Почему солитон сохраняет свою форму при распространении по

ЮЛЯ

1 Чем обусловлено использование диапазона волн 0, 4 - 1, 8мкм в

технике оптической связи?

Ответ:

2 Как связаны энергия фотона и длина волны излучения?

Ответ:

3 Какие законы являются основой геометрической оптики?

Ответ:

4 Какой физический смысл у показателя преломления?

Ответ:

5 Что такое поляризация электромагнитной волны?

Ответ:

6 Почему происходит интерференция волн?

Ответ:

7 Какие приборы строятся на основе интерференции?

Ответ:

8 Что называют дифракционной решеткой?

Ответ:

9 Что сообщается в условии Брэгга-Вульфа?

Ответ:

10 В чем физический смысл «запрещённой зоны» полупроводниковых

материалов?

Ответ:

11 Почему соединение GaAs может использоваться для изготовления

источников и приёмников оптического излучения ВОСП?

Ответ:

12 Чем отличаются прямозонные и непрямозонные материалы?

Ответ:

13 Какие функции может выполнять p-n переход в оптических приборах

при прямом и обратном смещении?

Ответ:

14 Чем отличаются типы отражательных решеток?

Ответ:

15 Какие устройства могут входить в состав ВОСП?

Ответ:

16 Какие функции выполняет оптический конвертор ВОСП?

Ответ:

ЕГОР

1 Что принято понимать под волоконно-оптической системой передачи?

Ответ:

2 Какой диапазон электромагнитных волн (частот) получил наибольшее

применение в оптических системах передачи?

Ответ:

3 Какие характеристики имеют волоконные световоды?

Ответ:

4 Какие материалы используют для изготовления волоконных световодов?

Ответ:

5 Чем обусловлены потери оптической мощности в стекловолокне?

Ответ:

6 Чем отличаются волоконные световоды стандарта G.652 с различными

буквенными индексами (A, B, C, D)?

Ответ:

7 Какие волоконные световоды имеют рабочий диапазон S?

Ответ:

8 Что такое дисперсия в оптическом волокне?

Ответ:

9 Чем принципиально отличаются волокна SMF и NZDSF?

Ответ:

10 Какие виды дисперсии имеют место в волоконных световодах?

Ответ:

11 Чем обусловлена ПМД?

Ответ:

КОСТЯ

1 Какие ограничения создаёт ПМД для передачи импульсных сигналов по

скорости и дальности?

Ответ:

2 Чем вызваны нелинейные оптические эффекты в стекловолокне?

Ответ:

3 Чем вызваны потери оптической энергии в атмосфере Земли?

Ответ:

4 Чем различаются оптические кабели?

Ответ:

5 Чем отличаются прямой и угловой физические контакты коннекторе?

Ответ:

6 Какое назначение имеют соединительные оптические розетки?

Ответ:

7 Какие разновидности имеют оптические аттенюаторы?

Ответ:

8 Что входит в состав оптического кросса?

Ответ:

9 Какое назначение могут иметь оптические разветвители?

Ответ:

10 Что представляет собой оптический изолятор?

Ответ:

САША

1 Какое назначение у оптических мультиплексоров и демультиплексоров?

Ответ:

2 Где в ВОСП применяется компенсатор дисперсии?

Ответ:

3 Какие устройства могут изменить маршрут световой волны?

Ответ:

4 Какое назначение имеет OADM?

Ответ:

5 Какие устройства могут входить в состав OADM?

6 Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения?

Ответ:

7 Чем отличаются конструкции и характеристики торцевого

(суперлюминесцентного) и поверхностного светодиодов для оптической

связи?

Ответ:

8 Какие конструкции лазеров применяются в технике оптической связи?

Ответ:

9 Что представляет собой резонатор Фабри – Перо и какие он имеет

характеристики?

Ответ:

10 Как устроен полупроводниковый гетеролазер с резонатором Фабри –

Перо и как формируется когерентное излучение в нём?

Ответ:

11 Каким образом в лазерах достигается одномодовый режим генерации?

Ответ:

НОДАР

1 Почему и какими средствами стабилизируют температурный режим

работы лазера?

Ответ:

2 Как можно перестроить длину волны излучения одномодового лазера?

Ответ:

3 Что показывает диаграмма направленности излучения светодиода и

лазера?

Ответ:

4 Чем согласуют источники излучения с волоконными световодами и

атмосферой?

Ответ:

5 Что такое модуляция?

Ответ:

6 В чем состоит принципиальное отличие прямой и внешней модуляций

оптического излучения?

Ответ:

7 В чем заключается сущность прямой модуляции в схемах с

полупроводниковыми источниками оптического излучения (СИД и ППЛ)?

Ответ:

8 Чем ограничена полоса частот при прямой модуляции СИД и ППЛ?

Ответ:

9 Почему происходит искажение сигналов при прямой модуляции СИД и

Ответ:

10 Чем отличаются модуляционные характеристики схем с ППЛ и СИД?

Ответ:

СЕРЕЖА

1 Какие виды внешней модуляции оптического излучения применяются в

системах передачи?

Ответ:

2 Чем отличается электрооптический внешний модулятор от

электроабсорбционного?

Ответ:

3 Какие виды внешней модуляции оптического излучения обеспечиваются

модулятором Маха-Зендера?

Ответ:

4 Почему образуются шумы при модуляции?

Ответ:

5 Какими способами можно уменьшить нелинейные искажения при

модуляции?

Ответ:

6 Что входит в состав передающего оптического модуля?

Ответ:

7 С какой целью в состав передающего оптического модуля вводятся

термодатчик и терморегулятор?

Ответ:

8 Чем отличается прямое фото детектирование от фото детектирования с преобразованием?

Ответ:

9 Какие функциональные блоки входят в схему фото приёмного устройства (ФПУ) с прямым детектированием?

Ответ:

10 Какие виды предварительных усилителей применяются в фото приёмных устройствах?

Ответ:

АСХАТ

1 В чем сущность коэффициента битовых ошибок BER или Кош?

Ответ:

2 С какой целью нормируют BER?

Ответ:

3 Какие устройства линейного тракта ВОСП способствуют увеличению

BER?

Ответ:

4 Чем определяется длина регенерационного участка ВОСП?

Ответ:

5 Какие устройства могут входить в состав линейного тракта

многоволновой ВОСП?

Ответ:

6 От каких факторов зависит величина OSNR в оптическом канале ВОСП-

WDM?

Ответ:

7 Что подлежит расчёту или оценке при проектировании сложных

линейных трактов ВОСП-WDM?

Ответ: Методика расчета линейного тракта атмосферной оптической системы передачи подробно изложена в [19]. В ее основе лежит следующий алгоритм:

- определяется мощность излучения на выходе передатчика, которая равна произведению средней мощности излучателя (светодиода или лазера) на потери в оптике передатчика;

- определяется величина потерь от рассогласования передатчика и приемника, обусловленная разными площадями излучающей и принимающей поверхностей;

- определяется максимальная мощность информационного сигнала на фотоприемнике с учетом потерь на оптике приемника, которая равна произведению величины мощности передатчика в площади приемника на величину потерь в оптике, однако это характерно для идеальной атмосферы;

- вычисляется реальный уровень мощности на приеме за счет флуктуаций в атмосфере;

- отношение максимальной мощности сигнала к минимальной чувствительности приемника в логарифмическом масштабе позволяет определить допустимый динамический диапазон линейного тракта.

Динамический диапазон должен соответствовать техническим характеристикам выпускаемых систем передачи. Подавляющее большинство существующих систем имеют выходную мощность до 100 мВт, а чувствительность приемника около –50 дБм. Таким образом, реальный динамический диапазон составляет более 60 дБ.

Расчеты дальности передачи должны производиться на основе метеоданных, полученных при исследовании атмосферы в месте предполагаемого развертывания системы передачи.

8 С какой целью в ВОСП используется оценка Q-фактора?

Ответ: В аппаратуре оптических систем, например DWDM, измерение коэффициента ошибок необходимо производить в каждом оптическом канале, что занимает много времени. Для сокращения времени контроля канала без перерыва передачи информации используется метод на основе оценки Q-фактора (Quality – качество), который представляет собой отношение (7.22)

Q= m 1 - m 0 (7.22)

s 1 + s 0

где  1 и  0 графическая зависимость значения сигнала («1» и «0») и дисперсии шума  1 и  0 относительно уровня принятия решения о передаче логической «1» или «0». Значения  1 и  0,  1 и  0 фиксируются на выходе фотоприемного устройства с аналоговым широкополосным усилителем в виде глаз-диаграммы (рис. 7.22).

Обычно Q-фактор оценивается в децибелах:

Q (дБ) = 10 lg Q 2 = 20 lg Q, (7.23)

Между Q-фактором и коэффициентов ошибок установлена однозначная связь

Kош(Q)=BER(Q)=1 exp(Q²/2)

2p Q. (7.22)

Пример соответствия К ош, Q и соотношения сигнал/шум приведены в табл.7.6. BER, Bit Error Ratio – отношение битовой ошибки. SNR, Signal Noise Ratio – отношение сигнал/шум.

Рисунок 7.22 Глаз-диаграмма и распределение среднего значения цифрового сигнала и дисперсии шума

Таблица 7.6

9 С какой целью в ВОСП используется FEC?

Ответ: Упреждающая коррекция ошибок (FEC, Forward Error Correction) нашла широкое применение в технике оптической связи последнего поколения. Её использование предусмотрено стандартами передачи SDH, OTH, Ethernet.

Для обнаружения и исправления ошибок чаще всего используются циклические блочные коды (коды Хэмминга, коды Боуза-Чоудхури- Хоквенгема (БХЧ), коды Рида-Соломона (RS).

В технике оптических систем нашли широкое применение коды Рида- Соломона (RS, Reed-Solomon). При использовании этих кодов данные обрабатываются порциями по m -бит, которые именуют символами. Код RS(n,

k) характеризуется следующими параметрами:

- длина символа m бит;

- длина блока n = (2 m – 1) символов = m (2 m – 1) бит;

- длина блока данных k символов;

- n – k = 2 t символов = m (2 t) бит;

- минимальное расстояние Хэмминга d min= (2 t + 1);

- число ошибок, требующих исправления t.

Алгоритм кодирования RS(n, k) расширяет блок k символов до размера n, добавляя (n – k) избыточных контрольных символов. Как правило, длина символа является степенью 2 и широко используется значение m = 8, т.е. символ равен одному байту. Для исправления всех 1 и 3 битовых ошибок в символах требуется выполнение неравенства:

n+ n(n-1) Ф(2^n-k-1). (7.25)

Рисунок 7.23 Образование строки с блоком контроля FEC

Для исправления ошибок применяется 16-символьный код RS(255, 239),

который относится к классу линейных циклических блочных кодов.

Каждый цикл передачи, например, STM-N или OTUk разбивается на блоки символов данных по 239 байт. Каждому такому блоку вычисляется контрольный блок из 16 символов – байт и присоединяется к 239 байтам, 240-255 байты. Т.о. блокам байт n = 255, k = 239, соответствует обозначение RS(255, 239). Объединенный блок k и n – k образуют подстроку цикла. Синхронное побайтовое мультиплексирование подстрок образует одну строку цикла (рис.7.23).

Порядок передачи строки слева направо. При формировании блока (n –

k) блок данных k сдвигается на n – k и делится на производящий полином: Р = х8 + х4 + х3 + х2 + 1. (7.26)

В результате получается частное от деления и остаток деления длиной n

– k. Блок данных k и остаток деления объединяются, образуя подстроку.

После передачи подстроки на приемной стороне производится ее деление на производящий полином Р, аналогичный тому что был на передаче. если после деления остаток ноль, то передача прошла без ошибок. Если после деления остаток не равен нулю, то это признак ошибки. Место положения ошибки в блоке k обнаруживается по остатку, например табличным методом. Исправлению подлежит заданное количество ошибок в символе (1, 2 или более в байте). Благодаря тому, что RS(255, 239) имеет расстояние Хэмминга d min = 17 можно корректировать до 8 символьных ошибок.

При этом число обнаруживаемых ошибок составляет 16 в подстроке с

FEC. В табл.7.7 приведен пример теоретически рассчитанного коэффициента ошибок на выходе декодера FEC RS(255, 239) по рекомендации МСЭ-Т G.709.

Таблица 7.7 Пример результата расчета коэффициента ошибок на выходе

декодера FEC RS(255, 239)

Практическая эффективность кодирования RS(255, 239) может составить от 5 до 8 дБ, т.е. FEC позволяет увеличивать длины участков передачи по сравнению с системами без FEC (табл. 7.8). Пример оценки эффективности применения упреждающей коррекции при цифровой передаче приведен на рис. 7.24.

Рисунок 7.24 Эффективность использования FEC

Таблица 7.8 Характеристики используемых кодов упреждающей коррекции ошибок FEC для ВОСП

В табл.7.8 обозначено и имеет смысл: RS код Рида –Соломона; минимальное допустимое отношение сигнал/помеха Qмин=18дБ для допустимого коэффициента ошибок BER=10-9. Можно считать одиночный RS улучшающим чувствительность приемника на 6.5дБ, а кратный RS на 9.5дБ.

20.Что представляет собой оптический солитон?

Ответ: Оптический солитон – это импульс, представляющий собой одиночную волну колоколообразной формы, образующийся в оптическом волокне при наличии определенной нелинейной зависимости коэффициента преломления от интенсивности излучения когерентного источника. При этом коэффициент преломления должен возрастать с ростом интенсивности. Тогда высокочастотные составляющие импульса как бы сдвигаются к его хвосту, а низкочастотные составляющие – к его голове, чем подавляется действие хроматической и поляризационной дисперсии. Такой импульс может сохранять форму и ширину по всей длине волоконной линии (рис.7.25).

Рисунок 7.25 Формирование оптического солитона

Происхождение названия оптического импульса: SOLITARI - уединенная волна, SOLITON – частица. Первое понятие о солитоне сформулировал известный английский физик, математик, гидромеханик Джон Скотт Рассел (1808 – 1882), который впервые в 1834 году обратил внимание на особенные волны в каналах, по которым перевозили баржи с углем.

Модель оптического солитона была предложена в 1971 году русскими учеными В.И. Захаровым и А.Б. Шабатом. Распространение света в нелинейной среде описывается нелинейным уравнением Шредингера.

В 1980 году оптические солитоны наблюдали Молленауэр Л., Столен Р. И Гордон Дж. [15, 16].

С тех пор были проведены многочисленные исследования и технологические разработки, которые позволили говорить о целесообразности использования солитонов для оптической связи.

Солитоны могут распространяться в стекловолокне на значительные расстояния (4 тысячи километров в стандартных ВОСП) практически без искажения формы импульса и сохраняться при столкновении друг с другом. Для поддержки энергии солитон должен получить внешнюю подпитку от источника накачки. Только в этом случае солитон сохраняется. Необходимо выяснить условия существования в оптическом волокне уединенных волн – солитонов.

21.Почему в стекловолокне может образоваться оптический солитон?

Ответ: В достаточно длинных волоконных световодах могут проявляться нелинейные оптические эффекты:

- вынужденное рамановское (комбинационное) рассеяние (ВКР);

- вынужденное рассеяние Мандельштама – Брюллиэна (ВМБР);

- фазовая самомодуляция (самофокусировка); четырехфотонное или четырехволновое смешивание.

Вынужденное рассеяние света обусловлено нелинейным взаимодействием сильного электромагнитного поля излучения с электромагнитным полем атомов физической среды (в рассматриваемом случае – в стекловолокне). Свет рассеивается на элементарных возбуждениях среды, индуцированных рассеиваемой средой. При возбуждении (индуцировании) среды мощным световым источником происходит модуляция ее параметров, что приводит к амплитудной модуляции рассеянного света, а, следовательно, к появлению в нем новых спектральных компонентов. Их называют стоксовыми и антистоксовыми компонентами. Взаимодействие световой волны с инверсной средой в литературе получило название фотон - фононное взаимодействие. При этом фононом называют квант энергии, возникающий в процессе рассеяния фотона. Наиболее важными видами рассеяния являются вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама-Брюэллена (ВРМБ).

ВКР связано с возбуждением новых колебательных уровней частиц среды (электронов) и в меньшей степени – вращательных энергетических уровней этих частиц.

ВРМБ приводит к появлению в среде гиперзвуковых волн, интенсивность которых зависит от частоты следования импульсов накачки и для импульсов короче 10 нс может почти исчезнуть. В отличие от ВКР, излучение, рассеянное по механизму Мандельштама – Бриллюэна, распространяется только в направлении, противоположном подающему.

ВКР наблюдается при мощностях накачки более 1 Вт. ВРМБ наблюдается уже при мощности более 1 мВт.

Явление фазовой самомодуляции (ФСМ) или самофокусировка, или фазовой кроссмодуляции (ФКМ) вызвано зависимостью показателя преломления сердцевины волокна, т.е. фазы выходного сигнала, от интенсивности оптического сигнала

n₁

где n1 – показатель преломления сердцевины стекловолокна при отсутствии внешнего электромагнитного поля, Е 2 – параметр мощности световой волны;

Dn – приращение показателя преломления, вызванное внешним электрическим полем с напряженностью Е (~ 10 10 В/м).

При мощности сигнала более 10 мВт в стандартном одномодовом волокне возникает ФСМ, способствующая сжатию импульсов, т.е. сигнал воздействует сам на себя, сокращая разность фазовых скоростей спектральных составляющих. Образование ФКМ может приводить при передаче нескольких оптических каналов к их взаимным влияниям.

Четырехволновое смешение заключается в том, что при наличии двух попутных волн (2-х каналов) с частотами f1 и f2 (f1 ¹ f2), возникают еще две волны с частотами 2 f1 – f2 и 2 f2 – f1, распространяющиеся в том же направлении и усиливающиеся за счет исходных. Разумеется, что при большем числе волн спектр еще больше расширится. Четырехволновое смешение проявляется уже при мощностях сигналов более 10 мВт и имеет прямое отношение к ФКМ.

Необходимо отметить, что нелинейные эффекты в стекловолокне играют не только негативную роль, т.е. ограничивают дальность скорость передачи, но и позволяют в режиме ВРМБ выделять и вводить оптические каналы, а в режиме ВКР – реализовывать усиление оптических сигналов. Особую роль может играть явление ФСМ для формирования и передачи оптических солитонов.

Уникальность солитона состоит в том, что дисперсия групповой скорости, которая определяется длительностью оптического импульса, полностью уравновешивается нелинейным изменением показателя преломления (Dn (Е 2)).

Достаточно точное описание условий существования оптических солитонов получено при решении уравнения Шредингера [15].

Примеры некоторых условий существования солитонов. Критическая мощность сигнала

Pкр

Pкр=

=,

10 Что представляет собой оптический солитон?

Ответ:

11 Почему в стекловолокне может образоваться оптический солитон?

Ответ:

МАРИНА

1. Какие разновидности линейных трактов существуют в оптических

системах передачи?

Ответ:

2. Чем ограничены возможности использования атмосферных оптических

линейных трактов?

Ответ:

3. Какие различия имеют одноволновые оптические линейные тракты

ВОСП?

Ответ:

4. Какие различия имеют многоволновые (многоканальные) оптические

линейные тракты ВОСП-WDM?

Ответ:

5. Какие функции выполняет транспондер?

Ответ:

6. Чем отличаются сетки частот и волн DWDM и CWDM?

Ответ:

7. Какие требования предъявляются к линейным кодам ВОСП?

Ответ:

8. Чем отличаются форматы RZ и NRZ в линейных кодах ВОСП?

Ответ:

9. Чем отличаются коды 1В2В от кодов mBnB?

Ответ:

10.В чем сущность скремблированных линейных кодов?

Ответ:

ЧИНГИС

Почему солитон сохраняет свою форму при распространении по

оптической линии на большие расстояния?

Ответ: При изменении коэффициента преломления оптического волокна высокочастотные составляющие импульса как бы сдвигаются к его хвосту, а низкочастотные составляющие – к его голове, чем подавляется действие хроматической и поляризационной дисперсии.

2 Какую длительность имеет оптический солитон в стекловолокне?

Ответ: Длительность – 10 пс.