МОДЕЛЮВАННЯ РОЗПОДІЛЕНОГО НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНОГО ПІДСИЛЕННЯ У ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ ВОЛОКНАХ TRUEWAVERS ТА G.652
DOI:
https://doi.org/10.17721/2519-481X/2023/80-07Ключові слова:
ВКР підсилювач, підсилення оптичних сигналів, потужність накачки, потужність помпування, телекомунікаційні системиАнотація
Загальноприйняті методики моделювання нелінійно-оптичного підсилювача, а саме на основі ефекту вимушеного комбінаційного розсіяння (ВКР), що в англомовній літературі має назву Raman effect, незважаючи на простоту його технічної реалізації, є доволі ускладненими і громіздкими через необхідністю теоретичного описання нелінійної взаємодії багатьох світлових хвиль накачки та сигналів за допомогою відповідних систем диференційних рівнянь високого порядку. Принципові обмеження таких методик полягають не тільки у кількості рівнянь, а й у наявності особливих точок у кожному рівнянні динаміки хвиль сигналів (такі точки відповідають пороговим значенням потужності помпування). За цих умов нестійкість розв’язків диференційних рівнянь та їхня неоднозначність мають іноді руйнівний вплив на результати моделювання. Альтернативна методика моделювання з використанням наближення заданої накачки потребує окремих досліджень своєї практичної застосовності до аналізу динаміки розподіленого оптичного підсилення в телекомунікаційних волокнах.
Тому має місце задача визначення критерію застосовності наближення заданої накачки для розробки спрощеної моделі нелінійного оптичного підсилення сигналів в умовах їхнього розповсюдження вздовж стандартних кварцових волокон. Серед незаперечних переваг аналітичних розв’язків, які отримано на основі спрощеної моделі, є усунення зазначених обмежень методики розв’язку систем багатьох диференційних рівнянь
Стаття присвячена моделюванню динаміки розподіленого оптичного підсилення на основі ефекту вимушеного комбінаційного розсіяння (ВКР) залежно від довжини стандартного одномодового волокна (ОМВ) та потужності помпування. В обґрунтуванні методики моделювання, яка пропонується, показано відповідність параметрів активних волокон та схем підсилювачів на основі ефекту вимушеного комбінаційного розсіяння (далі за текстом – ВКР підсилювачів) критерію застосовності наближення заданої накачки.
У роботі наведено аналітичний вираз критерію застосовності наближення заданої накачки у вигляді верхньої межі потужності сигнала, який не може перевищувати підсилений сигнал. Представлені результати порівняльного аналізу параметрів розподіленого ВКР підсилення залежно від довжини таких активних волокон як G.652 та TrueWaveRS.
Посилання
1. L. Sirleto, M.A. Ferrara. Fiber amplifiers and fiber lasers based on stimulated Raman scattering:AReview. Micromachines, 2020, 11(3), 247; https://doi.org/10.3390/mi11030247.
2. P.A. Korotkov, G.S. Felinskyi. Continuous-Wave Fiber Raman Lasers // Ukrainian Journal ofPhysics. Reviews. – 2007. – Vol. 4, No. 1. – P. 36-60.
3. N. Islam. Raman amplifiers for telecommunications // IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron. – 2002. –Vol. 8, N 3. – P. 548-559.
4. P. A. Korotkov and G. S. Felinskyi, “Forced-Raman-scattering-based amplification of light in one-mode quartz fibers,” Ukr. J. Physics. Rev. 6, No. 2, 103-169 (2009).
5. V. I. Grygoruk, I. V. Serdeha, G. S. Felinskyi, P. A. Korotkov, "Fiber Raman Lasers and Amplifiersof Optical Radiation," Chapter 2 in the monograph "Interaction of Physical Fields with Nanostructured Materials." - Kyiv: Karavella, 2018. - 382 p., pp. 62-128. ISBN 978-966-2229-77-6.
6. B. J. Puttnam, R. S. Luis, G. Rademacher, Y. Awaji and H. Furukawa, "1 Pb/s Transmission in a125μm diameter 4-core MCF," 2022 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), San Jose, CA, USA, 2022, pp. 1-2. https://www.nict.go.jp/en/press/2022/05/30-1.html
7. B. J. Puttnam, R. S. Luís, G. Rademacher, Y. Awaji and H. Furukawa, "319 Tb/s Transmission over3001 km with S, C and L band signals over >120nm bandwidth in 125 μm wide 4-core fiber," 2021 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), San Francisco, CA, USA, 2021, pp. 1-3.
8. H. Takara, T. Mizuno, H. Kawakami, Y. Miyamoto, H. Masuda, K. Kitamura, H. Ono, S. Asakawa,Y.Amma, K. Hirakawa, S. Matsuo, K. Tsujikawa, and M. Yamada, “120.7-Tb/s MCF-ROPA unrepeatedtransmission of PDM-32QAM channels over 204 km,” J. Light. Technol. 33, No. 7, 1473 (2015). DOI:10.1109/JLT.2015.2397009.
9. Krutin, Y. V., Korchak, O. V., Reznikov, M. I., Felinsky, G. S. (2022). Simulation of RamanAmplifier Using TrueWave RS Active Fiber with Uniform Bandwidth in C+L Telecommunication Windows Bulletin of Higher Educational Institutions. Radio Electronics, 64(12), 715–730.
10. Recommendation ITU-T G.652. Series G: Transmission systems and media, digital systems andnetworks. Optical fibre cables. Characteristics of a single-mode optical fibre and cable. Ed.9, Rec. ITU-T G.652 (11/2016).
11. J. Yao and H. Deng. “Fiber Raman Amplifier Based on Improved Whale Algorithm” The 2ndInternational Conference on Electronic Information and Communication Engineering (EICE 2023) 13- 15 Jan 2022 Guangzhou, China, J. Phys.: Conf. Ser. 2525 012016, 2023 DOI: 10.1088/1742-6596/2525/1/012016
12. H.M. Jiang, K. Xie, Y.F. Wang. Pump scheme for gain-flattened Raman fiber amplifiers usingimproved particle swarm optimization and modified shooting algorithm. Optics Express, 18(11), p.11033-45, 2010. https://doi.org/10.1364/OE.18.011033 +
13. T. Liu, L. Liu, J. Chen, H. Jiang, Q. Sun and Y. Xi. Optimal design of Raman fibre amplifier basedon terminal value optimization strategy and shuffled frog leaping algorithm. Journal of Modern Optics, 65(14): 1680-7, 2018. DOI:10.1080/09500340.2018.1455912
14. H.M. Jiang, K. Xie, Wang Y F. Optimization of pump parameters for gain flattened Raman fiberamplifiers based on artificial fish school algorithm. Optics Communications, 284(23): 5480-3, 2011. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2011.07.074 -
15. J. Chen, H. Jiang. Optimal Design of Gain-Flattened Raman Fiber Amplifiers Using a HybridApproach Combining Randomized Neural Networks and Differential Evolution Algorithm [J]. IEEE Photonics Journal, 10(2): 15, 2018. DOI: 10.1109/JPHOT.2018.2817843
16. H. R. Tizhoosh, "Opposition-based learning: A new scheme for machine intelligence,"International Conference on Computational Intelligence for Modelling, Control and Automation and International Conference on Intelligent Agents, Web Technologies and Internet Commerce (CIMCA-IAWTIC'06), Vienna, Austria, 2005, pp. 695-701, doi: 10.1109/CIMCA.2005.1631345. +
17. A.B. Seyedali Mirjalili, A. Lewis. The Whale Optimization Algorithm. Advances in EngineeringSoftware. Vol. 95, May 2016, p. 51-67, https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2016.01.008
18. H. Zhou, X. Zeng and Y. Hong, "Adaptive Exact Penalty Design for Constrained DistributedOptimization," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 64, no. 11, pp. 4661-4667, Nov. 2019, doi: 10.1109/TAC.2019.2902612.
19. K. Singh, M.S. Patterh, M.S. Bhamrah. A Comparative Analysis of Dual-Order BidirectionalPumping Schemes in Optical Fiber Raman Amplification. Journal of Optical Communications, 2019, 40(1): 1-6. https://doi.org/10.1515/joc-2017-0018
20. W. Zhang, X. Feng, J. Peng and X. Liu, "A simple algorithm for gain spectrum adjustment ofbackward-pumped distributed fiber Raman amplifiers," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 16, no. 1, pp. 69-71, Jan. 2004, doi: 10.1109/LPT.2003.818915.
21. M. Achtenhagen, T.G. Chang, B. Nyman, et al. “Analysis of a multiple-pump Raman amplifier”,Appl. Phys. Lett. – 2001. – Vol. 78. – P. 1322–1324. https://doi.org/10.1063/1.1352665
22. M. Yan, J. Chen, W. Jiang, J. Li, J. Chen and X. Li, "Automatic design scheme for optical-fiberRaman amplifiers backward-pumped with multiple laser diode pumps," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 13, no. 9, pp. 948-950, Sept. 2001, doi: 10.1109/68.942656.
23. P. Xiao, Q. Zeng, J. Huang and J. Liu, "A new optimal algorithm for multipump sources ofdistributed fiber Raman amplifier," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 15, no. 2, pp. 206-208, Feb. 2003, doi: 10.1109/LPT.2002.806086.
24. X. Zhou, C. Lu, P. Shum and T. H. Cheng, "A simplified model and optimal design of amultiwavelength backward-pumped fiber Raman amplifier," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 13, no. 9, pp. 945-947, Sept. 2001, doi: 10.1109/68.942655.
25. I.V. Serdeha, V.I. Grygoruk, G.S. Felinskyi. Spectroscopic features of Raman gain profiles insingle-mode fibers based on silica glass // Ukr. J. Phys. 2018. Vol. 63, No. 8, р. 683-700.
26. G. S. Felinskyi, V. I. Grygoruk, and I. V. Serdeha, “Modelling of gain profiles and Raman lasingin TiO2/GeO2-doped silica fibres,” Ukr. J. Phys. Opt., vol. 21, no. 1, pp. 15–25, 2020, doi: 10.3116/16091833/21/1/15/2020.
27. G. S. Felinskyi, V. I. Grygoruk, I. V. Serdeha, O. O. Drobakhin and M. V. Andreev, "Gaussian andRational Approximation of Raman Gain Profile in TiO2 Doped Silica Fiber," 2021 IEEE 26th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED), 2021, pp. 130-133, doi: 10.1109/DIPED53165.2021.9552290.
28. Ya. V. Krutin, O. V. Korchak, M. I. Reznikov, and G. S. Felinskyi “Simulation of Ramanamplifier using TrueWave RS active fiber with uniform bandwidth in C+L telecommunication windows”, Radioelectronics and Communications Systems, 2021, Vol. 64, No. 12, pp. 619–632,ISSN0735-2727,DOI: 10.3103/S0735272721120013
29. M. V. Petrychuk, V. I. Grygoruk, S. P. Pavlyuk, I. V. Serdeha, G. S. Felinskyi «Interaction ofphysical fields with nanostructured materials», Chapter 2 «Light amplification based on stimulated Raman effect and spectroscopic modeling of Raman gain in single mode fiber». Schriften des Forschungszentrums Julich, 2020, vol.211, p.47-110. ISBN 978-3-95806-450-8.
30. A.A. Kononenko, G.B. Zhirov, G.S. Felinskyi, O.I. Tytova Dynamics of distributed Raman gain intelecommunication True WaveRS and G.652 fibers // тези Proc. XXIІІ Int. Young Scientists’ Conf. on Applied Physics, ICAP 2023, May, 16-20, 2023, Kyiv, Ukraine, p. 141-142.
31. M. Reznikov, G. Felinskyi, and A.V. Korchak. Effect of amplified spontaneous emission on fiberspan in backward pumped Raman amplifier / 2019 IEEE 8th Int. Conf. on Advanced Optoelectronics and Lasers, CAOL*2019, September 6-8, Sozopol, Bulgaria, p. 259-262. DOI: 10.1109/CAOL46282.2019.9019507
32. V.I. Hryhoruk, P.A. Korotkov, H.S. Felinsky. Nonlinear and Laser Processes in Optical Fibers. –Kyiv: Publishing and printing center 'Kyiv University', 2008. – 576 p.
