автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Повышение пропускной способности волоконно-оптических систем передачи информации за счет использования новых наноструктур

На правах рукописи

О/Шк

Кручинин Александр Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ

НАНОСТРУКТУР

Специальность: 05.12.13 "Системы, сети и устройства телекоммуникаций"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ИЮЛ 2014

Москва - 2014

005550714

005550714

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МГУПС (МИИТ)) на кафедре «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь».

Научный руководитель: Журавлева Любовь Михайловна

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры "Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте", МГУПС (МИИТ)

Официальные оппоненты: Ромашкова Оксана Николаевна

доктор технических наук, профессор,

заведующая кафедрой "Прикладная информатика" Института математики и информатики ГБОУ ВПО "Московский

городской педагогический университет" (МГПУ), г. Москва

Червяков Олег Вячеславович

кандидат технических наук,

руководитель проектов, ОАО "Интеллект Телеком", г. Москва

Ведущая организация: ОАО Научно-исследовательский и проектно-

конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте, (НИИАС), г.Москва

Защита диссертации состоится "30 " сентября 2014г. в 14 часов в ауд. 301 (к.З) на заседании диссертационного совета Д212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г., Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, ФРЭМТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета ВлГУ.

Автореферат разослан «3» июля 2014 года.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г.Владимир, ул. Горького, д.87, ВлГУ, ФРЭМТ.

Ученый секретарь диссертационного

совета, д.т.н., профессор >, ' Самойлов Александр Георгиевич

Общая характеристика работы Актуальность работы обусловлена постоянным ростом объемов информации, передаваемых по волоконно-оптическим системам передачи (ВОСП). Поэтому основной задачей является повышение пропускной способности и скорости передачи сигналов ВОСП.

Скорость и пропускная способность ВОСП определяются возможностями оптических волноводов, быстродействием элементной базы электроники и оптоэлектроники. Совершенствование элементной базы зависит от уровня развития технологии производства и от успехов в создании новых материалов. Быстродействие элементной базы электроники определяется временем пролета электрона, следовательно, его скоростью и длиной затвора транзистора. Поэтому максимальная рабочая частота устройств обработки и передачи информации зависит от электронных характеристик материала и геометрических размеров микроэлементов.

С уменьшением геометрических размеров точность изготовления элементной базы должна увеличиваться. Однако существуют технологические пределы, связанные с разбросом параметров, энергопотреблением и тепловыделением, а также физические пределы уменьшения размеров. Для дальнейшего повышения скорости передачи и быстродействия требуется переход на низкоразмерные структуры. В настоящее время наиболее перспективными являются низкоразмерные изотопические структуры, где имеет место чередование слоев из различных изотопов одного и того же вещества.

Преимущества таких наноструктур заключаются в том, что исходные вещества (собственные изотопы химического элемента) близки по химическому составу (одинаковая электронная оболочка) и значениям постоянной кристаллической решетки. В то же время изотопы различны по физическим оптоэлектронным характеристикам (разные ширина запрещенной зоны, спины ядер, коэффициенты преломления, поглощения и т.д.). Это позволяет создавать пространственные ограничения для носителей заряда без посторонних химических элементов, ухудшающих оптоэлектронные характеристики

материала. При этом получаемые «гетеропереходы» не будут вызывать напряжения кристаллической решетки и влиять на волновые функции свободных носителей заряда.

В настоящее время наиболее «узким» местом для повышения скорости передачи информации ВОСП является оптический модулятор. Самым быстродействующим в настоящее время является модулятор Маха-Цендера (МЦМ). Исследование возможностей такого модулятора - важная и актуальная задача. Принцип работы МЦМ лежит в основе более совершенного модулятора на сверхрешетках (СВР).

Максимальная рабочая частота модулятора МЦМ на СВР составляет ЮОГГц.

Использование изотопических сверхрешеток позволит повысить максимальную рабочую частоту оптического модулятора свыше 200 ГГц.

В основе решения указанных проблем лежат:

- теоретические и прикладные исследования Убайдуллаева Р. Р., Мартинес-Дуарта Дж.М., Бутусова М.М., Верника С.М., Галкина С.Л. и др.

Задачи анализа и разработки методов оценки влияния параметров модулятора Маха-Цендера на качество оптической последовательности являются актуальными. Результаты диссертации направлены на решение этих задач и предназначены для использования при разработке новых модуляторов на базе МЦМ с использованием ИСВР.

Объектом исследований диссертационной работы является модулятор Маха-Цендера

Предмет исследований - влияние параметров модулятора Маха-Цендера, на качество оптической последовательности.

Целью настоящей диссертационной работы является оценка влияния параметров модулятора Маха-Цендера на качество оптической последовательности.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи.

1. Получение зависимости (^-фактора от параметров сигнала и помехи;

2. Определение зависимости интеграла перекрытия сигналов в двух параллельных каналах МЦМ от его параметров;

3. Выполнение расчета, позволяющего оценить влияние разности размеров сердцевины модуляторов типа Маха-Цендера на качество передачи;

4. Получение зависимости коэффициента ошибок от разности Др размеров сердцевины модулятора, позволяющей оценить влияние технологии на качество передачи.

Методы исследований. В проводимых исследованиях используются методы теории волновых процессов, теории информации, теории передачи сигналов, математическое моделирование, мезоскопической физики.

Научная новнзна.

1) получены результаты исследования влияния несимметричности оптических волноводов на качество передачи;

2) произведен расчет, позволяющий оценить влияние качества изготовления на оптические потери МЦМ;

3) осуществлен расчет ВЕЯ в зависимости от разности Др размеров сердцевины модулятора;

4) предложен модулятор на базе новых наноструктур с использованием изотопических сверхрешеток.

Практическая значимость диссертации состоит в том, что исследованы потенциальные возможности модулятора МЦМ с учетом влияний технологий, предложен новый модулятор на основе изотопических сверхрешеток. За счет этого быстродействие МЦМ может повыситься более чем в 2 раза по сравнению со сверхрешетками из разных полупроводников и в 5 раз по сравнению с МЦМ из ниобата лития.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена корректным применением используемых математических методов, полученных научных результатов, выводов и рекомендаций обусловлена корректной

постановкой задачи, принятыми допущениями и ограничениями, теории информации, математического моделирования.

Полученные результаты согласуются с результатами работ других авторов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Зависимость (^-фактора от параметров сигнала и помехи

2. Зависимость интеграла перекрытия сигналов в двух параллельных каналах МЦМ от его параметров

3. Зависимости от изменения коэффициента преломления набега фазы и интеграла перекрытия для номинальных для МЦМ значений длины волны, показателя преломления, волнового и полуволнового напряжений.

4. Результаты оценки влияния качества изготовления на оптические потери МЦМ

5. Зависимость коэффициента ошибок от разности размеров сердцевин волноводов МЦМ

Внедрение результатов работы осуществлено в соответствующие проекты ООО «Наука-Связь», ООО НПП "АКСИОН-РТИ". Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс РОАТ в рамках дисциплин «Теория передачи сигналов» и "Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства". Все результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы выполнена на:

1) Международных НТК «Перспективные технологии и средства передачи информации» в г. Владимире в 2009,2011,2013 гг.;

2) В НТО РЭС им А.С.Попова в г. С-Петербург в 2009, 2010, 2011 гг.;

3) На 11-й, 12-ой, 13-ой научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» в МИИТе в 2010, 2011,2012 гг.;

4) На заседаниях кафедр «Радиотехника и электросвязь» и «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МИИТа в 20102013 гг..

Участие в НИР Госбюджетные НИР:

Перспективные технологии в средствах передачи информации железнодорожного транспорта, 2012 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 26 статей, в том числе 7 статей во включенных в перечень ВАК журналах.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из перечня сокращений, введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 105 наименований, приложения. Основная часть работы изложена на 107 страницах машинописного текста и содержит 35 рисунков и 2 таблицы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведена краткая характеристика состояния исследуемых вопросов, сформулированы цель и задачи исследования, отражено практическое значение работы.

В первой главе проанализированы способы повышения эффективности волоконно-оптических систем передачи.

Проведенный анализ развития ВОСП показал, что повышение пропускной способности волоконно-оптических систем связи и скорости передачи сигналов возможны только путем совершенствования элементной базы и переходом на низкоразмерные структуры (квантовые ямы, проволоки, точки).

Для получения новой элементной базы на основе низкоразмерных структур необходимо создание новых материалов и новых технологий.

Так, новый материал можно создать на базе модели сверхрешетки с помощью собственных изотопов исходного вещества. Наиболее перспективными способами изготовления изотопических сверхрешеток являются ядерные технологии. В их основе лежит реакция поглощения тепловых нейтронов ядрами облучаемого вещества.

Во второй главе Представлены результаты эксперимента по определению энергетических характеристик мультиплексора технологии DWDM компании BTI.

Разработанная схема эксперимента, использующая мультиплексор «компании ВТ1», представлена на рисунке 1.

Анализатор спектра

Рисунок 1. Схема проведения эксперимента

На рисунке 1 использованы обозначения:

DWDM MUX - DWDM мультиплексор;

OPA (optical pre-amplifier) - оптический предусилитель;

OBA (optical booster amplifier) - оптический усилитель;

MSI (managment system interface) - плата управления;

SCP (system control processor) - процессорная плата;

CU (cooling unit) - вентилятор.

В ходе эксперимента на входы мультиплексора подавались сигналы от SFP+ модулей разной длины волны, подключенных в порты коммутатора. В результате проведенных измерений, с помощью анализатора спектра, были получены экспериментальные зависимости уровня мощности сигнала на выходе усилителя ОВА, от числа каналов п и длины волны X.

Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость уровня мощности сигнала в ¡-м канале Р, на выходе усилителя ОВА от числа каналов п и длины волны X

Число каналов п Уровень Р,, дБм при X , нм

1554,13 1554,94 1555,75 1556,56 1557,36 1558,17 1558,98 1559,79

1 7 6,80 6,78 6,88 6,95 6,74 6,98 6,85

2 6,40 6,25 6,35 6,20 6,32 6,42 6,08 6,12

3 4,76 4,8 4,78 4,9 4,79 4,87 4,67 4,73

4 3,88 3,8 3,6 3,76 3,73 3,7 3,49 3,53

5 3,2 3,1 3,15 3,25 3,1 3,14 3,04 3,07

6 2,5 2,35 2,3 2,43 2,33 2,37 2,34 2,38

7 2,07 2,03 1,93 2,03 2 1,94 2,01 1,91

8 1,93 1,73 1,7 1,66 1,62 1,6 1,52 1,56

В третьей главе исследована зависимость качества оптической последовательности (ОП) на выходе оптического модулятора Маха-Цендера (МЦМ) от значений его параметров.

Модулятор МЦМ получил наибольшее распространение в высокоскоростных системах волнового уплотнения. Он представляет собой два встречно включенных У- разветвителя, соединенных отрезками отдельно управляемых волноводов, по которым распространяется свет от лазера.

Модулятор МЦМ и сигнал на его выходе характеризуются следующими параметрами: волновое напряжение V, полуволновое напряжение Уп, коэффициенты преломления п и их изменения Дп, коэффициенты электрооптических свойств /3 волноводов модулятора, набег фазы сигнала ДФ.

При учете этих параметров используя результаты М.М. Бутусова, С.М.' Верника, С.Л. Галкина, в работе получена зависимость набега фазы и интеграла перекрытия: от параметров МЦМ.

АФ = г-(п+Ап)—-1 (1)

к= I

1 , [У

— - 1 + соэ ж--

2 К

1 V

—ь соэ ж--

2 I К

¡/У

(2)

где У„,= -

Л

(п + АпУ-г у-Ь' Л - длина волны;

г - электрооптический коэффициент, определяемый материалом; с/ - расстояние между электродами с напряжением; у - коэффициент оптического фактора моды;

- длина волновода. Для значений Я=131010"6м, «=1,45, К„=5В, К=2,5В определены зависимости от Ап набега фазы и интеграла перекрытия (рисунок 2 и рисунок 3, соответственно).

АФ

г. / /

/

■ .—-—-

ж

10"

105

1(У4 Ап

ю-3

10-2

Рисунок 2. Зависимость набега фазы от Ап

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1 10(

\

\

\

\

\

\

Ю-5

/г

Ап

ю-'

10-

Рисунок 3. Зависимость интеграла перекрытия от Ап

Изменения Дп влияют на уровень компенсации сигнала на выходе оптического модулятора МЦМ и приводят, начиная с порогового значения Лп 10"3 к инверсии символа цифрового оптического сигнала (см. рисунок 3).

В четвертой главе исследовано влияния несимметричности (разности Ар размеров сердцевины) волноводов на напряженность электрического поля и оптические потери в МЦМ.

Для определения коэффициента /?, распространения моды в работе составлена система уравнений:

где И2 = п2к2 - р2 к — волновое число (Л=2я/Л); ф=/32_п2к2

Ец - напряженность электрического поля в сердцевине; £/, £///- напряженности электрического поля в оболочке; х - размер оболочки.

Система уравнений (3) составлены из условия непрерывности функции Е(х) и ее производной на границе слоев волновода. В результате ее решения определено у?/ (рисунок 4).

Е,(х) = Ае~«\ Е„(х) = В15т}гх + СсоБкх; Е,„(х) = 0еч(-х+р\

(3)

!2(Р) П(Р)

0.8

0 4

0 6

0.2

6.91x106 6.92x1 О6 6.93x106 6.94х106 6.95x106

Р

Рисунок 4. Графическая иллюстрация к определению /?

1

С использованием системы уравнений (3) определена зависимость интеграла перекрытия от разницы размеров сердцевин , представленная на рисунке 4.

др, м

Рисунок 5. Зависимость интеграла перекрытия от разницы размеров

сердцевин

Существенное уменьшение интеграла перекрытия начинается со значения Др = 10"8 м и приводит к увеличению коэффициента ошибок в цифровом оптическом сигнале. Степень этого увеличения определена в пятой главе

В пятой главе осуществлен расчет, позволяющий оценить влияние разности Ар размеров сердцевины волноводов МЦМ на качество передачи.

Разность Ар влияет на среднее значение напряженности и р0 электрического тока при битовых посылках, соответствующих 1 и 0. Чем меньше разность между и р0 , тем больше Q-фактор и тем меньше BER при одной и той же дисперсии шума фотоприемника.

Качество любой цифровой последовательности, в том числе ОП на выходе МЦМ, определяется, прежде всего, показателем BER (Bit Error Rate) -коэффициентом битовых ошибок.

Согласно Рекомендации МСЭ-Т 0.201 ВЕЯ связан с (^-фактором -признанный критерий оценки качества оптических каналов, который целесообразно использовать при определении качества ОП, тем более, что этот метод определения (^-фактора требует меньшего времени по сравнению с измерением ВЕЯ.

В диссертации получена зависимость (^-фактора от параметров МЦМ, сигнала и помехи:

(К-(\-К))1

0 =

(4)

сг, +а2

где I - тепловой ток фотоприемника;

(То, "7 - среднеквадратичное отклонение тока теплового шума.

С использованием формулы (4) определена зависимость О от размера волноводов р (Рисунок 6)

\

\ \

\

55

57.5

60

62.5 р, нм

65

67.5

70

Рисунок 6. Зависимость (^-фактора от р Для стандартного (для модулятора МЦМ) значения р = 62.5нм <3 = 6. С использованием формулы (1-3) Рекомендации МСЭ-Т 0.201 в работе определена зависимость ВЕЯ от С>-фактора:

ВЕЩО) = е Л X

0_

•у/2

(5)

где а„ = 1,69071595, а, = 1,45117156, а2 = 0,5000323, Ъ0 = 1,90764542, Ъ, =3,7948594, Ъ2 = 2,90845448. Ь3= 1.

ВЩ0 = —|=ех(6) 0л/2л- 2

В диссертации для стандартного для модулятора МЦМ значения размера волноводов 62,5 нм с использованием (5) и (6) определена зависимость ВЕЯ от (^-фактора (рисунок 7).

Рисунок 7. Зависимость ВЕЯ от (^-фактора Сравнение графиков построенных по формулам (5) ВЕЯ) и (6) ВЕЯ2, показало незначительную разницу между ними. Значения ВЕЯ полученные по формуле (5) ближе к значениям полученным экспериментальным путем, что позволило сделать вывод о возможности использования формулы (5), рекомендованной МСЭ-Т 0.201.

Известно, что при значении ВЕЯ=10 5 (пороговом значении), происходит закрытие оптического канала. На основании зависимости ВЕЯ (С?) (см. рисунок 3) можно прийти к выводу, что в случае МЦМ пороговое значение ВЕЯ= 10"5 соответствует значению (3 = 4.

С использованием формулы (5), уточненной с учетом решения системы уравнений (3) в диссертации установлена зависимость ВЕЯ от разности размеров сердцевины МЦМ (рисунок 8).

ю-3 1(Г

10"8 ю-'

6-Ю-10 8-Ю"9 МО"9 7 • 10"8 2-10"8 7-Ю"5 Др, м

Рисунок 8. Зависимость BER от Ар

Как видно из рисунка 8, разброс значений размеров волноводов модулятора МЦМ влияет на величину коэффициента ошибок цифрового оптического сигнала. График BF,R(Ар) имеет пороговый характер. При значениях Ap>2-10"s м происходит обрыв цифрового оптического сигнала. Пороговое значение Ар может служить рекомендацией для качества изготовления модуляторов на базе МЦМ.

Зависимость ВЕЯ(Др) позволяет оценить влияние технологии на максимальную канальную скорость модуляции. Повышение точности выше 10"8 м несущественно для улучшения качества связи и скорости модуляции.

Для повышения быстродействия модуляторов предложено в качестве одного из волноводов МЦМ использовать СВР.

Применение СВР позволяет повысить скорость модуляции до 100 ГГц. Эти преимущества СВР перед объемными материалами объясняются пространственными ограничениями носителей заряда.

Если использовать изотопические сверхрешетки, то быстродействие МЦМ повысится в 2 раза, по сравнению с СВР. Это основано на том, что использование изотопически чистых материалов, позволило увеличить скорость микропроцессоров вдвое, за счет очистки исходного материала от тяжелых изотопов.

Использование изотопической сверхрешетки (ИСВР), в качестве материала волноводов МЦМ, позволит увеличить скорость передачи сигнала по сравнению с ниобатом лития. Это объясняется тем, что в ИСВР нет дефектов, т.к. кристаллические решетки однородны и отсутствуют легирующие атомы, что повышает скорость носителей заряда.

Основные выводы и результаты

1. Получена зависимость (^-фактора от параметров сигнала и помехи на выходе оптического модулятора Маха-Цендера (МЦМ). Определена зависимость значений напряжения сигнала, соответствующих значениям элементарных символов в оптической последовательности на выходе МЦМ от интеграла перекрытия сигналов в его каналах.

2. Получена зависимость интеграла перекрытия сигналов в двух параллельных каналах МЦМ от его параметров

3. Определены зависимости от изменения коэффициента преломления набега фазы и интеграла перекрытия для номинальных для МЦМ значений длины волны, показателя преломления, волнового и полуволнового напряжений. Изменения коэффициента преломления приводят, начиная с порогового его значения 10"3 к инверсии символов цифрового оптического сигнала.

4. Исследовано влияния несимметричности (разности Ар размеров сердцевины) волноводов на напряженность электрического поля и оптические потери в МЦМ.

5. Определена зависимость (^-фактора от диаметров волноводов. Для стандартных для МЦМ значений диаметров волноводов 62.5 нм, величина С>-фактора составила (}=6.

6. Для стандартных значений диаметров определена зависимость коэффициента ошибок от Q-фактора, на основании которой сделан вывод, что в случае МЦМ пороговое значение BER= 10"5 (при закрытии оптического канала) определяется значением Q-фактора Q = 4.

7. Оценено влияние Ар на качество передачи. Определена зависимость BER от Ар. При значениях Ар>2-10'8 м происходит увеличение коэффициента ошибок цифрового оптического канала. Данное значение может служить рекомендацией для качества изготовления модуляторов на базе МЦМ.

Список публикаций Публикации в изданиях из перечня ВАК

1. Журавлева, J1.M., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Математическое моделирование процесса распространения света в многослойном планарном волноводе [Текст]/Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Мир транспорта. - 2012. - №1. - С.26-31.

2. Журавлева, J1.M., Кручинин, A.C., Змеева A.A. Повышение эффективности волоконно-оптических систем передачи [Текст]/Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.A. Змеева //Мир транспорта. - 2012. - №2. -С.11-19.

3.Журавлева J1.M., Кручинин A.C., Змеева, A.A.// Быстродействие волоконно-оптических систем [Текст]/Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.A. Змеева // Мир транспорта. - 2012. - №3. - С.164-167.

4. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Качество модулятора и нанотехнология [Текст]/Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Мир транспорта. - 2012. - №4. - С.28-33.

5. Журавлева, JI.M., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Повышение пропускной способности волоконно-оптических систем передачи информации с помощью изотопических сверхрешеток [Текст]/Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2012. - №12. - С.60-66.

6. Журавлева Л.М., Кручинин A.C., Новожилов A.B., Логинов, Д.А. Проектирование изотопических сверхрешеток [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов, Д.А. Логинов // Телекоммуникации. -2013. №7. - С.12-18.

7. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B., Журавлев, O.E. Потенциальные возможности повышения пропускной способности оптического канала [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов, O.E. Журавлев // Успехи современной радиоэлектроники. -2013. - №9. - С. 11-16.

Прочие публикации

8. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Передача информации по волоконно-оптическим линиям связи [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // "Обработка сигналов в системах наземной радиосвязи и оповещения" Материалы шестнадцатой межрегиональной научно-технической конференции. - 2008. - С.127-131.

9. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Применение фотонных кристаллов в современных системах передачи информации [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды десятой научно-практической конференции "Безопасность движения поездов". -2008. - C.VIII-3.

10. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Перспективы использования фотонно-кристаллического волокна в широкополосных сетях доступа на базе технологии PON [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C.

Кручинин, A.B. Новожилов // Труды научно-практической конференции "Наука МИИТа -Транспорту 2008", часть 2. - 2008. - C.VII-110

11. Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Компьютерное моделирование волновых процессов в планарном волноводе [Текст] / A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды научно-практической конференции Неделя науки-2009 "Наука МИИТа -Транспорту" в двух частях. - 2009.-С. П-63-64.

12. Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Нанотехнология оптических волноводов [Текст] / A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды научно-практической конференции Неделя науки-2009 "Наука МИИТа -Транспорту" в двух частях. - 2009. - С. II-97.

13. Журавлева, JI.M., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Нанотехнология оптических устройств передачи информации [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды 64-ой Научно-технической конференции - С-Петербург. - 2009. - С.142-144.

14. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Нанотехнология оптических устройств обработки информации [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды 64-ой Научно-технической конференции - С-Петербург. - 2009. - С.144-146.

15. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Повышение качества оптических устройств передачи информации с помощью нанотехнологий [Текст]/Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды десятой научно-практической конференции "Безопасность движения поездов". - 2009. - C.VIII-1-VIII-2.

16. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B., Журавлев, O.E. Математическое моделирование волновых процессов с помощью MathCad [Текст]/Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов, O.E. Журавлев // Перспективные технологии в средствах передачи информации:

Материалы 8-й международной научно-технической конференции -Владимир: Изд-во Владим.гос.ун-та, 2009 С.98-99.

17. Журавлева, JI.M., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Нанотехнология оптических устройств обработки информации [Текст] / JLM. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды 65-ой Научно-технической конференции посвященная Дню Радио. - 2010-С.221-222.

18. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Повышение эффективности волоконно-оптической связи с помощью изотопической нанотехнологии [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды одиннадцатой научно-практической конференции "Безопасность движения поездов". - 2010.- С.VIII-10.

19. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Повышение пропускной способности оптического волокна с помощью низкоразмерных изотопических структур [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды одиннадцатой научно-практической конференции "Безопасность движения поездов". - 2010. - C.VIII-9.

20. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Определение энергетических характеристик многослойного оптического волокна с помощью математического моделирования [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды двенадцатой научно-практической конференции "Безопасность движения поездов". - 2011. - C.XIV-74.

21. Журавлева, Л.М., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Повышение быстродействия модулятора с помощью изотопической нанотехнологии [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды двенадцатой научно-практической конференции "Безопасность движения поездов". - 2011 - C.XIV-72.

22. Кручинин, A.C. Оптимизация форматов оптической модуляции для систем DWDM [Текст] / A.C. Кручинин // Перспективные технологии в

средствах передачи информации: Материалы 9-й международной научно-технической конференции. - 2011.-С.179-181 т2.

23. Журавлеав, Л.М., Кручинин, A.C. Влияние нанотехнологий на эффективность оптического модулятора в системах DWDM. [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 9-й международной научно-технической конференции. - 2011. - С.238-240т1.

24. Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Методика повышения быстродействия оптического модулятора Маха-Цендера [Текст] / A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды научно-практической конференции Неделя науки. - 2012.- C.III-70.

25. Журавлева, Л.М., Змеева, A.A., Кручинин, A.C., Новожилов, A.B. Повышение эффективности волоконно-оптических линий связи за счет применения изотопических сверхрешеток [Текст] / Л.М. Журавлева, A.A. Змеева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов // Труды тринадцатой научно-практической конференции "Безопасность движения поездов". - 2012. -C.VIII-10.

26. Журавлева, Л.М., Новожилов, A.B., Кручинин, A.C. Повышение эффективности волоконно-оптических систем связи с помощью новых наноструктур и нанотехнологий [Текст] / Л.М. Журавлева, A.C. Кручинин, A.B. Новожилов //Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 10-й международной научно-технической конференции, т. 1. - 2013. - С.136-139.

Подписано в печать 30.06.14. Формат 60 84/16. Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ 153 Издательство

Московского государственного университета путей сообщения. 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ"

На правах рукописи

КРУЧИНИН АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ НАНОСТРУКТУР

Специальность 05.12.13 «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук., доцент Журавлева Любовь Михайловна

Москва - 2014

Оглавление:

Введение 5

Глава 1 Способы повышения эффективности волоконно-оптических систем передачи информации ВОСП 9

1.1 Перспективы развития волоконно-оптических систем передачи 9

1.2 Значение нанотехнологий в увеличении скорости передачи информации 12

1.3 Физические и технологические пределы повышения скорости передачи информации 15

1.4 Выводы по главе 17 Глава 2 Способы повышения пропускной способности волоконно-оптических систем передачи с помощью технологий TDM и WDM 18

2.1 Энергетический и временной балансы волоконно-оптических систем передачи 18

2.2 Сравнительный анализ информационной емкости волоконно-оптических систем передачи на базе технологий TDM и WDM 20

2.3 Сравнительный анализ энергетического баланса ВОСП на базе технологий TDMhWDM 23

2.4 Сравнительный анализ временных балансов ВОСП на базе технологий TDM и WDM 26

2.5 Сравнительный анализ пропускной способности ВОСП на базе технологий TDMhWDM 28

2.6 Измерения уровней оптических сигналов в системах DWDM 30

2.7 Выводы по главе 41 Глава 3 Исследование потенциальных возможностей оптических модуляторов 42

3.1 Анализ и сравнительная характеристика различных форматов оптической модуляции 42

3.2 Исследование работы модулятора Маха-Цендера 45

3.3 Исследования модуляционной характеристики МЦМ 48

3.4 Исследование потенциальных возможностей МЦМ 50

3.5 Сравнение влияния технологий изготовления на примере оптического фильтра Маха-Цендера 52

3.6 Выводы по главе 5 6 Глава 4 Математическое моделирование характеристик оптического модулятора Маха-Цендера 57 4.1 Моделирование волновых процессов в планарном волноводе 57 4.2. Решение волнового уравнения 60

4.3 Сравнение методик расчета интеграла перекрытия 63

4.4 Выводы по главе 65 5. Расчет эффективности волоконно-оптических систем передачи на базе модулятора Маха-Цендера 66

5.1 Методы повышения быстродействия модулятора Маха-Цендера 66

5.2 Методика расчета эффективности оптического модулятора Маха-Цендера 69

5.3 Расчет вероятности ошибки 75

5.4 Описание модели сверхрешетки 77

5.5 Принципы работы оптических модуляторов на сверхрешетках 82

5.6 Преимущества оптических модуляторов на изотопических сверхрешетках 84

5.7 Описание ядерной нанотехнологии 86

5.8 Выводы по главе 92 Заключение 93 Список сокращений 94 Список литературы 95 Приложение А. Акт об использовании результатов кандидатской работы в ООО "Наука-Связь" 107 Приложение Б. Акт об использовании результатов кандидатской работы в ООО НПП "АКСИОН-РТИ" 108 Приложение В. Акт о внедрении в учебный процесс результатов кандидатской работы в МГУПС (МИИТ) «Московский государственный университет путей сообщения» 109

1 'I

Приложение Г. Программа расчета коэффициента распространения ¡3 в однослойном ОВ 111

Приложение Д. Программа для построения графика зависимости напряженности электрического поля 112

Приложение Е. Программа для определения длины волны настройки оптического фильтра 113

Введение

Актуальность работы обусловлена постоянным ростом объемов информации, передаваемых по волоконно-оптическим системам передачи (В ОСП). Поэтому основной задачей является повышение пропускной способности и скорости передачи сигналов ВОСП.

Скорость и пропускная способность ВОСП определяются возможностями оптических волноводов, быстродействием элементной базы электроники и оптоэлектроники. Совершенствование элементной базы зависит от уровня развития технологии производства и от успехов в создании новых материалов. Быстродействие элементной базы электроники определяется временем пролета электрона, следовательно, его скоростью и длиной затвора транзистора. Поэтому максимальная рабочая частота устройств обработки и передачи информации зависит от электронных характеристик материала и геометрических размеров микроэлементов.

С уменьшением геометрических размеров точность изготовления элементной базы должна увеличиваться. Однако существуют технологические пределы, связанные с разбросом параметров, энергопотреблением и тепловыделением, а также физические пределы уменьшения размеров. Для дальнейшего повышения скорости передачи и быстродействия требуется переход на низкоразмерные структуры. В настоящее время наиболее перспективными являются низкоразмерные изотопические структуры, где имеет место чередование слоев из различных изотопов одного и того же вещества.

Преимущества таких наноструктур заключаются в том, что исходные вещества (собственные изотопы химического элемента) близки по химическому составу (одинаковая электронная оболочка) и значениям постоянной кристаллической решетки. В то же время изотопы различны по физическим оптоэлектронным характеристикам (разные ширина запрещенной зоны, спины ядер, коэффициенты преломления, поглощения и т.д.). Это позволяет создавать пространственные ограничения для носителей заряда без посторонних химических

элементов, ухудшающих оптоэлектронные характеристики материала. При этом получаемые «гетеропереходы» не будут вызывать напряжения кристаллической решетки и влиять на волновые функции свободных носителей заряда.

В настоящее время наиболее «узким» местом для повышения скорости передачи информации ВОСП является оптический модулятор. Самым быстродействующим в настоящее время является модулятор Маха-Цендера (МЦМ). Исследование возможностей такого модулятора - важная и актуальная задача. Принцип работы МЦМ лежит в основе более совершенного модулятора на сверхрешетках (СВР).

Максимальная рабочая частота модулятора МЦМ на СВР составляет ЮОГГц.

Использование изотопических сверхрешеток позволит повысить максимальную рабочую частоту оптического модулятора свыше 200 ГТц.

В основе решения указанных проблем лежат:

- теоретические и прикладные исследования Убайдуллаева Р. Р., Мартинес-Дуарта Дж.М., Бутусова М.М., Верника С.М., Галкина С.Л. и др.

Задачи анализа и разработки методов оценки влияния параметров модулятора Маха-Цендера на качество оптической последовательности являются актуальными. Результаты диссертации направлены на решение этих задач и предназначены для использования при разработке новых модуляторов на базе МЦМ с использованием ИСВР.

Объектом исследований диссертационной работы является модулятор Маха-Цендера

Предмет исследований - влияние параметров модулятора Маха-Цендера, на качество оптической последовательности.

Целью настоящей диссертационной работы является оценка влияния параметров модулятора Маха-Цендера на качество оптической последовательности.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи.

1. Получение зависимости С?-фактора от параметров сигнала и помехи;

2. Определение зависимости интеграла перекрытия сигналов в двух параллельных каналах МЦМ от его параметров;

3. Выполнение расчета, позволяющего оценить влияние разности размеров сердцевины модуляторов типа Маха-Цендера на качество передачи;

4. Получение зависимости коэффициента ошибок от разности Ар размеров сердцевины модулятора, позволяющей оценить влияние технологии на качество передачи.

Методы исследований. В проводимых исследованиях используются методы теории волновых процессов, теории информации, теории передачи сигналов, математическое моделирование, мезоскопической физики.

Научная новизна.

1) получены результаты исследования влияния несимметричности оптических волноводов на качество передачи;

2) произведен расчет, позволяющий влияние качества изготовления на оптические потери МЦМ;

3) осуществлен расчет ВЕЯ в зависимости от разности Др размеров сердцевины модулятора;

4) предложен модулятор на базе новых наноструктур с использованием изотопических сверхрешеток.

Практическая значимость диссертации состоит в том, что исследованы потенциальные возможности модулятора МЦМ с учетом влияний технологий, предложен новый модулятор на основе изотопических сверхрешеток. За счет этого быстродействие МЦМ может повыситься более чем в 2,5 раза по сравнению со сверхрешетками из разных полупроводников и в 5 раз по сравнению с МЦМ из ниобата лития.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена корректным применением используемых математических методов, полученных научных результатов, выводов и рекомендаций обусловлена корректной постановкой задачи, принятыми допущениями и ограничениями, теории информации, математического моделирования.

Полученные результаты согласуются с результатами работ других авторов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Зависимость (^-фактора от параметров сигнала и помехи

2. Зависимость интеграла перекрытия сигналов в двух параллельных каналах МЦМ от его параметров

3.Зависимости от изменения коэффициента преломления набега фазы и интеграла перекрытия для номинальных для МЦМ значений длины волны, показателя преломления, волнового и полуволнового напряжений.

4. Результаты оценки влияния качества изготовления на оптические потери МЦМ

5. Зависимость коэффициента ошибок от разности размеров сердцевин волноводов МЦМ

Внедрение результатов работы осуществлено в соответствующие проекты ООО «Наука-Связь», ООО НПП "АКСИОН-РТИ". Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс РОАТ в рамках дисциплин «Теория передачи сигналов» и "Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства". Все результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Глава 1 Способы повышения эффективности волоконно-оптических

систем передачи

1.1 Перспективы развития волоконно-оптических систем передачи

Повышение эффективности волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСП) во многом определяется общими тенденциями развития оптических технологий. Это обусловлено постоянным увеличением объемов информации, которые необходимо передавать с помощью телекоммуникационных систем. Поэтому увеличение пропускной способности, скорости передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) являются главными задачами для повышения эффективности ВОСП. Решение этих задач возможно при условии дальнейшего развития информационных и нанотехнологий. Современные телекоммуникационные системы предназначены для организации цифровых информационных сетей передачи данных, голоса, видеоизображений. Наиболее перспективными являются волоконно-оптические системы передачи [1, 6, 13]. Они состоят из волноводов (направляющей среды для передачи оптических сигналов от источника к приемнику излучения), передатчика (источника света и оптического модулятора), приемника, преобразующего с помощью фотодетектора оптические сигналы в электрические. Передача информации по оптическим волноводам имеет много преимуществ перед другими линиями связи, главные из которых являются широкая полоса пропускания, малое затухание светового сигнала, низкий уровень шумов, невосприимчивость к электромагнитным помехам [21, 22, 23].

Скорость и пропускная способность оптических волноводов определяются возможностями ВОСП, а именно: быстродействием элементной базы электроники и оптоэлектроники, форматом оптической модуляции, характеристиками лазеров и фотодетекторов. Следовательно, для повышения эффективности ВОСП необходимо развивать элементную базу с помощью внедрения новых наноструктурированных материалов (для лазеров, фотодетекторов, оптических

модуляторов) и новых форматов оптической модуляции (кодирования, метода модуляции оптического несущего сигнала). Первый способ повышения эффективности ВОСП зависит от развития нанотехнологий, так как связан, прежде всего, с уменьшением размеров элементной базы, второй способ - от совершенствования информационных технологий.

Под информационными технологиями в широком смысле подразумеваются современные компьютерные, сетевые, интернет технологии, а также самые разнообразные телекоммуникационные технологии обработки и передачи информации, касающиеся методов сжатия сообщений, кодирования и модуляции. Нанотехнология - «это совокупность методов и средств, обеспечивающих создание структур, состоящих из отдельных атомов, молекул и макромолекулярных блоков с типичными размерами от единиц до сотен нанометров, а также материалов и функциональных систем на их основе » [6,9,14, 34]. Для цифровых ВОСП пропускную способность С оптического волокна (ОВ) можно определить как произведение ширины полосы частот Д^ «окна прозрачности» ОВ и количества бит информации, приходящегося на один элементарный импульс. При этом максимальное число бит для двоичного кодирования равно единице [25, 27]. Скорость передачи информации о численно равна ширине полосы частот Р, необходимой для организации оптического канала связи (величине, обратной длительности элементарного импульса). Отсюда, пропускная способность С оптического волокна на базе современных ВОСП есть скорость передачи одного оптического канала и на число каналов N = АЕ/Г, организованных в «окне прозрачности» волокна шириной AF. Поэтому увеличение скорости о, приводит к повышению величины С. Существуют два варианта увеличения пропускной способности и скорости передачи информации. Первый - это расширение возможностей оптоэлектронных устройств для реализации частотного ресурса «окна прозрачности» ОВ. Второй - повышение числа бит информации, приходящегося на один импульс. В первом случае главную роль играют геометрические размеры и качество материала элементной базы ВОСП, а также технологии производства [35, 38, 48].. Во втором случае -

совершенство информационных технологий (сжатия сигналов, многопозиционного кодирования, форматов оптической модуляции, повышение отношения мощностей сигнала и шума в приемнике, уменьшение шумов квантования в передатчике и т.д.). Следует отметить, что увеличение скорости о и числа каналов N В ОСП за счет нанотехнологий происходит в виде линейной функции. Повышение числа бит информации, переносимой единичным импульсом за счет информационных технологий, согласно формуле Шеннона описывается логарифмической функцией [53]. При одинаковых значениях аргументов скорость роста линейной зависимости больше, чем логарифмической функции. Следовательно, степень влияния нанотехнологий на пропускную способность оптического волокна на базе ВОСП значительно выше, чем информационных технологий. Поэтому эффективность развития нанотехнологий имеет исключительное значение для совершенствования телекоммуникационных устройств [44]. Следует отметить, что приведенное сравнение не учитывает взаимное влияние друг на друга информационных и нанотехнологий. Так, определенными стимулами в развитии нанотехнологий являются потребности в реализации научных идей, возникающих в рамках информационных технологий. В то же время, возможности нанотехнологий по совершенствованию полупроводниковых лазеров и фотодетекторов позволяют информационным технологиям предлагать новые форматы оптической модуляции. Кроме того, существуют информационные технологии, например, волнового уплотнения, которые направлены на рациональное использование ресурсов оптического волокна (Д .Р), что повышает экономическую эффективность вложений в нанотехнологии.

Таким образом, в настоящее время наиболее перспективным способом повышения пропускной способности и скорости передачи информации с помощью волоконно-оптической связи является совершенствование устройств электроники и оптоэлектроники. В настоящее время главным направлением научных поисков в этой области является создание новых материалов на базе модели сверхрешеток, которая позволяет получить полупроводники с заданными

оптоэлектронными характеристиками. Это необходимо для улучшения качественных параметров лазеров, фотодетекторов, оптических модуляторов, которые непосредственно определяют информационную, спектральную и энергетическую эффективность ВОСП [77, 78, 91]. В решении этой задачи основным фактором являются результаты исследований в области потенциальных возможностей существующих оптоэлектронных устройств и путей повышения их ресурсов с помощью новых материалов, которые нельзя создать без совершенствования нанотехнологий.

1.2 �