Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

и увеличить оптическое отношение сигнал/шум (OSNR), что необходимо для современных форматов модуляции и больших дистанций без компенсации дисперсии.

Внедрение систем плотного спектрального уплотнения (мультиплексирования) связано прежде всего с волокнами G.655. Использование нескольких несущих и, соответственно, увеличение плотности мощности в сердцевине волокна привело к проявлению при передаче нескольких нелинейных эффектов (четырехволновое смешение, перекрестная фазовая модуляция, рассеяние Рамана, рассеяние Бриллюэна и др., рассмотрены ниже). Самое заметное их воздействие возникает в ООВ при значениях дисперсии, близких к нулю. Поэтому были разработаны оптические волокна стандарта G.655, оптимизированные для работы в «окне прозрачности» 1550 нм в системах с WDM. На этой длине волны такие волокна имеют небольшую (для поддержки высокоскоростных приложений), но отличную от нуля хроматическую дисперсию. Причем знак коэффициента хроматической дисперсии не имеет особого значения (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Характеристики дисперсии для сравнительной оценки волокон G.655, G.652, G.653

Реализовать конструкцию такого волокна – задача достаточно непростая. Используются сложные профили показателя преломления (треугольный на «пьедестале» с депрессированной оболочкой и др.). Сейчас лишь несколько ведущих производителей в мире стабильно выпускает волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF). Поэтому высокой остается и их стоимость. Однако возможность организации работы нескольких несущих по одному ООВ достаточно быстро окупает такие затраты.

31

В1996 г. ITU-T впервые стандартизировал этот тип ОВ. К 2000 г. в пределах Рекомендации были выделены три различных вида волокон G.655 – G.655A, G.655B, G.655C, – отличающиеся коэффициентом хроматической дис-

персии от 1 до 6 пс/(нм × км) и до 10 пс/(нм × км) и коэффициентом поляризационной дисперсии (в пределах 0,5–0,2 пс/км0,5). Последняя версия Рекомендации G.655 определяет еще два вида волокон – G.655D и G.655E, которые имеют стандартную хроматическую дисперсию также в диапазонах S и L (табл. 1.2).

Впоследнее десятилетие тип волокна с ненулевой смещенной дисперсией очень активно используется в ОК при построении транспортных сетей различных уровней с системами спектрального уплотнения. Волокна NZDSF лучше всего подходят для работы систем плотного волнового мультиплексирования (DWDM) в диапазоне C (1530–1565 нм) с оптическими усилителями. Есть потенциал для увеличения числа несущих DWDM за счет диапазонов S и L, а также для работы систем CWDM во всем диапазоне 1460–1625 нм.

Практически все новые кабельные линии имеют в своем составе хотя бы несколько волокон типа G.655 для будущего развития.

Современные одномодовые ОВ имеют обычно в диапазоне С положительный или отрицательный коэффициент хроматической дисперсии порядка

1...10 пс/(нм × км), а также коэффициент затухания в среднем порядка

0,2...0,25 дБ/км (на 1550 нм).

Волокна стандарта G.655 разновидности А разработаны специально для оптических транспортных сетей типа МЕТРО со спектральным мультиплексированием на ограниченом числе волн (около 20) диапазона С (1530–1565 нм) с интервалом между каналами 200 ГГц и ограниченной нелинейными эффектами волокна вводимой совокупной мощностью сигналов. Скорости передачи в этих каналах 10 Гбит/с и 40 Гбит/с для систем передачи SDH уровня STM 64 и STM 256.

Волокна стандарта G.655 разновидности B имеют повышенный коэффициент поляризационной модовой дисперсии (ПМД = 0,5пс/км0,5 ) и хроматической дисперсии (до 10 пс/нм × км на волне 1565 нм), определило ограничения на дальност передачи 400 км для STM 64/256 без использования процедур коррекци ошибок. При этом допускается большая вводимая мощность и более плотное расположение спектральных каналов (интервал между каналами 50 ГГц, 100 ГГц) в полосе С по причине повышенной дисперсии, которая снижает вероятность образования нелинейных помех.

Волокна стандарта G.655 разновидности С по своим характеристиками аналогичны волокнам G.655B, однако имеют пониженный коэффициент ПМД 0,2 пс/км0,5 и позволяют увеличить дистанции для организации оптических каналов с потоками на скоростях STM64/256 до 500 км и более без дополнительной коррекци ошибок.

Разновидность волона G.655D также предназначена для построения оптических транспортных сетей c DWDM, т. е. плотным спектральным мультиплексирование, но с расширенным спектром передачи в диапазоне волн 1460–1625 нм, характерным для волокон с устраненным «водяным пиком», включающем стандартные диапазоны S + C + L (165 нм). Такое спектральное расширение создает

32

возможности по применеию волокон с системами CWDM (до 8-ми каналов), где интервал между спектральными каналами составляет 20 нм ± 6–7 нм.

Для реализаци большей плотности размещения спектральных каналов (интервал между каналами 12,5 ГГц, 25 ГГц, 50 ГГц) также были разработаны волокна разновидности G.655E, как усовершенствованные волокна G.655D, но с большей величиной наклона характеристики хроматической дисперсии.

Разработка волокон стандарта G.656 (рис. 1.14) связана с перспективой создания оптических сетей, поддерживающих широкополосные оптические каналы на скорости 100 Гбит/с и суперканалы на скорости передачи до 1 Тбит/с. Волокна однозначно определены для режима DWDM с интервалами между волновыми каналами: 0,1 нм; 0,2 нм; 0,4 нм и 0,8 нм. Волокна схожи по характеристикам с волокнами G.655E, но отличаются меньшим диаметром поля моды (вместо 8–11 мкм, уменьшено до 7–11 мкм) и большей величиной положительной хроматической дисперсии в диапазонах S + C + L. Стандарт G.656 пока содержит только одну модификацию волокна, однако перспективным является расширеня спектра передачи за счет диапазона E (1360–1460 нм).

Системы передачи DWDM наибольшее развитие получили после 2001 г. с принятием стандартов на оптические сети OTN/OTH (рек. ITU-T G.709). Работы по повышению эффективности использования ресурсов полосы пропускания волоконных световодов проводились по трем направлениям: расширение оптических диапазонов до предельных (O + E + S + C + L + U, 1260–1675 нм); уменьшение спектрального интервала между каналами от 100 ГГц до 12,5 ГГц; применения сложных форматов кодирования оптических сигналов для сокращения спектра сигнала в полосе передачи канала при наращивании скорости передачи информационных потоков и подавлении мощности оптической несущей для уменьшения непроизводительной передачи оптических сигналов до порога нелинейных эффектов в волокне. При этом решались задачи выравнивания затухания в пределах отдельных диапазонов (оптический эквалайзинг частотнозависимыми подстраиваемыми оптическими аттенюаторами), совершенствовались средства разделения и объединения оптических сигналов на различных частотах, динамической компенсации дисперсии в устройствах цифровой обработки, точной перестройки по длине волны и мощности излучения одномодовых лазеров, интерливинговых развязок для снижения взаимных влияний спектральных каналов и т. д. В таких решения наиболее подходящими оказались волокна G.656.

33

Рис. 1.14. Характеристики волокон G.656

Современные волокна G.656 в расширенном диапазоне S–C–L обычно имеют положительный коэффициент хроматической дисперсии порядка 1...14 пс/(нм × км), а также коэффициент затухания порядка 0,2...0,25 дБ/км (диапазон С) и 0,25...0,3 дБ/км (в диапазонах S и L).

Важно подчеркнуть роль хроматической дисперсии при организации передачи спектральных каналов в одномодовых волокнах и при использовании средств компенсации дисперсии. В исследовании [12] показано воздействие хроматической дисперсии на величину коэффициента ошибок в спектральных каналах ВОСП-DWDM с различным канальным интервалом (полосой пропускания) на скорости передачи 100 Гбит/с в формате NRZ (рис.1.15). Недокомпенсация хроматической дисперсии или ее накопление в волокнах и других оптических компонентах приводит к быстрому снижению помехоустойчивости, вызванной линейными искажениями в полосе оптического канала. Чем больше полоса пропускания оптического канала, тем меньшее искажение формы оптических импульсов (затягивание фронта и среза оптического импульса) и меньше вероятность ошибки на приеме при одинаковом соотношении сигнал/шум (в приведенном эксперименте 32 дБ).

Рис. 1.15. Зависимость коэффициента ошибок от величины некомпенсированной хроматической дисперсии при различных спектральных интервалах оптического канала

34

Нелинейные свойства волоконных световодов также являются предметом детального анализа для выработки рекомендаций по использованию в широкополосных оптических сетях DWDM с каналами на скоростях от 40 Гбит/с и выше. Нелинейные свойства волокна достаточно хорошо изучены и определены [10] как паразитные, т. е. мешающие, ограничивающие явления для передачи информационных сигналов, так и рекомендуемые для применения, например, в рамановских усилителях или солитонных системах. Базовые решения по ограничениям волокон в нелинейном режиме вытекают из нелинейного уравне-

ния Шредингера NLSE (Non Linear Schrodinger Equation), которым описывается эволюция оптического поля в сердцевине волокна E(z, t):

Эффект Керра проявляется в зависимости показателя преломления сердцевины волокна от мощности вводимого излучения, который принято характеризовать коэффициентом нелинейности n2 (возможные значения от 2,0 × 10-20 до 3,5 × 10-20 м2/Вт [11]), точная оценка которого в настоящее время производится в рамках исследовательской комиссии 15 ITU-T. Коэффициент n2 связан с коэффициентом Керра γ следующим соотношением:

=.

эфф

Изменение показателя преломления в зависимости от интенсивности излучения может быть представлено простой формулой

= + I= + ,

эфф

где n0 показатель преломления в линейном режиме, Аэфф площадь волокна (от 55 до 120 мкм2), соответствующая полю моды, в которой сосредоточена основная часть оптической энергии, характеризуемой мощностью P, соотношение P/Аэфф называется интенсивностью, обозначаемой индексом I. Представляет интерес оценка каждого из видов ОВ на предмет максимальной допустимой мощности оптического излучения P для передачи информационных сигналов, при которой роль нелинейных эффектов еще может быть сопоставима по помехам и искажениям, образующимся в оптических передатчиках, приемниках, оптических усилителях и коммутаторах. Такую обобщенную оценку приводит ITU-T в рекомендации G.663 (4/2011). Она представлена в табл. 1.4, где рассматриваются четыре нелинейных эффекта: фазовая самомодуляция SPM (Self-Phase Modulation) и кросс-фазовая модуляция XPM (Cross-Phase Modulation); четыре-

хволновое или четырехфотонное смешивание FWM (Four-Wave Mixing); стиму-

35

лированное Брюэлленовское рассеяние SBS (Stimulated Brillouin Scattering); стимулированное Рамановское рассеяние SRS (Stimulated Raman Scattering). В таблице обозначены причины эффектов, краткие характеристики проявления нелинейных эффектов, критические величины мощностей и последствия эффектов для передачи информационных сигналов. Однако приведенные характеристики нелинейных эффектов не являются достаточными для точных (насколько это возможно и необходимо) оценок возможностей систем передачи с DWDM разной плотности (12,5 ГГц, 25 ГГц, 50 ГГц, 100 ГГц, 200 ГГц и т. д.) размещения спектральных каналов в диапазонах от 1260 нм до 1625–1675 нм.

Табл. 1.4. Нелинейные эффекты в стандартных волоконных световодах

Продолжениетабл.1.4

В рекомендации G.692 (10/1998) определена расчетная формула для оценки допустимой мощности передачи в одном канале системы с WDM исходя из максимальной совокупной мощности всех спектральных каналов, которая, в свою очередь определена для каждого типа волокна исходя из последствий воздействия нелинейных эффектов на сигналы:

где Moch число оптических каналов (ОСh), PMoch нормируемая величина уровня совокупной мощности всех каналов (дБм), например, для волокон SMF-28ULL (Ultra-Low-Loss) допустимый уровень мощности вводимой в волокно составляет +20 дБм (+17 дБм для каждого из диапазонов C и L). Таким образом наращивание числа оптических каналов в системе должно привести к автоматическому снижению мощности каждого из них. Снижение мощности канала приведет к ухудшению соотношения сигнал/спонтанный шум, что потребует сокращения длины участка передачи для всех каналов или размещения дополнительного оптического усилителя. На протяженных участках потребуется установка нескольких усилителей, которые внесут дополнительные оптические шумы спонтанной эмиссии.

Ряд примеров конкретных оценок нелинейных ограничений в различных волоконных линиях (т. е. стандартов G.652-G.656) приводится в [5, −−13]. На рис. 1.16 представлен пример ограничения уровня мощности одного оптическо-

37

го канала в многоканальной системе с числом каналов от 10 до 100, различным интервалом между каналами (от 50 до 200 ГГц). Рассмотрены ограничения для нелинейного эффекта рамановского рассеяния SRS.

Рис. 1.16. Ограничения для мощности оптического канала, обусловленные эффектом SRS в волокне G.655

Другой пример ограничений, вызванных нелинейным эффектом смешения FWM, представлен в табл. 1.5, где ограничение уровня мощности оптического канала связано со спектральным интервалом, числом каналов и величиной хроматической дисперсии.

Табл. 1.5. Ограничения уровня мощности для одного оптического канала (из 8, 16 и 32 каналов) для оценки эффекта FWM на длине линии 80 км при вероятности ошибки на приеме канала 10-13, формат сигнала NRZ

На рис. 1.17 представлена обобщенная оценка по битовым ошибкам для нелинейных эффектов в волоконных световодах.

Рис. 1.17. Обобщенная оценка ограничений по уровню мощности одного спектрального канала при цифровой передачев допустимых пределахбитовых ошибок

Область, ограниченная верхней и нижней линиями, является предметом исследования для получения оптимальных с точки зрения битовых ошибок уровней для мощности оптических каналов DWDM, скорости передачи битовых посылок, формата цифровых данных, вида кодирования оптических импульсов (по интенсивности, по фазе), влияния дисперсионных искажений (хроматической и поляризационной дисперсий), применения когерентного детектирования (гомодинного и гетеродиного).

Типовым значением верхнего предела принято считать битовые ошибки 10-3…10-4. Такие коэффициенты ошибок допустимы в оптических каналах, если используются коды упреждающей коррекции ошибок FEC (Forward Error Correction), например, коды Рида-Соломона – RS (Reed-Solomon), а на скоро-

стях передачи 40/100 Гбит/с применение гомодинного когерентного приема. Типовыми значениями нижнего предела принято считать битовые ошибки

от 10-10 до 10-14, которые определяются для оптических каналов с различными скоростями передачи от 1000 Мбит/с до 100 Гбит/с. При этом не обязательно предусматривается использование кодов FEC и когерентного приема.

Перспективный путь преодоления нелинейных ограничений в одномодовом волокне состоит в разработке и применении волокон типа MCF (Multicore fiber – многоосновых волокон), которые содержат от 2 до 24 и более сердцевин в единой оболочке [11]. Каждая из сердцевин имеет характеристики близкие к волокнам G.652 (рис. 1.18), что перспективно и для роста скорости.

39

Рис. 1.18. Конструкция и характеристики MCF с 7 оптическими основами

Контрольные вопросы

1.Что принято понимать под системой передачи?

2.Что входит в секцию оптической передачи?

3.Что представляет собой линейный тракт ВОСП?

4.Какие функции выполняют оптические конверторы?

5.Что такое групповой тракт ВОСП?

6.Что называют каналом передачи?

7.Что такое линия передачи?

8.Что такое транспортная сеть?

9.Какие функции выполняет передающий оптический модуль?

10.Какие функции выполняет приемный оптический модуль?

11.Какие компоненты входят в состав структуры многоканальной ВОСП-

WDM?

12.Какие технологии цифрового мультиплексирования используются в

ВОСП?

13.Чем принципиально отличаются ВОСП некогерентного и когерентного

типа?

14.В чем состоят преимущества когерентных ВОСП?

15.Какие предусмотрены форматы модуляции в ВОСП?

16.Какой формат модуляции и вид приема обеспечивают максимальную чувствительность приемника?

17.Чем отличаются волоконные световоды G.652a, b и G.652c, d ?

40