Исследование параметров и аномалий длинной оптической линии

Можно выделить три основных явления в оптическом волокне, ограничивающие характеристики систем WDM - это хроматическая дисперсия, поляризационная модовая дисперсия и нелинейные оптические эффекты.

Хроматическая дисперсия. Важной оптической характеристикой стекла, используемого при изготовлении волокна, является дисперсия показателя преломления, проявляющаяся в зависимости скорости распространения сигнала от длины волны - материальная дисперсия. Кроме этого, при производстве одномодового волокна, когда кварцевая нить вытягивается из стеклянной заготовки, в той или иной степени возникают отклонения в геометрии волокна и в радиальном профиле показателя преломления. Сама геометрия волокна вместе с отклонениями от идеального профиля также вносит существенный вклад в зависимость скорости распространения сигнала от длины волны, это - волноводная дисперсия. Совместное влияние материальной и волноводной дисперсий называют хроматической дисперсией волокна.

Явление хроматической дисперсии ослабевает по мере уменьшения спектральной ширины излучения лазера. Даже если бы можно было использовать идеальный источник монохроматического излучения с нулевую шириной линии генерации, то после модуляции информационным сигналом произошло бы спектральное уширение сигнала, и тем больше уширение, чем больше скорость модуляции. Есть и другие факторы, приводящие к спектральному уширению излучения, из которых можно выделить чирпирование источника излучения.

Таким образом, исходный канал представлен не единственной длиной волны, а группой длин волн в узком спектральном диапазоне - волновым пакетом. Так как различные длины волн распространяются с разными скоростями (или точнее, с разными групповыми скоростями), то оптический импульс, имеющий на входе линии связи строго прямоугольную форму, по мере прохождения по волокну будет становиться все шире и шире. При большом времени распространения в волокне этот импульс может смешаться с соседними импульсами, затрудняя точное их восстановление. С увеличением скорости передачи и длины линии связи влияние хроматической дисперсии возрастает.

При некоторой длине волны л0 хроматическая дисперсия обращается в ноль - эту длину волны называют длиной волны нулевой дисперсии. Одномодовое кварцевое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления обладает нулевой дисперсией на длине волны 1310 нм. Такое волокно часто называют волокном с несмещенной дисперсией.

Волноводная дисперсия в первую очередь определяется профилем показателя преломления сердцевины волокна и внутренней оболочки. В волокне со сложным профилем показателя преломления, изменяя соотношение между дисперсией среды и дисперсией волновода, можно не только сместить длину волны нулевой дисперсию, но и подобрать нужную форму дисперсионной характеристики, т.е. форму зависимости дисперсии от длины волны.

Форма дисперсионной характеристики является ключевой для систем WDM, в особенности, по волокну со смещенной дисперсией (Рек. ITU-T G.653). Кроме параметра л0 используют параметр S0 , описывающий наклон дисперсионной характеристики на длине волны л0 (рисунок 3.1). В общем случае, наклон на других длинах волн отличается от наклона при длине волны л0. Текущее значение наклона S0 определяет линейную составляющую дисперсии в окрестности л0.

Рисунок 3.1 - Основные параметры зависимости хроматической дисперсии от длины волны

Хроматическую дисперсию фchr (обычно измеряется в пс) можно рассчитать по формуле 3.1:

,(3.1)

где:

D(л) - коэффициент хроматической дисперсии (пс/(нм*км));

L - протяженность линии связи (км).

Заметим, что данная формула не точна в случае ультра-узкополосных источников излучения. На рисунке 3.2 раздельно показаны зависимости волноводной дисперсии для волокна с несмещенной (1) и смещенной (2) дисперсией и материальной дисперсии от длины волны.

Хроматическая дисперсия системы передачи чувствительна к:

увеличению длины и числа участков линии связи;

увеличению скорости передачи (т.к. увеличивается эффективная ширина линии генерации источника).

На нее в меньшей степени влияют:

уменьшение частотного интервала между каналами;

увеличение числа каналов.

Хроматическая дисперсия уменьшается при:

уменьшении абсолютного значения хроматической дисперсии волокна;

компенсации дисперсии.

Рисунок 3.2 - Зависимость дисперсии от длины волны

В системах WDM с обычным стандартным волокном (Рек. ITU-T G.652) хроматической дисперсии следует уделять особое внимание, так как она велика в области длины волны 1550 нм.

Описать характеристики идеального оптического волокна относительно просто. Они включают характеристики распространения мощности по волокну, моды с заданным состоянием поляризации на заданной длине волны и некоторые другие характеристики. Однако когда волокно уложено в кабель, а кабель затем прокладывают в разнообразных местах и эксплуатируют при различных условиях, то волокно в кабеле становится далеко не идеальным. Возникающие в процессе производства волокна напряжения приводят к остаточным напряжениям в его сердцевине и оболочке, вызывая в дальнейшем трудно предсказуемые явления двойного лучепреломления. Кроме этого, механические воздействия на волокно в скрученном кабеле создают несимметричные напряжения, увеличивающиеся при его намотке. И, наконец, во время монтажа кабель непрерывно подвергается напряжениям. Это и установка арматуры, и прокладка в канализации, подсоединение соединительных муфт и т.д. Все эти механические воздействия ведут к локальным, псевдослучайно распределенным деформациям волокна, которые нарушают геометрию волокна или соосность сердцевины и оболочки.

Поляризационная модовая дисперсия (PMD) - это основной механизм, с помощью которого все дефекты волокна проявляются на характеристиках системы передачи.

В любой точке волокна импульс поляризованного оптического излучения можно разложить на поляризационные составляющие с двумя взаимно ортогональными состояниями поляризации, направленными вдоль двух локально ортогональных осей волокна, так называемых, быстрой и медленной осей. На практике, в уложенном в кабель волокне направление этих осей и относительная разность скоростей распространения по каждой оси (непосредственно зависящих от величины локального двулучепреломления) изменяются вдоль оптического пути. На каждом участке волокна возникнет временная задержка между компонентами оптического сигнала, разложенного по быстрой и медленной осям. Из-за того, что направление осей двулучепреломления соседних участков волокна меняется случайным образом, форма и границы оптического импульса претерпевают статистическое временное расплывание.

Действительно, существуют два взаимно ортогональных состояния поляризации, называемые основными состояниями поляризации PSP (Principal State of Polarization). Одно из них соответствует самому быстрому, а другое - самому медленному времени распространения импульса по волокну. Разница времен распространения называется дифференциальной групповой задержкой DGD (Differential Group Delay), соответствующей данной длине волны. Величина задержки PMD определяется как значение DGD, усредненное по длинам волн.

Так как отдельные факторы, вызывающие поляризационнаю модовую дисперсию PMD, невозможно выделить и измерить, то явление PMD следует рассматривать как непрерывный и нестационарный стохастический процесс. Этот процесс приводит к уширению информационных оптических импульсов, что может ухудшить качество сигнала при его декодировании приемником (рисунок 3.3). Таким образом, поляризационная модовая дисперсия является существенным фактором, ограничивающим скорость передачи по волокну.

Рисунок 3.3 - Уширение импульса под влиянием ПМД

PMD измеряется в пикосекундах для каждого конкретного участка проложенного волокна в линии связи.

Для вычисления PMD линии связи, состоящей из нескольких участков, выполняют процедуру статистического суммирования. Общая поляризационная модовая дисперсия линии связи определяется как квадратный корень из суммы квадратов PMD отдельных участков, образующих линию связи (формула 3.2). Если, например, 9 из 10 участков линии имеют PMD по 0,2 пс каждая, а PMD десятого участка составляет 2 пс, то общая величина PMD линии будет равна 2,088 пс.

.(3.2)

Иными словами, один плохой участок волокна портит общую картину для всей линии связи. Поэтому необходимо проводить тестирование всех участков линии в сети связи. Нет никаких оснований полагать, что если несколько измеренных участков имеют малые задержки PMD, то и вся линия будет иметь приемлемое значение PMD.

Влияние PMD на качество сигнала в линии связи возрастает при:

увеличении скорости передачи (один из важнейших факторов);

увеличении количества участков линии (равносильно увеличению длины оптического канала);

увеличении количества каналов (при большем числе каналов возрастает вероятность большого отклонения дифференциальной групповой задержки от среднего значения хотя бы в одном канале).

Уменьшение частотного разнесения каналов влияет на PMD незначительно (если такое уменьшение не ведет к увеличению числа каналов в фиксированной полосе пропускания, как, например, в полосе усиления EDFA, равной 40 нм). Однако PMD можно уменьшить, тщательно контролируя геометрию волокна.

Явление PMD является серьезным препятствием при установке систем WDM на сетях с обычным волокном, соответствующим рек. ITU-T G.652 (в конце 1980-х годов было проложено свыше 80 миллионов километров такого волокна). При использовании новых типов волокна, соответствующих рек. ITU-T G.653, G.654 и G.655, проблема PMD не стоит столь остро.

Критерии для оценки удельного коэффициента PMD, обеспечивающие с вероятностью 99,994% дифференциальную задержку менее 0,1 длительности бита при запасе мощности, не превышающем 1 дБ, разработаны и предложены ITU и приведены в таблице 3.1.

Вклад в PMD вносит не только волокно, но и отдельные компоненты системы связи. Однако в последнем случае, вклад в PMD является постоянной, не случайной величиной. Уменьшение влияния PMD отдельных компонентов достигается путем контроля качества в процессе их производства.

Таблица 3.1 - Максимальное значение PMD для заданной скорости передачи

До недавнего времени PMD второго порядка, учитывающая зависимость поляризационной модовой дисперсии от длины волны, оказывала пренебрежимо малое воздействие на характеристики сети. Но после того, как скорость передачи превысила 10 Гбит/с, это явление встало в ряд факторов, ухудшающих характеристики систем передачи. В одномодовых волокнах большой длины явление PMD второго порядка всегда сопровождается с явлением PMD первого порядка. Тем не менее, PMD второго порядка приводит к снижению эффективности системы только при наличии хроматической дисперсии линии связи или при возникновении чирпирования частоты передатчика. PMD второго порядка может иметь тот же порядок величины, что и хроматическая дисперсия, и прямо пропорциональна длине линии в отличие от PMD первого порядка. Поэтому PMD второго порядка в первую очередь учитывают для линий дальней связи. Однако в отличие от хроматической дисперсии PMD второго порядка проявляет стохастический характер.

Статистика распределения вероятности DGD влияет на PMD второго порядка тем сильнее, чем меньше требуемый коэффициент ошибок. PMD второго порядка в какой-то степени зависит от скорости изменения величины DGD с изменением длины волны. Однако гораздо сильнее величина PMD второго порядка зависит от изменения направления основных состояний поляризации на выходе волокна при изменении частоты оптического сигнала.

Нелинейности. Нелинейные эффекты в волоконной оптике подобны нелинейным эффектам в других физических системах (механических или электронных). Они порождают генерацию паразитных гармоник на частотах равных сумме или разности основных частот системы. Эти дополнительные сигналы приводят к непредсказуемым явлениям потерь в оптических сетях связи.

Нелинейность волокна не является дефектом производства или конструкции волокна. Это неотъемлемое свойство материальной среды при распространении в ней любой электромагнитной энергии. Нелинейные эффекты следует учитывать из-за высокой когерентности используемого лазерного излучения. При заданном уровне передаваемой мощности напряженность электрического поля возрастет с увеличением степени когерентности излучаемых волн. Таким образом, в системах WDM с высокой степенью когерентности оптические сигналы даже умеренной мощности могут приводить к нелинейным явлениям.

Нелинейность волокна становится ощутимой, когда интенсивность лазерного излучения (мощность на единицу поперечного сечения) достигает порогового значения. Кроме того, влияние нелинейностей обнаруживается после прохождения сигналом некоторого пути по волокну в зависимости от параметров, конструкции волокна и условий его работы.

Действительно, напряженность электрического поля E распространяющегося оптического сигнала пропорциональна его мощности P , умноженной на квадратичную по полю нелинейную добавку n2 показателя преломления волокна и деленной на эффективную площадь сердцевины волокна Aeff, и может быть представлена в соответствии с формулой 3.3:

,(3.3)

где:

б - затухание в волокне;

в - фаза распространяющейся волны;

г - коэффициент нелинейности.

Если предположить, что оптическое излучение распространяется в волокне в виде гауссова пучка, то эффективную площадь можно выразить через диаметр модового поля волокна MFD (Mode Field diameter), как показано в формуле 3.4:

.(3.4)

Для волокон со смещенной дисперсией (рек. ITU-T G.653) и с ненулевой смещенной дисперсией (рек. ITU-T G.655) эффективная площадь Aeff приблизительно равна 50-60 мкм2, в то время как для волокна со смещенной дисперсией (рек. ITU-T G.652) она составляет около 80 мкм2. Иногда используют понятие эффективной длины волокна Leff, дающей тот же эффект, что и величина Aeff. Для типичного одномодового волокна Leff составляет 20 км.

В зависимости от характера поведения нелинейного коэффициента г все нелинейные явления можно разделить на две категории. Это явления рассеяния (когда действительная часть коэффициента г дает усиление или затухание) и явления преломления (когда мнимая часть коэффициента г приводит к фазовой модуляции).

В явлениях рассеяния сигнал лазера рассеивается на звуковых волнах (акустических фононах) или на молекулярных колебаниях волокна (оптических фононах) и смещается в область более длинных волн. Имеют место два следующих эффекта рассеяния:

вынужденное обратное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама (на акустических фононах);

вынужденное рамановское или комбинационное рассеяние (на оптических фононах).

В явлениях, зависящих от показателя преломления, при высоком уровне мощности сигнала необходимо учитывать нелинейность показателя преломления (формула 3.5):

,(3.5)

где:

n0 - показатель преломления волокна;

n2 - коэффициент нелинейности показателя преломления волокна (n2 = (2…3)•10-16 см2/Вт для кварцевого волокна);

I - интенсивность оптического сигнала.

К явлениям, зависящим от показателя преломления, относятся:

фазовая автомодуляция или воздействие сигнала на собственную фазу;

перекрестная фазовая модуляция или воздействие сигнала одного канала на фазу сигнала в другом канале;

четырехволновое смешение или смешение некоторого числа волн с возникновением излучения на новых длинах волн.

При вынужденном обратном рассеянии Бриллюэна-Мандельштама сигнал лазера создает периодические области с переменным показателем преломления, т.е. дифракционную решетку, которая расходится от оптического пучка подобно акустической волне. Отражения, вызванные этой виртуальной решеткой, усиливаются (складываются) и обнаруживаются в форме обратно рассеянного света с доплеровским понижением частоты (сдвигом в область длинных волн). Данное явление может приводить к значительному повышению уровня шумов и нестабильности распространения оптического сигнала, так как большая часть его мощности рассеивается назад.

Например, для оптического сигнала с длиной волны 1525 нм в волокне, соответствующем рек. ITU-T G.653, рассеиваемый обратно сигнал понижает свою частоту примерно на 10,7 ГГц (+0,085 нм) при полосе пропускания около 60 МГц. Для волокон рек. ITU-T G.652 рассеиваемый обратно сигнал в том же волновом диапазоне снижает частоту на 11 ГГц (+0,088 нм) при полосе пропускания около 30 МГц (рисунок 3.4). На практике явление SBMS начинают учитывать, если мощность монохроматического пучка света в волокне превышает 6 дБм.

Рисунок 3.4 - Обратное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама

Для подавления обратного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в существующих системах был разработан ряд методик. Наиболее популярная заключается в быстром (~50 КГц) размывании длины волны несущей частоты в диапазоне порядка 1 ГГц, что намного больше полосы пропускания рассеянного назад сигнала (30-60 МГц).

Коэффициент комбинационного рассеяния (Рамана) намного меньше (сечение комбинационного рассеяния 10-12 см/Вт), чем в явлении обратного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама. При этом частота сигнала понижается намного больше. Для волн из диапазона 1550 нм она понижается от 10 до 15 ТГц, что соответствует увеличению длины волны на 100 нм (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Комбинационное рассеяние (Рамана)

Рассеиваемый сигнал имеет намного большую ширину полосы пропускания (около 7 ТГц или 55 нм). В системах WDM данное явление служит механизмом переноса энергии от коротковолновых каналов к длинноволновым.

Фазовая автомодуляция. При очень высокой интенсивности лазерного излучения сигнал может модулировать свою собственную фазу. Такая модуляция расширяет спектр сигнала и уширяет или сжимает сигнал во времени в зависимости от знака хроматической дисперсии. В хвосте волнового пакета возникает сдвиг к более коротким длинам волн, а на переднем фронте - в область длинных.

В системах WDM сигнал в спектрально уширенном фазовой автомодуляцией канале может интерферировать с сигналами соседних каналов.

Фазовая автомодуляция возрастает при:

увеличении вводимой в канал мощности при постоянном эффективном сечении волокна;

увеличении скорости передачи в канале (при высоких скоростях передачи фронт нарастания-спада информационного импульса более крутой);

отрицательной хроматической дисперсии.

Фазовая автомодуляция создает больше проблем для систем WDM с волокном рек. G.652 (нулевая дисперсия при 1310 нм) по сравнению с системами, использующими волокно со смещенной дисперсией при 1550 нм (рек. ITU-T G.653) и с ненулевой смещенной дисперсией (рек. ITU-T G.655). Уменьшение частотного интервала между каналами или увеличение числа каналов в системе незначительно влияют на рассматриваемое явление.

Фазовая автомодуляция уменьшается при:

нулевой или небольшой положительной хроматической дисперсии;

увеличении эффективного сечения волокна;

компенсации дисперсии.

Явление перекрестной фазовой модуляции заключается в том, что сигнал одного канала модулирует фазы сигналов в соседних каналах. Перекрестная фазовая модуляция CPM (Cross-Phase Modulation) чувствительна к тем же факторам, что и явление фазовой автомодуляции, а также к увеличению числа каналов. Разнесение каналов, как и при фазовой автомодуляции, на нее практически не влияет, но явление CPM уменьшается при:

увеличении эффективного сечения волокна;

компенсации дисперсии.

Перекрестная фазовая модуляция менее актуальна в системах WDM, использующих волокна с большим эффективным сечением.

Четырехволновое смешение FWM (Four-Wave Mixing) является одним из самых вредных нелинейных оптических явлений в системах WDM. При достижении критического уровня мощности излучения лазера нелинейность волокна приводит к взаимодействию трех волн с частотами щi, щj, щk и появлению новой четвертой волны на частоте щi±щj±щk. Некоторые частоты таких ложных сигналов могут попасть в рабочие полосы пропускания каналов. В четырехканальной системе WDM может возникнуть 24 ложных сигнала, а в 16-канальной до 1920 (рисунок 3.6).

Помехи такого типа могут стать катастрофическими для приемного устройства на конце линии.

Рисунок 3.6 - Четырехволновое смешение

Четырехволновое смешение чувствительно к:

увеличению мощности канала;

уменьшению частотного интервала между каналами;

увеличению числа каналов (несмотря на то, что может быть достигнут уровень порога насыщения).

Действие четырехволнового смешения нужно учитывать в системах, использующих волокно со смещенной дисперсией (Рек. G.653). Оно менее критично в волокнах с ненулевой смещенной дисперсией (Рек. G.655), особенно в волокнах с большой эффективной площадью. Увеличение скорости передачи в канале незначительно влияет на эффективность четырехволнового смешения.

Влияние четырехволнового смешения уменьшается при:

увеличении эффективной площади волокна;

увеличении абсолютного значения хроматической дисперсии.

Явление четырехволнового смешения менее опасно в системах DWDM, использующих волокно с несмещенной дисперсией (Рек. G.652) на длине волны 1550 нм, так как дисперсионная характеристика в этом случае относительно пологая. Для волокна со смещенной дисперсией (рек. G.653) дисперсионная кривая имеет крутой наклон в этом диапазоне и явление FWM необходимо учитывать.

3.3 Мониторинг сети DWDM. Контрольно-измерительное оборудование

Мониторинг системы DWDM - это непрерывный контроль состояния активных каналов при помощи соответствующего набора тестов. Мониторинг ведется как для того, чтобы выявлять любые отклонения в оптических характеристиках сети, которые могут повлиять на ее работоспособность, так и для сбора статистической информации. Мониторинг включает в себя широкий спектр действий, начиная от планирования последовательности тестов и управления их проведением и заканчивая анализом полученных данных.

Мониторинг активных волокон - не единственный способ контроля состояния системы. Для этой цели можно также использовать специально выделенный контрольный оптический канал OSC (Optical Supervisory Channel). С помощью канала OSC ведется постоянное наблюдение за работой системы и эффективностью передачи данных, выявляются различные неполадки, потери мощности и другие нарушения целостности сигнала. Канал OSC позволяет проводить все необходимые тесты непрерывно, а не по расписанию, и без отключения каналов. Чтобы гарантировать целостность канала OSC, по которому могут передаваться сигналы управления, длину волны для него обычно выбирают вне рабочего диапазона усилителей EDFA.

Для тестирования с помощью канала OSC не требуется какого-то специального тестового оборудования - используется только то оборудование, которое необходимо для измерения выбранных характеристик. Для мониторинга потерь в соединителях и местах сварки волокон можно использовать измеритель мощности, а лучше - оптический рефлектометр OTDR. С помощью рефлектометра OTDR можно обнаруживать некоторые проблемы в оптическом волокне до их проявления. Определенные дефекты натяжения волокна легче обнаружить на длине волны канала OSC, а не в рабочем диапазоне усилителя EDFA. Мониторинг энергетического потенциала системы связи ведут с помощью перестраиваемого аттенюатора и тестера оптических потерь.