Аналіз нелінійних ефектів, які обмежують пропускну здатність оптичних компонентів тракту, та шляхи їх оптимізації

1. Аналіз нелінійних ефектів, які обмежують пропускну здатність оптичних компонентів тракту в зв'язку з нелінійними ефектами

При проектуванні волоконно-оптичних систем вважають, що розробник працює у діапазоні оптичних потужностей, які не викликають нелінійних спотворень у матеріалі, крізь який поширюється оптичне випромінювання.

Згідно досліджень перевищення певної порогової потужності стає причиною нелінійних перекручувань вищих порядків оптичного сигналу багатьох каналів тракту. Тобто перехресні завади погіршують відношення/сигнал шум у каналах. Явище має складний системний характер та може привести до зриву передавання інформації системою DWDM.

Отже, виходячи з принципу надійності передачі, маємо дотримуватися дозволеного допорогового діапазону потужностей оптичних сигналів. Цього можна досягти, обмежуючи максимальну потужність, яка вводиться у оптичний тракт шляхом вибору допустимої потужності випромінювача та загального числа оптичних частотних каналів.

Розглянемо 3 основні нелінійні явища та порогові значення потужностей, які їм відповідають:

1) Стимульоване Брілюенівське Розсіювання (SBS - Stimulated Brillouin Scattering) установлює верхню межу на рівень оптичної потужності, що може бути переданий оптичним волокном. При перевищенні визначеного рівня оптичної потужності, іменованого порогом SBS, в ОВ виникає акустична хвиля, під впливом якої змінюється величина індексу рефракції п, Зміни п викликають розсіювання світла, приводячи до додаткової генерації акустичних хвиль.

Для збудження РМБ спектральна густина початкового випромінювання повинна бути значно більшою, ніж для раманівського розсіювання - 10 мВт у смузі частот 10-50 МГц. У кінцевому рахунку, унаслідок цього ефекту, виникає хвиля зі зміщеною частотою, що поширюється в зворотному напрямку до джерела світла, у результаті чого корисна передана оптична потужність послабляється. Тим самим обмежується гранично досяжна потужність, що може бути передана передавачем у лінію. Наприклад, при довжині хвилі 1550 нм розсіяне світло зсувається вправо 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 від конкретного волокна. Поріг має порядок від 5 до 10 мВт для вузькосмугових лазерів із зовнішньою модуляцією. Для лазерів з безпосередньою модуляцією ця потужність може бути порядку 20-30 мВт. Для волокон G.653 поріг SBS дещо менший , ніж для систем G.652. Це виникає завдяки меншій ефективній площі волокон типу G.653. Можна також сказати, що пе справедливо для всіх нелінійних ефектів, шо розглядаються. Поріг SBS чутливий до спектральної ширини джерела випромінювання і рівня випромінюваної потужності. Одначе, він не залежить від числа каналів WDM.

Крім ефекту зниження корисної потужності виникають і шуми (підвищується відносна інтенсивність шуму - RIN, наприклад, с - 155 дБ/Гц до - 138 дБ/Гц), що погіршують характеристики BER (імовірність виникнення помилки). Особливо важливо контролювати SBS у високошвидкісних транспортних оптичних системах, обов'язково використовуючи модулятори з зовнішньою модуляцією (External modulators) і лазерні джерела безупинних коливань (CW - Continuous Wave).

Акустична хвиля, що з'являється, за своєю природою є гіперзвуковою, 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 ширина лінії джерела випромінювання значно перевищує ширину смуги Бріллюена, або там де потужність сигналу менша порогової потужності SBS.

Можна прийняти, що за умови перевищення теоретичного порогу погіршення k_SBS складе приблизно 3-5 дБп на канал, що абсолютно неприпустимо.

2) Раманівське розсіювання (SRS - Stimulated Raman Scattering) представляє собою значно меншу проблему у порівнянні зі стимульованим Брілюенівським розсіюванням (SBS). Реальні волоконно-оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ) допускають використання оптичного підсилювача (EDFA) с рівнем порядку 25 дБп або декількох підсилювачів з меншим рівнем вихідного сигналу. SRS за своєю природою близьке до SBS, але викликається іншими фізичними явищами.

SRS є частотно-залежним і проявляється більш виражено на коротких хвилях у порівнянні с довгохвилевими (тобто на більш високих частотах). Можна зауважити, що короткохвилеві канали мають набагато меншу амплітуду у порівнянні с довгохвилевими каналами, тобто спостерігається зміна амплітуд сигналів по кожному з каналів. При цьому більшому затуханню піддаються саме більш короткохвилеві (високочастотні) канали. У системах WDM вплив цього типу розсіювання полягає у перерозподілі потужності з короткохвильових у довгохвильові канали. У цьому випадку це явище працює як раманівський підсилювач і довгохвильові канали підсилюються за рахунок короткохвильових до тих пір, доки різниця у довжинах хвиль лежить у смузі частот раманівського підсилення. Це явище може виникнути у кварцовому волокні, де підсилення може стати результатом використання кроку між каналами 200 нм.

Найбільш збіднюються короткохвилеві канали, так як його потужність може одночасно перекачуватися у багато каналів одночасно. Такий перерозподіл потужності між каналами можна визначити за характеристиками системи, тому що він залежить від характеру розташування біт - підсилення проходить тільки у тому випадку, коли двійкові «1» присутні в обох каналах одночасно. Таке підсилення приводить до збільшення флуктуацій потужності, яка збільшує рівень шуму приймача та погіршує його характеристики. Раманівських перехресних завад можна запобігти, якщо потужності каналів зробити такими малими, що підсилення вийде незначним за всією довжиною волокна. При використанні в системах DWDM Раманівських підсилювачів необхідно враховувати факт виникнення перехресних завад, що викликаються наявністю декількох сигналів, переданих на різних довжинах хвиль.

SRS може виникнути у системах, що використовують як одномодове, так і багатомодове 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 площі волокна G.653. SRS практично не вносить погіршень в одноканальні системи. Ефект SRS фактично обмежує світлову потужність в каналі.

При використанні одноканальних систем небажані ділянки спектру можуть бути прибрані з допомогою фільтрів. Для WDM систем до цієї пори практично немає технічних 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 два сигнали з різними частотами, з достатньо великою інтенсивністю - у спектрі розсіяного сигналу будуть компоненти з чотирма частотами (з врахуванням розсіювання Релея-Мандельштама), причому у випадку накладання двох з частот одна на одну, що практично є можливим, 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, який переносить інформацію методом амплітудної модуляції, тобто його спектр складається з трьох основних складових: центральної частоти та бокових частот, при високих швидкостях передачі бокові частоти є сильно рознесені по відношенню до центральної, тому кожна з них є самостійною несучою з точки зору ЧХЗ. Вплив ЧХЗ на передачу проявляється як додаткові перехресні завади, міжсимвольні завади при високих швидкостях передачі, збіднення потужності сигналів одних каналів за рахунок впливу на інші.

Ефективність ЧХЗ також чутлива до загальної оптичної потужності у волокні. Так, для 8-ми канальної CWDM (з поширеним оптичним волокном SMF-28) із кроком частотного розміщення в d_f = 200 ГГц (192,4 - 193,8 ТГц) FWM_P складе ~ -46,7 дБ, а для 16-ти канального розміщення з частотним кроком у 100 ГГц FWM_P складе ~ -37,7 дБ. Нагадаємо, що електричний еквівалент FWMp дорівнює подвоєному значенню оптичної ефективності) FWM_P і для останнього випадку буде дорівнює -75,4 дБ.

Найбільший паразитний вплив ЧХЗ справляє на СПІ в яких оптичний тракт побудований на оптичному волокні зі зміщеною нульовою дисперсією G.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 в промисловості було запропоновано використання волокна з мінімально допустимою, але ненульовою дисперсією в області підсилення оптичних підсилювачів. Як альтернатива, пропонується використання чергування прольотів з протилежними за знаками дисперсіями. Звичайно, можна забезпечувати збільшення кроку між каналами та існування нерівномірного кроку між ними, за рахунок цього зменшуючи рівень завад від ЧХЗ.

Отже, важливо при розрахунках систем DWDM розрахувати потужність оптичних передавачів та їхню кількість із врахуванням бюджету оптичного тракту таким чином, щоб загальна оптична потужність не перевищувала жодного з порогів вищенаведених нелінійних явиш у оптичних волокнах.

Слід також зазначити, що використання великої кількості оптичних підсилювачів не є адекватним виходом з такої ситуації, оскільки шуми підсилювачів у тракті сумуються та зменшують ймовірність правильного прийому символу - стає необхідною повна регенерація. Тому оптимізація кількості каналів є найбільш прийнятною за умови незмінної, однакової (уніфікація) потужності кожного з оптичних випромінювачів.

2. Методика розрахунку та оптимізації пропускної здатності DWDM-системи

Розглянувши коло питань, які пов'язані з пропускною здатністю тракту можна відзначити наступне:

■ В усіх випадках проектувальник DWDM-систем має врахувати значення загальної кілометричної дисперсії волокна. Саме цей важливий показник визначає допустиму швидкість передавання інформації у окремо взятому каналі на визначену відстань (довжину регенераційної ділянки:), або, навпаки максимальну допустиму довжину регенераційної ділянки для заданої швидкості передавання інформації у оптичному каналі. У зв'язку з цим першочерговим завданням проектувальниа є мінімізація значення дисперсії у оптичному тракті. Це може, зокрема, бути досягнутим шляхом використання спеціальних типів оптичних волокон (волокна зі зміщеною дисперсією, як позитивною так і негативною), чергуванням їх у прольотах, а також з використанням пристроїв для компенсації дисперсії, які розглянуті у частині 1 даної роботи. Щоправда тут виникає необхідність використання оптичних підсилювачів для компенсації внесених втрат оптичної потужності. Більш дорогим та, відповідно, менш економічно вигідним є використання повно регенерації оптичного сигналу.

Для магістральних трактів є характерним високе значени оптичного загасання, яке складається як із загасання оптичних волокон, так і: загасання пасивного оптичного обладнання (мультиплексори демультиплекеори, комутатори, фільтри і т.п.). Тому необхідними компонентами DWDM систем є оптичні підсилювачі. При проектуванні таких систем потрібно використати потрібну кількість таких підсилювачів для компенсації всього загасання системи. Раманівські підсилювачі є ефективними та привабливими для використання на протяжних магістральних ділянках оскільки ефект підсилення виникає у самому оптичному волокні. Ціна підсилювачів є високою, але без них неможливо побудувати магістральні тракти. У паспортних даних підсилювача зазначається коефіцієнт підсилення та власні шуми (у дБ).

■ Одночасно із підвищенням загального рівня оптичної потужності, або потужності у каналі виникає загроза появи нелінійних ефектів: розсіювання Брілюена та розсіювання Рамана відповідно. Якщо пропускна здатність системи DWDM нарощується за рахунок збільшення числа оптичних каналів, то необхідно оцінити загальні оптичну потужність на вводі у волокно, та зробити висновки про можливість чи не можливість експлуатації такої системи. У випадку, якщо загальна потужність каналів перевищить порогову для розсіювання Брілюена, необхідно або зменшити потужність передавача, що неминуче зменшить довжину регенераційної ділянки, або зменшити кількість каналів у оптичному волокні, розділивши їх на кілька волокон (у випадку магістрального сполучення). За рахунок цього відстань між оптичними підсилювачами чи регенераторами залишиться сталою Якщо ж величина потужності одного каналу перевищить поріг для раманівського розсіювання, то чи не єдиним прийнятним виходом з цієї ситуації є зменшення потужності джерела випромінювання до допустимого рівня.

При збільшення оптичної потужності каналів значний вклад у перехресні завади та зниження відношення сигнал/шум вносить ефект чотирихвильового змішування. Даний ефект майже не проявляється при використанні стандартних одномодових волокон G.652 SMF. Найбільший паразитний вплив ЧХЗ справляє на СПІ в яких оптичний тракт побудований на оптичному волокні зі зміщеною нульовою дисперсією G.653 DSF. Для боротьби з цим явищем пропонується використання чергування прольотів з протилежними за знаками дисперсіями, або використання волокна з мінімальною, але ненульовою дисперсією. Звичайно, можна забезпечувати збільшення кроку між каналами та існування нерівномірного кроку між ними, за рахунок цього зменшуючи рівень завад від ЧХЗ.

Отже, при великих довжинах регенераційних ділянок пропускна здатність оптичного тракту визначається допустимою кількістю оптичних каналів із заданими потужностями джерел випромінювання, як добуток кількості каналів на швидкість одного з каналів. При цьому не можна нехтувати дисперсією волокна.

■ Джерела випромінювання, які використовуються на оптичних трактах зв'язку повинні володіти якомога меншими шумами та, відповідно значення відносної інтенсивності шумів лазера - RIN. Слід врахувати той факт, що із розширенням смуги оптичного каналу, шуми оптичного передавача зростають, а відношення сигнал/шум на вході оптичної лінії падає. Тому на високошвидкісних магістралях виправдане застосування більш дорогої, але якісної системи джерело постійної інтенсивності (спрощення стабілізації частоти та схем керування накачкою) + зовнішній модулятор (високошвидкісна електрооптична комірка). Щодо фотодетектора, то перевагу слід надавати пристроям із якомога вищою селективністю (але не менше ширини смуги оптичного каналу для запобіганню падінню рівня корисної оптичної потужності та рівня сигнал/шум каналу) та меншими власними шумами.

Якщо розглядати лінійну швидкість передавання оптичному каналі, то ефекти поляризаційної модової дисперсії на швидкостях більше 2,4 Гбіт/сек завдяки системі автоматичної компенсації гарантовано можна зменшити в 1,4 — 3 рази, що відповідно приведе до якісного прориву у збільшенні пропускної здатності на таких швидкостях.

Проаналізувавши чинники, які справляють вплив на якість передавання інформації можемо розділити їх на дві групи:

- шумоутворюючі чинники

- завадоутворюючі чинники.

Шумоутворюючі та завадоутворюючі чинники є відносно подібними, якщо врахувати велику кількість оптичних каналів у волокні, оскільки перехресні завади стають подібні до псевдо випадкових шумів, особливо за умови високих швидкостей передачі та фазових варіацій у оптичних каналах.

Таким чином, для забезпечення номінальної перепускної здатності слід задатися певним коефіцієнтом помилок - критерієм оцінки якості роботи каналу системи передавання.

Маючи необхідні дані щодо відстані, необхідно визначити конфігурацію обладнання тракту, тобто кількість регенераторів, оптичних підсилювачів, тип волокна на з'єднувальних ділянках ВОСПІ.

Далі вибирається тип джерел випромінювання, а саме оптичну платформу, на основі якої буде реалізовано кінцеві станцію оптичної траси. При цьому 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 тому числі поляризаційно - модової) оптичного волокна отримати рівень потужності на вході.

Маючи рівень потужності на вході лінії та конфігурацію активного обладнання траси (кількість підсилювачів, регенераторів) можна звернути увагу на можливість компенсації дисперсії з допомогою спеціальних волоконних пристроїв, одначе не слід забувати про додаткові шуми, які вони вносять. Величину цих додаткових шумів регламентує виробник.

Наступним кроком є оцінка порогів потужності нелінійних явищ системі передавання із обраною конфігурацією. Якщо лінійна оптична потужність на трасі перевищить допустимий поріг необхідно оцінити негативний вплив відповідного оптичного явища, у вигляді так званого "штрафу" (у - дБп) відношення сигнал/шум на виході частин системи, у якій виникає спотворення.

Необхідно відзначити, що перевищення порогу для розсіювання SBS є неприпустимим за жодних умов, це веде до спотворень с/ш порядку 10 дБ на кожен частотний канал. Загальна потужність, яка передається обмежується цим фактором. Перевищення порогу SBS свідчить про неминучість змін у конфігурації оптичного тракту(потужності активних компонентів їхню кількість - склад активного обладнання, кількість оптичних частотних каналів).

Заходи, яких необхідно вжити для усунення впливів чотири хвильового змішування, та кожного з видів нелінійних ефектів. Для чотири хвильового змішування увагу необхідно звернули на розташування каналів та тип оптичного волокна, що використовується.

Загальний штраф має включати як перехресні завади нелінійних ефектів у волокнах, так і шуми разом з ослабленням несучої внаслідок розсіювань(якщо перевищені відповідні порогові потужності). Сумарний штраф за оптичні нелінійні ефекти із протилежним знаком підсумовується у якості шумів оптичних волокон з шумами пасивного обладнання.

Наприкінці розрахунку враховують шуми прийомо-передавачів. Якщо рівень коефіцієнта помилок перевищує допустимий, за допомогою поданої методики одразу можна оцінити компонент ВОСПІ, який є критичним для даного варіанту конфігурації та вивести або замінити його шляхом рекомпозиції (з подальшим можливим подорожчанням системи в цілому, але покращить якість її роботи). Причому, якщо розрахунки проводяться з метою модернізації на вже прокладених волокнах, то замінити слід саме активне обладнання, звісно, якщо необхідні енергетичні та дисперсійні показники будуть забезпечуватись волокном.

У жодному разі не слід, сподіватися, що система, яка погано показала себе ще при розрахунках буде краще функціонувати при експлуатації, тому неточності у конфігурації необхідно усунути ще на стадії проектування причому важливим елементом є перспектива розвитку системи, яка проектується.