ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..................................................3
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. МОДЕЛЬ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ........................................12
§ 1.Г. Распространение светового излучения в оптическом волокне.. 12
§ 1.2. Электронная компенсация дисперсии......................14
§.1.3 Новые форматы модуляции в оптических системах связи .. 19
§ 1.4 Модель волоконно-оптической линии связи.................35
ГЛАВА П. УСТОЙЧИВОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМАТОВ МОДУЛЯЦИИ К ДЕЙСТВИЮ ХРОМАТИЧЕСКОЙ ДИСПЕРСИИ И НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ......................................................40
§ 2.1. Численной описание различных форматов модуляции.......40'
§ 2.2. Устойчивость различных форматов модуляции к хроматической дисперсии.....................................................45
§ 2.3. Устойчивость различных форматов модуляции к нелинейным эффектам.................................................. 47
§ 2.4. Выводы.................................................48
ГЛАВА Ш. УСТОЙЧИВОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМАТОВ МОДУЛЯЦИИ К ДЕЙСТВИЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ МОДОВОЙ ДИСПЕРСИИ 50
§ 3.1. Распространение оптических импульсов в двулучепреломляющем волокне.......................................................50
§ 3.2. Численное исследование устойчивости различных форматов модуляции к действию НМД.................................. 53
2
§ 3.3. Выводы..............................................63
ГЛАВА IV. УВЕЛИЧЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ ПЕРЕДАЧИ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ С ПРЯМОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ.....................................................65
§ 4.1. Модель лазера с прямой модуляцией...................65
§ 4.2. Анализ качества линии связи при изменении параметров передатчика и тока накачки.................................67
§ 4.3. Структурированная накачка лазеров с прямой модуляцией.... 83
§ 4.4. Устойчивость различных видов накачки к совместному действию хроматической дисперсии и нелинейных эффектов..................87
§ 4.5. Модель лазера с управляемым чирпом..................89
§ 4.6. Устойчивость NRZrCML к хроматической дисперсии и нелинейным эффектам................................................... 92
§ 4.7. Выводы..............................................96
ГЛАВА V. ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПЕНСАЦИЯ ХРОМАТИЧЕСКОЙ ДИСПЕРСИИ МЕТОДОМ «ВРЕМЕННОЙ ЛИНЗЫ»...................... 97
§ 5.1. Схема реализации метода временной линзы.............97
§ 5.2. Принцип метода «временной линзы». Эволюция сигнала при распространении в волокне под действием «временной линзы» 98
§ 5.3. Динамическое управление качеством системы связи на основе метода «временной линзы» с помощью параметра фазовой модуляции 101
§ 5.4. Устойчивость метода «временной линзы» к нелинейным эффектам ..........................................................103
§ 5.5. Выводы.............................................106
3
ГЛАВА VI. ФОРМИРОВАНИЕ ПРОИЗВОЛЬНОГО АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА ИЗ НЕПРЕРЫВНОГО ФАЗОМОДУЛИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ...........................107
§ 6.1. Постановка задачи формирования АМ сигналов заданной формы и схема реализации ФАМС/НФМИ..............................107
§ 6.2. Алгоритм ФАМС/НФМИ и численное решение обратной задачи нахождения фазы входного сигнала........................109
§ 6.3. Исследование возможности уменьшения всплесков мощности сигнала при распространении в волокне с использованием метода ФАМС/НФМИ...............................................112
§ 6.4. Исследование устойчивости метода ФАМС/НФМИ к нелинейным эффектам................................................114
§ 6.4. Выводы .........................................118
ВЫВОДЫ.................................................119
ЛИТЕРАТУРА.............................................124
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Понимание физических механизмов и закономерностей, возникающих в процессе распространения сигналов в оптическом волноводе, приобрело особую актуальность в связи с решением одной из важнейших задач в сфере оптических телекоммуникаций - задачи уменьшения дисперсионных и нелинейных искажений оптических сигналов.
Интерес к новым способам ослабления деградации сигналов сильно возрос в последнее десятилетие из-за постоянно увеличивающихся объемов и, как следствие, скоростей передачи информации, ведь искажения из-за поляризационной модовой дисперсии растут пропорционально битовой скорости, а искажения из-за хроматической дисперсии - пропорционально квадрату скорости передачи. Из-за сильной разветвленности сетей связи, необходимости их быстрого реконфигурирования актуальной стала также динамичность компенсации искажений.
Несмотря на большое количество публикаций, посвященных проблеме дисперсионных и нелинейных искажений сигналов, ряд важных фундаментальных вопросов оказался неизученным или изученным в недостаточной мере. В частности, к ним можно отнести актуальные сегодня способы ослабления или- полезного использования частотной модуляции (чирпа), присутствующей в излучении лазеров с прямой модуляцией; методы электронной компенсации дисперсии и нелинейных эффектов и пр. Данная работа посвящена решению этих вопросов.
Цель работы
Проанализировать влияние физических механизмов деградации оптических сигналов на качество волоконно-оптических систем связи и найти новые способы ослабления деградации:
• Исследовать устойчивость различных форматов модуляции к воздействию хроматической, поляризационной модовой дисперсии и нелинейных эффектов;
• Для форматов, используемых в оптической связи и представляющих интерес с точки зрения повышенной устойчивости к дисперсии, найти оптимальную ширину полосы пропускания приемника, при которой коэффициент ошибок системы будет минимальным;
• Найти новые способы компенсации хроматической дисперсии в системах связи со скоростью 40 Гбит/с;
• Найти способы увеличения дальности передачи в системах связи с передатчиками на основе полупроводниковых лазеров с прямой модуляцией . , .
Положения, выносимые на защиту
1. Из амплитудно-модулированного сигнала, подаваемого на вход оптического .волокна, можно с помощью фазового модулятора, расположенного на некотором расстоянии в волокне, на выходе волокна сформировать инвертированный сигнал. Это явление можно использовать для эффективной электронной компенсации дисперсии в волоконно-оптической системе связи.
2. Из непрерывного фазомодулированного излучения на входе волокна можно на его выходе сформировать заданный амплитудно-модулированный сигнал. Такую фазовую модуляцию можно использовать для эффективной передачи информации на дальние расстояния.
3. При определенном выборе коэффициента нелинейного насыщения, фактора ограниченности.полости резонатора, а также формы накачки лазера с прямой модуляцией в передатчике на его основе можно обеспечить
6
деструктивную интерференцию между, логическими единицами, разделенными логическим-нулем. Система, использующая такой передатчик, при прочих равных условиях, позволяет увеличить дальность передачи информации в 2 раза, а при использовании специального оптического фильтра в 5 раз, по сравнению со стандартным бинарным форматом.
Достоверность результатов
Достоверность результатов обеспечивается проработкой методик и тщательностью численных измерений, которые проводились на современной и качественной аппаратуре, а также многократностью проведения численных экспериментов и отсутствием противоречий между полученными результатами и результатами других исследовательских групп, приведенными в цитируемой литературе.
Практическая значимость
Практическая значимость работы обусловлена тем, что компенсация дисперсии и нелинейных искажений необходима при передаче информационных сигналов в волоконно-оптических системах связи. Совершенствование существующих и разработка новых, эффективных и недорогих способов уменьшения деградации сигналов имеет огромную практическую ценность, т.к. позволяет увеличивать скорость и дальность передачи информации в существующих телекоммуникационных сетях.
Формирование заданного амплитудно-модулированного сигнала в заданной точке волокна из фазомоду лированного или амплитудно-фазомодулированного излучения обеспечивает повышение точности и датьности работы распределенных волоконно-оптических датчиков.
7
Новизна работы
Предложен новый способ электронной компенсации дисперсии - метод «временной линзы», заключающийся в том, что амплитудно-модулированный сигнал приобретает с помощью установленного на некотором расстоянии в волокне модулятора дополнительную фазовую модуляцию, в результате чего на выходе волокна формируется инвертированный сигнал.
Впервые предложен способ формирования амплитудно-модулированного сигнала на выходе волоконно-оптической линии связи (BOJIC) из непрерывного фазомодулированного излучения (ФАМС/НФМИ). Впервые с его помощью показана возможность передачи информации на дальние расстояния.
Впервые для систем связи на основе полупроводниковых лазеров с прямой модуляцией, работающих на скорости передачи 10 Гбит/с, показана возможность увеличения дальности передачи с помощью структурированной накачки.
Впервые для систем связи на основе полупроводниковых лазеров с прямой модуляцией с помощью струKi-урирования накачки, оптимального выбора коэффициента нелинейного насыщения и фактора ограниченности полости резонатора реализован формат, обеспечивающий деструктивную интерференцию между логическими единицами, разделенными логическим нулем.
Впервые для систем связи на основе лазеров с внешней модуляцией при скорости передачи 40 Гбит/с для форматов AMI, PSBT и 4-агу ASK найдена оптимальная ширина полосы приемника, при которой влияние хроматической дисперсии, поляризационной модовой дисперсии и нелинейных эффектов минимально.
8
Апробация работы и публикации
Результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры оптики и спектроскопии физического факультета МГУ, а также на конференциях: Всероссийской конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях», Казань (2008), 5-ой Международной научно-технической конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях», Уфа (2007), Всероссийской конференции по волоконной оптике, Москва (2007), Международной конференции «Сучасні проблеми І досягнення в галузі задиотехніки, телекомунікацій та інформацийних технологий», Запорожье (2006), Всероссийской молодежной научной школе "Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение", Саранск (2006), International Conférence Laser and Laser-information technologies: fondamental problems and Applications, ILLA Болгария (2006), 8th International Conférence on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, LFNM-2006, Харьков (2006), International Conférence Laser Optics (2006).
Основной материал диссертации, кроме тезисов докладов на научных конференциях, отражен в 6 научных статьях, перечень которых приведен в списке литературы.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 134 страницах. Она состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 105 наименований, содержит 60 рисунков.
Краткое содержание диссертации
В первой главе приведен обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований, описывающих распространение светового излучения в одномодовом волокне. Проанализированы литературные сведения, касающиеся способов борьбы с искажениями сигнала, возникающими в
9
результате действия хроматической дисперсии, поляризационной модовой дисперсии (ПМД) и нелинейных эффектов, в т.ч. методы электронной компенсации дисперсии и новые форматы модуляции. Рассмотрены общие подходы к определению качества волоконно-оптических систем связи. Описан построенный на основе анализа вышеуказанных литературных сведений алгоритм, с помощью которого были получены основные результаты диссертационной работы.
Во второй главе численно исследовано совместное воздействие хроматической дисперсии и нелинейных эффектов- на различные форматы модуляции, такие как NRZ, RZ, GS-RZ, PSBT, 4-агу ASK, AMI при скорости передачи информации, равной 40 Гбит/с. Установлено, что системы связи; использующие различные форматы модуляции, в разной степени подвержены деградации, возникающей из-за межсимвольных помех и увеличения шумов на приемнике при росте его полосы пропускания. Показана возможность увеличения дальности передачи или сужения полосы пропускания приемника при использовании форматов, отличных от наиболее распространенного в оптических системах связи формата NRZ.
В третьей главе проведено сравнение устойчивости различных форматов модуляции к влиянию ПМД. С помощью численных экспериментов для каждого из них определен диапазон полос пропускания приемника, в пределах которого достигается необходимое качество системы связи, а также оптимальное значение ширины полосы пропускания, при котором наблюдается максимальная дальность передачи.
Четвертая глава посвящена волоконно-оптическим системам связи на основе полупроводниковых лазеров с прямой модуляцией (ЛГ1М). Проведено численное исследование зависимости коэффициента ошибок BER от параметров и тока накачки ЛПМ. Показана возможность существенного повышения качества сисгемы связи со скоростью 10 Гбит/с при использовании
10
структурированной.накачки лазера с прямой1 модуляцией. Найдены параметры ЛПМ, при которых в передатчике на его основе реализуется формат кодирования, обеспечивающий деструктивную интерференцию между логическими единицами, разделенными логическим нулем. Предложена схема реализации такого формата с использованием специального оптического фильтра. Численно исследована- устойчивость формата к хроматической дисперсии.
В пятой главе представлен и численно исследован новый способ электронной компенсации дисперсии (ЭКД) - метод «временной линзы», заключающийся в том, что амплитудно-модулированный сигнал приобретает с помощью установленного на некотором расстоянии в волокне- модулятора дополнительную фазовую модуляцию, в- результате чего на выходе волокна-формируется инвертированный сигнал. Исследована зависимость качества системы связи на основе «временной линзы» от расстояния и от параметра фазовой модуляций' при различных значениях полосы пропускания приемника. Показана возможность реализации динамической фазовой модуляции. Численно исследована устойчивость метода «временной линзы» к-нелинейным эффектам.
В шестой главе предложен принципиально новый, способ формирования амплитудно-модулированного сигнала на выходе волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) из непрерывного фазомодулированного излучения (ФАМС/НФМИ). Исследована возможность передачи информации с помощью ФАМС/НФМИ на дальние расстояния. Проведено сравнение ЭКД методом ФАМС/НФМИ и линейной компенсации дисперсии при различных значениях мощности входного излучения и длины волокна
11
- Київ+380960830922