Телекоммуникации

Возможность использования в волоконно-оптических линиях передачи сигналов сверхкоротких, продолжительностью порядка 1-10 пс, оптических импульсов – оптических солитонов – дискуссируется уже выше 30 лет. Нелинейный по собственной природе, солитонный режим передачи оптических сигналов является одним из методов реализации принципа временного уплотнения (TDM) инфы в ВОСПИ. Предполагается, что конкретно при солитонном режиме будут достигнуты предельные, порядка единиц Тбит/с, скорости передачи данных поблизости одной спектральной несущей по одномодовому оптоволокну.

Суть нелинейной волоконной оптики заключается в том, что при довольно огромных плотностях мощности излучения в световоде свет прямо повлияет на среду распространения, в итоге чего же показатель преломления материала сердцевины ВС меняется. Секундные конфигурации показателя преломления n(t) среды представляются как оптический эффект Керра, где со0 – частота света, c – скорость света в вакууме, w – действенный радиус моды. Ежели P0- наибольшая (пиковая) мощность импульсного сигнала, распространяющегося в волноводе, нелинейная длина LNL такового оптоволокна определяется.

Солитонный режим распространения импульсного сигнала «физически» поясняется так. В среде с отрицательной (в2 Р 0) дисперсией рядовая
(линейная) дисперсия групповых скоростей (ДГС) сопровождается повышением моментальной частоты фронтального фронта и уменьшением частоты заднего фронта импульса; такое различие моментальных частот обусловливает расплывание (дисперсионное уширение) импульса, потому что различные спектральные составляющие импульса распространяются в оптоволокне с ненулевой дисперсией неизменной распространения с различными скоростями.

Вследствие воздействия оптической нелинейности, возникает доборная фазовая самомодуляция (ФСМ) сигнала, при всем этом моментальная частота сигнала на фронтальном фронте оптического импульса, напротив, миниатюризируется, а на заднем – возрастает относительно средней частоты с0 сигнала. Совместное «встречное» действие ДГС- и ФСМ-эффектов приводит к обоюдной компенсации моментальных смещений частоты света на фронтальном и заднем фронтах импульса, вследствие чего же моментальная частота света в течение продолжительности импульса примерно постоянна. В итоге в нелинейной среде с отрицательной дисперсией распространение оптического импульса происходит без конфигурации его продолжительности.

Нужным условием образования фундаментального солитона («уединенной волны») является равенство LD = LNL, откуда следует выражение для пиковой мощности сигнала.
К примеру, для обыденного кварцевого одномодового волокна на длине волны 1.55 мкм при T0=1 пс пиковая мощность солитона P0= 5 Вт, а при T0=10 пс P0= 50 мВт. При использовании световодов со смещенной дисперсией величиной J32 = -2пс2 / км мощность сигнала для заслуги солитонного режима распространения понижается приблизительно в 10 раз.

Приводимые оценки справедливы для оптического волокна без утрат и с учетом ослабления излучения условия образования оптических солитонов приметно усложняются. Согласно практическим оценкам, оптические солитоны могут возбуждаться в оптоволокне с потерями менее 0.2 дБ/км и при построении протяженных линий передачи таковых сигналов для компенсации утрат мощности излучения нужно применять оптические усилители. С иной стороны, солитонный режим распространения сигналов просит очень четкого согласования эффектов ДГС и ФСМ, он чувствителен к воздействию разных изъянов оптоволокна, наличию соединений, разветвителей, воздействию остальных нелинейных явлений (ВКР, ВРМБ и др.).

Хоть какой фотоприемник регистрирует только усредненную по времени мощность принимаемого оптического сигнала, при всем этом информация о фазе и частоте падающей на фотоприемник световой волны теряется (вообщем, флуктуации фототока охарактеризовывают когерентные характеристики поглощенного излучения – эффект Брауна-Твисса). Перенос в фототок инфы о фазе и частоте падающего на фотоприемник света вероятен при когерентном фотодетектировании излучения, принцип которого аналогичен гетеродинному детектированию сигналов, обширно применяемому в радиотехнике.

При некогерентном фотодетектировании сигнал с выхода фотоприемника усиливается электрическим полосовым усилителем низких (по отношению к оптическим) частот с шириной полосы
Тут фотоприемник, в сути, регистрирует полную мощность света в границах ограниченной области интерференционной картины, образованной в итоге суперпозиции сигнального и когерентного ему опорного излучений. Ежели B1(t) моментальная амплитуда «сигнальной» световой волны в некой точке фотоприемника, равнаязависящий от времени фототок i(t) фотоприемника прямо пропорционален квадрату суммарной амплитуды оптического поля.

Подстановкой 158 и 159 в 160, и выполнив усреднение по времени (фотоприемник не реагирует на переменные сигналы с оптическими частотами), находим выражение которое обрисовывает переменный сигнал биений фототока на «промежуточной» (в определениях радиотехники) частоте f = vs – v0, который прямо зависит от амплитуд и фаз направляемых на фотодетектор сигналов. При f Ф 0 имеет место гетеродинное фотодетектирование, при f= 0 – гомодинное. Ежели мощность сигнала гетеродина намного больше мощности принимаемого оптического сигнала, другими словами A0 ff A1, отношение сигнал/шум на выходе электрического полосового усилителя с шириной полосы пропускания.
Ввиду малой, по сопоставлению с оптической частотой, величины промежной частоты f, также малой величиной B f, отношение сигнал/шум при когерентном приеме излучения (162) может значительно
превосходить аналогичное отношение при некогерентном фотодетектировании.

Когерентное фотодетектирование целенаправлено применять при приеме маломощных оптических сигналов; к примеру, для промежной частоты величиной f f 500МГц отношение сигнал/шум на выходе когерентного фотодетектора приблизительно на 20 дБ выше, чем при некогерентном детектировании этого же слабенького сигнала.

Амплитуда сигнала биений значительно зависит от пространственных критерий гетеродинирования – угла а пересечения предметного (1) и опорного (2) лучей, направляемых на фотоприемник.
При vs Ф v0 интерференционные полосы передвигаются относительно фотоприемника и наибольший сигнал биений регится при условии d ff D, где d – период интерференционных полос, D – размеры чувствительной поверхности фотоприемника. Период полос d связан с углом а пересечения лучей обычным соотношением.

Интерференционная картина появляется при суперпозиции взаимно-когерентных световых пучков схожей линейной поляризации, потому при когерентном фотодетектировании сигналов обязателен контроль состояния поляризации сигнального и опорного пучков света. В одномодовых когерентных ВОСПИ конкретно перед фотоприемником устанавливается линейный поляризатор или в оптической схеме гетеродинного фотодетектора употребляется особое (PM) оптоволокно с сохранением поляризации излучения.

Основными способами роста пропускной возможности (скорости передачи инфы) в ВОСПИ являются
- временное уплотнение,
- пространственное уплотнение,
- спектральное уплотнение,
- модовое уплотнение.

Кроме нареченных методов, в стадии лабораторного исследования находятся поляризационное уплотнение и уплотнение, основанное на использовании когерентных параметров оптического излучения.

Временное уплотнение (TDM) состоит в увеличении частоты передачи сигналов, другими словами в использовании при передаче (в цифровом режиме кодировки) импульсных сигналов малой продолжительности и скважности. В режиме модуляции тока накачки полупроводниковых излучателей достигнута наивысшая скорость передачи инфы около 30 Гбит/с. При использовании наружных волноводных модуляторов наибольшая частота модуляции оптических сигналов добивается нескольких сотен Гбит/с.

Пространственное уплотнение состоит в увеличении числа оптических волокон в многожильном волоконно-оптическом кабеле. Разработаны многожильные оптические кабели связи с числом волокон 2, 4,.12, 24,. 144 и т. д. как ленточного так и радиально-симметричного типов. Повышение числа волокон в кабелях связи содействует неоднократному повышению пропускной возможности ВОСПИ, но, естественно, осложняет делему соединения таковых кабелей.

Спектральное уплотнение (WDM) (уплотнение по длинам волн) состоит в одновременной передаче по одножильному оптическому кабелю нескольких оптических сигналов с разными длинами волн несущих. В границах спектральной полосы прозрачности кварцевого волокна можно расположить несколько информационных сигналов и тем неоднократно прирастить пропускную способность одножильного ВОК.

В обыденных WDM-системах расстояние АЛ меж спектральными несущими в ИК-диапазоне длин волн может составлять единицы-десятки нм при ширине диапазона излучателей дЛ около 0.1 нм. В «плотных» DWDM-системах разнос несущих добивается нескольких 10-ов ГГц, что при ширине диапазона источников наименее 1 ГГц дозволяет расположить в полосе высочайшей прозрачности кварцевого волокна десятки-сотни спектральных каналов.
В сравнимо маленьких, без использования оптических усилителей, ВОСПИ принцип спектрального уплотнения дозволяет воплотить дуплексный режим передачи сигналов без временного разделения сигналов, передаваемых во встречном направлении (на длине волны Л0).