автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методов повышения помехозащищенности высокоскоростных цифровых волоконно-оптических систем передачи

Г Г Б СА

13 0;;.Т ь.....>

Шиянов Вадим Анатольевич

На правах рукописи

Исследование и разработка методов повышения помехозащищённости высокоскоростных цифровых волоконно-оптических систем передачи

Специальность:

- 05.12.13 Системы и устройства радиотехники и связи

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск 1998

Работа выполнена на кафедре многоканальных и оптических систем передачи Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент СибГУТИ, Заславский К.Е.

Научный консультант - кандидат технических наук, заведующий

кафедрой МС и ОС, и.о. профессора СибГУТИ, Попов Г.Н.

Официальные оппоненты: Коваленко Е.С., доктор физико-

, ; . математических наук, профессор ТАСУТ

Гужов В.И., кандидат технических наук, доцент кафедры оптических информационных технологий, НГТУ

Ведущее предприятие указано в протоколе заседания специализированного совета

Защита диссертации состоится " 29 " октября 1998 г, в часов, ш

заседании специализированного совета Д 118.07.01 в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу 630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГУТИ.

Автореферат разослан

. 1998 г

Учёный секретарь специализированного совета к.т.н., профессор

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСГТ) позволило в последние годы резко увеличить объём передаваемой информации. В настоящее время наибольшая скорость передачи 10 Гбит/с реализована в СП STM - 64 . Дальнейшее увеличение скорости передачи информации ограничено быстродействием электронных схем обработки сигналов. Основной тенденцией в области оптической связи является исследование и разработка электронно-оптических и полностью оптических устройств позволяющих заменить электронные устройства обработки информации. В первую очередь это относится к линейным регенераторам и мультиплексорам ввода-вывода.

Для более полного использования широкополосности ОВ и увеличения объёма передаваемой информации используются технологии временного уплотнение каналов ( TDM) и спектрального уплотнения (WDM). Сочетание временного и спектрального уплотнения каналов позволит в перспективе получить скорости передачи информации порядка сотен Гбит/с .

Применение высокоскоростных СП позволяет повысить эффективность использования оборудования и оптического волокна, снизить стоимость канала связи и удовлетворить возрастающие потребности в создании быстродействующих сетей доступа и транспортных магистралей. Одним из основных параметров характеризующих эффективность системы передачи (СП) является её помехозащищённость. Помехозащищённость СП оценивают с помощью порога чувствительности фотоприёмного устройства (ФПУ). Порог чувствительности (ФПУ) - минимальная средняя мощность на приёме, при которой в заданной полосе частот сохраняется заданное отношение сигнал/помеха. В зависимости от порога чувствительности выбирается длина участка связи или максимальная скорость передачи. Уменьшение порога чувствительности позволяет увеличить длину участка связи или увеличить

скорость передачи информации и в конечном итоге повысить эффективность использования СП.

Применение высокоскоростных ВОСП требует создания принципиально новых устройств обработки информации. Многие проблемы еще не решены или их решение не оптимально. Основные из них изложены ниже.

1. При скоростях передачи 10 Гбит/с и выше электронную схему ФПУ необходимо рассматривать как цепь с распределёнными параметрами. Поэтому необходим новый подход к проектированию ФПУ , расчёту шумов ФПУ и оптимизации порога порога чувствительности.

2. Применение волоконно-оптических усилителей (ВОУ) позволило компенсировать потери в оптическом волокне (ОВ) и увеличить дальность связи. Однако при использовании ВОУ возникает шум, связанный с усиленной спонтанной эмиссией (УСЭ), который влияет на помехозащищённость СП. Необходимо оценивать величину шума УСЭ и находить условия, при которых этот шум минимален.

ВОУ характеризуются неравномерной спектральной характеристикой усиления. Если в СП со спектральным уплотнением каналов используется несколько оптических усилителей, необходимо устройство, выравнивающее характеристику усиления.

3. При скоростях передачи 10 Гбит/с и выше главным фактором ограничивающим произведение скорости передачи на длину участка связи (ВЬ) является не затухание ОВ, а его дисперсия. Дисперсия приводит к уширению импульсов ч, как следствие, к межсимвольным помехам. Для увеличения длины участка связи или скорости передачи необходимы устройства компенсирующие, дисперсию ОВ.

4. В СП со спектральным уплотнением для объединения или выделения каналов используются оптические мультиплексоры / демультиплексоры, основными элементами которых являются оптические фильтры. Одной из основных проблем является реализация таких фильтров, которые позволили бы

минимизировать перекрёстные искажения между каналами и хорошо согласовывались с ОВ.

Цель работы

Основная цель диссертации - исследование и разработка методов повышения помехозащищённости ВОСП, определение порога чувствительности оптического приёмного устройства, исследование факторов ухудшающих порог чувствительности ФПУ и повышение помехозащищённости ВОСП методами оптимизации и синтеза отдельных устройств по критерию минимизации шумов.

Для достижения поставленной цели необходимо разработать единый подход к оценке помехозащищённости СП и расчёту порога чувствительности. Исследовать источники шумов в вышеперечисленных устройствах, разработать методы и схемы включения, минимизирующие эти шумы. Методами синтеза и анализа разработать принципиальные схемы устройств по критерию минимизации шумов.

Методы исследования

При исследовании порога чувствительности фотоприёмного устройства использовались методы теории линейных электрических цепей, для оценки шумов использовалась гауссова аппроксимация распределения помех. При рассмотрении распространения света по ОВ использовалась теория распространения ЭМВ в диэлектрических волноводах.

При исследовании фильтров на основе волноводных структур использовалась теория связанных мод в связанных волноводах и теория связанных мод в структурах с распределённой обратной связью (РОС).

Научная новизна

Новыми являются следующие результаты.

1. По критерию минимизации шумов синтезирована входная цепь ФПУ. Для улучшения согласования между фотодиодом (ФД) и предварительным усилителем (ПУ) предложено включить согласующее звено. Найдено аналитическое выражение для значения согласующей индуктивности. В результате согласования по шумам, отношение сигнал/помеха, приведённое ко входу предварительного усилителя, возросло на 3 - 5 дБн в зависимости от типа транзистора и его шумовых параметров.

2. Для систем передачи ЯТМ 16 и выше предложено рассматривать ФПУ как цепь с распределёнными параметрами. Такой подход позволяет не только правильно рассчитать шумы схемы, но и предпринять меры для компенсации влияния между электродных и монтажных емкостей. Для приёмного оптического модуля СП 8ТМ-64 был рассчитан порог чувствительности, исследованы факторы его ухудшающие, синтезирован согласующий четырёхполюсник, позволяющий согласовать сопротивление ФД и входное сопротивление ПУ в широкой полосе частот. Тем самым устранялись шумы вызванные отражением от входа обратной волны. Согласующий четырёхполюсник представлен как односторонне нагруженный ФНЧ 4 порядка, включающий в себя паразитные элементы ФД. Включение согласующего четырёхполюсника позволило на 15 - 20 % снизить порог чувствительности приёмного оптического модуля.

3. Предложена методика расчёта порога чувствительности для ВОСП с волоконно-оптическими усилителями (ВОУ), для трёх схем включения ВОУ. Показано, что при включении ВОУ в качестве предусилителя необходимо использовать узкополосный оптический фильтр, рассмотрены требования к спектральной характеристики фильтра, исследованы факторы ухудшающие помехозащищённость СП и предложены методы оптимизации порога чувствительности.

4. Предложен новый подход к синтезу оптических фильтров на основе связанных волноводов. Для уменьшения уровня боковых лепестков, было

предложено ввести зависимость коэффициента связи к от продольной координаты. В результате синтеза оптических фильтров на основе связанных волноводов по заданной зависимости коэффициента связи к(г) уровни боковых лепестков удалось снизить на 10 дБм ( от -10 до -20 дБм), что делает пригодным использование таких фильтров в СП со спектральным уплотнением каналов. Также была найдена функция физического разделения волноводов В(г), позволяющая реализовать заданную к(г). Аналогичные результаты были получены для оптических фильтров на основе Брэгговской дифракционной решётки (ДР), сформированной в сердцевине ОВ.

5. Рассчитаны отношение/сигнал помеха на выходе оптического п - канального оптического демультиплексора и проигрыш в пороге чувствительности из-за межканальных помех для разных схем демультиплексоров и оптических фильтров, используемых в составе демультиплексоров. Исследовано влияние разноса между оптическими несущими соседних каналов и ширины спектральной линии источника излучения на отношение сигнал / помеха и проигрыш в пороге чувствительности.

6. На основе перестраиваемого фильтра МЦ была предложена принципиальная схема оптического корректора (ОК), сглаживающего спектр усиления ВОУ. Особенность схемы позволяет изменять характеристику пропускания корректора при изменении прикладываемого напряжения, что делает предложенную конструкцию достаточно универсальной. Неравномерность усиления ВОУ после включения ОК не превышала 1-2 дБ в полосе 1.53-1.56 мкм.

7. Для компенсации дисперсии ООВ на длине волны 1.55 мкм, предложено использовать устройство компенсации дисперсии на основе Брэгговской дифракционной решётки с линейно изменяющимся периодом, сформированной в сердцевине ОВ. Рассчитаны параметры устройства: полоса пропускания, величина создаваемой дисперсии ( противоположной по знаку дисперсии ОВ),

функция изменения периода ДР по длине устройства, разработаны схемы включения устройства.

Практическая ценность работы

1. На основе компьютерного моделирования разработана математическая модель фотоприёмного устройства . Программа позволяет имитировать прохождение сигнала через линейный оптический тракт и устройства ФПУ. На основе Фурье анализа получены спектральная и импульсная характеристика сигнала на выходе ФПУ. Производится расчёт оптимального коэффициента лавинного умножения (М) (для ЛФД), допустимого, с точки зрения увеличения шума, сопротивления обратной связи ( R<,c ), порога чувствительности ФПУ при разных начальных условиях: скорость передачи, хроматическая дисперсия ОВ, тип фотодиода, транзистора входного каскада, тип фильтра.

2. Получены численные значения интегралов Персоника для различных типов фильтров, учитывающие влияние функции передачи ФПУ на порог чувствительности.

3. На основе синтеза по критерию минимизации шумов получены принципиальные схемы устройств согласующих фотодиод и предварительный усилитель.

На основе результатов диссертационной работы созданы 2 компьютерные лабораторные работы используемые в учебном процессе и программы по расчёту порога чувствительности ФПУ на языке Турбо Паскаль, применяемые в курсовом проектировании.

Реализация и внедрение результатов исследования

1. На основе результатов диссертационной работы создана программа в среде Mathcad б. О Plus, моделирующая работу ФПУ. Программа позволяет при заданной скорости передачи найти форму импульса на входе ФПУ, имитирует работу основных узлов ФПУ: предусилителя, усилителя-корректора, фильтра. Рассчитываются функция передачи ФПУ для двух схем ПУ: с 8

трансимпедансным усилителем (ТИУ) и интегрирующим усилителем (ИУ), при использовании полевого или биполярного транзисторов, двух типов фильтров: "приподнятый косинус" и ФНЧ Батгерворта п - го порядка. Рассчитываются интегралы Персоника, характеризующие влияние функции передачи ФПУ и формы входной посылки на порог чувствительности. Рассчитывается порог чувствительности ФПУ для всех комбинаций элементов и схем для случая p-i-n ФД и лавинного фотодиода. Рассматриваются спектральные плотности шумов, оптимизационные алгоритмы по уменьшению порога чувствительности ФПУ. С помощью Фурье анализа вычисляются импульсные характеристики фильтров и форма импульса на выходе ФПУ.

2. Проведён эксперимент по повышению помехозащищённости приёмного оптического модуля ВОСП " Сопка - 3 " ( ИКМ - 480/5 ). В схему ПУ была добавлена согласующая индуктивность, теоретически обоснованная в разделе 1.2. В результате на 2 дБ можно понизить уровень входного сигнала при прежней вероятности ошибки ( 10"9).

3. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс. Апробация работы

Результаты, полученные в работе на разных этапах её выполнения докладывались и обсуждались на НТК " Информатика и проблемы телекоммуникаций ", г. Новосибирск 1995 - 1998 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ. Структура диссертации

Диссертация состоит из Введения, 4-х глав, Заключения, библиографии и приложений. Основной текст содержит 150 страниц текста и 62 иллюстрации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика расчёта порога чувствительности ФПУ

2. Оптимизация порога чувствительности методами синтеза и анализа цепей

3. Методика расчёта порога чувствительности оптической системы передачи, использующей оптические усилители

4. Оптимизация порога чувствительности ВОСП с ВОУ методами анализа схем включения и требований к устройствам

5. Синтез оптических фильтров на базе связанных волноводов и дифракционных решёток показателя преломления

Краткое содержание диссертации

Во Введении рассматривается современное состояние в области волоконно-оптической связи, анализируются основные направления развития; обосновывается актуальность работы, формулируются цели и задачи исследования; указываются структура и содержание диссертационной работы.

Первая глава посвящена исследованию порога чувствительности ФПУ и разработке методов, повышающих отношение сигнал / помеха на входе электронного усилителя.

При исследовании порога чувствительности принята гауссова аппроксимация шумов. Вероятность ошибки при передаче информации определяется вероятностью принятия ложного сигнала о наличии "1" во время передачи "О" ( или наоборот):

где:

ю

э, и б0 - математические ожидания сигналов при передаче "1" и "О" соответственно, а - среднеквадратическое значение шумового тока фотоприёмного устройства (ФПУ). Средняя мощность, полученная приёмным модулем равна:

Р = Р.Р/ +РОО-А)

где, р1 - вероятность принятия "1" в заданном интервале времени. Для большинства импульсных кодов р1 = 0.5 , поэтому можно записать:

Р = (Р,+ Р0)/2

Учитывая предыдущие выкладки, запишем выражение для определения средней мощности сигнала на приёме:

Р = (0/М8)л/стТ (1)

где, 5 - чувствительность фотодиода, [А/Вт], М - коэффициент лавинного умножения ( для р-1-п ФД М = 1 ). Выражение (1) определяет порог чувствительности ФПУ - минимальную среднюю мощность сигнала на приёме, при которой в заданной полосе частот, сохраняется заданное отношение сигнал / помеха.

В разделе 1.1 исследовались источники шумов в ФПУ, найдено аналитическое выражение для порога чувствительности ФПУ с р-1-п ФД и ЛФД, найден оптимальный коэффициент лавинного умножения для ЛФД и вычислены интегралы Персоника, характеризующие влияние передаточной характеристики фильтра на порог чувствительности ФПУ, рассмотрены условия при которых порог чувствительности минимален.

В разделе 1.2 исследовались условия согласования по шумам ФД и предварительного усилителя (ПУ). Условие согласования имеет вид:

п

КеЪ1 = Яе Ъъ 1т Т1 = -1т Ъъ

где, XI и Ъз - входные импедансы источника сигнала и нагрузки. Мнимая часть входных импедансов ФД и ПУ имеет емкостной характер. Для выполнения условия согласования было предложено включить между ФД и ПУ согласующую индуктивность. В результате анализа входной цепи ФПУ было найдено аналитическое выражение для отношения сигнал/помеха, приведённого ко входу ПУ. Значение согласующей индуктивности выражалось из условия минимизирующего шумы входной цепи:

где, - Уф + рСф , §2 = 1 / рЬ - проводимости ФД и согласующей индуктивности.

Далее в работе было показано, что при включении согласующей индуктивности отношение сигнал/помеха приведённое ко входу усилителя улучшалось на 4 - 6 дБ в зависимости от типа транзистора входного каскада усиления. В разделе 1.3 исследовалось ФПУ для СП ЯТМ-64. Для согласования входного сопротивления усилителя и сопротивления фотодиода было предложено согласующее устройство, которое можно представить как односторонне нагруженный ФНЧ без потерь. В результате синтеза была реализована схема 4 порядка, позволяющяя в широкой полосе частот согласовать сопротивление ФД с входным сопротивлением ПУ. Тем самым устранялись шумы вызванные отражением от входа обратной волны. Передаточная функция фильтра определялась из выражения:

Н(р)= и8хЦу/1ф

(2)

Для нахождения элементов фильтра, выражению (2), был поставлен в соответствие аппроксимирующий полином 4 - го порядка:

Н(р) = Ь0 / (р" + а3 р3 + а2 р: + ах р + аа )

где, а,- - коэффициенты полинома, зависящие от вида аппроксимации. Далее были найдены элементы схемы, которые включают в себя ёмкость ФД и индуктивность выводов ФД. При анализе шумов было предложено рассматривать ФПУ как цепь с распределёнными параметрами. Такой подход позволяет не только правильно рассчитать шумы схемы , но и предпринять меры для компенсации влияния м еждуэлектродных и монтажных емкостей. Для приёмного оптического модуля СП STM-64 был рассчитан порог чувствительности, исследованы факторы его ухудшающие. Включение согласующего устройства между ФД и ПУ позволило на 15 - 20 % повысить помехозащищённость ФПУ.

Во второй главе исследовалась помехозащищённость ВОСП содержащих волоконно-оптические усилители (ВОУ). Рассматривалось влияние схем включения (ВОУ) в линейный тракт на порог чувствительности ФПУ. Шумы эрбиевого оптического усилителя вызваны усиленной спонтанной эмиссией, спектральная плотность шума которой равна :

SOT = ( G - 1 ) Псп hv где, G - коэффициент усиления ВОУ, псп - коэффициент инверсии : ttcn = N2/(N2-N,)

где, N2 и N] - концентрации электронов на верхнем и нижнем энергетических уровнях. Эффект спонтанного излучения вызывает флуктуацию усиливаемого сигнала, которая преобразуется в флуктуацию тока в процессе фотодетектирования. Шумовые свойства ВОУ можно оценить с помощью

среднеквадратической мощности шума биений сигнал - спонтанная эмиссия и спонтанная эмиссия - спонтанная эмиссия:

с:с-сэ= S Ч PnpG Псп (G - 1) h v Д£л

с?2о-сэ = S24псп2 (G- 1)г(hv)2AfMAf0

где, Рпр - средняя мощность принимаемого сигнала, hv - энергия фотона, ДГа1 -электрическая полоса пропускания ФПУ, Af0 - полоса усиленной спонтанной эмиссии или в случае оптической фильтрации, полоса пропускания оптического фильтра. При расчёте порога чувствительности ВОСП с ВОУ также использовалась Гауссова аппроксимация шумов.

В разделе 2.1 были рассмотрены шумы ВОУ связанные с усиленной спонтанной эмиссией, в разделах 2.2 - 2.3 были исследованы схемы включения ВОУ в линейный тракт и найден порог чувствительности. Наименьший порог чувствительности оказался в схеме с линейным усилителем и усилителем мощности. Было установлено, что включение ЛФД вместо p-i-n ФД в схеме с оптическим предусилителем не увеличивает порог чувствительности ФПУ, однако снижает оптимальный коэффициент усиления G. Порог чувствительности в схеме с оптическим предусилителем ограничен шумами биений сигнал - спонтанная эмиссия и спонтанная эмиссия - спонтанная эмиссия. Для ограничения мощности шума биений спонтанная эмиссия -спонтанная эмиссия необходимо использовать огггический полосовой фильтр (ОПФ), ограничивающий полосу усиленной спонтанной эмиссии. Требования к полосе пропускания найдены в разделе 2.3. В схеме с линейными усилителями порог чувствительности ограничен электронными шумами, но шумы связанные с ВОУ накапливаются с увеличением каскадов усилителей. При определённом числе ВОУ шумы оптического усилителя становятся соизмеримы с электронными шумами схемы. В этом случае также необходимо включение оптического фильтра на приёме.

При использовании ВОУ в качестве усилителя мощности на передаче порог чувствительности ограничен электронными шумами схемы. Потенциально при этом включении порог чувствительности ФПУ минимален. Однако нелинейность ОВ ограничивает величину коэффициента усиления ВОУ до ~ 10 -15 дБ и не позволяет реализовать большую длину участка связи. В третьей главе исследовалась помехозащищённость ВОСП со спектральным уплотнением каналов и разрабатывались оптические компоненты линейного тракта высокоскоростных систем передачи, позволяющие повысить помехозащищённость ВОСП.

В разделе 3.1-3.2 рассмотрено распространение электромагнитных волн в одномодовом оптическом волокне (ООВ) и найдено электрическое поле оптического импульса на выходе ООВ длиной Ь (на входе ФПУ):

где, а - километрическое затухание ОВ, /? (&) - постоянная распространения моды в ОВ.

Е0 (г) - электрическое поле сигнала на входе ОВ. Решение (3) имеет вид :

где, То - полуширина импульса на входе ОВ по уровню 1/е, Р"((о) - вторая производная от постоянной распространения моды по ОВ. В разделе 3.3 исследуются шумы связанные с перекрёстными помехами между каналами, возникающие в оптическом демультиплексоре при разделении световых потоков. В пункте 3.3.1 рассматриваются оптические фильтры на

Е,(0 = —— J Е0(а>)ехр(-аЬ)ехр[]{со1 - ¡5{со)Щ(\(о (З)

Е0 (а)= | £0 (() ехрОт г) Л

Е, (I) = &ехр(- аЬ) ехр (- ?/2(Т02 -]Р"((о)1)

основе резонатора Фабри-Перо (ФП). При описании резонатора ФП использовался формализм матрицы рассеяния для плоских волн, проходящих через слоистую оптическую среду. Амплитуды падающих и отражённых волн связаны соотношениями:

Ь2 = а] + Б» а2

где а;, а2 - амплитуды падающих волн, Ь;, Ь^ - амплитуды отражённых волн, - элементы матрицы рассеяния. Показано, что матрица рассеяния резонатора Фабри-Перо, состоящего из двух параллельных зеркал имеет вид :

"-(Л-^ехр(-уЭД) -/,/2 ехр(~/<р)

е?фН<Р) ~(Г2 - гх ехр(-./2р))_

где, 1"1 , - амплитудные коэффициенты отражения зеркал, /; , О коэффициенты пропускания зеркалу-фаза волны связанная с постоянной распространения: <р=[1Ь . Мощность волны прошедшей через резонатор составляет:

I Ь3\ 2 = | а,? " \Ь1\г-(11Ь)2\а,\^[Ц-г2п?+4г1Г1*т2(<рП (4)

В пункте 3.4.3 исследуется влияние величины разноса между оптическими несущими соседних каналов А на помехозащищённость ВОСП со спектральным уплотнением каналов. Если спектры соседних каналов не перекрываются, то они являются взаимно ортогональными и отношение сигнал/помеха на выходе фильтра ФП можно оценить по формуле:

1- ехр(-/2<р)

V 1=1 ¿-Л

где,

со ~<х>

SjßJ - спектр / - канала на входе фильтра, Iß) - спектральная характеристика фильтра ФП, выделяющего канал подверженный влиянию, i = 1,2 ...k,j, п ... т -номера каналов.

Отношение S/N рассчитывалось для ширины спектра гауссова импульса 0.2 нм по уровню Не (0.17 нм по уровню половины мощности) и составило 20.5 дБм для разноса между оптическими несущими соседних каналов А = 2 нм. Далее определялся проигрыш в пороге чувствительности оптического приёмного устройства за счёт межканальных помех:

р"10IgtP>ß)I (p,ß) - JttfW +2>,2w }]

В разделе 3.4 исследовачись шумы связанные с перекрёстными помехами между каналами, возникающие в оптическом демультиплексоре на базе фильтров Маха - Цендера. В пункте 3.4.1 рассматривались спектральные свойства структур на основе интегрального интерферометра Маха - Цендера (МЦ). Напряжённость поля на выходе фильтра МЦ связана с напряжённостью аа входе:

Евыхф = Екхф >2 [ exp(j<p,j + exp(jip2)]

~де cp=ßL . Разность фаз, определяющая результат интерференции волн может

создаваться разностью длин плеч интерферометра AL или разницей в

юстоянных распространения Aß. Разность постоянных распространения можно

;оздать приложив постоянное напряжение к волноводам.

ia основе фильтров МЦ разработана принципиальная схема 8 канального

ттического мультиплексора / демультиплексора. По методике приведённой

!ыше рассчитывалось отношение сигнал/помеха на выходе канала

17

демультиплексора. Отношение рассчитывалось для ширины спектра

гауссова импульса 0.2 нм по уровню Не ( 0.17 нм по уровню половины мощности ) и составило 24.5 дБм для разноса между оптическими несущими соседних каналов Д = 1 нм. Также исследовалось влияние ширины спектральной линии источника излучение на помехозащищённость системы передачи. Далее был определён проигрыш в пороге чувствительности из-за перекрёстных помех между каналами для ряда значений ширины спектральной линии лазера.

В пункте 3.4.4 была разработана принципиальная схема перестраиваемого оптического корректора, включение которого позволяет сгладить неравномерность спектра усиления ВОУ. Для работы корректора предложено использовать элеюрооптический эффект. Спектральная характеристика устройства имеет вид:

Ьых = 1вх соя 2 А(р

где, 1вых и 1ех - интенсивности световых волн на входе и выходе корректора, А(р = к ЛЫ I / Я , разность фаз световых волн, I - длина плеч, ЛЫ= - т -разница показателей преломления, создаваемая прикладываемым к световодам напряжением. Перестройка спектральной характеристики корректора осуществляется за счёт изменения постоянного напряжения прикладываемого к световодам:

Л(р=2кгзз п/ (Ь/фи/ Л

где гзз - компонента тензора диэлектрической проницаемости среды, , Ь -длина электродов, с1 - расстояние между электродами и - приложенное напряжение.

Раздел 3.5 посвящен синтезу оптических фильтров на основе связанных волноводов." При исследовании волноводных структур использовалась скалярная теория связанных мод. Взаимодействие между модами в 18

расположенных близко волноводах описывается дифференциальными уравнениями:

c!q¡ ' dz - -J P¡ а, - jk¡2 (z) a2 (5)

da2f dz - -j p2 (¡2 -ihi (2) a¡ (6)

где к]2 (z) и кц (z) - коэффициенты связи мод между волноводами 1 и 2, a¡ и a¡ - амплитуды электрического поля волн. Решение дифференциальных уравнений искалось в виде зависимости мощности на выходе волноводов с длиной взаимодействия Lc от длины волны падающего света.

Lc = ги/ 2р0

где, ро = (к2+ (fli ~Рг)2 /4)1/2. Если коэффициенты связи не зависят от продольной координаты : k(z) = const, то решение уравнений (5), (6) для второго золновода при начальных условиях a¡(0)=-alo, a¡(0)=0 будет иметь вид:

Р2(Х) = аю 2(k/Pr/l))2 sin2 р0(Я)Ьс

•де, Р:(Я) = \ c¡2 (Л) j J - мощность волны на выходе 2-го волновода. Недостатком данной структуры является высокий уровень боковых лепестков. Синтез фильтров на основе связанных волноводов проводился по заданной ;ависимости коэффициента связи k(z). Целью синтеза было уменьшение уровня юковых лепестков фильтра в полосе непропускания при заданной ширине юлосы пропускания. Для этого было предложено ввести зависимость :оэффициента связи по длине устройства. Для получения аналитического решения структура с экспоненциальной зависимостью k(z) аппроксимировалась [абором N параллельных сегментов длиной Lc / N с соответствующими начениями fe, , совпадающими в точках пересечения с значениями функции (z). Сила связи выбиралась максимальной в середине структуры (ко ) и

экпоненциально спадала к краям. Амплитуды мод на выходе волноводов определялись из уравнения:

A(L)= ехр(-jßL)TA(O)

где, Т - Ты Тц-1 ...Т, Г/... Т^Тк полная матрица передачи, А(0) = ^ ^ J

матрица начальных амплитуд мод 1-го и 2 - го волноводов, N - число сегментов. Элементы матрицы передачи 7} равны :

В результате синтеза удалось снизить на 10 дБм ( от -10 до -20 дБм) уровни боковых лепестков при экспоненциальной зависимости k(z). Также была найдена функция физического разделения волноводов D(z), позволяющая реализовать заданную k(z).

В разделе 3.6 исследовались возможности синтеза фильтров на основе Брэгговской дифракционной решётки (ДР) показателя преломления, сформированной в сердцевине волокна. Взаимодействие световых волн в волноводе с периодичной модуляцией показателя преломления (1111) описывается уравнениями^ходными с уравнениями (5), (6) :

tm = cosßoiL - j(ß2-ßi)/2ß0i sinßoiL

tm = -jh/ßa sinßoiL

hl i - t]2i

tni = cosßoiL + j(ßs-ßi)/2ß0i sin ß0iL

(Li! dz = - jSA - jk(z) В exp(-j<p(z))

(7)

dB / dz = jSB •r jk(z) A exp(-j<p(z))

(8)

где, 8=Р~Ро отклонение от брэгговской длины волны, к - коэффициент связи между встречными волнами, <р - начальная фаза изменения ПП. Полное отражение в структуре наблюдается для световой волны подчиняющейся условию Брэгга:

Яб = 2 пеуЛ

где пе// - эффективный показатель преломления распространяющейся моды, Л -период ДР.

Для уменьшения уровня боковых лепестков предлагается ввести зависимость коэффициента связи от продольной координаты г . Этого можно добиться управляя интенсивностью засветки фоточувствительного волокна вдоль оси г, в процессе записывания ДР или вытягиванием стекловолокна с сформированной в нём однородной ДР вдоль оси г. В результате это приведёт к изменению Ап , от величины которого зависит коэффициент связи. Для перехода к одиночному дифференциальному уравнению вводится локальный коэффициент отражения гигнала г(г), равный :

г(г)= А(г)/ В (г) ехр (-]<р(г))

Решение (7), (8) ищется для граничного условия г(Ь'2) = 0. Введём новую переменную <т, которая подчиняется условию:

г (г) = о ехр(¡(28 г - <р))

Спектральная зависимость коэффициента отражения г (а) является Фурье

феобразованием функции к(г) ехр(]<р(г)).

иг

а (-Ь'2)= -/ | к(г) ехр(^(23: - <р))(к -аг

В работе исследовались три вида зависимости к(г) : экспоненциальная, приподнятый косинус, параболическая. Минимальный уровень боковых лепестков ( - 23.6 дБм ) был получен для экспоненциальной зависимости к (г), что на 15 дБм ниже чем в фильтре с постоянной величиной коэффициента связи. Спектральные характеристики полученных устройств позволяют использовать их в ВОСП со спектральным уплотнением каналов. Основным достоинством этих фильтров наряду с низкими значениями боковых лепестков является возможность их изготовления непосредственно в ОВ. В разделе 3.7 исследовались оптические компенсаторы дисперсии на основе ДР с линейно изменяющимся периодом (ЛИП). Как показывают расчёты, на высоких скоростях передачи ( 10 Гбит/с и выше ) произведение скорости передачи на длину участка связи ( ВЬ ) ограничивает не затухание ОВ, а его дисперсия. Дисперсия приводит к уширению импульсов и, как следствие, к межсимвольной интерференции. Для компенсации дисперсии ООВ на длине волны 1.55 мкм предложено использовать ДР с ЛИП. В такой ДР условие Брэгга изменяется непрерывно ( или квазинепрерывно) по длине:

А/г) - 2 пе/гЛ(г ) Найдено, что период такой ДР будет равен:

А(г) = Л - FА2г/кЬ2 В ДР с ЛИП изменяется фаза волны в зависимости от продольной координаты :

<р(г) = Рг2/Ь2

где, Р - безразмерный параметр, характеризующий изменение периода ДР. Дисперсия создаваемая ДР с ЛИП равна:

£> = 2 Пед-Ь/ (с АХ)

где, с - скорость света в вакууме, АЛ - ширина спектра сигнального импульса. В четвёртой главе отражены результаты работы по математическому моделированию ФПУ. В разделе 4.1 приведено описание программы, в разделе 4.2 - алгоритм, а в разделе 4.3 - текст программы и результаты вычислении: значения порога чувствительности при различных схемах включения и типах приборов, графики спектральной плотности шумов, импульсные, спектральные и частотные характеристики, форма импульса на выходе ФПУ. В заключении резюмируются основные результаты диссертационной работы.

1. Реализация согласующего звена для улучшения согласования между фотодиодом (ФД) и предварительным усилителем (ПУ). Найдено аналитическое выражение для значения согласующей индуктивности. В результате согласования по шумам, отношение сигнал/ помеха приведённое ко входу предварительного усилителя возросло на 3 - 5 дБн в зависимости от типа транзистора и его шумовых параметров.

2. Синтез согласующего четырёхполюсника, для приёмного оптического модуля СП STM-64, позволяющего согласовать сопротивление ФД и входное сопротивление ПУ в широкой полосе частот. Согласующий четырёхполюсник представлен как односторонне нагруженный ФНЧ 4 порядка, включающий в себя паразитные элементы ФД. Включение согласующего четырёхполюсника позволило на 15 - 20 % снизить порог чувствительности приёмного оптического модуля.

3. Создание компьютерной программы, моделирующей работу ФПУ. Программа позволяет имитировать прохождение сигнала через линейный оптический тракт и устройства ФПУ. На основе Фурье анализа получена импульсная характеристика сигнала на выходе ФПУ. Производится расчёт оптимального коэффициента лавинного умножения (М) (для ЛФД); допустимого, с точки зрения увеличения шума, сопротивления обратной связи { Roc ), порога чувствительности ФПУ при разных начальных условиях:

скорость передачи, хроматическая дисперсия ОВ, тип фотодиода, схемы ПУ, тип транзистора входного каскада, фильтра.

4. Вывод аналитических выражений для расчёта порога чувствительности ВОСП с ВОУ, исследование методов оптимизирующих порог чувствительности.

4. Синтез оптических фильтров на основе связанных волноводов для ВОСП со спектральным уплотнением. По заданной зависимости коэффициента связи от продольной координаты к(г) были синтезированы структуры с низким уровнем боковых лепестков. Найдена функция физического разделения волноводов 0(2), позволяющая реализовать заданную к (г). Аналогичные результаты были получены для оптических фильтров на основе Брэгговской дифракционной решётки сформированной в сердцевине ОВ.

5. На основе перестраиваемого фильтра МЦ была предложена принципиальная схема оптического корректора (ОК), сглаживающего спектр усиления ВОУ. Особенность конструкции позволяет изменять характеристику пропускания корректора при изменении прикладываемого напряжения, что делает предложенную конструкцию достаточно универсальной. Неравномерность усиления ВОУ после включения ОК не превышала 1 - 2 дБ в полосе 1.53 - 1.56 мкм.

Приложения содержат вспомогательные выводы формул, расчёты, графики и таблицы полученных данных.

Публикации по теме диссертации

1. Заславский К.Е, Шиянов В.А. " Определение длины усилительного участка аналоговой ВОСП " , МНТК Информатика и проблемы телекоммуникаций , апрель 1995 г

2. Шиянов В.А., Заславский К.Е. " Синтез входного каскада ФПУпо критерию минимизации шумов " , НТК Информатика и проблемы телекоммуникаций , апрель 1996 г

Заславский К.Е., Шиянов В. А. " Синтез входного каскада ФПУ по критерию минимизации шумов ", Труды учебных заведений связи, г. Санкт-Петербург, т. 163,1997

I. Заславский К.Е., Шиянов В.А. "Методы компенсации дисперсии ОВ", НТК Информатика и проблемы телекоммуникаций, апрель 1997 г. ¡. Шиянов В.А. " Порог чувствительности ВОСП использующих волоконно-ттические усилители" , НТК Информатика и проблемы телекоммуникаций , лрель 1998 г.

Шиянов В.А " Синтез оптических фильтров для ВОСП ", там же. . Заславский К.Е., Шиянов В.А. "Оптические компенсаторы дисперсии, 'сполъзующие Брэгговские дифракционные решётки " , Электросвязь , /998 , в ечати (прилагается справка из редакции журнта)

. Заславский К.Е., Шиянов В.А. "Оптические компоненты ВОСП ", учебное особие, ( план выпуска конец 1998 г.)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИНФОРМАТИКЕ И СВЯЗИ РФ

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

Шиянов Вадим Анатольевич

УДК 681.7.068:621.396.61/62

Исследование и разработка методов повышения помехозащищённости высокоскоростных цифровых волоконно-

оптических систем передачи

Специальность: 05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и связи

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент СибГУТИ, Заславский К.Е.

Научный консультант - кандидат технических наук, заведующий

кафедрой МС и ОС, и.о. профессора СибГУТИ, Попов Г.Н.

Новосибирск 1998

Содержание

Введение

1. Исследование помехозащищённости

цифровых фотоприёмных устройств 18

1.1 Порог чувствительности цифрового фотоприёмного устройства 19

1.1.1 ФПУ с р-ьп фотодиодом 20

1.1.2 ФПУсЛФД 22

1.1.3 Шумовой ток ФПУ 23

1.1.4 Факторы ухудшающие порог чувствительности 33

1.2 Реализация входной цепи ФПУ по критерию минимизации шумов 41

1.2.1 Расчёт оптимального значения согласующей индуктивности 41

1.2.2 Расчёт отношения сигнал/помеха приведённого ко входу ПУ 43

1.2.3 Выводы 47

1.3 Исследование фотоприёмных устройств для

высокоскоростных систем передачи 48

1.3.1 Введение 48

1.3.2 р-Й1 фотодиод 48

1.3.3 Распределённый ПУ 49

1.3.4 Проектирование согласующего устройства 5 0

1.3.5 Анализ схемы распределённого ПУ 54

1.3.6 Анализ шумов распределённого ПУ 5 6

1.3.7 Расчёт порога чувствительности ФПУ 64

1.3.8 Выводы 64

2. Исследование помехозащищённости ВОСП с волоконно-оптическими усилителями 65

2.1 Введение 65

2.1.1 Коэффициент усиления ВОУ 68

2.1.2 Шумы ВОУ 69

2.2 Включение ВОУ в линейный тракт 70

2.3 Определение порога чувствительности оптического

приёмного устройства 73

2.3.1 Порог чувствительности ОПУ при использовании ВОУ

в качестве предусилителя 73

2.3.2 Порог чувствительности ОПУ при использовании ВОУ

в качестве усилителя мощности на передаче 84

2.3.3 Порог чувствительности ОПУ при использовании ВОУ

в качестве линейного усилителя 87

3. Исследование помехозащищённости ВОСП со спектральным уплотнением каналов. Разработка оптических устройств повышающих помехозащищённость ВОСП 91

3.1 Введение 91

3.1.1 Требования предъявляемые к оптическим фильтрам 92

3.1.2 Виды оптических фильтров 93

3.2 Распространение ЭМВ в одномодовых волокнах 94

3.2.1 Моды волоконного световода 94

3.2.2 Распространение импульса по одномодовому ОВ 97

3.3 Оптические фильтры на основе проходного резонатора Фабри-Перо 99 3.3.1 Использование фильтров ФП для разделения оптических сигналов 103

3.3.2 Отношение сигнал/помеха 105

3.4 Оптические фильтры на основе интерферометра Маха-Цендера 109

3.4.1 Принцип действия фильтра на основе интерферометра МЦ 109

3.4.2 Исследование демультиплексора на основе фильтров МЦ 111

3.4.3 Отношение сигнал/помеха 113

3.4.4 Выравнивание спектра усиления эрбиевых ВОУ 115

3.5 Синтез фильтров на основе связанных волноводов 118

3.5.1 Пространственная связь мод 118

3.5.2 Оптический фильтр на основе связанных волноводов 121

3.6 Синтез фильтров на основе Брэгговских дифракционных решёток 127

3.6.1 Взаимодействие световых волн с ДР 128

3.6.2 Синтез фильтров на основе ДР с изменяющимся

по длине устройства коэффициентом связи 131

3.7 Компенсация хроматической дисперсии OB 140

3.7.1 ДР с линейно изменяющимся периодом 140

3.7.2 Компенсация дисперсии 141

4. Моделирование работы фотоприёмного устройства 146

4.1 Введение 146

4.2 Математическая модель программы 147 Заключение 149 Литература 152 Приложения 158

Введение

1. Обзор современного состояния ВОСП

Современные волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) характеризуются большим разнообразием. Они применяются в транспортных сетях и сетях доступа; в последнее время ВОСП нашли применение в локальных сетях - это сети использующие технологию FDDI (Fiber Distributed Data Interface) позволяющие организовать связь со скоростью передачи В = 100 Мбит/с и технологию ATM (Asynchronous Transfer Mode) использующую коммутацию ячеек ATM со скоростью стандартных цифровых потоков систем передачи (СП) синхронной цифровой иерархии (SDH). Наряду с ВОСП SDH используются и плезиохронные СП (PDH). Требования, предъявляемые к системам передачи зависят от того на каком участке сети они применяются, какая используется технология построения сети и могут быть достаточно различными. Пожалуй, самое универсальное и основное из них это повышение эффективности использования оборудования и, как следствие, снижение стоимости канала связи.

Главной тенденцией в волоконно-оптической связи является неуклонное увеличение объёма предаваемой информации. Так, например, на НГТС в 1996 году было создано синхронное кольцо с использованием STM4 (622 Мбит/с) объединяющее ряд АТС города. В 1998 году планируется расширение сети и увеличение скорости передачи до 2.5 Гбит/с. Для увеличения объёма передаваемой информации можно использовать несколько аналогичных СП или использовать СП с большей скоростью передачи. Применение высокоскоростных СП позволяет повысить эффективность использования оборудования и оптического волокна и снизить стоимость канала связи.

В настоящее время наибольшая скорость передачи 10 Гбит/с реализована в СП STM - 64 . Эта скорость передачи по-видимому соответствует пределу быстродействия электронных схем. Основные усилия разработчиков

направлены на исследования и разработку электронно-оптических и полностью оптических устройств позволяющих заменить электронные устройства. В первую очередь это относится к линейным регенераторам и мультиплексорам / демультиплексорам.

Для более полного использования широкополосности ОВ и увеличения объёма передаваемой информации в последнее время получили развитие технологии временного уплотнение каналов (TDM) и спектрального уплотнения (WDM). При временном уплотнении увеличение скорости передачи происходит за счёт уменьшения длительности оптических импульсов, при WDM за счёт использования нескольких оптических несущих разнесённых на разные длины волн. Потенциальные возможности технологии TDM выше чем WDM; в частности, стоимость оборудования в расчёте на телефонный канал при TDM примерно на половину ниже, чем при WDM [1]. Однако более освоенной является технология WDM. Сочетание временного и спектрального уплотнения каналов позволяет уже сейчас получить скорости передачи порядка сотен Гбит/с [2]. Рассмотрим основные устройства высокоскоростных систем передачи с прямым детектированием, требования предъявляемые к ним и основные проблемы, связанные с обработкой и передачей сигналов. Модуляция

При непосредственной модуляции интенсивности, в ППЛ возникает линейная частотная модуляция (JT4M), по знаку совпадающая с JI4M оптического волокна, что приводит к резкому увеличению хроматической дисперсии оптического волокна (ОВ), поэтому чаще используется внешняя модуляция, при которой либо не возникает ЛЧМ, либо она противоположна по знаку ЛЧМ ОВ, что является наиболее благоприятным режимом работы. В качестве источников излучения используются одномодовые ППЛ обладающие узкой спектральной линией, высокой мощностью излучения и стабильной генерацией одной моды на одной длине волны. В СП со спектральным уплотнением флуктуация частоты излучения, перескок мод излучения, приводят

не только к расширению спектральной линии, но и к перекрёстным помехам между каналами, поэтому в СП с WDM к источникам излучения предъявляются более жёсткие требования, чем в СП без спектрального уплотнения. Для внешней модуляции чаще всего используют электрооптические модуляторы (ЭОМ), модуляторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и другие. Среда передачи

Для передачи информации используются одномодовые OB (ООВ). В окне прозрачности 1.55 мкм ОВ имеет минимальные потери ( 0.15 - 0.25 дБ/км ) и удельную хроматическую дисперсию 17-18 пс/нм*км. На длине волны 1.3 мкм потери составляют 0.3 - 0.5 дБ/км, а дисперсия 1-3 пс/нм*км. При скорости передачи меньше 10 Гбит/с главным фактором ограничивающим произведение скорости передачи на длину участка связи (BL) является затухание ОВ, поэтому предпочтение отдаётся длине волны 1.55 мкм. Однако чем больше скорость передачи, тем жёстче становятся требования на допустимую дисперсию. К тому же при высоких скоростях передачи ширина спектра информационного сигнала может определяться не столько шириной спектральной линии ППЛ, сколько шириной спектра модулирующего сигнала, например, скорости передачи 10 Гбит/с соответствует ширина спектра АЯ2 = 0.08 нм. Суммарная ширина

спектральной линии равна : АX = ^АЛ}2 +АА22 , где ДДг - ширина спектра ППЛ. Если ширина спектра ППЛ в 2 - 3 раза меньше ширины спектра сигнала, то суммарный спектр будет полностью определяться полосой информационного сигнала. Это значит что и сама дисперсия будет расти с увеличением В. При В равной 10 Гбит/с, максимальная длина участка связи определяется не затуханием ОВ, а его дисперсией.

Компенсация дисперсии ООВ в окне прозрачности 1.55 мкм

В последнее время предложен ряд устройств компенсирующих дисперсию ОВ. Среди них наиболее перспективными являются следующие устройства : - оптические волокна с положительной дисперсией [3], которые чередуются с обычным ОВ, имеющим отрицательную дисперсию; их основной недостаток

7

большая величина вносимого затухания ( включение таких ОВ повышает общее затухание участка связи на 30 - 50 % [1] ),

- оптические волокна со смещённой и выравненной дисперсией [4] имеющие область нулевой дисперсии на длине 1.55 мкм ( < 2.5 пс/нм*км ) и имеющие одинаковую низкую дисперсию (3-5 пс/нм*км ) в диапазоне длин волн 1.36 и 1.65 мкм; в таких волокнах используются треугольный и W - образный профили показателей преломления, основной недостаток высокая стоимость и большие вносимые потери для волокна с плоской дисперсией ( 0.42 дБ на длине волны 1.53 мкм ).

- компенсаторы дисперсии на основе брэгговских дифракционных решёток ДР с линейно изменяющимся периодом ( chirped grating ) [5], [6], [7]. Основным недостатком устройства является по видимому трудность в компенсации дисперсии сразу нескольких сигналов на разных длинах волн, впрочем эта трудность возникает для всех вышеперечисленных устройств, кроме пожалуй ОВ с выравненной дисперсией.

Эрбиевые волоконно-оптические усилители

В конце 80 - годов для компенсации потерь в оптическом волокне на длине волны 1.55 мкм были разработаны эрбиевые волоконно-оптические усилители ( erbium fiber doped amplifier ), которые успешно конкурируют и вытесняют регенераторы с оптоэлектронным и последующим электронно-оптическим преобразованием. Применение ВОУ для усиления многоканального сигнала резко увеличило экономическую эффективность ВОСП с WDM. Использование ВОУ в локальных сетях позволило компенсировать потери при многократном разветвлении сигнала и увеличить число этих разветвлений. Нашли применение три схемы включения ВОУ: усилитель мощности на передачи, предусилитель, линейный усилитель. Недостатком первой схемы является низкий допустимый коэффициент усиления G [8], ( произведение GPnep обычно ограничено величиной 5 - 15 мВт из-за возникающей при большей мощности нелинейности ОВ), в случае второй схемы, величина G ограничена только

мощностью насыщения, но шумы за счёт усиленной спонтанной эмиссии ухудшают отношение сигнал/помеха на входе электронного усилителя фотоприёмного устройства (ФПУ). Схема с линейным усилителем наиболее эффективна с точки зрения сигнал/помеха, величина коэффициента усиления может выбираться достаточно большой (20 -40 дб), а шумы за счёт усиленной спонтанной эмиссии поступают на вход ФПУ ослабленные линией.

Выравнивание спектра усиления ВОУ

Спектральная характеристика усиления ВОУ неравномерна, разность усиления на длинах волн 1.53 и 1.56 мкм составляет -10-12 дБ, а на длинах волн 1.54 и 1.56 мкм ~ 3 - 5 дБ поэтому в системах WDM использующих несколько ВОУ необходимо применять устройства для выравнивания усиления сигналов на разных длинах волн. Методы коррекции спектра усиления можно разбить на две группы: применение различных оптических фильтров ослабляющих сигнал вблизи длины волны 1.532 мкм и управление усилением в самом эрбиевом усилителе. Из оптических фильтров наиболее перспективными являются фильтры на основе брэгговских дифракционных решёток ДР [9] и фильтры на основе длиннопериодных решёток [10]. ДР показателя преломления создаются "записываются" в сердцевине сильно легированного германием "фоточувствительного" ОВ ультрафиолетовым лазером и отражают сигнал на длине волны подчиняющейся условию Брэгга : Л =2п Л , где п -эффективный показатель преломления распространяющейся моды и Л - период решётки, в спектре пропускания это соответствует провалу. Длиннопериодные решётки используют резонансное взаимодействие основной моды сердцевины и одной из мод оболочки, которое возникает при условии: Д. - Д , - 2ж/Л , где Д и Д, постоянные распространения мод сердцевины и оболочки. При выполнении данного условия часть излучения основной моды преобразуется в излучение моды оболочки и высвечивается из волокна. Длиннопериодные решётки имеют гораздо больший период чем брэгговские ДР, т.е. более технологичны и просты в изготовлении и не создают отражённого сигнала.

Вторая группа устройств использует зависимость усиления от уровня входного сигнала и накачки или используется гибридный ВОУ с различным составом сердцевины ОВ.

Оптические усилители для длины волны 1.3 мкм

Перспективным является диапазон 1.3 мкм, совпадающий с областью нулевой хроматической дисперсии 2 порядка -1-3 пс/нм*км. Перспективы в использовании длины волны 1.3 мкм зависят от создания оптического усилителя на эту длину волны не уступающего эрбиевому ВОУ. Разработанный усилитель на стекле с празеодимом обладает рядом недостатков: для его накачки требуется твердотельный лазер ( мощность накачки должна достигать 500 - 1000 мВт для коэффициента усиления 30 дБ) , волокно с празеодимом более хрупкое и менее химически устойчиво чем ОВ легированное эрбием, другой проблемой является сложность стыковки кварцевого ОВ и стекла с празеодимом из-за разности диаметров сердцевины и числовых апертур [11]. В [12] предложен распределённый усилитель на основе эффекта Рамановского рассеяния работающий на длине волны 1.3 мкм; при мощности накачки 350 мВт коэффициент усиления составил 30 дБ. Оптические демультиплексоры

Наибольший интерес при исследовании WDM вызывают полностью оптические демультиплексоры (ДМ). Основная тенденция в их исследовании и разработке - использование волоконно-оптических и интегральных схем, исключение объёмных компонентов и воздуха как среды распространения. В зависимости от построения сети связи, могут быть различны и требования к демультиплексорам. При схеме организации связи точка - точка ДМ должны разделять каналы, при более сложной схеме может потребоваться одновременное выделение и ввод каналов в оптическом виде, такой ДМ должен быть аналогичен электронному мультиплексору ввода / вывода. Наибольшее внимание при исследовании ДМ уделяется уменьшению уровня межканальных помех, ухудшающих качество связи. Основными элементами ДМ являются

направленные ответвнтели (НО) и оптические фильтры. Оптические фильтры могут изготавливаться на основе "классических" структур - резонатора Фабри-Перо и интерферометра Маха-Цендера. Новым классом оптических фильтров являются структуры на основе связанных волноводов с зависимостью коэффициента связи по длине устройства и фильтры на основе Брэгговских ДР. Очень перспективным является устройство на основе связанных волноводов с брэгговской ДР, сформированной в одном из волноводов над областью связи [13]. Устройство осуществляет функции мультиплексора ввода / вывода. Главным достоинством конструкции является то, что она не является интерференционной и не требует точного равенства плеч.

Актуальность темы диссертации

Применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) позволило в последние годы резко увеличить объём передаваемой информации. В настоящее время наибольшая скорость передачи 10 Гбит/с реализована в СП БТМ - 64. Дальнейшее увеличение скорости передачи информации ограничено быстродействием электронных схем обработки сигналов.

Основной тенденцией в области оптической связи является исследование и разработка электронно-оптических и полностью оптических устройств, позволяющих заменить электронные устройства обработки информации. В первую очередь это относится к линейным регенераторам и мультиплексорам ввода/вывода.

Одним из основных параметров характеризующих эффективность системы передачи является её помехозащищённость. Помехозащищённость СП оценивают с помощью порога чувствительности фотоприёмного устройства (ФПУ). Порог чувствительности (ФПУ) - минимальная средняя мощность на приёме, при которой в заданной полосе частот сохраняется заданное отношение сигнал/п�