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.
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-
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.
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.
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 n1 — 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
Рисунок 5. Зависимость разности n** от радиуса сердцевины волокна
волокна. При этом удается избежать двойного преобразования оптического информационного сигнала и упростить общую систему КОТС.
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:
- Банах В.А., Белов В.В., Землянов А.А. Распространение оптических волн в
неоднородных, случайных, нелинейных средах. Томск, ИОА СО РАН, 2012. –
402 с.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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» ]