Волоконно-оптичний інформаційно-енергетичний канал

Реферат: Волоконно-оптичний інформаційно-енергетичний канал належить до комп'ютерної та інформаційно-вимірювальної техніки. Згідно з винаходом сумарна кількість спектрів каналів i j i 1 системи j 1 S Sum    i    j , світлова потужність в оптичних енергетичних каналах, що займають дискретні спектри  j , набагато більша, ніж потужність в оптичних інформаційних каналах Р  j >> Р  i, крім того в даний пристрій введено на передавальному кінці - вхідний енергетичний інтерфейс та вхідний інформаційний інтерфейс, що підключені до передавального пристрою, а на приймальному кінці - вихідний енергетичний інтерфейс, вихідний інформаційний інтерфейс. Винахід дозволяє забезпечується можливість паралельного масштабування інформаційних та енергетичних каналів, що здійснює паралельну передачу інформаційних даних з високою швидкістю та енергетичного живлення безпосередньо по оптичних каналах до віддаленого обладнання. Також забезпечує можливість дистанційного оптичного живлення віддалених оптичних підсилювачів волоконно-оптичної лінії безпосередньо від одного з ущільнених оптичних каналів  j . UA 101634 C2 (12) UA 101634 C2 UA 101634 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області комп„ютерної та інформаційно-вимірювальної техніки і може використовуватись в задачах паралельної передачі інформації з високою швидкістю сумісно з енергетичним живленням кінцевого віддаленого електронного обладнання. Відома електроенергетична система [патент України №21173, М. кл. Н02 J3/00 від 28.02.2000], що містить джерело змінного струму, лінії передачі енергії та споживача, що послідовно підключені. Недоліком цієї системи є вузька галузь застосування за рахунок того, що вона не придатна для здійснення обміну інформацією між споживачами, а тому і для організації інформаційного обміну, а також потребує використання обладнання із значними габаритами і масою. Крім того, в даній системі відсутня гальванічна розв„язка при передаванні енергії живлення. Відома система живлення термінального обладнання через оптичний кабель [патент США № 4 325 137, М. кл. Н04 J 3/02, Н04 B 9/00 від 13.04.1982], яка містить послідовно з„єднані: енергоживлення, волоконно-оптичну лінію для передавання інформаційних даних голосового потоку та термінальне обладнання, причому станція енергоживлення містить перетворювач енергії з електричної форми в оптичну (джерело випромінювання), а також модулятор, що модулює оптичний потік, а термінальне обладнання містить перетворювач енергії з оптичної форми в електричну, інформаційний фотоприймач, підсилювач, демодулятор і приймальний тракт інформаційних даних голосу. Принцип роботи системи полягає у паралельній передачі голосового потоку і енергетичного живлення одним оптичним потоком від станції енергоживлення до термінального обладнання по одному оптичному волокну з використанням розділення в часі для оптичного енергетичного живлення і інформаційних даних голосового потоку. Недоліками цієї системи є зменшення швидкодії передачі інформації та неможливість високошвидкісного передавання даних, оскільки використовується достатньо великі часові інтервали між імпульсом енергетичного живлення і імпульсом даних, оскільки використовується один оптичний потік і відповідно один оптичний канал. Крім того, в даній системі відсутні можливості масштабування каналів і відповідно збільшення швидкості передачі даних та енергетичної пропускної здатності. Відома волоконно-оптична система зв„язку з автономним живленням [патент США № 4 161 650, М. кл. Н04 M 3/24, Н04 B 9/00, G02 B 5/14 від 17.07.1979], яка містить послідовно з„єднані: блок передавача, волоконно-оптичну лінію, блок приймача, причому у блоці приймача забезпечується автономне енергетичне живлення від оптичного потоку наряду з інформаційними даними від блока передавача через волоконно-оптичну лінію. Дана система забезпечує двосторонню передачу інформації та зворотну передачу команд керування від приймального блока до передавального по волоконно-оптичній лінії наряду з енергетичним потоком живлення до приймального модуля. Принцип роботи системи полягає у передачі потоку даних і енергетичного живлення одним оптичним потоком за допомогою різних сигналів, що розділені в часі. Недоліками цієї системи є не висока швидкість передачі інформації, оскільки використовується достатньо великі часові інтервали між імпульсами енергетичного живлення і даних та не можливість масштабування каналів і відповідно збільшення швидкості передачі даних та енергетичної пропускної здатності. Відома одномодова двонаправлена широкосмугова система зв„язку [патент України № 56915, М. кл. Н04 B 10/24 від 15.05.2003, Бюл. N 5, 2003 р], що містить послідовно з„єднані два джерела і два приймачі оптичних сигналів, два одномодових двонаправлених У-розгалуджувачі і одномодову одноволоконну лінію. Недоліком такої системи є відсутність функцій передачі енергії та відсутність можливості організації великого числа оптичних каналів, так як в даній системі не застосовується метод ущільнення по довжині хвилі. Відомий пристрій для дистанційної передачі вимірювальних величин [патент США № 4 525 873, М. кл. Н04 B 19/00 від 25.06.1985], який містить послідовно з„єднані: систему сенсорів в приймальному блоці, оптичний кабель, перетворювач енергії з оптичної форми в електричну - в приймальному блоці, що підключений до системи сенсорів як по інформаційним лініям так і по енергетичним, і перетворювач енергії живлення з електричної форми в оптичну - в передавальному блоці, що також підключений до модулятора і до джерела інформаційного сигналу. Принцип роботи системи полягає у передачі інформаційних даних від системи сенсорів до передавального блока оптичним сигналом по оптичному волокну та передачі енергії живлення від передавального блока до системи сенсорів за допомогою зворотного оптичного потоку наряду з інформаційними даними по одному оптичному волокну з використанням розділення сигналів енергії і інформації в часі. 1 UA 101634 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Недоліками цього пристрою є невисока швидкодія передачі інформації та порівняно невисока енергетична пропускна здатність, оскільки використовується достатньо великі часові інтервали між імпульсом енергетичного живлення і імпульсом даних, оскільки використовується один оптичний потік і відповідно один оптичний канал, також в пр истрої відсутні можливості масштабування каналів і відповідно збільшення швидкості передачі даних та енергетичної пропускної здатності. Відомий пристрій для двонаправленої передачі сигналів з оптичним живленням [патент США № 5 664 035, М. кл. G02 B 6/293 від 02.09.1997], який містить послідовно з„єднані за допомогою оптичного кабелю станцію керування та польову станцію, станція керування передає до польової станції перший оптичний потік, а польова станція до станції керування - другий оптичний потік, причому оптичні потоку розміщені на різних довжинах хвиль, що забезпечує двонаправленість передачі даних, причому перший оптичний потік, що надходить від станції керування є оптичним потоком з більшою потужністю і використовується для енергетичного живлення польової станції, де він розділяється оптичним розгалуджувачем та направляється на масив фотоелементів, які перетворюються оптичну енергію у електроенергію живлення польової станції. По першому оптичному потоку також передаються і інформаційні сигнали даних від станції керування до польової станції, де вони відокремлюються (відокремлюється змінна складова АС), підсилюються та декодуються декодером. При цьому оптоелектронне (O-E) і електронно-оптичне (E-O) перетворення виконуються інтегральними оптоелектронними і електронно-оптичними перетворювачами, що входять до складу станції керування і польової станції. Недоліками цього пристрою є обмежена швидкість передачі інформації та обмежена величина передавання енергії живлення оптичними потоками, оскільки використ овуються тільки два зворотних оптичних потоки. Крім того використання об„єднаного оптичного каналу на першому оптичному потоці для передачі даних і енергетичного живлення суттєво зменшує швидкість передачі сигналів, завдяки високому рівні завад в цьому каналів та достатньо великим часовим інтервалам між імпульсом енергетичного живлення і імпульсом даних. До недоліків даного пристрою можна також віднести відсутність можливості масштабування кількості каналів, що дозволяє відповідно збільшувати інформаційну пропускну здатність та величину енергії живлення, яка передається оптичним потоком. Найбільш близькою до запропонованої є система оптичного зв„язку з спектральним ущільненням [патент України №40599, М. кл. Н04 В 10/00 від 15.08.2001 ], що містить передавальний пристрій для генерування, модуляції, ущільнення і введення групи несущих частот ущільнених каналів (в подальшому - оптичних спектральних каналів) у передавальну волоконно-оптичну лінію (у подальшому - волоконно-оптичну лінію), ці оптичні спектральні канали мають довжини хвиль у межах загальної ширини смуги частот, розподілених біля довжини хвилі системи, приймальний пристрій для виконання функцій прийому, що включають розущільнення оптичних спектральних каналів, оптичні підсилювачі і передавальну волоконно-оптичну лінію, що включає щонайменше одну волоконну ділянку, обмежену на одному кінці передавальним пристроєм, а на іншому кінці - приймальним пристроєм, у якому дана ділянка містить у собі щонайменше один оптичний підсилювач, причому в системі передбачено щонайменше чотири канали з довжинами хвиль λ1 , λ2 , λ3 , λ4 із загальною досить вузькою шириною смуги частот, при якій оптичні спектральні канали утворюють складові чотирихвильового змішування (4ХЗ), які обмежують досяжну системою пропускну здатність, також розкид по частоті між каналами є нерівномірним і має величини, що забезпечують досить надійне виключення накладання довжини хвилі будь-який складової 4ХЗ з будь-якою довжиною хвилі спектрального оптичного каналу, унаслідок чого зменшується обмежуючий вплив 4ХЗ на пропускну здатність, при цьому дисперсія волокна, що складає значну частину ділянки, має значення, виміряне при довжині хвилі системи, щонайменше 1,5 пс/нм-км, також відношення мінімального розносу між каналами і мінімальним розносом будь-який складової 4ХЗ від будь-якого каналу дорівнює щонайменше 2, що значення такої дисперсії лежить у межах 1,5-4 пс/нм-км, довжина хвилі приблизно дорівнює 1550нм, як оптичний підсилювач використовують оптичний підсилювач з ербієвим легуванням, загальна ширина смуги частот складає 10/20нм, максимум 30 нм, група каналів включає в себе щонайменше вісім каналів та найменший розкид між оптичними спектральними каналами має максимальне значення 0,8 нм. Швидкість передачі бітів у каналі складає щонайменше 2,5 Гбіт/с, 5 Гбіт/с, довжина ділянки складає щонайменше 360 км і включає в себе щонайменше 2 оптичних підсилювача. Розкид по частоті між оптичними спектральними каналами складає mi Δf, i= 1,…,N-1, де N - число каналів зв„язку, Δf - мінімальний розкид між будь-якою складовою 4ХЗ та будь-яким каналом, задовольняють умову 2 UA 101634 C2 k Sik f   mi f (1  ik  N), повинен відрізнятися від такого розкиду будь-якої іншої пари i 5 10 15 20 25 30 каналів, при умові виконання обмеження, яке полягає в тому, що всі m i ≥ n, де n - ціле число, більші 1, а Δn - значення мінімального розкиду оптичних спектральних каналів по частоті. Недоліками даної системи є неможливість передачі енергії по оптичним каналам волоконно-оптичної лінії, а також залежність оптичного підсилювача лінії від стороннього джерела енергетичного живлення, так як в ньому відсутня можливість безпосереднього оптичного накачування світловим випромінюванням від одного з оптичних каналів волокна. В основу винаходу поставлена задача створення волоконно-оптичного інформаційноенергетичного каналу, у якому забезпечується можливість паралельної передачі інформаційних даних з високою швидкістю та енергетичного живлення світловим потоком безпосередньо по оптичним каналам до віддаленого обладнання, а також забезпечуються можливості масштабування кількості каналів та функції живлення оптичного підсилювача волоконно-оптичної лінії безпосередньо від одного з ущільнених оптичних каналів, що робить цей підсилювач незалежним від місцевих джерел енергії та підвищує стабільність і автономність передачі даних. Поставлена задача вирішується тим, що в волоконно-оптичному інформаційноенергетичному каналі, який містить передавальний пристрій для генерування, модуляції, ущільнення та введення оптичних спектральних каналів у волоконно-оптичну лінію, причому, ці оптичні спектральні канали мають довжини хвиль у межах загальної ширини смуги частот оптичного волокна, приймальний пристрій для виконання функцій прийому, демодуляції, розущільнення оптичних спектральних каналів, оптичні підсилювачі і волоконно-оптичну лінію, що включає в себе щонайменше одну волоконно-оптичну ділянку, обмежену на одному кінці передавальним пристроєм, а на другому кінці приймальним пристроєм та щонайменше одним волоконно-оптичним підсилювачем на ній, причому розкид по оптичний частоті між каналами є нерівномірним для забезпечення виключення співпадання довжин хвиль різних оптичних спектральних каналів у загальній смузі Δλ довжин хвиль оптичних спектральних каналів при нелінійному ефекті чотирихвильового змішування застосовується щонайменше два типи оптичних спектральних каналів із довжинами хвиль λi , і=1…N та λj, j=1…K, частина з яких є енергетичними оптичними спектральними каналами, які розміщені на довжинах хвиль λj (призначені для передачі оптичної енергії), інша частина є інформаційними оптичними спектральними каналами, які розміщені на довжинах хвиль λi, (призначені для передачі інформації), повна кількість інформаційних та 35 40 45 50 55 i j i1 енергетичних оптичних спектральних каналів системи складається із їх суми j1 SSum   i    j , причому оптичне накачування активного легованого волокна волоконно-оптичного підсилювача передбачене від одного з енергетичних оптичних спектральних каналів волоконно-оптичної лінії на одній із дискретних довжин хвиль λj, причому довжина хвилі цього енергетичного оптичного спектрального каналу співпадає із довжиною хвилі корисного поглинання легованого волокна волоконно-оптичного підсилювача, крім того волоконно-оптичний інформаційно-енергетичний канал містить: на стороні передавального пристрою - вхідний енергетичний інтерфейс та вхідний інформаційний інтерфейс, що підключені до передавального пристрою, а на стороні приймального пристрою - вихідний енергетичний інтерфейс, вихідний інформаційний інтерфейс, що підключені до приймального пристрою. У волоконно-оптичному інформаційно-енергетичному каналі до складу передавального пристрою входять: оптичний хвильовий мультиплексор, напівпровідникові лазерні джерела випромінювання інформаційних каналів, потужні лазерні джерела випромінювання енергетичних каналів, агрегатний блок обробки та керування передачею, блок керування джерелами випромінювання та волоконно-оптичні порти, зв„язані із волоконно-оптичною лінією, причому вхідний енергетичний інтерфейс та вхідний інформаційний інтерфейс електрично підключені до агрегатного блока обробки та керування передачею, що знаходиться в складі передавального пристрою електрично з„єднаний із блоком керування джерелами випромінювання, який електрично з„єднаний з напівпровідниковими лазерними джерелами випромінювання інформаційних каналів та потужними лазерними джерелами енергетичних каналів, які також оптично з„єднані з оптичним хвильовим мультиплексором, який в свою чергу через волоконнооптичні порти оптично з„єднаний із волоконно-оптичною лінією, а до складу приймального пристрою входять: оптичний хвильовий демультиплексор, PIN чи/або APD (лавинні) фотодіоди (для інформаційних оптичних спектральних каналів), потужні енергетичні фотоелектричні перетворювачі чи/або фотоелементи (для енергетичних оптичних спектральних каналів), агрегатний блок обробки та керування прийомом, блок керування детекторами випромінювання та волоконно-оптичні порти, 3 UA 101634 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зв„язані із волоконно-оптичною лінією, яка оптично з„єднана через волоконно-оптичні порти із оптичним хвильовим демультиплексором, який оптично з„єднаний із PIN чи/або APD фотодіодами та потужними енергетичними фотоприймачами чи/або фотоелементами, які також електрично з„єднані із агрегатним блоком обробки та керування прийомом та блоком керування детекторами випромінювання, які в свою чергу електрично з„єднані із вихідним енергетичним інтерфейсом та вихідним інформаційним інтерфейсом. Світлова потужність в енергетичних оптичних спектральних каналах P λj принаймні вдвічі більша, ніж світлова потужність в інформаційних оптичних спектральних каналах P λi, (P λj >> P λi ), а довжини хвиль оптичних спектральних енергетичних каналів λj сітки WDM більші за довжини хвиль оптичних спектральних інформаційних каналів λi, крім того, усі довжини хвиль адаптовані під визначені стандарти довжин хвиль промислових компонентів волоконної оптики (наприклад, під діапазони Δλ1 = 1520-1590 нм, Δλ2 = 820-890 нм, Δλ3 = 1300-1360нм, Δλ4 = 1620-1670 нм), які обираються за умови мінімальних значень дисперсії, оптичних втрат, поглинання і розсіювання оптичного випромінювання в цих компонентах. На фіг. 1 зображено структурну схему волоконно-оптичного інформаційно-енергетичного каналу. На фіг. 2 зображено метод оптичного хвильового мультиплексування WDM інформаційних та енергетичних оптичних спектральних каналів у волоконно-оптичному середовищі пристрою. Волоконно-оптичний інформаційно-енергетичний канал містить передавальний пристрій 1, приймальний пристрій 2, оптичні підсилювачі 7, волоконно-оптичну лінію 8, вхідний енергетичний інтерфейс 4, вхідний інформаційний інтерфейс 3, вихідний енергетичний інтерфейс 6, вихідний інформаційний інтерфейс 5, оптичний хвильовий мультиплексор 13, напівпровідникові лазерні джерела випромінювання інформаційних каналів 11, потужні лазерні джерела випромінювання енергетичних каналів 12, агрегатний блок обробки та керування передачею 9, блок керування джерелами випромінювання 10 та волоконно-оптичні порти 19, оптичний хвильовий демультиплексор 14, PIN чи/або APD фотодіоди 15 (для інформаційних оптичних спектральних каналів), потужні енергетичні фотоприймачі чи/або фотоелементи 16 (для енергетичних оптичних спектральних каналів), агрегатний блок обробки та керування прийомом 18, блок керування детекторами випромінювання 17. На передавальному кінці - вхідний енергетичний інтерфейс 4 та вхідний інформаційний інтерфейс 3 підключені до передавального пристрою 1, а на приймальному кінці - вихідний енергетичний інтерфейс 6 та вихідний інформаційний інтерфейс 5 підключені до приймального пристрою 2. До складу передавального пристрою 1 входять: оптичний хвильовий мультиплексом 13, напівпровідникові лазерні джерела випромінювання інформаційних каналів 11, потужні лазерні джерела випромінювання енергетичних каналів 12, агрегатний блок обробки та керування передачею 9, блок керування джерелами випромінювання 10 та волоконнооптичні порти для зв„язку з волоконно-оптичною лінією 19, причому вхідний енергетичний інтерфейс 4 та вхідний інформаційний інтерфейс 6 електрично підключені до агрегатного блока обробки та керування передачею 9, що знаходиться в складі передавального пристрою 1 та електрично з„єднаний із блоком керування джерелами випромінювання 10, який електрично з„єднаний з напівпровідниковими лазерними джерелами випромінювання інформаційних каналів 11 та потужними лазерними джерелами енергетичних каналів 12, які також оптично з„єднані з оптичним хвильовим мультиплексором 13, який в свою чергу через волоконно-оптичні порти 19 оптично з„єднаний із волоконно-оптичною лінією 8. До складу приймального пристрою 2 входять: оптичний хвильовий демультиплексор 14, PIN чи/або APD (лавинні) фотодіоди 15 для роботи з оптичними інформаційними каналами, потужні енергетичні фотоприймачі чи/або фотоелементи 16 для роботи з оптичними енергетичними каналами (призначені для прийому оптичної енергії на спектрах високої потужності), агрегатний блок обробки та керування прийомом 18, блок керування детекторами випромінювання 17, причому волоконно-оптична лінія 8 через волоконно-оптичні порти 19 оптично з„єднана із оптичним хвильовим демультиплексором 14, який оптично з„єднаний із PIN чи/або APD фотодіодами 15 та потужними енергетичними фотоприймачами чи/або фотоелементами 16, які також електрично з„єднані із агрегатним блоком обробки та керування прийомом 18 та блоком керування детекторами випромінювання 17, які в свою чергу електрично з„єднані із вихідним енергетичним інтерфейсом 6 та вихідним інформаційним інтерфейсом 5. Волоконно-оптичний інформаційно-енергетичний канал функціонує наступним чином. На вхідний енергетичний інтерфейс 4 від зовнішнього джерела живлення в схему подається електрична енергія, частина якої необхідна для живлення самої схеми пристрою, а частина призначена для передачі до віддаленого обладнання (такого як оптичні підсилювачі 7), що може бути підключене до вихідного енергетичного інтерфейсу 5 приймального пристрою 2. 4 UA 101634 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Величина енергії, що подається на вхідний енергетичний інтерфейс 4 визначається як енергетичною пропускною здатністю із врахуванням відсотка коефіцієнта корисної дії (ККД) електрооптичного перетворення, так і величиною енергетичного живлення самої схеми пристрою. На вхідний інформаційний інтерфейс 3 подається вхідна інформація, призначена для передачі по оптичному волокну до віддаленого кінця волоконної лінії 8, на кінці якої знаходиться приймальний пристрій 2. Слід зазначити, що елементи 3 та 4 керуються агрегатним блоком обробки та керування передачею 9 і є прозорими (забезпечують підтримку протоколів та умов зв„язку) по відношенню до місцевих інформаційної та енергетичної систем. Далі, інформація у вигляді електричних імпульсів по електричним інформаційним каналам (не входять до складу пристрою), та енергія у вигляді електричного струму по силових електричних лініях (не входять до складу пристрою) надходять до агрегатного блока обробки та керування передачею 9, який взаємозв„язаний з іншими блоками приймального пристрою 1. На цьому етапі, в блоці 9 відбувається повний контроль та агрегатна обробка інформаційних та енергетичних каналів. Агрегатний блок обробки та керування передачею 9 забезпечує кодування, необхідну обробку та комутацію інформації по відповідних каналах, крім того даний елемент забезпечує виділення інформаційних каналів, та розподіл інформації по ним з метою подальшої передачі. Агрегатний блок обробки та керування передачею 9, зв„язуючись із блоком керування джерелами випромінювання 10 та оптичним хвильовим мультиплексором 13, він керує напівпровідниковим лазерним джерелами випромінювання інформаційних каналів 11 та потужними лазерними джерелами енергетичних каналів 12 шляхом їх модуляції та управлінням рівнями інтенсивностей, тим самим забезпечуючи як управління енергетичним трафіком системи, так і інформаційним. Керуючи оптичним хвильовим мультиплексором 13, агрегатний блок обробки та керування передачею 9 забезпечує управління спектральним ущільненням (WDM-ущільнення каналів) та розподілом інформації та енергії по відповідним оптичним спектральними інформаційним та енергетичним каналам із відповідними довжинами хвиль (λ i, i=1…N - для інформаційних, λj, j=1…K - для енергетичних). Агрегатний блок обробки та керування передачею 9 містить в собі процесорну платформу на основі агрегатного швидкісного обчислювального сигнального процесора, що також виконує функції попереднього оброблення та агрегації інформації, а також функції оптимального управління енергетичним балансом потужності у каналі. Для забезпечення контролю оптичних параметрів елементи 11 та 12 (джерела світлового випромінювання) містять в своєму складі контрольні фотоприймачі оптичних волокон, з якими вони з„єднані згідно із інртегральною волоконною технологією в процесі виробництва. Причому сигнали від цих фотоприймачів поступають на агрегатний блок обробки та керування передачею 9, що також забезпечує моніторинг як волоконно-оптичної лінії 8 так і команд керування процесом прийому-передавання, що йдуть по зворотнім службовим каналам, від приймального пристрою 1. Оптичний хвильовий мультиплексор 13 забезпечує спектральне ущільнення оптичних каналів світлового випромінювання від елементів 11 і 12 та через волоконно-оптичні порти 19 забезпечує введення спектрально ущільнених оптичних каналів у волоконно-оптичну лінію 8. У волоконно-оптичному інформаційно-енергетичному каналі передбачено щонайменше два типи оптичних спектральних каналів з довжинами хвиль λ i , і=1…N та λj, і=1…K. Частина оптичних спектральних каналів є енергетичними і розміщені на довжинах хвиль λj, які призначені для передачі оптичної енергії живлення по волоконно-оптичній лінії 8, інша частина оптичних спектральних каналів є інформаційними і розміщені на довжинах хвиль λi та передбачені для виконання функцій передачі інформації з високою пропускною спроможністю. Сумарна кількість оптичних спектральних каналів системи визначається сумою SSum 50 i j i1 j1   i    j . Світлова потужність в оптичних спектральних енергетичних каналах, що займають дискретні спектри λj, принаймні вдвічі більша ніж потужність в оптичних спектральних інформаційних каналах P λj >> P λi , при цьому коефіцієнт ефективності передачі енергії живлення оптичним потоком складає: IE   k i  100 %  k laser  k fiber  k FEP   100 %  k IE  100 % , де k laser , k fiber , k FEP i коефіцієнти корисної дії потужних лазерних джерел випромінювання енергетичних каналів 12; волоконно-оптичної лінії 8 і потужних енергетичних фотоприймачів чи/або фотоелементів 16, kIE – загальний коефіцієнт ефективності передавання енергії k IE  k laser  k fiber  k FEP (kIE =0,3555 0,95). 5 UA 101634 C2 5 Енергетична потужність пристрою на виході визначається через загальний коефіцієнт ефективності передачі енергії живлення kIE , як Pout = kIE·Pin , де Pin - вхідна енергетична потужність пристрою. Для М - кількості енергетичних каналів справедливо: Pout = М·kIE·Pin. Повна енергія оптичного потоку, яка відтворюється на приймальному кінці потужними енергетичними фотоприймачами чи/або фотоелементами 16, визначається як:  Eout k  IE  Pout ( t )dt , T 0 де Eout - електрична енергія на виході потужних енергетичних фотоприймачів чи/або фотоелементів 16; Pout(t) - вихідна Максимальна енергетична пропускна здатність, визначається як: r t енергетична потужність. r t E( t )    Score  INmax (r, t )drdt    2rcore Ilim(r, t )drdt [Дж/с], 2 0 0 10 0 0 де IN max - максимально-допустима інтенсивність оптичного потоку випромінювання у серцевині волокна (діаметром Ø=100-2000 мкм) волоконно-оптичної лінії 8, K IN max (r, t )  Ilim   Ij max (r, t ) - оптична інтенсивність (густина оптичної потужності у j1 волоконно-оптичному N ISum opt   i1 15 20 Popt.  r 2 середовищі) K i core  j 1 Popt.  r 2 core Popt.  K j  j1 кількісно r 2 , і може знаходитись в межах j ISum opt як 3 =10 -10 12 core 2 Вт/см ). В волоконно-оптичному інформаційно-енергетичному каналі здійснюється оптичне накачування активного легованого волокна оптичних підсилювачів 7 від одного з енергетичних оптичних спектральних каналів із волоконно-оптичної лінії 8 на одній із довжин хвиль з дискретного набору спектра λj, причому ця довжина хвилі повинна співпадати із довжиною хвилі корисного поглинання легованого волокна оптичних підсилювачів 7. Інформаційний сигнал на виході волоконно-оптичного інформаційно-енергетичного каналу, враховуючи вплив оптичного середовища і сусідніх енергетичних каналів визначається як: Si out ()  Si in ()  K()  2 () , S i in ( ) - інформаційний сигнал на вході де пристрою; K() - перехідна характеристика каналу; 25 описується  2 () - квадрат амплітуди завад. Амплітудо-частотна характеристика (АЧХ) K() визначає характер впливу нелінійних факторів на вхідний інформаційний сигнал та є нелінійною функцією від потужності енергетичних оптичних спектральних каналів: K   k  e е,    k  e  k  e   K()  K A (), д   Pj'   j 2 z  Sef  – стала складова АЧХ пристрою; K A ()   k  e  –     j( ( )2 zPj j( ( ) i ) K()  kej( )  j( )   j2 z    k  e   Pj' Sef мультиплекативна складова АЧХ, що зумовлена нелінійним впливом оптичних спектральних K 30 35 каналів із сумарною потужністю Pj' [Вт], Pj'   Pj ; () - фазово-частотна характеристика j1 волоконно-оптичного середовища; Sef - ефективна площа серцевини оптичного волокна, Sef 2 =πr core. Для переходу з опису амплітудно-частотної характеристики пристрою до перехідної, необхідно здійснити перехід з частотної області в часову. Для цього необхідно застосувати перетворення Фур„є для амплітудно-частотної характеристики, тоді перехідна характеристика каналу матиме вигляд: K(t)  K()  e jt( ) , де j - комплексна змінна; t - часова координата 6 UA 101634 C2 інформаційного сигналу. Інформаційний сигнал на виході пристрою із врахуванням квадрата амплітуди завади 2 ( t ) має вигляд функції часу: такому випадку спектр інформаційного  Sout ()  5 1 Sin ()  K() d , де 2   Si out (t )  Si in (t )  K(t )  2 (t ) . сигналу набуває В розширення Sin () - спектр вхідного інформаційного сигналу. Потужність корисного інформаційного сигналу інформаційного оптичного спектрального каналу перепишеться, враховуючи перехід із частотної області в часову:  1 jt Pout ( t )  Sout ()  K()  e d , 2  10 Pout ( t ) де функція амплітуди потужності вихідного інформаційного сигналу відповідного інформаційного оптичного спектрального каналу, яка враховує вплив з боку сусідніх енергетичних спектральних каналів. Імпульсна характеристика волоконно-оптичного інформаційно-енергетичного каналу, яка описує характер відгуку середовища на вхідний імпульс, визначається з врахуванням перехідної  характеристики як: 1 jt G( t )  K(t)  e d . По відомій 2  імпульсній характеристиці можливим  1 jt K( t )  G(t)  e dt , 2  є також визначення перехідної 15 оскільки, як відомо з теорії передачі сигналів, вони є парою перетворення Фур„є. Враховуючи амплітудо-частотну характеристику K() , отримуємо розрахунок формули для імпульсної характеристики G(w): G( t )    1  1  j2 zPj  jt(   N LMAX ) jt(   ) j( )  d    k  e d  e  K(  NL MAX )e  k  e   2   2   P' j 1 Lw  Pj'    j t  S e f ) j2 z 1  Sef  t 0 j( )    k  e e d   k  e   2         P' j  Lw   Pj'  Sef   2 z  )  1 Sef  j( ) jt )  d   e   k  e  e t 0  k  e   2              '   Pj 2t 0 z  L w     Sef    1 t 0 j ( t  ( ))  d    k  e  k  e 2           '   Pj 2t 0 z  L w     Sef  1  1   t 0 j ( t  ( ))  d   d   k  e  k  e 2   2                   G  GA ,  де аналогічно постійна до перехідної, імпульсна 7 G 1 j ( t  ( )) d ke 2  характеристика; UA 101634 C2    1  GA  k  e 2       P' j 2 t 0 z  L w Sef    d     t 0 мультиплекативна складова, обумовлена впливом нелінійного ефекту ФКМ. Імпульсна характеристика G(t) каналу визначає характер відгуку середовища на вузький вхідний імпульс. По відомим G(t) та вхідній оптичній потужності Pin( t ) визначається динаміка 5 зміни вихідної потужності у вигляді: Pout (t )  G(t )  Pin(t ) , де * - знак операції згортки. Розклад у ряд Фур‘є імпульсної характеристики G(t) утворює розв‘язок у вигляді ряду моментів n-го порядку, які визначаються інтегралом:  Mn ( z)   G( t, z, )  t ndt , де z координата поперечного 0 10 перерізу серцевини оптичного волокна. Для визначення базових характеристик ВОІЕІК достатнім є знаходження перших 3-х моментів G( t ) M0 , M1, M2 при всіх п = 1, 2, 3... . Нульовий порядок моменту описує повну енергію імпульсу в перетині z : M0   Pl,m (z) , Pl,m ( z) де - функція l,m 15 20 усередненої в часі енергії моди з індексами l, m. Середній час знаходження імпульсу у волоконно-оптичній лінії 8 від вхідного кінця до точки з координатою z визначається відношенням моментів першого і нульового порядків ( z)  M1( z) M0 ( z) . Функція середньоквадратичної ширини вихідного імпульсу визначається відношенням моментів другого і нульового порядків, із врахуванням середнього часу переміщення імпульсів, тобто умова M0 ( z )  2 ( z)  0 ,  M (z)  ( z )   2   2 ( z )  M0 ( z )  або M0 ( z)   2 ( z) . імпульс середньоквадратичної ширини врахуванням середнього часу чисельні значення моментів:  ( z)  1 2 . Причому повинна виконуватись Якщо врахувати, що одна мода переносить одиничної енергії і кількість мод дорівнює M=N, то з та функції середньоквадратичної ширини, отримуємо 1 M  M 2  2 1 M0   , M1   i , M2   i2 ,    2   1   , i1 2 i i1 i1 N N    де N - середня кількість мод у багатомодовому волокні каналу, i – час переміщення однієї N 25 N N моди. За чисельним значенням середньоквадратичної ширини  можна характеризувати уширення інформаційних імпульсів у оптичному волокні. Розкриваючи дужки у формулі середньоквадратичної ширини вихідного імпульсу отримуємо: 30 N  N  N i2    i    i 1  i 1   N2 . Параметр  визначає фактичну швидкість передавання інформації по волоконно-оптичному інформаційно-енергетичному каналі. Максимальна смуга пропускання для одного оптичного спектрального інформаційного 8 UA 101634 C2 каналу в складі волоконно-оптичного інформаційно-енергетичного каналу визначається за чисельним значенням середньоквадратичної ширини  імпульсу інформації, як: Bmax  0.5  . Параметр  характеризує уширення інформаційних імпульсів у волоконно-оптичному середовищі. Смуга пропускання системи з N - кількістю інформаційних спектральних оптичних 5 каналів паралельно зростає пропорційно їх кількості BN  0.5N . Максимально допустима max  швидкодія при передаванні інформації по волоконно-оптичному інформаційно-енергетичному каналі визначається виходячи з теорем Шеннона і Найквіста: 1) max Data rate  2BN max log2 V  N log2 V ;  0.5N log2 [1  S ], N  - максимальна смуга пропускання інформаційно-енергетичного каналі; V 2) max Bit rate  BN max log2 [1  S ]  N де BN max S 10 кількість рівнів в сигналі; N - відношення сигнал-шум. Нелінійний ефект чотирихвильовим змішуванням (ЧХЗ) призводить до утворення перекриттів спектрів окремих каналів сітки WDM та до впливу на співвідношення сигнал-шум S/N, а й відповідно - до зменшення швидкості передавання інформації. Поява нових паразитних оптичних гармонік (нових довжин хвиль) відбувається по закону wijk=wi+wj-wk, при i≠k та j≠k. 15 Загальна кількість гармонік N оцінюється, як 20 число гармонік N різко зростає, але не всі з них впливають на інформаційні оптичні спектральні канали. Оптична потужність завади в одному інформаційному спектральному каналі для моделі пристрою із 2-ма сусідніми інформаційними оптичними спектральними каналами λ i , λi+1 , та 2-ма енергетичними оптичними спектральними каналами λj, λj+1 може бути оцінена за формулою: . При збільшенні кількості спектральних каналів n де, nijk - коефіцієнт ефективності ефекту ЧХЗ; α – загасання у волокні; dijk - коефіцієнт вирождення ЧХЗ; n2 - коефіцієнт нелінійності показника заломлення; L - довжина каналу. Загальна потужність завади Pп для системи з n - кількістю каналів оцінюється як,: 25 а відношення сигнал-шум в і-му інформаційному оптичному спектральному каналі складає: . Захищеність таких інформаційних оптичних спектральних каналів оцінюється відношенням потужностей корисних сигналів Pi , Pi1 до потужностей завад, як: Pп : . Довжини хвиль світлових потоків для інформаційних сигналів повинні бути меншими за довжини хвиль енергетичних світлових потоків: λ i < λj, λi+1 < λj+1 й λi < λj+1 , λi+1 P λi, а довжини хвиль оптичних спектральних енергетичних каналів λj сітки WDM більші за довжини хвиль оптичних спектральних інформаційних каналів λi, крім того, усі довжини хвиль адаптовані під визначені стандарти довжин хвиль промислових компонентів волоконної оптики та вибираються за умови мінімальних значень дисперсії, оптичних втрат, поглинання і розсіювання оптичного випромінювання в цих компонентах. 12 UA 101634 C2 13 UA 101634 C2 Комп‟ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 14