(1)

Из формулы, приведенной выше, следует, что числовая апертура NA ОВ, зависит только от показателей преломления сердцевины и оболочки – n1 и n2. При этом всегда выполняется условие: n₁>n₂.
Если угол падения света α больше, чем α₀, то луч света полностью преломляется и не попадает в сердечник ОВ. Если угол α меньше, чем α₀, то происходит отражение от границы материалов сердечника от оболочки, и световой луч распространяется внутри сердечника.
Скорость распространения света в ОВ зависит от показателя преломления сердечника волокна и определяется как:

             (2)

C- скорость света в вакууме, n-показатель преломления.
Показатель преломления материала ОВ, необходим источник строго когерентного света. Для увеличения дальности передачи ширина спектра передатчика должна быть как можно меньше. Для этой цели подходят лазеры, которые позволяют поддерживать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн. В связи с тем, что диаметр сердцевины волокна сравним с длиной волны оптического излучения, в волокне возникает явление интерференции. Это может быть доказано тем, что свет распространяется в стекле сердцевины только под определенными углами, а именно в направлениях, в которых введенные световые волны при их наложении усиливаются. Возникает так называемая конструктивная интерференция. Разрешенные световые волны, которые могут распространяться в ОВ, называются модами (или собственными волнами). В соответствии с типами распространения световых лучей, ОВ делятся на многомодовые, то есть использующие ряд световых волн, и одномодовые, в которых происходит распространение только одного светового луча. Для описания процессов распространения света в ОВ используются несколько основных параметров.
К параметрам передачи ОВ относятся: коэффициент затухания, оптические возвратные потери, коэффициент обратного отражения, затухание в соединителях ОВ, дисперсия одномодового ОВ, ширина полосы пропускания многомодового ОВ.
Затухание в ОВ – это мера ослабления оптической мощности, распространяемого вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны.
Затухание сигналов в оптическом кабеле (ОК) обусловлено собственными потерями мощности в изолированных прямолинейный ОВ и дополнительными потерями, возникающими в результате сборки ОВ в кабель [1, c. 35]. Таким образом, коэффициент затухания ОВ в кабеле определяется как

            (3)

Для определения полного коэффициента затухания ОВ должны быть учтены все факторы: потери ввода, потери поглощения, потери рассеивания, потери изгиба, потери на соединении потери вывода
Полоса пропускания волокна является одним из самых важных параметров ОВ при передачи высокоскоростных цифровых сигналов. Она во многом определяется его дисперсионными свойствами.
Так как световой импульс во время распространения по волокну искажается как по амплитуде, так и по длительности, это заметно сказывается на возможностях передачи коротких импульсов на больших битовых скоростях. На практике волокно ведет себя, как фильтр низких частот.
Наряду с коэффициентом затухания ОВ важнейшим параметром является дисперсия, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.
Дисперсия ОВ – различие групповых скоростей различных составляющих оптического излучения.
Дисперсия определяется разность квадратов длительных импульсов на выходе и входе ОВ:

            (4)

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов. 
Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами: различием скоростей распространения направленных мод, направляющими свойствами ОВ и параметрами материала, из которого оно изготовлено. 
В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны – некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн (хроматическая дисперсия).
ВОЛС дает возможность передавать потоки информации со скоростью 100 Тбит/с, имеет малое затухание сигналов, что позволяет строить участки оптических систем в сто и более километров без ретрансляторов, имеет высокую помехозащищенность и многое другое. Существует большое количество разных по классификации световодов, поэтому необходимо изучать принцип распространения света через оптическое волокно, совершенствовать его технические характеристики и параметры, улучшать качество передачи сигнала.

А затухание в кабеле рассчитывается как произведение коэффициента затухания на длину.

Чтобы определить коэффициент затухания для ОВ обратимся к рекомендациям «Международного союза электросвязи». Из данных рекомендаций мы выбираем показатель G.654 – это характеристика одномодового оптического волокна и кабеля со смещенной дисперсией и отсечкой [2].
Данный показатель описывает одномодовые волокна со смещенной дисперсией и отсечкой при длине волны около 1550 нм. Эти волны предназначены для передачи сигнала на большие расстояния, например наземные системы дальней связи и магистральные подводные кабели с оптическими усилителями. Применим этот показатель для наших расчетов, т.е. коэффициент затухания на длине волны 1550 нм = 0,22 дБ/км.

Мы знаем, что потери в коннекторах определяется по формуле:

,

А потери в оптических муфтах определим по формуле:

,

Теперь, для того чтобы определить потери в коннекторах, которые используются в нашей 150-километровой магистрали, нам необходимо знать количество самих коннекторов. Чтобы рассчитать минимальное количество коннекторов для магистрали, мы применим формулу:

,

где L_{opt cab}  – это строительная длина оптического кабеля, а L – это общая длина магистрали.
И вот, зная количество коннекторов, рассчитаем потери:

Теперь приступим к расчету затухания в оптических муфтах. На рассчитываемый нами 150-километровый участок потребуется 150 оптических муфт, из расчета одна оптическая муфта на 1 км. И вот результат, потери в оптических муфтах составляют:

Таким образом, зная количество коннекторов, количество оптических муфт, тип и длину кабеля, можно самостоятельно рассчитать максимально допустимое затухание в оптической магистрали:

Нам кажется, что данные знания помогут студентам и всем, кто связан с расчетами в области коммуникационных систем в учебной и повседневной рабочей деятельности, поможет правильно и грамотно производить необходимые расчеты.

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.