Краткая характеристика метода WDM, Принцип спектрального уплотнения (WDM) - Проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи информации

Принцип спектрального уплотнения (WDM)

Потенциальные ресурсы волокна. До настоящего времени на многих коммерческих линиях использовалась скорость передачи 622 Мбит/с, но необходим переход на более высокие скорости 2,5 Гбит/с и выше.

Таблица 1.3 Зависимость затухания от длины волны

,мкм	0.85	1.3	1.55
,дБ/км	2..3	0.7..1.0	0.2..0.3
,км	10..15	30..40	70..100

Если обратиться к третьему окну прозрачности (в нем самое минимальное затухание) шириной примерно 140 нм на длине волны 1,55 мкм, то в нем можно разместить до 630 спектральных каналов при разносе частот 24 ГГц и скорости передачи 2,5 Гбит/с в каждом.

Не принимая во внимание дисперсию, рассмотрим потенциальные возможности волокна. Длина волны и частота светового излучения связаны между собой формулой:

Где c - скорость света (3108 м/с). Дифференцируя по, получаем, а следовательно, окну вокруг 0 соответствует окно, которое определяется по формуле:

Если 0 = 1300 нм и = 200 нм, то 35 ТГц, если же 0= 1550 нм и = 200 нм, то 25 ТГц.

Наиболее подходящим является окно 1550 нм, поскольку в этом окне достигается минимальное затухание сигнала до 0,2 дБ/км и достижение наибольшей длины ретрансляционного участка (таблица 1.3).

Несмотря на такие большие ресурсы волокна, реализовать передачу на скорости 25 Тбит/с в настоящее время невозможно, поскольку соответствующая частота модуляции пока недостижима. Однако есть другое очень эффективное решение, идея которого заключается в разделении всей полосы на каналы меньшей емкости. Каждый из таких каналов можно использовать под отдельное приложение. Эта технология известна как волновое уплотнение или волновое мультиплексирование - WDM.

Рассмотрим подробнее третье окно прозрачности 1550 нм,.

Рис. 1.6 Третье окно прозрачности с размещенными в нем WDM каналами

Технология WDM позволяет увеличить пропускную способность ОВ за счет добавления новых длин волн (WDM - каналов), разместив их в 3 окне прозрачности. Единственное условие, которое необходимо выполнить - это исключение перекрытий между спектральными каналами. Интервал между соседними длинами волн должен быть больше ширины спектра излучения. Современные одномодовые лазеры с распределенным брегговским отражением - DBR лазеры - дают спектральную полосу меньше 0,1 нм. Так, при интервале 0,6 нм между соседними длинами волн в окне 1530-1560 нм, соответствующем рабочей области оптического усилителя EDFA, может разместиться около 40 длин волн - 40 каналов. Причем полоса пропускания на каждый канал достигает 10 Гбит/с и более. Технически реализованы оптические передатчики на основе временного мультиплексирования - TDM, способные вводить в волокно оптический TDM сигнал с частотой 100 ГГц в расчете на один канал, в результате чего полная емкость одного волокна составляет 4 Тбит/с (при 40 каналах волнового уплотнения). Но передать такой сигнал на большие расстояния не просто. Одним из главных факторов, препятствующих этому, является дисперсия.

Затухание, дисперсия, полоса пропускания ОВ. Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.

На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглощении, потери на рассеянии, кабельные потери.

Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями (рис. 1.7).

Рис. 1.7 Основные типы потерь в волокне

Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы:

= int + rad = abs + sct + rad

Потери на поглощении abs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в воде джоулева тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь (рис. 1.8). Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответствует примесям OH-. Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.

Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощением, рис. 1.8.

Потери на рассеянии sct. Уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны 800 нм затухание составило 1,5 дБ/км. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна.

Потери на рэлеевском рассеянии зависят от длины волны по закону -4 и сильней проявляются в области коротких длин волн (рис. 1.8).

Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.

Рис. 1.8 Факторы, влияющие на затухание в области длины волны 1500 нм.

Внутренние потери хорошо интерполируются формулой: = Krel -4 + +OH() + Ce-k/, где OH() отражает пик поглощения на примесях OH с максимумом при 1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют рэлеевскому рассеянию и инфракрасному поглощению соответственно (Krel = 0,8 мкм4дБ/км; C = 0,9 дБ/км; k = 0,7-0,9 мкм; данные приведены для кварца). На рис. 1.9 приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пика поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон.

Рис. 1.9 Собственные потери в оптическом волокне

Кабельные (радиационные потери) rad обусловлены скруткой, деформацией и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, производства кабеля, а также в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны радиационных потерь составляет не больше 20 от полного затухания. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификации на ВОК.

Дисперсия и полоса пропускания. По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться (рис. 1.10), так что становится невозможным их выделение при приеме.

Рис. 1.10 Битовый код 101 на выходе из волокна, перекрытие импульсов

Дисперсия - уширение импульсов - имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и на входе кабеля длины L по формуле

Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:

Ь различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией mod); направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией w);

Ь свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией mat).

Рис 1.11 Виды дисперсии

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия определяется из формулы:

Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении, как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.

Рис. 1.12 Зависимость дисперсии от длины волны (хроматическая дисперсия определяется как сумма материальной и волноводной дисперсий.)

Хроматическая дисперсия системы передачи чувствительна к: увеличению длины и числа участков линии связи, а также увеличению скорости передачи (т. к. увеличивается эффективная ширина линии генерации источника). На нее в меньшей степени влияют уменьшение частотного интервала между каналами и увеличение числа каналов. А уменьшается хроматическая дисперсия при уменьшении абсолютного значения хроматической дисперсии волокна; компенсации дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны:

Где введены коэффициенты M() и N() - удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а (нм) - уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как D()=M()+N(). Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нмкм). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация M() и N(), а результирующая дисперсия D() обращается в ноль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии 0. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться 0 для данного конкретного волокна.

Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическая формула Селмейера:

Коэффициенты А, В, С являются погогочными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую. Тогда удельная роматическая дисперсия вычисляется по формуле:

Где - длина волны нулевой дисперсии.

Для волокна со смещенной дисперсией эмпирическая формула временных задержек записывается в виде ()=A+B+Cln. Коэффициенты A, B, C являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую (). Соответствующая удельная дисперсия определяется как

Со значениями параметров

0=e-(1+B/C) и S0=C/0,

Где - рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия, 0 - длина волны нулевой дисперсии, и S0 - наклон нулевой дисперсии.

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией простым соотношением

()=D(),

Где - ширина спектра излучения источника. К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более когерентных источников излучения.

Поляризационная модовая дисперсия pmd - возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Коэффициент удельной дисперсии T нормируется в расчете на 1км и имеет размерность (пс/), а pmd растет с ростом расстояния по закону pmd=T.

Из-за небольшой величины pmd может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем, когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.

В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды - две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью (рис. 1.14 а). Однако на практике волокна имеют не идеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод (рис. 1.13 б). При передаче цифрового высокоскоростного сигнала (>2,4 Гбит/с) из-за наличия pmd может возрастать битовая скорость появления ошибок.

Рис. 1.13 Появление поляризационной модовой дисперсии

Таблица 1.4 Опорный коэффициент поляризационной модовой дисперсии, при котором обеспечивается необходимый уровень ошибок по битам в приемнике в соответствии с требованиями рекомендаций ITU-T

Скорость передачи	Максимальная задержка PMD, пс	Коэффициент PMD для ОВ длиной 400км, пс/км
2,5	40	2
10	10	0,5
20	5	0,25
40	2,5	0,125

Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.

Краткая характеристика метода WDM, Принцип спектрального уплотнения (WDM) - Проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи информации

Принцип спектрального уплотнения (WDM)

Похожие статьи