автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Обработка сигналов с помощью волоконно-оптических устройств в радиоэлектронной аппаратуре специального и широкого применения

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ

Для служебного пользования

Экз.М 00001

На правах рукописи

ДРАВСКИХ Дмитрий Александрович

УДК 621.391.63:519.6

ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ В РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ СПЕЦИАЛЬНОГО И ШИРОКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, вклпчая технику СВЧ и технолопп их производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени капдидата технических наук

Г» С? 37 ' 'Сашст-Поторб;

1'

мльзМу/о/

■ — - -' Л , У" *

«

Работа выполнена в Северо-Западном заочном политехническом институте.

Научный руководитель - д.т.н..профессор В.И.Маккавеев, Официальные оппонента: д.т.н..профессор Е.Г.Пащенко,

к.т.н..доцент А.В.Астахов. Ведущая организация - НПП "Дальняя связь".

Защита диссертации состоится 22 и« н.^, 1994 года в час.на заседании специализированного совета КР 063.38.01 в Северо-Западном заочном политехническом институте по адресу: 191065,Санкт-Петербург,ул.Миллионная,д.6^ .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо--Западаого заочного политехнического института.

Автореферат разослан 20 ^с^ 1994 года.

- 3 -

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность работа

В диссертации решается задача совериенствования потенциальных возможностей обработки сигналов с помощью оптических и опто-алектронных устройств преобразования информации в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) специального и широкого применения. Наиболее важные вопросы связаны с уменьшением шумов волоконно-оптических усилителей,разработкой методик экспериментального исследования характеристик этих усилителей и с анализом возможности создания оптически управляемого переключателя оптических сигналов.

Интенсивное развитие обработки сигналов с помощью волоконно-оптических устройств в радиоэлектронной аппаратуре специального и широкого применения вызвано потребностями современного общества в увеличении объемов передаваемой информации.Человечество переживает "информационный взрыв".Ведущая роль в увеличении объемов передаваемой информации принадлежит волоконно-оптическим устройствам. Они используются в системах локации,радиосвязи ( кольцевые линии задержки,рециркулягоры,коммутаторы и т.д.) .метрологии, в волокон-но оптических системах передачи (ВОСП).для организации телефонной городской и междугородной связи.кабельного телевидения.видеотеле-фонии,радиовещания,вычислительной техники,технологической связи и т.д.Связь по оптическим кабелям является одним из главных направлений научно-технического прогресса.

Темпы росте производства волоконной оптики и оптических кабелей на мировом рынке опережают темпы развития других отраслей техники и составляют около 40Ж в год.

В США,Японии,странах Западной Европы планируется строительство межконтинентальных подводных волоконно-оптических линий связи с использованием волоконно-оптических усилителей (ВОУ).На территории России строится часть кольцевой ВОЛС,которая будет охватывать северное полушарие Земли.

В волоконно-оптических системах передачи сейчас используется очень малая часть их потенциальной пропускной способности,что в основном объясняется ограничением традиционных электрических мв-

тодов обработки сигналов в нетрадиционной области.Созданные к настоящему времени отдельные компоненты позволяют говорить пока только о подходе к решению задач обработки сигналов и информации (оптическими методами).Все это обосновывает актуальность выбранного направления исследований.

Краткая оценка современного состояния научных иследований

в этой области

Вследствие- резкого уменьшения затухания в серийно выпускаемых оптических волокнах,до 0,15-0,2дБ/км,что дает возможность реализовать сложные сети распределения информации без перехода к электрическим сигналам, появилась концепция представления сети связи в виде распределенной вычислительной машины. Обеспечивается разделение ресурсов процессоров,периферийного оборудования, программного обеспечения и банков данных,улучшается сопряжение тори-налов с помощью местного искусственного интеллекта и создается возможность динамического распределения нагрузки и резервного оборудования.

-Переход на оптические метода при реализации функциональных операций цифровой связи позволит улучшить технико-экономические характеристики аппаратуры,а также создать принципиально новые информационные сети с распределенной обработкой информации.

Основными функциональными операциями,осуществляемыми в цифровой связи,являются:

1. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование.

2. Временное грущюобразование.

3. Посимвольная и цикловая синхронизация.

4. Регенерация сигналов в линейных трактах.

5. Преобразование кодов.

6. Синхронизация сити (частотная и фазовая).

7. Модуляция и демодуляция оптической несущей.

8. Коммутация цифровых сигналов в сети.

9. Сигнализация (абонентная и мезкстанционная).

Из этого комшюкса преобразований (1-9) выделим,как наиболее важны о, проблемы (Д,8): регенерации сигналов в линейных трактах и коммутации цифровых сигналов в сети.Задачи,связанные с этими проб-

лемеми (в основном с регенерацией).решаются в диссертации.

Регенерация - одна из наиболее сложных операций.Регенерация сигналов решает задачу увеличения максимальной протяженности линии связи.Полная регенерация оптического сигнала заключается в . воспроизведении исходной формы,восстановлений уровня и относительного временного положения оптических импульсов. При отсутствии универсального переключателя оптического диапазона маловероятна разработка полностью оптического регенератора,выполняющего все названные функции.

Вместо рогенэратора используют волоконно-оптические усилители (ВОУ).Еств три варианта применения ВОУ:

- предусилитель оптического приемника,

- усилитель в волоконно-оптической линии связи,

- усилрг",ль мощности на выходе передатчика.

Возможна разработка регенератора с использованием преобразования к электрическим сигналам.Это снижает быстродействие и надежность устройства.Электронный регенератор не инвариантен к изменению скорости передачи.

Оптические усилители выполняют, функцию восстановления уровня сигнала.При этом сохраняется потенциальная пропускная способность волоконно-оптической системы передачи и инвариантность к изменению скорости передачи.Используются одоомодовыв волоконно-оптические усилители (ВОУ) с добьвками эрбия (Ег3+).0ни служат в качестве услгаггэлей па выходе передатчика, в линии связи и предусилителя оптического приемника.Исследуются усилите.™ с добавками других редкоземельных элементов.

ВОУ состоит из меньшего числа компонентов,он проще,дешевле и надежнее оптического регенератора.

Использование ВОУ позволяет повысить чувствительнс-лть приема, увеличить дальность волоконно-оптической линии связи. Щумовые свойства ВОУ определяют качество передачи в протяженна линиях связи и характеризуются оптическим коэффициентом шума Р0.

Внедрение ВОУ в области передачи и обработки информация ставит вопрос о повышении конкурентоспособности и улучшении параметров ВОУ,в частности шумовых характеристик.Возникает необходимость разгатия теории шумов ВОУ.Эта работа не является обособленной и согласуется с проводившимися ясслодованилми.

При оценке шумов ВОУ,как правило,ограничиваются гаантозым аре делом при большом усиления, либо трудоемкими численны;,»и расчетами.

Решение задачи минимизации шумов волоконно-оптических усилителей позволяет уточнить ограничения на использование ВОУ в составе волоконно-оптических систем передачи.Необходимость решения такой вариационной задачи объясняется достаточно сложным (интегральным) окончательным представлением спектрального распределения коэффициента шума ВОУ.Эта задаче в общем виде ранее не была реше--' на.

Другая важная операция цифровой сзязи (8) - коммутация (переключение) цифровых сигналов в сети.При отсутствии универсального переключателя оптического диапазона маловероятна разработка полностью оптического регенератора,выполняющего все свои функции.

В электронных цифровых устройствах транзисторный переключатель применяется для построения базовых наборов логических операций Ш-НЕ,КЛИ-НЕ).Базовый набор логических операций позволяет реализовать некоторые функциональные операции цифровой связи.

Аналог транзисторного переключателя в оптическом диапазоне тоже мог бы стать, основой построения базового набора логических операций.Последний,в свою очередь, позволил бы реализовать ряд функциональных операций цифровой связи в оптическом диапазоне.

Для создания такого аналога транзисторного переключателя необходимо использовать оптический нелинейный отклик среды.

Оптический нелинейный отклик среда может быть обусловлен различными физическими явлениями с разной временной длительностью. Для полупроводников это.например:

1. межзонное поглощение (10-1 ООпс);

2. нелинейные отклики связанных электронов и свободных носителей (<1пс);

3. оптическая нелинейность возбуадвнных полупроводников и

т.д.

Если оптическая частота о лежит далеко от полосы поглощения, то отклик электронной природы имеет длительность порядка (<о-ы0)-1 = 1 (Г15с,["до (^-положение основной полосы поглощения.

Каждый келшейшй опгичосюК» процесс можно представить состояли из Ди'Ул этапов: сначала свет большой интенсивности шзывя-

ет нелинейный отклик среды,а затем эта реакция среда,в свою очередь .нелинейным образом изменяет оптическоэ поло.Первый этап огга-сыватся материальными уравнениями, второй - уравнениями Уаксвелла.

В общем случав для наблвдэния нелинейных оптических эффектов требуется интенсивность оптического излучения порядка г.ЕкВт/см2. Для лазеров на 1пСаАзР при фокусировке в пятно диамэгром 2,5 и« достижимая интенсивность составляет 2МВт/см2.

Возможность перехода к чисто оптическим методам обработга информации появляется благодаря исследованиям нелинейных оптических явлений,оптической бистабияьностаг.различшх пороговых оптических эффектов и разработке ряда оптически управляемых устройств преобразования оптических сигаалов,оптических логических схоы.

Созданные к нестоящему времени отдельные компоненты позволяют говорить покв только о подходе к решению задач обработки сигналов и информации (оптическими методами).

Для создания оптически управляемого переключателя оптических сигаалов предложено использовать различные эффекты.Основными критериями при выборе того или иного физического эффекта для создания переключателя являются быстродействие и энергия перекттешя. В атом отношении наиболее перспективным представляется использование нелинейной реакции на оптическое возбуждение алектронной. подсистемы полупроводников,в частности,оптической нелинейности в области вкситопного резонанса.Быстродействие эффекта составляет единицы-десятки пикосекунд.Для переключения требуется энергия менее 1 цДж.Этот эффект по сравнению с другими близкими по быстродействию нелинейными эффектами реализуется при минимальной мощности излучения накачки.Анализ возможности создания оптически управляемого переключателя на основе зкситонного резонанса в общем виде ранее не был проведен.

Основой построения значительной части интегрально-оптических устройств обработки информации служат планарные пленочные световода. Устройства на основе таких световодов могут использоваться для реализации функциональных операций (1-9) цифровой связи.

Известные программы расчета пленочных световодов имеют частное применотю и ограниченный перечень рассчитываемых характеристик. Для проектиропгшня интегрально-оптических устройств сярокого 1гн:шачг)''г:!я (1-9) лп оса<лт шпшочшис световодов требуется уняпор-

сальная ирогремма расчета параметров и иситой этих свеч-оводов.

Переход на оптические метода при реализации функциональных операций цифровой связи (1-9) можно осуществить также на основе волоконно-оптических устройств,в частности,с применением ВОУ. Использование sтих усилителей в ВОСП-достаточно ноше направление. Об этом свидетельствует отсутствие ГОСТ и рекомендаций МКК по вопросу метрологии волоконно-оптических усилителей.В ближайшем будущем планируется широкое применение эрбиевых ВОУ в системах дальней связи,мевдугородчой и подводкой связи,в локальных сетях.

Измерение' параметров ВОУ должно предшествовать установке их. в лишш связи.Вопросы измерения рабочих характеристик волоконно-оптических усилителей слабо разработаны,в том числе оценка влияния отражений на характеристики тракта с ВОУ.

Все это обосновывает актуальность работы.

1.2. Цель работы и методы решения поставленных задач

При переходе к оптическим методам реализации функциональных операций цифровой связи встают вопросы как фундаментального характера , связанные^ например; с развитием некоторых направлений теории шумов ВОУ,так и прикладного характера,связанные с разработкой волоконно-оптических и интегрально-оптических элементов,решающих задачи переключения и каналированая оптических сигналов, а также вопросы измерения рабочих характеристик оптических усилителей.В связи с этим рассматриваются три актуальных задачи:

1. Научная задача состоит в постановке и решении задачи минимизации шумов одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавками редкоземельных элементов (в линейном режиме усиления) и в получении конкретных результатов,позволявдих улучшить характеристики как самих ВОУ,так и характеристики систем (содеажащих ВОУ) для передачи информации.

В решении этой задачи состоит главная цель диссертационной работы.

2. Разработка методик экспериментального исследования рабочих характеристик усилителей на активных оптических волокнах с использованием серийной отечественной контролыю-измориТельной аппаратуры.

3. Разработка метода анализа возможности создания оптически управляемого переключателя оптических сигналов на основе экситон-ного резонанса.

Метод решения задачи (1) минимизации шумов ВОУ основан на применении теории вариационного исчисления.Для функционала коэффициента шума ВОУ ставится задача Лагранжа с граничными условиями .Необходимые условия экстремума коэффициента шума определяются цутем решения дифференциального уравнения Эйлера-Лагранжа.Это позволяет определить экстремали коэффициента шума ВОУ. На поле экстремалей проверяется выполнение достаточных условий существования экстремума коэффициента шума.Задача решается аналитическими методами.Птоведенв экспериментальная проверка полученных результатов.

В задаче (2) по разработке методик экспериментального исследования рабочих характеристик оптических усилителей рассмотрено измерение спектрального распределения коэффициента шума и усиления ВОУ.Приввдены схеш экспериментальных установок и перечень контрольно-измерительной аппаратуры.

Проведено экспериментальное исследование усилительных и шумовых характеристик эрбиевого волоконно-оптического усилителя (изготовленного в ИРЭ РАН) в диапазоне длин волн 1529-1563 нм,являющегося прототипом малошумящего оптического усилителя для применения в качестве предварительного усилителя в высокоскоростных волоконно-оптических системах передачи.Экспериментально измерено влияние отражений в измерительном тракте на характеристики ВОУ.

Задача (3) анализа возможности создания оптически управляемого переключателя на основе экситонного резонанса решается с учетом процедуры оптимизации параметров и характеристик материала переключателя.Критерием служит максимальное значение параметре 5?,обобщающего характеристики материала с нелинейными свойствами и конструктивные решения по созданию оптического переключателя.Его величина определяет возможность создания переключателя. !1?=дп Л<*. Здесь Ап3-максимальнов нелинейное изменение показателя преломления, используемое для переключения,х-длина волны сигнала,«-коэффициент затухания.Задача решается аналитическими методами.

1.3. Научная новизна работы и ее практическая значимость

Автором:

1. Поставлена и решена вариационная задача оптимизации спектрального распределения коэффициента шума одномодовых усилителей на оптических волокнах с добавками активных (редкоземельных) элементов в линейном режиме усиления для распространенного случая, когда доминирует шум биений сигнала и спонтанной эмиссии.

2. Получены новые оценки шумовых и усилительных характеристик одномодовых ВОУ в режиме бегущей волны:

- определены условия достижения экстремалей коэффициента шума ВОУ;

- определены экстремумы спектрального распределения коэффициенте шума ВОУ ?д,в частности минимумы Р^ для случаев,когда коэффициент усиления 0>1,а также при С<1;

- определены условия приближения коэффициента шуме к миниму-

му-миниморуму;

- проведен анализ зависимости коэффициента шума ВОУ от производной параметра возбуждения по длине активного волокна;

- определены три возможных варианта зависимости Рд от величины постоянного по длине ВОУ возбуждения активной среды (при С>1).

3.Разработан метод анализе шумовых и усилительных характеристик одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавкалш редкоземельных элементов.который:

- справедлив для произвольного распределения концентрации и возбуждения активной добавки по длине ВОУ;

- пригоден для различных длин волн сигнала и накачки,типов активного материала и оптического волокна;

- позволяет упростить расчет шумовых и усилительных характеристик ВОУ.

4.Показано,что создание оптически управляемых переключателей оптических сигналов на основе экситонного поглощения при использовании активных волокон перспективнее.чем их реализация на основе пассивных устройств.

Практическая ценность

1. Целесообразно использовать результаты и метода решения рассмотренной вариационной задачи для анализа волоконно-оптических усилителей конкретного применения.

2. Полученная оценка 1Р0(С)]£ позволяет выбирать тип ВОУ исходя из требований системы,в которой он используется.Зависимость Рд(б) дает возможность реализовать требуемое сочетание Рд л С для ВОУ любого типа выбором мощности излучения накачки. Эта зависимость конкретизирует требования технического задания на разработку ВОУ.

3. Полученная связь шумовых и усилительных характеристик ВОУ с его внутренними параметрами позволяет целенаправленно искать новые активные материалы и разрабатывать на их основе волокна с улучшенными свойствами.

4. Метод анализа шумовых и усилительных характеристик одпо-модовых ВОУ с добавками редкоземельных элементов можно использовать для разработки более простого (чем существующие) итерационного алгоритма расчета этих характеристик.

5. Методика экспериментального исследования характеристик оптических усилителей может применяться для измерения спектрального распределения коэффициента шума и усиления волоконных и полупроводниковых оптических усилителей разного назначения.

6. Результаты,подученные при разработке метода анализа (воз-«жности создания оптически управляемого переключателя оптических сигналов на основе экситонного резонанса),можно использовать при сравнении различных материалов с нелинейными свойствами дня разработки такого переключателя.

1.4. Личный вклад автора в исследование проблемы

1. Постановка и решение основных научных задач,теоретические зыводы и рекомендации,содержащиеся в диссертационной работе и пу-5ликациях,получены автором самостоятельно.

2. Разработка методик экспериментального исследования рпбо-шх характеристик усилителей на активных оптических волокнах с

использовавшем серийной отечественной контрольно-измерительной аппаратура.

3. Разработка и создание экспериментальной установки для исследования характеристик волоконно-оптических усилителей.

4. Проведение измерений рабочих характеристик волоконно-оптических эрбиевых усилителей.

Работа по теме диссертации велась в течение 1989-1993 годов в Санкт-Петербургском Северо-Западном заочном политехническом институте на кафедре Теоретических основ радиотехники и радиолока-ции.Ее результаты использованы в отчетах по НИР,проводимых на кафедре.

1.5. Основные результаты работы,выносимые на защиту

1. Постановка и решение задачи минимизации коэффициента шума одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавками редкоземельных элементов.

2. Аналитические,численные результаты и рекомендации по улучшению внутренних характеристик ВОУ и применению их в системах волоконно-оптической связи,в частности:

- экстремали и экстремумы (при и 0 < 1) коэффициента шума ВОУ;

- условия приближения коэффициента шума ?0 к минимуму-миниморуму

- зависимости коэффициента шума ВОУ от производной параметра возбувдения по продольной координате активного волокна,

- три возможных варианта зависимости коэффициента шума ВОУ от уровня возбуждения активной среда (при С>1);

- сравнение сосредоточенных и распределенных ВОУ.

3. Метод анализа шумовых и усилительных характеристик одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавками редкоземельных элементов.

4. Анализ использования активных волокон и пассивных устройств при создании оптически управляемых переключателей оптических сигналов на основе экситоныого резонанса.

1.6. Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 научных

работах.

Они докладывались и обсуждались:

- на Третьей Международной конференции по волоконной оптике к телесвязи 1БР0С-93, 26-30 апреля 1993г., Санкт-Петербург;

- на 48й конференции НТО РЭС им.А.С.Попова,посвященной дню Радио, апрель 1993г., Санкт-Петербург.

1.7. Реализация в народном хозяйстве

Основные результаты работы использованы и внедрены на предприятии НПП "Дальняя Связь".Об этом имеется акт внедрения.

2. СО ДЕРЗАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения,четырех разделов,заключения, списка литературы и десяти приложений.

В первом разделе проводится анализ известных работ по оптическим и оптоэлектронннм устройствам преобразования информации (переключатели, модуляторы, мультиплексоры-демультиплексоры,преобразователи длины волны .фильтры, фотодетекторы). Отмечается преимущество универсальной программы расчета полей и параметров пленочного световода,как основы построения различных интегрально-оптических устройств преобразования информации.

Разработанная программа приведена в приложении 1.

Во втором разделе рассматривается физическая и математическая модель оптически управляемого переключателя оптических сигналов на основе экситонного резонанса.Ставится задача анализа возможности создания оптически управляемого переключателя на основе Якситонного резонанса.Она решается с учетом процедуры оптимизации ■тараметров и характеристик материала переключателя.Критерием служит максимальное значение параметра VI,обобщающего характеристики материала с нелинейными свойствами а технические решения по созданию оптического переключателя.Его величина определяет возможность создания переключателя. №=лпа/ха.Здесь лп -максимальное но-

о £>

линейное изменение показателя преломления,используемое для переключения, к -длина волны сигнала, о»-коэффициент затухания.

По разделу 2 диссертации получены следующие результаты.Опро-

делена оптимальная относительная отстройка длины волны сигнала от дэн'гра акситонного поглощения.Она принимает значения в области (1/J3.1 ).В результате анализа математической модели переключателя при оптимальной отстройке подучена зависимость W от v и Здесь r)=og/ait ав - остаточное (пассивное) звтухвние в материале переключателя на длине волны сигнала, - коэффициент активлого поглощения невозбужденного материала в центре акситонного резонанса, »=1/1д,1-интезсивность излучения накачки,Ig-параметр насыщенияо (интенсивность излучения некочки в центре акситонного резонанса при насыщении поглощения).

Задавая величину W=Wq,определяемую конструкцией переключателя,можно найти по графику W(п.») область (W>WQ) допустимых значений »)И &,лри которых реализация переключателя возможна.В идеальном случае требуется материал с нулевым пассивным затуханием. Это может быть активная среда с усилением, компенсирующим затухание оптического сигнала.

Полученные результаты можно использовать при сравнении различных материалов с нелинейными свойствами для разработки переключателя.Особенностью проведенного анализа является определение зависимости W(r?,e). при оптимальной отстройке длины волны сигнала от центра акситонного резонанса.

В третьем разделе представлена сравнительная характеристика волоконно-оптических усилителей разных типов,в том числе: РаманЬ-вские ВОУ.усилители с добавками редкоземельных элементов,Бршщуа-новские усилители.Отдельно проводится сравнение между активными оптическими волокнами с добавками различных редкоземельных элементов: эрбия,празеодима,неодима,тулия.По совокупности параметров эрбиевые ВОУ существенно превосходят другие типы волоконно-оптических усилителей.

Ставится задача минимизации коэффициента шума одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавками редко: эмэльных элементов. Приводится физическая и математическая модели ВОУ. Сравнивается ВОУ с разными внутренними параметрами в целях уменьшения коэффициента шума Fq.Условия,при которых шумы волоконно-оптических усилителей минимальны,устанавливаются вариационным методом.

Путем радения дифференциального уравнения Эйлера-Лагранжа определены необходимые условия существования экстремума спектраль-

ного распределения коэффициента шума.Проверено талтолнеше достаточных условий существования экстремумов.

Вариациям подвергаются поочередно:

- форма профиля возбуждения (или коэффициента усиления на единицу длины) при постоянном общем коэффициенте усиления ВОУ и

- коэффициент усиления при постоянной форме профиля возбуждения. Критерием оптимальности в обоих случаях служит минимум коэффициента шума (имеется в виду оптический коэффициент шума ВОУ)

?0=(рс/рш>вх/(рс/рш>вых' где Рд/Рщ - отношение квадрата среднего числа фотонов в секунду' к

дисперсии числа фотонов в секунду на входе и выходе усилителя,соответственно .

В результате определены те характеристики ВОУ (сечение поглощения, сечение излучения,возбуждение,объем активной среды),вариация которых при разработке и эксплуатации позволяет минимизировать коэффициент шума.

Получены следупцне результаты.

1. Вариационным методом решена задача оптимизации спектрального распределения коэффициента шума одномодовых усилителей на оптических волокнах с добавками активных (редкоземельных) элементов в линейном режиме усиления для распространенного случая,когда доминирует шум биений сигнала и спонтанной эмиссии.Определены экстремумы спектрального распределения коэффициента шума ВОУ ?0 для характерного случая ступенчатого профиля распределения активной добавки' в поперечном сечении сердцевины волокна.Продольное распределение концентрации добавки и поперечный профиль.показателя преломления произвольны.Анализ пригоден для различных длин волн сигнала и накачки,типов активного материала и оптического йолокна.

2. Экстремали ?0 достигаются при постоянном возбуждении активной среда по длине волоконно-оптического усилителя.Под возбуждением активной среды понимается параметр

< (г)=к2(г)/[к1 (гнг^шь

Здесь ^(ХЬ^сг) - населенность нижнего и верхнего рабочего энергетического уровня,соответственно;2-координата вдоль активного волокна,натравленная от входа к выходу ВОУ.

3. Доказано,что в случае,когда коэффициент усиления О преш-

шает единицу,минимум Р0 достигается при полном возбуждении активной среди ).Если коэффициент усиления меньше единицы,то минимум достигается в невозбувдвнной среде (с(Я)=0).В обоих случаях определено точными аналитическими зависимостями.

4. Минимум-млнимарум Р0 в обоих случаях стремится к единице при стремлении объема активной среды к тулю. Коэффициент ¿пума приближается к минимуму-миниморуму,когда распределенное усиление ВОУ компенсирует пассивное затухание при полном возбуждении активного волокна.

5. Проведен анализ зависимости £)•Показано.что при сохранений неизменным коэффициента усиления Р0 уменьшается при уменьшении призводаой параметра возбуждения по длине волокна.В ходе решения задачи подучены аналитические выражения для Р0 при постоянном возбуждении вдоль активной среда и при произвольном законе распределения возбуждения.Эти зависимости позволяют обосновать технические требования к ВОУ.

6. В приближении достаточно большого сигнала (но в режиме линейного усиления) определены три возможных варианта зависимости Р0 (рис.1) от величины постоянного по длине ВОУ возбуждения активной среда (при 0.1).Реализация одного из трех типов ВОУ определяется соотношением между сечением поглощения и излучения и объемом активной среды согласно рис.2.

Графики рис.1 подучены для характерного случая

ЩОУ » N(N+1 )А32.

Здесь гЩТ) - среднее число фотонов сигнала на длине волны х. в одной (продольной и поперечной) моде на входе ВОУ. N - число спонтанных фотонов (на длине волны х) на выходе ВОУ в одной (продольной и поперечной) моде.

Для ВОУ первого типа производная по величине коэффициента усиления отрицательна.Для ВОУ второго типа она принимает как положительные, так и отрицательные значения.Для ВОУ третьего типа - положительна.Зависимости существенны при разработке

и эксплуатации ВОУ.

7. Полученная оценка 1Ру(С.) позволяет выбирать тип ВОУ исходя из требований енотом;,п готовой он используется.Зависимость

(г-ие****)

?п(1>

(1+22шах/»'3>

гтах

^<2-1/6^) I

*пах

Ь-------_^(г_1/е*вах}

Ркс.1,

0 *тх х

Зависимость спектрального распределения коэффициента пума ?0 от коэффициента усиления й (уровня возбуждения О активной среда

2=1г;С=(/1г-1 )г У(3)ДБ на поле экстремалей (?=согш1; вдоль активного волокна) для°трех типов ВОУ <*-2о3).Здесь +с»е(х(х). °е и °а ~ сеченив излучения и сечение тоглощения,соответственно, х -длина волни усиливаемого сигнала,V(Б)-объем активной среды. 7(3)=в-а(*.)[Я1 (3)4^(8)11.

Ь-длкна активного волокна,Б-безразмерная координата вдоль активного волокна Э е (0,11.

Рис.2.

Три типа ВОУ:

1 область: у52+-хП)аХ(

2 область: 2+хтаз<г<2(е Хта-1)/хтах

3 область: [гее*111*-! )/*Ш]Л<г.

Здесь 2та1=1пС;тах» йпах-коэ(йициент усиления ВОУ при полном возбуждении активной среда (?=1).

Р0(С) дает возможность реализовать требуемое сочетание Р0 и (3 для ВОУ любого типа выбором мощности излучения накачки. Эта зависимость конкретизирует требования технического задания на разработку ВОУ.

8. В результате решения задачи оптимизации шумовых характеристик ВОУ разработаны рекомендации по использованию малошумя-щш ВОУ двух видов.Это короткие (сосредоточенные) усилители с достаточно большим коэффициентом усиления (предусилители,ретрансляторы) и распределенные усилители с суммарным коэффициентом усиления,равным единице,где распределенное.усиление активной среды точно компенсирует собственные потери.В последнем случае реализуется активная линия передачи с коэффициентом усиления и коэффициентом шума,близкими к единице.Для накачки возможно использование бокового ввода периодически вдоль распределенного активного волокна.

Проводится анализ полученных результатов.

По данным публикаций приводится сопоставительный анализ применения в аппаратуре линейного тракта полупроводниковых и волоконных (на основе волокон,легированных эрбием) оптических' усилителей.Показаны преимущества эрбиевых ВОУ по совокупности параметров над полупроводниковыми оптическими усилителями.

В четвертом разделе разрабатываются методики экспериментального исследования рабочих характеристик оптических усилителей яа активных одномодовых оптических волокнах с использованием серийной контрольно-измерительной ашзратуры.Они включают измерение спектрального распределения коэффициента усиления и коэффициента шума ВОУ.

Проведено экспериментальное исследование усилительных и шумовых характеристик эрбиевого волоконно-оптического усилитля (изготовленного в ИРЭ РАН) в диапазоне дни волн 1529нм - 1563нм, являющегося прототипом малошумящего оптического усилителя для применения в качестве предварительного усилителя в высокоскоростных волоконно—оптичоских системах передачи.Экспериментально лзми-рено влияние отражений в измерительном тракте яя характеристики ВОУ.Получешшо экспериментально зависимости коэффициента шума и усиления согласуются с результатом решения задачи минимизации шумов ВОУ раздола 3.

В разделе 4 приводятся опубликованные экспериментальные данные о коэффициенте шума ВОУ при различных возбуждениях активной среды,длинах волн накачки,сигяалн,типах активной добавки а уровнях сигнала.Они согласуются с теоретическими зависимостями раздела 3,подученными в результате решения задачи минимизации коэффициента шума ВОУ с добавками редкоземельных элементов.

В заключении дан перечень основных результатов работы, обоснована их достоверность и практическая ценность.а также намечены перспективные направления дальнейших исследований.

В приложениях приведено: описание и текст универсальной программы расчета параметров и полей пленочного световода (Приложение 1),формул разделов 2 (Приложения 2,3) и раздела 3 (Приложения 4-1G).

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ,ОТРАЖЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ

1. Постановка а решение задачи минимизации коэффициента шума одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавками редкозе-мэльных шюментов.

2. Аналитические.численные результаты и рекомендации но улучшению внутренних характеристик ВОУ и применению их в системах волоконно-оптической связи,в частности:

- экстремали и экстремумы (при Gal и С<1) коэффициента шума ВОУ;

- условия приближения коэффициента шума PQ к минимуму-миниморуму

- зависимости коэффициента шума ВОУ от производной параметра возбуждения по продольной координате активного волокна;

- три возможных варианта зависимости коэффициента иума ВОУ от уровня возбуадвния активной среда (при G>1);

- сравнение сосредоточенных и распределенных ВОУ.

3. Метод анализа шумовых и усилительных характеристик одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавками редкоземельных элементов.

4. Анализ использования активных волокон и пассивных устройств при создании оптически управляэмых переключателей оптически! сигналов на основе экситонного резонанса.

5. Сопоставительный анализ характеристик оптических усилителей разных типов для шлокитю-оптичоских систем порадачи.

6. КЬзтодшш экспериментального исследования рабочих характеристик усилителей на активных оптических волокнах с использованием серийной отечественной контрольно-измерительной аппаратуры

7. Создание экспериментальной установки для исследования характеристик волоконно-оптических усилителей.

8. Результаты измерения рабочих характеристик эрбиввого ВОУ.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДШЦИХ РАБОТАХ:

1. Дравскпх Д.А. Исследование характеристик компонентов сверхвы- . сокоскоростных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). -Отчет о НИР. N г.р.01900014649.

Раздел 2.6.3. (Этап 2). Оптическая обработка информации в ВОСП. СЗПИ.Л.,1990.C.116-127,(ДСП).

Раздел 3.4. (Этап 3,4). Волоконно-оптические усилители для систем оптячоскоЭ связа. СЗПИ,Л.,1990,с.131-160,(ДСП).

Раздал 2.(Заключительный этап). Разработка кетодак теоретических, экспериментальных исследований и измерений рабочих характеристик оптических усилителей на основе активных однокодовых оптических волокон. СЗПИ.Л.,1991,с.9-36.

2. Бойцов К.П. .Дравских Д.А..Маккавеев В.И. Исследование характеристик перспективных компонентов оптоэлектроникп.- Отчет о НИР N Г.р. 01910046841.

Раздел 3. Отработка методики исследования макета полупроводникового оптического усилителя. СЗПИ,Л., 1991.

3. Дравских Д.А..Дравских А.Ф. Шумовые характеристики усилителей на активных оптических волокнах.-Препринт N 77 СПб,РАН, С.-Петербург . 1 992 , 46с .

4. Дравскпх Д.А.,Зимин Л.Г. Анализ параметров оптических перекли-чателей на основе экситонного резонанса. - Научно-техническая конференция N 48 НТО РЭС им.А.С.Попова. С.- Петербург, апрель 1993.Тезисы докл.,с.36.

5. Дравских Д.А. Оптимизация шумовых характеристик усилителей па активных оптических волокнах.- НТК N 48 НТО РЭС иг*.А.С.Попова. С.-Петербург,апрель 1993. Тезисы докл.,с.37.

6. Dravsklkh D.A. Optimisation of по1зе figure characterl3tic3 оГ

rare-earth doped optical fiber amplifiers.- Proc."Third International Soviet Fiber Optics and Telecommunications Conference. St.Petersburg,April 26-30,1993." - Boston, Massachusetts, USA,1993,pp.400-402. 7. BravsklMi D.A. Noise figure characteristics of rare-earth doped optical fiber amplifiers.-Third International Soviet Fiber Optics and Telecommunications Conference. St. Pet., Apr.26-3Q, 1993. Sunm.Pap. Boston.Massachusetts,USA,1993.

Pill m®,saK.5, Tup.80, yH.-mn.n.I-,-5/7-1994 r. EeciuiaTHO