Аналіз нелінійних ефектів, які обмежують пропускну здатністьоптичних компонентів тракту, та шляхи їх оптимізації
1. Аналіз нелінійних ефектів, які обмежують пропускнуздатність оптичних компонентів тракту в зв'язку з нелінійними ефектами
При проектуванні волоконно-оптичних систем вважають, щорозробник працює у діапазоні оптичних потужностей, які не викликають нелінійнихспотворень у матеріалі, крізь який поширюється оптичне випромінювання.
Згідно досліджень перевищення певної порогової потужностістає причиною нелінійних перекручувань вищих порядків оптичного сигналубагатьох каналів тракту. Тобто перехресні завади погіршують відношення/сигналшум у каналах. Явище має складний системний характер та може привести до зривупередавання інформації системою DWDM.
Отже, виходячи з принципу надійності передачі, маємодотримуватися дозволеного допорогового діапазону потужностей оптичних сигналів.Цього можна досягти, обмежуючи максимальну потужність, яка вводиться у оптичнийтракт шляхом вибору допустимої потужності випромінювача та загального числаоптичних частотних каналів.
Розглянемо 3 основнінелінійні явища та порогові значення потужностей, які їм відповідають:
1) Стимульоване Брілюенівське Розсіювання (SBS — Stimulated Brillouin Scattering) установлює верхню межу на рівеньоптичної потужності, що може бути переданий оптичним волокном. При перевищеннівизначеного рівня оптичної потужності, іменованого порогом SBS, в ОВ виникає акустична хвиля, підвпливом якої змінюється величина індексу рефракції п, Зміни п викликаютьрозсіювання світла, приводячи до додаткової генерації акустичних хвиль.
Для збудження РМБспектральна густина початкового випромінювання повинна бути значно більшою, ніждля раманівського розсіювання — 10 мВт усмузі частот 10-50 МГц. У кінцевому рахунку,унаслідок цього ефекту, виникає хвиля зі зміщеною частотою, що поширюється взворотному напрямку до джерела світла, у результаті чого корисна переданаоптична потужність послабляється. Тим самим обмежується гранично досяжнапотужність, що може бути передана передавачем у лінію. Наприклад, при довжиніхвилі 1550 нм розсіяне світло зсуваєтьсявправо приблизно на 11 ГГц. Це розсіювання (SBS) має найнижчу порогову потужність.Було показано, що поріг SBS може змінюватися в залежності від типу волокна і навіть в залежності відконкретного волокна. Поріг має порядок від 5 до 10 мВт для вузькосмуговихлазерів із зовнішньою модуляцією. Для лазерів з безпосередньою модуляцією цяпотужність може бути порядку 20-30 мВт.Для волокон G.653 поріг SBS дещо менший, ніж для систем G.652. Це виникає завдяки меншій ефективнійплощі волокон типу G.653. Можна також сказати, що песправедливо для всіх нелінійних ефектів, шо розглядаються. Поріг SBS чутливий до спектральної шириниджерела випромінювання і рівня випромінюваної потужності. Одначе, він незалежить від числа каналів WDM.
Крім ефекту зниження корисної потужності виникають і шуми(підвищується відносна інтенсивність шуму — RIN, наприклад, с — 155 дБ/Гц до — 138дБ/Гц), що погіршують характеристики BER (імовірність виникнення помилки). Особливо важливоконтролювати SBS у високошвидкісних транспортнихоптичних системах, обов'язково використовуючи модулятори з зовнішньоюмодуляцією (External modulators) і лазерні джерела безупиннихколивань (CW — Continuous Wave).
Акустична хвиля, що з'являється, за своєю природою єгіперзвуковою, і її частотний спектр може розташовуватися до 10...13 ТГц(максимум 1013 Гц). SBS обмежує рівень світлової енергії, що може бути передана волокном.
Погіршення, що викликані SBS не виникнуть у системах, де шириналінії джерела випромінювання значно перевищує ширину смуги Бріллюена, або тамде потужність сигналу менша порогової потужності SBS.
Можна прийняти, що за умови перевищення теоретичного порогу погіршення kSBS складе приблизно 3-5 дБп на канал, що абсолютнонеприпустимо.
2) Раманівське розсіювання (SRS — Stimulated Raman Scattering) представляє собою значно меншупроблему у порівнянні зі стимульованим Брілюенівським розсіюванням (SBS). Реальні волоконно-оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ) допускаютьвикористання оптичного підсилювача (EDFA) с рівнем порядку 25 дБп або декількох підсилювачів зменшим рівнем вихідного сигналу. SRS за своєю природою близьке до SBS, алевикликається іншими фізичними явищами.
SRS є частотно-залежним і проявляєтьсябільш виражено на коротких хвилях у порівнянні с довгохвилевими (тобто на більшвисоких частотах). Можна зауважити, що короткохвилеві канали мають набагатоменшу амплітуду у порівнянні с довгохвилевими каналами, тобто спостерігаєтьсязміна амплітуд сигналів по кожному з каналів. При цьому більшому затуханнюпіддаються саме більш короткохвилеві (високочастотні) канали. У системах WDM вплив цього типу розсіювання полягаєу перерозподілі потужності з короткохвильових у довгохвильові канали. У цьомувипадку це явище працює як раманівський підсилювач і довгохвильові каналипідсилюються за рахунок короткохвильових до тих пір, доки різниця у довжинаххвиль лежить у смузі частот раманівського підсилення. Це явище може виникнути укварцовому волокні, де підсилення може стати результатом використання кроку міжканалами 200 нм.
Найбільш збіднюються короткохвилеві канали, так як йогопотужність може одночасно перекачуватися у багато каналів одночасно. Такийперерозподіл потужності між каналами можна визначити за характеристикамисистеми, тому що він залежить від характеру розташування біт — підсилення проходить тільки у томувипадку, коли двійкові «1»присутні в обох каналаходночасно. Таке підсилення приводить до збільшення флуктуацій потужності, яказбільшує рівень шуму приймача та погіршує його характеристики. Раманівськихперехресних завад можна запобігти, якщо потужності каналів зробити такимималими, що підсилення вийде незначним за всією довжиною волокна. Привикористанні в системах DWDM Раманівських підсилювачів необхідно враховувати факт виникненняперехресних завад, що викликаються наявністю декількох сигналів, переданих нарізних довжинах хвиль.
SRS може виникнути у системах, що використовують як одномодове, так ібагатомодове волокно. Для того, щоб спостерігати SRS за наявності тільки одного каналу,без використання оптичного підсилювача, необхідно мати рівень сигналу порядку +30 дБп.
Поріг SRS для систем, що використовують волокно типу G.653 дещо нижчий, ніж для систем, що використовують волокно типу G.652, завдяки меншій ефективній площіволокна G.653. SRS практично не вносить погіршень водноканальні системи. Ефект SRS фактично обмежує світлову потужність в каналі.
При використанні одноканальних систем небажані ділянкиспектру можуть бути прибрані з допомогою фільтрів. Для WDM систем до цієї пори практично немаєтехнічних прийомів, що дозволили би прибрати вплив SRS. Разом із цим вплив SRS можна знизити шляхом зменшення вхідної оптичної потужності.
3) Чотирихвильове змішування (ЧХЗ) виникне, якщо в речовину ввести двасигнали з різними частотами, з достатньо великою інтенсивністю — у спектрі розсіяного сигналу будутькомпоненти з чотирма частотами (з врахуванням розсіювання Релея-Мандельштама),причому у випадку накладання двох з частот одна на одну, що практично єможливим, виникають фотони з частотами, які відрізняються від несучої
/>.
Частотний спектр розсіяного випромінювання розширюється,причому деякі зі складових можуть підсилюватися за рахунок подавлення інших.
ЧХЗ може проявлятися і при одному оптичному сигналі, якийпереносить інформацію методом амплітудної модуляції, тобто його спектрскладається з трьох основних складових: центральної частоти та бокових частот,при високих швидкостях передачі бокові частоти є сильно рознесені по відношеннюдо центральної, тому кожна з них є самостійною несучою з точки зору ЧХЗ. ВпливЧХЗ на передачу проявляється як додаткові перехресні завади, міжсимвольнізавади при високих швидкостях передачі, збіднення потужності сигналів однихканалів за рахунок впливу на інші.
Ефективність ЧХЗтакож чутлива до загальної оптичної потужності у волокні. Так, для 8-ми канальної CWDM (з поширеним оптичним волокном SMF-28) із кроком частотного розміщення в df = 200 ГГц (192,4 — 193,8 ТГц) FWMP складе ~ -46,7 дБ, а для 16-ти канальногорозміщення з частотним кроком у 100 ГГц FWMP складе ~ -37,7 дБ. Нагадаємо, що електричнийеквівалент FWMp дорівнює подвоєному значенню оптичноїефективності) FWMP і для останнього випадку будедорівнює -75,4 дБ.
Найбільший паразитний вплив ЧХЗ справляє на СПІ в якихоптичний тракт побудований на оптичному волокні зі зміщеною нульовою дисперсієюG.653 DSF, практично не впливає при одномодовому стандартному волокні G.652 SMF. Досліди показали, що для волокон G.653 ці завади є практично неприйнятними (до 20 дБп ),тоді як для G.652 вони практично відсутні.
Для того, щоб адекватно подавляти генерацію продуктів ЧХЗ впромисловості було запропоновано використання волокна з мінімально допустимою,але ненульовою дисперсією в області підсилення оптичних підсилювачів. Якальтернатива, пропонується використання чергування прольотів з протилежними зазнаками дисперсіями. Звичайно, можна забезпечувати збільшення кроку міжканалами та існування нерівномірного кроку між ними, за рахунок цього зменшуючирівень завад від ЧХЗ.
Отже, важливо при розрахунках систем DWDM розрахувати потужність оптичнихпередавачів та їхню кількість із врахуванням бюджету оптичного тракту такимчином, щоб загальна оптична потужність не перевищувала жодного з порогіввищенаведених нелінійних явиш у оптичних волокнах.
Слід також зазначити, що використання великої кількостіоптичних підсилювачів не є адекватним виходом з такої ситуації, оскільки шумипідсилювачів у тракті сумуються та зменшують ймовірність правильного прийомусимволу — стає необхідною повна регенерація. Тому оптимізація кількості каналівє найбільш прийнятною за умови незмінної, однакової (уніфікація) потужностікожного з оптичних випромінювачів.
2. Методика розрахунку та оптимізації пропускної здатності DWDM-системи
Розглянувши коло питань, які пов'язані з пропускною здатністютракту можна відзначити наступне:
■ В усіх випадках проектувальник DWDM-систем має врахувати значеннязагальної кілометричної дисперсії волокна. Саме цей важливий показник визначаєдопустиму швидкість передавання інформації у окремо взятому каналі на визначенувідстань (довжину регенераційної ділянки:), або, навпаки максимальну допустимудовжину регенераційної ділянки для заданої швидкості передавання інформації уоптичному каналі. У зв'язку з цим першочерговим завданням проектувальниа ємінімізація значення дисперсії у оптичному тракті. Це може, зокрема, бутидосягнутим шляхом використання спеціальних типів оптичних волокон (волокна зізміщеною дисперсією, як позитивною так і негативною), чергуванням їх упрольотах, а також з використанням пристроїв для компенсації дисперсії, якірозглянуті у частині 1 даної роботи. Щоправда тут виникає необхідністьвикористання оптичних підсилювачівдля компенсації внесених втрат оптичної потужності. Більш дорогим та,відповідно, менш економічно вигідним є використання повно регенерації оптичногосигналу.
Для магістральних трактів є характерним високе значениоптичного загасання, яке складається як із загасання оптичних волокон, так і: загасання пасивного оптичного обладнання(мультиплексори демультиплекеори, комутатори, фільтри і т.п.). Тому необхіднимикомпонентами DWDM систем є оптичніпідсилювачі. При проектуванні таких систем потрібно використати потрібнукількість таких підсилювачів для компенсації всього загасання системи.Раманівські підсилювачі є ефективними та привабливими для використання напротяжних магістральних ділянках оскільки ефект підсилення виникає у самомуоптичному волокні. Ціна підсилювачівє високою, але без них неможливо побудувати магістральні тракти. У паспортнихданих підсилювача зазначається коефіцієнт підсилення та власні шуми (у дБ).
■ Одночасно із підвищенням загального рівня оптичноїпотужності, або потужності у каналі виникає загроза появи нелінійних ефектів:розсіювання Брілюена та розсіювання Рамана відповідно. Якщо пропускна здатністьсистеми DWDM нарощується за рахунокзбільшення числа оптичних каналів, то необхідно оцінити загальні оптичнупотужність на вводі у волокно, та зробити висновки про можливість чи неможливість експлуатації такої системи. У випадку, якщо загальна потужністьканалів перевищить порогову для розсіювання Брілюена, необхідно або зменшитипотужність передавача, що неминуче зменшить довжину регенераційної ділянки, абозменшити кількість каналів у оптичному волокні, розділивши їх на кілька волокон(у випадку магістрального сполучення). За рахунок цього відстань між оптичнимипідсилювачами чи регенераторами залишиться сталою Якщо ж величина потужностіодного каналу перевищить поріг для раманівського розсіювання, то чи не єдинимприйнятним виходом з цієї ситуації є зменшення потужності джерелавипромінювання до допустимого рівня.
При збільшення оптичної потужності каналів значний вклад уперехресні завади та зниження відношення сигнал/шум вносить ефектчотирихвильового змішування. Даний ефект майже не проявляється при використанністандартних одномодових волокон G.652 SMF. Найбільший паразитний вплив ЧХЗсправляє на СПІ в яких оптичний тракт побудований на оптичному волокні зізміщеною нульовою дисперсією G.653 DSF. Для боротьби з цим явищемпропонується використання чергування прольотів з протилежними за знакамидисперсіями, або використання волокна з мінімальною, але ненульовою дисперсією.Звичайно, можна забезпечувати збільшення кроку між каналами та існуваннянерівномірного кроку між ними, за рахунок цього зменшуючи рівень завад від ЧХЗ.
Отже, при великихдовжинах регенераційних ділянок пропускна здатність оптичного трактувизначається допустимою кількістю оптичних каналів із заданими потужностямиджерел випромінювання, як добуток кількості каналів на швидкість одного зканалів. При цьому не можна нехтувати дисперсією волокна.
■ Джерела випромінювання, які використовуються наоптичних трактах зв'язку повинні володіти якомога меншими шумами та, відповіднозначення відносної інтенсивності шумів лазера — RIN. Слід врахувати той факт, що ізрозширенням смуги оптичного каналу, шуми оптичного передавача зростають, авідношення сигнал/шум на вході оптичної лінії падає. Тому на високошвидкіснихмагістралях виправдане застосування більш дорогої, але якісної системи джерелопостійної інтенсивності (спрощення стабілізації частоти та схем керуваннянакачкою) + зовнішній модулятор(високошвидкісна електрооптична комірка). Щодо фотодетектора, то перевагу сліднадавати пристроям із якомога вищою селективністю (але не менше ширини смугиоптичного каналу для запобіганню падінню рівня корисної оптичної потужності тарівня сигнал/шум каналу) та меншими власними шумами.
Якщо розглядати лінійну швидкість передавання оптичномуканалі, то ефекти поляризаційної модової дисперсії на швидкостях більше 2,4Гбіт/сек завдяки системі автоматичної компенсації гарантовано можна зменшити в1,4 — 3 рази, що відповідно приведе до якісного прориву у збільшенні пропускноїздатності на таких швидкостях.
Проаналізувавши чинники, які справляють вплив на якістьпередавання інформації можемо розділити їх на дві групи:
— шумоутворюючі чинники
— завадоутворюючі чинники.
Шумоутворюючі та завадоутворюючі чинники є відносноподібними, якщо врахувати велику кількість оптичних каналів у волокні, оскількиперехресні завади стають подібні до псевдо випадкових шумів, особливо за умовивисоких швидкостей передачі та фазових варіацій у оптичних каналах.
Таким чином, для забезпечення номінальної перепускноїздатності слід задатися певним коефіцієнтом помилок — критерієм оцінки якості роботи каналусистеми передавання.
Маючи необхідні дані щодо відстані, необхідно визначитиконфігурацію обладнання тракту, тобто кількість регенераторів, оптичнихпідсилювачів, тип волокна на з'єднувальних ділянках ВОСПІ.
Далі вибирається тип джерел випромінювання, а саме оптичнуплатформу, на основі якої буде реалізовано кінцеві станцію оптичної траси. Прицьому слід врахувати за відповідними формулами:
— лінійну швидкість
— обраний тип волокна
— тип підсилювачів на лінії;
— обов'язково врахувати довжину лінії,з врахуванням методики розрахунку параметрів загасання та дисперсії (в томучислі поляризаційно — модової) оптичного волокнаотримати рівень потужності на вході.
Маючи рівень потужності на вході лінії та конфігураціюактивного обладнання траси (кількість підсилювачів, регенераторів) можназвернути увагу на можливість компенсації дисперсії з допомогою спеціальнихволоконних пристроїв, одначе не слід забувати про додаткові шуми, які вонивносять. Величину цих додаткових шумів регламентує виробник.
Наступним кроком є оцінка порогів потужності нелінійних явищсистемі передавання із обраною конфігурацією. Якщо лінійна оптична потужністьна трасі перевищить допустимий поріг необхідно оцінити негативний впливвідповідного оптичного явища, у вигляді так званого «штрафу» (у — дБп) відношення сигнал/шум на виході частин системи, у якій виникаєспотворення.
Необхідно відзначити, що перевищення порогу для розсіювання SBS є неприпустимим за жодних умов, це ведедо спотворень с/ш порядку 10 дБ накожен частотний канал. Загальна потужність, яка передається обмежується цимфактором. Перевищення порогу SBS свідчить про неминучість змін у конфігурації оптичного тракту(потужностіактивних компонентів їхню кількість — склад активного обладнання, кількістьоптичних частотних каналів).
Заходи, яких необхідно вжити для усунення впливів чотирихвильового змішування, та кожного з видів нелінійних ефектів. Для чотирихвильового змішування увагу необхідно звернули на розташування каналів та типоптичного волокна, що використовується.
Загальний штраф має включати як перехресні завади нелінійнихефектів у волокнах, так і шуми разом зослабленням несучої внаслідок розсіювань(якщо перевищені відповідні пороговіпотужності). Сумарний штраф за оптичні нелінійні ефекти із протилежним знакомпідсумовується у якості шумів оптичних волокон з шумами пасивного обладнання.
Наприкінці розрахунку враховують шуми прийомо-передавачів.Якщо рівень коефіцієнта помилок перевищує допустимий, за допомогою поданоїметодики одразу можна оцінити компонент ВОСПІ, який є критичним для даноговаріанту конфігурації та вивести або замінити його шляхом рекомпозиції (зподальшим можливим подорожчанням системи в цілому, але покращить якість їїроботи). Причому, якщо розрахунки проводяться з метою модернізації на вжепрокладених волокнах, то замінити слід саме активне обладнання, звісно, якщонеобхідні енергетичні та дисперсійні показники будуть забезпечуватись волокном.
У жодному разі неслід, сподіватися, що система, яка погано показала себе ще при розрахунках будекраще функціонувати при експлуатації, тому неточності у конфігурації необхідноусунути ще на стадії проектування причому важливим елементом є перспективарозвитку системи, яка проектується.