Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение кабельных вставок на волоконно-оптических линиях передачи 16
1.1. Основные тенденции развития современных оптических сетей связи 16
1.2. Оперативное восстановление волоконно-оптических линий передачи 20
1.3. Многолучевая интерференция в волоконно-оптических линиях передачи 27
1.4. Искажения оптических импульсов на изгибах одномодовых волокон 34
Выводы к главе 1 38
Глава 2. Исследование параметров отражения одномодовых оптических волокон 40
2.1. Исследование спектральных характеристик локальных отражений на стыках одномодовых волокон 40
2.2. Расчет спектральных характеристик локальных отражений на стыках разнотипных одномодовых волокон 50
2.3. Исследование спектральных характеристик обратного релеевского рассеяния одномодовых волокон 57
Выводы к главе 2 69
Глава 3. Моделирование искажений оптических импульсов в кусочно-регулярной волоконно-оптической линии передачи с многократными отражениями 71
3.1. Моделирование параметров искажений от многократных локальных отражений 71
3.2. Моделирование параметров искажений от двойного релеевского рассеяния и совместного действия локальных отражений и обратного рассеяния 89
3.3. Моделирование параметров искажений в волоконно-оптических линиях передачи с оптическими усилителями 101
Выводы к главе 3 110
Глава 4. Разработка требований к параметрам кабельных вставок 111
4.1. Стандарты на параметры отражений в главном оптическом тракте 111
4.2. Расчет допустимой многолучевой интерференции в главном оптическом тракте 113
4.3. Расчет допустимых параметров оптических кабельных вставок на регенерационных участках 117
4.3.1. Расчет для регенерационных участков без оптических усилителей 117
4.3.2. Расчет для регенерационных участков с сосредоточенными оптическими усилителями 123
4.3.3. Расчет для регенерационных участков с распределенными оптическими усилителями 127
4.4. Рекомендации по снижению многолучевой интерференции в волоконно-оптических линиях передачи с дисперсионным управлением 133
Выводы к главе 4 137
Глава 5. Моделирование искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых оптических волокон 138
5.1. Взаимодействие направляемого и излучаемого полей на макроизгибах одномодовых волокон 138
5.2. Моделирование искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых волокон 141
5.3. Расчет допустимых параметров макроизгибов одномодовых волокон в муфтах кабельных вставок 153
Выводы к главе 5 159
Заключение 160
Список использованной литературы
- Основные тенденции развития современных оптических сетей связи
- Исследование спектральных характеристик локальных отражений на стыках одномодовых волокон
- Моделирование параметров искажений от многократных локальных отражений
- Стандарты на параметры отражений в главном оптическом тракте
Введение к работе
Диссертация посвящена разработке и исследованию моделей регенерационных участков волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП) с кабельными вставками.
Современный этап развития сетей связи характеризуется устойчивой тенденцией к увеличению пропускной способности и протяженности оптических сетей. Наибольшая скорость передачи информации в одном оптическом канале в промышленных системах на данный момент составляет 40 Гбит/с, разрабатываются оптические системы передачи (ОСП) со скоростями 80 Гбит/с, 160 Гбит/с и выше. Применение технологии спектрального уплотнения каналов (WDM - Wave Division Multiplexing) позволило достичь общей пропускной способности до нескольких Тбит/с в одном оптическом волокне (ОВ). Одним из основных направлений развития волоконно-оптической технологии является эволюция в направлении полностью оптических сетей (AON - All Optical Networks) прозрачных относительно оптических каналов и форматов передачи информации.
В результате постоянного увеличения скорости передачи информации в оптическом канале все большие ограничения на протяженность регенерационных участков (РУ) ВОЛП начинают оказывать незначительные факторы искажений оптических импульсов, которые на предыдущих этапах развития не учитывались. К таким факторам относится поляризационно-модовая дисперсия (PMD - Polarization Mode Dispersion) и многолучевая интерференция (MPI - Multipath Interference). Если поляризационно-модовая дисперсия возникает из-за случайных отклонений конструктивных параметров ОВ, то многолучевая интерференция связана с наличием различного рода отражающих нерегулярностей в оптическом тракте ВОЛП.
При постоянном росте пропускной способности сетей связи перед операторами на передний план выходит задача обеспечения их
7 бесперебойной эксплуатации. Уязвимым местом современных ВОЛП является значительное время восстановления их работоспособности при повреждении линейного оптического кабеля (ОК), что может привести к серьезным финансовым потерям. В связи с этим при технической эксплуатации необходимо уделять особое внимание снижению времени восстановления линейных сооружений.
Руководящими документами Министерства связи РФ
регламентированы временная и постоянная схема восстановления ВОЛП при
повреждениях ОК с использованием оптических кабельных вставок (ОКВ).
Оптические кабельные вставки представляют собой ремонтные
строительные длины ОК, которые монтируются вместо поврежденных участков линейного ОК ВОЛП. Временная схема восстановления производится при помощи монтажа одноэлементных и многоэлементных ОКВ с использованием механических соединителей ОВ или оптических разъемов, что позволяет снизить время восстановления ВОЛП. Затем в установленные сроки осуществляется переход на постоянную схему восстановления путем замены временной ОКВ на постоянную.
Применение временной схемы восстановления ВОЛП приводит к увеличению количества соединений ОВ на РУ, которые производятся при помощи механических соединителей и оптических разъемов. Основным недостатком такого типа соединений является высокий уровень дискретного (локального) отражения в местах стыков ОВ.
За период эксплуатации ВОЛП возможна полная замена типов выпускаемых промышленностью ОВ, что может привести к необходимости использования разных типов ОВ в ОКВ и ВОЛП. Соединение разнотипных одномодовых ОВ обладает более высоким локальным отражением, поскольку в месте стыка ОВ происходит изменение параметров передачи сигнала и нарушение регулярности линии. Таким образом, ВОЛП с ОКВ приобретает кусочно-регулярную структуру и состоит из последовательных
8 соединений OB разных типов с многократными отражениями от стыков. В результате многократных отражений происходит многолучевое распространение (многолучевая интерференция) сигнала в ВОЛП, возникают встречный и попутный отраженные потоки.
В ВОЛП также имеет место и распределенное обратное релеевского рассеяния на микрофлуктуациях показателя преломления ОВ, которое ведет к росту встречного и попутного отраженных потоков излучения за счет однократного и двойного обратного рассеяния, взаимодействия потоков от локальных отражений и обратного рассеяния.
По времени задержки отраженного попутного потока относительно передаваемого сигнала различают когерентную и некогерентную многолучевую интерференцию. При когерентной интерференции временная задержка сравнима с длительность передаваемых оптических импульсов и возникает из-за отражений сигнала в оптических разъемах и других пассивных компонентах ВОЛП. Когерентная интерференция приводит к уширению передаваемых импульсов и преобразованию фазовых шумов лазерных источников в шумы относительной интенсивности излучения. Рассмотрению влияния на качество передачи информации когерентной интерференции посвящены работы Дж. Л. Джимллетта, Н. К. Чеунга, А. Ярива, М. Бретона, А. X. Султанова. Некогерентная многолучевая интерференция возникает за счет переотражений оптического излучения от мест соединений ОВ, за счет двойного обратного релеевского рассеяния и взаимодействия локальных отражений и обратного рассеяния. Данный тип многолучевой интерференции приводит к появлению мультипликативной помехи в оптическом канале связи. Исследованию некогерентной интерференции посвящены работы К. Флудгера, Р. Мирза, М. Ниссова, К. Роттвитта, Г. Агравала, М. Мартинелли и многих других.
Поскольку длины регулярных участков ОВ в ВОЛП с ОКВ составляют несколько десятков метров, то время задержки попутного потока
9 значительно превышает длительность импульсов современных ОСП, поэтому
к в результате отражений на РУ с ОКВ преобладает некогерентный тип
/ многолучевой интерференции.
Искажения оптических импульсов от многолучевой интерференции приводит к ухудшению качества передачи информации, поэтому для обеспечения бесперебойной работы ВОЛП необходимо разработать требования к параметрам ОКВ для проведения аварийно-восстановительных работ. С этой целью необходимо разработать математическую модель искажений оптических импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП с многократными отражениями, учитывающую взаимодействие потоков от локальных отражений и распределенного обратного релеевского рассеяния.
Для разработки рекомендаций по применению одномодовых ОВ других типов в ОКВ и ВОЛП, в связи с широким внедрением технологии WDM необходимо исследовать спектральные характеристики локальных отражений на стыках разнотипных ОВ и параметров обратного релеевского рассеяния.
При монтаже ОКВ места стыков ОВ защищаются при помощи оптических кабельных муфт, в которых витками выкладывается эксплуатационный запас ОВ для проведения монтажа. Изгибы ОВ являются нерегулярностями, приводящими к дополнительным потерям за счет излучения части направляемого поля в оболочку и внешнее защитное покрытие ОВ. Взаимодействие направляемого и излучаемого полей на нерегулярностях ОВ приводит также к искажениям передаваемых оптических импульсов за счет обратного преобразования излучаемого поля в направляемое с временной задержкой за счет различных путей и условий распространения. В зависимости от величины отклонения оси ОВ различают: микроизгибы ОВ, когда отклонения оси сопоставимы с поперечными размерами ОВ, и макроизгибы, когда отклонения оси намного превышают размеры ОВ.
Микроизгибы ОВ, как правило, носят случайный характер, и их распределение в основном определяется качеством изготовления ОВ. Математические модели искажений оптического сигнала на микроизгибах ОВ разработаны в работах Х.-Г. Унгера, Д. Маркузе, Г. Огуры и др.
Искажения оптических импульсов на макроизгибах ОВ возникают за счет отражения излучаемого поля от границы оболочка - защитное покрытие ОВ и обратного преобразования в направляемое поле. Экспериментальные исследования спектральных характеристик потерь на макроизгибах одномодовых ОВ, проведенное в работах Дж. Фаррелла, Т. Фреира, К. Ванга показало их осциллирующий характер, вызванный интерференцией между отраженным излучаемым и направляемым полями.
Главный оптический тракт протяженных ВОЛП может включать несколько десятков различных устройств, содержащих выложенный витками запас ОВ: соединительные муфты, оптические кроссы, модули компенсации дисперсии и т.д. В результате искажения сигнала на макроизгибах ОВ будут накапливаться вдоль длины ВОЛП. После проведения монтажа ОКВ за счет эксплуатационного запаса ОВ в устанавливаемых муфтах на РУ ВОЛП возрастает общая длина изогнутого ОВ, что может привести к возрастанию искажений оптических импульсов и ухудшению качества передачи информации. Для обеспечения бесперебойной работы ВОЛП необходимо разработать методику оценивания допустимых параметров макроизгибов ОВ в соединительных муфтах ОКВ. С этой целью требуется разработать математическую модель искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ.
В соответствии с вышесказанным задачи разработки и исследования моделей регенерационных участков ВОЛП с кабельными вставками, поставленные в диссертации, являются актуальными.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование моделей регенерационных участков ВОЛП с кабельными вставками и
разработка требований к параметрам кабельных вставок для различных типов регенерационных участков.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
Разработка рекомендаций по применению различных типов одномодовых ОВ в кабельных вставках.
Разработка математической модели искажений оптических импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП с многократными отражениями, учитывающей совместное действие локальных отражений и распределенного обратного релеевского рассеяния.
Разработка математической модели искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ.
Разработка требований к параметрам кабельных вставок для применения на различных типах регенерационных участков ВОЛП. При решении поставленных задач использовались методы теории
оптических волноводов, теории линий передач, теории связи мод диэлектрических волноводов, теории дифференциального и интегрального исчисления и численного моделирования. Во время исследований широко использовались численные методы, реализованные на ЭВМ с применением математического пакета «MATLAB».
Все основные научные положения, выводы и рекомендации, составляющие содержание диссертации, разработаны автором лично.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложены аналитические выражения для расчета параметров обратного релеевского рассеяния слаболегированных одномодовых ОВ с произвольным осесимметричным профилем показателя преломления.
Разработана математическая модель искажений оптических импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП при многократных отражениях,
12 учитывающая совместное действии локального отражения и распределенного обратного релеевского рассеяния.
Разработана математическая модель искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ.
Разработаны требования к параметрам кабельных вставок для различного типа регенерационных участков ВОЛП. Практическая ценность работы состоит в следующем:
Рекомендации по применению различных типов одномодовых ОВ в кабельных вставках.
Разработаны требования к параметрам кабельных вставок для различного типа регенерационных участков ВОЛП для применения при проведении аварийно-восстановительных работ.
Разработана методика оценивания допустимых параметров макроизгибов одномодовых ОВ в соединительных муфтах кабельных вставок.
Основные положения, выносимые на защиту:
Аналитические выражения для расчета параметров обратного релеевского рассеяния слаболегированных одномодовых ОВ с произвольным осесимметричным профилем показателя преломления.
Математическая модель искажений оптических импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП при многократных отражениях, учитывающая совместное действие локальных отражений и распределенного обратного релеевского рассеяния.
Математическая модель искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ.
Требования к параметрам кабельных вставок для различных типов регенерационных участков ВОЛП.
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях:
XI Российской научной конференции профессорско-
преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (Россия, Самара, ПГАТИ, 2004); III Международной научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Россия, Волгоград, ВолГУ, 2004); V Международной конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Москва); LX научной сессии посвященной Дню радио (Москва, МТУСИ, 2005), IV Международной технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». (Россия, Нижний Новгород, НГТУ, 2005). Научно-технической конференции «Волоконно-оптические системы и сети связи» (Москва, МТУСИ, 2004), III Международной научно-технической конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях» (Уфа, УГАТУ, 2005).
Основные результаты диссертационной работы представлены в 12 печатных трудах, включая 5 статей в научных изданиях, 7 тезисов докладов.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
В первой главе рассмотрены основные тенденции развития современных оптических сетей связи. Подробно рассмотрена технология восстановления ВОЛП с использованием одно- и многоэлементных, постоянных и временных ОКВ. Проведен анализ основных факторов приводящих к возникновению интерференционных искажений оптических импульсов на РУ ВОЛП с ОКВ. Выполненный в данной главе анализ основных факторов и причин появления искажений сигнала на РУ ВОЛП с ОКВ позволяет сформулировать основные задачи данной диссертационной работы.
Вторая глава диссертации посвящена разработке рекомендаций по применению разных типов одномодовых ОВ в кабельных вставках. Предложена эмпирическая формула расчета коэффициента локального отражения на стыках разнотипных слабонаправляющих одномодовых ОВ. Используя данную формулу, рассчитаны спектральные характеристики локальных отражений на стыках разных типов одномодовых ОВ ведущих мировых фирм. Выведены аналитические выражения для расчета параметров обратного релеевского рассеяния слаболегированных одномодовых ОВ с произвольным осесимметричным профилем показателя преломления. Точность выведенных формул оценивалась путем сравнения результатов расчетов по предложенным и строгим выражениям для стандартного одномодового ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления и находится в приемлемых пределах для практических расчетов. С помощью полученных формул, исследованы спектральные характеристики обратного рассеяния разных типов одномодовых ОВ ведущих мировых фирм. На основании полученных результатов даны рекомендации по использованию разных типов одномодовых ОВ в ОКВ для использования на РУ ВОЛП со стандартным одномодовым ОВ со ступенчатым ППП.
Третья глава диссертации посвящена разработке математической модели искажений оптических импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП с многократными отражениями, учитывающей совместное действие локальных отражений и распределенного обратного релеевского рассеяния. Для уменьшения объема вычислений предложено модифицировать известные из теории нерегулярных линий рекуррентные формулы. Предложены аналитические выражения для расчета коэффициентов многолучевой интерференции в кусочно-регулярной ВОЛП от двойного обратного релеевского рассеяния, обратного рассеяния отраженной мощности и отражения обратнорассеянной мощности. Разработан алгоритм расчета с использованием предложенных формул для расчета параметров
15 многолучевой интерференции на РУ ВОЛП с распределенными рамановскими ОУ. Оценка точности разработанной модели и алгоритмов проводилась путем сравнения результатов полученных предложенным методом и численным решением строгим методом для регулярной линии ВОЛП с локальными отражениями от концевых разъемов и находится в приемлемых для практических расчетов пределах.
Четвертая глава посвящена разработке требований к параметрам кабельных вставок для различных типов регенерационных участков ВОЛП. Подробно рассмотрены рекомендации ITU-T регламентирующие допустимые параметры главного оптического тракта (ГОТ) ОСП синхронной цифровой иерархии. Рассчитан допустимый коэффициент многолучевой интерференции для РУ ОСП синхронной иерархии. Для обеспечения бесперебойной работы ВОЛП с ОКВ разработана методика расчета допустимых значений коэффициента многолучевой интерференции на ЭКУ различных типов РУ: без ОУ, с сосредоточенными ОУ и распределенными рамановскими ОУ. Разработана методика оценивания допустимых параметров ОКВ для различных типов РУ ВОЛП. Даны рекомендации по использованию разработанных моделей и методик для оптимизации параметров оптического тракта РУ ВОЛП с дисперсионным управлением.
Пятая глава диссертации посвящена разработке математической модели искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ и методики оценивания допустимых параметров макроизгибов ОВ в соединительных муфтах ОКВ. На основе теории связи мод разработана модель искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ. На основе модели штрафов по мощности разработана методика расчета допустимых параметров изгибов ОВ в муфтах ОКВ.
В заключении перечислены основные результаты работы, имеющие научную и практическую ценность.
Основные тенденции развития современных оптических сетей связи
Текущий период развития сетей связи характеризуется следующими основными тенденциями: широкое внедрение дополнительных услуг и сервисов, бурное развитие сетей Internet и Intranet первого и второго поколений, конвергенция (сближение) стационарных и мобильных сетей связи, массовое внедрение передовых технологий высокоскоростных передачи пакетов данных [1-3, 12-14, 16-18, 22-27], последовательное движение к полностью оптическим сетям связи. По статистическим данным ежегодный прирост трафика на сетях передачи данных составляет до 50%. Для реализации этих тенденций необходимо резкое увеличение пропускной способности транспортных сетей. В настоящее время только развитие волоконно-оптической техники при построении сетей связи способно удовлетворить такие высокие запросы в объеме трафика.
Постоянное увеличение объемов передаваемой информации с одной стороны и научно-технический прогресс с другой ставят перед операторами связи задачи по организации оптических сетей сверхвысокой пропускной способности. Возможны следующие пути решения этой проблемы [1-3, 12-14,17,18]: 1. Увеличение количества оптических волокон (ОВ) в одном оптическом кабеле (ОК); 2. Увеличение скорости передачи на одной оптической несущей; 3. Использование нескольких оптических несущих для передачи в одном ОВ; 4. Замена электронных компонентов сети на их оптические аналоги.
Увеличение OB в одном OK приводит к значительному росту стоимости кабеля и имеет определенные пределы, что делает такой подход экономически неприемлемым при строительстве протяженных ВОЛП,
Увеличение скорости передачи в одном оптическом канале ведется при помощи технологии оптического временного уплотнения (OTDM - Optical Time Division Multiplexing). При использовании технологии OTDM цифровые потоки с низкой скоростью объединяется в одном групповом потоке, который передается оптическими импульсами ультракороткой длительности. Основные проблемы, связанные с внедрением данной технологии, обусловлены потребностью в высокоскоростных оптических генераторах, модуляторах, приемниках и регенераторах, которые способны работать в пикосекундном и фемтосекундном диапазонах. Кроме того, современные ОВ имеют значительную величину хроматической и поляризационно-модовой дисперсии, что не позволяет пока эффективно передавать ультракороткие импульсы.
Передача в одном ОВ нескольких несущих реализуется в технологии спектрального уплотнения (WDM - Wave Division Multiplexing), в которой несколько несущих одновременно передаются в ОВ на разных длинах волн с разностью от 200 ГГц...400 ГГц до 25...50 ГГц. Внедрение плотного (DWDM) и высокоплотного (HDWDM) спектрального уплотнения позволило достичь пропускной способности до 1,6...3,2 Тбит/с в отдельном ОВ. Такой подход в настоящее время наиболее широко используется при построении протяженных ВОЛП высокой пропускной способности.
В протяженных ВОЛП на замену электрическим регенераторам пришли оптические усилители (ОУ), которые позволяют увеличить дистанцию регенерации до нескольких тысяч километров при обеспечении широкой полосы пропускания сигнала. Происходит постепенный отказ от обработки сигнала в электрическом виде и переход к устройствам, работающим непосредственно с оптическим сигналом. Обработка сигнала в оптическом виде дает преимущество в сокращении времени коммутации и маршрутизации цифровых потоков, позволяет строить прозрачные сети по отношению к оптическим форматам сигналов. Такой тип обработки сигнала будет организован в полностью оптических сетях связи (AON - All Optical Network), для которых прототипы устройств уже созданы [1-3,16-18,24].
Наиболее перспективным путем построения оптических сетей связи сверхвысокой пропускной способности и протяженности является применение ОУ с распределенным усилением и использование технологии «дисперсионного управления» в ВОЛП при помощи чередования ОВ с положительной и отрицательной дисперсией в оптическом тракте. В этом случае ВОЛП состоит из последовательно соединенных участков ОВ с разными параметрами и имеет кусочно-регулярную структуру [2, 16, 26, 110 -112].
Поскольку самым дорогостоящим элементом ВОЛП остаются линейно-кабельные сооружения, то построение протяженных сетей с высокой и сверхвысокой пропускной способностью приводит к значительному ужесточению требований к характеристикам и надежности оптического линейного тракта. От современных ВОЛП требуется высокая надежность работы и стабильность характеристик в широком диапазоне длин волн [1,2-4,12-14,20, 41].
Постепенный переход к полностью оптическим сетям с одной стороны приведет неизбежно к появлению неоднородных по условиям передачи сигнала участков в оптическом тракте, а с другой стороны к возможности изменения структуры тракта путем проведения коммутации на физическом уровне.
Исследование спектральных характеристик локальных отражений на стыках одномодовых волокон
В месте стыка ОВ происходит изменение геометрических и материальных параметров направляющей среды, то есть имеет место локальная нерегулярность ВОЛП. При падении электромагнитных волн на стык ОВ часть энергии проходит через стык и распространяется затем в прямом направлении, а часть энергии отражается от места стыка в обратном направлении.
Количественно эффект отражения электромагнитной волны характеризуется при помощи коэффициента отражения [2, 14, 15, 30-37]: Ег P = Y (2ЛЛ) где ,и Ег - амплитуды напряженности электрического поля падающей и отраженных волн.
В общем случае коэффициент отражения отличается для электрических и магнитных составляющих поля волны и является комплексной величиной.
Согласно [38, 39, 49] для точки оптического тракта коэффициент дискретного (локального) отражения равен отношению отраженной (Рг) мощности оптического излучения к падающей (/ ) мощности: Л = 101о8(Р,// );ДБ. (2.1.2) Коэффициент дискретного (локального) отражения и коэффициент отражения электромагнитной волны связаны соотношением [5-Ю]: /? = 101оё/?2,дБ. (2-1-3)
Для современных ВОЛП характерны следующие особенности мест стыков ОВ: 1. Применяемые ОВ в основном являются одномодовыми и слабонаправляющими; 2. Протяженность регулярных участков ОВ превышает зону неустановившегося одномодового режима передачи излучения. 3. ОВ соединяются преимущественно методом сварки.
В современных ВОЛП основным способом соединения ОВ является метод сварки электрической дугой, в результате которого получается почти идеальный стык ОВ без воздушного зазора и геометрических рассогласований. Поэтому в рамках данной главы будет рассматриваться стык одномодовых ОВ, моделирующий сварное соединение.
При хорошем приближении к реальным условиям можно ограничиться следующими характеристиками стыка одномодовых ОВ (рисунок 2.1.1): 1. Соединяемые ОВ имеют идеально перпендикулярный и ровный скол; 2. Соединение ОВ производится без угловых и осевых рассогласований.
В общем случае задача о расчете электромагнитного поля в соединении регулярных волноводов включает решение задачи расчета поля для этих волноводов и задачи сшивания полей с учетом конструкции перехода. Строгое решение подобной задачи осложняется трудностью задания геометрических и материальных характеристик волноводного перехода в пространстве [2, 32,33].
Задача расчета коэффициента локального отражения может быть решена с использованием универсальных численных методов решения уравнений Максвелла. Таких как метод конечных разностей, метод конечных элементов и их различные модификации. Основным недостатком данных методов является большое количество вычислительных операций и значительные требования к ресурсам ЭВМ [98 - 100].
Для расчета отраженного поля от стыка планарных волноводов применяют метод мод свободного пространства (Free Space Radiation Mode -FSRM), а также метод сплит-операторов (Split-operator). Однако, в общем случае, методы анализа планарных волноводов нельзя обобщать на трехмерные системы, к которым относятся круглые диэлектрические волноводы. Различие в подходах объясняется связью коэффициента отражения и фазовой скорости мод. [31,36].
Для расчета отраженного поля в нерегулярных ОВ применяется метод наведенных токов, основанный на представлении стыковой неоднородности в виде источника тока в сердцевине ОВ. Недостатком данного метода является то, что простые аналитические выражения для расчета отраженного поля можно получить только для неоднородностей малых размеров и круглой формы, в остальных случаях требуется проводить большой объем вычислительных операций [4].
Широко применяемым методом расчета нерегулярных ОВ является метод на основе теории связи мод. В этом методе отраженное поле рассчитывают путем решения системы уравнений связи для вперед и назад распространяющихся мод. Основным недостатком данного метода является его простота реализации только для медленных изменений параметров нерегулярности ОВ [2, 4, 91, 92].
Моделирование параметров искажений от многократных локальных отражений
Величину встречного отраженного потока в ВОЛП характеризуют при помощи затухания отражения {ORL - Optical return loss) в заданной точке ГОТ. Затухание отражения определяется как отношение мощности излучения (Рг), распространяющегося в обратном направлении, к полной мощности вводимого излучения (/ ) [38,49]: ORL =-\0 \og(PT11]) (3.1.1)
Параметр, характеризующий степень искажений оптического сигнала от попутного отраженного потока, называют коэффициентом многолучевой интерференции (MiV-multipath interference), который в заданной точке ГОТ (L) равен отношению мощности отраженного излучения (Pfr(L)), распространяющегося в прямом направлении к полной мощности передаваемого сигнала (PV(L)) [16,101,102, 104, 108]: MPI = \0\og(Pfr(L)/Ps(L)) (3.1.2)
Для разработки методики расчета параметров ORL и MPI, вызванных многократными дискретными (локальными) отражениями сигнала от стыков ОВ в ВОЛП с ОКВ, рассмотрим кусочно-регулярную ВОЛП, состоящую из последовательно соединенных N-1 регулярных участков одномодовых ОВ, соединенных N отражающими стыками, рисунок 3.1.1.
Численное моделирование параметров нерегулярных ВОЛП можно провести с использованием универсальных методов решения уравнений Максвелла, которые позволяют точно рассчитать распределение электромагнитного поля световода в заданной точке, удаленной от источника излучения на определенное расстояние, в заданном интервале времени. К данным методам относятся: метод конечных разностей в частотной области, метод конечных разностей во временной области, метод конечных элементов, метод волновых пакетов (wavelets), метод моментов и их разнообразные модификации.
Метод конечных разностей во временной области {FDTD - Unite difference time domain) является универсальным методом и в общем случае справедлив для решения практически любых задач. В основе метода лежит замена дифференцирования по времени в уравнениях Максвелла конечными разностями. Таким образом, приводят их к итерационным выражениям, вычисления по которым производятся по пространственной и временной сетке. Поскольку время вычислений в данном методе пропорционально объему анализируемого пространства, то данный метод очень требователен к ресурсам ЭВМ. Поэтому данный метод эффективен при моделировании устройств интегральной оптики, размеры которых исчисляются микронами, и совершенно не пригоден для расчета протяженных ВОЛП [2, 7, 100].
Схожие проблемы возникают при реализации моделирования нерегулярной ВОЛП и другими универсальными методами: методом конечных разностей в частотной области, методом конечных элементов, методом моментов и методом волновых пакетов.
Одним из наиболее широко применяемых методов моделирования распространения электромагнитной волны в неоднородной среде является матричный метод. В данном методе среда разделяется на однородные области, в которых условия распространения волны можно считать постоянными. В таких областях получают точные решения уравнений Максвелла, а общее решение волнового уравнения получается согласованием решений в соседних областях, для этого векторные компоненты поля связываются при помощи матрицы на границах однородных участков. Общая матрица передачи линии образуется произведением матриц для однородных участков. Матричный метод является достаточно универсальным и применяется в основном для моделирования волоконно-оптических устройств и датчиков. Применение данного метода для моделирования протяженных нерегулярных ВОЛП неэффективно, поскольку матричный метод предъявляет очень высокие требования к вычислительным ресурсам ЭВМ, так как в нем необходимо многократное проведение прямого и обратного преобразований Фурье при согласовании полей [2].
Метод связанных мод предназначен для расчета распространения оптического излучения в нерегулярном ОВ с незначительными изменением технологических параметров вдоль оси ОВ. Моделирование в данном методе производится путем решений системы уравнений связанных мод, которая получается из уравнений Максвелла подстановкой разложения полей мод возбужденного ОВ. В общем случае эта система не имеет аналитического решения, а достаточно простые выражения получаются только для случаев очень малых и плавных изменений параметров ОВ [2, 4, 21, 92]. Очевидно, что данный метод не подходит для анализа кусочно-регулярных ВОЛП, поскольку не позволяет учесть резких изменений параметров линии на стыках одномодовых ОВ различных типов.
В теории линий передачи известны методы, основанные на использовании рекуррентных соотношений для эквивалентных параметров передачи и отражения в линии. Данные методы основаны на представление передаваемого сигнала и параметров линии в частотной области. Эти методы хорошо разработаны для электрических кабельных линий передачи и волноводных устройств СВЧ с локальными нерегулярностями и позволяют эффективно рассчитывать параметры нерегулярных направляющих сред. Однако данные методы не учитывают специфических условий распространения оптических импульсов в нерегулярных ВОЛП, поэтому наиболее перспективна задача адаптации данного подхода для кусочно-регулярных ВОЛП.
Стандарты на параметры отражений в главном оптическом тракте
В настоящее время в большинстве протяженных ВОЛП высокой пропускной способности для увеличения длины регенерационного участка (РУ) применяются оптические усилители (ОУ).
В ОУ производится непосредственное усиление сигнала в оптическом виде без преобразования в электрическую форму. Применение ОУ в ВОЛП позволяет многократно увеличить длину РУ за счет компенсации потерь сигнала на ЭКУ включением ОУ в ГОТ, которые восстанавливают начальный уровень мощности сигнала, рисунок 3.3.1. Это позволяет значительно сократить общие затраты на дорогостоящие оптоэлектронные компоненты ВОЛП.
На данный момент наиболее широко используются ОУ, где активным элементом является ОВ специального или стандартного типов (рисунок 3.3.2), в которое через спектральный (WDM) разветвитель вводится сигнал накачки и за счет нелинейных эффектов происходит перераспределение энергии между накачкой и сигналом.
По способу реализации волоконные ОУ подразделяются на: 1. Дискретные (сосредоточенные) ОУ, представляющие собой отдельные устройства, которые в виде модулей размещают в оконечных и промежуточных пунктах ВОЛП; 2. ОУ с распределенным усилением, в которых усиление сигнала производиться непосредственно в ОВ линейного ОК.
В сосредоточенных ОУ применяется ОВ специального типа, которое легировано редкоземельными элементами, что, позволяет получать нужную амплитудно-волновую характеристику усиления в рабочем диапазоне длин волн.
Также активное OB может одновременно использоваться и для компенсации накопленной хроматической дисперсии в ВОЛП. Для этого применяется ОВ с отрицательной дисперсией. Данные типы ОВ из-за высокой степени легирования имеют большие потери от релеевского рассеяния, что может привести к индуцированию существенной дополнительной многолучевой интерференции в сосредоточенных ОУ.
Наиболее широко в настоящее время для усиления сигналов в диапазоне длин волн 1550 нм используют сосредоточенные ОУ на основе ОВ легированного эрбием (ОУ EDFA).
Поскольку сосредоточенные ОУ не оказывают влияния на параметры распространения оптических импульсов на ЭКУ, то моделирование искажений сигнала от многолучевой интерференции в ВОЛП с ОКВ и сосредоточенными ОУ не требует каких-либо изменений.
В ОУ с распределенным усилением сигнал накачки подается через WDM-разветвитель в ОВ линейного ОК, где происходит непосредственно усиление сигнала. В настоящее время наиболее широко на сетях связи применяют распределенные ОУ на основе эффекта вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния. Основным преимуществом данных ОУ являются: низкий уровень вносимого шума от спонтанной эмиссии и достаточно ровная амплитудно-волновая характеристика в широком диапазоне длин волн. Данные тип ОУ находит наибольшее применение на протяженных и сверх протяженных транснациональных ВОЛП..
При использовании распределенных ОУ параметры распространения оптических импульсов на ЭКУ изменяются, поскольку происходит активный обмен энергией между накачкой и сигналом. Поэтому при расчете искажений сигнала от многолучевой интерференции на ВОЛП с ОКВ и распределенными ОУ необходимо учитывать изменение параметров передачи сигнала в ОВ. Для этого необходимо провести адаптацию разработанной математической модели искажений импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП для ОСП с распределенными ОУ.
В распределенных рамановских ОУ (РРОУ) мощности сигнала (Ps(z)) и накачки (Pr(z)) связаны системой дифференциальных уравнений [8, 16]: (3.3.1) где а и а,, - коэффициенты затухания ОВ на длинах волн сигнала и накачки, соответственно; gl{ - коэффициент рамановского усиления на длине волны сигнала; АС(Г - эффективная площадь основной моды OB; Ps(z) и Pp(z) мощности сигнала и накачки, соответственно.
В подавляющем числе ВОЛП с РРОУ применяется встречная схема накачки, при которой излучение накачки вводится с конечной точки ЭКУ, что позволяет снизить искажения сигнала от воздействия нелинейных эффектов ОВ. Поэтому в дальнейшем рассматривается изменение параметров передачи ОВ в ВОЛП с встречной схемой накачки РРОУ.
В большинстве современных ОСП со спектральным уплотнением суммарный уровень мощности передаваемого сигнала в ГОТ не превышает 26дБм [88]. Поэтому при решении системы (3.3.1) можно пренебречь истощением накачки в ВОЛП.
