13.8. Адаптивная компенсация хроматической дисперсии
Устройство адаптивной компенсации дисперсии ОВ включает управляемый модуль компенсации, модуль измерения и модуль управления. Известно множество вариантов схем построения модуля измерений, базирующихся на оценивании различных параметров сигнала. При реализации оптической адаптивной компенсации обычно измеряют параметры хроматической дисперсии на контрольных частотах (длинах волн). Управляемый модуль компенсации использует один из рассмотренных выше методов с регулируемой компенсацией.
Развитие элементной базы позволило реализовать адаптивные схемы электронной компенсации на скоростях до 10 Гбит/с. Компенсаторы строятся на известных принципах линейной и нелинейной фазовой коррекции. Их отличает экономичность и простота реализации. Они легко встраиваются в схему мультиплексора, но для каждого типа мультиплексора нужна своя схема электронной компенсации дисперсии. С увеличением числа оптических каналов системы суммарные затраты на реализацию такого способа растут.
13.9. Электронные методы компенсации
Несмотря на прогресс оптических технологий, стоимость оптических устройств все еще высока в сравнении с электронными устройствами. Существует два основных электронных способа борьбы с дисперсией на стороне передатчика:
1) Использование форматов модуляции, устойчивых к влиянию дисперсии. Это позволяет увеличить протяженность линии связи без дополнительных компенсаторов дисперсии.
2) Искусственное предыскажение формы передаваемого сигнала таким образом, чтобы на стороне приемника внесенные предыскажения и дисперсия волокна взаимно компенсировались.
Использование форматов модуляции, устойчивых к влиянию дисперсии, является одним из наиболее эффективных способов "электронной" борьбы с дисперсией и нелинейными эффектами в ВОЛС.
Применяются также предкомпенсация дисперсии путём искусственного искажения формы сигнала и электронная посткомпенсация, которая заключается в том, что оптический сигнал преобразуется в электрический и подвергается некоторой обработке.
14. Понятие о солитонах
14.1. Краткий исторический обзор
1) 1834 г. – английский физик Рассел наблюдал движение оторвавшейся волны от внезапно остановившегося на Темзе судна. Волна двигалась вперёд не изменяясь ни по форме, ни по амплитуде, пока река не совершила поворот.
2) Только в 1895 г. Картвег и де Брие объяснили это явление (теория получила название KdeV).
3) В 1964 году американские учёные Принстон, Забусский и Крускель снова занялись этим явлением и ввели для одиночной волны понятие “СОЛИТОН”
4) В 1971 г. российские учёные Захаров и Шабат на основе решения нелинейного уравнения Шредингера (НУШ) нашли условия существования солитонов в дисперсионной среде.
5) В 1973 г. Хасегава и Тапперт применили решение Захарова и Шабата к оптическому волноводу и заявили о возможности существования солитонов в ВОЛС.
6) В 1980 г. Молленауэр в лаборатории Белла показал существование солитонов в волоконной оптической линии экспериментально.
14.2. Самофокусировка луча
При большой мощности сигнала в волокне возникают нелинейные явления, происходит увеличение коэффициента преломления n, появляется дополнительная часть Δn, зависящая от квадрата напряжённости электрического поля: n + ∆n = n(λ) +∆n(E2).
В результате возникает набег фазы и фазовая самомодуляция φ + ∆φ = (n + ∆n) ∙2πL/λ.
Гармонический сигнал становится самомодулированным: cos(ωt +∆φ) ≈ cosωt∙cos∆φ,
Передний фронт сдвигается в длинноволновую область, а спад в коротковолновую.
Одновременно происходит воздействие на сигнал дисперсии. Так как все компоненты сигнала распространяются с разными скоростями, то сигнал испытывает дисперсию и расплывается – происходит дисперсионная частотная модуляция (возникает чирп). Знак чирпа зависит от величины D = d(1/v)/dλ.
Нелинейная и дисперсионная модуляции складываются. Если расширение в результате
дисперсии компенсируется самомодуляцией в результате нелинейных явлений, то происходит самофокусировка, и сигнал не изменяется, проходя очень большое расстояние. Возникает солитон.
Форма солитона - это огибающая импульса, определяемая балансом дисперсионного рассеивания и самосжатием из-за нелинейности. Солитон – локализованное возмущение однородной или пространственно-периодической среды, волна или волновой пакет при совместном действии отрицательной дисперсии и нелинейных эффектов. Солитон может распространяться на тысячи километров без изменения формы и может сохраняться даже при столкновении с другими солитонами (как твёрдая частица).
Аналогией солитона могут служить:
1) Летящая стая перелётных птиц: сильные птицы летят впереди, рассекая воздух; слабые летят сзади с меньшим сопротивлением воздуха. Солитоны содержат много компонент, которые перемещались бы с разными скоростями, если бы были независимыми.
2) Так же перемещаются велосипедисты на треке или группы бегунов.
3) Группа бегунов на мягком полу с прогибом. Пол прогибается под действием веса бегущих, при этом сильные всегда бегут вверх, а слабые – вниз (рис.14.1). Это проявление среды.
Рис.14.1. Группа бегунов на мягком полу с прогибом
Формированию солитонов можно помочь, если в линию направляется заранее частотно-модулированный сигнал, или, как говорят, чирпированный. Чирп – это частотная модуляция в пределах импульса (рис.14.2). При взаимодействии положительного чирпа и отрицательной дисперсии импульс стремится сохранить свою форму.
Рис.14.2. Виды частотной модуляции импульса (чирпа).
Если большая мощность сигнала создаёт фазовую самомодуляцию, то подбором дисперсии можно скомпенсировать искажение. Чтобы найти баланс воздействий – нужно решить НУШ. Решения Захарова и Шабата показали, что существует фундаментальный солитон 1-го порядка и солитоны более высокого (N-го) порядка. Решения имеют вид гиперболического секанса
U = sech(t)∙e-iz/2 (14.1).
Если световой импульс имеет Гауссову форму и распространяется в среде с дисперсией, то он также принимает форму гиперболического секанса. Солитоны N- го порядка U(t) = N sech(t) возникают при очень больших мощностях сигнала, при этом мощность пропорциональна квадрату порядка Р ~ N2.
Форма солитонов может меняться на длине периода L, но возвращаться к исходной форме (рис.14.3).
Рис.14.3. Изменение солитонов по длине линии.