Моделирование параметров оптоэлектронных систем передачи на основе оптических волноводных структур

Настоящая работа посвящена моделированию и исследованию процессов преобразования оптического сигнала в нерегулярных волноводных структурах, а также расчету помехоустойчивости оптоэлектронных систем передачи, содержащих в своей схеме вышеназванные волноводы. В соответствии с принятой терминологией оптикой называется раздел, физики, в котором изучается оптическое излучение, процессы его распространения и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества [1]. К этой области физики, очевидно, относится и данная работа.

После изобретения лазера с начала 60-х годов появилась принципиальная возможность использования когерентного излучения в технике связи. Как следствие большой толчок получили работы, посвященные исследованию оптических волноводных структур. Оптические волноводные структуры служат для канализации световых потоков между элементами различных оптоэлектронных и интегрально-оптических устройств. Их быстродействие зависит от дисперсионного уширения пространственного профиля формы световых пакетов. С того времени, волоконная и интегральная оптика сделали большой шаг в развитии. Скорости передачи возросли от десятков Мбит/с до сотен Гбит/с для оптоэлектронных схем и до единиц Тбит/с для полностью оптических. При таких больших скоростях предъявляются жесткие требования к микронеоднородностям поверхности оптических волноводов, приводящие с одной стороны к трансформации волноводных мод между собой и с другой, к их преобразованию в излучательные моды. Указанные эффекты в многомодовых оптических волноводах в свою очередь приводят к линейному искажению формы оптического сигнала. Сложность создания математической модели обусловлена шероховатыми границами в среднем ровной поверхности волноводного слоя и случайными флуктуациями показателя преломления реальных оптических волноводов (ОВ). Для проектирования оптоэлектронных схем необходимо знать такие важные параметры систем передачи информации, как полосу пропускания системы, предполагаемый коэффициент битовых ошибок для цифровых устройств, затухание оптического сигнала и т. д. Для комплексного рассмотрения проблемы необходимо также учитывать потери на ввод и вывод излучения в оптических волноводах. Наиболее перспективным элементом ввода-вывода излучения являются волноводные дифракционные решетки (ВДР). Математическая модель для расчета таких ВДР должна быть универсальной, т. е. позволяющей рассчитывать решетки любого пространственного профиля. Цели и задачи диссертационной работы.

С учетом важности и актуальности рассмотренной выше проблемы цель настоящей диссертационной работы состоит в разработке математических расчетных моделей, предназначенных для анализа оптоэлектронных схем и систем на основе многомодовых оптических волноводов со стохастическими микронеодно-родностями поверхности. Разрабатываемый инструментарий должен определять основные параметры систем передачи, такие как битовую скорость передачи, полосу пропускания волновода, затухание оптического сигнала, дисперсионное искажение формы оптического сигнала, эффективность ввода и вывода излучения в оптический волновод и др.

Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Разработка математической модели ВДР, позволяющей рассчитывать эффективность ввода вывода излучения для любых профилей ВДР.

2. Моделирование процесса распространения оптического сигнала в планар-ном многомодовом оптическом волноводе с шероховатой поверхностью.

3. Исследование взаимной трансформации волноводных мод в планарном волноводе с шероховатой поверхностью.

4. Определение коэффициента затухания волноводных мод, связанного с их трансформацией в излучательные моды.

5. Изучение дисперсионных искажений оптического сигнала в многомодовых волноводах.

6. Расчет помехоустойчивости цифровых оптоэлектронных систем на основе оптических волноводных структур со стохастическими микронеоднородно-стями поверхности.

Достоверность полученных диссертантом результатов основывается на корректности постановки задач исследований, высоком теоретическом уровне их решения, использовании апробированных теоретических методов. Достоверность теоретических и расчетных результатов подтверждается:

S моделированием в расчетных экспериментах эффектов, обнаруженных ранее другими авторами опытным и расчетным путями (зависимости эффективности ввода-вывода излучения в планарный волновод с помощью дифракционных решеток при изменении их типа и высоты, коэффициента затухания планарного оптического волновода от его длины, уширение импульсов вследствие межмодовой дисперсии и др.) S преемственностью разработанной модели с ранее используемыми моделями в области их применимости. S основные результаты диссертации опубликованы в научных журналах и неоднократно докладывались на конференциях и семинарах.

Научная новизна диссертационной работы выражается в следующих теоретических и расчетных результатах, впервые полученных автором:

V в создании математической модели волноводных дифракционных решеток ввода вывода, пригодной для расчета эффективности таких решеток произвольного профиляв разработке аналитического метода, описывающего трансформацию модо-вого состава в многомодовом планарном оптическом волноводе (МПОВ) с шероховатой поверхностью пленки, наиболее полно учитывающего комплексное влияние на данный процесс механизмов радиационного рассеяния мод и дифракционной межмодовой связиS в создании самосогласованной волновой концепции, обеспечивающей математическое описание линейных искажений импульсной характеристики МПОВ вследствие межмодовой дисперсии и нерегулярностей поверхности пленки;

S в исследовании специфических зависимостей модового спектра от длины линии связи в условиях крупнои мелкомасштабных нерегулярностей поверхности пленки МПОВ- ¦S в установлении закономерностей дисперсионных искажений импульсной характеристики в условиях крупнои мелкомасштабных нерегулярностейв оценке помехоустойчивости оптоэлектронных систем передачи на основе МПОВ.

Научная значимость и практическая ценность диссертационной работы подтверждается моделированием важнейших параметров оптоэлектронных систем передачи на основе МПОВ с шероховатой поверхностью: S помехоустойчивости оптоэлектронных систем передачиS импульсных и частотных характеристик систем передачи.

А также проведено исследование влияния технологических шероховатостей поверхности пленки МПОВ на параметры оптоэлектронных схем.

Основные защищаемые положения:

1. Нормализованное распределение в спектре попутных волноводных мод близко к фундаментальной моде оптического волновода, а в спектре обратных волн — наоборот, тяготеет к волноводным модам высшего порядка.

2. Крупномасштабные шероховатости пленки оптического многомодового волновода приводят к формированию ярко выраженного максимума в зависимости радиационного затухания мод от длины линии связи, обусловленного формированием альтернативных каналов стока энергии.

3. Среднеквадратичное уширение импульсной характеристики оптического волновода максимально при его возбуждении модами высших порядков и достигается на расстояниях меньших длины нормализации.

4. Линейные искажения сигнала в многомодовом оптическом волноводе с длиной превышающей длину нормализации могут аппроксимироваться искажениями данного сигнала интегрирующей цепью.

5. Зависимость шумовой полосы частот оптической системы передачи от длины многомодового волновода, возбуждаемого модами высокого порядка, характеризуется наличием максимума, положение которого не превышает длины нормализации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:

1. Региональная научно-техническая конференция «Научная сессия ТУСУР -2003». Томск: ТУСУР, 13−15 мая 2003.

2. The 5th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics «CLEO/PR 2003», Taipei, Taiwan, December 15−19 2003.

3. Conference 5th International Workshop on Lasers and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2003), Alushta, Crimea, Ukraine, September 19 -20 2003.

4. Международная конференция «Современные проблемы физики и высокие технологии», г. Томск, 29 сентября — 4 октября 2003.

5. Всероссийская научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», Институт оптики атмосферы СО РАН. Томск, 2123 октября 2003.

6. Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: МЭИ, Москва 2−3 марта 2004.

7. Всероссийская научно-техническая конференция «Научная сессия ТУСУР -2004». Томск: ТУСУР, 18−20 мая 2004.

8. 13th International Plastic Optical Fibres Conference 2004 (POF 2004), Nuernberg, Germany, September 27−30, 2004.

9. Всероссийская научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», Институт оптики атмосферы СО РАН. Томск, 68 октября 2004.

10.VI Региональная школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития», Сибирский физико-технический институт имени академика В. Д. Кузнецова при Томском государственном университете, Томск, 1−3 февраля 2005.

11.Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: МЭИ, Москва 1−2 марта 2005.

12.Всероссийская научно-техническая конференция «Научная сессия ТУСУР-2005», Томск: ТУСУР, 26−28 апреля 2005.

13. International Conference on Lasers, Applications, and Technologies, LAT 2005, St. Petersburg, Russia, May 11−15, 2005.

Полнота изложения материалов диссертации в опубликованных работах. Основное содержание работы опубликовано в 29 работах, включая 4 статьи в центральных периодических журналах, 25 статей в сборниках научных трудов и материалах конференций.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов по работе, содержит 119 страниц машинописного текста, включая 2 таблицы, 44 рисунка и список литературы в количестве 116 наименований.

5.3 Выводы по пятому разделу.

В данном разделе методика Персоника, расчета коэффициента ошибок рош цифровой системы передачи информации, используется для анализа систем на основе многомодовых нерегулярных планарных оптических волноводов. Установлена зависимость битового коэффициента ошибок от номера возбуждаемой моды и среднеквадратичной высоты шероховатостей границ пленки ПОВ. Также рассмотрена задача одномодового приема в ЦСП и найдена зависимость коэффициента ошибок рош от длины линии связи и от номера регистрируемой моды.

Рассчитаны значения интегралов Персоника для нерегулярных многомодовых ОВ в зависимости от номера возбуждаемой моды, позволяющие определять помехоустойчивость ЦСП. Показано, что зависимость шумовой полосы частот цифровой системы передачи от длины многомодового планарного оптического волновода характеризуется наличием максимума для мод высокого порядка, который не превышает длины нормализации.

Заключение

.

На основе проделанной диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

•S Предложена математическая модель волноводных дифракционных решеток ввода вывода оптоэлектронных устройств, пригодная для расчета эффективности ВДР произвольного профиля. Показано, что механизм модового энергообмена волноводной и излучательной мод, определяется парциальным взаимодействием всех составляющих спектра пространственных частот ВМ с соответствующими компонентами спектра пространственных частот решетки. Установлено, что большей дифракционной эффективностью, а характеризуются решетки с ассиметричным профилем зубцов, обеспечивающих смещение максимума спектра пространственных частот над плоскостью волновода в направлении синхронизма. При малых толщинах ВДР 5 эффективность практически не зависит от профиля гофра;

S Разработан аналитический метод, описывающий трансформацию модового состава в МПОВ с шероховатой поверхностью пленки, наиболее полно учитывающий комплексное влияние на данный процесс механизмов радиационного рассеяния мод и дифракционной межмодовой связи. Исследована трансформация мод I (z) в условиях крупнои мелкомасштабных неоднородностей. Показано, что наибольшие качественные различия зависимостей трансформации модового состава проявляются лишь на начальных участках ОВ, с длиной z значительно меньшей характерного масштаба длины Lk, на котором происходит обновление основной энергии возбуждаемой в оптическом волноводе моды /с-го порядка. Установлена матрица обратного рассеяния ВМ, на основе которой определен спектр интенсивностей ВМ обратного рассеяния оптического сигнала в волноводе. Установлено, что нормализованное распределение в спектре попутных ВМ близко к фундаментальной моде оптического волновода, а в спектре обратных волн — наоборот, тяготеет к волноводным модам высшего порядка. Установлено, что в случае мелкомасштабных неоднородностей коэффициент затухания описывается нелинейной монотонной зависимостью a (z), асимптотически сходящейся с уровнем затухания ос* нормализованного поля I*. Показано, что крупномасштабные шероховатости пленки оптического многомодового волновода приводят к формированию ярко выраженного максимума в зависимости радиационного затухания мод, обусловленного формированием альтернативных каналов стока энергии;

S Создана самосогласованная волновая концепция распространения оптического излучения, обеспечивающая математическое описание линейных искажений сигнала МПОВ вследствие межмодовой дисперсии и нерегулярно-стей поверхности пленки. Установлены закономерности дисперсионных искажений оптического сигнала в условиях крупнои мелкомасштабных неоднородностей. Показано, что линейные искажения цифрового импульсного сигнала в ОВ на длинах, превышающих длину нормализации аналогичны его искажениям интегрирующей цепью. Показано, что среднеквадратичное уши-рение импульсной характеристики ОВ максимально при возбуждении волновода модами высших порядков и достигается на расстояниях меньших длины нормализации. Кроме этого рассчитаны частотные характеристики нерегулярного ОВ. Приведены результаты расчетного и натурного экспериментов по исследованию дисперсионного уширения оптического импульса в стандартном полимерном оптическом волокне. Показано соответствие расчетных и экспериментальных данных при величине интервала корреляции /с=100 нм и высоты неоднородностей 5=10 нмs Дана оценка помехоустойчивости оптоэлектронных схем на основе МПОВ. Установлена зависимость рош от номера возбуждаемой моды и среднеквадратичной высоты шероховатостей границ пленки планарного оптического волновода. Установлено, что шумовая полоса частот цифровой системы передачи в зависимости от длины МПОВ характеризуется наличием максимального положения, которое не превышает длины нормализации. Процессы преобразования оптического сигнала, имеющие место в нерегулярных многомодовых ОВ, оказывают определяющее влияние на помехоустойчивость систем передачи информации. Разработанная в ходе диссертационной работы модель оптоэлектронной системы передачи на основе оптических волноводных структур позволяет определять эффективность ввода вывода оптического излучения в планарном оптическом волноводе с помощью ВДР, искажение формы оптического сигнала, частотные характеристики, затухание сигнала в МПОВ, а также зависимость коэффициента ошибок р0ш от уровня шероховатостей ОВ. Данная модель может быть использована при проектировании оптоэлектронных схем и локальных волоконно-оптических сетей, построенных на основе многомодовых оптических волокон.