Нелинейные и поляризационные эффекты в волоконно-оптической линии с удаленным модулятором при передаче сверхширокополосных аналоговых сигналов.

Актуальность Передача сверхширокополосных аналоговых сигналов по волоконнооптическим линиям (ВОЛ) широко используется в различных системах радиофотоники. Одним из примеров является архитектура систем распределения радиочастотной несущей по оптическому волокну (RoF), которая широко применяется в стремительно развивающейся беспроводной мобильной связи (системах пятого 5G и шестого 6G поколения) [А.6, А.7]. Архитектура таких систем предполагает разветвленную сеть удаленных антенных терминалов с простой технической реализацией [А.2]. Это обуславливает необходимость исследования и разработки новых методов передачи аналоговых сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов по ВОЛ, которые позволяют максимально упростить удаленный терминал с электрооптическим модулятором и антенной, и сконцентрировать сложную энергопотребляющую СВЧ аппаратуру на центральном посте. При разработке новых методов основное внимание должно быть направлено на исследование и преодоление главных ограничивающих пропускную способность факторов, таких как низкая эффективность преобразования электрического сигнала в оптический сигнал и обратно, высокие шумы источников оптического излучения, нелинейные искажения передаваемых сигналов, а также проблемы доставки мощности питания до удаленных терминалов. Таким образом, поиск новых методов передачи аналоговых СВЧ сигналов от удаленных источников по ВОЛ является актуальной научной задачей, решение которой имеет высокую значимость для систем телекоммуникаций, а также для менее массовой, но не менее важной области применения радиофотоники в радиоастрономии и военной специальной технике.
Цель работы Целью работы является разработка новых методов передачи по ВОЛ сверхширокополосных аналоговых сигналов, формируемых удаленным модулятором.
Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи: Определить влияние нелинейных и поляризационных эффектов в волоконнооптической линии с удаленным модулятором на характеристики передачи сверхширокополосных аналоговых сигналов. Разработать методы снижения уровня шумов в волоконно-оптической линии с удаленным модулятором до уровня дробового шума при использовании балансного детектирования. Провести исследования влияния положения рабочей точки удаленного модулятора на коэффициент передачи, коэффициент шума, нелинейные искажения и динамический диапазон волоконно-оптической линии. Исследовать возможность передачи по одномодовому оптическому волокну дополнительного оптического излучения высокой мощности, использующегося в целях обеспечения питания электронных схем, и его влияние на аналоговый СВЧ сигнал от удаленного модулятора.
Научная новизна: • Впервые проведены исследования влияния нелинейных и поляризационных эффектов в ВОЛ с удаленным модулятором на ключевые характеристики передачи сверхширокополосных аналоговых сигналов (коэффициент передачи, коэффициент шума, динамический диапазон, свободный от нелинейных искажений). • Предложены оригинальные методы доставки оптического излучения к удаленному электрооптическому модулятору и контроля его рабочей точки, обеспечивающие достижение характеристик передачи сверхширокополосных аналоговых сигналов близких к фундаментальному пределу дробового шума. • Впервые выявлены условия работы субоктавного оптического модулятора на основе направленного ответвителя, обеспечивающие линеаризацию передачи аналоговых СВЧ сигналов. • Впервые продемонстрирована возможность передачи к удаленному модулятору дополнительного оптического излучения высокой мощности для питания электронных схем, не влияющая на СВЧ сигнал, передаваемый от модулятора.
Методология диссертационного исследования Экспериментальные исследования проводились с использованием признанных современных методик и сертифицированного измерительного оборудования. Использовался системный подход к проведению экспериментальных и теоретических изысканий и анализу их результатов, позволивший комплексно изучить наблюдаемые эффекты.
Положения, выносимые на защиту • Поляризационный фединг в волоконно-оптической линии на основе стандартного изотропного волокна, вызванный анизотропными свойствами удаленного модулятора, компенсируется при использовании двух одночастотных лазерных источников равной мощности с ортогональной линейной поляризацией, причем разность центральных частот линий излучения лазерных источников выбирается как компромисс между требованиями по минимизации нелинейных интермодуляционных искажений и отсутствием замираний из-за дисперсии групповых скоростей в оптическом волокне, а возникающие дополнительные поляризационно-зависимые шумы интенсивности имеют синфазный характер и могут быть подавлены балансным детектированием. • В протяженной волоконно-оптической линии передачи аналоговых сигналов с удаленным модулятором предельные значения коэффициента передачи, коэффициента шума и динамического диапазона определяются предельной оптической мощностью узкополосного оптического излучения, доставляемой до модулятора, ограниченной пороговой мощностью вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюена. • Амплитудный модулятор на основе волноводного направленного ответвителя имеет рабочую точку, соответствующую максимальному подавлению интермодуляционных членов третьего порядка, зависящую от амплитуды модулирующего сигнала, в которой обеспечивается линеаризация в субоктавном диапазоне частот. • Излучение на длине волны 975 – 980 нм мощностью до 2 Вт при одновременной передаче к удаленному модулятору по одномодовому волокну вместе с излучением оптической несущей на длине волны 1530 – 1560 нм не ухудшает ключевые характеристики (коэффициент шума и динамический диапазон) передаваемого от удаленного модулятора сверхширокополосного аналогового сигнала.
Достоверность полученных результатов Достоверность подтверждается соответствием результатов анализа литературных данных, теоретических расчетов и экспериментальных исследований, представленных в работе. Результаты, полученные при моделировании, соответствовали экспериментальным данным. Основные результаты исследований обсуждались на научных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах.
Практическая значимость работы: • Экспериментально продемонстрированы методы доставки оптического излучения к удаленному анизотропному электрооптическому модулятору по оптическому волокну без сохранения поляризации. • Разработаны методы стабилизации заданной рабочей точки удаленного модулятора, не требующие внешнего электрического питания. • Продемонстрирована ВОЛ с удаленным модулятором с характеристиками близкими к фундаментальному пределу дробового шума. • Экспериментально продемонстрирована линеаризация передачи СВЧ сигналов в субоктавном диапазоне частот с помощью выбора рабочей точки модулятора на основе направленного ответвителя. • Экспериментально показана возможность передачи мощности по одномодовому оптическому волокну, позволяющая дистанционно запитать электронные схемы с потреблением до 500 мВт без снижения характеристик передачи ВОЛ СВЧ сигнала от удаленного модулятора.
Теоретическая значимость диссертации заключается в том, что выявлены факторы, ограничивающие характеристики ВОЛ с удаленным модулятором и сделаны теоретические оценки достижимых параметров. Проведен теоретический анализ использования в ВОЛ источника света на основе двух лазерных диодов с ортогональной поляризацией и сформулированы критерии выбора длин волн лазерных диодов. Проведен теоретический анализ линеаризации передачи СВЧ сигнала с использованием модулятора на основе направленного ответвителя. Определены условия линеаризации и выявлена зависимость оптимальной рабочей точки модулятора от амплитуды сигнала.
Личный вклад диссертанта Заключается в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, включая разработку теоретических моделей, методик экспериментальных исследований, проведение исследований, анализ и оформление результатов в виде публикаций и научных докладов.
Апробация результатов работы Основные результаты работы докладывались и апробировались на следующих конференциях: Laser Optics 2014; Всероссийская конференция по волоконной оптике (ВКВО-2015); IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech 2019, 2020); SPb Open 2015; International Conference on Next Generation Wired/Wireless Networking (New2AN 2020). По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Из них 4 публикации в журналах из перечня ВАК, 7 публикаций в рецензируемых изданиях, входящих в базы Web of Science и/или Scopus.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 1 таблицу, список цитированной литературы представлен 113 наименованиями.