THE TASK OF FIBER-OPTICAL SEGMENT FOR HIGHT BIT RATE NETWORKING

Full Text

Введение. «Взрывная» потребность телекоммуникационных систем в полосе пропускания приводит к тому, что битовые скорости на магистрали достаточно быстро выросли от 2,5 и 10 Гбит/с до 40 Гбит/с (STM-256) и даже 50...100 Гбит/с (Metro Ethernet) на канал [1-2] на линиях протяженностью 100 км и более. Но эффективная эксплуатация таких высокоскоростных волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП), а тем более дальнейшее повышение битовой скорости практически наталкивается на существенное искажение, вызванное хроматической дисперсией (ХД) в оптоволокне (ОВ), приводящее к нарушению приема цифрового сигнала. Традиционные методы компенсации дисперсии, основанные на поочередном включении сегментов ОВ с коэффициентами дисперсии различных знаков [3-4], применение локально включаемых устройств, задерживающих определенные спектральные составляющие, тем самым точечно выравнивая фазовые скорости их распространения [5], оказываются в такой ситуации недостаточно эффективными. Это и оправдывает апробацию солитонов [6], или так называемого квазисолитонового режима передачи (КСП) [7], «работающего» с чирпированным линейным сигналом, что позволяет снизить влияние дисперсии посредством использования специфики взаимодействия такого сигнала с материалом ОВ, являющегося нововведением с точки зрения традиционного построения ВОЛП. Анализ средств компенсации дисперсии, основанных на использовании чирпирования линейного сигнала В связи с существенным увеличением битовой канальной скорости одним из актуальных способов борьбы с ХД является использование КСП. Последние в основном характеризуется тем, что в задачах анализа режимов приема-передачи сигналов рассматривается не только амплитуда напряженности электрического поля световой волны E (или уровень мощности P) и длительность оптического импульса T, или в крайнем случае - огибающая оптической мощности (форма импульса), но главным образом - функция чирпа, которая характеризует изменение частоты Юцт (или длины волны А-мгн) на протяжении длительности импульса: Сш{т) =-^{сэмгн{т)}Т‘, где Д(-) - знак _<№{?) ш/'тл дифференциала от функции; г°мгн - ^ v ' - фаза в представлении Р(Т) = Mod (Т) ej4'^; T - время в системе отсчета, связанной с импульсом Т = t-zfiv позволяющее уйти от текущего t и дающее возможность не учитывать параметр f}\ в разложении функции р{со) [6; 8-9].Знак минус используется вследствие того, что направление отсчета dТ физической системы будет противоположно принятому в математике приращению аргумента. Действительно, традиционно эксплуатируемые в России ВОЛП, построенные на ОВ SMF-28, обладают отрицательным характеристическим дисперсионным параметром A,smf ® -22 пс2/км (соответственно дисперсионным коэффи- №-28=-|^-Д = 17 пс/нм-км [6; циентом D 10]) в области длин волн магистральной передачи «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 1, 2013 Виноградова И.Л., Зевиг В. Г., Кашбиев А.А., Костюк Д.С., Султанов А.Х., Турайзянов Д.И., Хасанов Р.Х. 23 Ао = 1550 нм. Это приводит к тому, что изначально нечирпированный импульс, все спектральные компоненты линии излучения ДА которого, расположенные равномерно на протяжении его длительности, приобретает отрицательный чирп по мере прохождения расстояния z вдоль ВОЛП (см. рис. 1), в результате чего коротковолновые (условно - «синие») компоненты сосредоточиваются в области переднего фронта, а длинноволновые («красные») компоненты - в области заднего фронта. пульсов, т.е. смещение «красных» компонентов на передний фронт, а «синих» - на задний. Преимуществом EDC, привлекающим в настоящее время значительное внимание к ним, является отсутствие необходимости затрагивать оптический канал, а модернизация линии (при необходимости введения высокоскоростной передачи на ней) сводится к доукомплектации каналообразующего оборудования, рис. 2. Это, безусловно, представляет интерес для вендеров, что также является причиной широкого обсуждения EDC. Но указанный способ обладает и весьма крупными, с точки зрения фундаментальной теории телекоммуникационных систем, недостатками. Главным образом - это уход от принципа построения полностью оптических систем связи [1-2; 5], а с этим - и потеря прозрачности оптического канала по отношению к оборудованию. Так, при замене каналообразующего оборудования «уходит» и оборудование EDC. Кроме того, имеет место удорожание абонентского полукомплекта, что, безусловно, ограничивает интерес абонентов к подключению. И еще, согласно [12], EDC являются системами с прямым фотодетектированием, что в настоящее время представляет основу построения подавляющего большинства фотоприемных модулей, обладают пределом помехоустойчивости, ограничивающим их работоспособность, при наличии шума уже в 2 дБ. Такую величину вполне может составлять шум усиленного спонтанного излучения (шум ASE) в усилителях EDFA [13], которые уже стали традиционными на ВОЛП. Рис. 1. «Синие» компоненты уходят вперед, а «красные» отстают при /)2<0и£>>0;1и2 - линейные функции чирпа для различных точек на ВОЛП, вызванные ХД [6]. Чем дальше распространяется импульс, тем больше разделение спектральных составляющих. При дальнейшем распространении «синие» составляющие «уходят» дальше, чем полуширина импульса, что и приводит к его уширению во временной области. Представленный супергауссов импульс [6] является моделью используемых на ВОЛП меандровых импульсов В качестве одного из средств снижения влияния ХД на ВОЛП в настоящее время используются устройства электронной компенсации дисперсии (EDC - electrical dispersion compensate) [11], обеспечивающие (как один из вариантов) изначальное положительное чирпирование им- Рис. 2. Схема использования EDC на ВОЛП. Для корректного внесения предискажений важно как можно точнее предварительно измерить дисперсионный параметр ВОЛП Существующие оптические принципы компенсации ХД основаны на: включении специализированных видов ОВ - DSF и/или специализированного профиля совместно с SMF-28 [3-4]; на применении (например, в линейных муфтах) ком «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 1, 2013 24 Виноградова И.Л., Зевиг В. Г., Кашбиев А.А., Костюк Д.С., Султанов А.Х., Турайзянов Д.И., Хасанов Р.Х. пенсаторов на решетках Брэгга, интерферометрах [5] и т.п. Эти способы успешно работают при решении ряда технических задач, тем не менее также обладают определенными недостатками. В частности, схема DSF (DSF+NZDSF; DSF + специальный профиль) + SMF-28 хороша для вновь строящихся ВОЛП, на которых можно выполнить значительные участки линии из световодов со знаком fh (или D ), противоположным знаку коэффициента $,smf (или D^smf). Но большинство задач компенсации ХД приходится решать уже для эксплуатирующихся сетей, построенных, как известно, на ОВ SMF-28, следовательно, применение такого принципа потребует существенной замены или дополнения (в линейных муфтах) магистрального кабеля, особенно учитывая тот факт, что I/^,dsfI < I/%,smfI [10; 14]. К тому же известно [3], что при неплохой компенсации ХД происходит рост поляризационной модовой дисперсии - ОВ DSF обладают повышенным в сравнении с SMF-28 двулучепреломлением; не говоря уже о том, что дополнительные вставки ОВ или подключение локальных компенсаторов ХД неизбежно приводит к повышению отражения в линии и, возможно, интерференции, эффективно влияющей на коротких длинах (до ~ 1 м), что при определенном стечении обстоятельств может оказаться критичным для работы каналообразующего оборудования волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) [15]. Поэтому представляет интерес использование режима КСП как средства компенсации влияния дисперсии на ВОЛП, но создаваемого на основе не электронных, а оптических эффектов и устройств. Как известно [6], положительное чирпи-рование импульса возникает под действием эффекта фазовой самомодуляции (ФСМ). Но также известно [16-17], что поддерживать баланс между дисперсией групповой скорости (ДГС), вызванной ХД, и ФСМ на протяжении длины ВОЛП, обеспечивая тем самым квазисохранение формы импульса (солитона), является весьма дорогостоящим мероприятием и может представлять интерес лишь для трансатлантических ВОСП. Если речь идет о протяженных сегментах городского масштаба или подключении удаленного (~ 100 км) абонента (корпоративного клиента), целесообразно найти решение подешевле. Одним из вариантов может служить способ формирования положительного чирпа посредством включения нелинейного оптоволокна (НЛ ОВ) и/или DSF ОВ сразу после передатчика, сигнал которого усиливается бустером [18], см. рис. 3. Применение ОВ DSF небольшой длины в линейных муфтах обеспечивает не только обратный знак коэффициенту дисперсии по отношению к ОВ SMF-28, но и является средством, в некоторой мере способствующим нелинейному режиму преломления, обеспечивающему ФСМ. А именно - за счет уменьшенного диаметра (4 мкм против 9 мкм [14]) и, соответственно, площади сердцевины: ^DSF/^SMF_28 ~ 5, что непосредственно влияет на интенсивность излучения, обеспечивая нелинейный режим преломления. SMF-28 SMF-2S DSF ...ju£q1_q_' ~ 4 км 41 > м _ 4 км муфтя Рис. 3. Схема создания КСП на ВОЛП независимым от каналообразующего оборудования полностью оптическим способом Усиленный мощный импульс с амплитудой Р0,вх, проходя через НЛ ОВ и/или DSF ОВ, приобретает положительный чирп из-за ФСМ и/или положительного коэффициента /%jDSF и далее, распространяясь через SMF-28, составляющих основу современных ВОЛП, подвергается перестройке спектральных составляющих, подобно тому, как это иллюстрирует рис. 1. Соответственно, в процессе преобразования чирпа от начального положительного на отрицательный - на выходе ВОЛП под действием ДГС с Д,smf-28 < 0, длительность импульса остается практически неизменной, что согласуется с результатами исследований, представленными в [6]. При определенных условиях, а именно при совпадении огибающей оптической мощности и функции чирпа импульса на входе ВОЛП, не только длительность, но и его форма может оставаться практически неизменной под действием ДГС (без учета снижения амплитуды импульса под действием километрического затухания ОВ а [7]). Но схема, представленная на рис. 3, обладает таким недостатком, как неизбежное спадание амплитуды импульса по мере следования вдоль ВОЛП, что ведет к отсутствию эффективного «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 1, 2013 Виноградова И.Л., Зевиг В. Г., Кашбиев А.А., Костюк Д.С., Султанов А.Х., Турайзянов Д.И., Хасанов Р.Х. 25 влияния ФСМ с точки зрения внесения положительного чирпирования. Подход к построению сегмента волоконно-оптической линии, поддерживающего квазисолитоновый режим передачи Для преодоления недостатка схемы на рис. 3 предлагается использовать легированные эрбием световоды EDFA и совместно с ними - и НЛ ОВ, а возможно, и ОВ DSF, кроме входной также и в последующих линейных муфтах (см. рис. 4). При этом накачку расположенных на линии EDFA (^edfa = 980 нм) производить дистанционно - из ближайшего узла связи на ВОЛП [19], передавая излучение накачки совместно с информационным сигналом (As,o = 1550 нм). Это позволит сохранить полностью оптический принцип при КСП, то есть не использовать электрические компоненты в зоне ВОЛП. Кроме того - усилить позитивное влияние эффекта нелинейного преломления: дополнительно к влиянию со стороны НЛ ОВ в муфтах - еще и появление фазовой кросс-модуляции (ФКМ) между излучением накачки и информационного сигнала в ОВ SMF-28, также вызывающей положительное чирпирование, увеличивая тем самым расстояние до следующего пункта регенерации с необходимостью восстановления электронными средствами [20]. Рис. 4. Схема создания КСП на ВОЛП с дистанционной накачкой EDFA, расположенных в муфтах восстановления КСП (накачка EDFA является непрерывной). Муфта может содержать дополнительно ОВ DSF, между муфтами восстановления могут располагаться соединительные муфты, традиционные для ВОЛП Пусть импульс, поступающий в бустер, представим следующим образом (с учетом неизбежного начального чирпирования, обусловленного свойствами модуляции полупроводникового лазера [6; 8-9]): = 0) = £0F(7\r)exp Ґ 1 "г" to 2 ч Л, J хехр С' ґ т \2Ш Т К10 У + -/Ч.0-Т (1) Ч 4 У где F(^,r) - поперечная составляющая поля, которую при дальнейшем рассмотрении можно не учитывать в силу одномодового характера распространения световой волны и свойств фотоприема (поперечная структура поля усредняется фотоприемником); параметр I супергауссового импульса можно принять ^ 5, что обеспечит соответствие меандровому импульсу с характеристиками фронт / непрерывная область такими же, как и у импульсов в 40 Гбит/с; параметр СА ~ 0,036; Шцо - начальная центральная частота, соответствующая As,о- Соотношению (1) соответствует импульс, представленный на рис. 5. Рис. 5. Иллюстрация входного импульса, содержащего начальное чирпирование: 1 -линейное изменение <в, соответствующее реальной физической системе; 2 - получаемое из (1) изменение частоты со Изменение параметров импульса в выходной (формирующей) муфте главным образом сопровождается эффектом ФСМ [6]: дА1550 _ ■ НЛ К I2 'j ~ У / 1550 1550 л 8z где А1550 — Е1550 1550 ’ (2) /£.f; ■О). 4,0 ^эфф С • S эфф «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 1, 2013 26 Виноградова И.Л., Зевиг В. Г., Кашбиев А.А., Костюк Д.С., Султанов А.Х., Турайзянов Д.И., Хасанов Р.Х. эффективная площадь модового пятна, примем •^эфф ~ 1,2-10"11 м2; с - скорость света в вакууме; яНЛк - нелинейный (керровский) показатель преломления НЛ ОВ; что приводит к выраженному положительному чирпированию несмотря на изначально различным образом (положительно и отрицательно) чирпированные фронты. Действительно, изначально положительно чирпированный фронт получает еще большее положительное чирпирование, и в результате его длительность увеличивается; а изначально отрицательно чирпированный фронт укорачивается (практически сходит на нет). В конечном итоге импульс приобретает все же положительное чир-пирование, так как воздействие НЛ ОВ и вызываемый его нелинейностью чирп существеннее, чем величина изначального отрицательного чир-па переднего фронта. Дальнейшее распространение в линейном световоде SMF-28 длиной L1 под действием ДГС, ФСМ, ФКМ и затухания можно описать следующей системой: ^1550 , 7(3 ^2^1550 -..SMf(\-a |2 , = И‘“"1 + + 2^980 | j^isso--' -^1550 I ’ ^980 _ а980 | А I <к ~ 2 I 9801' Накачка EDFA непрерывна, поэтому второе уравнение характеризует уменьшение мощности PEDFA{z) = PQ,EDFA'e~a"mZ под действием затухания; (Х980 = 2,3 дБ/км. Характер изменения величины Л1550 в восстанавливающей муфте может быть описан уравнением: ^ =./Уі550 ^^15501 +2|^98о| ^1550 + ^ ‘ |^980 | ’ (4) где по-прежнему действует ФКМ и ФСМ; ДГС и километрическое затухание отсутствуют ввиду малой длины НЛ ОВ; причем дополнительно имеет место усиление импульса под действием излучения накачки (с коэффициентом передачи 9Ї). Для упрощения модели уравнение для Лш рассматривать не будем, а примем, что изменение указанной величины из-за отдачи части энергии на подкачку информационного сигнала (кило-метрическим затуханием также пренебрегаем) составляет ступеньку порядка 18 ... 23 дБ (для световода EDFA длиной ~ 15 м) [13]. В каждом из случаев пренебрегаем отражением и интерференционными эффектами. Последовательное решение уравнений (2)-(4) на длине z от 0 до Z^; от Z^,0 до ZL1; от ZL1 до ZНЛ1 и так далее с начальным условием (1) методом численного интегрирования на базе программного пакета Synplify 8.1 позволило получить кривые, характеризующие изменение мгновенной частоты на протяжении Ти (см. рис. 6) и величину Ти (по уровню относительной амплитуды 0,14) при распространении его вдоль ВОЛП (см. рис. 7). Расчеты проведены для следующих параметров физической системы: Ги_0 = 2,5-Ю'11 с, что соответствует битовой скорости 40 Гбит/с (см. рис. 6); а1550 = 0,15 дБ/км; 9Ї = 0,35 [13]; & = -22 пс2/км; пНЛк = 8-Ю'17 mW [21]; «SMF,k = 2,4-10'21 м2/Вт2 [22]. ©mJ^xIO1? f Рис. 6. Изменение мгновенной частоты на протяжении длительности импульса: 1 - характеризует импульс, поступающий на вход бустера (см. рис. 4); 2 -импульс на выходе формирующей муфты; 3 -импульс прошел 15 км вдоль ВОЛП SMF-28; 4 -35 км вдоль ВОЛП (на рис. 7 представлены более детальные исследования параметра T); 5 - 45 км; 6 - 50 км (предельное увеличение длительности, составляющее порядка 10% [23] от Ти,0) и 7 - 70 км вдоль ВОЛП SMF-28 (это недопустимое увеличение длительности импульса - необходимо на более раннем этапе использовать восстанавливающую муфту) Видно, что заметное увеличение длительности импульса наблюдается при переходе общего состояния чирпирования из положительной (Сш > 0) в отрицательную (Сю < 0) область. Кривые на рис. 6 построены без учета восстанавливающих муфт, что справедливо для первого участка линии на рис. 4. Положительное чирпирование обеспечивает уменьшение длительности импульса, а затем, по мере «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 1, 2013 Виноградова И.Л., Зевиг В. Г., Кашбиев А.А., Костюк Д.С., Султанов А.Х., Турайзянов Д.И., Хасанов Р.Х. 27 дальнейшего влияния ДГС, происходит вновь увеличение его длительности сначала за счет затягивания переднего, изначально чирпиро-ванного отрицательно, фронта (см. рис. 5). А затем, с увеличением пройденного расстояния, уже и весь импульс приобретает отрицательное чирпирование, что продолжает увеличивать его длительность. Кривые на рис. 7 построены для сегмента линии передачи, содержащей первую восстанавливающую муфту на расстоянии 50 км от передатчика. Таким образом, расчеты показали, что в присутствии ФКМ на ВОЛП, вызванной совместной передачей излучения накачки, положительное чирпирование импульса сохраняется несколько дольше (до 7 ... 15 % в зависимости от T ), что позволяет замедлить его нежелательное уширение под действием ДГС. Согласно аналогичным исследованиям, проведенным для других значений Ти0, эффективность применения рассматриваемых средств возрастает с уменьшением начальной длительности импульса. Следует заметить также, что эффекты расширения и сужения более выражены для коротких импульсов. 20 30 50 L, км Рис. 7. Изменение длительности импульса при его распространении на исследуемом сегменте: 1 -соответствует битовой скорости передачи 25 Гбит/с [24]; 2 - 40 Гбит/с; 3 - 100 Гбит/с; область А -масштаб по длине L увеличен; штрих-пунктирные линии соответствуют влиянию ДГС в случае, когда накачка EDFA производится в местах расположения усилителей, а не передается совместно с информационным сигналом (неплавности линий связаны, по-видимому, с ошибками вычислений, обусловленными спецификой применяемого программного обеспечения) Мощность дистанционной накачки P0EDFA не должна превышать ~70 мВт для избежания нежелательного влияния других нелинейных эффектов - вынужденных видов рассеяния излучения и появления гармонических составляющих из-за «смешения волн» [19]. Для P0 EDFA = 70 мВт первую восстанавливающую муфту достаточно устанавливать на расстоянии 50 км от передатчика, далее - через 35 км, затем через 20 км и последнюю муфту можно установить не далее 7 км от предыдущей. Таким образом, суммарно получается порядка 112 км до ближайшего пункта с электронной регенерацией сигнала 40 Гбит/с, передаваемого через SMF-28 без локальных компенсаторов ХД. Кроме того, это позволяет сохранять достаточно высоким его уровень мощности. Так, в рассматриваемом примере пиковая мощность импульса не оказывалась ниже 0,75 дБм при мощности на выходе бустера 4 дБм. Главная цель использования световодов EDFA на ВОЛП состоит не столько в усилении импульса, сколько в создании нелинейного режима преломления, способствующего сохранению длительности импульса. Размещение устройств восстановления КСП чаще (вплоть до каждой строительной длины ОВ) в общем случае может привести к ухудшению итогового результата - кроме неоправданного удорожания системы, может произойти раннее исчерпание излучения накачки, что не позволит обеспечить восстановление на удаленном участке ВОЛП. Исследования показали также, что длину нелинейного ОВ с принятым коэффициентом нелинейности достаточно выбирать в пределах до 10 м. Выводы Предложен метод поддержания квазисоли-тонового режима передачи с использованием волоконно-оптических компонентов, выполняющих положительное чирпирование информационных импульсов. Дистанционная накачка EDFA способствует усилению эффекта нелинейного преломления и тем самым также оказывает благотворное влияние на поддержание КСП. Выполнено моделирование параметров предлагаемого сегмента. Установлено, что расстояние между восстанавливающими муфтами должно уменьшаться по мере их удаления от передатчика. Начальный уровень мощности накачки достаточно выбирать в пределах 70 мВт. Ограничивать эффективность применения метода может повышенный уровень шума ASE на ВОЛП. Тем не менее метод может представлять интерес для организации высокоскоростной передачи (40 Гбит/с и выше на канал) при невозможности использования сосредоточенных компенсаторов ХД, которые могут вносить интерференционные искажения, а также средств электронной компенсации дисперсии. «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 1, 2013 28 Виноградова И.Л., Зевиг В. Г., Кашбиев А.А., Костюк Д.С., Султанов А.Х., Турайзянов Д.И., Хасанов Р.Х. В отличие от существующих методов формирования и поддержания КСП на ВОЛП, в рассматриваемом случае обеспечивается возможность не использовать электронные и электрические узлы в зоне расположения ВОЛП. Это может быть интересно с точки зрения упрощения обслуживания линии передачи, например, при труднодоступном расположении оптического кабеля при подвеске его на опорах линий электропередачи или для обеспечения требований пожаро- и взрывобезопасности системы связи на предприятиях. Предложена конструкция волоконно-оптического интерференционного устройства преобразования параметров оптического сигнала. Действие указанного устройства основано на использовании многолучевой интерференции в двухрезонаторном интерферометре, обладающем существенной избирательностью к спектральным составляющим входного излучения. Предложено также смеситель, являющийся центральной частью устройства, выполнять из материала, легированного редкоземельным элементом, например эрбием, для повышения мощности выходного сигнала. Выполнена оценка основных кон структивных параметров устройства. Предложено коэффициент отражения зеркал интерферометра, образованного торцами смесителя, выбрать из условия взаимной компенсации передаточной функции ИФП и характеристики усиления легированной среды. Среднее значение длины дополнительных световодов также предложено выбрать исходя из свойств сигнала - при условии минимизации нарушений приема. Проведено моделирование процесса преобразования входного импульса, представленного одной из выбранных супергауссовых форм, в устройстве. Это позволило определить диапазон значений средней длины /кср дополнительных световодов. Предложенное устройство может представлять интерес при построении разветвленных волоконно-оптических сетей с топологической структурой «точка-многоточка», обслуживающих удаленных абонентов. Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки РФ, соглашение 14.В37.21.1878.

About the authors

I. L Vinogradova

Email: tks@ugatu.ac.ru

V. G Zevig

Email: zevigv@list.ru

D. S Kostuk

Email: kashbiev@activetelecom.ru

A. A Kashbiev

Email: deniska29031@yandex.ru

A. H Sultanov

Email: tks@ugatu.ac.ru

D. I Turayzanov

Email: damirezz@mail.ru

R. H Hasanov

Email: rewld@yandex.ru

References

Supplementary files