Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

и полосу частот, ограниченную фильтром нижних частот (LPF, Low-Pass Filter) значением В, из него выделяется синусоидальное колебание с частотой В/2. Смешение оптического сигнала в формате NRZ и управляющих синусоидальных импульсов во второй ступени модулятора позволяет сформировать оптическую излучаемую мощность в формате CSRZ.

Рис. 4.10. Пример структуры модулятора CSRZ

и формирования оптических импульсов с подавленной несущей частотой

Рис. 4.11. Временные диаграммы формирования оптического сигнала CSRZ

171

Формирование дуобинарного оптического сигнала DB может выполняться в электронной и оптических схемах. Пример оптической схемы представлен на рис. 4.12, где роль формирователя сигнала выполняет третья ступень модулятора MZ c одним каналом для задержки оптического импульса на величину такта и учетом его возможной погрешности в фазовом сдвиге (рис. 4.13). После сложения задержанных импульсов с импульсами без задержки формируется сигнал DB c отличающимися от сигналов CSRZ, RZ и NRZ характеристиками спектра (рис. 4.14). На приемной стороне для восстановления сигнала CSRZ применяется аналогичная схема третьей ступени модулятора.

Применение формата AMI в оптических системах рассматривается только теоретически в некоторых исследованиях, т. к. при относительно простом передатчике (см. рис. 4.3, а) требуется сложный приемник для трех градаций уровня мощности оптического сигнала и сложная схема устойчивого выделения тактовой частоты для последующей обработки сигнала в регенераторе.

Рис. 4.12. Пример структуры модулятора DB

Рис. 4.13. Формирование сигнала формата DB

Спектры оптических сигналов на выходе модуляторов четырех форматов отличаются составом, в частности, для CSRZ характерно отсутствие или пониженный уровень оптической несущей, что снижает мощностную нагрузку на

172

волоконный световод, спектр формата DB самый узкий по уровню −20 дБм, как принято оценивать по стандартам ITU-T. Обычно для сравнительной оценки спектров модулированных сигналов используется спектральная эффективность, измеряемая [бит/секунда/Герц]. Все рассмотренные спектры простых форматов модуляции имеют эффективность в пределах 0,4–0,8 бит/с/Гц. По этой причине применение этих форматов передачи в когерентных системах на скоростях от 40 Гбит/с и выше практически не рассматривается. Кроме того, как показано в ряде исследований [51, 53, 55], эти форматы сигналов имеют в основном низкую устойчивость к дисперсионным искажениям, нелинейным эффектам в волокне, шумам спонтанной эмиссии оптических усилителей, сужению полосы оптического канала при использовании мультиплексоров ROADM (рис. 4.15).

Рис. 4.14. Спектры оптических сигналов в простых форматах модуляции

173

Рис. 4.15. Проблемы расширения спектра оптических сигналов при увеличении скорости передачи информационного потока

Преодоление указанных проблем модулированных оптических сигналов происходит при использовании форматов модуляции фазы, многоуровневой интенсивности и в смешанных решениях. При этом, как правило, расширение спектра не происходит или не превышает возможностей оптических полосовых фильтров.

4.2. Формирование оптических сигналов с фазовой модуляцией (кодирование, кодеры) и двойной поляризацией

Вчисле форматов фазовой модуляции, нашедших широкое использование

всистемах передачи со скоростями выше 10 Гбит/с, значатся BPSK, DPSK, QPSK, DnPSK и их расширение с двумя мультиплексированными ортогональными когерентными лучами (X, Y) от одного источника PM (рис. 4.16): PM-BPSK, PM-DPSK, PM-QPSK и т. д. Волны PM позволяют удвоить пропускную способность оптического канала благодаря делению одного высокоскоростного потока данных на два параллельных. Применение фазового кодирования в форматах QPSK, DnPSK также позволяет снизить физическую скорость импульсов информационного сигнала и, как следствие, требуемую полосу частот для передачи. На требуемую полосу частот влияет также выбор формы оптических импульсов, фазовые состояния которых модулируются. Формы импульсов уже рассмотрены выше: NRZ, RZ и CSRZ. Принцип формирования сигнала

174

в формате BPSK представлен на рис. 4.17, где несущее колебание меняет свою фазу на величину π при каждом переходе амплитуды двоичного сигнала из 1 в 0 и из 0 в 1. Этот пример фазовой манипуляции характерен для электрических и радиочастотных модемов. Иначе происходит манипуляция с фазами оптических сигналов.

Рис. 4.16. Поляризованные мультиплексированные (PM) волны от одного источника излучения

Рис. 4.17. Принцип формирования сигнала BPSK

При формировании оптического BPSK импульсы биполярного двоичного сигнала управляют непрерывным оптическим излучением лазера в MZM таким образом, что формируются оптические импульсы с чередованием фаз излучения 0 и π (рис. 4.18). При этом уровень мощности излучения в среднем сохраняется неизменным, что отражено на круговой диаграмме рис. 4.19.

Аналогичным BPSK является формат манипуляции DPSK, в котором каждый двоичный переход электрического сигнала 0 в 1 и 1 в 1 сопровождается изменением фазы несущего колебания на π (рис. 4.20). Этот пример, также как и для BPSK, характерен для электрических и радиочастотных модемов. Манипуляция фазы оптического сигнала выполняется в MZM для возможных форматов NRZ, RZ (CSRZ). В рассматриваемом ниже примере (рис. 4.21, 4.22, 4.23) используется двухкаскадный модулятор с MZM и логическая схема формирования сигнала DPSK.

175

Рис. 4.18. Формирование оптического сигнала в формате NRZ-BPSK

Рис. 4.19. Круговая диаграмма для BPSK

Рис. 4.20. Принцип формирования сигнала DPSK

В схеме модулятора предусмотрены все возможные форматы оптического сигнала (NRZ, RZ, CSRZ), которые достигаются выбором напряжения смещения и коэффициентом усиления электрических усилителей (до размаха сигнала 2Uπ).

176

Рис. 4.21. Структура модулятора SHF 5003 DPSK

(SHF Communication Technologies AG)

В логической схеме формирования модулирующего электрического сигнала формата DPSK в формирователе линейного сигнала (ФЛС) выделяется из входящего сигнала полутактовая частота (В/2), которая направляется в схему модулятора для формирования оптических импульсов первой ступенью MZM1. Полученные оптические импульсы чередуются с фазовыми состояниями 0, π. Логическая схема состоит из элемента «исключающий или» (суммирование по модулю два) и элемента задержки на один такт информационного потока (Т).

а

Рис. 4.22. Структура формирования электрических сигналов для двойного оптического модулятора DPSK – а

177

б

Рис. 4.22. Формирование модулирующего сигнала DPSK [58] – б

В результате суммирования по модулю два сигналов по входам 1(ak), 2(bk-1) (рис. 4.22, б, 4.23) формируется сигнал для манипуляции оптическими импульсами на выходе 3 (bk). Этот сигнал приобретает двуполярную форму после разделительного конденсатора и направляется к электрическому усилителю второй ступени MZM. На MZM2 происходит управление оптическими импульсами от ступени MZM1. В результате излучаемые импульсы получают прерывания в передаче низких логических уровней.

Рис. 4.23. Формирование оптического сигнала в формате RZ-DPSK

178

Использование различных форматов манипуляции приводит к формированию различных спектров оптических сигналов, представленных на рис. 4.24. В этом примере приведены данные по спектру для скорости передачи 43 Гбит/с. Как видно из графиков рис. 4.24 более узкий спектр оптического сигнала характерен для формата NRZ. Большая ширина спектра характерна для формата RZ. В формате CSRZ подавляется оптическая несущая частота. При этом спектральная эффективность остается в пределах не более 1 бит/с/Гц. При использовании поляризационного мультиплексирования (см. рис. 4.16) спектральная эффективность может достигать значения 2 бит/с/Гц. Формат рекомендован ITU-T (рек. G.680) к применению в некогерентных и когерентных системах на скоростях 40/100 Гбит/с в протяженных линиях благодаря высокой устойчивости к дисперсионным искажениям, о чем будет соответствующее разъяснение в последующих разделах.

Рис. 4.24. Спектры сигналов DPSK на выходе модулятора

с различными форматами оптических импульсов (NRZ, RZ, CSRZ) [56, 57]

Формирование сигнала с квадратурной фазовой манипуляцией предполагает предварительное кодирование (рис. 4.25) двоичной последовательности цифрового сигнала, при котором фаза несущей частоты может принимать че-

тыре состояния (0, π/2, π, 3π/2).

179

Рис. 4.25. Принцип формирования сигнала (D)QPSK

При формировании оптического сигнала могут реализовываться форматы NRZ, RZ, CSRZ. Пример схемы формирования фазовых позиций оптических импульсов формата NRZ представлен на рис. 4.26. Излучение Е0 от лазера CW проходит в два параллельных канала (Ik, Qk) с модуляторами MZM и фазовращателем π/2. Таким образом получаются два ортогональные оптические сигнала с осями фаз электрического поля Re(E) и Im(E):

.

Комбинации двоичных сигналов в каналах электрического управления модуляторами создают различный поворот результирующей фазы оптических импульсов, т. е. ϕk может стать π/4, 7π/4, 3π/4, 5π/4.

Рис. 4.26. Схема формирования фазовых позиций (D)QPSK [58]

180