Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

В соотношениях 1.2 и 1.3 приведены обозначения: η – квантовая эффективность фотодетектора; е – заряд электрона; h – постоянная Планка; f – линейная оптическая частота; Pc – мощность информационного сигнала; P0 – мощность гетеродинного излучения.

Если использовать гетеродинный прием (|ω0 – ωc| > 0), тогда на выходе фотоприемного устройства устанавливается полосовой фильтр, настроенный на промежуточную частоту (ПЧ), и имеющий полосу пропускания для информационного сигнала. В этом случае мгновенное значение тока промежуточной частоты (переменная составляющая, т. к. постоянные составляющие отсекаются фильтром) будет равно

где А = 2G × S(P0 × Pc)0,5, т. о. сигнальный ток ПЧ зависит от амплитуды, частоты и фазы несущей. Поэтому если любой из этих параметров модулируется информационным сигналом, то для демодуляции сигнала может быть использован любой хорошо известный метод радиоприема.

Если использовать гомодинный прием, то потребуется настроить частоты излучателей для выполнения равенства (|ω0 – ωc| = 0) и синхронизировать фазы.

Демодулированный сигнал в этом случае будет иметь на выходе фотоприемного устройства спектр, который сдвинут в область низких частот (область информационного сигнала).

Фототок на выходе фотодетектора определяется выражением

Если пренебречь постоянной составляющей, то на выходе фильтра низких частот будет получен сигнальный ток

iс(t) = 2G × S(Pc × P0)0,5cos[φ0 – φc(t)] = Аcos[φ0 – φc(t)]. (1.6)

Таким образом при гомодинном приеме можно модулировать амплитудную составляющую, например, импульсной двоичной последовательностью со случайно чередующимися «1» и «0» ASK (Amplitude-shift Keying) при условии φ0 = φc и также фазовую составляющую φc (π, π/2, π/4 и т. д.), например, той же двоичной последовательностью PSK (Phase-shift Keying) при φc = 0 или ее фиксированном значении. Также возможна комплексная амплитудно-фазовая модуляция. При гетеродинном приеме также возможна частотная модуляция импульсными посылками FSK (Frequence-shift Keying) (рис. 1.8).

21

Рис. 1.8. Примеры форматов оптической модуляции

При когерентном приеме выигрыш перед прямым детектированием заключается в множителе P0, который позволяет в много раз увеличить величину фототока, т. е. повысить энергетический потенциал системы (рис. 1.9) [6, 8]. Как видно из рисунка, числовая оценка выигрыша от применения когерентного приема базируется на соотношении сигнала к помехам SNR (Signal Noise Ratio).

Рис. 1.9. Оценка выигрыша когерентного приема в оптической системе при заданных значениях отношения сигнал/шум (SNR)

Составляющие шумов в оптическом приемнике часто выражают в виде эквивалентных усредненных входных шумовых токов: дробовый шум полезного сигнала (iс2); дробовый шум фонового излучения (iф2); дробовый шум темнового тока (iтемнов2); дробовый шум излучения гетеродина (i02); тепловой шум

22

электронный цепей (iт2). В когерентных приемниках при гомодинном и гетеродинном приеме заметным источником шумов являются так называемые лазерные фазовые шумы, обусловленные флуктуацией фазы излучения когерентного источника. Эти флуктуации тем меньше, чем меньше ширина спектра излучения лазера (в реальных системах от единиц кГц до десятков МГц) [7, 8].

Полная дисперсия эквивалентных шумовых токов без учета фазовых шумов равняется при приеме единичной посылки сигнала:

При отсутствии сигнального излучения:

Если мощность излучения местного гетеродина много больше мощности принимаемого сигнала, то следует считать флуктуации шума с нормальным законом распределения:

При равновероятном приеме информационных «1» и «0» порогом принятия решения можно считать А/2. Также можно воспользоваться табулированными значениями интеграла вероятности для определения вероятности ошибки:

При гомодинном приеме требуемая полоса частот в отличие от гетеродинного приема уменьшается вдвое, что позволяет получить выигрыш 3 дБ:

В [8] теоретическими расчетами показано, что между коэффициентом ошибок и числом сигнальных фотонов, падающих на фотодетектор, существует прямая зависимость (табл. 1.1), где также большую роль играет выбранный вид модуляции оптической несущей частоты.

23

Табл. 1.1. Чувствительность при различных видах синхронного приема

Гомодинный прием в современных оптических высокоскоростных системах является основным из-за более высокой чувствительности, однако на практике требует более жесткий частотный, фазовый и поляризационный режимы стабилизации квантовых генераторов и применение автоподстройки частоты, фазы и поляризации на приемной стороне, что достигнуто уже в настоящее время благодаря созданию новой элементной базы. Кроме того, выигрыш гомодинного приема позволяет реализовать не только модуляцию оптического излучения с двумя уровнями передачи сигнальной мощности, но и перейти к фазовым методам многопозиционной модуляции оптических сигналов (DPSK, QPSK, 8PSK, 16PSK) и многоуровневым методам модуляции интенсивности (16QAM, 64QAM, 256QAM). Это, в свою очередь, позволяет создавать оптические сигналы с управляемой полосой частот и наращивать скорости передачи информации в оптических каналах.

1.3.Волоконные световоды для когерентных систем передачи

иих характеристики. Ограничения возможностей передачи сигналов

вволоконных световодах

Втехнике когерентных систем передачи используются одномодовые оптические волокна (ООВ) с хорошо известными характеристиками [9], соответ-

ствующие международным стандартам ITU-T: G.652(a, b, c, d), G.653, G.654, G.655(a, b, c, d, e), G.656(a, b). G.652 – характеристики одномодового оптического волокна SMF (Single Mode Fiber) или NDSF (Non-Dispersion Shifted Fiber)

икабеля. G.653 – характеристики одномодового оптического волокна и кабеля со смещенной дисперсией ZDSF (Zero Dispersion Shifted Fiber). G.654 – харак-

теристики одномодового оптического волокна и кабеля со смещенной длиной волны отсечки. G.655 – характеристики одномодового оптического волокна и кабеля с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF. G.656 – характеристики одномодового оптического волокна и кабеля с ненулевой дисперсией для ши-

24

рокополосных транспортных сетей (также NZDSF). Для всех одномодовых волокон определены волны отсечки. Минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду, называется длиной волны отсечки λсс. Этот параметр характерен для одномодового волокна. Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. В этом случае появляется дополнительный источник дисперсии — межмодовая дисперсия, ведущий к уменьшению полосы пропускания волокна.

Последняя редакция Рекомендации G.652 (2005 г.) содержит параметры и характеристики четырех типов одномодовых ОВ, несколько отличающихся по свойствам и, соответственно, по назначению (табл. 1.2). В частности, для волокон типов G.652C и G.652D как раз характерен «сглаженный водный пик» (рис. 1.10). Так же волокна отличаются диаметром поля моды MFD (Mode Field Diametr), где сосредоточено до 87 % энергии оптического излучения, и что необходимо для оценки совместимости волокон.

Современные одномодовые ОВ имеют ограничивающие факторы для передачи оптических сигналов: коэффициент хроматической дисперсии порядка 2–3,5 пс/(нм × км) на длине волны 1310 нм и 17–18 пс/(нм × км) на длине волны 1310 нм; коэффициент поляризационной модовой дисперсии от 0,5 до 0,1 пс/√км ; коэффициент затухания – соответственно 0,32–0,38 дБ/км (1310 нм) и 0,17–0,25 дБ/км (1550 нм); длина волны отсечки около 1250 нм.

Табл. 1.2. Характеристики волокон по стандартам ITU-T

Различия в применении волокон G.652 четырех видов рассмотрены ниже. Волокна G.652A находят сейчас самое широкое применение. Они предназначены для работы в составе оптического кабеля (ОК) на транспортных сетях связи для поддержки систем передачи SDH до STM-16 (2,5 Гбит/с), ограничен-

25

но STM-64 (10 Гбит/с) и STM-256 (40 Гбит/с) для внутристанционных соединений. Кроме того, относительно низкая стоимость позволяет их активно использовать для построения оптических сетей доступа, например, пассивных оптических сетях PON (Passive Optical Network) при скорости передачи до 2,5 Гбит/с, а также в локальных сетях для поддержки Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet для внутренних и кампусных (до 40 км) линий.

Волокна G.652B отличаются более низкими коэффициентами затухания и поляризационной дисперсии, что позволяет использовать их на транспортных сетях более высокоскоростных систем передачи – до STM-64, OTU-2 (10 Гбит/с) и STM-256, OTU-3 (40 Гбит/с) для внутристанционных и межсетевых интерфейсов. Также возможно использование в системах с WDM для передачи потоков до STM-64, OTU-2 (10 Гбит/с) при ограниченном числе несущих в диапазоне длин волн 1550 нм (диапазон C).

Волокна G.652C аналогичны виду G.652A, однако имеют подавленный водный пик на 1383 нм, благодаря чему их можно использовать, кроме всех указанных применений, еще и в диапазоне Е (1360–1460 нм).

Волокна G.652D подобны виду G.652В, но также имеют подавленный водный пик на 1383 нм и могут быть использованы в диапазоне Е (1360–1460 нм), а системы WDM – в расширенном диапазоне длин волн 1360–1565 нм (диапа-

зоны E, S, C).

Рис. 1.10. Характеристики волокон G.652 (NDSF)

Максимум дальности и широкополосности обеспечивают волокна G.653. Практика использования ОК с одномодовыми волокнами в 1980-х гг. показала не самые лучшие показатели работы во втором (1310 нм) и третьем (1550 нм) «окне прозрачности» (оптическом диапазоне). На длине волны 1310 нм

26

ООВ имели минимальную дисперсию, а, следовательно, и максимальную пропускную способность, в то время как на длине волны 1550 нм – минимальный коэффициент затухания (около 0,15 дБ/км) и, как результат, максимальную длину регенерационного участка ВОЛС. Поэтому были разработаны волокна с более сложными профилями показателя преломления (треугольный, трапециевидный и др.), позволяющие сместить спектральную характеристику дисперсии таким образом, чтобы ее минимальное значение находилось в диапазоне 1550 нм. Используя подобные ООВ со смещенной дисперсией (DSF), можно было обеспечить максимальную широкополосность и дальность связи в одном «окне прозрачности».

Этот тип волокон был стандартизирован ITU-T впервые в 1988 г. Свое распространение они получили в основном на североамериканских магистральных сетях большой протяженности. В европейских странах, где нет особой потребности в таких масштабах, эти ООВ почти не применялись из-за явно более высокой стоимости вследствие сложности изготовления.

В последнее время, в связи с внедрением систем WDM, возникла проблема их использования с волокнами типа G.653. Оказалось, что при отсутствии дисперсии в диапазоне С практически невозможно достичь спектрального уплотнения из-за сильного влияния нелинейных эффектов. В какой-то степени выход был найден: системы WDM с неравномерным шагом несущих, не соответствующим стандартной сетке частот (рекомендация ITU-T G.692, G.694 и др.).

Последняя версия рекомендации G.653 (2006 г.) рассматривает два вида одномодовых ОВ этого типа (табл. 1.2). Более поздняя разработка G.653В, в частности, содержит не просто фиксированное значение коэффициента хроматической дисперсии, а еще и две ограничивающие кривые (рис. 1.11).

Современные одномодовые G.653 ОВ имеют обычно коэффициент хроматической дисперсии порядка 2...3,5 пс/(нм × км), а коэффициент затухания 0,19...0,25 дБ/км на длине волны 1550 нм. Несмотря на свою высокую стоимость, они продолжают оставаться хорошим средством построения участков сетей значительной протяженности для передачи больших объемов информации.

Волокна G.653A обычно находят свое применение на транспортных сетях связи на участках с большой протяженностью для поддержки систем передачи SDH до STM-64 (10 Гбит/с) и STM-256 (40 Гбит/с) для внутристанционных соединений. Также возможно их использование в системах с WDM для передачи потоков до STM-64 (10 Гбит/с) с неравномерным разносом несущих для работы в диапазоне длин волн вблизи значения 1550 нм (диапазон C).

Волокна G.653B аналогичны виду G.652A, однако, за счет уменьшенной поляризационной модовой дисперсии (ПМД), могут применяться и для систем SDH STM-256 (40 Гбит/с) для ВОЛС протяженностью более 400 км (табл. 1.3).

27

Рис. 1.11. Характеристики волокон G.653

Поскольку для таких волокон коэффициент хроматической дисперсии стандартизирован в диапазоне длин волн от 1460 нм до 1625 нм, то возможно использование систем с разреженным волновым мультиплексированием (CWDM) в расширенном диапазоне S–C–L. Однако для скорости передачи свыше 100 Гбит/с ПМД может стать непреодолимым пределом, если не применить принципиально новые волокна с минимальной ПМД и иными форматами модуляции, например, DQPSK в системе с оптическим каналом OTU-4 (112 Гбит/с) оптической транспортной иерархии.

Табл. 1.3. Ограничения волоконных световодов для ПМД при внешней модуляции оптического излучения форматом сигнала без возвращения к нулю на тактовом интервале NRZ (Non return to zero)

Через моря и океаны обеспечивают связь волокна G.654.

Появление этого типа волокон связано с прокладкой первых морских и трансокеанских ВОЛС в середине 1980-х гг. В таких линиях требовалось, в первую очередь, обеспечить очень большие длины регенерационных участков, т. е. минимизировать коэффициент затухания. Для этого в качестве сердцевины использовался не легированный оксидом германия кварц (как это делается в

28

волокнах G.652), а чистый кварц. А необходимая разность показателей преломления сердцевины и оболочки обеспечивалась добавлением фтора в кварцевый материал оболочки ООВ. Характерно, что дисперсия при этом не минимизировалась в районе 1550 нм (как в волокнах G.653). Это связано с тем, что не было смысла применять на длинных линиях дорогостоящие волокна, да и потребности в передаче по океанским кабелям сверхскоростных потоков тоже особой не было.

Впервые ITU-T подготовил рекомендацию G.654 поэтому типу ООВ еще в 1988 г. Тогда она называлась «Характеристики одномодового оптического волокна и кабеля с затуханием, минимизированным на длине волны 1550 нм».

Еще одной особенностью волокон G.654 является смещение длины волны отсечки поближе к несущей 1550 нм, а именно на значении 1530 нм (рис. 1.12). Это обеспечивает более благоприятный электродинамический режим, при котором наибольшая часть передаваемой энергии сосредотачивается в сверхчистой кварцевой сердцевине. Во всяком случае, с 2000 г. в названии Рекомендации G.654 вместо минимизации затухания стала фигурировать смещенная дли-

на волны отсечки CSF (Cut-off Shifted Fibre).

С началом внедрения систем со спектральным уплотнением оказалось, что волокна G.654 достаточно легко позволяют модернизировать системы с одной несущей до систем с WDM. Ведь в диапазоне 1550 нм они имеют достаточно большую дисперсию при малом наклоне кривой, и не очень опасаются нелинейных эффектов. Тем не менее, хроматическая дисперсия в ОК на таких волокнах великовата для передачи без ее компенсации потоков 10 Гбит/с и выше на отдельных несущих. Еще одним ограничением является невозможность использования в системах WDM на волокнах G.654 спектральных диапазонов O, E и S из-за слишком большой длины волны отсечки.

Рис. 1.12. Характеристики волокон G.654

29

В настоящее время рассматриваемые одномодовые ОВ достаточно активно используются в океанских и морских (реже – протяженных наземных) ВОЛС, как с оптическими усилителями и регенераторами, так и без них, как с системами WDM (при небольшом количестве несущих), так и без них. Возможно, в перспективе для расширения возможностей WDM с волокнами этого типа будет задействован диапазон U (1625–1675 нм).

Последняя редакция Рекомендации G.654 (2006 г.) содержит параметры и характеристики трех различных типов одномодовых ОВ (табл. 1.2).

Современные одномодовые ОВ со смещенной длиной волны отсечки обычно имеют на длине волны 1550 нм коэффициент хроматической дисперсии порядка 18...20 пс/(нм × км) и коэффициент затухания 0,16...0,18 дБ/км.

Волокна G.654A находят применение, в первую очередь, в подводных ОК для передачи по морским и трансокеанским линиям потоков до STM-16 (2,5 Гбит/с) или до STM-64 (10 Гбит/с) с ограничением длины из-за хроматической дисперсии. Также они могут применяться в системах с WDM в диапазонах С и L.

Волокна G.654B имеют параметры, а, соответственно, и возможности применения, сходные с G.654A. Однако больший диаметр модового поля предполагает большие возможности использования их совместно с подводными оптическими усилителями. Кроме того, более жесткие требования к поляризационной дисперсии позволяют использовать эти волокна для передачи потоков STM-64 (10 Гбит/с) или STM-256 (40 Гбит/с) и на значительные расстояния, при условии компенсации хроматической дисперсии.

Волокна G.654C аналогичны виду G.654A, однако благодаря жестким требованиям к поляризационной дисперсии расширяют возможности своего использования для передачи потоков с большей скоростью (до 40 Гбит/с) и на большие расстояния, при условии компенсации хроматической дисперсии.

Из новостных сведений о развитии телекоммуникаций, которые публикаются на порталах «Русской кабельной компании», интернет издания «Технологии и средства связи» и других, от 2014 г. сообщалось, что компания OFS (разработчик, производитель и поставщик инновационных продуктов для волокон- но-оптических сетей) представила волокно типа TeraWave в современном, улучшенном исполнении, соответствующее рекомендации МСЭ-T G.654, раз-

работанное для когерентной передачи на скоростях 100 Гбит/с и 400 Гбит/с и выше в наземных магистральных сетях связи. Волокно TeraWave позволяет пе-

редавать сигнал с большей скоростью и на более протяженные расстояния, с большим числом длин волн, без регенерации сигнала, чем предшествовашие разработки. Волокно TeraWave представляет собой сочетание большой эффективной площади передачи сигнала, улучшенных характеристик каблирования и снижение затухания. Эти преимущества улучшают параметры когерентной передачи, такие как высокую спектральную эффективность на скорости 100 Гбит/с и 400 Гбит/с, а за счет большей на 50 % эффективной площади по сравнению с G.652.D, волокно TeraWave значительно уменьшает нелинейные искажения для когерентной передачи, позволяя повысить вводимую мощность

30