Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния волоконно-оптических систем телекоммуникаций . 11
1.1. Многоканальные волоконно-оптические системы передачи. Методы уплотнения и передачи информационных потоков . 11
1.2. Волоконно-оптические компоненты управления информационным потоком для систем оптических телекоммуникаций. 20
1.3. Основные причины искажения информационного оптического сигнала. 29
1.4. Пути совершенствования компонентов ВОСП. Постановка задачи исследований. 35
1.5. Выводы к главе I. 39
Глава 2. Формирование наноструктурных оптических образцов для компонентов устройств систем телекоммуникаций 41
2.1. Анализ методов формирования наноструктурных образцов на базе хрупкого материала . 41
2.2. Анализ оптических свойств керамических наноструктурных образцов. 47
2.3. Формирование наноструктурных оптических образцов методами интенсивной пластической деформации. 49
2.4. Методика получения прозрачных компонентов для волоконно-оптических телекоммуникационных устройств управления. 56
2.5. Выводы к главе П. 59
Глава 3. Моделирование перспективных волоконно-оптических компонентов управления для систем оптических телекоммуникаций . 61
3.1. Подход к созданию волоконно-оптических компонентов управления с пониженным действием нелинейных оптических эффектов . 61
3.2. Моделирование уровня интерференционных искажений импульсного сигнала. 67
3.3. Влияние дисперсионных эффектов в цифровом канале передачи на качество передаваемого сигнала. 76
3.4. Методика обеспечения резервирования на сегменте системы телекоммуникаций с применением нелинейных коммутационных устройств. 86
3.5. Оценка значений показателей надёжности и помехоустойчивости сетевого сегмента с применением нелинейных коммутационных волоконно-оптических устройств 100
3.6. Выводы к главе III. 107
Глава 4. Аналитическое моделирование проявления нелинейных оптических эффектов в наноструктурных компонентах . 109
4.1. Оценка влияния нелинейного затухания. 109
4.2. Оценка влияния нелинейного преломления и порога самофокусировки. 115
4.3. Оценка влияния модуляционной неустойчивости на синхронный оптический сигнал . 118
4.4. Влияние параметрических процессов на синхронный оптический сигнал. 122
4.5. Выводы к главе IV. 127
Глава 5. Исследование оптических свойств прозрачных наноструктурных образцов с целью применения их для компонентов устройств систем телекоммуникаций . 129
5.1. Методика проведения экспериментальных исследований по выявлению новых свойств прозрачного наноструктурного материала. 129
5.2. Результаты исследования линейных оптических свойств. 133
5.3. Оценка коэффициента отражения в случае вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. 136
5.4. Подход к экспериментальному исследованию вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. 140
5.5. Выводы к главе V. 145
Заключение. 147
Список использованной литературы. 150
Приложения. 157
- Многоканальные волоконно-оптические системы передачи. Методы уплотнения и передачи информационных потоков
- Анализ методов формирования наноструктурных образцов на базе хрупкого материала
- Подход к созданию волоконно-оптических компонентов управления с пониженным действием нелинейных оптических эффектов
- Оценка влияния модуляционной неустойчивости на синхронный оптический сигнал
Введение к работе
Наметившаяся в последние 10 лет тенденция развития современных систем телекоммуникаций связана с широкомасштабным внедрением оптических технологий для передачи сообщений. Это с одной стороны является следствием стремительного развития волоконной и интегрально-оптической техники, с другой стороны - продиктовано требованиями информационных технологий, машиностроения и всеми областями, где используются телекоммуникации и выставляются требования как по увеличению информационной ёмкости канала, скорости обработки сообщений, так и по надёжности системы связи. Решение задач телекоммуникаций на базе электронных компонентов не только ограничивает быстродействие системы в целом, но в ряде случаев требует дополнительной инженерной проработки для обеспечения надёжности и отказоустойчивости элементов системы. Последнее связано с внедрением систем телекоммуникаций на промышленных предприятиях с повышенным уровнем воздействующих факторов, в том числе предприятиях топливно-энергетического комплекса (ТЭК), объектах военного и специального назначения и т.д. На таких сетях с одной стороны характерно значительное влияние внешних воздействий - электромагнитных помех (от работающих промышленных агрегатов, высоковольтных линий электропередач), фоновых излучений, широкополосной вибрации, температурных флуктуации и связанных с ними возмущений и т.д., с другой стороны к каждому элементу системы (активной преобразующей аппаратуре, узлам управления световыми потоками на базе электрических или магнитных потенциалов, их электрическим блокам питания, электрическим проводам и разъёмам) предъявляются требования по обеспечению соответствующего уровня пожаровзрывобезопасности в соответствии с действующими стандартами [1] в зависимости от требований производства.
Новые технические задачи, поставленные промышленностью перед системами телекоммуникаций по увеличению скорости, объемов передаваемой информации, её достоверности и надёжности, расширению областей технических приложений, приводят к необходимости пересмотра фундаментальных принципов не только проектирования, управления и контроля объектов систем связи, но и физических принципов построения их компонентов. Перспективным является направление на создание полностью оптических транспортных сетей (AON-сетей, [2]), в функционировании которых главную роль при коммутации, мультиплексировании, фильтрации, перегруппировании, ретрансляции играют не электронные (оптоэлектронные), а полностью оптические технологии и компоненты. Сегодня ведущие фирмы-производители телекоммуникационного оборудования предлагают образцы оптических компонентов управления световыми потоками. Как правило, это WDM (DWDM) мультиплексоры, волоконно-оптические усилители, фильтры, коммутаторы и т.д. Здесь следует провести разграничение между полностью оптическими AON-компонентами и компонентами, в которых управление световым информационным потоком осуществляется действием электрических, магнитных потенциалов (электрооптические эффекты Керра, Поккельса, Фарадея [3] и т.д.), т.е. такими, в которых конструктивно заложено наличие электронных функциональных узлов. Например, работа WDM-мультиплексоров основана на дифракционном разделении световых волн разных длин [2, 3], следовательно, эти устройства не требуют дополнительного использования электроники в отличие от моделей переменных аттенюаторов, в которых затухание регулируется путём изменения величины воздушного зазора при помощи пьезоэлектрика, или оптических изоляторов, использующих эффект магнитного вращения плоскости поляризации проходящей световой волны. Другой широко распространенный, по-сути ключевой элемент в технологии полностью оптических сетей -волоконно-оптический усилитель (световод, легированный эрбием - EDFA), используемый для усиления до уровня порядка 1 мВт слабого информационного сигнала в третьем окне прозрачности [2] 1530.,,1560 нм при накачке мощным излучением (« 100 мВт) на более короткой длине волны. На сегодняшний день усилитель применяется в известной схеме включения, когда лазер накачки располагается в непосредственной близости от EDFA. Такой способ включения требует подведения электропитания для лазера накачки в зону усиления, что в ряде технических приложений приводит к существенному усложнению и удорожанию системы телекоммуникаций, тем самым практически сводя на нет достоинства новой технологии усиления без использования электронных усилителей-регенераторов.
Практически не решены такие задачи, как разработка «управляемых» коэффициентов отражения и преломления, на базе которых можно было бы получить новые полностью оптические компоненты управления - многоканальные разветвители, фильтры, преобразователи физических величин, оптические бистабильные нелинейные элементы и т.д. В последних создание нелинейного режима (значимой нелинейной поправки к показателю преломления материала) является основой их работы - обеспечения бистабильного режима прохождения для информационного оптического потока [4] без появления негативных факторов, связанных с другими нелинейными эффектами. Но при мощности излучения, обеспечивающей требуемый нелинейный режим, появляется значительное паразитное рассеяние на гиперзвуковой волне (эффект вынужденного рассеяния Манделыдтама-Бриллюэна [5] - ВРМБ), Следовательно, уменьшение влияния ВРМБ приведёт к заметному положительному эффекту, что в свою очередь, возможно, позволит осуществить реализацию новых функций управления световыми потоками и упростить технологию передачи сигналов.
Следовательно, разработка принципов конструкций и проведение математического моделирования перспективных оптических компонентов, предназначенных для использования в AON-сетях (в том числе для эксплуатации в нестандартных условиях) преимущественно без использования управляющих электронных компонентов, является актуальной технической задачей. Здесь следует отметить, что естественный путь совершенствования оптических компонентов, опирающийся на достижения в области технологии изготовления практически уже исчерпан. Например, в световодах из кварцевого стекла невозможно получить потери много меньше 0.1 дБ/км [2]. Поэтому наряду с совершенствованием применяемых технологий необходимо искать принципиально новые подходы повышения эффективности, качества и выявления ранее не известных свойств оптических компонентов, в том числе за счет принципиального изменения свойств самого вещества. Диссертация посвящена разработке новых математических моделей, методик расчёта и моделей конструкций компонентов для волоконно-оптических синхронных сетей.
Основные результаты диссертационной работы получены с использованием положений теории физической, геометрической оптики, дифференциального и интегрального исчисления. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного. Проведены натурные эксперименты на созданном научно-исследовательском стенде.
Научная новизна работы заключается в следующем: •Разработке подхода к созданию волоконно-оптических устройств коммутации для систем телекоммуникаций.
•Теоретическом анализе искажений цифрового сигнала действием дисперсионных и интерференционных эффектов в цифровом канале передачи. •Разработке методики повышения надёжности сегмента системы телекоммуникаций, резервирование линейного тракта которого достигается с использованием предложенных устройств. •Теоретическом анализе уровня искажений сигнала действием нелинейных оптических эффектов со стороны управляющего излучения в одноходовой направляющей структуре.
Практическая ценность, Разработка подхода к созданию волоконно-оптических устройств коммутации оптических потоков, способа их использования в телекоммуникационной системе и методики обеспечения резервирования позволяет уменьшить искажение информационного сигнала, тем самым повысить надёжность системы телекоммуникаций и её пропускную способность.
Новые научные результаты, выносимые на защиту:
? Подход к созданию волоконно-оптических устройств коммутации на основе управления нелинейными оптическими свойствами нанокристаллического прозрачного кварца, позволяющий повысить пропускную способность телекоммуникационной системы.
? Методика теоретической оценки искажений цифрового сигнала на основе учёта дисперсионных и интерференционных эффектов в цифровом канале передачи, позволяющая прогнозировать значение вероятности битовой ошибки в зависимости от параметров телекоммуникационной системы.
? Методика обеспечения резервирования на сегменте системы телекоммуникаций на основе применения полностью оптических коммутационных устройств, позволяющая повысить надёжность сети и оценить вероятность безотказной ее работы.
? Методика теоретической оценки искажений сигнала на основе учёта влияния нелинейных оптических эффектов со стороны управляющего излучения, позволяющая анализировать возможные его нелинейные искажения при увеличении интенсивности излучения в одноходовой направляющей структуре. Способ подключения волоконно-оптических устройств коммутации к линии связи, предполагающий совместное подведение к ним цифрового информационного и управляющего сигналов, позволяющий удалить электрические компоненты из зоны управления.
Основные результаты диссертационной работы были доложены на:
IX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь - RLNC2003» г. Воронеж, 2003; LVIH Всероссийской научной сессии, посвященной дню радио, г. Москва, 2003; Седьмой международной конференции «Системы, Кибернетика и информатика - SCI-2003», г. Орландо, штат Флорида, США, 2003; Четвёртой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г, Уфа, 2003; а также на семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» УГАТУ. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, 4 доклада в сборниках трудов конференций, получено регистрационное свидетельство программного обеспечения, список которых приведен в конце автореферата.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии и приложения.
В первой главе приведен анализ современного состояния и тенденции развития оптоволоконных многоканальных телекоммуникационных систем, обосновывающий постановку задачи диссертационной работы. Рассмотрены принципы построения волоконно-оптических устройств управления для полностью оптических телекоммуникационных систем. Обозначены физические эффекты, искажающие импульсный сигнал в волоконно-оптической системе передачи (ВОСП). Сделано предположение о возможности использования нано-структурных прозрачных материалов при изготовлении компонентов волоконно-оптических устройств.
Во второй главе рассмотрены известные методы формирования наност-руктурных образцов на базе непрозрачного хрупкого материала. Представлены известные результаты по исследованию их оптических свойств. Описан способ и результаты формирования нанострукгурных оптических образцов методами интенсивной пластической деформации. Показано, что методика получения данных образцов должна учитывать условия их применения в волоконно-оптических телекоммуникационных устройствах. В третьей главе разработан подход, на базе которого можно обеспечивать переключение оптических потоков с использованием оптического управления. Проведено исследование искажений информационного сигнала дисперсионными и интерференционными эффектами в цифровом канале передачи. Предложена методика резервирования линейного тракта сетевых сегментах с применением этих устройств. Выполнена оценка значений показателей надёжности и помехоустойчивости сетевого сегмента на базе статистического моделирования составляющих компонентов сегмента и информационного сигнала.
Четвертая глава посвящена изучению действия нелинейных оптических эффектов на WDM-сигнал в случае увеличения оптической интенсивности до уровня прежнего влияния ВРМБ. Рассмотрено действие нелинейного затухания, преломления, модуляционной неустойчивости, параметрических процессов. Сделан вывод о допустимости увеличения в рассматриваемых пределах интенсивности излучения.
В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований оптических свойств мелкозернистых образцов в линейном режиме: спектра поглощения. Предложена схема экспериментального исследования вынужденного рассеяния Манделынтама-Бриллюэна в отражённом свете. Выявленное отличие линейных свойств, а именно, новые резонансы поглощения, позволили сделать вывод о возможно новом проявлении нелинейных оптических свойств. На основании известных физических свойств наноструктурных материалов было сделано предположение об уменьшении действия ВРМБ, что представляло бы интерес для формирования компонентов ВОСП.
В заключении изложены основные результаты.
В приложении представлены документы, подтверждающие применение результатов работы в учебном процессе в Уфимском государственном авиационном техническом университете - в виде методик расчета параметров компонентов волоконно-оптических систем передач и уровня искажений сигнала при использовании их на сети. А также применение результатов работы в ОКР при создании интерференционных устройств - в виде инженерного подхода к построению двух резонаторного интерферометра на предприятии ОАО «Супер-тел», г. Санкт-Петербург.
Многоканальные волоконно-оптические системы передачи. Методы уплотнения и передачи информационных потоков
Типовая схема современной системы связи, использующей оптическое волокно, показана на рис. 1.1.1. Сеть передачи данных представляет совокупность оконечных и уплотняющих устройств, линий связи, узлов коммутации, маршрутизаторов и пр. Так как, во-первых, линии связи традиционно являются дорогостоящими сооружениями, во-вторых, ВОСП используют каналы огромной полосы пропускания, то низкоскоростные сигналы абонентов (телефонные, телевизионные потоки и т.д.) уплотняются с получением группового линейного сигнала. Объединение каналов производится с использованием технологий временного TDM-уплотнения за счет увеличения битовой скорости передачи и активно развивающегося оптического волнового WDM-мультиплексирования .
К распространённым TDM-технологиям [2], использующимся при построении крупных ведомственных и магистральных сетей, можно отнести следующие: 1. Универсальный сетевой стандарт высокой пропускной способности -режим асинхронной передачи (ATM). 2. Сеть со случайным методом доступа к среде 1/10 Gigabit Ethernet. 3. Совмещение технологий синхронного временного и волнового уплотнения каналов.
Первые два типа технологий получают меньшее распространение при построении ведомственных систем телекоммуникаций предприятий ТЭК ввиду, во-первых, значительной громоздкости и дороговизны для ATM и, во-вторых, отсутствия механизма, обеспечивающего требуемый уровень качества обслуживания для Ethernet. Вследствие этого практически повсеместно Российские предприятия ТЭК используют технологии плезиохронной (PDH) в меньшей степени и синхронной (SDH) в большей степени цифровых иерархий в режиме временного уплотнения каналов благодаря высокой информационной ёмкости и гибкости ввода (вывода) информационных потоков. Технология SDH - очередной этап эволюции цифровых сетей и систем передачи. Основное преимущество SDH состоит в способности переносить сигналы PDH, ATM, локальных сетей и удобном, лёгком доступе к «упакованным» потокам.
Оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн -перспективная технология спектрального уплотнения, разработанная в конце прошлого века [2]. В последнее время появляются стандарты плотной волновой сетки DWDM или HDWDM [6], определяющие расстояния между каналами соответственно 100 ГГц (А = 0.8 нм) и 50 ГГц (А = 0.4 нм). Суть метода волнового мультиплексирования заключается в объединении нескольких оптических несущих As (на передающей стороне) и передаче полученного сигнала по единственному оптическому волокну с последующим демультиплексированием отдельных несущих. Формально для систем WDM не важно, какие методы кодирования и формирования конкретного цифрового сигнала использовались внутри одного волнового канала. Тем не менее, в реальном агрегатном DWDM-потоке происходит уширение линий излучения в каналах на величину, приблизительно равную удвоенной модуляционной частоте модулированного по времени сигнала [7]. Например, если в каждом DWDM канале осуществлено TDM мультиплексирование, причем битовая скорость потока составляет 622.08 Мбит/с (STM-4), то линия излучения в канале уширена на величину (1.2...1.3)-109 Гц. С учетом того, что в соответствии с действующим канальным планом (Rec. G.692) расстояние между соседними каналами составляет 100 ГГц (АХ «0.8 нм), появляющееся уширение становится заметным для соседних каналов. Из-за чего, во-первых, до сих пор нет утверждения канального DWDM-плана с частотой сетки в 50 ГГц, во-вторых, нет рекомендаций по передаче синхронного сигнала уровня STM-16 и выше в DWDM-сетях. Следовательно, оптимизация волоконно-оптических систем телекоммуникаций невозможна без учёта взаимного влияния WDM DM.
Сегодня на территории России уровень развития WDM не достаточно высокий по отношению к зарубежной телекоммуникационной индустрии. Тем не менее, исследования в области WDM-технологий является заделом на перспективу, который приведёт к реальной экономической выгоде на момент исчерпания возможностей TDM-технологии и последующего дефицита информационных каналов. Кроме того, принципы оптического волнового уплотнения интересны с точки зрения построения AON-сетей, обладающих высокой надёжностью, помехоустойчивостью и ресурсными показателями. С этой точки зрения перспективным направлением является разработка компонентов управления световыми потоками: WDM-мультиплексоров, волоконно-оптических усилителей, фильтров, коммутаторов и т.д. Кроме того, по мере роста сложности и увеличения протяженности волоконно-оптической кабельной системы роль пассивных компонентов возрастает. Для расширения функционального назначения компонентов предпочтение отдается тем, в которых не требуется дополнительного использования электрических или магнитных потенциалов [2].
Анализ методов формирования наноструктурных образцов на базе хрупкого материала
В последнее десятилетие большое внимание специалистов, занимающихся созданием и исследованием новых материалов — физиков, материаловедов, механиков - вызвали наноструктурные материалы [17], [20], [21] и др. Эти материалы обладают уникальной структурой и свойствами, многие из которых имеют непосредственный практический интерес. В наноетруктурных материалах часто изменяются фундаментальные, обычно структурно-нечувствительные характеристики, такие как упругие модули, температуры Кюри и Дебая, намагниченность насыщения и др. Это открывает перспективы улучшения существующих и создания принципиально новых конструкционных и функциональных материалов,
К настоящему времени разработано несколько методов получения таких материалов, Большинство из них включает компактирование порошков: ультрадисперсных, полученных газовой конденсацией в атмосфере инертного газа [20], [22] или плазмохимическим методом [23], аэрозольным [21], [24] и химическим синтезом [25], а также измельчением порошков в шаровой мельнице [17], [26] и др, Некоторые из этих методов были успешно использованы для создания объемных нанострукгурных материалов. Это, прежде всего, газовая конденсация с доследующим компактированием [17] и обработка порошков в шаровой мельнице с последующей консолидацией [17], [27]. Данные методы явились основой многочисленных исследований структуры и свойств нанок-ристаллических и нанофазных материалов. Вместе с тем, до сих пор существуют проблемы в развитии этих методов, связанные с сохранением некоторой остаточной пористости при компактировании, загрязнением образцов при подготовке порошков или их консолидации, увеличением геометрических размеров получаемых образцов, реализацией практического применения данных методов.
Большинство проблем, связанных с остаточной пористостью и загрязнениями отсутствуют при использовании методов обработки интенсивной пластической деформацией (ИПД) [17J3 [25]. Задачей методов ИПД являлось формирование нанокристаллических структур в массивных металлических образцах и заготовках путем измельчения их микроструктуры до нанораз-меров при относительно низких температурах в условиях высоких приложенных давлений. Для реализации этих принципов были использованы и развиты специальные схемы механического деформирования, такие как интенсивное кручение под высоким давлением (ИКВД), равноканально-угловое прессование (РКУП) и др. В [17] показано, что объемные нанокри-сталлические образцы и заготовки могут быть получены методами ИПД из различных металлов, сплавов, включая многие промышленные интерметал-лиды, а также хрупких, в том числе керамических полупроводниковых материалов. Имеются также работы по получению нано- и субмикрокристаллических структур в ряде хрупких материалов путем использования всесторонней ковки [28, 29 и др.], РКУ-вытяжки [30], метода «песочных часов» [31]. Но применение перечисленных методов для обработки хрупких материалов, как правило, связано со значительными затратами времени и средств, и по этой причине не практикуется.
Основные требования к ИПД: получение ультрамелкозернистых структур, имеющих преимущественно большеугловые границы зерен, поскольку именно в этом случае происходит качественное изменение свойств материалов [39]; формирование наноструктур, однородных по всему объему образца, что необходимо для обеспечения стабильности свойств полученных материалов.
В-третьих, образцы не должны иметь механических повреждений или разрушений несмотря на их интенсивное деформирование. Деформация кручением под высоким давлением. При деформации по схеме (рис. 2.1.1 а) полученные образцы имеют форму дисков. Последние помещаются между бойками и сжимается под приложенным давлением (Я) в несколько ГПа, Нижний боек вращается и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Геометрическая форма образцов такова, что основной объем материала деформируется в условиях квазигидростатического сжатия под действием приложенного давления и давления со стороны внешних слоев образца. В результате деформируемый образец, несмотря на большие степени деформации, не разрушается.
Подход к созданию волоконно-оптических компонентов управления с пониженным действием нелинейных оптических эффектов
Приведено описание подхода к созданию нелинейных волоконно-оптических устройств управления, которые могут быть построены с использованием интерферометра Фабри-Перо. В этом случае переключение оптических сигналов должно осуществляется посредством изменения набега фаз лучей, переносящих информационный сигнал, действием нелинейного преломления. Исследовано влияние интерференционных искажений в цифровом канале передачи на качество импульсного сигнала - на основании оценки высших гармонических составляющих. Последние получены с использованием функций Бесселя 1-го рода. Выявлено, что искажения тем меньше, чем ниже коэффициент отражения. Изучено влияние дисперсионных эффектов в цифровом канале передачи на качество информационного импульсного сигнала. Показано, что нелинейное преломление приводит к уширению спектра излучения, что и вызывает повышенную дисперсию в сигнале.
Предложена методика резервирования линейных сегментов ВОСП с применением нелинейных коммутационных устройств на реально действующей сети. В этом случае используется совмещённая передача информационного и управляющего сигналов.
В разделе 1.2 приводилось краткое описание распространённых компонентов ВОСП, в том числе компонентов управления информационными оптическими потоками, и пояснение принципов их работы. В ряде случаев компоненты управления строятся с применением интерферометров, в которых изменение состояния производится путём создания различных условий распространения интерферирующих лучей. Широко распространены механический, электрический способы управления [59] и др. Однако такие способы являются неперспективными и не представляют интереса при построении AON-сетей.
Масштабное внедрение полностью оптических компонентов, работа которых основана на нелинейном изменении коэффициента преломления, затруднено в следствие паразитного действия ВРМБ, которое начинает заметно проявляться при интенсивном управляющем сигнале.
Тем не менее, конструкции таких устройств, как правило, основаны на совмещении различных типов интерферометров. Принимая во внимание значимость показателей надёжности, ресурса и прочее, технический интерес представляют внутренние интерферометры (табл. 1.2.1), в которых распространение, подача излучения и фактически управление производятся в замкнутом волноводном объёме, что заметно ослабляет дифракционные эффекты и аддитивный шум. Кроме того, основным интерферометром, как правило, выступает многолучевой интерферометр Фабри-Перо ввиду его высокой чувствительности. Общая (базовая) схема полностью оптического компонента управления, представленная на рис. 3,1.1, содержит входные и выходные волоконно-оптические каналы (световоды), объёмный волноводный смеситель, он же интерферометр Фабри-Перо, а также возможные дополнительные свето-водные интерферометры (кольцевой, Маха-Цендера, ИФП и др.), корректирующие в зависимости от решаемой задачи передаточную функцию основного интерферометра. Наличие дополнительных интерферометров увеличивает стоимость устройства, но заметно повышает его показатели качества.
Принцип работы устройства по рис. 3.1.1 в режиме оптического ключа (вкл. - выкл.) заключается в следующем. В случае отсутствия управляющего излучения, подаваемого по одному из входных волоконно-оптических каналов, в области торцов выходных световодов создается максимум интерференции (пучность стоячей волны), рис. 3,1.2 а). В следствие этого отражённый сигнал отсутствует и всё излучение поступает в выходные каналы. Если последних несколько, то сигнал распределяется в соответствии с коэффициентом разделения каналов [2]. Подача интенсивного управляющего сигнала на длине волны, отличающейся от информационного диапазона для минимизации искажений, приводит к изменению показателя преломления, а следовательно - и к появлению дополнительного набега фаз интерферирующих лучей вследствие изменения волноводной длины волны [3]. Для реализации функции оптического выключения интенсивность управляющего сигнала настраивается так, чтобы в области торцов выходных каналов создавался в этом случае минимум связью. интерференции (ноль стоячей волны), рис. 3.1.2 б). Информационный сигнал будет полностью отражаться обратно и в выходные каналы не попадёт. Для уменьшения возможных мультипликативных помех, появляющихся вследствие отражения и последующего взаимодействия, в такой системе передачи необходимо использовать оптические изоляторы [2].
Оптический переключатель каналов (или коммутационный элемент для AON-сетей), рис. 3.1.3, может быть построен следующим образом, В отсутствии управляющего сигнала максимум интерференции должен наблюдаться на одном из торцов выходных световодов, при его наличии - на другом из торцов. Это позволит осуществить функцию перенаправления информационных оптических потоков, тем самым осуществить их коммутацию в тот или иной сетевой сегмент. Изменение оптического набега фазы под действием управляющего сигнала на величину ІД8 = і 5i - 821 производится вследствие появления нелинейной поправки к показателю преломления. В ИФП величина набега фазы определяется согласно выражению (1.2.4). Что б изменение величины 5 приводило к перенаправлению информационного излучения, можно организовать пространственное разнесение торцов световодов, представляющих выход 1 и 2.
Оценка влияния модуляционной неустойчивости на синхронный оптический сигнал
Модуляционная неустойчивость - явление модуляции стационарного волнового состояния под действием нелинейных и дисперсионных эффектов [55]. Это явление проявляется как во временной области (распад непрерывной или квазинепрерывной периодической волны на последовательность коротких импульсов), так и в частотной области (появление двух симметричных модуляционных спектральных составляющих, отстоящей от вызывающей нелинейный эффект частоты U)R на Qm, т.е. появление составляющих ш12 - mR ± т)-Во временной области стационарная гармоническая волна преобразуется в периодическую последовательность импульсов с периодом [55] Tm = 2%11т.
Выражение (4.3.1) справедливо в приближении Рц Рсг и утрачивает сипу для входных оптических мощностей, близких к порогу самофокусировки. В (4.3.1) Рсг определяется в соответствии с (4.2.2); у - относительная ширина линии входного излучения с возможными уширениями, в данном случае примем у= 0.3265 Ю"5, что соответствует частотной ширине линии 100 ГГц, согласно [6]; с - скорость света в вакууме; Сі - феноменологическая постоянная, имеющая размерность скорости, зависящая от свойств и геометрических параметров среды [531, Для кварцевого одномодового световода в температурном диапазоне от -100...+100 С приблизительно равна 0.74 1 О 10 м/с. Так в соответствии с (3.3.1) для длин волн в диапазоне 840... 1560 нм (табл. 3.3.1) и PR = 0.4 Вт имеет место [53]: С1т - (201.43...202,37)109 рад/с, и соответственно: Tm = (0.31...0.32) Ю-10 с.
В результате действия данного нелинейного эффекта поступающее излучение претерпевает уширение на величину 2Qm, т.е. на 64.. .65 ГГц (не путать с рад/с). Следует учитывать, что передаваемый сигнал в системах с амплитудной модуляцией имеет конечную когерентность, так как используются источники с достаточно широкой линией (до 100 ГГц, [2], [54]), поэтому дополнительно появляющиеся компоненты спектра с частотами Щ 2 также будут участвовать в формировании выходного сигнала и отток энергии на генерацию данных гармоник негативным образом не скажется на сигнал. Кроме того, это излучение не попадает в информационный DWDM-диапазон: 12.08 10й ... 12.3210м рад/с, т.к. Qm много меньше величины, составляющей порядок 71014 рад/с, на которую отстоит DWDM-диапазон от данной частоты.
Результатом модуляционной неустойчивости во временной области, согласно [55], являются короткоживущие (время жизни 10 9 ...10"10 с) узкие (поперечный размер Л) области весьма сильного светового поля, в которых напряженность электрического поля достигает величин порядка 109 В/м - так называемые световые нити. При этом световой пучок разбивается на множество нитей, вообще говоря, случайно появляющихся в световом поле, время следования которых определяется Тш = 2n/Qm= (0.31...0.32) 10"10 с. Для высокоскоростной синхронной передачи информации время жизни этих нитей оказывается сравнимым с длительностью сигнального импульса (см, таблицу 4.3.1). Волна информационного сигнала распадается, появляется время отсутствия волны - отсутствие сигнала, что является аналогичным эффекту замирания в радио-канале передачи. За счет разбиения сигнала нитями появляется разбиение импульса, т.е. если на один какой-то импульс случайно накладывается нить, а другой - нет, появляется эффект случайного фазового дрожания, близкий к джиггеру по своему действию. Амплитуда джиггера равна длительности разбиения, т.е. выраженная в единичных тактовых интервалах, оказывается равной: Аш = Тш/Триі8е, а частота джиггера соответствует времени жизни нити.
В соответствии с [49] амплитуда джиттера, регламентируемого в синхронных цифровых сетях, при частотах джиттера свыше 1 МГц, не должна превосходить значения А =0.15 ЕЙ (тактовых интервалов). Поэтому в таблице 3.3.1 пятой строкой представлены значения соотношения величин А0 и Ат в процентах. Измерительным приборам [56], использующимся в телекоммуникациях, допустим собственный джиттер в пределах 0.01 ...0.15 ЕЙ (такт, инт.).
Таким образом, в рассматриваемой телекоммуникационной задаче при мощности входного сигнала порядка 0.4 Вт (до-критический режим) из-за действия нелинейной модуляционной неустойчивости, допустимыми по джиттеру будут скорости передачи не выше STM-16. Дополнительных ощутимых потерь энергии в канале передачи при этом не происходит. При мощности накачки близкой или приводящей к самофокусировке, действие эффектов модуляционной неустойчивости оказывается существенным. Знаменатель в (4.3.1) начинает стремиться к нулю - частота Пт - к бесконечности. Начиная с входной мощности порядка - 10 Вт частота Qm составляет (1 ...3)-1013 рад/с, попадает в инфракрасную область, и начиная с 40 Вт-Qm-(5...7) 10й рад/с и попадает в коротковолновую часть видимого светового диапазона.
