Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи
Подождите немного. Документ загружается.
спектра могут быть убраны с помощью фильтров. Однако для WDM систем
до сих пор практически нет технических приемов, позволяющих устранить
влияние SRS. Вместе с тем влияние SRS можно снизить путем уменьшения
входной оптической мощности. В рекомендации [6.10] сообщается, что SRS,
видимо, не представляет практических ограничений внедрению систем
WDM.
6.4.4. Фазовая самомодуляция
Когда выходной уровень источника света становится слишком
большим, сигнал может модулировать свою собственную фазу. Как
подразумевает само название, это явление является фазовой самомодуляцией
(SPM). Как показано на рис. 6.2, это приводит к уширению переданного
импульса и временному расширению или сужению сигнала. Что происходит,
расширение или сужение, зависит от знака (положительного или
отрицательного) хроматической дисперсии. В результате происходит сдвиг
фронта импульса в сторону длинных волн и сдвиг среза импульса в сторону
коротких волн.
Рис. 6.2. Механизм спектрального уширения за счет фазовой самомодуляции.
(См. рис. II.3-6/G.663, ITU-T G.663, р. 17, [6.10])
6.4.4.1. Эффекты ухудшения передачи
Как можно ожидать, фазовая самомодуляция увеличивается с
увеличением передаваемой мощности. Ее действие становится более
деструктивным, как только увеличивается скорость передачи в канале и
время нарастания импульса становится короче. Она также увеличивается при
наличии отрицательной хроматической дисперсии.
На SPM не оказывает существенного влияния уменьшение шага между
каналами в системах WDM или увеличение числа каналов. Влияние фазовой
самомодуляции уменьшается, если хроматическая дисперсия нулевая или
небольшая по величине, или при увеличении площади эффективной области
оптоволокна.
В общем случае влияние SPM значительно только в системах с
высоким значением накопленной дисперсии или в системах очень большой
протяженности. Оптоволоконные системы, имеющие ограниченную
накопленную дисперсию, могут не вызывать эффектов, характерных для
SPM. В системах WDM с очень малым шагом между каналами, спектральное
уширение, вносимое действием SPM, может также вызвать интерференцию
между соседними каналами.
При использовании стандартного волокна типа G.652, SPM, в
зависимости от передаваемой мощности, может приводить к сжатию
импульсов для сигналов с небольшим чирпом, модулированных по
интенсивности, как и при использовании волокна типа G.655 с аномальной
дисперсией. Сжатие импульса противодействует влиянию хроматической
дисперсии и дает некую приспособленность к действию дисперсии.
Существует, однако, предел максимальной дисперсии и связанная с ним
максимальная длина передачи.
6.4.4.2. Возможности снижения этих эффектов
Выбор рабочей длины волны для волокна типа G.653 вблизи длины
волны нулевой дисперсии приводит к снижению влияния SPM. На относи-
тельно коротких ВОЛС длиной не более 1000 км, SPM может управляться с
помощью модулей компенсации дисперсии, расположенных на опреде-
ленных расстояниях вдоль трассы ВОЛС с волокном типа G.652. Как было
указано выше, действие многих из указанных здесь эффектов может быть
снижено путем уменьшения мощности сигнала или же путем использования
длины волны выше длины волны нулевой дисперсии на рабочем волокне
типа G.655.
6.4.5. Четырехволновое смешение
Для тех, кто пришел из радиосвязи, или беспроводной радиосвязи,
четырехволновое смешение (ЧВС) напоминает нам продукты третьего
порядка. Оно может полностью вывести из строя систему WDM. Оно
появляется тогда, когда интенсивность лазерного сигнала достигает
критического уровня. ЧВС заявляет о себе появлением побочных сигналов,
некоторые из которых могут соответствовать частотам рабочих каналов.
Всякий раз, когда три или более сигналов распространяются по волокну,
можно ожидать возникновения четырехволнового смешения. Эти три
световых сигнала:
i
,
j
,
k
генерируют четвертый сигнал
ijk
,
подчиняющийся соотношению:
ijk i j k
(6.9)
ЧВС может возникать даже в одноканальных системах между рабочим
сигналом и составляющими ASE ОУ, а также между основной и боковыми
модами. В случае двух сигналов, модуляция по интенсивности на частоте
биений модулирует показатель преломления волокна и возбуждает фазовую
модуляцию разностной частоты, которая (в свою очередь) создает две боко-
вые полосы с частотами, порождаемыми этой разностью. В случае трех сиг-
налов формируется больше составляющих из смеси суммарно-разностных
частот большей амплитуды (см. рис. 6.3), некоторые из которых в точности
соответствуют рабочим частотам соседних каналов, если шаг между канала-
ми в системе одинаков. Две оптических волны, распространяющиеся вдоль
волокна, генерируют ЧВС с высокой степенью эффективности, если согла-
суются фазовые сдвиги между частотами боковых полос и начальным сигна-
лом. Для относительно низких оптических мощностей это означает, что
22
2/1
t
DLc
(6.10)
где
— шаг между каналами по сетке частот, D — хроматическая
дисперсия волокна (дисперсионный параметр),
t
— центральная длина
волны, L — длина волокна, с — скорость света в вакууме. (Можно принять во
внимание потери, если слегка модифицировать неравенство (6.10)).
Эффективность ЧВС также чувствительна к общей оптической мощности в
волокне. Рассмотрим следующее: для двух сигналов с оптическими
мощностями Р
1
и Р
2
максимальный коэффициент параметрического
усиления для боковых полос, g
max
, может быть оценен так:
max 1 2
2ggPP (6.11)
где g — нелинейный коэффициент Керра.
Рис. 6.3. Смесь продуктов, генерируемых благодаря ЧВС, для 3-х оптических
сигналов. (См. рис. II, 3-2/G. 663, р. 12, ITU-T. G.663, [6.10]).
6.4.5.1. Эффекты ухудшения передачи
В системах WDM и, в особенности, DWDM, влияние ЧВС особенно
разрушительно. В системах DWDM с числом каналов N общее число
возникающих в результате действия ЧВС частот составляет
2
(1)/2NN (6.12)
Например, четырехканальная система WDM формирует в результате 24
побочных канала, а восьмиканальная - 224 побочных канала, и т.д.
Особенно серьезные проблемы, благодаря ЧВС, возникают в системах,
использующих волокно со сдвигом дисперсии типа G.653 [6.3]. В противо-
положность этому, расположение оптического рабочего канала непосред-
ственно в точке нулевой дисперсии (или около нее) может привести к очень
существенному процессу формирования продуктов ЧВС на очень небольшой
длине (десятки километров). При использовании волокна с ненулевой
смещенной дисперсией типа G.655 (особенно если оно имеет большую пло-
щадь эффективной области) такой острой ситуации не наблюдается. Еще
меньше ЧВС влияет на волокно типа G.652 без сдвига дисперсии [6.5], учи-
тывая, что дисперсия здесь достаточно велика.
Уровень ЧВС чувствителен к следующим системным характеристикам:
- увеличению мощности в канале;
- увеличению числа каналов;
- уменьшению шага между каналами.
Так уровень ЧВС резко снижается в системах с шагом 200 ГГц, по
сравнению с системами с шагом 100 ГГц.
ЧВС уменьшается с уменьшением абсолютной величины
хроматической дисперсии.
Генерация боковых полос ЧВС может привести к значительному
обеднению мощности рабочих каналов. Кроме того, когда комбинационные
гармоники попадают на частоты рабочих каналов, то возникает
параметрическая интерференция, которая может привести как к увеличению,
так и уменьшению амплитуды рабочего импульса, в зависимости от фазовых
соотношений рабочего сигнала и сигналов боковых полос.
Параметрические потери вызывают закрытие глазковой диаграммы на
выходе приемника, приводя к ухудшению уровня ВЕК. Увеличение шага
между несущими и хроматическая дисперсия уменьшают эффективность
процессов ЧВС за счет разрушения фазовых соотношений между
взаимодействующими волнами. Системы, работающие на волокне G.652,
меньше страдают от ЧВС, чем системы, работающие на волокне G.653. В
отличие от этого, расположение частоты рабочего канала вблизи нуля
дисперсии может привести к существенному формированию продуктов ЧВС
на относительно короткой длине волокна (десятки километров). ЧВС также
чувствительно к шагу между каналами.
ЧВС может привести к серьезным ухудшениям систем WDM,
использующим волокно типа G.653, учитывая, что уровень хроматической
дисперсии в канале низок. Влияние дисперсии на достижимую емкость
системы с четырьмя рабочими каналами после трех усилительных пролетов
показано на рис. 6.4. Из него видно, что может произойти при больших
уровнях мощности, когда условия способствуют генерации продуктов
смешения. Ограничения емкости подсчитаны в расчете на худший случай
генерации продуктов ЧВС для четырех +8 дБм рабочих каналов,
центрированных относительно нулевого значения дисперсии. Такая система
генерирует недопустимо большие уровни искажений, благодаря ЧВС, как
только дисперсия в рабочем канале приближается к нулю.
Рис. 6.4. Влияние дисперсии на емкость системы с учетом действия ЧВС.
(См. рис. II.3-3/G.663, р.13, ITU-T G.663, [6.10])
В одноканальной системе, ЧВС может взаимодействовать между
составляющими ASE-шума ОУ и рабочими каналами, а также между
основной и боковыми модами оптического передатчика. Накопленный ASE-
шум, благодаря действию эффекта Керра, добавляет фазовый шум несущей
рабочего канала, вызывая, тем самым, расширение хвостов спектра сигнала.
6.4.5.2. Возможности снижения этих эффектов
Как указывалось выше, дисперсия может быть использована для
подавления генерации боковых полос ЧВС. Например, это может быть
дисперсия, характерная для волокна типа G.655. Для уменьшения влияния
эффектов за счет ЧВС, может быть использован также неравномерный шаг
между каналами. Снижение уровня входной мощности в системах,
работающих на волокне типа G.653, делает возможным использование
многоканальных систем, но может оказаться компромиссным решение
использовать экономические преимущества оптического усиления.
Для того чтобы адекватно подавлять генерацию продуктов ЧВС, в про-
мышленности было предложено использовать волокно с минимальной допу-
стимой (но не нулевой) дисперсией в области усиления ОУ. Как потенциаль-
но пригодный, рассматривается также вариант чередования пролетов,
использующих волокно с ненулевой дисперсией и волокно с противополож-
ной по знаку дисперсией, учитывая, что в результате среднее значение
хроматической дисперсии близко к нулю. Однако в [6.10] указывается, что
эта альтернатива может вызвать трудности в плане прокладки, работы и
обслуживания таких кабельных систем, ввиду необходимости использования
второго типа кабеля. Были продемонстрированы и аналогичные подходы,
использующие длинные пролеты с малой конечной дисперсией, разбитые на
короткие участки с волокном противоположного знака (но большой)
дисперсии для создания эффекта компенсации. В частности, в звеньях с
периодическим усилением короткий отрезок компенсирующего дисперсию
волокна может быть помещен в модуль, где расположен оптический
усилитель.
Как средство снижения влияния нелинейных эффектов, позволяющее
использовать системы DWDM на волокне G.653, было также предложено
использовать неравномерный шаг между каналами и увеличение этого шага.
Неравномерный шаг позволяет быть уверенным, что продукты ЧВС, гене-
рируемые тремя и большим числом каналов, не попадут непосредственно на
частоты других рабочих каналов. Однако возможность переноса мощности
сигналов в продукты смешения (т.е. обеднение мощности сигнала) остается и
при неравномерном шаге и все еще может привести к сужению глазковой
диаграммы. Увеличенный шаг также уменьшает влияние ЧВС.
Использование этих технологий уменьшения влияния ЧВС может быть
ограничено сужением общей полосы используемого спектра усиления при
последовательном включении ряда оптических усилителей.
6.4.6. Модуляционная неустойчивость
Модуляционная неустойчивость (MI) приводит к превращению
непрерывного сигнала или импульса в модулированную структуру. В [6.10]
сообщается, что ее можно наблюдать в режиме аномальной дисперсии (т.е.
выше длины волны нулевой дисперсии), где квазимонохроматический сигнал
имеет тенденцию спонтанно генерировать две симметричные спектральные
боковые полосы, как показано на рис. 6.5. Сдвиг частот и усиление боковых
полос определяется интенсивностью исходной волны, а также дисперсией и
нелинейными коэффициентами волокна. Максимальная эффективность таких
преобразований имеет место на частоте сдвига, определяемой из выражения
1/ 2
2
20
max
3
8
()
eff
cn P
AD
где п
2
- нелинейный коэффициент преломления диоксида кремния, A
eff
-
площадь эффективной области волокна, Р
0
- вводимая оптическая мощность,
D(
) — коэффициент хроматической дисперсии,
- рабочая длина волны.
Боковые полосы располагаются на расстоянии
max
от несущей, которая
испытывает усиление на единицу длины, равное
max 0
4/
eff
gPA
. Потери
волокна можно принять во внимание, если провести небольшую
модификацию приведенного выше выражения. Влияние усиления за счет MI
на девиацию частоты по отношению к сигналу (при наличии потерь волокна
и для различных значений дисперсии) приведено на рис. 6.6.
Рис. 6.5. Спектр мощности импульса после распространения по отрезку во-
локна длиной 1 км. Ширина входного импульса - 100 пс, пиковая мощность 7
Вт. Боковые спектральные полосы появились в результате действия Ml.
(См. рис. I1.3-4/G.663, р. 15, ITU-T G.663, [6.10])
Рис. 6.6. Расчетная зависимость усиления Ml от расстройки частоты, полу-
ченная для сигнала на выходе отрезка волокна длиной 30 км (с потерями 0,24
дБ/км) для 5 различных коэффициентов дисперсии и при мощности входного
излучения +16 дБм. (См. рис. II.3-5/G.663, р. 15, ITU-T G.663, [6.10])
MI можно рассматривать как частный случай ЧВС, где два фотона
входного сигнала преобразуются в два фотона с различными частотами.
6.4.6.1. Эффекты ухудшения передачи
Модуляционная нестабильность (MI) может уменьшить отношение
сигнал/ шум, благодаря генерации боковых полос или спонтанно, или
вызванной усиленным спонтанным излучением (ASE). Учитывая, что
максимальное искажение сигнала ожидается при высоких значениях g
max
и
для , близких к ширине полосы сигнала, MI может оказаться критичной при
использовании очень мощных бустеров в линиях с волокном со сдвигом
дисперсии и лазеров с непосредственной модуляцией. В системах с
длинными секциями/пролетами без регенерации, MI может наблюдаться при
меньших уровнях мощности и может приводить к избыточному усилению
шума спонтанного излучения каскадно включенных оптических усилителей.
Уширение спектральных хвостов, вызванное индуцированным эффектом
Керра, может вызвать обеднение носителей сигналов. Эти хвосты могут быть
ослаблены за счет использования узкополосных ASE-фильтров или за счет
эффекта самофильтрации в системах большой протяженности.
6.4.6.2. Возможности снижения этих эффектов
Влияние MI можно уменьшить или путем уменьшения уровня
мощности или путем выбора диапазона рабочих длин волн ниже точки
нулевой дисперсии звена. Управление дисперсией — еще один возможный
вариант снижения продуктов боковых полос MI. Другими словами, принятый
сигнал должен быть электрически отфильтрован для снижения уровня
паразитного усиленного шума. Воздействие, вызванное Ml, можно
существенно уменьшить путем использования лазеров с внешней
модуляцией, дающих более узкий спектр.