Номер части:
Журнал

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ОПТИЧЕСКОЙ КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ СЕГМЕНТАМИ



Науки и перечень статей вошедших в журнал:


DOI:
Дата публикации статьи в журнале:
Название журнала: Евразийский Союз Ученых, Выпуск: , Том: , Страницы в выпуске: -
Автор:
, ,
Автор:
, ,
Автор:
, ,
Анотация:
Ключевые слова:                     
Данные для цитирования: . ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ОПТИЧЕСКОЙ КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ СЕГМЕНТАМИ // Евразийский Союз Ученых. Технические науки. ; ():-.





В наше время для реализации телекоммуникационной связи [2, 4]  между разнообразными объектами, в ряде случаев, необходимы комплексированные оптические (рис. 1) системы (КОТС). Они могут  содержать несколько сегментов волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и атмосферных открытых линий связи (АОЛС). В последних,  передача  информации осуществляется в  открытом пространстве  лазерным  лучом  в  условиях  прямой  видимости.

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ  ОПТИЧЕСКОЙ  КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ СЕГМЕНТАМИ

Рисунок 1. Вариант № 1 блок-схемы КОТС

Ряд  атмосферных  лазерных систем, в диапазоне λ=1,55 мкм,  (полный дуплекс) со скоростями 1 Гбит/с, с интерфейсом  Gigabit Ethernet выпускаются малыми сериями.  При этом, максимальная  дальность связи, зависящая от дальности видимости М, при выбранном коэффициенте доступности (иногда  превышающем уровень 99,9) , для большинства  моделей — менее 1,5 км.

Для ряда применений эта величина оказывается недостаточной. При решении задачи повышения дальности и доступности  канала нужен всесторонний анализ,  оптимизация КОТС и применение дополнительных модификаций. Общая схема АОЛС включает:  источник лазерного излучения с модулятором, на который поступает информационный сигнал; модуль передающей антенны; атмосферный канал  повышенной дальности; модуль приёмной антенны; модуль  фотоприёмного  устройства на основе  быстродействующего PIN фотодиода или APD с  предусилителем и системой обработки сигнала. Доступность АОЛС  непосредственно связана с величиной поступающей лазерной мощности на приёмник Pr и отношением сигнал/шум SNp .

При значительной протяженности всей линии связи применяются волоконно-оптические усилители (ВОУ). В настоящее время ВОУ интенсивно совершенствуются, наряду с волоконными лазерами, имеющими очень широкий спектр  применений, включая системы телекоммуникаций. Необходимая мощность выходного  излучения ВОУ достигается путем соответствующего выбора материала активного световода и параметров  источника накачки.

Источники, инжектируемого в волокно излучения, имеют конечную полосу частот. Так светоизлучающие диоды излучают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры — 2-3 нм (лазеры имеют, кроме того, более узкую диаграмму направленности).

Известно, что на доступность АОЛС влияют параметры атмосферы. В  наше время получены статистические данные атмосферных условий практически всех регионов планеты. Одним из методов ослабления влияния турбулентности атмосферы состоит в использовании Бессель–Гауссовых пучков.  На рис. 2 приведены изменения профиля Бессель–Гауссового пучка в турбулентной атмосфере в зависимости от длины трассы [10].

Из  рис. 2 видно, что при прохождении Бессель–Гауссового пучка  в турбулентной атмосфере на расстоянии до L =400 м общий качественный вид пучка практически сохраняется. После прохождения такого пучка на расстоянии до L = 700 м, общий качественный вид пучка немного изменяется . При этом ширина пучка увеличивается и в центре пучка интенсивность становится отличной от нулевой.  В частности, в сравнении с пучком, прошедшим  расстояние

400 м, полная ширина пучка (по уровню 0,5 максимума) возрастает на  16%, а интенсивность пучка в центре при Х=0 возрастает менее, чем на 20%. Этот краткий анализ подтверждает перспективы использования Бессель– Гауссового пучка  в турбулентной атмосфере.

Вопросы  воздействия атмосферной турбулентности на распространение лазерных пучков рассмотрены в ряде работ. В частности, в недавно опубликованной работе [10], экспериментально показано, что в анизотропном пограничном слое, вблизи земной поверхности, турбулентность является локально слабоанизотропной  и теория подобия Монина-Обухова  выполняется локально. При известных характерных масштабах изменения температуры и скорости, средних  для региона  наблюдений, анизотропный пограничный слой можно заменить на изотропный, для которого уже разработаны оптические модели турбулентности.

На основе результатов численного моделирования с использованием па-

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ  ОПТИЧЕСКОЙ  КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ СЕГМЕНТАМИ

Рисунок  2. Динамика профиля Бессель–Гауссового пучка в турбулентной атмосфере в зависимости от длины трассы: P — мощность пучка, r  — средний радиус пучка по уровню 0,5  максимума

 

раболического уравнения [1, 10] были рассчитаны дисперсия флуктуации интенсивности на оси сфокусированного гауссового пучка и его эффективный размер в турбулентной атмосфере в зависимости от безразмерного параметра

                                                                              (1)

где:  L — длина трассы; a — начальный радиус пучка; k=2π/λ — волновое число;

Cn2 – структурная характеристика показателя преломления турбулентной атмосферы.

Параметр Ds(2a) определяет структурную функцию фазы сферической волны в турбулентной атмосфере, вычисленную на размере начальной апертуры и им удобно характеризовать турбулентные условия распространения лазерных пучков. Выражение (1) показывает, что параметр Ds(2a) линейно зависит от L и почти квадратично – от а.

Выполненное в работе [10],  сопоставление данных моделирования распространения лазерных пучков на основе параболического уравнения для комплексной амплитуды поля волны с имеющимися теоретическими и экспериментальными результатами показывает, что для количественной оценки во многих случаях требуется моделировать случайные фазовые экраны в более  низкочастотной области спектра, чем это позволяет делать шаг дискретизации расчетной сетки.

Кроме того, анализ показывает необходимость введения в КОТС дополнительных устройств и/или методов компенсации воздействия турбулентности в данном  регионе.  Например, на базе использования модуляции излучения по состоянию углового момента (OAM)  фотонов [2, 9]. Он определяется специфичной формой волнового фронта, закрученного вдоль оси распространения.

У  закрутки электромагнитной волны  может отличаться не только направление (против или по часовой стрелке), но и степень перекрученности (соотношение между шагом спирали и длиной волны). Такая волна несет момент импульса, и если какое-то тело ее поглотит, то момент импульса передастся ему, и оно начнет вращаться. Регулируя этот параметр, в пространстве состояний OAM можно создавать, теоретически, большое число каналов, работающих на одной и той же частоте.

Для снижения влияния турбулентности на канал передачи информации в атмосфере применяются несколько методов. Наибольшее распространение получил метод коррекции волнового фронта Шарка – Гартмана (МШГ) и метод коррекции фазы (МКФ)  для орбитальных угловых моментов фотонов (ОАМ состояний). В МШГ используется датчик волнового фронта Гартмана, сигналы которого поступают в модуль управления адаптивной оптикой для корректировки системы телекоммуникации. В МКФ используется поток фотонов (рис. 3) с определенной модой ОАМ, в приемном модуле выбираются фотоны с соответствующей модой ОАМ, что позволяет реализовать корректировку системы телекоммуникации.

Для реализации  методики  с использованием мод ОАМ могут  применяться несколько вариантов  схем.   Например,   в   работе [2]   в   схеме   формирования   лазерного пучка используются отражательные голограммы на входе и выходе оптической системы.

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ  ОПТИЧЕСКОЙ  КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ СЕГМЕНТАМИ

а)                                                                б)                                            

Рисунок 3.  Примеры распределения  потоков  фотонов  с  модами  ОАМ

На рис. 3 наглядно представлены варианты распределения мод ОМ, например, видно, что при   θ = 0,2, контраст между первыми ближайшими модами ОМ превышает 0,9. При  θ  ≥ 0,8,   контраст между первыми 3-мя ближайшими модами ОМ оказывается менее 0,5

Для реализации  методики  с использованием мод ОАМ могут  применяться несколько вариантов схем. Например, в работе [2, 9] в схеме формирования лазерного пучка используются отражательные  голограммы на входе и выходе оптической системы.

В ряде работ рассматриваются варианты выбора ОАМ с использованием внутренней конической дифракции. Предложен  так же электрический контроль ОАМ при фокусировке лазерного пучка на безосный кристалл. Известно применение магнито — оптического эффекта для настройки потока замедленных фотонов.

На основе проведенных расчетов и анализа цитируемых работ можно отметить, что использование МКФ приводит к улучшению коррекции системы телекоммуникации, в сравнении с МШГ  во всем диапазоне вариаций уровней турбулентности атмосферы С-1: от 1Е-16 до 1Е-12.  Так, например, при  L02 = 1, для  С-1, соответствующей 1Е-12 (показана вертикальной штрих — пунктирной линией  на  рис. 4), относительная устойчивость телекоммуникационного канала при  МКФ  возрастает до 0,52  в сравнении с 0,25  при  МШГ и в сравнении с величиной 0,15  для системы без коррекции.

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ  ОПТИЧЕСКОЙ  КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ СЕГМЕНТАМИ

Рисунок 4. Сравнение относительной устойчивости телекоммуникационного канала при использовании ОАМ состояний фотонов в турбулентной атмосфере с применением коррекций  МШГ и  МКФ (С-1 – некоторый выбранный уровень турбулентной аберрации): 1 – без коррекции, 2 – с использованием  МШГ,  3 –  с  МКФ

 

Резюмируя проведенный краткий анализ, можно отметить, что относительная устойчивость  телекоммуникационного канала, связанная с дисперсией флуктуации интенсивности на оси лазерного пучка в турбулентной атмосфере, возрастает при использовании методов коррекции. Причем, метод коррекции фазы с использованием состояний орбитального углового момента фотонов (МКФ) обладает существенным преимуществом в сравнении с другими рассмотренными методами.

Дальнейшее совершенствование системы КОТС связано с использованием селективных световодов. В нескольких работах    текущего года показано, что при определенной конструкции световода он позволяет пропускать выбранные моды ОАМ с высокой эффективностью. В  [8, 9]   предлагается использовать волокно (IPGIF) с инверсным параболическим градиентным распределением показателя преломления n(r)  по радиусу цилиндрического волокна  r:

                                                                               (2)

Для анализа такого волокна удобно использовать несколько параметров: относительный контраст показателя преломления  ∆ = (n12  — n22) / 2n12, параметр кривизны  N = (n1  — na) / (n1   —  n2), где  n— показатель преломления сердцевины волокна (r = 0 – a), n2   — показатель преломления оболочки (r > a), na   — показатель преломления точно на границе сердцевины с оболочкой (r = a).

Реализация  контраста показателя преломления  ∆  в волокне позволяет проводить селекцию мод УОМ с высокой эффективностью. В работе  [9]   приводятся разнообразные графические зависимости, включая зависимость минимального эффективного показателя сепарации  n*  от радиуса сердцевины  r  для группы ОАМ мод   LP11  , при  a = 3 мкм, λ = 1550 нм, n2 =1,4440.  На рис. 5  приведена зависимость разности n**  от радиуса сердцевины волокна r :

 n** = n* (∆nmax =0,07) – n* ((∆nmax =0,05).

Зависимость  n**  имеет ярко выраженный экстремум в  диапазоне  а = 1,8 –2,2 мкм. Эти величины  а  могут быть использованы при оптимизации сегмента ВОЛС (рис.1). Анализ работ по селективным световодам для ОАМ мод, включая работы [9-10], показывает, что они перспективны для использования в высокоскоростных КОТС.  При этом следует отметить, что их применение  наиболее эффективно при относительно небольших  длинах (100-300 м)  сегментов ВОЛС.  При значительных длинах  сегментов ВОЛС (несколько  км)  селективное волокно (IPGIF) целесообразно использовать в качестве дополнительного фильтра ОАМ мод в КОТС. В любом из рассматриваемых вариантов,  применение  волокна IPGIF расширяет возможности выбора  и  построения новейших КОТС с параметрами близкими к оптимальным.

Другой вариант (№ 2)  блок-схемы КОТС представлен на рис.6. В нем, в

качестве источника излучения,  для сегмента АОЛС используется торцевая часть многомодового световода  или  отрезка фотонно-кристаллического

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ  ОПТИЧЕСКОЙ  КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ СЕГМЕНТАМИ

Рисунок 5. Зависимость разности   n**  от радиуса сердцевины волокна

 

волокна. При этом удается избежать двойного преобразования оптического информационного сигнала и упростить общую систему КОТС.

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ  ОПТИЧЕСКОЙ  КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ СЕГМЕНТАМИ

Рисунок 6. Вариант № 2 фрагмента  КОТС

Таким образом, проведен краткий анализ  методов передачи информации, структурных схем и функциональных особенностей базовых модулей и блоков КОТС. Вариант № 2, при  длине  950 м  входного сегмента ВОЛС, с использованием ОАМ мод, обладает определенными преимуществами в сравнении с другими рассмотренными структурами  КОТС. При этом  получена оптимальная структура по проекту оптической  комплексированной системы связи с атмосферными сегментами.

Список литературы:

  1. Банах В.А., Белов В.В., Землянов А.А. Распространение оптических волн в

   неоднородных, случайных, нелинейных  средах. Томск, ИОА СО РАН, 2012. –

  402 с.

  1. Gibson G., Courtial J., Padgett M. et al. Free-space information transfer using

    light  beams carring orbital angular momentum // Optics Express. – 2004.- v. 12.-

    Is. 22.- p. 5448 – 5456.

  1. Кузяков Б.А., Кириллова Ю.А. Оценки дисперсии флуктуации интенсив

    ности лазерных пучков в турбулентной атмосфере. II Всероссийская  конфе

   ренция  по фотонике  и информаци онной оптике. Сборник научных трудов.

   МИФИ, М.- 2013.  – с. 211 — 212.

4.Милютин Е.Р. Атмосферные оптические линии связи в России // Вестник

    связи. – 2008.  — №2 —   с. 89−90.

5.Б.А. Кузяков, Субботин Р. В., А.А. Харчевский. Особенности оценки дис-

   персии флуктуации  интенсивности на оси лазерного пучка в турбулентной

   атмосфере. М. – 2012.-  61  н.т.к.   МИРЭА.-  Ч. 2.- с. 49 — 54.

  1. Кузяков Б.А., М.А. Карпов, Е.В. Егорова, Тихонов Р.В., Муад Х.М. и др.

    Повышение доступности  оптической  телекоммуникационной системы с ат

    мосферными сегментами. // Электромагнитные волны и Электронные систе

    мы. – 2013.- т. 18.- № 12.-  с. 38 – 43.

  1. Sanchez D.J., Oesch D.W. Localization of angular momentum in optical waves

    propagating through turbulence // Optics Express. – 2011.- v. 19.- Is. 25.-  p.

    25388-25396.

  1. Кузяков Б.А., Тихонов Р.В. К проблеме повышения доступности оптиче

    ской телекоммуникационной системы с атмосферными  сегментами // Труды

   III-й  Всероссийской конференции  по фотонике  и информационной оптике.

   М.: НИЯУ МИФИ. – 2014.- c. 23 — 24.

  1. S.M. Zhao, J. Leach, L. Y. Gong, J. Ding, and B. Y. Zheng. Aberration correc

    tions for free-space optical communications in atmosphere turbulence using orbital

    angular momentum states. //Optics Express.- 2012.- Vol. 20.- Is. 1.- p. 452-461.

  1. K. Zhu, S. Li, Y. Tang, Y. Yu, H. Tang. Study on the propagation parameters

    of Bessel–Gaussian beams carring optical vortices through atmospheric turbulence.

    // J. Opt. Soc. Am. A. – 2012. — Vol. 29.- Is. — р. 251 — 257.[schema type=»book» name=»ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ОПТИЧЕСКОЙ КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ СЕГМЕНТАМИ» description=»В работе рассматриваются вопросы оптимизации структуры комплексированной оптической системы связи (КОТС) с атмосферными сегментами. Для ослабления влияния турбулентности атмосферы применяются Бессель–Гауссо-вые пучки. В методе коррекции фазы сигналов используются орбитальные угловые моменты (ОАМ) фотонов. Применены селективные световоды, поддерживающие выбранные моды ОАМ. Проведен анализ нескольких структурных схем КОТС. В результате получена оптимальная структура по проекту КОТС с атмосферными сегментами. » author=»Кузяков Борис Алексеевич, Сивецкий Вадим Ярославович, Тихонов Роман Валерьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-03″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]

Список литературы:


Записи созданы 6778

Похожие записи

Начните вводить, то что вы ищите выше и нажмите кнопку Enter для поиска. Нажмите кнопку ESC для отмены.

Вернуться наверх