Реконструкция волоконно-оптической линии связи

знаку соответствующему параметру стандартного одномодового волокна. Измеренное значение потерь на изгиб в RDF волокне оказалось меньше, чем в стандартном ОВ. Это позволяет изготавливать оптические кабели с RDF волокном. Кабель на основе RDF волокна соединяется с ОК на основе стандартного ОВ примерно той же длины. Дисперсионный коэффициент такого соединения не превышает ±0,5пс/нм/км в полосе длин волн 1530нм - 1564нм. Поскольку затухание RDF волокна 0,25 дБ/км при затухании стандартного волокна 0,2 дБ/км, среднее затухание в линии равно 0,225 дБ/км. Еще одним преимуществом RDF волокна является меньшая по сравнению с DCF нелинейность.

Рассмотренные выше различные типы компенсирующих дисперсию волокон позволяют достаточно хорошо компенсировать дисперсию и наклон дисперсионной зависимости стандартного оптического волокна (SMF).

В настоящее время в большинстве модулей компенсации дисперсии используется DC волокно, т.к. такие модули не потребляют мощность, имеют малую стоимость и удобны в применении (обычно размещается на выходе оптического усилителя).


4.1.2. Компенсаторы на основе брэгговских решеток с переменным периодом.

Компенсаторы на основе брэгговских решеток с переменным периодом привлекают в последнее время большое внимание исследователей своими большими потенциальными возможностями. Волоконная брэгговская решетка FBG (fiber Bragg grating) - оптический элемент, основанный на периодическом изменении показателя преломления сердцевины или оболочки оптического волокна. Принцип работы компенсаторов на основе брэгговских решеток с переменным периодом поясняет рис. 4.3. Он основан на том, что компоненты с различной длиной волны отражаются от различных участков решетки и, таким образом, проходят различный путь. Решетки записываются (прочерчиваются) в волокне с использованием фоточувствительности определенных типов оптических волокон. Обычное кремниевое волокно при добавлении примеси германия становится чрезвычайно фоточувствительным. Подвергая это волокно воздействию ультрафиолетового света, можно вызвать изменения показателя преломления в сердцевине волокна. В таком волокне решетка может быть создана с помощью облучения волокна двумя интерферирующими ультрафиолетовыми пучками. Это заставляет интенсивность излучения изменяться периодически по длине волокна. Там, где интенсивность высокая, показатель преломления увеличивается, а где она мала, показатель остается без изменений [4].

Фазовый сдвиг в компенсаторах на волоконных решетках зависит от модуляции интервалов между зонами с повышенным показателем преломления в решетке. Если эти интервалы возрастают вдоль волоконной решетки, то длинноволновая часть сигнала проникнет глубже в решетку, прежде чем полностью отразится. Это приводит к задержке длинноволновых составляющих относительно коротких. Если расстояние между коротковолновой и длинноволновой частями решетки составляет 1 мм, то длинноволновые составляющие будут задержаны приблизительно на 10 пс.

Р
ис. 4.3. Брэгговская решетка, предназначенная для компенсации дисперсии.

Так как период решетки изменяется вдоль волокна, то и условия отражения для различных спектральных компонент выполняются на разных участках. Для компенсации положительной дисперсии стандартного одномодового волокна используются решетки, а которых коротковолновые составляющие световой волны отражаются в точке, расположенной дальше от начала устройства, чем точка, в которой отражаются длинноволновые составляющие. Тем самым коротковолновые составляющие задерживаются относительно длинноволновых составляющих.

В идеале желательно получить решетку, которая вносит большую дисперсию для широкого диапазона длин волн для применения в системах передачи WDM и DWDM. Максимальная задержка, которая может быть получена с помощью решетки, составляет 1 нс. Эта задержка соответствует произведению дисперсии, вносимой решеткой и длины волны, на которой она возникает. Следовательно, можно получить решетки, которые вносят большую дисперсию для малых диапазонов волн, 1000 пс/нм в диапазоне 1 нм, или малую дисперсию в больших диапазонах волн, например, 100 пс/нм в диапазоне 10 нм. Заметим, что 100 км стандартного волокна вносят общую дисперсию 1700 пс/нм. Поэтому на практике для того, чтобы использовать решетки с линейно изменяющемся периодом для оптического волокна длиной несколько сотен километров, они должны быть очень узкодиапазонными, т.е. необходимо использовать разные решетки для различных длин волн.

Поэтому решетки с линейно изменяющейся постоянной идеально подходят для компенсации отдельных длин волн. Напротив, компенсирующее волокно (DCF) лучше подходит для компенсации широкого диапазона длин волн в системах WDM и DWDM. Однако, по сравнению с решетками с линейно изменяющейся постоянной, DCF вносят большие потери и дополнительные задержки из-за увеличивающихся нелинейностей.

Фазовый сдвиг, вызываемый волоконной решеткой, можно настраивать изменяя интервалы между зонами с повышенным показателем преломления, изменяя показатель преломления самого волокна и воздействуя на оба эти фактора одновременно. Действуя по отдельности, или одновременно, можно изменять положение точки отражения для конкретной длины волны в ОВ. Такие решетки с переменным периодом называются чирпированными.

Эти устройства могут быть компактными. Решетка длиной 5 см, в принципе, может компенсировать дисперсию в системе длиной 300 км с внешней модуляцией и скоростью передачи 10 Гбит/с.

Но FBG имеют и существенные недостатки:

  • решетки изготавливаются фотоспособом из фоточувствительного ОВ, со временем под действием световых сигналов происходит нарушение решетки (размывание);

  • у большинства компенсаторов на основе волоконных решеток имеется недостаток, заключающийся в том, что сигнал с компенсированной дисперсией отражается в обратном направлении, поэтому для отделения входа от выхода нужно использовать оптический циркулятор;

  • для нормального функционирования устройства на основе FBG необходима стабилизация температурных условий, что увеличивает общую стоимость компенсатора.


4.1.3. Компенсаторы хроматической дисперсии на основе планарных интерферометров и микро-оптических устройств.

Некоторые оптические интерферометры, в частности эталоны Фабри - Перо, Жире - Турнуа и Маха - Цендера, обладают дисперсионными характеристиками, которые могут быть использованы для компенсации дисперсии ВОЛС.

Фазовый фильтр (all - phase filter) идеально передает свет на всех длинах волн в своем рабочем диапазоне и может сдвигать фазы на определенных длинах волн. Два важных примера представлены эталонами и кольцевыми резонаторами [7].

В хорошо известном эталоне Фабри - Перо свет курсирует в резонаторе, ограниченном двумя полупрозрачными зеркалами. Резонанс наступает при условии, что в полный путь света между зеркалами туда обратно d укладывается целое число длин волн в среде с показателем преломления n, или 2d = N/n. Такие резонансные длины волн задерживаются резонатором, что приводит к их фазовому сдвигу относительно других длин волн. Однако эталон Фабри - Перо не является правильным фазовым фильтром, так как свет может покинуть его из любого из двух зеркал.

Менее известный эталон конструкции Жире - Турнуа (Gires - Tournois) действует как фазовый фильтр, так как заднее зеркало является полностью отражающим, и весь свет выходит из частично прозрачного переднего зеркала (см. рис. 4.4). Как и в эталоне Фабри-Перо резонансы возникают, когда полный путь света кратен целому числу длин волн. Свет на резонансных длинах волн испытывает фазовую задержку, проводя больше времени в резонансной полости в сравнении с другими длинами волн.

Р
ис. 4.4. Перестраиваемые оптические фазовые фильтры можно построить двумя способами: два фазовращателя помещают в кольцевой резонатор (слева), либо электростатически-управляемая мембрана служит частично пропускающим зеркалом в эталоне Жире-Турнуа (справа)

Изменяя расстояние между зеркалами можно настроиться на условие резонанса и большую фазовую задержку. В одном из подходов подвижное переднее зеркало перемещается взад-вперед относительно полного отражателя. В качестве альтернативы используют температурную регулировку показателя преломления, что приводит к такому же эффекту фазового сдвига на резонансных длинах волн. Резонансные фазовые сдвиги не проявляются очень резко, а размазаны в некотором диапазоне длин волн (см. рис. 4.5). Конструкция эталона допускает возникновение нескольких резонансов на равноотстоящих длинах волн. Таким образом, сразу несколько рабочих каналов могут испытывать фазовую задержку, хотя данный метод не позволяет настраивать разные наклоны дисперсионной кривой.

Рис. 4.5. Фазовая задержка в эталоне Жире-Турнуа меняется периодически.

Д
ругой тип фазового фильтра с перестраиваемой фазовой задержкой в кольцевом резонаторе показан на рис. 4.4. В состав кольца входит пара термооптических фазовращателей, с помощью которых регулируют фазовую задержку и, следовательно, хроматическую дисперсию. (Кольцо с одним фазовращателем обеспечивает постоянную фазовую задержку.) Эта методика не разработана столь хорошо как фазовый фильтр на основе эталона, но допускает исполнение на базе интегральной оптике и обещает налаживание дешевого производства.


4.1.4. Способы компенсации дисперсии, основанные на управлении передатчиком или приемником излучения.

В большинстве способов компенсации дисперсии, основанных на управлении передатчиком, осуществляется частотная модуляция световых импульсов — чирпирование. Влияние предварительной частотной модуляции на длительность светового импульса описывается выражением (3.3.19). Предварительное чирпирование передаваемого импульса в большинстве случаев создается внешней фазовой модуляцией. Для осуществления внешней фазовой модуляции могут использоваться любые фазовые модуляторы [7].

Простота реализации таких методов делает их привлекательными для применения в городских сетях связи, работающих при скорости передачи информации 2,5 и 10 Гб/с.

Устранить дисперсионное расширение сигналов на фотоприемнике удается при использовании гетеродинного приема. В когерентном приемнике поступающие сигналы смешиваются гетеродином с опорным излучением; тем самым любые колебания фаз и амплитуды оптического сигнала передаются на электронную часть приемника. Затем становится возможной компенсация линейной дисперсии сигнала в электронной части фотоприемника.

Глава 5. Расчет технических характеристик магистральной ВОЛС

В качестве приемопередающей аппаратуры предполагается использовать оборудование компании Huawei Technologies, а именно мультисервисную транспортную платформу OptiX 10G, необходимые технические характеристики которой приведены ниже.


5.1. Паспортные технические данные приемопередающего оборудования и ВОК, используемые при расчетах дисперсии и затухания

При расчете брались худшие технические характеристики в связи с обеспечением теоретического расчета без допущений [Приложение].

Протяженность ВОЛС Тюмень - Ялуторовск: L = 80,394 км;

Показатель преломления сердцевины: n = 1,467;

Рабочая длина волны: λ = 1,55 мкм;

Количество муфт (количество сростков): = 23;

Километрическое затухание в ОВ: = 0,24 дБ/км;

Количество разъемных соединений: = 4;

Потери на неразъемных соединениях (сростках): = 0,05 дБ;

Потери на разъемных соединениях: = 0,2 дБ;

Эксплуатационный запас для аппаратуры: = 3 дБ;

Эксплуатационный запас для кабеля: = 3 дБ;

Мощность источника оптического излучения: = + 13 дБм;

Чувствительность приемника: = - 25 дБм;

Диапазон длин волн с нулевой дисперсией: от 0 = 1301,51321,5 нм;

Максимальная величина крутизны нулевой дисперсии: S0 = 0,092 пс/(нм2·км);

Максимальная ширина спектра излучения источника: Δλ = 0,04 нм;

Коэффициент поляризационной модовой дисперсии: = 0,5 пс/км1/2.

Скорость передачи при STM-4 = 622,08 Мбит/с;

Скорость передачи при STM-64 = 9953,28 Мбит/с;

Начальная длительность импульса для STM-4 = 401,88 пс;

Начальная длительность импульса для STM-16 = 25,13 пс;

и берутся из технических условий (контрактных спецификаций) для оборудования ВОЛС.


5.2. Расчет дисперсии ВОЛС

При передаче сигналов по ВОЛС используются методы ИКМ, в результате чего передаваемая информация представляется в виде двоичных кодов - битов 1 и 0, причем 1 соответствует высокому уровню мощности, а 0 - низкому. Модулированный сигнал передается по ОВ импульсами с длительностью и скоростью передачи бит/с. В процессе распространения вследствие дисперсии происходит «размывание» импульсов, т.е. увеличение их длительности.

Если длительность полученных приемником импульсов превысит битовый интервал, то произойдет наложение соседних импульсов друг на друга, что вызовет межсимвольную интерференцию. Следовательно, приемник не сможет распознать отдельные импульсы, и в результате этого увеличится коэффициент битовых ошибок BER. Битовый интервал связан со скоростью передачи сигналов соотношением:

. (5.2.1)

Таким образом, для нормального функционирования ВОЛС необходимо:

  • обеспечить длительность полученного импульса , не превышающую исходный битовый интервал;

  • обеспечить полученную мощность равную чувствительности приемника или ввести запас, превышающий .

Вот почему при проектировании ВОЛС с большей скоростью передачи важнейшими техническими характеристиками являются дисперсия и затухание ОВ.


5.2.1. Расчет поляризационной модовой дисперсии

Поляризационная модовая дисперсия рассчитывается из выражения (3.4.7):

пс.


5.2.2. Расчет хроматической дисперсии

Предельное значение коэффициента хроматической дисперсии с учетом диапазона длин волн нулевой дисперсии определяется из следующих выражений (см.ф. 3.2.16):

(5.2.2)

Отсюда, = 0,092·(1550 - (1301,5)/1550)/4 = 17,92 пс/(нм·км), что соответствует техническим характеристикам, взятым из паспорта волоконно-оптического кабеля, для длины волны λ = 1,55 мкм [Приложение].

Отсюда можно рассчитать значение хроматической дисперсии:

17,92·0,04·80,394 = 57,63 (пс), которое определяет увеличение длительности импульса (см. п. 3.2).

С учетом поляризационной модовой дисперсией результирующая дисперсия будет определяться из следующего выражения [5]:

пс.

Т.к. битовый интервал получим:

для STM-4: = 1607,5 пс,

для STM-64: = 100,5 пс.

Максимально допустимая величина уширения импульсов определяется из условия, что допустимая длительность импульса [9]:

. (5.2.3)

Следовательно, при скорости передачи 622,08 Мбит/с (STM-4) допустимая длительность импульса будет пс, а при скорости передачи 9953,28 Мбит/с – пс. Начальная длительность импульсов определяется из выражения [9]:

. (5.2.4)

Конечная длительность импульса выражается через его начальную длительность соотношением [5]:

. (5.2.5)

Тогда длительность импульса, увеличенная за счет дисперсии, будет:

для STM-4:

= 406,01 пс,

для STM-64:

= 63,01 пс. Т.е. при скорости передачи 9953,08 Мбит/с (STM-64), оптический импульс, уширенный вследствие дисперсии, превысит допустимую величину пс. Поэтому, чтобы по ВОК передавать сигналы STM-64, необходимо компенсировать хроматическую дисперсию в линии связи.

5.3. Расчет энергетического бюджета

Используя данные, затухание ВОЛС рассчитывается по формуле (3.1.4):

0,05·23 + 0,24·80,394 + 0,2·4 =

= 1,15 + 19,295 + 0,4 = 21,045(дБ)

Следовательно, энергетический бюджет будет [формула 3.1.4]:

+ 13 – (– 25) – 3 – 3 – 21,045 =

= 10,955 (дБм)

Полученное значение затухания волоконно-оптической линии находится в пределах допустимых значений, т.к. рассчитанный энергетический бюджет () получился положительным.


5.4. Расчет линии связи с учетом компенсации дисперсии

Модули для компенсации дисперсии должны удовлетворять ряду требований:

    • малые потери;

    • малые габариты и вес;

    • малая потребляемая мощность;

    • малая стоимость.

На сегодняшний день для компенсации дисперсии применяют два метода:

      • основанный на использовании DC волокна;

      • на основе FBG.

Учитывая достоинства и недостатки упомянутых методов (см. п. 4.1.1 и п. 4.1.2) фирмы, занимающиеся предоставлением услуг волоконно-оптической связи, предпочитают использовать модули компенсации с DCF.

Модули с DC волокнами удовлетворяют большинству требований, в частности не потребляют мощность и обладают небольшими габаритами и весом, и в основном используются в системах со скоростью передачи 10 Гбит/с (STM-64).

Компании Corning и Lucent Technologies в настоящее время являются основными производителями модулей с DC волокнами. В таблице 5.4 для сравнения показаны технические характеристики устройств, производимых этими компаниями [9].

Таблица 5.4. Параметры модулей с DCF для компенсации дисперсии.

Компания Corning Lucent Technologies
Тип модуля DCM-40 DCM-60 DCM-80 DK-40 DK-60 DK-80
Компенсируемая длина линии 40 60 80 40 60 80
Среднее значение PMD, пс 1,1 1,4 1,5 0,6 0,75 0,9
Вносимое затухание, дБ 5,0 6,8 8,6 5,2 7,0 7,9
Полная дисперсия, пс/нм - 658 - 988 - 1317 - 680 - 1020 - 1360

В результате анализа приведенных данных автор дипломной работы сделала вывод, что для эффективной компенсации дисперсии в линии связи Тюмень – Ялуторовск необходимо использовать модуль DK-80 Lucent Technologies.

Физически модуль для компенсации дисперсии устанавливается в стойке приемопередающей аппаратуры, один компенсатор на одно оптическое волокно. Но из-за больших потерь, вносимых модулем, его нежелательно устанавливать на выходе оптического кабеля, т.к. это приведет к уменьшению сигнала на входе в оптический усилитель, и, следовательно, к увеличению отношения сигнал/шум.

На практике принято компенсировать дисперсию по всему линейному тракту после каждого оптического усилителя. Но так как в данной ВОЛС усилители входят в состав приемопередающей аппаратуры, то оптимальным является размещение модуля между оптическим усилителем передающего оборудования и оптическим кабелем.

Полная скомпенсированная дисперсия рассчитывается с учетом раннее полученных параметров и данных из таблицы 5.4.

Полная отрицательная дисперсия модуля компенсации:

(пс).

Следовательно, полная скомпенсированная дисперсия в каждом ОВ линии связи будет [9]:

(пс).

В результате, конечная длительность импульса на выходе оптического кабеля при скорости передачи = 9953,28 Мбит/с (STM-64) будет:

(пс),

что намного меньше допустимого значения.

Поскольку компенсатор дисперсии вносит дополнительные достаточно большие потери, необходимо рассчитать энергетический бюджет с учетом этих потерь:

= + 13 – (– 25) – 3 – 3 – 21,045 – 7,9 = 3,055 (дБ),

где – потери, вносимые модулем компенсации дисперсии.

Таким образом, из полученных значений параметров можно заключить, что после компенсации дисперсии энергетический бюджет остается положительным, а конечная длительность импульса находится в допустимых пределах. Следовательно, передача информации со скоростью 10 Гбит/с на данной ВОЛС становится осуществимой.

Заключение

В данной дипломной работе перед исполнителем поставлены задачи, для решения которых были изучены следующие вопросы:

    1. Основы теории волоконно-оптических линий связи, параметры оптического волокна и его конструкция. Конструкция волоконно-оптического кабеля, его технические характеристики.

    2. Основные принципы цифровой системы передачи STM-64, основы синхронной цифровой иерархии и методы мультиплексирования информационных потоков.

    3. Процессы, происходящие при распространении света в оптическом волокне. Их влияние на скорость и дальность передачи информационных сигналов.

    4. Обзор методов компенсации хроматической дисперсии.

В ходе работы над дипломом из предварительных расчетов было обнаружено, что по эксплуатируемому в настоящий момент ВОК невозможна передача информации со скоростью 9953,28 Мбит/с (STM-64) из-за значительного уширения оптических импульсов вследствие хроматической дисперсии на выходе оптического волокна. Для решения образовавшейся проблемы автором работы была предложена компенсация дисперсии специальным устройством (модулем компенсации дисперсии). Было произведено сравнение возможных методов компенсации дисперсии, и на основании соответствующих технических характеристик из предлагаемых на сегодняшний момент модулей был выбран наиболее эффективный.

С учетом компенсации дисперсии были проведены повторные расчеты. На основе полученных результатов исполнитель дипломной работы сделала вывод, что после компенсации дисперсии технические характеристики данного ВОК полностью удовлетворяют требованиям цифровой системы передачи STM-64 по дисперсии и затуханию.

Таким образом, согласно полученным результатам автор дипломной работы заключила, что по волоконно-оптическому кабелю, входящему в состав реконструируемой ВОЛС Тюмень-Ялуторовск возможна передача сигнала STM-64 (9953,28 Мбит/с), но для этого необходима установка приемопередающего оборудования Optix 10G фирмы Huawei Technologies и применение для компенсаци дисперсии модуля DK-80 Lucent Technologies.

Список использованных источников информации

    1. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH. – М.,1997.

    2. Рекомендации ITU-T Rec. G.707.

    3. kunegin.narod.

    4. optictelecom.

    5. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999.

    6. G.P.Agraval. Fiber-optic communication sistems. – 2nd ed., John Wiley&Sons, Inc., 1997.

    7. Г.П.Агравал. Нелинейная волоконная оптика. – М., Мир, 1996.

    8. Зельдович Б.Я., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. – В мире науки, 1992.

    9. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи. – Вэлком, 2002.

    10. Приложение – технические данные на ВОК.

Список принятых сокращений

ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи

ВОСП – волоконно-оптическая система передачи

BOК – волоконно-оптический кабель

ОК – оптический кабель

ОВ – оптическое волокно

SDH – (Synchronous Digital Hierarchy) синхронная цифровая иерархия

DWDM – (Dense Wavelength Division Multiplexing) сверхплотное волновое мультиплексирование по длине волны

ЦСП – цифровая система передачи

STM-4 – (Synchronous Transport Module) синхронный транспортный модуль уровня 4, соответствующий скорости передачи информации 622,08 Мбит/с

STM-64 – (Synchronous Transport Module) синхронный транспортный модуль уровня 64, соответствующий скорости передачи информации 9953,28 Мбит/с

TDM – (Time Division Multiplexing) временное мультиплексирование информационных потоков

SOP – (State of Polarization) ортогонально поляризованные составляющие электрического поля или состояния поляризации

DGD – (Differential Group Delay) дифференциальная групповая задержка

PSP – (Principal State of Polarization) состояния поляризации, задающие самое быстрое и самое медленное распространение сигнала, называются быстрым и медленным главными состояниями поляризации

PMD – (Polarization Mode) поляризационная модовая дисперсия

DCF – (Dispersion Compesating Fiber) компенсирующее дисперсию волокно

FBG – (Fiber Bragg Grating) волоконная брэгговская решетка - оптический элемент, основанный на периодическом изменении показателя преломления сердцевины или оболочки оптического волокна