Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы. модель волоконно-оптической линии связи 12
1.1. 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 II. 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 III. 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 ПМД 53
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 NRZ-CML 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
ГЛАВА VI. Формирование произвольного амплитудно-модулированного сигнала из непрерывного фазомодулированного излучения 107
6.1. Постановка задачи формирования AM 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
- Новые форматы модуляции в оптических системах связи
- Устойчивость различных форматов модуляции к хроматической дисперсии
- Анализ качества линии связи при изменении параметров передатчика и тока накачки
- Принцип метода «временной линзы». Эволюция сигнала при распространении в волокне под действием «временной линзы»
Введение к работе
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 ослаблениядеградации:
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.
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.
При определенном выборе коэффициента нелинейного насыщения, фактора ограниченностиполости резонатора, а также формы накачки лазера с прямой модуляцией в передатчике на его основе можно обеспечить
деструктивную интерференцию между, логическими единицами,
Новые форматы модуляции в оптических системах связи
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 наш-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение", Саранск (2006), International Conference Laser and Laser-information technologies: fundamental problems and Applications, ILLA Болгария (2006), 8th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, LFNM-2006, Харьков (2006), International Conference 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. 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 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 (ЛПМ). Проведено численное исследование зависимости коэффициента ошибок BER от параметров и тока накачки ЛПМ. Показана возможность существенного повышения качества системы связи со скоростью 10 Гбит/с при использовании 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 фильтраї 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 нeкoтopoм 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 модуляции при различных значениях полосы пропускания приемника. Показана возможность реализации, динамической фазовой модуляции. Численно исследована устойчивость метода «временной линзы» кнелинейным эффектам.
В шестой главе предложен принципиально новыш 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
Устойчивость различных форматов модуляции к хроматической дисперсии
Распространение света в коротком отрезке волокна аналогично его распространению в двулучепреломляющем кристалле или в специальном сохраняющем поляризацию волокне (СПВ). Анизотропия в СПВ создаётся искусственно в процессе производства за счёт создания специальной структуры.
Световые волны двух линейных поляризаций, совпадающих с осями двулучепреломления, при распространении в СПВ сохраняют первоначальное состояние поляризации. Световые волны других поляризаций не сохраняют его при движении вдоль волокна. Для СПВ оси двулучепреломления являются, таким образом, главными состояниями поляризации (ГСП). В системе координат, связанной с ГСП СПВ поляризация монохроматического излучения описывается амплитудами двух компонент и разностью фаз между ними. Квазикогерентный импульс (сигнал с узким спектром) произвольной поляризации можно рассматривать как векторную сумму двух импульсов, поляризации которых совпадают с выделенными поляризациями волокна.
Двулучепреломление в длинных отрезках телекоммуникационного волокна характеризуются случайными изменениями условий производства и воздействием внешних факторов. Поэтому длинные участки телекоммуникационного волокна характеризуются случайным распределением двулучепреломления, и вследствие этого состояние поляризации света сложным образом меняется вдоль волокна, а на выходе из волокна столь же сложным образом зависит от частоты.
Тем не менее, для любой частоты можно подобрать две ортогональные входные поляризации такие, что, в первом приближении, поляризации выходного излучения не зависят от частоты. Это значит, что импульсы с такими поляризациями, распространяются в первом приближении, без искажений. Такие состояния поляризации называются ГСП входящего светового излучения. В отличие от волокон с детерминированным двулучепреломлением, ГСП в длинном телекоммуникационном волокне не связаны с какими-либо выделенными осями волокна и сложным образом меняются вдоль волокна. Пусть тц(со) - время распространения компоненты импульса, поляризованной вдоль медленной PSP, а т±(( ) - время распространения компоненты импульса, поляризованной вдоль быстрой PSP (тц(со) и т±() независимы). Возьмём частоту о и разложим в её окрестности тц(ю) и TJL(CO) В ряд Тейлора. Для волокон с детерминированным двулучепреломлением тц(ю) и TL(0 ) не зависят от частоты, поэтому: т„ (а ) = т„ (о)0 ) = const, т±(со) = т±(ео0) = const. Для длинных телекоммуникационных волокон можно найти такое состояние поляризации, в котором члены, линейные относительно ACD обращаются в 0, т.е. а Это означает, что существует небольшая полоса частот Асо, внутри которой PSP s остаются постоянными. Величина Ат = TJL( D) - тц(ш) называется разностью групповых задержек (РГЗ). Это временная задержка компонент импульса, поляризованных вдоль главных состояний поляризации друг относительно друга. РГЗ полностью описывает поляризационные свойства волокон, поддерживающих поляризацию. Характеристики волокон со случайным распределением двулучепреломления сложно определять с помощью РГЗ, т.к. дифференциальная групповая задержка в них является функцией частоты и внешних параметров (это следует из определения, ведь Tj. и тц зависят от частоты и внешних параметров). Для описания свойств таких волокон вводят, специальный статистический параметр - ПМД (поляризационную модовую дисперсию), характеризующую среднее значение ПМД. В нашей- модели СПВ описывалось следующим образом. Мощность РоШ сигнала после действия на него ПМД: составляющей сигнала. Действие операторов d/ast и "&sinw задавалось следующими выражениями (в случае, когда входная поляризация равна я/4): где Bm и Bout — Фурье-образы сигналов до и после действия ПМД, Ат - разность групповых задержек между быстрой и медленной составляющей поля, возникающая при распространении сигнала на 1 м по волокну, L - длина волокна. / В реальных телекоммуникационных волокнах РГЗ является функцией частоты и различных внешних параметров, например, температуры, и для определения ПМД существуют различные, более сложные, методики [14-24]. В нашей модели для описания поляризационных эффектов в телекоммуникационном волокне использовалось несколько отрезков случайной длины поддерживающего поляризацию волокна, повернутых под случайными углами друг к другу. Допуск для систем связи со скоростью 40 Гбит/с в части разности групповых задержек кроме всего прочего сильно зависит от характеристик приемника оптического излучения [85], в частности - от ширины его полосы пропускания. Таким образом, для оптимизации ВОЛС по отношению к действию ПМД важно не только уменьшить количественное значение разности групповых задержек, но и правильно подобрать частотный диапазон приемника. 3.2. Численное исследование устойчивости различных форматов модуляции к действию ПМД На рис. 3.1 показаны полученные с помощью описанной в главе 1 модели зависимости коэффициента BER от отношения Ве I В0 для различных форматов модуляции.
Анализ качества линии связи при изменении параметров передатчика и тока накачки
Данная глава посвящена волоконно-оптическим системам связи на основе полупроводниковых лазеров с прямой модуляцией (DML - Directly Modulated Lasers). Проведено численное исследование устойчивости таких систем к влиянию хроматической дисперсии и нелинейных эффектов. Показан способ увеличения дальности передачи с помощью структурированной накачки DML-лазеров. С точки зрения устойчивости к дисперсионным и нелинейным искажениям рассмотрены системы связи на основе лазеров с управляемой частотной модуляцией.
Для численного моделирование процессов, происходящих в DML, мы применяли следующие кинетические уравнения [91, 97] at q где (р - фаза электромагнитного поля, S - число фотонов в резонаторе, N -число инвертированных частиц (электронов), тр - время жизни фотона в резонаторе, Г — фактор ограниченности полости резонатора, /? -статистический вес спонтанных переходов в генерирующей моде, В -коэффициент некогерентной рекомбинации, No - число инвертированных частиц без инжекции. Параметр а равен отношению изменения действительной части показателя преломления к мнимой, т.е. отношению сдвига частоты к усилению. Он называется фактором уширения или параметром амплитудно-фазового смешения: где Gp - коэффициент, характеризующий эффективность взаимодействия света с электронами в зоне проводимости а е - параметр нелинейного усиления, который приводит к некоторому уменьшению G(N) при увеличении мощности, Ntr - число инвертированных частиц, при просветлении активного элемента лазера; / - ток накачки, q - заряд частицы, R(N) - некогерентная" рекомбинация (с учетом излучательных и безызлучательных переходов): Спонтанное излучение моделировалось путем введения случайной величины ( ), соответствующей числу спонтанно излученных фотонов. Значения констант в уравнениях (4:1)-(4.3), если это не оговорено отдельно,, были взяты из статьи [97]. Мощность сигнала на выходе резонатора задавалась выражением: где v - несущая частота (соответствующая длине волны 1550 нм во всех - численных экспериментах), щ - дифференциальная квантовая эффективность лазера. Решая уравнения (4.1), можно получить зависимость выходной мощности PDMLQ) И частотной модуляции (чирпа) Av(t) от времени: (4.5) где к = 2Гє/фу. Первый член в выражении (4.5) отвечает за динамический (переходный) чирп, связанный с «включенным» и «выключенным» состояниями лазера. В цифровых системах связи он возникает при переключении с одного логического значения на другое, например с «О» на «1». Динамический чирп доминирует, когда «выключенное» состояние лазера близко к пороговому значению мощности, а также когда dPIdt велико вследствие сильных колебаний выходной мощности или коротких времен нарастания и спада импульсов тока. Второй член в выражении (4.5) представляет собой адиабатический чирп и определяет частотный сдвиг между «включенным» и «выключенным» состояниями лазера при установившемся излучении. В цифровых системах это означает, что частота «1» больше частоты «О». Чирп приводит к возникновению релаксационных колебаний при переключении логических значений силы тока, а также к уширению спектра выходного сигнала, что в свою очередь сильно ограничивает скорость/дальность передачи информации в оптических сетях из-за дисперсии и нелинейных эффектов в волокне.
В пункте 4.2 было проведено численное исследование зависимости качества линии связи от параметров и тока накачки лазера с прямой модуляцией. Все параметры варьировались в небольшом диапазоне, вблизи значений, присущих реальным передатчикам, используемым в волоконно-оптических системах связи. В качестве критерия качества линии использовался коэффициент ошибок BER, вычисляемый по формуле (2.1) для длины волокна 30 км и OSNR, равного 20 дБ. На рис. 4.1 и 4.2 представлены временные зависимости мощности, частоты и фазы бинарного NRZ-сигнала 10101010 на выходе DML, а также мощности на выходе 30-км участка стандартного телекоммуникационного волокна, в; котором на сигнал действовала хроматическаяг дисперсия с коэффициентом-17 пс/нм/км. Были; использованы, следующие параметры МЬ: rjd = 0,5, Г = 0,3; є = 2 х Г0 7, а = 2,44, шум отсутствовал.
Принцип метода «временной линзы». Эволюция сигнала при распространении в волокне под действием «временной линзы»
Коэффициент ошибок, выбранный в качестве критерия качества системы связи, определялся по формуле 2.1. Кодирование сигналов осуществлялось только с помощью формата NRZ. Оптический сигнал DML-лазера передавался по волокну, где на него действовала хроматическая дисперсия и нелинейные эффекты, затем попадал на приемник, на котором происходило его распознавание. Оптическое отношение сигнал-шум (OSNR) во всех численных экспериментах равнялось 20 дБ, а коэффициент хроматической дисперсии составлял 17 пс/нм/км. Эксперименты проводились для полосы пропускания приемника, равной половине скорости передачи (для 5 ГГц). Временные границы интервала, в центре которого измерялась мощность электрического сигнала на приемнике, совпадали с границами битового интервала на передатчике. Результат численных экспериментов представлен на рис. 4.2, где максимальная дальность передачи определяется как максимальное расстояние, при котором BER не превышает значение Ю-12.
Видно, что при отсутствии нелинейных эффектов структурированная накачка дает существенный выигрыш в дальности передачи, но ее устойчивость к нелинейным эффектам при описанных выше условиях оказьшается хуже, чем у обычной накачки. В первом случае (сила тока, соответствующая логической единице, равна 50 мА), при у = 16,5 Вт-1км-1 максимальная дальность передачи при обычной и структурированной накачке оказьшается одинаковой. Во втором случае это происходит уже при у = 7 Вт_1км-1.
Однако в стандартных телекоммуникационных волокнах коэффициент нелинейности обычно не превышает 2 Вт км-1, при этом структурированная накачка позволяет увеличить дальность передачи на 25 - 70% в зависимости от силы тока логической единицы. В пункте 4.4 численно исследован новый способ борьбы с хроматической дисперсией и нелинейными эффектами в волокне при использовании лазера с прямой модуляцией в качестве передатчика. Этот способ заключается в применении специального оптического фильтра, устанавливаемого в линии связи после лазера и осуществляющего дополнительную частотную модуляцию сигнала, т.е. управляющего чирпом сигнала.
При распространении в волокне оптический импульс под действием дисперсии расширяется. При передаче последовательности импульсов это приводит к тому, что каждый импульс стремится занять битовый интервал, отведенный для его соседа. Наиболее «уязвимой» для хроматической дисперсии является последовательность 101: «хвосты» расплывшихся единиц в битовом интервале, отведенном для нуля, складываются, и на приемнике ноль распознается как единица.
В лазере с управляемым чирпом (ЛУЧ), схема работы которого показана на рис. 4.11, создается деструктивная интерференция между этими единицами -они складываются в противофазе, что, в конечном итоге, существенно увеличивает устойчивость системы к дисперсии. Если бы форма единичных импульсов была прямоугольной, это достигалось бы в том случае, когда частота логического нуля на 5 ГГц меньше частоты логической единицы. Тогда за время, соответствующее битовому интервалу (100 пс при скорости передачи 10 Гбит/с), набег фаз составил бы 2 п 100 пс 5ГТц = я, т.е. разность фаз между «хвостами» единиц была бы равна л.
В передатчике на основе лазера с прямой модуляцией деструктивная интерференция достигается при определенном выборе параметров этого лазера (см. п. 4.2). Как будет показано ниже, сдвиг между двумя логическими единицами в этом случае при минимальном BER будет отличаться от ж. Сигнал на выходе передатчика, обеспечивающего описанную выше деструктивную интерференцию, похож на сигнал в формате AMI (Alternate Mark Inversion -кодирование с чередованием полярности) и даже без оптического фильтра обладает высокой устойчивостью к хроматической дисперсии.
В передатчике с управляемым чирпом такой сигнал затем попадает в оптический фильтр (см. рис. 4.11). Здесь с помощью адиабатического чирпа «О» по частоте «отделяется» от «1», и мощность, соответствующая логическому нулю, сильно ослабляется (в нашей модели в 10 раз). Это приводит к существенному увеличению ER сигнала на выходе ЛУЧ. Как показано в п. 4.2, увеличение ER на выходе лазера обычно сопровождается ростом чирпа. В ЛУЧ вредный динамический чирп не увеличивается, наоборот, соответствующим образом подобрав параметры лазера и его накачку, можно существенно ослабить его до фильтра, пусть даже с ущербом для ER - коэффициент гашения все равно увеличивается после фильтрования. Использование описанных выше эффектов в ЛУЧ-передатчике позволяет в несколько раз увеличить дальность передачи, повышая устойчивость системы к дисперсии. В дальнейшем сигнал на выходе ЛУЧ будем называть NRZ-CML, рассматривая действие фильтра как формирование соответствующего формата модуляции. Сигнал без фильтрования, но с деструктивной интерференцией между логическими единицами будем по аналогии с форматом с чередованием полярности называть AMI.
