CONTROLLING TIME-FREQUENCY CHARACTERISTIC OF OPTICAL IMPULSE IN THE RADIO-OVER-FIBER TRANSMISSION SYSTEMS USING MACH-ZEHNDER MODULATOR

Full Text

Введение На сегодняшний день в развитии телекоммуникационных систем главную роль играет увеличение скорости передачи данных, необходимое для расширения спектра предоставляемых услуг и повышения их качества. Одновременно на передний план выходят вопросы разработки новых, более быстродействующих, способов управления трафиком. В первую очередь описанные тенденции характерны для участков «последней мили», хотя разработка новых способов маршрутизации также важна и в магистральных сетях, и при построении высокопроизводительных разветвленных сетей связи, например, сетей городского масштаба (Metropolitan Area Networks, MAN) и пассивных оптических сетей (Passive Optical Networks, PON). Причем для MAN и PON повышение общего быстродействия, определяющего в конечном счёте QoS для пользователя степень его удовлетворенностью услугой, определяется не столько ростом битовой скорости, сколько ускорением процессов управления сигналами [2]. Указанный момент повышает актуальность исследований в области интеллектуальных волоконно-оптических сетей и обуславливает поиск новых способов управления потоками данных на нижних сетевых уровнях. Это означает управление информационным сигналом посредством использования оптических устройств волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП). Особую актуальность данная задача приобретает для так называемых волоконно-оптических радиофотонных систем связи (или Radio-over-Fiber - далее RoF). Системы RoF классически базируются на привлечении физических эффектов к формированию сигналов, что призвано в конечном итоге упростить аппаратную часть [1]. Это, в свою очередь, повышает адаптивность и быстродействие системы передачи, а также снижает ее стоимость. Необходимо отметить, однако, что управление трафиком подразумевает в первую очередь возможность его мультиплексирования. Для этой цели классически используются ортогональные базисы, например, реализуя уплотнение по времени (системы SDH или Ethernet) или по частоте (системы WDM). Однако количество таких базисов ограничено. В то же время известно, что введение новых «координат» способно существенно увеличить скорость передачи данных. Так, применение DQPSK модуляции к оптическому сигналу позволило достичь значительного повышения битовой скорости передачи в результате задействования ортогональных поляризационных составляющих электрической напряженности поля E световой волны [3-5]. Исследование возможности применения время-частотной характеристики (чирпа) оптического сигнала в качестве дополнительной «координаты» при построении сетей RoF представляется актуальной задачей. Постановка задачи Применение чирпирования на сетях связи в настоящее время обусловлено задачей компенсации действия хроматической дисперсии (ХД), особенно если нет возможности применять систему EDC (Electrical Dispersion Compensate). Как правило, это характерно для высокоскоростных систем RoF. Применение средств компенсации ХД, основанных на включении оптоволокон с разными знаками дисперсионного коэффициента, интерференционных устройств и т.п. могут оказаться не очень эффективными, к тому же они вносят искажения в широкополосный и высокоскоростной сигнал. Из-за этого оптический импульс под действием ХД будет уширен, а значит, в сети может увеличиться коэффициент битовых ошибок. В таких условиях представляется интересным применение квазисолитонового режима распространения, когда импульс изначально должен быть сгенерирован чирпированным (рисунок 1). При этом важно решить задачу получения чирпированного импульса как можно более дешевым (аппаратно) способом. В частности, это можно обеспечить применением чирпирующего модулятора Маха-Цендера (Mach-Zender Modulator, MZM). Рисунок 1. Чирпирование оптического импульса: а) нечирпированный импульс, б) положительно чирпированный импульс, который должен быть сгенерирован изначально для противостояния действию ХД Так, нечирпированный оптический сигнал на выходе модулятора Маха-Цендера описывается выражением [6-7]: , (1) где - максимальная оптическая мощность на выходе MZM; - напряжение смещения, выставляющее рабочую точку ММЦ; - напряжение для обеспечения сдвига фаз на между двумя плечами MZM, Î [3 В, 5 В]; - сигнал, подаваемый на электрический вход MZM; - смещение напряжения, необходимое для подстройки теоретического напряжения смещения под экспериментальное. Чирпирующий модулятор Маха-Цендера выполнен на пластине ниобата лития LiNbO3 [8]. На подложке из ниобата лития LiNbO3 располагаются волноводы MZM (плечи интерферометра) и электроды, к которым прикладывается электрическое напряжение. На электроды подается модулирующий электрический сигнал и рабочая точка , выравнивающая плечи интерферометра. Для внесения переменного чирпирования в оптический сигнал, кристалл из ниобата лития срезается по оси Z. Это обеспечивает его неравномерное деформирование при подаче управляющего напряжения, а значит - вносит чирпирование в проходящий сигнал. Следовательно, вносить чирпирование можно плавным изменением рабочей точки модулятора. В связи с вышесказанным, напряжение смещения , задающее рабочую точку, можно представить в виде: , (2) где - напряжение, определяющее положение рабочей точки модулятора Маха-Цендера, подаваемое на его управляющий вход; - дополнительное (управляющее) напряжение, также подаваемое на управляющий вход. В этом случае выражение (1) примет вид . (3) Таким образом, необходимо определить, какое влияние окажет на оптический импульс дополнительное управление рабочей точкой MZM. Предлагаемое решение Упростим выражение (3), выделив функцию, зависящую от управляющего напряжения. Тогда сигнал на выходе модулятора можно представить в виде . (4) Очевидно, что наличие синусоидальных составляющих сделает зависимость формы импульса от управляющего напряжения слишком сложной. Для их компенсации предлагается применить балансную схему на основе двух модуляторов и фазовращателя (ФВ), инвертирующего управляющий сигнал, поступающий с генератора ГН (см. рисунок 2). Тогда выражение (4) можно упростить: (5) Рисунок 2. Балансная схема компенсации синусоидальных составляющих Изменение показателя преломления кристалла ниобата лития LiNbO3 описывается выражением [9] вида , (6) где- показатель преломления кристалла ниобата лития без приложенного напряжения; - электрооптический коэффициент, м/В; - прикладываемое к кристаллу электрическое поле. Учитывая, что в общем случае диэлектрическая проницаемость зависит от частоты f, а следовательно, и от длины волны [10], запишем выражение (6) в виде: (7) Если определяется приложенным переменным внешним напряжением и при этом напряженность поля от внешнего источника намного больше напряженности поля оптического луча, формула (7) примет вид: (8) где - коэффициент, обратно пропорциональный расстоянию от точки наблюдения поля до управляющего электрода,. Положим также, что напряженность электрического поля направлена строго перпендикулярно пластине ниобата лития. В этом случае , где - толщина кристалла ниобата лития. С учетом вышесказанного, изменение показателя преломления будет описываться выражением: (9) Учитывая, что показатель преломления кристалла ниобата лития в режиме включения/выключения управления можно представить как:. При этом оптическая длина определяется произведением показателя преломления среды на ее физическую длину:. Тогда изменение оптической длины под воздействием внешнего поля можно определить как. В этом случае фазовый сдвиг равен: . (10) Учитывая представленные выше соотношения, получаем: . (11) Если фазовый сдвиг прямо пропорционален функции чирпа , то При этом показатель преломления будет равен ; . (13) В случае положительного чирпирования вариант) не имеет физического смысла, поскольку показатель преломления оказывается меньше нуля. С учетом (13), изменение показателя преломления примет вид: . (14) Подставляя в (14) выражение (4), получаем: . (15) Тогда будет равно: . (16) Функция корректирующего чирпа соответственно примет вид: . (17) Тогда сигнал на выходе модулятора Маха-Цендера, содержащий начальное чирпирование, будет описываться выражением (18) . Таким образом, доказана возможность предварительного чирпирования оптического импульса за счет дополнительного управляющего электрического сигнала на входе модулятора Маха-Цендера. Экспериментальная проверка Для экспериментальной апробации предложенного подхода была собрана установка (см. рисунок 3). Рисунок 3. Схема экспериментальной установки Для исследования коэффициента битовых ошибок использовался оптический BER-тестер со встроенным SFP-модулем. Оптический сигнал с его выхода подавался через аттенюатор на модулятор Маха-Цендера. На управляющий вход модулятора поступал сигнал с генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). В качестве среды передачи использовалась ВОЛП длиной 20 км. Порядок проведения эксперимента описан ниже. Оптический BER-тестер генерировал псевдослучайную последовательность данных (PRBS-поток), которая подавалась на SFP-модуль. Оптический сигнал с выхода SFP-модуля поступал на аттенюатор, далее на модулятор Маха-Цендера. Пройдя по линии, оптический сигнал поступал на приемный вход SFP-модуля. Далее с помощью оптического BER-тестера оценивалось количество принятых и потерянных битов информации и определялось значение BER. Измерения проводились для двух случаев: при подаче на управляющий вход модулятора постоянного тока и при подаче на управляющий вход модулятора линейно-изменяющегося напряжения. На рисунке 4 представлены графики зависимости BER от напряжения генератора при подаче на управляющий вход модулятора постоянного напряжения и при подаче линейно-изменяющегося напряжения. 1 а) 1 б) Рисунок 4. Графики зависимости BER от значения напряжения на управляющем входе модулятора Маха-Цендера: а) при имитационном моделировании; б) полученные в результате эксперимента Графики зависимости коэффициента битовых ошибок от напряжения на управляющем вход модулятора Маха-Цендера показывают, что при подаче на управляющий вход линейно-изменяющегося напряжение BER улучшается, что подтверждает разработанную математическую модель. При этом результаты имитационного моделирования близки к экспериментальным значениям. Перспективы использования чирпированных импульсов в ВОЛП для повышения их быстродействия Функцию чирпа (передачу данных вне основного канала связи за счёт управления время-частотной характеристикой) представляется возможным использовать, например, пере дачи небольших дополнительных объёмов информации, таких как служебные или управляющие сигналы сети, а также метки в сетях MPLS. Перспективным также представляется осуществление независимого обмена информацией между контроллерами-менеджерами в разветвленных сетях, включая программно-конфигурируемые сети SDN (SDN - Software Defined Networks). Рис-2-а а) Рис-2-б б) Рис-2-в в) Рис-2-г г) Рисунок 5. Схемы функционального преобразования «форма сигнала « функция чирпа»: а) приобретение заданного чирпа C* и/или уровня мощности, зависимого от чирпа, возможно, совместно заданного чирпа и уровня мощности, зависимого от чирпа; б) выбор длины волны λj из заданного набора, соответствующей j-ой функции чирпирования Cj; в) преобразование λВХ/λj в зависимости от Cj ; г) - функция «копирования чирпа», передаваемого всем длинам волн от управляющего сигнала (предполагается, что на входе присутствуют сигналы с произвольным чирпированием) Слабым местом SDN является затрудненность взаимодействия таких контроллеров. Либо это взаимодействие отсутствует вовсе, что неблагоприятно сказывается на живучести сети, либо взаимодействие осуществляется с использованием транспортных каналов, снижая их пропускную способность для пользовательских данных. Это свойство снижает эффективность применения технологии SDN. Использование дополнительного уплотнения за счет чирпирования передаваемых сигналов позволит осуществить взаимодействие между узлами сети SDN без снижения пропускной способности каналов связи. Для управления функцией чирпирования при этом может применяться не только MZM, но и, в общем случае, нелинейный элемент, использующий эффекты фазовой само- или кросс-модуляции. Для усиления эффекта преобразование можно поместить, например, в многопроходной интерферометр, роль которого может выполнять волоконно-оптическая петля с односторонним ответвлением или многолучевой интерферометр типа Фабри-Перо. В общем случае такие схемы могут быть как реляционными (с применением дополнительного управляющего воздействия) [1], так и нереляционными с управлением, «заложенным» в свойствах передаваемого сигнала (см. рисунок 5). Заключение В статье рассмотрена возможность введения дополнительного способа передачи сигналов в ВОЛП за счет управления время-частотными характеристиками (чирпирования) оптических импульсов. Предложен метод управления чирпом оптического импульса на основе модулятора Маха-Цендера. В аналитическом виде представлено доказательство возможности такого управления. Приведены результаты эксперимента, подтверждающие снижение BER в ВОЛП при использовании предложенного метода. Представлена концепция применения чирпированных оптических импульсов в SDN для связи контроллеров менеджеров сети. Следует особенно подчеркнуть, что использование рассматриваемого оптического параметра (чирпа оптических импульсов) основано на оптических эффектах и оптико-оптических взаимодействиях, следовательно, является перспективным с точки зрения реализации концепции полностью оптических сетей связи.

About the authors

Anna Vladimirovna Voronkova

Ufa State Aviation Technical University

Email: annette21059@gmail.com

Grigory Sergeevich Voronkov

Ufa State Aviation Technical University

Email: voronkov.gs@net.ugatu.su

Liliya Zufarovna Yantilina

Ufa State Aviation Technical University

Email: kleo-bai@mail.ru

Albert Khanovich Sultanov

Ufa State Aviation Technical University

Email: tks@ugatu.ac.ru

Irina Leonidovna Vinogradova

Ufa State Aviation Technical University

Email: vil-4@mail.ru

References

Supplementary files