بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، ابتدا رفتار تقویت کنندههاي نوري نیمه هادي - SOA - را در سیستمهاي مخابرات نوري مورد ارزیابی قرار داده و مدلی را براي شبیه سازي عملکرد تقویت کننده ارائه نمودهایم. سپس با تحلیل و بررسی مدل ارائه شده، تقویت کننده را بهینه نموده و در نهایت با بکارگیري مدل بهینه شده در سیستم مخابرات نوري DWDM ، با فرمت مدولاسیون RZ-DPSK با فاصله کانالی 20 گیگاهرتز و با استفاده از گسترههاي تقویتی 73/5 کیلومتري بهینه شده متشکل از فیبر تک مد - SMF - ، فیبر جبران کنندة پاشندگی - DCF - و تقویت کنندههاي نوري نیمه هادي، رفتار سیستم را تا فاصله انتقال 3970 کیلومتر مورد ارزیابی و تحلیل قرار داده و به نتایج مطلوبی دست یافتهایم.
نتایج نشان میدهد که با بهینه سازي پارامترهاي کلیدي تقویت کنندههاي نوري نیمه هادي نظیر جریان بایاس و توان ورودي و چینش مناسب و بهینه گسترههاي تقویتی، میتوان به تقویت مطلوب و نویز کمتري، در سیستم انتقال دست یافت.
-1 مقدمه
در سالهاي اخیر، تلاشهاي بیشماري در راستاي بهبود عملکرد سیستمهاي مخابرات نوري دوربرد صورت پذیرفته است. که تمامی این اهداف، تنها با بکارگیري تکنیک مالتی پلکس با تقسیم فشرده طول موج - DWDM - ، قابل دستیابی است. از طرفی، توسعه چنین سیستمهایی در گرو بکارگیري تقویت کننده هاي نوري پر قدرت و پر بازدهاي میباشد که سیگنال نوري را مستقماًی و بدون تبدیل به حوزة الکتریکی تقویت نمایند.
تقویت کننده هاي نوري نیمه هادي - SOA - نقش مهمی را در سیستمهاي مخابرات فیبر نوري ایفا می نمایند. این تقویت کننده ها در مقایسه با تقویت کننده هاي فیبر نوري، به علت حجم کم، طیف بهره بسیار وسیع و هموار، مصرف توان اندك، یکپارچگی آسان با دیگر ادوات و هزینه اندك، به عنصري کلیدي براي سیستمهاي انتقال فیبرنوري تبدیل شدهاند. از این رو براي استفاده به عنوان تقویت کننده درون خطی در سیستمهاي مخابراتی دو طرفه، بسیار مناسب میباشند.
لذا با تنظیم دقیق عملکرد تقویت کننده، میتوان از آن به عنوان تقویت کنندة درون خطی در سیستمهاي تک کاناله و چند کاناله، استفاده نمود. اما یکی از مهمترین چالشهاي موجود بر سر راه توسعه این سیستمها بهینه سازي عملکرد تقویت کننده هاي مورد استفاده میباشد. چرا که کارآیی سیستم، مستقیما به پارامترهاي طراحی این تقویت کنندهها و همچنین نحوة چیدمان آنها در طول مسیر انتقال براي تقویت سیگنال ارسالی، وابسته است.
تا کنون، پژوهشهاي گوناگونی در راستاي بهینه سازي و بکارگیري تقویت کنندههاي نوري نیمه هادي در سیستمهاي مخابرات نوري و انتقال سیگنال DWDM انجام گرفته است. که هدف اصلی تمامی این پژوهشها بهینه سازي تقویت کنندههاي نوري نیمه هادي میباشد
از طرفی، به علت ثابت بودن توان سیگنال در فرمت مدولاسیون RZ-DPSK، اخیرا این نوع مدولاسیون، توجه بسیار زیادي را به خود جلب نموده است. لذا در این مقاله سعی بر آن است که فعالیتهاي انجام شده در منابع 5] تا [7 را توسعه دهیم، تا بتوان تقویت کننده هاي نوري نیمه هادي را براي افزایش فاصله انتقال در نرخ بیت 10 گیگابیت بر ثانیه، براي سیستم DWDM با فاصله کانالی 20 گیگاهرتز بهینه نمود. همچنین طرح گسترهاي را براي انتقال سیگنال ارائه کرده و پس از بهینه سازي، کارآیی آن را نشان دهیم. این مقاله در 5 بخش تنظیم شده است. در بخش نخست که از حضورتان میگذرد، مقدمه طرح بیان شده است.
بخش دوم را به بررسی نظري و تحلیل تقویت کنندة نوري نیمه هادي - SOA - و ارائه مدلی ریاضی براي بهینه سازي پارامترهاي مختلف آن، اختصاص دادهایم. در بخش سوم، با جمع بندي مباحث بیان شده در قسمت دوم، مدلی عددي براي بررسی رفتار تقویت کنندة نوري نیمه هادي ارائه نموده و پارامترهاي آن را بهینه نمودهایم.
در بخش چهارم با بکارگیري این مدل، پارامترهاي مهمی از قبیل بهرة تقویت کننده، نویز انتشاري و کراس تاك را شبیه سازي و ترسیم نمودهایم. در بخش پنجم، ابتدا کارآیی سیستم انتقال را تا فاصله تقویتی 73/5 کیلومتر، با بکارگیري تقویت کننده و بدون بکارگیري آن، با استفاده از مدل ارائه شده مورد بررسی قرار داده و سپس انتقال دوربرد را تا فاصله 3970 کیلومتري با استفاده از گستره هاي تقویتی 73/5 کیلومتري و بکارگیري تقویت کنندههاي نوري نیمه هادي چند طبقه، مورد بررسی قرار داده و در انتها جمع بندي مختصري بر نتایج خواهیم داشت.
-2 اصول عملکرد تقویت کنندههاي نوري نیمه هادي
-1-2 تحلیل ریاضی تقویت کننده
در راستاي تحلیل ریاضی تقویت کننده، ابتدا حالتی را در نظر میگیریم که سیگنال ورودي، لیزر موج پیوسته، یا لیزر پالسی با پهناي پالسی بیشتر از طول عمر حاملها باشد، پس در اشباع بهره، زمانی که توان ورودي با توان اشباع قابل مقایسه میشود، داریم :
که Pin توان ورودي، Ps توان اشباع و g0 بهرة سیگنال کوچک بوده و توسط معادله زیر بدست میآید :
پارامترهاي بکار رفته در این رابطه، عبارتند از؛ Γ ضریب تحدید نوري، αg بهرة تفاضلی، V حجم محیط فعال، I جریان بایاس، τc طول عمر حامل، q بار الکترون و Nt چگالی حاملها در گذار. لذا بهرة اشباع نشدة تقویت کننده برابر است با :
که L، طول تقویت کننده است. با استفاده از شرط اولی ه P - 0 - = Pin و شرط مرزي P - L - = Pout = G.Pin، رابطه بهرة تقویت سیگنال بزرگ برابر خواهد بود با:
مهمترین نکته حائز اهمیت این است که در تقویت کننده هاي نوري نیمه هادي، همزمان با تقویت سیگنال، نویز انتشاري که مهمترین منبع تولید نویز - ناشی از گسیل خودبخودي - در این تقویت کنندهها است نیز، تقویت میگردد. لذا با توجه به تعریف، توان نویز گسیل شدة خودبخودي در خروجی تقویت کننده برابر است با :
در این رابطه، nsp ضریب گسیل خودبخودي - وابسته به چگالی حامل - ، h ثابت پلانک، f فرکانس نوري و Bo پهناي باند نوري تقویت کننده میباشند. بنابراین جریان نوري هم ارز با توان گسیل شدة خودبخودي نیز برابر است با : [3]
با تحلیل و بررسی روابط فوق در مییابیم که، در مقادیر اندك جریان بایاس، با افزایش توان سیگنال ورودي، حتی اگر توان نویز انتشاري خود بخودي تقویت شده و نویزفیگِر کاملا اندك باشند، ضریب تقویت به شدت کاهش مییابد که این امر باعث افزایش تداخل بین کانالی در سیستم انتقال چند کاناله میگردد. همچنین میتوان دریافت که در مقادیر زیاد جریان بایاس، حتی زمانی که توان ورودي بیشتر از توان اشباع باشد، توان نویز خود بخودي تقویت شده و نویزفیگِر، به شدت افزایش مییابند. بنابراین، میبایست کنترل شدیدي را بر روي جریان بایاس و توان ورودي تقویت کننده انجام داد تا بتوان بهره و نویز را در حد قابل قبولی تنظیم نمود.
-2-2 روابط موثر در شبیه سازي رفتارتقویت کننده
در راستاي شبیه سازي رفتار تقویت کنندههاي نوري نیمه هادي در سیستمهاي مخابراتی، نیازمند آن هستیم که معادلهاي که نرخ چگالی حامل را درون محیط فعال کنترل مینماید، محاسبه نموده و پارامترهایی نظیر ضریب تقویت، توان نویز انتشاري خودبخودي و بهرة نوري را استخراج نمائیم. هنگامی که نور به داخل تقویت کننده تزریق میگردد، تغییراتی در چگالی حامل و فوتونها درون ناحیه فعال، رخ میدهد، که این تغییرات را میتوان توسط معادله نرخ، توصیف نمود . لذا ابتدا تحلیل را از بهرة ماده آغاز مینمائیم، چرا که محیط بهرة تقویت کننده توسط ضریب بهرة ماده - gm - توصیف میگردد، که خود این پارامتر نیز به چگالی حامل - N - وابسته است :
-3 مدل تقویت کنندة نوري نیمه هادي
تقویت کنندة مد نظر ما، تقویت کنندة نوري نیمه هادي موجِ روندهاي - TW-SOA - است که بازتابش سطوح انعکاسی آن اندك و قابل صرف نظر باشد - کمتر از . - 10-4 لذا نور فقط در راستاي مستقیم درون تقویت کننده عبور نموده و هیچگونه بازتابشی نخواهیم داشت. در راستاي شبیه سازي رفتار تقویت کننده از روش تفاضل محدود بهره جسته و روابط را محاسبه نمودهایم. پارامترهاي بهینه مورد استفاده براي شبیه سازي در جدول - 1 - لیست شده اند.
جدول:1 پارامترهاي مورد استفاده در شبیه سازي
لازم به ذکر است که گزینش این پارامترها مبتنی بر ساختار تقویت کننده و پارامترهاي تجربی ارائه شده در [12] صورت پذیرفته است. در راستاي بررسی رفتار مدل ارائه شده، شبیه سازي بر روي تقویت کنندة نوري نیمه هادي درون خطی صورت گرفته تا بتوان به پارامترهاي بهینه شده دست یافت.
در این رابطه، Anr ضریب بازترکیب غیرتشعشعی ناشی از وجود تلهها و نواقص در شبکه، ضریب بازترکیب تشعشعی و Caug ضریب بازترکیب اوژه میباشند.
-4 تحلیل نتایج حاصل از شبیه سازي رفتار تقویت کننده
در راستاي محاسبه پارامترهاي کلیدي تقویت کننده، مدل شبیه سازي شدة تقویت کننده را مورد ارزیابی قرار داده و نتایج بدست آمده را تجزیه و تحلیل نموده ایم.
