Волоконно-оптическая линия связи с градиентным размещением линейных волоконно-оптических усилителей

Волоконно-оптическая линия связи с градиентным размещением линейных волоконно-оптических усилителей относится к области электросвязи, а именно квантовой радиотехнике и оптической связи, и в частности может быть использовано в волоконно-оптических системах связи. Целью технического решения является повышение достоверности передачи оптического сигнала за счет повышения отношения оптический сигнал/шум на входе фотоприемного устройства при заданном числе волоконно-оптических усилителей и требуемой протяженности волоконно-оптической линии связи. Волоконно-оптическая линия связи с градиентным размещением линейных волоконно-оптических усилителей состоит из источников оптического излучения 1 ₁-1_N, оптического мультиплексора 2, оптического волокна для передачи оптического сигнала 3 ₁-3_м+1, включенных каскадно градиентно размещенных по длине линии линейных волоконно-оптических усилителей 4₁-4м, оптического демультиплексора 5, фотоприемных устройств 6₁-6 _N.

Устройство относится к области электросвязи, а именно квантовой радиотехники и оптической связи, и в частности может быть использовано в волоконно-оптических системах связи.

Известна волоконно-оптическая линия связи по патенту РФ №2081515, МПК Н04В0 10/12, заявл. 22.10.2001 г., позволяющая передавать оптический сигнал по оптическому волокну.

Недостатком данной линии связи является малая протяженность линии передачи оптического сигнала.

Наиболее близким по технической сущности является оптическая система связи по патенту РФ №2087077, Н04В0 10/12 заявл. 9.09.2005 г., основной особенностью которой является способность передавать оптический сигнал на большие расстояния за счет усиления оптического сигнала без его оптоэлектронного преобразования в пунктах усиления. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Устройство-прототип состоит из передающей части, которая содержит источники оптического излучения, оптического мультиплексора, волоконно-оптической среды передачи, оптических усилителей, и приемной части, которая содержит оптический демультиплексор и фотоприемные устройства.

В устройстве-прототипе линейные волоконно-оптические усилители распределены равномерно по всей длине линии и имеют одинаковый коэффициент усиления. Особенностью волоконно-оптических усилителей является то, что кроме усиления полезного сигнала, они усиливают и шумы, кроме того, сами вносят шум усиленного спонтанного излучения.

Недостатком прототипа является то, что при увеличении протяженности линии необходимо либо увеличивать количество линейных волоконно-оптических усилителей, что приводит к увеличению уровня шума в линии за счет накопления шумов усиленной спонтанной эмиссии и ухудшает отношение оптический сигнал /шум на входе фотоприемного устройства, или увеличивать расстояние между линейными волоконно-оптическими усилителями, что приводит к ослаблению мощности оптического сигнала и так же ухудшает отношение оптический сигнал/шум на входе фотоприемного устройства.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение отношения оптический сигнал/шум на входе фотоприемного устройства при заданном числе волоконно-оптических усилителей и требуемой протяженности линии связи.

Этот результат достигается тем, что в устройстве-прототипе для обеспечения наилучшего отношения оптический сигнал/шум при каскадном включении линейных волоконно-оптических усилителей необходимо реализовать принцип градиентного размещения усилителей на протяжении волоконно-оптической линии связи. Он состоит в применении в первых каскадах усиления ВОУ с малым коэффициентом усиления с постепенным увеличением его значения на рассчитанную величину и соответственно изменением длины усилительного участка.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна». Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным уровнем из уровня техники. Из уровня техники так же не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными

признаками заявленной полезной модели преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленная полезная модель поясняется схемой, где на фиг.1 приведена структурная схема построения волоконно-оптической линии с градиентным размещением линейных волоконно-оптических усилителей;

Волоконно-оптическая линия передачи оптического сигнала, представленная на фиг.1, содержит источники оптического излучения 1₁ -1_N, оптический мультиплексор 2, среду распространения оптического сигнала, которой является оптическое волокно 3, линейные волоконно-оптические усилители 4 ₁-4_м, оптический демультиплексор 5, фотоприемные устройства 6₁-6 _N.

В качестве источника оптического излучения может быть использован высокочастотный лазерный модуль ДМПО 155-21, схема которого описана в книге Фримана Р. «Волоконно-оптические системы связно (Пер. с англ. Н.Н.Слепова. М.: Техносфера, 2003, 446 с.). В качестве направляющей среды передачи оптического сигнала используется оптическое волокно, требования, типы и особенности применения описаны, например, в книге Бутусова М.М. и др. «Волоконно-оптические системы передачи» (под ред. Гомзина В.Н. М.: Радио и связь, 1992, 416 с.). В качестве линейных волоконно-оптических усилителей можно использовать эрбиевый оптический усилитель EM 316 EDFA-IP. В качестве оптического мультиплексора и демультиплексора могут быть использованы устройства описанные в книге Убайдуллаева P.P. «Волоконно-оптические сети» (М.: Эко-Трендз, 2001). Схемы фотоприемных устройств известны и показаны, например, в книге Бузановой Л.К., Глибермана А.Я. «Полупроводниковые фотоприемники» (М.: «Энергия»-1976.-64 с.).

Волоконно-оптическая линия связи с градиентным размещением линейных волоконно-оптических усилителей работает следующим образом.

Источники оптического излучения 1₁-1 _N преобразуют электрический информационный сигнал в оптический сигнал (см. фиг.1). В соответствии с полученным электрическим сигналом источник оптического излучения начинает излучать оптический сигнал. Каждому источнику оптического излучения соответствует своя длина волны в диапазоне от ₁ до _N . Выходы источников оптического излучения подключены к входам оптического мультиплексора 2, который выполняет функцию спектрального уплотнения оптических сигналов и вводит групповой оптический сигнал в оптическое волокно. Выход оптического мультиплексора соединен с оптическим волокном 3 ₁-3_M+1, которое предназначено для передачи оптического сигнала. При прохождении оптического сигнала по оптическому волокну сигнал претерпевает затухание, поэтому для увеличения амплитуды оптического сигнала до требуемой величины последовательно оптическому волокну устанавливаются линейные волоконно-оптические усилители 4₁-4 _м, на расстояниях l₁-l _M+1 вычисленных в соответствии с выражением:

где l_i - длина i-го усилительного участка;

i=1...M+1 - номер усилительного участка;

М- количество линейных волоконно-оптических усилителей;

- мощность группового сигнала на выходе i-1 усилителя, i=1...M;

G_i - коэффициент усиления i-го усилителя, i=1...M;

h- постоянная Планка;

-частота оптического излучения;

B ₀ - полоса усиления оптического усилителя;

- затухание оптического волокна;

NF _i- шум-фактор i-го оптического усилителя, i=1...M;

- отношение оптический сигнал-шум на выходе i-го усилителя, где i=1...M которое необходимо обеспечить.

Волоконно-оптические усилители, обладающие коэффициентом усиления G ₁-G_м и коэффициентом шума К ₁-К_м, усиливают оптический сигнал без преобразования его в электрический и вносят шум усиленной спонтанной эмиссии. Значение коэффициентов усиления линейных волоконно-оптических усилителей предлагается вычислять методом градиентного спуска в сочетании с методом последовательных приближений, описанного, например, в книге Калиткина Н.Н. «Численные методы» (М.: Наука, 1988, 512 с.). Оптическое волокно включается на вход оптического демультиплексора 5, который служит для выделения из группового оптического сигнала сигналов с заданными длинами волн. Выходы оптического демультиплексора подключаются на входы фотоприемных устройств 6₁-6 _N, которые преобразуют энергию оптического излучения в электрический сигнал.

Таким образом, достигается требуемое отношение оптический сигнал/шум на входе фотоприемного устройства. Применение разработанного устройства позволяет обеспечить повышение величины оптический сигнал/шум на входе фотоприемного устройства на 8-10%, а, следовательно, повысить достоверность передачи информации.

Волоконно-оптическая линия связи с градиентным размещением оптических усилителей, содержащая источники оптического излучения, оптический мультиплексор, последовательно соединенный с волоконно-оптической средой передачи, оптические усилители, оптический демультиплексор, к выходам которого подключены фотоприемные устройства, отличающаяся тем, что линейные волоконно-оптические усилители градиентно размещены на протяжении волоконно-оптической линии связи, а длины усилительных участков выбираются в соответствии с выражением

,

где l_i - длина i-го усилительного участка;

i=l...M+l - номер усилительного участка;

М - количество линейных волоконно-оптических усилителей;

- мощность группового сигнала на выходе i-l усилителя, i=l...М;

G_i - коэффициент усиления i-го усилителя, i=1...M;

h - постоянная Планка;

v - частота оптического излучения;

B₀ - полоса усиления оптического усилителя;

- затухание оптического волокна;

NF _i - шум-фактор i-го оптического усилителя, i=1...M;

- отношение оптический сигнал - шум на выходе i-го усилителя, где i=l...М, которое необходимо обеспечить.