Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

- увеличение числа каналов.

Влияние хроматической дисперсии уменьшается:

- с уменьшением абсолютной величины хроматической дисперсии во-

локна (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 Н

. 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 дей-

ствие процесса намотки волокна на оправку вызывает асимметричное на-

пряжение. Когда кабель окончательно прокладывается, возникают другие

напряжения. Эти действия вызывают деформацию волокна, нарушающую

округлость волокна или концентричность сердцевины относительно обо-

лочки. 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 установ-

ленного 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 характери-

зует волокно как таковое, имеют размерность пс/км

1/2

. Для волокна, состав-

ленного 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 (L

) может быть

вычислена по следующей формуле:





2121

/LDDL (6.7)

где L

— длина линии с работающим волокном, L

— длина волокна DCF, D

дисперсионный параметр работающего волокна и D

— дисперсионный

параметр DCF.

Ряд проблем возникает и при использовании DCF. Во-первых, специ-

альное волокно, используемое в DCF, вносит значительно большие потери,

чем работающее волокно. Эти потери составляют от 0,4 до 1,0 дБ/км и до-

бавляются 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, оптичес-

кая 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 за-

держивания. 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 помо-

щью чирп-решетки Брэгга является скорость распространения света. При

использовании стандартного волокна, работающего в полосе прозрачности

1550 нм, высокочастотные составляющие оптического импульса распрост-

раняются 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 нели-

нейной 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: нели-

нейности, связанные с эффектами рассеяния (это рассеяния Бриллюэна и

Рамана) и эффектами типа эффекта Керра. Эффект Керра состоит в измене-

нии коэффициента преломления материала под действием электрического

поля. Это привносит зависимость показателя преломления от интенсивности

излучения. К этой группе нелинейностей мы относим фазовую самомо-

дуляцию, 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 серд-

цевины волокна, числом и шагом между оптическими каналами в многока-

нальных системах, полной не регенерируемой длиной системы, а также ин-

тенсивностью 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:

eff p B

eff B











где g — означает коэффициент усиления Бриллюэна, А

eff

— эффективная

площадь сердечника, K — постоянная, определяемая степенью свободы со-

стояния поляризации (в рекомендации G.652, K = 2). Переменные









представляют спектральную ширину полосы Бриллюэна и источника накачки

соответственно. L

eff

— обозначает эффективную длину, определяемую как





1exp

eff







где



— коэффициент затухания волокна, a L — длина волокна.

Рис. 6.1. Порог вынужденного рассеяния Бриллюэна для узкополосного ис-

точника света (см. рис. II.3-1/G.663, р. 11, ITU-T G.663, [6.10])

Порог SBS

P зависит от ширины линии световой накачки





. Если

ширина линии световой накачки меньше, чем ширина полосы Бриллюэна, то

пороговая мощность SBS можно оценить, используя следующее соотно-

шение:

eff



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:

tot eff





 

[мВтнмМм] (6.8)

где

tot

P — суммарная мощность всех каналов WDM (мВт),



 — полоса опти-

ческого спектра (нм), в которой распределены эти каналы, L

eff

— эффектив-

ная длина, выраженная в мегаметрах — Мм. Порог SRS для систем, исполь-

зующих 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