Оптические транспортные сети

Федеральное агентство связи Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» ____________________________________________________________________ Кафедра ЛС и ИТС Конспект лекций по дисциплине “Оптические транспортные сети” Составил: к.т.н., доцент Дашков М.В. Самара 2016 1. Методы увеличения пропускной способности ВОЛП В настоящее время волоконно-оптические линии передачи (ВОЛП) являются основой построения Единой Сети Электросвязи РФ. На всех уровнях сетей связи от абонентского доступа (например, технологии “волокно до дома” FTTB и “волокно до пользователя” FTTH) до магистральных сетей применяются волоконно-оптические технологии. Это обусловлено следующими преимуществами оптического волокна: низкий коэффициент затухания, сверхширокая полоса пропускания, высокая защищенность к внешним электро-магнитным воздействиям, хорошими массогабаритными показателями и т.д. Объемы передаваемой информации ежегодно растут и актуальной задачей всегда является увеличение пропускной способности существующих линий связи. Можно выделить несколько основных методов увеличения пропускной способности ВОЛП. а) Увеличение числа оптических волокон в оптическом кабеле. Это позволяет организовать работу большего количества ВОСП и в итоге повысить суммарную пропускную способность. Данный подход возможен только при строительстве новых ВОЛП и в какой-то степени реализуется на этапе проектирования ВОЛП - при выборе емкости оптического кабеля закладывается определенный запас волокон с учетом перспектив развития. Однако общемировая тенденция такова, что потребности в увеличении пропускной способности растут настолько быстрыми темпами, что через несколько лет после строительства ВОЛП уже наблюдается дефицит волокон. Данный метод наиболее прост в реализации, однако имеются следующие недостатки: - при увеличении количества оптических волокон габариты, вес и стоимость кабеля увеличиваются; - повышаются требования к качеству прокладки; - возрастают трудозатраты по прокладке, монтажу и измерений при строительстве. б) Увеличение скорости передачи информации в оптическом канале. Данный подход заключается в использовании временного мультиплексирования. Временное мультиплексирование разделяется на: - электрическое мультиплексирование ETDM (Electrical Time Domain Multiplexing); - оптическое мультиплексирование OTDM (Optical Time Domain Multiplexing). В настоящее время на практике в основном применяется временное мультиплексирование в электрическом диапазоне. Характерными для современных транспортных сетей в настоящее время можно считать оптические каналы со скоростью передачи 10, 40 и 100 Гбит/с. 2 Увеличение скорости передачи влечет за собой ряд проблем, требующих решения: - из-за уменьшения длительности оптических импульсов ширина спектра сигнала увеличивается, что приводит к снижению оптического отношения сигнал/шум (OSNR); - снижается допустимая величина накопленной хроматической дисперсии пропорционально квадрату скорости передачи символов (~В²); - снижается допустимое значения поляризационной модовой дисперсии пропорционально скорости передачи символов (~ В); - возрастает влияние нелинейных эффектов. В связи с этим внедрение высокоскоростных каналов требует применения таких технологий как: компенсация дисперсионных искажений (в том числе и адаптивная), продвинутые коды с исправлением ошибок (xFEC), многоуровневые форматы модуляции. Для оптических каналов 100 Гбит/с особо следует отметить когерентный прием. в) Спектральное разделение каналов (Wavelength Division Multiplexing – WDM) Принцип спектрального уплотнения заключается в одновременной передаче по одному ОВ нескольких оптических каналов на несущих, отличающихся длиной волны. Технология “широкого” разделения каналов (Wide WDM – WWDM) В наиболее простом случае может осуществляться мультиплексирование 2-3 несущих со значительным расстоянием между каналами. На практике наиболее широкое применение получили стандартные длины волн 1310 и 1550 нм. Например, в оптических сетях доступа FTTH PON передача и прием осуществляются по одному волокну на разных долинах волн: 1310 нм – используется для передачи информации от абонентского оборудования к станционному; 1490 нм – для передачи информации от станционного оборудования к абонентскому; 1550 нм – может использоваться для передачи широкополосного сигнала кабельного телевидения. Данный метод позволяет повысить пропускную способность в 2 раза при незначительных затратах. Область применения: сети небольшой протяженности. Технология “грубого” спектрального уплотнения CWDM (Coarse WDM) Согласно рекомендации МСЭ-Т G.694.2 рабочие длины волн CWDM располагаются в диапазоне 1270 – 1610 нм с шагом 20 нм. При этом максимально может быть организовано до 18 каналов. Следует отметить, что все 18 каналов возможно организовать на К достоинствам данной технологии следует отнести относительно невысокую стоимость оптического приемо-передающего оборудования и оборудования оптического мультиплексирования. Это обусловлено значительным разносом каналов (20 нм), что не требует сверх-высокой 3 точности параметров оптических компонент и стабильности длины волны лазеров. К недостаткам следует отнести ограничение на протяженность линии передачи, вызванное повышенным затуханием для крайних каналов и отсутствием оптических усилителей для всего рабочего диапазона. Область применения: городские и ведомственные сети. Технология “плотного” спектрального разделения каналов DWDM (Dense WDM) Частотный план описан в рек. МСЭ-Т G.694.1. Основными рабочими диапазонами являются: C-диапазон (1530-1565 нм) и L-диапазон (1565-1625 нм). Направлениями дальнейшего развития является оcвоение S-диапазона (1460-1530 нм) и U-диапазона (1625-1675 нм). На практике в основном используются сетки частот с разносом 100 ГГц и 50 ГГц, что составляет 0.8 и 0.4 нм, соответственно. Количество оптических каналов в коммерческих системах составляет от 32 до 44 в С-диапазоне при разносе в 0.8 нм, и достигает 88 при переходе на сетку 0.4 нм. Если задействуется L-диапазон количество каналов увеличивается по крайней мере в 2 раза. В настоящее время разработано оборудование с гибкой сеткой частот с шагом 37.5 ГГц Данная технология является основой построения современных транспортных сетей. г) Уплотнение по поляризации Суть метода заключается в возбуждении в оптическом волокне двух ортогональных линейно-поляризованных мод, каждая из которых промодулирована своим информационным потоком. Данный метод используется на практике при формировании 100 Гбит/c канала в коммерческих ВОСП с когерентным приемом. д) Оптические кодовое мультиплексирование Optical Code Division Multipexing е) Пространственное уплотнение (Space Division Multiplexing) Относительно новая технология основана на использовании многосердцевинного оптического волокна (Multi Core Fiber - MCF). В подобных волокнах формируется несколько волноводных структур – сердцевин. При этом их расположение и конструкция подбираются таким образом, чтобы снизить взаимные влияния распространяющихся в них мод. Например, одним из подходов является применение “траншеи” c пониженным показателем преломления вокруг каждой сердцевины. В результате получается несколько физически-независимых оптических направляющих систем. Например, в последние годы были продемонстрированы работы с волокнами с количеством сердцевин от 6 до 22. 4 ж) Модовое уплотнение Принцип данного метода заключается в возможности селективного возбуждения мод оптического волокна на передаче и разделения их на приеме. При этом каждая мода переносит свой информационный канал. Как правило. для этого используется мало-модовое волокна (Few Mode Fiber - FMF) с количеством мод 3-6. Последние три метода пока не получили применения в коммерческих системах, но считаются перспективными для преодоления пределов возможности традиционных подходов. 5 2. Оптические транспортные сети 2.1 Основные свойства оптической транспортной сети (OTN). В настоящее время для модернизации и реконструкции существующих магистральных и внутризоновых транспортных телекоммуникационных сетей в целях увеличения их емкости и управляемости широко применяются технологии плотного спектрального разделения каналов (DWDM) и оптической транспортной иерархии (OTH). Технология оптической транспортной иерархии используется для обеспечения универсальности и полной функциональности оптической транспортной сети (OTN). В соответствии с принципами оптической транспортной иерархии цифровые сигналы информационной нагрузки преобразуются в оптическом канале передачи в стандартизированные цифровые структуры. При этом циклы структурированных сигналов содержат служебные заголовки, которые используются для контроля и обслуживания оптических каналов передачи. В результате оптическая транспортная сеть становится цифровой, универсальной и полнофункциональной. Особенности оптической транспортной сети OTN-OTH: - прозрачность оптических каналов для различных видов высокоскоростного оптического трафика; - высокая эффективность использования пропускной способности оптического волокна; - возможность увеличения пропускной способности сети в процессе эксплуатации, как правило, без дорогостоящей замены существующего оптического кабеля; - большая гибкость в распределении пропускной способности сети; - наличие различных видов автоматической защиты оптических каналов и оптических мультиплексных секций, обеспечивающих высокую надежность и живучесть оптической транспортной сети; - развитые средства контроля и управления сетью; - международная стандартизация в рамках ITU-Т. Основная задача, поставленная перед OTN совместить мультисервисную передачу пакетизированных данных и системного трафика с не нагружающим сеть управлением и мониторингом любого из существующих оптических каналов. Разработанная специально для OTN функция добавления заголовков к транспортным структурам, называемая Wraped Overhead (WOH) и являющаяся по сути адаптированной к DWDM версией строительства транспортных модулей STM, сделала реальной возможность контроля и управления клиентской сигнальной информацией. 6 Основные характеристики, изначально заложенные в технологию OTN: прозрачность для протоколов; обратная совместимость со всеми существующими протоколами; возможность использования FEC; уменьшение затрат на регенерацию сигнала. Передача данных по сети может проходить как на достаточно разнородных частках, так и внутри одного оптического сегмента. Стоит заметить, что в данный момент не существует систем управления, способных работать с чистым оптическим сигналом, не преобразованным в цифровой формат, так что в отличие от прозрачных сетей непрозрачные способны выполнять регенерацию внутри каждого сегмента сети. Стандарт СЭТ G.709 определяет следующие функции интерфейсов оптической транспортной сети: функционирование заголовков (OH) в многоканальной оптической сети; создание структур оптической транспортной единицы (OTU); обеспечение пропускной способности и возможности для маркировки информации. 2.2. Строение цифровой оптической транспортной сети Оптическая транспортная сеть имеет четкое послойное строение и содержит четыре топологически независимых функциональных слоя: - слой оптических каналов передачи; - слой оптических мультиплексных секций; - слой оптических секций передачи; - слой физической среды передачи. Рис. 2.1 - Функциональная структура оптической транспортной сети Функции сетевых слоев Сетевой слой оптических каналов OCh обеспечивает прозрачный перенос оптических сигналов нагрузки между пунктами окончания оптического канала 7 («цветными» передатчиками и приемниками транспондеров или интерфейсов SDHи Ethernet). Сетевой слой оптических мультиплексных секций OMS обеспечивает мультиплексирование и демультиплексирование оптических каналов с разделением по длине волны и транспортирование многоволнового сигнала между пунктами окончания оптической мультиплексной секции (оптическими мультиплексорами и демультиплексорами, а также оптическими мультиплексорами ввода/вывода). Сетевой слой оптической секции передачи OTS обеспечивает транспортирование агрегатного оптического сигнала между двумя смежными элементами оптической транспортной сети (поддерживает функции усиления и коррекции многоволнового сигнала). В случае, когда по волокну работает только один оптический канал (например, на участке транспондер – оптический мультиплексор), слой оптической мультиплексной секции (OMS) и слой оптической секции передачи (OTS) могут быть свернуты воедино, в результате чего образуется слой оптической физической секции. Оптическая физическая секция OPS объединяет транспортные функции сетевых слоев OMS и OTS, за исключением функций контроля и управления. Сетевой слой физической среды передачи обеспечивает пассивную передачу агрегатного оптического сигнала по оптическому волокну (ОВ) и определяется типом оптического волокна (например, соответствующего рекомендациям МСЭ-Т G.652, G.653 или G.655). Структурная схема участка оптической транспортной сети приведена на рис. 2.2. Четыре нижних сетевых слоя: слой оптических каналов, слой оптических мультиплексных секций, слой оптических секций передачи и слой физической среды передачи – представляют функции сети аналоговых оптических каналов WDM. Сеть аналоговых оптических каналов WDM обеспечивает высокую эффективность транспортирования сигналов нагрузки между узлами сети. Однако современным аналоговым оптическим транспортным сетям ОТN не хватает функциональных средств контроля и управления оптическими каналами, поэтому аналоговые оптические каналы WDM называют «виртуальными волокнами». Для обеспечения универсальности и полной функциональности оптической транспортной сети клиентские сигналы в оптическом канале структурируются, т.е. приобретают вполне определенную стандартизированную цифровую структуру. Благодаря структурированию появляется возможность использования служебных заголовков и за счет этого расширения функциональности ОТN до уровня, не уступающего SDH. В результате помимо мультиплексирования и 8 транспортировки оптических сигналов обеспечиваются контроль и обслуживание оптических каналов передачи. Именно этим свойством оптические каналы передачи ОТN-OTH отличаются от оптических каналов, образованных с помощью технологии WDM. Рис. 2.2 Структурная схема участка оптической транспортной сети Для структурирования клиентских сигналов слой оптических каналов передачи расширяется. В его состав вводятся два дополнительных сетевых слоя: • слой цифровых трактов оптических блоков данных (ODUk); • слой цифровых секций оптических транспортных блоков (OTUk). Слой трактов ODUk поддерживает прозрачное транспортирование клиентских сигналов в различном формате (SDH, ATM, GFP и т.д.) между пунктами окончания тракта ODUk. Слой секций OTUk поддерживает один тракт сетевого слоя ODUk и обеспечивает транспортирование сигналов ODUk через секцию OTUk между пунктами регенерации типа 2R или 3R. Под регенерацией типа 3R подразумевается полная регенерация импульсов цифрового сигнала: восстановление амплитуды импульсов 9 (Reamplification); восстановление формы импульсов (Reshaping); восстановление временных соотношений импульсов (Retiming). Таким образом, секция OTUkобразует участок регенерации оптической транспортной сети. 2.3. Интерфейсы OTN В Рекомендации МСЭТ G.872 описаны два типа интерфейсов для оптических транспортных сетей: IrDI (InterDomain Interface) и IaDI (IntraDomain Interface). “Внешний” нтерфейс IrDI встречается в следующих случаях присоединения сети одного оператора к сети другого на внутренних cтыках различных подсетей одного оператора или на стыках однотипного оборудования внутри одной подсети. “Внутренний” интерфейс IaDI обслуживает только стыки однотипного оборудования одной подсети. Здесь формируются оптические каналы (OCh), секция мультиплексирования (OMS) и транспортная секция (OTS). Передача полезной нагрузки или клиентского сигнала организована следующим образом (рис. 2.3). Рис. 2.3. Формирование структуры транспортного потока OTN К данным (Client) добавляется заголовок (OH), образуя таким образом Единицу нагрузки (OPU— Optical channel Payload Unit). Еще один OH добавляется к OPU, что составляет Единицу данных (ODU — Optical channel Data Unit).Следующий OH и данные для FEC добавляются к ODU. В результате получается транспортная единица оптического канала (OTU— Optical channel Transport Unit). Последующее добавление заголовка создает “маркированный”оптический канал (OCh), передаваемый на несущей определенного“цвета”. Дополнительные OH могут быть добавлены к различным оптическим каналам для реализации управления маркированными 10 каналами внутри транспортной сети. После этого формируются секции мультиплексирования (OMS) и передачи (OTS). Результатом процесса формирования становится оптический канал OCh, приведенный на рис. 2.4 и содержащий полезную нагрузку (клиентский сигнал), а головки различных уровней (структуры OH) и корректирующую информацию (FEC). Заголовок, обеспечивающий управление и контроль за OTN, состоит из четырех подструктур: Единицы нагрузки (OPU), единицы данных (ODU), Транспортной единицы (OTU) и маркера принадлежности кадра (FAS — Frame lignmentsignal). Данные (Client) или полезная нагрузка могут быть выражены в форме любого из существующих протоколов: SONET, SDH, Ethernet, IP и т. п. Рис. 2.4. Структура оптического канала OTN Тип передаваемых данных определяется с помощью PU, содержащей маркеры различных сигналов. Стандарт G.709 на данный момент поддерживает как синхронный, так и асинхронный режим маркировки (рис. 2.5). Заголовок единицы нагрузки включает в себя идентификатор структуры данных (PSI — Payload Structure Identifier), имеющий идентификатор типа нагрузки (PT — Payload Type), и остаток заголовка, связанный с маркировкой данных, например, “биты заполнения” (Justification bits), используемые при асинхронной маркировке. Заголовки OPU могут добавляться и убираться только в точке формирования и расформирования единицы. 11 Рис. 2.5. Формирование маркера полезной нагрузки оптического канала 2.4. Заголовок единицы данных Заголовок единицы данных (ODU) позволяет использовать следующие возможности: TCM (Tandem Connection Monitoring), PM (Path Monitoring), APS. Кроме того, раскрываются возможности EndtoEnd контроля и адаптации. Основными и важнейшими составляющими такого заголовка являются TCM и PM. Функция Path Monitoring (PM) позволяет проводить мониторинг определенного сегмента сети или вести поиск неисправностей. Схема такого Заголовка приведена на рис. 2.6. Рис. 2.6. Заголовок секции PM 12 Заголовок PM состоит из трех рядов и 10 или 12 колонок данных и включает в себя следующие составляющие: TTI (Tail Trace Identifier). Поле TTI сходно с байтом J0, применяемым в SDH/SONET. Он используется для идентификации сигнала, передаваемого от источника к приемнику внутри сети. Внутри поля TTI переносятся два идентификатора, называемых API (Access Point Identifier): SAPI — Source Access Point Identifier или “идентификатор источника” и DAPI — Destination Access Point Identifier или “идентификатор приемника”. Кроме того,это поле содержит данные для определения принадлежности к сети определенного оператора и другие административные детали; BIP8 (Bit Interleaved Parity) используется для обнаружения ошибок. Данный код вычисляется для единицы нагрузки (OPU) целиком и передается на два кадра позже проверяемого, что позволяет сверить эти значения и проверить наличие ошибок; BDI (Backward Defect Indication) — этот бит сообщает о наличии проблем с сигналом в восходящем потоке; BEI/BIAE (Backward Error Indication и Backward incoming alignment error). Данное поле содержит информацию о Interleavedbits (битах перемежения), обнаруженных в ошибках восходящего потока. Также оно содержит информацию о поступающих ошибках принадлежности (Incoming Alignment errors — IAE) в восходящем потоке; STAT (Status bits for indication of maintenance signal) — поле, содержащее информацию о сервисных или измерительных сигналах, присутствующих в сети. Функция ТСМ (Tandem Connection Monitoring) позволяет наблюдать за сигналом, проходящим через множество различных сетей. В дополнение к этому стандарт OTN (G.709) предполагает проведение иерархической проверки ошибок — (HEC— Hierarchical Error Checking)и некоторые дополнительные функции, такие как поиск конкретного сигнала в потоке. Каждое поле заголовка TCM состоит из подполей, уже упоминавшихся в описании функции РМ, и добавочного поля BIAE. Таким образом, появляется возможность следить за шестью одновременными тандемными соединениями. RES — это поле зарезервировано для внесения изменений в данный стандарт или для его адаптации к иным технологиям. Значение этого поля всегда 0. TCM/ACT (индикатор активности функции TCM) — это однобайтовое поле осуществляет активацию и деактивацию TCMполей в Заголовке. EXP (экспериментальное поле) — зарезервировано для последующего использования. GCC1\GCC2 (General communication channels) — основные каналы связи. Эти поля позволяют установить связь между сетевыми элементами и организуют доступ к полям заголовка. APS\PCC (Automatic Protection Switching and Protection Communication Channel) — поля, являющиеся защитными аналогично сетям SDH. FTFL (Fault Type and Fault Location channel). Один байт в заголовке ODU зарезервирован для поля FTFL. Это поле содержит информацию о различных сбоях, их принадлежности и классификации. Схема формирования FIFL разделена на прямую и обратную функциональную части, каждая из которых состоит из одинаковых по функциям, но разных по направлениям составляющих: Fault type Indication Field — индикатор наличия сбоев. Это поле может содержать следующие три типа сообщений: сбоев нет; сбой/отсутствие сигнала; 13 деградация сигнала; Operator Identifier Field — поле принадлежности данных к конкретному оператору; Operator Specific Field — свободное поле, его можно редактировать по своему усмотрению. 2.5. Заголовок транспортной единицы OTU Транспортная единица, или OUT, может передаваться как по одному, так и по нескольким оптическим каналам, поэтому именно в данном заголовке фигурирует основное поле принадлежности кадра, а также поле корректировки ошибок FEC. Заголовок принадлежности кадра (FAS) является частью заголовка транспортной единицы. Он расположен в первом ряду и занимает с первой по шестую колонку включительно. Так как из ODU можно сформировать мультифреймовую транспортную единицу, то требуется также введение специального подзаголовка и сигнала принадлежности, который занимает седьмую колонку заголовка. Значение MFAS увеличивается с каждым дополнительным кадром. Секция мониторинга заголовка состоит из подполей, предполагающих индикацию наличия бит с ошибками — IAE (incoming alignment error). Если во входящем сигнале обнаружены ошибки, то бит IAE устанавливается в “1”, если нет, то в “0”. Основной нулевой канал (General communication channel 0 — GCC0) используется как канал между точками терминирования OTU. 2.6. Функция прямой коррекции ошибок (FEC) Совместно с основным информационным сигналом OCh предусмотрена передача специального блока информации (FEC), занимающего дополнительную полосу передачи (рис. 5.3). Благодаря его наличию появляется возможность осуществления алгоритма прямой коррекции ошибок. Существует несколько алгоритмов/кодов, позволяющих исправлять ошибки. Реализация FEC, предусмотренная Рекомендацией G.709 предполагает использование кодов Рида Соломона. Здесь строка OTU разбита на 16 подстрок, состоящих в свою очередь из 255 байтов. Подстроки сформированы чередованием байтов, это означает, что первая подстрока состоит из первого байта OH и первого байта полезной нагрузки и т. д. Первый байт FEC вставлен в 240 й байт первой подстроки. Так строятся все 16 подстрок. Из этих 255 байт 239 используются для вычисления суммы четности (FEC), которая передается в байтах с 240 по 255 той же самой подстроки. Код Рида-Соломона позволяет детектировать в подстроке 16 битовые ошибки или исправлять 8битовые. Алгоритм FEC “RS (255, 239)”, описанный выше, полностью специфицирован для интерфейсов IrDI. Иные интерфейсы OTU (например, IaDI),стандартизированные только функционально, могут использовать другие алгоритмы FEC. Использование FEC в оптических транспортных сетях позволяет обнаруживать и исправлять битовые ошибки, возникающие вследствие физического ухудшения параметров среды передачи. Эти ухудшения подразделяются на линейные (затухание, шум, дисперсия) и 14 нелинейные искажения (четырех-волновое смешение, фазовая само-модуляция, кросс-фазовая модуляция). Функция FEC, применяемая в сети, позволяет принимать оптический сигнал более низкого качества без потери связи. Потенциальное улучшение качества передаваемого сигнала в оптическом тракте с помощью механизма FEC предоставляет ряд преимуществ для систем OTN. Среди них: запас мощности оптического сигнала линейного тракта примерно в 5 дБ, дающий увеличение регенерационного участка в 20 и более километров, уменьшение количества регенераторов на сети, использование существующих линий OTN для транспортировки 10 Гбит трафика и др. 2.7. Формирование структуры OTN Как только оптический канал с индивидуальной длиной волны OCh сформирован, к нему добавляется дополнительный несвязанный заголовок (OH), формируя затем оптическую мультиплексорную секцию (OMS) и оптическую секцию передачи (OTS). И полезная нагрузка мультиплексорной секции (OMS), и несвязанный заголовок (OMS-OH) передаются на уровне оптической мультиплексорной секции. Полезная нагрузка OMS состоит из мультиплексированных оптических каналов (OCh). OMS-OH необходим для мониторинга оптического соединения и помощи сервисной службе в определении и изоляции проблем в OTN. На уровне оптической секции передачи (OTS) также передается полезная нагрузка и заголовок секции (OTSOH). Уровень OTS позволяет сетевому оператору выполнять задачи контроля и обслуживания сети между сетевыми элементами, которые включают: мультиплексоры, демультиплексоры, оптические коммутаторы и пр. 2.8. Интерфейсы и полезная нагрузка G.709 определяет стандартные интерфейсы и скорости потоков. Эти скорости по сравнению со стандартными уровнями SDH имеют более высокое значение, что определяется дополнительной используемой полосой, необходимой для передачи заголовков и FEC. В результате требуемая полоса для передачи потоков SDH на 7 % больше стандартной полосы синхронных интерфейсов. Согласно рек. МСЭ-Т G.709 – транспортные единицы оптического канала  OTU0 1 244 160 kbit/s  OTU1 (255/238 x 2.488 320 Gb/s ≈ 2.666057143 Gb/s) - 2.7 Gb/s  OTU2 (255/237 x 9.953280 Gb/s ≈ 10.709225316 Gb/s) - 10.7 Gb/s  OTU3 (255/236 x 39.813120 Gb/s ≈ 43.018413559 Gb/s) - 43 Gb/s  OTU4 (255/227 × 99.532 800 Gb/s ≈ 104.79 Gb/s Каждый уровень соответствует различным клиентским сигналам:  OC-48/STM-16 передается через OTU1  OC-192/STM-64 передается через OTU2  OC-768/STM-256 передается через OTU3 15 3. Оптические волокна для оптических транспортных сетей 3.1. Принцип действия оптических волноводов В качестве направляющих систем волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) современных сетей связи применяются оптические диэлектрические волноводы (световоды), которые обычно имеют планарную или волоконную структуру. В кабельных изделиях используются волоконные оптические волноводы – оптические волокна (ОВ). В устройствах интегральной оптики в основном используются планарные волноводы. Принцип передачи оптического излучения по световодам может быть рассмотрен в рамках теории геометрической оптики. Теория геометрической оптики допускает, что свет можно представить как совокупность оптических лучей, которые распространяются прямолинейно. Согласно законам геометрической оптики, при падении луча на границу раздела двух сред с показателями преломления n1 и n2 он, в общем случае, отражается и преломляется (рис. 3.1). преломленный луч 2 n2 < n1 n1 падающий луч 1 3 отраженный луч Рис. 3.1. Преломление луча на границе раздела сред При этом, угол падения 1 равен углу отражения 3, а угол преломления 2 связан с углом падения 1 соотношением, известным как закон Снеллиуса: n1 sin 1  n2 sin  2 Принято, что среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной средой. Пусть луч падает на границу раздела сред из более плотной оптической среды с показателем преломления n1. На границе раздела сред он преломляется, проходя в менее плотную оптическую среду с показателем преломления n2 n2, то 2>1. То есть, при падении луча на границу раздела двух сред из более плотной оптической среды угол преломления больше угла падения. В этом случае, увеличивая угол падения, можно достичь момента, когда преломленный луч начинает скользить вдоль границы раздела сред без перехода во вторую среду (рис. 1.2). Угол падения, при котором наблюдается такой эффект, называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для всех углов падения больше 16 предельного, имеет место только отражение, преломленная волна отсутствует. Это явление называется полным внутренним отражением. луч, преломленный вдоль поверхности 2=90о n2 < n1 n1 падающий луч 1 3 отраженный луч Рис. 3.2. Полное внутреннее отражение Как следует из рис. 3.2, при равенстве угла падения предельному углу полного внутреннего отражения, угол преломления равен  2  90 о . В этом случае sin 2  1 и, как следует из (1.1): n sin 1  2 n1 Отсюда критический угол полного внутреннего отражения равен:  кр  arcsin n2 n1 Таким образом, для передачи оптического излучения по световодам необходимо обеспечить наличие границ раздела двух сред, отличающихся значениями показателей преломления. Рассмотрим ступенчатое оптическое ОВ, представляющее собой коаксиальную структуру из двух слоев – сердцевины и оболочки. Очевидно, что если ввести луч в сердцевину ОВ так, чтобы были выполнены условия полного внутреннего отражения, то энергия, переносимая этим лучом, будет полностью сосредоточена в сердцевине. При отсутствии дополнительных факторов потерь такой луч будет распространяться в сердцевине ОВ на значительные расстояния, многократно отражаясь на границе «сердцевинаоболочка». Согласно рассмотренным выше законам геометрической оптики, для осуществления возможности реализации полного внутреннего отражения в ступенчатом волокне, необходимо выполнение следующих условий: - длина волны должна быть меньше диаметра сердцевины ОВ (n2). 3.2. Конструкция и материалы оптического волокна В настоящее время в оптических кабелях (ОК) связи используются кварцевые слабонаправляющие ОВ коаксиальной конструкции с двумя и более слоями. В распределительных ОК структурированных кабельных систем может использоваться ОВ с кварцевой сердцевиной и полимерной оболочкой. Кроме 17 того для применения в локальных сетях, сетях доступа и различных датчиках могут использоваться полимерные ОВ. Общий вид двухслойного коаксиального волокна представлен на рис. 3.3. Такое волокно состоит из сердцевины, заключенной в оболочку, поверх которой наложено первичное защитно-упрочняющее покрытие (ЗУП). сердцевина, n1 оболочка, n2 акриловое покрытие n1>n2 Рис. 3.3. Конструкция ступенчатого ОВ Сердцевина и оболочка ОВ выполнены из кварцевого стекла. Для того, чтобы наблюдалось явление полного внутреннего отражения необходимо, чтобы выполнялись условие n1>n2, где n1 – показатель преломления сердцевины, n2 – показатель преломления оболочки. Для этого сердцевина ОВ может легироваться присадками, повышающими показатель преломления: окись германия (GeO2), алюминия (Al2O3), фосфорного ангидрида (P2O5), титана (TiO2), цезия (Cs2O) или циркония (ZrO2). Либо оболочка ОВ легируется окисью бора (B2O3) или фтора (F) для понижения показателя преломления. Причем, как правило, примеси добавляются только в ту часть оболочки, что прилегает к сердцевине. При производстве телекоммуникационных волокон в основном используется метод легирования сердцевины германием. При необходимости обеспечения минимального затухания может применяться ОВ с чистой кварцевой сердцевиной и оболочкой, легированной фтором. Защитно-упрочняющее покрытие выполняет функции защиты ОВ от внешних механических воздействий и воздействия влаги. Основными требованиями к ЗУП являются стабильность характеристик в широком диапазоне рабочих температур, химическая и механическая совместимость с кварцевой оболочкой и остальными материалами кабеля. ЗУП должно обеспечивать стабильную адгезию в течении всего срока службы и в то же время легко (с усилием порядка 1.3… 8.9 Н) механически удаляться при помощи стриппера. В качестве ЗУП в настоящее время широко используются акриловые соединения: эпоксиакрилат и уретанакрилат. ЗУП накладывается на этапе вытяжки ОВ из заготовки в два слоя, каждый из которых отверждается под действием ультрафиолетового излучения. Первый слой обладает хорошей адгезией с кварцевой оболочкой, имеет модуль упругости порядка 0.7 МПа и 18 выполняет функции защиты ОВ от внешних сжимающих усилий. Второй слой имеет модуль упругости на три порядка выше и образует твердое наружное покрытие, обеспечивающее механическую прочность ОВ и защиту от действия влаги. Геометрические размеры типовых телекоммуникационных ОВ приведены в таблице 3.1. dc do dЗУП Рис. 3.4. Сечение ОВ Диаметр сердцевины dc, мкм Диаметр оболочки dо , мкм Диаметр ЗУП dЗУП , мкм Таблица 3.1. Геометрические размеры ОВ Одномодовое ОВ Многомодовое ОВ 8-10 50 62.5 125 125 250 250 3.3. Основные параметры оптических волокон 3.3.1. Профиль показателя преломления Конструкция коаксиальных ОВ практически полностью описывается профилем показателя преломления – зависимостью показателя преломления в сечении ОВ от расстояния до оси волокна. Профиль показателя преломления показывает, как изменяется показатель преломления вдоль диаметра ОВ. Эту зависимость обычно описывают выражением вида n 2 r   n12 1  2  f r  , где r – радиальная координата; f(r) – функция профиля показателя преломления;  – параметр высоты профиля. Параметр высоты профиля или просто высота профиля равна: n 2  n22  1 2n12 Различают ступенчатый и градиентный профили. В ОВ со ступенчатым профилем (ступенчатых ОВ) показатель преломления и в сердцевине, и в оболочке – величина постоянная, изменяющаяся скачком только на границе раздела сердцевина-оболочка. Пример такого профиля показателя преломления приведен на рис.3.5, а. У ОВ с градиентным профилем (градиентного ОВ) 19 показатель преломления в сердцевине изменяется в зависимости от расстояния до оси волокна по некоторому закону. Для многомодовых ОВ оптимальным является параболический профиль, для которого закон изменения – квадратичный. Пример градиентного профиля показателя преломления приведен на рис. 3.5, б. ,% ,% r r а) б) Рис. 3.5. Профиль показателя преломления а) ступенчатый, б) градиентный Профиль показателя преломления будет определять дисперсионные характеристики ОВ. В настоящее время кроме стандартных ступенчатых ОВ на сетях связи применяются ОВ со сложными профилями (треугольный, Wпрофиль, многослойные ОВ и др.). а) б) в) Рис. 3.6. Профиль показателя преломления а) волокна со смещенной дисперсией, б) со смещенной ненулевой дисперсией, в) со смещенной ненулевой дисперсией и повышенной эффективной площадью 3.3.2. Числовая апертура Пусть луч 1 входит в сердцевину ОВ, пересекая его ось под углом А, таким, что угол его падения на границу раздела сердцевина-оболочка равен предельному углу полного внутреннего отражения кр (рис. 3.7). Угол А принято называть апертурным углом или просто апертурой. Для всех лучей, пересекающих ось ОВ под углом больше апертуры (луч 2), угол падения на границу раздела сердцевина-оболочка меньше предельного и условия полного внутреннего отражения не выполняются. Таким образом, каждый раз при падении луча на границу раздела имеет место преломление и часть 20 переносимой им энергии оптического излучения уходит в оболочку. Как следствие, энергия достаточно быстро затухает. Поэтому такие лучи не могут распространяться в ОВ. 1 n2 А n1  кр 3 2 Рис. 3.7. Условия ввода оптического излучения в ОВ Для всех лучей пересекающих ось ОВ под углом в пределах апертуры (луч 3), угол падения на границу раздела сердцевина-оболочка превышает предельный и условия полного внутреннего отражения выполняются. Следовательно, такие лучи могут распространяться в сердцевине ОВ на большие расстояния. При вращении вокруг оси ОВ луча, пересекающего ее под апертурным углом, образуется конус. Очевидно, что все лежащие внутри этого конуса и пересекающие ось ОВ лучи могут распространяться в ОВ, а лучи, лежащие вне этого конуса, распространяться в ОВ не могут. Апертура характеризует условия ввода и распространения оптического излучения в ОВ. Обычно используют понятие числовой апертуры: NA  n0  sin  A  n0  n12  n22 где n0 – показатель преломления среды, из которой оптическое излучение вводится в ОВ. 3.3.3 Режимы распространения в оптическом волокне. Моды. Оптическое излучение внешнего источника, падающее на входной торец ОВ, возбуждает в нем типы волн, называемые модами. В общем случае в оптических волокнах на одной длине волны (частоте) могут существовать несколько типов волн (мод). Каждая мода отличается распределением электромагнитного поля по сечению оптического волновода и скоростью распространения. Как следует из рис. 3.7, множество лучей, лежащих на поверхности конуса, образующая которого пересекает ось ОВ под некоторым углом, входят в сердцевину под тем же углом. Группа лучей, пересекающих ось волокна под одним и тем же углом, соответствуют одному типу волны – одной моде. Они распространяются с одной скоростью вдоль оси ОВ и формируют определенное распределение мощности оптического излучения по сечению ОВ. Принято различать моды направляемые, вытекающие и излучаемые. 21 К направляемым относятся моды, которые распространяются в сердцевине волокна, обеспечивая передачу информации (лучи 1 и 2 на рис. 1.8). Направляемые моды возбуждаются лучами, пересекающими ось волокна под углом, не превышающих апертуры А, и для которых фазовый сдвиг после двух последовательных отражений кратен 2. В этом случае энергия светового излучения концентрируется в сердцевине световода и практически не излучается из него. Лучи, которые лежат вне конуса, образующая которого пересекает ось ОВ под апертурным углом - А, на границе сердцевина/оболочка преломляются и теряют энергию в оболочке (луч 3 на рис. 3.8). Эти моды называются вытекающими. 4 3 n2 2  1 n1 А n2 Рис. 3.8. Классификация лучей (мод) в ОВ Часть лучей, падающих на торец ОВ под углами к оси волокна, существенно превышающими апертуру А, достигают внешней поверхности оболочки и излучаются в окружающее пространство (луч 4 на рис. 1.8). Такие моды называются излучаемыми. Излучаемые моды возникают также в местах неоднородностей световодов. В зависимости от соотношения длины волны и диаметра сердцевины различают одномодовый и многомодовый режимы работы ОВ. В одномодовом режиме передачи в ОВ существует только одна основная направляемая мода HE11 или LP01. Волокна, оптимизированные для работы в одномодовом режиме, получили название – одномодовые. В многомодовом режиме условие полного внутреннего отражения выполняется не только для основной моды, но и для мод высших порядков. Число распространяющихся мод может составлять нескольких тысяч. Волокна предназначенные для работы в таком режиме называют многомодовыми. 3.3.4. Нормированная частота Одним из основных параметров ОВ является нормированная частота, определяемая по формуле V 2a  n12  n22 , где a – радиус сердцевины ОВ;  - длина волны излучения. 22 Нормированная частота будет распространяющихся в ОВ, в виде N определять количество мод, V2 , m где m = 2 для ступенчатого ППП, m = 4 для градиентного ППП. При V<2.405 в волокне существует только одна основная направляемая мода HE11. Диаметр сердцевины кварцевых одномодовых оптических волокон кабелей связи составляет 6…10 мкм и соизмерим с длиной волны  a, что обеспечивает выполнение условия отсечки для мод высшего порядка V<2,405, т.е. одномодовый режим распространение только одной основной направляемой моды LP01 (НЕ11). LP01 LP11 LP21 LP02 3.3.5. Длина волны отсечки Все моды высшего порядка имеют частоту отсечки. Длина волны отсечки – это минимальная длина волны при которой поддерживается одномодовый режим передачи.  отс Рис. 3.9. Длины волны отсечки Для стандартных ступенчатых волокон длина волны отсечки < 1260 нм. Следует различать длины волн отсечки свободного ОВ, уложенного в линейный ОК или в соединительных шнурах (патч-корды и пиг-тейлы). cc < cj < c где cc – длина волны отсечки ОВ в кабеле, cj – в соединительных шнурах, c – свободное ОВ. Длина волны отсечки стандартных одномодовых ОВ составляет <1260 нм. 3.3.6. Диаметр модового поля Одной из основных характеристик одномодовых волокон является диаметр модового поля (ДМП) - диаметр сечения ОВ в пределах которого сосредоточено 90% всей передаваемой оптической мощности. Диаметр пятна 23 моды пропорционален диаметру сердцевины. Коэффициент пропорциональности зависит от профиля показателя преломления. Для одномодовых ОВ при работе на длинах волн выше длины волны отсечки диаметр модового поля больше физического диаметра сердцевины ОВ и при увеличении рабочей дины волны ДМП увеличивается. Рис. 3.10. Диаметр модового поля Тип ОВ Corning SMF-28e OFS Allwave Fujikura FutureGuide-LWP Corning LEAF Corning SMF-28 XB Диаметр поля моды 9.20.4 мкм 10.40.5 мкм Примечание 1310 нм 1550 нм 9.60.5 мкм 8.60.4 мкм 9.80.5 мкм 1550 нм 1310 нм 1550 нм Диаметр модового поля связан с таким параметром как эффективная площадь моды. Данный параметр определяет площадь сечения ОВ в пределах которого сосредоточено свыше 90% энергии.   ДМП 2 Aeff  4 Тип ОВ Примечание Corning SMF-28e Эффективная площадь моды 84 мкм2 Corning LEAF 72 мкм2 1550 нм Corning Vascade L1000 102 мкм2 1550 нм 1550 нм Данный параметр влияет на степень проявления нелинейных эффектов при передаче мощных оптических сигналов. При взаимодействии мощного излучения с кварцем наводится нелинейность Керра, при этом изменение показателя преломления может быть записано в виде 24 P Aeff n2 – нелинейный показатель преломления; P – оптическая мощность. Таким образом, для систем спектрального уплотнения с большим числом каналов интерес представляют ОВ с повышенным Aeff , позволяющим снизить влияние нелинейных эффектов. n  n  n2 3.3. Оптические волокна: факторы искажений 3.4.1. Параметры передачи оптического волокна Основными параметрами передачи одномодовых ОВ, характеризующим искажения оптических сигналов, являются коэффициент затухания, параметры спектральной характеристики хроматической дисперсии, поляризационная модовая дисперсия и нелинейные характеристики. 3.4.2. Потери в оптических волокнах Одной из основных характеристик оптического волокна является коэффициент затухания, определяющий потери энергии, приходящиеся на единицу длины. Размерность коэффициента затухания  - дБ/км. Основными факторами потерь в ОВ являются: поглощение, релеевское рассеяние и неидеальность волноводной структуры. Поглощение энергии в волокне вызвано следующими причинами: поглощение в кварце, поглощение на примесях и поглощение на гидроксильных группах. Поглощение в кварцевом стекле связано либо с резонансами атомов в кристаллической решетке (инфракрасное или ионное поглощение), либо с резонансами электронов (ультрафиолетовое или электронное поглощение). Потери ультрафиолетового поглощения падают с увеличением длины волны и оказывают незначительное влияние в диапазоне оптической связи. Потери из-за инфракрасного поглощения начинают проявляться в диапазоне длин волн свыше 1600 нм и растут с увеличением длины волны, ограничивая таким образом рабочий диапазон ОВ в длинноволновой области. Поглощение на посторонних примесях в современных волокнах незначительно. Особое положение занимает поглощение на ионах гидроксильной группы OH . В кварцевых ОВ имело место увеличение затухания вблизи длины волны второй гармоники резонанса OH- 1380 нм. В настоящее время современные технологии производства ОВ позволили получить кварцевые волокна с пониженным водяным пиком (ZWP – Zero Water Peak, LWP – Low Water Peak). Релеевское рассеяние в оптических волокнах вызвано наличием флуктуаций показателя преломления, возникающих в процессе производства волокна. Потери из-за релеевского рассеяния р, дБ/км обратно пропорциональны длине волны в четвертой степени: р  kр 4 где kр – коэффициент релеевского рассеяния. 25 Для кварцевого стекла это величина порядка 0,8 (мкм4 . дБ)/км. Потери на релеевское рассеяние определяют нижний предел затухания ОВ. Коэффициент релеевского рассеяния зависит от режима тепловой обработки заготовки и уменьшается при снижении температуры вытяжки волокна. Собственные потери, связанные с рассеянием излучения на неидеальностях волноводной структуры (флуктуации диаметра сердцевины, микроизгибы и т.п.), на сегодняшний день не оказывают значительного влияния на характеристику затухания ОВ. Однако для ОВ, уложенного в кабель необходимо учитывать дополнительные кабельные потери. Основными составляющими кабельных потерь являются на микро- и макроизгибы. Макроизгибы – это изгибы с радиусом значительно превышающим диаметр оболочки ОВ. Они имеют место при намотке кабеля на барабан, при выкладке запаса кабеля и ОВ на муфтах и т.п. Микроизгибы – это случайные локальные осевые отклонения ОВ от его номинального положения с амплитудой отклонения до единиц микрометров и периодом не более чем несколько миллиметров. Типичная для кварцевых одномодовых оптических волокон спектральная характеристика коэффициента затухания приведена на рис. 3.11. Она имеет три ярко выраженных особенности: - тенденция уменьшения коэффициента затухания с увеличением длины волны, обусловленная потерями за счет релеевского рассеяния; - увеличение затухания в области длин волн выше 1600 нм, вызванное потерями на изгиб и инфракрасным поглощением кварца; - локальные максимумы, связанные с гармониками резонанса поглощения примесей гидроксильной группы ОН-. Рис. 3.11. Спектральная стандартного одномодового ОВ характеристика коэффициента затухания Учет особенностей спектра затухания необходим при проектировании ВОЛП с ВОСП-СР. 26 Параметры коммерческих волокон можно рассмотреть на примере одномодового ОВ SMF-28e+ производства компании Corning. Длина волны Коэффициент затухания 1310 нм 0,33 – 0,35 дБ/км 1383 нм 0,31 – 0,35 дБ/км 1490 нм 0,21 – 0,24 дБ/км 1550 мм 0,19 – 0,20 дБ/км 1625 мм 0,20 – 0,23 дБ/км Прирост затухания в зависимости от длины волны Интервал длин волны, нм. Прирост коэффициента затухания, дБ/км 1285 – 1330 0,03 (относительно 1310 нм) 1525 – 1575 0,02 (относительно 1550 нм) Следует учесть, что вышеприведенные значения не учитывают дополнительное затухание, которое может возникнуть при производстве оптического кабеля. В настоящее время максимально-допустимыми значениями коэффициента затухания для стандартных одномодовых ОВ, уложенных в кабеле, являются (=1310 нм) < 0.36 дБ/км (=1550 нм) < 0.22 дБ/км Спектр коэффициента затухания оптического волокна со смещенной ненулевой дисперсией LEAF производства Corning. 3.4.3. Дисперсия и пропускная способность ОВ Дисперсией оптического волокна называют рассеивание во времени составляющих оптического сигнала. Причина дисперсии – разные скорости распространения составляющих оптического сигнала. Дисперсия проявляется как увеличение длительности (уширение) оптических импульсов при распространении в ОВ. Увеличение длительности 27 оптических импульсов вызывает межсимвольную интерференцию - создает переходные помехи, что ухудшает отношение сигнал/помеха и в результате приводит к ошибкам на приеме. Очевидно, что межсимвольная интерференция увеличивается с уширением оптических импульсов. При фиксированном значении уширения импульсов межсимвольная интерференция возрастает с уменьшением периода следования импульсов T. Таким образом, дисперсия ограничивает скорость передачи информации в линии B=1/T и длину регенерационного участка (РУ). В оптических волокнах можно выделить несколько видов дисперсии: модовую, поляризационную модовую и хроматическую дисперсию. В многомодовом ОВ преобладает межмодовая дисперсия, вызванная наличием большого числа мод с различным временем распространения. Модовая дисперсия ОВ обусловлена большим числом мод, распространяющихся в многомодовых волокнах с разной скоростью. Она существенно превышает другие виды дисперсии, поэтому полоса пропускания таких ОВ определяется в основном модовой дисперсией. Увеличения полосы пропускания многомодовых ОВ добиваются за счет градиентного профиля показателя преломления, в котором показатель преломления в сердцевине плавно уменьшается от оси ОВ к оболочке. При таком градиентном профиле скорость распространения лучей вблизи оси волокна меньше, чем в области, прилегающей к оболочке. В результате, с увеличением протяженности траектории направляемых лучей на отрезке волокна возрастает их скорость распространения вдоль траектории. Чем больше длина пути, тем больше скорость. Это обеспечивает выравнивание времени распространения лучей и, соответственно, снижение модовой дисперсии. Оптимальным с точки зрения минимизации модовой дисперсии является параболический профиль. Полоса пропускания многомодовых волокон характеризуется . коэффициентом широкополосности F, МГц км, значение которого указывается в паспортных данных ОВ на длинах волн, соответствующих первому и второму окнам прозрачности. Полоса пропускания для типовых многомодовых оптических волокон составляет 400…2000 МГц.км. Многомодовые оптические находят применение на локальных сетях, в центрах обработки данных, ведомственных сетях нбоьшой протяженности. С системами спктрального уплотнения не используются. В одномодовых ОВ распространяется только одна основная мода и модовой дисперсии нет. 28 Основным фактором, ограничивающим протяженность участков регенерации высокоскоростных ВОЛП, является хроматическая дисперсия. В рекомендациях Международного союза электросвязи ITU-T G.650 приводится следующее определение: хроматическая дисперсия (ХД) - это уширение светового импульса в оптическом волокне, вызванное разностью групповых скоростей различных длин волн, составляющих спектр оптического информационного сигнала. Длительность оптического импульса на выходе протяженного оптического волокна определяется относительной групповой задержкой самой медленной спектральной компоненты относительно самой быстрой. Таким образом, влияние ХД пропорционально ширине спектра источника излучения. С увеличением протяженности линии передачи и скорости передачи информации влияние хроматической дисперсии возрастает. Вклад в ХД вносят следующие составляющие: материальная и волноводная дисперсия. Хроматическая дисперсия определяется совместным действием материальной D M ( ) и волноводной дисперсий D B ( ) D ( )  D M ( )  D B ( ) Материальная дисперсия определяется дисперсионными свойствами материала – кварца,   2n DM   . c 2 Волноводная дисперсия D B ( ) обусловлена зависимостью групповой скорости распространения моды от длины волны, в первую очередь определяется профилем показателя преломления сердцевины волокна и внутренней оболочки. Достаточно часто для оценки волноводной дисперсии используют следующее соотношение: n  n   2 V  b  , Dw   1 2 V c V 2 где V – нормированная частота; b – нормированная распространения, которая связана с  следующим соотношением:   n2 b k ; при этом составляющая n1  n2  V  2 V  b  / V 2  постоянная формулы (1.29) получила название нормированный параметр волноводной дисперсии. 29 D, пс /(нм  км) Материальная " +" S ( ) Хроматическая S0  , нм 0 " -" Волноводная Рис. 3.13. Спектр хроматической дисперсии стандартного ступенчатого волокна Основными параметрами хроматической дисперсии являются: - Длина волны нулевой дисперсии 0 , нм. На этой длине волны материальная и волноводная составляющие компенсируют друг друга и хроматическая дисперсия обращается в нуль. - Коэффициент хроматической дисперсии D, пс/(нмкм). Данный параметр определяет уширение оптического импульса, распространяющегося на расстояние в 1 км при ширине спектра источника 1 нм. - Наклон дисперсионной характеристики S 0 определяется как касательная к дисперсионной кривой на длине волны 0 (см. рис. 3.13). Аналогично может быть определен наклон S в любой точке спектра: пс dD S , . d нм 2  км - Относительный наклон дисперсионной характеристики S RDS  D - Знак дисперсии: положительный (+) или отрицательный (-). Уширение оптического импульса в ОВ определяется выражением   D  L   где D – коэффициент хроматической дисперсии ОВ, пс/нм/км; L – протяженность ОВ, км;  - ширина спектра оптического сигнала, нм. Таким образом, уширение оптического импульса из-за хроматической дисперсии определяется следующими факторами: - коэффициентом хроматической дисперсии, зависящем от типа ОВ и длины волны оптического сигнала; - протяженности участка ВОЛП; - шириной спектра оптического сигнала, которая складывается из ширины спектра излучения лазера и ширины спектра модулированного сигнала. В свою 30 очередь, ширина спектра модулированного сигнала зависит от формата модуляции и скорости передачи. Пример. Определить уширение оптического импульса для участка ВОЛП в 100 км, если коэффициент дисперсии D = 18 пс/нм/км, а ширина спектра оптического сигнала  = 0.2 нм.   18  100  0.2  360 пс 3.5. Классификация одномодовых оптических волокон, рекомендации МСЭ-Т 3.5.1. Общие положения Требования к параметрам одномодовых оптических волокон описаны в рекомендациях МСЭ-Т. Классификация ОВ производится в зависимости от их дисперсионных характеристик. 3.5.2. Стандартные одномодовые оптические волокна рек. G.652 Стандартные одномодовые оптические волокна также называют волокнами с нулевой дисперсией и волокнами с несмещенной дисперсией (рек. МСЭ-Т G.652) характеризуются нулевой хроматической дисперсией на длине волны 1310 нм. Это основной тип одномодовых оптических волокон, который применяется на сетях связи для различных приложений. В литературе для обозначения таких ОВ может использоваться аббревиатура SMF. На сегодняшний день существует четыре расширения рекомендаций МСЭ-Т G.652, отличающиеся требованиям к ряду характеристик: G.652.A. Характеристики оптического волокна, необходимые для передачи потоков уровня до STM-16 в соответствии с G.957 и G.691, а также 10 Гбит/c на расстояние до 40 км (Ethernet) и STM-256 в некоторых приложениях G.693. Коэффициент ПМД: PMDQ < 0.5 пс/км (M=20, Q = 0.01 %) . G.652.B. Характеристики оптического волокна, необходимые для передачи потоков уровня до STM-64 в соответствии с G.691 и G.692, STM-256 в некоторых приложениях G.693 и G.959.1. В зависимости от области применения может потребоваться управление хроматической дисперсией. Обладают пониженным значением коэффициента ПМД: PMDQ < 0.2 пс/км (M=20, Q = 0.01 %) . G.652.C. Характеристики, аналогичные G.652.A, но дополнительно позволяющие передачу в расширенном диапазоне от 1360 нм до 1530 нм (с пониженным пиком затухания на гидроксильных группах). Коэффициент ПМД: PMDQ < 0.5 пс/км (M=20, Q = 0.01 %) . G.652.D. Характеристики, аналогичные G.652.B, но дополнительно позволяющие передачу в расширенном диапазоне от 1360 нм до 1530 нм (с пониженным пиком затухания на гидроксильных группах). Обладают пониженным значением коэффициента ПМД: PMDQ < 0.2 пс/км (M=20, Q = 0.01 %) . 31 В настоящее время ведущие мировые производители поставляют оптические волокна, соответствующие рек. МСЭ-Т G.652.D. Подобные волокна с низким уровнем поляризационной модовой дисперсии и широким рабочим диапазоном используются как на магистральных ВОЛП с высокоскоростными системами передачи и аппаратурой спектрального уплотнения, так на городских сетях и оптических сетях доступа. Длина волны нулевой дисперсии совпадает со вторым окном прозрачности (=1310 нм) – при этом коэффициент затухания  не превышает 0,36 дБ/км, а коэффициент хроматической дисперсии D составляет менее 3,5 пс/(нм.км). Таким образом, волокна SSF наиболее оптимальны для одномодовых ОСП, работающих во втором окне прозрачности. В свою очередь, достаточно большое значение хроматической дисперсии при =1550 нм (порядка D18 пс/(нм.км)), не смотря на минимальную величину   0,22 дБ/км, существенно ограничивает возможности использования волокон SMF на скоростях 2,5 Гбит/с и выше. В этом случае для протяженных ВОЛП требуется включение компенсаторов дисперсии. 3.5.3. Оптические волокна со смещенной дисперсией рек. G.653 В 1985 г. был создан новый тип одномодовых оптических волокон – волокон со смещенной дисперсией DSF (Dispersion Shifted Fibers) (рек. МСЭ-Т G.653). Длина волны нулевой дисперсией у волокон DSF смещена в область третьего окна прозрачности (=1550 нм), которому соответствует минимальный коэффициент затухания. Смещение дисперсии достигается путем формирования профиля показателя преломления специальной формы, например, треугольной или W-образной треугольной Рынок волокон DSF составляют трансконтинентальные ВОЛП, в которых одна длина волны передается на расстояние в несколько тысяч километров, а также магистральные ВОЛП. Волокна DSF идеальны для работы в третьем окне прозрачности на одной оптической несущей. При спектральном уплотнении в области =1550 нм применение волокон DSF приводит к появлению нелинейного эффекта четырех-волнового смешения, и существенному искажению передаваемых сигналов. По этой причине использование волокон DSF совместно с аппаратурой ОСП WDM затруднено. В ряде коммерческих ВОСП со спектральным уплотнением работа 32 по DSF волокну допускается, однако при этом используется неравномерный частотный план, что значительно уменьшает количество оптических каналов, и допустимый уровень мощности в каждом оптическом канале значительно снижается до уровня -10дБм, что снижает протяженность усилительных и регенерационных участков. В результате в последние годы производство волокон данного типа резко снизилось. Известно два расширения рек. МСЭ-Т G.653, описывающие характеристики одномодового оптического волокна со смещенной дисперсией и кабеля на его основе: G.653.A. Эта категория пригодна для использования с системами, соответствующими рек. G.691, G.692, G.693, G.957 и G.977 с неравномерным расположением каналов в области длины волны 1550 нм. Спецификация на хроматическую дисперсию описывается выражением: D   3.5 пс/нм·км в диапазоне 1525 нм ≤ λmin ≤ λmax ≤ 1575 нм Также нормируется положение точки нулевой дисперсии 1500 нм  0  1600 нм и наклон дисперсионной характеристики S0 < 0.085 пс/нм2·км G.653.B. Характеристики, аналогичные G.653.A, но с более жесткими требованиями к коэффициенту ПМД, позволяющими работу систем STM-64 на расстояния свыше 400 км и STM-256 в соответствии с G.959.1. Нормативные значения коэффициента ПМД: PMDQ < 0.2 пс/км (M=20, Q = 0.01 %). 3.5.4. Оптические волокна со смещенной длиной волны отсечки G.654 ОВ рек. МСЭ-Т G.654 были разработаны с цель снижения коэффициента затухания в области 1550 нм путем использовании чистой кварцевой сердцевины и легирования части оболочки фтором и за счет смещения длины волны отсечки к диапазону 1550 нм. При этом снижаются дополнительные кабельные потери на изгибах. Из-за трудности производства эти волокна дороги и в настоящее вермя редко используются. Основная область применения подобных ОВ – трансконтинентальные ВОЛП. 3.5.5. Оптические волокна с ненулевой смещенной дисперсией G.655 Данный тип оптических волокон описан в рек. МСЭ-Т G.655, обозначается NZDSF (Non Zero Dispersion Shifted Fibers) и характеризуется минимальным и максимальным значением хроматической дисперсии в спектральной области третьего окна прозрачности: 0,1…6 пс/(нм.км) в диапазоне длин волн 1530…1565 нм для волокон категории G.655.A. Управление дисперсией также осуществляется путем формирования специальной W-образной формы профиля ОВ. 33 Волокна NZDSF были специально разработаны для применения на оптических сетях с DWDM системами с оптическими усилителями. Величина хроматической дисперсии достаточна велика, чтобы минимизировать нелинейный эффект четырехволнового смешения, и достаточно мало, чтобы выделить для каждого оптического канала скорость передачи в 10 Гбит/с на 250 км без установки компенсаторов дисперсии и проведения других специальных мероприятий. Подобные волокна предназначаются для использования на протяженных ВОЛП и рекомендуются для использования при строительстве новых линий. Кроме того, многие производители проектируют и изготавливают ОВ, соответствующие G.655 имеющие повышенную эффективную площадь моды. Такие ОВ в основном предназначены для использования на ВОЛП со спектральным уплотнением и мощными оптическими усилителями. Например, Сorning LEAF, Corning Vascade, Fujikura FutureGuide LA, Fujikura FutureGuide ULA и пр. В настоящее время существует пять расширений рек. МСЭ-Т G.655, отличающиеся в первую очередь требованиями к диапазону длин волн, в котором должна обеспечиваться ненулевая хроматическая дисперсия, и значениями коэффициента хроматической дисперсии на границах диапазона. Согласно рекомендациям МСЭ-Т для описания дисперсионных характеристик NZDSF используется следующая форма спецификации: Dmin  D   Dmax в диапазоне min    max где min и max - границы области с ненулевой хроматической дисперсией, Dmin и Dmax - пределы изменения дисперсии в заданной области. G.655.A. Рекомендуемые характеристики для использования в приложениях G.691, G.692, G.693 и G.959.1. Для приложения G.692, в зависимости от длины волны канала и характеристики дисперсии, максимальная суммарная мощность в ОВ должна быть ограничена и минимальное расстояние между каналами ограничивается 200 ГГц. Спецификация для дисперсии записывается в виде: 0.1 пс/нм·км ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 6.0 пс/нм·км 1530 нм ≤ λmin ≤ λmax ≤ 1565 нм Dmax  Dmin + 5.0 пс/нм·км 34 Следует отметить, что знак хроматической дисперсии в заданном диапазоне может быть как положительным, так и отрицательным. Коэффициент поляризационной модовой дисперсии <0.5 пс/√км. G.655.B. Рекомендуемые характеристики для использования в приложениях G.691, G.692, G.693 и G.959.1. Для приложения G.692, в зависимости от длины волны канала и характеристики дисперсии, максимальная суммарная мощность в ОВ может быть выше, чем в G.655.A, и типичное минимальное расстояние между каналами 100 ГГц и меньше. Требования к коэффициенту ПМД позволяет работу систем STM-64 на расстояние не менее 400 км. Спецификация для дисперсии записывается в виде: 1 пс/нм·км ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 10.0 пс/нм·км 1530 нм ≤ λmin ≤ λmax ≤ 1565 нм Dmax  Dmin + 5.0 пс/нм·км Коэффициент поляризационной модовой дисперсии <0.5 пс/√км. G.655.С. Рекомендуемые характеристики, аналогичные G.655.B, но с более жесткими требованиями к коэффициенту ПМД, позволяющими работу системам STM-64 на расстояния свыше 400 км и STM-256 в соответствии с G.959.1. Коэффициент поляризационной модовой дисперсии составляет <0.2 пс/√км. Данная спецификация поддерживает рекомендации об оптических интерфейсах рек. МСЭ-Т G.691, G.959.1 и G.693. Для систем DWDM поддерживаются интервалы между каналами, определенные в Рекомендации МСЭ-Т G.694.1. Максимальные потери на макроизгибах радиуса 30 мм при числе витков 100 на длине волны 1625 нм составляют 0,5 дБ. G.655.D. В данной рекомендации определены требования к коэффициенту хроматической дисперсии в виде двух кривых, ограничивающих пределы изменения дисперсии в диапазоне от 1460 нм до 1625 нм (см. раздел 1.5.7). Для длин волн свыше 1530 нм дисперсия должна быть положительной и достаточной для подавления большинства нелинейных искажений. Длина волны нулевой дисперсии лежит на длине волны менее 1530 нм, но волокно может быть использовано для системах “грубого” спектрального уплотнения (CDWM) при использовании каналов на рабочей длине волны 1471 нм и выше. G.655.E. В данном расширении рекомендации требования к спектральной зависимости коэффициента хроматической дисперсии также представлены в виде двух граничных кривых, но уровень дисперсии должен быть выше, что может быть важным для систем с малым разносом оптических каналов. Волокна, соответствующие данной рекомендации обладают положительной ненулевой дисперсией на длинах волн свыше 1460 нм. Данный тип ОВ может использоваться для протяженных подводных ВОЛП. Подробные спецификации изложены в разделе 1.5.7. Следует отметить, что для ОВ рек. G.655.Е и D ужесточены нормы на потери на изгибах: максимальные потери на макроизгибе радиуса 30 мм при числе витков 100 на длине волны 1625 нм составляют 0,10 дБ. 35 3.5.6. Оптические волокна с ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной оптической передачи G.656 Оптические волокна со смещенной дисперсией, соответствующие рекомендации МСЭ-Т G.656, предназначены для работы совместно с широкополосными системами “грубого“ (Coarse Wavelength Division Multiplexing – CWDM) и “плотного” (Dense Wavelength Division Multiplexing – DWDM) спектрального уплотнения. Первая редакция Рекомендации ITU-T была одобрена 13 июня 2004 года и действует до настоящего времени. Отличительной особенностью таких ОВ являются особые требования к параметрам хроматической дисперсии. Во-первых, в рабочем диапазоне дисперсия должна иметь положительный знак, и во-вторых в диапазоне длин волн 1460 -1625 нм значение коэффициента хроматической дисперсии должно лежать в пределах 2 пс/(нм·км) ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 14 пс/(нм·км). Отличительной особенностью Рек. G.656 по сравнению с рек. G.655 является также обязательная спецификация положительного знака хроматической дисперсии во всем рабочем диапазоне – точка нулевой дисперсии должна находиться за пределами рабочего диапазона. Подробные спецификации на коэффициент хроматической дисперсии приведены в разделе 1.5.7. Подобные ОВ специально спроектированы для строительства новых ВОЛП со спектральным уплотнением в широком диапазоне длин волн. В отличие от широко применяемых в настоящее время одномодовых ОВ (рек G.652 и G.655) волокно, соответствующее новой Рек. G.656, позволяет волоконно-оптической сети работать в более широком диапазоне длин волн с использованием DWDM, обеспечивая совместимость интерфейсов физического уровня в соответствии с рек. G.693, G.959.1 и G.694.1. Этот же тип волокна может использоваться и в системах CWDM в соответствии с Рек. G.695 и G.694.2 особенно при низком коэффициенте затухания в области гидроксильного пика вблизи длины волны 1383 нм. Тот факт, что расположение точки нулевой хроматической дисперсии соответствует выражению λ0 < 1460 нм, позволяет эффективно использовать рамановские усилители. В таких ОВ, взаимодействие между источниками накачки, а также между источником накачки и сигналом, вследствие нелинейного эффекта четырех-волнового смешения значительно снижено. Максимальные потери на макроизгибе радиуса 30 мм при числе витков 100 на длине волны 1625 нм составляют 0,50 дБ. Примеры промышленных ОВ, удовлетворяющих рек.G.656: Draka TeraLight, Draka TeraLight Ultra, OFS Truewave REACH. 3.5.7. Оптические волокна с пониженной чувствительностью к изгибам сетей доступа G.657 36 Характеристики оптических волокон подобного типа описаны в рекомендации МСЭ-Т G.657. Первая редакция рекомендаций была утверждена в 2006 году. Оптические волокна, удовлетворяющие требованиям рек. G.657, делятся на две категории: A и B, которые отличаются минимально допустимым радиусом изгиба и требованиями по совместимости со стандартными одномодовыми волокнами. Оптические волокна рек. G.657.А должны быть совместимы со стандартными оптическими волокнам рек. G.652: - нормы на коэффициент затухания, коэффициент хроматической дисперсии и поляризационной модовой дисперсии соответствуют требования рек. G.652.D; - конструкция волокна G.657.А должна обеспечивать совместимость со стандартными одномодовыми волокнами при сращивании. Нормы потерь на макроизгибах значительно ужесточены, так как этот параметр для ОВ рек. G.657 является определяющим. Например, 10 витков волокна G.657.A, намотанного на оправку радиусом 15 мм, не должны увеличивать затухание более чем на 0,25 дБ при длине волны 1550 нм. Один виток волокна G.657.A, намотанный на оправку диаметром 10 мм не должен увеличивать затухание более чем на 0,75 дБ. Более жесткие требования относительно потерь на изгибах предъявляются к оптическим волокнам G.657.B. Прирост затухания на длине волны 1550 нм не должен превышать 0,03 дБ для 10 витков на оправке диаметром 15 мм, и более чем на, один виток на оправке диаметром 10 мм - более чем на 0,1 дБ, один виток на оправке диаметром 7,5 мм - более чем на 0,5 дБ. При этом минимально-допустимый радиус изгиба волокон типа G.657.A составляет 10 мм. Данные ОВ кроме использования на сетях доступа представляют интерес также и для использования в соединительных шнурах – патч-кордах для систем спектрального уплотнения. Так как изгибы, которые могут возникнуть при проключениях на кроссе, особенно при плотном расположении портов, а также выкладка запасов, могут оказать влияние на работу систем передачи, особенно для длинноволновых каналов, поскольку с увеличением длины волны прирост на изгибах увеличивается. 3.5.8. Спектральные характеристики хроматической дисперсии одномодовых оптических волокон действующих рекомендаций МСЭ-Т Хроматическая дисперсия характеризуется коэффициентом хроматической дисперсии D, имеющим размерность пс/(нм.км), значение которого в паспортных данных достаточно часто указывается на длинах волн, соответствующих второму и третьему окнам прозрачности (1310 и 1550 нм). В качестве примера, в таблице приведены типовые значения коэффициента хроматической дисперсии D волокон рек. МСЭ-Т G.652 и G.653. D, пс/(нм.км) SMF (G.652) DSF (G.653) 37 =1310 нм =1550 нм  3,5  18  3,5 Кроме параметра D в качестве характеристик хроматической дисперсии оптических волокон также используют коэффициент наклона дисперсионной характеристики S0, который имееет размерность пс/(нм2.км) и относительный коэффициент наклона дисперсионной характеристики RDS=S0/D с размерностью 1/нм. Последняя величина однозначно связана с полосой пропускания оптического волокна и характеризует поведение дисперсионной характеристики в заданном диапазоне длин волн. Выше было отмечено, что на сегодняшний день, благодаря усовершенствованию технологии производства оптических волокон стала доступна вся область низких потерь от 1260 нм до 1675 нм. В общем случае значение коэффициента хроматической дисперсии D волокон SSF на конкретной несущей  из заданного спектрального диапазона оценивается по следующей формуле: D   S0 4  40  пс .   3  ,   нм  км  Значения коэффициент наклона дисперсионной характеристики S0 и длины волны нулевой дисперсии также указываются в паспортных данных на оптические волокна. Например, указанные параметры одномодового оптического волокна Corning SMF-28e составляют: S0=0,092 пс/(нм2.км); 0=1301,5…1321,5 нм [48]. Для волокон со смещенной дисперсией (DSF) величина D на определенной несущей  из заданного спектрального диапазона оценивается по следующей интерполяционной формуле пс  . D     0 S0  ln   ,  0  нм  км В рек. G.653.B пределы изменения дисперсионных характеристик ОВ описываются двумя кривыми, согласно табл. 1.11. Таблица Пределы изменения коэффициента дисперсии согласно рек. G.653.B. 0.085  1525  3.50 Dmin   : 1460-1525м Dmin   : 1525-1625 нм Dmax   : 1460-1575 нм Dmax   : 1575-1625 нм 3.5   1600 75 3.5   1500 75 0.085  1575  3.50 Граничные кривые приведены на рис. 3.30. 38 Рис. 3.30 Кривые, ограничивающие дисперсионные характеристики ОВ рек. G.653.B Особые требования к спектральной зависимости коэффициента дисперсии оптических волокон с ненулевой смещенной дисперсией G.655.D и G.655.E представленные в виде двух граничных кривых в виде  D2   D 1   D        2   D2 ,  2  1  Пределы изменения коэффициента дисперсии согласно рек. Dmin   : 1460-1550 нм Dmin   : 1550-1625 нм Dmax   : 1460-1550 нм Dmax   : 1550-1625 нм 7.00   1460  4.20 90 2.97   1550  2.80 75 2.91   1460  3.29 90 5.06   1550  6.20 75 10 Dmax 8 D, пс/нм*км Таблица G.655.D пс . нм  км 6 4 2 Dmin -2 -4 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 , нм Рис. 3.31. Кривые, ограничивающие дисперсионные характеристики ОВ рек. G.655.D 39 Таблица Пределы изменения коэффициента дисперсии согласно рек. G.655.E 5.42   1460  0.64 Dmin   : 1460-1550 нм Dmin   : 1550-1625 нм Dmax   : 1460-1550 нм Dmax   : 1550-1625 нм 12 90 3.30   1550  6.06 75 4.65   1460  4.66 90 4.12   1550  9.31 75 Dmax D, пс/нм*км 10 8 6 Dmin 4 2 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 , нм Рис. 3.32. Кривые, ограничивающие дисперсионные характеристики ОВ рек. G.655.E Таблица Пределы изменения коэффициента дисперсии согласно рек. G.656 Dmin   : 1460-1550 нм Dmin   : 1550-1625 нм Dmax   : 1460-1550 нм Dmax   : 1550-1625 нм 2.60   1460  1.00 90 0.98   1550  3.60 75 4.68   1460  4.60 90 4.72   1550  9.28 75 40 14 Dmax 12 D, пс/нм*км 10 8 6 4 Dmin 2 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 , нм Рис. 3.33. Кривые, ограничивающие дисперсионные характеристики ОВ рек. G.656 3.6. Поляризационная модовая дисперсия По мере увеличения скорости передачи на волоконно-оптических линиях передачи (ВОЛП) и внедрения технологии компенсации хроматической дисперсии одним из основных ограничивающих факторов становится явление поляризационной модовой дисперсии (ПМД). ПМД является следствием явления двулучепреломления, которое заключается в поляризационной зависимости показателя преломления. В общем случае, основную моду оптического поля, распространяющегося в ОВ, можно представить в виде суперпозиции двух ортогонально-поляризованных мод. В идеальном изотропном волокне данные моды являются вырожденными и имеют одинаковые постоянные распространения. В реальных волокнах, вследствие воздействия различных факторов, вырождение снимается и даже в одномодовом волокне существуют две ортогональные линейнополяризованные моды LP01, отличающиеся групповыми скоростями распространения. Источники двулучепреломления в оптическом волокне можно разделить на два класса: - внутренние: эллиптичность сердцевины, эксцентриситет и внутренние механические напряжения; - внешние: давление, изгиб и кручение. 41 а) б) в) г) д) е) Рис. 3.34. Причины возникновения ПМД в волокне а) эллиптичность, б) эксцентриситет, в) напряджения; г) давление; д) изгиб; e) кручение внутренние механические Вследствие разности параметров распространеняи в итоге возникает дифференциальная групповая задержка (ДГЗ)  между поляризационными модами, что на приемной стороне приводит к уширению оптического импульса. Рис. 3.35. Дифференциальная групповая задержка Поляризационной модовой дисперсией называют среднеквадратичное значение разности групповых задержек PMD   2 t , пс (1.14) В отличие от хроматической дисперсии ПМД является случайной величиной. В реальном волокне моды произвольно обмениваются энергией друг с другом на протяжении всей длины. Связь мод возникает как за счет изменений характеристик волокна вдоль его длины, так и за счет случайных внешних воздействий: температурных, механических - поперечное сжатие, изгиб и кручение. Поэтому ПМД и является случайной величиной, зависящей от времени, температуры и длины волны. Ее значение увеличивается пропорционально квадратному корню из длины волокна. Считается, что 42 поляризационная модовая дисперсия подчиняется закону распределения Максвелла. Поляризационную модовую дисперсию ОВ со случайной связью мод принято характеризовать ее средним значением с размерностью пс/км, которое нормируют и приводят в технических характеристиках, обозначая как DPMD. Тогда, ПМД накопленную на ВОЛП можно определить по формуле PMD  D PMD L , пс/км (1.15) где L – длина линии. В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т производитель волоконнооптического кабеля предоставляет значение коэффициента ПМД волоконнооптической линии - PMDQ, которое служит статистической верхней границей для коэффициента ПМД участка, состоящего из М последовательно соединенных строительных длин. Верхняя граница определяется на основе некой малой вероятности Q того, что результирующий коэффициент ПМД полученного участка превысит PMDQ. Для современных волокон при М = 20 и Q = 0.01% величина PMDQ не должна превышать 0.20 пс/км. Пример. Определить величину накопленной поляризационной модовой дисперсии на участке ВОЛП протяженностью 100 км, если коэффициент ПМД ОВ составляет 0.2 пс/км. Решение. PMD  0.2 100  0.2 10  2 пс 3.7. Эксплуатационные характеристики оптических волокон Эксплуатационные характеристики характеризуют срок службы ОВ, способность сохранять свои свойства в различных условиях и, в том числе, стойкость к внешним воздействиям. В частности стойкость к температурным и механическим воздействиям, воздействиям влаги. K основным факторам, определяющим срок службы ОВ, относят свойства ОВ, такие как долговременная механическая прочность, которая зависит от параметров статической усталости, исходная инертная прочность, которая определяется размером наибольшего дефекта на всей длине волокна, а также создаваемые в ОВ механические напряжения. Конструкции волоконно-оптических кабелей защищает волокна от внешних воздействий, максимально снижая растягивающие и изгибные нагрузки на волокна. Однако полностью их не исключает. Поэтому столь важно строгое соблюдение технологии строительства и технической эксплуатации линейнокабельных сооружений ВОЛП. В частности контроль радиусов изгиба, внешних нагрузок. Как показали исследования, чтобы гарантировать эксплуатационную надежность ОК в линии протяженностью 100 км в течение 25 лет с вероятностью отказа менее 0,001 механические напряжения ОВ не должны превышать допустимого значения натяжения (относительного удлинения) равного 0,2...0,25%. 43 К нормируемым механическим характеристикам ОВ относят также минимально допустимый радиус изгиба и усилие стягивания покрытия. Для стандартных оптических волокон диаметром 125 мкм рекомендуется минимально допустимый радиус изгиба 30 мм. Усилие стягивания покрытия (обычно 3 Н) служит показателем того, насколько легко и эффективно осуществляется работа с волокном. Как уже было отмечено, воздействие факторов окружающей среды должно минимальным образом отражаться стабильности параметров ОВ. B спецификациях на ОВ обычно указывается допустимые изменения коэффициента затухания при следующих внешних воздействиях (испытания на старение волокна):  температура в интервале от -60°С до +85°С;  циклы температура-влажность от -10°С до +85°С при влажности 98%;  выдержка в воде при температуре 23° 2°C;  тепловое старение при температуре 85°2°С; Для современных ОВ прирост коэффициента затухания при воздействии окружающей среды не должен превышать 0,05 дБ/км. 3.8. Фотонно-кристаллические оптические волокна В настоящее время термин фотонно-кристаллические волокна (Photonic Crystal Fibers, PCF) используется для обозначения оптических волокон со сложной структурой оболочки. Широко используется также термин “микроструктурированное волокно”. Фотонно-кристаллические волокна представляют собой кварцевую или стеклянную микроструктуру с периодической либо апериодической системой цилиндрических воздушных отверстий с расстоянием между ними менее длины волны оптического излучения, ориентированных вдоль оси волокна. По физическому механизму удержания света в сердцевине оптические волокна можно разделить на два больших класса. Первый класс образуют PCF, в которых удержание света в сердцевине происходит благодаря его зеркальному отражению от оболочки с периодически изменяющимся показателем преломления. Особенностью данного класса волокон является то, что они способны переносить с малым затуханием оптическое излучение только с длинами волн, лежащими в некоторой области, называемой фотонной запрещенной зоной. Фотонные запрещенные зоны существуют в оптических волокнах с двумя типами периодических структур: одномерных (1D) в виде соосных цилиндрических слоев и двумерных (2D) в виде полых трубок. 1D волокна с фотонными запрещенными зонами называются брэгговскими волокнами, а 2D – фотонно-кристаллическими волокнами с запрещенными зонами (PCF BG). Механизм удержания света в PCF второго класса вполне традиционен для оптического волокна – полное внутреннее отражение. В них используется новый принцип управления показателем преломления оболочки, основанный на его зависимости от структуры оболочки. Так, наличие полых трубок приводит к 44 уменьшению эффективного показателя преломления оболочки, что и обеспечивает выполнение условий полного внутреннего отражения для световых пучков, распространяющихся в сердцевине PCF. Фотонно-кристалические волокна обладают рядом уникальных свойств и открывают новые возможности для передачи и обработки оптических сигналов. Подбор соответствующей структуры оболочки позволяет управлять пространственными, дисперсионными и нелинейными свойствами волокна в широких пределах. Таким образом, подобные волокна находят применение в оптических компонентах, таких как источники широкополосного излучения (спектрального суперконтинуума), волновые конверторы, компенсаторы дисперсии, оптические усилители и т.д. 3.9. Нелинейные эффекты в оптических волокнах На современных ВОЛП характерны значительные уровни мощности, вводимые в оптическое волокно. Это объясняется увеличением числа оптических каналов, высоким уровнем сигнала в оптическом канале и использованием мощных оптических усилителей. При этом становится необходимым учитывать влияние нелинейных эффектов на качество передачи. Нелинейные эффекты могут быть разбиты на две основных класса: - вызванные эффектами неупругого рассеяния при котором оптическое поле передает часть энергии оптическому волокну; - связанные с нелинейностью Керра. К первому классу относятся такие явления как вынужденное комбинационное (рамановское) рассеяние (Stimulated Raman Scattering) и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (Stimulated Brillouin Scattering) Эффект Керра состоит в изменении коэффициента преломления материала под действием электрического поля. Это привносит зависимость показателя преломления от интенсивности излучения. К этой группе нелинейностей относятся - фазовая самомодуляция, - фазовая кросс-модуляция, - четырехволновое смешение, - модуляционная нестабильность. Эти эффекты определяются следующими параметрами волокна и сигнала, распространяющегося по нему: дисперсионными характеристиками волокна, эффективной площадью сердцевины волокна, числом и интервалом между оптическими каналами в многоканальных системах, полной, а также интенсивностью сигнала и шириной спектра излучения. В результате керровской нелинейности показатель преломления при наличии мощного излучения определяется в виде: P n  n  n2 Aeff n2 – нелинейный показатель преломления; P – оптическая мощность. 45 3.9.1. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна При распространении в среде свет рассеивается на ее неоднородностях. Частным случаем таких неоднородностей является движущаяся волна распределения плотности вещества, которую называют фононом. Одной из разновидностей фононов являются акустические. В обычных условиях акустические фононы существуют в твердых телах за счет тепловой энергии. Если же в этом материале распространяется оптическое излучение возникают процессы рассеяния падающего света на акустических фононах, приводящие как к поглощению, так и испусканию фононов. Рассеяние с испусканием фононов более эффективно, чем рассеяние с поглощением фонона. Когда при рассеянии возникает новый фонон, то частота световой волны уменьшается. Такой процесс называется стоксовым рассеянием, а частота рассеянной световой волны - стоксовой частотой. Очевидно, что для соблюдения закона сохранения энергии должно выполняться условие где п - частота падающего света, ф - частота фонона. Кроме закона сохранения энергии в процессе рассеяния должен выполняться закон сохранения импульса, который в данном случае можно выразить просто через соотношение волновых векторов здесь Kп , KS и Kф - волновые векторы падающего света, рассеянного света и фонона соответственно. Поскольку вероятность рассеяния пропорциональна числу соответствующих фононов, а их число зависит от температуры, то оказывается, что этот эффект при обычных условиях довольно слаб. Однако если увеличивать интенсивность падающего света, то начиная с некоторого значения интенсивности (порога) ситуация резко меняется. Дело в том, что наличие в материале кроме падающей еще и рассеянной световой волны увеличивает вероятность новых актов рассеяния. Как только рассеяние становится настолько эффективным, что начинает превосходить затухание света, так рассеяние начинает лавинообразно нарастать и интенсивность рассеянного излучения быстро становится сравнимой с интенсивностью падающего. Подобный процесс с участием акустических фононов, когда активную роль играет рассеянный свет, называется вынужденным рассеянием Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). ВРМБ имеет самый низкий пороговый уровень мощности. Было показано, что порог ВРМБ, как правило, имеет порядок 5-10 мВт для узкополосных источников света с внешней модуляцией и может изменяться в зависимости от типа волокна и даже среди отдельных волокон. Для приблизительной оценки порогового значения мощности может быть использована формула: Pth  21 KAeff  p   B  gLeff  B 46 где g — означает коэффициент усиления Бриллюэна, Аeff — эффективная площадь сердечника, K — постоянная, определяемая степенью свободы состояния поляризации (в рекомендации G.652, K = 2). Переменные  B и  p представляют спектральную ширину полосы Бриллюэна и источника накачки соответственно. Leff — обозначает эффективную длину, определяемую как Leff  1  exp   L   где  — коэффициент затухания волокна, a L — длина волокна. ВРМБ может распространяться как в прямом, так и в обратном направлениях. В каждом случае, свет сдвигается в область длинных волн. Например, при длине волны 1550 нм для кварцевых ОВ рассеянный свет приобретает сдвиг частоты приблизительно на 11 ГГц. ВРМБ ограничивает максимальные уровнь излучения, передаваемый по ОВ. На рис показано действие этого эффекта для узкополосного источника. Переданная мощность достигает насыщения и резко нарастает мощность обратного рассеяния. Для подавления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в существующих системах был разработан ряд методик. Наиболее популярная заключается в быстром (~50 КГц) размывании длины волны несущей частоты в диапазоне порядка 1 ГГц, что намного больше полосы пропускания рассеянного назад сигнала (30-60 МГц). Порог ВРМБ для узкополосного источника света 47 3.9.2. Вынужденное комбинационное (рамановское) рассеяние В кварцевых волокнах нелинейный эффект вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) впервые был обнаружен группой ученых под руководством Столена в 1971 году. В эксперименте было использовано одномодовое волокно производства Corning Glass Works. Авторы впервые сделали предположение о возможности построения широкополосных волоконных оптических усилителей на основе рамановского усиления. Уже в то время фундаментальные преимущества рамановских усилителей были очевидны. Основное препятствие для реализации заключалось в низкой величине эффективного сечения рамановского рассеяния, по сравнению с некоторыми кристаллами и жидкостями, и необходимости в мощных источниках накачки. Работы Столена вызвали большой интерес и стимулировали интенсивные исследования рамановского рассеяния в различных средах. Важным шагом явилось успешное использование волокон, легированных оксидом германия (GeO2) в волоконных рамановских лазерах непрерывного излучения и оптических усилителях. Эти работы положили начало для создания эффективных мощных лазеров накачки и волоконных рамановских усилителей. Важной особенностью является тот факт, что поскольку плавленый кварц обладает некристаллической структурой, полосы частот молекулярных колебаний перекрываются, образуя континуум, и в кварцевом ОВ ВКР существует в широком диапазоне частот. Спектр коэффициента рамановского усиления для плавленого кварца изображен на рисунке 1.4 [1,2]. Ширина полосы усиления превышает 40 ТГц и пик усиления наблюдается при частотном сдвиге в 13,2 ТГц. Ширина полосы пропускания зависит от длины волны накачки, а коэффициент усиления обратно-пропорционален длине волны накачки. В С-диапазоне (1530-1565 нм) 13.2 ТГц соответствует приблизительно 100 нм. Следует отметить, что форма спектра и амплитуда коэффициента рамановского усиления зависят от состава ОВ, в частности от концентрации примесей. Рамановское усиление значительно зависит от состояний поляризации сигналов. В случае совпадения состояний поляризации сигналов, рамановское усиление на порядок выше, чем при ортогональном расположении состояний поляризации. В волокнах без сохранения поляризации, вследствие явления случайной связи мод, поляризационная зависимость снижается. Порог ВКР определяется как такая мощность накачки в начале световода, при которой на выходе световода мощность стоксовой волны становится равной мощности накачки. Формула для расчёта минимальной пороговой мощности ВКР записывается в виде: 48 где gR – коэффициент рамановского усиления; Aэфф – эффективная площадь моды; КВКР - числовое значение, зависящее как от поляризационного состояния волны, так еще от ряда факторов. Минимальное значение составляет 1, типовое для большинства практических приложений - 2. g R  10 13 , м/Вт виртуальный энергетический уровень Состояния поляризации сигнала и накачки параллельны ортогональны 1.0 0.8 накачка 0.6 hv p сигнал hvs 0.4 оптический фонон 0.2 E ph 6 12 18 24 30 нижний энергетический уровень 36 v, TГц а) б) Рисунок Спектр коэффициента рамановского усиления для плавленого кварца (  p  1 мкм) – а), диаграмма энергетических уровней – б) ВКР оказывает влияние на работу ВОСП-СР только при значительной суммарной мощности, вводимой в ОВ. Влияние ВКР проявляется в том, что коротковолновые оптические каналы выступают в роли накачки для длинноволновых. В итоге мощность коротковолновых каналов снижается вследствие истощения, а длинноволновые каналы приобретают дополнительный шум. В итоге ВКР приводит к ограничению суммарной мощности, вводимой в ОВ, что ограничивает число оптических каналов, мощность в оптическом канале и дальность передачи. Для снижения эффекта ВКР может быть использовано ОВ с повышенной эффективной площадью. 49 3.9.3. Фазовая самомодуляция (ФСМ) При высокой интенсивности лазерного излучения сигнал может модулировать свою собственную фазу. Такая модуляция расширяет спектр сигнала и уширяет или сжимает сигнал во времени в зависимости от знака хроматической дисперсии (положительного или отрицательного). В хвосте волнового пакета возникает сдвиг к более коротким длинам волн, а на переднем фронте - в область длинных. Наведенный нелинейный набег фазы, вызванный ФСМ  NL (t )  2  n2 I (t ) Leff  P(t ) Leff , где  - коэффициент нелинейности, 1/Вт/км. - Набег фазы изменяется в зависимости от сигнала - Оптическое излучение изменяет (модулирует) собственную фазу - Оптический импульс приобретает чирп и при распространении спектр изменяется - Нелинейный набег фазы зависит от формы импульса ФСМ увеличивается с увеличением передаваемой мощности. Степень влияния ФСМ повышается при увеличении скорости передачи в канале, так как время нарастания импульса уменьшается. При наличии отрицательной хроматической дисперсии влияние ФСМ также усиливается. Влияние ФСМ снижается при работе в области точки нулевой дисперсии и при увеличении эффективной площади моды ОВ. В общем случае влияние ФСМ значительно в системах с высоким значением накопленной дисперсии или в системах очень большой протяженности. При использовании стандартного волокна типа G.652 ФСМ в зависимости от передаваемой мощности может приводить к сжатию импульсов для сигналов 50 с небольшим чирпом. Сжатие импульса противодействует влиянию хроматической дисперсии и может быть достигнут солитонный режим работы. 3.9.4. Фазовая кросс-модуляция (ФКМ) Когда две и более оптические волны вместе распространяются по ОВ, из-за нелинейности среды распространения они могут взаимодействовать друг с другом. Фазовая кросс-модуляция обусловлена нелинейным набегом фазы оптического поля, который наведен другим полем на другой длине волны, распространяющимся совместно. При этом флуктуации уровня мощности сигналов одного канала модулирует фазы сигналов в соседнем канале. В результате при наличии хроматической дисперсии модуляция фазы, наведенная соседними каналами, преобразуется в модуляцию амплитуды и увеличивает уровень шума. Вследствие взаимных влияний нелинейный набег фазы  NL (t )  ФКМ приводит к нелинейной связи между перекрывающимися во времени оптическими импульсами Особенности ФКМ • При наличии в ОВ дисперсии флуктуации фазы преобразуются в флуктуации интенсивности • Влияние ФКМ снижается при управлении дисперсией • Импульсы различных каналов распространяются с различными скоростями и ФКМ возникает только, если импульсы перекрываются во времени • При уменьшении интервала между каналами влияние ФКМ возрастает • Асимметрия наведенного чирпа и уширения спектра • ФКМ приводит к взаимным влияниям между оптическими каналами WDM систем • Может вызывать флуктуации амплитуды и временной джиттер 51 Степень проявления ФКМ определяется мощностью оптических каналов, их количеством, величиной хроматической дисперсии, а также параметрами ОВ. 3.9.5. Четырехволновое смешение Четырехволновое смешение FWM (Four-Wave Mixing) является одним из самых вредных нелинейных оптических явлений в системах WDM. При достижении критического уровня мощности излучения лазера нелинейность волокна приводит к взаимодействию трех волн с частотами ωi , ωj , ωk и появлению новой четвертой волны на частоте ijk  i   j  k При равномерном расположении каналов некоторые паразитные гармоники попасть в полосу рабочего оптического канала. Число таких ложных сигналов определяется соотношением: N 2 (N −1) / 2 где N – число каналов, передающих сигналы. Влияние ЧВС возрастает при увеличении мощности в каналах, уменьшению расстояния между каналами, при работе в районе точки нулевой дисперсии, увеличении числа каналов. 52 Влияние четырехволнового смешения снижается при увеличении эффективной площади моды ОВ, увеличении абсолютного значения хроматической дисперсии. Таким образом, зависимости эффективность ЧВС можно записать в виде     2  D     n2  Aeff ЧВС приводит к генерации паразитных гармоник, воздействующих на рабочие каналы как шум - снижение OSNR (см. рисунок) Особенности ЧВС Степень влияния ЧВС зависит от: - величины хроматической дисперсии (при уменьшении дисперсии эффективность ЧВС растет ) - интервала между каналами (при уменьшении интервала эффективность ЧВС растет) - типа ОВ - мощности оптических сигналов - числа каналов Как средство снижения влияния ЧВС, позволяющее использовать системы DWDM на волокне G.653, было также предложено использовать неравномерный шаг между каналами и увеличение этого шага. Неравномерный шаг позволяет быть уверенным, что продукты ЧВС, генерируемые тремя и большим числом каналов, не попадут непосредственно на частоты других рабочих каналов 3.9.6. Модуляционная неустойчивость Модуляционная неустойчивость (МИ) приводит к превращению непрерывного сигнала или импульса в модулированную структуру. МИ можно 53 наблюдать в режиме аномальной дисперсии, где квазимонохроматический сигнал имеет тенденцию спонтанно генерировать две симметричные спектральные боковые полосы. Сдвиг частот и усиление боковых полос определяется интенсивностью исходной волны, а также дисперсией и нелинейными коэффициентами волокна. Максимальная эффективность таких преобразований имеет место на частоте сдвига, определяемой из выражения 1/ 2  max  8 2 cn2 P0    3    Aeff D( )  где п2 - нелинейный коэффициент преломления диоксида кремния, Aeff площадь эффективной области волокна, Р0 - вводимая оптическая мощность, D() — коэффициент хроматической дисперсии,  - рабочая длина волны. Боковые полосы располагаются на расстоянии max от несущей, которая испытывает усиление на единицу длины, равное g max  4 P0 /   Aeff  . Модуляционная нестабильность может уменьшить отношение сигнал/ шум, благодаря генерации боковых полос или спонтанно, или вызванной усиленным спонтанным излучением (ASE). Учитывая, что максимальное искажение сигнала ожидается при высоких значениях gmax и для , близких к ширине полосы сигнала, МИ может оказаться критичной при использовании очень мощных бустеров в линиях с волокном со сдвигом дисперсии и лазеров с непосредственной модуляцией. В системах с длинными секциями/пролетами без регенерации, МИ может наблюдаться при меньших уровнях мощности и может приводить к избыточному усилению шума спонтанного излучения каскадно включенных оптических усилителей. Влияние МИ можно уменьшить или путем уменьшения уровня мощности или путем выбора диапазона рабочих длин волн ниже точки нулевой дисперсии звена. Управление дисперсией — еще один возможный вариант снижения продуктов боковых полос МИ. 3.9.7. Внутриканальные нелинейные эффекты Для систем со скоростью передачи в оптическом канале 40G и выше важными становятся внутриканальные нелинейные эффекты. Можно выделить два класса внутриканальных нелинейных эффектов: связанные со взаимодействием сигнал-шум и сигнал-сигнал. 54 Внутриканальная фазовая кроссмодуляция приводит к увеличению джиттера Внутриканальное четырех-волновое смешение приводит к появлению “ложных” импульсов 55 4. Технология спектрального уплотнения оптических каналов 4.1. Структурная схема регенерационного участка ВОЛП с ВОСП-СР На рисунке приведена структурная схема регенерационного участка ВОЛП с аппаратурой спектрального уплотнения в самом простом виде по схеме “точка-точка”. 1 1 ВОСП ТрП MPI-S ЭКУ1 ОУ1 R ОУ2 S ЭКУ2 MPI-R ОМ n ВОСП ТрП ТрП ВОСП ТрП ВОСП ОДМ ОУпд DCM DCM ОУпрм n Рис. 4.1. Структурная схема регенерационного участка Основные компоненты: ВОСП – волоконно-оптическая система передачи STM-64 или STM-256 со стандартным оптическим интерфейсом; ТрП – транспондер, преобразующий сигнал от ВОСП в оптический сигнал, соответствующий интерфейсу системы уплотнения; ОМ – оптический мультиплексор, служащий для объединения оптических сигналов на различных длинах волн в групповой поток; ОУпд – оптический усилитель передачи (бустер), служащий для компенсации затухания в оптических компонентах и обеспечения необходимого уровня сигналов, вводимых в главный оптический тракт; ЭКУ – элементарный кабельный участок, состоящий из строительных длин оптического кабеля, соединенных оптическими муфтами и смонтированными оконечными устройствами – оптическими кроссами; ОУ – линейный оптический усилитель, служащий для компенсации затухания на ЭКУ; DCM – модуля компенсации дисперсии, размещаемый в оптическом тракте для компенсации дисперсионных искажений; ОУпрм – оптический усилитель приема (предусилитель), служащий для компенсации затухания в оптических компонентах и обеспечения необходимого уровня сигналов, на сходе транспондера. При построении оптических сетей дополнительно в тракт могут включаться оптические мультиплексоры ввода-вывода (OADM) и переконфигурируемые мультиплексоры ввода-вывода (ROADM). 56 4.2. Оптические стыки BOCП-СР Рисунок 4.2. Оптические стыки BOCП-СР Контрольные точки: - Пд , ..., Пдn (S1 … Sn): контрольные точки на оптическом волокне на выходных оптических коннекторах передатчиков для каналов 1 … n; - ГПд (MPI-S): контрольная точка на выходе оптического мультиплексора/оптического усилителя передачи; - Пр' (R'): контрольная точка на оптическом волокне на входном оптическом коннекторе оптического линейного усилителя; - Пд' (S'): контрольная точка на выходном оптическом коннекторе оптического линейного усилителя; - ГПр (MPI-R): контрольная точка на входе оптического усилителя приема/оптического демультиплексора; - Пр1, …, Прn (R1 …… Rn): контрольные точки на оптическом волокне на выходных оптических коннекторах приемников для каналов 1 … n. Параметры оптических стыков в точках Пд , ..., Пд и Пр , ...., Пр для каждого оптического канала определяются и нормируются в соответствии с ОСТ 45.104. К нормируемым параметрам оптического стыка на передаче для каждого i-го канала ( =1, ..., n) дополнительно относятся: - центральная частота (длина волны) оптического канала; - расстояние между оптическими каналами; - отклонение центральной частоты оптического канала; - ширина линии излучения лазера. 57 К нормируемым параметрам стыков, определяемым в точках ГПд (MPIS), Пр’ (R’), Пд’ (S’) и ГПр (MPI-R), относятся: - отношение оптических сигнал/шум в каждом оптическом канале в точках ГПд (MPI-S) и Пд’ (S’); - суммарная мощность оптического излучения в точках ГПд(MPI-S) и Пд’ (S’) , ГПр (MPI-R), и Пр’ (R’); - перекрываемое затухание между точками ГПд (MPI-S) и ГПр, ГПд (MPIS) и Пр’, Пд’ (S’) и Пр’, Пд’ (S’) и ГПр (в пределах одного ЭКУ); - суммарная дисперсия между точками ГПд (MPI-S) и ГПр, ГПд (MPI-S) и Пр’ (R’) , Пд’ (S’) и Пр’ (R’) , Пд’ (S’) и ГПр (в пределах одного ЭКУ); - оптическая переходная помеха между оптическими каналами в точках ГПд (MPI-S) и ГПр; - максимум различия мощности в оптических каналах в точках ГПд (MPIS) и Пд’, ГПр и Пр’ (R’) . Дадим определения основным параметрам. 1) Центральная длина волны оптического канала определяется как центральная длина волны спектра оптического сигнала соответствующего канала. 2) Расстояние между оптическими каналами определяется как разность между центральными частотами оптических каналов. 3) Отклонение центральной частоты оптического канала определяется как разность между номинальной (согласно сетке длин волн МСЭ-Т) и действительной центральными частотами оптического канала. 4) Ширина линии излучения лазера определяется как ширина спектра оптического излучения при постоянной величине тока накачки лазера. 5) Отношение оптических сигнал/шум в каждом оптическом канале в точках ГПд (MPI-S) и Пд’ (S’) определяется как отношение средней мощности оптического сигнала к средней мощности оптического шума в полосе спектра частот оптического сигнала соответствующего оптического канала. 6) Перекрываемое затухание между точками ГПд (MPI-S) и ГПр, ГПд (MPI-S) и Пр’ (R’) , Пд’ (S’) и Пр’ (R’) , Пд’ (S’) и ГПр определяется как предельное значение затухания оптического излучения на соответствующем ЭКУ, при котором обеспечивается значение коэффициента ошибок не более 1х10-12. 7) Суммарная дисперсия между точками ГПд (MPI-S) и ГПр, ГПд (MPI-S) и Пр’ (R’) , Пд’ (S’) и Пр’ (R’) , Пд’ (S’) и ГПр определяется как сумма хроматической и поляризационной модовой дисперсий. 8) Суммарная мощность оптического излучения в точках ГПд (MPI-S) и Пд’ (S’) определяется как средняя мощности оптического излучения в точках ГПд (MPI-S) и Пд’ (S’) при передаче спектрально уплотненных оптических каналов. 9) Оптическая переходная помеха между оптическими каналами в точках ГПд (MPI-S) и ГПр определяется в каждом оптическом канале как отношение средней мощности оптического сигнала из остальных оптических каналов к 58 средней мощности оптического сигнала данного канала в полосе частот соответствующего оптического канала. 10) Максимум различия мощности в оптических каналах в точках ГПд (MPI-S) и Пд’, ГПр и Пр’ (R’) (R’) определяется как разность между наибольшим и наименьшим значениями средней мощности оптических сигналов в оптических каналах. 4.3. Основные компоненты ВОЛП с ВОСП-СР 4.3.1. Транспондер При реализации открытой архитектуры ВОСП-СР важным компонентом является транспондер, преобразующий оптические сигналы, соответствующий стандартами оптических интерфейсов рек. МСЭ-Т G.957/G.691, в оптические сигналы с длинами волн стандартной сетки частот рек. МСЭ-Т G.692. Рисунок 4.3. Оптические интерфейсы транспондера В транспондере производятся следующие преобразования оптического сигнала: - преобразование длины волны оптического сигнала в длину волны, соответствующую интерфейсу системы спектрального уплотнения; - может производиться преобразование формата модуляции; - при использовании функции предупреждающей коррекции ошибок FEC (Forward Error Correction) увеличивается линейная скорость передачи. Основным компонентом транспондера, отвечающим за энергетические и спектральные характеристики, является источник излучения - лазерный диод (ЛД). Поскольку современная аппаратура ВОСП-СР позволяет уплотнять значительное количество несущих с разносом по длине волны менее 1 нм ЛД должен обладать высокой стабильностью длины волны и узким спектром. Кроме того, в качестве источника излучения для ВОСП-СР необходимо использовать ЛД с малой паразитной модуляцией несущей (низкий уровень чирпирования). В настоящее время, большинство систем оптической передачи являются системами прямого детектирования модуляции интенсивности. Для протяженных ВОЛП при скорости передачи ≥2,5 Гбит/с необходимо использовать ЛД с внешней модуляцией, что позволяет снизить чирп излучения. В качестве внешних модуляторов обычно применяются электрооптические модуляторы, акустооптические модуляторы и волноводные модуляторы. В системах ВОСП-СР большой проблемой является стабильность длины волны лазеров. Согласно МСЭ-Т G.692, отклонение центральной длины волны не должно превышать 20% от интервала между оптическими каналами при разносе каналов более чем на 200 ГГц. Для интервала между каналами 100 ГГц 59 и менее допустимое отклонение не более 10% от интервала между каналами отклонение Например, отклонение центральных длин волн не должно быть больше ±10 ГГц в системе с разбросом каналов 100 ГГц. Точная настройка длины волны, как правило, осуществляется за счет регулировки температуры. Данный метод позволяют эффективно разрешить проблемы с кратковременной стабильностью длины волны. Для решения проблемы нестабильности длины волны, вызванные из-за длительной эксплуатации лазера рекомендуется в цепи обратной связи использовать компоненты, чувствительные к длине волны. На приеме транспондер выполняет обратное преобразование длины волны системы спектрального уплотнения в стандартную длину волны системы передачи. Таким образом, у транспондера имеется два оптических стыка: “клиентский” со стороны ВОСП и стык системы спектрального уплотнения “WDM” на стороне оптического мультиплексора. Требования к клиентскому стыку будут определяться типом интерфейса систем передачи. Типовые параметры оптического интерфейса 10G транспондера со стороны мультиплексора приведены в таблице. Таблица 4.1. мультиплексора Параметры Параметры оптического Ед. изм. интерфейса на стороне Характеристика Интервал между каналами 50 ГГц Формат линейного кода NRZ Параметры передатчика в эталонной точке Sn Максимальная средняя дБм выходная мощность Минимальная средняя дБм -5 выходная мощность Минимальный коэффициент дБ +10 гашения Центральная частота Тгц 192.10196.05, 186.95190.90 Отклонение центральной ГГц ±5 частоты Макс. ширина спектра по нм 0.3 уровню -20 дБ Минимум SMSR дБ 35 100 ГГц NRZ Маска глаз- диаграммы Рек. G.691 Параметры приемника в эталонной точке Rn Тип приемника PIN Рек. G.691 60 -5 +10 192.10196.05, 186.95190.90 ±10 0.3 35 PIN Диапазон рабочих длин волн Чувствительность приемника Перегрузка приемника Максимальный коэффициент отражения нм дБм 12001650 -14 12001650 -14 дБм дБ -1 -27 -27 Для передатчика транспондера определяются следующие параметры. Интервал между каналами определяет максимальное количество уплотняемых каналов в рабочем диапазоне. Для DWDM cтандартные значения составляют 100 ГГц, 50 ГГц, 25 ГГц или в единицах длины волны 0.8, 04 нм, 0.2 нм. Формат линейного кода для коммерческих систем выбирается в зависимости от скорости передачи в оптическом канале и дальности передачи. Например, для уровня 10 Гбит/c для стандартных регенерационных участков широко используемый формат “без возвращения к нулю” NRZ, при необходимости увеличения дальности передачи могут применяться коды с предварительным чирпированием CRZ, код “с возвращением к нулю” RZ, CSRZ код с возвращением к нулю c подавлением несущей. Для скорости 40 Гбит/c, как правило, используются фазовые форматы модуляции: оптический дуобинарный ODB, DRZ, дифференциальный фазовый DPSK. Максимальная и минимальная средняя выходная мощность определяет пределы измерения мощности оптического излучения на выходе транспондера. При этом “среднее” означает учет случайного появления бит 1 и 0. Минимальный коэффициент гашения определяет насколько уровень при передаче бита 1 выше уровня при передаче бита 0 и зависит от схемы модуляции и качества модулятора. Центральная частота (центральная длина волны) определяется номером рабочего канала и выбирается из стандартной сетки частот МСЭ-Т. Отклонение центральной частоты определяет максимально-допустимое отклонение центральной частоты канала от соответствующей нормированной согласно сетки частот МСЭ-Т. Максимальная ширина спектра по уровню -20 дБ определяет спектр оптического сигнала с учетом модуляции. Минимум SMSR – определяет степень подавления боковой моды узкополосных лазеров с распределенной обратной связью, используемых в высокоскоростных ВОСП. Маска глаз-диаграммы определяет шаблон глаз-диаграммы оптического сигнала на выходе транспондера и служит для оценки качества сигнала. Для приемника транспондера определяются следующие параметры. Тип приемника определяет тип используемого фотодиода. При практической реализации могут использоваться два типа: PIN фотодиод и лавинный фотодиод (APD). Использованием лавинного фотодиода позволяет добиться высокого уровня чувствительности, однако более сложно в реализации. 61 Диапазон рабочих длин волн Чувствительность приемника определяет минимально-допустимый уровень на входе при котором коэффициент ошибок не превышает допустимого значения. Перегрузка приемника определяет максимально-допустимый уровень на входе при котором коэффициент ошибок не превышает допустимого значения. Для оптического разъема транспондера также нормируется максимальный коэффициент отражения. 4.3.2. Мультиплексор/демультиплексор Основная функция мультиплексора заключается в объединении нескольких длин волн оптических сигналов для передачи по одному оптическому волокну. Основная функция демультиплексора заключается в разделении нескольких длин волн сигналов, передаваемых по одному оптическому волокну. Для надежной работы ВОСП-СР к компонентам предъявляются такие требования, как достаточное количество мультиплексированных каналов, малые вносимые потери, эффективное уменьшение перекрестных помех, широкая полоса пропускания и т. д. Мультиплексор и демультиплексор являются одинаковыми по принципу действия и требуют только изменения направлений входа и выхода. Рабочие характеристики компонентов ВОСП-СР должны удовлетворять требованиям определенных в МСЭ-Т G.671 и другим рекомендациям, имеющим отношение к данным системам. 1 2 1 1 2 n 1 2 n n 2 n а) мультиплексор б) демультиплексор Рисунок 4.4 Оптический мультиплексор/демультиплексор Существует много различных способов для производства компонентов ВОСП-СР, каждый из которых имеет свои особенности. В настоящее время, можно выделить четыре основных технологии: дифракционная решетка, решетка на основе массива волноводов (AWG), интерференционный фильтр и сплавной биконический разветвитель. В настоящее время для использования в аппаратуре спектрального уплотнения с количеством каналов свыше 16 наиболее эффективными являются мультиплексоры/демультиплексоры, построенные с использованием AWG технологии. Данная технология обладает следующими преимуществами: большое количество каналов, обеспечение малых интервалов между длинами волн, плоская характеристика полосы пропускания. Кроме того, данный подход является наиболее предпочтительным при реализации оптической коммутации 62 в оптических транспортных сетях следующего поколения. Пример параметров оптического мультиплексора, рассчитанного на 40 каналов приведены в таблице Таблица 4.2 Параметры 40 канального оптического мультиплексора/демультиплексора Параметры Характеристика Разнесение каналов Вносимые потери Отражение Диапазон рабочих длин волн Изоляция (смежные каналы) Изоляция (несмежные каналы) Потери, зависящие от поляризации (PDL) Температурные характеристики Максимальных разность вносимых потерь Полоса пропускания по уровню -1 дБ Полоса пропускания по уровню -20 дБ Ед. измерения 100 <10 < -40 1529  1561 >22 / >25 >25 <0.5 <2 <3 ГГц дБ дБ нм дБ дБ дБ пм/0C дБ >0.2 <1.4 нм нм 5. Оптические мультиплексоры ввода/вывода Для построения разветвленной оптической сети, связывающей между собой большое количество узлов связи разных уровней используют оптические мультиплексоры ввода/вывода (OADM – Optical Add-Drop Multiplexer), которые позволяют обеспечить транзитную передачу каналов между оконечными пунктами через промежуточные узлы, в которых происходит вывод и ввод отдельных каналов (длин волн). По методу реализации OADM разделяются на два типа: последовательные и параллельные. Последовательный OADM используется для локальных операций ввода/вывода до 16 каналов в/из основного тракта путем каскадирования модулей ввода/вывода 2-х каналов. Ограничение на количество каналов определяется ростом затухания по мере увеличения количества каскадов модулей ввода/вывода. На рис. 5.1. приведена структура коммерческого последовательного OADM. Групповой сигнал DWDM с линии поступает на вход блока оптических интерфейсов (FIU) где выделяется служебный канал OSC с рабочей длиной волны 1510 нм (обработка производится в модуле SC2). Далее групповой поток усиливается оптическим усилителем и поступает на каскадное соединение модулей ввода-вывода каналов (MR2). На каждом модуле вводится/выводится два оптических канала с рабочими длинами волн, заданными модулем, и 63 поступают на оптические терминальное оборудование промежуточного пункта. Оптические аттенюаторы служат для согласования уровней мощности каналов. Затем сформированный групповой сигнала DWDM поступает на оптический усилитель мощности, в блоке FIU к нему добавляется служебный канал OSC. Примечание: n  16 OTU 1 OTU n n-1 2 OAU F I U OBU C-EVEN OBU M R 2 F I U M R 2 OAU C-EVEN SC2 Рис. 5.1. Последовательный OADM При необходимости ввода/вывода большого количества каналов используется параллельный OADM. Параллельный OADM выполняет обработку сигналов услуг тремя способами: 1)Для локально вводимых/выводимых каналов преобразование длин волн реализуется блоком транспондера (OTU). 2) Для транзитных каналов с низким OSNR может производиться восстановление первоначальной формы сигналов (3R регенерация) посредством регенерирующих блоков (OTU). 3) Для транзитных каналов с приемлемым OSNR для данного и следующего участка возможна передача напрямую. OTU OAU OAU D40 M40 M40 D40 OTU OTU OTU OTU Услуга 1' Услуга 2' Услуга 1 Услуга 2 64 OAU OAU Рис. 5.2. Паралельный OADM Оба типа рассмотренных OADM не позволяют гибко и оперативно изменять рабочие длины волн вводимых/выводимых каналов. Для увеличения гибкости и обеспечения ее развития используют реконфигурируемые OADM (ROADM – Reconfigurable OADM), которые позволяют оперативно из центра управления оптической транспортной сети изменять ее топологию. Эти устройства сочетают в себе OADM и оптические кросс коммутаторы PXC – OXC (Photonic - Optical Cross-Connect). Устройства ROADM могут также поддерживать функции защитных переключений (резервирования) в узлах оптических сетей связи. Обобщенная структурная схема ROADM для двух волоконной схемы организации связи приведена на рис. 5. 3. Она включает пассивные оптические мультиплексоры (OMX), кросс коммутаторы (PXC), транспондеры (TPD), один из которых предназначен для служебного канала связи и устройства управления (УУ PXC). 1 2 1 2 n OMX ОВ1 OMX ROADM1 n ОВ1 PXC s УУ PXC TRD OSC 1 2 n TRD1 TRD2 TRDn К оборудованию клиентов ОВ2 ROADM2 ОВ2 Рис. 5.3. Обобщенная структурная схема ROADM. Первые технологии ROADM основывались на дискретных оптомеханических коммутаторах, оптических фильтрах, регулируемых оптических аттенюаторах VOAs (Variable Optical Attenuators) и устройствах контроля оптической мощности OPM (Optical Power Monitor), представляющие собой направленные несимметричные разветвители (95/5%) и фотодетекторы контроля мощности. 65 Рис. 5.4. Структура ROADM на основе дискретных компонентов Технология волновых блокираторов WB (Wavelength Blocker), была следующей технологией построения мультиплексоров ROADM. Эту технологию относят к первому поколению с точки зрения интеграции компонентов. В ROADM с WB на входе из многоканального оптического сигнала выделяются необходимые оптические каналы, которые проходят через блокираторы длины волны WB, которые либо пропускают их на выход либо блокируют (изолируют) оптическим ключом или перестраиваемым аттенюатором VOA. На выходе в общий групповой оптический сигнал добавляются вводимые оптические каналы на длинах волн, заблокированных WB. Следующим шагом в развитии технологий построения мультиплексоров ROADM является технология MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), в которой используется массив тонких отклоняющихся зеркал (рис. 5.5). Диаметр зеркал, из которых формируется массив, зачастую не превышает толщину человеческого волоса (около 800 мкм), что позволяет разместить на одной подложке несколько сотен и даже тысяч зеркал. Они монтируются на специальных осях, позволяющих им отклоняться в трехмерном пространстве под действием микроактюаторов, которые преобразуют в движение различные виды энергии: электрическую, магнитную и тепловую. Находят применение пьезоэлектрические и гидравлические устройства. Для коммутации обычно требуется несколько миллисекунд. 66 Рис. 5.5. Структура ROADM c применением MEMS Вместо зеркал могут использоваться дифракционные компоненты на пьезоэлектрических элементах, смонтированных на подложке. В неактивном состоянии они представляют собой отражающее свет зеркало. При приложении напряжения они сдвигаются по направлению к субстрату и образуют дифракционную решетку, отклоняя свет определенной частоты. Дифракционные MEMS являются относительно простыми в производстве. Ко второму поколению ROADM также относятся мультиплексоры на основе технологии PLC (Planar Lightwave Circuit), в которых используются интегрированные мультиплексор и демультиплексор на основе решетки из массива волноводов AWG (Arrayed Waveguide Grating), оптические переключатели 1×2 или 2×2 и управляемые оптические аттенюаторы (VOA). а б Рис. 5.6. Примеры базовых конструкций коммутаторов PLC 1×2 на основе направленного разветвителя (а) и PLC 2×2 на основе модулятора (интерферометра) Маха-Цендера. Технология PLC использует новые электрооптические материалы на основе соединений PLZT: (Pb, La), (Zr, Ti)O3. Они отличаются от ранее используемых материалов (LiNbO3, LiTaO3, Ba2NaNb5O15) в десятки раз большим коэффициентом электрооптической чувствительности и высоким быстродействием (время переключения порядка 1 нс). Простейшие оптические переключатели 1×2 или 2×2 способны поддерживать соединения типа «кросс» и «транзит». На их основе могут быть построены коммутационные матрицы N×N. 67 Рис. 5.7. Пример коммутационной матрицы PLC N×N. Третье поколение ROADM использует систему перестраиваемых мультиплексоров ввода-вывода, основанных на частотно-селективных переключателях WSS (Wavelength Selective Switch) . Они могут выполняться на основе микрозеркал (MEMS), жидких кристаллов LCD (Liquid Crystal Devices) и LCoS (Liquid Crystal on Silicon), управляемых разветвителей 1×2 PLC, например, с управляемыми интерферометрами Маха Цендера (ИМЦ) или с термической коммутацией. Частотные переключатели (коммутаторы) направляют конкретные частоты из входящего DWDM-сигнала на определенные выходные порты. Мощность каждой волны отдельно контролируется фильтрами с динамическим выравниванием уровня сигнала VOA или усиления сигнала DGE (Dynamic Gain Equalization). Мультиплексоры ROADM, основанные на WSS и PLC (рис. 2.28), одновременно выполняет четыре функции: демультиплексирование, выравнивание уровней мощности, коммутацию и мультиплексирование. Такими устройствами обеспечивается поддержка сетки частот 50 и 100 ГГц в полосах 191,6 – 196,3ТГц (оптическая С - полоса) и 186,9 – 191,3 ТГц (оптическая L – полоса) с числом каналов от 45 до 90. Рис. 5.8. Структура ROADM – WSS 68 6. Форматы модуляции оптического сигнала для высокоскоростных ВОЛП Модуляция – изменение одного или нескольких параметров несущего колебания в соответствии с передаваемым сообщением. Применительно к цифровым ВОЛП, то есть к дискретным системам связи, канальный сигнал которых принимает по информационному параметру лишь дискретный ряд значений, обычно говорят не о модуляции, а о манипуляции (дискретной модуляции) несущей. В общем случае модуляция (манипуляция) необходима для согласования параметров линейного тракта и источника сообщений. Следует отметить, что следует различать линейный код и формат модуляции (хотя в некоторых источниках эти два понятия приравнивают, называя линейным кодом формат NRZ). Будем считать, что линейный код представляет собой некий алгоритм, формирующий информационную последовательность «1» и «0». А формат модуляции определяет форму представления «1» и «0» в линии. В зависимости от того, какой параметр излучения модулируется различают следующие виды: - амплитудную модуляцию – Amplitude-shift keying (ASK); - частотную модуляцию – Frequency-shift keying (FSK); - фазовую модуляцию – Phase-shift keying (PSK). Говоря о модуляции оптического излучения, к перечисленным выше пунктам следует добавить модуляцию и по состоянию поляризации – Polarization-shift keying (PolSK). Амплитудные форматы модуляции наиболее просты в реализации и широко применяются при скоростях передачи до 10 Гбит/с включительно. При этом биту “1” соответствует наличие оптического импульса, а биту “0” – отсутствие излучения. Однако при использовании данного формата по мере увеличения скорости передачи пропорционально растет ширина спектра сигнала (что приводит к снижению отношения сигнал-шум), резко увеличиваются (пропорционально квадрату скорости) дисперсионные искажения и повышается требование к быстродействию всех элементов. Для систем передачи со скоростями 40 Гбит/с и более разработаны новые форматы внешней модуляции, которые уменьшают ширину оптического спектра сигнала, увеличивают спектральную эффективность модуляции, улучшают устойчивость к внутриканальным нелинейным эффектам в ОВ, к ХД и ПМД. В новых форматах используют многоуровневое кодирование с использованием комбинаций амплитудной, фазовой и поляризационной модуляций. В улучшенных RZ форматах используется амплитудная модуляция, а фазовая модуляция служит для уменьшения нелинейных искажений и увеличения спектральной эффективности. В дифференциальных фазовых 69 форматах (DPSK – Differential Phase Shift Keying) используется дополнительная амплитудная модуляция, которая служит для уменьшения «чирпа», возникающего из-за скачка фазы на границе между символами «1» и «0». Получили распространение двухуровневые DPSK и четырехуровневые DQPSK форматы с возвратом (RZ) и без возврата (NRZ) к нулю. Они имеют минимальные требования к отношению оптического сигнала к шуму (OSNR). Например, для фазового формата RZ DPSK оно должно составлять 11.1 дБ, по сравнению с 15.9 дБ для амплитудного формата NRZ ASK (Amplitude shift keying). Для наглядного представления дискретных двухуровневых и многоуровневых амплитудных и фазовых форматов модуляции при определенном состоянии поляризации используют фазовые векторные диаграммы, на которых ось I соответствует фазовому сдвигу 0, а ось Q – сдвигу π/2. Длина вектора определяет амплитуду напряженности E, а угол поворота – его фазу. Часто сами вектора не показывают, а оставляют только точки соответствующие вершинам векторов. Для каждого из возможных состояний поляризации может быть построена своя фазовая диаграмма. В таблице 2.6 приведены диаграммы для нескольких форматов модуляции. Каждый из рассмотренных видов модуляции может иметь формат NRZ или RZ. № 1 Таблица 6.1. Векторные (фазовые) диаграммы для различных форматов модуляции. Формат модуляции Фазовые диаграммы для ориентации вектора E вдоль осей x y Амплитудная бинарная Q модуляция ASK (Amplitude Shift Keying) или OOK (On Off Keyng) 1 I 2 Дифференциальная бинарная фазовая модуляция DPSK (Diferential Phase Keying) Q 1 I 3 Дифференциальная четырехуровневая фазовая модуляция DPSK (Quaternary Diferential Phase Keying) Q 11 01 10 I 00 70 4 Сочетание двухуровневой поляризационной и четырехуровневой фазовой модуляций DP QPSK (Dual Polarization QPSK) 011 Qx 111 Qy 001 Ix 010 00 101 Iy 110 100 В сигнале формата DPSK информация содержится в разности фаз между двумя последовательными импульсами, при этом мощность излучения информации не несет. При этом предварительно выполняется процедура дифференциального кодирования и в зависимости от сочетания передаваемых бит оптическая фаза передаваемых импульсов сдвигается на 0 или 1800. Для приема сигналов DPSK, может использоваться преобразователь фазовой манипуляции в амплитудную на основе интерферометра Маха-Цандера (ИМЦ). В одно из плеч интерферомтера включено устройство задержки на время, равное тактовому интервалу ВОСП. После интерферометра сигналы с одинаковыми фазами складываются, а сигналы в противофазе подавляются, и сигналы приобретают модуляцию по интенсивности и могут регистрироваться фотодиодом. Применение балансного фотоприемника позволяет добиться улучшения сигнал-шум на 3 дБ. Рис. 6.1. Приемник DPSK сигнала Одним из наиболее успешных форматов модуляции является DP QPSK, который использует два ортогональных состояния поляризации Ex и Ey, а также четыре состояния фазы, отличающихся на π/2. Схема передающего устройства (рис. 6.2) содержит одночастотный лазер, излучение которого разделяется в поляризационном сплиттере PBS1 (polarized beam splitter) поровну между двумя ортогональными линейными поляризациями. Каждая поляризация поступает на свой квадратурный модулятор (QPSK) на основе ИМЦ, который в каждой из двух ветвей также имеет ИМЦ с фазовым модулятором, а в одной из них дополнительно фазовращатель на π/2. В результате сигнал на выходе каждого квадратурного модулятора имеет одно из четырех значений фазы. Далее фазомодулированные сигналы с ортогональными поляризациями объединяются PBS2. 71 Каждый символ переносит 4 бита информации по 2 бита на каждой поляризации, что позволяет в 4 раза уменьшить скорость модулирующих сигналов, подаваемых на модуляторы со 100 Гбит/с до 25 Гбит/с. Сигнал передающего устройства будет иметь скорость 25 Гбод. Реально скорости передачи будут выше на 10-15% за счет использования линейных кодов, корректирующих ошибки FEC (Forward Error Correction). При интервале между каналами 50 ГГц и скорости 100 Гбит/c эффективность составит SE=4 бит/c/Гц. Ix Qx QPSK x ИМЦ1x π/2 PBS1 ЛД PBS2 Вых ИМЦ2x сигнал 100Гбит/с + FEC ИМЦ1y π/2 ИМЦ2y QPSK y Qy Iy Рис. 6.2. Упрощенная схема передающего устройства с кодом DP QPSK. Для приема и демодуляции сигналов с подобными форматами модуляции используются когерентные способы приема с использованием опорного источника излучения. 72 7. Методы компенсации хроматической дисперсии на ВОЛП 7.1. Расчет ограничения длины регенерационного участка из-за хроматической дисперсии Для высокоскоростных ВОЛП одним из основных ограничивающих факторов является хроматическая дисперсия. Расчет допустимой протяженности протяженность участка регенерации для узкополосного источника излучения без чирпа при формате модуляции NRZ можно производить по формуле: LD  941826    f D  B 2  2 , где D – коэффициент хроматической дисперсии на рабочей длине волны, пс/(нмкм); B – скорость передачи, Гбит/с;  – рабочая длина волны лазера, мкм: f – коэффициент заполнения (для NRZ f = 1);  – параметр, определяемый допустимым штрафом по мощности (для штрафа по мощности 1 дБ  = 0.306). Следует отметить, что в случае высокоскоростных ВОСП, для которых уширение спектра за счет модуляции значительно превышает вклад собственной ширины спектра источника излучения, уменьшение допустимой длины участка регенерации пропорционально B2. Таким образом, увеличение скорости передачи в 4 раза приведет к уменьшению допустимой протяженности регенерационного участка в 16 раз. Для примерной оценки также может быть использована формула, полученная для канала с длиной волны 1550 нм и сигнала апмлитудного формата NRZ 105 LD  , D  B2 D – коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нмкм) B – скорость передачи, Гбит/с Результаты оценки допустимой протяженности регенерационного участка для трех типов ОВ приведены в таблице Тип ОВ G.652 G.653 G.655 D, пс/(нм км) Lру,км 18 3.5 10 NRZ 2.5 Гбит/c 1045 5376 1882 NRZ 10 Гбит/c 65 336 118 73 NRZ 40 Гбит/c 4 21 7.4 Таким образом, можно сделать вывод о том, что при скорости передачи в оптическом канале 10 Гбит/с и выше необходима компенсация хроматической дисперсии. 7.2. Методы компенсации хроматической дисперсии В настоящее время разработано и используется на ВОЛП несколько методов компенсации дисперсии, отличающиеся как способом реализации и принципом работы, так и своими характеристиками и областью применения. Методы компенсации можно классифицировать в следующем виде Во-первых, по рабочему диапазону различают: - узкополосные методы, осуществляющие компенсацию в узком диапазоне длине волн, как правило, соответствующем одному оптическому каналу; - широкополосные методы позволяют компенсировать в определенном рабочем диапазоне, захватывающем несколько каналов. Для систем спектрального уплотнения в первую очередь представляет интерес широкополосная компенсация, так как при этом возможна компенсация во всем рабочем диапазоне с использованием одного устройства. Следует отметить, что для высокоскоростных систем передачи свыше 40 Гбит/с, вследствие невозможности одновременной идеальной компенсации для всех оптических каналов, широкополосные компенсаторы могут использоваться совместно с узкополосными, обеспечивающими тонкую подстройку для каждого канала. 74 Во-вторых, методы компенсации разделяют на оптические и электронные. В случае оптических методов компенсация производится в оптическом диапазоне, без преобразования в электрическую форму. Электронные методы основаны на особых методах формирования оптического сигнала или использования форматов модуляции, устойчивых к дисперсии, а также на специальных алгоритмах обработки сигнала на приеме. Достоинствами электронных методов являются: - снижение итоговой стоимости ВОЛП за счет уменьшения количества дорогих модулей компенсации дисперсии; - возможность одновременной компенсации и хроматической и поляризационной модовой дисперсии; - проще реализуется адаптивная компенсация дисперсии. В-третьих, методы компенсации можно разделить на - фиксированные, при которых величина компенсируемой дисперсии постоянна и не может быть изменена; - перестраиваемые, при которых возможна настройка величины компенсируемой дисперсии в определенных пределах; - адаптивные, позволяющие изменять величину компенсируемой дисперсии в зависимости от качества сигнала. При скоростях до 10 Гбит/c, как правило, достаточно фиксированной компенсации. Перестраиваемые компенсаторы получают применение при скоростях 40 Гбит/c и выше. Как правило, перестраиваемые компенсаторы узкополосные и служат для тонкой подстройки, если фиксированные методы не обеспечивают полной компенсации и остается недокомпенсированная дисперсия, превышающая допустимые нормы. Переход на уровень 100 и 160 Гбит/c может потребовать учета флуктуации величины хроматической дисперсии при эксплуатации и в этом случае необходимо использование адаптивных методов. В-четвертых, по способу размещения различают: - сосредоточенную, при которой устройство компенсации размещается в отдельных точках оптического тракта, например на усилительных, регенерационных или оконечных пунктах; - распределенную, при которой компенсация происходит на протяжении всего оптического тракта. Распределенная компенсация реализуется только на строящихся ВОЛП и заключается в чередовании строительных длин кабеля со стандартным и компенсирующим волокном. 7.3. Электронные методы компенсации хроматической дисперсии Электронные методы компенсации можно разделить на: - электронная компенсация дисперсии на стороне передатчика; - электронная компенсация дисперсии на стороне приемника. 75 Электронная компенсация дисперсии на стороне передатчика может быть реализована двумя основными способами: - использование форматов модуляции, устойчивых к влиянию дисперсии. - предкомпенсация путем искусственного искажения формы сигнала. Использование форматов модуляции устойчивых к влиянию дисперсии, является одним из наиболее эффективных способов электронных методов борьбы с дисперсией и нелинейными эффектами. К форматам, устойчивым к хроматической и поляризационной модовой дисперсии, относятся фазовые форматы модуляции. В специализированным форматам модуляции относится CRZ – чирпированный код с возвращением к нулю. При этом на передаче сигнал источника излучения модулируется таким образом, чтобы сформировался чирп, противоположный по знаку чирпу, приобретаемому в оптическом волокне за счет дисперсии. Таким образом, при распространении в ОВ внесенные предыскажения и дисперсия волокна взаимно компенсируются. Искусственное предыскажение формы сигнала широко применяется в радио- и спутниковой связи для компенсации детерминированных канальных искажений, в том числе нелинейных. Принцип метода заключается в том, чтобы сформировать на передаче сигнал с искажениями такого вида, чтобы при распространении в ОВ внесенные предыскажения и дисперсия волокна взаимно компенсировались. Схема предкомпенсации показана на рисунке. DSP – процессор цифровых сигналов, D/A – цифро-аналоговый преобразователь, Специальный процессор преобразует сигнал на выходе передатчика в две числовые последовательности, представляющие собой реальную и мнимую части предыскаженного сигнала. Далее каждая из последовательностей поступает в соответствующий цифро-аналоговый преобразователь (D/A), который формирует управляющий модулятором аналоговый электрический сигнал нужной формы. Электронная компенсация дисперсии на стороне приемника (посткомпенсация) производится в следующем виде: оптический сигнал преобразуется в электрическую форму в фотодетекторе и усиливается как при обычном приеме, а между устройством принятия решений электрический сигнал подвергается некоторой обработке. Такая обработка может осуществляться аналоговыми или цифровыми устройствами. К цифровым 76 устройствам относится адаптивный фильтр, включаемый в линию после приемника (или являющийся частью приемника). В качестве такого фильтра чаще всего используются опережающие эквалайзеры (FFE – Feed Forward Equalizer) или/и эквалайзеры с решающей обратной связью (DFE – Decision Feedback Equalizer), состоящие из нескольких линий задержки (чем их больше, тем лучше компенсация) с различными коэффициентами ветвления. FFE обычно представляет собой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр), а DFE – фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр). FFE-фильтры более стабильны, зато DFEфильтры способны восстановить более искаженные сигналы. Для правильной компенсации дисперсии коэффициенты прямой и обратной связи контролируются с помощью специальных адаптивных алгоритмов, которые обычно являются производными алгоритма минимальной среднеквадратичной ошибки (MSE – Mean Square Error). Он заключается в минимизации MSE между полученным и изначальным сигналами. Оптимальным приемником, способным адаптивно компенсировать дисперсию и нелинейные эффекты, может служить приемник с процессором, работающим по принципу Витерби вычисления максимально приближенной последовательности (MLSE – Maximum Likelihood System Estimation). 7.4. Оптические методы компенсации хроматической дисперсии К оптическим методам относятся: - волокна компенсации дисперсии; - чирпированные волоконные брэгговские решетки; - фазовые фильтры и эталоны; - фотонно-кристалические решетки; - обращение волнового фронта (на основе нелинейных эффектов); - компенсация на модах высшего порядка. Оптические методы, в частности волокна компенсации дисперсии и чирпированные брэгговские решетки на сегодняшний день нашли широкое применение на современных ВОЛП. Волокна компенсации хроматической дисперсии (DCF). Типичные параметры и характеристики. Таблица. Параметры волокон компенсации дисперсии S DCF, Марка DDCF DPMD DCF, DCF, 2 DCF (1550 нм), пс/(нм км) дБ/км пс/км пс/(нмкм) St.-DCF -100 - 0.23 0.43 0.24 EWB-DCF -120 - 0.44 0.45 0.25 HS-DCF -95 - 0.65 0.42 0.27 EHS-DCF -120 - 1.2 0.45 0.29 UHS-DCF -130 - 2.1 0.48 0.31 LL-DCF -170 - 0.7 0.46 0.35 77 Aeff, мкм2 20 21 15 14 14 18 7.5. Модули на основе волокна компенсации дисперсии Преимущества данного метода заключаются в следующем: - возможность компенсации в широком диапазоне (С + L - диапазоны); - возможность компенсации наклона дисперсии в заданном диапазоне длин волн; - широкий выбор волокон и модулей компенсации дисперсии; - относительная простота установки, не требующая изменений линейнокабельной части. Модули компенсации дисперсии, используемые в коммерческих системах, могут быть выполнены в виде отдельного устройства с габаритами, соответствующими одному юниту (1U) стандартной 19” стойки, или быть встроенными между каскадами оптического усилителя. В настоящее время доступны различные типы DCM, для C-диапазона, для L-диапазона или быть широкополосными, обеспечивающими одновременно компенсацию в C+L диапазонах. В таблице приведены типовые рабочие характеристики DCM, рассчитанных на работу в C-диапазоне. Таблица – Типовые параметры модулей компенсации дисперсии Параметр DCM-A DCM-В DCM-С LG.652, км 20 40 60 LG.655, км 80 160 240 Рабочий 1525÷1565 диапазон, нм Дисперсия , -330 (±2%) -660 (±2%) -990 (±2%) пс/нм (1545 нм) S, пс/нм2 -0,876 -1,753 -2,603 Коэффициент компенсации 90%÷110% наклона дисперсии Вносимое <4 <5 <7 затухание, дБ 78 DCM-D 80 320 DCM-E 100 400 -1320 (±2%) -1650 (±2%) -3,471 -4.252 <8 <10 PMD, пс PDL, дБ Pmax, дБм 0,5 0,1 20 0,7 0,1 20 0,8 0,1 20 1,0 0,1 20 1.2 0,1 20 Важными параметрами модуля компенсации являются: - рабочий диапазон, определяющий диапазон длин волн в котором осуществляется компенсация; - величина компенсируемой дисперсии DCM, пс/нм. Как правило, указывается значение для опорной длины волны и допустимое отклонение от номинала. - наклон дисперсионной характеристики S, пс/нм2. Позволяет оценить величину дисперсии на длинах волн, отличных от опорной; - вносимое затухание, дБ; - поляризационная модовая дисперсия PMD, пс. Определяют величину ПМД, накопленную в модуле; - потери, зависящие от поляризации, дБ. Определяют пределы вариации вносимого затухания при вариации состояния поляризации входного сигнала; Обычно производители предоставляют модули компенсации дисперсии с фиксированным значением дисперсии, которое соответствует дисперсии, накопленной на определенном участке телекоммуникационного волокна. В данной таблице LG.652 и LG.655 обозначают протяженность участка с оптическим волокном, соответствующим рек. МСЭ-Т G.652 и G.655, соответственно, который может быть скомпенсирован данным модулем. Таким образом, задача компенсации сводится к выбору модуля компенсации с величиной дисперсии, наиболее близкой к величине, накопленной на ЭКУ дисперсии линейного волокна. Подбор следует производить таким образом, чтобы на всем участке регенерации остаточная дисперсия не превышала определенный уровень Допустимая величина накопленной дисперсии на ВОЛП (для амплитудной модуляции, формат NRZ без чирпа) Скорость передачи Допустимая величина полной дисперсии на ВОЛП, пс/нм 2,5 Гбит/с (STM-16) 16000 10 Гбит/с (STM-64) 1000 40 Гбит/с (STM-256) 60 7.6. Компенсаторы хроматической дисперсии на основе волоконных брэгговских решеток Компенсатор дисперсии фирмы Teraxion ClearSpectrum™–DCML 79 Фиксированный модуль компенсации хроматической дисперсии для высокоскоростных DWDM сетей. Значительный диапазон компенсации, низкий уровень затухания, низкий уровень задержки Эффективная и надежная альтернатива DCF. Принцип работы основан на запатентованной технологии TeraXion многоканальных волоконных брэгговских решеток. Уровень компенсации от 20 до 100 км от 20 до 100 км Интервал между 100 50 каналами, ГГц Ширина рабочего >60 >25 диапазона, ГГц Вносимые потери, дБ <3 <3 Задержка, нс < 25 < 25 Рабочая температура от -5 до 70°C Размеры 162 x 20 x 9 mm The ClearSpectrum™–DCMX Фиксированный модуль компенсации хроматической дисперсии для высокоскоростных DWDM сетей. compensation module for high-speed DWDM networks. СlearSpectrum™–DCMX привлекательная альтернатива DCF в Достоинства: - значительный диапазон компенсации; - малые габариты; - низкий уровень вносимых потерь; - низкий уровень задержки Уровень компенсации от 20 до 100 км Интервал между 100 каналами, ГГц 80 от 120 до 200 км 100 от 220 до 400 км 100 Ширина рабочего диапазона, ГГц Вносимые потери, дБ Задержка, нс Рабочая температура >40 >30 >30 <3 < 50 от -5 до 70°C <3 < 50 <5 < 50 DCMX-Standard 10 to 100 km: 207 x 65 x 8.6 mm 120 to 400 km: 242 x 65 x 8.6 mm DCMX-Compact 10 to 100 km: 200 x 25 x 9 mm 120 to 400 km: 235 x 25 x 9 mm DCMX–LGX 10 to 200 km: 204 x 100 x 29 mm DCMX–1U 10 to 200 km: 195 x 40 x 18 mm Также имеется вариант OEM поставки ClearSpectrumTM–DCX в виде волоконной брэгговской решетки с инваровой трубке . Для включения такого модуля необходимо использование оптического циркулятора. Габариты такого устройства составляют: от 10 до 100 км: диаметр 6.3 мм, длина 190 мм от 120 до 200 км: диаметр 6.3 мм, длина 225 мм 7.7. Компенсаторы хроматической дисперсии на основе оптических интерферометров и фильтров Некоторые оптические интерферометры, в частности эталоны Фабри Перо, Жире - Турнуа и Маха - Цендера, обладают дисперсионными характеристиками, которые могут быть использованы для компенсации дисперсии ВОЛС. Фазовый фильтр (all - phase filter) идеально передает свет на всех длинах волн в своем рабочем диапазоне и может сдвигать фазы на определенных 81 длинах волн. Два важных примера представлены эталонами и кольцевыми резонаторами В хорошо известном эталоне Фабри - Перо свет курсирует в резонаторе, ограниченном двумя полупрозрачными зеркалами. Резонанс наступает при условии, что в полный путь света между зеркалами туда обратно d укладывается целое число длин волн  в среде с показателем преломления n, или 2d = N/n. Такие резонансные длины волн задерживаются резонатором, что приводит к их фазовому сдвигу относительно других длин волн. Однако эталон Фабри - Перо не является правильным фазовым фильтром, так как свет может покинуть его из любого из двух зеркал. Менее известный эталон конструкции Жире - Турнуа (Gires - Tournois) действует как фазовый фильтр, так как заднее зеркало является полностью отражающим, и весь свет выходит из частично прозрачного переднего зеркала. Как и в эталоне Фабри-Перо резонансы возникают, когда полный путь света кратен целому числу длин волн. Свет на резонансных длинах волн испытывает фазовую задержку, проводя больше времени в резонансной полости в сравнении с другими длинами волн. Изменяя расстояние между зеркалами можно настроиться на условие резонанса и большую фазовую задержку. В одном из подходов подвижное переднее зеркало перемещается взад-вперед относительно полного отражателя. В качестве альтернативы используют температурную регулировку показателя преломления, что приводит к такому же эффекту фазового сдвига на резонансных длинах волн. Резонансные фазовые сдвиги не проявляются очень резко, а размазаны в некотором диапазоне длин волн (см. рис. 4.5). Конструкция эталона допускает возникновение нескольких резонансов на равноотстоящих длинах волн. Таким образом, сразу несколько рабочих каналов могут испытывать фазовую задержку, хотя данный метод не позволяет настраивать разные наклоны дисперсионной кривой. Рисунок Фазовая периодически. задержка в эталоне Жире-Турнуа меняется Другой тип фазового фильтра с перестраиваемой фазовой задержкой в кольцевом резонаторе показан на рисунке. В состав кольца входит пара термооптических фазовращателей, с помощью которых регулируют фазовую задержку и, следовательно, хроматическую дисперсию. (Кольцо с одним фазовращателем обеспечивает постоянную фазовую задержку.) Эта методика 82 не разработана столь хорошо как фазовый фильтр на основе эталона, но допускает исполнение на базе интегральной оптике и обещает налаживание дешевого производства. 7.8. Перестраиваемые компенсаторы дисперсии на основе брэгговских решеток Для изготовления перестраиваемых компенсаторов дисперсии могут применяться волоконные брэгговские решетки. Принцип перестройки основан на зависимости параметров решетки от температуры и механических воздействий. Например, один из вариантов реализации заключается в нанесении на поверхность ОВ с записанной решеткой проводника переменной толщины. При подключении источника ЭДС к концам проводника начинает протекать ток. Сила тока в каждой точке зависит от толщины проводника, и, как следствие, изменяется нагрев. В итоге различные области решетки расширяются по разному. Таким образом, контролируя напряжение возможно перестраивать величину компенсируемой дисперсии. В качестве альтернативы можно использовать систему пьезоэлементов, при приложении напряжения к которым можно регулировать степень растяжения ОВ с брэгговской решеткой. Тем самым, меняя величину дисперсии. 83 Для примера рассмотрим промышленный перестраиваемый компенсатор хроматической дисперсии компании TeraXion. Предлагаемые модели имеет широкий диапазон перестройки до + 1500 пс/нм, соответствуют сетку частот 50 ГГц и поддерживают 37.5, 33 и 25 ГГц, точность установки составляет 5 пс/нм, вносимые потери не более 5 дБ. Время перестройки составляет не более 10 с. Данный тип компенсаторов получил широкое применение для платах транспондеров оборудования 40 Гбит/c. 84 8. Оптические усилители на ВОЛП 8.1. Классификация оптических усилителей по назначению В настоящее время оптические усилители (ОУ) являются неотъемлимой частью современных ВОЛП и оптических сетей. Возможность усиления оптического сигнала в широком диапазоне длин волн без преобразования в электрическую форму способствовала развитию и широкому внедрению технологи спектрального уплотнения. В зависимости от назначения и местоположения на ВОЛП оптические усилители можно классифицировать следующим образом - усилитель мощности (бустер), - линейный усилитель, - предварительный усилитель. ВОСП Усилитель мощности (бустер) ВОСП Линейный усилитель Предварительный усилитель Рисунок 8.1. Классификация оптических усилителей на назначению ВОЛП по Усилитель мощности (бустер) устанавливается на выходе оптических передатчиков терминального оборудования или оборудования регенерации. Главная функция бустера заключается в усилении мощности оптического излучения, вводимой в оптический тракт, что позволяет скомпенсировать потери в пассивных элементах (например, оптических мультиплексорах) и увеличить протяженность первого усилительного участка. Основные требования предъявляются к линейности характеристики усиления мощности и максимально допустимой мощности сигнала на выходе. Требования по шумовым характеристикам бустера не высоки. Линейные усилители располагаются в пределах секции регенерации для компенсации потерь в оптическом волокне усилительного участка. В данном случае требуется, чтобы ОУ имел высокий уровень усиления слабых сигналов, низкий уровень вносимого шума и равномерный спектр характеристики усиления. Предварительный усилитель располагается перед оптическим приемником терминального оборудования или на выходе оборудования регенерации. Основная функция данного усилителя заключается в усилении слабых сигналов до уровня чувствительности приемного оборудования. Главное требование к предусилителю заключается в минимальном уровне вносимого шума. Применение предварительного усилителя позволяет значительно улучшить чувствительность приемника прямого детектирования. 85 8.2. Классификация оптических усилителей по реализации В зависимости от принципа работы можно ввести следующую классификацию оптических усилителей: - оптические усилители на основе оптических волокон, легированных редкоземельными элементами (эрбий (Er), празеодим (Pr), неодим (Nd), туллий (Tu), итербий (Yr) и др.); - оптические усилители, основанные на явлении вынужденного комбинационного усиления (рамановские усилители); - полупроводниковые усилители; - параметрические усилители; - оптические усилители, основанные на явлении вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. До появления в конце 1980-х оптических усилителей на основе волокна, легированного эрбием, ВКР являлся практически единственным методом оптического усиления для телекоммуникаций, и был использован в первых успешных экспериментальных протяженных ВОЛП. Однако для ВОЛП тех поколений было характерным использование одной несущей при мощности сигнала порядка нескольких милливатт. Таким образом, эрбиевый усилитель с мощностью накачки порядка десятков милливатт позволял усиливать сигнал в требуемом диапазоне, и использовать рамановский усилитель, требующий накачки мощностью сотен милливатт, было нецелесообразно. Кроме того, доступные и эффективные источники излучения для накачки в требуемом диапазоне практически отсутствовали. В настоящее время на ВОЛП наиболее широко распространены ОУ на основе волокна, легированного эрбием (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA). Во многих ВОСП-СР количество каналов и, следовательно, полная пропускная способность ограничивается полосой пропускания стандартного диапазона (1530-1565 нм – С-диапазон), в котором работает EDFA. Для увеличения пропускной способности ВОСП-СР первоначальной задачей является увеличение рабочей полосы усиления оптических усилителей. Кроме использования окон прозрачности 800 нм и 1300 нм, где могут применяться усилители на фторидном волокне, легированном тулием или празеодимом, предпринимаются исследования примесей и несущей среды, позволяющих обеспечить достаточное усиление в диапазонах 1450-1530 нм и 1570-1650 нм, где коэффициент затухания ниже 0.3 дБ/км. В коротковолновом диапазоне (Sдиапазон) эффективным является оптический усилитель на волокне, легированном тулием (TDFA), а в длинноволновом диапазоне (L-диапазон) могут использоваться EDFA со смещенным спектром усиления (GS-EDFA). Практически эрбиевый усилитель для широкополосных ВОСП-СР (C+L диапазоны), как правило, реализуется в виде составной конструкции, в которой используются два отдельных усилителя, разработанные под конкретный диапазон. На рисунке 8.2. представлена типовая схема построения подобных усилителей. 86 Сигнал C-диапазон (1530 - 1565 нм) EDFA С-диапазон Сигнал C+L - диапазон (1530 - 1625 нм) Сигнал C+L - диапазон (1530 - 1625 нм) WDM WDM Сигнал L-диапазон (1565 - 1625 нм) EDFA L-диапазон Рисунок 8.2. Схема составного широкополосного EDFA усилителя Кроме того, по мере увеличения числа мультиплексируемых оптических каналов, значительно возрастает суммарная мощность, вводимая в оптическое волокно, а следовательно повышаются требования и к мощности источников накачки. Таким образом, эти факторы привели усложнению конструкции эрбиевых усилителей, и требуемые значения мощности накачки сравнилась со значениями, необходимыми для обеспечения рамановского усиления. Таким образом, ВОЛП с использованием EDFA почти достигли своего предела пропускной способности. Для увеличения рабочего диапазона ВОСП-СР могут использоваться оптические усилители на теллуритовом волокне, легированном эрбием (EDTFA). Также существуют разработки в области полупроводниковых оптических усилителей (SOA), однако такие усилители имеют ограниченную область использования. В настоящее время значительные перспективы имеют параметрические усилители, принцип работы которых основан на нелинейных явления ОВ, однако пока данная технология не доступна для промышленного использования. На рисунке 8.3 приведен типичный спектр затухания ОВ и рабочие области различных оптических усилителей. В настоящее время для использования на оптических сетях со спектральным уплотнением волоконные рамановские усилители (ВРУ) являются одной из наиболее перспективных технологией и получают все более широкое применение [1-11]. Принцип работы таких усилителей основан на явлении вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния (ВКР) в оптическом волокне (ОВ). Выделим основные преимущества подобных усилителей: - в качестве активной среды может служить любое ОВ; - усиление не является резонансным и возможно в широком диапазоне длин волн (0.3 - 2 мкм); 87 - рамановское усиление является относительно широкополосным (более 5 ТГц ) и обладает ровной характеристикой усиления в широком диапазоне; - использование нескольких источников накачки позволяет увеличить рабочий диапазон и добиться равномерной характеристики усиления; - возможно проектирование усилителей с потенциально лучшими шумовыми характеристиками; - при распределенном усилении возможно снижение влияния нелинейных эффектов. O-band (1260-1360) E-band (1360-1460) S-band C-band L-band (1460-1530) (1530-1565) (1565-1625) U-band (1625-1675) Рамановские усилители PDFA EDFA TDFA GS-TDFA GS-EDFA EDTFA 1.6-мкм TDFA FRA+EDFA OH EDFFA ZWP 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 Рисунок 8.3. Оптические усилители на ВОЛП В немалой степени внедрению ВРУ на ВОЛП способствовало развитие технологий производства полупроводниковых лазерных диодов и разработка промышленных высокомощных лазерных диодов в диапазоне 14хх нм. На сегодняшний день на действующих ВОЛП в серийных ВОСП ВРУ преимущественно используются в качестве малошумящих предусилителей совместно с эрбиевыми усилителями, однако следует отметить тенденцию использования ВРУ в качестве линейных усилителей в особенности на протяженных линиях. 8.3. Оптический усилитель на основе волокна, легированного эрбием Оптические усилители на основе волокна легированного эрбием (EDFA) являются основой для построения экономически эффективных ВОЛП с ВОСПСР и сетей на их основе. Усилители EDFA обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна и основным рабочим диапазонам ВОСП-СР (С и L диапазоны). Оптические усилители работают независимо от протокола сигнала или метода 88 модуляции оптического сигнала. Усилители EDFA открывают возможность передачи модулированного оптического сигнала на очень большие расстояния без необходимости восстановления и регенерации передаваемой информации. Применение усилителей EDFA позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка сигнала электронными компонентами происходит только в начальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной (где информация достигает конечного получателя) точках сети. Усилитель EDFA состоит из отрезка волокна, легированного эрбием. В таком волокне сигналы определенных длин волн могут усиливаться за счет энергии внешнего излучения накачки. На рисунке 8.4 представлена стандартная оптическая структура оптического усилителя на волокне, легированного эрбием с двунаправленной накачкой. Излучение сигнала и лазера накачки объединяются вместе в волновом мультиплексоре WDM, и затем вводятся в волокно, легированное эрбием. Второй каскад усиления реализуется источником накачки во встречном направлении. Возбужденное излучением лазеров накачки эрбиевое волокно выполняет функцию усиления. Оптические изоляторы служат для предотвращения проникновения в оптический усилитель постороннего излучения с линии. Оптические ответвители отводят долю сигнала (порядка 1%) на фотодетекторы системы контроля. Фильтр-эквалайзер служит для выравнивания спектра усиления. Рисунок 8.4. Структурная схема оптического усилителя EDFA Волокно, легированное ионами эрбия Er3+, является активной средой, в которой происходит усиление. На рис. 8.5. приведена диаграмма энергетических уровней Er3+. Валентный ион элемента Er3+ имеет трехуровневую структуру (E1, E2 и E3), где E1 - основное состояние, E2 – метастабильное состояние и E3 – верхний уровень (возбужденное состояние). 89 1480 нм 980 нм  ~ 1 мкс  ~ 10 мс Рисунок 8.5. Диаграмма энергетических уровней EDFA Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого стекла (эффект Штарка). Под действием накачки за счет поглощения фотонов накачки ионы эрбия переходят из основного состояния (уровень E1) в верхнее возбужденное состояние (уровень E3), которое является короткоживущим (время жизни 3=1 мкс), и за счет процессов релаксации переходят в долгоживущее состояние без излучения фотона (на метастабильный уровень E2 энергии). Термин метастабильный означает, что время пребывания иона эрбия на этом уровне энергии (его также называют временем жизни) относительно велико (2=10 мс, т.е. 2=10 0003). Поэтому число ионов, находящихся на уровне E2, при соответствующей мощности накачки может превышать число ионов на уровне E1. Таким образом, за счет накачки создается инверсия населенности. Если в среду с инверсией населенности попадает излучение с энергией фотона, совпадающей с энергией перехода из метастабильного состояния в основное, то с большой вероятностью происходит переход иона с метастабильного уровня E2 на основной уровень E1 с одновременным рождением еще одного фотона. Увеличение числа фотонов при их взаимодействии с ионами эрбия означает, что происходит усиление света, распространяющегося в среде с инверсией населенности. Длина волны и спектр усиления жестко определены типом активных ионов, и для эрбия эффективный диапазон усиления составляет 1520-1570 нм. При отсутствии усиливаемого сигнала ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая фотоны с энергией, соответствующей данному переходу. То есть появляется спонтанное излучение. Следует подчеркнуть, что и в рабочем режиме при наличии усиливаемого сигнала часть возбужденных ионов переходит в основное состояние спонтанно, при этом спонтанное излучение также усиливается, приводят к появлению усиленного спонтанного излучения. Усиленное спонтанное излучение является основным 90 источником шумов, а также ограничивает коэффициент усиления, особенно в случае слабого сигнала. Для накачки используются лазерные диоды с рабочей длиной волны 980 и 1480 нм. С увеличением мощности накачки коэффициент усиления растет. В то время как увеличение длины эрбиевого волокна вначале будет приводить к росту коэффициента усиления. При превышении оптимальной длины мощности накачки может быть недостаточно для возбуждении ионов эрбия по всей длине и коэффициент усиления будет падать, вплоть до того, что усиления будет отсутствовать. 8.5. Технические параметры оптических усилителей Выделим основные технические параметры оптических усилителей. Рабочий диапазон длин волн коммерческих оптических усилителей для транспортных сетей в первую очередь ориентируется на C- и L- диапазон. Причем в коммерческих системах процесс усиления сигналов C- и Lдиапазонов, как правило, осуществляется раздельно. Коэффициент усиления G определяет во сколько раз увеличилась мощность оптического сигнала при прохождении через усилитель P G  s.out Ps.in где Ps.in и Ps.out - мощности информационных сигналов на входе и выходе усилителя (Вт). Логарифмический эквивалент определяется по формуле P  G  10 lg s.out  , дБ  Ps.in  или G  p s , out  ps , in , дБ, если p s , out , p s , in приведены в дБм. Коэффициент усиления зависит от множества параметров, которые по отдельности или вместе, могут влиять на эффективность усилителя. Коэффициент усиления зависит от длины волны сигнала, состояния поляризации на входе и мощности сигнала. Коэффициент усиления оптического усилителя в значительной степени зависит от уровня входного сигнала. Обычно усилитель хорошо усиливает слабые входные сигналы (например, типичный коэффициент усиления >30 дБ для предусилителя EDFA достигается при входном сигнале < –20 дБм). Для входных сигналов средней мощности коэффициент усиления начинает отклоняться от прежнего значения. Точка спада на кривой коэффициента усиления является важным параметром усилителя. Она определяется по уровню спада на 3 дБ коэффициента усиления относительно усиления слабых сигналов (см. рисунок 8.6). 91 Минимальная и максимальная оптическая мощность на входе определяет диапазон допустимых уровней мощности на входе. Минимальный уровень сигнала на входе определяется собственными шумами усилителя – если уровень сигнала на входе будет меньше минимально допустимого полезный сигнал будет подавлен шумом усиленного спонтанного излучения. Максимально-допустимый уровень определяется истощением накачки – при превышении данного порога заданный коэффициент усиления не может быть обеспечен. Мощность насыщения Pout.sat (saturation output power) - определяет максимальную выходную мощность усилителя. Большее значение мощности позволяет увеличивать расстояние безретрансляционного участка. Этот параметр варьируется в зависимости от модели оптического усилителя. Рисунок 8.6. Зависимость уровня усиления от мощности сигнала на входе Шум-фактор. Шумовые характеристики усилителя определяются мощностью усиленного спонтанного излучения PASE. В отсутствии входного сигнала EDFA является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и от статистического распределения заселенностей уровней зоны. Спонтанно излученные фотоны, распространяясь по активному волокну порождают вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Результирующий спектр спонтанных фотонов называется усиленным спонтанным излучение (см. рисунок 8.7). Его мощность нормируется в расчете на 1 Гц и имеет размерность Вт/Гц. Если на вход усилителя подается сигнал, от лазера, то определенная доля энергетических переходов, ранее работавшая на усиленное спонтанное излучение, начинает происходить под действием сигнала от лазера, усиливая входной сигнал. Таким образом происходит не только усиление полезного входного сигнала, но и ослабление РASE. (см. рисунок 8.7). 92 Рисунок 8.7 Спектр на выходе EDFA Мощность усиленного спонтанного излучения связана с коэффициентом усиления формулой nsp G  1 PASE  h  где h - постоянная Планка, равная 6,625210-34 Втс2,  - частота (Гц), соответствующая длине волны  из диапазона 1530-1560 нм, nsp коэффициент спонтанной эмиссии,  - квантовая эффективность. В идеальном случае nsp    1 при G  1 отнесенная ко входу мощность усиленного спонтанного излучения идеального квантового усилителя PASE G просто равна h , что при = 1550 нм составляет 1.28 x 10-19 Вт/Гц в расчете на спектральную полосу 1 Гц. Размеру окна анализатора в 0,8 нм соответствует спектральное окно в 100 ГГц, что определяет приведенную к входу величину эффективной мощности усиленного спонтанного излучения 1.28 x 10-8 Вт или 48,9 дБм. Шум-фактор NF (noise figure) характеризует ухудшение отношения сигнал/шум после прохождения сигнала через оптический усилитель и определяется как отношение сигнал/шум на входе ( SNRin ) к отношению сигнал/шум на выходе ( SNRout ): SNRin P Ps.out NF   s.in , SNRout Pn.in Pn.out Шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и мощность усиленного спонтанного излучения: P 1  NF  1  ASE  , G  h  93 где G – коэффициент усиления; PASE - мощность усиленного спонтанного излучения; h - постоянная Планка;  - частота оптического излучения;  ширина спектра оптического канала. Часто при описании EDFA значение шум-фактора указывается в дБ: SNRin NF  10 lg( ) SNRout или, если отношение сигнал-шум выражено в логарифических единицах NF = SNRin дБ  - SNRout дБ  , дБ. Минимальный шум-фактор равен 1 (0 дБ) и достигается при nsp   1 или при G  1 . Это означает, что усилитель вносит минимальный шум, равный шуму идеального оптического усилителя. На практике NF идеального EDFA составляет 3 дБ (10 lg 2 ), так как существует два направления поляризации (две моды), в связи с чем nsp  2 , а типичные значения составляют 56 дБ. При использовании каскада из нескольких усилителей полный шумфактор возрастает. Полный шум-фактор NF двух усилителей, характеризующихся соответственно усилением G1 и G2 , и шум-факторами NF1 и NF2 . Тогда полный шум-фактор записывается в виде NF2  1 . NFtot  NF1  G1 Как и в случае радиочастотных усилителей, лучший способ получения устройства с низкошумящими характеристиками состоит в использовании низкошумящего усилителя с большим усилением в качестве первого каскада и шумящего усилителя высокой мощности в качестве второго каскада. Первый каскад определяет также шумовую характеристику многокаскадного усилителя. Для ВОСП-СР также важна такие характеристики оптического усилителя как ширина полосы усиления и равномерность коэффициента усиления во всей полосе (плоскостность спектральной характеристики). Равномерность коэффициента усиления определяется максимальным разбросом коэффициента усиления различных каналов при одной и той же входной мощности. Требование к равномерности спектра усиления обусловлено необходимостью иметь одинаковое усиление сигнала в каждом спектральном канале. Как правило, ни один из усилителей не имеет плоской спектральной характеристики, поэтому выравнивание спектра усиления осуществляется оптическими фильтрами различных типов. В основном усилители, применяемые в системах со спектральном уплотнением, имеют неравномерность коэффициента усиления в пределах не более нескольких дБ во всей полосе усиления. При проектировании ВОЛП с оптическими усилителями необходимо определить и учесть зависимость коэффициента усиления усилителя EDFA от длины волны, особенно в случае передачи отдельных каналов через несколько усилителей. Кроме этого, накопление шумов за счет проявления шум-фактора в 94 нескольких последовательно расположенных в линии связи усилителях EDFA может привести к невосстановимому разрушению оптического сигнала. Точный учет шум-фактора усилителей необходим для определения предельного числа каскадов усиления, а, следовательно, и максимальной длины линии связи. Параметры типовых эрбиевых оптических усилителей (EDFA) Линейный усилитель Рабочая длина волны, нм Суммарная входная мощность, дБм Коэффициент усиления сигнала, дБ Суммарная выходная мощность, дБм Мощность насыщения, дБм Максимальная неравномерность усиления, дБ Шум-фактор (NF), дБ Зависимость коэффициента усиления от поляризации (PDG), дБ Максимальная ПМД, пс Максимальная стабильность выходной мощности, дБ Время реакции на ввод/вывод каналов Минимальное требуемое ORL, дБ -20  0 20  26 0  20 20 5,6 Бустер Предусилитель 1530  1563 -10  +10 -30  -10 14  20 14  30 4  20 -6 16 20 16 ± 0,75 6,0 0,3 5 0,3 ± 0,1 50 мс 45 8.7. Конструкции рамановских усилителей 8.7.1. Классификация рамановских усилителей Рамановское усиление в ОВ может быть реализовано различными методами. Особенности конструкции также будут определяться требованиями к параметрам усилителя и области его применения. Можно выделить три основных типа рамановских усилителей, используемых на ВОЛП: - распределенный рамановский усилитель (РРУ); - дискретный рамановский усилитель (ДРУ); - гибридный оптический усилитель. В РРУ в качестве активного волокна, как правило, используется стандартное телекоммуникационное волокно или волокно, обладающее небольшим коэффициентом рамановского усиления. Таким образом, усиление сигнала происходит на протяженном участке волокна, длиной порядка десятка километров. Преимущества РРУ заключаются в потенциально лучших шумовых характеристиках и возможности снижения влияния нелинейных эффектов 95 ОВ, что позволяет увеличить протяженность усилительных и регенерационных участков и повысить скорость передачи. На рис. 8.8 Схематично показано распределение уровня сигнала в линии с использованием только эрбиевого усилиетеля и с применением распределенного рамановского усилителя со встречной накачкой. При достаточно протяженном усилительном участке (свыше 150 км) применение только EDFA усилителей затруднительно: при значительном затухании в оптическом тракте уровень сигнала на приеме может опуститься ниже уровня шумов и дальнейшее усиление будет невозможным; увеличение мощности сигнала на приеме ограничено проявлением нелинейных эффектов. При использовании распределенного рамановского усилителя сигнал начитает усиливаться в самом телекоммуникационном волокне (примерно на расстоянии 20 км от источника накачки) и не позволяет сигналу опуститься ниже уровня шума. Без рамановского усиления Рамановский усилитель Нелинейные эффекты Уровень шума Рис. 8.8 Применение рамановского усилителя Использование РРУ также позволяет расширить рабочий диапазон систем ВОСП-СР и увеличить скорость передачи в оптическом канале. С другой стороны, снижение влияния нелинейных эффектов при использовании РРУ, позволяет использовать ВОСП-СР с более плотным частотным планом, а также допускает работу вблизи длины волны нулевой дисперсии. 96 Следует отметить проблемы, возникающие при использовании РРУ. Значительная мощность накачки, необходимая для обеспечения высокого уровня усиления, может оказать влияние на механическое состояние оптических коннекторов. Из-за относительно большой эффективной длины усиления в РРУ будут возникать дополнительные источники шума, связанные с релеевским рассеянием. Дискретный рамановский усилитель (ДРУ) представляет собой оптический элемент, включаемый в линию, для усиления информационного сигнала. В таком усилителе вся мощность накачки сосредоточена в специальном волокне с высоким коэффициентом рамановского усиления, и усиление происходит только в пределах ДРУ. Как правило, конструкция ДРУ включает оптические фильтры для блокировки излучения накачки от проникновения в телекоммуникационное волокно. ДРУ эффективно используется для освоения диапазонов передачи ОВ: S-диапазон (1460 – 1530 нм), O-диапазон (1260 – 1360 нм), Е-диапазон (1360 – 1460 нм). Хотя эти диапазоны не столь широкополосны, как С- или L- диапазоны, а коэффициент затухания ОВ значительно выше, однако использование этих частотных диапазонов позволит увеличить пропускную способность ВОСП-СР, а также использовать системы с грубым частотным разделением (CWDM). Перспективным является использование ДРУ одновременно для компенсации дисперсии. В этом случае в качестве активного волокна выбирается волокно компенсации дисперсии (ВКД), имеющее высокий коэффициент дисперсии со знаком, противоположным знаку дисперсии телекоммуникационного ОВ. Как правило, такие волокна за счет меньшей эффективной площади моды и высокой концентрации GeO2 обладают высоким коэффициентом рамановского усиления. Таким образом, подобные модули позволяют скомпенсировать накопленную дисперсию и, при соответствующем выборе ВКД, наклон дисперсионной кривой, не внося в оптический тракт дополнительного затухания. При построении оптических усилителей широко используется каскадная схема, в которой первый усилитель обладает низким уровнем шума. В гибридных усилителях в качестве первого каскада обычно выступает распределенный рамановский усилитель с низким шум-фактором. В качестве второго каскада могут выступать эрбиевые усилители, параметрические, полупроводниковые усилители или дискретные рамановские усилители. Поскольку при последовательном соединении оптических усилителей первый каскад в значительной степени определяет итоговую шумовую характеристику, такая схема позволяет улучшить параметры передачи. Данная схема получила широкое распространение на практике. 97 Телекоммуникационное ОВ модуль накачки а) Дискретный усилитель Телекоммуникационное ОВ HNLF (DCF) модуль накачки б) Распределенный предусилитель Дискретный усилитель Телекоммуникационное ОВ ОУ модуль накачки в) Рисунок Классификация рамановских усилителей а) распределенный, б) сосредоточенный, в) гибридный 98 8.7.2. Классификация схем накачки Значительное влияние на характеристики рамановских усилителей оказывает выбранная схема накачки. Рамановское усиление наблюдается при любых взаимных направлениях распространения накачки и сигнала. Направление излучения накачки будет определять тип схемы накачки. Выбранная схема накачки будет влиять как на шумовые характеристики ВРУ, так и на степень влияния нелинейных эффектов. В зависимости от размещения модулей накачки можно выделить следующие схемы: - схема с сонаправленной накачкой, когда излучение накачки распространяется в одном направлении с сигналом; - схема со встречной накачкой, когда излучение накачки распространяется навстречу сигналу; - схема с двунаправленной накачкой, при которой накачка осуществляется с двух сторон участка усиления. Теоретически, схема с сонаправленной накачкой обеспечивает наибольшее отношение сигнал/шум (ОСШ), так как усиление происходит преимущественно в начале участка, где уровень сигнала высок. Однако значительные флуктуации усиливаемого сигнала при высоком уровне относительного шума интенсивности (RIN) источника накачки приводят к ухудшению отношения сигнал/шум информационного сигнала. Избавиться от данного явления можно при использовании встречной накачки. Согласно исследованиям при RIN источника накачки менее минус 110 дБ/Гц его влиянием на сигнал можно пренебречь. В последнее время были разработаны малошумящие источники излучения (например, многомодовые лазерные диоды с внутренней решеткой Inner Grating Multi-mode - iGM), которые могут использоваться в качестве источника сонаправленой накачки. На практике в основном используются схемы со встречной накачкой. Однако, как показали теоретические и экспериментальные исследования, в широкополосных рамановских усилителях со встречной накачкой наблюдается наклон профиля оптического отношения сигнал/шум: оптические каналы с большей длиной волны имеют большее ОСШ, чем каналы с меньшими длинами волн. Данное явление ограничивает характеристики высокоскоростных ВОСПСР значительной протяженности. Для решения данной проблемы существует несколько способов. Во-первых, добиться ровной характеристики можно введением предварительной коррекции уровней информационных сигналов. Во-вторых, использовать для усиления двунаправленную накачку. В настоящее время для использования совместно с ВОСП-СР разработаны широкополосные рамановские усилители с равномерными спектром усиления и спектром шума, использующие двунаправленную накачку . 99 ОВ сигнал сигнал ОФИ ОФИ накачка модуль накачки а) ОВ сигнал сигнал ОФИ ОФИ накачка модуль накачки б) ОВ сигнал сигнал ОФИ ОФИ накачка накачка модуль накачки модуль накачки в) Рисунок 1.9. Схемы накачки рамановского усилителя а) сонаправленная, б) встречная, в) двунаправленная 100 Пример параметров коммерческого распределенного рамановского усилителя. Параметры Ед Диапазон длины волны накачки нм Тип платы Максимальная мощность накачки Характеристики 1400 ~ 1500 C-диапазон: RPC --- C+L-диапазон: RPA 31.5 --- 11.5 10 12 13 -1 10 10 10 1 0.5 Усиление канала на оптоволокне G.652 Усиление канала на оптоволокне LEAF Усиление канала на оптоволокне TW RS Эффективный шум-фактор на оптоволокне G.652 Эффективный шум-фактор на оптоволокне LEAF дБ м дБ м дБ дБ дБ дБ дБ Эффективный шум-фактор на оптоволокне TW RS дБ -1.5 Потери, зависящие от поляризации (PDL, Polarization dependent loss) Температурные характеристики дБ ≤0.3 ≤0.3 нм/ C ≤1 ≤1 Общая выходная мощность Следует отметить, что коэффициент усиления и шум-фактор определяются типом телекоммуникационного волокна. Шум-фактор существенно ниже, по сравнению с эрбиевым усилителем. В данной конфигурации рамановский усилитель может вступать в роли малошумящего предусилителя в гибридной схеме. 101 9. Расчет параметров оптического тракта ВОЛП с СРК 9.1. Расчет затухания на элементарном кабельном участке Для определения параметров оптических усилителей и настройке их в процессе инсталляции необходимо рассчитать затухание на элементарных кабельных участках. При проектировании СОЛП с ВОСП-СР необходимо учитывать спектральную зависимость коэффициента затухания, а также жополнительные источники потерь, например блока интерфейса оптических волокон FIU, служащего для ввода/вывода служебного канала на усилительных пунктах. Расчет суммарного затухания на ЭКУ производится по формуле Aэку      Lэку  ac nc  a p n p  2  AFIU где    - коэффициент затухания оптического волокна на длине волны  , дБ/км; Lэку - протяженность ЭКУ, км ac – затухание на сварных соединениях, дБ; nc – количество оптических муфт; aр – затухание на оптических разъемных соединениях, дБ; nр – количество оптических разъемных соединений, дБ; АFIU – затухание, вносимое блоком интерфейса оптических волокон (FIU), дБ. Затухание сварных соединений в оптических муфтах на магистральных сетях связи РФ нормируется следующим образом: Таблица 11 Нормы на затухание сварных соединений Длина волны, нм Затухание, дБ Примечание 1550 < 0.1 в 100 % случаев < 0.05 в 50 % случаев В расчетах будем использовать максимально допустимое значение затухания для всех длин волн. Расчет количества оптических муфт на ЭКУ производится по формуле  Lэку nc  int L  сд   1,   (24) где Lсд – строительная длина оптического кабеля, км; int – округление до большего целого. В качестве типовой протяженности строительной длины можно принимать 4-6 км. Норма затухания разъемных соединителей составляет aр < 0.5 дБ. Количество разъемных соединителей можно полагать равным 4 на каждом 102 ЭКУ, что соответствует точкам подключения ВОСП-СР или оптического усилителя к кроссовому оборудованию. Максимальное затухание, вносимое блоком интерфейса оптического волокна, в С-диапазоне составляет 1.5 дБ. Особенность расчета для ВОЛП с аппаратурой спектрального уплотнения заключается в учете спектральной зависимости коэффициента затухания и для стандартных ОВ можно принимать коэффициент затухания равным 0.25 дБ/км. 9.2. Расчет отношения сигнал/шум на ВОЛП с оптическими усилителями Важным фактором деградации оптического сигнала ВОЛП является шум, вносимый оптическими усилителями. Таким образом, необходимым этапом при реконструкции ВОЛП является оценка качества передачи путем контроля отношения оптический сигнал/помеха (OSNR). Необходимо определить OSNR в точках главного оптического тракта MPIS, MPI-R и в контрольных точках оптических усилителей R‘ и S’ Если шумом бустера можно пренебречь (затухание на усилительном участке намного больше коэффициента усиления бустера) для расчета можно использовать выражение OSNR  Pch  AЭКУ  NF  10 lg( N ЭКУ )  10 lg(h  f  f ch ) , где Pch - уровень выходной мощности одного канала в точке MPI-S, дБм; N эку - число усилительных участков (ЭКУ); h - постоянная Планка; f - частота, соответствующая расчетному оптическому каналу; f ch - оптическая полоса канала; Aэку - суммарное затухание на усилительном участке (ЭКУ). Величина f ch выбирается таким образом, чтобы для заданной скорости передачи не происходило искажений вследствие наложения оптических спектров соседних каналов или вследствие ограничения спектра модулированного оптического сигнала. При частотном плане с шагом 100 ГГц, согласно рекомендации, канал с длиной волны 1550 нм должен характеризоваться полосой 0,1 нм, что соответствует полосе f ch  12,5 ГГц. В этом случае: 10 lg(h  f  f CH )  10 lg(6,628  10  34 193,1 12,5 109 103 )  58 дБ. Отношения оптических сигнал/шум в каждом оптическом канале в точках MPI-S и MPI-R для различных кодов применения в зависимости от максимального числа ЭКУ (х) должны быть не менее, дБ: 103 19 + х +10 lg x – в точке MPI-S; 19  x  k  10 lg x - в точке MPI-R . k 1 (27) (28) Примечание: к – порядковый номер линейного ОУ. При этом не учитывается действие FEC и минимальное значение OSNR в оптическом трате составляет 20 дБ. Использование типовых схем FEC позволяет снизить порог OSNR на 5-6 дБ. 9.3. Оценка качества передачи оптического сигнала Оценка качества передачи сигнала является важным вопросом как при моделировании ВОЛП, так и при ее эксплуатации. Деградация оптического сигнала при распространении по ВОЛП может быть описана тремя различными факторам: детерминированными явлениями, случайными явлениями и нестационарными процессами. Влияние каждого из них следует учитывать в соответствии с характером источников искажений. Рассмотрим некоторые особенности этих факторов. Детерминированные процессы вызывают искажения формы сигнала и остаются неизменными при повторных моделированиях. Типичный пример – искажения вследствие хроматической дисперсии и нелинейных эффектов. При независимом воздействии на импульс они определяют временное и спектральное уширение, соответственно. Кроме дисперсии и нелинейности, существует множество других явлений, вызывающих детерминированные искажения сигнала. Например, влияние оптических компонент ВОЛП: оптических фильтров и мультиплексоров. Искажение формы сигнала зависит от количества взаимодействующих бит, то есть от памяти явления. В основном, искажения сигнала зависят не только от единичного импульса и параметров линии передачи, но и от всего передаваемого сообщения. Практически, канал может быть рассмотрен, как обладающий ограниченной памятью. Таким образом, сигнал, поступивший во временном интервале (t0, t0+T), зависит только от сигнала, переданного в пределах временного интервала (t0 - nT, t0+T+nT). Здесь T – длительность бита, n – целое число, определяющее память канала. Типичный пример случайного явления – шум усиленного спонтанного излучения оптического усилителя. Возмущения сигнала происходят во временной области намного меньшей длительности бита. Шум УСИ вызывает несколько нежелательных явлений. Во-первых, флуктуации энергии, определяют нижний порог энергии сигнала, при котором биты “1” и “0” различимы, тем самым, снижая отношение сигнал/шум при приеме. Во-вторых, шумы УСИ накапливаются при распространении по оптическому тракту и, в конечном итоге, могут наравне с полезным сигналом вызывать насыщение следующих усилителей. И, в-третьих, шумы УСИ могут нелинейно взаимодействовать с сигналом и с самим шумом, порождая шумы биения УСИ-УСИ и шумы биения УСИ-сигнал. Как правило, основной вклад вносят шумы биения УСИ-сигнал. К нестационарным процессам относятся такие случайные процессы, 104 временной масштаб которых много больше длительности бита. Например, поляризационная модовая дисперсия. В принципе, оптическое волокно, обладающее постоянной и независящей от времени ПМД, ведет себя как последовательное соединение несбалансированных линий задержки. Таким образом, детерминированное уширение импульса может наблюдаться вследствие временной задержки между двумя ортогонально поляризованными составляющими сигнала. В реальных волокнах, случайные флуктуации в структуре волокна вызывают локальное двулучепреломление и случайную связь мод, что приводит к случайному обмену энергией между поляризованными модами. Таким образом, уширение импульса зависит от состояния поляризации сигнала на входе. Двулучепреломление и связь мод чувствительны к внешним воздействиям: температурным колебаниям, давлению и растяжению. Как правило, ПМД измеряется как относительная групповая задержка между двумя поляризованными модами. Главные состояния поляризации и их относительная групповая задержка зависят также от длины волны сигнала. Таким образом, в реальных волокнах ПМД является статистическим процессом, флуктуирующим во времени и зависящим от длины волны. Временной масштаб флуктуаций обычно больше 1 минуты. 9.4. Глаз-диаграмма Для быстрой оценки качества сигнала может использоваться глаз-диаграмма. Для получения глаз-диагараммы отдельные биты сигнала выводятся в пределах одного битового интервала (см. рисунок 9.1). Расстояние между верхней (биты “1”) и нижней (биты “0”) границами внутри глаз-диаграммы определяет ее раскрыв. Штраф на раскрыв глаз-диаграммы определяется как  EObtb (t dec )   , EOP(t dec )  10 log10   EO(t dec )  где EObtb – раскрыв глаз-диаграммы для исходного сигнала; EO – раскрыв глаздиаграммы сигнала на приеме; tdec – момент времени в пределах битового интервала. Штраф на раскрыв глаз-диаграммы позволяет оценить качество передачи с учетом таких явлений как дисперсия, нелинейные искажения импульсов. ЕОР может использоваться для оценки систем с пренебрежимо малым уровнем шумов, так как является мерой детерминированных искажений импульса. Отметим, что ЕОР зависит от выбранного момента времени измерения tdec. Если при снятии глаз-диаграммы, вследствие явления межсимвольной интерференции, наблюдается временной джиттер, то необходимо определить ширину временного интервала, в пределах которого определенное значение ЕО может быть получено. Если присутствуют шумы, то вышеприведенный способ определения ЕОР не дает однозначного результата и ЕО следует определять по формуле EO  (  1  3 1 )  (  0  3 0 ) , 105 где 1, 0 – среднее значение уровня сигнала бита 1 и 0, соответственно; 1, 0 – стандартное отклонение от среднего значения амплитуд бит “1” и “0”, соответственно. T/Tbit Рисунок 9.1. Глаз-диаграмма При оценке качества передачи оптического сигнала систем СЦИ используют шаблон для глаз-диаграммы. Каждому уровню СЦИ соответствуют свои требования на раскрыв глаз-диаграммы и момент принятия решения Таблица 9.1. Параметры маски глаз-диаграммы x1/x4 x2/x3 x3 – x2 y1/y2 STM-1 0.15/0.85 0.35/0.65 – 0.2/0.8 STM-4 0.25/0.75 0.4/0.6 – 0.2/0.8 STM-16 – – 0.2 0.25/0.75 STM-64 – – 0.2 0.3/0.6 9.5. Коэффициент ошибок В цифровых системах связи ошибки при передаче возникают в результате вынесения решения о принятии бита “1” при получении “0” и наоборот. Качество передачи можно характеризовать таким параметром, как коэффициент ошибок Кош (BER – Bit Error Rate). Данный параметр определяется как отношение ошибочно принятых символов к общему количеству переданных символов N BER  err , N где N – количество тестовых бит; Nerr – количество ошибок. Или выражая через функцию плотности вероятности 106 1 N1P0 | 1  N0 P1 | 0 , N 0  N1 где N0, N1 – количество переданных бит “1” и “0”; P(0|1), P(1|0) – вероятность приема бита “0” при посылке бита “1” и наоборот. Для анализа результатов моделирования может использоваться ряд методов определения BER: метод Монте-Карло; квази-аналитический метод, метод квази-Монте-Карло. Метод Монте-Карло определения BER заключается в передаче случайной последовательности бит в течение статистически продолжительного отрезка времени и определении количества ошибочно принятых бит. При этом шум добавляется к сигналу во временной области и, таким образом, в результате совместного распространения по линии, учитывается взаимодействие сигнал/шум. При моделировании обычной системы передачи взаимодействие сигнал/шум пренебрежимо мало, однако при значительных влияниях нелинейных эффектов на сигнал это явление следует учитывать. BER, определяемый при эксперименте Монте-Карло, наиболее близко соответствует реальным параметрам системы. Однако, поскольку для ВОЛП интересующая величина BER составляет порядка 10-910-12, время на измерение может быть недопустимо большим. Отклонение измеренного значения BER при использовании данного метода определяется по формуле P (1  Pe ) 2  МК  e , N где Ре – вероятность ошибки, N – количество тестовых бит. Таким образом, чтобы получить точность измерения BER=10-9 порядка 10% требуется, по крайней мере, 1011 тестовых бит. Такой случай практически нереализуем при компьютерном моделировании и для определения BER используются методы аппроксимации BER. BER может быть аппроксимирован при изменении порога принятия решения и последующего экстраполирования результирующих кривых. Для заданной конфигурации системы BER достигает минимальных значений, если выбраны оптимальные порог принятия решения и момент принятия решения Tdec. Однако при экстраполяции метод обладает большой погрешностью для низких уровней BER. Квазианалитические методы оценки BER используют определенные предположения относительно функции плотности вероятности флуктуаций амплитуды сигнала в приемнике. На практике широко используется метод аппроксимации Гаусса и предположение о равновероятной передаче бит “1” и “0”. При таком предположении BER определяется по формуле  D   0    D 1  ,   erfc BER  erfc 1    4   2 1   2 0  2  t 2 где erfc( x)   e dt – дополнительная функция ошибок; D – пороговое BER   x значения принятия решения; 1, 0 – среднее значение, соответствующее 107 уровню сигнала “1” и “0”, соответственно; 1, 0 – среднеквадратические отклонения значений сигнала, соответствующих уровню “1” и “0”. Однако при компьютерном моделировании для точной оценки среднего значения и отклонения флуктуаций амплитуд бит “1” и “0” требуется значительное количество тестовых бит для точной оценки среднего значения и отклонения флуктуаций амплитуд. Например, для определения линейного Qфактора с точностью 95% требуется 800 тестовых бит. Однако если BER определяется через дополнительную функцию ошибок, тоже самое количество бит приведет к флуктуации порядка 1.5 при оценке BER=10-9. Для учета влияния межсимвольной интерференции может применяться метод, использующий гауссову аппроксимацию. В данном методе отдельно рассматриваются тестовые последовательности, состоящие их 3-х бит. Каждому биту “1” соответствуют 4 последовательности: 010, 110, 011, 111 и каждому биту “0” соответствуют: 101,001, 100, 000. BER определяется как суперпозиция значений BER, вычисленных для центрального бита всех восьми последовательностей, с учетом количества появлений каждой последовательности в моделируемом сигнале:   D  1 8 , BER  N k erfc k   8 N k 1 2   k  9 где Nk – количество появлений k-й последовательности; N   N k . k 1 Данный метод обеспечивает более высокую точность оценки качества передачи при учете МСИ, однако время вычисления увеличивается в 4 раза. Для того, чтобы учесть влияние других источников флуктуации амплитуды сигнала, например, нелинейного взаимодействия импульсов, BER определяется индивидуально для каждого импульса. Каждому биту соответствуют индивидуальные значения In и n, которые являются детерминированными выражениями. Это означает, что все детерминированные эффекты, влияющие на амплитуду, форму и положение каждого импульса, учитываются при оценке BER. Вводится только предположение, что вклад оптических и электрических шумов подчиняется гауссовому закону. Для систем с модуляцией интенсивности получаемая величина BER немного больше, чем BER полученный методом Монте-Карло. Случайный временной джиттер учитывается с ограничениями. При наличии у сигнала временного джиттера с гауссовой характеристикой, импульсы случайным образом сдвигаются относительно их первоначальных позиций. Для коротких последовательностей Nbit накопленная статистика джиттера может быть недостаточной. Метод квази-Монте-Карло объединяет квазианалитический метод и метод Монте-Карло. Вычисление BER производится аналогично аналитическому выражению   D 1 Nbit 1 Nbit . BER( D)  BER ( D )  erfc n   n  N bit n 1 N bit n1  2  n  108 Но статистические величины n и n определяются методом Монте-Карло. Предполагая функцию распределения вероятностей гауссовой, количество моделируемых бит значительно меньше, по сравнению с прямыми методами измерения. Преимущество данного метода заключается в том, что стохастические эффекты во временной области, такие как джиттер, учитываются с высокой точностью. Недостатком является значительное время вычислений и случайное распределение вычисленного BER. Изменения BER зависят от количества запусков для оценки стохастических величин. 9.6. Q-фактор и оценка BER Для оценки BER и качества передачи сигнала широко используется Qфактор. Предполагая гауссову характеристику распределения шумов   0 Q 1 , 1   0 где 1, 0 – среднее значение, соответствующее уровню сигнала “1” и “0”, соответственно; 1, 0 – среднеквадратические отклонения значений сигнала, соответствующих уровню “1” и “0”. Тогда BER может быть выражен в виде 1  Q  BER  erfc . 2  2 Если в рассматриваемой системе основным фактором, вызывающим деградацию сигнала, является шум, то есть такими явлениями как дисперсия и нелинейности можно пренебречь, и коэффициент гашения бесконечен, то для вывода приблизительного значения Q-фактора можно использовать оптическое отношение сигнал/шум. Для систем, использующих оптический предусилитель, обеспечивающий на входе приемника достаточно высокий уровень сигнала, так что тепловой и дробовой шумы пренебрежимо малы, Q-фактор может быть определен через ОСШ на выходе приемника B 2OSNR o Be . Q 1  1  4OSNR При определении Q-фактора было сделано предположение о гауссовой характеристике источников шумов. Данное предположение будет действительно для определенных систем. Единичные источники шумов, которыми могут являться все активные компоненты ВОЛП, например, оптические усилители, могут генерировать шум, не соответствующий гауссовому закону распределения. Но в соответствии с центральной предельной теоремой для большого количества источников шума результирующее распределение приближается к гауссовой форме. Таким образом, при наличии распределенного рамановского усиления будем считать, что шумы УСИ, возникающие на элементарных участках, на приеме в силу центральной предельной теореме будут создавать шум, 109 соответствующий гауссовой характеристике. Предполагая, что в линии отсутствуют близкорасположенные неоднородности (расстояние между которыми намного больше длины когерентности), аналогично будем считать, что шум многолучевой интерференции также будет соответствовать гауссовой характеристике. В реальных системах предположение о гауссовом распределении не всегда верно, так как в приемнике амплитуда оптического сигнала возводится в квадрат и, таким образом, изменяется форма распределения. Было определено, что в этом случае вместо гауссового распределения может быть использовано распределение хи-квадрат 2 . 110 Список литературы Список литературы 1. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ./Под ред. П.В.Мамышева. – М.: Мир, 1996. 2. Листвин В.Н., Трещиков В.Н. DWDM системы. – Москва.: Издательский дом “Наука”, 2013. – 300 с. 3. Направляющие системы электросвязи: Учебник для вузов. В 2-х томах. Том 2 – Проектирование, строительство и техническая эксплуатация / В.А. Андреев, А.В. Бурдин, Л.Н. Кочановский и др.; Под ред. В.А. Андреева. – 7-е изд., перераб. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2010. – 424 с. 4. Андреев В.А., Дашков М.В. Рамановские усилители на волоконнооптических линиях передачи. – М.: Ириас, 2008. – 219 с. 5. Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Изд-во Syrus Systems, 1999. 6. Жирар А. Руководство по технологии и тестированию систем WDM. – М.: EXFO, 2001/ пер. с англ. под. ред. А.М. Бродниковского, Р.Р. Убайдуллаева, А.В. Шмалько. 7. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи / Р. Фриман; пер. с англ. под ред. Н.Н.Слепова , 2004 8. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998. – 267 с. 111