Разработка и исследование моделей регенерационных участков волоконно оптической линии передачи с кабельными вставками
На правах рукописи
Трошин Александр Викторович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ РЕГЕНЕРАЦИОННЫХ УЧАСТКОВ ВОЛОКОННО ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ С КАБЕЛЬНЫМИ ВСТАВКАМИ Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Самара – 2006 2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Поволжская Государственная академия телекоммуникаций и информатики» (ГОУВПО ПГАТИ).
Научный консультант:
доктор технических наук, доцент Бурдин В. А.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Морозов О. Г.
кандидат технических наук, доцент Иванов В. И.
Ведущая организация: Сибирский Государственный Университет телекоммуникаций и информатики
Защита состоится « 22 » сентября 2006 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д219.003.02 при Поволжской Государственной академии телекоммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО ПГАТИ.
Автореферат разослан « 18 » августа 2006г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д219.003. доктор технических наук, доцент Мишин Д. В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы и состояние вопроса Современный этап развития сетей связи характеризуется устойчивой тенденцией к увеличению пропускной способности и протяженности оптических сетей. Наибольшая скорость передачи информации в одном оптическом канале в промышленных системах на данный момент составляет 40 Гбит/с, разрабатываются оптические системы передачи (ОСП) со скоростями 80 Гбит/с, 160 Гбит/с и выше.
Применение технологии спектрального уплотнения каналов (WDM – Wave Division Multiplexing) позволило достичь общей пропускной способности до нескольких Тбит/c в одном оптическом волокне (ОВ).
В результате постоянного увеличения скорости передачи информации в оптическом канале все большие ограничения на протяженность регенерационных участков (РУ) волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП) начинают оказывать незначительные факторы искажений оптических импульсов, которые на предыдущих этапах развития не учитывались. К таким факторам относятся поляризационно-модовая дисперсия (PMD – Polarization Mode Dispersion) и многолучевая интерференция (MPI – Multipath Interference). Если поляризационно-модовая дисперсия возникает из-за случайных отклонений конструктивных параметров ОВ, то многолучевая интерференция связана с наличием различного рода отражающих нерегулярностей в оптическом тракте ВОЛП. Теории расчета нерегулярных линий передачи посвящены работы И. И. Гроднева, В. А. Андреева, В. А. Бурдина.
При постоянном росте пропускной способности сетей связи перед операторами на передний план выходит задача обеспечения их бесперебойной эксплуатации. Уязвимым местом современных ВОЛП является значительное время восстановления их работоспособности при повреждении линейного оптического кабеля (ОК), что может привести к серьезным финансовым потерям. Руководящими документами Министерства связи РФ регламентированы временная и постоянная схема восстановления ВОЛП при повреждениях ОК с использованием оптических кабельных вставок (ОКВ). Оптические кабельные вставки представляют собой ремонтные строительные длины ОК, которые монтируются вместо поврежденных участков линейного ОК ВОЛП. Временная схема восстановления производится при помощи монтажа одноэлементных и многоэлементных ОКВ с использованием механических соединителей ОВ или оптических разъемов, что позволяет снизить время восстановления ВОЛП. Затем в установленные сроки осуществляется переход на постоянную схему восстановления путем замены временной ОКВ на постоянную.
Применение временной схемы восстановления ВОЛП приводит к увеличению количества соединений ОВ на РУ, которые производятся при помощи механических соединителей и оптических разъемов.
Основным недостатком такого типа соединений является высокий уровень дискретного (локального) отражения в местах стыков ОВ.
За период эксплуатации ВОЛП возможна полная замена типов выпускаемых промышленностью ОВ, что может привести к необходимости использования разных типов ОВ в ОКВ и ВОЛП.
Соединение разнотипных одномодовых ОВ обладает более высоким локальным отражением, поскольку в месте стыка ОВ происходит изменение параметров передачи сигнала и нарушение регулярности линии. Таким образом, ВОЛП с ОКВ приобретает кусочно-регулярную структуру и состоит из последовательных соединений ОВ разных типов с многократными отражениями от стыков. В результате многократных отражений происходит многолучевое распространение (многолучевая интерференция) сигнала в ВОЛП, возникают встречный и попутный отраженные потоки. В ВОЛП также имеет место и распределенное обратное релеевского рассеяния на микрофлуктуациях показателя преломления ОВ, которое ведет к росту встречного и попутного отраженных потоков излучения.
По времени задержки отраженного попутного потока относительно передаваемого сигнала различают когерентную и некогерентную многолучевую интерференцию. При когерентной интерференции временная задержка сравнима с длительность передаваемых оптических импульсов и возникает из-за отражений сигнала в оптических разъемах и других пассивных компонентах ВОЛП. Некогерентная многолучевая интерференция возникает за счет переотражений оптического излучения от мест соединений ОВ, за счет двойного обратного релеевского рассеяния и взаимодействия локальных отражений и обратного рассеяния. Данный тип интерференции приводит к появлению мультипликативной помехи в оптическом канале связи. Исследованию некогерентной интерференции посвящены работы К. Флудгера, Р. Мирза, М. Ниссова, К. Роттвитта, Г. Агравала. Поскольку длины регулярных участков ОВ в ВОЛП с ОКВ составляют несколько десятков метров, то время задержки попутного потока значительно превышает длительность импульсов современных ОСП, поэтому в результате отражений на РУ с ОКВ преобладает некогерентный тип многолучевой интерференции.
Искажения оптических импульсов от многолучевой интерференции приводит к ухудшению качества передачи информации, поэтому для обеспечения бесперебойной работы ВОЛП необходимо разработать требования к параметрам ОКВ для проведения аварийно-восстановительных работ, рекомендаций по использованию различных типов ОВ в ОКВ.
При монтаже ОКВ места стыков ОВ защищаются при помощи оптических кабельных муфт, в которых витками выкладывается эксплуатационный запас ОВ для проведения монтажа. Изгибы ОВ являются нерегулярностями, приводящими к дополнительным потерям. Взаимодействие направляемого и излучаемого полей на нерегулярностях ОВ приводит также к искажениям передаваемых оптических импульсов за счет обратного преобразования излучаемого поля в направляемое с временной задержкой за счет различных путей и условий распространения. Искажения оптических импульсов на макроизгибах ОВ возникают за счет отражения излучаемого поля от границы оболочка - защитное покрытие ОВ и обратного преобразования в направляемое поле. Экспериментальные исследования спектральных характеристик потерь на макроизгибах одномодовых ОВ, проведенное в работах Дж. Фаррелла, Т. Фреира, К.
Ванга показало их осциллирующий характер, вызванный интерференцией между отраженным излучаемым и направляемым полями.
Главный оптический тракт протяженных ВОЛП может включать несколько десятков различных устройств, содержащих выложенный витками запас ОВ: соединительные муфты, оптические кроссы, модули компенсации дисперсии. После проведения монтажа ОКВ за счет эксплуатационного запаса ОВ в устанавливаемых муфтах на РУ ВОЛП возрастает общая длина изогнутого ОВ, что может привести к возрастанию искажений оптических импульсов и ухудшению качества передачи информации. Для обеспечения бесперебойной работы ВОЛП необходимо разработать методику оценивания допустимых параметров макроизгибов ОВ в соединительных муфтах ОКВ.
В соответствии с вышесказанным задачи разработки и исследования моделей регенерационных участков ВОЛП с кабельными вставками, поставленные в диссертации, являются актуальными.
Цель работы и задачи исследования Разработка и исследование моделей регенерационных участков ВОЛП с кабельными вставками и разработка требований к параметрам кабельных вставок для различных типов регенерационных участков.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
1. Разработка рекомендаций по применению различных типов одномодовых ОВ в кабельных вставках.
2. Разработка математической модели искажений оптических импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП с многократными отражениями, учитывающей совместное действие локальных отражений и распределенного обратного релеевского рассеяния.
3. Разработка требований к параметрам кабельных вставок для различных типов регенерационных участков ВОЛП 4. Разработка математической модели искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ и методики оценивания допустимых параметров изгибов ОВ в муфтах кабельных вставок.
Методы исследования При решении поставленных задач использовались методы теории оптических волноводов, теории линий передачи, теории связи мод диэлектрических волноводов, теории дифференциального и интегрального исчисления и численного моделирования. Во время исследований широко использовались численные методы, реализованные на ЭВМ с применением математического пакета «MATLAB».
Личный вклад Все основные научные положения, выводы и рекомендации, составляющие содержание диссертации, получены соискателем лично.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложены аналитические выражения для расчета параметров обратного релеевского рассеяния слаболегированных одномодовых ОВ с произвольным осесимметричным профилем показателя преломления.
2. Разработана математическая модель искажений оптических импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП при многократных отражениях, учитывающая совместное действие локальных отражений и распределенного обратного релеевского рассеяния.
3. Разработаны требования к параметрам кабельных вставок для различных типов регенерационных участков ВОЛП.
4. Разработана математическая модель искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ.
Практическая ценность работы:
1. Рекомендации по применению различных типов одномодовых ОВ в кабельных вставках.
2. Разработаны требования к параметрам кабельных вставок для различных типов регенерационных участков ВОЛП для применения при проведении аварийно-восстановительных работ.
3. Разработана методика оценивания допустимых параметров макроизгибов одномодовых ОВ в муфтах кабельных вставок.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Аналитические выражения для расчета параметров обратного релеевского рассеяния слаболегированных одномодовых ОВ с произвольным осесимметричным профилем показателя преломления.
2. Математическая модель искажений оптических импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП при многократных отражениях, учитывающая совместное действие локальных отражений и распределенного обратного релеевского рассеяния.
3. Требования к параметрам кабельных вставок для различных типов регенерационных участков ВОЛП.
4. Математическая модель искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ.
Реализация результатов работы Элементы теории, методики расчета, практические рекомендации внедрены в учебный процесс ГОУВПО ПГАТИ.
Практические рекомендации по применению различных типов ОВ в кабельных вставках, по определению требований к параметрам кабельных вставок для регенерационных участков ВОЛП, методика оценивания допустимых параметров макроизгибов одномодовых ОВ внедрены на ЗАО «Волгателком» (г. Волгоград) и используются при выполнении аварийно-восстановительных работ на линейно кабельных сооружениях ВОЛП сети связи данного предприятия.
Практические рекомендации по определению требований к параметрам макроизгибов одномодовых ОВ внедрены в ОАО «Связьстрой-4» (г. Саранск) и применяются при разработке технологических карт монтажа оптических кабелей, при выполнении работ по монтажу муфт.
Апробация результатов работы Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях: XI и XII Российской научной конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (Россия, Самара, ПГАТИ, 2004);
III Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Россия, Волгоград, ВолГУ, 2004);
V Международной конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Москва);
LX научной сессии посвященной Дню радио (Москва, МТУСИ, 2005), IV Международной технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Россия, Нижний Новгород, НГТУ, 2005).
Научно-технической конференции «Волоконно-оптические системы и сети связи» (Москва, МТУСИ, 2004), III Международной научно технической конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях» (Уфа, УГАТУ, 2005).
Публикации Основные результаты диссертационной работы представлены в 12 печатных трудах, включая 5 статей в научных изданиях, 7 тезисов докладов.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Содержит страницы машинописного текста, 98 рисунков и 1 таблицу. Список литературы включает 122 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены основные факторы, приводящие к ухудшению качества передачи информации на РУ ВОЛП с ОКВ.
Приводится обзор основных тенденций развития современных оптических сетей связи и главных задач, возникающих при эксплуатации линейных сооружений ВОЛП. Подробно рассматривается технология восстановления ВОЛП с использованием одно- и многоэлементных, постоянных и временных ОКВ. Проведен анализ основных факторов приводящих к возникновению интерференционных искажений оптических импульсов на РУ ВОЛП с ОКВ. Как показано в работах Дж. Л. Джимллетта, А. Х. Султанова искажения импульсов от когерентной многолучевой интерференция могут приводить к сбоям в работе ОСП при скоростях передачи информации свыше 450 Гбит/с.
Основными причинами появления некогерентной многолучевой интерференции на РУ ВОЛП с ОКВ являются: многократные локальные отражения на стыках разнотипных ОВ, механических соединителях и разъемах;
двойное обратное релеевское рассеяние в ОВ;
локальные отражения обратнорассеянной мощности передаваемого сигнала и обратного рассеяния мощности отраженного потока излучения. Общий уровень многолучевой интерференции на РУ ВОЛП определяться суммой воздействий отдельных факторов.
Применение оптических усилителей (ОУ) на РУ протяженных ВОЛП приводит к накоплению интерференционных искажений вдоль линии на каждом ЭКУ. Приведенные теоретические и экспериментальные данные в работах К. Флудгера, Р. Мирза, М. Ниссова, К. Роттвитта показывают, что незначительный уровень некогерентной интерференции может привести к сбоям в работе ОСП, поэтому при проведении аварийно-восстановительных работ необходимы требования к допустимым параметрам ОКВ.
Рассмотрены причины, проводящие к появлению искажений импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ. Данные искажения накапливаются по длине изогнутого ОВ, что может привести к снижению качества передачи информации. Для обеспечения бесперебойной работы ОСП при проведении аварийно восстановительных работ необходимо проводить оценку допустимых параметров макроизгибов одномодовых ОВ в муфтах ОКВ.
Выполненный в данной главе анализ основных факторов и причин появления искажений оптических импульсов на РУ ВОЛП с ОКВ позволяет сформулировать основные задачи данной диссертационной работы.
Вторая глава посвящена разработке рекомендаций по применению разных типов одномодовых ОВ в кабельных вставках.
Проведено исследование спектральных характеристик локальных отражений на стыках разнотипных одномодовых ОВ и параметров обратного релеевского рассеяния.
В общем случае задача о расчете электромагнитного поля в соединении регулярных волноводов включает решение задач для этих оптических волноводов и задачи сшивания полей регулярных волноводов с учетом конструкции перехода. Строгое решение подобной задачи осложняется трудностью задания геометрических и материальных характеристик волноводного перехода в пространстве.
При этом в трехмерной постановке данная задача решается только численными методами. Основным недостатком данных методов является большое количество вычислительных операций. Поэтому для оценки коэффициента отражения на соединении диэлектрических волноводов на практике наиболее широко применяются простые аналитические методы Френеля и эффективного показателя преломления. Вместе с тем имеется ограниченное число работ, посвященных оценке точности применения данных методов для расчета коэффициента отражения на стыках ОВ. Расчету коэффициента отражения на обрыве диэлектрических волноводов с произвольным поперечным сечением посвящены работы А. Б. Маненкова, в которых разработан вариационный метод расчета коэффициента отражения. Сравнение результатов расчетов аналитических и вариационного методов позволяют сделать вывод, что в характерной области одномодового режима работы ОВ (при нормированной частоте V=2..3) значение коэффициента отражения можно аппроксимировать эмпирическим выражением:
( Fr + Eff ) (1) где Fr и Eff - коэффициенты отражения, рассчитанные методами Френеля и эффективного показателя преломления.
Оценка точности расчетов по формуле (1) проводилась путем сравнения результатов расчета коэффициента отражения одномодового ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП) в диэлектрической среде с близким показателем преломления с результатами, полученными вариационным методом. Погрешность в области одномодового режима не превышает 5%, что можно считать приемлемым для практических расчетов результатом. Используя выражение (1) проведены расчеты спектральных характеристик коэффициента отражения на стыках разных типов одномодовых ОВ ведущих мировых фирм.
Распространяясь вдоль ОВ, оптическое излучение испытывает релеевское рассеяние на микрофлуктуациях показателя преломления.
Часть рассеянной мощности захватывается ОВ и распространяется в обратном направлении. Теория обратного релеевского рассеянья в ОВ изложена в работах A. H. Хартога, M. P. Голда, M. Наказавы. В работах В. Чу, Р. Гуобина, М. Е. Лихачева, С. Л. Семенова, показано, что в слаболегированных кварцевых ОВ коэффициент релеевского рассеяния имеет линейную зависимость от концентрации легирующих примесей. Используя аппроксимацию радиальной зависимости поля основной моды функцией Гаусса и представлением произвольного ППП ОВ профилем с m-оболочками одинаковой толщины с постоянными коэффициентами рассеяния, выведено выражение для среднего коэффициента релеевского рассеяния одномодового ОВ с произвольным осесимметричным ППП:
1 (i + 1) R 1 iR m A = Ai exp exp (2) 2 R0 2 R i = где Ai - коэффициент релеевского рассеяния i–й оболочки профиля ОВ;
R0 = r0 / a - эквивалентный нормированный радиус пятна моды;
a – радиус сердцевины ОВ;
r0 - эквивалентный радиус пятна моды;
R – нормированная ширина оболочки ППП.
Используя аналогичные представления, выведена аналитическая формула для коэффициента захвата обратнорассеянной мощности:
(i + 1)R i R m A exp 2 exp 2, i R0 R 3 ( NA) 2 i = S= (3) (i + 1)R 4V 2 n 2 R02 i R m Ai exp R exp R 0 i = где NA – числовая апертура ОВ, n – средний показатель преломления сердцевины-оболочки ОВ;
V – нормированная частота.
Для оценки точности предложенных формул (2) и (3) выполнены сравнения результатов расчетов по предложенным формулам, и строгим выражениям для одномодового ОВ со ступенчатым ППП. Погрешность расчетов по предложенным выражениям не превышает 5%, что можно считать приемлемой для практики точностью. Используя предложенные выражения, проведены расчеты спектральных характеристик параметров обратного релеевского рассеяния различных типов одномодовых ОВ ведущих мировых фирм.
На основании полученных результатов даны рекомендации по использованию разных типов одномодовых ОВ в ОКВ для использования на РУ ВОЛП со стандартным одномодовым ОВ со ступенчатым ППП.
Третья глава диссертации посвящена разработке математической модели искажений оптических импульсов в кусочно регулярной ВОЛП с многократными отражениями, учитывающей совместное действие локальных отражений и распределенного обратного релеевского рассеяния.
Модели нерегулярных электрических проводных и волноводных линий рассмотрены в работах Б. З. Канцеленбаума, И. И. Гроднева, В. А. Андреева. Разработанные в данных работах методы не эффективны для расчета нерегулярных ВОЛП, поскольку не учитывают их специфически, требуют значительных вычислительных ресурсов и объемов памяти ЭВМ. Расчетам нерегулярных ВОЛП посвящены работы Х.-Г. Унгера, Д. Маркузе, А. Снайдера, Дж. Лава, теория расчета кусочно-регулярных ВОЛП изложена в работах В. А. Бурдина. В большинстве работ предлагается моделировать распространение сигнала в нерегулярной ВОЛП с использованием универсальных численных методов решения волноводных задач:
методом конечных разностей во временной и частотной области, методом моментов, методом волновых пакетов и их разнообразными модификациями. Неудобство реализации данных методов на практике связано со сложностью задания граничных и начальных условий, а также очень высокими требованиями к ресурсам ЭВМ.
Разработан алгоритм расчета импульсных параметров многолучевой интерференции, индуцированной локальными отражениями на основе известных из теории нерегулярных линий рекуррентных выражений. Расчету многолучевой интерференции от обратного релеевского рассеяния посвящены работы, М. Ниссова, К. Роттвитта, Г. Агравала и многих других. В общем случае для расчета параметров искажений требуется численно решить систему дифференциальных уравнений для мощности излучения рассеянного в обратном и прямом направлениях. В работе К. Флудгера и Р. Мирза получены приближенные аналитические выражения для параметров интерференции на регулярных участках ОВ. Для кусочно-регулярной ВОЛП данная задача значительно усложняется, поскольку требуется проводить поиск решения на отдельных регулярных участках с согласованием граничных условий на стыках разнотипных ОВ, в результате чего численное моделирование требует значительных вычислительных ресурсов. На основе представления малых регулярных участков ОВ в виде локальных отражающих нерегулярностей, получено выражение для коэффициента многолучевой интерференции в кусочно-регулярной линии ВОЛП от двойного обратного релеевского рассеяния:
MPI DRS = MPI DRS + ORL ORL (T ), N Nn (4) n n m n,m n =1 n = 2 т = где ORLn - затухание отражения на n-м стыке регулярного участка ОВ от обратного релеевского рассеяния, MPI n - коэффициент DRS многолучевой интерференции от двойного обратного релеевского рассеяния на n–м регулярном участке ОВ;
Tn, m - коэффициент передачи между n и m стыками ОВ без локальных отражений.
Выражения для коэффициентов многолучевой интерференции от обратного рассеяния отраженной мощности ( MPI RSS ) и отражения обратнорассеянной мощности ( MPI RBS ) будут иметь вид:
() N n MPI RSS = Rm ORLn Tn,m (5) n = 2 m = () N n MPI RBS = ORLm Rn Tm, n (6) n = 2 m = где Rn коэффициент локального отражения n-го стыка ОВ.
Погрешность расчета разработанной модели оценивалась путем сравнения результатов, полученных с использованием предложенных формул и численным решением системы дифференциальных уравнений для регулярной ВОЛП с локальными отражениями от концевых разъемов. Погрешность разработанной модели не превышает 4%, что можно считать приемлемой точностью для практических расчетов.
Разработан алгоритм расчета на основе предложенных формул многолучевой интерференции на РУ ВОЛП с ОКВ и распределенными рамановскими ОУ. Расчет параметров интерференции предложено рассчитывать, используя разбиение линии на регулярные сегменты малой длины, в которых коэффициент усиления в ОВ можно приближенно считать постоянным. Оценка погрешности разработанного алгоритма проводилась путем сравнения результатов полученных предложенным методом и численным решением системы дифференциальных уравнений для регулярной линии ВОЛП с локальными отражениями от концевых разъемов. Расхождение рассчитанных характеристик не превышает 1,5 дБ при общем коэффициенте усиления до 25 дБ, что можно считать приемлемым для предварительных практических расчетов.
Четвертая глава посвящена разработке требований к параметрам кабельных вставок для различных типов регенерационных участков ВОЛП.
Подробно рассмотрены рекомендации ITU-T регламентирующие допустимые параметры главного оптического тракта (ГОТ) ОСП синхронной цифровой иерархии. Действующие рекомендации устанавливают максимально допустимый коэффициент локального отражения в точках ГОТ,. минимальное затухание отражения в начальной и конечной точках ГОТ. Данные параметры не позволяют полностью учесть воздействие многолучевой интерференции на качество передачи информации на РУ ВОЛП и определить допустимые параметры ОКВ.
Оценки влияния искажений от многолучевой интерференции на качество передачи информации ОСП посвящены работы К. Флудгера, Р. Мирза, М. Ниссова, К. Роттвитта, Х. Кидорфа. В данных работах для оценки допустимых искажений сигнала применяется модель штрафов по мощности, используя которую определен допустимый штраф от интерференционных искажений - 0,1 дБ. Используя данную модель, рассчитан допустимый коэффициент многолучевой интерференции для РУ ОСП синхронной иерархии MPI max -32 дБ. Для обеспечения бесперебойной работы ВОЛП с ОКВ разработана методика расчета допустимых значений коэффициента MPI на ЭКУ различных типов РУ: без ОУ, с сосредоточенными ОУ и распределенными рамановскими ОУ. Разработана методика оценивания допустимых параметров ОКВ для различных типов РУ ВОЛП.
Пятая глава диссертации посвящена разработке математической модели искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ и методики оценивания допустимых параметров макроизгибов ОВ в соединительных муфтах ОКВ.
В работах Х.-Г. Унгера, А. Меллони для расчета распространения поля на макроизгибах диэлектрических волноводов разработан метод на основе теории связи мод, в котором поле в изгибе представляется в виде линейной комбинации полей основной моды и мод излучения прямого волновода. В одномодовом режиме наиболее сильная связь будет только между основной модой и низшей модой излучения (квазимодой). Для расчета искажений оптических импульсов от интерференции направляемой и излучаемых мод в общем случае необходимо решить систему уравнений связывающих амплитуды мод вдоль всей длины изгиба. Данный метод эффективен для исследования устройств интегральной оптики микронных размеров и не приемлем для расчета поля изогнутых ОВ с длиной дуги в несколько метров.
При разработке модели использовано приближение теории локальных мод для макроизгиба ОВ. Изгиб радиусом Rb разбивается на N-сегментов равной длины, в которых локальные моды распространяются, не взаимодействуя, а обмен энергией происходит на границах сегментов. Проведенные расчеты показывают, что такое разбиение можно считать хорошим приближением при радиусах изгиба более 10,0 мм. Путем последовательного суммирования всех составляющих обратного преобразования получено аналитическое выражение для импульса на выходе макроизгиба ОВ:
Pout (T ) = Pin (T ) [1 с12 ] +...
N (7) n N 1 N m + (с12 )2 [1 с12 ] Pin (T m g Rb )exp( r (m 1)Rb );
+ m =1 n = где Pin (T ) - входной импульс;
T - время;
– угол сегмента изгиба r - коэффициент затухания квазимоды;
g = 1/ g 2 1/ g ОВ;
коэффициент групповой модовой задержки;
g1 и g 2 - групповые скорости распространения основной моды и квазимоды;
параметр c рассчитывается по формуле:
12 1 c12 (8) ( 1 2 ) Rb где 12 - коэффициент связи основной моды и квазимоды;
1 и 2 постоянные распространения основной моды и квазимоды.
Как видно из формулы (7) оптический импульс на выходе макроизгиба ОВ складываться из затухающего входного импульса и модовых составляющих обратного преобразования с временными задержками, которые образуют «хвост» импульса, наложение которого приводит к искажениям передаваемых сигнальных импульсов.
Проведенные исследования искажений импульсов на макроизгибах стандартного одномодового ОВ со ступенчатым ППП показывают, что могут приводить к сбоям в работе ОСП при скоростях передачи информации выше 80 Гбит/с.
На основе модели штрафов по мощности разработана методика оценивания допустимых параметров макроизгибов одномодовых ОВ в соединительных муфтах ОКВ (радиуса изгиба и длины запаса ОВ).
В заключении перечислены основные результаты работы:
1 Предложены аналитические выражения для параметров обратного релеевского рассеяния слаболегированных одномодовых ОВ с произвольным осесимметричным профилем показателя преломления. Исследованы параметры отражений одномодовых ОВ, на основе которых разработаны рекомендации по применению различных типов ОВ в кабельных вставках.
2. Для прогнозирования параметров РУ ВОЛП с кабельными вставками разработана математическая модель искажений оптических импульсов в кусочно-регулярной ВОЛП при многократных отражениях, учитывающая совместное действие локальных отражений и обратного релеевского рассеяния.
3. Для обеспечения бесперебойной работы ВОЛП при проведении аварийно-восстановительных работ разработаны требования к параметрам кабельных вставок для различных типов регенерационных участков ВОЛП.
4. Разработаны математическая модель искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых ОВ и методика оценивания допустимых параметров изгибов в муфтах кабельных вставок.
ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Burdin V. A. Methods for reflection coefficient spectral characteristics calculation at the splice of optical fibers / A. V. Troshin, V. A. Burdin // Optical technologies for communications, edited by Salavat T. Kusimov, Vladimir A. Andreev, Albert H. Sultanov, Vladimir A. Burdin, Proceedings of SPIE. – 2003 – Vol. 5485 – P. 90–97.
2. Troshin A. V. Simulation of multipath interference in optical link with multiple reflectances / A. V. Troshin // Optical technologies for communications, edited by Vladimir A.
Andreev, Albert H. Sultanov, Vladimir A. Burdin, Proceedings of SPIE. – 2004 – Vol. 5854 – P. 46-53.
3. Andreev V. A. Analysis of spectral characteristics of Rayleigh scattering parameters for different types of single-mode fibers / V. A. Andreev, V. A. Burdin, A. V. Troshin // Optical technologies for communications, edited by Vladimir A. Andreev, Albert H. Sultanov, Vladimir A. Burdin, Proceedings of SPIE. – 2005 – Vol. 6277 – P. 72-81.
4. Андреев Р. В. К оценке спектральных характеристик параметров релеевского рассеяния одномодовых оптических волокон с произвольным профилем показателя преломления / Р. В. Андреев, А. В. Трошин // Инфокоммуникационные технологии. – 2005. - №4. – С. 29–33.
5. Трошин А. В. Моделирование искажений оптических импульсов на макроизгибах одномодовых волокон / А. В. Трошин. // Инфокоммуникационные технологии. – 2006. - №2. – С. 57–61.
6. Трошин А. В. Расчет коэффициента отражения от мест стыка оптических волокон // Тезисы докладов в материалах XI Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. – Самара: ПГАТИ, 2004. – С. 94.
7. Трошин А. В. К оценке спектральных характеристик неоднородной волоконно-оптической линии передачи // Труды научно-технической конференции «Волоконно-оптические системы и сети связи», под ред. А. Д. Снегова. – М.: МТУСИ, 2004. – C. 106–107.
8. Трошин А. В. Модель участка ВОЛП с кабельными вставками // Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», Тезисы докладов и сообщений, III Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», под. ред. В. А. Неганова и Г. П. Ярового. – 2004. – C. 394.
9. Трошин А. В. Моделирование ВОЛП с многолучевой интерференцией // Тезисы докладов в материалах V Международной конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». – 2004 – С. 289-290.
10. Трошин А. В. Моделирование многолучевой интерференции в волоконно оптической линии передачи с кабельными вставками // Тезисы в трудах НТОРЭС им А.С. Попова – Выпуск LX-2. – 2005. – C. 35–37.
11. Трошин А. В. Моделирование волоконно-оптической линии передачи с кабельными вставками // Тезисы докладов в материалах XII Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. – Самара: ПГАТИ, 2005. – С. 125-127.
12. Трошин А. В. К оценке модового шума на изгибах одномодовых оптических волокон // Материалы III Международной НТК «Оптические технологии в телекоммуникациях». – Уфа, 2005. – С. 266-