CC BY
8
систем автоматизации технологических процессов // Вестник КГУ. 2015. №3. Серия «Технические науки», выпуск 10.
© Притчина М.Д., Хочуев С.З., 2022
УДК 621.391.63
Солодовникова М.П.
студентка ГУАП г. Санкт-Петербург, РФ Казаков В.И. к.т.н., доцент ГУАП г. Санкт-Петербург, РФ
МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ КАНАЛОВ В АТМОСФЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Аннотация
Рассматривается задача повышения пропускной способности и увеличения скорости передачи атмосферных открытых оптических систем передачи информации. Предложена схема симплексной и дуплексной системы передачи на основе метода волнового мультиплексирования. Рассмотрены и сопоставлены методы и элементная база мультиплексирования информационных каналов для атмосферной линии связи.
Ключевые слова
Передача данных, атмосферная открытая оптическая система передачи информации (АООСПИ), спектральное уплотнение, мультиплексирование, демультиплексирование, дихроичные фильтры, дифракционная решетка, поляризационный светоделитель.
Введение
В настоящее время наблюдается тенденция роста в потребности высокоскоростной передачи информационных данных. Для этого требуются новые технические разработки, а также усовершенствование уже существующих методов, в частности методов использования оптического диапазона и оптических элементов в телекоммуникационных сетях. Уже сейчас скорость передачи информации по волоконным оптическим системам (ВОСП) достигает 175-319 ТБ/с [1]. Передача большого объема информации на высокой скорости в таких системах осуществляется за счет технологии спектрального уплотнения каналов или мультиплексирования. Суть данной технологии заключается в объединении сигналов от нескольких передатчиков на разных несущих частотах (длинах волн) в один информационный канал (оптоволокно) и дальнейшей передачи до приемника. Таких образом, возможно передать больший объем информации по одной линии за раз.
Однако оптоволоконные системы имеют свои недостатки, в частности территориальная ограниченность или невозможность прокладки кабеля в труднодоступных районах и местности. В таких случаях для передачи информации атмосферные открытые оптические системы передачи (АООСПИ) могут
issn 2410-6070
международный научный журнал «инновационная наука»
№ 6-1 / 2022
стать достойной альтернативой ВОСП.
АООСПИ осуществляет передачу сигнала через атмосферный канал. В связи с тем, что передаваемый сигнал имеет непосредственный контакт с внешней средой, осуществлять передачу данных со скоростью, аналогичной оптоволоконной системе, даже на небольшие расстояния пока является проблемой. Однако, существуют перспективные пути решения, и один из них: создание мультиспектрального уплотнения каналов связи в беспроводной оптической системе по аналогии с ВОСП [2, 3].
1 Организация работы мультиспектральной оптической системы передачи информации
Схема мультиспектральной системы связи представлена на Рисунке 1.
Рисунок 1 - Мультиспектральная симплексная система
Принцип ее работы заключается в следующем: сигналы с нескольких источников (И1, И2...Ип) поступают в мультиплексор, где объединяются в один информационный поток. Выходная оптическая система передает единый сигнал в атмосферу. Пройдя по открытому каналу через внешнюю среду на расстояние работы линии связи, сигнал попадает на приемное устройство, а затем в демультиплексор, принцип действия которого обратен мультиплексору: выделение изначальных сигналов из общего информационного потока. Отделившись из общего потока, сигналы фокусируются линзами (Л1...Лп) каждый на свой ФД, из оптических преобразуются в электрические, усиливается с помощью усилителя (У) и поступает в блок обработки.
В данном примере передача данных осуществляется только в одну сторону, то есть система работает в симплексном режиме.
Пример системы, работающей в дуплексном режиме представлен на Рисунке 2.
Рисунок 2 - Мультиспектральная симплексная система
В дуплексном режиме выходная оптическая система выполняет роль приемной и передающей части одновременно. Для разделения сигналов, приходящих с разных сторон, используется оптический фильтр. Для работы линии связи обычно используют ближний инфракрасный оптический диапазон (700...950 нм и 1500 нм) [4, 5].
2 Мультиплексирование каналов открытой оптической системы
Оптические мультиплексоры и демультиплексоры являются важной частью в работе мультиспектральных системы передачи информации. Основная суть их работы ничем не отличается от работы этих же элементов в ВОСП.
Для мультиплексирования оптического сигнала возможно использование оптических фильтров, дифракционных решеток, и поляризационных светоделителей [6].
2.1 Мультиплексирование на основе оптических фильтров
Оптический фильтр представляют собой слой оптической среды, пропускающей определенный световой диапазон.
По характеру взаимодействия с излучением фильтры можно разделить на полосовые и интерференционные фильтры (дихроичные фильтры).
Полосовые фильтры пропускают излучение определенного спектрального диапазона, блокируя при этом остальные длины волн. Основными характеристиками данных фильтров является полоса пропускания и диапазон блокировки (ослабления) длин волн. Ширина пропускания таких фильтров, как правило, имеет значение от 20 до 50 нм. Если ширина пропускания больше данного интервала, то фильтр носит название широкополосный, если же меньше, то узкополосный. Основной проблемой при применении фильтров в системах мультиплексирования является тот факт, что излучение, не соответствующее ширине пропускания, попросту блокируется фильтром и поглощается, что приводит к дополнительному нагреву элемента [6].
Более широкое распространение в работе мультиплексоров получили дихроичные фильтры.
Дихроичный фильтр представляет собой тонкопленочную пластину (подложку), на которую нанесены диэлектрические покрытий, с различными показателями преломления. На Рисунке 3 показан принцип работы дихроичного фильтра, смоделированный в программной среде «Zemax OpticStudio 13».
Границы раздела между слоями с разным показателем преломления создают фазированные отражения, способные пропускать длины волн определенного диапазона, отражая при этом волны другого спектрального диапазона. Благодаря тому, что происходит отражение сигнала определенного спектрального диапазона вместо поглощения, уменьшается нагрев оптического элемента, а главное, это дает возможность выделять или объединять нужный сигнал с сигналами других спектральных диапазонов, сохраняя при этом энергию. Ширина пропускания у дихроичного фильтра, также как и у полосовых колеблется в среднем в промежутках от 20 до 50 нм [7]. Поскольку характеристика полосы отражения фильтра имеет плавный характер, то при отделении сигнала в узком спектральном диапазоне часть нежелательных длин волн может проходить с нужным сигналом через фильтр, что необходимо учитывать при изготовлении фильтра.
2.2 Демультиплексирование на основе дифракционной решетки
Для разделения сигнала из одного потока в ВОСП используется решетка Брэгга, записанная в сердцевине оптического волокна. В открытых системах для таких целей можно использовать объемную дифракционную решетку. Это спектральный прибор, служащий для разложения света в спектр. Излучение определенной длины волны при прохождении решетки отклоняется под определенным углом дифракции р. На Рисунке 4 представлена схема такой решетки [8].
а)
б)
Дихроичный фильтр: а) мультиплексирование сигнала б) демультиплексирование сигнала
Рисунок -3
Рисунок 4 - Дифракционная решетка: Ь - период решетки; Л - линза
Подобрав нужные параметры решетки, можно не только разделить, но и объединить излучение с разных источников в один поток.
Основная формула дифракционной решетки:
d • = т -Я ц)
где Я - длина волны оптического излучения, т - целое число (1,2.) - порядок дифракции; d-период решетки.
Как правило, используют первый порядок дифракции.
Изменение величины угла от длины волны характеризуется угловой дисперсией:
dm т
— =-, (2)
dЯ d • ооб^
Еще одним важным параметром является разрешающая способность Я, характеризующая способность решетки разделять две спектральные линии, имеющие близкие длины волн:
R = — = m • N, АЯ
(3)
где АЯ-минимальный интервал между двумя соседними спектральными линиями, которые может разделить решетка; N -число штрихов решетки [8].
На Рисунке 5 представлена решетка, спроектированная в программе «Zemax OpticStudio 13», которая может быть использовать в качестве демпультиплексора в АООСПИ.
Рисунок 5 - Демультиплексор на дифракционной решетке: ДР-дифракционная решетка;
Л-собирающая линза; ПЗС-матрица.
Для фокусировки излучения, после решетки ставится, как правило, положительная линза [8].
2.3 Мультиплексирование на основе поляризационных светоделителей
Принцип работы поляризационного светоделителя заключается в том, что он частично отражает, а частично пропускает падающей на него свет линейной поляризации. Если плоскость колебания вектора Е падающей волны параллельна плоскости пропускания поляризационного светоделителя, то свет полностью проходит, а если плоскости перпендикулярны друг другу, то свет отражается. В остальных случаях соотношение интенсивности прошедшего и отраженного излучения будет зависеть от значения угла поляризации падающего излучения между 0° и 90° [9].
По типу конструкции поляризационные светоделители делятся на пластинчатые и кубические.
Пластинчатый светоделитель представляет собой тонкую стеклянную пластину, на поверхность которой нанесено диэлектрическое покрытие Пластинчатые светоделители часто рассчитаны на 45°. На Рисунке 6 на пластинчатый светоделитель падает свет, состоящий из двух спектральных составляющих [9].
н b И
cj
¡3
Рисунок 6 - Пластинчатый поляризационный светоделитель.
Плоскость колебания вектора электрического поля одной длины волны параллельна плоскости поляризации, а другой перпендикулярно. Исходя из этого поляризатор пропустит только одну длину волны.
Достоинством поляризационной пластины является ее относительная легкость и дешевизна, а также простота в изготовление, особенно если речь идет о светоделителях больших размеров.
Кубический светоделитель состоит из двух прямоугольных призм. На гипотенузу одной из прямоугольных призм наносится диэлектрическое покрытие. Это покрытие отражает часть луча в одном направлении, а в другом, позволяет пройти через весь куб. Тип покрытия определяет, определяет будет ли это разделение 50/50, 30/70 или 70/30, а также будут ли конкретные волны проходить или отражаться. В кубических светоделителях пути отраженного и прошедшего излучения равны по длине. На рисунке 7 пример кубического светоделителя, который объединяет излучение двух разных источников [10].
Деление света в зависимости от типа поляризации излучения является не самым распространенным методом для мультиплексирования каналов, поскольку при взаимодействии света с внешней средой, свет частично становится не трудно предугадать в каком соотношении он будет поделен светоделителем и будет пропускаться светоделителем вообще. Поэтому если речь заходит об АООСПИ данный метод подходит лишь для изначального объединения каналов, перед подачей в атмосферу.
Падающий свет 7.1
Рисунок 7 - Кубический поляризационный светоделитель.
Заключение
Технология уплотнения спектральных каналов постепенно внедряется в оптические системы передачи информации, а вместе с тем и совершает толчок в их развитии. Если на протяжении долгого времени беспроводные оптические линии связи продолжали оставаться позади традиционной передачи сигнала через оптоволокно, то возможность уплотнения спектральной линии, а следовательно увеличение скорости и объема передаваемых данных, помогут АООСПИ выйти из тени и закрепиться на мировом рынке телекоммуникационных услуг. Рассмотренные методы спектрального мультиплексирования имеют свои особенности, поэтому выбор конкретного метода зависит исключительно от заданных параметров АООСПИ и условий ее работы. Список использованной литературы:
1. Чудо техники. -URL: https://chudo.tech/2021/07/14/rekordnaya-skorost-peredachi-dannyh-po-optovoloknu/ (дата обращения 26.05.2022).
2. Санджинетти, Б. Однофотонные детекторы для атмосферных оптических линий связи [Электронный ресурс] / Б. Санджинетти, Э. Амри, Ф. Ричоу// Фотоника. - 2017. -№3/63.- С. 56-68.
3. Связь по лазерному лучу через атмосферу. -URL: https://rostec.ru/news/4514901/ (дата обращения: 25.04.2022).
4. Пресленев Л.Н. Системы передачи информации по волокну и открытому каналу: Учебное пособие [Электронный ресурс] / Л.Н. Пресленев. -СПБ.: Изд-во ГУАП, 2017.-34 с.
5. Проектирование лазерных систем: учебное пособие/Т. П. Мишура, О. Ю. Платонов; ГУАП. — СПб., 2006.-98 с.
6. Наний. О.Е. Основы технологий спектрального мультиплексирования каналов передачи (WDM) [Электронный ресурс]/О.Е. Наний/Aightwave Russian Edition. -2004.-№2.-С.47-52. C. 48
7. Оптические фильтры. Терминология фильтра. -URL: https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/optics/optical-filters/ (дата обращения 26.05.2022).
8. Пресленев Л.Н. Компоненты волоконно-оптических систем передач информации: Учебное пособие [Электронный ресурс] / Л.Н. Пресленев. - СПБ.: Изд-во ГУАП,2016.-91 с. C-41.
9. Джордж М. Поляризационные светоделители [Электронный ресурс]/М. Джордж // Фотоника. -2014. -№5/47.- С. 42-49.
10.Светоделители. -URL: https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/optics/what-are-beamsplitters.-(дата обращения: 28.05.2022).
© Солодовникова М.П., Казаков В.И., 2022
УДК 519.248
Стадников А.О.
магистрант 2 курса СГАУ, г. Самара, РФ
Научный руководитель: Белоусов А.А.,
Кандидат физико-математических наук, СГАУ
г. Самара, РФ
СРАВНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ КРЕДИТНОГО СКОРИНГА НА БАЗЕ МЕТОДОВ РЕШАЮЩИХ ДЕРЕВЕВ
Аннотация
Приведены результаты исследовательской работы по построению моделей оценки
