Солитонный режим передачи A3G Workshop – NGN — 1 All rights reserved © 2004, Alcatel На смену оптоволокну идут солитонные каналы Солитон – это особый импульс света, проходящий по кварцевому оптическому волокну – световоду.Солитоном называется нелинейная уединенная волна (solitary wave), которая сохраняет свою форму и скорость при собственном движении и при столкновении с себе подобными волнами и представляет собой устойчивое образование. Одно из удивительных свойств "уединенных" волн состоит в том, что они во многом подобны частицам. Так, при столкновении два солитона не проходят друг через друга, как обычные линейные волны, а как бы отталкиваются друг от друга подобно теннисным мячам. A3G Workshop – NGN — 2 All rights reserved © 2004, Alcatel Солитоны • На воде могут возникать солитоны и другого типа, названные групповыми. Групповой солитон весьма напоминает амплитудно-модулированные электромагнитные волны; его огибающая несинусоидальна, она описывается более сложной функцией - гиперболическим секансом. Скорость такого солитона не зависит от амплитуды. Под огибающей обычно находится не более 14-20 волн. Средняя - самая высокая - волна в группе оказывается, таким образом, в интервале от седьмой до десятой; отсюда известное выражение "девятый вал". A3G Workshop – NGN — 3 All rights reserved © 2004, Alcatel Краткая история солитонов 1834 Джон Рассел. Открытие солитона как физического явления. 1895 Картевег, де Фриз.Уравнение КдФ. Описание свойств уединенной волны . 1946 Лаврентьев. Строгое математическое доказательство существования уединенной волны. 1971 Захаров, Шабат. Доказательство существования солитонов в нелинейных дисперсионных средах. 1973 Хасегава, Тапперт. Использование солитонных волн в оптоволокне. A3G Workshop – NGN — 4 All rights reserved © 2004, Alcatel Оптические солитоны. Основные понятия. Оптический солитон – типичный групповой солитон. Это волны (или волновые пакеты)специальной формы, возбуждаемые лазерным источником света в световоде при совместном действии дисперсионных и нелинейных эффектов в области аномальной (отрицательной) дисперсии Распространяются в оптоволокне на значительные расстояния практически без искажения формы.По заявлению Молленауэра, сигнал при объёме информации более 1 терабита может пройти без ретрансляции 5-6 тысяч километров со скоростью передачи 10 гигабит в секунду на канал без искажений. Сохраняются при столкновениях друг с другом A3G Workshop – NGN — 5 All rights reserved © 2004, Alcatel Механизм образования Нелинейность и дисперсия – явления, лежащие в основе механизма образования солитонов. Дисперсия Дисперсия групповых скоростей – зависимость фазовой скорости световых волн от частоты или длины волны. Оптические солитоны Нелинейность A3G Workshop – NGN — 6 • вынужденное неупругое рассеяние (самоиндуцированная прозрачность) • нелинейное преломление • модуляционная неустойчивость • параметрические процессы All rights reserved © 2004, Alcatel Нелинейные эффекты Вынужденное неупругое рассеяние Нелинейное преломление и фазовые модуляции Этот эффект обусловлен неупругим взаимодействием электромагнитной волны с составляющими среду атомами, при котором оптическое поле передаёт часть своей энергии нелинейной среде. Показатель преломления зависит не только от частоты, но и от квадрата амплитуды электрического поля. A3G Workshop – NGN — 7 All rights reserved © 2004, Alcatel Нелинейные эффекты Изменение фазы при ФСМ вызывает паразитную частотную модуляцию (ПЧМ) импульса, что и объясняет расширение спектра импульса. На ФСМ накладывается ДГС. Отрицательная дисперсия среды оказывает нестандартное влияние на световой импульс. При его распространении ни форма, ни спектр существенно не изменяются. обуславливается нелинейным набегом фазы Фазовая самомодуляция расширение спектра коротких импульсов A3G Workshop – NGN — 8 All rights reserved © 2004, Alcatel Методы формирования солитонов Солитон формируется, когда пиковая мощность, необходимая для его возбуждения, превышает некоторое пороговое значение. Мощности генерации солитонов N-го порядка растут в последовательности 1: 4: 9: 16… Динамика спектра солитона 3-го порядка на длине, равной периоду солитона A3G Workshop – NGN — 9 All rights reserved © 2004, Alcatel Методы формирования солитонов Квадрат модуля функции, описывающей солитоны N-го порядка,– периодическая функция с периодом Ln. Это значит, что форма солитонов может меняться на длине периода Ln, возвращаясь к исходной в конце периода (свойство автокоррекции) Форма солитонов 1-4 порядков и мощности, требуемые для их формирования A3G Workshop – NGN — 10 All rights reserved © 2004, Alcatel Применение и ограничения Применение Ограничения Создание солитонных лазеров Потери мощности в световоде Сжатие оптических импульсов Наличие ПЧМ в начальном импульсе Создание солитонных линий связи Взаимодействие соседних солитонных импульсов A3G Workshop – NGN — 11 All rights reserved © 2004, Alcatel Экспериментальные линии связи В 1983 году Хасегава (Hasegawa) предложил схему солитонной линии связи. Лазер работал на длине волны λ=1460 нм. Одномодовое волокно, работающее на λ=1550 нм. Реализованные значения L=40-50 км. Общая длина линии – 600 км. Схема солитонной линии связи с ВКР усилителями A3G Workshop – NGN — 12 All rights reserved © 2004, Alcatel Экспериментальные солитонные линии Большим толчком к созданию новых экспериментальных солитонных линий связи было появление в 1989 году ОУ с диодной накачкой, использующего ОВ, легированное эрбием (EDFA), в качестве усилительной среды и работающего на длине волны λ=1480 нм. V=10 Гбит/с t=2,7-3,0 пс V=80 Гбит/с t=12,5 пс t=9 пс Схема солитонной линии связи на волокне, легированном эрбием A3G Workshop – NGN — 13 All rights reserved © 2004, Alcatel Первые солитонные линии A3G Workshop – NGN — 14 1991 106 км 10 Гбит/с 1994 50 км 10 Гбит/с 1994 500 км 80 Гбит/с 1995 900 км 320-640 Гбит/с All rights reserved © 2004, Alcatel Перспективы внедрения Перспективность солитонных систем оценивается по следующим факторам: Возможность повышения скорости передачи Увеличение длины регенерационного участка Основными препятствиями к внедрению солитонных линий являются: шум когерентного усиления A3G Workshop – NGN — 15 All rights reserved © 2004, Alcatel солитон-солитонные взаимодействия
