Разработка полностью оптического переключателя на основе прозрачных наноструктурных стекол литиевой группы для волоконно-оптических сетей связи

Волоконно-оптические технологии стали неотъемлемой частью современной деятельности не только крупных промышленных предприятий, но и малых организаций занимающихся предоставлением услуг в сфере телекоммуникаций или же просто использующих преимущества данной технологии в своих интересах. Основными достоинствами оптических технологий являются: высокая скорость передачи данных, высокая защищенность от сторонних электромагнитных источников, высокая секретность передачи данных и на сегодняшний день уже не очень высокая стоимость разворачивания сети и широкий выбор необходимого оборудования. Но волоконно-оптические технологии движутся к исчерпыванию возможностей оптических направляющих структур. Перестают открываться новые свойства сред и в основном все производители телекоммуникационного оборудования работают в области уже известных явлений и совершенствуют оборудование лишь изменением электронной базы или алгоритмов обработки сигналов.

Новые технические задачи, поставленные промышленностью и рынком перед производителями телекоммуникационного оборудования по увеличению скоростей и объемов передачи данных, ведут к пересмотру не только фундаментальных принципов проектирования устройств и сетей, но и физических принципов функционирования их компонентов.

В современной литературе и научных публикациях часто встречается понятие полностью оптических сетей (All Optical Networks, AON-сетей) [1,2]. Достоинства AON сетей очевидны, это и высокие скорости обработки сигналов при коммутации, и высокая защищенность, но самое главное достоинство AON сетей — это отсутствие электронных компонентов участвующих в коммутации, фильтрации и перегруппировании оптических сигналов. Следовательно, AON сети свободны от недостатков причинами проявления которых являются электронные компоненты. На сегодняшний день практически не решены такие задачи, как разработка «управляемых» коэффициентов отражения и преломления, на базе которых можно было бы получить новые полностью оптические компоненты управления: многоканальные разветвителя, фильтры, преобразователи физических величин, оптические бистабильные нелинейные элементы и т. д. В последних генерация нелинейного режима функционирования является основой их работы — обеспечения бистабильного режима прохождения для информационного оптического потока [3] без появления негативных факторов, связанных с другими нелинейными эффектами.

Разработка полностью оптических коммутирующих устройств, в частности полностью оптического переключателя, является необходимой и актуальной задачей в области волоконно-оптических технологий. Полностью оптические коммутирующие устройства станут следующим этапом развития и способствуют решению широкого ряда телекоммуникационных задач.

Данная диссертационная работа посвящена разработке полностью оптического переключателя для волоконно-оптических телекоммуникационных сетей. В качестве решения задачи по созданию управляемого коэффициента преломления, исследуются оптические свойства прозрачных наноструктурных материалов полученных методами интенсивной пластической деформации. Описана методика и приведены экспериментальные результаты получения образцов. Приведены результаты экспериментов по сравнению оптических свойств образцов в нормальном и наноструктурном состояниях. Получены математические уравнения, описывающие поведение электромагнитной волны в прозрачной деформированной среде с учетом состояния среды. Приведена модель нелинейного оптического переключателя (Nonlinear Optical Switch — NOS).

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием положений теории линейной и волноводной оптики, дифференциального и интегрального исчисления. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного. Проведён натурный эксперимент на созданном научно-исследовательском стенде. Для оценки эффективности предлагаемых моделей использовались результаты численного эксперимента.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан оптический переключатель, функционирующий на основе обнаруженного, ранее неизвестного, скачкообразного изменения показателя преломления прозрачного наноструктурного материала, получаемого интенсивным кручением под высоким давлением, управляемый дополнительным световым потоком высокой интенсивности, либо изменением параметров передаваемого информационного сигнала, позволяющий снизить время переключения до времен релаксации вещества (1−10 пс);

2. Разработано устройство сопряжения, предназначенное для одновременной подачи в линию информационного сигнала и сигнала накачки, и позволяющее организовать их доставку до области расположения оптического переключателя в сегменте волоконно-оптической сети с минимальным взаимным влиянием, достигаемым пространственным разделением сигналов за счет создания специфического профиля показателя преломления нового оптического волокна;

3. Предложена методика расчета эффективности работы оптического переключателя, учитывающая конструкционные особенности модели устройства и позволяющая оценить показатели помехоустойчивости сети;

4. Разработаны методы подключения оптического переключателя (NOS) к сегменту волоконно-оптической системы передачи, первый позволяет обеспечить горячее резервирование, а второй — производить ручное переключение каналов по требованию оператора, полностью оптическим способом.

Практическая ценность: Снижение времени коммутации оптического сигнала до 1 пс при горячем резервировании, ведет к уменьшению потерь информационных битов и уменьшению сбоев телекоммуникационной системы в условиях эксплуатации, работающей на высоких скоростях передачи данных (STM-64, STM-256 и выше), при обеспечении достоверности и качества передачи информации на базе разработанных подходов и методов, направленных на создание полностью оптического метода переключения.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Метод создания оптического переключателя, позволяющий производить переключения на скоростях сравнимых с временем релаксации вещества.

2. Конструкция устройства сопряжения разнотипных волокон и специальное многослойное оптическое волокно, предназначенные для одновременной передачи информационного сигнала и сигнала накачки с минимальным влиянием друг на друга.

3. Методика оценки эффективности работы переключателя на основе определения точности перенаправления коммутируемого сигнала.

4. Методы подключения оптического переключателя к сегменту волоконно-оптической системы передачи, обеспечивающие резервирование полностью оптическим способам.

Основные результаты работы обсуждались на: пятой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», Самара, 2004; третьей международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Н. Новгород, 2004; третьей международной научно-технической конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях», Уфа, 2005; восьмой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», Уфа, 2007; IX Международной научно-технической конференции «Computer Science and Information Technologies» Уфа — Красноусольск, 2007; научно-технических встречах в Дрезденском техническом университете (Дрезден, Германия) в 2006, 2007; а также на семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» УГАТУ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложений.

Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. Разработан метод построения высокоскоростной оптического переключателя, управляемый изменением показателя преломления прозрачного оптического материала с помощью дополнительного излучения, либо изменением параметров передаваемого сигнала, позволяющий производить переключение за время, сравнимое со временем релаксации вещества.

2. Разработана конструкция устройства сопряжения разнотипных волокон на основе оптического волокна с новым специализированным профилем показателя преломления, предназначенного для одновременной подачи в линию информационного сигнала и сигнала накачки и управления переключением в сегменте волоконно-оптической сети. Предложенный способ одновременной передачи сигналов позволяет достовернее определять физическое повреждение линии, а так же увеличивает параметры безопасности линии.

3. Разработана методика расчета эффективности работы оптического переключателя, учитывающая конструкционные особенности модели устройства и позволяющая оценить показатели помехоустойчивости сети. Показано, что основным изменяемым параметром передаваемого сигнала будет уменьшение интенсивности последнего вследствие рассеяния по причине отклонения от правильного направления распространения в рабочей среде переключателя.

4. Разработаны методы подключения оптического переключателя к сегменту волоконно-оптической системы передачи, обеспечивающие резервирование полностью оптическим способом. Показано, что схема сети с автоматическим режимом переключения обеспечивает необходимые условия (высокие скорости переключения) для минимизации потерь информационных битов передаваемых сообщений. Проведена оценка возможного влияния нелинейных эффектов на передаваемый сигнал.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненной работы исследована возможность получения прозрачных объёмных нанокристаллических образцов, обладающих новыми оптическими свойствами и возможность их использования при проектировании коммутирующих устройств в системах телекоммуникаций.

Применение таких материалов обосновывалось поставленной научно-технической задачей — получение новых инженерных свойств с уменьшенным действием некоторых из нелинейных оптических эффектов. Данная задача является результатом более ранних предположений о возможностях использования мощных сигналов накачки в качестве управляющих в полностью оптических управляемых компонентах. Известно, что нелинейные эффекты, возникающие в средах при распространении в них оптических излучений высокой интенсивности, приводят к искажениям полезного сигнала. С целью уменьшения действия некоторых из нелинейных эффектов предложено использование оптических материалов, находящихся в неравновесном состоянии. Одновременно ставилась задача обеспечения высокой надежности сети, или эффективной маршрутизации потоков — желательно без использования оп-тоэлектронного и электрооптического преобразования сигналов, т. е. без электронных компонентов.

Изучение свойств новых материалов позволило выявить изменение характера зависимости нелинейного преломления. Данное явление позволяет создавать модели управляемых оптических коммутирующих устройств работающих на сравнительно низких мощностях сигнала накачки по отношению к ранее заявленным.

По завершению работы над диссертацией предполагается продолжить научно-исследовательскую деятельность в области построения полностью оптических компонентов управления. В частности ставится задача разработки моделей логических элементов на полностью оптических компонентах.