АНАЛИЗ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН В УСЛОВИЯХ СПЕКТРАЛЬНОГО УПЛОТНЕНИЯ

February 15, 2013 by admin Комментировать »

Игнатьев Ф. Н. Московский авиационный институт (Государственный технический университет) Москва, 125871, Россия e-mail: f. п.ignatiev@mtu-net.ru

Аннотация – Обсуждаются фазовые эффекты, инициируемые поглощением излучения рабочих частот в оптическом волокне в условиях спектрального уплотнения.

I.                                         Введение

Использование спектрального уплотнения в воло- конно-оптических системах передачи информации сопровождается значительным ростом передаваемой через волокно мощности излучения. В этих условиях можно ожидать усиления различных нелинейных эффектов. В условиях спектрального уплотнения среда распространения сигнала в отдельном канале испытывает возмущения, инициируемые прохождением сигналов по остальным каналам. Эти возмущения вызывают не только аддитивные, но и мультипликативные помехи, способные вызвать ограничение пропускной способности волокна. Основное внимание работы сосредоточено на анализе фазовых эффектов, инициируемых изменениями показателя преломления и упруго-напряженного состояния волокна.

II.                                       Теория

Оптические волокна, используемые в оптических информационных системах и связи, представляют собой структуры из диэлектрических и полупроводниковых материалов с низким, но конечным уровнем энергетических потерь в диапазоне рабочих длин волн. Одной из причин энергетических потерь является остаточное поглощение, связанное с возбуждением электронных и атомных состояний материала волокна. Подобные возбуждения в твердом теле сопровождаются структурными перестройками и могут рассматриваться как структурные нарушения или дефекты вследствие сопровождающего их изменения материальных параметров. Свойства структурных нарушений зависят от свойств материала и энергии излучения. В качестве объекта исследования рассмотрим силикатное стекпо, являющееся типичным представителем диэлектрических стекол и широко использующимся в производстве оптических волокон. Результаты исследования без каких-либо ограничений могут быть применены для анализа обсуждаемых в работе явлений и в других диэлектрических и полупроводниковых стеклах, а также оптических волокнах на их основе.

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный и теоретический материал касательно природы и свойств дефектов в силикатном стекле. Типичными для силикатных стекол являются дефекты, связанные с нарушением координации атомов кремния и кислорода, а также центры, связанные как с технологией изготовления стекла, так и с направленной модификацией его свойств. Возникновение структурных нарушений в волокне сопровождаются изменениями его макроскопических характеристик: геометрии волокна, изменением внутренних напряжений, спектров наведенного поглощения и т. д. Оценка фазовой чувствительности Аф!{ф-Ш) волны распространяющейся в волокне к передаваемой волокну энергии ΔΕ рабочих частот приводит к выражению:

I

здесь Mj – изменение показателя преломления сердцевины волокна обусловленное возмущением спектров электронных и атомных состояний материала в i -том канале, Рц v\ Р]2 – коэффициенты Поккельса, v\ – аксиальная и радиальная деформации волокна. Таким образом, фазовая чувствительность определяется инициируемыми дефектами деформациями волокна и изменениями показателя преломления его сердцевины.

Содержание оценки упруго-напряженного состояния тела в условиях дефектообразования составляет установление зависимости между возникающими напряжениями (деформациями) в теле и энергией, передаваемой телу излучением.

Передаваемую в элементарный объем волокна энергию, AE(r,t), можно оценить выражением:

гдеР^,(г,/) – мощность излучения, создаваемая в точке г сигналом к-то канала, среднее значение коэффициента поглощения в полосе рабочих частот, /- длительность сообщения, N – число каналов.

Структурные нарушения, возникающие вследствие возмущений электронных состояний стекпа при передаче энергии фотонного излучения, в теории твердого тела идентифицируются как точечные де- фекты\ Образование точечного дефекта в аморфных диэлектрических и полупроводниковых материалах, с точки зрения его влияния на упругонапряженное состояние, эквивалентно введению в тело центра дилатации с объемной плотностью сил:

тр,е λ \л μ коэффициенты Ламе, 5(г) – дельта – функция, Qq – «мощность» дефекта’’’^. Поле формируемых плотностью сил (3) перемещений имеет макроскопический характер. Это обстоятельство обеспечивает возможность использования макроскопических методов при анализе упруго-напряженного состояния твердого тела в условиях дефектообразования. Используя термодинамический подход можно показать®, что в условиях произвольного распределения дефектов, возникающие в теле напряжения можно оценить выражением:

Здесь: К – изотермический модуль всестороннего сжатия, aj- коэффициент теллового расширения, ^-химический потенциал, £-энергия, передаваемая веществу излучением в единичном акте взаимодействия, Qj – средняя величина изменения объема тела при образовании дефекта– тепло

емкость при постоянном объеме, – тензор деформаций, – символ Кронекера.

Первое слагаемое в правой части описывает напряжения, возникающие в теле вследствие инициируемых дефектообразованием изменений температуры.

Для качественной оценки числа дефектов ,

создаваемых в волокне излучением можно воспользоваться выражением

здесь ω – среднее значение частоты в рабочем интервале, W – вероятность перехода возбужденного носителя заряда в состояние дефекта. Последовательная оценка, учитывающая статистический характер генерации дефектов в стекле и конечность времени жизни дефектов предполагает решение стохастического уравнения баланса, что выходит за рамки настоящей работы.

В силу аксиальной симметрии обсуждаемой задачи уравнение (4) допускает аналитическое решение.

Изменение показателя преломления сердцевины волокна/dw, – обусловленное возмущением спектров электронных состояний материала может быть оценено интерферометрией образца в отсутствие инициируемых дефектообразованием напряжений.

III.                                   Заключение

Обсуждаемые возмущения фазовых характеристик относительно малы, но подобно поглощению они накапливаются по мере прохождения сигнала через волокно. Следует ожидать, что влияние фазовых эффектов возрастает с ростом числа каналов в системах со спектральным уплотнением. В этой связи представляется интересным исследование предельного числа каналов, способных быть переданными волокном в условиях спектрального уплотнения.

IV.                                   Литература

[1]  Eshelby J. Distortion of а crystal by point imperfections.

J. Appl. Phys. 1954. v. 25. p. 255-261.

[2]  Kosevich A. M. Physical mechanics of real crystals. Kiev, 1981.467 p.

[3]  Ignatiev F. N. Theory of irradiation induced deformations in amorphous solids. (Unpublished).

[4]  Tanimura Κ., Tanaka Т., itoh N. Creation of quasi stable lattice defects by electronic excitation in ЗЮг. Phys. Rev. Lett. 1983. V.51.N5. p. 423-42.

ANALYSIS OF OPTICAL FIBER CAPACITY IN A WDM SYSTEMS

F. N. Ignatiev Moscow Aviation Institute (State Technical University)

Moscow, 125871, Russia e-mail: f.n.lgnatlev@mtu-net. ru

Abstract – Phase phenomena induced in optical fibers by residual absorption in the region of operational wavelengths are discussed.

I.                                         Introduction

Optical fibers are fabricated from dielectric or semiconductor materials with low but finite absorption within a range of working wavelengths. This residual absorption results in formation of defects changing the dielectric and mechanical parameters of a fiber. The changes in the refractive index of a core and strains Uj]^ induced in a fiber by defects give rise to phase perturbations in a wave propagating in an optical fiber.

II.                                           Theory

The sensitivity of an optical phase in a fiber to the residual absorption can be evaluated by the expression (1). Where Anj is the change in the refraction index n caused by perturbations of electronic and atomic spectra in a material of the core, Pj] and Pi2 are the Pockel’s coefficients of the core, and are axial and radial strains in the core, a,nAAE(r) is the energy of the radiation absorbed in the core. For qualitative estimations oiAE(r) equation (2) is used. Where is the coefficient of the residual absorption, P^,(r,/)is the power of a

signal at point r in a fiber at time г in a channel Λ , N is the number of channels in the fiber. For evaluation of stresses and strains in optical fibers initiated by defects the theory was developed [3]. Strains and stresses arising in a fiber can be evaluated using equations (4). Where К is the isothermal compression module, αχ is the thermal expansion coefficient, ε is the energy transmitted to a fiber by radiation in the act of interaction, Д is the change in volume of a fiber per a defect [1, 2, 4], ^ is the chemical potential, Cy is the thermal capacity, is the strains tensor. The number of defects created within a fiber in consequence of the residual absorption can be estimated from equation (5). Where Ш is the average frequency in a working interval, w is the probability for excited electrons to be trapped in defect states.

III.                                       Conclusion

Changes in the phase characteristics initiated by the residual absorption are slight, but, like attenuation, they are accumulated during signal propagation through a fiber and need an experimental research. The magnitude of the phenomenon discussed increases with a number of channels in WDM systems. In this connection the question about the limit number of channels is actual one.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты