Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова

УДК 621.391.6 : 535.581

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дослідження поляризаційної модової дисперсії і її вплив на пропускну здатність та структуру оптичних транспортних мереж

05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі

Чернихівський Євген Михайлович

Одеса 2006

Загальна характеристика роботи

поляризаційна модова дисперсія

Дисертаційну роботу присвячено дослідженню оптичних транспортних мереж на основі технології спектрального ущільнення каналів, впливу поляризаційно-модової дисперсії на пропускну здатність і довжину регенераційної ділянки волоконно-оптичних систем передавання, експериментальним вимірюванням, моделюванню і дослідженню диференціальної групової затримки сигналу в одномодових оптичних волокнах. В роботі запропоновано структуру оптичного лінійного тракту і метод підвищення пропускної здатності транспортної мережі на основі розробленого методу компенсації поляризаційно-модової дисперсії оптичних світловодів волоконно-оптичних систем передавання інформації (ВОСПІ) зі спектральним ущільненням каналів.

Актуальність теми. Зростання об'ємів інформації, які необхідно передавати, ставить нові вимоги щодо пропускної здатності оптичних транспортних мереж. Збільшення швидкості передавання робить вплив поляризаційно-модової дисперсії (ПМД) одним з вирішальних на пропускну здатність лінійного тракту і довжину регенераційної ділянки.

На сьогоднішній день ведуться інтенсивні роботи по створенню нових оптичних волокон і оптоелектронних компонент транспортних мереж, дослідженню і розробці методів компенсації ПМД. Інша задача - використання вже прокладених оптичних волокон для нових технологій модуляції, ущільнення і передавання оптичних сигналів.

Існуючі методи розрахунку ПМД дають наближений результат, тому системи проектуються з великим запасом (допуском) на вплив ПМД, розроблені методи компенсації вимагають складного обладнання, що робить їх використання неефективним, а системи передавання - дорогими.

Проведені в даній роботі дослідження і розроблений метод компенсації ПМД дозволяє збільшити пропускну здатність оптичної транспортної мережі шляхом зменшення ПМД в 1,4-7 разів у всьому спектральному діапазоні DWDM- систем передавання.

Метою роботи є дослідження та підвищення пропускної здатності оптичної DWDM-транспортної мережі шляхом компенсації поляризаційно-модової дисперсії одномодових оптичних волокон.

Поставлені у роботі задачі.

Розробити метод аналізу поляризованого світлового випромінювання, що передається через одномодові волоконні світловоди оптичних транспортних мереж.

Розробити модель ПМД одномодового оптичного волокна, що дозволить дослідити залежність ПМД від еліпса поляризації вхідного випромінювання, робочої довжини хвилі і ширини смуги випромінювання лазера.

Розробити методику вимірювань і обчислення матриці Джонса сегмента оптичного волокна, що дозволить адаптувати модель ПМД ОВ до реальних оптичних волокон.

Провести вимірювання диференціальної групової затримки (ДГЗ) сигналу оптичних волокон у спектральному діапазоні DWDM- системи передавання, дослідити розподіл ДГЗ і динаміку зміни двозаломлюючих характеристик сегментів оптичних волокон.

Розробити структуру оптичного лінійного DWDM- тракту, що дозволить збільшити пропускну здатність та довжину регенераційної ділянки оптичної транспортної мережі шляхом компенсації ПМД одномодових оптичних волокон.

Об'єкт дослідження: оптичні транспортні мережі зі спектральним ущільненням каналів.

Предмет дослідження: диференціальна групова затримка сигналу.

Методи дослідження:

- модифікований метод Джонса - для визначення параметрів вихідного випромінювання, ДГЗ сигналу оптичного волокна;

- метод багатократного перебору і комп'ютерної емуляції - для моделювання ПМД оптичного волокна;

- експериментальні вимірювання ДГЗ на магістральній мережі - для оцінки адекватності моделі ПМД оптичного волокна і визначення динаміки зміни двозаломлюючих характеристик сегментів ОВ; експеримент - для визначення матриці Джонса сегмента оптичного волокна;

Наукова новизна отриманих результатів. У ході виконання дисертаційної роботи отримано нові результати:

- Шляхом удосконалення методу Джонса розроблено метод для розрахунку диференціальної групової затримки сигналу в оптичному волокні, сумарний відносний зсув фаз між основними станами поляризації якого перевищує 2р.

- Вперше розроблено модель поляризаційно-модової дисперсії оптичних волокон транспортних мереж, яка дозволяє досліджувати залежність ПМД від довжини та кількості сегментів оптичного волокна, еліпса поляризації вхідного випромінювання, довжини хвилі і ширини смуги випромінювання лазера.

- Вперше досліджено динаміку зміни двозаломлюючих характеристик оптичних волокон і розподіл диференціальної групової затримки сигналу систем передачі зі спектральним ущільненням каналів.

- Запропоновано метод підвищення пропускної здатності оптичної транспортної мережі на основі поканальної компенсації ПМД ОВ і збільшення бітової швидкості системи передавання зі спектральним ущільненням каналів.

- Удосконалено структуру оптичного лінійного тракту, використовуючи розроблену схему компенсації ПМД на основі модулятора поляризації вхідного випромінювання, зворотнього каналу і аналізатора ДГЗ.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

- Розроблений метод компенсації ПМД оптичного волокна дає можливість, в залежності від особливостей системи передавання, зменшити ПМД в 1,4-7 разів, що дозволить пропорційно збільшити швидкість передавання, і відповідно пропускну здатність лінійного тракту.

- На основі модифікованого методу Джонса розроблено модель ПМД оптичного волокна, що дозволяє отримати основні характеристики ВОСПІ, а також оцінити потенційні можливості вже прокладених оптичних волокон з точки зору обмежень, що вносяться ПМД.

- Розроблено схему вимірювання матриці Джонса сегмента ОВ, що є одночасно вхідними даними для розробленої моделі ПМД ОВ.

Результати роботи можуть бути використані для підвищення пропускної здатності оптичної транспортної мережі і збільшення довжини регенераційної ділянки шляхом зменшення ПМД оптичних волокон, оцінки екстремальних значень ДГЗ для заданого типу оптичного волокна та визначення коефіцієнта помилок реалізованої на такому волокні системи передавання, визначення потенційних можливостей і обмежень вже прокладених ОВ стосовно максимальної швидкості і довжини регенераційної ділянки.

Розроблені моделі можуть бути використані як частина комплексної системи автоматичного проектування волоконно-оптичних систем передавання, а також - в навчальному процесі для отримання теоретичних знань та практичних навиків у дослідженнях, пов'язаних з поляризованим світловим випромінюванням, методами вимірювання ПМД оптичних волокон і методами компенсації ПМД.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає науково-технічному напрямку ВАТ “Укртелеком”, а також науковим планам кафедри “Телекомунікації” Національного університету “Львівська політехніка” (НУЛП). Основні результати роботи впроваджені в роботах: “Розробка і дослідження методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних мереж шляхом обробки і ущільнення мультимедійних даних”, номер держреєстрації 0103U004644, 2003-2005 р; Договір №7167 між НУ “Львівська політехніка” і НАК “Нафтогаз України”; Договір №0004 від 01.11.2005 р. між ЦТЕ ПМ №6 “Дирекція первинної мережі” ВАТ “Укртелеком” і НУ “Львівська політехніка” на виконання науково-дослідної роботи “Основні принципи функціонування DWDM-систем: пропускна здатність і міжканальні завади. Розробка імітаційної моделі DWDM- лінійного тракту” та у навчальний процес кафедри “Телекомунікації” НУЛП для підготовки фахівців з напрямку “Телекомунікації” і спеціальностей “Інформаційні мережі зв'язку” та “Телекомунікаційні системи та мережі”.

Результати наукових досліджень впроваджені у відділі планування та розвитку мереж та Центрі технічної експлуатації первинної мережі №6 Львівської філії ВАТ “Укртелеком”, а також в навчальному процесі кафедри телекомунікацій НУ “Львівська політехніка”.

Особистий внесок здобувача. На основі методу Джонса розроблено метод визначення ДГЗ сигналу в оптичному волокні [6,7,13,14].

Дослідження залежності пропускної здатності оптичних транспортних мереж від ПМД, аналіз існуючих методів компенсації ПМД [3,5,10].

Розроблено модель ПМД ОВ транспортних мереж [7,8,15].

Результати, отримані в співавторстві. Досліджено вплив ПМД на максимальну швидкість передавання і довжину регенераційної ділянки оптичних волокон транспортних мереж [2,4,11].

Досліджено динаміку зміни ДГЗ, розроблено метод компенсації ПМД ОВ і запропоновано структуру оптичного лінійного тракту DWDM- систем передавання [9,16].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на наступних конференціях: III международная конференция “Техника и технология связи”, Одесса, 11-14.09.2001 г.; LFNM-2002 4-th International Workshop on Laser and Fiber-Optical Network Modeling, Kharkiv, 2002; ССПОИ-2002 - VI Международная научно-практическая конференция “Системы и средства передачи и обработки информации”, 3-8 сентября 2002г., Одесса; CADSM-2003, Febryary 18-22,2003, Lviv-Slavsko, Ukraine; Міжнародна науково-технічна конференція “Моделювання лазерних і волоконно-оптичних систем - LFNM”, 2003 р., м. Алушта; Міжнародна конференція "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій і комп'ютерної інженерії - TCSET-2004" (Львiв-Славсько, 24-28 лютого 2004 р.); Міжнародна науково-технічна конференція COMINFO-2005, м. Київ, 27-29 вересня 2005 р.; Міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії” TCSET-2006. Львів-Славсько, Україна, 28 лютого - 4 березня 2006 року.

Публікації за темою дисертації. Матеріали дисертації опубліковано в 16 наукових працях, з них 8 - у матеріалах наукових конференцій.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 115 джерел і 6 додатків на 18 сторінках. Повний об'єм дисертації 198 сторінок, включаючи 66 рисунків і 10 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми і необхідність виконання досліджень, визначено мету роботи, сформульовано необхідні для її досягнення задачі та вказано методи їх розв'язання, наведено основні наукові результати дисертації та область їх можливого використання.

В першому розділі проведено літературний огляд стану проблеми, розглянуто особливості будови і функціонування оптичних транспортних мереж, обмеження, критичні параметри та загальні вимоги до систем передавання зі спектральним ущільненням каналів, а також основні методи підвищення пропускної здатності оптичної транспортної мережі.

Одним із найефективніших методів підвищення пропускної здатності транспортної мережі є підвищення бітової швидкості передавання.

З використанням широкосмугових оптичних підсилювачів і методів компенсації матеріальної та хроматичної дисперсії основним обмежуючим фактором максимальної швидкості передавання і довжини регенераційної ділянки є поляризаційно-модова дисперсія (ПМД).

Причиною виникнення поляризаційно-модової дисперсії є двозаломлення серцевини оптичного волокна, що виникає під впливом статичних і динамічних факторів. Вхідний імпульс, представлений двома ортогональними поляризаційними складовими, розширюється в часі на виході волокна. Різниця часів поширення між двома поляризаційними складовими сигналу називається диференціальною груповою затримкою. Поляризаційна модова дисперсія - це середньоквадратичне значення диференціальної групової затримки. ДГЗ має випадковий характер зміни, що суттєво утруднює процес її компенсації.

В даному розділі також показано класичний підхід щодо прогнозування і вимірювання ПМД, розглянуто найбільш поширені методи компенсації ПМД. Спільними рисами цих методів є складність реалізації і висока вартість, тому одна з основних задач даної роботи - розробити схему компенсації ПМД, яка була б позбавлена цих недоліків і дозволила підвищити швидкість передавання інформації і збільшити довжину регенераційної ділянки.

В другому розділі проведено порівняльний аналіз основних методів представлення та обчислення параметрів поляризованого світлового випромінювання. Розробка ефективної схеми компенсації ПМД неможлива без розуміння природи поляризованого світла, а також без вибору чи розробки ефективного методу його аналізу. Метод розрахунку повинен дозволяти визначати наступні величини: інтенсивність хвилі в будь-якій точці середовища поширення, амплітуду і абсолютну фазу кожної з поляризаційних складових, а також наглядно представляти стан поляризованого чи частково-поляризованого світла. Із всієї різноманітності існуючих методів найбільшої уваги, з точки зору поширення світла в оптичному волокні заслуговують наступні:

Вектор Стокса - чотирьохкомпонентний вектор-стовпець, що дозволяє наглядно представити поляризоване світло, зокрема і на сфері Пуанкаре, яка і є візуалізацією поляризованого світла в тривимірному просторі Стокса.

Метод Мюллера - базується на представленні поляризаційних характеристик оптичних пристроїв матрицею 4х4. Результуючий вихідний вектор Стокса - результат взаємодії вхідного випромінювання і оптичного пристрою, утворюється як добуток вхідного вектора Стокса і матриці Мюллера оптичного пристрою. Цей метод також можна використати для визначення поляризаційно-залежних втрат і обчислень, пов'язаних з частково поляризованим світлом.

Вектор Джонса будь-якого стану еліптичної поляризації світла в точці z простору має вигляд:

, (1)

де - амплітуди, - фази x- та y- поляризаційних складових відповідно.

Так, як компоненти поля у всіх точках z простору змінюються однаково, то часову залежність можна упустити, і

. (2)

Метод Джонса забезпечує простий шлях математичних обчислень, пов'язаних з поляризованим оптичним випромінюванням. На рис. 1 показана схема оптичної системи, падаюча хвиля і одна з вихідних модифікованих хвиль.

Вихідний вектор:

(3)

чи в скороченій формі

(4)

матриця Джонса оптичної системи.

При поширенні світла через анізотропне середовище

E(z) i E(z+Дz)

представляють собою вектори Джонса хвилі в двох поперечних площинах, що перетинають вісь z в точках z і z+Дz. Зміна стану хвилі в результаті її поширення на відстань Дz між z і z+Дz описуються співвідношенням

, (5)

де - матриця Джонса для тонкого (безмежно тонкого) шару анізотропного середовища товщиною Дz, що має координату z і безмежні плоскі грані, паралельні площині xy.

Зміна вектора Джонса між площинами z і z+Дz:

, (6)

де - одинична 2х2 матриця. Розділивши обидві частини рівняння (6) на Дz, і перейшовши до границі Дz>0, отримаємо диференціальне рівняння поширення для вектора Джонса Е:

, (7)

. (8)

Співвідношення (8) визначає 2х2 матрицю N(z) -диференціальну матрицю поширення Джонса (описує зміну величини електричного вектора плоскої світлової хвилі при переміщенні її фронту на нескінченно малу відстань dz вздовж напрямку поширення) яка характеризує анізотропні оптичні властивості середовища в площині, перпендикулярній напрямку поширення пучка і пересікаючи її в точці z.

Вектор Джонса E(z) світлової хвилі що пройшла відстань z оптичного пристрою у вигляді товстого (не безмежно малого) шару анізотропного середовища, визначається виразом

, (9)

де - вхідний вектор Джонса (при z=0), а T(z) - повна матриця Джонса, що характеризує ділянку середовища товщиною z, обмежену двома поперечними площинами, що перетинають пучок в точках 0 і z. Диференціюючи (9) по z і прирівнюючи до (7), отримаємо

, (10)

звідки, провівши ряд нескладних операцій, отримуємо

. (11)

Таким чином ми отримали співвідношення між повною матрицею Джонса Т(z) для оптичного елемента у вигляді шару анізотропного матеріалу товщиною z і диференціальною матрицею поширення Джонса N(z), що описує оптичні властивості матеріалу цього шару.

Також в цьому розділі розглянуто двозаломлення, зв'язок мод в оптичних волокнах і поляризаційно-модова дисперсія першого і другого порядку.

Третій розділ присвячено експериментальним вимірюванням вектора Джонса оптичного випромінювання і матриці Джонса сегмента оптичного волокна, вимірюванням і аналізу ДГЗ сигналу оптичних волокон у спектральному діапазоні DWDM- систем передавання, розробці моделей і моделюванню ДГЗ сигналу оптичних волокон транспортних мереж.

Можливості експериментальних досліджень на оптичних транспортних мережах досить обмежені, тому створення простої моделі з одночасним збереженням адекватності і функціональної повноти є першочерговою задачею.

Модель оптичного волокна з заданою середньою ДГЗ <Дф> полягає в каскадуванні N двозаломлюючих пластинок різної товщини, кожна з яких вносить випадковий зсув фаз між ортогональними поляризаційними складовими д_і, з їх випадковою орієнтацією швидкої і повільної осей, що задається азимутом пластинки и_і. Кожна з пластинок описується комплексними матрицями Джонса розміром 2х2 :

(12)

де перша матриця - матриця повороту, вводить обертання вектора вхідного випромінювання в систему відліку основних станів поляризації двозаломлюючої пластинки, друга матриця вводить затримку двох ортогональних поляризованих складових.

Результуюча матриця Джонса усього оптичного волокна з N сегментів Т - це добуток матриць Джонса кожної індивідуальної пластинки :

. (13)

Згідно методу Джонса (р-ня 3) можна визначити тільки вектор Джонса вихідного випромінювання, яке пройшло через послідовність двозаломлюючих пластин, що певним чином модифікували вхідний вектор.

Запропонований у роботі підхід для визначення часу затримки, що вноситься пластинкою, ґрунтується на визначенні різниці фаз між двома ортогональними складовими і далі переведення цього значення в часову затримку. Відомо, що двозаломлююча пластинка, яка характеризується відносним зсувом фаз, може вносити різну затримку між поляризаційними складовими, в залежності від кута між вхідним вектором Джонса і азимутом осі найбільшої швидкості, ця затримка може лежати в межах від нуля до максимальної затримки пластинки. Метод Джонса дає точний результат, коли результуюча зміна фази вихідного вектора відносно вхідного не перевищує 2р. Якщо ж відносна зміна фази між двома поляризаційними складовими є більшою 2р, тобто (2р*n+д, n=1,2,…), то результуюча різниця фаз між поляризаційними складовими все одно буде д, тому, користуючись цим методом, неможливо визначити відносну різницю фаз між складовими, виходячи тільки з результуючого вихідного вектора Джонса.

Для вирішення цієї проблеми оптичне волокно розбивається на сегменти з затримкою менше 2р/щ, і ДГЗ кожного з цих сегментів визначається окремо.

Матриця Джонса кожного з сегментів, враховуючи азимут і зсув фаз, має вигляд

(14)

де , Дф_і - максимальна часова затримка пластинки, щ - кутова частота випромінювання.

Часова затримка сегмента ОВ - це зсув фаз між ортогональними поляризаційними складовими, поділено на кутову частоту. Якщо змінюється довжина хвилі (кутова частота), то змінюватиметься і зсув фаз між основними станами поляризації, так як часова затримка є постійною величиною. Такий перехід дозволяє в процес моделювання ввести додатковий параметр - кутову частоту, тобто враховувати довжину хвилі.

Сумарна диференціальна групова затримка сигналу оптичного волокна з N сегментів у такому випадку рівна сумі ДГЗ кожного з сегментів, враховуючи знак (тобто часова різниця між вертикальною і горизонтальною поляризаційними складовими):

(15)

Створена модель дозволяє досліджувати залежність диференціальної групової затримки від наступних параметрів: еліпса поляризації вхідного сигналу, довжини хвилі оптичної несучої, кількості сегментів оптичного волокна, максимальної затримки сегмента оптичного волокна, ширини смуги випромінювання оптичного джерела.

Для зв'язку розробленої моделі з реальними оптичними волокнами розроблено методику експериментального визначення матриці Джонса оптичного пристрою (сегмента ОВ). Визначення матриці Джонса базується на вимірюваннях інтенсивності вихідного випромінювання.

Приклад результатів вимірювань і обчислена матриця Джонса для відрізка стандартного одномодового оптичного волокна довжиною 89 см має вигляд (в Декартовій системі координат):

(16)

Після проведення ряду вимірювань і набравши статистику матриць Джонса для різних сегментів оптичних волокон певного типу, отримані результати стали вхідними даними для розробленої моделі ПМД оптичного волокна.

Вимірювання ДГЗ сигналу на оптичній транспортній мережі в залежності від часу і довжини хвилі для трьох оптичних волокон довжиною 95 км в діапазоні довжин хвиль 1510 - 1625 нм проводилися автоматизованою комп'ютерною системою з інтервалом 90 хвилин, а результати записувалися в текстовий файл.

Результати вимірювань і моделювання свідчать, що залежність ДГЗ від довжини хвилі має випадковий розподіл, причому ДГЗ для різних довжин хвилі суттєво відрізняється. Це пояснюється тим, що багатосегментна структура оптичного волокна з анізотропією профілю показника заломлення серцевини по різному модифікує еліпс поляризації світлового випромінювання з різною довжиною хвилі. Різниця значень ДГЗ сигналу різних довжин хвилі системи DWDM спостерігається для ОВ різної довжини і кількості сегментів, з різною кількістю спектральних каналів і спектральною відстанню між ними. Це свідчить про високу чутливість ДГЗ як до параметрів і характеристик ОВ, так і до довжини хвилі оптичної несучої.

Оцінка адекватності розробленої моделі проводилася порівнянням результатів вимірювання ДГЗ на транспортній мережі і результатів моделювання, зокрема порівнювалися математичне очікування нормованого значення ДГЗ, дисперсія ДГЗ і відповідність результатів моделювання і вимірювання одному закону розподілу за критерієм (Пірсона):

. (17)

Діапазон значень нормованого по середньому значення ДГЗ результатів вимірювання і моделювання розбито на 9 проміжків, тобто r+1=9 (таблиця 1), кількість ступенів вільності d.f.=r=8, вибраний рівень значущості б=0.1, величина вибірки n=370.

Таблиця 1. Розбиття гіпотетичного простору на 9 частин

Нормоване значення ДГЗ сигналу	Кількість значень в заданому діапазоні
	Вимірювання	Моделювання
0,00 - 0,27	41	35
0,27 - 0,55	50	44
0,55 - 0,82	58	58
0,82 - 1,09	71	76
1,09 - 1,37	57	78
1,37 - 1,64	42	31
1,64 - 1,91	30	27
1,91 - 2,18	11	11
>2,18	10	10

Із р-ня (17) обчислюємо =12.07.

Користуючись таблицею “Квантилі статистики ”, знаходимо =13,36

Умова < виконується, отже обидві послідовності належать до одного закону розподілу.

Двозаломлюючі характеристики сегментів оптичного волокна змінюються з часом. Середній час, протягом якого ОВ змінило свої двозаломлюючі характеристики, визначався шляхом послідовних вимірювань ДГЗ на певній довжині хвилі. Динаміка зміни сегментів ОВ залежить від довжини волокна і є однаковою у всьому спектральному діапазоні системи DWDM. Шляхом обробки експериментальних даних для трьох ОВ довжиною 95 км встановлено, що зміна ДГЗ сигналу відбувається в середньому раз на 2,5-3 год., а діапазон зміни не перевищує 10% протягом цього періоду.

Значення ДГЗ сигналу ОВ залежить від еліпса поляризації вхідного випромінювання, де по осі абсцис відкладено орієнтацію електричного вектора вхідного сигналу відносно вертикалі, а по осі ординат - значення ДГЗ сигналу на виході з оптичного волокна.

Для заданого ОВ на заданій довжині хвилі навіть при малій кількості вхідних сигналів існує такий вхідний еліпс поляризації, для якого ДГЗ є максимальною, так і такий стан, для якого ДГЗ мінімальна. Ця властивість використовується для реалізації схеми компенсації ПМД.

За допомогою моделювання досліджено вплив ширини смуги випромінювання лазера на значення ДГЗ сигналу і еліпс поляризації на виході оптичного волокна. Вхідне випромінювання з широкою спектральною смугою деполяризується оптичним волокном з ПМД, що призводить до розмиття імпульсів і робить неможливим використання компенсатора ПМД, дія якого ґрунтується на визначенні еліпса поляризації вихідного випромінювання.

В четвертому розділі запропоновано метод підвищення пропускної здатності транспортної мережі шляхом збільшення бітової швидкості передавання, розроблено схему компенсації ПМД оптичних волокон систем зі спектральним ущільненням каналів, а також досліджено ефективність використання даної схеми компенсації в залежності від довжини оптичного волокна, динаміки зміни двозаломлюючих характеристик ОВ і кількості різних еліпсів поляризації вхідного сигналу.

Оптичне волокно великої довжини по різному модифікує вхідне світлове випромінювання різних довжин хвиль, що призводить до виникнення різних значень ДГЗ у спектральних каналах. Різниця ДГЗ для різних довжин хвиль оптичної несучої робить неможливим використання єдиного широкосмугового компенсатора поляризаційно-модової дисперсії і вимагає реалізації схеми компенсації окремо для кожного спектрального каналу.

В основу розробленого методу компенсації ПМД покладено той факт, що ДГЗ залежить від еліпса поляризації світлового випромінювання, що подається в оптичне волокно.

Робота схеми компенсації ПМД. Лазер Л випромінює лінійно-поляризоване світло, причому може використовуватися як лазер з внутрішньою модуляцією інтенсивності, так і передавальний оптичний модуль з зовнішнім модулятором. Випромінювання попадає на модулятор М, далі сигнали всіх спектральних каналів подаються на оптичний WDM- мультиплексор, після якого груповий сигнал N спектральних каналів передається в оптичне волокно через широкосмуговий підсилювач потужності.

Схема компенсації ПМД дозволяє оперативно реагувати на зміну ДГЗ. В якості модулятора використовується електрооптичний кристал. Під дією керуючої напруги кристал змінює двозаломлення, причому різниця показників заломлення швидкої і повільної осей залежить від величини прикладеної напруги. Для схеми компенсації ПМД потрібно, щоб модулятор дозволяв реалізувати різницю часу поширення швидкої і повільної складових в межах від 0 до 2р/щ, де щ - кутова частота оптичного сигналу. Зрозуміло, що для різної довжини хвилі оптичної несучої буде і різне значення прикладеної напруги для отримання однакової різниці ходу.

Аналізатор на виході ОВ вимірює значення ДГЗ в даний момент. Якщо значення ДГЗ перевищує максимально допустиме, то по зворотному каналу передається сигнал на зміну вхідного еліпса поляризації. На модулятор в покроковому режимі подаються фіксовані значення напруги, а на виході аналізатора визначається ДГЗ сигналу. Передача даних ведеться неперервно на кожному еліпсі поляризації вхідного сигналу. Після проходження одного кола вимірювань (зміна відносного зсуву фаз кристала від 0 до 2р з заданою кількістю кроків) на модуляторі встановлюється таке значення напруги, при якому ДГЗ на виході волокна приймало мінімальне значення, і цей вхідний стан поляризації зберігається до того моменту, поки значення ДГЗ знову не перевищить максимально допустимого. Такий алгоритм компенсації використовується для кожного спектрального каналу окремо, незалежно один від одного.

Час вибору оптимального еліпса поляризації вхідного сигналу не є критичним. Сучасні вимірювачі ДГЗ дозволяють визначати часову різницю поширення двох ортогональних поляризаційних складових із швидкістю порядка 100 вимірювань на секунду, а динаміка зміни ДГЗ для волоконно-оптичних ліній зв'язку є набагато меншою (в середньому близько однієї зміни на 2-3 години).

Перевагою такої схеми компенсації є те, що вона для компенсації ПМД використовує тільки особливості оптичного волокна.

На рис. 8 показано розподіл нормованого значення ДГЗ для одного спектрального каналу системи DWDM без компенсації ПМД і з компенсацією ПМД.

Ефективність використання запропонованої схеми компенсації визначаємо по значенню ПМД ОВ. Отримані результати показують, що ефективність використання запропонованої схеми компенсації ПМД на основі модулятора еліпса поляризації вхідного випромінювання, пристрою визначення ДГЗ і зворотного зв'язку є однаковою як для коротких, так і для довгих оптичних волокон.

Із збільшенням середнього часу, протягом якого двозаломлюючі характеристики ОВ не змінюються, ефективність використання схеми компенсації збільшується до певного значення, після якого лишається незмінною. Це пояснюється тим, що передача ведеться з вхідним еліпсом поляризації, для якого ДГЗ є мінімальним, але не нульовим. Зменшення ПМД за допомогою запропонованої схеми компенсації становить від 1.4 до 7 раз.

Ефективність використання методу компенсації залежить також від кількості вхідних еліпсів поляризації. При сталій середній динаміці для ОВ заданої довжини існує така кількість вхідних сигналів, для якої ефективність використання схеми компенсації ПМД є максимальною. При збільшенні довжини ОВ спостерігається переміщення оптимального значення кількості вхідних сигналів також в сторону збільшення.

Максимальна довжина регенераційної ділянки пропорційна квадрату ПМД, отже зменшення ПМД в 2 рази призведе до зростання довжини регенераційної ділянки в 4 рази. ПМД є обернено пропорційна максимальній швидкості передавання, тому зменшення ПМД в 2 рази дозволяє в 2 рази збільшити швидкість передавання (при цьому коефіцієнт помилок, викликаний ПМД, не зміниться).

Пропускна здатність транспортної мережі прямопропорційно залежить від швидкості передавання на одній оптичній несучій, тому підвищення швидкості передавання шляхом компенсації ПМД дозволить підвищити пропускну здатність оптичної транспортної мережі.

Висновки

Дисертаційна робота присвячена дослідженню поляризаційно-модової дисперсії одномодових оптичних волокон систем передавання інформації зі спектральним ущільненням каналів і підвищенню пропускної здатності оптичних транспортних мереж.

До основних висновків роботи слід віднести:

1. Для математичних обчислень, пов'язаних з перетворенням поляризації світлового випромінювання, що передається через оптичне волокно, найкраще підходять розрахункові методи Джонса і Мюллера. Показано, що якщо сумарний зсув фаз оптичного волокна перевищує 2р, потрібно модифікувати метод Джонса, розбиваючи оптичне волокно на сегменти, відносний зсув фаз кожного з яких не перевищує 2р і затримку між поляризаційними складовими визначати для кожного сегмента окремо. Сумарна ДГЗ буде сумою затримок кожного з сегментів волокна.

2. Доведено, що диференціальна групова затримка сигналу в оптичному волокні залежить від еліпса поляризації вхідного випромінювання і довжини хвилі оптичної несучої як для коротких, так і для довгих оптичних волокон.

3. Для будь-якого оптичного волокна існує такий стан поляризації вхідного сигналу, для якого значення ДГЗ є мінімальним, так і такий стан, для якого ДГЗ є максимальною. Вибір оптимального вхідного еліпса поляризації використовується у розробленому методі компенсації ПМД.

4. Для системи передавання зі спектральним ущільненням каналів значення ДГЗ для різних довжин хвилі оптичної несучої суттєво відрізняється, що утруднює (робить неможливим) компенсацію ПМД одним “широкосмуговим” компенсатором.

5. Двозаломлюючі характеристики сегментів оптичного волокна змінюються в часі. Середній час, протягом якого ДГЗ сигналу змінилася, називається динамікою зміни двозаломлюючих характеристик сегментів ОВ. Динаміка залежить від довжини волокна і є однаковою у всьому спектральному діапазоні системи DWDM. На основі експериментальних даних встановлено, що зміна ДГЗ сигналу відбувається в середньому раз на 2,5-3 год. для ОВ довжиною 95 км, а діапазон зміни не перевищує 10% протягом цього періоду.

6. Для заданої довжини оптичного волокна існує така мінімальна ширина смуги випромінювання лазера, для якої середньоквадратичне відхилення ДГЗ в межах цієї смуги близьке до нуля. Використання лазера з такою шириною смуги дозволяє уникнути деполяризації світлового променя оптичним волокном з ПМД. Ширина смуги випромінювання лазера - критичний параметр, від якого залежить ефективність компенсації ПМД.

7. Запропонована схема визначення матриці Джонса сегмента оптичного волокна дозволяє отримати двозаломлюючі характеристики реальних оптичних волокон і при відомій довжині оптичного лінійного тракту чи максимальній швидкості передавання за допомогою запропонованої моделі визначати імовірність перевищення максимально-допустимого значення ДГЗ.

8. Розроблено метод поканальної компенсації ПМД для волоконно-оптичної системи передавання зі спектральним ущільненням каналів, що полягає у використанні для кожного спектрального каналу модулятора еліпса поляризації вхідного випромінювання, пристрою контролю диференціальної групової затримки і зворотного каналу.

9. Запропоновано структуру оптичного лінійного тракту з використанням розробленої схеми компенсації ПМД, що дозволяє підвищити пропускну здатність оптичної транспортної мережі шляхом зменшення поляризаційно-модової дисперсії в 1,4-7 разів.

Список опублікованих праць

1. Климаш М.М., Чернихівський Є.М. Синхронна цифрова мережа західної ділянки енергосистеми України // Львів: Вісник ДУ “ЛП” Радіоелектроніка і телекомунікації. - 2000. - №387. - С. 240-245.

2. Климаш М.М., Чернихівський Є.М., Дембіцький С.І. Розрахунок довжини регенераційної ділянки волоконно-оптичних систем передачі інформації за дисперсійними характеристиками оптичного волокна // Львів: Вісник ДУ “ЛП” Радіоелектроніка і телекомунікації. - 2000. - №399. - С. 111-114.

3. Климаш М.М., Чернихівський Є.М. Дослідження трафіка та потенційної пропускної здатності оптичних волокон транспортних мереж // Львів: Вісник НУ “ЛП” Радіоелектроніка і телекомунікації. -2001.- № 428. - С. 121-126.

4. Чернихівський Є.М., Климаш М.М. Дослідження впливу поляризаційної модової дисперсії на пропускну здатність оптичних волокон магістральних телекомунікаційних мереж // Львів: Вісник НУ “ЛП” Радіоелектроніка та телекомунікації . - 2002.- № 443. - С.180-185.

5. М.Н. Климаш., Е.М. Чернихивский. Расчет пропускной способности одномодовых оптических волокон и применение DWDM технологии на транспортных сетях // Радіоелектроніка, інформатика, управління.- 2002. - №1. - С. 26-28.

6. Чернихівський Є.М., Климаш М.М., Шийка Я.В. Моделювання поляризаційних характеристик оптичних волокон з допомогою матриць Мюллера і Джонса // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Радіоелектроніка і телекомунікації”.- 2004. - №508. - С. 165-168.

7. М.М. Климаш, Є.М. Чернихівський. Модель поляризаційно - модової дисперсії оптичного волокна // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Радіоелектроніка і телекомунікацї”. -2005. - №534. - С. 84-86.

8. Є.М. Чернихівський. Дослідження залежності поляризаційно-модової дисперсії оптичного волокна від довжини хвилі оптичної несучої // Вісник “Моделювання та інформаційні технології”. М.Київ.- 2005. - №31., с.50-55.

9. Чернихівський Є.М., Климаш М.М. Дослідження диференціальної групової затримки оптичного волокна і розробка схеми компенсації поляризаційно-модової дисперсії // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Радіоелектроніка і телекомунікацї”. -2006. -№560. - С.78-82.

10. Климаш М.М., Чернихівський Е.М. Расчет пропускной способности волоконно-оптической транспортной сети и применение DWDM технологии // Материалы III-й Международной конференции “Техника и технология связи”.- Одеса. - 11-14.09.2001. - С. 49-55.

11. Mychailo Klymash, Evgen Chernikhivskyj. Polariztion Mode Dispersion: Causes of Rise and Influence on synchronous Linear Links Parameters and Structure // Proceeding of LFNM-2002 4-d International Workshop on Laser and Fiber-Optical Network Modeling. - Kharkiv. - 2002. - С. 212.

12. Mykhailo Klymash, Yevgen Chernikhivsky, Mykhailo Oleksin. Main Telecomunication Network Optical Linear Links Strukture Investigation // CADSM-2003. - February 18-22,2003. - Lviv-Slavsko, Ukraine.- p.91-95.

13. Mykhailo Klymash, Yevgen Chernikhivsky, Ivan Kostyuk. Polarizing Dependent Losses and Polarizing Mode Dispersion Coefficient Analysis and Calculation with the Help of Jones` and Muller`s Matrices // Міжнародна науково-технічна конференція “Моделювання лазерних і волоконно- оптичних систем - LFNM-2003”. - 2003. - м. Алушта. - С.262-265.

14. М.М. Климаш, Є.М. Чернихівський. Експериментальне визначення матриці Джонса оптичного волокна // Науково-практична конференція ”Сучасні проблеми телекомунікацій-2004”.- 2004.- С.13-15.

15. М.М. Климаш, Є.М. Чернихівський. Моделювання і дослідження поляризаційно-модової дисперсії оптичного волокна // Міжнародна науково-технічна конференція COMINFO-2005, м. Київ. - 27-29 вересня 2005.

16. Evgen Chernikhivskyj, Mychailo Klymash. Research of Differential Group Delay and Design of Scheme for Polarization Mode Dispersion System Minimization // Матеріали 9-ї міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії” Львів-Славсько, Україна.- 28 лютого - 4 березня 2006.- С.271-273.

Анотація

Чернихівський Є.М. Дослідження поляризаційної модової дисперсії і її вплив на пропускну здатність та структуру оптичних транспортних мереж. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. - Національний університет “Львівська політехніка”, м.Львів, 2006.

Роботу присвячено дослідженню оптичних транспортних мереж і методам підвищення їх пропускної здатності, дослідженню поляризаційно-модової дисперсії оптичних волокон систем передавання зі спектральним ущільненням каналів. У роботі розроблено модель поляризаційної модової дисперсії оптичного волокна як послідовність двозаломлюючих сегментів з випадковим значенням затримки і азимута, модифіковано метод Джонса для обчислення диференціальної групової затримки сигналу оптичного волокна. З допомогою розробленої моделі отримано залежності диференціальної групової затримки сигналу DWDM- системи від довжини хвилі оптичної несучої, еліпса поляризації вхідного випромінювання, ширини смуги випромінювання лазера.

Проведено вимірювання диференціальної групової затримки сигналу в оптичних світловодах волоконно-оптичних систем передавання, на основі цих даних проведено оцінку адекватності розробленої моделі, досліджено динаміку зміни двозаломлюючих характеристик оптичного волокна і обчислено ефективність запропонованого методу компенсації ПМД, запропоновано математичний апарат і схему експериментального визначення матриці Джонса сегмента оптичного волокна.

Досліджено розподіл ДГЗ сигналу систем передавання зі спектральним ущільненням каналів, розроблено метод поканальної компенсації ПМД з використанням модулятора і зворотного каналу, який дозволяє зменшити ПМД до 7 разів, запропоновано структуру оптичного лінійного тракту з використанням даної схеми.

Ключові слова: оптична транспортна мережа, система передавання зі спектральним ущільненням каналів, компенсація поляризаційно-модової дисперсії, диференціальна групова затримка, пропускна здатність, матриця Джонса.

Аннотация

Чернихивский Е.М. Исследование поляризационной модовой дисперсии и ее влияние на пропускную способность и структуру оптических транспортных сетей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. - Национальный университет “Львовская политехника”, г. Львов, 2006.

Работа посвящена исследованию оптических транспортных сетей и методам повышения их пропускной способности, исследованию поляризационно-модовой дисперсии оптических волокон систем передачи со спектральным уплотнением каналов. В работе разработана модель поляризационно-модовой дисперсии оптического волокна как последовательность двулучепреломляющих сегментов со случайными значениями задержки и азимута, модифицирован метод Джонса для вычисления дифференциальной групповой задержки сигнала оптического волокна. С помощью разработанной модели получены зависимости дифференциальной групповой задержки сигнала DWDM- системы передачи от длины волны оптической несущей, еллипса поляризации входного излучения, ширины полосы излучения лазера.

Проведено измерение дифференциальной групповой задержки сигнала в одномодовых оптических волноводах, на основе этих данных проведена оценка адекватности разработанной модели, исследована динамика изменения двулучепреломляющих характеристик оптического волокна и вычислено эффективность предложенного метода компенсации ПМД, предложен математический аппарат и схема экспериментального определения матрицы Джонса сегмента оптического волокна.

Исследовано распределение ДГЗ сигнала систем передачи со спектральным уплотнением каналов, разработан метод поканальной компенсации ПМД с использованием модулятора и обратного канала, который позволяет уменьшить ПМД до 7 раз и предложено структуру оптического линейного тракта с использованием данной схемы.

Ключевые слова: оптическая транспортная сеть, система передачи со спектральным уплотнением каналов, компенсация поляризационно-модовой дисперсии, дифференциальная групповая задержка, пропускная способность, матрица Джонса.

Summary

Chernykhivsky E.М. Investigation of polarization mode dispersion and it influence on capacity and structure of optical transport network. - Manuscript.

Thesis for the competition of Ph.D of specialty 05.12.02 - telecommunication systems and networks. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2006.

The work is devoted to the investigation of optical transport networks basing on the dense wavelength division multiplexing technology and to methods of improvement of its capacity and to investigation of polarization mode dispersion of single mode optical fibers. In work the model of polarization mode dispersion of optical fiber dispersion as sequence of birefringence segments with random value of delay and azimuth has been developed, the method of Jones matrixes for calculation of deferential group delay of signal transported through optical fiber has been modified. By elaborated model the dependences of deferential group delay of signal of optical fibers of DWDM-system on wavelength of optical carrier, polarization ellipse of input radiation into optical fiber and band width of laser radiation etc., have been obtained.

The measurements of differential group delay of signal, which is transmitted through optical waveguide of fiber-optical transport system within spectrum diapason of DWDM transport system were curried out. Basing on the data the evaluation of correspondence of elaborated model by Pearson criterion and by way of comparison of statistical parameters of sequences of arbitrary values has been conducted.

Also in work, basing on measurements results of deferential group delay, the dynamics of optical fiber birefringence characteristics change has been studied. For adaptation of development model of polarization mode dispersion to real optical fiber the mathematical apparatus has been proposed and scheme of experimental determination of Jones matrix of optical fiber segment has been designed.

The distribution of deferential group delay of optical fiber signal of transport system with DWDM and the dependence of deferential group delay on polarization ellipse of input radiation were investigated. It is ascertained that for optical fiber with polarization mode dispersion of any length the polarization ellipse of input radiation, for which differential group delay is minimum (near to zero), and difference of differential group delay of signal of different spectral channels is significant different that does impossible to use a wide-band polarization mode dispersion compensator. Basing on these data the method of compensation of polarization mode dispersion of DWDM-system in the every of channels separately using modulator of polarization position of input radiation, feedback channel and analyzer of differential group delay, which controls by work of modulator was proposed.

The proposed method of polarization mode dispersion compensation allows to decrease the polarization mode dispersion by the factor of 1.4-7 according to peculiarities of transport system that permits to increase a bit rate of transportation and length of regeneration section.

Keywords: optical transport network, DWDM transmission system, compensation of polarization mode dispersion, differential group delay, carrying capacity, Jones matrix.

Размещено на Allbest.ru