WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Для исследования в работе выбрана схема рамановского усилителя с двунаправленной многоканальной накачкой. На рис. 1 представлено схематическое изображение такого усилителя. В случае распределенного усиления данная схема представляет собой усилительный участок, в пределах которого может использоваться оптическое волокно различных типов.

Модель рамановского усилителя может быть представлена системой связанных дифференциальных уравнений, описывающей взаимодействие накачки и стоксовой волны. На основе известных моделей, описывающих такие явления как взаимодействие накачка-накачка, взаимодействие накачка-сигнал, взаимодействие сигнал-сигнал, разработана модель, позволяющая учесть взаимодействие произвольного количества источников накачки и информационных сигналов с учетом характеристик информационных сигналов. При этом в исходную систему вводится коэффициент взаимодействия, определяющий отношение средней мощности к пиковой, и учитывающий формат линейного кода информационного сигнала.

ОВ сигнал ВОСП-СР Ps,i,vPs,i i [1, NPs] z = 0 z = L ОФИ ОФИ Сонаправленная Встречная накачка накачка ОМ ОМ Ppb,i,vPpb,i i [1, NPpb] Ppf,i,vPpf,i i [1, NPpf ] Рис. 1. Схема рамановского усилителя с двунаправленной многоканальной накачкой Исследование особенностей рассматриваемой конструкции ВРУ показало, что значительное влияние на параметры усилителя оказывает взаимодействие источников накачки между собой. Предлагаемая в работе методика позволяет рассчитать распределение мощности накачки по длине усилительного участка с учетом взаимодействия. При выводе были сделаны следующие предположения: спектр накачки ограничен максимальным разносом частот 13.2 ТГц;

взаимодействие источников накачки противоположных направлений между собой пренебрежимо мало; при взаимодействии источников накачки не учитываются потери на оптический фононах. Тогда для i-го источника накачки одного направления можно записать Ptot exp[(i -1)CRPtot Zeff (x)], (1) Pp,i (x) = P0 p,i exp(- x) p NPp P0 p, j exp[( j -1)CRPtot Zeff (x)] j =где p - среднее значение коэффициента затухания ОВ в частотном диапазоне накачки; P0p - мощность накачки, вводимая в ОВ; Ptot – суммарная мощность NPp источников накачки; x – координата, в случае сонаправленной накачки равная z, а для встречной накачки x = L – z, где z = [0... L], L – длина усилительного участка, CR - дискретная эффективность рамановского усиления, соответствующая шагу сетки частот накачки, Zeff(x) – эффективная длина распространения излучения накачки 1 - exp(- x) p (2) Zeff (x) = p Данная методика позволяет производить расчеты для РРУ с произвольным расположением частот накачки. Расчет характеристики усиления производится численными методами на основе полученных распределений мощности накачки по длине усилительного участка.

P, Вт GR, дБ 0.2 9. численный метод ---•--- аналитический метод 0.0.8.0. численный метод ---•--- аналитический метод 0 0 20 40 60 80 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 z, km, nm z, км, нм а) Мощность накачки б) Спектр усиления Рисунок 2. Результаты расчета численным методом и по предложенной методике Сравнение расчетов по предложенной методике с результатами численных методов и экспериментальных данных, приведенных в работах Namiki S., Emori Y. показало, что расхождение характеристик усиления во всем рабочем диапазоне не превышает 0.2 дБ (рис. 2). Расчеты проводились для двух типов усилителей со встречной и двунаправленной схемами накачки.

Вследствие введенных ограничений предложенная методика может использоваться при моделировании широкополосных распределенных рамановских усилителей на протяженных усилительных участках и определения недостающих граничных условий для численного моделирования.

P, W G, dB Проведенные исследования влияния дискретных потерь на характеристику усиления РРУ показали, что наибольше влияние оказывают неоднородности, расположенные в пределах эффективной длины усиления и влияние на равномерность спектра при многоканальной накачке сводится к увеличению наклона в сторону длинноволновых оптических каналов.

Во второй главе исследованы шумовые характеристики ВРУ различных конструкций. Разработаны математические модели шума усиленного спонтанного излучения (УСИ) и двойного релеевского рассеяния (ДРР), учитывающие граничные условия в виде интегральных уравнений (3):

Np z PASEf,i (z) = Gn,i (z)PASEf,i (0) + ( )+ Gn,i ( ) FikCR (v,vs,i )Pp,k p,k k = Np L r (3) + FikCR (vp,k,vs,i )Pp,k ()Gn,i ()d + PASEb,i (L)Gn,i (L) 2 d k =1 Gn,i ( ) где PASEf,i (0) - мощность УСИ на входе ВРУ; PASEb,i (L) - мощность потока УСИ, распространяющегося навстречу сигналу в конце ВРУ; r – коэффициент релеевского рассеяния ОВ на длине волны сигнала; CR (v,vs,i ) - эффективp,k ность рамановского усиления, соответствующая сдвигу частот накачки и сигнала v - vs ; Pp - мощность накачки, Fik - мощность усиленного спонтанного p рамановского рассеяния, соответствующая одному фотону на моду -1 (4) exp h vi - vk ;

Fik = 2hvs,iv1+ - kBT где h – постоянная Планка; kB – постоянная Больцмана; T – температура в Кельвинах; - полоса пропускания оптического канала.

Gn,i (z) - итоговое усиление сигнала на участке (0, z), определяемое в виде (5) Np z Gn,i (z) = exp -s,i + CR (v,vs,i )Pp,k ( )d ;

p,k k = Для потока ДРР:

z rs,i (0)LGn,i ()d + PBS,i (L)Gn,i (L)d + PDRB,i (0)Gn,i (z) rs,iPs,i PDRB,i (z) = (6) Gn,i ( ) где PDRB (0) - мощность ДРР на входе ВРУ; PBS,i (L) - модность потока обратного рассеяния в конце ВРУ. PDRB (0) и PBS,i(L) определяются в зависимости от коэффициента отражения в точках подключения рамановского усилителя.

В таком виде модель используется при расчёте шумовых характеристик на регенерационном участке, и позволяет оценивать влияние дискретных отражений в точках подключения ВРУ и неоднородностей на усилительном участке.

Пренебрегая вкладом релеевского рассеяния, выведены аналитические выражения для определения уровня шума УСИ в РРУ с учетом спектральной зависимости коэффициента затухания и использования многоканальной накачки. Для сонаправленной накачки получено выражение J F J - PASE,i (z) = exp(J ) + k(- J)k k,- - (- k,-J ) - Q(z)k exp + i Q(z) Q(z) J (7) + PASE,i (0) exp(J)exp(-s,i z)exp- Q(z) где PASE0,i - мощность шума УСИ в начале усилительного участка или усилителя на i-й длине волны; Fi - значение (4), вычисляемое для средней частоты спектра накачки; (x) - гамма-функция, (a, x) - неполная гамма-функция.

Параметры J, Q(z), k определяются выражениями Npf CR (vpf, j,vi )Ppf, j (0) s,i J =, Q(z) = exp( z), k = (8) p j=p p где s, - коэффициент затухания ОВ на длинах волн сигнала и накачки, p соответственно.

Для встречной накачки получено выражение PASE,i (0) Fi Q(z) k JQ(z) k k W PASE,i (z) = + (JQ(z)) - 2 -, JQ(z) exp-, exp(J) (k +1) 2 2 2 k J k k W - (J) - 2 -, JQ(L)exp(-s,i z)exp(JQ(z)) (9) exp-, 2 2 2 где W(µ,, ) - функция, выражаемая через гипергеометрические функции + 1 2 W(µ,, )= exp- hypergeom + - µ, 1 + 2, (10) 2 Сравнение с результатами численного моделирования показало, что полученные выражения могут использоваться для оценки шума УСИ в РРУ при уровне усиления до 20 дБ и при условии, что взаимодействием накачки можно пренебречь. Относительные погрешности расчета шума УСИ для ВРУ со встречной накачкой по предложенным формулам в зависимости от протяженности участка и уровня усиления приведены на рис. 3 а), а в зависимости от коэффициента рассеяния и уровня усиления на рис. 3 б).

Разработана методика оценки шума в РРУ с двунаправленной накачкой на основе аналитических выражений эффективная для расчетов при исследовании и проектировании протяженных РРУ.

Аналитическое выражение для уровня шума МЛИ в рамановском усилителе с сонаправленной и встречной схемами накачки, выведенное в работе, может служить для приблизительной оценки, так как получено в предположении постоянства коэффициента затухания во всем диапазоне. Использование разработанных методик расчета на основе аналитических выражений позволяет сократить временные затраты.

-, %, %, %, % x 60 60 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 G, dB G, dB GR, дБ GR, дБ а) б) Рис. 3. Относительная погрешность расчета по полученным выражениям На основе разработанных моделей были исследованы шумовые характеристики ВРУ различных конструкций и влияние отражающих неоднородностей на шумовые характеристики рамановских усилителей. Было выявлено, что наибольшее влияние оказывает отражение в точке подключения блока накачки и дискретные отражающие объекты, расположенные на расстоянии, соответствующем максимальному уровня усиленного сигнала при сонаправленной накачке и максимальному уровню потока обратного релеевского рассеяния при встречной накачке.

Третья глава посвящена моделированию распространения оптического сигнала ВОСП-СР на усилительном участке с РРУ.

В работе была разработана методика моделирования распространения сигнала ВОСП-СР на усилительном участке с учетом распределенного усиления. Предложенная методика моделирования позволяет учесть влияние на качество передачи источников шумов рамановского усилителя, таких как усиленное спонтанное излучение, включая релеевское рассеяние, двойное релеевское рассеяние сигнала, а также влияние нелинейных эффектов. Модель представлена в виде системы НЛУШ L, км -L, km r, 1/km r, 1/км N Aj Aj i Aj j + d + 2 j 2 = Aj + i Aj + 2 Ak 2 Aj + fn, j (z,T ) (11) j j z T 2 T k =1,k j где A – огибающая оптического сигнала; d – параметр разбегания оптических импульсов; 2 – дисперсия групповых скоростей; - коэффициент распространения; - коэффициент нелинейности; fn(z, T) - суммарная шумовая характеристика; j, k – номер оптического канала.

Расчет и fn(z, T) производится на этапе моделирования рамановского усилителя и пересчет для шага, используемого для численных расчетов НЛУШ, производится путем аппроксимации. Было показано, что предложенная методика за счет учета влияния ВКР-взаимодействия сигналов на этапе моделирования рамановского усилителя, позволяет сократить время расчета на 15 % по сравнению с обычным методом.

Исследованы численные методы моделирования уравнения распространения и разработаны рекомендации по выбору метода и параметров. Рассмотрены методы моделирования с учетом поляризационной модовой дисперсии (ПМД). Оценка качества передачи осуществлялась посредством Q-фактора, определяемого с учетом искажения формы сигнала.

В четвертой главе разрабатываются рекомендации по внедрению рамановских усилителей на ВОЛП. Исследовано влияние нелинейных эффектов на качество передачи информации при наличии рамановского усиления. Флуктуации интенсивности, наведенные ФКМ, зависят от средней мощности, формы импульса и битовой последовательности; главный вклад в ФКМ эффект вносят ближайшие соседние каналы. При наличии рамановского усиления увеличение уровня помехи может достигать 10 дБ при уровне усиления в 20 дБ.

Результаты расчетов показали, что наиболее сильно проявляются нелинейные эффекты в РРУ с сонаправленной накачкой и при коэффициенте усиления свыше 15 дБ значительно возрастает уровень искажений.

В работе выведено выражение для вычисления количества соседних каналов, оказывающих определяющее влияние на уровень ЧВС помех.

max Nint = +1 (12) 2 4 abs(2(l )) где max - максимальное фазовое рассогласование, при котором целесообразно учитывать ЧВС; 2 - дисперсия групповых скоростей; - разнос частот ВОСП-СР.

Выведено аналитическое выражение для оценки уровня ЧВС помехи в рамановском усилителе со встречной накачкой.

2 2 2 PFWM (x) = Ps3(0)[1+ exp(2x)- 2 exp(x)cos(x)]+ 9( + )PFWM (0) + K d 3 + 6KdPs2 (0)PFWM (0)(exp(x)[ cos(x)- cos(x)]- ) exp(x) (13) 2 + где Kd – коэффициент вырождения (Kd1,2); PFWM (0) - мощность ЧВС помехи в рассматриваемом канале в начале секции; Ps (0) - мощность взаимодействующих каналов в начале секции; - коэффициент фазового согласования, который определяется разностью постоянных распространения взаимодействующих волн; - коэффициент распространения на рассматриваемой секции.

В случае пассивной секции = -s, а для секции с усилением = g.

Результаты сравнения с численным решением показали, что относительная погрешность не превышает 10 %, при этом время расчета за счет использования соотношения (12) значительно сокращается.

В результате анализа влияния нелинейных эффектов сделан вывод, что при проектировании ВОЛП с использованием ВОСП-СР необходимо подбирать параметры сигнала таким образом, чтобы обеспечить минимум влияния шумовых и нелинейных эффектов. На рис. 5. приведена зависимость оптического отношения сигнал-шум от мощности, вводимой в ОВ, для ВОСП-СР с каналами. Увеличение числа каналов приводит к снижению допустимого уровня сигнала.

OSNR, дБ OSNR, дБ 55 40 - - 2 канала 7 dBm SMF, 2ch 30 -- 8 каналов 7 dBm SMF, 8ch --------- нелинейные эффекты 7 dBm SMF, 16ch -•- 16 каналов ----•---- шумы УСИ и МЛИ 25-4 -2 0 2 6 8 25 10 12 14 16 18 -4 0 44 8 10 12 14 16 18 Ps0, dB GDRA, dB Ps0, дБ GDRA, дБ Рис. 5. Зависимость отношения сигнал- Рис. 6. Зависимость отношения сигналшум от мощности вводимой в ОВ шум от уровня усиления РРУ В работе рассматриваются особенности проектирования и использования дискретных рамановских усилителей (ДРУ) на основе волокна компенсации дисперсии (ВКД). Исследуется схема последовательного соединения РРУ и ДРУ и в зависимости от уровня сигнала, вводимого в волокно, определяются уровни усиления каждого каскада, обеспечивающих лучшие характеристики.

С увеличением вводимой мощности снижается уровень усиления РРУ, соответствующий максимуму OSNR, что объясняется повышенным уровнем нелинейных искажений в ДРУ (рис. 6).

В работе разработаны рекомендации по проектированию распределенного рамановского усиления и приведен алгоритм выбора источников накачки.

eq OSNR, dB OSNR, dB На основе методик, разработанных в предыдущих главах, спроектирован усилительный участок, состоящий из последовательного соединения РРУ с двунаправленной многоканальной накачкой и ДРУ на основе ВКД. Выбор мощности сигнала в одном оптическом канале ВОСП-СР 64Х10 Гбит/c произведен в соответствии с ограничениями из-за нелинейных эффектов и составлял минус 10 дБм. Подбор параметров накачки позволил обеспечить равномерность характеристики усиления для одного участка не хуже 0.5 дБ в диапазоне 1540-1590 нм. Итоговая оценка качества передачи сигнала для регенерационного участка, состоящего из 6 таких пролетов, показала снижение равномерности до 3 дБ и коэффициент ошибок менее 10-12.

Основные результаты и выводы.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»