Моделирование волоконно-оптических линий связи и преобразователей на базе интерферометра Фабри-Перо

Современные системы связи, управления и вычислительную технику невозможно представить без применения волоконно-оптических линий свя зи (ВОЛ G), одним из достоинств которых является устойчивость к помехам, связанным с внешними возмущениями. Тем не менее, существует некоторая величина РЕ > 0, характеризующая вероятность возникновения ошибок считывания двоичных разрядов в ВОЛ С. В результате чего необходимо подбирать оптимальные значения параметров всех входящих в структуру линии связи компонентов, при подсоединении которых на стыках оптиче ских волокон в случае рассог ласованного разъема возникают многолучевые интерференционные явления, которые приводят к искажению переда ваемых сигналов, уменьшению отношения «сигнал/шум», увеличению РЕ. С развитием в последнее время скоростных оптоволоконных корпоративных вычислительных сетей (Internet и Intranet) с высокой степенью структуриза ции (межсегментной, внутриуровневой и межуровневой коммутацией) и появлением технологии передачи информации со спектральным уплотнением DWDM эта проблема становится особенно актуальной, поскольку возрастет количество компонентов в факте передачи. Такие оптические процессы' подобны процессам, возникающим в интерферометре Фабри-Перо (ИФП), следовательно, ИФП в первом приближении может представлять модель стыковочных узлов, дефектов, коротких отрезков световода и пр., а линия связи — рассматриваться в виде композиции элементов ИФП,.

В настоящей работе изучаются процессы в ИФП применительно к ВОЛС, а также исследуется возможность построения помехоустойчивых волоконно-оптических измерительных преобразователей (ВОИП) с ИФП, 'Фактически, скачок оптического преломления на границе «воздух-стекло» рассматривается как двухфазная среда. Преимущество ВОИН по сравнению с традиционными датчиками физических величин связано не только с их потенциально более высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, но и с возможностью их интеграции с ВОЛС. Применение ИФП для построения датчиков физических величин интересно с точки зрения большей чувствительности многолучевого интерферометра, компакт" ности изготовления и большей защищенности от влияния внешних возмущений".

В настоящее время естественный путь совершенствования ВОЛ С и ВОИП, опирающийся на достижения в области технологии изготовления компонентов системы, практически уже исчерпан. Например, в световодах из кварцевого стекла невозможно подучить потери много меньше 0.1 дБ/км. Поэтому наряду с развитием технологии необходимо искать и другие нуги повышения эффективности волоконно-оптических систем ¦• за счет совер шенствования самих методов получения, передачи, обработки сигналов, и элементной базы, обеспечивающей высокое качество работы.

Проведенный анализ научнотехнической информации позволяет сде лать вывод, что ряду проблем, стоящих перед разработчиками ВОЛ С и ВОИП, не уделяется достаточного внимания. Это прежде всего относится к исследованию совместного влияния модуляции интенсивности и связанной с ней модуляции длины волны света и интерференционных эффектов на каче ство передаваемого сигнала. Не разработаны математические модели и инженерные методики, пригодные для анализа, расчета и проектирования ВОЛС с учетом интерференционных явлений и особенностей используемого излучения" Разработка и исследование моделей интерференционных ВОИП и исследование влияния многолучевой интерференции на сигнал в ВОЛС, являются актуальной задачей,. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей процессов в ИФП со спектрально мо дулированным излучением для исследования влияния многолучевой интер ференции на распространяющийся в ВОЛС импульсный сигнал и построения помехоустойчивых ВОИП.

Основные результаты диссертационной работы получены с использо ванием теории физической, геометрической оптики и теории случайных процессов. Применены методы математическог о моделирования, в том числе компьютерного. Представлен опытный образец.

Научная новизна работы заключается в следующем: ® Новом подходе моделирования сегмента ВОЛС в виде распределенной системы элементов ИФП.

• Анализе влияния многолучевой интерференции на импульсный сигнал в цифровом канале передачи информации. Моделировании двух связанных интерферометров, получении и ис следовании передаточной характеристики таког о устройства".

• Разработке математической модели помехоустойчивых измерительных преобразователей с ИФП".

1 фактическая ценность. Разработаны новые модели волоконно-оптических разветвителей, позволяющие уменьшить влияние многолучевой интерференции на распространяющийся в ВОЛ С сигнал., Предложены новые модели измерительных преобразователей с ИФП и способы их использования при измерении физических величин" Представлены рекомендации по улучшению метрологических характеристик новых моделей ВОИН,.

Новые научные результаты, выносимые на защшу: 1. Модель сегмента ВОЛ С, представляющая собой композицию элементов ИФП, позволяющая проводить анализ влияния многолучевых интерфе ренционных явлений на распространяющийся оптический импульсный сигнал.

2″ Математическое моделирование и исследование амшштуды отраженной волны и спектральной плотности мощности интерференционных помех совокупности элементов ИФП в ВОЛ С" 3″ Математическая модель системы связанных ИФП" 4″ Математическая модель помехоустойчивых ВОИП с ИФП с учетом влияния дестабилизирующих факторов" 5. Новые модели устройств сопряжения для ВОЛ С, новый способ измерения перемещений и конструкция нового волоконно-оптическог о датчика перемещений" Использование разработанного датчика для коррекции изображения фотошхоггера «Микроника» .

Основные результаты диссертационной работы были доложены на V Международной конференции по радиолакации, навигации, связиRLNC99, г" Воронеж, 1999 г., Всероссийской научно-технической конференции РАДИО И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, ЛОКАЦИЯ И НАВИГАЦИЯ, г&bdquoВоронеж, 1997 г., 36 Международном коллоквиуме: 36″ 1 Internationales wissenschaftliches kolloquium, 21. — 24.10.1991 г., Technische hochschule ILMENAU, межвузовских конференциях, а также на семинарах кафедр У. ГАТУ, БашГУ и института математики УНЦ РАН" По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, 2 авторских свидетельства СССР и Патент Российской Федерации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложения,.

Основные результаты работы заключаются в следующем :

1. Разработана новая модель сегмента ВОЛС, представляющая совокупность соединенных последовательно элементов ИФП, позволяющая исследовать влияние многолучевой интерференции на распространяющийся импульсный сигнал. Показано, что интерференция в элементах ИФП приводит к рассинхронизации сигнала. Даны рекомендации по проектированию помехоустойчивых ВОЛС.

2. Проведено математическое моделирование характеристик интерференционных помех, представляющее собой математическое выражение, характеризующее среднестатистическое значение амшштуды отраженной волны в ВОЛС, графическую зависимость спектральной характеристики помех многих элементов ИФП в ВОЛС. Проведенные исследования позволили уточнить характеристики ВОЛС.

3. Впервые разработана и исследована математическая модель системы двух связанных ИФП, представленная в виде передаточной характеристики, позволяющая оценить взаимодействие между интерферометрами.

4. На основе сравнения гармонических составляющих выходного сигнала ИФП разработана математическая модель измерительного преобразователя, позволяющая исследовать влияние дестабилизирующих факторов на передаточную характеристику ВОИП с ИФП.

5″ Разработаны модели новых устройств сопряжения для ВОЛС, способ измерения перемещений и конструкция нового волоконно-оптического дат чика перемещений с ИФП, позволяющие снизить уровень интерференционных помех и повысить точность измерений, Датчик использован дня коррекции изображения в фотоплоттере на базе графопостроителя «Микроника» .

Сггаесж мшож^ювжшой литературы.

1. Тауэр Дж. Оптические системы связи, 1: Пер. с англ. — М"г Радио и связь,.

1989. 504 с.

2. Волоконно-оптическая связь. Приборы, схемы и системы/ Под ред. М&bdquoДж. Хауэса, Д. В. Моргана. — М&bdquo-: Радио и связь, 1982. — 270 с.

3. Матвеев A. Н. ОптикаУчеб. пособие для физ. спец. вузов. — М.: Высшая школа, 1985. — 351 с.

4. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно — оптические сети. — М.: Изд-во ЭКО-ТРЕНД 3, 1998.-267 с.

5. www.vislab.usyd.edu.au /vislab/ photonics/ (Semiconductor and Erbium-Doped Fibre Amplifiers (EDFA), Australian Photonics CRC), 1998.

6. www-phis.llnl.gov /HJDiv/ photonics/ SOA. html (Semiconductor Optical Amplifiers. Lawrence Livermore National Laboratory), 1995.

7″ J. Siemens. Communication Network with an Optical-Bus System //Forsehungs und Entwiekl. — 1983. • V. 12. — № 1. ¦ p.p. 331 — 339.

8. Виноградова И. Л., Султанов А. X. Статистический подход к описаншо интерферометров Фабри-Перо как элементов многолучевой интерференции в линиях связи// Радиотехника. — 2000. — № 1. — С. 45 — 49. — ISSN 0033−8486.

9. Виноградова И. Л., Сатитов Р. Г., Тухватуллин Р. А. Влияние интерференционных явлений на сигнал в линиях связи// Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация, связь: Сб. докл. Всесоюзн. науч. — техн. конф. — Воронеж: Изд-во НПФ «Саквоее, 1997. — С. 1178 — 1184.

• 10″ Горшков Б. Г., Первушин Ю. Б. Исследование спектрального волоконно-оптического датчика перемещений// Радиотехника. — 1988. — Mi 8. ¦ С. 14−17.-ISSN 0033−8486.

11. Горшков Б &bdquo-Г., Кузин АЛО. Характеристики волоконно-оптических интерферометров при амплитудной модуляции входного излучения// Радиотехника. — 1990. — № 2. — С. 32 — 36. — ISSN 0033−8486.

12. Волоконные интерферометры Фабри-Перо на одномодовых и градиентных световодах /Баранов Д. В., Жирилова И. В., Исаев С. К&bdquo-, Корниенко Л. С., Сачков А. А.// Квантовая электроника. — 1989. — № 3. — С. 16 — 23. — ISSN 0045−7645.

13,. Гальярди Р. М., Карп III. Оптическая связь: Пер. с англ. /Под ред. А. Г. Шереметьева, ¦•• М.: Связь, 1978, — 424 с.

14. Скоков И. В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике.

— М.: Машиностроение, 1989. -256 с.

15. Волоконная оптика и приборостроение / М. М. Бутусов, С. JI. Галкин, 0″ П. Оробинский, Б. П. ПалПод общ. ред. М. М. Бутусова. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. — 328 е.,.

16. Бутиков Б. И. Оптика / Под ред. Н. И. Калитеевского. • М&bdquo-: Высшая школа, 1986. — 512 с.

17. Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. — М.: Энергоатомиздат, 199®. -256 с.

18. Состояние и перспективы развития оптоволоконных и измерительных систем / Б. Е. Бердичевский, В. А. Королькевич, В. Д. Лавринцев и др.// Зарубежная электронная техника: Сб. обзоров. ¦ Вып. 3 (.310), — М.: Изд. ЦНИИ 'Электроника", 199.3,. — С. 95.

19. А. с. 1 516 775 СССР, МКИ* G 01 В 11 / 14. Способ определения расстояния до поверхности объекта / В. Г. Гусев, С. П. Раевский, Р. А. Тухва-туллин. «• Заявлено 14,, 04.1985; Опубл. 24.01 «1989, Бюл&bdquo- № 39.

20. Kist R. Fiber Fabry-Perot thermometer for medical applications.: Conf. Proc. Report of Conf. Opt. «Optical Fiber Sensors (OFS'84)». — Stuttgart: Pab. «Berlin, Offenbach». — 1984. — p.p. 165 — 170. 21,. Заявка P3506844 ФРГ, МКИ* G 01 D 5 / 26. Fiber Fabty Perot sensor / R. Kist. — Pab. 1986. (англ.).

22. А. В. Лопатюк, С. II. Ржевский, Р. А. Тухватуллин. Математические модели элементов связи волоконно-оптических датчиков перемещений. Измерение перемещений в динамическом режиме: Сб. тез. докл. семинара по теории машин и механизмов АН СССР.-Каунас, 198 7., — С Л 15−116.

23. Dakin J., Culshaw В. Optical Fiber Sensor //Systems and Application. — 1989.

— V. 2. — № 4. — p.p. 783 — 789, (англ.).

24. Оптические гомодинные методы измерений /Усанов Д. А., Скриналь А. В., Варатин В. А., Васильев М. Р,.// Зарубежная радиоэлектроника. — 1995.

— № 6. — С. 43 — 48. — ISSN 0078−3465.

25. Brayer К. Fabrication of singlmode fibre optic Fabry-Perot interferometer using fimion spliced titanium dioxide optical coatings H Optic Communications. — 1993. — № 32. — p.p. 1011−1018. ISSN 1135 7456.

26. Новые активные компоненты для ВОЛ С / Сост. Ю. Н&bdquoСоколов. — М.: Изд-во КИТ, 1996. ¦ № 32. — С. 6 — 9.

27. Верите С. М., Гитин В. Я., Иванов В. С. Оптические кабели связи. — М.: Радио и связь, 1988. — 144 с.

28. Основы онтоэдектроники /Суэмацу И., Катаока С., Кисино К., Кокубун Я., Судзуки Т., Исии О., Ёнэдзава С.: Пер. с яп. — М.: Мир, 1988. — 288 с.

29. Теория ТЕЛЕТРАФИКА / Ю. Н. Корнышев, А. П. Пшеничников, А. Д. Харкевич. — М.: Радио и связь, 1996. — 272 с.

30. Теория электрической связи / А. Г. Зюко, Д. Д. Кловский, В .И. Коржик, М.В. НазаровПод ред. Д. Д. Кловского. — М&bdquo-: Радио и связь, 1998.-432с.

31. Белинский А. В., Чиркин А. С. Об интерферометре Фабри-Перо со случайными фазовыми неоднородностями // Квантовая электроника. — 1986. — Ш 5. — С. 906 — 913. — ISSN 0045−7645.

32. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. — Мл Наука. — 1991. • 384 с.

33. ГОСТ 12 «1. 047 — 85 Вибрация. Метод контроля вибрации на рабочих местах. — М&bdquo-: Изд-во стандартов, 1985. — 32 с.

34. Волоконно-оптический датчик вращения, измерительный обьектив, во локонно-оптический преобразователь, фотоприемное устройство, раз" вегвитель оптических сигналов: Отчет о НИР / КБ полупроводниковой мшфоэлектроникиОтв. исполнитель Р. А. Тухватужшн. — ОУО 102ГЗ- № ГР 100 543- Инв. № 465 434. — Уфа, 1993. — 92 с.

35. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. — М&bdquo-: Финансы и статистика, 1991.-256 с.

36. Гихман И. И., Скороход А. В. Теория случайных процессов. — Т. 2. — М.: Наука, 1973. — 432 с.

37. Баруча Рид А. Т. Элементы теории марковских процессов и их прило жения. — М.: Наука, 1969. — 512 с.

38. А. с. 1 760 494 СССР, МК№ G 02 В 6 / 28. Волоконно-оптический развет-витель / Р. А. Тухватуллин, И. Л. Виноградова, Л. Б. Виноградова. — Заявлено 04.01 «1990; Опубл. 07.09.1992, Бюл. № 33.

39. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Прикладные задачи теории вероятностей. — М.: Радио и связь, 1983., — 416 с.

40. Йенсен К., Вирт П., ПАСКАЛЬ: Руководство для пользователя / Пер, с англ. М&bdquoЛ. Сальникова, Ю&bdquoВ. Сальниковой., ¦ М.&bdquoИзд-во Компьютер, 1993. — 256 с.

41. Боркевич М. Т. ФОРТРАН: Справочное руководство. — М.: Мир, 1985. ¦ 324 с.

42. Волоконно-оптические локальные сети связи дня передачи информации и промышленного управления: Аналитическая справка ИНФОРМПРИ ¦ БОР, 10.1 (1.9 93), 1993.

43.0косиТ.Волоконно-оптические датчики. Л.:Энергоатомиздат, 1991 .-255с.

44. Г. Корн, Т. Корн Справочник по математике — М.: Наука, 1974. • 8.31 с.

45. Математическая энцеклопедия/ Под ред. И. М. Виноградова. Т. 1 — М.: Советская энциклопедия, 1977. • 1152 с.

46. Ржевский С. П. Интерференционные волоконно-оптические устройства вычислительной техники и систем управления: Дис. канд. техн. наук: 05.13.05. — Защищена 09.11.91- Утв. 11 «05.92. — Уфа, 1989. — 197 с.

47. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетеропереходах: Пер. с англ., Под ред. П. Г. Елисеева. — М&bdquo-: Мир, 1989. — 234 с.

48. Чео П. К. Волоконная оптика. Приборы и системы: Пер. с англ. — М&bdquo-: Энергоатомиздат, 1988. — 220 с.

49″ Справочник, но волоконно-оптическим линиям связи / Л. М. Андрушко, В. А. Вознесенский, В. Б. Каток и др.- Под ред. С. В. Свечникова и Л. М. Андрушко. — Киев: Техника, 1988. — 239 с.

50. Мосс Т., Барел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника / Под ред. С. А" Медведева. — М.г. Мир, 1976. — 425 с.

51. Техника оптической связи. Фотоприемники: Пер. с англ./ Под ред. У. Тсанга. — М.: Мир, 1988. — 526 с.

52. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. — Т. 2. — М&bdquo-: Мир, 1983. -590 с.

53. А. с. 1 296 981 СССР, МК№ О 02 В 6 / 28. Разветвитель оптических сигналов / Р. А. Тухватуллин, С. II. Ржевский. — Заявлено 01.12.1984; Опубл. 23.11.1987, Бюл.№ 10.

54. А, с. 1 697 035 СССР, МКИ5Ст 02 В 6 / 28. Волоконно-оптический развет" витель / Р. А. Тухватуллин, Л. Е. Виноградова, И. Л. Виноградова, СЛ. Ржевский. — Заявлено 05.07.1989; Опубл. 04.12.1991, Бкш. № 45.

55. А. с. 4 918 310 СССР, МКИ* О 08 В 13 / 18. Оптическое устройство для охранной сигнализации / С. В. Мирович. — Заявлено 17.02.1990; Опубл. 01.05.1994, Бюл.№ 22.

56. А", с. 4 925 442 СССР, МКИз О 08 В 13 / 12. Способ формирования при митивной зоны охранной сигнанизации и устройство дня его осущест вления / С. А. Минковский." Заявлено 06.12.1991; Опубл. 13.05.1994, Бгод. № 22.

57.Патент 2 115 884 РФ, МКИ6 О 01 В 6 / 28. Способ измерения перемещений / Р. А. Тухватуллин, Р. Г. Сагитов, И. Л. Виноградова. — Заявлено 05.06.1996; Опубл. 15.08.1998, Бюл. № 11.

58. Справочник по теории автоматического управления/ Под ред. А. А. Красовского. — М.: Наука, 1987. — 712 с.

59. Микропроцессорное управление электроприводами станков с ЧПУ Тихомиров Э. Л., Васильев В. В., Коровьев Б. Г., Яковлев В. А. — М,.: Машиностроение, 1990.-320с.

60. Фотоэлектрическое сканирование. Каталог поставляемых изделий фирмы НЕ1ВЕННАШ"" 4-е изд. — Траунройт (ФРГ) — Изд. Иоганнеса Хай" денхайн, 1989. — С. 10 — 11.

ЗАЮ1ЮЧЕНИЕ.

В результате выполненного исследования изучена возможность представления модели сегмента оптоволоконной линии передачи в виде последовательно соединенных интерферометров Фабри-Перо. Последние являются моделью двухфазной среды «воздух — стекло», которая возникает в местах локальных нарушений постоянства оптического показателя преломления. В рамках такого предположения проведено математическое моделирование влияния многолучевой интерференции на импульсный сигнал в цифровом канале передачи, заключающееся в уточнении известных методик расчета характеристик ВОЛ С.

Разработаны элементы новых математических моделей для современных оптоволоконных систем, требующих разработку и исследования новых компонентов. Единый подход при таком моделировании не применим. При разработке новых компонентов ВОЛС нет основания составлять сложные модели, например, с применением волновых методов. Во многих реальных случаях оправдано применение известных решений (аналитических и численных) волновых уравнений Максвелла. Экспериментальное моделирование, аналогичное проведенному в работе теоретическому, по выявлению новых закономерностей и получению передаточных характеристик новых: компонентов, требует больших затрат — из-за большого количества сложных опытов с использованием дорогостоящей элементной базы. Таким образом, в настоящей работе описана сложная система простыми средствами. Полученные результаты имеют практическую ценность.

Исследована возможность применения ИФП со снектрально-модулированным входным излучением в качестве чувствительного элемента ВОИП. Проведено математическое моделирование такого устройства, заключающееся в получении и теоретическом исследовании передаточной характеристики преобразователя. Сопоставление полученных результатов с экспериментальными, приведенными в [46] показало хорошее совпадениенаибольшее отклонение не превысило 5%" Исследовано влияние дестабилизирующих факторов на выходной сигнал ВОИП с ИФП, что также представляет технический интерес, так как оогааоно [31], реальный ИФП принципиально не может быть заменен идеальным с некоторыми эффективными параметрами.

По завершению работы над диссертацией предполагается продолжить научно-исследовательскую деятельность в области изучения нестационар ных процессов изменения параметров ИФП в ВОЛ С, В частности, предстоит разработать вопрос, связанный с изучением других нестационарных процессов в ВОЛС (кроме процесса Орнштейна-Улеибека). Возможно, это позволит расширить кругприложений данной модели.