|
Волоконно-оптические системы передачи |
|
10. Волоконно-оптические системы с солитонной передачей |
назад | оглавление | вперёд |
10.1 Определение оптического солитона
Оптический солитон – это импульс, представляющий собой одиночную волну колоколообразной формы, образующийся в оптическом волокне при наличии определенной нелинейной зависимости коэффициента преломления от интенсивности излучения когерентного источника. При этом коэффициент преломления должен возрастать с ростом интенсивности. Тогда высокочастотные составляющие импульса как бы сдвигаются к его хвосту, а низкочастотные составляющие – к его голове, чем подавляется действие хроматической и поляризационной дисперсии. Такой импульс может сохранять форму и ширину по всей длине волоконной линии (рисунок 10.1).
Рисунок 10.1 Формирование оптического солитона
Происхождение названия оптического импульса: SOLITARI - уединенная волна, SOLITON – частица. Первое понятие о солитоне сформулировал известный английский физик, математик, гидромеханик Джон Скотт Рассел (1808 – 1882), который впервые в 1834 году обратил внимание на особенные волны в каналах, по которым перевозили баржи с углем [32].
Модель оптического солитона была предложена в 1971 году русскими учеными В.И. Захаровым и А.Б. Шабатом [103]. Распространение света в нелинейной среде описывается нелинейным уравнением Шредингера.
В 1980 году оптические солитоны наблюдали Молленауэр Л., Столен Р. И Гордон Дж. [61].
С тех пор были проведены многочисленные исследования и технологические разработки, которые позволили говорить о целесообразности использования солитонов для оптической связи [38, 42, 43, 62, 104, 107].
Солитоны могут распространяться в стекловолокне на значительные расстояния (тысячи километров) практически без искажения формы импульса и сохраняться при столкновении друг с другом. Для поддержки энергии солитон должен получить внешнюю подпитку от источника накачки. Только в этом случае солитон сохраняется. Необходимо выяснить условия существования в оптическом волокне уединенных волн – солитонов.
10.2 Нелинейные оптические эффекты в стекловолокне и существование солитонов
В достаточно длинных волоконных световодах могут проявляться нелинейные оптические эффекты:
Вынужденное рассеяние света обусловлено нелинейным взаимодействием сильного электромагнитного поля излучения с электромагнитным полем атомов физической среды (в рассматриваемом случае – в стекловолокне). Свет рассеивается на элементарных возбуждениях среды, индуцированных рассеиваемой средой. При возбуждении (индуцировании) среды мощным световым источником происходит модуляция ее параметров, что приводит к амплитудной модуляции рассеянного света, а, следовательно, к появлению в нем новых спектральных компонентов. Их называют стоксовыми и антистоксовыми компонентами. Взаимодействие световой волны с инверсной средой в литературе получило название фотон - фононное взаимодействие. При этом фононом называют квант энергии, возникающий в процессе рассеяния фотона [106].Наиболее важными видами рассеяния являются ВКР и ВРМБ.
ВКР связано с возбуждением новых колебательных уровней частиц среды (электронов) и в меньшей степени – вращательных энергетических уровней этих частиц.
ВРМБ приводит к появлению в среде гиперзвуковых волн, интенсивность которых зависит от частоты следования импульсов накачки и для импульсов короче 10 нс может почти исчезнуть. В отличие от ВКР, излучение, рассеянное по механизму Мандельштама – Бриллюэна, распространяется только в направлении, противоположном подающему.
ВКР наблюдается при мощностях накачки более 1 Вт. ВРМБ наблюдается уже при мощности более 1 мВт.
Явление фазовой самомодуляции (ФСМ) или самофокусировка, или фазовой кроссмодуляции (ФКМ) вызвано зависимостью показателя преломления сердцевины волокна, т.е. фазы выходного сигнала, от интенсивности оптического сигнала
(10.1)
где n1 – показатель преломления сердцевины стекловолокна при отсутствии внешнего электромагнитного поля, Е 2 – параметр мощности световой волны; D n – приращение показателя преломления, вызванное внешним электрическим полем с напряженностью Е (~ 10 10 В/м).
При мощности сигнала более 10 мВт в стандартном одномодовом волокне возникает ФСМ, способствующая сжатию импульсов, т.е. сигнал воздействует сам на себя, сокращая разность фазовых скоростей спектральных составляющих. Образование ФКМ может приводить при передаче нескольких оптических каналов к их взаимным влияниям.
Четырехволновое смешение заключается в том, что при наличии двух попутных волн (2-х каналов) с частотами f1 и f2 (f1 ¹ f2), возникают еще две волны с частотами 2 f1 – f2 и 2 f2 – f1, распространяющиеся в том же направлении и усиливающиеся за счет исходных. Разумеется, что при большем числе волн спектр еще больше расширится. Четырехволновое смешение проявляется уже при мощностях сигналов более 10 мВт и имеет прямое отношение к ФКМ.
Необходимо отметить, что нелинейные эффекты в стекловолокне играют не только негативную роль, т.е. ограничивают дальность скорость передачи, но и позволяют в режиме ВРМБ выделять и вводить оптические каналы, а в режиме ВКР – реализовывать усиление оптических сигналов. Особую роль может играть явление ФСМ для формирования и передачи оптических солитонов.
Уникальность солитона состоит в том, что дисперсия групповой скорости, которая определяется длительностью оптического импульса, полностью уравновешивается нелинейным изменением показателя преломления (D n (Е 2)).
Достаточно точное описание условий существования оптических солитонов получено при решении уравнения Шредингера [23, 38, 43, 62, 63, 103, 104].
Примеры некоторых условий существования солитонов.
Критическая мощность сигнала
(10.2)
где 
-
радиус пятна моды в стекловолокне, 
f0 –
центральная частота спектра сигнала, n 1 – показатель преломления
сердцевины ОВ, с – скорость света в вакууме,
D n = 3,2´ 10 -10 см 2/Вт
– значение нелинейного коэффициента, характеризующего добавку к действительной
части показателя преломления, t 0 –
длительность импульса на уровне 0,5 от максимальной мощности, D – коэффициент
дисперсии.
Период столкновения солитонов 
-
расстояние, на котором соседние солитоны могут сталкиваться
ТС =
2y t 0 (10.3)
где 
0 < e < 1.
Скорость передачи информации солитонами при длине столкновения L составит
(10.4)
Также важным условием существования солитонов является усиление, которое может быть сосредоточенным в волоконном усилителе и может быть обеспечено рамановским рассеянием [42].
Рисунок 10.2 Динамика солитона 3-го порядка
Солитоны в процессе распространения меняют свою форму, распадаясь на группы импульсов и затем снова собираясь. Эта сложная динамика определяется многими факторами: фазовой самомодуляцией, дисперсией групповых скоростей, мощностью и длительностью импульсов и т. д. На рисунке 10.2 приведен пример динамики солитона.
10.3 Принципы построения солитонных волоконно-оптических систем передачи
Принципы построения солитонных ВОСП отображены на рисунках 10.2 – 10.5. В качестве передающей среды используются ОВ с низкими потерями мощности. Благодаря малым потерям солитоны могут распространяться на большие расстояния без применения специальных устройств компенсации потерь (рисунок 10.3).
Рисунок 10.3 Построение простой солитонной ВОСП
На выходе солитонного лазера генерируется непрерывная последовательность солитонов с заданной скважностью (обычно Q=TС/t ³ 10). Последовательность солитонов проходит через изолятор и модулятор (например, ЭОМ), в котором импульсная последовательность модулируется. На выходе линии сигналы регистрируются фотоприемным устройством (ФПУ). Применение периодической компенсации потерь мощности позволяет увеличить дальность передачи (рисунок 10.4).
Рисунок 10.4 Солитонная ВОСП с оптическим рамановским усилителем
Для поддержания мощности солитонов применяются рамановские усилители с накачкой по длине волны, отличающейся от длины волны информационного сигнала. В схеме используется оптический фильтр (Ф), не пропускающий излучение накачки в ФПУ.
Возможен другой вариант построения солитонной ВОСП с эрбиевыми усилителями (рисунок 10.5). При этом усиление происходит не на всей длине участка передачи, а только в усилителях (длина волокна до 100 м). Преимуществом является то, что применяется меньше источников накачки и с существенно меньшей мощностью.
Рисунок 10.5 Солитонная ВОСП с оптическим усилением на основе эрбия
Необходимо отметить, что возможно совместное использование эрбиевых и рамановских усилителей в солитонных ВОСП.
Структурная схема солитонной ВОСП, приведенная на рисунке 10.6, соответствует случаю построения системы без усилителей. Однако протяженный участок существования солитонов достигается благодаря использованию в линейном тракте дискретной последовательности одномодовых оптических волокон с постоянной дисперсией (Д) в пределах каждого i-го участка по убывающей по заданному закону от участка к участку.
Рисунок 10.6 Солитонная ВОСП с различными волокнами
В завершение необходимо отметить особенность солитонного лазера. Это устройство, в котором происходит генерация очень коротких импульсов (единицы пс и фемтосекунды фс), достигаемая за счет компрессии импульсов с длительностью нс. Примеры характеристик с некоторых экспериментальных солитонных ВОСП приведены в таблице 10.1.
Таблица 10.1 Характеристики экспериментальных солитонных ВОСП
В 1998 году в журнале EuroPhotonics появилось сообщение о успешном завершении испытаний серийной четырёхканальной дуплексной системы WDM (T31-BDS Pirelli) совместно с оборудованием SONET OC-192 на скорость передачи 10Гбит/с по одному каналу в солитонном режиме. В составе оборудования использованы: блок генератора солитонных импульсов; преобразователь линейного кода RZ/NRZ; волокна для компенсации дисперсии DCF; регенераторы устанавливались на длине 450км через 92км.
Система передачи нового поколения Lambda Xtreme Transport компании Lucent Technologies обеспечивает передачу цифровых данных на скорости до 2.56 Тбит/с в режиме DWDM (64 волновых канала по 40Гбит/с в каждом) на дальность до 4000км без электрической регенерации сигнала. Для достижения этих возможностей применяются: солитонные блоки передачи, рамановские усилители, упреждающая коррекция ошибок FEC.
Контрольные вопросы
Оптические системы передачи, появившиеся в начале 60-х годов 20 века, прошли несколько принципиальных этапов развития и сегодня представляют собой основную базу развития всех проводных телекоммуникаций. ОСП применяются на всех участках сетей связи: магистральные и внутризоновые транспортные сети, местные транспортные сети и сети доступа вплоть до терминалов пользователей – всюду заняли они свои позиции благодаря широкополосности и помехоустойчивости. Техникой связи 21 века считают полностью оптические сети, в которых процессы преобразования, передачи и коммутации сигналов будут происходить исключительно в оптическом диапазоне частот.
В рамках небольшого учебного пособия нет возможности раскрыть все стороны оптической связи, в том числе, вопросы строительства и технической эксплуатации различных ОСП (наземных, подводных, с подвесными кабелями и многоволновой передачи и так далее). Тому, кто будет интересоваться проблемами оптической связи в атмосфере и по оптическим волоконным линиям рекомендуется достаточно обширный, хотя и далеко не исчерпывающий список литературы разных лет издания. Некоторые справочные данные по оптической передаче приведены в различных главах пособия и приложениях.
Можно не сомневаться, что будущее широкополосных сетей за оптической связью с существующими и перспективными решениями, которые уже обсуждаются в научных изданиях [100, 101, 102, 105, 109].
назад | оглавление | вперёд