Волоконо-оптические системы связи

ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ В ПЕРЕДАЧУ СИГНАЛА ПО ОПТИЧЕСКОМУ ВОЛОКНУ

1.1. Требования к полосе пропускания

Оптическое волокно — среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи. Оно позволяет передавать огромное количество информации. Если сопоставить его полосу пропускания и емкость канала связи, считая, что 1 бит/с соответствует 1 герцу полосы, то можно прийти к выводу, что емкость такого канала близка к бесконечности. Фактически, весь используемый радиочастотный спектр (считаем, что он укладывается в полосу 3 кГц — 200 ГГц) может быть передан по одному волокну.

Оптическое волокно хорошо вписывается в схему цифровой передачи. Например, передача по коаксиальному кабелю и паре проводов требует значительно больше повторителей (регенераторов) на условную единицу длины, чем если бы она велась по оптическому волокну. Это соотношение колеблется от 20:1 до 100:1. В результате, накопленный джиттер (дрожание фазы фронтов импульсов) при передаче по оптоволокну значительно меньше, чем при передаче по медным проводам. Это происходит потому, что накопленный систематический джиттер является функцией числа последовательно включенных повторителей.

При современной технологии емкость волокна (эквивалентная битовой скорости) может достигать 10 Гбит/с в расчете на один битовый поток. Используя при этом технологию волнового мультиплексирования можно пропустить по одному волокну не менее 80 таких потоков (В момент перевода этой книги это число составляло уже 320). Простое умножение дает нам цифру эквивалентной емкости 800 Гбит/с. В момент, когда эта книга уже вышла, один битовый поток мог переносить уже 40 Гбит/с. Значит то же умножение 80, но на 40, дает нам цифру эквивалентной емкости 3,2 Тбит/с на одно волокно. Предположим, что волоконно-оптический кабель (ВОК) имеет 24 волокна, из которых 4 резервных. Тогда оставшиеся 20 позволяют организовать 10 симметричных полнодуплексных (двунаправленных) канала. Таким образом, при емкости 3,2 Тбит/с на волокно, получаем общую емкость ВОК в 32 Тбит/с. Эта емкость могла бы удовлетворить на некоторое время предъявляемые в настоящее время требования по емкости канала связи.

При самой сложной технике кодирования (упаковки) и использовании 18 ГГц несущей в полосе 40 МГц можно передать в настоящее время поток в 655 Мбит/с. Если допустить передачу по 10 таких несущих в одну и в другую стороны, то общая транспортная емкость такой системы будет равна 6 Гбит/ с, что составит всего 1/500 емкости, передаваемой по одному ВОК. При этом, конечно, волоконно-оптическая система передачи (ВОСП), использующая современные методы, не использует аналогичную технику упаковки бит.

1.2. Модель волоконно-оптической системы передачи

Рис. 1.1 представляет простую модель ВОСП. В тексте ниже мы будем часто ссылаться на эту модель. Не нужно большого воображения, чтобы увидеть, что ВОСП аналогична некой радиосистеме или беспроводной системе передач.

Рис. 1.1. Упрощенная модель ВОСП

В табл. 1.1 приведено сравнение аналогичных рис. 1.1 блоков. В ней приведены блоки, последовательно формирующие указанную выше модель. Это сравнение показывает, что во многих отношениях ВОСП не так уж существенно отличается от проводной (медно-жильной) системы или радиосистемы передачи.

Операции в блоках могут быть аналоговыми или цифровыми. Многие кабельные телевизионные системы используют аналоговый формат, со временем, однако, он все больше меняется на цифровой. Другая форму аналоговых приложений — передача радиосигналов в их естественной форме без использования частотной модуляции.

Возвращаясь к рис. 1.1, опишем кратко функцию каждого блока на блок-схеме, двигаясь слева направо. Электрооптический преобразователь (ЭОП) преобразует цифровой электрический сигнал в оптический NRZ- или RZ-сигнал или сигнал, использующий манчестерский код. Он также устанавливает требуемый уровень постоянного смещения входных импульсов. Формы импульсной последовательности и кодов рассмотрены в гл. 4.

Таблица 1.1

Сравнение по методу аналогий

Принципиальный упор в гл. 4 сделан на волоконно-оптический источник светового излучения. В некоторых местах по ходу изложения этот источник назван передатчиком. Существуют два различных источника света, широко используемых сегодня на практике: светоизлучающий диод — СИД (LED) и лазерный диод — ЛД (LD). Оба источника относятся к устройствам со сравнительно низким уровнем выхода, лежащим в диапазоне от —10 дБм до +6 дБм. Они используют модуляцию по интенсивности, которую мы, при первом знакомстве, будем называть модуляцией типа включено-выключено.

Этот источник соединяется с детектором светового сигнала на удаленном конце через одно из оптических волокон в ВОК (другие волокна используются для других целей, в том числе и для резервирования). ВОК подробно рассмотрен в гл. 2. Оптические волокна внутри кабеля могут быть как одномодовыми, так и многомодовыми. Физические размеры волокна (диаметр его сердцевины) определяют какого оно типа. Существуют как экономические, так и эксплуатационные соображения, которые могут определять, какой тип волокна нужно использовать для конкретного проекта.

ВОК поставляется на катушках (или барабанах), представляющих одну кабельную секцию, которая имеет длину 1, 2, 5 и 10 км. (Может определятся также конкретными строительными длинами, требуемыми заказчику). Соединительные оптические разъемы (или коннекторы) используются на концах кабелей (с обоих сторон) для соединения кабеля с указанными источником и детектором. Для длинных линий (ВОСП) может потребоваться несколько таких катушек. Строительные длины соединяются друг с другом путем сращивания. Сростки и оптические разъемы рассматриваются в гл. 3. В связи с этим, обычно, рассматриваются два наиболее важных параметра: вносимые потери и возвратные потери. Вносимые потери, вызванные наличием сростка, должны быть меньше 0,1 дБ, тогда как аналогичные потери, вызванные наличием оптического разъема, должны быть меньше 1 дБ. Возвратные потери (или потери на отражение), определяющие уровень согласования импедансов между сростком и кабелем, должны быть не менее 30 дБ.

Приемник, или детектор светового излучения на удаленном конце волоконно-оптической линии, является, по сути, счетчиком фотонов. Большинство ВОСП в настоящее время используют два типа приемников: PIN-duod и лавинный фотодиод (ЛФД). PIN-диод, в целом, проще и менее чувствителен к изменению окружающей среды, так как не имеет внутреннего усиления. ЛФД — более сложен и более чувствителен к изменению окружающей среды, но может обеспечить 10-20 дБ дополнительного усиления. Проектировщик ВОСП выбирает порог приемника, руководствуясь заданным уровнем коэффициента ошибок по битам — BER. (Ниже под BER будем понимать Bit Error Ratio (коэффициент ошибок), а не Bit Error Rate (частость ошибок), термин, используемый в оригинале, но не рекомендуемый стандартами ITU-T.).

Порог приемника — уровень входной мощности, выраженный отрицательной величиной дБм и зависящий от ряда факторов: типа приемника, в какой-то мере, его конструкции, скорости передачи и, конечно, уровня ВЕR. При проектировании системы нужно стараться, чтобы уровень сигнала на входе приемника не был избыточным. На коротких секциях часто требуется использовать оптический аттенюатор последовательно с приемником, чтобы сместить уровень входного сигнала в желаемый диапазон [1.1].

В табл. 1.2 приведены сравнительные данные влияния различных причин на ухудшение показателей различных систем: ВОСП, радиосистем, беспроводных систем и проводных систем передачи.

1.2.1. Диапазоны длин волн, используемые для передачи сигнала

по оптоволокну

Радио, проводные и кабельные системы передачи используют понятие частоты для описания рабочей области, занимаемой системой в радиочастотном спектре. Частота при этом измеряется в герцах. Говорят, что ВОСП -плод исследования и разработки физиков, поэтому для описания положения их рабочей области в радиочастотном спектре используется понятие длины волны.

Таблица 1.2

Сравнение влияния разных причин на ухудшение показателей различных систем передачи

Замечания. BER — ВОСП проектируются в общем случае в расчете на ВЕR = 1×10-12. ВОСП либо имеют ограничения по потерям сигнала, либо по (*накопленной) дисперсии. Радиосистемы и беспроводные системы передачи могут иметь ограничения по дисперсии. Однако пространственное разнесение и автоматическое выравнивание сигнала промежуточной частоты (ПЧ) позволяют бороться с дисперсией. Эти вредные эффекты дают аналогичный результат, а именно: межсимвольные искажения, приводящие к ухудшению или серьезному ухудшению показателей ошибок. Проводные системы имеют ограничения по потерям сигнала. Незащищенность. Проводные системы и ВОСП слабо защищены от случайного или намеренного обрыва кабеля. И те и другие страдают и от воздействий окружающей среды, таких как повреждения от воды или мороза. Основной недостаток ВОСП - их незащищенность. В гл. 9 мы обсудим, как ослабить влияние такой незащищенности, но ее нельзя исключить полностью. Потери при дожде. Широкая полоса используемых частот в радиосистемах и беспроводных системах достигается на частотах выше 10 ГГц, что приводит к уменьшению длины линии передачи, вызванному потерями на поглощение сигнала при дожде; чем выше частота, тем больше ограничений на время доступности (т.е. надежного распространения). Конечно, для проводных систем и ВОСП время доступности от этого не страдает. ЭМС. Этот показатель имеет два аспекта: чувствительность к излучению и генерация излучения. Генерация излучения означает, что система может быть источником электромагнитных помех (RFI). Чувствительность к излучению ясно говорит о незащищенности от электромагнитных помех. Для радиосистем имеет место как генерация излучения, так и чувствительность к излучению, часто оба явления приводят к проблемам. Проводные системы также чувствительны к электромагнитному излучению. ВОСП - напротив, не излучают и нечувствительны к электромагнитным помехам [1.2].

Будем полагать, что свет - расширение радиочастотного спектра на его высокочастотном конце. Эта концепция непрерывного спектра иллюстрируется рис. 1.2. Для длины волны обычно используется обозначение λ. Так как это длина, то ее основной единицей измерения является метр. Мы можем связать частоту в герцах и длину волны в метрах (м), используя традиционную формулу

 м/с (скорость света в вакууме)                         (1.1)

Итак, F в герцах, а λ в метрах.

Рис. 1.2. Частотный спектр выше 300 МГц, где показано положение рабочей области ВОСП.

Примеры. Допустим, что ваша любимая ЧМ-станция, транслирует музыку на частоте 104 МГц. Какова ее эквивалентная длина волны?

 м.

Рабочие длины волн в волоконной оптике обычно приводятся в нанометрах (нм). 1 нанометр это: 1 нм = 1×10-9 м, или 0,000000001 м.

Одна из широко используемых длин волн в ВОСП - 1310 нм. Какова ее эквивалентная частота?

 м/с

 Гц,

или 2,29×105 ГГц, или 229 ТГц.

При переводе длин волн в частоту для практических целей, например в системах WDM, обычно используют более точную оценку скорости света — 2,99792458, в результате получаем частоту 228,849 ТГц с точностью до 1 ГГц.

Рис. 1.3. Затухание оптического волокна в зависимости от длины волны (показаны три окна прозрачности, используемые для ВОСП).

На рис. 1.3 показаны три основных окна прозрачности, которые являются рабочими диапазонами длин волн для ВОСП. Это

- 820-900 нм;

- 1280-1350 нм;

- 1528-1561 нм.

Причем последнее окно может быть расширено до 1620 нм (Эта область обычно называют четвертым окном прозрачности). Если оценить частоты, соответствующие последнему окну и его расширению, то, используя уравнение (1.1), можно получить для 1528 и 1620 нм соответственно F1 и F2:

Гц = 196 ТГц

Гц = 185 ТГц

Вычитая F2 из F1 получим, что полезная рабочая полоса этих окон равна 11 ТГц, или 11000 ГГц. Эта ширина полосы в 110 раз больше той, что может быть использована в радиочастотной части спектра [1.1].

Полезная ширина полосы одиночно излученного светового импульса определяется импульсной передаточной функцией рассматриваемого оптического волокна (ОВ). Математический вывод такой передаточной функции довольно сложен и серьезен и выходит за рамки нашей книги. Но мы постараемся представить его схематично. Пусть Во — ширина полосы ОВ, а Вс полученная после детектирования ширина полосы результирующего электрического сигнала. Учитывая, что оптическая ширина полосы волокна определяется импульсной передаточной функцией этого волокна, можно показать, что измеренная на уровне -3 дБ (по мощности) оптическая ширина полосы Во оценивается с помощью показателя - полная ширина полосы на уровне половины от максимума (FWHM), формулой вида

Во = 441/FWHM                                             (1.2)

полагая, что функция (1.2) имеет вид гауссовской кривой, Во измеряется в МГц, a FWHM - в нс.

Далее можно показать, что время нарастания t можно оценить через Во с помощью формулы вида

t = 315/ Во                                         (1.3)

Оптическая ширина полосы определяется аналогичным образом, как полоса радиосигнала, отсчитанная на уровне —3 дБ по мощности. Это можно соотнести непосредственно с током /в оптическом детекторе. Так, известно, что электрическая мощность, генерируемая в таком детекторе, пропорциональна I2, поэтому уровень —3 дБ оптической мощности (определяемый как уровень, соответствующий 50% уменьшению тока I) приведет к уровню —6 дБ электрической мощности (определяемому как уровень, соответствующий 75% уменьшению тока I2). Таким образом, уровень -3 дБ оптической ширины полосы равен уровню -6 дБ электрической ширины полосы частот. Это не используется и не будет определятся в дальнейшем. Однако из этого следует, что ширина электрической полосы частот на уровне —3 дБ должна быть меньше, чем ширина оптической полосы на том же уровне -3 дБ. И, хотя математическая сторона этого дела не так проста, если функция имеет форму гауссовой кривой, то можно показать, что

                         (1.4)

На рис. 1.3 читатель должен заметить так называемый пик поглощения света «водой», расположенный приблизительно на длине волны 1400 нм (фактически на 1383 нм). «Вода» характеризуется наличием примесей в волокне, но показанный нами пик поглощения вызван фактически наличием радикалов ОН-. Результатом этого является высокий уровень поглощения вокруг 1400 нм [1.3].

1.3. Волоконно-оптический световод как среда передачи

1.3.1. Конструкция световода

Жила ОВ может быть названа оптическим световодом. Можно предположить, что этот термин был заимствован у радистов, использующих аналогичное понятие — волновод. На рис. 1.4 показана жила волокна и составляющие ее части. Конечно, ее изображение существенно увеличено и схематично, чтобы заострить внимание на ряде моментов. На нем видно, что жила ОВ состоит из внутренней сердцевины и окружающей ее оболочки. Любые дополнительные покрытия (оболочки) являются защитными. На рис. 1.4 показано внешнее пластиковое покрытие.

Рис. 1.4. Основная конструкция оптического волокна

Обычно, показатель преломления сердцевины обозначают как n1, тогда как показатель преломления оболочки обозначают как n2. Это важные параметры и мы рассмотрим их ниже. Когда жила ОВ спроектирована так, что n1• n2, то структура: сердцевина-оболочка, ведет себя как волновод. Кварцевое стекло (SiO2) является основным материалом, как для сердцевины, так и оболочки. Для подгонки нужных значений показателя преломления используются легирующие примеси, такие как бор или германий.

Из физики известно, что показатель преломления среды равен скорости света в вакууме, деленной на скорость света в данной среде. По определению показатель преломления вакуума равен 1.

1.3.2. Как свет распространяется по волоконно-оптическому

световоду

Как фактически распространяется свет по ОВ лучше всего объяснить, используя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Упрощенно можно сказать, что когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Это, например, происходит тогда, когда луч из воды выходит в воздух, отклоняясь от нормального луча на границе раздела между двумя средами. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела. Рис. 1.5 демонстрирует картину при различных углах падения. Рис. 1.5(а) показывает такой угол падения, при котором преломленный луч полностью уходит в свободное пространство. Рис. 1.5(б) показывает такой угол падения, который называется критическим, когда преломленный луч начинает скользить по границе раздела. Рис. 1.5(в) демонстрирует случай полного внутреннего отражения (ПВО). Это происходит тогда, когда угол падения превышает критический. Стеклянное ОВ, используемое для целей передачи света, требует использования полного внутреннего отражения.

Рис. 1.5.   Путь лучей для нескольких углов падения, n1 • n2, где n1 и п2 — показатели преломления двух различных сред (рис. 4, с.15 в [1.2]).

Другое свойство ОВ, характерное для определенной длины волны, это нормализованная частота V:

                                (1.5)

где а — радиус сердцевины, n2 для ОВ без оболочки = 1,

Член в уравнении (1.5) называется числовой апертурой (NA). В

сущности, числовая апертура используется для того, чтобы описать светосо-бираюшую способность волокна. Фактически, количество оптической мощности, воспринимаемой ОВ изменяется пропорционально квадрату NA. Интересно заметить, что числовая апертура ОВ не зависит от его физических размеров.

Для лучшего понимания числовой апертуры, рассмотрим рис. 1.6, который иллюстрирует конус света, воспринимаемого волокном. Как показано в формуле ниже этого рисунка, угол этого конуса определяется равенством sinqA = NA. Концепция светособирающей способности волокна, выраженная численно с помощью NA, хорошо иллюстрируется графически этим приемным конусом.

Как показано на рис. 1.1, существует три основных элемента ВОСП: источник, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) и оптический детектор. Что касается ВОЛС, то существуют два основных параметра, которые ограничивают ее длину без использования повторителей, или длину секции между двумя повторителями. Этими наиболее важными параметрами являются потери, обычно выражаемые в дБ/км, и дисперсия, которая часто выражается в виде эквивалентного произведения ширины полосы на длину (линии) - МГц⋅км. (Это произведение называется обычно коэффициентом широкополосности, он используется как показатель только для многомодовых ОВ или ВОК). Длина линии может быть ограничена мощностью (бюджетом мощности), т.е. может ограничиваться потерями, или может ограничиваться дисперсией (накопленной дисперсией).

Дисперсия, проявляющая себя в виде межсимвольной интерференции на удаленном конце, вызвана двумя факторами. Один из них — материальная дисперсия, а другой — модовая дисперсия. Материальная дисперсия вызвана тем, что показатель преломления материала изменяется с частотой. Модовая дисперсия возникает, если оптоволоконный волновод поддерживает несколько мод. В этом случае различные моды имеют различные фазовые и групповые скорости и их максимумы энергии достигают детектор в различные моменты времени. Учитывая, что в большинстве оптических источников возбуждаются много мод, можно предположить, что они, распространяясь по оптоволоконному волноводу с разной задержкой, приводят к искажениям (дисперсии). Уровень искажений зависит от того, какое количество энергии разных мод доходит в определенный момент времени до входа детектора.

Один из путей уменьшения числа мод, распространяющихся в волокне, лежит в изменении конструкции или размеров волновода. Если вернуться снова к уравнению (1.5), то видно, что число мод, распространяющихся в волокне, можно ограничить путем уменьшения радиуса а при сохранении отношения n2/n1 малым настолько, насколько практически возможно, например, 1,01 или меньше.

Мы можем оценить число мод N, которые волокно поддерживает, используя формулу (1.6). Если V = 2,405, то распространяется только одна мода (НЕ11). Если V больше, чем 2,405, то может распространяться больше, чем одна мода. При относительно большом числе распространяющихся мод можно получить следующую оценку:

N=V 2/2                                                  (1.6)

Более детально дисперсия обсуждается в гл.7.

ГЛАВА 6 УХУДШЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ СВЕТА

6.1. Введение

В начале гл.1 мы утверждали, что ВОЛС является линией либо с ограниченными потерями (затуханием), либо с ограниченной дисперсией. В этой главе мы детально рассмотрим причины этих потерь и дисперсию, а также то, какие меры можно принять, для того чтобы ослабить эти потери и дисперсию. В 1980-х и в начале 1990-х при проектировании ВОЛС к этим двум основным эффектам надо было приспосабливаться. В этом смысле процесс проектирования линии был достаточно прямолинеен.

С началом использования оптических усилителей — ОУ, а затем и систем WDM (а впоследствии и DWDM), возникли другие причины, приводящие к ухудшению характеристик систем. Они, конечно, существовали все время, или были такого малого уровня, что проектировщики могли их до некоторых пор полностью игнорировать. Другие же причины появились благодаря использованию новых технологий. К ним, например, относится четырех-волновое смешение — ЧВС (FWM). Как только появляется второй канал, так появляется и ЧВС, хотя и, возможно, очень малого уровня.

Когда мы начали использовать ВОЛС, рабочие сигналы были достаточно низкого уровня: от —2 до +3 дБм. Одной из причин — было желание продлить жизнь лазерных диодов. Как только появились системы WDM, а, в особенности, DWDM, уровни сигналов возросли стократно. При объединении выхода лазерного передатчика с ОУ нужно было генерировать уровни сигналов порядка +20 дБм, чтобы компенсировать потери, вызванные использованием пассивных элементов систем WDM. Эти высокие уровни сигналов обострили многие причины ухудшений, так или иначе приводящие к деградации сигнала и характеристик в целом. Еще одним негативным фактором явилось увеличение скорости передачи, учитывая, что потоки в 40 Гбит/с стали реальностью.

Ниже мы начнем с причин потерь уровня сигнала при его прохождении по оптоволокну. Существуют пути уменьшения потерь оптоволокна, такие как выбор приемлемого типа оптоволокна и рабочей длины волны. И, конечно, существует ряд компромиссов, которые приходится при этом учитывать. Дисперсия также существует в различном виде. Мы начнем с рассмотрения модовой дисперсии и обычной материальной дисперсии. Затем мы продолжим рассмотрением хроматической дисперсии, дисперсии поляризованной моды и дифференциальной задержки. Мы, наконец, рассмотрим нелинейные эффекты, эффекты, зависящие от поляризации, и другие специфические ухудшения, такие как самофильтрация и генерация оптических волн.

6.2. Потери или ослабление сигнала в оптическом волокне

Существуют четыре причины потерь в оптоволокне:

1. Собственные внутренние потери.

2. Потери, вызванные примесями (иногда называемые внешними потерями).

3. Рассеяние Рэлея.

4. Потери, вызванные несовершенством оптоволокна.

6.2.1.  Собственные внутренние потери

Собственное внутреннее поглощение материала является потерями, вызванными только чистым кремнием, тогда как внешние потери — это потери, вызванные наличием примесей в оптоволокне (они рассматриваются в разделе 6.2.2). В каждом конкретном материале, благодаря его молекулярной структуре, существует поглощение сигнала определенных длин волн. В случае двуокиси кремния (SiO2) существуют электронные резонансы в ультрафиолетовой области для длин волн λ < 0,4 мкм. Существуют также колебательные резонансы в инфракрасной области, где λ > 7 мкм. Расплавленная двуокись кремния (стекло), которая является материалом оптического волновода, по своей природе аморфна. Поэтому эти резонансы существуют в форме полос поглощения, хвосты которых простираются в область видимого спектра. Во втором и третьем окнах прозрачности этот тип поглощения вносит вклад на уровне не более чем 0,03 дБ/км [6.1]. Производители оптоволокна не могут влиять на эту составляющую поглощения, разве что перейти на другой материал для передачи светового сигнала.

6.2.2.  Потери от наличия примеси (внешние потери поглощения)

Внешние потери поглощения привнесены примесями оптоволокна. Современные технологии производства уменьшили вклад от этих потерь до очень низкого уровня. В эту группу потерь вносят вклад следующие примеси: железо, медь, никель, магний и хром, которые создают существенные источники поглощения в интересующих нас окнах прозрачности. В современном процессе производства содержимое этих металлов было снижено до величин меньше одной миллиардной части, и, следовательно, они вносят очень малый вклад в общие внешние потери поглощения. В отличие от них, потери за счет наличия остаточных гидроксильных ионов (ОН) создают линию поглощения 2730 нм, ее гармоники и комбинационные составляющие 1390, 1240 и 950 нм, все они вносят существенный вклад в общие внешние потери поглощения. Эти потери вызваны наличием воды в волокне, оставшейся в процессе производства. Уровень ионов ОН в оптоволокне должен быть снижен до величин меньших одной стомиллионной части, для того чтобы поддерживать потери волокна на надлежащем уровне. Даже такая малая концентрация ОН, как одна миллионная, способна вызвать потери 50 дБ в районе «водяного пика» — 1390 нм.

6.2.3.  Рэлеевское рассеяние

Этот тип потерь является внутренним и вызван флуктуациями мгновенной плотности и вариациями концентрации молекул за счет несовершенства внутренней структуры волокна: воздушных пузырьков, неоднородностей и трещин, или несовершенством направляющего волновода, вызванным общей нерегулярностью системы сердцевина-оболочка. Существует точка на кривой поглощения в районе 1550 нм, где поглощение инфракрасных и ультрафиолетовых хвостов минимальны. Вокруг этой точки рэлеевское рассеяние является главной составляющей общих потерь. Рэлеевское рассеяние обратно пропорционально длине волны. С ростом длины волны рассеяние убывает. На длинах волн выше 1600 нм инфракрасное поглощение становится доминирующим.

6.2.4.  Несовершенство оптического волокна (ОВ)

Несовершенство волокна - еще один источник потерь. Это потери включают потери от микроизгибов и макроизгибов, которые рассматривались в разд. 2.3. Геометрия волокна - еще одно важное понятие, описывающее несовершенство и требующее рассмотрения.

6.2.4.1. Геометрия стекла

Геометрия стекла описывает концевые размерные характеристики оптического волокна. Геометрия (и это уже давно поняли) является главным фактором, определяющим потери в сростке и процент удачно выполненных сростков. Главная цель производителя оптоволокна получить более точную геометрию волокна. Волокно, полученное с соблюдением более жестких допусков на его геометрию, легче и быстрее срастить и при этом быть уверенным в высоком качестве сростка и предсказуемости полученных характеристик.

Три параметра (как показала практика) оказывают наибольшее влияние на характеристики сростка: концентричность сечений сердцевины и оболочки, допуск на диаметр оболочки и собственный изгиб волокна.

Концентричность сердцевины и оболочки дает понять насколько хорошо сердцевина волокна центрируется в стекле оболочки. Улучшение этой характеристики при производстве волокна уменьшает шанс неточного расположения сердцевины, что способствует получению сростков с меньшими потерями.

Внешний диаметр оболочки определяет размер волокна. Чем более жесткой является спецификация диаметра оболочки, тем меньше шансов, что партии волокна будут иметь различные диаметры. Допуск на диаметр оболочки особенно важен, когда используются калиброванные наконечники или осуществляется сочленение разъемных соединителей в полевых условиях. Все эти соединители рассчитаны по диаметру оболочки в месте выравнивания волокон для соединения.

Собственный изгиб волокна указывает на величину кривизны волокна вдоль некоторой длины волокна. Большая величина собственного изгиба может привести к слишком большому смещению волокна при сварке или выравнивании конца волокна в V-образной канавке, что может привести к сросткам с большими потерями.

6.3. Дисперсия

Влияние дисперсии сказывается в уширении светового импульса при его передачи по оптоволокну. Различают четыре типа дисперсии, каждый из которых вызван теми или иными причинами:

1. Межмодовая дисперсия.

2. Материальная дисперсия.

3. Хроматическая дисперсия (во многих текстах материальная и хроматическая дисперсии на разделяются).

4. Поляризационная модовая дисперсия (PMD).

6.3.1. Межмодовая дисперсия

В разделе 2.2 мы видели, что свет, распространяющийся по многомодовому волокну представлен многими траекториями лучей, путь каждой из которых в сердцевине волокна отличается друг от друга. Возвращаясь к гл. 1, из уравнения (1.6) получим, что число мод, распространяющихся по волокну, равно:

                                         (6.1)

где V— нормализованная частота, определяемая выражением (1.5). Если V= 2,405 или меньше, то распространяется только одна мода, если же F больше, то распространяются много мод. На рис. 2.4 приведен пример многомодовой передачи света по волоконному световоду. Он показывает эффект уширения светового импульса при его распространении на какое-то расстояние, а также то негативное влияние, которое это оказывает на форму последовательности NRZ импульсов. Этот тип искажений можно устранить путем использования одномодового волокна, где V < 2,405.

Мы используем термин искажения, вместо термина дисперсия, основываясь на определении IEЕЕ [6.2]: «В дополнении к этому, сигнал ухудшается под действием многомодовых искажений, которые часто (ошибочно) классифицируют как многомодовую дисперсию».

К приемному концу волокна энергия различных мод прибывает с какой-то задержкой во времени по отношению к основной моде (НЕ11). Это вызывает размазывание принятого импульса, что безусловно оказывает деструктивное действие, так как часть размазанной энергии попадает в битовый интервал соседнего бита. Если в этот битовый интервал попадет достаточное количество размазанной энергии, то с вероятностью 50% соседний бит будет принят с ошибкой.

6.3.2. Материальная дисперсия

Материальная дисперсия (DM) вызвана тем, что различные длины волн проходят через определенные материалы с различными скоростями. Известно соотношение, определяющее показатель преломления (n):

п = c/v,                                                    (6.2)

где с — скорость света в вакууме, a v - скорость исследуемой волны в данном материале. Конечно, интересующим нас материалом является кварцевое стекло (SiO2). Проблема в том, что каждая волна распространяется в данном материале со скоростями, несколько отличающимися друг от друга.

Институт IEEE [6.2] определяет материальную дисперсию «как дисперсию, соотносимую с зависимостью длины волны от показателя преломления того материала, из которого сформирован волновод».

По мере того, как мы будем углубляться в обсуждение дисперсии, проницательный читатель поймет то, что хроматическая дисперсия должна рассматриваться в рамках понятия материальная дисперсия. И он будет прав. Однако, по причинам, которые будут понятны далее, хроматическая дисперсия рассматривается отдельно.

В гл.4 говорилось о том, что СИД излучает широкий спектр длин волн в диапазоне от 30 до 100 нм, тогда как DFB лазер излучает спектральную линию шириной от 0,1 до 1,0 нм. Очевидно, если в каком-то определенном звене мы озабочены дисперсией, то можно было бы использовать DFB лазер вместо СИД и ориентироваться на одномодовое волокно.

Существует одно интересное явление относительно скоростей распространения внутри материала. В полосе прозрачности 850 нм более длинные волны распространяются с большей скоростью, чем короткие (например, излучение на длине волны 865 нм распространяется в кварцевом стекле с большей скоростью, чем излучение на длине волны 835 нм).

Совсем наоборот происходит в полосе прозрачности 1550 нм, более короткие длины волн распространяются с большими скоростями, чем более длинные (например, длина волны 1535 нм распространяется быстрее, чем длина волны 1560 нм).

Еще одно интересное явление имеет место в полосе прозрачности 1310 нм. Существует длина волны λZD, выше которой дисперсионный параметр DM положителен, а ниже которой DM отрицателен. Эта длина волны называется длиной волны нулевой дисперсии, она равна для чистого диоксида кремния 1276 нм. Ее значение может меняться в пределах 1270-1290 нм для оптического волокна, сердцевина и оболочка которого легируются для получения необходимого показателя преломления. Длина волны нулевой дисперсии для оптических волокон зависит также от диаметра сердечника и вклада шага Δ показателя преломления в сечении волновода в полную дисперсию [6.1].

Следует указать, что волноводная дисперсия сдвигает длину волны нулевой дисперсии на 30-40 нм, так что полная дисперсия оказывается равной нулю около 1310 нм для промышленных волокон.

Материальная дисперсия - главная составляющая дисперсии в системах с одномодовым волокном. Для систем с многомодовым волокном вклад материальной дисперсии в полную дисперсию фактически незначителен. Основной здесь является модовая дисперсия.

В мою бытность консультантом, я советовал своим клиентам, что если они используют одномодовое волокно и DFB лазер в качестве источника света, то предельной (с точки зрения ограничения по мощности) является скорость линии 1,2 Гбит/с. Но на смену пришли линии со скоростью 2,5 Гбит/с. И если клиент изменял скорости с меньшей на большую, то я советовал: «Наблюдайте, как они будут себя вести».

Рассмотрим влияние дисперсии на принимаемый двоичный поток. Если скорость передачи возрастает, ширина битового интервала становится меньше. Если формат кодирования - NRZ, то ширина этого битового интервала становится равной битовому периоду. Следовательно,

Битовый период (в сек) = 1/(битовую скорость передачи)           (6.3)

Ниже приведены несколько примеров:

- для двоичного потока 1 Мбит/с битовый период равен 1 мкс;

- для двоичного потока 10 Мбит/с битовый период равен 100 нc;

- для двоичного потока 1 Гбит/с битовый период равен 1 нc;

- для двоичного потока 10 Гбит/с битовый период равен 100 пс.

Видно, что битовый интервал становится все меньше и меньше. Чем меньше он становится, тем больше он подвержен действию дисперсии!

В процессе эволюции ВОСП работа на длине волны вблизи нуля дисперсии была очень привлекательной. Однако системы с меньшими скоростями работали в полосе прозрачности 1550 нм, где потери на километр кабеля были минимальны. Было бы замечательно, если бы мы смогли перенести область нулевой дисперсии в полосу прозрачности 1550 нм.

6.3.3. Хроматическая дисперсия

Хроматическая дисперсия является неким расширением понятия материальная дисперсия. Когда мы имеем дело с дисперсией, влияющей на характеристики при высокой скорости передачи (например, > 1 Гбит/с), битовый период, а следовательно, битовый интервал, настолько мал, что даже при использовании DFB-лазера с его очень узкой спектральной линией, наблюдается эта форма материальной дисперсии.

В руководстве [6.4] к этому вопросу подходят несколько по другому. Все стекло, включая то, что используется для производства оптоволокна, демонстрирует материальную дисперсию, потому что его коэффициент преломления изменяется с длиной волны (как мы и описывали ранее). Дополнительно к этому, когда одномодовое волокно вытягивается из стекла, геометрическая форма и профиль коэффициента преломления вносят существенный вклад в волновую зависимость скорости импульса, распространяющегося по волокну, т.е. в волноводную дисперсию. Взятые вместе, материальная дисперсия (DM) и волноводная дисперсия (DW) дают то, что носит название хроматическая дисперсия.

Искажения, вызванные хроматической дисперсией, такие же, как и искажения от других видов дисперсии, их суть в уширении принятого импульса. В некоторых работах хроматическая дисперсия называется дисперсией групповых скоростей (GVD), вызванной волновой зависимостью групповой скорости в волокне. Хроматическая дисперсия измеряется в пикосекундах/нанометр-километр (пс/(нм⋅км), тоже что и пс/нм/км). Это уширение в пс, происходящее в импульсе шириной в 1 нм при прохождении по волокну длиной в 1 км. Например, в окне прозрачности 1550 нм можно ожидать такую дисперсию в стандартном одномодовом волокне на уровне 17 пс/нм/км. Можно также говорить о наклоне кривой дисперсии (дисперсионного параметра). Он описывает, как дисперсия для определенного волокна изменяется с длиной волны, или более точно, нужно говорить о скорости изменения дисперсии с длиной волны.

Нас, фактически, интересует дисперсионный параметр D, выраженный в пс/нм/км:

                                         (6.4)

Мы будем использовать критерий < 1, чтобы определить влияние дисперсии на битовую скорость передачи с помощью выражения (6.5), где  — временной интервал, который должен быть короче, чем битовый интервал (битовый период). Напоминаем, что для формата кодирования NRZ битовый период (в сек) равен 1/(битовую скорость).

Используя критерий, приведенный выше, получаем

                                         (6.5)

(это неравенство справедливо для действительных значений D — дисперсионного параметра, определенного выше). Неравенство (6.5) [6.1] дает возможность определить порядок величины дисперсии, которая может оказать влияние на скорость передачи. Величину  можно оценить как

                                 (6.6)

где L — длина линии, а  - эквивалент спектральной ширины импульса.

Произведение  (скорости передачи В на длину линии L) можно оценить из (6.6). Для одномодового волокна и при использовании SLM DFB лазерного источника, для которого  < 1, получаем, что оно может превысить 1 Тбит/с на километр. Для его улучшения нужно использовать лазеры с шириной спектральной линии как можно уже. Доминирующей и в этом случае является хроматическая дисперсия.

Определенные усилия по сдвигу длины волны нулевой дисперсии в область окна прозрачности минимальных потерь 1550 нм привели к успеху. Такое волокно называется волокном со сдвигом дисперсии. Оно описано в рекомендации ITU-T G.653 [6.3]. Необходимый сдвиг дисперсии был получен путем манипуляции параметрами волноводной дисперсии, учитывая, что DW зависит от таких параметров волокна, как радиус сердцевины а и разница показателей преломления. Можно также так отрегулировать вклад волноводной дисперсии, что общая дисперсия D будет относительно мала в довольно широком диапазоне длин волн от 1300 до 1600 нм. Этот тип волокна называется волокном с уплощенной дисперсией (или с ненулевой смещенной дисперсией), он описан в рекомендации ITU-T G.655, где хроматическая дисперсия специфицирована на уровне 6 пс/нм/км, или меньше, в диапазоне от 1530 до 1565 нм - наиболее популярном для современных систем WDM.

Хроматическая дисперсия линии передачи накапливается с ростом пройденного расстояния, это характеризуется изменением групповой задержки, отнесенным к единичной длине волны (пс/нм). Хроматическая дисперсия линии передачи чувствительна к:

- увеличению числа звеньев тандемкого соединения и длиной линии передачи;

- увеличению скорости передачи (заметим, что увеличение скорости передачи увеличивает скорость модуляции лазера, увеличивая, тем самым, ширину боковых полос).

В системах WDM на хроматическую дисперсию оказывает влияние (хотя и не столь существенное):

- уменьшение шага между каналами;

- увеличение числа каналов.

Влияние хроматической дисперсии уменьшается:

- с уменьшением абсолютной величины хроматической дисперсии волокна (уменьшение величины D);

- при использовании компенсации дисперсии.

Управление хроматической дисперсией особенно критично в системах WDM.

6.3.4. Поляризационная медовая дисперсия (PMD)

В одномодовом волокне единственной присутствующей модой является Н11. Однако, если учитывать поляризацию, то в одномодовом волокне присутствуют две моды. Эти две моды предполагаются нами взаимно ортогональными, а поляризация - линейной. Одна из этих мод является доминантной и распространяется в горизонтальной плоскости вдоль оси х, другая распространяется в вертикальной плоскости вдоль оси у. В некоторых публикациях говорят о быстрой оси и медленной оси распространения. Эта идеальная ситуация могла бы соответствовать идеальному волокну с точной геометрией. В руководстве [6.4] указано, что эти оси не обязательно соответствуют линейному состоянию поляризации.

В реальной ситуации, когда волокно помещено в кабель и проложено в поле, трудно рассчитывать, что оно идеально. Существуют ряд напряженных состояний, возникающих в волокне в процессе производства. Сердечник волокна и оболочка формируются в процессе механического вытягивания, вызывающего непредсказуемое двойное лучепреломление в волокне (приводящее к обмену мощностями между двумя состояниями поляризации [6.1], в результате чего эффективная скорость распространения света в среде зависит от ориентации электрического поля света [6.4]). Механическое действие процесса намотки волокна на оправку вызывает асимметричное напряжение. Когда кабель окончательно прокладывается, возникают другие напряжения. Эти действия вызывают деформацию волокна, нарушающую округлость волокна или концентричность сердцевины относительно оболочки. Они могут приводить к удлинению волокна и его изгибу.

После того как волокно помещено в кабель и на него действуют все вышеописанные напряжения, ориентация рассмотренных осей и относительная разница в скорости распространения света по каждой из осей (непосредственно связанная с величиной локального двойного лучепреломления) изменяются вдоль оптического пути распространения. Можно предположить, что для некой идеальной ситуации различные сегменты волокна имели бы различные ориентации этих локальных осей двойного лучепреломления. В каждом сегменте волокна между двумя порциями света, ориентированными по этим локальным (быстрым и медленным) осям, вводятся временные задержки. Так как относительная ориентация этих осей в соседних сегментах различна, импульс будет испытывать статистическое уширение во времени. В результате мы получаем поляризационную модовую дисперсию PMD [6.4].

PMD измеряется в пикосекундах для конкретного перекрытия установленного волокна. Дефекты в волокне либо добавляют, либо взаимодействуют с PMD, в результате происходит плавное увеличение уровня PMD в процессе прохождения светового импульса вдоль волокна от секции к секции. Соответствующие единицы для такого коэффициента, который характеризует волокно как таковое, имеют размерность пс/км1/2. Для волокна, составленного из нескольких секций, нужно использовать среднеквадратическое суммирование PMD, соответствующих каждому участку.

Влияние хроматической дисперсии можно уменьшить путем использования компенсаторов дисперсии. Однако до настоящего времени не существовало путей уменьшения PMD.

Влияние PMD на ВОСП возрастает:

- с увеличением скорости передачи в канале (когда битовый период уменьшается);

- с увеличением длины звена (между регенераторными секциями);

- с увеличением числа каналов (плотные WDM).

PMD может быть уменьшена благодаря более жесткому контролю на этапе производства волокна [6.4].

6.3.5. Компенсация дисперсии

Существуют два различных устройства, которые могут быть использованы для компенсации хроматической дисперсии. Первое устройство - это волокно, компенсирующее дисперсию (DCF), второе устройство использует сформированную в волокне дифракционную чирп-решетку Брэгга.

6.3.5.1. Волокно, компенсирующее дисперсию (DCF)

Хроматическая дисперсия накапливается в значительной степени линейно с ростом длины пути, пройденного в волокне. Это облегчает ее компенсацию. Если мы добавим к нашей работающей линии передачи волокно с большой дисперсией, коэффициент которой (параметр D) имеет противоположный знак, а величина примерно равна той, что накопилась в работающей линии, то мы сможем практически скомпенсировать эту дисперсию. DCF может иметь дисперсионный коэффициент (параметр D) на уровне -200 пс/нм/км [6.1](максимально модули DCF могут иметь D до -2040 пс/нм/км, что дает возможность компенсировать накопленную дисперсию линии длиной до 120 км).

Длина DCF должна быть как можно короче. Эта длина (L2) может быть вычислена по следующей формуле:

                                 (6.7)

где L1 — длина линии с работающим волокном, L2 — длина волокна DCF, D1 - дисперсионный параметр работающего волокна и D2 — дисперсионный параметр DCF.

Ряд проблем возникает и при использовании DCF. Во-первых, специальное волокно, используемое в DCF, вносит значительно большие потери, чем работающее волокно. Эти потери составляют от 0,4 до 1,0 дБ/км и добавляются к общим потерям линии передачи. Во-вторых, требуется около 1 км DCF, чтобы компенсировать 10-12 км рабочего волокна. В-третьих, как описывает Агравал [6.1], ввиду меньшего диаметра медового поля, оптическая интенсивность внутри DCF выше при заданной входной мощности, что приводит к возрастанию уровня нелинейных эффектов.

Для того, чтобы техника рассмотренной компенсации была эффективна, необходимо измерять общую дисперсию установленного звена передачи и дисперсионный параметр DCF.

6.3.5.2. Компенсаторы на дифракционных решетках Брэгга

Другой путь скомпенсировать хроматическую дисперсию состоит в использовании техники, основанной на дифракционных решетка Брэгга. Здесь используются преимущества, вызванные ЛЧМ-образным изменением показателя преломления, создающим условия селективного отражения определенных длин волн. Оптоволоконная дифракционная решетка Брэгга работает как оптический фильтр, благодаря существованию «полосы задерживания». Эта полоса центрируется в районе брэгговской длины волны. Брэгговская длина волны является функцией периода дифракционной решетки и индекса моды [6.1].

Дифракционные решетки Брэгга имеют относительно узкую полосу задерживания. В настоящее время требования ВОСП таковы, что нужны более широкие полосы задерживания. Надлежащее решение обеспечивается дифракционными чирп-решетками Брэгга. В этих решетках оптический период изменяется линейно по длине решетки. Так как брэгговская длина волны также меняется по длине решетки, различные частотные компоненты падающего импульса отражаются от различных точек (вдоль решетки), в зависимости от того, где локально удовлетворяются условия Брэгга.

Ключевым моментом для понимания компенсации дисперсии с помощью чирп-решетки Брэгга является скорость распространения света. При использовании стандартного волокна, работающего в полосе прозрачности 1550 нм, высокочастотные составляющие оптического импульса распространяются быстрее, чем низкочастотные. Если рассмотреть факт увеличения брэгговской длины волны при движении вдоль решетки, нужно отметить, что низкочастотные составляющие вынуждены двигаться дальше вдоль решетки, прежде чем они испытают отражение. То есть они испытывают большую задержку, вносимую такой решеткой, чем высокочастотные составляющие. Эта приводит к относительной задержке, вносимой решеткой, которая прямо противоположна задержке волокна, которое компенсирует дисперсию данного волокна [6.1, 6.4].

6.4. Нелинейные эффекты

В этом разделе мы кратко рассмотрим 7 различных явлений:

1 - вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS);

2 - вынужденное Рамановское рассеяние (SRS);

3 - фазовую самомодуляцию (SPM);

4  - четырехволновое смешение (ЧВС);

5 - модуляционную нестабильность (Ml);

6 - формирование солитона;

7 - фазовую кросс-модуляцию.

С ростом емкости ВОСП очевидна тенденция увеличения мощности сигнала. Однако мощность сигнала не может расти бесконечно, учитывая, что как только уровень мощности повышается, оптические нелинейности будут действовать так, чтобы изменить характеристики системы. В этой ситуации приходится устанавливать верхний предел оптической мощности, который, в свою очередь, установит предел отношения С/Ш, а, следовательно, максимально допустимую емкость ВОСП. Другие факторы, устанавливающие предел роста емкости системы передачи, будут рассмотрены в последующих разделах.

Можем ли мы использовать указанные нелинейности в свою пользу? Ответы на такие вопросы приводят нас к возможности компенсации нелинейной дисперсии и солитонным системам передачи.

6.4.1.  Введение в оптические нелинейности

Нелинейные взаимодействия между оптическим сигналом и оптоволоконной средой передачи стали рассматриваться, как только была увеличена мощность оптического сигнала. Последняя была увеличена для того, чтобы компенсировать большие вносимые потери при использовании оборудования WDM и для достижения больших длин секций. Следствием этого стала необходимость рассматривать влияние нелинейных эффектов на участках, где регенерация отсутствует, и там, где используются системы WDM и DWDM.

Эти нелинейности могут быть разбиты на две основные группы: нелинейности, связанные с эффектами рассеяния (это рассеяния Бриллюэна и Рамана) и эффектами типа эффекта Керра. Эффект Керра состоит в изменении коэффициента преломления материала под действием электрического поля. Это привносит зависимость показателя преломления от интенсивности излучения. К этой группе нелинейностей мы относим фазовую самомодуляцию, фазовую кросс-модуляцию, модуляционную нестабильность, со-литоны и четырехволновое смешение. Эти эффекты определяются следующими параметрами волокна и сигнала, распространяющегося по нему: дисперсионными характеристиками волокна, эффективной площадью сердцевины волокна, числом и шагом между оптическими каналами в многоканальных системах, полной не регенерируемой длиной системы, а также интенсивностью сигнала и толщиной излучаемой спектральной линии.

6.4.2.  Вынужденное рассеяние Бриллюэна

Вынужденное рассеяние возникает тогда, когда падающий сигнал рассеивается. Это рассеяние может быть как в прямом, так и в обратном направлениях, и объясняется действием одного или нескольких механизмов. В каждом случае, свет сдвигается в область длинных волн. Например, при длине волны 1550 нм рассеянный свет сдвигается вправо (рассеяние Бриллюэна, в отечественной литературе его называют рассеянием Мандельштама-Бриллюэна) примерно на 11 ГГц.

Среди всех нелинейностей, рассмотренных в этом разделе, вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS) имеет наинизшую пороговую мощность. Было показано, что порог SBS может изменяться в зависимости от типа волокна и даже среди отдельных волокон. Как правило, он имеет порядок 5-10 мВт для узкополосных источников света с внешней модуляцией. Для лазеров с непосредственной модуляцией эта мощность может быть порядка 20-30 мВт.

Для волокон типа G.653 порог SBS несколько меньше, чем для систем с волокном типа G.652. Это происходит благодаря меньшей эффективной площади волокон типа G.653. Можно также сказать, что это справедливо для всех нелинейных эффектов, которые мы будем рассматривать. Порог SBS чувствителен к спектральной ширине источника излучения и уровню излучаемой мощности. Однако он не зависит от числа каналов WDM.

6.4.2.1. Эффекты ухудшения передачи

SBS ограничивает количество световой энергии, которое может быть передано по волокну. На рис. 6.1 показано действие этого эффекта для узкополосного источника, когда вся мощность сигнала попадает в ширину полосу Бриллюэна. Переданная мощность достигает насыщения и резко нарастает мощность обратного рассеяния. Уровень входной мощности, подаваемой на волокно, при котором это резкое нарастание происходит, определяется как порог SBS и выражается формулой:

где g — означает коэффициент усиления Бриллюэна, Аeff — эффективная площадь сердечника, K — постоянная, определяемая степенью свободы состояния поляризации (в рекомендации G.652, K = 2). Переменные  и  представляют спектральную ширину полосы Бриллюэна и источника накачки соответственно. Leff — обозначает эффективную длину, определяемую как

где α  — коэффициент затухания волокна, a L — длина волокна.

Рис. 6.1. Порог вынужденного рассеяния Бриллюэна для узкополосного источника света (см. рис. II.3-1/G.663, р. 11, ITU-T G.663, [6.10])

Порог SBS  зависит от ширины линии световой накачки . Если ширина линии световой накачки меньше, чем ширина полосы Бриллюэна, то пороговая мощность SBS можно оценить, используя следующее соотношение:

6.4.2.2. Возможности снижения этих эффектов

Ухудшения, вызванные SBS, не возникнут в системах, где ширина линии источника значительно превосходит ширину полосы Бриллюэна, или там, где мощность сигнала меньше пороговой мощности SBS.

6.4.3. Вынужденное рассеяние Романа

Вынужденное рассеяние Рамана (SRS) вызывает ухудшение сигнала только тогда, когда уровень оптической мощности оказывается высок. Его влияние чем-то похоже на рассеяние Бриллюэна, но излучение света сдвигается в область существенно более низких частот (между 10 и 15 ТГц) для 1550 нм окна. Кроме этого сдвинутая низкочастотная составляющая имеет значительно более широкую полосу, чем полоса Бриллюэна (около 7 ТГц). В системах WDM влияние этого типа рассеяния заключается в перераспределении мощности из коротковолновых в длинноволновые каналы. В этом случае это явление работает как рамановский усилитель и длинноволновые каналы усиливаются за счет коротковолновых каналов до тех пор, пока разница в длинах волн лежит в полосе частот рамановского усиления. Это явление может возникнуть в кварцевом волокне, где усиление может стать результатом использования шага между каналами 200 нм.

В работе [6.1] сообщается, что в конфигурации WDM больше всего обедняется самый коротковолновой канал, так как его мощность может перекачиваться во многие каналы одновременно. Такое перераспределение мощности между каналами можно определить по характеристикам системы, так как оно зависит от характера расположения бит. Усиление происходит тогда, когда двоичные 1 присутствуют в обоих каналах одновременно. Такое усиление, зависящее от характера сигнала, ведет к увеличению флуктуации мощности, которая увеличивает уровень шума приемника и ухудшает его характеристики. Романовских перекрестных помех можно избежать, если мощности каналов сделать такими малыми, что рамановское усиление окажется незначительным на всей длине волокна. Особое внимание должно быть уделено SRS тогда, когда несколько усилителей включено последовательно друг с другом. Эти усилители добавляют шум, который теряет от рамановского рассеяния меньше, чем желаемый сигнал. В результате происходит ухудшение отношения сигнал/шум на удаленном конце у приемника [6.4].

6.4.3.1. Эффекты ухудшения передачи

SRS может возникнуть в системах, использующих как одномодовое, так и многомодовое волокно. Для того, чтобы наблюдать SRS при наличии только одного канала, без использования оптического усилителя, необходимо иметь уровень сигнала порядка +30 дБм или выше. Однако, коротковолновые сигналы систем WDM с большим шагом между каналами могут испытывать ухудшение отношения сигнал/шум, когда часть их мощности будет перекачиваться в длинноволновые каналы, благодаря явлению SRS. Это приводит к ограничению общей емкости системы, учитывая ограничения на общее число каналов WDM, их шага по сетке частот (длин волн), общей длины системы и средней входной мощности. В рекомендации [6.10] для этой ситуации, в частности, указывают, что порог, при котором в многоканальной системе наблюдается ухудшение на 1 дБ, вызванное наличием рамановского усиления в волокне без сдвига дисперсии, может быть оценен из неравенства:

[мВт⋅нм⋅Мм]                         (6.8)

где  — суммарная мощность всех каналов WDM (мВт),  — полоса оптического спектра (нм), в которой распределены эти каналы, Leff  — эффективная длина, выраженная в мегаметрах — Мм. Порог SRS для систем, использующих волокно типа G.653 несколько ниже, чем для систем, использующих волокно типа G.652, благодаря меньшей эффективной площади волокна G.653. SRS практически не вносит ухудшений в одноканальные системы. Однако оно может ограничить возможности систем WDM.

6.4.3.2. Возможности снижения этих эффектов

При использовании одноканальных систем нежелательные участки спектра могут быть убраны с помощью фильтров. Однако для WDM систем до сих пор практически нет технических приемов, позволяющих устранить влияние SRS. Вместе с тем влияние SRS можно снизить путем уменьшения входной оптической мощности. В рекомендации [6.10] сообщается, что SRS, видимо, не представляет практических ограничений внедрению систем WDM.

6.4.4. Фазовая самомодуляция

Когда выходной уровень источника света становится слишком большим, сигнал может модулировать свою собственную фазу. Как подразумевает само название, это явление является фазовой самомодуляцией (SPM). Как показано на рис. 6.2, это приводит к уширению переданного импульса и временному расширению или сужению сигнала. Что происходит, расширение или сужение, зависит от знака (положительного или отрицательного) хроматической дисперсии. В результате происходит сдвиг фронта импульса в сторону длинных волн и сдвиг среза импульса в сторону коротких волн.

Рис. 6.2. Механизм спектрального уширения за счет фазовой самомодуляции. (См. рис. II.3-6/G.663, ITU-T G.663, р. 17, [6.10])

6.4.4.1. Эффекты ухудшения передачи

Как можно ожидать, фазовая самомодуляция увеличивается с увеличением передаваемой мощности. Ее действие становится более деструктивным, как только увеличивается скорость передачи в канале и время нарастания импульса становится короче. Она также увеличивается при наличии отрицательной хроматической дисперсии.

На SPM не оказывает существенного влияния уменьшение шага между каналами в системах WDM или увеличение числа каналов. Влияние фазовой самомодуляции уменьшается, если хроматическая дисперсия нулевая или небольшая по величине, или при увеличении площади эффективной области оптоволокна.

В общем случае влияние SPM значительно только в системах с высоким значением накопленной дисперсии или в системах очень большой протяженности. Оптоволоконные системы, имеющие ограниченную накопленную дисперсию, могут не вызывать эффектов, характерных для SPM. В системах WDM с очень малым шагом между каналами, спектральное уширение, вносимое действием SPM, может также вызвать интерференцию между соседними каналами.

При использовании стандартного волокна типа G.652, SPM, в зависимости от передаваемой мощности, может приводить к сжатию импульсов для сигналов с небольшим чирпом, модулированных по интенсивности, как и при использовании волокна типа G.655 с аномальной дисперсией. Сжатие импульса противодействует влиянию хроматической дисперсии и дает некую приспособленность к действию дисперсии. Существует, однако, предел максимальной дисперсии и связанная с ним максимальная длина передачи.

6.4.4.2. Возможности снижения этих эффектов

Выбор рабочей длины волны для волокна типа G.653 вблизи длины волны нулевой дисперсии приводит к снижению влияния SPM. На относительно коротких ВОЛС длиной не более 1000 км, SPM может управляться с помощью модулей компенсации дисперсии, расположенных на определенных расстояниях вдоль трассы ВОЛС с волокном типа G.652. Как было указано выше, действие многих из указанных здесь эффектов может быть снижено путем уменьшения мощности сигнала или же путем использования длины волны выше длины волны нулевой дисперсии на рабочем волокне типа G.655.

6.4.5. Четырехволновое смешение

Для тех, кто пришел из радиосвязи, или беспроводной радиосвязи, четырехволновое смешение (ЧВС) напоминает нам продукты третьего порядка. Оно может полностью вывести из строя систему WDM. Оно появляется тогда, когда интенсивность лазерного сигнала достигает критического уровня. ЧВС заявляет о себе появлением побочных сигналов, некоторые из которых могут соответствовать частотам рабочих каналов. Всякий раз, когда три или более сигналов распространяются по волокну, можно ожидать возникновения четырехволнового смешения. Эти три световых сигнала: , ,  генерируют четвертый сигнал , подчиняющийся соотношению:

                                         (6.9)

ЧВС может возникать даже в одноканальных системах между рабочим сигналом и составляющими ASE ОУ, а также между основной и боковыми модами. В случае двух сигналов, модуляция по интенсивности на частоте биений модулирует показатель преломления волокна и возбуждает фазовую модуляцию разностной частоты, которая (в свою очередь) создает две боковые полосы с частотами, порождаемыми этой разностью. В случае трех сигналов формируется больше составляющих из смеси суммарно-разностных частот большей амплитуды (см. рис. 6.3), некоторые из которых в точности соответствуют рабочим частотам соседних каналов, если шаг между каналами в системе одинаков. Две оптических волны, распространяющиеся вдоль волокна, генерируют ЧВС с высокой степенью эффективности, если согласуются фазовые сдвиги между частотами боковых полос и начальным сигналом. Для относительно низких оптических мощностей это означает, что

                         (6.10)

где — шаг между каналами по сетке частот, D — хроматическая дисперсия волокна (дисперсионный параметр), — центральная длина волны, L — длина волокна, с — скорость света в вакууме. (Можно принять во внимание потери, если слегка модифицировать неравенство (6.10)). Эффективность ЧВС также чувствительна к общей оптической мощности в волокне. Рассмотрим следующее: для двух сигналов с оптическими мощностями Р1 и Р2  максимальный коэффициент параметрического усиления для боковых полос, gmax, может быть оценен так:

                                 (6.11)

где g — нелинейный коэффициент Керра.

Рис. 6.3. Смесь продуктов, генерируемых благодаря ЧВС, для 3-х оптических сигналов. (См. рис. II, 3-2/G. 663, р. 12, ITU-T. G.663, [6.10]).

6.4.5.1. Эффекты ухудшения передачи

В системах WDM и, в особенности, DWDM, влияние ЧВС особенно разрушительно. В системах DWDM с числом каналов N общее число возникающих в результате действия ЧВС частот составляет

                                         (6.12)

Например, четырехканальная система WDM формирует в результате 24 побочных канала, а восьмиканальная - 224 побочных канала, и т.д.

Особенно серьезные проблемы, благодаря ЧВС, возникают в системах, использующих волокно со сдвигом дисперсии типа G.653 [6.3]. В противоположность этому, расположение оптического рабочего канала непосредственно в точке нулевой дисперсии (или около нее) может привести к очень существенному процессу формирования продуктов ЧВС на очень небольшой длине (десятки километров). При использовании волокна с ненулевой смещенной дисперсией типа G.655 (особенно если оно имеет большую площадь эффективной области) такой острой ситуации не наблюдается. Еще меньше ЧВС влияет на волокно типа G.652 без сдвига дисперсии [6.5], учитывая, что дисперсия здесь достаточно велика.

Уровень ЧВС чувствителен к следующим системным характеристикам:

- увеличению мощности в канале;

- увеличению числа каналов;

- уменьшению шага между каналами.

Так уровень ЧВС резко снижается в системах с шагом 200 ГГц, по сравнению с системами с шагом 100 ГГц.

ЧВС уменьшается с уменьшением абсолютной величины хроматической дисперсии.

Генерация боковых полос ЧВС может привести к значительному обеднению мощности рабочих каналов. Кроме того, когда комбинационные гармоники попадают на частоты рабочих каналов, то возникает параметрическая интерференция, которая может привести как к увеличению, так и уменьшению амплитуды рабочего импульса, в зависимости от фазовых соотношений рабочего сигнала и сигналов боковых полос.

Параметрические потери вызывают закрытие глазковой диаграммы на выходе приемника, приводя к ухудшению уровня ВЕК. Увеличение шага между несущими и хроматическая дисперсия уменьшают эффективность процессов ЧВС за счет разрушения фазовых соотношений между взаимодействующими волнами. Системы, работающие на волокне G.652, меньше страдают от ЧВС, чем системы, работающие на волокне G.653. В отличие от этого, расположение частоты рабочего канала вблизи нуля дисперсии может привести к существенному формированию продуктов ЧВС на относительно короткой длине волокна (десятки километров). ЧВС также чувствительно к шагу между каналами.

ЧВС может привести к серьезным ухудшениям систем WDM, использующим волокно типа G.653, учитывая, что уровень хроматической дисперсии в канале низок. Влияние дисперсии на достижимую емкость системы с четырьмя рабочими каналами после трех усилительных пролетов показано на рис. 6.4. Из него видно, что может произойти при больших уровнях мощности, когда условия способствуют генерации продуктов смешения. Ограничения емкости подсчитаны в расчете на худший случай генерации продуктов ЧВС для четырех +8 дБм рабочих каналов, центрированных относительно нулевого значения дисперсии. Такая система генерирует недопустимо большие уровни искажений, благодаря ЧВС, как только дисперсия в рабочем канале приближается к нулю.

Рис. 6.4. Влияние дисперсии на емкость системы с учетом действия ЧВС. (См. рис. II.3-3/G.663, р.13, ITU-T G.663, [6.10])

В одноканальной системе, ЧВС может взаимодействовать между составляющими ASE-шума ОУ и рабочими каналами, а также между основной и боковыми модами оптического передатчика. Накопленный ASE-шум, благодаря действию эффекта Керра, добавляет фазовый шум несущей рабочего канала, вызывая, тем самым, расширение хвостов спектра сигнала.

6.4.5.2. Возможности снижения этих эффектов

Как указывалось выше, дисперсия может быть использована для подавления генерации боковых полос ЧВС. Например, это может быть дисперсия, характерная для волокна типа G.655. Для уменьшения влияния эффектов за счет ЧВС, может быть использован также неравномерный шаг между каналами. Снижение уровня входной мощности в системах, работающих на волокне типа G.653, делает возможным использование многоканальных систем, но может оказаться компромиссным решение использовать экономические преимущества оптического усиления.

Для того чтобы адекватно подавлять генерацию продуктов ЧВС, в промышленности было предложено использовать волокно с минимальной допустимой (но не нулевой) дисперсией в области усиления ОУ. Как потенциально пригодный, рассматривается также вариант чередования пролетов, использующих волокно с ненулевой дисперсией и волокно с противоположной по знаку дисперсией, учитывая, что в результате среднее значение хроматической дисперсии близко к нулю. Однако в [6.10] указывается, что эта альтернатива может вызвать трудности в плане прокладки, работы и обслуживания таких кабельных систем, ввиду необходимости использования второго типа кабеля. Были продемонстрированы и аналогичные подходы, использующие длинные пролеты с малой конечной дисперсией, разбитые на короткие участки с волокном противоположного знака (но большой) дисперсии для создания эффекта компенсации. В частности, в звеньях с периодическим усилением короткий отрезок компенсирующего дисперсию волокна может быть помещен в модуль, где расположен оптический усилитель.

Как средство снижения влияния нелинейных эффектов, 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. Однако возможность переноса мощности сигналов в продукты смешения (т.е. обеднение мощности сигнала) остается и при неравномерном шаге и все еще может привести к сужению глазковой диаграммы. Увеличенный шаг также уменьшает влияние ЧВС. Использование этих технологий уменьшения влияния ЧВС может быть ограничено сужением общей полосы используемого спектра усиления при последовательном включении ряда оптических усилителей.

6.4.6. Модуляционная неустойчивость

Модуляционная неустойчивость (MI) приводит к превращению непрерывного сигнала или импульса в модулированную структуру. В [6.10] сообщается, что ее можно наблюдать в режиме аномальной дисперсии (т.е. выше длины волны нулевой дисперсии), где квазимонохроматический сигнал имеет тенденцию спонтанно генерировать две симметричные спектральные боковые полосы, как показано на рис. 6.5. 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

где п2 - нелинейный коэффициент преломления диоксида кремния, Aeff -площадь эффективной области волокна, Р0 - вводимая оптическая мощность, D(λ) — коэффициент хроматической дисперсии, λ - рабочая длина волны. Боковые полосы располагаются на расстоянии  от несущей, которая испытывает усиление на единицу длины, равное . Потери волокна можно принять во внимание, если провести небольшую модификацию приведенного выше выражения. Влияние усиления за счет MI на девиацию частоты по отношению к сигналу (при наличии потерь волокна и для различных значений дисперсии) приведено на рис. 6.6.

Рис. 6.5. Спектр мощности импульса после распространения по отрезку волокна длиной 1 км. Ширина входного импульса - 100 пс, пиковая мощность 7 Вт. Боковые спектральные полосы появились в результате действия Ml. (См. рис. I1.3-4/G.663, р. 15, ITU-T G.663, [6.10])

Рис. 6.6. Расчетная зависимость усиления Ml от расстройки частоты, полученная для сигнала на выходе отрезка волокна длиной 30 км (с потерями 0,24 дБ/км) для 5 различных коэффициентов дисперсии и при мощности входного излучения +16 дБм. (См. рис. II.3-5/G.663, р. 15, ITU-T G.663, [6.10])

MI можно рассматривать как частный случай ЧВС, где два фотона входного сигнала преобразуются в два фотона с различными частотами.

6.4.6.1. Эффекты ухудшения передачи

Модуляционная нестабильность (MI) 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 Ω, близких к ширине полосы сигнала, MI 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, MI может наблюдаться при меньших уровнях мощности и может приводить к избыточному усилению шума спонтанного излучения каскадно включенных оптических усилителей. Уширение спектральных хвостов, вызванное индуцированным эффектом Керра, может вызвать обеднение носителей сигналов. Эти хвосты могут быть ослаблены за счет использования узкополосных ASE-фильтров или за счет эффекта самофильтрации в системах большой протяженности.

6.4.6.2. Возможности снижения этих эффектов

Влияние MI 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 MI. Другими словами, принятый сигнал должен быть электрически отфильтрован для снижения уровня паразитного усиленного шума. Воздействие, вызванное Ml, можно существенно уменьшить путем использования лазеров с внешней модуляцией, дающих более узкий спектр.

6.4.7. Формирование солитонов

6.4.7.1. Использование преимуществ солитона

Если бы можно было оградить себя от влияния дисперсии в ВОЛС и работать в окне прозрачности минимального затухания 1550 нм со скоростью 10 Гбит/с, то можно было бы увеличить расстояние между регенераторами до 1000 км. Это было бы хорошо, в частности, для подводных ВОСП!

Влияние дисперсии на переданный импульс состоит в его уширении по мере того, как он распространяется по волокну. Солитон - это импульс, который не изменяет своей формы по мере того, как он распространяется по волокну. Он не уширяется под влиянием дисперсии и нелинейностей волокна.

Солитон демонстрирует баланс между нелинейностью и дисперсией. Нелинейности волокна противодействуют накапливанию дисперсии при распространении импульса по волокну.

Более специфическое определение приведено в [6.1]: оптический солитон является результатом баланса между дисперсией групповых скоростей - ДГС (GVD) и фазовой самомодуляцией — ФСМ (SPM), описанной в разд. 6.4.2, (под групповой скоростью понимают скорость огибающей группы волн, имеющих близкие частоты; она может быть больше или меньше фазовой скорости волн, в оптике это величина, обратная параметру b1, см. также [6.2].). Рассматриваемые по отдельности, каждое из этих явлений ограничивает характеристики ВОСП. ДГС уширяет оптический импульс при его распространении по волокну, когда импульс первоначально частотно-модулирован (чирп-импульс) нужным образом. Такой импульс может быть сжат во время ранней стадии распространения, наделяющей разные знаки параметру ДГС () и чирп-параметру С, так что их произведение С - отрицательно. ФСМ, являющаяся результатом зависимости интенсивности от показателя преломления, накладывает чирп на оптический импульс, так что C > 0. Учитывая, что  < 0 в области 1550 нм, убеждаемся, что условия C < О выполняются. Более того, учитывая, что чирп, возбуждаемый за счет ФСМ, зависит от мощности, не трудно представить, что при определенных обстоятельствах ФСМ и ДГС могут взаимодействовать так, что чирп, возбуждаемый за счет ФСМ, оказывается способным ликвидировать уширение импульса, вызываемое за счет ДГС. Оптический импульс распространяется после этого неискаженным в форме солитона.

Солитоны должны поддерживать определенную обособленность один от другого при передаче последовательности бит информационного потока. Это предохраняет солитоны от взаимодействия, которое может оказаться деструктивным. Для того чтобы достичь необходимой обособленности двух соседних солитонных импульсов, разработчик системы вынужден использовать в качестве формата линейного кодирования RZ (возвращение к нулю), а не NRZ, который является общепринятым. При использовании формата RZ солитон занимает только малую часть битового интервала (битового периода), обеспечивая тем самым достаточную обособленность соседних бит.

Что же ограничивает длину или поддерживаемую скорость передачи солитонной линии связи?

- Уширение солитонного импульса за счет потерь. Солитонный импульс должен поддерживать достаточно большую амплитуду. Если этого не происходит, солитонный импульс уширяется. Уменьшенная пиковая мощность ослабляет нелинейные эффекты, необходимые для противодействия влиянию ДГС. Использование волоконно-оптических усилителей (например, тиап EDFA) может вернуть солитону необходимый уровень пиковой мощности.

- Шум усилителя. Усилители, необходимые для восстановления энергии солитона, добавляют шум, источником которого является усиленное спонтанное излучение (ASE), см. гл. 7.

- Дрожание фазы (джиттер) за счет линейных оптических усилителей. Джиггер является тем механизмом, который вносит отклонение позиции солитона от исходно предписанной позиции - в центре битового интервала. В идеальном случае все солитоны прибывают к приемнику на удаленном конце в центре предписанного им битового интервала. Отклонения от этого идеального положения могут вызвать взаимодействие солитонов и ухудшение показателя ВЕR.

6.4.7.2. Эффекты ухудшения передачи

Эффекты, вызванные формированием солитонов, могут наблюдаться в ВОСП, использующих волокна типа G.652, G.653 и G.655. Как было сказано, формирование фундаментального солитона может быть полезным, однако, солитоны другого порядка приводят к существенному ухудшению передаваемого сигнала. Следовательно, формирование солитонов более высокого порядка устанавливает предел максимальной мощности, которая может быть введена в волокно.

6.4.7.3. Возможности снижения этих эффектов

Образование солитона можно избежать, если ВОСП работает на длине волны ниже длины волны нулевой дисперсии данной линии передачи. Однако в этом режиме работы не только не поддерживается солитонная передача, но и происходит уширение импульса как за счет влияния дисперсии, так и за счет нелинейностей. В этом случае ухудшение сигнала можно уменьшить только за счет надлежащего управления дисперсией по длине линии передачи.

6.4.8. Фазовая кросс-модуляция

В системах WDM, и в особенности в системах DWDM, фазовая кросс-модуляция — ФКМ (ХРМ) будет постепенно расширять спектр сигнала, когда изменения оптической интенсивности приведут к изменениям, вызванным взаимодействием между соседними каналами. Количественная величина такого расширения, вносимого ФКМ, зависит от шага между каналами, потому что внесенные дисперсией дифференциальные групповые скорости будут вызывать дальнейшее отделение взаимодействующих импульсов при их движении по волокну. Как толька спектральное расширение вносится ФКМ, сигнал испытывает большее временное уширение при его движении вдоль волокна, благодаря влиянию хроматической дисперсии.

6.4.8.1. Эффекты ухудшения передачи

Ухудшения, вызванные ФКМ, наиболее существенно проявляются в системах, использующих волокно типа G.652 и G.655. Уширение за счет ФКМ может привести к интерференции (взаимовлиянию) соседних каналов в системах WDM.

6.4.8.2. Возможности снижения этих эффектов

Уровнем ФКМ можно управлять путем надлежащего выбора разноса каналов в системах WDM/DWDM. Исследования показали [6.10], что в системах WDM только соседние каналы вносят значительный вклад в искажения сигнала, вызванного возникновением ФКМ. Отношение сигнал/шум центрального канала в системе, имеющей три канала, достигнет того же уровня, что и в системе с одним каналом, только при увеличении шага между каналами. В результате этого, влияние ФКМ может быть сделано ничтожно малым, если адекватно выбрать шаг между каналами. При моделировании системы с уровнем мощности в канале 5 мВт было показано, что шаг порядка 100 ГГц вполне достаточен, чтобы значительно уменьшить влияние ФКМ. Дополнительные ухудшения за счет дисперсии, вызванные наличием ФКМ, также могут быть управляемы при установке в системе через определенные интервалы модулей компенсации дисперсии.

Обзор нелинейных оптических эффектов в волокне на основе кварцевого стекла приведен в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Обзор нелинейных оптических эффектов в стеклянном волокне.

Источник: Table 11.1 / G.663, р.20, ITU-T G.663, [6.10]

6.5. Поляризационные свойства

6.5.1. Поляризационная модовая дисперсия (PMD)

Смотри разд. 6.3.4, который может служить введением в PMD.

6.5.1.1. Эффекты ухудшения передачи

В цифровых системах принципиальное влияние PMD заключается в том, что она вызывает межсимвольные искажения (ISI). Примерная оценка этого явления - ухудшение показателей системы примерно на 1 дБ происходит при полной дисперсии примерно 0,4 Т, где Т — один битовый период. В соответствии с [6.10] это приемлемое значение для максимально допустимого ухудшения качества системы. Хотя и нет окончательного решения (см. [6.10]), но текущий уровень исследований указывает, что оптические волокна и кабели будут оцениваться средним уровнем поляризационной модовой дисперсии — ПМД, обзор одноканальных и многоканальных систем также показывает, что и они будут оцениваться аналогичным средним показателем. Это соответствует величине средней дифференциальной групповой задержки, равной одной десятой битового периода, 0,1 Т. Компьютерное моделирование показывает, что если ПМД имеет максвелловское распределение со средним значением не выше 0,1 Т, то с вероятностью меньшей, чем 10-9, ухудшение показателей системы не превысит 1 дБ.

Более того, в рекомендации [6.10] установлено, что в системах с усилителями и длинными пролетами/секциями, применяющими скремблеры поляризации (устройства, принудительно модулирующие состояние поляризации лазерного сигнала так, чтобы он казался неполяризованным), ПМД вызывает увеличение степени поляризации такого сигнала. Это, в свою очередь, ухудшает показатели системы, благодаря взаимодействию с потерями, обусловленными поляризацией, и поляризационному провалу усиления (см. ниже).

В аналоговых системах взаимодействие потерь и модовой дисперсии с лазерным чирпом приводит к появлению искажений второго порядка, пропорциональным частоте модуляции. Дальнейшее ухудшение от эффектов второго порядка, не зависящих от частоты модуляции, происходит тогда, когда в системе присутствуют дополнительные потери, обусловленные поляризацией.

Известно также, и было кратко упомянуто выше, что эффект второго порядка может объединить ПМД и хроматическую дисперсию. Это обусловлено зависимостью дифференциальной групповой задержки от длины волны. Она приводит к статистическому вкладу в хроматическую дисперсию. Это, пока еще, понимается недостаточно четко, и этот вопрос находится в стадии изучения.

6.5.1.2. Возможности снижения этих эффектов

Было установлено, что ПМД возникает благодаря индуцированному двойному лучепреломлению, поэтому большие усилия, направленные на снижение влияния ПМД, были сконцентрированы на минимизации двойного лучепреломления, вносимого в процессе производства волокна и кабеля. Различные меры были приняты для оптимизации процесса производства, чтобы быть уверенным в концентричности (округлости) сердцевины волокна. Оптические кабели производятся в настоящее время с использованием материалов и процессов, которые минимизируют остаточные напряжения в структуре кабеля (поперечном сечении его сердечника). Можно также использовать тщательно продуманную кабельную структуру, позволяющую ввести круговую составляющую в индуцированное двойное лучепреломление. При аккуратном проектировании такая продуманная структура может противодействовать возникновению линейного двойного лучепреломления, что приведет к созданию кабеля с результирующей нулевой ПМД. Типичное среднее значение ПМД волокон и кабелей лежит в диапазоне

Другой метод основан на использовании концепции основных состояний, введенных ранее. В этой схеме в начальной и конечной точках системы вводится контроллер поляризации. На выходном контроллере поляризации установлен расщепитель поляризованного луча, используемый для генерации сигнала ошибки. Выходной поляризатор наблюдает за сигналом ошибки, а входной поляризатор настраивается так, чтобы минимизировать этот сигнал ошибки. В точке отсутствия сигнала ошибки на выходе, состояние входного поляризатора является одним из основных состояний данной системы. Используя такую технологию, можно компенсировать задержку с точностью до 1 битового периода при скорости системы в 5 Гбит/с. Аналогичная технология может быть использована для когерентных систем мультиплексирования с частотным разделением (FDM).

6.5.2. Потери, обусловленные поляризацией

Потери, обусловленные поляризацией (PDL), возникают благодаря дихроизму пассивных оптических элементов, таких как изоляторы, разветвители и т.д., расположенных на пути сигнала. Когда сигнал проходит через дихроичный элемент, составляющая его электрического поля, параллельная оси потерь, ослабляется. Как и в случае ПМД, те оси, которые определяют PDL, ориентированы случайно по отношению друг к другу.

6.5.2.1. Эффекты ухудшения передачи

Проанализируем конфигурацию типичной системы, для того чтобы идентифицировать, а затем и управлять PDL. В системе с усилителями, один из режимов управления усилителем — работа при постоянной мощности сигнала. PDL влияет как на сигнал, так и на шум. Однако, учитывая, что шум не подвергается поляризации, воздействие PDL на сигнал и шум будет различным. Шум может быть разложен на составляющую, параллельную сигналу, и составляющую, ортогональную ему. Можно показать, что объединенное действие PDL и оптического усиления сводится к тому, чтобы усилить составляющую шума, ортогональную сигналу. Более того, амплитуда ортогональной составляющей шума изменяется во времени аналогично тому, как поляризация сигнала изменяется под действием ПМД. Это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум и величины Q на входе приемника. В дополнению к этому, флуктуации сигнала во времени приводят к явлению фединга отношения сигнал/шум и величины Q на входе приемника. Обе причины ведут к ухудшению показателей системы.

В аналоговых системах PDL может взаимодействовать с лазерным чир-пом и ПМД и снижать показатели системы в терминах составных искажений второго порядка. Как можно было бы ожидать, эти искажения меняются во времени и приводят к флуктуациям показателей во времени в системах с составными искажениями второго порядка.

6.5.2.2. Возможности снижения этих эффектов

Во-первых, нужно заметить, что влияние PDL на показатели системы растет с ростом числа усилителей. В системах с подводными кабелями, имеющими длинные пролеты/секции, требования особенно жесткие, так как число усилителей в тандемном соединении может исчисляться сотнями. В наземных системах с короткими пролетами/секциями число усилителей в тандемном соединении составляет единицы. Влияние PDL на показатели системы все еще находится в стадии изучения организацией ITU-T (МСЭ).

6.5.3. Поляризационный провал усиления

Поляризационный провал усиления (РНВ) является результатом анизотропного насыщения, созданного поляризованным сигналом насыщения, вводимым в эрбиево волокно. Это приводит к снижению населенности возбужденных состояний, ориентированных поляризованным полем. Следовательно, допустимое усиление в ортогональном направлении выше. Хотя эрбиевы ионы распределены случайно в матрице стекла, на микроскопическом уровне диполь, ассоциируемый с эрбиевым ионом, является анизотропным. РНВ-эффект максимален там, где линейно поляризованный насыщенный сигнал ориентирован в направлении главной оси диполя, и уменьшается там, где состояние поляризации насыщенного сигнала — эллиптическое или круговое. Как сигнальный лазер, так и лазер накачки, вносят свой вклад в этот общий эффект. Полное дифференциальное усиление является векторной суммой двух этих вкладов. Степень провала усиления пропорциональна степени поляризации насыщенного сигнала. Для неполяризованного насыщенного сигнала не существует провала усиления. В принципе, это похоже на случай сигнала с круговой поляризацией.

6.5.3.1. Эффекты ухудшения передачи

РНВ влияет на показатели системы тем, что вызывает нарастание мощности шума вдоль цепочки усилителей в большей степени, чем это предсказывается линейной теорией. Это значит, что РНВ уменьшает отношение сигнал/ шум; как в случае ПМД и PDL, а измеренная добротность Q изменяется во времени (флуктуирует). Учитывая, что действие РНВ обусловлено суммой двух вкладов, существуют два пути, по которым осуществляется воздействие на показатели системы. Общий эффект пропорционален усилению насыщения и возрастает с ростом степени насыщения.

Прежде всего мы снизим влияние поляризованного лазера накачки. Рассмотрим случай, когда поляризация накачки фиксирована и инвариантна. Накачка вызывает дифференциальное усиление в направлении, ортогональном оси поляризации. Шум, ориентированный ортогонально накачке, испытывает большее усиление, чем шум, ориентированный в направлении накачки. Однако, оси поляризации лазеров накачки каждого из усилителей в цепочке не коррелированы друг с другом. Поэтому накопленный эффект формируется, как при случайном блуждании, и индуцированный накачкой РНВ может рассматриваться как вклад в PDL данного усилителя. Следовательно, среднее значение нарастания шума, рассмотренное на группе из нескольких усилителей, должно быть линейным, как это и предсказывается простой теорией.

Влияние РНВ, индуцированной сигнальным лазером, несколько отличается от рассмотренного. При распространении лазерного сигнала вдоль системы, шум, поляризованный вдоль оси параллельной оси распространения лазерного сигнала, будет испытывать то же усиление, что и сам сигнал. Однако, шум поляризованный ортогонально лазерному сигналу, будет испытывать большее усиление, так как он всегда будет ортогонален оси поляризации сигнала. Поэтому общий шум будет увеличиваться нелинейно от усилителя к усилителю.

Общее дифференциальное усиление, благодаря действию РНВ, изменяется с изменением состояния поляризации сигнала (благодаря ПМД) вдоль цепочки усилителей. Оно меняется, так как эффект провала усиления сигнала коррелирован с эффектом накачки. Амплитуда дифференциального усиления изменяется в соответствии с изменением относительных состояний поляризации сигнального лазера и лазера накачки. Поэтому, хотя общий шум изменяется нелинейно при движении по цепочке усилителей, он при этом еще и флуктуирует во времени. Следовательно, как мы уже объясняли выше, отношение сигнал/шум уменьшается и флуктуирует во времени. Добротность системы Q также при этом ухудшается и флуктуирует во времени.

6.5.3.2. Возможности снижения этих эффектов

Один из путей ослабить влияние РНВ — работать с меньшими уровнями сигнала в усилителях. Однако во многих случаях это или невозможно, или нежелательно. В рекомендации [6.10] предлагается воспользоваться простым подходом — использовать деполяризованный сигнал. Деполяризованный сигнал может генерироваться многими способами, но наиболее часто используемым является способ скремблирования поляризации. Используя фазовый модулятор, можно изменять состояние поляризации во времени между двумя ортогональными состояниями. Полученный таким образом сигнал кажется деполяризованным.

Практика показывает, что оптимальным является использование в качестве частоты модуляции эквивалент удвоенной скорости передачи. Это объясняется тем, что PDL в усилителе конвертирует модуляцию состояния поляризации в амплитудную модуляцию. Используя в качестве частоты модуляции эквивалент удвоенной скорости передачи, мы получаем флуктуации амплитуды со скоростью выше, чем полоса частот детектора, т.е. она не воспринимается приемником. Используя этот прием, можно улучшить показатели систем с длинными пролетами/секциями до таких величин, когда с большой вероятностью будут достигаться нужные показатели. Модуляция состояния поляризации в настоящее время широко практикуется в трансокеанских системах передачи с усилителями.

Однако в системах большой протяженности с усилителями, ПМД вызывает реполяризацию сигнала, вновь позволяя РНВ, таким образом, снова вызывать ухудшение показателей системы. Этот феномен показывает насколько сложна природа взаимодействия поляризации в звеньях передачи, использующих усилители.

6.6. Другие типы ухудшений системы передачи

6.6.1. Накопленный шум, связанный с оптическим усилением

При наличии каскадного соединения ряда ОУ (см. разд. 7.4.2), расположенных вдоль ВОЛС, шум ASE, генерируемый в ОУ, повторяет цикл ослабления и усиления аналогично тому, как это происходит с информационным сигналом. Учитывая, что входящий шум ASE усиливается каждым ОУ, и то, что он добавляется к шуму, который генерируется этим конкретным ОУ, можно предположить, что общая мощность шума ASE увеличивается почти пропорционально числу ОУ, а мощность сигнала уменьшается на эту же величину. В рекомендации [6.10] указано, что мощность шума может превысить мощность сигнала.

Профиль спектра шума ASE также изменяется при переходе от усилителя к усилителю. Если шум ASE от первого ОУ является входным для второго ОУ, профиль усиления второго усилителя изменяется за счет мощности шума этого ASE, благодаря эффекту насыщения усиления. Аналогично этому, профиль усиления третьего ОУ также модифицируется выходным спектром мощности второго ОУ. Такой эффект повторяется на каждом каскаде ОУ вплоть до последнего. Шум ASE накапливается, даже если в каждом ОУ используются узкополосные фильтры, так как шум существует во всем диапазоне частот, который включает и частоту сигнала.

6.6.1.1. Эффекты ухудшения передачи

Накопление шума ASE влияет на отношение сигнал/шум системы, потому что благодаря (главным образом) шуму биений, связанному с ASE, происходит ухудшение отношения сигнал/шум принятого сигнала. Такой шум биений растет линейно с ростом числа используемых ОУ. В результате, коэффициент ошибок ухудшается с ростом числа ОУ. Более того, шум накапливается экспоненциально в зависимости от усиления усилителя.

В результате, в спектре шума ASE, после прохождения через большое количество усилителей, имеющих определенный спектр усиления, появляется характерный пик на некоторой длине волны, благодаря эффекту самофильтрации (см. разд. 6.6.2). Если, например, рассматривается замкнутая кольцевая оптическая сеть, то ожидаемое накопление шума ASE такое, как если бы использовалось бесконечное число ОУ. Хотя накопление шума ASE в системах с фильтрацией шума, существенно уменьшается благодаря наличию фильтров, внутриполосный шум тем не менее растет с ростом числа каскадов ОУ. В результате, отношение сигнал/шум ухудшается с ростом числа ОУ.

6.6.1.2. Возможности снижения этих эффектов

Накопление шума ASE можно уменьшить путем уменьшения расстояния между усилителями, если поддерживать, в то же время, общее усиление равным общим потерям на тракте передачи, так как шум накапливается экспоненциально в зависимости от усиления усилителя (которое при этом снижается). Существуют две технологии фильтрации, которые могут уменьшить шум ASE:

1. Фильтры шума ASE.

2. Эффект, или метод, самофильтрации.

Метод самофильтрации используется тогда, когда применяется 10 или больше ОУ последовательно. В этом методе проектировщик системы настраивает системную длину волны на длину волны самофильтрации так, что происходит снижение шума ASE на входе детектора. Это похоже на использование узкополосного фильтра. Рекомендация [6.10] сообщает, что этот метод очень эффективен для снижения начального шума ASE, если используется на укороченных пролетах и для ОУ с малым усилением.

Не рекомендуется использовать метод самофильтрации на сетях WDM с топологией замкнутого кольца при использовании ОУ. Принципиальная причина этого в том, что возникает результирующий пик усиления в спектре усиления ОУ, который может оказать значительное влияние на показатели системы. В этом случае рекомендуется использовать фильтры ASE, минимизирующие шум ASE. Это достигается путем фильтрации каналов WDM, не предназначенных для использования на данном узле сети.

Если в тандемном соединении используется только несколько усилителей, то метод самофильтрации менее эффективен, чем метод фильтров ASE. Этот последний метод является более гибким в плане выбора рабочих длин волн, с ним легче обеспечить уровень однородности каналов в системах WDM. В рекомендации [6.10] советуют тщательно выбирать характеристики фильтра. Следует отметить, что полоса пропускания каскада фильтров уже, чем полоса одного фильтра, если только она не является прямоугольной. В одноканальных системах большой дальности могут быть использованы обычные фильтры, имеющие полосу пропускания на уровне половины максимума порядка 3 нм.

6.6.2. Эффект самофильтрации

Существует характеристический профиль спектра усиления (или спектр ASE шума) в результате накопления шума ASE благодаря каскаду ОУ. Этот спектр имеет пик и спектральная ширина этого пика уменьшается с ростом числа ОУ, пока этот процесс не достигнет насыщения при определенном числе усилителей. Это может привести к формированию спектральной линии шириной 2-3 нм при использовании нескольких десятков ОУ. Этот эффект и носит названия самофильтрации.

Рекомендация [6.10] сообщает, что эффект самофильтрации определяется формой спектра эмиссии, сечением поглощения и степени инверсии ОУ. Длина волны самофильтрации может изменяться в зависимости от состава используемого стекла, входной оптической мощности или потерями между ОУ и их зависимостью от длины волны, волны накачки и длины легированного волокна. Проектировщики систем считают, что эффект самофильтрации может быть желателен в одноволновых системах, но не желателен в системах WDM.

6.6.2.1. Эффекты ухудшения передачи

Если используется несколько усилителей в тандеме, спектральная ширина пика усиления самофильтрации остается достаточно широкой и это не приводит к уменьшению накопления шума ASE. Уменьшения не происходит, даже если рабочая длина волны подстраивается к пиковой волне самофильтрации. Может оказаться достаточно сложным воспользоваться преимуществом эффекта самофильтрации, благодаря большому количеству усилителей в тандеме. Величина сигнал/шум может быть выше, но может и ухудшаться, если рабочая длина волны сдвигается в сторону от позиции волны самонастройки. Как правило, такой сдвиг может произойти после реконфигурации или ремонта, ввиду изменения потерь между усилителями.

В случае систем WDM/DWDM, при каскадировании ОУ может возникать изменение уровней каналов, которое экспоненциально растет с ростом числа ОУ в тандеме (показателем экспоненты является число ОУ). В [6.10] приводится пример, в котором распределение мощности среди 5 каналов имело неравномерность ~3 дБ после одного ОУ, оно увеличивалось до ~15 дБ после использования 6 ОУ. В системах WDM изменение общего числа каналов приводит к изменению спектра усиления, которое оказывает возмущающее воздействие на другие каналы. Кроме того, спектрально зависимое усиление, наведенное насыщением, также вызывает изменение усиления между каналами.

Рекомендуется тщательно рассчитывать бюджет звена, чтобы приспособиться к таким изменениям спектрального усиления ОУ типа EDFA, как в системах с фильтрами, так и без. Следует отметить, что фильтры ASE обычно снимают эту проблему. Этот метод описан в разд. 6.6.2.2.

6.6.2.2. Учет эффекта самофильтрации

Использование метода самофильтрации для улучшения отношения сигнал/шум наиболее эффективно тогда, когда длина волны оптимальной дисперсии, длина волны самофильтрации и рабочая длина волны одинаковы. Этот метод не требует использования фильтров ASE, которые могут вызвать деградацию, ассоциируемую с PDL в данном фильтре. Это в первую очередь относится к трансокеанским системам. Как упоминалось выше, ориентирование на использование эффекта самофильтрации усложняет проектирование системы, ее реконфигурацию и ремонт, потому что рабочая длина волны должна всегда настраиваться так, чтобы совпадать с длиной волны самофильтрации, которая меняется. Спектральные характеристики усиления ОУ и потерь между усилителями должны быть однородны настолько, насколько это возможно. В противном случае пик усиления само-фильтрации может оказаться недостаточно узким, что приведет к уменьшению желаемого отношения сигнал/шум. Это также осложняет возможность предотвращения индуцируемого ASE насыщения в системах большой протяженности.

Метод ASE-фильтра является той альтернативой, которая позволяет избежать этих недостатков в снижении эффекта накопления шума ASE при использовании полосы фильтра, настроенной на рабочую длину волны. Узкополосные фильтры с величиной FWHM < 1 нм теперь широко доступны. Использование метода ASE-фильтра позволяет минимизировать накопление ASE-шума. Следовательно, система освобождается от ограничений, таких как сложность проектирования, реконфигурации и ремонта, а также освобождается от необходимости использовать короткие пролеты и однородные характеристики ОУ.

В системах WDM появление дополнительной мощности между каналами, распределенной благодаря эффекту самофильтрации, можно избежать за счет использования физически отдельных для каждого канала усилителей. Указывается только, что этот метод требует более дорогого демультип-лексора, отдельного ОУ и мультиплексора. Альтернативой является использование выравнивания мощности оптических каналов для каждого узла сети, хотя этот метод требует дополнительных устройств управления и более критического бюджета мощности в системе. Другой подход — использовать менее насыщенные и менее строго инвертированные ОУ, так как это делает ослабление менее зависимым от длины волны и, тем самым, уменьшает неравномерность распределения мощности между каналами. В строго инвертированном каскаде ОУ, типа EDFA, ASE растет, с ростом числа EDFA, в районе первого пика усиления -1530 нм и должна быть устранена с помощью коротковолнового режекторного фильтра. Дополнительно может использоваться метод предварительной минимизации разницы отношения сигнал/шум между каналами для всех каналов путем подстройки уровня передаваемой оптической мощности для каждого канала на основе использования сигналов обратной связи с каждого из удаленных оконечных терминалов.

Разделы 6.4 — 6.6 написаны на основе материала в Appendix II, ITU-T G.663, см. [6.10].

6.7. Выбор оптических фильтров по их дисперсионным характеристикам

В тексте мы уже упоминали 4 типа специального одномодового волокна:

1. Обычное одномодовое волокно.

2. Волокно со сдвигом нулевой дисперсии (DSF).

3. Волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZ-DSF).

4. Волокно с уплощенной/выровненной дисперсией (DFF).

Различают два типа дисперсии в одномодовом волокне:

1. Материальная дисперсия (DM), вызванная зависимостью показателя преломления от длины волны.

2. Волноводная дисперсия (DW), являющаяся результатом зависимости от длины волны распределения света фундаментальной моды в сердцевине и оболочке, и вследствие этого разницы показателей преломления.

Хроматическая дисперсия является суммой этих двух типов дисперсии.

Напомним, что для длин волн больших 1300 нм эти две дисперсии в кварцевом стекле имеют противоположные знаки. При использовании легирующих добавок материальная дисперсия может изменяться лишь незначительно. С другой стороны, на волноводную дисперсию оказывает большое влияние использование различных профилей показателя преломления.

Как было описано в гл. 1 и 2, профиль показателя преломления обычного одномодового волокна имеет вид ступеньки с разницей в показателе преломления, равной Δ. Для этого типа профиля обычного одномодового волокна хроматическая дисперсия (сумма материальной и волноводной дисперсии) равна нулю для длины волны примерно 1310 нм.

Так как вклад волноводной дисперсии DW зависит от таких параметров волокна, как радиус сердцевины а и разницы в показателе преломления Δ, то можно сдвинуть длину волны нулевой дисперсии на другую длину волны. Одной из наиболее желательных длин волн является 1550 нм, в силу низкого уровня потерь на этой длине волны. Этот тип волокна описан в рекомендации ITU-T G.653, тогда как обычное одномодовое волокно описано в рекомендации G.652.

Рис. 6.7. Зависимость хроматической дисперсии от длины волны. (С разрешения компании Siemens, см. [6.9], рис. 4.11, с.48)

Технология сдвига дисперсии позволяет также создать волокно с уплощенной или компенсированной дисперсией, для которого значения дисперсии малы для целого диапазона длин волн от 1300 до 1600 нм. На рис. 6.7 показана хроматическая дисперсия в зависимости от длины волны для обычного одномодового волокна (1), для волокна со сдвигом дисперсии (2) и для волокна с уплощенной дисперсией (3). Волокно с уплощенной дисперсией описано в рекомендации ITU-T G.655.

Для того, чтобы сдвинуть длину волны нулевой дисперсии в направлении другой волны, должны быть изменены волноводная дисперсия и профиль показателя преломления оптического волокна. В результате мы приходим к многоступенчатому или сегментированному профилю показателя преломления. На рис. 6.8 (а) показан обычный профиль показателя преломления (т.е. простой ступенчатый профиль, или выровненный показатель преломления оболочки), а на рис. 6.8(б) показан вдавленный профиль показателя преломления с уменьшенным показателем преломления в области оболочки (вдавленная/профильная оболочка).

Рис. 6.8. Профиль для оптических волокон без сдвига дисперсии (обычное одномодовое волокно), (а) стандартный ступенчатый профиль; (б) ступенчатый профиль с уменьшенным показателем преломления. (С разрешения компании Siemens, см. [6.9], рис. 4.12, с.49)

На рис. 6.9 показаны различные варианты профиля оптического волокна со сдвигом дисперсии. На рис. 6.9(а) показан сегментированный профиль с треугольным профилем показателя преломления в области сердцевины (сегментированный профиль сердцевины), на рис. 6.9(б) показан простой треугольный профиль и на рис. 6.9(в) показан сегментированный профиль с двойным ступенчатым изменением показателя преломления в оболочке, также называемой двойной оболочкой. На рис. 6.10 показан профиль показателя преломления, спроектированный для волокна с уплощенной дисперсией. Сегментированный профиль с четырьмя ступеньками в профиле показателя преломления оболочки (называемый также четырехкратной оболочкой) показан на рис. 6.10(а). На рис. 6.10(б) показан так называемый W-профиль (двойная оболочка).

Рис. 6.9. Профиль для оптических волокон со сдвигом дисперсии, (а) сегментированный профиль с треугольником в области сердечника (сегментированный сердечник); (б) треугольный профиль; (в) сегментированный профиль с двойным ступенчатым показателем преломления. (С разрешения компании Siemens, см. [6.9], рис. 4.13, с.49)

Рис. 6.10. Профиль для оптических волокон с уплощенной дисперсией, (а) сегментированный профиль с четырьмя ступеньками в профиле показателя преломления оболочки (четырехкратная оболочка); (б) W-профиль (двойная оболочка). (С разрешения компании Siemens, см. [6.9], рис. 4.14, с.50)

6.7.1. Характерные параметры одномодового ОВ, соответствующего стандарту ITU-T G.652

Стандарт ITU-T G.652 [6.5] описывает одномодовое оптическое волокно, имеющее точку нулевой дисперсии на длине волны 1310 нм и, следовательно, оптимизированное для использования в окне прозрачности 1310 нм. Оно также может быть использовано в окне прозрачности 1550 нм, где оно не оптимизировано. Характерные параметры волокна ITU-T G.652 приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Характерные параметры одномодового ОВ по стандарту ITU-T G.652

Источник. Материал основан на информации, приведенной в стандарте ITU-T G.652 [6.5].

Для оценки максимальной дисперсии в окне 1550 нм достаточно вычислить дисперсионный параметр :

где S0 — наклон дисперсионной кривой в точке нулевой дисперсии.

6.7.2. Характерные параметры одномодового ОВ с сдвигом нулевой дисперсии, соответствующего стандарту ITU-T G.653

Стандарт ITU-T G.653 [6.3] описывает одномодовое оптическое волокно со сдвигом нулевой дисперсии на длину волны 1550 нм, дисперсионный параметр при этом монотонно возрастает с длиной волны. Волокно оптимизировано для использования в диапазоне длин волн от 1550 до 1600 нм, но также может быть использовано в окне 1310 нм при тех ограничениях, которые описаны в указанной рекомендации. Характерные параметры волокна ITU-T G.653 приведены в табл. 6.3.

6.7.3. Характеристики одномодового ОВ со сдвигом волны отсечки,

соответствующего стандарту ITU-T G. 654

Рекомендация ITU-T G.654 [6.8] описывает одномодовое волокно, имеющее длину волны нулевой дисперсии около точки 1300 нм и сдвинутую точку отсечки. Оно минимизировано по уровню потерь около точки 1550 нм и оптимизировано для использования в диапазоне 1500 — 1600 нм. Характерные параметры волокна ITU-T G.654 приведены в табл. 6.4.

6.7.4. Характерные параметры одномодового ОВ с ненулевой смещенной дисперсией, соответствующего стандарту ITU-T G.655

Рекомендация ITU-T G.655 [6.6] описывает одномодовое волокно, для которого требуется иметь абсолютное значение хроматической дисперсии больше, чем некоторое малое ненулевое значение во всем диапазоне рабочих длин волн. Такое значение дисперсии подавляет рост четырехволнового смешения - нелинейный эффект, который может быть особенно разрушительным для DWDM. Волокно оптимизировано для использования в диапазоне 1500 -1600 нм. Характерные параметры волокна ITU-T G.655 приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.3

Характерные параметры одномодового ОВ по стандарту ITU-T G.653

Источник. Материал основан на информации, приведенной в стандарте ITU-T G.653 [6.3].

Таблица 6.4

Характерные параметры одномодового ОВ по стандарту ITU-T G.654

Источник. Материал основан на информации, приведенной в стандарте ITU-T G.654 [6.8].

Таблица 6.5

Характерные параметры одномодового ОВ по стандарту ITU-T G.655

Источник. Материал основан на информации, приведенной в стандарте ITU-T G.655 [6.6].

ГЛАВА 7 РЕГЕНЕРАТОРЫ И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

7.1. Введение

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) начали широко использоваться в 1980-х. Каждое волокно передавало один поток импульсов, представляющих двоичные 1 и 0. Модель такой системы в 1980-х могла бы включать источник света, подключенный к нему волоконно-оптический кабель, и детектор света, удаленный на какое-то расстояние. Максимальное расстояние между источником и детектором зависело от уровня выходной мощности лазерного источника, потерь в оптических разъемах, в сростках, в волокне, а также от скорости передачи и чувствительности детектора света. Если нужно было увеличить длину линии связи, то устанавливали регенератор. Следуя этой методике, можно было бы обеспечить связь по всему континенту. Более того, емкость этой системы связи могла составлять сотни мегабит в секунду. Эта полная емкость могла бы передаваться по одному волокну в одном направлении; для обеспечения полнодуплексной связи можно было бы использовать другое волокно, для передачи в противоположном направлении. При увеличении емкости в такой системе регенераторные секции становились короче и короче. Число активных элементов в такой схеме формирования системы заметно ухудшало доступность системы в целом. Кроме этого также возрастал уровень джиггера. Регенератор в то время был не более чем приемником света, выход которого замыкался непосредственно на вход передатчика.

Когда я занялся бизнесом в области волоконно-оптических систем, мы твердо верили, что оптический сигнал не может быть усилен. Затем, в 1989 году, после многолетних исследований, на сцене появились волоконно-оптические усилители. Это расширило возможности ВОСП. При наличии усиления в 20 дБ у такого усилителя волоконно-оптическая линия могла быть использована на значительно большую длину, прежде чем ей требовался бы регенератор, тем более, если можно было бы установить последовательно несколько таких усилителей. Использование усилителей позволило также использовать системы WDM, а также способствовало внедрению оптической коммутации.

Цель этой главы — обсудить использование оптического усиления и, в частности, применение усилителей на волокне, легированном эрбием (EDFA), а также усилителей Рамана. Мы начнем с обзора регенераторов, их применения в ВОСП и их стыковки с системами управления оптической сетью.

7.2. Применение регенераторов в оптических системах

Регенератор принимает искаженный оптический сигнал на свой вход и преобразует его в почти идеальную копию сигнала, похожую на ту, какая была передана предыдущим передатчиком. Этот регенерированный сигнал практически свободен от искажений. Функция регенерации выполняется полностью цифровым передатчиком и приемником. Устройство, которое мы будем рассматривать здесь - автономный регенератор. Оптические усилители не регенерируют цифровой оптический сигнал. На рис. 7.1 показана блок-схема цифрового оптического регенератора.

Системные инженеры ВОСП используют методы расчета линии на основе бюджета мощности для определения местоположения регенератора. Это такая точка, где накопленные потери линии приводят к существенному ухудшению показателей системы. Дополнительно должен учитываться некоторый запас по мощности. (См. гл. 10 по методике расчета бюджета мощности линии.)

Telcordia в своем стандарте [7.8] устанавливает, что регенератор должен восстанавливать форму, тактовую синхронизацию и передавать оптический сигнал дальше. В ряде технических текстов сказано, что регенераторы усиливают оптический сигнал. Это не так, до тех пор пока усилительный блок специально не устанавливается на выход передатчика регенератора.

Рис. 7.1. Упрощенная блок-схема цифрового оптического регенератора

Вернемся к рис. 7.1 и проанализируем его слева направо. Вход регенератора представляет собой оптический сигнал, искаженный и ослабленный за счет накопленной дисперсии и потерь в секции, которую он прошел. Оптические импульсы, которые представляют двоичные 1, преобразуются в электрические 1, а битовые позиции, где такой импульс отсутствует или он очень мал, преобразуются в электрические двоичные 0. Этот электрический сигнал передается через электрическую схему приемника, где осуществляется восстановление сигнала тактовой синхронизации. Окончательное решение о том, что существует в той или иной битовой позиции 1 или 0, определяется в процессе демодуляции оптического сигнала. В современных системах все эти функции выполняются в интегрированном PIN-приемнике.

Двоичный сигнал передается в блок терминирования транспортной функции SONET. Здесь получают доступ к транспортному заголовку SONET, что позволяет передать центру управления сетевых операций статус регенератора и качество битового потока.

Электрический сигнал блока терминирования транспортной функции SONET передается затем лазерному передатчику, который генерирует эквивалентные оптические импульсы, инициируемые потоком бит. Уровень оптической мощности лазерного передатчика, передаваемый в отходящее волокно, лежит в диапазоне от 0 до +3 дБм. Однако, если инженер-проектировщик волоконно-оптической линии связи хочет удлинить пролет/секцию (расстояние между соседними регенераторами, между регенератором и мультиплексором ввода-вывода или между регенератором и оптическим терминалом), он может разместить оптический усилитель на выходе регенератора, где сигнал может быть усилен на 20-25 дБ.

Регенератор имеет два преимущества, которых не имеет усилитель. Усилитель не регенерирует цифровой сигнал, тогда как регенератор делает это. Преимущество здесь состоит в том, что на вход усилителя подается сигнал, в котором аккумулированы все формы искажений. Этот же цифровой сигнал, содержащий те же самые плюс добавленные усилителем шумы и искажения, выходит из усилителя. В противоположность этому, регенератор устраняет большинство искажений и ухудшений цифрового сигнала и подает на выход прямоугольную последовательность двоичных импульсов. Второе преимущество регенератора состоит в том, что он имеет доступ к заголовку поля ОА&М (управления, эксплуатации и технического обслуживания) в SONET или SDH для обеспечения статуса регенератора и битового потока, проходящего через него. Этот статус сообщается в сетевой центр управления, ответственный за данную сеть. Это обеспечивает сетевому оператору прекрасную возможность для мониторинга и технического обслуживания. Усилитель же не имеет такого легкого доступа к битовому потоку, так как он не занимается демодуляцией-ремодуляцией двоичного потока, в отличие от регенератора.

В этом разделе мы опишем автономный регенератор. Помните, что каждый приемник света и передатчик выполняет функции регенератора. Однако, кто-то может возразить, что оптический передатчик выполняет функцию генерации, а не регенерации.

Удаленные регенераторы питаются с помощью одного из следующих методов:

1. Они могут питаться от пары проводов, протянутой от основной системы питания ближайшего мультиплексора или терминала.

2. Они могут использовать локальное питание от местной энергокомпании. Они должны иметь источники бесперебойного питания или питаться локально от солнечных батарей, небольших газотурбинных установок, ветроустановок с батарейными резервными источниками (см. гл. 13, разд. 13.8).

Удаленные ОУ должны получать питание аналогичным способом.

7.2.1. Регенераторы в сетях SONET

Регенераторы SONET, описанные в этом разделе, соответствуют спецификации Bellcore (сейчас Telcordia) TR-NWT-000917, Issue I [7.9]. Такой регенератор выполняет основные регенераторные функции, описанные в разд. 7.2. Дополнительно он имеет специальный интерфейс с заголовком SONET OA&M. Bellcore называет его оконечным оборудованием секции. Это означает, что оно (оборудование) терминирует и, в большинстве случаев, формирует вновь заголовок секции. Заголовок секции рассмотрен в гл. 9, разд. 9.2.3. В ряде случаев SONET RGTR (регенератор SONET - термин Bellcore) может ретранслировать некоторые или все секционные заголовки через RGTR, Байты заголовка, который ретранслируется, передаются в том виде, в котором принимаются. Формат секционного заголовка синхронного транспортного сигнала (STS-1, терминологию SONET см. в гл. 9, разд. 9.4) показан на рис. 7.2.

В структуре секционного заголовка (рис. 7.2) каждый STS-1, как часть STS-N, полученного в результате мультиплексирования с байт - интерливингом, имеет два байта фреймовой синхронизации (А1 и А2), байт С1 для идентификации STS-1. Байты фреймовой синхронизации содержат уникальную двоичную последовательность, используемую для идентификации начала фрейма.

Рис. 7.2. Назначение байтов в секционном заголовке SONET для STS-1. (см. [7.12], с. 2-33)

Частью секционного заголовка также являются: В1 - байт, содержащий результат контроля четности процедурой BIP-8, E1 - байт служебной связи, F1 - байт обслуживания каналов пользователя, DCC - служебный канал передачи данных, сформированный байтами Dl, D2 и D3. SONET RGTR использует BIP-8 для обнаружения ошибок, а байт F1 зарезервирован для приложений сетевых операторов. Для передачи и приема информации о функционировании системы, как правило информации типа OA&M, RGTR использует канал DCC для обеспечения встроенного канала управления (ЕОС) емкостью 192 кбит/с. И, наконец, байт Е1 обеспечивает канал голосовой связи для пользователя крафт-терминала.

На рис. 7.3 приведена блок-схема оконечного оборудования секции (SONET STE) регенератора (RGTR). На этом рисунке, двигаясь слева направо, представлены: оптоэлектронный преобразователь (О/Е блок), формирующий электрические двоичные сигналы 1 и 0, из которых восстанавливается тактовая синхронизация. Схема принятия решения определяет, является ли входной импульс (или импульсная позиция) двоичной 1 или 0. За ней следует блок фреймирования, который устанавливает границы фрейма; при этом может осуществляться дескремблирование заголовка и могут считываться байты В1, El, Fl, Dl, D2 и D3. Секционные байты В1 считываются и сравниваются со значением, вычисленным для предыдущего фрейма. Это поддерживает мониторинг показателей качества. Вслед за этим могут быть записаны и заново скремблированы байты Bl, El, Fl, Dl, D2 и D3. Замечание: при этом выполняются вычисления нового BIP-8 для данного фрейма, значение которого вписывается в байт В1 заголовка следующего фрейма в SONET STE RGTR. Наконец, осуществляется обратное электрооптическое (Е/О) преобразование, генерирующее выходной оптический поток бит.

Рис. 7.3. Блок схема оконечного оборудования секции (SONET STE) регенератора (см. [7.9, 7.13])

Для полноты, на рис. 7.3 показаны функции генерации линейного AIS (сигнала индикации аварийного состояния). Фреймовый генератор AIS генерирует байты фрейминга (А1 и А2), байт идентификации STS-1 (C1) и секционный ВIP-8 (байт В1). Фреймовый генератор AIS генерирует байты El, Fl, Dl, D2 и D3, если необходимо. Фреймовый генератор AIS также генерирует скремблированный (все 1) шаблон для остатка STS-N сигнала (определение STS-N см. гл. 9, разд. 9.2.1.2).

7.3. Волоконно-оптические усилители

Существуют три основных типа оптического усилителя (ОУ), которые были разработаны для использования в ВОСП: усилители на лазерных диодах, усилители на легированном волокне и романовские усилители. В настоящее время ОУ на легированном волокне доминируют на рынке. Для легирования используется элемент эрбий, а сами ОУ называются усилителем на волокне, легированном эрбием (EDFA). Конкурирующие с ними ОУ на лазерных диодах до сих пор уступали им дороговизной производства, чувствительностью к поляризации и высоким уровнем перекрестных помех.

Рис. 7.4. Упрощенная схема усилителя на волокне легированном эрбием

На рис. 7.4 показана упрощенная блок-схема усилителя типа EDFA. Она содержит лишь один активный блок - блок накачки. Накачка использует обычно лазерный источник света, похожий на то, что используется в передатчике. Для промышленных усилителей EDFA используются источники накачки 980 или 1480 нм.

Конфигурация, приведенная на рис. 7.4, является элементарным мультиплексором с разделением по длине волны, где разветвитель играет роль комбайнера/мультиплексора, т.е. просто объединяет световой сигнал накачки с рабочим оптическим сигналом. Эти два сигнала проходят через активную область (волокно), где и происходит фактическое усиление сигнала. Активная область состоит из специально приготовленного оптического волокна, которое в определенной степени легировано эрбием, редкоземельным элементом. В ОУ типа EDFA с наиболее простой схемой необходимое усиление обеспечивается в относительно узкой полосе длин волн от 1525 до 1565 нм. Однако то, что мы называем узкой полосой длин волн, обеспечивает достаточное пространство для размещения многих WDM каналов.

Одно из преимуществ такого ОУ над регенератором в том, что в многоканальной системе WDM на каждый канал требуется отдельный регенератор, тогда как на всю систему WDM требуется только один усилитель. Пусть, например, система WDM имеет 16 каналов. Тогда для этой конфигурации требуется 16 регенераторов и всего один ОУ. Более того, ОУ прозрачен по отношению к проходящему потоку бит, тогда как регенератор рассчитан на определенную скорость потока. При большой длине системы (например, больше 700 км) требуется использовать по крайней мере один регенератор для того, чтобы ослабить действие дисперсии и восстановить форму сигнала.

7.3.1. Типы волоконно-оптических усилителей

Существуют два типа волоконно-оптических усилителей: усилитель на лазерном диоде и усилитель на волокне, легированном редкоземельными элементами. Существуют также усилители Рамана и Бриллюэна. Мы остановимся, в основном, только на двух первых типах усилителей, а из них на усилителях, легированных редкоземельными элементами. Практическим примером ОУ этой группы является усилитель типа EDFA. Тем не менее, и другие типы таких усилителей находятся в стадии разработки, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

7.3.1.1. Усилители на лазерных диодах

Существуют три типа усилителей на лазерных диодах: с блокировкой инжекции, типа Фабри—Перо и типа бегущей волны (TW). Первые два типа отличаются порогом генерации лазера. У оптических усилителей с лазерным диодом и блокировкой инжекции обычный лазерный диод смещен выше порога генерации лазера и работает как усилитель. Усилитель типа Фабри-Перо — усилитель с лазерным диодом, который смещен ниже порога генерации лазера. Усилитель бегущей волны (УБВ) — полупроводниковый усилитель, ограничивающие поверхности которого покрыты антиотражающим покрытием. В последнее время УБВ стал доминировать в этой группе усилителей, учитывая его прекрасные характеристики и прогресс, достигнутый в области антиотражающих покрытий. В отличие от ОУ на легированном волокне, усилители на лазерных диодах могут быть спроектированы так, чтобы хорошо работать на любой длине волны, где могут работать лазеры (т.е. передатчики).

Максимальное усиление усилителя на лазерном диоде при инжекционном токе 80 мА составляет 19 дБ, а ширина полосы на уровне -3 дБ -примерно 50 нм. Достаточно широкая полоса пропускания — одно из преимуществ полупроводниковых лазерных усилителей. Можно ожидать и более широкий спектр усиления при использовании лазеров с множественными квантовыми (потенциальными) ямами (MQW), благодаря их своеобразной структуре энергетических зон. Уровень шума этих усилителей порядка 5-7 дБ [7.1].

Существуют три различных способа размещения волоконно-оптических усилителей (ВОУ), как показано на рис. 7.5. На рис. 7.5(а) показано их использование в режиме линейного усилителя. В этом случае усилители устанавливаются в стратегических точках вдоль волоконно-оптического тракта для усиления сигнала до такого уровня, чтобы он соответствовал желаемому диапазону чувствительности удаленного мультиплексора ввода-вывода или оконечного приемника.

Рис. 7.5. Три различных варианта использования волоконно-оптических усилителей: (а) линейный усилитель; (б) мощный усилитель (бустер); (в) предусилитель.

На рис. 7.5(б) показан мощный усилитель (бустер). При обычной конфигурации его помещают сразу за оптическим передатчиком, для увеличения мощности сигнала до уровня +15 - +20 дБм. Такие уровни сигнала необходимы либо для большой длины пролета, либо тогда, когда используется большое число пассивных элементов с существенным уровнем вносимых потерь, как например, в системах WDM.

На рис. 7.5(в) показан ВОУ, используемый в качестве предусилителя. В этом случае ВОУ помещается на удаленном конце тракта, непосредственно перед удаленным приемником. В большинстве случаев в такой конфигурации усилитель интегрируется с приемником. В этом случае ВОУ понижает уровень чувствительности приемника. Усилитель получает сигнал низкого уровня, прошедший долгий путь или через ряд элементов с большим уровнем потерь, и повышает его до уровня, приемлемого для приемника.

Усилители на лазерных диодах могут использоваться во всех трех вариантах, показанных на рис. 7.5. Они могут работать в диапазоне длин волн 1310 нм, где усилители типа EDFA имеют неудовлетворительные характеристики. Известно, что усилители EDFA специально предназначены для диапазона длин волн 1550 нм.

Когда ОУ на лазерных диодах используется в качестве предусилителя (рис.7.5(в)), результирующий уровень сигнала, подаваемый на оптический приемник, оказывается таким большим, что характеристики приемника ограничиваются не столько уровнем теплового шума, сколько уровнем дробового шума. Эти предусилители ухудшают отношение сигнал/шум также за счет шума спонтанного излучения. Относительно высокий коэффициент шума (порядка 5-7 дБ) типового усилителя на лазерных диодах делает их не очень идеальными для использования в качестве предусилителя. Но даже в этом случае, они могут значительно улучшить чувствительность приемника.

Если усилитель на лазерном диоде используется в качестве мощного усилителя (бустера, рис. 7.5(б)), его выходная мощность ограничена, обычно на уровне < 10 мВт. Это объясняется его относительно малой (примерно 5 мВт) выходной мощностью насыщения.

Полупроводниковые ОУ (ПОУ) имеют ряд недостатков, которые делают непрактичным их использование в качестве линейного усилителя. Среди этих недостатков можно отметить: чувствительность к поляризации, переходные помехи между каналами (чувствительные для систем WDM), большие потери при вводе в волокно. В усилителях EDFA таких проблем нет, но они, как мы уже отмечали, могут быть использованы только в окне прозрачности 1550 нм.

7.3.1.2. Усилитель на волокне, легированном эрбием (EDFA)

Усилитель типа EDFA является одним из наиболее практичных ВОУ. Как мы отмечали выше, его применение ограничено окном прозрачности 1550 нм. Его использование сделало возможным создание систем WDM.

Усиление в этом ОУ происходит по всей длине волокна с низкими потерями, легированного редкоземельным металлом. Для этой цели могут быть использованы ионы редкоземельных металлов, таких как эрбий, гольмий, неодим, самарий, таллий и иттербий. Они позволяют создать ВОУ, работающий на различных длинах волн от 500 до 3500 нм. На рис. 7.6 приведена подробная блок-схема усилителя типа EDFA.

Рис. 7.6. Подробная блок-схема усилителя типа EDFA

Усилитель EDFA, показанный на рис. 7.6, состоит из двух активных элементов: активного волокна, легированного Ег3+, и подходящей накачки. Накачка представлена полупроводниковым лазерным передатчиком. Для подачи сигнала накачки в волокно требуется по крайней мере один разветвитель. Вид спектра типичного усилителя типа EDFA показан на рис. 7.7.

Длина волны накачки может быть 980 или 1480 нм. Кроме этого ОУ типа EDFA может использовать длины волн накачки в диапазоне 600-700 нм. Для накачки предпочтительно использовать GaAs лазерные диоды, которые достигают эффективности накачки порядка 11 дБ/мВт.

Существуют несколько различных конфигураций EDFA. Одна из них показана на рис. 7.4, где потоки накачки и сигнала распространяются в одном и том же направлении. На рис. 7.8 показаны четыре различных конфигурации, используемые для накачки. Рис. 7.8(а) (аналогично рис. 7.4) показывает использование одного источника накачки в прямом направлении (сонаправленная накачка). Рис. 7.8 (б) показывает использование одного источника накачки в обратном направлении (противонаправленная накачка). Показатели в этом случае примерно одинаковые по сравнению с предыдущей конфигурацией, если мощность сигнала мала по сравнению с уровнем насыщения. В режиме насыщения эффективность преобразования обычно больше при использовании противонаправленной накачки, главным образом благодаря тому, что основную роль играет усиленное спонтанное излучения (ASE). Если важно иметь низкий уровень шума, то лучше использовать сонаправленную накачку.

Рис. 7.7. Спектр типичного усилителя EDFA. Ширина полосы составляет около 40 нм, из которых используется только 30 нм. (С разрешения EXFO, [7.2], рис. 2.21, с. 26.)

Существует также двунаправленная накачка, конфигурация с двумя накачками, показанная на рис. 7.8(в), где усилитель накачивается в обоих направлениях одновременно. Обычно для противонаправленной накачки используется длина волны 1480 нм, а для сонаправленной накачки - 980 нм. Это дает возможность использовать сильные стороны каждой из них. Накачка на 1480 нм имеет более высокую квантовую эффективность, но и более высокий коэффициент шума, тогда как накачка на 980 нм может обеспечить коэффициент шума близкий к квантовому пределу.

Рис. 7.8. Схемы использования усилителей типа EDFA. (Перепечатано с разрешения из [7.3], рис. 5.7, с. 97)

Обычно ОУ типа EDFA с одной накачкой обеспечивает выходную мощность порядка +16 дБм в режиме насыщения и коэффициент шума 5-6 дБ в режиме малосигнального усиления. Если одновременно используются две накачки, то можно ожидать увеличения выходной мощности до +26 дБм. Низкое, близкое к квантовому пределу, значение коэффициента шума можно поддерживать в многокаскадном варианте усилителя. При использовании такой схемы один изолятор помещается сразу после первого каскада усиления (который, обычно, определяет коэффициент шума) для защиты от ухудшения показателей первого каскада под действием ASE, которая может распространяться от второго каскада в обратном направлении [7.2].

На рис. 7.8(г) показана отражательная накачка с использованием на входе оптического циркулятора, направляющего входные и выходные световые потоки.

Одним из главных, при рассмотрении указанных конфигураций, является выбор длины волны накачки — 980 или 1480 нм. Сравнительный анализ этих двух длин волн накачки приведен в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Сравнение двух длин волн накачки для усилителей EDFA

1) Зависит от мощности накачки. В настоящее время большей мощности легче достичь с накачкой 1480 нм.

Источник. Перепечатано с разрешения из [7.3], табл. 5.5, с. 106.

7.3.1.3. Варианты усилителей типа EDFA

Существуют два варианта усилителей EDFA. Они изготавливаются производителями и доступны проектировщикам ВОСП: усилители EDFA на основе кварцевого волокна, описанные выше, и усилители на основе фтористого волокна.

Они очень похожи друг на друга и отличаются только рабочим волокном, которое легируется эрбием. Они покрывают ту же область усиления: 1525-1560 нм с теми же основными характеристиками и отличаются только кривой выходной характеристики. Для используемого фтористого волокна выходная характеристика EDFA выглядит более ровной, как видно из рис. 7.9.

Рис. 7.9. Выходная характеристика усилителей EDFA на основе кварцевого волокна и фтористого волокна. (См. [7.4, 7.14])

Выходная характеристика особенно важна для многоканальных систем WDM. Обычные (на основе кварцевого волокна) усилители EDFA принудительно запитывались в тот или иной канал, чтобы иметь возможность создать примерно одинаковую амплитуду в каждом из них для WDM несущей. Один из путей создания таких условий состоял в сужении полосы усилителя за счет использования только длинноволновой части выходной характеристики (см. рис. 7.9). Это осуществлялось путем фильтрации полосы 1530-1542 нм. Одним из следствий этого было использование более плотного частотного плана в системах WDM. Это, однако, вызвало увеличение чувствительности к некоторым типам нелинейности, таким как четырехволно-вое смешение, которое обсуждалось в гл. 6. Другой метод уплощения выходной характеристики состоит в селективном ослаблении, вводимом в каждый канал на входе усилителя для создания более плоской выходной характеристики. Это достаточно кропотливая операция.

Чтобы снизить (или устранить совсем) эту сложную операцию подстройки уровня каналов, производители внедрили в схемы сетевых элементов алгоритмы самооптимизации. Вид несбалансированной выходной характеристики для EDFA на основе кварцевого волокна, несущего сигнал в системе DWDM, приведен на рис. 7.10.

Рис. 7.10.Вид несбалансированной выходной характеристики для EDFA на основе кварцевого волокна, несущего групповой сигнал DWDM. (Получено с разрешения компании Corning, Inc., см. [7.12])

Основное преимущество усилителя EDFA на основе фтористого волокна в том, что его выходная характеристика в области длин волн около 1540 нм значительно ровнее, чем у EDFA на основе кварцевого волокна. Существует, однако, один недостаток использования EDFA на основе фтористого волокна. Его коэффициент шума выше, так как он использует накачку 1480 нм, а не 980 нм, как это может EDFA на основе кварцевого волокна. Использование длины волны 980 нм для накачки при использовании фтористого волокна неэффективно ввиду поглощения возбужденного состояния. Но это та цена, которую нужно платить за возможность использования более плоской выходной характеристики, при которой можно использовать всю полосу пропускания такого типа усилителей [7.12].

7.3.1.4. Другие усилители на волокне, легированном редкоземельными элементами (РЗЭ)

Усилитель на кварцевом волокне легированном эрбием обеспечивает полосу около 35 нм в окне прозрачности 1550 нм. Существует полоса шириной примерно 200 нм, потери в которой не превышают 0,25 дБ/км. Если же допустить уровень потерь до величины 0,35 дБ/км, то можно рассчитывать на использование системами DWDM полосы шириной примерно 400 нм. Для использования такой широкой полосы требуются усилители с другими редкоземельными легирующими добавками. Одним из таких усилителей может быть оптический усилитель на теллуритовом волокне, легированном эрбием (EDTFA), который способен расширить полосу усиления до 90 нм.

Полезную полосу пропускания в окне 1550 нм можно еще больше расширить, если использовать оптические усилители на фтористом волокне, легированном тулием (TDFFA) или празеодимом (PDFFA). Используя тулиевый усилитель типа TDFFA можно получить полосу усилителя с 1470 до 1650 нм. Усилитель на волокне, легированном празеодимом, работает в окне прозрачности 1310 нм.

Экспериментируя с эрбиевым усилителем типа EDTFA, специалистам NTT Laboratories (Япония), путем использования специального эквалайзера, удалось создать усилитель с относительно плоской характеристикой в диапазоне 1561-1611 нм, реализующий ширину полосы 50 нм. Этот усилитель имел коэффициент усиления порядка 25 дБ и уровень шума меньше 6 дБ. На основе этого экспериментального образца компания NTT создала впоследствии усилитель типа EDTFA с плоской характеристикой в рабочем диапазоне 1570-1617 нм, см. [7.5], с. 56-64.

7.4. Критические рабочие параметры усилителей типа EDFA

7.4.1. Усиление и выходная характеристика

Как мы видели в разделе 7.3.1, выходная характеристика усилителя EDFA на основе кварцевого волокна изменяется в зависимости от длины волны в полосы усиления. То же можно сказать и про усиление такого усилителя. Усиление также зависит от мощности и состояния поляризации входного сигнала. Оно будет также меняться в зависимости от относительной входной мощности каждого канала WDM/DWDM. Следовательно, влияние временного распределения входной мощности, как правило в моменты ввода нового или вывода существующего каналов, должно как-то характеризоваться и управляться в рамках используемых многоканальных применений. Усиление ОУ типа EDFA может быть вычислено по заданной средней входной мощности Рin  и средней выходной мощности Рout. Заметим, что в приведенном ниже выражении мощности даны по отношению к определенной длине волны рассматриваемого сигнала.

                         (7.1)

где Pase  — уровень мощности усиленного спонтанного излучения.

Заметим, что составляющая мощности ASE вычитается при вычислении усиления GdB в выражении (7.1).

Усиление оптического усилителя существенно зависит от уровня входного сигнала. Интересно заметить, что усилитель демонстрирует большое усиление для слабых входных сигналов. Например, усиление больше 30 дБ можно ожидать для входных сигналов меньше чем —20 дБм [7.2]. Таким образом, нелинейность амплитудной характеристики — важный параметр для больших уровней сигнала.

Для того, чтобы охарактеризовать усиление EDFA, необходимо включить в тест определение малосигнального усиления, полосу на уровне -3 дБ и выходную мощность насыщения. Эти три параметра могут изменяться с длиной волны входного сигнала. Критическими являются следующие параметры усилителя EDFA, определенные ниже:

Профиль - термин, используемый для описания зависимости от длины волны той или иной характеристики. Усиление шума выражается в дБ по отношению к одной волне, а профиль усиления шума это усиление конкретного усилителя в зависимости от изменения длины волны.

Равномерность усиления — максимальная разность усиления в отдельных каналах на выходе усилителя при условии, что мощности сигнала на всех входах одинаковы.

Усиление сигнала — принципиальный показатель, который определяет рабочую точку усилителя. Усиление шума, с другой стороны, является усилением, относящимся к малому сигналу, который даже будучи усилен не влияет на рабочую точку, тогда как последующий большой сигнал приводит усилитель в насыщение.

Перекрестное насыщение усиления — изменение усиления конкретного канала, когда входной уровень другого канала (или нескольких каналов) изменяется на некоторую величину [7.2].

Таблица 7.2.

Сравнение рабочих характеристик EDFA на двух длинах волн: 1536 и 1550 нм

В табл. 7.2 приведено сравнение рабочих характеристик на двух длинах волн: 1536 и 1550 нм. Эта последняя длина волны соответствует длине волны смещенной нулевой дисперсии.

Замечание. Эта таблица отражает типичные характеристики усилителя EDFA компании INО

Источник. Компания INO, Quebec, Canada [7.13].

7.4.2. Усиленная спонтанная эмиссия (ASE)

Принципиальный источник шума в оптических усилителях — усиленная спонтанная эмиссия (ASE). Ее спектральная плотность близка к постоянной и похожа на белый или тепловой шумы. Влияние спонтанной эмиссии заключается в добавлении флуктуации к мощности усиленного сигнала, которые преобразуются в текущие флуктуации в процессе фотодетектирования. Оказывается, что основной вклад в шум приемника происходит за счет биений составляющих спонтанной эмиссии с усиливаемым сигналом. Это явление биения похоже на гетеродинное детектирование в том, что спонтанно излучаемая радиация смешивается с усиленным сигналом в фотодетекторе и формирует гетеродинную составляющую фототока. Это биение спонтанной эмиссии с сигналом создает шумовой ток.

Коэффициент шума усилителя Fn связан с усилением усилителя G и коэффициентом спонтанной эмиссии nsp  следующим соотношением:

                                 (7.2)

где 

                                 (7.3)

a N1 и N2 - населенность атомов (в общем случае рабочих частиц) в релаксационном и возбужденном состояниях.

Рассмотрим выражение (7.2). Из этого выражения ясно, что отношение сигнал шум усиленного сигнала ухудшается на 3 дБ даже для идеального усилителя, у которого пsp = 1. Для большинства существующих усилителей коэффициент шума Fn должен превышать 3 дБ и может быть порядка 6-8 дБ [7.2].

Мощность ASE в сигнале, проходящим через усилитель, можно вычислить, используя следующее соотношение:

                                 (7.4)

При этом требуются два измерения: 1) уровня входного сигнала  и 2) общего уровня шума выходного сигнала .

В состоянии насыщения, или для нелинейной амплитудной характеристики, вклад ASE мал. Следовательно, можно сказать, что усиление G не что иное, как отношение выходной мощности к входной мощности, когда ASE не принимается во внимание [7.2].

Существует пять источников шума, которые вносят вклад в отношение сигнал/шум в ВОСП, использующих усилители EDFA, а именно:

- дробовой шум;

- шум биения составляющих спонтанного излучения;

- шум биения сигнала с составляющими спонтанного излучения;

- интерференционный шум (взаимное влияние);

- избыточный шум

Большинство из нас уже знакомо с такими источниками шума, как дробовой шум, который характерен для световой эмиссии. Дробовой шум порождается случайными флуктуациями времени прихода фотонов, которые генерируют световой сигнал. Словарь терминов IEEE, см. [7.6], определяет дробовой шум, как «шум, вызванный флуктуациями тока, вследствие дискретной природы носителей заряда и случайным или непредсказуемым (или и тем и другим) поведением заряженных частиц, излучаемых эмиттером».

Шум биения составляющих спонтанного излучения (называемый также — шум биений ASE-ASE). Это шум, наработанный в результате взаимодействия между составляющими ASE внутри полосы амплитудно-модулированного сигнала. При возрастании усиления волоконного усилителя, шум ASE уменьшается с ростом выходной мощности, или тогда, когда наступает состояние насыщения. Следовательно, для волоконных усилителей, используемых в качестве усилителей мощности, этот тип шума можно игнорировать. Этот шум может быть очень важным при использовании низких уровней сигналов, что имеет место в предусилителях, если в них не используются узкополосные фильтры.

Шум биения сигнала с составляющими спонтанного излучения генерируется тогда, когда полезный сигнал смешивается (гетеродинируется) с белым шумом ASE. Этот шум не может быть удален оптически или электрически путем фильтрации, так как он лежит в полосе частот модулированной информационной несущей. Однако, его нужно измерять. Этот коэффициент шума усилителей EDFA обычно определяется в терминах «эффект шума биения сигнала с составляющими спонтанного излучения».

7.5. Рамановские усилители

В работе [7.10] указано, что «рамановское усиление возникает тогда, когда фотоны накачки высокой энергии (коротких длин волн) рассеивают колебательные моды матричной решетки материала (оптические фононы) и когерентно добавляют их к сигнальным фотонам низкой энергии (больших длин волн)». При практической реализации этот процесс носит название передача с помощью эффекта Романа (D-RAT); свет накачки вводится в волоконный линейный усилитель со стороны, противоположной вводу сигнала. В этой конфигурации рамановский усилитель работает как малошумящий предусилитель. Основное преимущество низкоуровневого рамановского усиления в том, что он не вносит дополнительных нелинейностей в волокно.

На рис. 7.11 схематически показан распределенный рамановский усилитель. Как указано в работе [7.11]: «Сигналы двух ортогонально поляризованных диодов лазерной накачки мультиплексируются по признаку поляризации (П-мультиплексирование) и объединяются в WDM для создания противонаправленной накачки в передающем волокне. В результате распространяющийся в прямом направлении сигнал получает рамановское усиление в волокне. Использование противонаправленной накачки уменьшает влияние шума накачки на сигнал.»

Рис. 7.11. Блок-схема распределенного рамановского усилителя (С разрешения компании Corning, Inc., [7.15])

Выходная характеристика распределенного рамановского усилителя зависит от свойств передающего волокна, таких как поглощение сигнала накачки, эффективная площадь и рамановский коэффициент усиления. В одном из практических примеров, приведенном в [7.11], усиление составило всего лишь 3,75 дБ.

Неравномерность усиления является одним из важных параметров для ВОУ, в частности тогда, когда используются системы WDM/DWDM. В случае рамановского усилителя, усиление для конкретного сигнала зависит от разности частот сигнала и накачки. На рис. 7.12 показано малосигнальное рамановское усиление в волокне большой длины. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы более 20 ТГц, с пиком усиления в районе 13,2 ТГц. Различные сигналы получают различное усиление, зависящее от разности их частоты и частоты накачки. Следовательно, любой из диапазонов длин волн будет иметь некоторое колебание уровня усиления. Для уровня накачки 200 мВт, показанного на рис. 7.12, получается максимальное усиление 7,78 дБ с колебаниями уровня (максимальный - минимальный) в 3,5 дБ. Фактическое колебание уровня усиления, определяемое как (колебание усиления в дБ)/(максимальное усиление в дБ) = 3,5/7,78 = 0,45 в полосе С, показанной на рис. 7.12.

Рис. 7.12.Спектр романовского усиления в волокне большой длины с накачкой 1443 нм при уровнях мощности накачки 100 и 200 мВт. На рисунке указан С диапазон длиной 30 нм (1530-1560 нм), см. [7.10, 7.11,7.15].

При проектировании ВОСП оптоволоконный пролет переносит сформированный (многоволновой) сигнал WDM; комбинация распределенного рамановского усилителя и усилителя EDFA в тандемном соединении дает прекрасные результаты и позволяет уменьшить нарастание ASE.

На рис. 7.13 показан оптический спектр системы DWDM с 32 длинами волн, где отмечено отношение сигнал/шум (OSNR) для волокна длиной 125 км для двух случаев: 1) гибридный предусилитель с каскадом рамановского усиления + EDFA, 2) используется только EDFA. Из рисунка видно, что гибридная схема дает на 4,2 дБ большее отношение сигнал/шум.

Улучшение отношения сигнал/шум после прохождения пролета длиной 125 км с волокном LEAF

Рис. 7.13. Оптический спектр системы DWDM с 32 длинами волн, проходящих через волокно, они усиливаются либо гибридным предусилителем с каскадом рамановского усиления и EDFA, либо только EDFA Максимальное усиление одинаково, тогда как пороговый пьедестал у гибридной схемы на 4,2 дБ ниже. (С разрешения компании Coming, Inc., [7.10, 7.11])

ГЛАВА 10 СОЕДИНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ИНЖЕНЕРНОМ УРОВНЕ

10.1. Понятие бюджета линии связи

Вычисление бюджета линии связи на ВОЛС очень похоже на вычисление бюджета линии РРЛ, линии тропосферной связи или спутниковой линии на случай потери сигнала (LOS), выполняемого инженером проектировщиком. При его расчете на практике приходится определять такие параметры линии, как:

- выходную мощность источника света;

- потери в волокне;

- потери от оптических разъемов, сростков, соединительных шнуров;

- дополнительные потери мощности (см. разд. 4.5)

- допуски.

Значение порога детектора в дБм основано на желаемом уровне ошибок ВЕК. Дополнительно к этому нам, наверное, понадобятся:

- усиление оптических усилителей;

- потери фильтров;

- пассивные потери WDM (см. [10.11]);

- потери разветвителей;

- потери изоляторов.

При расчете бюджета линии передачи используются, почти исключительно, децибелы.

Проектирование линии основано на расчете его бюджета. Либо мы присваиваем значение тем параметрам, что перечислены выше, либо мы вычисляем некоторые специфические значения. Цель состоит в том, чтобы иметь наиболее эффективный (по цене) проект, способный удовлетворить нашим требованиям.

Один из первых шагов в выполнении упражнений по оценки бюджета линии передачи состоит в определении того, является ли рассматриваемая линия ограниченной по дисперсии или по потерям. В общем случае, если используется волокно типа G.653 [10.1], или LEAF компании Corning, линия будет ограниченной по потерям вплоть до скорости передачи 1 Гбит/с (фактически до 2,5 Гбит/с - STM-16). Одно из отличий бюджета ВОСП от бюджета радио/беспроводных систем в бюджете времени нарастания. На конечном шаге определяется факт того, является ли линия ограниченной по дисперсии. Бюджет также дает нам сведения о том, что можно с этом сделать. В первой части этой главы, мы имеем дело с бюджетами по мощности, где линия рассматривается ограниченной по мощности. В разделе 10.4 мы рассматриваем проблемы, связанные с дисперсией, вычисляя скорость нарастания в системе, в которой нам заданы (или же мы оцениваем) скорости нарастания элементов системы.

10.2. Расчетные допуски для линии связи

Расчетные допуски для линии связи можно определить как те дополнительные децибелы, которые добавляются к бюджету линии в качестве допуска безопасности. Было бы не плохо иметь такой допуск безопасности, чтобы компенсировать возможность недооценки нами дополнительных непредвиденных потерь линии; ведь мы рассчитываем по минимуму, чтобы сэкономить деньги. Некоторые активные элементы имеют тенденцию ухудшения характеристик со временем (например, СИД). Не все сростки имеют одинаково малые потери. Допуски для линии связи призваны компенсировать все эти недостатки. Мы рекомендуем иметь суммарный допуск на уровне 6 дБ для очень длинных систем. Каждый децибел стоит денег производителю системы. Многие из них ограничивают величину суммарного допуска до 4,8 дБ и даже 3 дБ. Мы призываем противиться этому.

ITU-T в рекомендации G.957 предписывает выделять в бюджете 2-4 дБ для покрытия потерь оборудования в конце срока службы. Следует заметить, что специалисты по надежности (см. Telcordia GR-468-CORE [10.3] и TR-NWT-000357 [10.4]) выделяют три периода в сроке службы оборудования:

1. Детский, где мы ожидаем «детскую смертность».

2. Нормального функционирования, где оборудование удовлетворяет характеристикам и требованиям надежности.

3. Конец срока службы, где оборудование начинает изнашиваться и мы уже не можем ожидать, что оно будет удовлетворять характеристикам и требованиям надежности.

Кто-то предполагает увидеть в скобках замечание относительно деградации оборудования в конце срока жизни, например, такое, что в любом случае оборудование, которое морально устарело, должно быть заменено независимо от конца его срока службы.

Рекомендация ITU-T G.957 [10.2] утверждает:

«Спецификации по затуханию даются в расчете на худший случай, включающий потери на сростки, оптические разъемы и аттенюаторы (если используются) или другие пассивные оптические устройства, и другие дополнительные допуски на кабель, выбираемые для того, чтобы покрыть возможные потери от:

(1) последующей модификации конфигурации кабельной прокладки (дополнительные сростки, увеличение длины кабеля и т. д;

(2) вариации характеристик кабеля в зависимости от влияния факторов окружающей среды;

(3) деградации любых оптических разъемов и аттенюаторов (если используются) или других пассивных оптических устройств между точками S и R, если они указываются.

Рекомендация ITU-T G.957 определяет точку S, как точку на оптическом волокне сразу за оптическим разъемом передатчика (СTX), а точку R, как опорную точку на оптическом волокне сразу перед оптическим разъемом приемника (СRX). Эти опорные точки ITU-T для системы показаны на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Схема эталонной оптоволоконной линии, показывающая положение опорных точек S (передача) и R (прием) и оптических разъемов, идентифицируемых как СTX и CRX. (См. ITU-T G.957 [10.2], рис.1, с.8)

Рекомендации ITU-T определяют три типа оптоволоконных секций (стандартных линий), основываясь на их длине, как показано в табл. 10.1.

10.2.1. Таблицы контроля

Таблицы 10.2 — 10.4 приведены здесь для того, чтобы читатель имел возможность сопоставить их с теми значениями, которые он получил в процессе подготовки бюджета для какого-то проекта. Эти (достаточно консервативные) значения взяты из таблиц в рекомендациях ITU-T G.957 [10.2], табл. 2-4. Например, средняя излучаемая мощность для столбца 6 может быть +3 или +6 дБм; а с оптическим усилителем эта мощность может достичь +20 дБм или больше, в зависимости от обстоятельств.

Тестовые звенья ITU-T, на основании результатов которых были получены данные в таблицах 2-4 рекомендации G.957, использовали двоичное (NRZ) оптическое линейное кодирование, скремблирование и, следовательно, удовлетворяли требованиям рекомендации ITU-T G.707. (См. раздел 4.7 в тексте.)

Таблица 10.1

Типы секций (стандартных линий), расстояния, длины волн и допуски

а) ITU-T код типового использования, см. G.957 и G.662.

б) Порог относится к порогу детектора в опорной точке R. Этот порог устанавливается для BER = 10-10. Для BER = 10-12 этот порог будет на 1 дБ менее чувствительным, алгебраически это означает добавление 1 дБ. Таким образом, исходный порог -23 дБ становится порогом -22 дБ.

в) Требует аттенюатора или источника с укороченным диапазоном действия, чтобы избежать перегрузки приемника.

Источники. См. ITU-T G.957 [10.2], табл.2-4, с.8 и [10.5].

Мы подчеркиваем, что выбор типа линейного кодирования — важная часть процесса проектирования оптоволоконной линии. Если мы озабочены тем, чтобы восстановить сигнал синхронизации, мы возможно выберем режим кодирования RZ. Если же мы стремимся к минимизации числа переходов состояния на такой линии, то нашим выбором был бы режим NRZ.

Таблица 10.2

Примеры бюджетов оптических линий для оптического интерфейса STM-1 SDH (155 Мбит/с)

a)Некоторые администрации могут устанавливать предел 1270 нм.

б) См. статью 6 основного документа.

Источник: См. ITU-T G.957 [10.2], табл.2, с.5

Таблица 10.3

Примеры бюджетов оптических линий для оптического интерфейса STM-4 SDH (622 Мбит/с)

а)  Некоторые администрации могут устанавливать предел 1270 нм.

б) См. статью 6.2.2 основного документа.

в) См. статью 6 основного документа.

Источник: См. ITU-T G.957 [10.2], табл. 3, с. 6.

Таблица 10.4

Примеры бюджетов оптических линий для оптического интерфейса STM-16 SDH (2,5 Гбит/с).

а) Некоторые администрации могут устанавливать предел 1270 нм.

б) См. статью 6.2.2 основного документа.

в) См. статью 6 основного документа.

г) Указанный диапазон дисперсий соответствует приблизительному (в расчете на худший случай) значению дисперсии 80-км участка волокна G.652/G.654 в диапазоне 1500-1580 нм: производители должны дать достаточный допуск, чтобы гарантировать надлежащую работу линии на расстоянии 80 км.

д) Чтобы удовлетворить 10 дБ минимальному ослаблению вместо 12 дБ ослабления, потребуется уменьшить максимальную выходную мощность, увеличить минимальную перегрузку, использовать оптические аттенюаторы, или воспользоваться комбинацией указанных решений.

Источник. См. ITU-T G.957 [10.2], табл. 4, с. 7.

Большинство систем используют кодирование типа NRZ или, возможно, манчестерское кодирование. Системы, использующие кодирование RZ, требуют большей полосы пропускания, чем системы с NRZ, что может быть существенным недостатком.

10.2.2. Практические таблицы ITU-T (МСЭ)

Таблица 10.2 дает параметры так, как они специфицированы ITU-T для оптического интерфейса STM-1 (155 Мбит/с). Таблица 10.3 аналогична табл. 10.2, но применима для оптического интерфейса STM-4 (622 Мбит/с). Таблица 10.4 приводит данные для оптического интерфейса STM-16 (2,488 Гбит/ с). Заметим, что STM-nn — это номенклатура технологии SDH, которая обсуждается в гл.12.

10.3. Бюджет линии связи: примеры

Исходной информацией для этих примеров служат либо данные табл. 10.1, либо информация, приведенная в гл. 4, 5 и 6.

10.3.1.  Общие правила

Начальным этапом в каждом случае является детектор света или приемник на удаленном конце. Изготовитель приемного оборудования обычно дает в технической документации один или несколько пороговых уровней. Еще более ценным для инженера проектировщика было бы иметь семейство кривых чувствительности, обычно по одной кривой для каждой стандартной скорости. Каждая кривая представляет собой график зависимости ВЕК от входного уровня у приемника, выраженного в — дБм. Ожидается, что указанные стандартные скорости являются скоростями либо SONET, либо SDH. (См. табл. 9.3.)

Таблица 10.1 обеспечивает пороги для BER порядка 10-10 для STS-3/STM-1, STS-12/STM-4 и STS-48/STM-16. Они были взяты из табл. 2-4 рекомендации ITU-T G.957 [10.2]. Мы считаем, что эти пороговые уровни достаточно традиционны.

10.3.2.  Пример 1

Допустим, что мы хотим установить ВОСП длиной 100 км, работающую на скорости 155 Мбит/с (STS-3/STM-1), удовлетворяющую требованиям к характеристикам, соответствующим G.826 [10.6]. По длине линии не предполагается использовать регенераторы или усилители. Выбираем оптическое волокно, которое мы хотели бы использовать, и длину волны передачи. Используем пороговое значение и необходимые допуски из табл. 10.1.

10.3.2.1. Анализ

Допустим, что мы будем использовать одномодовое волокно и длину волны в окне прозрачности 1550 нм. Фактически, 1550 нм — точка минимальных потерь для одномодового волокна типа G. 654 [10.7]. Убеждаемся, что линия принадлежит к классу ограниченных по потерям. Используем величину потерь 0,25 дБ/км, как предлагается в гл. 6, табл. 6.3. Предположим, что каждые 2 км имеются сростки с уровнем вносимых потерь 0,03 дБ; существуют оптические разъемы на самом конце кабеля с каждой стороны (опорные точки S и R), с уровнем вносимых потерь 0,5 дБ на каждый разъем (всего 1,0 дБ). На данной линии существуют дополнительные потери 1,0 дБ, вызванные дисперсией. Предположим, что средняя, излучаемая лазером MLM, мощность равна 10 дБм.

Пусть порог детектора света задан на уровне —28 дБм, а выходная мощность лазерного источника на ближнем конце — 0 дБм, тогда линия может допустить потери на уровне 28 дБ. (Нужно сделать следующее замечание. Порог -28 дБм по табл. 2-4, ITU-T G.957,  соответствует  BER = 10-10; можно было бы добавить 1 дБ, чтобы удовлетворить требованиям для достижения BER=10-12. Однако мы полагаем, что значение —28 дБм будет достаточным для достижения этого последнего значения BER. См. разд. 5.5.3 и табл. 5.2 в этом тексте. Большинство PIN-диодных детекторов работают в диапазоне – 33 – – 38 дБм для достижения желаемого BER при заданной скорости.) Предположим следующие уровни потерь:

- потери в оптическом разъеме       1,0 дБ;

- потери в волокне и сростках         25,0 дБ (100 км×0,25 дБ/км = 25,0 дБ);

- потери мощности, вызванные

дисперсией                                        1,0 дБ.

Итого:                                                27 дБ.

В результате получаем запас по мощности только 1 дБ. Считаем, что этого запаса не достаточно.

Однако, разд. 6.4 рекомендации ITU-T G.957 устанавливает значения чувствительности, приведенные в табл. 2-4, в расчете на худший случай, в конце срока службы. Это дает еще примерно 2 дБ дополнительного запаса мощности до тех пор, пока не достигнут период окончания срока службы. При наступлении этого периода можно ожидать, что такая линия начнет демонстрировать ухудшение своих характеристик.

В этом случае рекомендуется, чтобы проектировщик линии передачи четко представлял, к какому классу относится используемый световой детектор: PIN-приемника или APD-приемника. Вернемся к табл. 5.2. PIN-приемник компании Alcatel имеет порог —35 дБм для BER=10-10. Если мы собираемся использовать это значение и предполагаем, что оно должно быть номинальным, добавим еще +3 дБ в расчете на ухудшение характеристик в конце срока службы; примем 4 дБ в качестве дополнительного запаса мощности (т.е. значение —28 дБм в таблицах 2-4 рекомендации G.957 и значение —35 дБм — опубликованное значение характеристики PIN-приемника компании Alcatel для заданной скорости и уровне BER).

Мы предлагаем представить значения, которые здесь обсуждались, в табличной форме, так, как это можно было бы ожидать, формируя бюджет линии. В этой таблице должны быть три колонки. Колонка 1 — Параметр или логический объект, колонка 2 — Значение, колонка 3 — Комментарий, где проектировщик мог бы написать комментарий или дать какой-то совет. Мы будем называть такую таблицу Расчетной таблицей 10.5.

Расчетная таблица 10.5

10.3.3. Пример 2

Допустим, что длина трассы 160 км, а скорость передачи - 622 Мбит/с и не предполагается использовать регенераторы или усилители. Однако мощный усилитель (бустер) может быть встроен в источник света, а предусилитель - в приемник на удаленном конце. Эти усилители основаны на волоконно-оптическом усилении (EDFA) и работают в окне 1550 нм. Они имеют (каждый) усиление на уровне 17 дБ. Другими словами, мы рассчитываем, что лазерный передатчик имеет выход 0 дБм, который затем будет усилен до величины +17 дБм, благодаря включению усилителя EDFA. Четырехволновое смешение не окажет какого-то влияния, учитывая, что используется только одна несущая. Приемник имеет порог —28дБм (табл. 10.1) для работы со скоростью 622 Мбит/с. Наличие усиления за счет EDFA (17 дБ) снижает порог до величины —45 дБм. Вычитая —45 дБм из +17дБм, получаем бюджет для линии передачи в 62 дБ. Мы можем теперь перейти непосредственно к табличным вычислениям, см. табл. 10.6.