Разработка методик построения компонентов волоконно-оптических систем телекоммуникаций на основе применения наноструктурных материалов

Наметившаяся в последние 10 лет тенденция развития современных систем телекоммуникаций связана с широкомасштабным внедрением оптических технологий для передачи сообщений. Это с одной стороны является следствием стремительного развития волоконной и интегрально-оптической техники, с другой стороны — продиктовано требованиями информационных технологий, машиностроения и всеми областями, где используются телекоммуникации и выставляются требования как по увеличению информационной ёмкости канала, скорости обработки сообщений, так и по надёжности системы связи. Решение задач телекоммуникаций на базе электронных компонентов не только ограничивает быстродействие системы в целом, но в ряде случаев требует дополнительной инженерной проработки для обеспечения надёжности и отказоустойчивости элементов системы. Последнее связано с внедрением систем телекоммуникаций на промышленных предприятиях с повышенным уровнем воздействующих факторов, в том числе предприятиях топливно-энергетического комплекса (ТЭК), объектах военного и специального назначения и т. д. На таких сетях с одной стороны характерно значительное влияние внешних воздействий — электромагнитных помех (от работающих промышленных агрегатов, высоковольтных линий электропередач), фоновых излучений, широкополосной вибрации, температурных флуктуаций и связанных с ними возмущений и т. д., с другой стороны к каждому элементу системы (активной преобразующей аппаратуре, узлам управления световыми потоками на базе электрических или магнитных потенциалов, их электрическим блокам питания, электрическим проводам и разъёмам) предъявляются требования по обеспечению соответствующего уровня пожаровзрывобезопасности в соответствии с действующими стандартами [1] в зависимости от требований производства.

Новые технические задачи, поставленные промышленностью перед системами телекоммуникаций по увеличению скорости, объемов передаваемой информации, её достоверности и надёжности, расширению областей технических приложений, приводят к необходимости пересмотра фундаментальных принципов не только проектирования, управления и контроля объектов систем связи, но и физических принципов построения их компонентов. Перспективным является направление на создание полностью оптических транспортных сетей (AON-сетей, [2]), в функционировании которых главную роль при коммутации, мультиплексировании, фильтрации, перегруппировании, ретрансляции играют не электронные (оптоэлектронные), а полностью оптические технологии и компоненты. Сегодня ведущие фирмы-производители телекоммуникационного оборудования предлагают образцы оптических компонентов управления световыми потоками. Как правило, это WDM (DWDM) мультиплексоры, волоконно-оптические усилители, фильтры, коммутаторы и т. д. Здесь следует провести разграничение между полностью оптическими AON-компонентами и компонентами, в которых управление световым информационным потоком осуществляется действием электрических, магнитных потенциалов (электрооптические эффекты Керра, Поккельса, Фарадея [3] и т. д.), т. е. такими, в которых конструктивно заложено наличие электронных функциональных узлов. Например, работа WDM-мультиплексоров основана на дифракционном разделении световых волн разных длин [2, 3], следовательно, эти устройства не требуют дополнительного использования электроники в отличие от моделей переменных аттенюаторов, в которых затухание регулируется путём изменения величины воздушного зазора при помощи пьезоэлектрика, или оптических изоляторов, использующих эффект магнитного вращения плоскости поляризации проходящей световой волны. Другой широко распространённый, по-сути ключевой элемент в технологии полностью оптических сетейволоконно-оптический усилитель (световод, легированный эрбием — EDFA), используемый для усиления до уровня порядка 1 мВт слабого информационного сигнала в третьем окне прозрачности [2] 1530. 1560 нм при накачке мощным излучением («100 мВт) на более короткой длине волны. На сегодняшний день усилитель применяется в известной схеме включения, когда лазер накачки располагается в непосредственной близости от EDFA. Такой способ включения требует подведения электропитания для лазера накачки в зону усиления, что в ряде технических приложений приводит к существенному усложнению и удорожанию системы телекоммуникаций, тем самым практически сводя на нет достоинства новой технологии усиления без использования электронных усилителей-регенераторов.

Практически не решены такие задачи, как разработка «управляемых» коэффициентов отражения и преломления, на базе которых можно было бы получить новые полностью оптические компоненты управления — многоканальные разветвители, фильтры, преобразователи физических величин, оптические бистабильные нелинейные элементы и т. д. В последних создание нелинейного режима (значимой нелинейной поправки к показателю преломления материала) является основой их работы — обеспечения бистабильного режима прохождения для информационного оптического потока [4] без появления негативных факторов, связанных с другими нелинейными эффектами. Но при мощности излучения, обеспечивающей требуемый нелинейный режим, появляется значительное паразитное рассеяние на гиперзвуковой волне (эффект вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна [5] - ВРМБ). Следовательно, уменьшение влияния ВРМБ приведёт к заметному положительному эффекту, что в свою очередь, возможно, позволит осуществить реализацию новых функций управления световыми потоками и упростить технологию передачи сигналов.

Следовательно, разработка принципов конструкций и проведение математического моделирования перспективных оптических компонентов, предназначенных для использования в AON-сетях (в том числе для эксплуатации в нестандартных условиях) преимущественно без использования управляющих электронных компонентов, является актуальной технической задачей. Здесь следует отметить, что естественный путь совершенствования оптических компонентов, опирающийся на достижения в области технологии изготовления практически уже исчерпан. Например, в световодах из кварцевого стекла невозможно получить потери много меньше 0.1 дБ/км [2]. Поэтому наряду с совершенствованием применяемых технологий необходимо искать принципиально новые подходы повышения эффективности, качества и выявления ранее не известных свойств оптических компонентов, в том числе за счет принципиального изменения свойств самого вещества. Диссертация посвящена разработке новых математических моделей, методик расчёта и моделей конструкций компонентов для волоконно-оптических синхронных сетей.

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием положений теории физической, геометрической оптики, дифференциального и интегрального исчисления. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного. Проведены натурные эксперименты на созданном научно-исследовательском стенде.

Научная новизна работы заключается в следующем:

•Разработке подхода к созданию волоконно-оптических устройств коммутации для систем телекоммуникаций. •Теоретическом анализе искажений цифрового сигнала действием дисперсионных и интерференционных эффектов в цифровом канале передачи. •Разработке методики повышения надёжности сегмента системы телекоммуникаций, резервирование линейного тракта которого достигается с использованием предложенных устройств. •Теоретическом анализе уровня искажений сигнала действием нелинейных оптических эффектов со стороны управляющего излучения в одномодовой направляющей структуре.

Практическая ценность. Разработка подхода к созданию волоконно-оптических устройств коммутации оптических потоков, способа их использования в телекоммуникационной системе и методики обеспечения резервирования позволяет уменьшить искажение информационного сигнала, тем самым повысить надёжность системы телекоммуникаций и её пропускную способность.

Новые научные результаты, выносимые на защиту:

Подход к созданию волоконно-оптических устройств коммутации на основе управления нелинейными оптическими свойствами нанокристалличе-ского прозрачного кварца, позволяющий повысить пропускную способность телекоммуникационной системы.

Методика теоретической оценки искажений цифрового сигнала на основе учёта дисперсионных и интерференционных эффектов в цифровом канале передачи, позволяющая прогнозировать значение вероятности битовой ошибки в зависимости от параметров телекоммуникационной системы.

Методика обеспечения резервирования на сегменте системы телекоммуникаций на основе применения полностью оптических коммутационных устройств, позволяющая повысить надёжность сети и оценить вероятность безотказной её работы.

Методика теоретической оценки искажений сигнала на основе учёта влияния нелинейных оптических эффектов со стороны управляющего излучения, позволяющая анализировать возможные его нелинейные искажения при увеличении интенсивности излучения в одномодовой направляющей структуре. Способ подключения волоконно-оптических устройств коммутации к линии связи, предполагающий совместное подведение к ним цифрового информационного и управляющего сигналов, позволяющий удалить электрические компоненты из зоны управления.

Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

IX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь — RLNC'2003» г. Воронеж, 2003; LVIII Всероссийской научной сессии, посвященной дню радио, г. Москва, 2003; Седьмой международной конференции «Системы, Кибернетика и информатика — SCI-2003», г. Орландо, штат Флорида, США, 2003; Четвёртой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2003; а также на семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» УГАТУ. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, 4 доклада в сборниках трудов конференций, получено регистрационное свидетельство программного обеспечения, список которых приведен в конце автореферата.

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

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан подход, позволяющий создавать волоконно-оптические устройства коммутации, который в отличие от известных основан на управлении нелинейными оптическими свойствами нанокристаллического прозрачного кварца, обеспечивающий возможность повышения пропускной способности телекоммуникационной системы.

2. Разработана методика теоретической оценки искажений цифрового сигнала на основе учёта дисперсионных и интерференционных эффектов, позволяющая прогнозировать значение вероятности битовой ошибки в зависимости от параметров телекоммуникационной системы — битовой скорости и протяжённости линейных сегментов.

3. Разработана методика обеспечения резервирования на сегменте системы телекоммуникаций, которая основана на применении полностью оптических коммутационных устройств, позволяющая повысить надёжность сети. Методика позволяет также оценить вероятности битовой ошибки и безотказной работы сегмента. В отличие от известных подходов к резервированию, не требуется дополнительный линейный канал и синхронизация работы коммутаторов.

4. Разработана методика теоретической оценки искажений сигнала, которая в отличие от известных базируется на учёте влияния нелинейных оптических эффектов на уплотнённый WDM-сигнал, позволяющая анализировать возможные нелинейные искажения в нём при увеличении интенсивности излучения в одномодовой нанокристаллической направляющей структуре.

5. Предложен способ подключения новых волоконно-оптических устройств коммутации к линии связи, позволяющий перейти к полностью оптическим телекоммуникационным системам, который в отличие от известных предполагает совместную передачу информационного и управляющего сигналов по одномодовому световоду. Данный способ открывает перспективы создания адаптивных оптических систем передачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненного исследования изучена возможность получения прозрачных объёмных нанокристаллических образцов и применения их в системах телекоммуникаций.

Выбор применения таких материалов был основан поставленной научно-технической задачей — получить новые физические свойства с целью уменьшения действия нелинейных оптических эффектов. В связи с широкомасштабным внедрением ВОСП с подключением новых сегментов к уже действующему оборудованию и т. д., сегодня является актуальной задача повышения пропускной способности сети — посредством увеличения битовой скорости, либо увеличения допустимой суммарной интенсивности в WDM-системах. Одновременно ставится задача обеспечения гибкости сети, или эффективной маршрутизации потоков — желательно без использования электронных и электрических компонентов на сети. Всё это приводит к необходимости широкомасштабного использования различных компонентов управления. Однако последние обладают двумя существенными недостатками: требуют применения электронных сигналов, и ограничивают суммарную интенсивность излучения — из-за паразитного действия ВРМБ.

В случае применения нанокристаллического материала появляется возможность уменьшить действие ВРМБ, тем самым снизить искажения в системе передачи. Такие свойства наноструктурных материалов, как повышенная твёрдость и одновременно пластичность позволяют уменьшить действие ВРМБ из-за снижения порога акустической волны и её последующего демпфирования. Это позволяет увеличить суммарную оптическую мощность в оптоволоконной структуре. Кроме этого, использование эффекта зависимости условий распространения излучения от значений оптических параметров среды, зависящих в свою очередь от интенсивности светового излучения, позволяет осуществлять переключение (перенаправление) информационных потоков без электронных сигналов. В частности, увеличение интенсивности управляющего излучения может обеспечивать нелинейное изменение коэффициента преломления смесителя в устройстве, тем самым приводить к дополнительному изменению фазового набега лучей в интерферометре.

По завершению работы над диссертацией предполагается продолжить научно-исследовательскую деятельность в области построения и доводки инженерных методик получения новых устройств для ВОСП и способов их применения в телекоммуникационных системах. Ставится задача исследования возможности применения других прозрачных материалов кроме изученного для обработки их деформацией с получением нанокристаллической структуры.