О новых способах увеличения информационной емкости волоконно-оптических линий связи Ю.И. Шокин, М.П. Федорук, С.К. Турицын, Е.Г. Шапиро

Передача данных по одному волоконному световоду на различных частотах Дальнейшее увеличение информационной ёмкости (BL, где В – пропускная способность линии,L – дальность передачи) возможно на основе объединения технологий: Информационная ёмкость б) Спектральное уплотнение: а)Дисперсионное управление: - период - средняя дисперсия Пропускная способность: - скорость передачи в одном канале - число каналов Каналы ():

Две основные задачи: Изучение фундаментальных свойств оптических импульсов (дисперсионно - управляемых солитонов) в системах с периодически меняющимися коэффициентами дисперсии и нелинейности. Изучение фундаментальных свойств оптических импульсов (дисперсионно - управляемых солитонов) в системах с периодически меняющимися коэффициентами дисперсии и нелинейности. Оптимизация конкретных конфигураций волоконно-оптический линий связи с целью увеличения информационной ёмкости. Оптимизация конкретных конфигураций волоконно-оптический линий связи с целью увеличения информационной ёмкости.

Математическая модель: A Обобщенное нелинейное уравнение Шредингера (ОНУШ): Дисперсионный параметр: эффективный коэффициент нелинейности. - эффективный коэффициент нелинейности. Основная математическая модель для описания эволюции оптических импульсов в волоконных световодах: медленная комплексная огибающая электромагнитного поля - медленная комплексная огибающая электромагнитного поля

Математическая модель: A И формально решение выглядит так: - оператор линейной части, - нелинейный оператор, тогда Численный алгоритм реализации ОНУШ : Метод Фурье расщепления по физическим процессам

Математическая модель: A Примеры вычислений: Примеры вычислений: Мелкомасштабная дисперсионная карта где и при Дистанция распространения (км) Параметр фазовой Дисперсия [пс/(нм/км)] при модуляции

Математическая модель: A Примеры вычислений: Примеры вычислений: Мелкомасштабная дисперсионная карта Дистанция распространения (км) Ширина импульса (пс) Пиковая мощность (мВт) Представлена эволюция основных параметров ДУ-солитона на периоде усиления.

Математическая модель: A Солитоны с рамановским усилением Солитоны с рамановским усилением Отличие Рамановского усиления: Отличие Рамановского усиления: Усиление не сосредоточенное, а распределенное Медленная динамика импульса в точках z =nZ, n=0,1,2…Медленная динамика импульса в точках z =nZ, n=0,1,2… - длина участка усиления -мощность обратной накачки na - коэффициент усиления

Солитоны с рамановским усилением Математическая модель: A Изменение основных параметров солитонного импульса в течении 1 периодической секции

Математическая модель: Б Усредненное (path-averaged) уравнение спектральной области, где и В предположении, что, где дисперсионная длина, нелинейная длина, имеет место - усредненная комплексная огибающая в спектральной области - усредненная комплексная огибающая в спектральной области -ядро интегрального оператора, определяющее тип ВОЛС -ядро интегрального оператора, определяющее тип ВОЛС

Математическая модель: Б Распространение в линии L>>Za (Long-scale) При параметрах: Время (отн.) Мощность (отн.) G – усиление, Где L – период дисперсионной компенсации Z – период усиления Z – период усиления a

Математическая модель: Б Распространение в линии L

Время J=5 Мощност ь J=10 Время Мощность Синий - дисперсионно-управляемый солитон Красный - фундамен. солитон нелин. ур. Шредингера с постоянными коэффициентами Математическая модель: Б Время Мощность J=20 J=40 Мощность Время Т.е. при дисперсионно-управляемый солитон переходит в фундаментальный.

Математическая модель: В TM-модель обыкновенных дифференциальных уравнений: Периодические граничные условия : Параметры: для различных Ширина импульса(пс) Пиковая мощность (мВт) A(z,t) - Распределение оптического поля

Решение получено: из ур-я Шредингера по квазилинейной теории Время(пс) d P (мВт) 0.3 Математическая модель: Г Квазилинейная модель: (быстрый численный алгоритм) Производим замену где тогда тогда при и

P – Мощность T – Время Математическая модель: Г

Проблемы оптимизации Главная задача – увеличение битовой скорости и дистанции распространения Главная задача – увеличение битовой скорости и дистанции распространения Критерием качества для цифровых приемников является частота появления ошибочных битов (BER). Критерием качества для цифровых приемников является частота появления ошибочных битов (BER). Современный стандарт: 1 ошибочный бит на приемнике на 10 переданных битов В предположении гауссовой статистики, где 1; - мат. ожидание 0 и 1; - соответствующая дисперсия (средне-квадратичные отклонения) 9

Новые способы увеличения пропускной способности: Основная идея : изменение формы импульса пол действием оптического фильтра. Гауссовский импульс Sinc- образный импульс Новый спектрально-плоский формат А.Новый спектрально-плоский формат

Последовательность импульсов Новые способы увеличения пропускной способности: Новый спектрально-плоский формат А.Новый спектрально-плоский формат

Формат OOK непригоден для многоканальной передачи. 28 канальная система, после прохождения импульсами 1030 км Сдвиг фильтра (ГГц) Начальный Q-фактор Новые способы увеличения пропускной способности: Новый спектрально-плоский формат А.Новый спектрально-плоский формат Номер канала Q-фактор 87,576,565,554,543,53

TF СFСF EDFA xNxN OR MUX – разделение каналов DEMUX – смешение каналов SA – насыщающейся поглотитель HNF –сильно нелин. световод F – опт. фильтр ATT – аттенюатр EDFA SA HNF F ATT. DEMUX MUX EDFA SA HNF F ATT. EDFA SA HNF F ATT. EDFA SA HNF F ATT. Периодическая линия оптоволоконной связи с усилителем EDFA: Использование оптических регенераторов: TF – трансмиссионное волокно CF – компенсирующее волокно OR – оптический регенератор Использование оптических регенераторов Б.Использование оптических регенераторов Новые способы увеличения пропускной способности:

Мощность импульса на выходе Мощность импульса на выходе : (Т – передаточная функция) Входной сигнал запускается в оптический регенератор: - усиливается усилителем EDFA - усиливается усилителем EDFA - насыщается в поглотителе - насыщается в поглотителе Функция потерь в насыщающемся поглотителе: Где - распределение мощности сигнала - распределение мощности сигнала - постоянные потери - постоянные потери - пороговая мощность насыщения - пороговая мощность насыщения - время спада импульса - время спада импульса Использование оптических регенераторов Б.Использование оптических регенераторов Новые способы увеличения пропускной способности:

Оптимизации симметричной линий связи TL(20км)+RTL(20км)+TL(20км)+EDFA Изолинии пройденного расстояния в плоскостях параметров: В аналогичной системе без регенераторов – дистанции менее 2000км Использование оптических регенераторов Б.Использование оптических регенераторов Новые способы увеличения пропускной способности:

Линия связи: PSCF(20км)+RDF(20км)+PSCF(20км)+EDFA Выбираем: опт. регенератор пиковую мощность импульса среднюю дисперсию Свыше 10000км Использование оптических регенераторов Б.Использование оптических регенераторов Новые способы увеличения пропускной способности:

Число каналов Q-фактор Зависимость Q- фактора после 1700км от числа каналов для средней дисперсии: пс/нм/км пс/нм/км -0.5 пс/нм/км -0.7 пс/нм/км *N ВОЛОКНО 2 EDFA BRP ВОЛОКНО 1 Нелинейный несолитонный режим передачи данных с большой отрицательной средней дисперсией на секции В. Нелинейный несолитонный режим передачи данных с большой отрицательной средней дисперсией на секции Новые способы увеличения пропускной способности: Принципиальная схема линии BRP – рамановский усилитель

Конфигурация одиночной секции в эксперименте лаборатории (KDD Japan): EE-PDF EE-PDF SCDCF 10km 20km 10km 980nm-pumped EDFA Средние потери на секции=9.5dB Использование гибридных и рамановских схем усиления Г. Использование гибридных и рамановских схем усиления Новые способы увеличения пропускной способности: ПРИЕМНИК ИСТОЧНИК 3 dB-coupler Кольцевая линия перекл. DCF rep1 rep2 rep3 rep4 rep5 секц1 секц2 секц4 секц3 Петля -160км перекл. DCF Принципиальная схема эксперимента Принципиальная схема эксперимента.

Число каналов Q (dB) 2 Численное моделирование Сравнение численных экспериментов и результатов моделирования (Система многоканальной передачи ) Экспериментальные данные Новые способы увеличения пропускной способности: Использование гибридных и рамановских схем усиления Г. Использование гибридных и рамановских схем усиления

Оптимизация линии Новосибирск-Омск. Предлагается: Заменить ЭР на DCF( волокно с компенсацией дисперсии ) и использовать рамановский усилитель (BRP) на каждом участке SMF+DCF Новые способы увеличения пропускной способности: Использование гибридных и рамановских схем усиления Г. Использование гибридных и рамановских схем усиления Существует: ЭР – электрические регенераторы, ограничивают скорость - 2,5Гбит/сек ЭР SMF(127км)SMF(135км)SMF(138км) SMF(163км) Скорость распространения 160Гбит/сек=4х(40Гбит/сек) SMF(127км)SMF(135км)SMF(138км) SMF(163км) DCF BRP – рамановский усилитель BRP

Оптимизация линии Новосибирск-Омск. Новые способы увеличения пропускной способности: Использование гибридных и рамановских схем усиления Г. Использование гибридных и рамановских схем усиления Q-фактор после прохождения линии передачи в худшем из 4 каналов: Фиксированы: Средняя мощность 0,5дБм Ширина импульса 8пс