НАУКОВО-ІНЖЕНЕРНИЙ ЦЕНТР ЛІНІЙНО-КАБЕЛЬНИХ СПОРУД
252110, Україна, Київ-110, вул.
Солом’янська, 7а, а/с 814, тел.: (044)
271-78-97, факс: (044) 276-8031
E-mail: katok@ukrpack.net
В. Б. Каток, М. О. Котенко, Л. І. Нетудихата О. Б. Омецінська
Анотація
Розглянуто методи компенсації дисперсії в існуючих ВОЛЗ на одномодовому волокні. Приводяться характеристики компенсаторів дисперсії на DCF та FBG і схеми побудови лінійних тракті з їх використанням.
Вступ
Сьогодні в Україні, як і в усьому світі, все гостріше постає проблема підвищення швидкості передавання інформації по волоконно-оптичним лініях зв’язку (ВОЛЗ). Це, насамперед, пов’язано з бурхливим розвитком мережі Internet, яка зараз використовується не тільки для передавання власне даних, але і передавання телефонних розмов, зображень, MPEG-аудіо, відео (ІР-телефонія, мультимедіа, відеоконференції). Розвивається також і мережа цифрового телебачення, що потребує швидкості передавання близько 10 Мбіт/с (для одного каналу телебачення).
Для вирішення проблеми підвищення швидкості передавання створюються нові технології, зокрема солітонні лінії зв’язку та технологія мультиплексуваня за довжиною хвилі (WDM), для якої створене оптичне волокно з ненулевою дисперсією (NZDSF) в робочій смузі довжин хвиль (Рекомендація Міжнародного Союзу Електрозв’язку G655). Але ці рішення потребують чималих капіталовкладень в будівництво нових високошвидкісних ліній зв’язку. Між тим, по всьому світу прокладено десятки мільйонів кілометрів звичайного одномодового волокна, яке отримало назву стандартного (SF). Це волокно потенційно може передавати сигнали зі швидкостями близько кількох терабіт на секунду. Однак, на сьогодні не існують як електричні елементи, здатні сформувати відповідні високочастотні сигнали, так і модулятори, які можуть промодулювати оптичну несівну цим сигналом, і таким чином, немає можливості використовувати часове мультиплексування каналів (TDM) для передавання на швидкостях ~ 100 Гбіт/с.
Існуючі системи передавання працюють зі швидкостями до 10 Гбіт/с. На таких швидкостях суттєвою стає проблема дисперсії сигналів в лінійному тракті ВОЛЗ. Особливо це відчутно в третьому вікні прозорості (1,55 мкм), тому що довжини регенераційних або підсилювальних дільниць при цьому становлять близько 100 кілометрів. Діапазон довжини робочих хвиль в околі 1,55 мкм має переваги порівняно з іншими діапазонами завдяки низькому загасанню та існуванню підсилювачів на волокнах, легованих ербієм (EFDA), які працюють саме в цьому діапазоні. При використанні EFDA відбувається підсилення сигналу без корекції його форми, яка спотворюється через дисперсію. Тому необхідно, щоб дисперсія в лінійному тракті була якомога меншою. Для SF-волокна дисперсія в діапазоні 1,55 мкм є значною і становить від 15 до 20 пс/(км? нм). Але якщо застосувати пристрої компенсації дисперсії (ПКД), то стає можливим суттєве підвищення швидкості передавання сигналів і навіть використання EFDA та технології WDM (за умови використання ПКД з відповідними характеристиками).
Причини розширення світлових імпульсів в оптичному волокні та дисперсійні характеристики волокна
Дисперсія – це розширення імпульсу в часі внаслідок його проходження через оптичне волокно. Розширення імпульсів, що передаються щільним пакетом, призводить до перекриття імпульсів в часі (міжсимвольної інтерференції). Це перекриття ускладнює відновлення імпульсів на приймальному кінці, тобто збільшує коефіцієнт помилок, що інтегрально характеризує якість роботи ВОЛЗ.
В одномодових ОВ розповсюджується лише одна LP01-мода в одному з двох взаємноортогональних станів лінійної поляризації з характерною для цієї моди залежністю b (l ) постійної поширення b від довжини хвилі l . Вектори напруженостей електричного та магнітного полів поширюваних вдовж осі z світловоду хвиль мають множник exp(iw t ± ib z), де l = 2p с/w , а с – швидкість світла у вакуумі. Розширення імпульсів, зумовлене скінченним значенням s s[нм] спектральної ширини джерела випромінювання, визначається питомою хроматичною дисперсією волокна D[пс/(км? нм)] в межах цієї моди. Хроматична дисперсія в свою чергу поділяється на три складові: матеріальну, хвилеводну та профільну. Матеріальна дисперсія (рис. 1 а) зумовлена нелінійністю спектральної залежності показника заломлення скла, з якого виготовлене волокно, а хвилеводна дисперсія (рис. 1 б) – визначається хвилеводними властивостями світловодної структури. Профільна дисперсія спричинена спектральною залежністю профілю показника заломлення волокна і складає невелике значення.
Рис. 1 — Залежність питомої хроматичної дисперсії стандартного одномодового волокна (синя лінія) та її складових від довжини хвилі
За малих значень хроматичної дисперсії додатково слід враховувати поляризаційну модову дисперсію (PMD), зумовлену відмінністю групових швидкостей для двох станів поляризації основної моди; неоднаковість групових швидкостей є наслідком відхилення геометрії волокна від ідеальної форми та інших причин.
Типи компенсаторів дисперсії та їх загальні характеристики
Для компенсації дисперсії частіше всього використовуються пасивні оптичні компоненти, хоча є пропозиції використовувати і активні пристрої, наприклад “чірповані” оптичні передавачі. Окрім цього, при побудові повністю оптичних мереж зв’язку потрібні динамічні компенсатори дисперсії, тобто компенсатори, які можуть змінювати внесену дисперсію потрібним чином.
Існує низка пристроїв, що здатні компенсувати дисперсію в лінійному тракті ВОСП:
Найбільш інтенсивні дослідження з питання виготовлення та практичного використання ПКД провадяться для волоконних компенсаторів та “чірпованих” волоконних решіток (Саутґемптонським університетом, фірмами Bell Labs., Sumitomo, Corning, Photonics та іншими).
Основні характеристики компенсаторів дисперсії є:
[пс/(нм·дБ)];Волоконні компенсатори дисперсії
DCF являє собою відрізок оптичного волокна зі складним профілем показника заломлення. Вірний вибір профілю дозволяє отримати потрібні дисперсійні властивості та якомога менше загасання. DCF в порівнянні з іншими видами компенсаторів дисперсії має наступні переваги:
Остання перевага дозволяє використовувати DCF у системах з WDM. Але в цьому випадку необхідний контроль нелінійних явищ, що можуть виникати в DCF за рахунок високої щільності потужності. Остання виникає у DCF внаслідок малого діаметра серцевини компенсуючого волокна та високої світлової потужності, спричиненої мультиплексуванням окремих незалежних оптичних потоків в загальний потік.
Оскільки хроматична дисперсія систематично накопичується зі збільшенням довжини волокна з коефіцієнтом пропорційності D(l s), де l s – центральна довжина хвилі джерела випромінювання, то її можна компенсувати приєднанням сегменту компенсуючого волокна, що має питому хроматичну дисперсію DDCF(l s) [пс/(нм·км)], протилежну за знаком до її величини D(l s) в SF-волокні. Компенсуюча дисперсія DCF складає величину s кд(l s) = DDCF(l s)·LDCF, пс/нм. Середньо-квадратичне розширення імпульсу після проходження ним довжини L SF-волокна та довжини LDCF компенсуючого дисперсію волокна (LDCF<<L) матиме значення
s (l s) = s s (L·D(l s)+ s кд(l s)), пс,
де e Dce >>D
При поширенні по SF-волокну мультиплексного WDM сигналу у вікні прозорості 1,55мкм слід так підібрати профіль показника заломлення DCF в поперечному перерізі волокна, матеріал серцевини і оболонки та радіус серцевини, щоб забезпечити рівномірну компенсацію накопиченої SF-волокном дисперсії в усьому діапазоні довжин хвиль 1530нм<l <1560нм. При цьому величина DDCF та кут нахилу кривої DDCF (l ) не є довільними, а задовольняють цілком певному співвідношенню у вікні прозорості 1,55 мкм. Методику розрахунку хроматичної дисперсії для волокон з довільним профілем показника заломлення можна знайти в монографії [1]. На рис. 2 показано спектральну залежність питомої хроматичної дисперсії для SF-волокна (крива 1) та волокон, що компенсують дисперсію при роботі SF-волокна відповідно з одним каналом передавання (крива 2) та з WDM-сигналом (крива 3). Для DCF вказані відповідні профілі показника заломлення (згідно розробкам фірми Sumitomo).
Рис. 2 — Залежність хроматичної дисперсії стандартного одномодового волокна (1), DCF – волокна для різних профілів показника заломлення (2, 3) від довжини хвилі
Для компенсації дисперсії можна використовувати LP11-моду. В цьому випадку вдається отримати досить велике значення внесеної дисперсії (близько 350 пс/(км· нм)), і остаточна дисперсія у тракті з компенсацією не перевищує значення 0.5 пс/(км· нм) [2]. Діаметр серцевини волокна DCF становить 6 мкм, а відносна різниця показників заломлення серцевини та оболонки D = 2%.
При застосуванні DCF, яке працює на моді LP11, необхідно використовувати конвертори мод. Структурна схема модуля, що компенсує дисперсію на LP11-моді, зображена на рис. 3. Однак, такий спосіб компенсації дисперсії пов’язаний з певними труднощами практичної реалізації конвертора мод, хоча і має наступні переваги в порівнянні із звичайним DCF:
Конструктивно сам пристрій компенсатора на DCF виконується у вигляді котушки з волокном, яке компенсує дисперсію; до кінців цього волокна методом зварювання під’єднуються два відрізки SF-волокна з роз’ємами. Вся конструкція поміщається в герметичний бокс.
Рис. 3 — Структурна схема модуля ПКД, який працює на LP11-моді
Компенсатори дисперсії на чірпованих Брегівськіх решітках
Компенсатор дисперсії на чірпованій (зі змінним кроком) Брегівській решітці конструктивно являє собою короткий відрізок волокна, вдовж якого посередньо періодичної зміни показника заломлення серцевини сформовано аперіодичну решітку. Зміна кроку решітки здійснюється за лінійним законом.
Для FBG є характерним:
Принцип дії FBG з лінійною зміною кроку пояснюється рисунком 4. У такій періодичній структурі моди, що поширюються в напрямку z, пов’язані одна з одною. Енергія моди, яка поширюється в прямому напрямку, в процесі розповсюдження переходить в енергію моди, що розповсюджується в зворотному напрямку. Це відбувається тоді, коли для довжини розповсюджуваної хвилі виконується умова Брега
l b = 2nеф L (z),
де nеф – ефективний показник заломлення, L (z) – період дифракційної решітки, який залежить від z. Таким чином, умова Брега змінюється вздовж координати z по всій довжині решітки. Чим більша довжина решітки, тим ширший діапазон хвиль, що підпадають під умову Брега. Для аналізу фізичних процесів в FBG та для розрахунку її параметрів використовують модель зв’язаних мод [3].
Рис. 4 — Принцип дії чирпованої волоконної брегівської решітки (l 3 < l 2 < l 1)
Значення дисперсії у вікні прозорості 1,55 мкм, що її вносить FBG, можна знайти наближено зо формулою [4]
s кд(l ) = 2nефLр/(cD l ),
де с – швидкість світла у вакуумі, Lр – довжина решітки, D l – ширина смуги пропускання решітки.
Довжини серійно виготовлюваних сьогодні FBG сягають 2 метрів та більше. На науковій конференції OFC`99 компанія 3M демонструвала FBG довжиною 2 метри, що має ширину робочої смуги 10 нм, значення компенсуючої дисперсії 1360 пс/нм та порівняно мале загасання 0,5 дБ [5].
FBG працює в режимі відбиття і підключається до лінійного тракту через циркулятор (напрямлений відгалужувач), так що мінімальні втрати на під’єднання решітки до лінійного тракту становлять 6 дБ.
Динамічні компенсатори дисперсії
Динамічні компенсатори дисперсії потрібні в тому випадку, коли можлива зміна довжини лінійного тракту під час роботи системи. Це має місце при побудові повністю оптичних мереж. В таких мережах можуть комутуватись ділянки окремих оптичних трактів, що мають різні значення дисперсії або змінні дисперсійні властивості (внаслідок дії температури, часу, потужного світлового потоку у WDM-системах та впливу іонізуючого випромінення).
Одним з прийомів побудови динамічного компенсатора дисперсії є механічне поєднання п’єзоелемента з відрізком оптичного волокна чи з планарною хвилеводною структурою, в якій сформована брегівська решітка. Зміна кроку решітки може бути як лінійною так і нелінійною. Запропонований в [6] динамічний ПКД може змінювати дисперсію від 300 до 1000 пс/нм; в ньому використано пристрій, що автоматично регулює дисперсію, яку вносить ПКД. Залежність дисперсії від напруги, що подається на п’єзоелемент, є лінійною.
Принципи побудови лінійного тракту з використанням різних типів компенсаторів дисперсії
Якщо планується організація одного потоку з часовим мультиплексуванням (наприклад, рівня STM-64), краще використати компенсатор дисперсії на волоконній чірпованій брегівській решітці. Довжина лінійного тракту може сягати 700 км за значень коефіцієнта помилок 10-9 та чутливості приймача близько 8 дБп (за потужністю) [7]. Схема, що відповідає такій організації лінійного тракту, зображена на рис. 5. Компенсатор дисперсії на волоконній чірпованій брегівській решітці включено через циркулятор. Розташування компенсатора дисперсії в середині лінійного тракту зумовлено тим, що за іншого його розташування (на початку або в кінці лінійного тракту) суттєво збільшується спричинений впливом нелінійних явищ у волокні коефіцієнт помилок. Якщо одна брегівська решітка має недостатнє значення компенсуючої дисперсії, то можна включити декілька решіток через циркулятор з відповідним числом портів. Схема такого включення двох решіток через чотирипортовий циркулятор зображена на рис. 6 а.
Рис. 5 — Схема організації лінійного тракту для одноканальної системи передавання з компенсатором дисперсії на FBG
Рис. 6 — Різні схеми включення ПКД на FBG в лінійний тракт
Можливе також використання вузькосмужних FBG в системах з WDM. В цьому випадку решітки компенсують дисперсію кожна для свого потоку. Підключаються решітки до циркулятора послідовно (рис. 6 б).
При використанні WDM може бути організоване введення/виділення потоків в проміжних пунктах. Але в цьому випадку потрібно окремо вирішувати проблему компенсації дисперсії для потоків, які проходять транзитом, та для потоків, що вводяться чи виділяються на проміжних пунктах.
При використанні DCF модуль компенсатора дисперсії включається перед лінійним підсилювачем, щоб запобігти виникненню нелінійних явищ у DCF (рис. 7). Це конче необхідно у випадку систем з WDM, де має місце велика потужність лінійного сигналу і потрібно запобігти виникненню чотирихвилевого змішування, яке призводить до збільшення рівня шуму в окремих каналах.
Рис. 7 — Схема побудови лінійного тракту з WDM та використанням волоконного компенсатора дисперсії
Висновки
З переходом у вікно прозорості l =1,55мкм основним обмежувальним фактором подальшого зростання швидкості передавання інформації в сучасних ВОЛЗ на основі найбільш поширеного SF-волокна є дисперсія сигналу. Тому на часі – інтенсивна розробка та впровадження в існуючі ВОЛЗ пристроїв компенсації дисперсії.
Існуючі сьогодні технології виготовлення компенсаторів дисперсії дозволяють виробляти ці пристрої для промислового впровадження. Дві описані вище технології компенсації дисперсії в рівній мірі знаходять застосування в мережах, побудованих на SF-волокні. Використання FBG в більшій мірі виправдовує себе за компенсації дисперсії в одноканальних системах, тому що FBG може давати великі значення компенсуючої дисперсії (понад 10 000 пс/нм) у вузькій ~ 0.1 нм смузі довжин хвиль. Використання DCF більш ефективне в багатоканальних WDM-системах через те, що DCF може працювати в широкому діапазоні довжин хвиль.
Динамічні компенсатори дисперсії та волоконні компенсатори, які працюють на модах вищого порядку, знаходяться в стадії вивчення та лабораторних досліджень. Перехід на повністю оптичні мережі, беззаперечно, вимагатиме промислового виготовлення і таких пристроїв.
В таблиці 1 вказані параметри виготовлюваних серійно ПКД. Ці параметри постійно поліпшуються завдяки інтенсивним дослідженням та вдосконаленню технології виготовлення ПКД.
Таблиця 1
| Пристрій компенсації дисперсії | DCM-80 | DCFM-1360 | |
| Тип ПКД | DCF 1 | DCF 2 | FBG 3 |
| Хроматична дисперсія, пс/нм | –1317 | –1360 | –1360 |
| PMD, пс | 1.5 | 1.6 | 5.0 |
| Діапазон довжин хвиль, нм | 1528–1560 | 1550 | 1528–1561 |
| Внесені втрати, дБ | 8.6 | 7.8 | 13.0 |
| Коефіцієнт ефективності пс/(нм·дБ) | 153 | 174 | 105 |
| Розміри, мм | 200x200x41 | 223x20x40.5 | 178x178x50 |
1 DCM-80 виробляється компанією Corning (за даними Corning Product Information Sheet PI 739, February 1998)
2 DCFM-1360 виробляється компанією Sumitomo
3 Виробляється компанією Nortel (за даними Nortel Product Information Sheet PB0031 Issue 2, March 1998)
Перелік використаних джерел