|
Проект направлен на решение задачи развития теории кусочно-регулярных волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП)
применительно к протяженным линиям с нерегулярными слабонаправляющими оптическими волокнами (ОВ) с увеличенным диаметром сердцевины
при передаче оптических сигналов в маломодовом режиме на высокоскоростных (от десятков Тбит/с до Пбит/с и выше) транспортных сетях связи
нового поколения и разработка на ее базе научно-технических основ обеспечения их эффективного функционирования. В маломодовом режиме на
передний план выходит необходимость "индивидуальной" оценки параметров передачи направляемых мод заданного порядка, участвующих в
переносе мощности оптического сигнала по ОВ заданной конструкции. Поэтому выделенные, в рамках сформулированной ключевой цели Проекта,
основные задачи, потребовали, в первую очередь, разработки соответствующего математического аппарата как с применением известных методов,
адаптированных и/или модифицированных соответствующим образом, так и новых, альтернативных подходов для описания процессов распространения
оптических сигналов высокоскоростных систем передачи в ОВ ВОЛП, с учетом особенностей маломодового режима.
Таким образом, на первом этапе выполнения Проекта полученные основные результаты, непосредственно связаны с разработкой
математического аппарата, являющегося основой для решения как прямой задачи расчета параметров передачи модового состава ОВ с увеличенным
диаметром сердцевины, так и обратной задачи оптимизации конструкции маломодовых ОВ, обеспечивающей соответствующее управление параметрами
передачи модовых компонентов оптического сигнала в маломодовом режиме:
- на основании ранее разработанной модификации приближения Гаусса проведено обобщение данного приближенного метода на случай расчета
спектральных характеристик параметров передачи направляемых мод произвольного порядка, распространяющихся в слабо-направляющих ОВ с
увеличенным диаметром сердцевины и произвольным профилем показателя преломления сложной осесимметричной формы;
- разработан метод расчета параметров передачи волоконных световодов для решения прямой задачи анализа ОВ со сложной формой
профиля показателя преломления, которая базируется на совместном использовании обобщения модификации приближения Гаусса (ОМПГ)
и численного сеточного метода смешанных конечных элементов, адаптированного под анализ ОВ с сильно увеличенным диаметром сердцевины
и обобщенный на случай анализа несимметричных волоконных световодов некруглого сечения;
- предложена модификация ранее разработанного математического описания возбуждения слабонаправляющих градиентных ОВ с увеличенным
диаметром сердцевины, позволяющая совместно учитывать исходный модовый состав излучения, генерируемого когерентным источником,
параметры согласующего световода, условия ввода, а также реализовать переход от эквивалентного, в рамках приближения Гаусса, диаметра
пятна моды заданного порядка, к его фактическому значения в ближнем и дальнем поле, в соответствие с ратифицированным измерительным
стандартом ITU COM 15-273-E.
Разработанный математический аппарат позволил далее перейти непосредственно к проведению теоретических исследований
и решения ряда задач в рамках анонсированных, в соответствие с календарным планом 2016 г., ключевых целей Проекта, основные полученные
результаты которых заключаются в следующем:
1. Для решения задачи локализации минимально возможного значения площади эффектив-ного сечения ОВ, при котором полностью устраняется
нелинейность кварцевого световода типовой конструкции на основании ранее разработанной модели линейного тракта протяженных ВОЛП,
базирующейся на нелинейном уравнении Шредингера и методе расщепления по физическим процессам, проведено моделирование ВОЛП в условно
одномодовом режиме при разных значения площади эффективного сечения ОВ. Согласно полученным результатам, приемлемое значение Q-фактора
достигается при искомом значении Аэфф=140 кв. мкм, что также соответствует результатам экспериментальных и теоретических исследований,
представленных в опубликованных работах ряда зарубежных авторов.
2. На основании представленного приближенного метода ОМПГ разработана методика рас-чета, связывающая значение диаметра сердцевины ОВ и
площадь эффективного сечения моды. Проведен расчет кривых зависимости Аэфф направляемых мод от диаметра сердцевины для ОВ с градиентным
профилем показателя преломления. Анализ полученных результатов показал, что искомое значение Аэфф=140 мкм для моды LP11 достигается при
значении диаметра сердцевины 22 мкм (при этом данный параметр для основной моды LP01 составля-ет менее 50 кв. мкм), а для основной моды
LP01 - только при диаметре не менее 42 мкм.
3. Проведен расчет параметров передачи модового состава таких ОВ 22/125, 42/125 и 50/125 с опорным градиентным профилем, соответствующим
коммерческим традиционным многомодовым ОВ кат. ОМ2+/ОМ3, масштабированным до указанных габаритов сердцевины. Показано, что ОВ 22/125
поддерживает распространение 6 LP-мод, в то время как модовый состав, удовлетворяющий условию отсечки, для ОВ 42/125 насчитывает 20
LP-модовых компонент, а для ОВ 50/125 - 28 мод.
4. Разработана методика моделирования градиентного профиля показателя преломления кварцевых маломодовых ОВ с увеличенным диаметром
сердцевины с минимизацией дифференциальной модовой задержки (ДМЗ) для всего модового состава, удовлетворяющего условию отсечки,
а также отдельного набора направляемых мод заданного порядка.
5. Проведено моделирование градиентных профилей 6-модовых ОВ 22/125. В результате серии вычислительных экспериментов получены
пилотные образцы градиентных профилей показателя преломления ОВ 22/125, обеспечивающие уменьшение ДМЗ в области длины волны 1550 нм,
соответствующей центральному региону "С"-диапазона до 12 пс/км и менее, построены спектральные характеристики коэффициента хроматической
дисперсии модового состава этих ОВ.
6. Аналогичным образом проведено моделирование градиентных профилей 20-модовых ОВ 42/125, получены образцы градиентных профилей
показателя преломления ОВ 42/125, обеспечивающие уменьшение ДМЗ в области длины волны 1550 нм, соответствующей центральному региону
"С"-диапазона до 30 пс/км и менее.
7. Проведен пилотный синтез профилей показателя преломления ОВ 50/125 как для центрированного ввода на локальной оптической несущей
1550 нм, так и с выравниванием ДМЗ по всему модовому составу. Для первой группы ОВ значение ДМЗ в "С"-диапазоне составило менее
250 пс/км, далее в форму профиля были внесены искажения - слабые флуктуации показателя преломления, которые "ухудшили"
спектральную характеристику ДМЗ таких ОВ на примерно на 100 пс/км. Для ОВ 50/125 с выравниванием ДМЗ по всему модовому
составу, на данном этапе минимальное из всех полученных образцов профилей значение ДМЗ на длине волны 1550 нм составило не менее 500 пс/км.
8. Для решения проблемы повышенного значения ДМЗ для маломодовых ОВ с экстремально увеличенным диметром сердцевины, обеспечивающим
нивелирование нелинейности волокна, предложено провести теоретическое исследования влияния выбора параметров прецизионного
позиционирования каналов модового мультиплексирования (MDM - Mode Division Multiplexing) на торце ОВ линии. Разработана модель
и на основании нее методика расчета максимального отклонения коэффициентов связи возбуждаемых мод, в зависимости от выбора
диаметра пятна моды канала MDM и его пространственного положения относительно центра сердцевины ОВ. Проведен пилотный расчет
для маломодовых ОВ 42/125, результаты которого продемонстрировали потенциальную возможность расширения спектрального диапазона
минимильного значения ДМЗ почти на 18,5 нм при одновременном снижении данного параметра на 7,9 пс/км для длины волны 1550 нм и
более чем в 2 раза для всей центральной области "С"-диапазона.
9. Разработана модель нелинейного маломодового распространения оптического импульса в маломодовом волоконном световоде.
Расчет параметров мод и их взаимосвязей реализуется с помощью ОМПГ. Распространение мод в протяженных волоконных световодах
описывается системой связанных нелинейных уравнений Шредингера, для решения которого применяется традиционный метод
расщепления по физическим процессам. При этом предлагается изменить процедуру вычислений данным методом, вводя на каждом шаге
вычислений для элементарного участка линии помимо линейного и нелинейного операторов дополнительный оператор коррекции параметров
мод и из взаимосвязей - в частности, дополнительного оператора, который предусматривает коррекцию профиля показателя преломления
световода c учетом факторов нелинейности и параметров мод и их взаимосвязей для измененного за счет нелинейности профиля.
10. Проведена верификация предложенной модификации метода расщепления по физическим процессам воспользовались данными
эксперимента передачи сигнала 12 фс 175 кВт на длине волны 633 нм по ОВ PMF "bow-tie" протяженностью 2.5 мм,
подробно описанного в цикле работ коллектива зарубежных авторов. Сопоставление расчетных и измеренных
(представленных в опубликованных работах) форм спектрального и импульсного откликов показали хорошее совпадение,
что создает предпосылки развития предложенной модели на маломодовые ОВ с увеличенным диаметром сердцевины и,
соответственно, расширенным модовым составом.
Участие в научных мероприятиях по тематике Проекта (2016 г.):
1. V Международная научно-техническая и научно-методическая конференция "Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании" (АПИНО - 2016), г. Санкт-Петербург, СПб-ГУТ, 10 - 11 марта 2016 г. (секционный)
2. X Международная отраслевая научно-техническая конференция "Технологии информационного общества", г. Москва, МТУСИ, 16 - 17 марта 2016 г. (секционный, РИНЦ)
3. Международная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов "Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы" (ПРЖЭФС - 2016), г. Казань, 7 - 8 апреля 2016 г. (приглашенный пленарный)
4. 24th Optical and waveguide theory and numerical modeling workshop, Warsaw, Poland, 20 - 21 May 2016 (1 regular session (секционный) + 1 poster session (стендовый))
5. 7й Российский семинар по волоконным лазерам, г. Новосибирск (Академгородок), 5 - 9 сентября 2016 г. (2 секционных)
6. EMN Optical communication meeting, Dubai, United Arab Emirates, 13 - 17 November 2016, invited speaker session (приглашенный секционный)
7. Первый научный форум "Телекоммуникации: теория и технологии" (3Т-2016), XIV Международная научная конференция "Оптические технологии в телекоммуникациях" (ОТТ-2016), г. Самара, 22 - 24 ноября (1 пленарный + 2 стендовых)
Публикации в научных изданиях по тематике Проекта (2016 г.)
Статьи в рецензируемых научных изданиях
1. Andreev V.A., Bourdine A.V., Burdin V.A., Dashkov M.V., Grigorov I.V. Chromatic dis-persion estimation for higher-order guided modes propagating over silica large core few-mode opti-cal fibers // Proceedings of SPIE. - 2016. - vol. 9807. - P. 98070Q-1 - 98070Q-13. (WoS: 000374452600026; Scopus: 2-s2.0-84983418404).
2. Andreev V.A., Bourdine A.V., Burdin V.A., Evtushenko A.S., Khalikov R.H. Design of low DMD few-mode optical fibers with extremely enlarged core diameter providing nonlinearity suppression for operating over "C"-band central region // Proceedings of SPIE (preprint) (WoS, Scopus).
3. Bourdine A.V. Design of MDM channel precision positioning scheme at the end of a few-mode optical fiber with enlarged core diameter // Proceedings of SPIE (preprint) (WoS, Scopus).
4. Бурдин А.В. Моделирование маломодовых оптических волокон с уменьшенной дифференциальной модовой задержкой в "С"-диапазоне длин волн // Труды учебных заве-дений связи. - 2016. - Т.2., №1. - С. 33 - 38 (ВАК, РИНЦ).
5. Бурдин В.А., Бурдин А.В. Результаты численного моделирования распространения оптических импульсов в нерегулярных многомодовых волоконных световодах, функциони-рующих в маломодовом режиме // Радиотехника. - 2016. - №2. - С. 121 - 128. ( ВАК, РИНЦ IF = 0.240 ).
6. Бурдин В.А., Бурдин А.В. Результаты моделирования нелинейного маломодового распространения оптического импульса в волоконном световоде // Прикладная Фотоника. - 2016. - №3. - С. 309 - 320 (РИНЦ).
7. Бурдин А.В. Расчет параметров схемы прецизионного позиционирования каналов MDM на торце маломодового волоконного световода // Инфокоммуникационные техноло-гии. - 2016. - №3. - С. 248 - 259 (ВАК, РИНЦ IF 0.240).
8. Бурдин В.А., Бурдин А.В. Моделирование нелинейного распространения мод в многомодовых волоконно-оптических линиях дальней связи // Международный МФНА – АНН научный журнал «Проблемы нелинейного анализа в инженерных системах». – 2016. – т. 22, №2(46). – С. 86 – 96. (Burdin V.A., Bourdine A.V. Modeling nonlinear propagation of modes in long-haul multimode fiber optic links // International IFNA – ANS Scientific Journal “Problems of Nonlinear Analysis of Engineering Systems”. – 2016. – vol. 22, N2(46). – P. 97 – 103) (препринт) (РИНЦ)
Тезисы докладов
1. Бурдин А.В. Моделирование кварцевых маломодовых оптических волокон с силь-но увеличенным диаметром сердцевины // X Международная отраслевая научно-техническая конференция "Технологии информационного общества": сборник трудов. - Москва, 2016. - С. 14 ( РИНЦ ).
2. Burdin V.A., Bourdine A.V. Model for a few-mode nonlinear propagation of optical pulse in multimode optical fiber // 24th Optical and waveguide theory and numerical modeling workshop OWTNM-2016: book of abstracts. - Warsaw, Poland, 2016. - P. P-11 (ISBN 978-83-64102-11-0).
3. Bourdine A.V., Burdin V.A. Design of silica few-mode optical fibers with enlarged core diameter // 24th Optical and waveguide theory and numerical modeling workshop OWTNM-2016: book of abstracts. - Warsaw, Poland, 2016. - P. O-23 (ISBN 978-83-64102-11-0).
4. Бурдин В.А., Бурдин А.В. Результаты моделирования нелинейного маломодового распространения оптического импульса в волоконном световоде // 7й Российский семинар по волоконным лазерам: материалы семинара. - Новосибирск, Академгородок, 2016. - С. 91 - 92.
5. Бурдин А.В., Бурдин В.А., Жуков А.Е., Петров А.С., Севрук Н.Л. Моделирование профиля показателя преломления кварцевых волоконных световодов 100/125 с уменьшенной дифференциальной модовой задержкой // 7й Российский семинар по волоконным лазерам: материалы семинара. - Новосибирск, Академгородок, 2016. - С. 229 - 230.
6. Bourdine A.V. Design of silica optical fibers with enlarged core diameter for few-mode applications of laser-based data transmission // EMN Optical communication meeting: book of program and ab-stracts. - Dubai, United Arab Emirates, 2016. - P. 13.
7. Андреев В.А., Бурдин А.В., Бурдин В.А. Кварцевые маломодовые оптические во-локна с увеличенным диаметром сердцевины: теория и приложения на высокоскоростных сетях передачи данных // Первый научный Форум "Телекоммуникации: теория и техноло-гии", XIV Международная научная конференция "Оптические технологии в телекоммуникациях": материалы конференции. - Самара, 2016. - С. 20 - 24. (ISBN 978-5-990-79-11-4-5).
8. Андреев В.А., Бурдин В.А., Бурдин А.В., Иваньшина А.Б., Евтушенко А.С., Стреп-кова О.А., Халиков Р.Х. Моделирование градиентного профиля показателя преломления кварцевых оптических волокон с диаметром сердцевины 42 мкм для транспортных сетей // Первый научный форум "Телекоммуникации: теория и технологии" "3Т-2016", XIV Между-народная научная конференция "Оптические технологии в телекоммуникациях" (ОТТ-2016): материалы конференции. - Самара, 2016. - С. 239 - 240. (ISBN 978-5-990-79-11-4-5).
9. Бурдин А.В. К вопросу о выборе оптимальных параметров позиционирования каналов MDM на торце маломодового оптического волокна линии передачи // Первый научный форум "Телекоммуникации: теория и технологии" "3Т-2016", XIV Международная научная конференция "Оптические технологии в телекоммуникациях" (ОТТ-2016): материалы конференции. - Самара, 2016. - С. 245 - 246. (ISBN 978-5-990-79-11-4-5).
Бурдин Антон Владимирович, д.т.н., профессор
тел: (846) 228-00-66, e-mail: 
|
