Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы нелинейной волоконной оптики. Учебно-методическое пособие
.pdf
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
В. А. Варданян
Основы нелинейной волоконной оптики
Учебно-методическое пособие
Новосибирск
2022
УДК 621.396.4
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент профессор кафедры инфокоммуникационных систем и сетей
СибГУТИ, д.т.н., профессор В.П. Шувалов
Варданян В. А. Основы нелинейной волоконной оптики : учебнометодическое пособие / Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики ; кафедра фотоники в телекоммуникациях.
– Новосибирск, 2022. – 49 с.
Учебно-методическое пособие предназначено для использования в
качестве основного дидактического материала по выполнению расчетнографической работы и состоит из четырех частей по основным разделам
курса «Основы нелинейной оптики» для подготовки бакалавров и магистров
по направлению «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
профиля «Оптические системы и сети связи». Учебно-методический
материал предполагает наличие у студентов базовых знаний по курсу
физической и квантовой оптики, волноводной фотоники, физическим
основам оптической связи, а также основ построения оптических
телекоммуникационных систем.
Данное пособие можно использовать как практикум, так как формулы,
приведенные для расчетов, применимы для закрепления пройденного
теоретического материала на практических занятиях или при
самостоятельной подготовке студентов.
Учебно-методическое пособие может быть полезно научным работникам,
занимающимся данной тематикой, и специалистам в области волоконнооптических систем связи.
В конце пособия приводится список литературы.
© Варданян В.А., 2022
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2022
2
Оглавление
Список принятых условных обозначений и сокращений ................................... 4
Введение ................................................................................................................... 5
Основные требования к выполнению и правила оформления расчетно-
графической работы ................................................................................................ 7
I часть. Техническое задание по исследованию влияния нелинейности среды
на оптические импульсы ........................................................................................ 9
Методические указания по выполнению заданий I части ................................ 11
II часть. Техническое задание по исследованию влияния фазовой
самомодуляции на распространение по волокну оптических импульсов ....... 17
Методические указания по выполнению заданий II части ............................... 18
III часть. Техническое задание по исследованию влияния четырехволнового
смешения на спектрально-уплотненные каналы в ВОСП-WDM ..................... 24
Методические указания по выполнению заданий III части .............................. 25
IV часть. Техническое задание по исследованию влияния вынужденного
комбинационного рассеяния Рамана на спектрально-уплотненные каналы
ВОСП-WDM .......................................................................................................... 34
Методические указания по выполнению заданий IV части ............................. 36
Заключение ........................................................................................................... 42
Приложение 1 ........................................................................................................ 43
Приложение 2 ........................................................................................................ 44
Приложение 3 ........................................................................................................ 45
Приложение 4 ........................................................................................................ 46
Приложение 5 ........................................................................................................ 47
Список литературы ............................................................................................ 48
3
Список принятых условных обозначений и сокращений
ВКР – Вынужденное комбинационное рассеяние Рамана.
ВОСП – Волоконно-оптическая система передачи.
ФСМ – Фазовая самомодуляция.
ЧВС – Четырехволновое смешение.
DCF – Dispersion Compensating Fibers (волокно с компенсацией дисперсии).
DEMUX – Demultiplexer (демультиплексор).
DSF – Dispersion-shifted fiber (волокно со смещенной дисперсией).
DWDM – Dense Wavelengths Division Multiplexing (мультиплексирование по
длине волны высокой плотности).
FWM – Four Wave Mixing (четырехволновое смешение).
ITU-T – International Telecommunication Union – Telecommunication sector,
(Международный союз электросвязи – сектор Телекоммуникации).
MUX – Multiplexer (мультиплексор).
NZDF – Non-Zero Dispersion Fiber (волокно с нулевой смещенной
дисперсией).
PSCF – Pure-Silica-Core Fiber (волокна с сердцевиной из чистого кварца).
Rx – Оптический приемный модуль.
SRS – Stimulated Raman Scattering (вынужденное комбинационное рассеяние
Рамана).
SSMF – Standard Single Mode Fiber (стандартное одномодовое волокно).
Tx – Оптический передающий модуль.
WDM – Wavelengths Division Multiplexing (разделение по длинам волн).
4
Введение
До появления лазеров не имело смысла говорить о зависимости
оптических характеристик среды от интенсивности световой волны.
«Долазерная» оптика предполагала независимость параметров среды от
интенсивности света, проходящего через данную среду, так как
напряженность оптического поля была значительно меньше внутриатомной
напряженности поля среды. Кроме этого, в «долазерную эпоху»
электромагнитная шкала излучения оптического диапазона и радиодиапазона
существенно отличались по когерентности. В радиодиапазоне существовали
достаточно когерентные колебания, а световые монохроматические
колебания были пока только в теории. С появлением лазеров такие свойства
света, как когерентность и интенсивность, позволили открыть новые
направления в оптике, одно из которых – нелинейная оптика. Появление
оптического волокна с малыми потерями и создание полупроводниковых
лазерных источников и приемников излучения дали толчок бурному
развитию волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). На начальном
этапе развития ВОСП «транспортную» среду – оптоволокно можно было
рассматривать как линейную систему, так как по нему передавались сигналы
достаточно малой мощности. С развитием техники и технологии в области
компонент ВОСП по оптоволокну начали передавать одновременно сигналы
от разных источников информации на разных длинах волн, формируя, таким
образом, спектральные каналы. Такие системы называют ВОСП со
спектральным уплотнением или ВОСП-WDM (WDM – Wavelengths Division
Multiplexing). Структурная схема ВОСП-WDM показана на рис. В.1.
Заметим, что данная структурная схема передачи предназначена для
организации связи в одном направлении. Для организации двусторонней
передачи необходимо использовать второе оптическое волокно и обеспечить
оконечные пункты возможностью уплотнения (MUX –
мультиплексирования) и разделения (DEMUX – демультиплексирования).
Рис. В.1 – Структурная схема ВОСП-WDM
5
Увеличение количества спектральных каналов и уменьшение шага в
спектре расположения каналов позволяют увеличивать пропускную
способность ВОСП-DWDM (Dense, от англ. плотное WDM) [10]. Однако с
увеличением суммарной мощности в оптическом волокне появляются
нелинейные явления, т.к. суммарная интенсивность от многих источников
излучения получается достаточно большой по величине и
сконцентрированной на малой площади внутри сердцевины волокна
(~ 80·10
-12
мкм2) – такая концентрация сохраняется на многокилометровых
длинах волокна. В данном пособии рассматриваются некоторые виды
нелинейных явлений, возникающих в ВОСП-WDM.
В I части даются понятия об оптической нелинейности и
поляризационных свойствах среды. Во II части рассматриваются вопросы
фазовой самомодуляции световых волн в оптическом волокне. Сравнивая это
явление с явлением уширения импульсов из-за хроматической дисперсии
волокна (линейное явление), можно прийти к заключению, что при
определенных условиях в волокне могут существовать солитоны – волны, у
которых временные и спектральные характеристики сохраняются при
распространении на большие расстояния. Возникновение солитона возможно
при условии полной компенсации явления фазовой самомодуляции и
дисперсии. В III части исследуется четырехволновое смешение, нелинейные
частотные компоненты которого, попадая в полосу пропускания
информационных каналов, уменьшают отношение сигнал/шум. В IV части
исследуется искажение спектра многоканального сигнала из-за
вынужденного рамановского рассеяния в оптическом волокне.
Собранный, доработанный и обобщенный материал в пособии является
уникальным с точки зрения практического применения в учебных целях, так
как с помощью аналитических выражений и графических методов
усваиваются и закрепляются базовые понятия по нелинейной волоконной
оптике в многоканальных системах передачи. Необходимо отметить, что в
учебных целях в объеме курса для упрощения расчетов сделаны допущения и
используются оценочные соотношения. А также в пособии не
рассматриваются вопросы применения этих нелинейных явлений в приборах
и устройствах ВОСП. Более подробные ответы на возникшие вопросы можно
найти в англоязычной литературе, приведенной в списке литературы [11-13].
6
Основные требования к выполнению и правила оформления расчетно-
графической работы
1. Расчетно-графическая работа должны быть аккуратно оформлена,
напечатана на одной стороне листа формата A4 в текстовом редакторе
Microsoft Word с размером шрифта 14, с междустрочным интервалом 1,4.
Это позволит рецензенту делать замечания и указания по тексту работы, а
студенту – вносить исправления по ходу решения задач, а не на
отдельных страницах в конце работы. Содержание текста должно быть
изложено литературным языком, без сокращений, упрощений и т.п.
Первый номер страницы (не нумеруется) присваивается титульному
листу, все остальные нумеруются в той последовательности, в которой
они располагаются по тексту изложения. Расчетно-графическая работа
должна быть сброшюрована или переплетена.
2. Формулы, по которым ведется расчет, должны приводиться в тексте
полностью, с объяснением всех обозначений. При расчетах
рекомендуется использовать физические величины в международной
системе единиц СИ. Однако в некоторых случаях итоговый результат
необходимо представлять в удобном для восприятия виде. Так,
например, в оптическом диапазоне длину волны принято представлять в
микрометрах (мкм) или нанометрах (нм), а не в метрах (м), а оптическую
мощность приводить в милливаттах и дБм. Так как в расчетах
используются достаточно малые или большие по величинам параметры,
то необходимо представлять такие величины в виде экспоненциальной
записи (в виде мантиссы и порядка, например 8,123·10
-20
).
3. При решении задач расчеты следует сопровождать краткими
пояснениями, выводами и оценками. При этом обязательны ссылки на
литературу, из которой заимствованы материалы. Такие ссылки делаются
указанием в скобках номера (без указания страниц, таблиц и рисунков),
под которым значится в списке литературы данный литературный
источник. В конце расчетно-графическая работы необходимо привести
список литературы. Все физические величины и параметры в формулах
должны сопровождаться пояснительным текстом.
4. Графическая часть выполняется с использованием графического
редактора или на миллиметровой бумаге с соблюдением правил черчения
и существующих стандартов с указанием на чертеже всех
характеризующих значений. Так как числовые значения для отображения
в графической части могут иметь малые или большие по величинам
значения, то необходимо масштабировать графический материал так,
чтобы отображались все расчетные значения и не закрывался основной
текст работы. Графический материал должен иметь номер и
подрисуночную надпись.
5. Задания на расчетно-графическую работу составлены по вариантам.
Номер варианта формируется из двух букв «X», «Y» и задается
преподавателем. Номер варианта задания указывается студентом в начале
7
контрольной работы. Необходимо выписать из таблиц исходные
числовые данные соответствующего варианта задания.
6. Расчетно-графическая работа должна содержать:
введение;
расчеты, заполненные таблицы и все графические материалы по
I части;
расчеты, заполненные таблицы и все графические материалы по
II части;
расчеты, заполненные таблицы и все графические материалы по
III части;
расчеты и все графические материалы по IV части;
заключение.
7. Расчетно-графическая работа, выполненная без соблюдения
перечисленных требований, не засчитывается и возвращается для
переработки. Расчетно-графическая работа, выполненная не по своему
варианту, аннулируется.
8
I часть
Вариант X
Параметр
1 2 3 4 5
n
1
1,46
1,5
1,47
1,6
1,48
n2 м2/Вт
2,353·10
-20
0
1,5·10
-20
0
3,5·10
-20
χ
(2) м2/В2
0
3·10
-11
0
1·10
-10
0
Вариант Y
Параметр
1 2 3 4 5
E0 В/м
8·1010
5·1010
2·1011
1·1010
7·1011
λ мкм
1,5
0.75
1,3
0.85
1
T0 фс
5
10
15
10
3
Вид
импульса
Гауссовый
Прямо-
угольный
Синусои-
дальный
Треугольный
Гауссовый
t
E
Техническое задание по исследованию влияния нелинейности среды на
оптические импульсы
Изучите конспект лекций, учебную литературу и с помощью
методических указаний I части выполните следующие пункты согласно
вашему варианту задания. Все необходимые числовые значения параметров
для расчета приведены в табл.1.1 и табл.1.2:
1. По заданным значениям оптического импульса (табл.1.2) рассчитать
зависимость напряженности поля импульса от времени E(t). Заполнить
табл.1.3. Нарисовать зависимость E(t).
2. По заданным значениям оптической среды (табл.1.1) рассчитать
значения поляризации P в зависимости от значений E. Заполнить
табл.1.4. Нарисовать функциональную зависимость P(E).
3. С помощью зависимостей P(E) и E(t) графическим путем найти значения
P(t) и нарисовать функциональную зависимость P(t).
Таблица 1.1 – Параметры оптической среды
Таблица 1.2 – Параметры оптического импульса
Таблица 1.3
9
Продолжение табл.1.3
t
E
E
P
Таблица 1.4
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]