Проектирование магистральной волоконно-оптической системы передачи с повышенной пропускной способностью

Кроме функции мультиплексирования линейный уровень обеспечивает техническое обслуживание и защиту линии. Для этого уровня задано переключение защиты 1:1 и 1:N. Число каналов, которые могут быть переключены на оптическую защиту, составляет от 1 до 14.

Уровень секции

Используя пакетный протокол, уровень секции переносит STS-N сигналы через физическую среду путем преобразования STS-N сигналов и секционных заголовков (SOH) в битовый поток для уровня волоконной оптики. Кроме этого, уровень секции обеспечивает формирование циклов и преобразование сигнала в вид, совместимый с оптической передачей уровнем волоконной оптики, а также осуществляет мониторинг ошибок. Секционный заголовок используется для коммуникационных операций, обеспечения, передачи административной информации, а также как служебная линия. При этом полоса рабочих частот коммуникационного канала данных SOH составляет 576 кбит/с.

Уровень волоконной оптики

Это уровень волоконно-оптической передачи. Он конвертирует электрические сигналы STS-N в синхронные оптические сигналы (OC-N) с битовой скоростью, равной электрическому сигналу STS-N. Спецификации для уровней мощности, усиления системы, длины волны, физической совместимости и формы оптического импульса регламентированы T1X1/87-128R1. Некоторые характеристики уровня волоконной оптики в соответствии с данным стандартом включают:

Оптическое волокно: одномодовое.

Рабочие окна: 1310 нм для SMF; 1550 нм для DS-SMF.

Длина волны центрального лазера: 1550 нм MLM лазер = 1525 нм - 1575 нм

Ширина спектра: 1550 нм MLM лазер = 3.5 - 30 нм,

Функционирование секции: 10^-9 BER для 40 км или менее;

Стандартная секция: 25 км.

Оптические возвратные потери: более 20 дБ;

Стандарты: EIA RS-455-XX и EIA 4750000-А.

На рис. 3.2 приведены элементы волоконно-оптической линии связи с указанием точек ввода и потерь оптической мощности.

Эта схема представляет собой обобщенную модель системы и может использоваться для подсчета потерь в промежутке между передатчиком и приемником в других системах, позволяя определить уровень мощности на входе приемника. Эта мощность должна превышать чувствительность приемника на величину энергетического запаса (3-5 дБ) и не должна выходить за верхнюю границу динамического диапазона приемника, чтобы не повредить его.

Рис. 3.2. Обобщенная схема волоконно - оптической линии связи

б_C - потери коннектора; б_K - потери ответвителя; б_sp - потери ращивания; б_f - коэффициент затухания волокна;

3.2 Разработка функциональной схемы

3.2.1 Разработка функциональной схемы опорного пункта (ОП)

Оборудование выполнено в виде стоек, устанавливаемых в пунктах волоконно-оптической линии передачи:

- оконечный;

- усилительный;

-транзитный.

Стойка оборудования на оконечном пункте	Стойка оборудования усилительного пункта
транспондеры	оптические усилители передачи
оптические мультиплексоры	оптические усилители приема
оптические демультиплексоры	блок общестоечной сигнализации
оптические усилители передачи	блок системы контроля и управления
оптические усилители приема	блок питания стойки
блок канала телеконтроля, телеуправления и служебной связи	блок канала телеконтроля, телеуправления и служебной связи
блок системы контроля и управления	блок ввода внешних датчиков
блок питания стойки	блок оптический коммутаций
блок общестоечной сигнализации	оптические аттенюаторы
блок ввода внешних датчиков	блок компенсации дисперсии
блок компенсации дисперсии	источник с рамановской накачкой
оптические аттенюаторы
блок оптический коммутаций
источник с рамановской накачкой

Оборудование транзитного пункта включает:

- две стойки оборудования оконечного пункта, соединяемых по схеме "спина к спине". В случае неполного заполнения стойки возможно размещение оборудования двух оконечных пунктов в одной стойке. При малом числе вводимых/выводимых оптических каналов в транзитном пункте используется оптический мультиплексор ввода/вывода.

Разработка структурной схемы оптического передатчика

Задачей оптического передатчика является преобразование входного электрического сигнала в свет (рис. 3.3.)

Рис. 3.3. Обобщенная структурная схема передатчика

Функциональная схема передатчика должна быть простой и надёжной, содержать систему автоматической регулировки усиления, контроля температуры для обеспечения стабильности выходных характеристик. Схема должна соответствовать построению передатчика с внешней модуляцией, т.к. при 10 Гбит/с применение прямой модуляции нежелательно из - за эффекта ,,чирпа" (паразитной частотной модуляции). Для простоты реализации в схеме не используется преобразователь кода.

Рис. 3.4. Функциональная схема оптического передатчика

Функциональная схема оптического передатчика представлена на рис. 3.4. Входной электрический сигнал в формате NRZ поступает на предусилитель. Он усиливает сигнал до уровня, необходимого для работы усилителя напряжения, обладает низким коэффициентом шума и усиления. Усилитель напряжения доводит сигнал до уровня работы формирователя сигнала. Формирователь сигнала позволяет изменять параметры поступающего на модулятор сигнала и усиливает его до необходимого уровня. Источник тока смещения позволяет изменять положение рабочей точки на ватт-амперной характеристики лазерного диода. Для обеспечения стабильности работы лазерного диода используются устройство обратной связи (УОС) и система термостабилизации (СТС).

Под исходные данные технического задания, а также приведенную выше функциональную схему полностью подходит передатчик: OKI OAS1043F-V2. В качестве излучателя в нем применяется лазер NLK3C8CAKB (табл. 2.2). Данный лазер имеет интегрированный электро-абсорбционный модулятор (что позволяет эффективно бороться с эффектом чирпа), предназначенный для приложений со скоростями до 10 Гбит/с, таких как Sonet OC-192 IR-2 и SDH STM-64.2b. Центральная длина волны излучения л₀=1557 нм. Лазер имеет встроенное устройство слежения за длиной волны, что позволяет снизить стоимость лазера по сравнению с решением на дискретных компонентах, где устройство слежения в виде отдельного модуля.

Передатчик имеет схемы автоматического контроля за температурой (АКТ) и выходной мощностью (АКМ) лазерного диода, а также схему контроля формы выходного сигнала (КФС).

Передатчик питается от постоянного напряжения -5.2 и 3.3 В. Функциональная схема передатчика на рис. 3.5

Рис. 3.5 Функциональная схема передатчика OKI

Конструктивные характеристики модуля:

Таблица 3.2 Электрические характристики модуля:

Параметр	Обозначение	Min.	Typ.	Max.	Ед. изм.	Примеч.
Скорость передачи		9.95328	Гбит/с
Код передачи		NRZ	-
Напряжение вх. сигнала	Vin	0.4	-	1.0	Vpp	50 Ом; AC
Наряжение питания	Vcc	3.14	3.3	3.46	V	DC
	Vee	-4.94	-5.2	-5.46	V
Ток питания	Icc	-	-	1.4	A	DC
	Iee	-	-	0.4	A
Потребляемая мощность	Pc	-	-	6.5	W
Лазерный диод вкл/выкл	LSC	Вкл: < 0.5 V; Выкл: > 1.6 V

Таблица 3.3 Описание выводов:

№ выв.	Обознач.	Назначение	№ выв.	Обознач.	Назнач.
1	Vee	-5.2 V	11	Vcc	+3.3 V
2	Vee	-5.2 V	12	GND	Ground
3	NC	No contact	13	NC	No contact
4	NC	No contact	14	NC	No contact
5	GND	Ground	15	GND	Ground
6	LFA	Laser Output Alarm	16	GND	Ground
7	GND	Ground	17	T-MON	Laser Temperature Monitor
8	LBA	Laser Bias Alarm	18	NC	No contact
9	Vcc	+3.3 V	19	T-ALM	Laser Temperature Alarm
10	LSC	Laser On/Off Control	20	NC	No contact

Таблица 3.4 Оптические характеристики модуля:

Параметр	Обозначение	Min.	Typ.	Max.	Ед. изм.	Примеч.
Мощность в волокне	Pf	-1.0	-	+2.0	dBm	1
Центральная длина волны	лр	1530	-	1565	nm	1
Динамический диапазон	ER	8.2	-	-	dB	1
Подавление боковой моды	SMSR	35	-	-	dB	1
Падение мощности за счет дисперсии	DP	-	-	2.0	dB	2

Разработка структурной схемы эрбиевого усилителя

Задачей оптического усилителя является усиление входного сигнала. Усилитель должен иметь модульную структуру для возможности его модификации под конкретные нужды заказчика. Должна быть предусмотрена система термостабилизации, а также контроль выходных параметров. Также желательна возможность подключения к внешним устройствам для возможности управления параметрами усилителя.

Структурная схема состоит из 3-х основных частей: платы управления, кросс - платы и оптического модуля. Также на ней представлен блок питания с фильтрами и система охлаждения, представленная вентилятором, LCD - дисплей.

Питание устройства осуществляется от блока питания ECM40-60UT34 постоянными напряжениями: +12В, +5В, +3.3В. Плата управления состоит из: микрокроконтроллера STR710FZ2 - все управление в усилителе осуществляется через него, контроллера GPIB - благодаря которому возможна связь с внешними устройствами по шине GPIB (по данной шине осуществляется программирование контроллера), графический контроллер S1D13A05 - осуществляет управление работой LCD дисплея. Interlock - играет роль блокиратора (например, осуществляет автоматическое выключение усилителя при выходе из комнаты).

Рис. 3.6. Структурная схема эрбиевого усилителя

Также для связи с внешними устройствами микроконтроллер использует протокол RS-232. По шине I²C контроллер управляет работой оптического модуля и кросс - платы.

Кросс - плата состоит из: мультиплексора ADG706, АЦП ADS7823, источников тока, драйверов элемента Пелтье, усилителей для фотодиодов.

Через мультиплексор осуществляется взаимодействие с лазерными диодами и фотодиодами. Источник тока задаёт ток смещения лазерного диода. Драйвер элемента Пелтье позволяет поддерживать температуру лазерного диода постоянной. Усилители предназначены для слабого сигнала с фотодиодов.

Оптический модуль состоит из: двух лазерных диодов Fitel FOL1402PLF (1480 нм) c элементами Пелтье, четырёх лазерных диодов Agilent FPL4916/U4 (980 нм) и четырёх фотодиодов (рис. 3.7)

Рис. 3.7. Структурная схема оптического модуля

На данной схеме 1/99 - оптический разветвитель, разделяющий оптический сигнал на входе на два потока 1% и 99% (1% - для контроля входной мощности подаётся на фотодиод, 99 % передаётся дальше). IS - оптический изолятор, обеспечивает прохождение света только в заданном направлении. MS - оптический мультиплексор, позволяет в ввести в эрбиевое волокно (Er⁺) не кроме сигнала излучение накачки от лазерного диода (980/1550 нм - объединение данных длин волн). В схеме используются различные способы накачки, на различных длинах волн (980 и 1480 нм, попутная и встречная накачка). Представленная оптическая схема состоит из двух каскадов. Первый каскад работает с малым входным сигналом и называется предусилителем, второй каскад обеспечивает большую выходную моность и называется усилителем мощности. Применительно к каскаду усилителей EDFA имеют место следующие практические выводы: конструкция предусилителей EDFA должна обеспечивать минимально возможное значение шум - фактора, а конструкция усилителей мощности должна обеспечивать наибольшее значение выходной мощности и эффективности накачки. Наименьшее значение шум - фактора достигается в усилителях, использующих сонаправленную накачку на длине волны 980 нм, и именно их целесообразно использовать в качестве предусилителей. Наибольшую эффективность накачки и выходную мощность можно получить при использовании встречной накачки на длине волны 1480 нм. Такую конструкцию целесообразно использовать в усилителях мощности.

Таблица 3.5 основные параметры усилителя VS56

Рабочий диапазон	1529 … 1562 nm
Мощность насыщения ( -3dBm на входе)	> 25dBm
Входная мощность	-10 … +3dBm
Коэффициет шума @ Pвх= -10dBm, л=1550нм	< 5dB
Режимы управления	ACC, APC, AGC
Безопасность	Interlock Отсутствие входного сигнала Перегрев
Оптический вход/выход	FC/APC коннекторы
Габаритные размеры	90мм x 225мм x 315мм
Поддерживаемые протоколы	GPIB, RS-232
Питание	90 … 240 В, 47 … 63 Гц
Диапазон рабочих температур	+5 … +40°C

Разработка структурной схемы приемника

Задачей оптического приемника является преобразование входного оптического сигнала в электрический (рис. 3.8).

Рис. 3.8 Обобщенная структурная схема приемника

Структурная схема приемника для обеспечения низкого коэффициента шума должна содержать два каскада усиления, фильтр а также систему АРУ. В схеме должен быть предусмотрена возможность восстановления тактовой частоты из информационного сигнала, при использовании кода с синхронизацией.

Рис 3.9. Структурная схема оптического приемника

Предусилитель - ключевой элемент, который определяет характеристики приемника в целом. Выход сигнала, принятого фотодиодом, - это точка, где сигнал самый слабый и наиболее подвержен искажениям от действия шума. Этот сигнал является входным для предусилителя. Роль предусилителя - усилить сигнал для дальнейшей его обработки.

При выборе предусилителя приходится идти на компромисс между высокой скоростью и чувствительностью. Входное напряжение предусилителя может быть увеличено путем использования большого нагрузочного сопротивления R_L. В этом случае часто используется схема с высоким импедансом (рис 3.10)

Рис. 3.10. Упрощенная электрическая модель с высоким входным импедансом

Большое значение R_L уменьшает тепловой шум и улучшает чувствительность приемника. Однако такое решение имеет свой недостаток - низкую полосу пропускания. Полоса частот приемника определяется его самым низкочастотным компонентом. Если полоса частот приемника с высоким сопротивлением значительно меньше, чем требуется для данной скорости передачи, то он не может быть использован. Для преодоления этого недостатка, иногда используется схема выравнивания частотной характеристики (в сторону высоких частот). В этой схеме фильтр ослабляет низкочастотные составляющие больше, чем высокочастотные, что позволяет эффективно скорректировать (увеличить) полосу пропускания. Там, где чувствительность не столь важна, можно уменьшить R_L, чтобы увеличить полосу пропускания. Такое решение носит название схемы с низким импедансом. Это решение позволяет получить большую полосу пропускания и высокую чувствительность. Здесь R_L расположен в цепи ОС инвертирующего усилителя. В этом случае R_L может быть достаточно большим, так как ООС уменьшает эффективный входной импеданс пропорционально усилению G такого усилителя. Полоса пропускания такой схемы увеличивается также в G раз, по сравнению со схемой с высоким импедансом. Многие типы оптических приемников используют схему с трансимпедансом, благодаря ее большой ширине полосы и высокой чувствительности. Однако и здесь есть определенные вопросы, связанные со стабильностью петли обратной связи.

Следующими компонентами такого приемника являются усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления и низкочастотный фильтр. Коэффициент усиления усилителя управляется автоматически, с помощью схемы АРУ, для ограничения изменения среднего значения относительно фиксированного уровня, вне зависимости от средней оптической мощности, падающей на приемник. Фильтр нижних частот формирует импульс напряжения. Фильтр используется с целью уменьшения шума без внесения межсимвольных искажений. Этот фильтр также определяет ширину полосы пропускания приемника. Его полоса пропускания меньше, чем эквивалентная скорость передачи, тогда как полоса пропускания других компонентов приемника проектируется так, чтобы быть больше эквивалентной скорости передачи.

Последним компонентом является схема принятия решений. Восстановленные сигналы таймера обеспечивают синхронизацию и побитное таймирование. Схема принятия решения сравнивает выходное напряжение усилителя напряжения на выходе фильтра с пороговым уровнем и определяет, для каждого битового интервала, является ли принятый сигнал двоичной 1 или 0. Длительность битового интервала для формата NRZ равна 1/B, где В - скорость передачи. Например, сигнал формата NRZ 1 Мбит/с имеет длительность битового интервала 1 мкс. Сигнал при скорости передачи в 1 Гбит/с имеет длительность 1 нс, а при скорости передачи в 10 Гбит/с - 0,1 нс или 100пс.

Еще одна важная характеристика фотодиодного приемника - динамический диапазон. Допустим, приемник работает на 10 ГГц, при BER 10^-10, порог порядка -34,0 дБм, динамический диапазон - 26 дБ. Любой принятый сигнал больше, чем - 8 дБм, будет перегружать приемник. Во избежание этого - установка аттенюатора, и принятый сигнал всегда будет укладываться в динамический диапазон приемника.

3.2.2 Разработка аппаратуры ОЛТ

В ЦВОСП можно выделить линейный оптический тракт, который может работать на одной длине волны оптического излучения (рис. 3.11, а) или на нескольких волнах с использованием аппаратуры спектрального уплотнения (рис. 3.11, б).

Рис.3.11. Общая схема передачи ИКМ сигналов по волоконному тракту (ВТ)-оптический линейный тракт ЦСП со спектральным уплотнением

Для компенсации вносимого затухания в оптическом кабеле между точками S (передатчик) и R (приемник) используются регенерационные пункты (РП), которые восстанавливают ослабленный и зашумленный сигнал. В состав РП помимо ИИ и ФП входят решающие устройства (РУ), определяющие характер принятого сигнала ("единица" или "ноль").

Точки T и T' являются точками стыка канала передачи цифрового группового тракта соответствующей цифровой иерархии с оптическим линейным трактом. Параметры цифровых групповых трактов в точках стыка нормированы с учетом рекомендаций ITU-T. Определены параметры входного и выходного сигналов в точках T и T' , типы кодов, сопротивления нагрузок, скорости передачи в электрическом и оптическом трактах, коэффициент ошибок, характеристики дрожания фазы.

Точки R и S являются оптическими стыками ВОСП. Оптические параметры отнесены для передатчика к точке S, для приемника к точке R, а длина оптического пути определяется расстоянием между точками S и R.

Линейный оптический тракт (рис. 3.11, б) позволяет передавать по двум волокнам несколько высокоскоростных цифровых потоков на разных длинах волн (лl,л2,3….n), которые объединяются в один поток с помощью мультиплексора MX DWDM. В связи с тем, что в мультиплексоре при объединении потоков возникают значительные потери, на его выходе устанавливается выходной оптический усилитель (ОУ). На приемном конце ослабленный сигнал перед поступлением на демультиплексор DMX DWDM также усиливается во входном ОУ.

Параметры цифровых восп синхронной иерархии. Параметры оптических стыков для синхронной цифровой иерархии (СЦИ) рассмотрены в рекомендации МСЭ G.957 и в. Для стыков ВОСП всех иерархий рекомендовано бинарное кодирование сигнала кодом NRZ (без возврата к 0). Для исключения длинных "1" и "0" сигнал скремблируется в соответствии с рекомендацией G.709. Предъявлены более жесткие требования к форме импульса передатчика (контроль осуществляется по шаблону "глаз-диаграммы" передающего устройства в точке S, а также к спектральным характеристикам источников излучения. Введены требования по возвратным потерям, приведенным к точке S, и на максимальный коэффициент отражения между точками S и R.

Выбор типа оптического кабеля. В настоящее время требования к ОК регламентированы действующими "Правилами применения оптических кабелей связи, пассивных оптических устройств и устройств для сварки оптических волокон". Они разработаны в развитие ФЗ "О связи", распространяются на типы ОК согласно рис. 3.12 и устанавливают требования к характеристикам ОК.

Рис. 3.12. Типы оптических кабелей связи

Предприятия-изготовители ОК.

Таблица 3.6 Номенклатура ОК, производимых российскими кабельными заводами

В странах СНГ насчитывается 17 предприятий-изготовителей ОК (13 в России и по два на Украине и в Белоруссии). Основные инвестиции в производство ОК были осуществлены в конце 1990-х гг. Это позволило модернизировать имеющиеся и ввести в строй пять новых производств: ООО "Сарансккабель-оптика"; цех ОК на заводе "Воронежтелекабель", ныне ЗАО "ОФС Связьстрой-1 ВОКК"; цех ОК на заводе "Москабель", ныне ЗАО "Москабель-Фуджикура"; ЗАО "Трансвок" и ЗАО "Самарская оптическая кабельная компания". В 2002 г. в Санкт-Петербурге приступило к работе предприятие по производству ОК - ЗАО "ОКС 01", одно из самых мощных производств в России. В 2003 г. в г. Щелково введено в строй еще одно предприятие по производству ОК - ООО "Еврокабель 1". На рубеже 2005/2006 гг. в ООО "Сарансккабель-Оптика" было введено в эксплуатацию оборудование по производству ОК, встроенного в грозозащитный трос. Выросли мощности по производству ОК и в странах СНГ: в значительной степени модернизирован оптический цех ОАО "Одескабель" (Украина, г. Одесса), с 2005 г. начали производство ОК специализированный цех ОАО "Южкабель" (Украина, г. Харьков), специализированный цех СП ЗАО "Белтелекабель" и специализированный завод "Союзкабель" (Белоруссия, г. Витебск). К основным из указанного списка можно отнести, пожалуй, первые десять предприятий, на долю которых в 2006 г. пришлось 97% всего объема производства ОК. Лидерами, несомненно, являются ЗАО "ОКС 01" и ООО "Еврокабель 1".

Оптические волокна (ОВ) в конструкциях ОК российского производства размещаются преимущественно в трубчатых оптических модулях (ОМ). Выпускаются ОК как с одномодульным сердечником (содержащим до 48 ОВ), так и с многомодульным (до 144 или 288 ОВ). В отечественных ОК одномодульной конструкции ОВ собираются в пучки до 12-16 волокон в каждом; в многомодульных ОК каждый ОМ содержит до 12 или до 24 ОВ.

Таблица 3.7 Передаточные параметры одномодовых оптических волокон

Таблица 3.8 Принципов маркообразования ОК с многомодульным сердечником и бронепокровом

Таблица 8 Механические параметры

Таблица 3.9 Системы кодового обозначения типов оптических волокон, используемых в ОК

Регенератор (повторитель). Оптический усилитель производит одно "восстанавливающее действие" (1R6) (рис. 3.13) по отношению к сигналу - усиление, в процессе которого усиливается также и шум. На каждом участке линии после усилителя усиленный шум суммируется, что приводит к ухудшению отношения сигнал/шум и, соответственно, к ухудшению качества сигнала.

После того как сигнал прошел через несколько усилителей (их количество определяется при проектировании конкретной линии связи), требуется регенератор для восстановления первоначальной формы сигнала. Регенератор производит тройное "восстанавливающее действие" (3R) (см. рис. 6) по отношению к сигналу: восстановление формы, восстановление

синхронизации и усиление. При использовании современных технологий это тройное действие осуществляется оптоэлектрооптическим преобразованием. Возможно, в будущем это можно будет сделать полностью оптическим путем.



Рис. 3.13. Усиление и регенерация импульсов

R - от англ. Regeneration - восстановление: 1R - Re-amplification - усиление; 2R - Re-amplification & Re-shaping (восстановление формы), 3R - Re-amplification, Re-shaping & Re-timing (восстановление синхронизации).

Блок компенсации дисперсии (DCU - dispersion compensation unit). DCU компенсирует дисперсию передающего ОВ. Чтобы компенсировать уширение импульса под действием положительной дисперсии передающего ОВ, используется DCU с отрицательной дисперсией.

Рис. 3.14. Компенсация дисперсии в DCU

Передающее (телекоммуникационное) волокно

* Стандартное одномодовое волокно (SSMF) обладает положительной дисперсией.

* Значение дисперсии на длине волны 1550 нм для SSMF равно 17 пc/нм*км.

Блок компенсации дисперсии (DCU)

* Обычно применяется компенсирующее дисперсию волокно.

* Действие отрицательной дисперсии нейтрализует действие положительной дисперсии в ОВ, т.е. позволяет отставшим компонентам частотного спектра догнать опередившие.

* Волокна, используемые в DCU, имеют большое значение коэффициента хроматической дисперсии на единицу длины, что позволяет делать их значительно короче, чем передающее волокно.

Оптическое усиление. Затухание света в волокне ограничивает дальность передачи расстоянием, на котором уровень сигнала падает ниже уровня чувствительности приемника. Усиление позволяет увеличить дальность передачи (рис. 3.15).

Рис.3.15. Усиление сигнала в DWDM-линии связи

К сожалению, усилители при этом увеличивают шум и различные искажения импульса. Усилитель мощности (бустер, postamplifier) Устанавливается сразу после передатчика (например, лазерного диода) и предназначен для дополнительного усиления передаваемого сигнала.

Линейный усилитель (ILA). Устанавливается в промежуточных точках линии связи, примерно через каждые 80-100 км, нужен для усиления сигнала, ослабленного из-за затухания в оптоволокне или других компонентах линии. ILA работает с сигналом только в оптическом диапазоне и выполняет только одно "восстанавливающее действие" (1R) - усиление.

Предусилитель (preamplifier). Устанавливается непосредственно перед приемником для усиления сигнала до уровня, входящего в диапазон чувствительности приемника

Стандартные типы усилителей:

* эрбиевые волоконные усилители (EDFA - erbium doped fiber

amplifiers);

* рамановские (ВКР) волоконные усилители (ВКР - вынужденное

комбинационное рассеяние);

* п/п оптические усилители (SOA - semiconductor optical amplifiers).

Эрбиевый волоконный усилитель (EDFA - Erbium doped fiber amplifier)

Преимущества эрбиевых волоконных усилителей

* эффективная накачка;

* минимальная зависимость от поляризации; * высокая выходная мощность;

* низкий уровень шума;

* минимальные вносимые искажения и перекрестные помехи.

Недостатки эрбиевых волоконных усилителей

* работают только в C- и L-областях; * менее эффективны, чем рамановские усилители, при большой мощности накачки (при использовании большого числа каналов).

Лазер накачки. Источником накачки обычно служит лазер, излучающий на длине волны 980 или 1480 нм (рис. 3.16).

Волокно, легированное эрбием. Одномодовое волокно, легированное ионами эрбия, служит активной средой, преобразующей излучение накачки в излучение на частоте сигнальной волны (см. рис. 9).

Рис. 3.16. Схема волоконного эрбиевого усилителя

Селективный волновой соединитель (coupler). Вводит излучение лазера накачки с длиной волны 980 или 1480 нм в активное волокно, при этом вносит минимальное затухание сигнала (см. рис. 3.16).

Изолятор. Пропускает излучение, распространяющееся в прямом направлении и препятствует распространению света во встречном направлении. В частности, выходной изолятор препятствует попаданию в усилитель излучения, отраженного от внешних элементов линии связи.

Рамановский оптический усилитель (рис. 3.17). Рамановские усилители построены на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), при котором мощность накачки преобразуется в излучение на частоте сигнальной волны.

Рис. 3.17. Схемы рамановских усилителей (а - дискретного, б - распределенного)

Преимущества рамановских усилителей

* Широкий спектр усиления, позволяющий применять рамановские усилители в C-, L- и S-областях.

* Рамановское усиление можно получить в стандартных волокнах.

* Большая, чем у EDFA, эффективность при больших мощностях накачки (возможность применения при большем числе каналов).

Недостатки рамановских усилителей

* Меньшая, чем у EDFA, эффективность при меньших мощностях накачки (неудобство применения при небольшом числе каналов).

П/п оптический усилитель (SOA). Как и в п/п лазере, в SOA накачка активной среды создается инжекцией носителей заряда в рабочую область. Для предотвращения возникновения паразитной генерации на торцы активного элемента наносят антиотражающие покрытия.

Преимущества полупроводниковых усилителей

* Усилитель представляет собой маленькое полупроводниковое устройство, что позволяет интегрировать его в другие элементы и делает возможным его массовое производство.

* Широкий спектр усиления.

Недостатки полупроводниковых усилителей

* большой уровень шума по сравнению с эрбиевыми или рамановскими усилителями;

* низкая выходная мощность;

* большие перекрестные помехи между каналами;

* чувствительность к поляризации входящего света;

* большие вносимые потери;

* трудности соединения SOA с передающим волокном.

Методы стабилизации коэффициента усиления оптических усилителей. В сетях DWDM необходимо обеспечить постоянство коэффициента усиления. Поскольку отключение/подключение каналов приводит к изменению суммарной усиливаемой мощности, то в отсутствии стабилизации происходит изменение значения коэффициента усиления оптического усилителя в результате насыщения. Изменение усиления, а следовательно, и мощности рабочих каналов приводит к увеличению количества ошибок (BER), а может привести и к выходу системы из строя. Проведем анализ методов стабилизации коэффициента усиления EDFA.

Методы стабилизации коэффициента усиления. Коэффициент усиления EDFA пропорционален величине инверсной населенности активного элемента, который в свою очередь определяется балансом между действием накачки и спонтанных и вынужденных переходов. Т.к. управлять спонтанными переходами нельзя, могут быть реализованы две возможности стабилизации уровня инверсной населенности: путем управления накачкой или насыщением. В первом случае используются электрические методы стабилизации, во втором - оптические. Возможно также совмещение электрических и оптических методов стабилизации.

Электрические методы стабилизации коэффициента усиления. Заключаются в корректировке мощности лазера накачки для обеспечения постоянства коэффициента усиления. Корректировка может быть: упреждающей, с использованием цепи ОС, а также их комбинацией.

Упреждающая коррекция накачки. Принцип действия упреждающей коррекции накачки поясняет рис. 3.18а. Разветвитель отводит часть мощности входного сигнала на фотодетектор, который выполняет его оптоэлектронное преобразование. Усиленный электрический сигнал, пропорциональный мощности входного оптического сигнала, используется для управления мощностью лазера накачки. В первом приближении необходимое для обеспечения постоянства коэффициента усиления изменение мощности накачки происходит пропорционально изменению мощности усиливаемого оптического излучения.

Коррекция накачки с использованием цепи обратной связи. Принцип действия коррекции накачки цепью обратной связи поясняет рис. 3.18б. Два разветвителя отводят часть мощности входного и выходного сигнала на фотодетекторы, выполняющие их оптоэлектронное преобразование, затем эти сигналы подаются на специальную электрическую схему, она сравнивает реальное значение коэффициента усиления, определяемое по отношению мощностей входного и выходного сигналов, с требуемым коэффициентом усиления и соответствующим образом корректирует мощность лазера накачки. Комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки цепью обратной связи. Для повышения эффективности стабилизации коэффициента усиления может быть использована комбинация рассмотренных методов (рис. 3.10в).

Рис. 3.10 Принципы стабилизации коэффициента усиления эрбиевых оптических усилителей: а) упреждающая коррекция накачки; б) коррекция накачки цепью обратной связи; в) комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки с цепью обратной связи; г) оптическая обратная связь (кольцевой резонатор); д) оптическая обратная связь (линейный резонатор); е) совмещенная оптоэлектронная стабилизация

Оптическая стабилизация коэффициента усиления. Принцип: усиливающая область помещается в резонатор лазера, генерирующего на нерабочей длине волны. Свойство лазера: коэффициент усиления в нем в режиме генерации в точности равен потерям в резонаторе. Если на активный элемент лазера одновременно подать внешнее излучение на негенерирующей длине волны, то выходная мощность лазера изменится, а коэффициент усиления останется прежним. Лазерное излучение оказывается некоторым балластным излучением, обеспечивающим постоянство коэффициента усиления. Уменьшение общей мощности входящего оптического сигнала автоматически компенсируется увеличением лазерной мощности и наоборот. Оптическая ОС может быть осуществлена двумя путями: с помощью кольцевого резонатора и с помощью линейного резонатора. Кольцевой резонатор (рис. 3.18г) Кольцевой резонатор для создания оптической ОС состоит из отрезка стандартного ОВ, соединяющего выходную часть секции EDFA с входной, и узкополосного фильтра, задающего длину волны лазерного излучения. Линейный резонатор (рис. 3.18д) Линейный резонатор для создания оптической ОС состоит из двух распределенных дифракционных отражателей, расположенных на входе и выходе EDFA. Максимумы коэффициентов отражения решеток задают длину волны лазерного излучения. Коэффициенты отражения на длинах волн сигнала и накачки должны быть равны нулю.

Комбинация оптических и электрических методов стабилизации коэффициента усиления. Совмещение оптических и электрических методов стабилизации коэффициента усиления, с одной стороны, может привести к улучшению характеристик усилителя, с другой - к чрезмерному усложнению схемы стабилизации. Поэтому целесообразность такого совмещения должна быть определена в каждом конкретном случае.

Эффективность стабилизации можно охарактеризовать следующими параметрами: Время стабилизации коэффициента усиления - это время восстановления заданного значения коэффициента усиления. Максимальное отклонение коэффициента усиления - это максимальное его отклонение от заданного значения. Смещение коэффициента усиления - это установившееся по прошествии времени стабилизации его отклонение от заданного значения. Эффективность стабилизации тем выше, чем меньше численные значения трех приведенных параметров.

Сравнительный анализ различных схем стабилизации. Для сравнительного анализа представленных схем были использованы модифицированные уравнения эрбиевого оптического усилителя. На основе этих уравнений численным методом была промоделирована работа усилителя при отключении/подключении некоторой части спектральных каналов. Результаты моделирования для всех описанных схем стабилизации представлены в таблице 3.11.

Таблица 3.11 Параметры стабилизации для рассмотренных методов G=18 дБ, Pin/channel = -10 дБ, что соответствует отключению 15 из 16 каналов

Методика расчета протяженности регенрационной секции ВОСП с WDM. Расчет предельной протяженности регенерационной секции принято производить исходя из ограничения допустимой величины коэффициента ошибок ВОСП.

Рис. 3.19. Регенерационная секция ВОСП с ОУ

Расчет коэффициента ошибок. Предлагается следующая формула для расчета коэффициента ошибок, учитывающая затухание сигнала и его искажения: где K_Уош. - суммарный коэффициент ошибок; Kош. потери - коэффициент ошибок, определяемый влиянием потерь на распространение сигнала; K_ОШДФМ - коэффициент ошибок, определяемый влиянием дисперсии и эффектами фазовой модуляции (ФМ).

Выражение справедливо при допущении, что механизмы снижения помехоустойчивости из-за потерь, а также дисперсии и эффектов ФМ являются совместными событиями, т.е. одновременно влияют на распространение оптического сигнала и независимо формируют суммарный коэффициент ошибок.

В работе используется выражение, которое устанавливает зависимость между значением коэффициента ошибок и требуемым отношением сигнал/шум: (2). Кроме того, в статье показано, что при расчете степени воздействия межсимвольной помехи на практике достаточно обеспечить значение коэффициента ошибок в 8 раз ниже, чем требование к качеству передаваемого сигнала.

Это снижает требование к отношению сигнал/шум и объясняет вид второго слагаемого в выражении для определения суммарного коэффициента ошибок:

(3),

где K_Спотери - отношение сигнал/шум, связанное с влиянием потерь на распространение сигнала (критерий оценки по потерям); Kс_ДФМ - отношение сигнал/шум, связанное с влиянием дисперсии и эффектов фазовой модуляции на распространение сигнала (критерий оценки по скорости).

Отношение сигнал/шум Kс_ДФМ, связанное с влиянием потерь, определяется как отношение сигнал/шум на выходе оптического тракта при условии отсутствия влияния дисперсии и эффектов фазовой модуляции на распространение сигнала. Соответственно отношение сигнал/шум Kс_ДФМ , связанное с влиянием дисперсии и эффектов фазовой модуляции, рассчи тывается в предположении отсутствия влияния потерь на распространение сигнала. Таким образом, для расчета указанных величин следует рассмотреть предельные случаи.

В формуле (3) для расчета коэффициентов ошибок, связанных с влиянием как потерь, так и дисперсии и эффектов фазовой модуляции, в силу предположения об их независимом влиянии на формирование суммарного коэффициента ошибок использовано выражение (2).

Расчет отношений сигнал/шум. Теперь определим вид выражений для оценки Kс потери и Kс_ДФМ. При этом следует учесть, что в формуле (2) отношение сигнал/шум должно быть безразмерным, тогда как в выражениях, приведенных ниже, они задаются в децибелах (kс потери и kс ДФМ соответственно). Взаимосвязь между ними записывается в виде: . Отношение сигнал/шум, связанное с влиянием потерь на распространение сигнала, выраженное в децибелах, может быть определено следующим образом:

(4),

(при этом OSNR, используемое в, в настоящей работе обозначено как k_Спотери). В формуле (4) мощность оптического сигнала на входе каждого канала ВОСП-СР (компонентного сигнала) определяется как где Pагр - мощность агрегатного оптического сигнала на входе ВОСП-СР; M - количество оптических каналов в тракте ВОСП-СР; h - постоянная Планка; c/л определяет значение частоты оптической несущей; c = 3*10⁸ м/с - скорость света в вакууме; л - длина волны оптической несущей сигнала; Дfсигн - ширина спектра цифрового сигнала, модулирующего оптическую несущую в частотной области; б_У - суммарные потери на ЭКУ; NF - фактор шума оптического усилителя; G_M - коэффициент усиления бустера (усилителя мощности) на входе ВОСП-СР. Количество линейных усилителей на участке регенерации равно k-1.

Однако выражение (4) не учитывает дополнительные потери оптической мощности из-за дисперсии и эффектов ФМ, а также запас, связанный с временным ухудшением характеристик ОВ. С учетом вышесказанного, а также принимая, что (6) где B - скорость передачи цифрового сигнала и f определяет формат сигнала (f = 1 для сигнала без возврата к нулю (NRZ)), выражение (4) приобретает вид:

где б_ДФМ - дополнительные потери оптической мощности из-за дисперсии и эффектов ФМ, бдоп. - дополнительный запас, связанный с временным ухудшением характеристик ОВ.

SNR, связанное с влиянием дисперсиии эффектов ФМ на распространение сигнала, можно определить как (8) где P_Упомехи - суммарная мощность межсимвольной помехи, возникающей в результате уширения импульса.

Выражение (7) можно пояснить следующим образом. Величина межсимвольной помехи определяет математическое ожидание для комплексного влияния различных шумовых составляющих, которые имеют случайное распределение, т.е. суммарный эффект может быть представлен в виде гауссова распределения с математическим ожиданием, равным величине межсимвольной помехи. Таким образом, справедливо утверждение о том, что SNR может быть определено как отношение величины сигнала к мощности межсимвольной помехи. При этом суммарная мощность межсимвольной помехи, выраженная в ваттах, может быть рассчитана следующим образом:

(9)

где T - длительность импульса оптического сигнала, фвых_0,5. - длительность импульса по уровню 0,5 на выходе оптического тракта.

Окончательное выражение для определения суммарной мощности помехи, выраженной в дБм, может быть представлено в виде

(10)

Суммарные энергетические потери на элементарном кабельном участке (ЭКУ) учитывают влияние основных причин снижения мощности исходного оптического излучения и определяются выражением

где бсред - среднее километрическое затухание оптического волокна, брс - затухание разъемного соединения, бнс - затухание неразъемного соединения, l_ЭКУ - протяженность элементарного кабельного участка (ЭКУ), lстр - средняя строительная длина волоконно-оптического кабеля.

На рис. 3.20 представлены графические зависимости предельной протяженности регенерационной секции в зависимости от требования к BER, которые были построены для ВОСП со следующими параметрами: л=1,55мкм - длина волны оптической несущей сигнала; Длизл.=0,1нм - ширина спектральной линии источника излучения; NF = 6,8 дБ - шум-фактор оптического усилителя; k=1 - количество ЭКУ на участке регенерации; бдоп=3дБ - дополнительный запас, связанный с временным ухудшением характеристик ОВ; бов=0,25дБ/км - километрическое затухание оптического волокна; брс=0,3дБ - затухание разъемного соединения; бнс=0,1дБ - затухание неразъемного соединения; lстр - средняя строительная длина волоконнооптического кабеля; бxp_л=17пс/(км*нм) - коэффициент хроматической дисперсии для волокна G.652 на длине волны л; k_ПМД=0,08пс/км1/2 - коэффициент поляризационно-модовой дисперсии; С = 0 - коэффициент линейной фазовой модуляции; Wэфф.=80мкм² - эффективная площадь моды.

Рис. 3.20. Предельная протяженность регенерационной секции

Расчет проводился в предположении, что все усилители имеют одинаковые параметры, включая фактор шума NF. Из рис. 3.20 видно, что коэффициент ошибок K_Уош на расстоянии около 170км начинает резко расти - из-за ограничения предельной протяженности регенерационной секции по критерию энергетических потерь, т.е. на этом расстоянии K_Спотери начинает вносить существенный вклад в суммарный BER. При этом на рис. 3.20 приведены также две кривые для случая, когда влияние потерь на распространение сигнала считается пренебрежимо малым.

Эти кривые продолжают расти плавно. Это характерно для современных высокоскоростных ВОСП со скоростями передачи 2,5 и 10 Гбит/с. Предложенный подход позволяет независимо оценивать возможности проектируемых ВОСП-СР и рассчитывать степень влияния основных факторов, действующих на распространение оптического сигнала. Для протяженных ВОЛС, где нет необходимости организовывать регенерационные пункты в промежуточных узлах, протяженность всех ЭКУ, как правило, одинакова.

Рамановские усилители в качестве ретранслятора. Рамановский усилитель предназначен для увеличения протяженности ВОЛС без промежуточного усиления и регенерации сигнала. Включает в себя волоконный лазер накачки, определяющий рабочий спектральный диапазон устройства, и схему управления, посредством которой осуществляется изменение и контроль значения коэффициента усиления.

Взаимодействие сигнала и накачки осуществляется при помощи их объединения через мультиплексор, и сам процесс усиления происходит непосредственно в линии связи.

"Рамановское усиление" возникает тогда, когда фотоны накачки высокой энергии рассеивают колебательные моды матричной решетки материала и когерентно добавляют их к сигнальным фотонам низкой энергии. При практической реализации этот процесс носит название передача с помощью эффекта Романа (D-RAT); свет накачки вводится в волоконный линейный усилитель со стороны, противоположной вводу сигнала. В этой конфигурации рамановский усилитель работает как МШУ предусилитель. Основное преимущество низкоуровневого рамановского усиления в том, что он не вносит дополнительных нелинейностей в волокно (рис. 3.21)

Рис. 3.21. Блок-схема распределенного рамановского усилителя

Сигналы двух ортогонально поляризованных диодов лазерной накачки мультиплексируются по признаку поляризации (П-мультиплексирование) и объединяются в WDM для создания противонаправленной накачки в передающем волокне. В результате распространяющийся в прямом направлении сигнал получает рамановское усиление в волокне. Использование противонаправленной накачки уменьшает влияние шума накачки на сигнал.

Выходная характеристика распределенного рамановского усилителя зависит от свойств передающего волокна, таких как поглощение сигнала накачки, эффективная площадь и рамановский коэффициент усиления.

Неравномерность усиления является одним из важных параметров для ВОУ, в частности тогда, когда используются системы WDM/DWDM. В случае рамановского усилителя, усиление для конкретного сигнала зависит от разности частот сигнала и накачки. На рис. 3.22 показано малосигнальное рамановское усиление в волокне большой длины. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы более 20 ТГц, с пиком усиления в районе 13,2 ТГц. Различные сигналы получают различное усиление, зависящее от разности их частоты и частоты накачки.

Рис. 3.22. Спектр рамановского усиления в волокне большой длины с накачкой 1443 нм при уровнях мощности накачки 100 и 200 мВт. На рисунке указан С диапазон длиной 30 нм (1530-1560 нм), см.

Любой из диапазонов длин волн будет иметь некоторое колебание уровня усиления. Для уровня накачки 200 мВт, показанного на рис. 3.22, получается максимальное усиление 7,78 дБ с колебаниями уровня в 3,5 дБ. Фактическое колебание уровня усиления, определяемое как (колебание усиления в дБ)/(максимальное усиление в дБ) = 3,5/7,78 = 0,45 в полосе С, показанной на рис. 3.22.

При проектировании ВОСП оптоволоконный пролет переносит сформированный сигнал WDM; комбинация распределенного рамановского усилителя и усилителя EDFA в тандемном соединении (рис. 3.23) дает прекрасные результаты и позволяет уменьшить нарастание ASE.

На рис. 3.23 показан оптический спектр системы DWDM с 32 длинами волн, где отмечено отношение сигнал/шум (OSNR) для волокна длиной 125км для двух случаев: 1) гибридный предусилитель с каскадом рамановского усиления + EDFA, 2) используется только EDFA. Из рисунка видно, что гибридная схема дает на 4,2 дБ большее отношение сигнал/шум.

Рис. 3.23.. усиливаются либо гибридным предусилителем с каскадом рамановского усиления и EDFA, либо только EDFA.4,2

Судя по этому рисунку 3.24. несомненное преимущество при использовании в системах DWDM у Рамановские усилителей по сравнение с EDFA.

Рис. 3.24. Полосы пропускания EDFA и Raman усилителей

3.2.3 Разработка аппаратуры выделения и транзита цифровых потоков

Для сетей доступа разработаны оптические волновые коммутаторы и маршрутизаторы. Основой этих устройств являются волновые конверторы: л-конверторы, основанные на использовании п/п SOA с МШУ модулирующим излучением, и л-конвертора основан на использовании смещения зоны поглощения п/п электроабсорбционного модулятора (ЕАМ) света (эффект Келдыша-Франца). В сетях связи с применением DWDM основным элементом является оптический MUX и оптический DMUX.

Оптический MUX/DMUX составляет основу оптического MUX ввода-вывода (ОАДМ). На рис. 3.25 представлена типовая структурная схема участка ВОСП с DWDM с включением в оптический тракт узла ОАДМ. В оконечных пунктах А и Б размещена аппаратура SDH вместе с аппаратурой DWDM, в состав которой входит оптический MUX ОМ1 и DMUX ОД1 (п.А) и ОМ2 - ОД2 (п.Б).

Рис. 3.25. Структурная схема ВОСП_СР с пунктом В, содержащим оптический мультиплексор ввода_вывода (ОАДМ)

В некотором промежуточном пункте В в оптический тракт включен узел с ОАДМ. Он состоит из двух оптических MUX ОМ3 и ОМ4 и DMUX ОД3 и ОД4. Из схемы видно, что часть оптических каналов на длинах волн л1…i с выходов ОД3 вводятся в соответствующие входы ОМ3, другая часть на длинах волн лk…m, где k=i+1, выводится из ОД3 и направляется к потребителю в пункт В, из этого же пункта уже другая информация на тех же длинах волн лk…m вводится в MUX ОМ3. В обратном направлении схема включения аналогична, для чего в узле содержатся MUX ОМ4 и DMUX ОД4. Необходимость подведения к узлу с ОАДМ электропитания приводит к требованию размещения таких узлов в пунктах, где имеется электрическая сеть, либо к организации дистанционного электропитания.

В ЦНИИС был предложен альтернативный способ осуществления ввода/вывода информации с помощью использования устройства, схема которого представлена на рис. 3.26. Это устройство - волоконно-оптический блок (ВОБ), состоит из шести Y-ответвителей, соединенных между собой так, как показано на схеме.

Рис. 3.26. Структурная схема ВОСП-СР с пунктом В, в котором включен волоконно-оптический блок (ВОБ)

Устройство ВОБ не является спектрально-селективным, вследствие чего не требуется температурной стабилизации, а значит, и электрического питания. В этом случае для связи между пунктами в направлении А>Б используются длины волн л1…i, в обратном направлении Б> А - лk…m и лp…j, между пунктами Б>В длины волн л1…i , лk…m и лp…j, в обратном направлении В>Б используются лk…m. MUX ОМ1, ОМ2 и ОМ3 и DMUX ОД1, ОД2 и ОД3 рассчитаны на количество спектральных каналов, равное j. Предложенный волоконно-оптический блок (ВОБ) может быть эффективно использован в таких DWDM, в которых задействованы не все каналы, на которые рассчитаны MUX, а только часть из них. Неполная загрузка DWDM практически соответствует для настоящего времени и ближайшего будущего реальному положению не только для сети связи России, но и остальных стран.