Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Transcription

1 Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Návrh a optimalizácia technológií pre plne optickú regeneráciu signálu Martin Iglarčík 2007

2 Návrh a optimalizácia technológií pre plne optickú regeneráciu signálu DIPLOMOVÁ PRÁCA MARTIN IGLARČÍK ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: Ing. Jozef DUBOVAN Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 18. máj 2007 ŽILINA 2007

3 ABSTRAKT ABSTRAKT Práca sa zaoberá regeneráciou optického signálu, pričom jej ťažisko je v simulácii dvoch typov regenerátorov. Prvým typom je regenerátor s disperzne posunutým vláknom DSF, v ktorom vzniká štvorvlnové zmiešanie. Pri druhom type regenerátora je pre ten istý jav ako nelineárne médium využívaný polovodičový optický zosilňovač SOA. Simulácie boli realizované v simulačnom prostredí VPIphotonics TM, ktoré pracuje na báze numerickej analýzy. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE I

4 ANOTAČNÝ ZÁZNAM ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ ANOTAČNÝ ZÁZNAM DIPLOMOVÁ PRÁCA Meno a priezvisko: Martin Iglarčík Akademický rok: 2006/2007 Názov práce: Návrh a optimalizácia technológií pre plne- optickú regeneráciu signálu ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Počet strán: 40 Počet obrázkov: 16 Počet tabuliek: 1 Počet grafov: 16 Počet príloh: 2 Počet použ. lit.: 9 Anotácia v slovenskom jazyku: Diplomová práca sa zaoberá návrhom a popisom technológií pre plne optickú regeneráciu optického signálu. Popisuje základné vlastnosti jednotlivých regenerátorov, princíp ich činnosti a mechanizmy, ktoré tieto regenerátory využívajú. Toto vyšetrovanie je realizované prostredníctvom simulačného prostredia VPIphotonocs TM. Anotácia v anglickom jazyku: The diploma thesis deal with design and describe technologies for all-optical regeneration of optical signal. It describes basic facilities individual regenerators, their function process and mechanisms which regenerators exploit. This investigation is realized in simulation environment VPIphotonics TM. Kľúčové slová: plne-optická regenerácia, 2R regenerácia, 3R regenerácia, štvorvlnové zmiešavanie, polovodičový optický zosilňovač SOA, disperzne posunuté vlákno DSF, Vedúci diplomovej práce: Ing. Jozef Dubovan Recenzent: Ing. Radoslav Odrobiňák PhD Dátum odovzdania práce: 18. máj 2007 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE II

5 OBSAH OBSAH ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK... IV ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV... VI 1 ÚVOD PREHĽAD SUČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ ZÁKLADNÝ PRINCÍP JEDNOTLIVÝCH ČASTÍ REGENERÁTOROV Nelineárna optická brána NLOG Blok generujúci synchronizačné hodinové impulzy tzv. CR POPIS TECHNOLÓGIÍ PRE 2R A 3R REGENERÁCIU Technológie pre 2R regeneráciu R regenerátor využívajúci FWM (štvorvlnné zmiešavanie) FWM vytvorené pomocou SOA FWM vytvorené pomocou DSF R regenerácia vytvorená pomocou MZI Technológie pre 3R regeneráciu Polovodičové pasívne módovo-blokované lasery Dvoj-fotónová absorpcia SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV SKÚMANIE MODELOV 2R REGENERÁTOROV Regenerátor s disperzne posunutým vláknom DSF Regenerátor s SOA zosilňovačom URČENIE LIMITUJÚCICH PARAMETROV REGENERÁTOROV A ICH POROVNANIE OVERENIE VÝSLEDKOV SIMULÁCIÍ S EXPERIMENTÁLNYMI VÝSLEDKAMI VYHODNOTENIE DOSIAHNUTÝCH VÝSLEDKOV SIMULÁCIÍ ZÁVER ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE III

6 ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK ZOZNAM OBRÁZKOV Obr. 1 Bloková schéma 2R regenerátora... 4 Obr. 2 Bloková schéma 3R regenerátora... 4 Obr. 3 Princíp 3R regenerácie NRZ signálu: a) degradovaný signál, b) zosilnený signál, c) signál s obnoveným tvarom, d) zosynchronizovaný signál Obr. 4 Princíp 3R regenerácie použitím nelineárnej optickej brány Obr. 5 a) Optický interferometer zahŕňajúci vo svojom ramene nelineárne médium b) Nelineárna prenosová funkcia a jej aplikácia do náhodného kódovaného signálu Obr. 6 Zmiešavanie vĺn Obr. 7 Experimentálna schéma pre dosiahnutie 2R regenerácie prostredníctvom SOA Obr. 8 Parametre nastavené v SOA Obr. 9 Experimentálna schéma pre dosiahnutie 2R regenerácie prostredníctvom DSF Obr. 10 Parametre pre DSF Obr. 11 2R regenerátor založený na plne- aktívnom Mach- Zehenderovom interferometri. DCF- disperziu kompenzujúce vlákno Obr. 12 Polovodičový módovo- blokovaný laser Obr. 13 Vnútro polovodičového módovo- blokovaného lasera Obr. 14 a) Obnova taktu pomocou dvoj- fotónovej absorpcie, PLL - Fázu- blokujúca slučka, Si APD - lavínová dióda, PC - Polarizačný kontrolér, VCO - napätím riadený oscilátor, b) závislosť fotoprúdu diódy od vstupného výkonu Obr. 15 Model 2R regenerátora s DSF vláknom vo VPIphotonics TM Obr. 16 Model 2R regenerátora so SOA zosilňovačom vo VPIphotonics TM Graf. 1 Rozsynchronizovaný vstup do regenerátora...15 Graf. 2 Výstup z obvodu obnovy taktu Graf. 3 Vstupný degradovaný signál Graf. 4 Signál za DSF vláknom a jeho spektrum Graf. 5 Výber vzniknutého produktu a jeho diagram oka Graf. 6 Tvar výstupného signálu a jeho diagram oka Graf. 7 Závislosť vstupného výkonu od ER výstupného produktu ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE IV

7 ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK Graf. 8 Prenosová funkcia regenerátora Graf. 9 Prenosová funkcia regenerátora vyjadrená v dbm hodnotách Graf. 10 Graf závislosti ER na vstupnom výkone v normálnom DSF Graf. 11 Prenosová funkcia pre normálne DSF vlákno Graf. 12 Prenosová funkcia pre normálne DSF vlákno vyjadrená v dbm hodnotách Graf. 13 ER pre výstupný produkt pri CW=500µW Graf. 14 ER pre výstupný produkt pri CW=1mW Graf. 15 Prenosová funkcia Graf. 16 Prenosová funkcia ZOZNAM TABULIEK Tab. 1 Porovnanie medzi simuláciami a experimentmi ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE V

8 ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV Skratka Anglický význam Slovenský význam 1R Reamplification Regenerácia amplitúdy signálu 2R Reshaping, Reamplification Regenerácia amplitúdy a tvaru signálu 3R Retiming, Reshaping, Reamplification Regenerácia amplitúdy, tvaru a taktu signálu ASE Amplitude spontaneous emission Amplitúdová spontánna emisia CR Clock recovery Obnova taktu signálu CW Continual wave Stály, časovo invariantný signál, zdroj tohto signálu DFA Dopped fibre amplifier Vláknové zosilňovače s prímesami prvkov vzácnych zemín DSF Dispersion shifted fibre Disperzne posunuté vlákno EDFA Erbium dopped fibre amplifier Erbiom dopovaní vláknový zosilňovač EO Electrical- optical Elektro- optická konverzia conversion ER Extinction ratio Odstup jednotky od nuly v diagrame oka signálu FBG Fibre bragg grating Vláknová Braggovská mriežka FWM Four wave mixing Štvorvlnové zmiešavanie MQW Multi quantum well Špeciálna štruktúra SOA MZI Mach- Zehender interferometer Mach- Zehenderov interferometer NLOG Nonlinear optical gate Nelineárna optická brána NRZ Non return to zero Kódovanie bez návratu k nule OE Optical- electical Opto- elektrická konverzia conversion OI Optical isolator Optický izolátor PC Polarization controller Polarizačný kontrolér PLL Phase- locked loop Fázu- blokujúca slučka PM Phase modulation Fázová modulácia PMLL Passive mode locked laser Polovodičový módovoblokovaný laser SA Saturable absorber Saturovatelný absorbér SNR Signal to noise ratio Odstup signálu od šumu SOA Semiconductor optical amplifier Polovodičové optické zosilňovače ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE VI

9 ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV WDM Wavelength division Vlnovo delený multiplex multiplex XGM Cross gain modulation Modulácia krížového zisku XPM Cross phase modulation Krížová fázová modulácia λ 1, λ S vlnová dĺžka vstupného signálu λ 2, λ CW vlnová dĺžka CW signálu λ 0 vlnová dĺžka v DSF pri ktorej je disperzia rovná nule P in, P s výkon vstupného signálu P cw výkon CW signálu P out výkon výstupného signálu Φ(P in (λ 1 )) rozdiel medzi fázami jednotlivých ramien Φ 1 fáza ramena v ktorom nie je nelineárne médium Φ 2 (P in (λ 1 )) fáza ramena s nelineárnym médiom ω 1,ω 2,ω 3 frekvencie, ktoré sa šíria v optickom vlnovode, vďaka ním vzniká FWM ω 4 frekvencia vzniknutá prostredníctvom FWM χ lineárna susceptibilita τ časové oneskorenie P 31 minimálny výkon v hodnote 1 v diagrame oka signálu na výstupe P 30 maximálny výkon v hodnote 0 v diagrame oka signálu na výstupe P S1 minimálny výkon v hodnote 1 v diagrame oka vstupného signálu P S0 maximálny výkon v hodnote 0 v diagrame oka vstupného signálu L dĺžka DSF vlákna η účinnosť FWM pre vzniknutý produkt γ nelineárny koeficient DSF vlákna α koeficient tlmenia DSF vlákna ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE VII

10 POĎAKOVANIE POĎAKOVANIE Táto práca je riešená v rámci nasledujúcich výskumných úloh: 1. Towards Digital Optical Networks, COST Technológie optického spracovania signálov pre digitálne optické siete budúcej generácie, číslo projektu: APVT Touto cestou chcem poďakovať vedúcemu diplomovej práce Ing. Jozefovi Dubovanovi za odborné vedenie. Ďalej by som chcel poďakovať hlavne mojím rodičom za každú podporu a za trpezlivosť, ktorú prejavovali počas celého môjho štúdia. Ďakujem aj všetkým ostatným ľudom, ktorý mi akýmkoľvek spôsobom pomáhali počas môjho štúdia. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE VIII

11 ÚVOD 1 ÚVOD V minulosti sa na prenos informácií od jedného koncového zariadenia k druhému používali elektrické vedenia a tiež prenos pomocou elektromagnetických vĺn. Informácie sa prenášali pomocou koaxiálnych káblov, rádiovými vlnami použitím antén a tiež inými spôsobmi. Dynamickým narastaním rozvoja vedy a tiež spoločnosti mal za následok zvýšenie potreby prenosu informácií. Postupne sa vytvárali nové metódy prenosu, ktoré pomáhali nárast informácií zvládnuť. V dnešnej dobe veľmi dôležitým a účinným spôsobom sa ukázal byť prenos použitím optického vlákna. Čoraz viac dát od jedného zariadenia k druhému sa prenáša optickou formou. Je to spôsobené tým, že táto forma prenosu ponúka obrovskú šírku prenášaného pásma. Túto šírku pásma nie je však možné využiť celú, je to spôsobené tým že optický signál sa pri spracovaní musí konvertovať do elektrickej oblasti a potom opäť do optickej. To spôsobuje výrazné zníženie prenosových rýchlostí. Pre zamedzenie tohto problému sa súčasný výskum v oblasti optických sietí stále viac zameriava na otázku plne optická sieť resp. plne optické spracovanie signálov. Základná požiadavka je nahradiť všetky komponenty pre EO a OE konverziu, ktoré obmedzujú zvyšovanie prenosových rýchlostí (zväčša sú to elektrické prvky) plneoptickými prvkami, ktoré majú v tomto smere lepšie vlastnosti. Optický signál ktorý prechádza optickým linkovým traktom je ovplyvňovaný rôznymi vplyvmi. Degradáciu optického signálu spôsobuje jednak samotne optické vlákno a jednak zariadenia pre spracovanie signálu nachádzajúce sa na optickej trase. Za najmarkantnejšie môžeme považovať: Tlmenie v optickom vlákne Amplitúdová spontánna emisia- ASE, ktorou prispievajú zosilňovače optického signálu, tieto predstavujú výrazný vplyv na prenos optických signálov Rozširovanie optických impulzov z dôvodu disperzie Nelineárne javy spôsobené Kerrovými efektmi Samofiltrácia- zúženie transparentného spektra pri kaskádnom zapojení optických zosilňovačov ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 1

12 ÚVOD Tieto javy predstavujú hlavný problém pri prenose signálov optickým prostredím. Riešením problému degradácie signálu je jeho regenerácia. Tento pojem opisuje blok komponentov, ktoré sa používajú na znovu obnovenie signálu, ktorý je pri prenose cez prenosové médium degradovaný. Táto práca sa zaoberá vývojom optických sieti, využitím rôznych typov plneoptických regenerátorov. Tiež skúma vlastnosti a parametre týchto regenerátorov a snaží sa ich porovnať s výsledkami dosiahnutými v praxi. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 2

13 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ 2 PREHĽAD SUČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ 2.1 Základný princíp jednotlivých častí regenerátorov Úplná regenerácia optického signálu je charakteristická tromi operáciami a preto sa tiež nazýva aj 3R regenerácia. Je to skratka pre Re-amplification, Re-shaping a Retiming. Ide o obnovu amplitúdy, tvaru a časovej polohy optického signálu. Re-amplification čiže obnova amplitúdy alebo 1R sa vykonáva pomocou optických zosilňovačov, ktoré môžu byť v súčasnosti založené na rôznych princípoch. Napríklad vláknové s prímesami prvkov vzácnych zemín DFA (Dopped Fibre Amplifier), vláknové na princípe Ramanovského zisku alebo polovodičové optické zosilňovače SOA (Semiconductor Optical Amplifier). Týmto spôsobom sa eliminuje tlmenie optického vlákna a tiež ostatných komponentov v trase, pričom DFA dokážu naraz zosilňovať niekoľko WDM (Wavelength Division Multiplexing) kanálov. Nevýhodou optických zosilňovačov je, že zosilňujú aj šum vznikajúci vplyvom spontánnej emisie tzv. ASE. V tejto časti však nedochádza len k pasívnemu upraveniu vstupného výkonu signálu, ale aj k zníženiu kolísania intenzity, ktorá je zapríčinená šírením sa alebo prechodom cez jednotlivé uzly siete. Tento blok pôsobí ako prispôsobovacie rozhranie, potláčajúce kolísanie vo vstupnom výkone, vlnovej dĺžke a polarizačnom stave alebo prispôsobuje možné zmeny v dátovom formáte. Re-shaping tzv. 2R potláča šum a presluch, dokáže signál obnoviť v amplitúde a tvare. Re-timing tzv.3r obnovuje aj časovú polohu impulzov, ktoré sa vplyvom časového chvenia rozsynchronizujú. Rozdiel medzi 2R a 3R regenerátorom je v tom, že 3R vyžaduje obnovu taktu CR (Clock Recovery). Tento blok obnovy taktu generuje krátke periodické impulzy s minimálnym časovým chvením. Na obr. 1 a obr. 2 sú zobrazené základné blokové schémy 2R a 3R regenerátorov a tiež základný rozdiel medzi regeneračnými blokovými schémami [8]. Spoločnými prvkami 2R a 3R regenerátora sú optický zosilňovací prvok a nelineárna optická brána NLOG (Nonlinear Optical Gate). Pre lepšie pochopenie princípu 3R regenerátora viď obr. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 3

14 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ 2. Na vstupe sa nachádza zašumený, degradovaný signál. Tento signál je potrebné regenerovať. Signál je rozdelený na dve časti. Jedna časť je vybraná za účelom vytvorenia synchronizačných hodinových impulzov. Druhá časť signálu je poslaná do zosilňovača, tu je zosilnená a potom ďalej tento signál prechádza do rozhodovacieho bloku, kde nastáva súčasne obnova tvaru signálu a tiež obnova taktu. Obr. 1 Bloková schéma 2R regenerátora Obr. 2 Bloková schéma 3R regenerátora ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 4

15 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Oba tieto obrázky zobrazujú ako je možne regenerovať signál v amplitúde, tvare a časovej polohe. Na obr. 3 je postup ukázaný na signáli NRZ (Non Return to Zero- bez návratu do nuly) [1]. Obr. 3 Princíp 3R regenerácie NRZ signálu: a) degradovaný signál, b) zosilnený signál, c) signál s obnoveným tvarom, d) zosynchronizovaný signál Nelineárna optická brána NLOG Pre prípad 2R sa nelineárna brána používa pre modulovanie spojitej vlny, ktorú generuje zdroj CW (Continous Wave), čím regeneruje dátový signál v amplitúde a tvare. V prípade 3R je takt, ktorý je synchronizovaný vstupným dátovým tokom potom modulovaný v bloku NLOG dátovým signálom. Ako už bolo uvedené táto brána je spoločným prvkom pre 2R a 3R regenerátor. NLOG môže byť definovaná ako trojvstupové zariadenie, kde druhý vstupný port je používaný pre nastavenie rozhodovacích úrovní, ale tiež to môže byť dvojvstupové zariadenie, kde vstupný signál vystupuje ako riadiaci signál. Táto brána sa aj nazýva základný regeneračný prvok. Teoreticky pôsobí ako vysielač, ktorý dokáže obnovovať tvar optického pulzu. Princíp takejto brány je zobrazený na obr. 4 [1]. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 5

16 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Obr. 4 Princíp 3R regenerácie použitím nelineárnej optickej brány. Vstupný degradovaný signál nám spúšťa nelineárnu bránu, táto preto vygeneruje spínacie okno, ktoré je aplikované do novo generovaného optického hodinového signálu, aby vytváral vstupný dátový tok na nový optický prenos. NLOG môže používať rôzne princípy, ale asi najpoužívanejšími prvkami, ktoré sa tu využívajú sú optické interferometre. Tento typ rozhodovacích prvkov môže pracovať na dvoch princípoch. Buď sú to vláknové interferometre, alebo interferometre pracujúce na polovodičovom princípe. Uvažujeme optický interferometer, ktorý má v jednom svojom ramene zaradené nelineárne médium vid na obr. 5. Obr. 5 a) Optický interferometer zahŕňajúci vo svojom ramene nelineárne médium b) Nelineárna prenosová funkcia a jej aplikácia do náhodného kódovaného signálu. Predpokladáme prítomnosť dvoch signálov- vstupný signál, vo funkcii ovládacieho signálu na vlnovej dĺžke λ 1 a lokálny signál tzv. CW na vlnovej dĺžke λ 2 ktorý pôsobí ako snímací, potom výstupný výkon je daný vzťahom P ( λ ) = α P ( λ ) [1 + cos( Φ ( P ( λ )))] (1.1) out 2 cw 2 in 1 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 6

17 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ kde Φ(P in (λ 1 ))=Φ 2 (P in (λ 1 )) Φ 1. Injektovaný signál na vlnovej dĺžke λ 1 vybudí fázový posuv prostredníctvom XPM (Cross Phase Modulation), ktorého hodnota závisí na výkonovej úrovni P in (λ 1 ). Fázová modulácia striedavo vytvára amplitúdovú moduláciu signálu na vlnovej dĺžke λ 2. Rýchle nelinearity ovplyvnia prerozdelenie šumu, čo má za následok užšiu hodnotu šumu v znaku 1 a tiež v znaku 0 a tým má lepšiu hodnotu odstupu signálu od šumu SNR. Za týchto podmienok dokáže interferometer vykonávať 2R regeneráciu vstupujúceho optického signálu. Prenosová funkcia takéhoto interferometra je ukázaná na obr. 5. Vlastnosti regenerátora závisia od vybraného stúpania prenosovej funkcie, polarita dát je uchovaná ak ide o kladné stúpanie alebo je prevrátená ak ide o záporné stúpanie (klesanie) prenosovej funkcie. XPM nie je jediným nelineárnym javom používaným u interferometrov, používajú sa aj iné, ako napr. FWM (Four Wave Mixing) alebo XGM (Cross Gain Modulation). Malo by byť známe, že ak CW signál o vlnovej dĺžke λ 2 nahradíme kmitajúcim hodinovým signálom, potom sú súčasne vykonávané funkcie obnovy tvaru a obnovy časovej polohy signálu pri vzorkovaní, čo má za následok plnú regeneráciu optického signálu. Ako už bolo spomenuté nelineárna brána tvorí základ pre 2R a 3R regeneráciu. Je dôležitým blokom pre obe operácie. V ďalších kapitolách bude tento komponent ešte spomenutý Blok generujúci synchronizačné hodinové impulzy tzv. CR (Clock Recovery) Tento blok je po nelineárnej bráne druhým kľúčovým blokom pre realizáciu 3R regenerácie. Z celkového pohľadu u 3R regenerácie je to najkritickejší problém. Má za úlohu generovať synchronizačné hodinové impulzy, ktoré potom v nelineárnej bráne slúžia k znovu obnoveniu časovej polohy predtým rozsynchronizovaného signálu. Používajú sa dva spôsoby generovania synchronizačných hodinových impulzov. Jeden je založený na elektronických prvkoch a ten druhý využíva optické štruktúry. Elektronické obvody využívajú najprv opto-elektrickú konverziu pomocou fotodiód a potom spätnú elektro-optickú konverziu pomocou modulátorov. Táto konverzia sa stáva pri zvyšujúcich sa bitových rýchlostiach čoraz náročnejšia. Preto sa v tejto oblasti javia byť výhodnejšie optické spôsoby generovania synchronizačných impulzov a nimi sa tu aj budeme zaoberať. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 7

18 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Principiálne sa na túto úlohu používajú rôzne metódy. Medzi najpoužívanejšie patria samo-pulzujúce lasery (self-pulsating), pasívne módovo-blokované lasery (modelocked), polovodičové lasery PMLL (Passive Mode Locked Laser), ale aj vláknové lasery. V tejto práci sú opísané rôzne typy metód, pričom v súčasnosti sú najvýznamnejšie z nich polovodičové lasery, nakoľko vykazujú menší fázový a amplitúdový šum oproti samo-pulzujúcim laserom a menšie oneskorenie taktu ako vláknové lasery. Samo-pulzujúce lasery sa používajú hlavne pre ich široký dynamický rozsah, široký rozsah laditeľných frekvencií, necitlivosť na polarizáciu a pomerne krátky blokovací čas (1ns). Hlavnou výhodou tohto ale aj hore uvedených laserov je, že sú použiteľné pre veľmi vysoké bitové rýchlosti. 2.2 Popis technológií pre 2R a 3R regeneráciu Technológie pre 2R regeneráciu Táto časť regenerátora sa zaoberá obnovou amplitúdy a tvaru signálu. Najdôležitejšou časťou 2R regenerátora je nelineárna brána, ktorá už bola opísaná v Ako bolo uvedené nelineárna brána môže používať rôzne princípy R regenerátor využívajúci FWM (štvorvlnové zmiešavanie) Jeden z princípov na ktorom je založená nelineárna brána je princíp štvorvlnového zmiešavania, pomocou ktorej vytvárame tzv. vlnovú konverziu. Štvorvlnové zmiešavanie je nelineárny jav, ktorý vzniká vplyvom Kerrovho efektu. Kerrov efekt hovorí o tom, že index lomu jadra vlákna je pri určitých prevádzkových podmienkach závislý na výkone signálu ktorý vláknom prechádza. Štvorvlnové zmiešavanie hovorí o tom, že ak sa tri optické vlny o nosných frekvenciách ω 1, ω 2 a ω 3 šíria súčasne v optickom vlákne, tak sa vygeneruje štvrté pole s frekvenciou ω 4, ktorá súvisí s predchádzajúcimi frekvenciami a je daná vzťahom: ω4 = ω1 ± ω2 ± ω3 (1.2) Podľa tohto vzťahu nám môže vzniknúť niekoľko frekvencií, lenže prakticky to nie je možné realizovať, pretože väčšina z týchto kombinácií požaduje fázovú zhodu ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 8

19 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ jednotlivých vĺn tzv. phase-matching. Tento jav je možné využívať, ale v niektorých prípadoch býva negatívny. Napríklad kombinácia frekvencií v tvare ω4 = ω1 + ω2 ω3 (1.3) je realizovateľná, ale pre viackanálové komunikačné systémy WDM je problematická, pretože u nich môže nastať fázová zhoda medzi kanálmi, keď vlnové dĺžky jednotlivých kanálov ležia blízko nulovej disperznej vlnovej dĺžky vlákna. V tomto prípade novovzniknutá vlna je problematická. Je potrebné ešte dodať, že na vznik javu je potrebný rovnaký rozstup kanálov a vzdialenosť medzi frekvenciami kanálov je približne desiatky GHz a menšia. Pre lepšie pochopenie princípu sa to dá vysvetliť ešte aj inak. Ak do vlákna alebo určitej štruktúry vchádzajú dve vlny s frekvenciami ω 1 a ω 2 tak spolu vytvoria vplyvom svojho výkonu vo vlákne mriežku (periodickú štruktúru), ktorá má v rôznych miestach rôzne indexy lomu a tým aj rôzne konštanty šírenia. Vlna s frekvenciou ω 1 sa od tejto štruktúry odráža, pričom vzniká jej rozptyl na iné frekvencie. Jedna s rozptýlených frekvencií je aj ω 4. Zo všetkých vzniknutých frekvencií má táto najlepšie vlastnosti. A je daná vzťahom (1.4). Ako bolo písané tento princíp sa dá aj veľmi dobre využiť pre konverziu vlnových dĺžok. Na to aby sme to urobili je potrebné použitie dvoch vĺn o rôznych frekvenciách. Jedna z nich je vlna, ktorou prenášame signál a druhá je prídavná tzv. spojitá vlna CW. Obidve vlny musia byť rovnako polarizované. Je pravda, že použitie dvoch vĺn sa môže brať ako nevýhoda oproti iným metódam, ale aj napriek tomu je tento princíp využívaný, lebo jeho vplyvom sú dosiahnuté veľmi dobré vlastnosti. Princíp mechanizmu je ukázaný na obr. 6, kde pre náš prípad platí že n = 3 a vtedy nastáva FWM. Kde χ znak označuje lineárnu susceptibilitu n-tého rádu, pričom ak n = 1 tak ide o lineárnu polarizáciu a ak n je väčšie alebo rovné dvom ide o nelineárnu polarizáciu [6]. Obr. 6 Zmiešavanie vĺn. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 9

20 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ komponentmi. Blok χ (n), ktorý je ukázaný na obrázku sa dá prakticky realizovať rôznymi FWM vytvorené pomocou SOA V tejto časti je opísaná schéma pre 2R regenerátor. Táto schéma využíva FWM. Prvok ktorý slúži pre generovanie FWM je polovodičový optický zosilňovač SOA. Vlnová konverzia založená na SOA je výhodná preto, lebo týmto spôsobom dosahujeme veľmi dobrý odstup signálu od šumu výstupného konvertovaného signálu, čo je pri jeho ďalšom šírení veľmi dobrá vlastnosť. Obr. 7 Experimentálna schéma pre dosiahnutie 2R regenerácie prostredníctvom SOA. EDFA - zosilňovač, BPF - optická pásmová priepust, PC - polarizačný kontrolór, FBG - vláknová Braggovská mriežka, OI - optický izolátor, MOD- modulátor, PRDG - pseudonáhodný dátový generátor [4]. Ako bolo opisované v podkapitole na vytvorenie efektu FWM (viď obr. 7) je potrebné mať dve vlny, jedna z nich je vlna, na ktorej je prenášaný vstupný degradovaný signál a má frekvenciu ω 1, v tomto prípade je táto vlna generovaná pomocou Lasera1 a modulovaná do NRZ formátu pomocou modulátora do ktorého je privádzaná pseudonáhodná postupnosť z generátora. Druhá vlna tzv. CW o frekvencii ω 2 je generovaná pomocou Lasera2. Obidve tieto vlny musia mať rovnaké polarizačné vlastnosti preto sú tam umiestnené bloky PC. Za týmito blokmi sú obidve vlny cez 3dB združovač spojené a súčasne vložené do polovodičového optického zosilňovača SOA. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 10

21 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Tento musí byť patrične nastavený. Základné nastavenie na dosiahnutie FWM v SOA je znázornené na obr. 8 [5]. Obr. 8 Parametre nastavené v SOA. Injektované polia zapríčiňujú zisk zosilňovača modulovaním na taktovacej frekvencií, ktorá predstavuje rozdiel medzi ω 1 a ω 2, táto modulácia zisku striedavo zvyšuje novú oblasť na frekvencii ω 4. Na výstupe zo SOA tak dostaneme obidve vstupné frekvencie, ale vplyvom FWM dostaneme ešte novú frekvenciu ω 4, ktorá ako je uvedené závisí od obidvoch vstupných frekvencií podľa vzťahu: ω = 2ω ω (1.4) Signál o tejto frekvencii sa bude používať pri ďalšom prenose optickým linkovým traktom. Aby to tak bolo tak frekvenciu ω 4 najprv oddelíme pomocou Braggovských filtrov FBG1 a FBG2 od vstupných frekvencií ω 1 a ω 2, zosilníme ju pomocou EDFA zosilňovača. Za zosilňovačom ešte odfiltrujem šum, ktorý je pridaný do signálu zosilňovačom a takto upravený signál je možné používať pri ďalšom prenose. Jeho výhoda je v tom, že ma výborné vlastnosti. Medzi ne patrí hlavne lepší odstup signálu od šumu tzv. SNR (Signal to Noise Ratio) oproti vstupnému signálu. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 11

22 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Môžeme dosiahnuť 1,5 násobok hodnoty SNR vstupného signálu. Toto je dosiahnuté aj keď vstupný signál je zašumený a z toho môžeme usúdiť, že pri procese FWM sa šum vôbec neberie do úvahy a preto má výstupný produkt lepšie vlastnosti ako vstupný FWM vytvorené pomocou DSF V predchádzajúcej kapitole bol opísaný jednoduchý princíp vzniku FWM v polovodičovom optickom zosilňovači. V tejto časti bude len jednoducho opísaný postup vzniku FWM v DSF (Dispersion Shifted Fibre) tzv. disperzne posunutom vlákne. Je to z toho dôvodu, že je to podobné ako predchádzajúca schéma a táto časť bude tiež ako predchádzajúca ešte použitá v simulácii. Na obr. 9 je schéma pre dosiahnutie 2R regenerácie pomocou disperzne posunutého vlákna [3]. Obr. 9 Experimentálna schéma pre dosiahnutie 2R regenerácie prostredníctvom DSF. CW - spojitá vlna, EDFA - zosilňovač, OBPF - optická pásmová priepust, DSF - disperzne posunuté vlákno. Táto schéma je podobná schéme na obr. 7 a tiež vychádza z obr. 6. Schéma má o niečo lepšie vlastnosti ako keď použijeme SOA zosilňovač. Preto aby sme FWM v DSF dosiahli musí mať toto vlákno aj určité nastavenie. Na obr. 10 sú parametre nastavené vo vlákne. Je tam znázornené nastavenie pre normálne nelineárne vlákno a tiež pre vysoko nelineárne vlákno [3]. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 12

23 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Obr. 10 Parametre pre DSF. Pri vysoko nelineárnom vlákne dosahujeme lepšiu účinnosť FWM a tiež lepšie vlastnosti. Na výber vzniknutého produktu môžeme použiť rôzny typ filtra R regenerácia vytvorená pomocou Mach- Zehenderovho interferometra V kapitole bol v stručnosti popísaný princíp interferometrickej nelineárnej brány. V tejto kapitole bude jednoducho opísaný princíp regenerácie tvaru signálu pomocou Mach- Zehenderovho interferometra z článku [2], ktorý vo svojich ramenách používa polovodičové optické zosilňovače. Štruktúra je uvedená na obr. 11. Jeho princíp je založený na opticky vynútenej zmene hustoty nosičov v jednom z ramien interferometra. Výsledkom tejto zmeny je zmena fázy optického signálu, ktorý sa šíri v danom ramene, ide tu o závislosť hustoty nosičov na indexe lomu. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 13

24 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Obr. 11 2R regenerátor založený na plne- aktívnom Mach- Zehenderovom interferometri. DCF- disperziu kompenzujúce vlákno. Tieto inteferometrické zariadenia majú tiež schopnosť vykonávať súčasne regeneráciu signálu dokopy s vlnovou konverziou regenerovaného signálu a tiež celooptické demultiplexovanie signálu. MZI (Mach- Zehenderov interferometer) používaný v schéme na obr. 11 sa skladá z jednomódového štvorzložkového InGaAsP/InP (Indium Galium Arzén Fosfor/Indium Fosfor) vlnovodu s polarizačne necitlivými polovodičovými optickými zosilňovačmi a tiež s 3 db viacmódového zlučovacieho obvodu (coupler). Táto časť sa používa na riadenie odstupu signálu od šumu. Optické impulzy sú vložené do zariadenia pri vstupoch pred SOA1 a SOA3. Jeden zo vstupov je oproti druhému oneskorený pomocou oneskorovacej jednotky o τ za účelom zabrániť predlženiu obnovovacieho času v SOA a pre dosiahnutie vysokých bitových rýchlostí. Na výstupe z MZI máme dva signály, s ktorých je vybraný pomocou optickej pásmovej priepuste ten novovzniknutý, pričom pôvodný signál je odstránený. Takže vhodným nastavením vlnovej dĺžky CW lasera v našom prípade Laser2 môžeme dosiahnuť už hore spomenutú regeneráciu a súčasne s ňou aj vlnovú konverziu. Ak by sme CW laser nahradili pulzujúcim laserom, ktorého pulzy určitým spôsobom zosynchronizujeme s pulzmi vstupného signálu tak touto schémou môžeme dosiahnuť úplnú 3R regeneráciu optického signálu. Takže vidíme že MZI sa dá používať ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 14

25 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ na rôzne aplikácie pri prenose optického signálu optickým linkovým traktom. Napr. optická regenerácia pri bitovej rýchlosti 40 Gb/s bola dosiahnutá použitím viac ako 100 MZI regenerátorov v kaskáde čo je opísané v článku [7]. V ďalšej kapitole budú opísané ďalšie typy schém pre 3R regeneráciu optického signálu Technológie pre 3R regeneráciu V predchádzajúcej podkapitole sme sa zaoberali rôznymi typmi 2R regenerátorov. V nich bola opísaná obnova tvaru signálu, obnova amplitúdy signálu bola tiež súčasťou týchto schém. V tejto časti budú opísané väčšinou schémy pre obnovu taktu signálu a ich princípy, takže tu neopisujem celkovo 3R regeneráciu optického signálu ale iba blok CR, ktorý potom celkovo dopĺňa 3R regeneráciu. Až spojením týchto blokov môžeme vytvoriť 3R regenerátor. Najprv si vysvetlíme čo to je obnova taktu. Ak signál prechádza optickým linkovým traktom je nielen zašumený, utlmený, ale je aj rozsynchronizovaný. Toto rozsynchronizovanie (jitter) vid v graf. 1. Graf. 1 Rozsynchronizovaný vstup do regenerátora. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 15

26 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Na odstránenie tohto rozsynchronizovania sa používajú rôzne lasery. Ich úlohou je rozsynchronizovaný signál obnoviť tým že znížime chvenie (jitter) signálu. Príklad obnoveného signálu vid v graf. 2. Graf. 2 Výstup z obvodu obnovy taktu. Tieto lasery sa používajú aj na zosilňovanie signálov. Vstupujúci signál je najprv zosilnený a potom sa laser naladí pomocou rôznych mechanizmov na frekvenciu vstupného signálu. A začne vyžarovať taký istý signál len s menším chvením. Ako vidíme na obidvoch predchádzajúcich obrázkoch výstupný signál z lasera má menšie chvenie ako ten vstupujúci do neho. Ak by to tak nebolo tak v tom prípade nemožno hovoriť o obnove taktu signálu. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 16

27 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Polovodičové pasívne módovo- blokované lasery V predchádzajúcich kapitolách som sa už zmienil o rôznych typoch laserov, ktoré sa používajú na generovanie synchronizačných impulzov. Medzi najvýznamnejšie z nich patria polovodičové pasívne módovo- blokované lasery tzv. PMLL lasery, ktoré vykazujú menší fázový a amplitúdový šum a tiež menšie oneskorenie taktu oproti iným typom laserov. Principiálna schéma takéhoto PML lasera je na obr. 12 a jeho vnútorná stavba je na obr. 13. Ďalej bude opísaný jeho princíp. Obr. 12 Polovodičový módovo- blokovaný laser. Dátový signál sa injektuje do taktovacieho oscilátora s využitím polopriepustného zrkadla s malou obrazivosťou z dôvodu minimalizovania dutinových strát v oscilátore a minimalizovania vložných strát dátového signálu. Taktovací oscilátor sa skladá z SOA, ktorý sa nachádza vo vnútornej externej dutine a navyše obsahuje MQW (Multi Quantum Well) saturovateľný absorbér SA (Saturable Absorber), umiestnený na zadnom reflektore a tiež obsahuje predné polo priepustné zrkadlo a šošovky. Šošovky v externej dutine majú za úlohu zaostrovať a ohraničovať výstup z SOA a tiež zvyšujú stabilitu dutiny. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 17

28 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Obr. 13 Vnútro polovodičového módovo- blokovaného lasera. Ak zaostrujeme na SA v zadnom reflektore, tak ponúkame tým väčšiu optickú intenzitu pre saturovanie absorbéra, a malou veľkosťou zväzku lúča dopadajúceho žiarenia redukujeme čas obnovy absorpcie cez difúziu nosičov von z excitovanej oblasti. Potom sa tieto dátové signály injektujú do zosilňovača SOA v externej dutine. Hlavným mechanizmom pre obnovu taktu signálu v tomto prípade je saturácia zisku [8] Dvoj-fotónová absorpcia. Módovo-blokované lasery sa používajú veľmi často pri experimentoch s obnovou taktu. V používaní sa predbiehajú so samo-pulzujúcimi lasermi. Jeden z najnovších metód použitia módovo-blokovaných laserov je princíp dvoj-fotónovej absorpcie. Výhodou tejto metódy je jednoduchosť, pomerná lacnosť a veľmi vysoká rýchlosť spracovávania. Lenže najväčšími výhodami tejto techniky je veľmi malá polarizačná citlivosť a široký rozsah vlnových dĺžok, dva najkritickejšie problémy, ktoré historicky sužujú problematiku návrhu obvodu obnovy taktu. Tento mechanizmus generuje tzv. krížový korelačný signál, ktorý je tvorený pomocou fázovo blokovanej slučky a to kvôli vstupnému signálu a polarizačnému stavu. V tejto časti bude stručne opísaný princíp. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 18

29 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ Kľúčovým prvkom v tomto mechanizme je fázový fotodetektor, v našom prípade je to lavínová fotodióda, zariadenie, ktoré opatruje pomer synchronizácie medzi hodinovým a dátovým signálom. V elektrickej obnove taktu je fázová detekcia dosiahnutá zmiešaním detekovaných dát s hodinovým signálom v mikrovlnnom zmiešavači. V optike je zmiešavač nahradený veľmi rýchlym nelineárnym procesom, ktorý pôsobí priamo na optické signály. V našom prípade je to dvoj-fotónová absorpcia. A čo to vlastne je? Je to veľmi rýchly proces, v ktorom sú fotodiódou súčasne absorbované dva fotóny aby potom fotodióda vygenerovala nezávislý pár elektrón-diera. Na rozdiel od bežnej fotodetekcie u dvoj-fotónovej absorpcie je produkovaný prúd úmerný štvorcu optického výkonu. Fotodiódou vyprodukovaná krížová korelácia (krížová vzájomná závislosť) sa používa na meranie časového rozdielu medzi dátovým a hodinovým signálom. Hoci krížová korelačná funkcia je striktne kladná, bipolárny signál môže byť získaný pri odčítaní konštantného ofsetu. Výsledný bipolárny signál môže tak byť použitý ako chybový signál v PLL (Phase Locked Loop). Obr. 14 a) Obnova taktu pomocou dvoj- fotónovej absorpcie, PLL - Fázu- blokujúca slučka, Si APD - lavínová dióda, PC - Polarizačný kontrolér, VCO - napätím riadený oscilátor, b) závislosť fotoprúdu diódy od vstupného výkonu. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 19

30 PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ PLL blok tlačí chybový signál do nuly, čo uzatvára hodinový a dátový signál dokopy s časovým rozdielom uskutočneným na pozícií nulového krížového bodu. Tento postup je ukázaný na obr. 14 a podrobnejšie je opísaný v [9]. V problematike obnovy taktu a tiež obnovy tvaru a amplitúdy signálu je ešte veľa mechanizmov. Opísané sú len tie, ktoré ma nejakým spôsobom zaujali. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 20

31 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV 3 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV Nasledujúca časť tejto práce sa venuje skúmaniu vybraných modelov regenerátorov. Vlastnosti týchto regenerátorov sú skúmané v počítačovom simulačnom prostredí VPIphotonics TM. Obidva z týchto vybraných modelov už boli v predchádzajúcej časti stručne opísané. Ide o 2R regenerátory, ktorý využívajú štvorvlnové zmiešavanie, konkrétne regenerátor tvaru signálu založený na disperzne posunutom vlákne DSF, tento bol opísaný v kapitole a potom ide o regenerátor tvaru signálu založený na SOA z kapitoly Modely boli zostavené podľa schém uvedených na obr. 9 a tiež na obr. 7. Ďalej je opísaný postup práce. 3.1 Skúmanie modelov 2R regenerátorov Regenerátor s disperzne posunutým vláknom DSF Tento 2R regenerátor ako už bolo viackrát uvedené je založený na princípe štvorvlnového zmiešania. Štvorvlnové zmiešavanie vzniká v Disperzne posunutom vlákne DSF čiže to je regenerátor. Je to proces, pri ktorom nám z dvoch alebo viacerých vstupných signálov o určitej frekvencii vznikajú ďalšie nové signály o iných frekvenciách, ktoré súvisia so vstupnými frekvenciami. Na vytvorenie nových frekvencií je však potrebná určitá fázová zhoda (phase-matching) medzi vstupnými signálmi. Podrobnejšie je o tom popísané v kapitole Náš 2R regenerátor konvertuje vstupný signál s určitou frekvenciou na signál o inej frekvencii. K tejto konverzii potrebujeme ešte jeden signál, tzv. CW signál, to je signál so spojitým priebehom výkonu. Jeho hodnota sa počas simulácie nemenila, bol nastavený stále na hodnotu P cw =1dBm čiže 1mW. Bez neho by vlnová konverzia nemohla vzniknúť. Je dôležité si uvedomiť, že na vznik FWM je potrebné aby frekvencie (vlnové dĺžky) vstupných signálov boli v určitom vzťahu s nulovou disperznou vlnovou dĺžkou disperzne posunutého vlákna, ktorá je označená λ 0. V našom prípade je jej hodnota nastavená na 1557 nm. Hodnota vlnovej dĺžky vstupného signálu, ktorá je tu ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 21

32 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV označená λ S je rovná hodnote 1546 nm, čo pri prepočítaní na frekvenciu je to THz. Odstup λ 0 od λ S bol zvolený 11 nm. A vlnová dĺžka CW signálu tzv. λ CW bola vypočítaná podľa vzťahu λ = λ λ (1.5) S pričom λ som bola zvolená 1.5 nm. Potom z toho vyplýva, že λ CW = nm a prepočítaním na frekvenciu je to THz. Výkon vstupného signálu P S nie je pevne daná hodnota a pri meraniach sa bude meniť. Disperzne posunuté vlákno je nastavené podľa obr. 10 pričom najprv bolo nastavené na hodnoty vysoko nelineárneho vlákna, ale experiment je prevádzaný aj pri normálnom DSF vlákne. Na nasledujúcom obrázku je tento model v už spomenutom simulačnom programe VPIphotonics TM. CW Obr. 15 Model 2R regenerátora s DSF vláknom vo VPIphotonics TM. Je tam znázornený vysielač NRZ signálu, ktorého výkon P S meníme. CW signál o výkone P CW sa nemení. Vstupný signál prechádza cez SM (Single Mode) vlákno,čo je jednomódové vlákno, kde sa nám degraduje. Za vláknom budeme mať degradovaný signál, čo nám v reáli predstavuje signál, ktorý prešiel určitú vzdialenosť v optickom prenosovom trakte a je potrebné ho regenerovať. Výstup z SM vlákna a tiež jeho diagram oka vid v graf. 3. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 22

33 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV Graf. 3 Vstupný degradovaný signál. Tento signál je potrebná upraviť, čiže ho zosilníme a pustíme ho do PC (polarizačného kontroléra), kde sa nastaví polarizačný stav signálu. Potom nasleduje zlučovací obvod (coupler), v ktorom sa nám zlučujú dokopy užitočný signál s CW signálom. Potom ich obidva vpustíme do disperzne posunutého vlákna DSF. Tieto nám vplyvom zvýšených nelinearít vlákna spôsobia efekt štvorvlnového zmiešania. Vznikajú nové frekvencie. Podľa vzťahu (1.4). Podľa nastavených hodnôt v tejto kapitole nám vzniknú nové frekvencie, hodnota jednej je THz a hodnota druhej je THz. Odstup medzi jednotlivými frekvenciami je GHz. Prvá z nich má vyššiu hodnotu výkonu ako druhá. My použijeme tú prvú s frekvenciou THz. Označíme ju ω 4. Je pravda že tu vznikajú ešte aj ďalšie frekvencie ale tie majú taký malý výkon, že sa nedajú použiť. A načo budeme používať vzniknutý signál s frekvenciou ω 4? Je to jednoduché. Tento signál, ktorý vznikol prostredníctvom FWM použijeme ďalej pri prenose cez optický prenosový trakt. Má však lepšie vlastnosti ako signál P S, ktorý sme do regenerátora vložili. Graf. 4 ukazuje čo bolo v predchádzajúcom texte opisované. Je to výstup z DSF, čiže tvar a spektrum signálu. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 23

34 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV Graf. 4 Signál za DSF vláknom a jeho spektrum. Môžeme tu vidieť spektrum zo štyrmi hlavnými frekvenciami. Frekvencie s najvyššími výkonmi sú frekvencie vstupných signálov, a tie ďalšie dve postranné frekvencie sú novovzniknuté. Pre dobré vlastnosti potrebujeme vybrať frekvenciu, ktorá je vykreslená celkom naľavo v spektre. To urobíme pomocou optického filtra, ktorý nám tento signál osamostatní. Vo VPI je to označené ako Výber vzniknutého produktu, viď graf. 5. Keď je už tzv. produkt vybratý je potrebné ho trochu zosilniť, čo urobí zosilňovač. Ako vieme každý zosilňovač pridá k signálu nejaký šum. Na jeho odstránenie sa používa ďalší filter za ktorým už máme hotový produkt. Viď graf. 6. A ako som už v predchádzajúcich kapitolách opisoval tak tento výstupný produkt má oproti vstupnému degradovanému lepšie vlastnosti. Hlavnou výhodou toho vzniknutého produktu je to, že má lepší odstup hodnoty 1 od hodnoty 0 tzv. ER, čo znamená že má lepší odstup signálu od šumu SNR a tým má lepšie predpoklady na prenos optickým linkovým traktom. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 24

35 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV Graf. 5 Výber vzniknutého produktu a jeho diagram oka. Hodnotu ER je možné vypočítať pomocou vzťahu ER P P 31 = (1.6) 30 [3], kde P 31 je minimálny výkon v hodnote 1 odčítaný z diagramu oka výstupného produktu a P 30 je maximálna hodnota výkonu pri 0 tiež z tohto diagramu oka, čiže je to odstup 1 hodnoty od 0 hodnoty, je to ukázané v Graf. 6. Graf. 6 Tvar výstupného signálu a jeho diagram oka. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 25

36 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV Tieto výkony sú tiež dané vzťahmi (1 exp( α L)) P31 ( L) = ηγ PS 1PCW exp( α L){ } (1.7) 2 α (1 exp( α L)) P30 ( L) = ηγ PS 0PCW exp( α L){ } (1.8) 2 α pričom η je účinnosť FWM pre vzniknutý produkt, γ je nelineárny koeficient vlákna, P S1 a P S0 sú hodnoty vstupného výkonu zodpovedajúce jednotke a nule, α je koeficient tlmenia a L je dĺžka DSF vlákna. V meraniach, ktoré boli uskutočnené bola snaha zistiť, pri ktorých hodnotách vstupného výkonu P S je hodnota ER pre vzniknutý produkt najväčšia. Merania boli prevádzané pri výkone vstupného signálu v intervale od 1mW po 50mW. Pri hodnotách P S väčších ako 50mW už ER začalo klesať, lebo diagram oka bol so zvyšujúcou sa hodnotou výkonu horší. Ako vidno hodnota ER tu je ešte vysoká ale postupne klesá. To isté sa dialo aj pri niektorých výkonoch z uvedeného meraného intervalu. Ako uvádza graf. 7. Tam kde nie je žiadna hodnota tak tam nebolo možné odčítať ER, pretože diagram oka je Graf. 7 Závislosť vstupného výkonu od ER výstupného produktu. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 26

37 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV pri týchto hodnotách zašumený. Viď graf. 7, kde najväčšia hodnota ER je pri vstupnom výkone 45mW. Veľkosť tejto hodnoty je dB. Náš zašumený vstupný signál má hodnotu ER pri každej hodnote výkonu približne rovný 28.8dB. Takže keď to porovnáme tak náš výstupný signál má oproti tomu vstupnému až jeden a pol násobne lepšiu hodnotu ER. To čo je napísane platí pre tu najlepšiu hodnotu ER z uvedeného grafu. Ako môžeme vidieť aj nižšie hodnoty ER sú pre ďalší prenos výhodné. V prvej časti grafu, konkrétne pri hodnote 2mW je hodnota ER rovná dB, čo predstavuje 1.2 násobok hodnoty vstupného ER. Je to jedna z tých hodnôt vstupného výkonu, ktorú môžeme použiť na to aby nám prostredníctvom FWM vznikol nový signál, ktorého vlastnosti sú oproti vstupu lepšie. V grafe sú čiarou oddelené hodnoty, ktoré majú lepší ER oproti ER vstupného signálu a tým sú výhodnejšie pre použitie pri ďalšom prenose optickým linkovým traktom. Ďalšie meranie, ktoré bolo u tohto regenerátora robené bolo meranie prenosovej funkcie, čo je závislosť vstupného výkonu od výstupného výkonu. V tomto meraní bolo zisťované ako sa menila hodnota výstupného výkonu vzniknutého produktu ak sme vstupný výkon menili v tom istom intervale ako pri meraní ER, čiže od 1mW do 50mW. Graf. 8 opisuje túto prenosovú funkciu. Graf. 8 Prenosová funkcia regenerátora. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 27

38 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV Keď tento graf porovnáme s grafom na predchádzajúcom obrázku zistíme, že pri najväčších hodnotách výstupného výkonu sa prejavovali aj najväčšie hodnoty ER. Platí to aj pri tých nižších hodnotách medzi 20 a 30mW, ale nie je to pravidlom. Z tohto grafu to možno nie je možné určiť ale v ďalšom grafe je to znázornené lepšie. Ide tu tiež o prenosovú funkciu len s tým rozdielom, že hodnoty výkonov sú určené v dbm. Graf. 9 Prenosová funkcia regenerátora vyjadrená v dbm hodnotách. Predtým bolo zmienené o hodnote ER pri 2mW. V tomto grafe vidíme že hodnota výstupného výkonu pri 2mW vstupného výkonu je veľmi nízka, ale má pritom veľmi dobré vlastnosti. Preto ju musíme zosilniť a až potom ju použijeme na prenos. Ako vidno pri vysoko nelineárnom DSF vlákne boli dosiahnuté veľmi dobré vlastnosti vzniknutého produktu, čo bolo spôsobené tým že v tomto vlákne viac pôsobili nelinearity a tým aj Kerrov efekt, ktorý spôsobuje FWM. Merania boli uskutočnené aj na normálnom DSF vlákne, kde boli nelinearity nižšie, nastavenie tohto vlákna je tiež znázornené na obr. 10. Obvod bol nastavený presne tak isto, len s tým rozdielom že namiesto vysoko nelineárneho DSF vlákna bolo použité normálne DSF vlákno. Taktiež merania boli vykonávané v rovnakých intervaloch vstupného výkonu ako pri vysoko nelineárnom vlákne, pretože aj pri tomto vlákne boli vlastnosti najlepšie v tomto meranom intervale. Aj v tomto prípade boli merané hodnoty odstupu jednotky od nuly tzv. ER a tiež bola zisťovaná závislosť vstupného výkonu od výstupného tzv. prenosová funkcia. Najprv bude opísané meranie ER. Ako graf. 10 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 28

39 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV ukazuje najlepšie namerané hodnoty sa vyskytovali v oblasti od 1mW do 16mW. Hodnoty namerané vyššie už nemali dobre rozpoznateľný diagram oka a ak aj bol diagram oka dobre rozlíšiteľný tak ER bol veľmi nízky. V tomto grafe sú umiestnené všetky hodnoty, ktoré by sme mohli považovať za vhodné pre použitie pri ďalšom prenose. Sú to hodnoty, ktoré presahujú hranicu danú v grafe, je daná hodnotou 28.8dB čo je ER pre vstupný signál. Najväčší ER bol dosiahnutý pri vstupnom výkone signálu 5 a 6mW. Bolo to 37.2dB. Keď to porovnáme zo vstupným signálom tak výstupný ER je 1.28 násobok vstupného ER čo je veľmi dobrý výsledok. A keď vstup porovnáme s tou najnižšou hodnotou ER pri 16mW tak zistíme že aj pri tejto hodnote je dosiahnutý veľmi dobrý výsledok. Pri tomto výkone je medzi vstupom a výstupom rozdiel násobný. Graf. 10 Graf závislosti ER na vstupnom výkone v normálnom DSF. Ako už bolo písané pri vyšších výkonoch ako 16mW je ER veľmi nízke a preto nie je možne využiť tieto hodnoty. Prenosová funkcia tohto merania je trochu odlišná od tej pri vysoko nelineárnom DSF vlákne. Pri tých začiatočných hodnotách výkonu nám výkon vzniknutého produktu jemne narastal. Zastavilo sa to pri 16mW potom to začalo chvíľku klesať, ale nárast potom pokračoval. Veľmi prudký nárast sa začína prejavovať pri vstupnom výkone nad 55mW ale my vieme že pri týchto hodnotách sa nám nenachádzajú žiadne výkony, vďaka ktorým nám vznikne produkt z dobrými vlastnosťami. Ako ukazuje graf. 11 pri tomto ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 29

40 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV type vlákna nie sú dosadnuté také vysoké hodnoty výkonu vzniknutého produktu, čo je spôsobené tým že v tomto vlákne nie sú také veľké nelinearity a tie ako už vieme sú veľmi dôležité pri vzniku nového produktu. Graf. 11 Prenosová funkcia pre normálne DSF vlákno. Na ďalšom grafe je predchádzajúca prenosová funkcia vyjadrená v dbm. Graf. 12 Prenosová funkcia pre normálne DSF vlákno vyjadrená v dbm hodnotách. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 30

41 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV Obidve tieto merania aj pri vysoko nelineárnom ako aj pri normálnom DSF vlákne boli vykonávané pri prenosových rýchlostiach 10Gb/s. Pri tejto prenosovej rýchlosti boli vlastnosti týchto regenerátorov najlepšie. Pri vyšších prenosových rýchlostiach nebolo možné u žiadneho zo vzniknutých produktov dobre rozpoznať diagram oka, alebo vlastnosti tohto produktu boli veľmi zlé. Preto boli merania uskutočnené na tejto prenosovej rýchlosti Regenerátor s SOA zosilňovačom Druhý regenerátor, ktorého vlastnosti boli vyšetrované je regenerátor s polovodičovým optickým zosilňovačom SOA. Tento regenerátor tiež využíva pre dosiahnutie obnovy tvaru signálu efekt FWM. Ako vieme toto je nelineárny jav. My sa ho snažíme využiť pri spracovaní optických signálov. Ak by sme chceli SOA využívať len ako zosilňovač optického signálu, tak v tomto prípade by nám tento nelineárny jav mohol spôsobovať problémy. V tomto zosilňovači vznikajú ešte ďalšie nelineárne javy. Medzi ne patrí krížová fázová modulácia XPM a krížová modulácia zisku XGM. Aj tieto javy sú v určitých prípadoch negatívne ale tiež sa veľmi dobre dajú využiť pri spracovaní optických signálov. V kapitole je popísaný základný postup ako prebieha regenerácia optického signálu. V tejto kapitole je na obr. 7 ukázaná schéma, ktorá tu bola používaná. Podľa nej bola tiež navrhnutá schéma vo VPIphotonics TM, je ukázaná na obr. 16. SOA zosilňovač bol nastavený podľa obr. 8. Pri týchto nastaveniach nám v SOA môže vzniknúť efekt FWM. Je potrebné upozorniť na to, že v tomto type regenerátora je spolu s obnovou tvaru vykonávaná súčasne aj obnova amplitúdy, pretože SOA je zosilňovač optického signálu. Parametre nastavené v ďalších častiach schémy boli nasledovné. Tzv. vstupný signál na nasledujúcom obrázku označený ako Vstupný NRZ signál bol nastavený na frekvenciu 193.1GHz. Tento bol za zdrojom degradovaný. Ako už bolo v predchádzajúcej kapitole povedané to predstavuje degradovaný signál po prechode určitým úsekom optického linkového traktu. Diagram oka tohto signálu je ukázaný v prílohe č.2. Za týmto blokom je nastavená polarizácia signálu, táto musí byť pre obidva signály vstupujúce do SOA nastavená rovnako aby tam mohol vzniknúť jav FWM. Za polarizačným kontrolérom je signál vložený do zlučovacieho člena. Spolu s týmto signálom je tam vložený tiež druhý signál tzv. CW čo je signál s konštantnou hodnotou výkonu ale to už bolo povedané. Tento signál bol nastavený na frekvenciu 193.2GHz. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 31

42 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV Spektrum vstupu ale aj výstupu zo SOA je v prílohe 2. V schéme sa tiež nachádzajú optické izolátory, ktoré sa používajú na odstránenie spätne odrazených vĺn, ktoré vznikajú v SOA a v ďalších zariadeniach. Polovodičový optický zosilňovač SOA bol napájaný prúdom 1A. Pri tomto prúde som dosiahol, že výstupný produkt mal lepšie vlastnosti ako pri nižších prúdoch. Obr. 16 Model 2R regenerátora so SOA zosilňovačom vo VPIphotonics TM. Pri tomto regenerátore boli hodnoty vstupných výkonov odlišné od tých pri disperzne posunutom vlákne. U disperzne posunutého vlákna boli pri meraniach brané do úvahy hodnoty výkonov od 1 do 50mW. U SOA takýto rozsah hodnôt nie je možné použiť, pretože pri takýchto výkonoch sa SOA stáva presýteným. Preto boli merania prevedené s hodnotami výkonov od 50µW do 3mW, pričom tento rozsah bol použitý pre dve rôzne hodnoty CW výkonu. Najprv bolo CW rovné 500 µw a druhé meranie bolo prevedené s CW výkonom 1mW. Najprv si opíšeme prvý prípad. Výkon CW bol rovný 500µW. Meranie bolo prevedené s hodnotami vstupných výkonov v rozsahu od 50µW do 3mW. Hodnoty ER na výstupe ukazuje graf. 13. Vstupný NRZ signál bol degradovaný a hodnoty ER tohto degradovaného signálu sa pohybujú okolo 19dB, pričom to je maximálna hodnota. Pre každý vstupný výkon bol ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 32

43 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV určený výstupný ER. Pre nás je dôležité či je výstupná hodnota ER lepšia ako vstupná hodnota. Graf. 13 ER pre výstupný produkt pri CW=500µW. Tieto hodnoty boli porovnané a z toho bolo zistené, že výstupný ER sa pohybuje v rozsahu od 0.8 až po 1.47 násobok vstupného ER. Hodnoty nad jedennásobok vstupu sú pre ďalší prenos vyhovujúce. Hodnoty pod touto hranicou sa nedajú použiť, pretože ich vlastnosti sú nevyhovujúce. Graf. 13 názorne ukazuje, ktoré hodnoty sú vyhovujúce a ktoré nie. Ako to bolo aj na predchádzajúcich obrázkoch znázornené aj tu je to dané čiarou. Najväčšia hodnota ER 23.7dB bola dosiahnutá pri vstupnom výkone 450µW. Ďalšie meranie prebehlo pri nastavení CW na 1mW. Takisto to bolo v tom istom rozsahu hodnôt, čiže od 50µW do 3mW. Viď graf. 14, kde je znázornený ER pre toto meranie. Môžeme vidieť, že skoro všetky hodnoty vstupného výkonu sú vyhovujúce okrem tej prvej. Najvyšší ER bol dosiahnutý pri vstupoch od 550 do 650µW a je to 24.7dB. Keď to porovnáme so vstupom, kde najlepšie dosiahnuté ER bolo 18.4dB tak zistime, že v tomto prípade je medzi vstupným a výstupným ER najväčší dosiahnutý rozdiel 1.45 násobný. Keď neberieme do úvahy prvú nameranú hodnotu tak minimálny rozdiel je 1.12 násobný. Keby sme chceli porovnávať meranie pri obidvoch CW výkonoch tak zistíme, že toto druhé meranie nemá možno taký veľký rozdiel medzi vstupným a výstupným ER, ale aj ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 33

44 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV Graf. 14 ER pre výstupný produkt pri CW=1mW. napriek tomu sú výsledky tu dosiahnuté lepšie, pretože hodnoty sa skoro pri všetkých výkonoch držia na určitej stabilnej úrovni, kým naproti tomu v tom prvom meraní so SOA sú niektoré hodnoty vysoké, ale je to len pri určitých výkonoch a tieto výsledky sú nestabilné a kolísavé. Ďalej bude opísane meranie prenosovej funkcie, v ktorej je porovnaný vstupný Graf. 15 Prenosová funkcia. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 34

45 SKÚMANIE VYBRANÝCH MODELOV REGENERÁTOROV výkon s výkonom na výstupe zo SOA vzniknutého produktu. Prenosovú funkciu nameranú pri CW výkone rovnom 500µW znázorňuje graf. 15. Na tomto grafe môžeme vidieť, kedy vznikali najväčšie nelinearity v SOA, je to vtedy, keď je výkon výstupného produktu na najvyššej hodnote. Pri tomto meraní to bolo na hodnote 700µW. Potom hodnota výstupného výkonu začala klesať a to je spôsobené tým, že pri vyšších vstupných výkonoch sa SOA stáva presýtený. O tom už bolo zmienené v tejto kapitole. Ako možno vidieť toto meranie bolo prevedené do 1mW s krokom 50µW, kde bola zisťovaná maximálna hodnota výstupu a za týmto výkonom už bol krok 1mW. Ďalší graf znázorňuje priebeh prenosovej funkcie v druhom meranom prípade, keď CW=1mW. Rozsah meraných hodnôt je ten istý. Graf. 16 Prenosová funkcia. Na tomto grafe môžeme vidieť, že oproti tomu predchádzajúcemu je bod maximálnych nelinearít vzniknutých v SOA posunutý smerom k vyšším hodnotám. Najvyšší výstupný výkon bol dosiahnutý pri výkone vstupu 1.55mW potom opäť začal klesať skoro lineárne. Ďalšia kapitola, ktorá bude nasledovať sa zaoberá stanovením limitujúcich parametrov doteraz skúmaných regenerátorov a tieto limitujúce parametre budú tiež navzájom porovnané. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 35

46 URČENIE LIMITUJÚCICH PARAMETROV REGENERÁTOROV A ICH POROVNANIE 4 URČENIE LIMITUJÚCICH PARAMETROV REGENERÁTOROV A ICH POROVNANIE Ako už bolo povedané v tejto kapitole budú stanovené limitujúce parametre regenerátorov, ktoré boli skúmané v tejto práci. Je to dôležité, pretože ako vieme táto práca sa zaoberá plne- optickými technológiami pre regeneráciu optického signálu. Tak zistíme, kde sa nachádzajú obmedzenia týchto regenerátorov. Začnem regenerátorom s DSF vláknom. Na tomto regenerátore boli merania vykonávané na prenosovej rýchlosti 10Gb/s. Pri vyšších prenosových rýchlostiach už neboli regeneračné vlastnosti tejto schémy dobré, preto jeden z limitujúcich parametrov tohto regenerátora je prenosová rýchlosť. Ako bolo možné vidieť na obrázkoch pri tomto regenerátore boli dosiahnuté výborné výsledky, lenže merané hodnoty výstupného produktu pri jednotlivých vstupných výkonoch veľmi kolísali. Niekde nebolo možné rozoznať diagram oka. S toho vyplýva, že v tomto regenerátore je dôležité spoľahlivo určiť hodnotu výkonu, ktorú budeme používať. Týchto hodnôt nie je však veľmi veľa ale majú dobré vlastnosti, preto sa oplatí ich používať. Pri regenerátore s polovodičovým optickým zosilňovačom SOA merania prebiehali na prenosovej rýchlosti taktiež 10Gb/s. Pri tejto prenosovej rýchlosti sme dosiahli tiež veľmi dobré vlastnosti regenerátora. Merania boli skúmané aj pri vyšších prenosových rýchlostiach. Pri 20Gb/s bol diagram oka dobre rozoznateľný ale výstupný produkt nemal lepšie vlastnosti ako vstupný signál. Pri vyšších prenosových rýchlostiach už nebol dobre rozoznateľný diagram oka výstupného signálu. Medzi limitujúce parametre tu patrí to, že tu nemožno používať výkony nad 1mW, pretože regenerátor ide pri tomto rozsahu vstupných hodnôt s kvalitou dole. Niekde je táto hranica posunutá smerom hore, ale nie o veľkú hodnotu. Pri takýchto výkonoch nastáva presýtenie polovodičového optického zosilňovača. Ďalším z limitujúcich parametrov je, že pre dosiahnutie vysokých nelinearít v SOA je potrebný vysoký napájací prúd, v našom prípade to bolo 1A. Ak by sme tieto vlastnosti chceli dosiahnuť pri nižších prúdoch, tak by to nebolo možné. Pri SOA boli dosiahnuté výsledky horšie ako pri použití DSF vlákna. Prenosové rýchlosti obidvoch regenerátorov boli rovnaké. U DSF vlákna pri prenosovej rýchlosti 20Gb/s nebolo možné rozpoznať výstupný diagram oka. U SOA to pri tejto rýchlosti bolo možné ale vlastnosti produktu aj tak neboli dobré. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 36

47 OVERENIE VÝSLEDKOV SIMULÁCIÍ S EXPERIMENTÁLNYMI VÝSLEDKAMI 5 OVERENIE VÝSLEDKOV SIMULÁCIÍ S EXPERIMENTÁLNYMI VÝSLEDKAMI V tejto časti práce budú overené výsledky, ktoré boli dosiahnuté v simuláciách s výsledkami, ktoré boli dosiahnuté v experimentoch vo svete. Porovnávanie sa zameriavalo hlavne na podiel medzi hodnotou výstupného odstupu jednotky od nuly tzv. ER a hodnotou ER vstupného signálu. Tieto hodnoty boli určené pre všetky typy simulovaných regenerátorov a potom navzájom porovnané s tým čo už bolo dosiahnuté experimentálne. V nasledujúcej tabuľke sú znázornené výsledky pre obidva prípady. V tabuľke sú uvedené priemerné hodnoty pre všetky prípady regenerátorov zo simulácií ale aj pre regenerátory v experimentálnych meraniach. Tab. 1 Porovnanie medzi simuláciami a experimentmi. Experimentálne výsledky sú výsledkami štúdia tejto problematiky na University of Athens, Athens a boli uverejnené v článkoch [3] a [4]. Nastavenie simulácií sa zhodovalo s nastaveniami schém uvedených v týchto článkoch. V tabuľke môžeme vidieť, že výsledky experimentov sú zhodné s výsledkami v simuláciách. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 37

48 VYHODNOTENIE DOSIAHNUTÝCH VÝSLEDKOV SIMULÁCIÍ 6 VYHODNOTENIE DOSIAHNUTÝCH VÝSLEDKOV SIMULÁCIÍ V predchádzajúcej kapitole boli porovnávané výsledky simulácií s výsledkami, ktoré boli dosiahnuté v experimentoch vo svete. Všetky výsledky v tabuľke boli priemernými hodnotami z nameraných parametrov v jednotlivých simuláciách a experimentoch. Takže výsledky o ktorých bolo písane pri opise jednotlivých simulácií v kapitolách a sa nemuseli presne zhodovať s týmito a tak to aj bolo, pretože v simuláciách neboli opisované priemerné hodnoty ale vlastnosti regenerátorov s ohľadom na všetky hodnoty. Táto kapitola bude vyhodnocovať výsledky simulácií pričom bude brať do úvahy výsledky dosiahnuté v kapitole 3.1 a nie priemerné hodnoty z predchádzajúcej kapitoly. Najhoršie výsledky boli dosiahnuté pri normálnom DSF vlákne, je to spôsobené nižšími nelinearitami. Maximálne dosiahnutý pomer medzi výstupným a vstupným ER tu bol rovný U vysoko nelineárneho vlákna bol tento pomer rovný Pri použití SOA zosilňovača boli výsledky odlišné. V prípade že CW je rovné 500µW tak hodnota tohto pomeru bola rovná 1.47 a pre CW rovné 1mW je hodnota Najlepšie vlastnosti z týchto meraných regenerátorov boli dosiahnuté u regenerátora s DSF vysoko nelineárnym vláknom. V tejto simulačnej schéme sa hodnoty ER držali na úrovni okolo 1.36 násobku vstupného ER. Keď si to porovnáme so SOA regenerátorom tak je to niečo podobné. Rozdiel je v tom a to je dôležité, že u SOA boli tieto výsledky dosiahnuté na veľmi malom intervale meraných hodnôt. Kým u DSF vlákna bol tento rozsah omnoho väčší. Dokonca aj keď SOA regenerátory porovnáme s regenerátorom, ktorého hlavnú úlohu plnilo normálne DSF vlákno, tak aj tu je to zrovnateľné. Možno nie z hľadiska veľkosti dosiahnutého ER ale určite áno z hľadiska rozsahu hodnôt. Aj tu bol tento rozsah omnoho väčší. Je možné vyberať produkty z väčšieho rozsahu. Keď tieto výsledky porovnávame z tohto hľadiska tak použitie DSF vlákna na regeneráciu optického signálu je určite výhodnejšie. Keď však tieto regenerátory porovnávame aj z iných hľadísk tak aj SOA regenerátor má veľké výhody. Jednou z nich je ten fakt, že SOA je možné používať aj ako zosilňovač optického žiarenia, takže u tohto regenerátora je v jednom bloku možné vykonávať nie len obnovu tvaru signálu ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 38

49 VYHODNOTENIE DOSIAHNUTÝCH VÝSLEDKOV SIMULÁCIÍ (reshaping) ale tiež je tu možné robiť aj obnovu amplitúdy signálu (reamplification). A to je veľmi dôležitá vlastnosť. Pri použití DSF vlákna je nutné na zosilnenie používať ešte dodatočný zosilňovač signálu. Ďalšou výhodou SOA je to, že u tohto prvku je možné dosiahnuť regeneráciu signálu aj pomocou iných javov ako FWM, medzi ne patrí už spomínaná XPM krížová fázová modulácia a XGM modulácia krížového zisku. Takže tento prvok je možné používať pri viacerých aplikáciách spracovania optického signálu. Medzi jeho ďalšie nevýhody patrí použitie napájania. Prenosové funkcie jednotlivých regenerátorov sú tiež rozdielne. U SOA je prenosová funkcia viac podobná ideálnej prenosovej funkcii. Táto je ukázaná v prílohe č.1. Je to tiež spôsobené tým, že je tu použitý taký malý rozsah hodnôt. Keby sme rozkúskovali prenosovú funkciu regenerátora s DSF vláknom na menšie časti tak by sa prenosová funkcia tiež podobala tomu ideálnemu priebehu. Ale pre veľký rozsah hodnôt vstupného výkonu je jej priebeh taký ako je. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 39

50 ZÁVER 7 ZÁVER Minulosť a súčasnosť v spracovaní optického signálu sa vyznačuje pomerne veľkou neefektívnosťou, čo je spôsobené tým, že optický signál je pri prenose viackrát konvertovaný z optickej formy do elektrickej a potom naspäť. To spôsobuje výrazne obmedzenie pri prenose signálu optickým linkovým traktom, hlavne z hľadiska prenosovej rýchlosti. Z toho dôvodu sa začína využívať plne-optické spracovanie signálu, ktoré odstraňuje potrebu konverzie do elektrickej oblasti. Tým je možne zvýšiť prenosovú rýchlosť prenášaných informácií. Jednou zo základných časti spracovania optických signálov je regenerácia optického signálu. Úvodná časť tejto práce opisuje základné časti z ktorých sa regenerácia signálu skladá a tiež sú v nej opísané rôzne typy regenerátorov a ich základné princípy. Okrem toho sú v nej opísane nastavenia, ktoré boli použité pri simuláciách. Tretia kapitola sa zaoberá jednotlivými simuláciami, sú v nej opísane postupy podľa ktorých boli prevedené. Sú tu uvedené hodnoty jednotlivých parametrov, ktoré boli použité. Kapitola opisuje výsledky, ktoré boli dosiahnuté v simuláciách Ďalšie kapitoly popisujú limitujúce faktory skúmaných regenerátorov. Tieto limitujúce faktory sú porovnávané medzi sebou. Skúmané regenerátory sú ďalej porovnané so skutočne nameranými hodnotami a nakoniec sú výsledky simulácií vyhodnotené a sú popísane výhody a nevýhody jednotlivých regenerátorov. V práci bolo zistené že na účel regenerácie signálu prostredníctvom FWM je výhodnejšie DSF vlákno oproti SOA zosilňovaču. Tiež bolo povedané, že SOA je možno nie taký výhodný pri týchto typoch regenerátorov, ale aj napriek tomu je tento prvok všestrannejší pri spracovávaní optického signálu, dá sa použiť pre rôzne aplikácie a má tiež veľmi široké uplatnenie v optických komunikačných systémoch. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 40

51 POUŽITÁ LITERATÚRA POUŽITÁ LITERATÚRA [1] Olivier Leclerc, Bruno Lavigne, Elodie Balmefrezol, Patrick Brindel, Laurent Pierre, Delphine Rouvillain and Frederic Seguineau Optical regeneration at 40 Gb/s and beyond. Journal of lightwave technology, vol.21, NO.11, November 2003 [2] Dimitris Syvridis All optical regeneration Department of Informatics and Telecomunications, University of Athens, Athens, GR [3] A. Bogris, D. Syvridis Regenerative properties of a Pump- Modulated Four Wave Mixing Scheme in Dispersion- Shifted Fibres Journal of lightwave technology, vol.21, NO.9, September 2003 [4] H. Simons, A. Argyris, D. Kanakidis, E. Roditi, A. Ikiades and D. Syvridis Regenerative properties of wavelenght converters based on FWM in a Semiconductor Optical Amplifier IEEE Photonics Technology Letters, vol. 15, NO. 4, April 2003 [5] F. Ginovart, J. C. Simon Analysis of semiconductor optical amplifier based double- stage all- optical wavelenght converter with improved extinction ratio Optics communications 241 (2004) pp [6] Krishna M. Sivalingam, Suresh Subramaniam Optical WDM networks- Principles and Practice Kluwer academic publishers 2000 [7] D. Wolfson, A. Kloch, T. Fjelde, C. Janz, B. Dagenz, M. Renaud 40Gb/s alloptical wavelenght conversion, regeneration and demultiplexing in an SOA- based all- active Mach- Zehender interferometer IEEE Photonics Technology Letters, vol. 12, pp , March 2000 [8] R. Odrobiňák, M. Dado Návrh obvodu obnovy taktu pre plne- optickú 3R regeneráciu Jemná mechanika a optika, 2/2004, pp [9] Reza Salem, Student Member, IEEE, Amir Ali Ahmadi, G. E. Tudury, G. M. Carter, Senior Member, IEEE, and T. E. Murphy, Member, IEEE Two- Photon Absorption for Optical Clock Recovery in OTDM Journal of Lightwave Technology (submitted) ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

52 ČESTNÉ VYHLÁSENIE ČESTNÉ VYHLÁSENIE Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Jozefa DUBOVANA a používal som len literatúru uvedenú v práci. Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce. V Žiline. mája 2007 podpis diplomanta ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

53 PRÍLOHA PRÍLOHA ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

54 PRÍLOHA ZOZNAM PRÍLOH Príloha 1 - Prenosová funkcia regenerátora Príloha 2 Regenerácia prostredníctvom SOA ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

55 PRÍLOHA Príloha 1 Prenosová funkcia regenerátora ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

56 PRÍLOHA Príloha 2 - Regenerácia prostredníctvom SOA ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE