Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ явления хроматической дисперсии в стандартном одномодовом оптическом волокне (ОВ) и разработка методики расчета допустимой длины регенерационного участка при её воздействии 16
1.1. Физическая сущность хроматической дисперсии (ХД) и её основные характеристики 16
1.2. Разработка методики расчета допустимой длины регенерационного участка ВОСП при воздействии хроматической дисперсии 18
1.2.1. Процесс возникновения межсимвольных искажений за счет хроматической дисперсии 18
1.2.2. Определение изменения амплитуды оптического сигнала от влияния хроматической дисперсии 22
1.2.3. Определение помехозащищенности ВОСП при воздействии хроматической дисперсии в зависимости от скорости передачи, начальной длительности импульса, коэффициента ХД, а также длины РУ 25
1.2.3.1. Расчет начальной длительности гауссовского импульса 26
1.2.3.2. Результаты расчета помехозащищенности от воздействия ХД 28
1.2.4. Исследование зависимости длины регенерационного участка в ВОСП от скорости передачи и нормы на вероятность ошибок при воздействии ХД 30
Выводы по Главе 1 33
Глава 2. Результаты экспериментальных исследований величин хроматической дисперсии в действующих ВОЛС на стандартном волокне 34
2.1. Результаты измерений величин хроматической дисперсии на действующих ВОЛС 34
2.2. Эксперимент по передаче сигналов без возвращения к нулю и с возвращением к нулю со скоростью 10 Гбит/с на расстояние 80 км без применения компенсации хроматической дисперсии 42
Выводы к Главе 2 45
Глава 3. Исследование методов компенсации хроматической дисперсии в стандартном волокне и разработка рекомендаций по эффективным методам и расположению устройств компенсации на регенерационном участке ВОСП 46
3.1. Принципы компенсации хроматической дисперсии 46
3.2. Классификация методов компенсации ХД и основные требования к методам 47
3.3. Обзор методов компенсации ХД и их основные характеристики 48
3.3.1. Компенсация ХД при помощи специального оптического волокна с отрицательной хроматической дисперсией 48
3.3.2. Компенсация ХД при помощи волокна с модами более высокого порядка 50
3.3.3. Компенсация хроматической дисперсии на основе Брэгговских дифракционных решеток с линейно изменяющимся периодом 51
3.3.4. Компенсация ХД, основанная на переносе составляющих спектра импульса в середине регенерационного участка 54
3.3.5. Компенсация ХД, основанная на использовании устройств создания массивов виртуальных отображений 56
3.3.6. Компенсация ХД путем разделения спектра на две полосы 58
3.3.7. Метод компенсации ХД на основе солитонных технологий 61
3.4. Выбор места расположения компенсатора 61
3.5. Разработка рекомендаций по выбору перспективного метода компенсации хроматической дисперсии 62
3.6. Определение длин регенерационных участков ВОЛС со стандартным волокном при применении компенсации хроматической дисперсии 66
3.6.1. Использование для компенсации хроматической дисперсии модуля со специальным волокном 66
3.6.2. Использование для компенсации хроматической дисперсии Брэгговской волоконной решетки с линейно-изменяющимся периодом 67
3.7. Анализ результатов экспериментальных исследований по передаче сигнала в стандартном ОВ при компенсации хроматической дисперсии 69
3.7.1 Эксперимент по передаче сигналов с возвращением к нулю со скоростью 40 Гбит/с на расстояние 509 км по стандартному оптическому волокну с компенсацией хроматической дисперсии 69
3.7.2. Эксперимент по передаче сигналов без возвращения к нулю со скоростью 10 Гбит/с в канале по стандартному оптическому волокну на расстояние 500 км 71
3.7.3. Эксперимент по компенсации хроматической дисперсии при помощи Брэгговских волоконных решеток для передачи сигналов без возвращения к нулю на расстояние 640 км со скоростью 10 Гбит/с в каждом канале 73
3.7.4. Эксперимент по передаче сигналов с возвращением к нулю на расстояние 140 км со скоростью 40 Гбит/с по стандартному оптическому волокну с использованием для компенсации хроматической дисперсии переноса составляющих спектра в середине регенерационного участка 74
3.7.5. Эксперимент по передаче сигналов без возвращения к нулю на расстояние 110 км со скоростью 10 Гбит/с
по стандартному оптическому волокну с использованием массива виртуальных отображений 76
3.7.6. Эксперимент по передаче сигналов без возвращения к нулю на расстояние 200 км со скоростью 10 Гбит/с
по стандартному оптическому волокну с использованием для компенсации хроматической дисперсии деления спектра
на две полосы 78
Выводы и предложения к Главе 3 79
Глава 4. Исследование и разработка методики расчета допустимой длины регенерационного участка при воздействии попутного потока (ПП) в цифровых волоконно-оптических системах передачи 81
4.1. Исследование процесса возникновения попутного потока и разработка модели его образования 81
4.2. Определение зависимости помехозащищенности при ПП от длины элементарного кабельного участка и регенерационного участка ВОСП 85
4.3. Исследование зависимости допустимой длины регенерационного участка при воздействии попутного потока от величины строительной длины волоконно-оптическогокабеля и нормы на вероятность ошибок 87
4.4. Результаты экспериментального исследования величины затухания на стыках строительных длин ОВ между собой, а также отражений на стыках ОВ с оконечным оборудованием 88
4.4.1. Результаты испытания рефлектометром Е6000А фирмы Hewlett Packard (HP) 88
4.4.2. Результаты испытания рефлектометром MTS8000 компании Acterna 91
4.4.3. Результаты статистической обработки полученных экспериментальных данных 94
Выводы и предложения к Главе 4 95
Заключение 96
Список литературы
- Физическая сущность хроматической дисперсии (ХД) и её основные характеристики
- Результаты измерений величин хроматической дисперсии на действующих ВОЛС
- Принципы компенсации хроматической дисперсии
- Исследование процесса возникновения попутного потока и разработка модели его образования
Введение к работе
Актуальность проблемы
Современное общество переживает этап бурной информатизации, базирующейся на широкополосных цифровых сетях электросвязи. Основной технологией этих сетей с конца прошлого века стали волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) с системами передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ), начиная с транспортного модуля СТМ-1 до СТМ-256. В России широкое внедрение таких систем началось в 1998-99 годах и к настоящему времени протяженность магистралей ВОЛС составляет сотни тысяч км.
На большинстве магистралей проложены волоконно-оптические кабели (ВОК) со стандартными оптическими волокнами (ОВ), соответствующими Рекомендации МСЭ-Т G.652 [1]. Число ОВ в ВОК колеблется от 8 до 24 (в среднем 12), часто применяются системы передачи с модулями до СТМ-16 (скорость передачи до 2,5 Гбит/с). ВОК с 12 ОВ при использовании системы передачи с модулями СТМ-16 обеспечивает пропускную способность 15 Гбит/с, что эквивалентно 235 тыс. каналам со скоростью 64 кбит/с. Несмотря на, казалось бы, очень большое число каналов, бурный рост междугородного и международного трафика в нашей стране за последние годы привел к тому, что уже в настоящее время на многих магистралях ВОЛС пропускная способность оказывается недостаточной. В частности, такое положение складывается на отдельных участках сверхдальней транссибирской магистрали Москва-Владивосток и одной из важнейших магистралей Москва-Санкт-Петербург и других.
В качестве примеров используемых модулей систем передачи на действующих магистралях приведем [2]: Самара-Оренбург — СТМ-1; Тюмень-Сургут, Задонск-Липецк, Апостолово-Иошкар-Ола, Владимир-Ярославль, Новорождественская-Назрань — СТМ-4; Санкт-Петербург-Луга, Владимир-Ярославль, Апостолово-Йошкар-Ола, Новорождественская-Назрань — СТМ-16.
Известно, что пропускная способность ВОЛС зависит от ряда факторов, в том числе хроматической дисперсии (ХД), поляризационной модовой дисперсии (ПМД), нелинейных эффектов, шумов. При этом в случае использования стандартного ОВ наиболее существенным фактором является хроматическая дисперсия [3,4].
Используют два способа повышения пропускной способности действующих магистралей ВОЛС.
Один способ предусматривает замену оборудования с временным разделением сигналов на основе модулей СТМ-1, СТМ-4, СТМ-16 на аналогичные системы с более высокой скоростью передачи — СТМ-64, СТМ-256. Другой способ заключается в использовании оборудования со спектральным разделением каналов.
Первый способ позволяет путем увеличения скорости передачи увеличивать пропускную способность в 16-64 раза в зависимости от первоначально используемого оборудования. Второй способ позволяет увеличивать пропускную способность в 40-160 раз. Выбор того или другого способа осуществляется на основе технико-экономического анализа с учетом прогнозируемой потребности в степени увеличения пропускной способности и стоимости реализации.
В данной работе исследуется первый способ.
Экономичность первого способа обусловлена двумя обстоятельствами. Во-первых, ВОЛС со стандартным ОВ в настоящее время имеют потенциальную возможность увеличения скорости передачи до 40 Гбит/с. Во-вторых, при этом не требуется замены оптического кабеля, а стоимость линейных сооружений составляет 50-70% общей стоимости магистрали.
Но для реализации указанной возможности оказывается необходимым уменьшить искажения, создаваемые хроматической дисперсией (ХД). Явление ХД заключается в том, что при передаче цифровых сигналов по ОВ сказывается зависимость фазовой скорости от частоты. В результате ХД передаваемые импульсы расширяются во времени, уменьшаются по амплитуде, у них появляются опережающие и запаздывающие "хвосты". Это приводит к межсимвольным искажениям (МСИ), результатом которых является снижение помехозащищенности и рост вероятности ошибок в передаваемой информации. Для увеличения помехозащищенности и скорости передачи магистралей со стандартным ОВ необходимо уменьшать величину искажений от ХД, что может быть достигнуто путем её компенсации. Поэтому проблема повышения помехозащищенности и, как результат, скорости передачи на действующих магистралях ВОЛС путем компенсации ХД является актуальной.
Наряду с явлением ХД, в работе исследовано явление попутного потока (ПП), которое может снижать помехозащищенность ВОЛС и увеличивать вероятность ошибок. ПП возникает в результате повторных отражений части мощности оптического излучения в местах соединения ОВ между собой и с аппаратурой систем передачи.
Исследование двух типов явлений - ХД и ПП вызвано следующими причинами:
— оба вида явлений относятся к искажениям;
— для высоких скоростей передачи искажения от ХД являются основной причиной, ограничивающей длину регенерационного участка (РУ);
— искажения от ПП в цифровых волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) в сочетании с другими явлениями (ХД, поляризационная модовая дисперсия - ПМД, нелинейные эффекты и шумы) при передаче цифровой информации могут привести к увеличению вероятности ошибок
Цель диссертации
Целью диссертации является разработка методик определения допустимой длины РУ магистрали ВОЛС при воздействии хроматической дисперсии и попутного потока.
В соответствии с поставленной целью требуется решение следующих задач:
— разработка для магистралей ВОЛС со стандартным ОВ методики определения допустимой длины регенерационного участка (РУ) при воздействии ХД для используемых скоростей передачи с учетом норм на вероятность ошибок на одной длине волны (1,55 мкм);
— сравнительный анализ методов компенсации ХД и разработка рекомендаций по выбору перспективного метода компенсации ХД;
— разработка для магистралей ВОЛС со стандартным ОВ методики определения допустимой длины РУ, исходя из действия ПП, с учетом норм на вероятность ошибок.
Состояние исследования проблемы
Вопросы хроматической дисперсии и попутного потока в ВОСП рассматривались в работах российских ученых и специалистов: Е.Б. Алексеева, А.С. Беланова, Е.М. Дианова, К.Е. Заславского, А.Б. Иванова, A.M. Меккеля, О.Е. Нания, Ю.А. Тамма, И.И. Теумина, СВ. Четкина, а также зарубежных ученых и специалистов: Г. Агравала, А. Вилнера, Дж. Гауэра, Д. Маркузе, Дж. Мидвинтера, Д. Мунбаева, Г. Унгера, Р. Фримана.
В работах [5-8] рассматриваются основополагающие характеристики хроматической дисперсии и физические принципы её возникновения.
В [9] изложена методика расчета допустимой длины регенерационного участка ВОСП при воздействии ХД в зависимости от скорости передачи. При этом базовым ограничением, учитывающим ухудшение характеристик ВОСП при воздействии ХД, является соотношение 4B(TL 1 или, что то же самое, 07 1/4 Г, где В - скорость передачи импульсов, Гбит/с, crL-среднеквадратическая полудлительность импульсов в конце линии (на выходе фотодетектора), пс, Т - длительность тактового интервала, пс. В качестве обоснования этого условия только сказано, что это "наиболее часто используемый критерий, при котором по крайней мере 95% мощности импульса остается в тактовом интервале". Эта методика использована в работах [3], [10,11].
В работе [12] приведена методика определения допустимой длины регенерационного участка в зависимости от степени раскрыва глаз-диаграммы (ГД) при воздействии в ВОСП межсимвольных искажений, создаваемых ХД. Зависимость величины межсимвольных искажений от раскрыва ГД используется в ряде работ только для качественной оценки МСИ.
В статьях [13-24], содержащих, в основном, результаты экспериментальных исследований искажений от ХД и методов её компенсации, приведены данные, которые показывают необходимость компенсации хроматической дисперсии и возможность передачи информации со скоростями до 40 Гбит/с на РУ длиной 500-600 км.
В [3], [9-11] при определении величины вероятности ошибки, являющейся одним из основных параметров, регламентируемых в МСЭ-Т, учитывается только коэффициент ошибок при заданной помехозащищенности. Но при этом не учитывается вероятность появления в последовательности "опасных" комбинаций уровней "1" и "0", приводящих к возникновению межсимвольных искажений и увеличению вероятности ошибок.
Вышеизложенное свидетельствует о необходимости разработки методики определения длины РУ, в которой это ограничение отсутствует.
Содержание работы
Основная часть работы состоит из введения, 4-х глав и заключения.
Во введении обоснован выбор темы диссертационной работы, сформулированы её актуальность, рассматриваемые проблемы, решаемые задачи, цель работы, состояние исследуемых проблем, методы исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены основные физические принципы и проведен анализ явления хроматической дисперсии в стандартном ОВ, приводящего к межсимвольным искажениям принимаемых импульсов. Предложена модель расчета помехозащищенности от межсимвольных искажений в стандартном волокне при воздействии ХД. Разработана методика расчета длины регенерационного участка ВОСП на стандартном ОВ в зависимости от скорости передачи и заданной нормы на вероятность ошибок. Определены допустимые длины РУ при отсутствии компенсации хроматической дисперсии в стандартном волокне.
Во второй главе приведены результаты измерения хроматической дисперсии на действующих линиях без компенсации ХД, выполненные с участием автора, а также результаты экспериментальных исследований ВОЛС без компенсации ХД, полученные в зарубежных статьях. Проведено сравнение полученных результатов с результатами теоретических исследований Главы 1.
В третьей главе проведен анализ методов компенсации хроматической дисперсии стандартного волокна, рассмотрены их достоинства и недостатки, разработаны рекомендации по выбору перспективного метода компенсации ХД в стандартном волокне и выбору места установки компенсаторов. Определены допустимые длины регенерационных участков ВОСП с компенсацией ХД. Проведен анализ экспериментальных данных по компенсации хроматической дисперсии стандартного волокна, полученные в зарубежных статьях.
В четвертой главе предложена модель образования ПП в цифровых ВОСП и разработана методика определения допустимой длины РУ при ПП в зависимости от строительной длины ВОК и величины вероятности ошибок. При этом использованы результаты проведенных автором экспериментальных исследований величин отражений на стыках действующих ВОЛС.
В заключении изложены наиболее значимые результаты, полученные в диссертационной работе, даны рекомендации по использованию этих результатов.
Методы исследования
При решении поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы теории передачи сигналов, теории вероятностей, теории дифференциального и интегрального исчисления, математический аппарат преобразования Фурье.
Научная новизна полученных результатов
1. Разработана методика определения допустимой длины РУ ВОСП на стандартном волокне при воздействии ХД в зависимости от требований к вероятности ошибки и скорости передачи на одной длине волны (1,55 мкм).
2. Разработана методика определения допустимой длины РУ цифровых ВОСП с учетом требований к вероятности ошибки и строительной длины ВОК при воздействии попутного потока.
3. На основе анализа различных методов компенсации ХД в ВОСП на стандартном волокне показано, что весьма перспективным является метод, основанный на использовании Брэгговских решеток с линейно-изменяющимся периодом, которые обладают многими положительными качествами, в том числе: малыми габаритами, небольшим вносимым затуханием, низкой стоимостью и др.
Практическая значимость полученных результатов
Разработанная методика расчета максимально допустимой длины регенерационного участка на одной длине волны (1,55 мкм) при воздействии хроматической дисперсии, методика определения допустимой длины регенерационного участка при воздействии попутного потока, а также рекомендации по перспективным методам компенсации хроматической дисперсии используются при проектировании, строительстве и эксплуатации магистралей ВОЛС на стандартном волокне. Увеличение длины РУ позволяет значительно снизить затраты на строительство и эксплуатацию ВОЛС.
Результаты научных исследований, полученные в работе и опубликованные в научно-технических журналах и трудах конференций, используются в проектах ЗАО "Синтерра", ОАО "СЦС-Совинтел", ОАО "Транстелеком" при проектировании и реконструкции магистралей ВОЛС, а также в учебно-методическом процессе МТУСИ в курсе "Волоконно-оптические линии связи" (курсовое и дипломное проектирование), что подтверждено соответствующими актами.
Публикации
Все основные результаты диссертации опубликованы в 17-ти печатных работах, в том числе в 14 работах - без соавторства.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях ПТСПИ-2003 и МФИ (2002 - 2004 годы), на научно-технических конференциях МТУСИ (2002 - 2005 годы), на научных сессиях РНТОРЭС и МНТОРЭС им. А.С. Попова (2004 год), а также на двух семинарах кафедры "Оптики и спектроскопии" МГУ им. М.В. Ломоносова (2002-2003 годы).
Основные положения, выносимые на защиту
1. Методика определения допустимой длины регенерационного участка ВОЛС на стандартном волокне при воздействии ХД на одной длине волны (1,55 мкм) в зависимости от скорости передачи информации и нормы на вероятность ошибок.
2. Обоснование перспективности метода компенсации ХД с применением Брэгговских решеток с линейно изменяющимся периодом.
3. Методика определения допустимой длины РУ ВОЛС при воздействии ГШ в зависимости от нормы на вероятность ошибок и значения строительной длины ВОК.
Личный вклад автора
Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и 3-х приложений. Работа содержит 128 страниц текста, 15 таблиц, 45 рисунков, список использованной литературы включает 104 наименования.
Физическая сущность хроматической дисперсии (ХД) и её основные характеристики
Хроматическую дисперсию в ОВ принято характеризовать коэффициентом ХД - Dxp - измеряемым в пс/нм-км. Т.е. коэффициент Dxp равен увеличению длительности светового импульса в пс, спектральная ширина по длинам волн которого равна 1 нм после прохождения отрезка ОВ длиной 1 км.
Хроматическая дисперсия содержит материальную и волноводную составляющие. Материальная составляющая обусловлена тем, что показатель преломления сердцевины ОВ различен для различных длин волн: коротковолновые компоненты имеют меньший показатель преломления по сравнению с длинноволновыми. Волноводная составляющая связана с тем, что поперечное распределение светового потока для различных длин волн также различно: более короткие волны сосредоточены в сердцевине ОВ, более длинные волны распространяются в оболочке. Поскольку показатель преломления сердцевины волокна больше, чем для оболочки, то различие в пространственном распространении волн разной длины вызывает различие скоростей их распространения. Для стандартного ОВ волноводная дисперсия относительно мала по сравнению с материальной.
Источником излучения в современных ВОСП является лазер. В [7], [9], [25], [26] показано, что сигнал на выходе лазера имеет Гауссовскую форму.
В результате ХД длинно- и коротковолновые составляющие спектра импульса, приходят на приемный конец в разные моменты времени (рис. 1.1).
Это вызывает уширение светового импульса, которое определяется из соотношения, приведенного в [10], [27, 28] где D - коэффициент ХД (1.1) длина регенерационного участка нм-км (РУ) ОВ, км; АЛ - ширина спектра сигнала по длинам волн, нм. В [5] указано, что зависимость (1.1) имеет экспериментальное подтверждение.
В результате уширения опережающие и отстающие "хвосты" импульсов передаваемой последовательности выходят за пределы своих тактовых интервалов и часть их мощности попадает в соседние интервалы. При этом происходит взаимное наложение "хвостов" импульсов разных тактовых интервалов и возникают межсимвольные искажения (МСИ), которые могут приводить к ошибкам при приеме последовательности импульсов.
Поскольку, как было отмечено во Введении, хроматическая дисперсия ограничивает длину регенерационного участка стандартного волокна, в последующих разделах рассмотрена методика нахождения допустимой длины РУ ВОСП на стандартном волокне.
На рис. 1.2 приняты следующие обозначения: 1 - оконечное оборудование передачи, 2 - мультиплексор передачи, 3 -блок накачки источника оптического излучения (лазера), 4 - источник оптического излучения (лазер) и модулятор, 5 - участок стандартного оптического волокна, 6 - фотодетектор и демодулятор, 7 - усилитель, 8 -решающее устройство, 9 - демультиплексор, 10 - оконечное оборудование приема.
Оконечное оборудование 1 вырабатывает электрические импульсы (ЭИ), которые преобразуются мультиплексором 2 в последовательность этих импульсов. Эта последовательность проходит через блок накачки 3 и возбуждает лазер (4). В результате на выходе лазера образуется последовательность оптических импульсов (ОЩ, соответствующая последовательности ЭИ, поступающих на вход блока 3.
Последовательность ОИ проходит участок стандартного волокна 5 и поступает в фотодетектор 6.
Фотодетектор 6 осуществляет преобразование последовательности ОИ в соответствующую последовательность ЭИ, которые после усиления в 7 поступают на решающее устройство 8, а затем через демультиплексор 9 - в оконечное оборудование приема. Как видно из вышеизложенного, структурная схема рис. 1.2 содержит два компонента: электрический (ЭЛ): блоки 1-2,7,8,9-10; оптический (О): блоки 3-6.
В оптическом волокне передается последовательность оптических импульсов, имеющих определенный частотный спектр. Это связано с тем, что источник оптического излучения (лазер) генерирует не монохроматический сигнал, а сигнал, содержащий набор частот. Световой пучок на выходе лазера имеет структуру поля, называемую распределением Гаусса, при котором амплитуда сигнала уменьшается с удалением от центра пучка.
Вследствие хроматической дисперсии по мере распространения ОИ по волокну происходит их уширение, приводящее к попаданию "хвостов" этих импульсов в другие тактовые интервалы и возникновению МСИ (рис. 1.3).
Поскольку, как было сказано выше, фотодетектор 6 преобразует поток искаженных оптических импульсов в соответствующий поток электрических импульсов, то в результате воздействия ХД происходит искажение последовательности ЭИ, по сравнению с импульсами, поступающими на вход оптической части (О) структурной схемы. Если предположить, что в оптическом тракте отсутствуют какие-либо искажения, кроме создаваемых ХД, то характеристики напряжения электрических импульсов на выходе фотодетектора (6), наблюдаемые на экране осциллографа, подобны характеристикам мощности оптических импульсов, поступающих на вход фотодетектора [5].
Искаженная относительно исходной последовательность ЭИ после усиления в (7) поступает на решающее устройство (8). В 8 происходит сравнение амплитуды импульсов, принятых в соответствующих тактовых интервалах, с установленным порогом регенератора. Это позволяет сделать заключение о наличии в тактовом интервале принятой цифровой -последовательности импульса (уровень "1") либо об отсутствии импульса (уровень "О").
Как было отмечено ранее, МСИ могут приводить к снижению помехозащищенности и росту вероятности ошибок в передаваемой информации, что ограничивает скорость передачи в ВОЛС и длину регенерационного участка. Разработанная методика определения допустимой длины регенерационного участка в зависимости от скорости передачи и нормы на вероятность ошибок включает в себя следующие основные этапы: 1) определение изменения амплитуды оптического сигнала от влияния ХД; 2) определение отношения сигнал/помеха (помехозащищенности) в зависимости от скорости передачи, начальной длительности импульса, коэффициента ХД и длины РУ; 3) определение длины РУ ВОСП в зависимости от скорости передачи и нормы на вероятность ошибок.
Результаты измерений величин хроматической дисперсии на действующих ВОЛС
В данном разделе приведены результаты измерений хроматической дисперсии в стандартных волокнах действующей ВОЛС сети ЗАО "КОМЕТ", в которых принимал участие автор диссертационной работы. Измерения проводились оптическим рефлектометром MTS-8000 производства ACTERNA с встроенным блоком измерения ХД 5083CD.
Цель проведения данного исследования - оценка возможности уплотнения стандартных волокон на участке указанной ниже протяженности оконечным оборудованием уровня СТМ-64 (10 Гбит/с).
При проведении исследования использовались следующие исходные данные: 1) рассматривался эффект хроматической дисперсии; 2) использовалась внешняя модуляция передатчика; 3) на исследуемых линиях отсутствуют компенсаторы хроматической дисперсии.
Было проведено испытание двух линий. Сигнал в обоих случаях передавался на расстояние 35,5 км, оценка величины ХД производилась в диапазоне 1530-1565 нм, при этом использовался фазовый метод измерения, описанный в Приложении 2. На рис.2.1 (а, б) показаны кривые зависимости временной задержки от длины волны, полученные при проведении измерений двух линий, на рис. 2.2 (а, б) - кривые зависимости коэффициента хроматической дисперсии от длины волны для двух линий, которые рассчитываются, исходя из временной задержки, при помощи метода Селлмейера: для пяти длин волн в случае стандартного волокна (см. Приложение 2). В табл. 2.1 и 2.2 приведены результаты этих измерений для двух линий.
Как показывают результаты, приведенные в табл.2.1-2.2, в диапазоне длин волн 1530-1565 нм величина коэффициента ХД изменяется в пределах 15-18 пс/нм-км. На длине волны 1550 нм коэффициент ХД на 6% ниже теоретически рассчитанного по ф-ле (1.2) значения.
При применении стандартного волокна с оборудованием СТМ-64 (10 Гбит/с) исходят из нормы на величину накопленной на РУ хроматической дисперсии (произведение коэффициента ХД на протяженность участка), которая составляет около 1000 пс/нм [34], [44, 45]. Результаты расчета в указанном диапазоне длин волн (см. табл.2.1-2.2) на участке 35,5 км показывают, что накопленная хроматическая дисперсия находится в диапазоне 553 - 624 пс/нм, т.е. не превосходит установленных пределов для сигнала БВН - 36 км (648 пс/км) при скорости передачи 10 Гбит/с и вероятности ошибки 10" .
Следовательно, на данном участке ВОЛС возможно использовать оборудование со скоростью 10 Гбит/с для передачи сигналов БВН. Коэффициент ХД используемого в эксперименте стандартного волокна составлял 16 пс/нм-км, применялась внешняя модуляция узкополосного источника излучения. На рис.2.3 показана временная диаграмма двух типов сигналов и их частотный спектр на выходе лазера. На рис.2.4 показана диаграмма сигналов БВН и ВН, прошедших по стандартному ОВ длиной 80 км и искаженных ХД. На рис.2.3 (а,Ь) по оси абсцисс отложены моменты времени (пс), на рис.2.3 (c,d) - значения частоты (ГГц), по оси ординат на рис. 2.3 (a-d) -значения мощности в абсолютных (мВт) и относительных (дБм) величинах. На рис.2.4 по оси абсцисс отложены моменты времени (пс), по оси ординат - значения мощности в абсолютных единицах (мВт).
Как следует из результатов эксперимента (см. рис.2.4), при передаче со скоростью 10 Гбит/с на расстояние 80 км оба типа линейных сигналов становятся практически неразличимы, причем большим искажениям подвергается сигнал с ВН.
В Главе 1 теоретически показано, что при длине участка 80 км в случае допустимой вероятности ошибки 10 10 передача обоих типов сигналов со скоростью 10 Гбит/с невозможна без компенсации ХД, причем защищенность ВН-сигнала меньше, чем для сигнала БВН, соответственно искажения от ХД для ВН-сигнала больше.
Принципы компенсации хроматической дисперсии
В [13], [45], [47-51] рассмотрены оптические волокна, используемые для компенсации хроматической дисперсии (ВКД). Эти волокна, в которых распространяется основная мода, формируются путем изменения профиля показателя преломления таким образом, чтобы в рабочей полосе длин волн их коэффициент ХД и наклон кривой ХД имели отрицательные значения, большие по величине, чем у рабочих волокон. ВКД помещаются в модули, которые располагаются вместе с оптическими усилителями.
Для достижения высоких отрицательных значений ХД и наклона кривой разработаны специальные типы ВКД с высоким показателем преломления сердцевины и малым её диаметром. На рис.3.2 [13] показан один из профилей такого волокна. "слой оболочки Рис.3.2. Пример профиля волокна для компенсации хроматической дисперсии Принципиальная схема включения модуля с ВКД показана на рис.3.3. стОВ МКД стОВ МКД стОВ Рис.3.3. Включение модуля с волокном для компенсации дисперсии На рис.3.3 обозначено: стОВ - участок стандартного волокна, МКД -модуль со специальным волокном для компенсации ХД, ОУ - оптический усилитель.
Полное уширение импульса Дг при распространении по ВОЛС со стандартным ОВ длиной L и модулем с ВКД длиной 1КД определяется выражением [51]: Ar = DmL + DKJILKJl,nc, (3.3) где DQB и Dm - коэффициент хроматической дисперсии первого порядка на длине волны 1550 нм соответственно для стандартного ОВ и ВКД. Из (3.3) следует, что уширение импульса равно нулю, если D0BL = Оы1кд, т.е. выполняется соотношение 1КД = {DOBl Окд)Ь.
Из формулы (3.3) и рис.3.4 видно, что для волокна длиной І принципиально возможно достигнуть практически нулевого уширения импульса в полосе длин волн, если ВКД имеет отрицательный наклон дисперсионной кривой. -50 D, пс/нм-км A + (стОВ) 1530 результирующий наклон кривой ХД - 1565 /1,нм - (ВКД) — — — — . Рис.3.4. Дисперсионные зависимости стандартного ОВ и волокна для компенсации дисперсии Затухание линии с волокном для компенсации дисперсии составляет [45]: А— асв- " "а кд - кд &ОВ " " &КД д Dn Щ) L, дБ, (3.4) где аов и акд - затухание стандартного ОВ и ВКД, дБ/км.
В [14] рассмотрен метод компенсации хроматической дисперсии и наклона кривой её характеристики в широкой полосе длин волн стандартного ОВ с использованием специального волокна, в котором распространяется мода более высокого порядка (например, LPn). Эта мода обеспечивает высокие отрицательные значения коэффициента ХД вблизи длины волны отсечки, по величине примерно в 35 раз большие, чем для стандартного ОВ, а также отрицательные значения наклона дисперсионной кривой. Это позволяет использовать компенсирующие волокна небольшой длины и уменьшить вносимые в линию потери.
На рис.3.5 приняты обозначения: Пер - передающее устройство, стОВ - участок стандартного ОВ, ПМ - преобразователь мод, ВКД - волокно для компенсации дисперсии с модами более высокого порядка, Пр -приемное устройство.
Преобразователь мод служит для преобразования основной моды (LPoi) стандартного ОВ в моду более высокого порядка ВКД (LPM) и обратного преобразования к основной моде стандартного ОВ. При этом должно выполняться условие: длина волны отсечки моды более высокого порядка должна быть близка к рабочей длине волны, когда вся оптическая мощность сосредоточена в моде более высокого порядка. Компенсация хроматической дисперсии на основе Брэгговских дифракционных решеток с линейно изменяющимся периодом
Метод компенсации ХД на основе Брэгговских дифракционных решеток рассмотрен в [15], [24], [52].
Чтобы компенсировать хроматическую дисперсию, дифракционная решетка должна задерживать коротковолновые компоненты сигналов относительно длинноволновых, что достигается за счет того, что короткие волны в компенсаторе проходят большее расстояние, чем длинные.
Принцип работы компенсаторов на основе ДР заключается в том, что компоненты с различной длиной волны отражаются от различных участков решетки и, таким образом, проходят различные пути (рис.3.6).
В настоящее время разработаны компенсаторы на основе Брэгговских дифракционных решеток, в которых период решетки линейно уменьшается вдоль волокна - дифракционные решетки (ДР) с линейно изменяющимся периодом [15].
До настоящего времени большинство компенсаторов на основе ДР использовалось для компенсации ХД внутри одного канала, поскольку обладали узкой спектральной полосой (примерно 2-6 нм). По мере развития технологии изготовления, путем увеличения длины решетки, а также создания линейно изменяющегося периода, удалось добиться полосы длин волн компенсации 30 нм, что позволяет в диапазоне 1530-1565 нм уменьшать как значения ХД, так и наклон дисперсионной кривой. На рис.3.7 показана схема включения ДР в линейный тракт для компенсации ХД стандартного ОВ. Рис.3.7. Схема включения дифракционной решетки в линейный тракт На схеме рис.3.7 показаны: Пер - передатчик (источник излучения), стОВ - участок стандартного волокна, ОУ - оптический усилитель, НО -направленный ответвитель, ДР с ЛИП - дифракционная решетка с линейно изменяющимся периодом.
Поскольку дифракционная решетка построена на принципе отражения сигнала, в схеме используется направленный ответвитель (НО) 3 дБ для отделения проходящего и отраженного сигналов, Минимальные потери схемы составляют 6 дБ (3 дБ на прохождение сигнала от входа НО до входа ДР и 3 дБ от ДР до выходного порта НО). За счет компенсации дисперсии при помощи ДР происходит перераспределение энергии импульса: импульс сужается на выходе ДР, ответвитель имеет "холостой" порт, нагруженный на сосуд с иммерсионной жидкостью, имеющей согласованное сопротивление Zc = Zc0B, за счет этого в форму импульса, переданного в выходной порт, не вносится практически никаких изменений.
Чтобы уменьшить вносимые компенсатором потери, используется НО и две идентичные ДР (рис.3.8).
Исследование процесса возникновения попутного потока и разработка модели его образования
Рассмотрим процесс передачи цифровых оптических сигналов по волокну на элементарном кабельном участке (ЭКУ), состоящем из л строительных длин (СД), ОВ которых соединяются путем сварки. По концам ЭКУ волокна соединяются с помощью разъемных соединителей с передающим (Пер) и приемным (Пр) устройствами.
В силу технологических причин показатель преломления и габаритные размеры волокна в строительных длинах ЭКУ не остаются одинаковыми. Мелкие неоднородности ОВ (размером значительно меньше длины волны) приводят к релеевскому рассеянию энергии, а крупные (больше длины волны) вызывают френелевские (дискретные) отражения за счет изменения значений структурных параметров волокон.
Влиянием мелких неоднородностей в силу их небольших размеров и создания ими отражения во всех направлениях при рассмотрении попутного потока можно пренебречь. Поэтому рассматриваются только неоднородности, вызывающие френелевские отражения.
В точках соединения СД (сварной стык) возникают неоднородности за счет расплавления волокна. Эти неоднородности вызывают два явления: — потеря мощности на затухание в точке сварки; — отражение части мощности информационного сигнала (обратные отражения).
В местах соединения Пер и Пр с волокном (в разъемных соединителях) также возникают отражения световой энергии за счет неидеальности стыковки оконцованного ОВ с выходом передающего и входом приемного устройства (наличие разного рода смещения в соединителях).
Отраженные от стыков сигналы распространяются в направлении, противоположном основному, в свою очередь попадают на соседние стыки и отражаются от них. Сигналы, претерпевшие повторные отражения, имеют направление, совпадающее с информационным сигналом. Отраженные сигналы, распространяющиеся в направлении от Пр к Пер, образуют обратный поток световой энергии (рис.4.1).
На рис.4.1 приняты следующие обозначения: Пер - передатчик, усилитель, регенератор, Пр - приемник, усилитель, регенератор, сед - стык строительных длин, ИС - информационный сигнал, ОС - отраженные сигналы, СПП1 и СПП2 - сигналы попутного потока.
Для подавления обратного потока, который оказывает отрицательное влияние на выход лазера, на выходе лазера устанавливают оптические изоляторы.
Поскольку на ЭКУ оптического кабеля, состоящего из Л строительных длин, имеется л+1 точек отражения, обратный поток, отражаясь от стыков, образует последовательность повторно отраженных сигналов, которую принято называть попутным потоком (ПП). Сигналы ПП проходят более длинный путь по сравнению с вызвавшим их информационным сигналом и поэтому приходят на приемный конец с некоторым запозданием.
Определим, какое влияние на снижение помехозащищенности при ПП оказывает каждый информационный импульс (ИИ).
При этом исходим из того, что: — в передаваемой последовательности число импульсов "1" и "О" равное; — отражения на стыках происходят только импульсов " 1"; — импульсы ПП создают искажения, только если они совпадают по времени с нулевыми интервалами последовательности ИИ.
Модель образования ПП представлена на рис.4.2. Как показано на рис.4.2, каждый ИИ образует ряд импульсов ПП, 2/ отстоящих от него на одинаковое время /, =—, где / - строительная длина ВОК, км, v - скорость распространения сигналов в ОВ, км/с. В результате мощности импульсов ПП от каждого стыка строительных длин в каждый момент времени суммируются. Последовательности импульсов ПП от каждого из смежных ИИ смещены относительно друг друга на время г = 1/5, -где В - битовая скорость передачи ИИ, Гбит/с. Поэтому в каждый момент времени картина влияния от любого ИИ будет одинаковая, но сдвинутая на время г по сравнению с картиной предыдущего импульса.
