CC BY
16
THE INFLUENCE OF THE SHAPE OF THE LIGHT PULSE ON THE OPERATING PARAMETERS OF FIBER-OPTICAL
COMMUNICATION LINES
Konstantin A. Izotov,
MTUCI, Moscow, Russia, [email protected]
Alexey A. Loktev,
Russian University of Transport (MIIT), Moscow, Russia, [email protected]
Daniil A. Loktev,
Bauman Moscow State Technical University (BMSTU), Moscow, Russia, [email protected]
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10134
Keywords: input and output pulses, change the duration, the envelope of the signal, parameters of optical fibers, chromatic dispersion, frequency chirp, the wave equation.
This work is devoted to the study of the influence of the main parameters of the light pulse on the characteristics of the use of the fiber-optic system as a whole. The direction of work is relevant and timely due to the use of fiber-optic lines in a wide range of tasks, from data transmission to monitoring systems of linear structures and transport infrastructure. In the process of optical signal propagation along the waveguide, it changes due to the action of such factors and phenomena as attenuation, group velocity dispersion, phase self-modulation, phase cross-modulation, four-wave mixing, Mandelstam-Brillouin scattering and other nonlinear effects. In this paper we study the effect of the main of these phenomena on the light pulses of different shapes and their sequence in order to identify the possibility of increasing the signal power at the output of the fiber-optic system, the data rate or the length of the linear path between the active amplifying devices. The analytical dependences for the optical power envelope, the input signal form as a function of time, the electric intensity of the electromagnetic field of the light wave are given, which are then numerically investigated in a software-computer complex that allows to simulate not only the parameters of the data transmission system, but also the physical environment itself. Discuss the six forms of light pulses: meander, triangle, sinusoid, "trident", Gaussian pulse and Gaussian pulse chirped. The equations describing the behavior of an extended waveguide during the light pulse passing through it are considered, the conditions for their solution and the requirements to the methods for determining the required values for subsequent comparison with the data of numerical simulation are formulated. The qualitative conclusions about the influence of these input parameters and the properties of the propagation medium on the characteristics of the output pulse are made. The obtained results can be used in the existing information transmission systems to increase their capacity and in the designed monitoring systems to determine the deformation of various extended artificial structures.
Information about authors:
Konstantin A. Izotov, Post-graduate student, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia Alexey A. Loktev, Doctor of physics and mathematics, Professor, Head of the Department, Russian University of Transport (MIIT), Moscow, Russia Daniil A. Loktev, PhD, Assistant Professor, Bauman Moscow State Technical University (BMSTU), Department "Information Systems and Telecommunications", Moscow, Russia
Для цитирования:
Изотов К.А., Локтев А.А., Локтев Д.А. Влияние формы светового импульса на параметры функционирования волоконно-оптической линии связи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №8. С. 69-74.
For citation:
Izotov K.A., Loktev А.А., Loktev D.A. (2018). The influence of the shape of the light pulse on the operating parameters of fiber-optical communication lines. T-Comm, vol. 12, no.8, pр. 69-74.
7ТЛ
One of the main trends of modern data transmission systems is the use of fiber-optic lines or their individual segments. Light waveguide made of fused quartz with alloying additives has significant advantages in comparison with other physical media of information transmission, but at the same time, at high transfer rates, increasing the length of the regeneration areas and the accuracy of detection of defects (for monitoring systems based on fiber-optic sensors), various effects appear that affect the propagation of the optical signal over the optical fiber. Such effects include increased attenuation in individual wavelength ranges, a dispersion of group velocities, phase self-modulation, phase cross-modulation, four-wave mixing, Mandelstam-Brillouin scattering, and some other processes. These effects affect the nature of the transmission of light pulses, their groups and the parameters of the communication or monitoring system. The influence of the shape of the light pulses at the entrance channel is not completely investigated in the presence of these effects on the characteristics of the output signal. This work is devoted to the study of the possibilities of increasing the signal power at the output of the fiber-optic system, the data rate or the length of the linear path between the active amplifying devices.
When modeling the process of propagation of a light signal through a fiber, the envelope of the optical power at the output of the fiber-optic communication line can be represented in the form [1,2]:
of the radiation J, ; j - imaginary unit; ¡3, - the second-order
dispersion coefficient, taking into account the parameters of the propagation medium and the guiding mode.
The signal at the input of the line is proposed to be represented as a function of time in the following form [3,4]: 1......1
E{t) = — A{t)- exp 0*<V) + j ' «"PCMO
(2)
Ü(L,a>) = Ü(0,ú})exp(j&a>t2L)
(O
where A(t) - a slowly varying pulse envelope; A(t) - complex conjugate function A(t) ■
When studying the influence of the initial form of the input signal, it is proposed to consider six types of envelopes that correspond to the most used pulses in data transmission, monitoring and diagnostic systems |5, 6]: meander, triangle, sinusoid, "trident", Gaussian pulse, Gaussian pulse with chirp (Fig. 1).
Using the mathematical representation of the signal (1), graphical dependencies were obtained for the pulses at the output of the fiber-optical communication line (Fig. 2) [7, 8]. In the numerical simulation of the output signal, it is assumed, that =7-10"14 s - pulse duration at the input of the linear path,
\ = 1510 • 10~" w - basic wavelength of emission. Analyzing the dependencies, shown in Fig. 2, it is well seen that the pulse duration increases during propagation under the action of group velocity dispersion [9, 10].
where {/(0, (o) - functional determining the shape of the input pulse; o)0 ~ circular frequency corresponding to the wavelength
Fig. 1. Input pulses of a fiber-optic communication line
The numerical simulation showed that when a Gaussian pulse passes, it retains a Gaussian shape, and its duration increases monotonically if 02C> 0: if /?,C<0 - will decrease to the
T
minimum duration: t — ° with a subsequent increase.
m,n ViTc7
The pulse duration at the output of the fiber-optic communication line, in the case of using a Gauss pulse with a chirp can be determined as [2]:
V ft 'o
Parameter chirp allows to control the output signal duration for a given length of a fiber-optic communication line or to increase the transmission range of information for a given limiting value of the broadening of the pulse if it is need to solve the inverse problem. The presence of chirp allows additional information to be added to the pulse, which can be used in the settings of the receiving optoelectronic module or in the diagnostics of linear structures, if the optical fiber is connected with the structures and their elements and the deformation is monitored by studying the change in attenuation parameters. The proposed technique can be implemented for any type of optical fibers by specifying the dispersion parameters and the dependence of the attenuation coefficient on the wavelength of the transmitted light.
References
1. Agrawal G.P. (2009). Nonlinear fiber optics, Boston: Academic Press. 466 p.
2. Andrianova A.V. (2013). Razrabotka volokonno-opticlieskogo segmenhi sverkhshirokopolosnykh sistem peredachi informatsii na baze tekhnologii Radio-over-fiber [Development of fiber-optic segment of ultra-wideband information transmission systems based on technology Radio-over-fiber|: dis. cand. of teclin. sciences: 05.12.13. Ufa, 2016, 165 p. (in Russian)
3. Borodkin A.A. (2015). Volokonmye itterbiyevyye lazery sverkhkorotkikh impul'sov bez vnutrirezonatornoy kompensatsii dispersii s ispol'zovaniyent nelineynogo volokonnogo zerkala i modulyatora na osnove uglerodnykh nanotrubok [Fiber ytterbium lasers of ultrashort pulses without intracavity compensation of dispersion using a nonlinear fiber mirror and a modulator based on carbon nanotubesj: dis. cand. of phy si co-mat. sciences: 01,04.21. Moscow, 140 p. {in Russian)
4. Grigorov l.V, (2013), Obrabotka signalov v telekommunikatsionnykh sistemakh s primeneniyem nelineynykh unitamykh preobrazovaniy [Signal processing in telecommunication
systems using nonlinear unitary transformations]: dis. doctor of technical sciences: 05.12.13. Samara. 329 p. (in Russian)
5. Sklyarov O.K. Volokonno-opticheskiye seti i sistemy svyazi [Fiber-optic networks and communication systems]. M.: SOLON-Press, 2004, 272 p. (in Russian)
6. Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. (2003). Opticheskiye volokna dlya liniy svyazi [Optical fibers for communication lines], Moscow: LESARart. 288 p. (in Russian)
7. Loktev A.A., Matasov A.S. (2013). Opredeleniye kharakteristik el e ktromagn itnogo polya s pomoshch'yu luchevogo metoda [Determination of the characteristics of the electromagnetic field by means of the ray method]. T-Comm. Mum.,7, no. 3, pp. 28-31. (in Russian)
8. Loktev A. A., Loktev D.A. (2015). Metod opredeleniya rasstoyaniya do ob"ekta putcm analiza razmytiya ego izobrazileniya [Method of determining the distance to the object by analyzing its image blur]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], no. 6, pp. 140-151. (inRussian)
9. l.oktev A.A., Zaletdinov A.V. (2010). Opredeleniye tochek vzaimodeystviya pryamykh i otrazhennykh voln v plastinke [Definition of points of interaction of direct and reflected waves in the plate], Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], no. 4-3, pp. 303-308, (in Russian)
10. Sychev V.P., Loktev A.A., Loktev D.A., Izotov K.A. (2016). Model irovaniye sistemy monitoringa zheleznodorozhnogo puti dlya povysheniya informativnosti olsenki yego soderzhaniya [Modeling of the railway track monitoring system to increase the informative value of its content evaluation]. Mobile business: prospects of development and implementation of radio communication systems in Russia and abroad. The collection of materials (abstracts) XXXVIII international conference of the Russian Academy of Natural Sciences, pp. 11-13. (in Russian)
11. Loktev A.A., Izotov K.A. (2017). Model' povysheniya propusknoy sposobnosti voiokonno-opticheskoy linii svyazi [A model for increasing the capacity of a fiber-optic communication line]. Information society technologies. XI International branch scientific and technical conference: proceedings, pp. 321-322. (in Russian)
12. Loktev A.A., Izotov K.A., Linkov V.l. (2017). Vozmozhnosti povysheniya propusknoy sposobnosti volokonno-opticlieskikh liniy svyazi [Opportunities to increase the capacity of fiber-optic communication lines]. Nauka i tekhnika transporta [Science and technology of transport], no. 3, pp. 97-101. (in Russian)
S3, Loktev A.A,, Loktev D.A, (2017). Vyyavleniye i detekt irovaniye vneshnikh defektov verkhnego stroyeniya puti agregirovannym metodom na osnove stereozreniya i analiza razmytiya obraza [Identification and detection of external defects of the track top structure by an aggregated method based on stereo vision and blur analysis of the image], Vnedreniye sovremennykh konstruktsiy i peredovykh tekhnologiy v putevoye khozyaystvo [In I rod net ion of modem structures and advanced technologies in track facilities]. Vol. 1!, no. 11-11 (11), pp. 96-100. (in Russian)
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ СВЕТОВОГО ИМПУЛЬСА НА ПАРАМЕТРЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
Изотов Константин Андреевич, Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия,
Локтев Алексей Алексеевич, Российский университет транспорта (МИИТ), Москва, Россия, [email protected] Локтев Даниил Алексеевич, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия,
Аннотация
Исследование посвящено изучению влияния основных параметров светового импульса на характеристики использования волоконно-оптической системы в целом. Направление работы актуально и своевременно из-за использования волоконно-оптических линий в широком диапазоне задач, от передачи данных до систем мониторинга линейных сооружений и объектов транспортной инфраструктуры. В процессе распространения оптического сигнала по волноводу происходит его изменение из-за действия таких факторов и явлений, как затухание, дисперсия групповых скоростей, фазовая самомодуляция, фазовая кросс-модуляция, четырех-волновое смешивание, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и других нелинейных эффектов. В данной работе изучается влияние основных из указанных явлений на световые импульсы различных форм и их последовательности с целью выявления возможностей увеличения мощности сигнала на выходе из волоконно-оптической системы, скорости передачи данных или длины линейного тракта между активными усиливающими устройствами. Задаются аналитические зависимости для огибающая оптической мощности, формы входного сигнала как функции времени, электрической напряженности электромагнитного поля световой волны, которые затем численно исследуются в программно-вычислительном комплексе, позволяющем моделировать не только параметры системы передачи данных, но и непосредственно физической среды. Рассмотрены шесть форм световых импульсов: меандр, треугольник, синусоида, "трезебуц", гауссовский импульс и гауссовский импульс с чирпом. Рассмотрены уравнения описывающие поведение протяженного волновода при прохождении по нему светового импульса, сформулированы условия для их решения и требования к методам определения искомых величин для последующего сравнения с данными численного моделирования. Сделаны качественные выводы о влиянии на характеристики выходного импульса указанных параметров входного сигнала и свойств среды распространения. Полученные результаты могут быть использованы в существующих системах передачи информации для увеличения их пропускной способности и в проектируемых системах мониторинга для определения деформаций различных протяженных искусственных сооружений.
Ключевые слова: входной и выходной импульс, изменение длительности, огибающая сигнала, параметры оптического волокна, хроматическая дисперсия, частотный чирп, волновые уравнения.
Литература
1. Agrawal G.P. Nonlinear fiber optics. Boston: Academic Press. 2009. 466 p.
2. Андрианова А.В. Разработка волоконно-оптического сегмента сверхширокополосных систем передачи информации на базе технологии Radioover-fiber: дис. канд. техн. наук: 05.12.13 - Уфа. 2016. 165 с.
3. Бородкин А.А. Волоконные иттербиевые лазеры сверхкоротких импульсов без внутрирезонаторной компенсации дисперсии с использованием нелинейного волоконного зеркала и модулятора на основе углеродных нанотрубок: дис. канд. физ.-мат. наук: 01.04.21 М., 2015. 140 с.
4. Григоров И.В. Обработка сигналов в телекоммуникационных системах с применением нелинейных унитарных преобразований: дис. д. техн. наук: 05.12.13. Самара. 2014. 329 с.
5. Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 272 с.
6. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи. М.: ЛЕСАРарт, 2003. 288 с.
7. Локтев А.А., Матасов С.А. Определение характеристик электромагнитного поля с помощью лучевого метода // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2013. Т.7. № 3. C. 28-31.
8. Локтев А.А., Локтев Д.А. Метод определения расстояния до объекта путем анализа размытия его изображения // Вестник МГСУ. 2015. № 6. С. 140-151.
9. Локтев А.А., Залетдинов А.В. Определение точек взаимодействия прямых и отраженных волн в пластинке // Вестник МГСУ. 2010. № 4-3. С. 303-308.
10. Сычев В.П., Локтев А.А., Локтев Д.А., Изотов К.А. Моделирование системы мониторинга железнодорожного пути для повышения информативности оценки его содержания / В книге: Мобильный бизнес: перспективы развития и реализации систем радиосвязи в России и за рубежом сборник материалов (тезисов) XXXVIII международной конференции РАЕН. 2016. С. 11-13.
11. Локтев А.А., Изотов К.А. Модель повышения пропускной способности волоконно-оптической линии связи // В сборнике: Технологии информационного общества XI Международная отраслевая научно-техническая конференция: сборник трудов. 2017. С. 321-322.
12. Локтев А.А., Изотов К.А., Линьков В.И. Возможности повышения пропускной способности волоконно-оптических линий связи // Наука и техника транспорта. 2017. № 3. С. 97-101.
13. Локтев А.А., Локтев Д.А. Выявление и детектирование внешних дефектов верхнего строения пути агрегированным методом на основе стереозрения и анализа размытия образа // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. 2017. Т. 11. № 11-11 (11). С. 96-100.
Информация об авторах:
Изотов Константин Андреевич, Московский технический университет связи и информатики, аспирант, Москва, Россия Локтев Алексей Алексеевич, д.ф.-м.н., профессор, Российский университет транспорта (МИИТ), заведующий кафедрой "Транспортное строительство", Москва, Россия
Локтев Даниил Алексеевич, к.т.н., Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, доцент кафедры "Информационные системы и телекоммуникации", Москва, Россия
