Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение квазисолитонных режимов передачи в распределительных системах волоконно эфирной структуры 18
1.1 Особенности построения распределительных систем волоконно-эфирной структуры 18
1.1.1 Принципы формирования информационного сигнала 19
1.1.2 Ограничивающие факторы передачи для скоростей выше 10 Гбит/с 21
1.2 Квазисолитонные режимы передачи в волоконно-оптических линиях связи 23
1.2.1 Условие существования оптических солитонов 23
1.2.2 Режим управления потерями 26
1.2.3 Режим управления дисперсией
1.3 Внедрение квазисолитонных режимов передачи в распределительных системах волоконно-эфирной структуры 36
1.4 Выводы 39
ГЛАВА 2. Распространение оптических солитонов в кусочно-регулярной волп 41
2.1 Эволюционная модель распространения оптических солитонов в кусочно-регулярной ВОЛП 41
2.2 Математическая модель сигнала radio over fiber 43
2.3 Методы решения модифицированного НУШ
2.3.1 Численные методы 46
2.3.2 Вариационное приближение 49
2.3.3 Аналитические решения з
2.3.4 Сравнительный анализ односолитонных решений модифицированного НУШ 54
2.3.5 Сравнительный анализ двухсолитонных решений модифицированного НУШ 2.4 Алгоритм определения коэффициентов аналитического решения модифицированного НУШ 65
2.5 Критерия оценки качества передачи 66
2.6 Выводы 70
ГЛАВА 3. Реконструкция волп для работы в квазисолитонном режиме 72
3.1 Условия реконструкции ВОЛП 72
3.2 Включение в местах соединения строительных длин оптического кабеля элементов компенсации хроматической дисперсии
3.2.1 Компенсирующие дисперсию оптические волокна 73
3.2.2 Модуль компенсации хроматической дисперсии 75
3.2.3 Фотонно-кристаллические волокна 78
3.2.4 Чирпированные волоконные решетки показателя преломления. 79
3.2.5 Компенсирующие кабельные вставки
3.3 Способы управления оптическими солитонами 84
3.4 Выводы 90
ГЛАВА 4. Исследование параметров работы волп систем ROF в квазисолитонном режиме с плотным управлением дисперсией 92
4.1 Методика выбора параметров дисперсионной карты 92
4.2 Учет статистического отклонения параметров дисперсионных карт 96
4.3 Расчет параметров передачи сигналов RoF в ВОЛП в квазисолитонном режиме с плотным управлением дисперсией 102
4.4 Разработка рекомендаций по внедрению квазисолитонного режима на ВОЛП систем RoF 106
4.5 Оценка потенциальных возможностей использования оптических солитонов в технологии RoF 110
4.6 Выводы 117
Заключение 119
Список литературы
- Квазисолитонные режимы передачи в волоконно-оптических линиях связи
- Методы решения модифицированного НУШ
- Включение в местах соединения строительных длин оптического кабеля элементов компенсации хроматической дисперсии
- Расчет параметров передачи сигналов RoF в ВОЛП в квазисолитонном режиме с плотным управлением дисперсией
Введение к работе
Актуальность темы
Современное инфокоммуникационное сообщество предъявляет высокие требования к уровню предоставляемых услуг связи, реализация которых во многом определяется пропускной способностью имеющихся у оператора волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП). Постоянный рост потребностей в объемах передаваемой информации и скоростей её передачи приводит к необходимости увеличения пропускной способности существующих ВОЛП, которое может быть достигнуто за счет развития телекоммуникационной инфраструктуры сети связи путем модернизации, реконструкции имеющихся ВОЛП или строительства новых.
На сегодняшний день в связи с необходимостью устранения цифрового неравенства для потребителей услуг связи на территории Российской Федерации актуальна задача предоставления услуги широкополосного доступа для удаленных потребителей со скоростью передачи данных в 10 Гбит/с на расстояние 50 км с возможностью увеличения до 100 км с эффективными экономическими показателями. Предоставление канала связи с перечисленными характеристиками возможно за счет использования технологии построения распределительных систем волоконно-эфирной структуры для сетей абонентского доступа известной в зарубежной литературе как технологии "radio over fiber" (RoF). Благодаря простоте её реализации появляется возможность организовывать сети доступа с низкой стоимостью подключения.
Основные теоретические положения технологии RoF представлены в работах A.J. Cooper. Технологии RoF получила развитие в работах М.Е.Белкина, U. Gliese и других. Существенный вклад в разработку и исследование 10 Гб/с систем RoF внесли A. Stohr, М. WeiB, C.G. Schaffer, D. Plettemeier и др. Как показали исследования I.G. Insua, A. Hirata, основным ограничивающим длину ре-генерационного участка ВОЛП систем RoF со скоростью 10 Гбит/с фактором является влияние хроматической дисперсии (ХД). Для компенсации влияния ХД в работе D.A. Asderah, К. Nakkeeran было предложено и показано, что использование DMS - управляемых дисперсией солитонов (УДС), формируемых на одном периоде компенсации, позволяет улучшить характеристики системы и увеличить дальность передачи сигнала RoF. Однако авторами при реализации DMS не были учтены параметры коммерчески доступных транспортных оптических волокон (ОВ), а также параметры компенсирующих дисперсию ОВ: дисперсионные характеристики и форма исполнения. Также при использовании DMS не описывается способ учета специфики сигнала RoF, а достигнутая протяженность оптической линии при реализации на практике ограничена длиной в 30 км.
Принципы построения протяженных ВОЛП для применения DMS известны давно и освящены в работах А. Хасегавы, Ю. Кодамы, Л. Моленауэра, С.К. Турицына и др. Среди возможных режимов формирования оптических солитонов DMS является не самым эффективным вариантом по сравнению с плотным
режимом управления дисперсией (DDMS). Преимущества DDMS над DMS показаны в работах А. Хасегавы, С.К. Турицына и др. Задача проектирования ВОЛП на базе DDMS решена для уединенного солитона и последовательности солитонов, для одноканальных систем и систем с разделением по длине волны. Однако применение DDMS для случая передачи сигнала RoF, состоящего из двух несущих, одна из которых является модулированной, ранее не рассматривалось и не исследовалось.
Применение УДС требует выбора параметров оптического импульса, подбора параметров дисперсионных карт (ДК), определяющих период чередования ОВ с различным значением ХД, а также разработки соответствующих рекомендаций по реализации. В целом, это многопараметрическая задача, которая в большинстве случаев решается численным моделированием с применением больших вычислительных ресурсов. Для проектировании ВОЛП систем RoF для удаленных населенных пунктов необходимо иметь инженерную методику, которая позволяет учесть разброс параметров ДК.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема формирования квазисолитонных режимов с плотным управлением дисперсией (УД) в линиях передачи систем RoF.
Цель работы - разработка способов и устройств для формирования квазисолитонных режимов с плотным УД в линиях передачи систем RoF и рекомендаций по проектированию указанных ВОЛП.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:
-
Разработать модель передачи сигналов системы RoF по волоконно-оптической линии в квазисолитонном режиме с плотным УД с учетом дисперсионных и нелинейных эффектов, а также разброса параметров ДК.
-
Провести анализ методов решения нелинейного уравнения Шредин-гера (НУШ) с переменными коэффициентами применительно к модели линии передачи системы RoF, учитывающих взаимодействие солитонов.
-
Разработать способы и устройства для формирования квазисолитонных режимов с плотным УД на ВОЛП, в строительных длинах которых применяются ОВ одного типа.
-
Исследовать искажения сигналов в ВОЛП на управляемых дисперсией солитонах системы RoF с учетом разброса параметров ДК и разработать рекомендации по выбору параметров ДК.
Методы исследования. В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью теории оптических волноводов, теории нелинейной оптики, теории электрической связи, математического аппарата вариационного, дифференциального и интегрального исчислений, теории вероятности, математической статистики и математического моделирования. Численные расчеты производились в среде MatLab.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью постановки задач, обоснованностью использования допущений и ограничений,
применением известных математических методов, непротиворечивостью результатов и выводов.
Научная новизна:
-
Предложена модель, описывающая распространение сигнала RoF в ВОЛП в квазисолитонном режиме с плотным УД.
-
Показано, что в первом приближении области изменения параметров ДК, в которых обеспечивается распространение в линиях передачи RoF устойчивых УДС, для импульсов с огибающими, описываемыми функцией Гаусса и функцией гиперболического секанса, совпадают.
-
Предложена методика определения коэффициентов аналитического решения НУШ на основе концепции нелинейных волн Блоха для периодических структур, базирующаяся на нормировке по численным решениям.
-
Разработан алгоритм выбора параметров ДК, базирующийся на совместном использовании концепции нелинейных волн Блоха и численного метода разделения по физическим процессам.
-
Разработаны способы формирования квазисолитонных режимов передачи сигналов систем RoF с плотным УД, подтвержденные патентами RU2435183,RU2470462.
-
Разработана методика определения границ области существования устойчивых солитоноподобных импульсов при передачи сигналов RoF в линии с плотным УД и разбросом параметров ДК.
Личный вклад
Основные результаты диссертационной работы, обладающие научной новизной, получены автором лично. Научные положения диссертации соответствуют пунктам 11, 12 и 14 паспорта специальности 05.12.13.
Практическая ценность результатов работы
-
Получены оценки параметров ДК, обеспечивающие поддержание ква-зисолитонного режима с плотным УД в оптической линии систем RoF, и сформулированы требования к ним.
-
Разработано устройство, размещаемое в местах соединения строительных длин ОК, для формирования квазисолитонного режима с плотным УД, что подтверждено патентом RU 2483444.
-
Разработана инженерная методика анализа искажений сигналов систем RoF при передаче по волоконно-оптической линии в квазисолитонном режиме с плотным УД, которая может быть использована при проектировании линий передачи систем RoF.
-
Разработаны рекомендации по выбору способов, оптических устройств и параметров ДК для формирования квазисолитонного режима функционирования ВОЛП систем RoF.
Материалы диссертационной работы использовались при выполнении государственного контракта № 14.В37.21.1522 по теме «Широкополосная сеть доступа к мультимедийным услугам для удаленных и сельских районов на ос-
нове волоконно-оптической линии передачи в режиме квазисолитонов с управлением дисперсией, спектрально-эффективных форматов и открытого радиоинтерфейса» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Положения, выносимые на защиту:
1. Модель ВОЛП системы RoF в квазисолитонном режиме с плотным
УД-
-
Способы и устройства формирования квазисолитонных режимов ВОЛП с плотным УД для передачи сигналов систем RoF.
-
Алгоритм выбора параметров ДК, базирующийся на основе концепции нелинейных волн Блоха и численного метода разделения по физическим процессам.
-
Методика анализа искажений сигналов систем RoF при передаче по волоконно-оптической линии в квазисолитонном режиме с плотным УД, которая может быть использована при проектировании линий передач систем RoF.
-
Методика оценки границ области существования устойчивых солито-ноподобных импульсов при передаче сигналов RoF в линии с плотным УД и разбросом параметров ДК.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационного исследования внедрены в ОАО «Ростелеком», ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» (КНИТУ-КАИ), а также в учебный процесс ФГОБУ ВПО ПГУТИ, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы
Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Международной конференции Photonics West (San Francisco, California, USA, 2010 г., 2011 г.); на VII, VIII, IX, X MHTK «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2008 г., Санкт-Петербург, 2009 г., Миасс, 2010 г., Самара, 2011 г.); на IX, X, XI МНТК «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Казань, 2008 г., Самара 2009 г., Казань 2011 г.); VI, VII, VIII Международной конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях» (Казань, 2008 г., Самара 2009 г., Казань 2011 г.); на 64 Научной сессии, посвященной Дню Радио (Москва, 2009 г.); на VI Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2009» (Санкт-Петербург, 2009 г.), на Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2010» (Санкт-Петербург, 2010 г.), на 2-ой, 3-ей, 4-ой Всероссийской конференции по волоконной оптике «ВКВО» (Пермь, 2009 г., 2011 г., 2013 г.), на 3-ем, 4-ом, 5-ом Российском семинаре по волоконным лазерам (Уфа, 2009, Ульяновск, 2011 г., Новосибирск, 2012, г.), на Молодежной конкурс-конференции «Фотоника и оптические технологии - 2011» (Новосибирск, 2011 г.), а также Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ (Самара, 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г.).
Публикации
По тематике диссертационных исследований автором (лично и в соавторстве) опубликовано 46 печатных трудов, включая 3 патента на изобретение. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 статьях в периодических научных изданиях, в том числе - 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и 28 публикаций в форме тезисов докладов на международных и российских конференциях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Работа изложена на 120 страницах основного текста, содержит 5 таблиц, 47 рисунков, список литературы включает 135 источников.
Квазисолитонные режимы передачи в волоконно-оптических линиях связи
Для несолитонных систем LA находится в диапазоне 60-120 км. Для солитонных систем LA ограничено заметно меньшими значениями из-за солитонного характера распространения сигнала [28-35]. Физическая причина меньших значений LA в том, что оптические усилители повышают энергию солитона до входного уровня на длине в несколько десятков метров, а не обеспечивают непрерывное восстановление фундаментального солитона. Длительность усиленого солитона динамически устанавливается в сегменте ОВ, следующем за усилителем. Однако в процессе установления солитон также теряет часть энергии в виде рассеянного излучения. Рассеянное излучение может накапливаться до заметного уровня и его необходимо избегать. Одним из способов уменьшения рассеянного излучения является сокращение расстояния между усилителями LA, чтобы солитон не искажался бы заметно на такой короткой длине. Численное моделирование [31] показывает, что это так, если расстояние LA мало по сравнению с дисперсионной длиной LA «LD. Дисперсионная длина LD определяется длительностью импульса Т0 и параметром ДГС Д и, в зависимости от этих величин, может меняться от 10 до 1000 км.
В общем случае изменение энергии солитона сопровождаются изменениями его длительности. Большие и быстрые изменения могут разрушить солитон, если его длительность быстро меняется с испусканием рассеянного излучения. Для описания оптических импульсов, подвергающихся подобным осцилляцпям, было введено понятие усредненных по длине солитонов или ведущих центров [28-35]. Данное понятие основано на том, что солитоны слабо меняются на расстоянии, коротком по сравнению с дисперсионной длиной. Поэтому ZA «1 длительность солитона практически не меняется, хотя его пиковая мощность существенно меняется в каждом сегменте между соседними усилителями. Исследованию организации солнтонного режима с управлением потерями посвящены работы [70-74], а наиболее полный обзор представлен в [45-50].
Условие zA «1, накладываемое на солитоны с управляемыми потерями при использовании сосредоточенных усилителей, практически трудно выполнить при скоростях передачи информации, превышающих 10 Гбит/с. Это условие существенно смягчается при использовании распределенного усиления. Схема распределенного усиления по сути превосходит схему с сосредоточенным усилением, так как она приблизительно приводит к ОВ без потерь с локальной компенсацией потерь в каждой точке пути вдоль волоконно-оптической линии связи. Важен вопрос о величине изменения энергии солитона на каждом цикле усиления-потерь. Рамки изменения мощности зависят от LA и от принятой схемы накачки. Исследованию организации солнтонного режима с управлением потерями посвящены работы [75-77], а наиболее полный обзор представлен в [45-50].
На практике, в работах [78-82], применялся и другой способ поддержания распространения оптических солитонов, когда транспортное ОВ было легировано ионами эрбия и периодически накачивалось для обеспечения равномерного усиления. Применение подобных ОВ на практике весьма затруднительно, по этой причине данное направление развития техники компенсации потерь не получило своего развития.
В 1987 году в работе [83] был предложен режим управления дисперсией, снимающий ограничение Ьл «LD, налагаемое на солитоны с управлением потерями, за счет убывания ДГС вдоль длины (ОВ с убывающей дисперсией - ОВУД). Идея режима управления дисперсией состояла в том, что уменьшающееся действие ФСМ сопровождается уменьшением параметра ДГС Д вдоль линии. С математической точки зрения это реализуется зависимостью Д, описываемой экспоненциальным законом. В этом случае фундаментальный солитон поддерживает свою форму и длительность даже в ОВ с существенными потерями.
Подобные ОВУД с приблизительно экспоненциальным профилем ДГС были изготовлены и применялись в ряде экспериментов [84-87]. Технология производства таких ОВ заключается в уменьшении диаметра сердцевины по длине ОВ, которая контролируется в процессе вытягивания. Изменение диаметра сердцевины ОВУД обеспечивает уменьшение величины Д за счет увеличения вклада волиоводной дисперсии в итоговую величину ДГС. Точность, достигаемая при использовании этого метода по оценке лучше чем 0.1 пс /км и типичное изменение величины ДГС может достигать 10 раз на длине 20-40 км [84].
ОВ с непрерывно меняющейся ДГС труднодоступны и никогда не использовались на практике при строительстве ВОЛП, но как пример реализации метода дисперсионного управления нашло свое развитие. Как альтернатива, экспоненциальный профиль ДГС в ОВУД может быть аппроксимирован ступенчатым профилем при соединении нескольких ОВ с постоянной дисперсией с различными значениями Д. Такой подход изучался, и было найдено, что большая часть преимуществ ОВУД может быть реализована уже для четырех сегментов ОВ [88].
Также к недостаткам ОВУД относят и то, что средняя дисперсия вдоль линии связи сравнительно велика. Использование оптических солитонов при низкой средней ДГС улучшает характеристики системы даже по той причине, что требует более низких значений мощностей. Схемы с периодической дисперсией, состоящие из ОВ с чередующейся ДГС, привлекательны потому что их использование снижает среднюю ДГС всей линии при достаточно большой ДГС каждого сегмента, что сохраняет пренебрежимо слабыми эффекты четырехволнового смешения (ЧВС) и дисперсию третьего порядка (ДТП) [31].
Схемы с периодической дисперсией могут быть построены с помощью дисперсионных карт (ДК) симметричной или асимметричной конструкции при различном способе управления. В самом простом случае ДК представляет собой комбинацию двух ОВ с разными по знаку значениями ДГС и определенных длин, которые выбираются из условия отрицательного среднего значения остаточной ДГС, при котором и формируется оптический солитон. На рисунке 1.4, для наглядности, представлены зависимости ДГС на одном периоде карты, которые качественно характеризуют два типа ДК. Следует отметить, что в некоторых источниках под симметричной ДК понимают конфигурацию ОВ, обладающей центром симметрии. В настоящей работе будет использоваться терминология, которая иллюстрируется риунком 1.4.
Методы решения модифицированного НУШ
Сравнение результатов показало, что относительное отклонение Тшь полученных вариационным методом и аналитическим методом на основе концепции нелинейных волн Блоха, составило не более 2% и 5% соответственно от величины TRMS, полученной SSFM (см. рисунок 2.2). Учитывая, что аналитическое решение на основе концепции нелинейных волн Блоха имеет постоянные коэффициенты (см. выражение (2.17)), был выполнен подбор по методу Нелдера-Мида постоянных коэффициентов, входящих в аналитическое выражение для огибающей, который позволил получить значения коэффициентов, при которых относительное отклонение TRMS , полученное аналитическим методом на основе концепции нелинейных волн Блоха, составило не более 1% (см. рисунок 2.3). Результаты моделирования после подбора постоянных коэффициентов для 1 периода ДК (N ) представлены на рисунке 2.3. Type DM: SSMF + DCF, N = Nonlinear Bloch wa\es Сравнение огибающих одиночного импульса в конце ДК, полученных аналитическим и численным методами после подбора постоянных коэффициентов методом Нелдера-Мида
Полученные результаты расчета параметров сигнала RoF при распространении в линии передач с плотным УД на 1 периоде ДК аналитическим методом на основе концепции волн Блоха и SSFM потребовали 1 с и 4 с расчетного времени соответственно при использовании математического продукта MatLab версии 7.9.0.529 (64 разрядная версия) при следующих параметрах ПЭВМ: процессор - Intel(R) Core(TM) i5 М480 2.67 GHz, операционная система - 64-разрядная Win7 SP1.
Как видно из рисунка 2.3, применение метода Нелдера-Мида при уточнении постоянных коэффициентов аналитического решения SSFM позволило использовать аналитический метод на основе концепции нелинейных волн Блоха для расчета параметров сигнала RoF в линии с плотным УД. Так, на рисунке 2.4 представлены результаты моделирования распространения одиночного импульса в ВОЛП систем RoF на 12 периодах ДК (что эквивалентно длине линии в 48 км).
Эволюция одиночного солитоноподобного импульса в линии с плотным УД на 12 периодах ДК, полученные с применением аналитического метода на основе концепции нелинейных волн Блоха (а, в) и ; (б,г) SSFM.
Как видно из рисунка 2.4, результаты численного моделирования распространения одиночного импульса, полученные аналитическим методом, согласуются с результатами численного расчета SSFM. Для 12 периодов ДК типа «SSMF+DCF» (см. таблицы 2.1-2.2) отклонение TRMS в конце линии, рассчитанное аналитическим методом, от результатов SSFM составило порядка 10%. Таким образом, для решения определенных практических задач достаточно использования приближенных методов решения, которые позволят получить оценки параметров качества передачи информации для рассматриваемого режима работы ВОЛП. Полученные параметры режима работы ВОЛП в случае необходимости могут быть уточнены с применением более строгих решений.
Известно двухсолитонное решение модифицированного НУШ, полученное на основе вариационного приближения [101], и на основе концепции нелинейных волн Блоха [113].Для оценки взаимодействия двух импульсов было выбрано решение на основе концепции нелинейных волн Блоха.
Аналитическое решение на основе концепции нелинейных волн Блоха для одиночного импульса (2.18) можно переписать в виде [117]: а разница скоростей распространения Д// находится как A/z(Z) = (Z)-#(Z). Зависимости g2(Z,t)) и 2(Z,T) определяются по аналогии (2.23). А функция V(Z) в соответствии с [113] может быть определена как: V(Z) =0.005 2. Таким образом, для расчета (2.20) необходимо определить постоянные коэффициенты: /Im, fJ ,Q, Vw, V2Q, А,, А , 5Х, д2, g , значения которых для первого приближения могут быть получены из [111-112]. Результаты численного моделирования процесса распространения двух последовательных импульсов для 1 периода «тестовой» ДК типа «SSMF+DCF», параметры оптических волокон которой представлены в таблице 2.1, полученные численным решением модифицированного ЫУШ на основе SSFM и аналитическим решением на основе концепции нелинейных волн Блоха, представлены на рисунках 2.5-2.6. Type DM: SSMF + DCF, Method: Nonlinear Bloch waves x a) Type DM: SSMF + DCF, Method: Nonlinear Bloch waves Эволюция двух импульсов на 1 периоде «тестовой» ДК, полученная аналитическим методом (а) и изменение длительностей импульсов (б) Type DM: SSMF + DCF, Method: SSFM x a) Type DM: SSMF + DCF, Method: SSFM - Эволюция двух импульсов на 1 периоде «тестовой» ДК, полученная численным методом (а) и изменение длительностей импульсов
Как видно из рисунков 2.5-2.6 результат аналитического решения получен с большой погрешностью для оценки взаимодействия соседних импульсов. Для получения более точных оценок искажений при распространении двух импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП с плотным УД был использован метод Нелдера-Мида, который перебирая различные комбинации постоянных коэффициентов решения (2.20), позволил определить комбинацию JUl0, jU20, Ц№ V20, ,, 2, 5,, S2, д , при которой расхождение составило не более 7% (по TRMS в конце сегмента DCF).
Включение в местах соединения строительных длин оптического кабеля элементов компенсации хроматической дисперсии
ДК, состоящую из четырех сегментов. Первый и третий из которых представляются длинами ОВ с противоположными значениями ХД, а второй и четвертый сегменты - ОВ с повышенной нелинейностью, отличающийся от известных вариантов построения ДК количеством сегментов ДК, устойчивостью солитонного режима ВОЛП и тем, что степень взаимодействия солитонов для асимметричной ДК не зависит от направления распространения импульсов [126]. Для подтверждения выдвинутых решений было проведено численное моделирование распространения сигнала RoF в кусочно-регулярной ВОЛП с плотным УД на основе ДК типа «SMF+RDF» и «SMF+HNLF+RDF», при этом параметры ДК были выбраны в соответствии с [125] (RDF - ОВ с реверсивной дисперсионной характеристикой). Результаты, полученные с помощью аналитического метода на основе нелинейных волн Блоха, представлены на рисунке 3.8.
Type DM: SMF + RDF, Method: Nonlinear Btoch waves Type DM: SMF + RDF, Method: Nonlinear Bloch waves Type DM: SMF HNLF RDF. Method: Nonlinear Bloch waves Type DM: SMF + HNLF Из рисунка 3.8 можно заметить, что при использовании сегмента HNLF в симметричной конструкции ДК, наблюдается меньшее изменение длительности импульса (как по RMS, так и FWHM). Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что HNLF улучшает характеристики передачи сигнала по сравнению с симметричной ДК без HNLF, это происходит вследствие уменьшения взаимодействия соседних импульсов. Результаты, представленные на рисунке 3.8, хорошо согласуются с результатами из работы [125], что позволяет считать, используемый в настоящей работе математический аппарат, апробированным. Следует отметить, что авторы в [125] при моделировании использовали «несуществующее» HNLF в смысле того, что оценивалась лишь нелинейность, которой это ОВ обладало и не учитывались потери в HNLF. Благодаря этому появляется возможность использовать разработанную математическую модель для исследования других типов ДК. Для получения оценок положительного эффекта от использования HNLF было проведено исследование ДК типа «SSMF+HNLF+DCF» [127], численные результаты которого представлены на рисунке 3.9. Type DM: SSMF + DCF, Method: Nonlinear Bloch waves
Type DM: SSMF + DCF, Method: Nonlinear Btoch waves a) 6) Type DM: SMF+HNLF+DCF, Method: Nonlinear Bloch waves Type DM: SMF+HNLF+DCF, Method: Nonlinear Bloch waves в) r) Type DM: SMF+HNLF+CFBG+HNLF, Method: Nonlinear Bloch waves Type DM: SMF+HNLF+CFBG+HNLF, Method: Nonlinear Bloch waves І
Как видно из рисунка 3.9, положительный эффект наблюдается и для случая (д,е), в котором использование HNLF позволяет уменьшить изменение TRMS до 5%. Как показывают результаты проведенного моделирования, которое позволило достичь некоторых улучшений параметров передачи, в том числе, и для сигналов RoF, требуются существенные длины компенсирующих ОВ и HNLF и решиния задачи поиска оптимальных параметров и длин DCF и FTNLF. Уменьшить габариты включаемых компенсирующих дисперсию ОВ можно за счет использования CFBG. Хотя ранее и отмечалось, что их использование приводит к нежелательным явлениям по причине существенного разброса параметров получаемых ДК. Однако совместное использование CFBG и FINLF, включаемых в местах соединения строительных длин оптического кабеля через оптические циркуляторы, может стать эффективным решением. Для оценки целесообразности использования указанной конфигурации ДК, было осуществлено компьютерное моделирование, результаты которого представлены на рисунке 3.10. Для корректного учета оптических параметров CFBG в первом приближении чирпированная Брегговская решетка замещалась «эквивалентным» ОВ, обладающим малой длиной, большим значением ДГС, нелинейностью и дисперсионным наклоном.
Как видно из рисунка 3.10, режим распространения оптических импульсов можно охарактеризовать, как стабильный, хотя ДК отличается своей резкой асимметричностью. Подобная устойчивость объясняется подбором ОВ с высокой нелинейностью и «эквивалентных» значений ДГС CFBG в математической модели. При этом потребовалась длина HNLF порядка 50 метров. Представленные результаты моделирования позволяют сделать вывод о том, что предлагаемая ДК типа «SMF+HNLF+CFBG+HNLF», реализованная в виде оптического устройства, может быть применена для включения в местах соединения строительных длин ОК при построении линейного тракта кусочно-регулярной ВОЛП с плотным УД для передачи сигналов RoF [127].
Таким образом, результаты проведенного компьютерного моделирования на базе, выбранного аналитического решения модифицированного НУШ, используемого для описания распространения сигнала систем RoF, в первом приближении позволили получить оценки параметров качества передачи для предлагаемых способов реконструкции ВОЛП.
В данной главе основными результатами являются.
1. Предложен способ реконструкции ВОЛП, отличающийся от известных тем, что он реализуется только за счет монтажа муфт и, как следствие, исключает большие объемы земляных работ, который заключается в периодическом включении кабельных вставок с компенсирующими ХД ОВ в местах соединения строительных длин ОК, причем ОК вставки укладываются кольцами в местах размещения муфт.
2. Разработан способ управления оптическими солитонами, заключающийся в разбиении периода ДК на четыре сегмента, первый и третий из которых представляются длинами ОВ с противоположными значениями ХД, а второй и четвертый сегменты - ОВ с повышенной нелинейностью, отличающийся от известных вариантов построения ДК количеством сегментов ДК, устойчивостью солитонного режима ВОЛП и тем, что степень взаимодействия солитонов для асимметричной ДК не зависит от направления распространения импульсов.
3. Предложена четырех сегментная дисперсионная карта, реализованная в конструкции оптического устройства предназначенного для включения в строительных длина оптического кабеля, имеющего оптические волокна с хроматической дисперсией одного знака.
4. Предложенные способ реконструкции ВОЛП на основе кабельных вставок, способ управления оптическими солитонами, базирующийся на применении четырех сегментной ДК, подтверждены результатами численного моделирования.
5. Разработанные способы формирования квазисолитонных режимов передачи с плотным УД, подтвержденные патентами RU2435183, RU2470462, и разработанное устройство, предназначенное для размещения в местах соединения строительных длин ОК, для формирования квазисолитонного режима с плотным УД, подтвержденное патентом RU 2483444, могут быть использованы при построении линейного тракта кусочно-регулярной ВОЛП с плотным УД для передачи сигналов RoF.
6. Даны рекомендации по выбору оптических устройств, параметров дисперсионных карт и способов для формирования квазисолитонного режима функционирования волоконно-оптических линий передачи систем RoF.
Расчет параметров передачи сигналов RoF в ВОЛП в квазисолитонном режиме с плотным управлением дисперсией
При решении задачи реконструкции ВОЛП для работы в квазисолитонном режиме с плотным УД, реализуемой включением оптических кабельных вставок в местах соединения строительных длин ОК, требуется жесткая привязка к проложенным строительным длинам (то есть к расстоянию между оптическими муфтами). Получаемые в соответствии численным моделированием (см. рисунок 4.9) оптимальные длины сегментов ОВ типа SMF и DCF при практической реализации приведут к необходимости размещения дополнительных муфт на линии. Это снижает экономический эффект предлагаемого способа реконструкции ВОЛП. Предпочтительным в этой связи решением является реализация ДК типа «SMF+DCF» с длиной сегмента LSMF В 4 км. Параметры передачи указанной ДК уже рассчитывались ранее (см. пунктах 2.3.5 и 3.2.5 настоящей работы) и показали возможность передачи с коэффициентом ошибок лучше, чем 10"15, поэтому не представлены в данной части.
Представляет интерес исследование вопроса о возможности передачи солитонной последовательности с параметрами, которые приближенны к параметрам для оптимальной конфигурации ДК (см. рисунок 4.9), для ДК типа «SMF+DCF» при длине сегмента LSMh- в 8 км. Подобное исследование было проведено и численные результаты моделирования представлены на рисунках 4.12-4.13.
Глаз-диаграмма для фундаментальной последовательности солитонов (а) и зависимость Q-фактора от порядка солитона для ДК типа «SMF+DCF» протяженностью 50 км и длиной сегмента LSMF=4 км и Д =-0,1 пс2/км.
Как видно из рисунка 4.12 (б), существует возможность улучшения параметров передачи сигналов RoF за счет оптимизации параметров УДС, формируемых на коротких периодах компенсации.
Глаз-диаграмма для солитонной последовательности порядка 0,75 (а), 1 (б), 1,75 (в) и зависимость Q-фактора от порядка солитона для ДК типа «SMF+DCF» протяженностью 50 км и длиной сегмента LSMF=8 км и Д = -0,1 пс2/км(г).
Следует отметить, что оценка качества передачи сигналов RoF в первом приближении осуществлялась на анализе исходной квазисолитонной последовательности импульсов в предположении, что её искажение является определяющим. В ходе проведения исследования стало очевидно, что несущая в спектре сигнала RoF претерпевает искажения, и данный факт требует обязательного учета, поскольку информационный сигнал RoF передается в разностной частоте несущей и модулированной последовательности импульсов. Как показали результаты численного моделирования системы уравнений (2.6), после прохождения 12 периодов ДК типа «SMF+DCF» (при длине сегмента LSMF=4 км и Д, =—0,1 пс2/км) для постоянной несущей наблюдаются изменения во времени уровня оптической мощности, обусловленные влиянием ФКМ (см рисунок 4.14) [135].
Изменения во времени уровня оптической мощности постоянной несущей для скорости 10 Гбит/с и протяженности ВОЛС 50 км.
Очевидно, что подобные флуктуации будут влиять на качество передачи сигналов RoF. Как показало моделирование (см. рисунок 4.15), с увеличением скорости передачи и протяженностью ВОЛС степень проявления этих искжений становится сильнее. \Ш1 w J
Изменения во времени уровня оптической мощности постоянной несущей для скоростей 10 (а, б) и 40 Гбит/с (в, г) при протяженности ВОЛС в 50 (а, в), и 100 км (б, г). Также следует отметить, что достаточно высокая входная мощность постоянной несущей может сформировать темный солитон [112], который проявится как провал интенсивности. Обозначенные особенности передачи сигналов RoF, базирующиеся на УДС, в кусочно-регулярной ВОЛП с плотным УД представляют собой отдельные темы последующих исследований в рамках продолжения данной диссертационной работы.
В рамках дальнейшего исследования предполагается развитие разработанных способов, методик, а также устройств для увеличения протяженности линии передачи RoF до 100 км и более с увеличением скорости передачи до 40 Гб/с. На основе разработанной компьютерной модели, базирующейся на численном решении для сигнала RoF, реализуемого в соответствии с предложенной схемой, было проведено дополнительное моделирование процесса распространения сигнала RoF со скоростью 40 Гбит/с в кусочно-регулярной ВОЛП с плотным управлением дисперсией на длину 50 км, результаты которого представлены на рисунках 4.16-4.18. Q-factor
Зависимость Q-фактора для ДК типа «SMF+DCF» от длины сегмента LSMF и средней остаточной дисперсии на периоде ДК для скорости передачи 40 Гбит/с и протяженности ВОЛС 50 км.
Как видно из приведенных рисунков, за счет применения УДС формируемых на коротких периодах компенсации, появляется возможность передачи сигналов RoF со скоростью до 40 Гбит/с на расстояние до 100 км. Однако следует отметить, что полученные оценки параметров качества передачи справедливы лишь в первом приближении. Полученные оценки параметров ДК согласуются с зависимостью (4.3).
Зависимость Q-фактора для ДК типа «SMF+DCF» от длины сегмента LSMF и средней остаточной дисперсии на периоде ДК для скорости передачи 10 Гбит/с и протяженности ВОЛС 100 км. Q-fector
Основным ограничивающим фактором передачи сигналов RoF на базе УДС со скоростью 40 Гбит/с на расстояние 50 км, как показало моделирование, является взаимодействие солитонов. Таким образом, снизить влияние МСИ возможно за счет использования, как было показано в настоящей работе, ОВ с высокой нелинейностью или, как видно из рисунка 4.9, уменьшением периода ДК. Для ВОЛС с плотным УД протяженностью 100 км основным ограничивающим фактором являются потери в линии. Как показало численное моделирование, для ВОЛС протяженностью 100 км существует возможность улучшения характеристик передачи сигналов RoF реализуемая за счет подбора входной мощности сигнала, что эквивалентно выбору порядка солитона (см. рисунок 4.19). Поскольку важным условием выбора в рамках решения задачи реконструкции ВОЛП является соответствие длины сегмента ДК с ОВ типа SMF расстоянию между местами соединения строительных длин ОК, было выполнено моделирование с целью определения возможности улучшения параметров передачи сигналов RoF за счет подбора параметров последовательности УДС. N2=0 75 N2=1
