Оптичні волокна в режимі фотопружної анізотропії та їх застосування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова

УДК 681.7.068.019.3

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Оптичні волокна в режимі фотопружної анізотропії та їх застосування

05.12.20 - оптоелектронні системи

Стащук Олег Михайлович

Одеса-2011

Дисертацією є рукопис оптичний волокно дисперсія

Робота виконана в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова Міністерства інфраструктури України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Одінцов Микола Миколайович, Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова,

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Филипенко Олександр Іванович, Харківський національний університет радіоелектроніки оптичний волокно дисперсія

кандидат технічних наук, доцент Манько Олександр Олексійович, Державний університет інформаційно- комунікаційних технологій

Захист відбудеться « 24 » червня 2011 р. о 9-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.816.02 Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1, ауд. 222.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної академії зв'язку ім. О. С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.

Автореферат розіслано « 23 » травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., доц. А.Г. Ложковський

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В теперішній час відбувається заміна епохи індустріально-технологічного розвитку передових країн епохою інформаційно-технологічною. Проявом цього процесу є високий за швидкістю та результатами прогрес у створенні нових методів та засобів телекомунікацій. На сьогодні телекомунікації - одна із найбільш швидких за розвитком високотехнологічних і наукомістких галузей світової економіки.

Сьогодні підвищуються вимоги до волоконно-оптичних систем передавання (ВОСП): зростає обсяг інформації, що передається волоконно-оптичними лініями передавання (ВОЛП), швидкість передавання, смуга пропускання. В умовах поступового зростання протяжності ВОЛП є необхідність в оптимізації ВОСП: необхідно приймати наукові рішення як по удосконаленню властивостей оптичних пристроїв, так і по мінімізації впливу негативних явищ у ВОЛП: хроматичної дисперсії (ХД), затухання, нелінійних ефектів. При цьому є потреба у збільшенні довжини регенераційної ділянки як за рахунок використання високоякісних оптичних підсилювачів, так і за рахунок розробки оптичних волокон (ОВ) з компенсацією дисперсії.

Впровадження анізотропних компонентів у ВОСП є перспективним методом підвищення якості роботи даних елементів. Такими пристроями є ОВ, направлені відгалужувачі, поляроїди, модулятори світла, призми та ін.

Наразі існує потреба у дослідженні наступних властивостей анізотропного фотопружного ОВ: залежність елементів тензора діелектричної проникності від впливу механічних напруг, особливості подвійного променезаломлення, характер обміну потужностями між основними звичайною () та незвичайною () хвилями, поляризаційна дисперсія (ПД). Необхідно установити закономірності змін перерахованих параметрів при зміні ступеня впливу фотопружності та визначити можливість використання даних параметрів у ВОСП.

Розробленню наукових теорій щодо поширення електромагнітних хвиль по анізотропному фотопружному ОВ присвячено низку робіт. Значний внесок у розвиток даних теорій зробили Т. В. Макаров, О.В. Бондаренко, М.М. Одінцов, А.В. Зазулін, С.П. Тимошенко, Д.К. Саттаров.

Особливості ПД у фотопружному ОВ, причиною виникнення якої є різниця між фазовими коефіцієнтами поширення основних та хвиль, на сьогодні всебічно не досліджені: не установлено зв'язок між даним видом дисперсії та ступенем прикладених до ОВ механічних напруг. Науковий інтерес має дослідження ПД в анізотропному фотопружному ОВ з метою аналізу можливості компенсації (корекції) ХД в одномодовому ОВ.

Невзаємні впливи між основними та хвилями в анізотропному фотопружному ОВ, залежність діелектричних властивостей середовища від напряму поширення хвилі та її поляризації вимагають дослідження даного явища з метою аналізу можливості розділення потужності оптичного сигналу, розділення сигналів за довжинами хвиль.

Важливими є дослідження ОВ, укладеного в спіральну лінію та ОВ з впорядкованою обертальною мікроструктурою скла (ВОМС), тому що дані види ОВ є економними, просто реалізованими, забезпечують стабільну обертальну поляризацію та хвиль.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота пов'язана з пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки в межах «Комплексної програми створення Єдиної національної системи зв'язку України» (Постанова Кабінету Міністрів України № 790 за 1993 рік); Комплексної цільової науково-технічної програми № 8 «Розробка та виробництво засобів зв'язку» (затверджено Міністерством України у 1993 році) та планами Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова.

Мета і завдання дослідження. Дослідити на основі теорії пружності та фізики оптичного зв'язку властивості ОВ в режимі фотопружної анізотропії, викликаної вигинанням ОВ за нормальних кліматичних умов (НКУ) у спіральну лінію та наданням мікроструктурі скла ОВ впорядкованої обертальності, для компенсації дисперсії сигналу та реалізації компонентів ВОСП: направлених відгалужувачів з розділенням потужності оптичного сигналу та розділенням оптичних сигналів за довжинами хвиль.

Основні задачі досягнення даної мети зводяться до:

1. Установлення залежності діелектричних властивостей фотопружного анізотропного середовища поширення електромагнітних хвиль, зумовленого дією механічних напруг, викликаних вигинанням ОВ за НКУ в спіральну лінію постійного кроку та радіуса, від ступеня впливу фотопружності.

2. Установлення залежностей перехідних затухань при обміні потужностями між основними та хвилями від ступеня фотопружності та діелектричних властивостей анізотропного спіральноукладеного за НКУ ОВ та ОВ з ВОМС. Установлення умови, за якої досягається рівність між даними поляризаційними втратами.

3. Проведення аналізу особливостей електромагнітного зв'язку між анізотропним ОВ з ВОМС та ізотропним ОВ (ІОВ), розміщеними паралельно на певній ділянці. Установлення умови виведення та хвиль з анізотропного ОВ в ІОВ.

4. Розроблення методу визначення величини ПД, обумовленої різницею фазових коефіцієнтів поширення та хвиль у спіральноукладеному за НКУ ОВ та в ОВ з ВОМС.

5. Розроблення принципів дії та обґрунтування доцільності використання пристроїв ВОСП на основі анізотропних компонентів: ОВ з компенсацією дисперсії, направлених відгалужувачів з поділом потужності оптичного сигналу, направлених відгалужувачів з поділом оптичних сигналів за довжинами хвиль.

6. Підтвердження теоретично обґрунтованих результатів роботи пристроїв ВОСП на основі анізотропних компонентів: ОВ з компенсацією дисперсії, направлених відгалужувачів з поділом потужності оптичного сигналу, направлених відгалужувачів з поділом оптичних сигналів за довжинами хвиль шляхом побудови імітаційної моделі.

Об'єкт дослідження - фізичні процеси, що відбуваються при поширенні електромагнітних хвиль оптичного діапазону по анізотропних фотопружних ОВ.

Предмет дослідження - властивості ОВ у режимі фотопружної анізотропії: елементи тензора діелектричної проникності, перехідні затухання при обміні потужностями між основними та хвилями, ПД в анізотропних фотопружних ОВ, електромагнітний зв'язок між анізотропними фотопружними ОВ та ІОВ.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач у роботі використані: методи теорії ліній передавання, фізики оптичного зв'язку, кристалооптики, елементи теорії пружності, методи диференційного обчислення, апарат перетворення Фур'є.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Запропоновано метод створення фотопружних властивостей ОВ в конструкціях оптичних кабелів (ОК) для компенсації ХД сигналу за рахунок ПД. Розроблено імітаційну модель ОВ з компенсацією дисперсії в ОК. Отримано ОВ в конструкції ОК з нульовою сумарною дисперсією сигналу за рахунок спірального укладання трубок оптичних модулів в осерді кабелів або використання запропонованих профільованих осердь кабелів.

2. Запропоновано метод рівного поділу потужності сигналу на основі невзаємних впливів між основними хвилями у фотопружному ОВ.

3. Розроблено метод поділу потужності оптичного сигналу, поділу потоку оптичних сигналів за довжинами хвиль на основі електромагнітного зв'язку між ІОВ та ОВ з ВОМС.

4. Отримано формули для розрахунку наступних параметрів анізотропних фотопружних ОВ: елементів тензора діелектричної проникності одномодових спіральноукладених ОВ та ОВ з ВОМС, поляризаційних втрат, ПД в даних ОВ, коефіцієнта електромагнітного зв'язку між ІОВ та ОВ з ВОМС та кроку скручення мікроструктури скла, за якого забезпечується передача потужності оптичного сигналу з анізотропного ОВ в ІОВ.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Використання фотопружної анізотропії ОВ з отриманими параметрами дозволяє мінімізувати негативний вплив ХД на передавання сигналу, внаслідок чого стає можливим скоротити кількість регенераторів уздовж траси ВОЛП. При зменшенні кількості станційного обладнання зменшиться кількість виходів з ладу останнього, підвищаться показники надійності ВОСП.

2. Використання ОК, виготовлених з дотриманням методу надання фотопружності ОВ, що запропонований в даній дисертаційній роботі, дозволяє значно розширити смугу пропускання ОК.

3. Розроблені конструкції направлених відгалужувачів на основі подвійного променезаломлення в ОВ, що знаходиться у фотопружному режимі можуть бути використані в обладнанні ВОСП для розділення потужності сигналу.

4. Установлений спосіб поділу потоку оптичних сигналів за довжинами хвиль може бути взятий за основу при розробці мультиплексорів-демультиплексорів ВОСП нового типу.

5. Конструкції елементів ВОСП (ОК з компенсацією ХД, направлені відгалужувачі, частотновибіркові фільтри), що отримані в роботі, базуються на пасивних компонентах, не вимагають додаткового обладнання та живлення. Необхідно лише при виготовленні ОК дотримуватися необхідного кроку та радіуса спірального укладання ОВ, кроку обертання мікроструктури скла ОВ. Дана технологія виготовлення є цілком реалізованою в сучасному виробничому процесі ОК.

6. Розроблено імітаційну модель зв'язаних електромагнітним полем ІОВ та анізотропних ОВ. Отримано конструкції направлених відгалужувачів ВОСП на основі даного явища.

7. Результати роботи знайшли впровадження в навчальних процесах Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова (навчально-науково-виробничі центри у містах Київ, Львів та кафедра волоконно-оптичних ліній зв'язку); у виробництві кабельної продукції на підприємстві ЗАТ завод «Південкабель», конструкції направлених відгалужувачів направлені в Департамент науково-технічного забезпечення та енергоефективності промисловості Мінпромполітики України для включення в Державну програму «Машинобудування 2020».

Особистий внесок здобувача. Отримано методику та формули для розрахунку параметрів спірального скручення оптичних модулів (ОМ), кроку обертання мікроструктури скла, за яких досягається рівність між потужностями зв'язку та хвиль [3, 5]. Розроблено конструкції направлених відгалужувачів ВОСП на основі електромагнітного зв'язку між анізотропними фотопружними ОВ та ІОВ [7, 8]. Запропоновано конструкцію ОК, що складається з профільованих ОМ, який забезпечує нульову дисперсію в четвертому вікні прозорості за відсутності поляризаційних втрат [12].

Результати, отримані в співавторстві. Розроблено методику розрахунку елементів тензора діелектричної проникності [1]. Отримано формули для розрахунку поляризаційних втрат, ПД у спіральноукладених ОВ та ОВ з ВОМС [2, 9]. Розроблено комп'ютерну програму для визначення параметрів спіральноукладенних ОВ з компенсацією ХД [6]. У роботі [10] виконано аналіз перетворювача на основі анізотропного фотопружного ОВ. В роботах [4, 11] отримано умови поділу потужності оптичного сигналу.

Апробація результатів роботи. Основні наукові результати і положення дисертації доповідалися та всебічно обговорювалися на 6 міжнародних, науково-практичних і науково-технічних конференціях [7 - 12].

Публікації. За результатами досліджень, викладених в дисертації, опубліковано 12 наукових праць, серед яких: 5 статтей у провідних виданнях згідно з переліком, що затверджений ВАК України (3 у співавторстві); 1 авторське свідоцтво на твір (у співавторстві); 6 публікацій в збірниках праць міжнародних, державних конференцій (3 у співавторстві).

Структура і зміст роботи. Робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 162 сторінок друкованого тексту, дисертація містить 41 рисунок на
34 сторінках, 14 таблиць на 18 сторінках, список використаних джерел нараховує 117 найменувань на 11 сторінках, додатки на 7 сторінках.

Основний зміст дисертаційної роботи

У вступі розкрито суть та сучасний стан проблеми. Наведено основні положення дисертаційної роботи, обґрунтовано її актуальність та значущість для розвитку галузі зв'язку і виробництва засобів зв'язку, установлено мету роботи та низку вирішуваних завдань, надано її наукову новизну, наведено інформацію про особистий внесок здобувача та результати, отримані у співавторстві, апробацію та впровадження результатів роботи.

У першому розділі дисертації виконано короткий огляд літературних джерел за темою дослідження, описано основні етапи розвитку ВОСП, найбільш значимі досягнення та задачі, що потребують розв'язання для розвитку даної галузі. Розглянуто характеристики та параметри передавання ОВ. Оцінено можливість та доцільність використання анізотропних компонентів для нівелювання впливу ХД сигналу в ВОЛП, для виконання розділення оптичних сигналів за довжинами хвиль.

На основі даного аналізу виконано постановку завдання, установлені невирішені задачі, розв'язання яких дозволить досягти поставленої в дисертації мети та поліпшити характеристики і параметри передачі ОВ, реалізувати пристрої ВОСП: компенсатори дисперсії, направлені відгалужувачі з поділом сигналів за довжинами хвиль.

У другому розділі розглянуті ОВ, що володіють анізотропними властивостями: спіральноукладені одномодові ОВ (СОМОВ) та ОВ з ВОМС.

Установлено, що діелектричні властивості даних ОВ залежать від напряму поширення електромагнітної хвилі, її поляризації, мають тензорний характер, що призводить до подвійного променезаломлення: має місце поширення двох хвиль зі взаємоортогональними поляризаціями - звичайної та незвичайної.

Надання ОВ спіральної траєкторії досягається шляхом намотування ОМ, до складу якого входить дане ОВ, на циліндр постійного радіуса (R) з дотриманням кроку (р) спіралі за НКУ. Дана конструкція представлена на рис. 1. Надання мікроструктурі скла обертальності досягається шляхом дії на ОВ, коли воно знаходиться в гарячому стані (в процесі виготовлення) обертального електромагнітного поля, яке повертає вісі молекул та мікрокристалів ОВ уздовж силових ліній прикладеного поля. Структура ОВ з ВОМС представлена на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Виконано дослідження залежності елементів тензора діелектричної проникності даних ОВ від координати х в обертальній декартовій системі координат (залежність елемента еzz від х показано на рис. 3) та від координати ц в обертальній циліндричній системі координат (залежність елементу еzz від ц показано на рис. 4) для оптичного сигналу з довжиною робочої хвилі із четвертого вікна прозорості (1,565 … 1,625 мкм). Для інших довжин хвиль дана залежність носить такий самий характер, відмінність полягає лише в числових значеннях еzz. Згідно з результатами розрахунків, розподілення еzz є асиметричним, має місце збільшення даного елемента тензора в області ц близьких до 180є.

У вигнутому ОВ існують наступні види дисперсії: ПД, зумовлена анізотропією ОВ і, як наслідок, різницею фазо- вих коефіцієнтів поши- рення та хвиль та відповідно; матеріальна дисперсія (МД), зумовле- на частотною залежністю () діелектричних влас- тивостей матеріалу ОВ; хвилевідна дисперсія (ХВД), зумовлена частот- ною залежністю кожного із фазових коефіцієнтів поширення даних хвиль у місці вигинання ОВ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Надання фотопружності упорядкованості в просторі дозволить установити визначену орієнтацію структури скла ОВ. Спостерігається зменшення впливу неоднорідностей на ПД. У даному випадку відбувається суттєве зростання ролі погонної ПД, викликаної анізотропією, що обумовлена різницею групових швидкостей поширення та хвиль у СОМОВ та ОВ з ВОМС .

Зважаючи на те, що фазові коефіцієнти поширення у фотопружному ОВ для звичайної та незвичайної хвиль залежать від параметрів кривизни та кручення ОВ, то регулюючи значення погонної ПД (1) шляхом підбору кроку р та радіуса R спірального укладання, змінюємо і поляризацію хвилі, що приймається.

Установлений зв'язок між елементами метричного тензора та тензора діелектричної проникності дозволяє шляхом надання параметрам скручення СОМОВ (р та R) визначених значень, досягти необхідних діелектричних властивостей ОВ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

У третьому розділі дисертації виконано аналіз впливу фотопружності на перехідні затухання, що виникають унаслідок обміну потужностями між основними та хвилями у СОМОВ та на погонну ПД. Для оцінки впливу фотопружності використано параметр .

Установлено зв'язок між А та елементами тензора діелектричної проникності в циліндричній системі координат для звичайної та незвичайної основних хвиль:

, (1)

де - діелектрична проникність ізотропного ОВ; - радіус модового поля, мкм; - координата обертальної циліндричної системи, вибирається рівною куту поляризації хвилі, що розглядається (звичайної або незвичайної ), рад.

, (2)

, (3)

. (4)

Розрахунки елементів , , проведені для координати , що дорівнює куту , для трьох довжин хвиль четвертого вікна прозорості - 1,565 мкм, 1,595 мкм та 1,625 мкм, матеріал серцевини ОВ - 100 % SiO2, радіус спіралі R = 2 мм, представлені в виді графіків на рис. 5 та рис. 6.

Проведено дослідження обміну потужностями між та хвилями у СОМОВ, суть якого полягає в наступному: після проходження сигналом довжини ОВ, що дорівнює mо1 (m - ціле число, о1 - напівдовжина ділянки биття) частина потужності із хвилі перекачується в хвилю, а частина потужності із хвилі перекачується в хвилю, при m = 1, 3, 5, ... домінуючою є величина потужності, що перекачується із хвилі в (характеризується параметром ), при m = 2, 4, 6, ... переважає потужність, що перекачується із хвилі в (характеризується параметром ).

На рис. 7 показано залежність від А. Результати наступні: при А = 0, ... ,0,487 та А = 0,986, ... ,2,308 перехідні затухання відсутні; при А = 0,487, ... ,0,553 та А = 2,307, ... ,2,975 більша частина потужності перекачується у хвилю; при А = 0,553, ... ,0,986 та А > 2,975 домінує потужність, що перекачується в хвилю. Установлено можливість регулювання величинами потужностей та хвиль шляхом підбирання параметра А. Розроблений метод поділу потужності сигналу може бути взятий за основу реалізації направлених відгалужувачів ВОСП.

У СОМОВ має місце погонна ПД. У результаті проведених досліджень отримано формулу для розрахунку різниці фазо- вих часів поширення та хвиль (), що має вид:

 (5)

де - коефіцієнти, значення яких залежить від складу скла серцевини ОВ; л - довжина робочої хвилі, мкм; с - швидкість світла у вакуумі, км/с; r - поточна координата циліндричної системи, мм; R - радіус спіралі, в яку укладене ОВ, мм.

За виразом (5) виконано розрахунок для матеріалу чистого кварцу, довжина хвилі - 1,565 мкм. Графік залежності (с/км) представлений на рис. 8. Як видно із графіка, у діапазоні значень А = 0, … ,0,618 групова швидкість хвилі більша за групову швидкість хвилі, при А > 0,618 переважає групова швидкість хвилі. При збільшенні А, величина буде наближатися до нуля, тому що при цьому СОМОВ за характеристиками наближається до ІОВ.

Як свідчать розрахунки, значення зростає зі збільшенням довжини хвилі сигналу. Результати розрахун- ку для серцевини ОВ із 100 % SiO2, представлені на рис. 9, значення А = 0,553, оскільки при цьому виконується рівність між перехідними затуханнями на довжині биття. Оскільки погонна ПД приймає як додатні, так і від'ємні значення та залежить від А, то надається можливість вико- рискання даного явища для корекції та компенсації хроматичної дисперсії (ХД) сигналу. Важливо зазначити, що розмірність величини , що розраховується за виразом (5), відповідає розмірності погонної ХД (с/км), що дозволяє визначати сумарну дисперсію сигналу як суму зазначених двох величин. На рис. 10 представлено характер впливу на форму імпульсу інформаційного сигналу: б) погонної ПД () у СОМОВ при А = 0, ... ,0,487, А = 0,986, ... ,2,308 (обмін потужностями між і хвилями відсутній); в) у СОМОВ при А = 0,618, ... ,0,986, А = 2,307, ... ,2,975 (присутній обмін потужностями, хвиля випереджує ); г) у СОМОВ при А = 0,487, ... ,0,618 (присутній обмін потужностями, хвиля випереджує ); д) в ОВ з ВОМС у разі від'ємного значення, або у СОМОВ при А > 2,975 (перекачування потужності відбувається із хвилі в ); е) в ОВ з ВОМС у разі додатнього значення.

Визначено вираз для розрахунку в ОВ з ВОМС:

(6)

Отримано залежності (с/км) від р, що представлені на рис. 11. ПД при координаті ц, що дорівнює це є від'ємною, при збільшенні р величина зменшується, що пояснюється зменшенням різниці фазових коефіцієнтів поширення хвиль і . Залежність для 100 % SiO2 від координати ц представлена у виді кругової діаграми на рис. 12 ( р = 4,5 мкм). У результаті визначено області ц з додатніми, від'ємними та нульовими значеннями .

Четвертий розділ дисертації присвячений використанню установлених залежностей впливу фотопружності на діелектричні властивості ОВ та особливості розповсюдження сигналів у СОМОВ та ОВ з ВОМС для реалізації направлених відгалужувачів ВОСП та ОВ з компенсацією ХД.

Запропоновано конструкцію направленого відгалужувача з розділенням оптичних сигналів за довжинами хвиль на основі електромагнітного зв'язку між трьома ОВ (рис. 13), одне із яких (а) анізотропне за рахунок ВОМС, два (b та с) - ІОВ. Оптичний сигнал довжини хвилі л надходить на вхід ОВ , довжиною (Саb, Сас - коефіцієнти електромагнітного зв'язку між ОВ -b та а-с відповідно), на ділянці крок скручення ВОМС ОВ а дорівнює р1, на ділянці - р2. Паралельно ОВ уздовж відстані розташовано два ІОВ b та с. В залежності від значення л визначається напрямок передачі сигналу: при л = л1 сигнал поширюється по ОВ ; при л = л2 хвиля переходить за рахунок електромагнітного зв'язку із ОВ в ОВ b; при л = л3 хвиля переходить із ОВ в ОВ с. Кроки скручення ВОМС ОВ p1 і p2 вибрано таким чином, щоб виконувалась умова:

 (7)

де , , - фазові коефіцієн- ти поширення для хвилі в ОВ при довжинах хвиль л1 , л2, л3 відповідно, рад/км; , , - фазові коефіцієнти поширення в ОВ b при довжинах хвиль л1, л2, л3 відповідно, рад/км; , , - фазові коефіцієнти поширення в ОВ с при довжинах хвиль л1, л2, л3 відповідно, рад/км.

Визначено формули для розрахунку параметрів р1 та р2:

(8)

де r1 - довжина нормалі між осями ОВ а та b, мкм; r2 - довжина нормалі між осями ОВ а та с, мкм; , - діелектричні проникності ОВ без урахування фотопружності для робочих довжин хвиль л2 та л3 відповідно; - діелектрична проникність ОВ b при довжині хвилі л2; - діелектрична проникність ОВ с при довжині хвилі л3.

Для посилення електромагнітного зв'язку, в місці дотику ОВ в ОВ , b та с виконано стісування оболонок уздовж ОВ на глибину dзр. Умова передачі всієї потужності хвилі з ОВ з ВОМС в ІОВ b на ділянці Zзв має вид:

(9)

де - хвильове число уздовж осі y; - хвильове число уздовж осі z; - показник експонентного спаду поля поза серцевиною вздовж осі y; m - ширина каналу, мкм; l - відстань між каналами, мкм; - діелектрична проникність для хвилі ОВ а. Отримано розрахункові вирази даних величин:

(10)

де Zзв - довжина ділянки у місці дотику ОВ, на якому має місце перехід потужності з анізотропного ОВ в ІОВ, мкм.

(11)

, (12)

(13)

(14)

(15)

де n2b - показник заломлення оболонки ІОВ b.

Ліва частина першого рівняння (9) визначає значення коефіцієнта Cab за якого відбувається передача всієї потужності хвилі з ОВ в ОВ b на ділянці Zзв; права - реальне значення Cab за вибраних параметрів ОВ, кроку скручення ВОМС та глибини стісування dзр.

Введено поняття коефіцієнта передачі за потужністю із ОВ з ВОМС в ІОВ:

(16)

Фізична суть Kab полягає в частці потужності, що перетікає з ОВ а в ОВ b на довжині Zзв. На рис. 14 представлено залежність Kab від глибини стісування ОВ (dзр). Як видно, при dзр = 62,4 мкм відбувається передавання четвертої частини потужності оптичного сигналу з ОВ а в ОВ b.

Як свідчать результати обчислень, параметри електро- магнітного зв'язку залежать як від діелектричних властивос- тей ОВ, так і від глибини стісування.

Шляхом впливу штучно створеної ПД у СОМОВ та ОВ з ВОМС отримано можливість досягнення збільшення тривалості імпульсу сигналу до необхідної величини, що може бути покладено в основу розробки конструкцій ОК з компенсацією від'ємної ХД.



При розв'язанні поставле- ної задачі були прийняті наступні положення та припущення:

а) конструктивні та технологічні рішення при розробці та виготовленні ОК забезпечують рівність довжин ОВ та ОМ;

б) зменшення довжини ОВ у запропонованій конструкції ОМ не вплине на механічну міцність кабелю по розтягувальних зусиллях за рахунок:

– зменшення кроку скручення ОМ;

– надання більшої стійкості силовим елементам ОК до розтягувальних зусиль.

Отримано рівняння компенсації хроматичної дисперсії у СОМОВ:

(17)

де - ширина спектра оптичного випромінювача передавального оптичного модуля, нм; M(л), H(л) питомі МД та ХВД відповідно, с/(км·нм);

Підбиранням R та p є можливість досягти виконання умови (17) і в результаті виконується компенсація ХД. На рис. 15 показано залежність сумарної погонної дисперсії від А при л = 1,565 мкм для СОМОВ наступного складу: серцевина - 4,1 % GeO2, 95,9 % SiO2; оболонка - 1 % F, 99 % SiO2. Як видно з рис. 15, умова (17) досягається при А = 0,553 та А = 0,728. При А = 0,618 ПД відсутня і ХД дорівнює сумі МД та ХВД дисперсій.

Складено рівняння ком- пенсації ХД в ОВ з ВОМС:

(18)

Шляхом підбирання значення кроку ВОМС р для виконання умови (18), досягається нульова дисперсія сигналу. На рис. 16 представлено графік залежності сумарної погонної дисперсії в ОВ з ВОМС від р для ОВ наступного складу: серцевина - 13,5 % GeO2, 86,5 % SiO2; оболонка - 1 % F, 99 % SiO2, л = 1,565 мкм. Як видно із графіка рис. 16, при р = 46,5 мкм, виконується умова (18).

У п'ятому розділі проведено комп'ютерне моделювання запропонованих методів.

Розроблено програму моделювання ОВ, що забезпечує нульову ХД. Метою є отримання залежностей дисперсії від параметрів скручення ОВ та визначення оптимальних значень даних параметрів, за яких досягається компенсація ХД за рахунок ПД. Вхідні дані моделі: склад серцевини та оболонки ОВ (вводяться коефіцієнти ряду Селмейєра Аі та li , які відповідають складу скла ОВ); довжина хвилі сигналу л, мкм; ширина спектра джерела випромінювання Дл, нм; значення сумарної погонної дисперсії сигналу, яке необхідно досягти, пс/км; межі діапазону радіуса та кроку спіралі, в яку укладається ОВ Rmin - Rmax та рmin - рmax, мм (у випадку СОМОВ); межі діапазону кроку ВОМС рmin - рmax, мм (у випадку ОВ з ВОМС).

Результатом моделю- вання є вихідні дані: вивід результату можливості досягнення необхідного значення сумарної погонної дисперсії сигналу; значення радіуса серцевини ОВ а, мкм; значення параметрів скручування ОВ, за яких досягається необхідне зна- чення сумарної дисперсії сигналу: параметра А, радіуса R та кроку р спіралі, мм (у випадку СОМОВ); значення кроку скручення ВОМС р, за якого досяга- ється вказане значення сумарної дисперсії, мм (у випадку ОВ з ВОМС); значення погонної ХД Dхр, пс/км; значення різниці фазових швидкостей поширення та хвиль Дф1, пс/км; графік залежності сумарної дисперсії від ступеня впливу фотопружності.

Представлено моделювання направленого відгалужувача ВОСП, принцип дії якого грунтується на застосуванні електромагнітного зв'язку між ОВ з ВОМС та двома ІОВ. Метою є отримання умов, за яких можлива реалізація направленого відгалужувача з заданими характеристиками.

Вхідні дані: матеріал скла ОВ з ВОМС а (однорідне), матеріали серцевин та оболонок ІОВ b, с (вводяться коефіцієнти ряду Селмейєра Аі та li); радіуси серцевин ОВ b та с, мкм; довжини хвиль сигналів, л1, л2, л3, які знімаються з виходів ОВ а, b та с відповідно, мкм.

Вихідні дані: результат можливості реалізації направленого відгалуджувача ВОСП при заданих вхідних даних; коефіцієнти передачі потужності Кab та Kac з ОВ а в ОВ b та з ОВ а в ОВ с відповідно; глибина стісування ОВ а та b на ділянці електромагнітного зв'язку, dзрab, мкм; глибина стісування ОВ а та с на ділянці електромагнітного зв'язку, dзрaс, мкм; довжина ділянки, на якій необхідно розмістити паралельно ОВ а та b для передачі 100 % потужності оптичного сигналу з довжиною хвилі л2, zзвab, мкм; довжина ділянки, на якій необхідно розмістити паралельно ОВ а та с для передачі 100 % потужності оптичного сигналу з довжиною хвилі л3, zзвaс, мкм; крок скручення ВОМС на ділянці zзвab, р1, мкм; крок скручення ВОМС на ділянці zзвaс, р2, мкм.

Для виконання даних програм використано мову програмування Matlab 7.

В результаті моделювання отримав підтвердження метод визначення параметрів скручення ОВ для досягнення компенсації дисперсії та для реалізації направлених відгалужувачів з розподіленням сигналів за довжинами хвиль.

Основні результати та висновки

У дисертації виконано постановку, дослідження та розв'язання наукової задачі - мінімізація дисперсії сигналу в ВОЛП та просторове розділення оптичних сигналів за довжинами хвиль. Результатами роботи є отримання методів визначення параметрів спірального укладання ОВ, визначення кроку обертання ВОМС для забезпечення нульової дисперсії при заданій довжині хвилі, визначення кроку обертання ВОМС та параметрів електромагнітного зв'язку між анізотропним ОВ з ВОМС та ІОВ за яких виконується просторове розведення сигналів за довжинами хвиль.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Установлено зв'язок між елементами тензора діелектричної проникності СОМОВ та параметром А, завдяки чому є можливість досягти необхідної асиметрії діелектричних властивостей ОВ шляхом підбирання радіуса R та кроку р спіралі.

2. Досліджено перехідні затухання між та хвилями у СОМОВ та визначено параметри спірального укладання ОВ, за яких домінує потужність зв'язку тієї чи іншої хвилі, за яких досягається рівність між даними видами поляризаційних втрат.

3. На основі досліджень електромагнітного зв'язку між ОВ з ВОМС та ІОВ отримано метод поділу потужності сигналу шляхом виведення і (або) хвилі з ОВ з ВОМС в ІОВ. У залежності від довжини хвилі сигналу, що надходить на вхід ОВ з ВОМС, визначається подальший напрямок його передавання: сигнал або поширюється по ОВ з ВОМС, або переходить за рахунок електромагнітного зв'язку в ІОВ. У роботі наведено параметри електромагнітного зв'язку, кроку ВОМС для низки складів ОВ, які взяті за основу конструювання направлених відгалужувачів ВОСП.

4. Розроблено метод штучного створення, шляхом укладання ОВ за НКУ в спіральну лінію визначеного кроку р та радіуса R, ПД та обґрунтовано доцільність використання різниці фазових часів поширення та хвиль для корекції (компенсації) ХД. Зменшення тривалості імпульсу сигналу під впливом ХД компенсується збільшенням його тривалості за рахунок ПД, в результаті тривалість імпульсу на виході СОМОВ дорівнює його тривалості на вході.

5. Розроблено метод визначення кроку ВОМС для забезпечення нульової дисперсії при заданій довжині хвилі сигналу, використання якого при виробництві ОК дозволить досягти відсутності впливу ХД.

Використання ОК з параметрами скручення ОВ, за яких досягається компенсація ХД, дозволить розширити смугу пропускання ВОЛП, зменшити кількість регенераторів уздовж траси ОК, що призведе до підвищення надійності та зменшення витрат на технічну експлуатацію ВОСП. Також перевагою даного способу нівелювання впливу ХД є те, що він заснований на пасивних компонентах, тобто не вимагає додаткового живлення та обладнання. Єдиною умовою є надання при виготовленні ОК необхідних кроку та радіусу скручення ОВ (у випадку СОМОВ), кроку ВОМС (у випадку ОВ з ВОМС).

6. Отримала підтвердження в ході проведеного моделювання ефективність використання розбіжностей фазових швидкостей поширення та хвиль для компенсації від'ємної за знаком ХД. Отримані моделі СОМОВ та ОВ з ВОМС дозволяють передбачити значення сумарної дисперсії сигналу на основі таких даних, як склад ОВ, параметри фотопружності, параметри сигналу.

7. Метод визначення умов, за яких досягається реалізація направленого відгалуджувача ВОСП з частотним розділенням сигналів, була взята за основу при моделюванні електромагнітного зв'язку між ОВ з ВОМС та ІОВ. У результаті моделювання підтверджено можливість використання даного виду анізотропії для поділу сигналів за довжинами хвиль.

Основні роботи, опубліковані за темою дисертації

1. Одинцов Н.Н. Исследование анизотропии волоконных световодов, изогнутых по спирали /Н.Н. Одинцов, О.М. Стащук// Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2008. - № 1. - С. 63 - 66. (Особистий внесок - отримав розрахункові вирази елементів тензора діелектричної проникності через параметри спірального укладання ОВ).

2. Одинцов Н.Н. Исследование поляризационной дисперсии волоконных световодов, изогнутых по спирали /Н.Н. Одинцов, О.М. Стащук// Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2008. - № 2. - С. 40 - 44. (Особистий внесок - запропонував та розробив методику розрахунку поляризаційної дисперсії у СОМОВ).

3. Стащук О.М. Компенсація внутрішньомодової дисперсії в анізотропному фотопружному оптичному волокні /О.М. Стащук// Вісник Хмельницького Національного Університету. - 2009. - № 4. - С. 230 - 233.

4. Стащук О.М. Использование свойств метрической анизотропии для реализации направленных ответвителей в волоконно-оптических системах передачи /О.М. Стащук, Н.Н. Одинцов, Ю.С. Черкашина// Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2010. - № 1. - С. 115 - 122. (Особистий внесок - визначив умову рівного поділу потужностей звичайної та незвичайної хвиль з їх просторовим розведенням у СОМОВ та ОВ з ВОМС).

5. Стащук О.М. Вплив асиметрії діелектричних властивостей анізотропного фотопружного оптичного волокна на поляризаційні втрати оптичного сигналу /О.М. Стащук// Вісник Хмельницького Національного Університету. - 2010. - № 4.

6. Комп'ютерна програма “Оптимізація параметрів конфігурації напрямної системи”. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір України № 36616 О.М. Стащук, М.М. Балан, Ш. Г. Іскендерзаде, С.В. Хомич // Дата реєстрації 20.01.2011. (Особистий внесок - розробив алгоритм та окремі підпрограми комп'ютерної програми, що визначає параметри СОМОВ з компенсацією ХД).

7. Стащук О.М. Частотноизбирательные фильтры и направленные ответвители на основе двойного лучепреломления в анизотропной среде /О.М. Стащук// Сенсорна електроніка «Сенсор-2009», 01 - 04 чер. 2009 р.: тези доп. - Одеса, 2009. - С. 61 - 62.

8. Стащук О.М. Рівномірне розподілення потужності оптичного сигналу на основі подвійного променезаломлювання в фотопружному анізотропному середовищі /О.М. Стащук// Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПРТ-2009), 08 - 10 жовтня 2009р.: тези доп. - Вінниця, 2009. - С. 25.

9. Lesovoy I. Compensation Modal Dispersions Optical Fiber by Rotation Ranked Glass Microstructure /I. Lesovoy, N. Odintsov, O. Staschuk// Хth International Conference TCSET'2010 “Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science”, -february 23 - 27, 2010. - Lviv - Slavske, Ukraine, 2010. - S. 152. (Особистий внесок - отримав рівняння компенсації внутрішньомодової дисперсії в ОВ з ВОМС).

10. Одинцов Н.Н. Анализ преобразователя на основе анизотропного самофокусирующегося оптического волокна /Н.Н. Одинцов, О.М. Стащук// 64-та наук.-тех. конф. проф.-викл. складу, науковців, мол. вчених, асп. та студ., 1 - 4 груд. 2009 р.: тези доп. - Одеса, 2009. -
C. 28 - 29. (Особистий внесок - обґрунтував доцільність використання властивостей анізотропного ОВ для перетворення мод багатоходового ОВ в основну моду та перехід на одномодовий режим передавання).

11. Стащук О.М. Частотно-селективне розділення оптичного сигналу на основі властивостей анізотропного середовища /О.М. Стащук, І.П. Лісовий// Науково-практична конференція «Сучасні проблеми телекомунікацій-2010», 28 - 30 жовтня 2010 р.: тези доп. - Львів, 2010. - С. 101 - 103. (Особистий внесок - визначив умову просторового розведення оптичних сигналів з відмінними довжинами хвиль на основі електромагнітного зв'язку між ОВ з ВОМС та ізотропними ОВ).

12. Стащук О.М. Конструкція волоконно-оптичного кабелю, що забезпечує нульову дисперсію в четвертому вікні прозорості за відсутності поляризаційних втрат оптичного сигналу /О.М. Стащук// 65-та наук.-тех. конф. проф.-викл. складу, науковців, асп. та студ., 6 - 9 груд. 2010 р.: тези доп. - Одеса, 2010.

Анотація

Стащук О. М. Оптичні волокна в режимі фотопружної анізотропії та їх застосування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.20 - оптоелектронні системи. - Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Одеса, 2010.

Дисертація присвячена вирішенню науково-практичних задач - з розробки методів забезпечення нульової дисперсії сигналу та реалізації направлених відгалужувачів волоконно-оптичних систем передавання (ВОСП) на основі фотопружних анізотропних оптичних волокон (ОВ).

Розроблено та обґрунтовано спосіб компенсації хроматичної дисперсії за рахунок поляризаційної в ОВ, що піддані впливу механічних напруг, обумовлених укладанням ОВ у спіральну лінію постійного кроку та радіуса і ОВ з впорядкованою обертальною мікроструктурою скла.

Вперше розроблено спосіб розрахунку параметрів ОВ з впорядкованою обертальною мікроструктурою скла для просторового розведення оптичних сигналів з відмінними довжинами хвиль на основі електромагнітного зв'язку між даним ОВ та ізотропними ОВ.

Отримано параметри ОВ з нульовою дисперсією сигналу для довжини робочої хвилі четвертого вікна прозорості та направлених відгалужувачів ВОСП.

Ключові слова: оптичне волокно, дисперсія, анізотропія, фотопружність.

Аннотация

Стащук О. М. Оптические волокна в режиме фотоупругой анизотропии и их применение. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.20 - оптоэлектронные системы. - Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова, Одесса, 2010.

Диссертация посвящена решению научно-практических задач - по разработке методов обеспечения нулевой дисперсии сигнала волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) и реализации направленных ответвителей волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) на основе фотоупругих анизотропных оптических волокон (ОВ).

Сегодня имеет место существенное повышение требований к ВОСП: возростают объем передаваемой ВОЛП информации, скорость передачи, полоса пропускания.

В условиях постепенного роста протяженности ВОЛП возникает необходимость в оптимизации ВОСП: необходимо принимать научные решения как по совершенствованию свойств оптических устройств, так и по минимизации влияния негативных явлений в ВОЛП, которые являются основными ограничивающими факторами на высоких скоростях передачи информации.

Такими факторами являются хроматическая дисперсия, затухание, нелинейные эффекты. При этом существует потребность в увеличении длины регенерационного участка, как за счет использования высококачественных оптических усилителей, так и за счет разработки ОВ с компенсацией хроматической дисперсии.

Внедрение анизотропных компонентов в устройствах ВОСП является перспективным методом повышения качества работы данных элементов. К таким устройствам относятся ОВ, направленные ответвители, поляроиды, модуляторы света и др.

В диссертации сформулированы, исследованы и решены научные задачи обеспечения минимума влияния хроматической дисперсии в ВОЛП и разработки направленных ответвителей ВОСП с разделением сигналов по длинам рабочих волн на основе фотоупругих анизотропных ОВ: ОВ, уложенных в нормальных условиях в спиральную линию постоянного шага и радиуса и ОВ с упорядоченной вращающейся микроструктурой стекла.

Основные научные результаты работы:

а) для минимизации влияния дисперсии сигнала разработаны методы:

- расчета поляризационной дисперсии сигнала и параметров скрутки спиральноуложенных ОВ, при которых обеспечивается нулевая дисперсия сигнала при заданной рабочей длине волны;

- расчета поляризационной дисперсии сигнала и шага вращения микроструктуры стекла для ОВ с упорядоченной вращающейся микроструктурой стекла, при котором обеспечивается нулевая дисперсия сигнала при заданной рабочей длине волны;

б) для реализации направленных ответвителей разработаны методы:

- расчета шага скрутки вращающейся микроструктуры стекла ОВ для обеспечения перехода оптического сигнала из данного анизотропного ОВ в изотропное за счет электромагнитной связи при заданной длине волны;

- расчета параметров электромагнитной связи между анизотропным и изотропными ОВ: коэффициента электромагнитной связи, коэффициента передачи по мощности;

- расчета элементов конструкции направленных ответвителей на основе электромагнитной связи между анизотропным и изотропными ОВ: длину участка, на котором необходимо разместить параллельно данные ОВ, расстояние между осями ОВ.

Предложены параметры спиральной укладки ОВ для обеспечения нулевой дисперсии сигнала для длин волн четвертого окна прозрачности для ряда составов ОВ, конструкции направленных ответвителей на основе электромагнитной связи между ОВ с упорядоченной вращающейся микроструктурой стекла и двумя изотропными ОВ.

Ключевые слова: оптическое волокно, дисперсия, анизотропия, фотоупругость.

Annotation

Staschuk O. M. Optical fiber using photoelastic anisotropy and their application. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.12.20 - Optoelectronic system. - Odessa National Academy of Telecommunications named after O.S.Popov, Odessa, 2010.

The dissertation is devoted to solving scientific problems - from developing methods to ensure zero dispersion signal of directional coupler and fiber optical systems of transmission (FOST) based photoelastical anisotropic optical fibers (OF).

The dissertation way to compensate chromatic dispersion due to polarization in the OF, which are subject to the influence of mechanical stress caused by the conclusion of OF in helix pitch and constant radius and with OF orderly rotating glass microstructure.

For the first time developed a method of calculating the parameters of OF ordered microstructure rotating glass for breeding space optical signals with different wavelengths on the basis of electromagnetic connection between this and isotropic OF.

Zero-dispersion signal for the wave length of the working window transparency and fourth directional coupler had sung a hymn parametrs were got.

Key words: optical fiber dispersion, anisotropy, photoelastic.

Перелік умовних скорочень

ВОСП - волоконно-оптична система передавання;

ВОЛП - волоконно-оптична лінія передавання;

ОВ - оптичне волокно;

НКУ - нормальні кліматичні умови;

ОК - оптичний кабель;

ОМ - оптичний модуль;

СОМОВ - спіральноукладене одномодове оптичне волокно;

ВОМС - впорядкована обертальна мікроструктура скла;

МД - матеріальна дисперсія;

ХВД - хвилеводна дисперсія;

ПД - поляризаційна дисперсія;

ХД - хроматична дисперсія;

ІОВ - ізотропне оптичне волокно.

Размещено на Allbest.ru

...