşıya kalır ve elektrik-optik-optik-opreasyona yönelik her ağda, geç dönemsel olmayan, güç tüketimi ve bant genişliğini, güç tüketimini ve bant genişliğini kısıtlar. Tüm optik sinyal işleme adresleri bu sınırlamaları tamamen optik-optik sinyal işlemeye hazırlar.

Tüm optik işlemenin temel avantajı, ışık hızında çalışabilme yeteneğinde, minimum termal dağıtım ve elektronik bant kısıtlamaları ile ilgili olarak, bu yaklaşımı doğrudan terabit-per-ikinci iletim oranlarına destek vermektedir ve mevcut fiber optik altyapı ile uyumludur. Ağ operatörleri 800G'ye doğru itiyor gibi, 1.6T ve ötesinde, tüm optik sinyal işleme bu performansın elektronik bant kısıtlamaları ile ilişkili cezaları ile ilişkili olarak fark etme yolunda bir yol sunar.

Tüm Optimal İşlemedeki Son Teknolojik Gelişmeler

Bu gelişmeler, kompakt, verimli ve ölçeklenebilir tüm optik işleme alt sistemleri geliştirmede yapılmıştır. Bu gelişmeler entegre fotonik devreler, yeni doğrusal olmayan optik malzemeler ve yeni aygıt mimarisi ile gerçekleştirilir.

Entegre Fotonik Devreler: Miniaturizasyon ve Scalability

Tüm optik devreler (PICs) tüm optik işlemenin ön saflarındadır. Dalga kılavuzları, modülatörler, dalga dönüştürücüleri ve tek bir çipli üretim teknikleri kullanarak anahtarlamalar, plastikler ve elektrik gereksinimleri, optikler gibi malzemelerle karşılaştırılır, alüminyum galoş (AlGa) ve yüksek entegrasyon yoğunluğu nedeniyle, yumuşak olmayan optik özellikler kullanarak, bu nedenle araştırmacılar, silikonun yumuşak olmayan optik yaklaşımlara kıyasla, silikonu kullanarak gelişmiştir.

Son gösteriler, tüm optik sinyal yenileme modüllerini tek bir çip üzerinde tamamladı, örneğin, 0,2R yenileme) ve [Dörtülikasyon ve yeniden şekillendirme) ve [[Döneticisel dalgalama[Döneticisel dönüşüm, yeniden şekillendirme ve yeniden şekillendirme) örneğin, 2023 yılında yayınlanan bir çalışma ) [Döneticileri [Döneticiler[Döneticiler için) [Döneticisel bir hibrit PIC, Gbaud’da cezasiz bir işlemle birlikte optiksel dalga boyu dönüşüm gösterdi.

Nonlinear Optik Etkileri: Tüm Optimal İşlemenin Motoru

Optik alanda sinyal işlemeyi gerçekleştirme yeteneği, doğrusal olmayan optik etkiler üzerinde ağırlığa sahiptir. En yaygın kullanılan etkiler şunlardır:

  • [FONT:0]Dört-Wave Mix (FWM))[Dönderlik süresine göre iki veya daha fazla dalga dalga dalga boyun eğlendiricisi, optik faz konjugasyonunu sağlar ve parametrik amplifik amplifikasyonda son gelişmeler FWM verimliliğini artırmakta, düşük pompa güçlerde verimli bir işlem sağlar.
  • [FONT=0)Kendi-Phase Modulation (SPM))[KAM]: Aşırı geniş bant iletimi için önemli olan optik bir darbenin aşamasına neden oluyor. SPM optik pulsiyon ve aşırı geniş bant iletimi için kullanılıyor.
  • [FONT=0)Cross-Phase Modulation (XPM))[Bir sinyalin aşaması, başka bir ko-propagating sinyalinin yoğunluğuyla ayarlanır. XPM tüm optik mantık kapıları, veri format dönüştürme ve çok karmaşıklama sinyalleri sağlar.
  • [FONT:0]Stimated Brillouin Scattering (SBS))[Felcogenide dalga kılavuzlarında sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık süzme, filtre oluşturma ve yavaş ışık tamponları göstermiştir.
  • [FONT:0] Mikroresoncularda Doğruluk [[DÜT:1]: Yüksek-Q mikroresoncular (örneğin, silikon nitrit veyaoid toroidler) Kerr nonlinearity'yi sıkıca kesinleştirici güçlerle geliştirir ve yüksek intracavity güçlere ulaşırlar.

Örneğin, Kaliforniya Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, Santa Barbara, bir tabakalı molybdenum disulfide (MoS2) kayıt dışı işlemlere yol açan yüksek üçüncü sıra dışı dönüşümler, 100 nm üzerindeki 0 dB'den daha büyük verimler elde ediyor.

All-Optical Switching ve Routing

Optik geçiş, tüm optik alıcı veya ağ node için temel bir işlevdir. Geleneksel anahtarlar bugün elektronik kontrole güvenerek, patlamayı yaparken bir şişenck oluşturmak, yüksek hızlı trafik. Tüm optik anahtarlar, doğrusal olmayan etkiler veya ultra-fast elektro-optik malzemelere dayanarak, resimosanları veya daha hızlı bir şekilde yeniden yapılandırılabilir.

  • [FONT:0) GB-fast optik paketi geçiş[[Dönetici: 1) Bir Mach-Zehnder interferometresi ile yarı iletken optik yükselteç (SOA) bir kolda, 10 ps altında zamanlara ulaşır.
  • [FONT:0)Mikro-ring resonator anahtarları[Dönetici:0) Kerr etkisi ile bu ayar, elektronik kontrol olmadan tüm optik routing izin verir.
  • [FONT=0]Fotoğraflar entegre edilmiş haçlı anahtarlar [Dönderlik 1] binlerce limanla, silikon (LCOS) teknolojiler üzerinde mikrolens dizileri ve sıvı kristalleri tarafından yönlendirilen, alt-mikrosaniye yeniden yapılandırmasına ulaşır.

Bu geçiş teknolojileri, esnek, dalga-agnostic ve düşük çözünürlük optik yolları ele almak için bir sonraki nesil alıcı sistemleri için gereklidir.

Sonraki Nesil Onaylama Alıcı Sistemleri için Implications for Next-Generation Alıcı Systems

Tüm optik sinyal işleme doğrudan alıcı sistemlere entegre etmek derin performans avantajları verir. En acil etki, alıcı cephede elektronik şişenck'in ortadan kaldırılmasıdır. Geleneksel koherent alıcılarda, gelen optik sinyal, fotoğrafa dönüştürülür ve sonra yüksek hızlı analog-dijik dönüştürücüler tarafından işlenir (ADCs) ve dijital sinyal işleme (DSP) çipleri.Bu elektronik bileşenler önemli güç tüketiyor ve giderek daha pahalı ve karmaşık hale geliyor.

[FONT=0) optik demultiplexing[Dönetici:2) dalga uzunluğu dönüşüm), [[Dönetici dağıtım tazminatı) ve [[Döneticisel yenileme[Dönetici) sinyali, her türlü optik hatanın tekrarlanması ve tekrarlanması için, her türlü gecikme süresine izin verilen gecikme süresine izin verilir.

Diğer alıcı düzeyindeki faydalar şunları içerir:

  • [FONT=0)Redüktör Güç Tüketimi[[Dönetici: Tüm optik işleme, O-E-O dönüşümün enerji yükünü kaçınır. Tahminler, tüm optik alıcının 800 Gbps'de eşdeğer bir dijital eşanlı alıcıya göre tamamen entegre olabileceğini önerir, Avrupa ICT-ALLEGRO projesinden mevcut araştırma projeksiyonları.
  • DÖRT:0) Alçakgönüllü Latency[[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜDÜŞÜNÜ
  • [FONT=0) Yüksek veri aktarımları[[Dönetici: Tüm optik teknikler kanalla bağlantı kurmadan çok fazla toplayıcı ile aynı anda birden fazla sabitleme (WDM) ve kutuplaşma birden çok yönlü bir dönüştürücüyü aynı anda FWM'ye dayanan tüm optik dalgalar dönüştürücüyü aynı anda C+L bandında 100+ WDM kanallarını çalıştırabilir.
  • [FONT=0]Flexability and Re configureurability : Tüm optik alıcı ön uçları farklı modülasyon biçimleri için programlanabilir (QPSK, 16QAM, 64QAM) ve pompa dalga boyun eğlendiricileri veya önyargılı gerilimler sağlayarak veri oranları, gelişmekte olan standartlar için gelecekteki dayanıklı bir platform sağlayabilir.

Önemli bir örnek, bir yerel osilatör ve koherent algılama elektronikleriyle doğrudan algılamayı birleştiren bir alıcının gelişimidir.Bu yaklaşım yüksek hassasiyete sahipken karmaşık ve güçlendirici bir şekilde azaltmaktadır:0).[link)).[link)[Döneticileri değiştirmiş bir sinyalleri yoğunluk kalıplarına dönüştürmek için bir alıcıyı kullanarak, yerel osilatör ve koherent algılama elektronikleri ortadan kaldırmak için gerekli olan bir algılama elektronikleri ortadan kaldırmak.

Future Challenges and Opportunities

Dikkat çekici ilerlemeye rağmen, tüm optik sinyal işlemesi alıcı sistemlerde yaygın ticari dağıtım elde eder.

Malzeme Verimliliği ve Doğrusuzluk

Çoğu doğrusal olmayan optik etkiler, uzun etkileşim uzunlukları (örneğin, fiber kilometreler) veya yüksek zirve güçleri gerektirir. Entegre dalga kılavuzları sıkı sınırlılık yoluyla doğrusal olmayan, sayısal transistörler ile karşılaştırılabilir ve organik polimerler elektronik transistörlerle karşılaştırılabilir.Örneğin, grafikte dev bir Kerr katladı, ancak ilerici malzemeler grafiksel hasarlar grafiksel hasarlar içerir.Internal iki boyutlu malzemeler, plazmonik nanoyapılar ve organik polimerler, ve organik polimerler.For example, Graphicsally, Graphicsally, incelal olmayan yüzeyler için.

Scaling Together

Kompleksi tüm optik işlemciler, küçük elektronik çipler üzerinde yüzlerce işlevsel blok ( dalga uzun dönüştürücüler, anahtarlar, regeneratorlar, filtreler) tek bir çip üzerinde.Mevcut PICD-100 bileşen, lazerlerin binlerce transistörünün altında, küçük bir elektronik çip.Spektifler, elektronik VLSI devrimine benzer şekilde, olası bir yöntem içerir.

Robust System Entegrasyon ve Ambalaj

Tüm optik modüller ısı, mekanik ve çevresel stresleri telecom ve veri merkezi ortamları ile hayatta olmalıdır. Düşük hacimli fiber-to-çizli darbe, termal stabilizasyon (örneğin, ısıtıcılar veya Peltier soğutucular), ve hermitic, mikro optik tezgah ve polimer dalga kılavuzlarında son gelişmelerin azaltılmasına ihtiyaç vardır, ancak daha fazla inovasyonun düşük maliyetli, yüksek maliyetli, yüksek hacimli üretime ulaşması gerekir.

Maliyet Azaltımı Maliyeti

Şu anda, birçok tüm optik bileşen (örneğin, koralcogenide nanotel dalga kılavuzları, periyodik olarak poled lityum niobate modüllators) özel olarak imal edilir, küçük hacimli süreçler için çalışır. Elektronik alternatiflerle rekabet etmek için, fonksiyonel elementin maliyeti benzer bir altyapıya ihtiyaç duyar.

Standartlaştırma ve Interoperability

Optik İnternet Çalışma Forumu (OIF) ve Uluslararası Telekomünikasyon Birliği (ITU) gibi tüm optik işleme elemanları henüz kaplanabilir koherent modüller için gerekli koşulları tanımlamaya başlamalıdır.

Fırsatlar Ahead

Tüm optik sinyal işlemenin yörüngesi açık: malzemeler, entegrasyon ve sistem tasarımı yavaş yavaş bu zorlukların üstesinden gelecektir. Anahtar fırsatlar şunları içerir:

  • [FONT=0]Makine Öğrenme-Driven Optimizasyonu[[Dönetici: AI algoritmaları tüm optik cihazların çalışma noktalarını optimize edebilir, üretim varyasyonları ve çevresel değişiklikler için hesaplamalar yapar. Bu “kendi-tuning” yeteneği, tüm optik modülleri dağıtmak için daha güvenilir ve daha kolay hale getirebilir.
  • [FONT=0]Fotoğrafik Neural Networks[[Döneticileri)[Dönersiz olmayanlar analog sinir ağları uygulamak için doğal olarak uygun. Erken gösteriler, 10 GHz'ye yaklaşan model tanıma hızlarını gösteren optik nöromorfik çipler göstermiştir, enerji verimliliği emirlerine elektronik olarak daha iyi entegre edilebilir.
  • [FONT:0]Quantum Optik İşleme[[DÜT:1): Tüm optik teknikler kuantum iletişim ve bilişim için temelseldir. Düşük boyutlu olmayan dalga kılavuzlarında ve tek foton dedektörleri gelecekteki kuantum anahtar dağıtım (QKD) sistemler ve kuantum tekrarlayıcılar altında olacaktır.
  • [FONT:0]Space ve Savunma Uygulamaları[[Dönetici: Free-space optik bağlantılar, uydu iletişiminde ve insansız hava araçlarında kullanılan, tüm optik işlemeden yararlanın çünkü ağır, güç-hungry elektronik için ihtiyaç ortadan kaldırır.

Araştırma hızlandığında, tüm optik sinyal işleme, temel optik iletişim sistemlerinin temel olarak oluşturulması için temel olarak daha hızlı, daha verimli ve daha güvenilir veri aktarımına olanak sağlar. Laboratuvar prototiplerinden alan-işletilen sistemlere geçiş, sürekli yatırım, disiplin işbirliği gerektirecek ve temel olarak optik olanları yerine getirmeye istekli olacaktır.