Курсовая работа: Волоконные световоды для связи

Принцип работы таких систем виден на рис. 1. Излучение различных длин волн (в настоящее время, как правило, от независимых источников света), несущее для каждой из них свою информацию, вводится в один волоконный световод с помощью специального устройства - мультиплексора, усиливается оптическим усилителем и распространяется по волоконной линии связи. На выходе линии связи после оптического усилителя излучение разделяется по длинам волн с помощью демультиплексора.

Рис. 1. Принципиальная схема волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением каналов

Остановимся коротко на некоторых параметрах этих систем. Полная скорость передачи информации:

В = Nb,

где N - число спектральных каналов; b - скорость передачи информации по одному каналу. В настоящее время величины b = 2.5; 5; 10; 20; 40 Гбит/с. Ведутся успешные работы по увеличению скорости передачи информации одного спектрального канала до 160 Гбит/с, при этом используется оптическое временное уплотнение информации. Число спектральных каналов достигает 100 и более. Полоса усиления современных оптических усилителей - 30-80 нм, она является одним из главных ограничений числа передаваемых каналов и полной скорости передачи информации. Что касается разности длин волн (частот) соседних каналов (нм), то в настоящее время эта величина находится, как правило, в диапазоне 0.2 (25 Ггц) - 0.75 (100 Ггц).

Терабитные скорости в системах со спектральным уплотнением каналов предъявляют вполне определенные требования к элементам таких систем, в первую очередь к источникам света, оптическим усилителям и волоконным световодам, используемым в настоящее время.

2.1 Источники света

Широкое распространение получили полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью, однако у них есть существенный недостаток - чувствительность длины волны излучения к изменению температуры. Разность длин волн соседних спектральных каналов составляет долю нанометра, поэтому в случае использования полупроводниковых лазеров необходимо осуществлять их термостабилизацию, что удорожает стоимость всей системы. Точность фиксации длины волны источников света должна быть не хуже 0.05 нм. От подобного недостатка свободны волоконные лазеры, в частности эрбиевые, генерирующие излучение в спектральной области 1.53-1.62 мкм. Они накачиваются лазерными диодами и представляют собой эффективный и стабильный источник света для систем со спектральным уплотнением каналов. Еще одним перспективным источником является суперконтинуум, генерируемый в волоконных световодах посредством ряда нелинейных эффектов при возбуждении достаточно мощными фемтосекундными импульсами. Использование оптических фильтров позволяет получить необходимое количество источников света, отличающихся длинами волн на заданную величину.

2.2 Оптические усилители

В настоящее время применяются три их типа: полупроводниковые, эрбиевые волоконные и рамановские волоконные усилители. Первые из упомянутых пока не используются в системах со спектральным уплотнением каналов в силу их быстрой динамики усиления, приводящей к перекрестным помехам между различными спектральными каналами. Широко распространены эрбиевые волоконные усилители, полная спектральная полоса усиления которых составляет около 80 нм (С и L полосы усиления).

Кроме ширины полосы усиления важна плоскостность его спектральной характеристики. Это связано с тем, что во всех спектральных каналах должно быть одинаковое усиление. Как правило, ни один из усилителей не имеет плоской спектральной характеристики усиления, поэтому выравнивание спектра усиления осуществляется оптическими фильтрами различных типов.

Рамановские усилители перспективны в силу следующих принципиальных преимуществ:

- они могут усиливать на любой длине волны;

- в качестве их активной среды может использоваться сам волоконный световод;

- спектр их усиления зависит от спектра накачки, поэтому подбором источников накачки можно формировать очень широкую (более 100 нм) полосу усиления;

- низкий уровень шумов.

Основной же их недостаток - не очень высокая эффективность, приводящая к необходимости использовать довольно мощную непрерывную накачку (~1 Вт), чтобы получать усиление около 30 дБ (типичная величина для систем оптической связи). Только в последнее время разработаны высокоэффективные рамановские волоконные лазеры, работающие практически на любой длине волны в диапазоне 1.2-1.5 мкм, а также усилитель этого типа, использующий специальные волоконные световоды с большим содержанием германия и низкими оптическими потерями. Появилась возможность использовать гибридный усилитель, состоящий из распределенного рамановского и эрбиевого волоконного. С его помощью X.Масуда с соавторами получил полосу усиления свыше 80 нм (их результаты были представлены на конференции в Сан-Хосе в 1998 г.) Кроме того, этот гибридный усилитель обеспечивает лучшие шумовые характеристики.

2.3 Волоконные световоды

Использование спектрального уплотнения каналов делает неизбежными жесткие требования к свойствам волоконных световодов, прежде всего к дисперсии и эффективной площади моды. Это связано с тем, что в данном случае значительно увеличивается суммарная мощность всех сигналов и в световоде происходят нелинейные явления, прежде всего 4-волновое смешение, вызывающее перекрестные помехи. Если в волоконный световод вводятся N длин волн, то за счет 4-волнового смешения появляются N2(N - 1)/2 новых длин волн. Если же в области вводимых длин волн дисперсия световода близка к нулю, то выполняется условие фазового синхронизма и процесс идет очень эффективно.

На рис. 2 показана роль дисперсии в этом процессе. В волоконные световоды с дисперсией D = 0 и D = 2.5 пс/нм • км вводится излучение четырех спектральных каналов мощностью 2 мВт в каждом. На выходе световода длиной 50 км (чем длиннее световод, тем выше эффективность нелинейных процессов) с ненулевой дисперсией дополнительные длины волн не наблюдаются (вследствие 4-волнового смешения). В световоде же с нулевой дисперсией длиной 25 км эффективно идет 4-волновое смешение и ясно видны более 20 дополнительных длин волн.

Рис. 2. Спектр излучения на выходе волоконных световодов с различной величиной дисперсии при возбуждении световодов излучением четырех спектральных каналов вблизи длины волны 1546 нм.

Отсюда вытекает требование к волоконным световодам для систем со спектральным уплотнением каналов - отличная от нуля (но не очень большая) дисперсия на длинах волн несущего излучения, при этом изменение величины дисперсии в зависимости от длины волны должно быть минимально (для систем связи с одним спектральным каналом требовались световоды с нулевой дисперсией для увеличения скорости передачи информации, и такие световоды были разработаны: за счет структуры световода нуль дисперсии смещался от длины волны -1.3 мкм к длине волны 1.55 мкм). В результате для систем со спектральным уплотнением каналов разработаны специальные световоды - с ненулевой смещенной дисперсией. Другой путь снижения роли нелинейности - это увеличение диаметра сердцевины одномодового световода, точнее говоря, увеличение эффективной площади моды Аэф . В этом случае плотность мощности излучения сигналов уменьшается, приводя к существенному ослаблению нелинейных явлений. Такие одномодовые волоконные световоды с Аэф > 80 мкм2 разработаны и используются в экспериментальных системах со спектральным уплотнением каналов.

Однако в силу специфической структуры таких световодов распределение поля моды в них отличается от гауссова (большие градиенты в распределении интенсивности света), что приводит к более сильному акустическому отклику, вызванному электрострикцией. Известно, что большие радиальные градиенты интенсивности света оптических импульсов в одномодовых волоконных световодах приводят к электрострикционному возбуждению поперечных акустических волн в волоконном световоде. Это, в свою очередь, становится причиной временного возмущения эффективного показателя преломления, взаимодействия оптических импульсов и в конце концов ведет к ограничению скорости передаваемой информации.

Подводя итоги, можно сказать, что при создании систем связи со скоростью передачи информации >1 Тбит/с применяются всевозможные подходы, характеризующиеся использованием различного числа спектральных каналов и выбором информационной емкости индивидуальных каналов типа оптического усилителя и источника света. Это свидетельствует о надежности элементной базы и огромных потенциальных возможностях волоконно-оптических систем связи со спектральным уплотнением каналов.

3. Подводные волоконно-оптические системы связи

В настоящее время обмен информацией между континентами осуществляется главным образом через подводные волоконно-оптические кабели, а не через спутниковую связь. Интернет - главная движущая сила развития подводных волоконно-оптических линий связи, при этом его потребности в подобных системах со все большими скоростями передачи информации пока не удовлетворены.

Подводные кабели связи существуют уже без малого 150 лет. В 1851 г. инженер по фамилии Брет проложил первый подводный кабель через Ла-Манш, соединив таким образом телеграфной связью Англию с континентальной Европой. Это стало возможным благодаря изобретению гуттаперчи - вещества, способного изолировать в воде провода, несущие ток. В 1857-1858 гг. американский бизнесмен Сайрус Филд разработал фантастический проект сообщения Европы с Северной Америкой с помощью телеграфного кабеля и осуществил его прокладку по дну Атлантического океана. Несмотря на огромные технические и финансовые трудности, после ряда неудач телеграфная линия с 1866 г. начала устойчиво работать. Интересно отметить, что скорость передачи информации составляла всего 17 слов в минуту. Но значение этого достижения заключалось в другом: была продемонстрирована техническая возможность прокладки кабеля по дну океана, что было совсем не очевидным в то время. И это в большой степени предопределило последующие успешные работы в данном направлении. В 1956 г. был проложен первый телефонный коаксиальный кабель, а в последующие годы - еще несколько, с большей пропускной емкостью, чтобы удовлетворить потребности в передаче информации между Старым и Новым светом.