Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

6.4.7. Формирование солитонов

6.4.7.1. Использование преимуществ солитона

Если бы можно было оградить себя от влияния дисперсии в ВОЛС и

работать в окне прозрачности минимального затухания 1550 нм со скоростью

10 Гбит/с, то можно было бы увеличить расстояние между регенераторами до

1000 км. Это было бы хорошо, в частности, для подводных ВОСП!

Влияние дисперсии на переданный импульс состоит в его уширении по

мере того, как он распространяется по волокну. Солитон - это импульс,

который не изменяет своей формы по мере того, как он распространяется по

волокну. Он не уширяется под влиянием дисперсии и нелинейностей

волокна.

Солитон демонстрирует баланс между нелинейностью и дисперсией.

Нелинейности волокна противодействуют накапливанию дисперсии при

распространении импульса по волокну.

Более специфическое определение приведено в [6.1]: оптический

солитон является результатом баланса между дисперсией групповых

скоростей - ДГС (GVD) и фазовой самомодуляцией — ФСМ (SPM),

описанной в разд. 6.4.2, (под групповой скоростью понимают скорость

огибающей группы волн, имеющих близкие частоты; она может быть больше

или меньше фазовой скорости волн, в оптике это величина, обратная

параметру b

, см. также [6.2].). Рассматриваемые по отдельности, каждое из

этих явлений ограничивает характеристики ВОСП. ДГС уширяет оптический

импульс при его распространении по волокну, когда импульс первоначально

частотно-модулирован (чирп-импульс) нужным образом. Такой импульс

может быть сжат во время ранней стадии распространения, наделяющей

разные знаки параметру ДГС (



) и чирп-параметру С, так что их

произведение



С - отрицательно. ФСМ, являющаяся результатом

зависимости интенсивности от показателя преломления, накладывает чирп на

оптический импульс, так что C > 0. Учитывая, что



< 0 в области 1550 нм,

убеждаемся, что условия



C < О выполняются. Более того, учитывая, что

чирп, возбуждаемый за счет ФСМ, зависит от мощности, не трудно

представить, что при определенных обстоятельствах ФСМ и ДГС могут

взаимодействовать так, что чирп, возбуждаемый за счет ФСМ, оказывается

способным ликвидировать уширение импульса, вызываемое за счет ДГС.

Оптический импульс распространяется после этого неискаженным в форме

солитона.

Солитоны должны поддерживать определенную обособленность один

от другого при передаче последовательности бит информационного потока.

Это предохраняет солитоны от взаимодействия, которое может оказаться

деструктивным. Для того чтобы достичь необходимой обособленности двух

соседних солитонных импульсов, разработчик системы вынужден использо-

вать в качестве формата линейного кодирования RZ (возвращение к нулю), а

не NRZ, который является общепринятым. При использовании формата RZ

солитон занимает только малую часть битового интервала (битового пе-

риода), обеспечивая тем самым достаточную обособленность соседних бит.

Что же ограничивает длину или поддерживаемую скорость передачи

солитонной линии связи?

- Уширение солитонного импульса за счет потерь. Солитонный

импульс должен поддерживать достаточно большую амплитуду. Если этого

не происходит, солитонный импульс уширяется. Уменьшенная пиковая

мощность ослабляет нелинейные эффекты, необходимые для противо-

действия влиянию ДГС. Использование волоконно-оптических усилителей

(например, тиап EDFA) может вернуть солитону необходимый уровень

пиковой мощности.

- Шум усилителя. Усилители, необходимые для восстановления

энергии солитона, добавляют шум, источником которого является усиленное

спонтанное излучение (ASE), см. гл. 7.

- Дрожание фазы (джиттер) за счет линейных оптических

усилителей. Джиггер является тем механизмом, который вносит отклонение

позиции солитона от исходно предписанной позиции - в центре битового

интервала. В идеальном случае все солитоны прибывают к приемнику на

удаленном конце в центре предписанного им битового интервала.

Отклонения от этого идеального положения могут вызвать взаимодействие

солитонов и ухудшение показателя ВЕR.

6.4.7.2. Эффекты ухудшения передачи

Эффекты, вызванные формированием солитонов, могут наблюдаться в

ВОСП, использующих волокна типа G.652, G.653 и G.655. Как было сказано,

формирование фундаментального солитона может быть полезным, однако,

солитоны другого порядка приводят к существенному ухудшению передавае-

мого сигнала. Следовательно, формирование солитонов более высокого

порядка устанавливает предел максимальной мощности, которая может быть

введена в волокно.

6.4.7.3. Возможности снижения этих эффектов

Образование солитона можно избежать, если ВОСП работает на длине

волны ниже длины волны нулевой дисперсии данной линии передачи.

Однако в этом режиме работы не только не поддерживается солитонная

передача, но и происходит уширение импульса как за счет влияния

дисперсии, так и за счет нелинейностей. В этом случае ухудшение сигнала

можно уменьшить только за счет надлежащего управления дисперсией по

длине линии передачи.

6.4.8. Фазовая кросс-модуляция

В системах WDM, и в особенности в системах DWDM, фазовая кросс-

модуляция — ФКМ (ХРМ) будет постепенно расширять спектр сигнала, когда

изменения оптической интенсивности приведут к изменениям, вызванным

взаимодействием между соседними каналами. Количественная величина

такого расширения, вносимого ФКМ, зависит от шага между каналами,

потому что внесенные дисперсией дифференциальные групповые скорости

будут вызывать дальнейшее отделение взаимодействующих импульсов при

их движении по волокну. Как толька спектральное расширение вносится

ФКМ, сигнал испытывает большее временное уширение при его движении

вдоль волокна, благодаря влиянию хроматической дисперсии.

6.4.8.1. Эффекты ухудшения передачи

Ухудшения, вызванные ФКМ, наиболее существенно проявляются в

системах, использующих волокно типа G.652 и G.655. Уширение за счет

ФКМ может привести к интерференции (взаимовлиянию) соседних каналов в

системах WDM.

6.4.8.2. Возможности снижения этих эффектов

Уровнем ФКМ можно управлять путем надлежащего выбора разноса

каналов в системах WDM/DWDM. Исследования показали [6.10], что в

системах WDM только соседние каналы вносят значительный вклад в

искажения сигнала, вызванного возникновением ФКМ. Отношение

сигнал/шум центрального канала в системе, имеющей три канала, достигнет

того же уровня, что и в системе с одним каналом, только при увеличении

шага между каналами. В результате этого, влияние ФКМ может быть сделано

ничтожно малым, если адекватно выбрать шаг между каналами. При

моделировании системы с уровнем мощности в канале 5 мВт было показано,

что шаг порядка 100 ГГц вполне достаточен, чтобы значительно уменьшить

влияние ФКМ. Дополнительные ухудшения за счет дисперсии, вызванные

наличием ФКМ, также могут быть управляемы при установке в системе через

определенные интервалы модулей компенсации дисперсии.

Обзор нелинейных оптических эффектов в волокне на основе

кварцевого стекла приведен в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Обзор нелинейных оптических эффектов в стеклянном волокне.

Нелинейный

оптический

эффект

Причина Характеристики Критическая

мощность в

ОМОВ

Оказываемое

влияние

Фазовая

самомодуляция

(ФСМ),

фазовая

кросс-модуляция

(ФКМ)

Оптический

эффект Керра:

коэффициент

преломления,

зависящий

от интенсивности

Фазовый сдвиг

Самовозбуждае-

мый

(ФСМ)

В соседних

каналах (ФКМ)

Расширение

спектра

частот

> ~10 мВт

Спектральное

расширение

увеличивает

влияние

дисперсии

Скорость

передачи

ограничена

мощностью и

дисперсией

Сжатие импульса

(положительная

дисперсия)

Распространение

импульса

(солитон)

Ограничения в

системах фазовой

манипуляцией за

счет AM/ФМ

конвертирования

Вынужденное

Рама-

новское рассеяние

(SRS)

Взаимодействие

фотонов с

оптическими

фононами

Линии

Рамана

-n



f (Стоксовы)



f = 12 ТГц



= 70 нм

(1310 нм)



= 102 нм

(1550 нм)

> ~1 Вт (1

канал)

>~1 мВт для

рамановского

усиления

в системах WDM с

критическим

шагом

между каналами



Оптические

потери в волокне

Оптическая

переходная

помеха в системах

WDM

Обеднение

мощности

сигнала

Вынужденное

рассеяние

Бриллюэна

(SBS)

Взаимодействие

фотонов с

акустическими

фононами

Линии Бриллюэна

обратном

направлении





f = 13,2 ГГц

(1310 нм)



f = 11,1 ГГц

(1550 нм)

> ~5 мВт

(для

узкополосного

оптического

источника)

растет с ростом

ширины линии

сигнала

Неустойчивость

сигнала

Оптические

потери в ОВ

Оптическая

переходная

помеха в

двунаправленных

когерентных

многоканальных

системах

Четырехфотонное

смешение или

четырехволновое

смешение (FWM)

Многофотонное

взаимодействие

Генерирование

смешенных

продук-

тов:

4123

fff





> ~10 мВт,

для волокна G.652

(зависит от

разноса

каналов и

близости к 

)

Оптическая

переходная

помеха в системах

WDM

Обеднение

мощности

сигнала

Источник: Table 11.1 / G.663, р.20, ITU-T G.663, [6.10]

6.5. Поляризационные свойства

6.5.1. Поляризационная модовая дисперсия (PMD)

Смотри разд. 6.3.4, который может служить введением в PMD.

6.5.1.1. Эффекты ухудшения передачи

В цифровых системах принципиальное влияние PMD заключается в

том, что она вызывает межсимвольные искажения (ISI). Примерная оценка

этого явления - ухудшение показателей системы примерно на 1 дБ

происходит при полной дисперсии примерно 0,4 Т, где Т — один битовый

период. В соответствии с [6.10] это приемлемое значение для максимально

допустимого ухудшения качества системы. Хотя и нет окончательного

решения (см. [6.10]), но текущий уровень исследований указывает, что

оптические волокна и кабели будут оцениваться средним уровнем

поляризационной модовой дисперсии — ПМД, обзор одноканальных и

многоканальных систем также показывает, что и они будут оцениваться

аналогичным средним показателем. Это соответствует величине средней

дифференциальной групповой задержки, равной одной десятой битового

периода, 0,1 Т. Компьютерное моделирование показывает, что если ПМД

имеет максвелловское распределение со средним значением не выше 0,1 Т,

то с вероятностью меньшей, чем 10

-9

, ухудшение показателей системы не

превысит 1 дБ.

Более того, в рекомендации [6.10] установлено, что в системах с

усилителями и длинными пролетами/секциями, применяющими скремблеры

поляризации (устройства, принудительно модулирующие состояние

поляризации лазерного сигнала так, чтобы он казался неполяризованным),

ПМД вызывает увеличение степени поляризации такого сигнала. Это, в свою

очередь, ухудшает показатели системы, благодаря взаимодействию с

потерями, обусловленными поляризацией, и поляризационному провалу

усиления (см. ниже).

В аналоговых системах взаимодействие потерь и модовой дисперсии с

лазерным чирпом приводит к появлению искажений второго порядка, про-

порциональным частоте модуляции. Дальнейшее ухудшение от эффектов

второго порядка, не зависящих от частоты модуляции, происходит тогда,

когда в системе присутствуют дополнительные потери, обусловленные по-

ляризацией.

Известно также, и было кратко упомянуто выше, что эффект второго

порядка может объединить ПМД и хроматическую дисперсию. Это обуслов-

лено зависимостью дифференциальной групповой задержки от длины волны.

Она приводит к статистическому вкладу в хроматическую дисперсию. Это,

пока еще, понимается недостаточно четко, и этот вопрос находится в стадии

изучения.

6.5.1.2. Возможности снижения этих эффектов

Было установлено, что ПМД возникает благодаря индуцированному

двойному лучепреломлению, поэтому большие усилия, направленные на

снижение влияния ПМД, были сконцентрированы на минимизации двойного

лучепреломления, вносимого в процессе производства волокна и кабеля.

Различные меры были приняты для оптимизации процесса производства,

чтобы быть уверенным в концентричности (округлости) сердцевины волокна.

Оптические кабели производятся в настоящее время с использованием

материалов и процессов, которые минимизируют остаточные напряжения в

структуре кабеля (поперечном сечении его сердечника). Можно также

использовать тщательно продуманную кабельную структуру, позволяющую

ввести круговую составляющую в индуцированное двойное лучепреломле-

ние. При аккуратном проектировании такая продуманная структура может

противодействовать возникновению линейного двойного лучепреломления,

что приведет к созданию кабеля с результирующей нулевой ПМД. Типичное

среднее значение ПМД волокон и кабелей лежит в диапазоне





00,5пс /km



 

Другой метод основан на использовании концепции основных

состояний, введенных ранее. В этой схеме в начальной и конечной точках

системы вводится контроллер поляризации. На выходном контроллере

поляризации установлен расщепитель поляризованного луча, используемый

для генерации сигнала ошибки. Выходной поляризатор наблюдает за

сигналом ошибки, а входной поляризатор настраивается так, чтобы

минимизировать этот сигнал ошибки. В точке отсутствия сигнала ошибки на

выходе, состояние входного поляризатора является одним из основных

состояний данной системы. Используя такую технологию, можно

компенсировать задержку с точностью до 1 битового периода при скорости

системы в 5 Гбит/с. Аналогичная технология может быть использована для

когерентных систем мультиплексирования с частотным разделением (FDM).

6.5.2. Потери, обусловленные поляризацией

Потери, обусловленные поляризацией (PDL), возникают благодаря

дихроизму пассивных оптических элементов, таких как изоляторы,

разветвители и т.д., расположенных на пути сигнала. Когда сигнал проходит

через дихроичный элемент, составляющая его электрического поля,

параллельная оси потерь, ослабляется. Как и в случае ПМД, те оси, которые

определяют PDL, ориентированы случайно по отношению друг к другу.

6.5.2.1. Эффекты ухудшения передачи

Проанализируем конфигурацию типичной системы, для того чтобы

идентифицировать, а затем и управлять PDL. В системе с усилителями, один

из режимов управления усилителем — работа при постоянной мощности сиг-

нала. PDL влияет как на сигнал, так и на шум. Однако, учитывая, что шум не

подвергается поляризации, воздействие PDL на сигнал и шум будет раз-

личным. Шум может быть разложен на составляющую, параллельную сиг-

налу, и составляющую, ортогональную ему. Можно показать, что объеди-

ненное действие PDL и оптического усиления сводится к тому, чтобы

усилить составляющую шума, ортогональную сигналу. Более того,

амплитуда ортогональной составляющей шума изменяется во времени

аналогично тому, как поляризация сигнала изменяется под действием ПМД.

Это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум и величины Q на входе

приемника. В дополнению к этому, флуктуации сигнала во времени приводят

к явлению фединга отношения сигнал/шум и величины Q на входе

приемника. Обе причины ведут к ухудшению показателей системы.

В аналоговых системах PDL может взаимодействовать с лазерным чир-

пом и ПМД и снижать показатели системы в терминах составных искажений

второго порядка. Как можно было бы ожидать, эти искажения меняются во

времени и приводят к флуктуациям показателей во времени в системах с

составными искажениями второго порядка.

6.5.2.2. Возможности снижения этих эффектов

Во-первых, нужно заметить, что влияние PDL на показатели системы

растет с ростом числа усилителей. В системах с подводными кабелями,

имеющими длинные пролеты/секции, требования особенно жесткие, так как

число усилителей в тандемном соединении может исчисляться сотнями. В

наземных системах с короткими пролетами/секциями число усилителей в

тандемном соединении составляет единицы. Влияние PDL на показатели

системы все еще находится в стадии изучения организацией ITU-T (МСЭ).

6.5.3. Поляризационный провал усиления

Поляризационный провал усиления (РНВ) является результатом

анизотропного насыщения, созданного поляризованным сигналом

насыщения, вводимым в эрбиево волокно. Это приводит к снижению

населенности возбужденных состояний, ориентированных поляризованным

полем. Следовательно, допустимое усиление в ортогональном направлении

выше. Хотя эрбиевы ионы распределены случайно в матрице стекла, на

микроскопическом уровне диполь, ассоциируемый с эрбиевым ионом,

является анизотропным. РНВ-эффект максимален там, где линейно

поляризованный насыщенный сигнал ориентирован в направлении главной

оси диполя, и уменьшается там, где состояние поляризации насыщенного

сигнала — эллиптическое или круговое. Как сигнальный лазер, так и лазер

накачки, вносят свой вклад в этот общий эффект. Полное дифференциальное

усиление является векторной суммой двух этих вкладов. Степень провала

усиления пропорциональна степени поляризации насыщенного сигнала. Для

неполяризованного насыщенного сигнала не существует провала усиления. В

принципе, это похоже на случай сигнала с круговой поляризацией.

6.5.3.1. Эффекты ухудшения передачи

РНВ влияет на показатели системы тем, что вызывает нарастание

мощности шума вдоль цепочки усилителей в большей степени, чем это

предсказывается линейной теорией. Это значит, что РНВ уменьшает

отношение сигнал/ шум; как в случае ПМД и PDL, а измеренная добротность

Q изменяется во времени (флуктуирует). Учитывая, что действие РНВ

обусловлено суммой двух вкладов, существуют два пути, по которым

осуществляется воздействие на показатели системы. Общий эффект

пропорционален усилению насыщения и возрастает с ростом степени

насыщения.

Прежде всего мы снизим влияние поляризованного лазера накачки.

Рассмотрим случай, когда поляризация накачки фиксирована и инвариантна.

Накачка вызывает дифференциальное усиление в направлении, ортогональ-

ном оси поляризации. Шум, ориентированный ортогонально накачке, ис-

пытывает большее усиление, чем шум, ориентированный в направлении

накачки. Однако, оси поляризации лазеров накачки каждого из усилителей в

цепочке не коррелированы друг с другом. Поэтому накопленный эффект

формируется, как при случайном блуждании, и индуцированный накачкой

РНВ может рассматриваться как вклад в PDL данного усилителя. Следова-

тельно, среднее значение нарастания шума, рассмотренное на группе из