На сегодняшний день фотонная коммутация является одной из самых перспективных технологий передачи данных. Спрос на увеличение пропускной способности коммуникационных каналов для промышленных и встраиваемых вычислительных систем постоянно растет. Именно этим объясняется стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи. Оптическая связь представляет собой связь на расстоянии с использованием света для передачи информации. Она имеет ряд преимуществ перед традиционными методами коммуникации. Основными являются высокая пропускная способность, скорость и расстояние передачи данных. Также волоконно-оптическая связь обеспечивает надёжную защиту от несанкционированного доступа и перехвата конфиденциальной информации.

Основная часть

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) состоит из активных и пассивных элементов. К активным компонентам относятся регенератор, усилитель, лазер, модулятор и фотоприемник. Регенератор – это устройство, восстанавливающее форму искаженного оптического импульса. Регенераторы могут быть как чисто оптическими, так и электрическими, которые преобразуют оптический сигнал в электрический, восстанавливают его, а затем снова преобразуют в оптический. Усилитель – устройство, усиливающее мощность сигнала. Лазер является источником монохромного когерентного оптического излучения. Модулятор – устройство, изменяющее оптическую волну по закону электрического колебания. Существуют системы с прямой модуляцией, в которых функцию модулятора выполняет лазер, либо с непрямой модуляцией, в которых используются отдельные устройства. Фотоприемник осуществляет прием и преобразование оптического сигнала в электрический. К пассивным элементам относятся волоконно-оптический кабель, оптическая муфта, оптический кросс и оборудование мультиплексирования. Волоконно-оптический кабель состоит из оптических волокон, по которым передаются оптические сигналы, и наружной оболочки, предназначенной для защиты волокон. Оптическая муфта используется для соединения оптических кабелей. Оптический кросс предназначен для подключения оптического кабеля к активному оборудованию. Оборудование мультиплексирования/демультиплексирования предназначено для объединения и разделения информационных каналов.

При передаче сигнала на большие расстояния используются полупроводниковые оптические усилители (ПОУ). Однако данный элемент ВОЛС возможно применять и по-другому. В данной статье рассматривается применение полупроводникового оптического усилителя в качестве конвертера длин волн.

Для достижения данного явления могут использоваться 2 эффекта:

- четырехволновое смешение,

- эффект насыщения перекрестного усиления.

Рассмотрим каждый случай в отдельности.

Четырехволновое смешение (ЧВС) — это нелинейный эффект, который заключается в введении в ПОУ двух волн (сигнала и накачки) с различными длинами волн.

На выходе устройства генерируется третье оптическое поле с частотой Wc, где Wp и Ws – частоты поля накачки и сигнала соответственно, а – расстройка между сигналом и накачкой.

Несколько физических явлений могут генерировать ЧВС в ПОУ. При расстройке порядка нескольких ГГц, основным механизмом является пульсация плотности носителей, вызванная биениями сигнал-насос. Пульсация плотности носителей возникает из-за стимулированного излучения. Наш компонент ПОУ может работать с механизмом генерации ЧВС. При больших значениях расстройки, пульсация носителей больше не эффективна, и ЧВС создается из двух быстрых процессов внутриполосной релаксации:

- выжигание спектральных дыр

- нагрев носителя.

Поскольку время их характеристик порядка сотен фемтосекунд, они становятся важными при значениях расстройки более 1ТГц.

Основным преимуществом преобразования частоты на основе ЧВС является независимость от вида модуляции и скорости передачи данных. Еще одним преимуществом данного метода является инверсия спектра сигнала и результирующая инверсия частотного колебания. Данное свойство может применяться для компенсации дисперсии. Основным недостатком ЧВС-преобразователя является его низкая эффективность преобразования.

Для реализации этой идеи два непрерывных волновых сигнала мультиплексируются и затем запускаются в ПОУ, как показано на рис. 1.

Рис. 1 Общая схема (ЧВС)

Используя данную схему, мы продемонстрируем принцип пульсации плотности носителей вызванного ЧВС в ПОУ. Два непрерывных волновых сигнала с несущими частотами 193 и 193,1 ТГц и мощностью 1 мВт (без учета начальных фаз и поляризации)
мультиплексируются с помощью WDM мультиплексора 2×1 и запускаются в ПОУ. В таблице 1 представлены параметры мультиплексора. В таблице 2 показаны параметры ПОУ.

Таблица 1. Параметры мультиплексора

Таблица 2. Параметры ПОУ

Рис. 2 показывает спектр сигнала после WDM мультиплексора 2×1.

Рис. 2 Спектр сигнала после WDM мультилексора 2×1.

Рис. 3 показывает спектр сигнала после первого ПОУ.

Рис. 3 Спектр сигнала после первого ПОУ

На рисунке показана мощность, генерируемая новыми частотами ЧВС на частотах 192,9 ТГц и 193,2 ТГц соответственно. С помощью следующего демультиплексора разделяются частоты на 193,1 ТГц и 193,2 ТГц. Параметры каналов демультиплексора показаны в таблице 3.

Таблица 3. Параметры каналов демультиплексора

На рисунке 4 представлен спектр в канале на частоте 193,1 ТГц после демультиплексирования.

Рис. 4. Спектр сигнала на частоте 193,1 ТГц после демультиплексирования

Для получения лучшего сигнала от ЧВС на частоте 193,2 ТГц после демультиплексирования, необходимо усилить сигнал с помощью второго ПОУ с теми же свойствами, что и у первого. На рисунке 5 показан полученный спектр.

Рис. 5. Усиленный сигнал от ЧВС на частоте 193,2 ТГц после демультиплексирования

В результате второго усиления ЧВС генерируется сигнал на частоте 193,2 ТГц с мощностью, сравнимой с результатом исходного непрерывного сигнала на частоте 193,1 ТГц.

Вторым эффектом, с помощью которого можно использовать ПОУ в качестве конвертера длин волн является эффект насыщения перекрестного усиления (НПУ).

Модуляция перекрестного усиления в ПОУ – это использование в качестве модулированного по интенсивности входного сигнала, который модулирует усиление в ПОУ через эффект насыщения усиления. Непрерывный волновой сигнал на выбранной выходной длине волны модулируется изменением коэффициента усиления. После ПОУ непрерывный волновой сигнал несет ту же информацию, что и модулированный по интенсивности сигнал. Входной сигнал и непрерывный волновой сигнал могут быть запущены либо сонаправленно, либо противонаправленно в ПОУ. Рассмотрим схему сонаправленного распространения двух сигналов.

Для реализации этой идеи входной сигнал, модулированный по интенсивности, и непрерывный волновой сигнал мультиплексируются и затем запускаются в ПОУ, как показано на рисунке 6.

Рис.6. Общая схема (НПУ)

Для демонстрации преобразования на скорости 10 Гбит/с требуются следующие глобальные параметры (см. таблицу 4).

Таблица 4. Глобальные параметры

Входной сигнал, модулированный по интенсивности, и непрерывный волновой сигнал имеют длины несущих волн 1550 и 1540 нм (или частотное разделение от 1,25 ГГц) и мощности 0,316 мВт и 0,158 мВт (без учета начальной фазы и поляризации). Сигналы мультиплексируются с помощью WDM мультиплексора 2×1 и запускаются в ПОУ.

В таблице 5 показаны параметры генератора оптических гауссовских импульсов.

Таблица 5. Параметры генератора оптических гауссовских импульсов

На рисунке 7 показаны форма и спектр модулированного по интенсивности сигнала.

Рис.7. Форма и спектр модулированного по интенсивности сигнала

В таблице 6 показаны параметры мультиплексора и каналы.

Таблица 6. Параметры мультиплексора и каналы

На рисунке 8 показана форма сигнала WDM Mux 2×1 после мультиплексирования.

Рис. 8. Форма сигнала WDM Mux

В таблице 7 показаны физические параметры ПОУ.

Таблица 7. Физические параметры ПОУ

Эти параметры усилителя дают ненасыщенный коэффициент усиления одиночного прохождения G0 ~ 30 дБ.

На рисунке 9 показана форма усиленного сигнала.

Рис.9. Усиленный сигнал

Усиленный сигнал проходит через демультиплексор, который имеет характеристики, аналогичные мультиплексору. На рисунке 10 показаны форма и спектр сигнала при = 1550 нм после демультиплексора.

Рис. 10. Форма и спектр сигнала при 1550 нм

На рисунке 11 показаны форма и спектр сигнала при =1540 нм после демультиплексора.

Рис. 11. Форма и спектр сигнала при длине волны 1540 нм

Хорошо видна инверсия сигнала.

Заключение

В данной статье было продемонстрировано применение ПОУ бегущей волны в качестве преобразователя длины волны двумя способами. Сравнивая данные методы, необходимо отметить, что для создания эффекта насыщения перекрестного усиления требуется всего один полупроводниковый усилитель, в то время как для реализации эффекта четвертьволнового смешения необходимо два. Это можно наблюдать на структурных схемах, представленных выше. Из полученных результатов, представленных в виде спектров конечных сигналов можно сделать вывод, что сигнал, полученный вторым способом, менее подвержен влиянию помех.

Данная концепция реализации весьма успешно может быть внедрена в современные волоконно-оптические системы связи, так как не требует значительных ресурсов на осуществление. При проектировании сетей с ПОУ, преобразующих длину волны, необходимо учитывать потери, вносимые каждым усилителем на своем участке.