Степень разработанности темы
 Скачать 11.44 Kb.
|
|
может использоваться как телекоммуникационное волокно, в котором распространяется сигнал, так и дополнительное волокно или волокна. Чтобы достичь предельных дальностей, как в лабораторных экспериментах, на практике в линиях связи должна быть предусмотрена специальная конструкция еще на этапе прокладки кабеля. Однако менять конструкцию сети не всегда является экономически оправданным решением, поэтому на практике более распространена задача строительства однопролетных линий связи максимальной дальности с использованием существующего (стандартного) волокна и без модернизации кабельной инфраструктуры (т.е. без установки ROPA). Для повышения дальности передачи в этом случае применяются распределенное рамановское усиление сигнала в волокне, предварительная настройка суммарной входной мощности и перекоса мощности каналов, предварительная компенсация дисперсии и другие приемы. Максимальная дальность многоканальных однопролетных линий такого типа на сегодняшний день составляет около 250 км. При их проектировании используются технические наработки и алгоритмы расчета, апробированные в ходе создания рекордных линий [15]. Степень разработанности темы. Задачам увеличения производительности линий связи с использованием рамановских усилителей посвящены многочисленные отечественные и зарубежные исследования. В частности, вопросам моделирования волоконно-оптических линий передачи с рамановскими усилителями посвящены работы Дианова Е.М., Буфетова И.А., Kidorf H., Rottwitt K., Namiki S., Emori Y., Essiambre R.-J., Bromage J., Турицына С.К., Шапиро Е.Г., Дашкова М.В. и многих других. Вопросам передачи когерентных каналов в сверхдлинных линиях посвящены работы Xia T.J., Peterson D.L., Chang. D, Oliveira J.R.F., Bissessur H., Zhu B. И других исследователей. В большинстве опубликованных работ численное моделирование проводится на основе решения нелинейных уравнений Шредингера, что требует привлечения больших вычислительных ресурсов и затрат времени. В процессе проектирования требуется проанализировать множество конфигураций линий связи. В каждой конфигурации требуется оптимизировать большое число параметров. Для решения таких задач необходимы приближенные аналитические выражения, удобные для анализа. Для описания многопролетных линий связи широко используется известная модель нелинейного интерференционного шума, описанная в работах Poggiolini P., Carena A., Curri V. и других авторов. Применимость данной модели нелинейного шума к когерентным сверхдлинным однопролетным линиям не была исследована. Следовательно, необходимо было создать модель описания нелинейного шума при попутном рамановском усилении в когерентных системах связи, разработать методику экспериментального измерения нелинейного интерференционного шума и нелинейных коэффициентов в когерентных линиях связи, подтвердить экспериментально адекватность модели и ее применимость для проектирования и оптимизации однопролетных линий связи. Для практического использования широкополосных рамановских усилителей необходимо обеспечить автоматическую стабилизацию коэффициента усиления и формы спектра усиления. Однако, ранее были предложены алгоритмы стабилизации коэффициента усиления рамановских усилителей только со встречной накачкой. Требовалось разработать метод стабилизации усиления и наклона спектра усиления для попутного широкополосного рамановского усилителя. Коэффициенты вынужденного комбинационного рассеяния измерялись в работах Буфетова И.А., Chang D., Jiang S., Kang Y. и других. Однако, не был проведен сравнительный анализ методик измерения коэффициентов ВКР и областей их применимости. Кроме того, несмотря на множество работ, в литературе практически отсутствуют подробные спектральные зависимости коэффициента ВКР, особенно для новых типов телекоммуникационных оптических волокон. Для построения модели рамановского усилителя и сверхдлинной однопролетной линии необходимо было создать базу экспериментально измеренных рамановских коэффициентов совместно с коэффициентами затухания. Цели и задачи исследования Основной целью настоящей работы является решение важной научно-технической задачи - увеличения дальности и скорости передачи когерентных однопролетных линий связи с помощью применения распределенных рамановских усилителей. Для достижения указанной цели решались следующие задачи: Разработка расчетной модели широкополосных и узкополосных рамановских усилителей с монохроматической или полихроматической накачкой. Измерение параметров различных телекоммуникационных волокон: спектров коэффициента затухания и коэффициента вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Экспериментальное исследование влияния встречной рамановской накачки и удаленного эрбиевого усилителя со встречной накачкой на параметры одноканальных и многоканальных однопролетных линий связи. Экспериментальное исследование влияния попутной рамановской накачки и удаленного эрбиевого усилителя с попутной накачкой на параметры одноканальных и многоканальных однопролетных линий связи. Экспериментальная верификация разработанной модели распределенных рамановских усилителей. Разработка оборудования для однопролетных сверхдлинных линий связи: гибридных и рамановских усилителей. Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись: экспериментальные методики исследования волоконно-оптических линий связи: измерение параметров (коэффициента усиления и шум-фактора) усилителей, измерение требуемого отношения сигнал-шум приемника линии связи, измерение коэффициента шумов нелинейной интерференции [16], теоретические методы исследования: теории оптических волноводов, модели нелинейного шума [17], теории электрической связи, теории дифференциального и интегрального исчисления, численные методы решения дифференциальных и интегральных систем уравнений. При решении задач использованы современные программные средства, в том числе стандартные пакеты прикладных программ Matlab 2012-2017, интегрированная среда разработки для языка программирования Python PyCharm. Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук; экспериментальной верификацией применяемых математических моделей и теоретических результатов; использованием полученных в данной работе результатов при создании оборудования для волоконно-оптических линий связи. Достоверность результатов подтверждается их апробацией на международных конференциях и публикациями в реферируемых научных изданиях. Научная новизна Определена погрешность и область применимости приближенного метода экспресс-измерения коэффициента ВКР по спектрам собственного усиленного спонтанного комбинационного рассеяния. Предложена методика экспериментального измерения нелинейного интерференционного шума в когерентных линиях связи с попутными рамановскими усилителями. Экспериментально установлено, что увеличение эксплуатационного запаса линии за счет использования попутного рамановского усилителя может достигать 6 дБ и определяется числом каналов в линии, мощностью накачки и другими параметрами. Экспериментально установлено, что увеличение производительности линии за счет использования удаленного эрбиевого усилителя с попутной накачкой падает с ростом числа каналов в линии вплоть до отрицательных значений. Применение удаленного эрбиевого усилителя с попутной накачкой целесообразно в линиях связи с числом каналов до 10. Разработана оригинальная методика оптимизации сверхдлинной однопролетной линии с распределенными рамановскими усилителями и эрбиевыми усилителями с удаленной накачкой с помощью которой созданы однопролетные линии с рекордными параметрами. Предложен оригинальный алгоритм стабилизации коэффициента усиления сигнала в попутном широкополосном рамановском усилителе и экспериментально продемонстрирована его работоспособность. Создан комплекс программ, предназначенный для моделирования распределенных рамановских усилителей. На основе проведенных измерений создана база данных спектров затухания и коэффициентов вынужденного комбинационного рассеяния основных телекоммуникационных волокон. Проведена экспериментальная верификация данной модели, показавшая высокую точность. Практическая ценность работы заключается в использовании полученных экспериментальных результатов для расчета характеристик телекоммуникационных волоконнооптических линий связи с когерентным приемником с применением распределенных рамановских усилителей и эрбиевых усилителей с удаленной накачкой. Разработанное программное обеспечение на основе модели и экспериментальных результатов позволяет оценить требуемый объем оборудования для работоспособности заданной ВОЛС. Кроме того, разработано оборудование для сверхдлинных однопролетных линий связи, в частности гибридный усилитель, представляющий собой совокупность эрбиевого и распределенного рамановского усилителя, и рамановские усилители с попутной и встречной накачкой. Реализация результатов работы. Результаты исследований используются при проектировании волоконно-оптических линий компанией «Т8» (г. Москва), а также при расчетах рекордных сверхдлинных линий [2,3,13]. Кроме того, полученные результаты использовались при разработке гибридных и рамановских усилителей. На защиту выносятся следующие положения: Удаленный эрбиевый усилитель с попутной накачкой значительно увеличивает дальность однопролетной DWDM-линии связи с числом каналов от 1 до 10. Выигрыш в дальности уменьшается до нуля с увеличением числа каналов до 20 в ВОЛС на основе стандартного телекоммуникационного волокна. Разработанная модель рамановского нелинейного интерференционного шума с высокой точностью описывает нелинейный интерференционный шум в когерентных волоконнооптических линиях связи с попутными рамановскими усилителями. Разработанная и экспериментально верифицированная обобщенная модель рамановского усилителя позволяет оптимизировать структуру однопролетной линии для увеличения дальности и пропускной способности DWDM систем связи. Увеличение дальности линии связи за счет использования попутного и встречного рамановских усилителей может достигать 100 км. Разработанный алгоритм стабилизации коэффициента усиления широкополосного попутного рамановского усилителя позволяет с точностью 0,5 дБ установить заданное значение усиления. Экспресс метод измерения коэффициента ВКР по спектрам собственного усиленного спонтанного комбинационного рассеяния позволяет оценивать значение коэффициента ВКР в пике спектральной зависимости с высокой точностью. Данный метод может быть использован в реальных современных телекоммуникационных линиях связи для быстрой оценки коэффициента ВКР. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 57-й международной научной конференции МФТИ, Долгопрудный, 2014 г.; на первой, третьей и четвертой международных конференциях Инжиниринг & Телекоммуникации - En&T, Долгопрудный, 2014, 2016, 2017 гг; на пятой и шестой всероссийских конференциях по волоконной оптике, Пермь, 2015, 2017 гг; на первой конференции по фотонике стран БРИКС, Москва, 2016г.; на XIV Международной научной конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях», Самара, 2016 г.; на 12 и 13 международной выставке «Фотоника. Мир лазеров и оптики», Москва, 2017, 2018 гг; на VII Международной конференции «Фотоника и информационная оптика», Москва, 2018 г. Публикации По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 6 статей, из которых 4 статьи в изданиях, входящих в базы данных Scopus и Web of Science, 4 статьи, входящие в научные журналы из перечня ВАК, и в 3 тезисах российских конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце диссертации. Личный вклад автора заключается в проведении численных расчетов и экспериментальных измерений, в написании научных статей и их подготовке к публикации. Все использованные в диссертации экспериментальные результаты, описанные в главах 1-5, получены автором лично или при его определяющем участии. Численные расчеты распределенного рамановского усилителя проведены лично автором или при его определяющем участии. Численные расчеты модели нелинейного гауссового шума в когерентных линиях связи и эксперименты по рекордным дальностям [2,3,13] проведены совместно с сотрудниками научно- |