Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Системный анализ, управление и обработка информации

Диссертационная работа:

Славинская Виктория Валерьевна. Пространственная коммутация оптического излучения в волоконно-оптических сетях передачи информации на основе акустооптического взаимодействия : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.01 : СПб., 2004 165 c. РГБ ОД, 61:05-5/1198

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 3

1. Современные технологии коммутационных систем без
оптоэлектронного преобразования для волоконно-оптических сетей
передачи информации 16

  1. Коммутационные схемы на основе оптических волноводных структур 20

  2. Коммутационные схемы с открытым каналом 28

  3. Технологии оптического мультиплексирования с разделением по длине волны 36

2. Общие вопросы построения акустооптического коммутатора 40

  1. Акустооптическое взаимодействие в дефлекторах оптического излучения 40

  2. Характеристики оптического волокна, учитываемые при построении акустооптического коммутатора 47

  3. Исследование влияния дифракционных эффектов и затухания акустической волны на характеристики акустооптического коммутатора 50

  4. Исследование влияния нестабильности частоты генератора электрического сигнала на характеристики акустооптического коммутатора 63

  5. Выводы 70

3. Исследование акустооптического коммутатора на основе изотропной
дифракции 72

  1. Определение характеристик коммутатора на основе акустооптиче-ской ячейки со сплошным пьезопреобразователем 72

  2. Применение сканируемого акустического поля для улучшения характеристик коммутатора 83

  3. Анализ характеристик акустооптического коммутатора с динамической селекцией длин волн 97

  4. Выводы 101

4. Исследование акустооптического коммутатора на основе анизотропной

дифракции 105

  1. Определение характеристик коммутатора на основе акустооптического дефлектора, применяющего анизотропную дифракцию 105

  2. Исследование влияния двукратного брэгговского рассеяния света на характеристики акустооптического коммутатора 115

2
4.3. Выводы 134

5. Исследование акустооптического коммутатора на основе двухкоорди-
натного дефлектора 136

  1. Уменьшение потерь в коммутаторе путем максимизации показателя качества при дифракции на двух перпендикулярных акустических волнах 138

  2. Увеличение емкости коммутатора, выполненного на основе кристалла парателлурита 150

  3. Выводы 153

Заключение 155

Литература

Введение к работе:

Актуальность темы

Оптическое волокно в настоящее время считается самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам. Достоинства использования оптических волокон для передачи данных заключаются в огромной полосе, электрической изоляции между передатчиком и приемником, защищенности от электромагнитных помех и пробоев, низкой стоимости эксплуатации, маленькой массе и размерах, хороших механических свойствах и слабом искажении и дисперсии сигнала. Скорость современных волоконно-оптических сетей достигает 10 Гбит/с, и, по мнению специалистов, в ближайшее время она возрастет до 50 Гбит/с. Согласно прогнозам фирмы AT&T [16], в конечном итоге в домах появятся интерфейсы волоконно-оптических сетей, и тогда звуковые, видеоустройства и компьютеры можно будет подключить к единой сети. Современные широкополосные технологии пробуждают у потребителей интерес к виртуальной реальности, высококачественному видео и другим видам мультимедиа-информации, доступным только по волоконно-оптическим каналам [76].

К сожалению, сети, основанные на оптоволокне, не могут быть мобильными. Это их самый существенный недостаток, который в условиях всепроникающей мобильной среды и роста беспроводных сетей становится все более значительным. Однако вопрос о том, на какую из технологий корпоративный мир возлагает большие надежды, не ставится, поскольку каждый тип связи выполняет свою функцию. Конечно, разработка, выпуск и установка оптоволоконного оборудования - дорогостоящий процесс. Тем не менее, крупнейшие телекоммуникационные организации считают целесообразным финансировать проекты, использующие экспериментальные технологии и не имеющие коммерческий характер [77].

4 Исследования показывают, что индустрия оптоволоконных сетей в течение нескольких следующих лет столкнется с кардинальными изменениями, основной движущей силой которых станут растущие требования к общей пропускной способности сетей [46]. Трафик стандартной корпоративной сети на 80% проходит вне локальной сети и напрямую выходит в Интернет, тогда как несколько лет назад эта цифра составляла 20%. Объем данных передаваемых через Интернет, растет в среднем на 400% в год и существенно опережает среднегодовые темпы роста голосового трафика

[4].

По мере того, как потребности в пропускной способности продолжают расти и способность производить больше, чем того требует спрос для базовой сети (core network), снижается, владельцы сетей и поставщики услуг проявляют все больший интерес к оборудованию для базовой оптической сети нового поколения. Исследования показывают, что прозрачные базовые сети позволят сохранить значительные объемы капитальных вложений и текущие расходы [59].

Согласно мнению специалистов, в частности, международной исследовательской группы Communications Industry Researches (CIR), сейчас наблюдается развитие телекоммуникаций в сторону «сплошных оптоволоконных сетей» {All-Optical Networks). Об этом свидетельствуют такие факты, как переход к применению оптических усилителей для волоконно-оптических линий, развитие технологий PON {Passive Optical Network) и WDM {Wavelength Division Multiplexing).

Суть WDM - метода волнового мультиплексирования (или мультиплексирования с разделением по длине волны) заключается в объединении нескольких оптических несущих Лі (мультиплексировании) и передаче полученного сигнала 2Д, по одному волокну с последующим выделением (демультиплексированием) отдельных несущих [17, 20]. Существенным преимуществом технологии WDM является возможность ис-

ATM IP

SDH/SONET

Физический уровень Оптическая среда передачи

Рис. 1. Модель взаимодействия основных транспортных технологий: до внедрения технологии WDM (а) и после внедрения WDM (б)

пользования с большей производительностью уже проложенный волоконно-оптический кабель и стандартную аппаратуру временного мультиплексирования. В настоящее время уже решена задача мультиплексирования сотен каналов в одном световоде. С теоретической точки зрения для WDM-систем не важно, какие методы используются для кодирования и формирования конкретного цифрового сигнала. На практике же в этих системах, как правило, передается однотипный трафик, что диктуется используемым методом синхронизации и требованием единообразия процесса обработки.

До появления WDM-систем многоуровневая модель взаимодействия технологий транспортировки сигнала в глобальных цифровых сетях -SDH/SONET, ATM и IP (без учета возможности переноса IP-трафика через ATM-магистрали) имела вид, представленный на рис. 1а [31]. Она состояла из трех уровней; для транспортировки трафика сетевого уровня (ATM, IP) через оптическую среду его пакеты инкапсулировались в модули STM-N/STS-n, которые, используя физический интерфейс технологии SDH/SONET, могли попасть в оптическую среду передачи. Созданием технологий инкапсуляции ячеек ATM, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH) или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET) занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в составе ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на эти технологии.

После появления WDM-систем модель приобрела вид, показанный на рис. 16. Теперь в нее входят три или четыре уровня. Промежуточный уровень WDM, подобно SDH/SONET позволяет выйти на оптическую среду передачи не только технологиям SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP.

Волновое мультиплексирование используется уже более десяти лет и первоначально было направлено на объединение двух несущих (1310 и 1550 нм) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы. В настоящее время разработчики проявляют наибольший интерес к системам с мультиплексированием по длине волны высокой плотности — Dense WDM {DWDM) [10]. При использовании технологии DWDM разнесение каналов составляет 100 ГГц. Международный союз электросвязи (ITU-T) стандартизовал номинальный ряд несущих в системах DWDM - канальный план, выпустив стандарт ITU-T Rec. G.692 [31]. Технология DWDM позволяет добиться пропускной способности 10-20 Тбит/с на каждый световод и значительно снижает стоимость передачи большого объема данных, что является особенно актуальным в базовых сетях. В некоторых коммерческих системах каналы упакованы еще плотнее, с промежутками между ними шириной 50 ГГц, а разработчиками рассматриваются даже варианты с величиной промежутка 25 ГГц. Однако такое плотное мультиплексирование пока считается слишком дорогостоящим.

Появление волокон с расширенным окном прозрачности True Wave, а затем AllWave [45] вызвало к жизни технологию с промежутком между каналами более 200 ГГц. Эта технология известна как мультиплексирование, использующее расширенный оптический спектр для передачи информации (Wide-Wavelength-Division Multiplexing - WWDM) или мультиплексирование по длине волны с большим шагом - Coarse WDM (CWDM). Спектральные каналы теперь разносятся по всем окнам прозрачности волокна, за счет чего падают требования к стабильности частоты излучения лазеров (в частности, можно обойтись без термостатирования) и к характеристикам других элементов системы. Падает и цена: в Интернете можно найти упо-

Источники данных

Оптические , усилители

^П^П ^^П^

Волновой мультиплексор

Приемники данных

Демультиплексор

Рис. 2. Организация потока данных в WDM

минания о стоимости узла на уровне 10-12 тыс. долларов. А проблема отсутствия достаточно широкополосных оптических усилителей решается очень просто - их просто не используют. Область применения Coarse WDM ограничена пока городскими сетями и линиями длиной 40-50 км.

В настоящее время поток WDM часто организуется по топологии «точка-точка» [59] (см. рис. 2). Свет с разными длинами волн объединяется и передается по одной оптической линии. Усилители обеспечивают непрерывность сигнала, который, в конце концов, разделяется демультиплексо-ром. Древовидную топологию «точка-множество точек» предполагается ввести при использовании технологии WDM в сетях PON, в последние годы получивших распространение.

Технология PON (passive optical network) предполагает подключение конечных адресатов к магистральной сети посредством пассивных оптических разветвителей [21]. В центральном офисе устанавливается центральный узел (OLT - optical line terminal). Это устройство принимает данные со стороны магистральных сетей через интерфейсы SNI (service node interfaces) и формирует нисходящий поток к абонентским узлам (прямой поток) по дереву PON. Абонентский узел ONT (optical network terminal) имеет, с одной стороны, абонентские интерфейсы, а с другой, - интерфейс для подключения к дереву PON.

Оптический

линейный терминал

(OLT)

Оптический сетевой терминал (ONT)

Рис. 3. Система PON с волновым мультиплексированием (WDM)

В освоенных сетях PON передача ведется на длине волны 1310 нм, а прием - на длине волны 1550 нм. ONT принимает данные от OLT, конвертирует их и передает абонентам через абонентские интерфейсы UNI (user network interfaces). Оптический разветвитель - это пассивный оптический многополюсник, не требующий питания и обслуживания. Он распределяет поток оптического излучения в одном направлении и объединяет несколько потоков в обратном направлении. В общем случае у разветвителя может быть М входных и N выходных портов. В сетях PON наиболее часто используют разветвители \xN с одним входным портом. В сетях PON с мультиплексированием WDM каждому абоненту выделяется своя длина волны (см. рис. 3) [19].

Технология PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, так как на участке от центрального узла до разветвителя используется всего

одно волокно.

Были созданы достаточно эффективные пассивные оптические устройства - мультиплексоры и демультиплексоры, которые позволяют объединять и разделять спектральные составляющие при передаче и приеме

оптических потоков данных. Однако любая более сложная обработка трафика в волоконно-оптических сетях осуществляется в основном на двух уровнях: оптическом и электрическом. Коммутаторы содержат оптические фильтры, оптические конверторы, перестраиваемые лазерные источники и электронные кросс-коммутаторы, в результате их схема существенно усложняется. Подобные коммутаторы называются непрозрачными или ОЕО-(optical-electrical-optical) коммутаторами. Поскольку сигнал в них преобразуется в электрическую форму, они могут извлекать служебную сетевую информацию и восстанавливать сигнал. На сегодняшний день ни одна из этих функций не может быть выполнена исключительно оптическими средствами.

Замена электронного ядра коммутатора оптическим сопряжена с отказом от многих важных функций. Хотя сегодняшние достижения оптики обеспечивают максимальные значения "голой" производительности, эти технологии еще не позволяют измерять характеристики трафика. Так, представители фирмы Cisco Systems видят основную сложность в том, как реализовать в оптическом ядре средства обеспечения гарантированного уровня качества обслуживания (QOS, quality of service) и функции безопасности. Поэтому для манипулирования потоками данных и их анализа приходится переводить сигнал в электронную форму [10].

Вместе с тем, некоторые функции динамического управления оптическим трафиком уже сейчас могут осуществляться на основе полностью оптических компонент. Преимущества оптических или ООО- (optical-optical-optical) коммутаторов заключаются в прозрачности для любых скоростей передачи и любых протоколов, поэтому для поддержки любого вида трафика им вполне достаточно иметь всего один интерфейс. Кроме того, они позволяют избежать высоких расходов, связанных с преобразованием сигналов из оптической формы в электрическую и наоборот. Все это делает оптические коммутаторы весьма подходящими для использования в центральной части сетей в качестве оптических кросс-соединителей, которые

10 размещаются в местах критических соединений в пределах центральной части сети, коммутируя из одного порта в другой всю полосу пропускания волоконно-оптического кабеля. Кроме того, оптические коммутаторы могут производить коммутацию на основе информации о длинах волн несущих, мультиплексированных в одном волокне. Введение новых услуг, основанных на динамическом перераспределении длин волн, обещает способствовать глобальному распространению новых приложений, требовательных к полосе [72, 77].

Фактически, и коммутатор О-О-О, и интеллектуальный коммутатор О-Е-О имеют свое место в сети. По мнению многих отраслевых обозревателей, скорее всего в дальнейшем ассортимент сетевого оборудования будет включать как полностью оптические модели, так и оптические коммутаторы с электронным ядром [46, 47, 51, 54, 76]. Поставщики услуг, стремящиеся к успешной конкуренции, имели бы наибольшие преимущества при выгодном сочетании коммутаторов обоих типов.

Сформировался ряд требований, предъявляемых к оптическим коммутаторам [57]. Так как современные сети с WDM ориентированы на соединение, один из оптических каналов должен выполнять функцию сигнализации, а в оптических коммутаторах должны использоваться процедуры установления и разрыва соединений [39]. Также, оптические коммутаторы должны иметь наименьшие вносимые потери, время переключения, перекрестные помехи. Оптические коммутаторы характеризуются емкостью -количеством входных и выходных волокон, которое стремятся получить максимальным. Технология должна быть хорошо проработана, чтобы снизить риск при ее внедрении. Одной из известных технологий, которая дает возможность управления оптическим излучением и может удовлетворить требованиям, предъявляемым к оптическим коммутаторам, является аку-стооптика. Таким образом, исследование оптических коммутаторов на основе акустооптической (АО) технологии представляется актуальным.

11 Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является повышение эффективности оптических коммутационных систем, предназначенных для волоконно-оптических сетей передачи информации, за счет использования особенностей и достоинств акустооптического (АО) брэгговского взаимодействия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Исследование влияния дифракционных эффектов, затухания акустической волны в АО-ячейке и нестабильности частоты управляющего сигнала на характеристики коммутационной системы.

  2. Сравнительный анализ характеристик оптических коммутационных систем на основе однокоординатных дефлекторов, использующих различные виды АО брэгговского взаимодействия.

  3. Выбор критериев качества и оценка структурных возможностей на основе выбранных критериев для коммутационных систем на основе АО двухкоординатных дефлекторов.

Методы исследований

В диссертационной работе использовались математический аппарат теории АО-взаимодействия, аналитические и численные методы математического моделирования, методы теории вероятности и математической статистики. Основные теоретические положения работы сопоставляются с результатами экспериментальных исследований. Научная новизна

Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основе исследованных зависимостей величины оптических потерь от значений затухания акустической волны и апертуры АО-ячейки предложены меры, совместное применение которых позволяет минимизировать информационные потери в оптической коммутационной системе.

  1. Определена функциональная зависимость шага расположения волокон, при котором перекрестные помехи в соседних каналах передачи информации не превышают заданную величину, от акустического затухания и апертуры АО-ячейки.

  2. Определена функциональная зависимость информационных потерь в коммутационной системе от протяженности энергетического спектра, центральной рабочей частоты и нестабильности частоты генератора, на основе которой сформулированы требования к характеристикам генератора управляющего сигнала.

  3. Показано, что для улучшения информационных характеристик коммутационной системы на основе АО-ячейки с пьезопреобразователем в виде решетки с противофазным возбуждением достаточно использовать минимальное количество элементарных излучателей.

  4. Определена геометрия анизотропного АО-взаимодействия, при которой двукратная брэгговская дифракция не оказывает влияния на частотную характеристику и найдены направления, при которых могут быть получены больший показатель качества и меньшее акустическое затухание, что позволяет снизить информационные потери в оптической коммутационной системе.

  5. Определены режимы дифракции света на двух акустических волнах, позволяющие достигнуть минимальные информационные потери и увеличить емкость оптической коммутационной системы в случаях фиксированной или произвольной поляризации света.

Практическая ценность

Практическая ценность диссертационной работы заключаются в следующем: 1. Разработан метод расчета потерь в оптическом блоке коммутатора

вследствие влияния затухания акустической волны и ограниченной

апертуры АО-ячейки.

  1. Разработан метод расчета параметров дефлектора с АО-ячейкой со сплошным пьезопреобразователем на основе требований емкости, потерь и времени переключения, задаваемых при проектировании оптического коммутатора.

  2. Получена аналитическая зависимость между параметрами геометрии взаимодействия и значениями неравномерности частотной характеристики при отсутствии двукратного брэгговского рассеяния, углов дифракции и полосы рабочих частот дефлектора.

  3. Разработан метод расчета влияния двукратной брэгговской дифракции на частотную характеристику в произвольном сечении кристалла, который подтвержден экспериментально.

  4. Разработан метод расчета параметров оптического коммутатора с динамической селекцией длин волн, построенного на основе одноканального АО-дефлектора.

  5. Определенные режимы дифракции света на двух акустических волнах, позволяющие получить высокую эффективность дифракции в кросс-порядке и увеличить емкость коммутационной системы, были использованы для реализации двухкоординатного АО-дефлектора, входящего в состав коммутационной системы.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Оптимизация структуры оптического блока коммутационной системы с целью уменьшения информационных потерь и перекрестных помех, возникающих вследствие влияния дифракционных эффектов и затухания акустической волны в АО-ячейке.

  2. Функциональная зависимость информационных потерь в оптической коммутационной системе от характеристик генератора управляющего сигнала.

  3. Методы расчета параметров однокоординатных дефлекторов, использующих различные виды АО брэгговского взаимодействия, для оценки

14 достижимых информационных характеристик оптических коммутационных систем. 4. Оптимизация информационных характеристик в оптических коммутационных системах за счет применения эффективных режимов АО-взаимодействия в двухкоординатных дефлекторах. Публикации и апробация работы

Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в 9 печатных работах. Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, докладывались на международных конференциях: Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems, 2000 и 2003 гг., Lasers for measurements and information transfer, 2003 г. Исследования были поддержаны грантами: грант Министерства Образования РФ при поддержке комитета по науке и высшей школе Санкт-Петербурга 2002 года №М02-3.9К-130, грант Министерства Образования РФ 2003 года ГР 01200306646 «Поиск и исследование материалов для задач акустического управления оптическим излучением», грант Министерства Образования РФ 2004 года ГР 01200402554 «Разработка акустооптического коммутатора для волоконно-оптических сетей связи». Структура работы

Первая глава посвящена классификации и обзору известных коммутационных систем без оптоэлектронного преобразования для волоконно-оптических сетей передачи информации. Рассматриваются коммутационные схемы оптических кросс-коммутаторов на основе волно-водных структур и использующие открытый канал. Приводятся результаты исследований в области построения многофункциональных устройств, обеспечивающих ввод-вывод и коммутацию компонентных потоков данных в системах с WDM.

Во второй главе рассматриваются общие вопросы построения АО-коммутатора. Производится анализ оптического блока коммутатора с уче-

15 том дифракционных эффектов и затухания акустической волны в АО-ячейке, который позволяет предъявить требования к расположению выходных волокон для удовлетворения требований к уровню перекрестных помех и минимизировать потери света, происходящие в оптическом блоке. Проводится исследование влияния нестабильности частоты генератора электрического сигнала на оптические потери в коммутационной системе на основе вероятностного анализа принципа управления АО-взаимодействием.

В третьей главе исследуются вопросы построения оптического коммутатора на основе одноканального дефлектора с использованием изотропного АО-взаимодействия. Предлагается метод расчета параметров дефлектора с акустооптической ячейкой со сплошным пьезопреобразователем на основе требований к характеристикам коммутатора. Производится оценка эффективности применения АО-ячейки с пьезопреобразователем в виде решетки с противофазным возбуждением для улучшения характеристик АО-коммутатора. Исследуется возможность построения оптического коммутатора с динамической селекцией длин волн на основе одноканального АО-дефлектора.

В четвертой главе проводится исследование анизотропного режима дифракции в произвольных сечениях анизотропного материала на примере парателлурита. Исследуется аналитическая зависимость характеристик АО-дефлектора от геометрии взаимодействия при отсутствии двукратного брэгговского рассеяния. Рассматривается модель, описывающая брэггов-скую дифракцию в произвольном сечении кристалла с учетом двукратного брэгговского рассеяния.

В пятой главе рассматриваются режимы дифракции света в однокристальном двухкоординатном дефлекторе. Исследуются возможности уменьшения потерь и увеличения емкости оптического коммутатора на основе двухкоординатного дефлектора. Исследования проводятся на примере кристаллов фосфида галлия, арсенида галлия и парателлурита.

Подобные работы
Лаконцев Дмитрий Владимирович
Анализ и оптимизация адаптивного централизованного управления в беспроводных широкополосных сетях передачи информации
Шпилев Сергей Алексеевич
Исследование механизмов управления и оценка производительности широкополосных беспроводных сетей передачи информации под управлением протокола IEEE 802.11
Гришко Алексей Константинович
Управление принятием решений на этапах проектирования сложных изделий на основе межмодельного взаимодействия
Жеребцов Владимир Николаевич
Системное обеспечение взаимодействия предприятий оборонно-промышленного комплекса стран СНГ на основе современных информационных технологий
Кобляков Владимир Андреевич
Управление множественным доступом в централизованных сетях передачи данных
Кривоносов Дмитрий Михайлович
Системный анализ и синтез топологической структуры проводных сетей передачи данных
Сущенко Сергей Петрович
Оптимизация операционных характеристик сети передачи данных с коммутацией пакетов
Максимович Вадим Васильевич
Управление перераспределением потоков в магистральных сетях передачи данных
Кучер Алексей Викторович
Интеллектуальная система поддержки принятия решения на основе нечеткой логики для диагностики состояния сети передачи данных
Бельтов Андрей Георгиевич
Методы оценки качества функционирования магистральных каналов передачи данных глобальных сетей

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net