CC BY
11Научная статья УДК 621.39, 530.182
DOI:10.31854/1813-324X-2023-9-2-47-56
(cc)
Квазисолитонный режим в многопролетной волоконно-оптической системе связи с применением оптических усилителей
Сергей Федорович Глаголев, [email protected] Сергей Эдуардович Доценко, [email protected]
Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, Санкт-Петербург, 193232, Российская Федерация
Аннотация: В работе рассмотрен метод поддержания квазисолитонного режима в многопролетной волоконно-оптической системе связи с использованием дискретных эрбиевых оптических усилителей, а также рамановских усилителей с распределенным усилением со встречной и двунаправленной накачкой. Для моделирования квазисолитонных волоконно-оптических систем связи использовалались программы OptiSystem 19. Результаты моделирования сопоставлены с теоретическими данными, продемонстрированы преимущества волоконно-оптических систем связи с усилителями Рамана и двунаправленной накачкой.
Ключевые слова: солитон, квазисолитонный режим, волоконно-оптическая система связи, эрбиевый оптический усилитель, оптический усилитель Рамана, встречная и двунаправленная накачка, OptiSystem
Ссылка для цитирования: Глаголев С.Ф. Доценко С.Э. Квазисолитонный режим в многопролетной волоконно-оптической системе связи с применением оптических усилителей / / Труды учебных заведений связи. 2023. Т. 9. № 2. С. 47-56. DOI:10.31854/1813-324X-2023-9-2-47-56
Quasi-Soliton Mode in a Multi-Span Fiber-Optic Communication System Using Optical Amplifiers
Sergey Glagolev, [email protected] Sergey Dotsenko, [email protected]
The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications, St. Petersburg, 193232, Russian Federation
Abstract: The paper considers a method for maintaining a quasi-soliton mode in a multi-span fiber-optic communication system using discrete Erbium optical amplifiers, as well as Raman amplifiers with distributed amplification with counter and bidirectional pumping. The OptiSystem 19 and OptiPerformer 19 programs were used to model quasi-soliton fiber-optic communication systems. The simulation results are compared with theoretical data, and the advantages of a fiber-optic communication system with a Raman amplifier and bidirectional pumping are demonstrated.
Keywords: soliton, quasi-soliton mode, Raman optical amplifier, OptiSystem 19, OptiPerformer 19
For citation: Glagolev S., Dotsenko S. Quasi-Soliton Mode in a Multi-Span Fiber-Optic Communication System Using Optical Amplifiers. Proc. of Telecom. Universities. 2023;9(2):47-56. (in Russ.) DOI:10.31854/1813-324X-2023-9-2-47-56
© Глаголев С.Ф. Доценко С.Э., 2023
47
tuzs.sut.ru
Введение
Данная статья продолжает работы авторов [1, 2], которые посвящены применению дискретных оптических усилителей (ОУ) на основе эрбиевого оптического волокна (EDFA, аббр. от англ. Erbium Doped Fiber Amplifier) и распределенных усилителей Рамана (RA, аббр. от англ. Raman Amplifier) для поддержания квазисолитонного режима распространения сигналов в многопролетных волоконно-оптических системах связи (ВОСС). Кратко резюмируем полученные ранее результаты.
В одномодовом оптическом волокне (ОМОВ) без потерь могут распространяться, не меняя пиковой мощности Pm (ПМ) и полуширины То, оптические импульсы, имеющие форму гиперболического секанса P(t) = Pm sech(t/T0). Такие импульсы называют фундаментальными солитонами или импульсами секансной формы. В реальном ОМОВ с потерями фундаментальные солитоны существовать не могут, так как ПМ оптических импульсов с увеличением расстояния уменьшается и ее становится недостаточно для поддержания солитонного режима, импульсы затухают и расширяются. Разбив волоконно-оптический линейный тракт (ВОЛТ) на несколько участков (пролетов), можно, используя оптическое усиление, добиться в каждом пролете многопролетной ВОСС поддержания с некоторой погрешностью средней ПМ и длительности секансных импульсов (квазисолитонов). Пролеты в таком ВОЛТ называют прозрачными, т. к. ПМ на входе и выходе пролетов одинаковы. Этот метод поддержания квазисолитонного режима в литературе называют «управление затуханием» [1-5].
В статье приводятся результаты исследований, необходимых для оптимального выбора длины Lnp и количества пролетов N в многопролетной ква-зисолитонной ВОСС определенной длины L = NLnp.
Напомним, что фундаментальный солитон может существовать только в ОМОВ без потерь и с аномальной дисперсией при полной компенсации хроматической дисперсии (ХД) в результате действия нелинейной фазовой самомодуляции (ФСМ). ХД характеризуется величиной 02 дисперсии групповых скоростей (ДГС), а ФСМ - коэффициентом нелинейности у. Это возможно только при определенном соотношении ПМ фундаментального соли-тона Pфc и его полуширины T0, которая однозначно связана с длительностью секансного импульса tu на уровне половины амплитуды [1-5]:
Рфс = 1р2|/(у • Го) * 3,11 • |р2|/(у • ф. (1)
Многопролетная квазисолитонная ВОСС с дискретными ОУ EDFA
Схема многопролетной ВОСС с дискретными ОУ (рисунок 1) содержит два оконечных пункта с
транспондерами ТР1 и ТР2, N + 1 пролетов длиной Lnp и N линейных ОУ, которые расположены в усилительных пунктах (УП).
Рис. 1. Схема линейного тракта ВОСС с дискретными ОУ
Fig. 1. Diagram of the Linear Path of a Fiber-Optic Communication System with Discrete Optical Amplifiers
Приведем параметры, использованные для расчета и моделирования квазисолитонной ВОСС: скорость передачи - В = 10 Гбит/с; длина волны -Я = 1550 нм; длительность секансного импульса на уровне половины амплитуды - tu = 0,2 бит (20 пс). Параметры ОВ DSF [6]: коэффициент затухания -а = 0,2 дБ/км (0,046 Нп/км) на длине волны Я = 1550 нм; коэффициент ХД - Dx = 1 пс/(км-нм); ДГС - ß2 = -1,275 пс/нм2; крутизна дисперсионной характеристики - Sx = 0,085 пс/нм2/км; эффективная площадь модового поля - Aef = 41 мкм2; нелинейный показатель преломления - m = 26-10-21 м2/Вт; коэффициент нелинейности - у = 2,57 1/(Вт-км).
Проведем расчеты в соответствии с [1, 2]: канонической полуширины секансного импульса -То = tu/1,763 = 11,34 пс, мощности, необходимой для поддержания солитонного режима в ОВ без потерь по уравнению (1) Рфс = -ß2/(y • T02) = 3,9 мВт и дисперсионной длины Ld = Tü2/(-ß2) = 100 км.
Схема имитационного моделирования многопролетной квазисолитонной ВОСС, созданная в программе OptiSystem 19 [7] (рисунок 2), включает оптический передатчик с амплитудной модуляцией и импульсами секансной формы для передачи логических «1», ВОЛТ с любым количеством одинаковых пролетов, оптический полосовой фильтр и фотоприемное устройство (Rx). Один прозрачный пролет содержит ОВ длиной Lnp с затуханием anp = = а L^ и линейный оптический усилитель EDFA с усилением G = anp.
Для контроля оптических и электрических сигналов в схеме (см. рисунок 2) используются оптические измерители мощности (Optical Power Meter), осциллографы (Optical Time Domain Visualizer) и спектроанализаторы (Optical Spectrum Analyzer), электрические осциллографы (Oscilloscope Visualizer) и анализатор ошибок (BER Analyzer).
Рис. 2. Схема моделирования многопролетной квазисолитонной ВОСС с дискретными ОУ
Fig. 2. Simulation Scheme of a Multi-Span Quasi-Soliton Fiber-Optic Communication System with Discrete Optical Amplifiers
ТАБЛИЦА 1. Результаты расчетов и имитационного моделирования для ВОСС с дискретными линейными ОУ
TABLE 1. Results of Calculations and Measurements for a Fiber-Optic Communication System with Discrete Linear Optical Amplifiers
Установленные и расчетные величины Результаты имитационного моделирования
Количество пролетов Длина ОМОВ, км Эффективная длина ОМОВ, км Коэффициент усиления ОУ, дБ Расчетная входная ПМ, мВт Длительный входной импульса, пс Установка входной ПМ, мВт Выходная ПМ, мВт Длительность выходного импульса, пс Qфактор
1 25 14,86 5 6,56 20 7,5 7,6 20 315
2 50 14,86 5 6,56 20 7,5 7,6 20 252
4 100 14,86 5 6,56 20 7,5 7,7 20 200
8 200 14,86 5 6,56 20 7,5 7,7 20 144
12 300 14,86 5 6,56 20 7,5 7,8 20 127
20 500 14,86 5 6,56 20 7,5 7,8 19,5 95
1 50 19,56 10 9,97 20 11 11,4 19,5 247
2 100 19,56 10 9,97 20 11 11,4 20 209
4 200 19,56 10 9,97 20 11 11,2 20 144
8 400 19,56 10 9,97 20 11 10,8 20 106
10 500 19,56 10 9,97 20 11 10,6 20,5 95
1 75 21,0 15 13,9 20 15,5 16,2 20 195
2 150 21,0 15 13,9 20 15,5 16 20 147
4 300 21,0 15 13,9 20 15,5 15,3-16 18-21 102
6 450 21,0 15 13,9 20 15,5 14-14,4 22-23 78
1 100 21,5 20 18,1 20 22 23 20 140
2 200 21,5 20 18,1 20 22 23 20 94
3 300 21,5 20 18,1 20 22 21,8-23,0 19,8-20,8 75
4 400 21,5 20 18,1 20 22 18,4-20,6 22-26 64
Исследования проводились для четырех длин пролетов 0,25; 0,5; 0,75 и 1,0 Ьб, (25, 50, 75 и 100 км). Для каждой ¿пр рассчитывалась эффективная длина ОМОВ ¿е/ = [1 - ехр(-а • Щ/а (а в Нп/км), ПМ на входе пролета Р0т = Рфс • ¿прДе^ и коэффициент усиления в = а Ьпр. Результаты расчетов и измерений приведены в таблице 1, а формы импульсов на выходе ВОСС на рисунке 3.
Из таблицы 1 и рисунка 3 следует, что при длинах пролета 0,25 и 0,5 Ьб и общей длине до 500 км квазисолитонный режим сохраняется, джиттер отсутствует. При этом длительность секансного импульса и его амплитуда при изменении количества пролетов сохраняются в пределах 2,5 и 4 %, соответственно.
Ё 56
62 64
Ï ЕЕ
Q_ Ю
1
1 \ 1 1 1 и
/ ,1.,. !
J. U \,1,
67
69
71
73
58
60
60
Time (bits)
69 71 Time (bits)
49 51 Time (bits)
a) b) c)
Рис. 3. Форма импульсов на выходах многопролетных квазисолитонных ВОСС: длина 50 км х 10 = 500 км (a);
75 км х 6 = 450 км (b); 100 км х 4 = 400 км (с)
Fig. 3. The Shape of Pulses at the Outputs of Multi-Span Quasi-Soliton Fiber-Optic Communication Systems: Length 50 km x 10 = 500 km (a);
75 km x 6 = 450 km (b); 100 km x 4 = 400 km (c)
67
73
56
58
62
64
При длине пролета 0,75 и 1,0 Ld и общей длине до 200 км квазисолитонный режим сохраняется, джиттер отсутствует. После 300 км наблюдается значительный джиттер, который приводит к колебаниям ПМ и длительности импульсов от импульса к импульсу в пределах 5 %.
Расчетные значения входных ПМ для поддержания квазисолитонного режима оказались недостаточными и реальные мощности (см. таблицу 1) были больше в 1,1-1,2 раза.
Многопролетная ВОСС с RA и встречной накачкой
Рассмотрим схему (рисунок 4) многопролетной ВОСС с RA, которые также называют ОУ вынужденного комбинационного рассеяния (ОУ ВКР) со встречной накачкой [8-10]. В оконечных пунктах ВОСС находятся транспондеры ТР1, ТР2. Для поддержания квазисолитонного режима в многопролетной ВОСС, с выхода каждого пролета в ОМОВ через направленный ответвитесь (НО) с технологией мультиплексирования в волновой области (WDM) подается навстречу сигналу непрерывное излучение от источника накачки (ИН).
P0min
z, км
Рис. 4. Схема линейного тракта ВОСС с RA и встречной накачкой
Fig. 4. Diagram of the Linear Path of a Fiber-Optic Communication System with Counter-Pumping of the Raman
Рассмотрим процессы распространения секанс-ных импульсов в одном пролете (на одном усилительном участке УУ) квазисолитонной ВОСС. За-
пишем дифференциальное уравнение для изменений ПМ Рт^) на малом участке & в ОВ с усилительной способностью д^) и коэффициентом затухания а [1-5]:
dPm(z) dz
= [g°0 - а] • Pm(z).
(2)
На УУ длиной ¿пр усилительная способность д зависит от z и определяется уровнем накачки в этой точке. В конце УУ при z = ¿пр усилительная способность д^) = до и уровень мощности накачки максимальны. При д^) < а, ПМ на участке dz уменьшается, а при д^) > а - возрастает.
Из рисунка 4 видно, что в начале пролета уровень сигнала с увеличением расстояния убывает, в связи с тем, что мощность накачки мала и преобладает затухание д^) < а. С увеличением расстояния z мощность накачки постепенно возрастает и сигнал, пройдя минимум, начинает возрастать, т. к. дИ > а. В конце пролета сигнал приобретает первоначальный уровень. Средний пиковый уровень сигнала в пролете должен быть равен пиковому уровню фундаментального солитона Рфс.
В каждой точке ОВ невозможно компенсировать потери, но можно скомпенсировать общее затухание на УУ:
I
g(z) • dz = а • L
пр-
(3)
Пренебрегая истощением накачки, запишем упрощенное выражение для усилительной способности на УУ:
g00 = go • exp[-ap • (Lnp- z)\
(4)
где ар - коэффициент затухания ОВ для накачки.
Решив (2) с учетом (3) и (4), запишем выражение (5) для расчета ПМ сигнала, которая обеспечивает необходимую усилительную способность до и
0
при которой ПМ на выходе пролета будет соответствовать входной Р0т = Рт (Ьпр) [1-5]:
Pm(z) = Рот • exp {а •
L„
exp (ар • z) — 1
exp (а^ •Lnp) — 1
(5)
= Pom 'PO),
где p(z) = Pm(z)/Pom - относительная ПМ в пролете.
В случае использования встречной накачки, ПМ входных импульсов Pom должна быть больше мощности фундаментального солитона Рфс в ОМОВ без потерь [1-5]:
Pom = Рфс/Ро , Po = (1/^пр) -1 РО) ' dz, [6]
0
где po - среднее значение относительной ПМ излучения в пролете.
На рисунке 5а представлены зависимости нормированной относительной ПМ pn(z) = Р™й/Рфс от относительного расстояния z/L^ в пределах одного пролета для встречной накачки. Для сравнения с методом поддержания квазисолитонного режи-
Р ТРфс
125 км
100
75
50
Lnp = 25 км
0,2
0,4 0,6
z/Lnp
0,8
a)
ма применением дискретных EDFA на рисунке 5b показаны зависимости, аналогичные показанным на рисунке 5а. Были определены по выражениям (6): среднее значение относительной ПМ в пролете po и значение ПМ на входе пролета Pom. Для расчетов использовалось значение мощности фундаментального солитона Рфс = 4,7 мВт [2], которое было получено в результате моделирования ВОСС на том же ОМОВ, но без учета потерь. Результаты расчетов приведены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. Результаты расчетов по выражению (6)
TABLE 2. Results of Calculations by Expression (6)
Lnp, км 25 50 75 100 125
po 0,881 0,636 0,424 0,290 0,214
Pom, МВТ 5,38 7,40 11,09 16,19 22,0
На рисунке 6 приведена схема квазисолитонной ВОСС с двумя пролетами. В исследованиях использовались схемы и с бо'льшим количеством пролетов (до 20). УУ на схеме разделены оптическими изоляторами.
Р т/Рфс
100 км
50
Lnp = 25 км
0,2
0,4
z/L„p b)
0,6
0,8
Рис. 5. Зависимости нормированной относительной мощности pn(z) от относительного расстояния z/Ьпр в пределах одного
УУ: для RA c встречной накачкой (а); дискретных EDFA (b)
Fig. 5. The Dependences of the Normalized Relative Power p(z) on the Relative Distance z/Lw within One Amplifying Section: а) для RA c
встречной накачкой; b) для дискретных EDFA
Oscilosoope Visuaizer
Рис. 6. Схема из двух последовательно соединенных УУ
Fig. 6. A Diagram of two series-connected amplifying sections
— z
4
3
3
2
0
0
Для учета эффекта Рамана в схеме использовались более сложные двунаправленные модели ОМОВ, учитывающие процессы распространения излучения сигнала и накачки в ОМОВ, как вперед, так и назад. Мощность встречной накачки Рр подбиралась в процессе исследования по ПМ выход-
ного импульса Pim, которая должна равняться входной Pim = Pom (таблица 2).
При моделировании длина пролета варьировалась от 25 до 125 км, а их количество от 1 до 20. Общая длина линии достигала 525 км. Результаты исследований приведены на рисунке 7 и в таблице 3.
Не
Optical Time Domain Visualizer_10
139 141 143 145
и
LI
139
141 143 Time (bits)
145
Optical Time Domain Visualizer_7
110 111 112 113 114 115 116
Шi
il
JA
112 113 114 Time (bits)
Optical Time Domain Visualizer_5
138 140 142 144 146
ä E
138
140
142 144 Time (bits)
u
Optical Time Domain Visualizer_4
168 170 172 174 176
170 172 174 Time (bits)
Ш,
176
a) b) c) d)
Рис. 7. Форма импульсов на выходах многопролетных квазисолитонных ВОСС: длина 50 км х 10 = 500 км (a); 75 км х 7 = 525 км (b); 100 км х5 = 500 км (с); 125 км х 4 = 500 км (d)
Fig. 7. The Shape of Pulses at the Outputs of Multi-Span Quasi-Soliton Fiber-Optic Communication Systems: length 50 km x 10 = 500 km (a); 75 km x 7 = 525 km (b); 100 km x5 = 500 km (c); 125 km x 4 = 500 km (d)
ТАБЛИЦА 3. Результаты расчетов и имитационного моделирования для квазисолитонной ВОСС с RA и встречной накачкой
TABLE 3. Results of Calculations and Measurements for a Fiber-Optic Communication System with Counter-Pumping of Raman
110 111
Установленные и расчетные величины Результаты имитационного моделирования
Количество пролетов Длина ОМОВ, км Мощность лазера накачки, дБм Коэф-т усиления ОУ, дБ Расчетная входная ПМ, мВт Длительность входного импульса, пс Установка входной ПМ, мВт Выходная ПМ, мВт Длительность выходного импульса, пс Qфактор
1 25 17,29 5 5,38 20 5,8 5,8 20 309
2 50 17,29 5 5,38 20 5,8 5,8 20 234
4 100 17,29 5 5,38 20 5,8 5,8 20 176
8 200 17,29 5 5,38 20 5,8 5,7-5,9 19,8-20 123
12 300 17,29 5 5,38 20 5,8 5,7-6 19,7-19,9 107
20 500 17,29 5 5,38 20 5,8 5,4-5,8 19,6-20 70
1 50 19,25 10 7,40 20 7,8 7,85 20 266
2 100 19,25 10 7,40 20 7,8 7,8 20 169
4 200 19,25 10 7,40 20 7,8 7,8-8 19,8-20,1 126
8 400 19,25 10 7,40 20 7,8 7,6-7,9 19,9-20,4 80
10 500 19,25 10 7,40 20 7,8 7,5-7,9 19,7-20,3 65
1 75 20,76 15 11,09 20 12,5 12,6 20 236
2 150 20,76 15 11,09 20 12,5 12,7 19,8 148
4 300 20,76 15 11,09 20 12,5 12,7-13 19,8-20 100
6 450 20,76 15 11,09 20 12,5 12-12,6 19,6-20,1 71
7 525 20,76 15 11,09 20 12,5 11,8-12,5 19,7-20,5 66
1 100 21,96 20 16,19 20 18 18 20,5 186
2 200 21,96 20 16,19 20 18 18 20,6 123
3 300 21,96 20 16,19 20 18 18-18,6 19,9-20,5 82
4 400 21,96 20 16,19 20 18 17,3-18,4 20,8-21,3 65
5 500 21,96 20 16,19 20 18 17,9-18,5 20,1-20,9 54
1 125 22,95 25 22 20 25 25-25,5 21,7-22 124
2 250 22,95 25 22 20 25 25-27 22-22,8 77
3 375 22,95 25 22 20 25 25-27 20,5-23,2 42
4 500 22,95 25 22 20 25 27-29 20,1-21,2 45
Из таблицы 3 и рисунке 7 следует, что при длинах пролета от 0,25 до 1,25 Ьб и общей длине ВОЛТ до 525 км квазисолитонный режим при встречной накачке сохраняется. Значения длительности се-кансного импульса и его амплитуда при длинах пролета до Ьб сохраняются в пределах 2,5 и 4 %, соответственно. Однако при общей длине более 200 км наблюдается джиттер, который приводит к колебаниям длительности и амплитуды от импульса к импульсу в пределах 4 и 6 %, соответственно.
Многопролетные ВОСС с RA и двунаправленной накачкой
Рассмотрим применение распределенных ОУ ВКР с накачкой (рисунок 8). В этом случае для усиления оптических импульсов непрерывное излучение накачки подается с двух сторон пролета. Обозначения на схеме и исходные данные для расчета и моделирования такие же, как для ВОСС с встречной накачкой.
Выражения (2) и (3) справедливы и для пролета ВОСС с двунаправленной накачкой. Для изменений д(г) в пролете вместо (4) можно записать в виде:
дф = д1 • ехр(-арг) + д2ехр[-ар(ЬПр - г)], (7)
где дг и д2 связаны с мощностями попутной и встречной накачек.
Рис. 8. Схема линейного тракта ВОСС с RA и двунаправленной накачкой
Fig. 8. Diagram of the Linear Path of a Fiber-Optic Communication System with Bidirectionai Raman Pumping
Считая, что мощности встречной и попутной накачки равны, и решив уравнение (2) с учетом уравнения (7), получим зависимость мощности секансных импульсов в пролете для двунаправленной накачки [1-5]. Как и для встречной накачки, определим среднее значение нормализованной ПМ в пролете po и значение ПМ на входе пролета Pom с помощью выражения (8) для ВОСС с RA и двунаправленной накачки (таблица 4). На рисунке 9 представлены зависимости нормированной относительной ПМ pn(z) = Pm(z)/Рфс от относительного расстояния z/L^ в пределах одного пролета для двунаправленной накачки.
ТАБЛИЦА 4. Результаты расчетов по выражению (8)
TABLE 4. Results of calculations by expression (8)
Lnft км 25 50 75 100 125
p0 1 1,003 1,027 1,106 1,285
Pûm, мВт 4,7 4,69 4,58 4,25 3,66
2,5 2 1,5 1
0,5 0
Р т/Рфс
0,2
0,4
z/L,,
0,6
0,8
Рис. 9. Зависимости нормированной относительной мощности p(z) от относительного расстояния z/Lпр в пределах одного УУ
Fig. 9. The Dependences of the Normalized Relative Power p(z) on the Relative Distance z/Lпр within One Amplifying Section
Как видно из таблицы 4, при использовании двунаправленной накачки ПМ входных импульсов
Р0т при увеличении длины пролета становится даже меньше мощности Рфс, необходимой для формирования фундаментального солитона.
Схема квазисолитонной ВОСС с двумя пролетами представлена на рисунке 10. При моделировании длина пролета варьировалась от 25 до 125 км, а их количество от 1 до 20. Общая длина ВОЛТ достигала 525 км. Результаты исследования приведены в таблице 5. В ней представлены результаты с использованием оптического фильтра Бесселя при длине УУ < 50 км и без фильтра при длине пролета больше 50 км.
Из таблицы 5 и рисунка 11 следует, что при длинах пролета от 0,25 до 1,25 Ьб и общей длине ВОЛС до 525 км квазисолитонный режим при двунаправленной накачке сохраняется. Значения длительности секансного импульса и его амплитуда при изменении количества пролетов имеют незначительные изменения. Однако при длине пролета 1,25 Ьб наблюдается джиттер, который приводит к колебаниям длительности и амплитуды от импульса к импульсу в пределах 10 и 7,5 %, соответственно.
. leauençy=155D nm Pcwer=3,2 mW lence Generator
Generator
"L
WDM
Optical Tine Domain VisualizerJ
.jtical Power Meterl otaiPower(dBm) = 0
В
im.
л reclonL. .engtn=121
WDM_
¿Tfl.i-rlM
>ivnDLaser 1 . , ,
■ге<даи= 1450 nn Optical Spectrum Analvzer 1
Power=20,38 (Вт Л—--BmDlaeer
' : ijFg Freauencv=1450rm
Power=20,38 dk,
Optical Power Meter 2 Total Fbwer (dBm)=0 L-
Optical Tine Domain Visualizer
FvM ! ^ 1
4
Rx
Osciloscope Visuaizer
Optical Rawer Meter
Total Power (dBrr
8d,tirai Receiver „ BER Analvzer utofffrequency = 2" Symbol rate Hz
= 0
Osciloscope VisuaizerJ
ЩFiler 14 Freauencv=1550nm или у Bandwidth=300 GHz
W3
BidL____
Length
mi
Optical Spectmm Aialyzer
WDM_1
И
Optical Thie Domain Visualizer_2
Freauencv=l450 nm Optical Spectrum Analyzer 2 PunoLaser?
^ ! h в®1" «гда
Optical Power Meter 3 TotarPower(dBm) = 0
Optical Spectium Analyzerj Рис. 10. Схема из двух последовательно соединенных пролетов
Fig. 10. A diagram of Two Series-Connected Amplifying Sections
Optical Time Domain Visualizer_10
58 60 62 64 66
60 62 64 Time (bits)
Optical Time Domain Visualizer_7
128 130 132 134 136
Optical Time Domain Visualizer_5
149 151 153 155
3 E
uL
Li
Li
VL
128 130 132 134 136 Time (bits)
149 151 153 155 Time (bits)
Optical Time Domain Visualizer_4
18 20 22 24 26 Time (bits)
a) b) c) d)
Рис. 11. Форма импульсов на выходах многопролетных квазисолитонных ВОСС: длина 50 км х 10 = 500 км (a); 75 км х 7 = 525 км (b); 100 км х5 = 500 км (с); 125 км х 4 = 500 км (d)
Fig. 11. The Shape of Pulses at the Outputs of Multi-Span Quasi-Soliton Fiber-Optic Communication Systems: length 50 km x 10 = 500 km (a);
75 km x 7 = 525 km (b); 100 km x5 = 500 km (c); 125 km x 4 = 500 km (d)
ТАБЛИЦА 5. Результаты расчетов и имитационного моделирования для ВОСС с RA и двунаправленной накачкой
TABLE 5. Results of Calculations and Measurements for a Fiber-Optic Communication System with Bidirectional Raman Pumping
l
58
66
Установленные и расчетные величины Результаты имитационного моделирования
Количество пролетов Длина ОМОВ, км Мощность лазеров накачки, дБм Коэф-т усиления ОУ, дБ Расчетная входная ПМ, мВт Длительность входного импульса, пс Установка входной ПМ, мВт Выходная ПМ, мВт Длительность выходного импульса, пс Qфактор
1 25 14,31 5 4,7 20 4,7 4,7 20 304
2 50 14,31 5 4,7 20 4,7 4,65 20,3 249
4 100 14,31 5 4,7 20 4,7 4,65-4,7 20-20,1 200
8 200 14,31 5 4,7 20 4,7 4,6-4,7 20-20,3 129
12 300 14,31 5 4,7 20 4,7 4,7-4,9 19,5-20 96
20 500 14,31 5 4,7 20 4,7 4,7-5 19,6-20,4 65
1 50 16,24 10 4,69 20 4,7 4,75 20 241
2 100 16,24 10 4,69 20 4,7 4,7 20,1 191
4 200 16,24 10 4,69 20 4,7 4,65-4,8 20-20,2 133
8 400 16,24 10 4,69 20 4,7 4,7-4,8 19,9-20,2 82
Установленные и расчетные величины Результаты имитационного моделирования
Количество пролетов Длина ОМОВ, км Мощность лазеров накачки, дБм Коэф-т усиления ОУ, дБ Расчетная входная ПМ, мВт Длительность входного импульса, пс Установка входной ПМ, мВт Выходная ПМ, мВт Длительность выходного импульса, пс Qфактор
10 500 16,24 10 4,69 20 4,7 4,7-4,9 19,8-20,1 69
1 75 17,71 15 4,58 20 4,7 4,7 20 200
2 150 17,71 15 4,58 20 4,7 4,7 20 159
4 300 17,71 15 4,58 20 4,7 4,75 20 98
6 450 17,71 15 4,58 20 4,7 4,7-4,9 19,7-20 77
7 525 17,71 15 4,58 20 4,7 5-5,1 19,6-20 61
1 100 18,92 20 4,25 20 4,5 4,6 20 162
2 200 18,92 20 4,25 20 4,5 4,5-4,6 19,7-20 126
3 300 18,92 20 4,25 20 4,5 4,5-4,7 19,7-20,1 92
4 400 18,92 20 4,25 20 4,5 4,4-4,6 19,8-20,6 76
5 500 18,92 20 4,25 20 4,5 4,3-4,6 19,6-20,5 63
1 125 19,88 25 3,66 20 4 4,1-4,2 20 150
2 250 19,88 25 3,66 20 4 4,0-4,1 20 89
3 375 19,88 25 3,66 20 4 3,8-4,0 20-21 70
4 500 19,88 25 3,66 20 4 3,7-4,0 20-22 56
Выводы
В статье исследованы способы поддержания квазисолитонного режима в многопролетных од-ноканальных ВОСС с дискретными ОУ, а также с ЯЛ со встречной и двунаправленной накачками. Все способы могут быть использованы в высокоскоростных ВОСС. Наиболее эффективным способом поддержания длительности и ПМ квазисолитон-ных импульсов на больших расстояниях является использование ЯЛ с двунаправленной накачкой. Это решение позволяет обеспечить максимальную длину пролета до 125 км при минимальных сигналах на входе пролетов с ПМ от 4 до 4,7 мВт практически равной или даже меньше, чем ПМ, необходимая для формирования фундаментальных соли-тонов в ОМОВ без потерь. Изменение длительности выходного импульса происходит в пределах от 19,5 до 22 пс. При использовании дискретных ОУ ЕЭРЛ изменение длительности выходного импульса происходит в пределах от 18 до 26 пс, на входе пролетов использовались сигналы с ПМ от 7,5 до 22 мВт, значительно превосходящей ПМ, необходимую для формирования фундаментальных солитонов в ОМОВ без потерь. В таком случае необходимо использовать пролеты меньшей длины до 75 км и сокращать общую протяженность квазисолитонной ВОСС.
Промежуточное положение между рассмотренными способами поддержания квазисолитонного
режима в многопролетных ВОСС занимает использование ЯЛ со встречной накачкой. Длительность выходного импульса изменяется в пределах от 19,6 до 23,2 пс, на входе пролетов использовались сигналы с ПМ от 5.8 до 25 мВт, значительно превосходящей ПМ необходимую для формирования фундаментальных солитонов в ОМОВ без потерь. В такой ВОЛТ пролеты не должны превышать длину 100 км.
Решение с использованием на ВОСС RA со встречной накачкой является более экономичным по сравнению с двунаправленной накачкой, т. к. позволяет использовать меньшее количество усилителей на каждом пролете, но значительно уступает в качестве связи. Значение Q фактора RA с двунаправленной накачкой в среднем на 5 % больше, чем при встречной накачке на длинах пролетов от 25 до 125 км и на 10 % больше, чем при дискретных ОУ ЕЭРЛ с длиной пролета бо'ль-шей или равной 75 км. При построении ВОСС, где требуется максимальная длина пролетов и повышенное качество связи, т. е. большие значения Q фактора, целесообразно использовать RA с двунаправленной накачкой.
Разработанные схемы квазисолитонных ВОСС и методики их исследования могут быть использованы в учебном процессе для подготовки специалистов по волоконно-оптической связи.
Список источников
1. Андреева Е.И., Былина М.С., Глаголев С.Ф., Доценко С.Э., Чаймарданов П.А. Свойства временных оптических со-литонов в оптических волокнах и возможность их использования в телекоммуникациях. Часть 4 // Труды учебных заведений связи. 2019. Т. 5. № 1. С. 15-24. 001:10.31854/1813-324Х-2019-5-1-15-24
2. Глаголев С.Ф., Доценко С. Э. Поддержание квазисолитонного режима в ВОСС с использованием усилителей Ра-мана // XI Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфо-телекоммуникаций в науке и образовании» (Санкт-Петербург, Россия, 15-16 февраля 2022). СПб: СПбГУТ, 2022. С. 343-348.
3. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. М.: Мир, 1996. 323 с.
4. Agrawal G.P. Fiber-Optic Communication Systems. Wiley, 2012. 626 p.
5. Кившарь Ю.С., Агравал Г.П. Оптические солитоны. От волоконных световодов до фотонных кристаллов. М.: Физматлит, 2005. 648 с.
6. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи. М.: ЛЕСАРарт, 2003. 288 с.
7. OptiSystem User Guide and Reference Manual. Optical Communication System Design Software. Version 19. Optiwave Systems Inc. 2022.
8. Андреев В.А. Рамановские усилители на волоконно-оптических линиях передачи. М.: Ириас, 2008. 219 с.
9. Листвин В.Н., Трещиков В.Н. DWDM системы. М.: Техносфера, 2021. 420 с.
10. Леонов А.В., Наний О.Е., Трещиков В.Н. Усилители на основе вынужденного комбинационного рассеяния в оптических системах связи // Прикладная фотоника. 2014. Т. 1. № 1. С. 27-50.
References
1. Andreeva E, Bylina M., Glagolev S., Dotsenko S., Chaimardanov P. Properties of Temporary Optical Solitons in Optical Fibers and the Possibility of their Use in Telecommunications. Part 4. Proceedings of Telecommunication Universities. 2019;5(1):15-24. (in Russ.) DOI:10.31854/1813-324X-2019-5-1-15-24
2. Glagolev S., Dotsenko S. Maintaining a Quasi-Soliton Mode in Fiber-Optic Communication System Using Raman Amplifiers. Proceedings of the Xlth International Conference on Infotelecommunications in Science and Education, 15-16 February 2022, St. Petersburg, Russia. St. Petersburg: The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications Publ.; 2022. p.343-348. (in Russ.)
3. Agraval G. Nonlinear Fiber Optics. Moscow: Mir Publ.; 1996. 323 p. (in Russ.)
4. Agrawal G.P. Fiber-Optic Communication Systems. Wiley; 2012. 626 p.
5. Kishvar Yu.S., Agraval G.P. Optical Solitons. From Fiber Light Guides to Photonic Crystals. Moscow: Fizmatlit Publ.; 2005. 648 p (in Russ.)
6. Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. Optical Fibers for Communication Lines. Moscow: LESARart Publ.; 2003. 288 p. (in Russ.)
7. OptiSystem User Guide and Reference Manual. Optical Communication System Design Software. Version 19. Optiwave Systems Inc. 2022.
8. Andreev V.A. Raman Amplifiers on Fiber-Optic Transmission Lines. Moscow: Irias Publ.; 2008. 219 p (in Russ.)
9. Listvin V.N., Treschikov N. DWDM Systems. Moscow: Technosphere Publ; 2021. 420 p. (in Russ.)
10. Leonov A.V., Nanii O.E., Treschikov V.N. Raman Amplifiers in Optical Communication Systems. Applied Photonics. 2014;1(1):27-50. (in Russ.)
Статья поступила в редакцию 03.03.2023; одобрена после рецензирования 01.04.2023; принята к публикации 21.04.2023.
The article was submitted 03.03.2023; approved after reviewing 01.04.2023; accepted for publication 21.04.2023.
ГЛАГОЛЕВ Сергей Федорович
Информация об авторах:
кандидат технических наук, доцент кафедры фотоники и линий связи Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
https://orcid.org/0000-0002-0664-9877
ДОЦЕНКО Сергей Эдуардович
инженер кафедры фотоники и линий связи Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича https://orcid.org/0000-0003-0299-0469
