Оптимизация параметров полупроводниковых оптических усилителей с насыщением коэффициента усиления для подавления сцинтилляции в каналах оптической связи в свободном пространстве
Ключевые слова:
полупроводниковый оптический усилитель; оптическая связь в свободном пространстве; атмосферная турбулентность; подавление сцинтилляции; насыщение усиления; оптимизация параметров; битовая ошибка; модель турбулентности Gamma-GammaАннотация
Сцинтилляция, вызванная атмосферной турбулентностью, является одной из основных проблем обеспечения надежности систем оптической связи в свободном пространстве (FSO), поскольку она вызывает случайные изменения интенсивности принимаемого оптического сигнала, ухудшая характеристики битовой ошибки (BER) и ограничивая дальность передачи. Полупроводниковые оптические усилители (SOA), работающие в режиме насыщения усиления, обладают потенциалом для компенсации данных искажений на стороне приемника, однако оптимальные условия их эксплуатации для эффективного подавления сцинтилляций изучены недостаточно. В данной работе представлено комплексное численное исследование оптимизации параметров SOA для повышения надежности FSO-систем в условиях атмосферной турбулентности. Разработана модель SOA на основе уравнений скоростей, работающая в режиме насыщения усиления, и объединена с моделью турбулентного канала Gamma-Gamma. Процессы сцинтилляции моделировались при значениях параметра структуры показателя преломления Cₙ² от 10⁻¹⁶ до 10⁻¹³ м⁻²/³. Проведен систематический анализ влияния тока смещения SOA (50–200 мА), длины активной области (200–800 мкм) и эффективности оптического ввода (0.5–0.9). Эффективность системы оценивалась по снижению индекса сцинтилляции и улучшению BER. Полученные результаты показывают, что оптимальные параметры SOA позволяют снизить индекс сцинтилляции до 6.2 дБ и уменьшить энергетический штраф для достижения BER = 10⁻³ с 8.5 дБ до 3.1 дБ при сильной турбулентности (Cₙ² = 10⁻¹⁴ м⁻²/³.). Установлено, что ток смещения оказывает наибольшее влияние на характеристики системы, далее следует длина активной области, тогда как усиленное спонтанное излучение (ASE) при высоких токах ограничивает глубину насыщения. Полученные результаты предоставляют практические рекомендации для проектирования FSO-приемников на основе SOA и определения оптимальных режимов работы надежных оптических линий связи.
Библиографические ссылки
N. J. Nzekwu, M. A. Fernandes, G. M. Fernandes, et al., "A comprehensive review of UAV-assisted FSO relay systems," Photonics, vol. 11, no. 3, p. 274, 2024.
M. A. Khalighi and M. Uysal, "Survey on free space optical communication: A communication theory perspective," IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 16, no. 4, pp. 2231–2258, 2014.
L. C. Andrews and R. L. Phillips, Laser Beam Propagation Through Random Media, 2nd ed. Bellingham, WA, USA: SPIE Press, 2005.
H. Kaushal and G. Kaddoum, "Optical communication in space: Challenges and mitigation techniques," IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 19, no. 1, pp. 57–96, 2017.
Z. Ghassemlooy, W. Popoola, and S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB, 2nd ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2019.
M. A. Esmail, H. Fathallah, and M. S. Alouini, "Outage probability analysis of FSO links over foggy channel," IEEE Photon. J., vol. 9, no. 2, pp. 1–12, 2017.
H. Tang, C. Yang, L. Qin, et al., "A review of high-power semiconductor optical amplifiers in the 1550 nm band," Sensors, vol. 23, no. 17, p. 7326, 2023.
M. Abtahi, P. Lemieux, W. Mathlouthi, and L. A. Rusch, "Suppression of turbulence-induced scintillation in free-space optical communication systems using saturated optical amplifiers," J. Lightw. Technol., vol. 24, no. 12, pp. 4966–4973, 2006.
K. Morito and S. Tanaka, "High-power semiconductor optical amplifier," in Proc. Opt. Fiber Commun. Conf., 2010, pp. 1–3.
Y.-Q. Hong, W.-H. Shin, and S.-K. Han, "Performance enhancement of gain saturated SOA based free space optical link using dual-wavelength transmission," Opt. Commun., vol. 446, pp. 134–140, 2019.
E. Desurvire, Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Principles and Applications. New York, NY, USA: Wiley, 2002.
O. J. Bandele, P. Desai, M. S. Woolfson, and A. J. S. Phillips, "Saturation in cascaded optical amplifier free-space optical communication systems," IET Optoelectron., vol. 10, no. 3, pp. 71–79, 2016.
M. J. Connelly, "Wideband semiconductor optical amplifier steady-state numerical model," IEEE J. Quantum Electron., vol. 37, no. 3, pp. 439–447, 2001.
J.-L. Xiao and Y.-Z. Huang, "Numerical analysis of gain saturation, noise figure, and carrier distribution for quantum-dot semiconductor-optical amplifiers," IEEE J. Quantum Electron., vol. 44, no. 5–6, pp. 448–455, 2008.
A. V. Maslov and C. Z. Ning, "Modal gain, modal loss, and confinement factor in semiconductor lasers," IEEE J. Quantum Electron., vol. 40, no. 10, pp. 1389–1395, 2004.
P. S. Henry, "Lightwave primer," IEEE J. Quantum Electron., vol. 21, no. 12, pp. 1862–1879, 1985.
T. Kamalakis, T. Sphicopoulos, and D. Syvridis, "Analysis of the performance of semiconductor optical amplifiers in optical communication systems," J. Lightw. Technol., vol. 23, no. 3, pp. 1135–1145, 2005.
M. A. Al-Habash, L. C. Andrews, and R. L. Phillips, "Mathematical model for the irradiance probability density function of a laser beam propagating through turbulent media," Opt. Eng., vol. 40, no. 8, pp. 1554–1562, 2001.
G. P. Agrawal and N. K. Dutta, Semiconductor Lasers, 2nd ed. New York, NY, USA: Van Nostrand Reinhold, 1993.
L. A. Coldren and S. W. Corzine, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits. New York, NY, USA: Wiley, 1995.
D. M. Baney, P. Gallion, and R. S. Tucker, "Theory and measurement techniques for the noise figure of optical amplifiers," Opt. Fiber Technol., vol. 6, no. 2, pp. 122–154, 2000.
W. Mathlouthi, P. Lemieux, M. Salsi, et al., "Fast and efficient dynamic model of semiconductor optical amplifiers," J. Lightw. Technol., vol. 26, no. 12, pp. 1673–1681, 2008.
S. M. R. Motaghian Nezam, Y. W. Lee, and A. E. Willner, "Theoretical and experimental analysis of the impact of SOA gain saturation on optical signal-to-noise ratio," J. Lightw. Technol., vol. 21, no. 12, pp. 3263–3271, 2003.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
