Листвин А.В., Листвин В.Н. Оптические волокна для линии связи - файл n2.doc

приобрести
Листвин А.В., Листвин В.Н. Оптические волокна для линии связи
скачать (502.4 kb.)
Доступные файлы (5):
n1.doc1364kb.03.09.2002 11:11скачать
n2.doc1132kb.03.09.2002 18:30скачать
n3.doc152kb.29.08.2002 12:14скачать
n5.doc124kb.11.08.2002 20:07скачать
n6.doc131kb.01.09.2002 14:29скачать

n2.doc

  1   2   3   4
ГЛАВА III.

Волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS)

§ 1. Введение
NZDS волокна (Non-Zero Dispersion Shifted) сконструированы специально для применения в DWDM системах и обладают дисперсией достаточной для того, чтобы подавить эффект четырехволнового смешения. В тоже время дисперсия их достаточно мала - так, что она не ограничивает возможность передачи на большие расстояния сигналов со скоростью 10 Гбит/с (STM-64). Иначе говоря, NZDS волокна совместимы как с плотными DWDM системами, так и с высокоскоростными TDM (Time Domain Multiplication) системами, и позволяют увеличивать пропускную способность волокна не только за счет увеличения числа передаваемых каналов, но и за счет увеличения скорости передачи в каждом канале.




Рис. 3.1. Пропускная способность магистральных линий передачи возрастает как за счет роста числа спектральных каналов, так и за счет увеличения скорости передачи в спектральных каналах.
NZDS волокна являются ещё достаточно «молодым» типом волокон и продолжают эволюционировать вместе с технологией DWDM. В настоящее время на рынке представлено несколько типов NZDS волокон как с положительной, так и с отрицательной дисперсией. В Европе рынок NZDS волокон пока ещё небольшой, а цена их достаточно высока (в два три раза больше, чем у SM волокон). В то же время США на долю NZDS волокон приходится около 50 % волокон, инсталлированных в дальних линиях связи. В Европе также все больше операторов связи начинают использовать этот тип волокон. Так что рынок NZDS волокон расширяется, и цена на них должна постепенно снизиться.

Параметры NZDS волокон регламентируются Rec. G.655 ITU-T. Ранние модели NZDS волокон отличались от DS волокон (G.653) всего лишь тем, длины волны нулевой дисперсии у них не попадала в полосу усиления эрбиевого оптического усилителя (рис. 3.2). Последние модели NZDS волокон обладают большей площадью модового пятна и меньшим наклоном коэффициента дисперсии, что позволяет увеличить число каналов в DWDM системе и передавать больше мощности в каждом из каналов. Появление на рынке этих новых моделей NZDS волокон требует внесения изменений в Rec. G.655, которые должны быть в скором времени проведены отделом стандартизации телекоммуникаций ITU-T.



Рис. 3.2. Зависимость величины потерь и коэффициента дисперсии от длины волны для SM, DS и NZDS волокон.
В идеале NZDS волокна должны обладать большой площадью модового пятна и нулевым наклоном дисперсионной характеристики. Однако для используемых обычно форм профилей показателя преломления (рис. 3.3) удовлетворить этим требованиям одновременно не удается.


Рис. 3.3. Профили показателя преломления NZDS волокон
Зависимость наклона коэффициента дисперсии от диаметра модового пятна для NZDS волокна с четырехслойным профилем показателя преломления производства компании Hitachi приведена на рис. 3.4.




Рис. 3.4. Зависимость наклона коэффициента дисперсии от диаметра модового пятна для волокон компании Hitachi с четырехслойным профилем показателя.
Поэтому поиск оптимальной формы профиля показателя преломления для NZDS волокон продолжается и в настоящее время. Одно направление этих поисков связано с исследованием популярных в середине 80-х годов волокон с плоской дисперсионной характеристикой. Другое направление - с попыткой создания волокон с отрицательным знаком наклона коэффициента дисперсии. Устанавливая последовательно NZDS волокна с противоположными знаками коэффициента дисперсии, можно будет строить линии с постоянной в широкой полосе частот полной дисперсией. Интерес к таким волокнам возникает в первую очередь при создании сверхдлинных подводных магистральных линий передачи.

Ещё одной причиной, которая может привести к обновлению парка NZDS волокон, является прогресс в технологии оптических усилителей. В настоящее время стали доступны оптические усилители, работающие в диапазонах соседних с диапазоном эрбиевого оптического усилителя (1525 …1565 нм), например: 1570…1610 нм, 1290..1310 нм, 1420..1500 нм и 1650..1700 нм. Таким образом, открывается возможность освоения новых оптических диапазонов, для чего потребуются и новые NZDS волокна.

Применение NZDS волокон. Наибольший интерес для применений в наземных линиях связи представляют новые модели NZDS волокон с положительной дисперсией (+D NZDS) и большой площадью модового пятна. Они обладают малыми потерями, малой величиной PMD и хорошими геометрическими параметрами и идеально подходят для DWDM систем, работающих в полосе эрбиевого усилителя (диапазон С). Более того, ряд моделей +D NZDS обладает достаточно малым наклоном коэффициента дисперсии так, что они могут применяться и в соседнем длинноволновом диапазоне L (1570…1620 нм).

Волокна с отрицательной дисперсией (-D NZDS) до недавнего времени применялись в основном в линиях дальней подводной связи. Это связано в первую очередь с тем, что для компенсации полной дисперсии в линии с -D NZDS волокнами можно использовать SM волокна, обладающие в диапазоне C достаточно большой (~ 17 пс/нм км) положительной дисперсией. Так как длина волны нулевой дисперсии у -D NZDS волокон лежит в диапазоне L, то в этом диапазоне эти волокна не применяются.

В последнее время -D NZDS волокна стали достаточно широко применяться и в наземных линях связи. Были разработаны волокна с отрицательной дисперсией специально для городских сетей (MAN –metropolitan area network). Их применение позволяет не только обеспечить высокую скорость передачи данных в таких сетях, но снизить стоимость комплекта «оборудование + кабель».

Как показала практика, первые модели NZDS волокон не удовлетворяют в полной мере требованиям, предъявляемым к ним в DWDM системах при скоростях передачи сигналов 10 Гбит/с (STM-64). Площадь модового пятна у них слишком мала, а наклон коэффициента дисперсии слишком велик. Это приводит к усилению эффекта перекрестной фазовой модуляции (ХРМ) и четырехволнового смешения (FWM) и, соответственно, появлению перекрестных помех.

Применение NZDS волокон с большой (почти в два раза) площадью модового пятна и малым наклоном коэффициента дисперсии позволяет значительно уменьшить перекрестные помехи вызванные ХРМ и FWM эффектами. В частности, малый наклон коэффициента дисперсии облегчает компенсацию дисперсии, необходимую для передачи сигналов со скоростью 10 Гбит/с (STM-64) на расстояние 300..400 км. При наличии небольшой дисперсии перекрестные помехи из-за ХРМ эффекта проявляются сильнее, чем из-за FWM эффекта. Поэтому ХРМ эффект является основным нелинейным эффектом для NZDS волокон.

В настоящее время промышленностью выпускаются DWDM c пропускной способностью 1.6 Тбит/с (16010 Гбит/с). На международной выставке FOC 2001 сообщалось о DWDM системе с пропускной способностью 10.92 Тбит/с (27340 Гбит/с). Предельная же пропускная способность линии передачи на одном волокне при использовании технологии DWDM составляет около 100 Тбит/с и ограничивается нелинейными эффектами.

Первый раздел этой главы посвящен рассмотрению нелинейных эффектов, проявление которых зависит от величины и знака дисперсии волокна. Эти эффекты обусловлены нелинейной зависимостью показателя преломления от интенсивности волн, распространяющихся в волокне (эффект Керра). К ним относятся самовоздействие (SPM), взаимодействие (ХРМ), четырехволновое смешение (FWM) и модуляционная нестабильность (MI).

Во втором разделе рассмотрены волокна с положительной дисперсией. В наземных линиях связи (где длина регенерационных участков, как правило, меньше 1000 км) применяются волокна с положительной дисперсией (+ D NZDS). Связано это в основном с тем, что в + D NZDS волокнах импульс из-за SPM эффекта расширяется меньше чем в - D NZDS волокнах.

Третий раздел посвящен - D NZDS волокнам. Новые модели - D NZDS волокон предназначенные для применения в городских сетях (MAN) достаточно широко представлены на российском рынке.

Раздел I. Нелинейные эффекты в оптических волокнах
§ 2. Эффективность нелинейных процессов в оптических волокнах
С появлением оптических усилителей нелинейные эффекты в оптических волокнах стали одним из основных факторов, ограничивающих длину ретрансляционного участка волоконных линий передачи и их пропускную способность. Многие из возникших при этом вопросов специфичны для волоконно-оптической связи и ранее в литературе по нелинейной оптике не рассматривались или рассматривались под другим углом зрения.

Нелинейные эффекты проявляются, как известно, только при достаточно больших мощностях света. Первоначально согласно Rec. ITU-T G.662 величина мощности вводимой в волокно ограничивалась 17 дБм (на  = 1550 нм), а затем она была увеличена до 19 дБм. В настоящее время ряд компаний (Siemens, Тусо) представили DWDM системы, в которых уровень мощности увеличен до 30 дБм.

При малых мощностях взаимодействие света со средой пропорционально первой степени от мощности света, т.е. представляет собой линейный эффект. Хорошим примером линейного эффекта является поглощение света в волокне: количество поглощенной мощности прямо пропорционально мощности распространяющегося в волокне. Нелинейные же эффекты пропорциональны более высоким степеням от мощности света, и их вклад быстро увеличивается с ростом мощности (рис. 3.5).




По своим нелинейным свойствам кварцевое стекло существенно (несколько порядков) уступает традиционным нелинейным оптическим материалам. Однако эффективность нелинейных эффектов определяется не только нелинейными коэффициентами, но и произведением плотности мощности Р/Аэфф (интенсивности) на длину взаимодействия Lвз:
M = Р Lвзэ. (3.1)
В объемной среде длина взаимодействия Lвз ограничена (рис. 3.5a) из-за дифракционной расходимости света величиной порядка Аэфф/ (релеевское расстояние).
Lвз = Аэ/. (3.2)
Поэтому в объемной среде коэффициент М не зависит от степени концентрации света и примерно равен:
Mоб = Р/ . (3.3)
Оптические волокна обладают двумя специфическими свойствами, которые обуславливают высокую эффективность протекания в них нелинейных процессов. Во-первых, свет сконцентрирован на малой площади вблизи сердцевины волокна. Во-вторых, такая высокая концентрация света сохраняется на всей многокилометровой длине волокна (рис. 3.6б).


Рис. 3.6. Геометрия экспериментов для объемной не волноводной среды (а) и для оптических волокон (б).
В волокне длина взаимодействия ограничена тем, что интенсивность света уменьшается из-за потерь в волокне, и её вклад в суммарный нелинейный эффект существенен только на начальном участке. Эффективная длина этого участка волокна определяется выражением:
Lэ = [1 – exp(- L)]/. (3.4)
где L – длина волокна,  - потери в волокне. Для типичной величины поглощения в волокне 0.22 дБ/км эффективная длина волокна составляет 20 км, что заметно меньше не только полной длины линии, но и расстояния между оптическими усилителями.

В SM волокнах диаметр модового пятна w равен примерно 7 (глава I), и, соответственно, Аэфф =  w2 /4 = 12.5  2. Из (3.1), полагая Lвз = Lэфф, находим величину коэффициента М в волокне:
Mв  0.1 Р Lэ /( 2). (3.5)
С помощью (3.5) и (3.3) находим величину отношения:
Mв/ Mоб  0.1 Lэ/, (3.6)
что при Lэфф = 20 км и  = 1.55 мкм составляет величину порядка 109.

Основные типы нелинейных эффектов в волокне наблюдаются уже при мощности в каждом из спектральных каналов DWDM системы порядка несколько милливатт. Их можно разделить на неупругие и упругие взаимодействия. К неупругим взаимодействиям относятся вынужденное (стимулированное) рассеяние Рамана (SRS – stimulated Raman scattering) и вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS - stimulated Brillouin scattering). Часто используют и другие обозначения: вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ).

Явления вынужденного рассеяния SBS и SRS проявляются в том, что лазерный сигнал рассеивается, соответственно, на звуковых волнах, распространяющихся в волокне (акустических фононах) или на молекулярных колебаниях волокна (оптических фононах), и смещается в область более длинных волн (3.7).




Рис. 3.7. Спектры SВS и SRS.

а) При вынужденном рассеянии Бриллюэна (SBS) спектр спонтанного излучения узкий (30..60 МГц) и смещен в длинноволновую сторону на 11 ГГц.

б) При вынужденном рассеянии Рамана (SRS) спектр спонтанного излучения широкий (~ 7 ТГц или 55 нм) и смещен в длинноволновую сторону на величину порядка 13 ТГц.
Хотя явления SBS и SRS во многом схожи, можно выделить несколько существенных отличий:

К упругим взаимодействиям относятся явления обусловленные зависимостью показателя преломления от интенсивности света (эффектом Керра): фазовая самомодуляция волн (SPM - Self-Phase Modulation), четырехволновое смешение (FWM – Four Wave Mixing), перекрестная фазовая модуляция (ХРМ – Cross Phase Modulation), модуляционная нестабильность (MI – Modulation Instability). Явления, обусловленные эффектом Керра, могут приводить, в зависимости от величины и знака дисперсии волокна, к значительным изменениям ширины и формы импульсов, а также к появлению перекрестных помех, зависящих от числа каналов в DWDM системе (рис.3.8).



Рис. 3.8. Примерный вид зависимости максимальной мощности в спектральном канале от числа каналов.
§ 3. Вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS)
Физическая причина явления вынужденного рассеяние Бриллюэна состоит в том, что интенсивная волна света распространяющегося в прямом направлении и первоначально слабая волна рассеянного назад света, а также тепловая упругая волна нелинейно взаимодействуют друг с другом (за счет явления электрострикции). В результате такого взаимодействия в волокне возникают волны показателя преломления, движущиеся со скоростью звука.

Часть распространяющегося в прямом направлении света рассеивается на волнах показателя преломления назад со сдвигом частоты (рис. 3.9). Это приводит не только к ослаблению сигнала, передаваемого по волокну в прямом направлении, но и к появлению дополнительных вариаций частоты и амплитуды источника излучения при попадании в него отраженного излучения.

Величина сдвига частоты зависит от того, как легирована сердцевина волокна. В SM волокне (G.652) рассеянная назад световая волна смещена по частоте на 11 ГГц (+ 0.088 нм) при ширине полосы около fB = 30 МГц. А в DS волокне (G.653) она смещена на 10.7 ГГц (+ 0.085 нм) при ширине полосы около fB = 60 МГц. Однако в любом случае линия спонтанного усиления узкая, а сдвиг частот много меньше расстояния между спектральными каналами DWDM системы. Поэтому ограничение на величину мощности в канале не зависит, как показано на рис. 3.8, от числа каналов.




Рис. 3.9. Рассеяние Бриллюэна на одной из генерируемых оптически акустических волн как отражение от движущейся решетки Брэгга.
Для расчета пороговой величин мощности PB (при которой примерно половина мощности рассеивается назад) обычно используют следующее приближенное выражение
PB Lэ  (21 Aэ/gB) (1 + fл /fB) = 0.03 (1 + fл /fB) Вт км, (3.7)
где fл – ширина полосы источника излучения. Коэффициент 0.03 Вт км получен для gB = 5 10-11 м/Вт- коэффициент усиления SBS (в максимуме) и Aэ = 70 мкм2 (SM волокно).

Для узкополосного источника излучения (fл < 1 МГц) и типичного значения Lэ = 20 км находим PB = 1.5 мВт (это значение показано на рис. 3.7). Для сравнения в DWDM типичное значение мощности в одном спектральном канале 1…10 мВт, а при передачи сигнала по волокну на одной длине волны или, например, в оптическом рефлектометре она может уже достигать величины 100…200 мВт.

Пороговую величину мощности можно увеличить, уменьшая эффективную длину взаимодействия световой волны с акустической волной. В оптическом рефлектометре она уменьшается «автоматически», так как в нем используются импульсы с большой скважностью. Для одиночного импульса, как нетрудно видеть, эта эффективная длина равна половине длины импульса
Lэ = Lи = с  /2 n, (3.8)
где  - длительность импульса, n  1.5 –групповой показатель преломления волокна. Для типичного значения  = 1 мкс получаем Lэ = Lи = 0.1 км, что примерно на два порядка меньше значения эффективной длины взаимодействия (Lэ = 20 км) для узкополосного источника излучения. Соответственно, в режиме таких одиночных импульсов величина пороговой мощности увеличивается в примерно 200 раз, т.е. до 300 мВт.

В оптических системах с внешним амплитудным модулятором пороговая мощность SBS уменьшается всего лишь в 2…4 раза (до 5 мВт), так как скважность передаваемых импульсов мала, и значительная часть мощности содержится в оптической несущей. Для увеличения пороговой мощности таких систем обычно используют дополнительную фазовую модуляцию излучения лазера с частотой порядка 50 Гц и девиацией частоты порядка 1 ГГц. Полагая для оценки в (3.7) величину fл = 1ГГц, получаем, что за счет расширения полосы излучения пороговая мощность увеличивается примерно в 30 раз (до 50 мВт).

В оптических системах при прямой модуляции лазера чирпинг эффект приводит к уширению спектра излучения лазера (глава I) пропорционально битовой скорости. Так при скорости передачи 2.5 Гбит/с (STM-16) в системах с прямой модуляцией лазера пороговая мощность SBS достигает величины 100…200 мВт.

Таким образом, хотя при работе монохроматическим источником излучения максимальная мощность в канале из-за SBS ограничена (как показано на рис. 3.7 величиной порядка 1.5 мВт), в практических системах допустима гораздо большая величина мощности.
§ 4. Вынужденное рассеяние Рамана (SRS)
Физическая причина явления вынужденного рассеяние Рамана состоит в поглощении фотона молекулой, использование части энергии фотона на возбуждение колебаний этой молекулы, а оставшейся части энергии на испускание фотона с более низкой частотой. Этот эффект используется для усиления сигналов в спектральных каналах DWDM систем, так как он обладает широкой полосой усиления (50…100 нм, для разных типов волокон), что даже шире полосы усиления эрбиевого усилителя (~40 нм).

Пороговая величина мощности PR (при которой примерно половина мощности преобразуется в сигнал более низкой частоты) определяется выражением
PR Lэ  (16 Aэ/gR)  17 Вт км. (3.9)
Коэффициент 0.03 Вт км получен для gB = 5 10-11 м/Вт и Aэ = 70 мкм2 (SM волокно). При типичном значении Lэ = 20 км ( = 1550 нм) получаем PR  1 Вт, что заметно больше общей выходной мощности эрбиевого оптического усилителя (~ 23 дБм). Более того, в DWDM системе мощность в спектральном канале ещё меньше, так как общая выходная мощность оптического усилителя должна быть разделена между всеми каналами системы.

Таким образом, SRS, в отличие от SBS, не ограничивает непосредственно величину мощности вводимой волокно. Однако SRS играет важную роль в волоконной связи, так как обеспечивает возможность усиления сигналов в широкой полосе частот смещенной в длинноволновую сторону относительно длины волны накачки на величину ~13 ТГц (100 нм). Примерный вид спектров усиления в основных типах кварцевых волокон показан на рис. 3.10.




Рис. 3.10. Спектры рамановского усиления в кварцевых волокнах.
Рамановский усилитель. В отличие от оптических усилителей с примесями редкоземельных элементов, рамановские усилители обеспечивают усиление сигналов практически на любой длине волны, что делает их особенно привлекательными в будущих широкополосных системах DWDM. Кроме того, усиление в них распределено по длине волокна (примерно на 20 км) и сигнал из-за потерь в волокне уменьшается не так сильно, как при использовании обычных оптических усилителей (рис.3.11), что позволяет добиться лучшего отношения сигнал/шум. Конструктивно рамановский усилитель выглядит просто и для его создания необходим практически только источник накачки на соответствующей длине волны.



Рис.3.11. Схема рамановского усиления сигнала в линии связи.
Перекрестные помехи возникают, когда по волокну передаются сигналы на двух или больше длинах волн. При этом сигналы на длинных волнах усиливаются за счет ослабления сигналов на коротких длинах волн. В DWDM системе со многими близко расположенными спектральными каналами это приводит к появлению наклона в спектре предаваемой мощности (3.12), величина которого пропорциональна мощности в канале. Так как мощность в каналах системы не должна сильно различаться (типичное значение запаса мощности 0.5…1 дБ), то SRS приводит к ограничению максимальной мощности в канале (обратно пропорциональной квадрату числа каналов).



Рис. 3.12. Разность коэффициентов усиления между 20 каналами 100 км NZDS волокне длиной 100 км и мощностью в каждом канале 1.5 мВт.
§ 5. Фазовая самомодуляция волн (SPM)
Фазовая самомодуляция волн (SPM - Self-Phase Modulation) возникает из-за зависимости показателя преломления от интенсивности света (эффект Керра):
n = n0 + n2 (P/Aэ), (3.10)
где n0 – линейная часть показателя преломления (~ 1.46 для кварцевого стекла), n2. Величина нелинейного коэффициента n2 в зависимости от типа волокна может изменяться в пределах 2.2…3.4 10-20 м2/Вт.

Главные особенности спектра импульса, прошедшего через такую нелинейную среду, можно выяснить, анализируя его фазу
 = оt - оLn/c = о(t - Lno/c) - SPM, (3.11)

где

SPM = (2/) n2 (P/ Aэ) Lэ =  P Lэ. (3.12)
Коэффициент нелинейности  = (2/) (n2/ Aэ) обратно пропорционален площади модового пятна Aэ, что и приводит в основном к различию коэффициентов нелинейности у разных типов волокон (рис. 3.13).




Рис. 3.13. Зависимость коэффициента нелинейности от диаметра модового пятна для волокон различных типов.
Для объяснения SPM эффекта необходимо учесть, что мощность в импульсе является функцией времени - на заднем фронте импульса мощность увеличивается во времени, а на переднем фронте уменьшается. В системе координат движущейся вместе с импульсом передний фронт импульса, так как он приходит раньше, лежит на отрицательной части оси времени (рис. 3.14).



Рис. 3.14. Появление сдвига частот в следствии SPM эффекта при изменении интенсивности в импульсе.
Возникающий из-за SPM эффекта дополнительный набег фазы также является функцией времени - на переднем фронте импульса фазовый сдвиг увеличивается во времени, а на заднем уменьшается (в системе координат связанной с импульсом). А так как частота является производной фазы по времени, то импульс оказывается промодулированным не только по амплитуде, но и по частоте. При этом частота несущей на заднем фронте импульса оказывается больше частоты несущей на переднем фронте импульса (рис. 1.34, глава I):
 = - dSPM/dt = -  (dP/dt) Lэ. (3.13)
Таким образом, SPM эффект приводит к появлению чирпинга примерно так же, как и при распространении импульса в волокне с дисперсией. Однако между этими явлениями имеются существенные отличия. SPM эффект приводит к уширению спектра импульса, но не меняет ширину импульса (рис. 1.34). Дисперсия же наоборот приводит к изменению ширины импульса, но не меняет ширину его спектра (см. рис. 1.30).

На рис. 3.15. изображена зависимость штрафа по мощности от величины мощности вводимой в NZDS волокнах (марки TrueWave) с положительной и отрицательной дисперсиями. Штраф по мощности характеризует изменение ширины импульсов обусловленное совместным воздействием на импульсы дисперсии волокна и SPM эффекта.


Рис. 3.15. Зависимости штрафа по мощности от мощности входного сигнала в линии с NZDS волокнами (TrueWave) с положительной и отрицательной дисперсиями. Длина линии 145 км, скорость передачи 10 Гбит/с коэффициент битовых ошибок 10-9.
При малой входной мощности излучения штраф по мощности положительный и примерно одинаковый для волокон как с положительной, так и отрицательной дисперсиями. Объясняется это тем, что в линейном приближении импульсы без чирпинга (полученные от DFB лазера с внешним модулятором) всегда уширяются, независимо от знака дисперсии волокна.

При увеличении входной мощности излучения для волокна с отрицательной хроматической дисперсией штраф по мощности увеличивается. Происходит это потому, что благодаря SPM эффекту длина волны несущей вблизи заднего фронта импульса оказывается короче длины волны вблизи переднего фронта (отрицательный чирпинг). В волокне с отрицательной дисперсией скорость распространения волн увеличивается с увеличением длины волны. В результате задний фронт импульса отстает от переднего фронта, и таким образом ширина импульса увеличивается.

В волокне с положительной хроматической дисперсией при увеличении мощности штраф по мощности вначале уменьшается. Волокно с положительной дисперсией ускоряет задний фронт импульса (с более короткими волнами) и замедляет передний фронт (с более длинными волнами), что и приводит к сжатию импульса.

Сжатие импульса наблюдается при не слишком большой мощности, когда уширение спектра импульса из-за SPM эффекта ещё мало, но импульс уже приобретает отрицательный чирпинг. При большой мощности уширение спектра импульса становится уже основным фактором, определяющим ширину импульса при его распространении в волокне с дисперсией. Такой импульс будет уширяться независимо от знака дисперсии волокна, что и происходит как видно из рис. 3.14 при мощности больше 15 дБм.

Солитоны. При промежуточном значении мощности эффект сжатия импульса (наблюдаемый при малой мощности) может в принципе компенсировать эффект уширения импульса (наблюдаемый при большой мощности), т.е. возможна такая ситуация, когда импульс будет распространяться в волокне, не меняя своей ширины. Действительно, как показывает более точный анализ, можно подобрать такую мощность и форму импульса, что в волокне с положительной дисперсией он будет распространяться, не меняя своей формы. Такие импульсы называются солитонами. Их применение в оптической связи весьма перспективно и в настоящее время сдерживается только стремительным развитием DWDM систем.
§ 6. Модуляционная нестабильность (MI)
Модуляционная нестабильность (MI – Modulation Instability) наблюдается только в волокнах с положительной дисперсией. Во временном представлении оно проявляется в виде пичков на импульсах (рис. 3.16а), а в спектральном представлении как уширение спектра импульса (рис. 3.16б).

Появление пичков на импульсах связано с эффектом самовоздействия волн. Этот эффект приводит к тому, что длина волны на заднем фронте импульса оказывается короче длины волны на переднем фронте. Волокно с положительной дисперсией ускоряет волну заднего фронта сильнее, чем более длинную волну заднего фронта. Когда задний фронт входит во взаимодействие с передним фронтом, возникает интерференция, которая и служит причиной образования пичков на передаваемых импульсах. После детектирования оптического сигнала и последующей электрической фильтрации амплитуда пичков уменьшается так, что они не оказывают существенного влияния на работу систем протяженностью менее 1000 км.




Рис. 3.16. Модуляционная нестабильность (а) и формирование боковых полос (б) в потоке импульсов следующих со скоростью 2.5 Гбит/с (мощность источника 9 дБм) после прохождения 600 км волокна с положительной дисперсией (+ 3 пс/нмкм).


§ 7. Перекрестная фазовая модуляция (ХРМ)
Изменение показателя преломления волокна возникает не только из-за фазовой самомодуляции волн (SPM эффект), но и из-за XPM (Cross Phase Modulation) эффекта - перекрестной фазовой модуляции волн, возникающей при взаимодействии с волнами, распространяющимися в других каналах DWDM системы. Возникающий при этом дополнительный фазовый сдвиг i-ом канале аналогично, как в SPM эффекте (3.11) пропорционален коэффициенту нелинейности  и эффективной длине взаимодействия Lэ:
i =  Lэ [Pi + 2 m i Pm]. (3.14)
Так как мощность в каналах DWDM системы примерно одинакова, то, как видно из (3.14), XPM эффект увеличивает нелинейный фазовый сдвиг, возникающий из-за SPM эффекта, примерно в 2 N раз, где N – число каналов в DWDM системе и приводит к таким же искажениям импульсов, только более сильным. Для того чтобы компенсировать увеличение нелинейного фазового сдвига с ростом числа каналов, необходимо уменьшить или дисперсию волокна, или мощность в канале (~ 1/N), как это показано на рис. 3.8.

Перекрестная фазовая модуляция приводит также и к появлению амплитудных искажений и временного джиттера (рис. 3.17). Эти искажения проявляются тем сильнее, чем выше скорость передачи сигнала и меньше интервал частот между каналами. Исследования в этом направлении стали интенсивно проводиться только в самое последнее время.




Рис. 3.17. Схема, поясняющая появление амплитудных искажений и временного джиттера при перекрестной фазовой модуляции импульсов (XPM эффект).


§ 8. Четырехволновое смешение (FWM)
Четырехволновое смешение (FWM – Four Wave Mixing) приводит к появлению новых частот, часть из них попадает в каналы DWDM системы и вызывает перекрестные помехи. Для появления новых частот достаточно, чтобы в нелинейном взаимодействии участвовали, по крайней мере, две световые волны с близкими частотами (w1 и w2). Тогда появившиеся при нелинейном взаимодействии частоты (2w1 - w2 и 2w2 - w1) будут близки к исходным (рис. 3.18).

Если же в нелинейном взаимодействии участвуют три световые волны с близкими частотами (wi , wj и wk), то некоторые из вновь возникших комбинационных частот wi  wj  wk так же будут близки к исходным частотам и попадут в спектральные каналы DWDM системы. Поэтому это явление принято называть четырехволновым смешением (частота появившаяся новой четвертой волны близка к частотам трех породившим её волн).


Рис. 3.18. Схема образования новых длин волн при FWM эффекте.
Для уменьшения перекрестных помех, возникающих из-за FWM эффекта, необходимо, чтобы длина волны нулевой дисперсии волокна не попадала в рабочий диапазона длин волн. Так в линии с NZDS волокнами паразитные сигналы отсутствуют даже после прохождения вдвое большего расстояния, чем в линии с DS волокнами (рис. 3.19).


Рис. 3.19. Спектры сигналов на выходе DWDM систем при мощности в каждом канале ~ 3 дБм. а) Видны паразитные сигналы. б) Паразитных сигналов нет.
Уменьшение эффективности FWM при увеличении дисперсии волокна объясняется тем, что она приводит к нарушению фазового синхронизма смешиваемых волн и следовательно уменьшает длину их взаимодействия. Зависимость эффективности подавления возникающих из-за FWM перекрестных помех от коэффициента дисперсии волокна изображена на рис. 3.20.



Рис. 3.20. Зависимость эффективности четырехволнового смешения от ширины межканального интервала DWDM системы для SM и NZDS волокон.


Раздел II. Дисперсионные характеристики NZDS волокон
§ 9. Волокна с положительной дисперсией
Волокна с положительной ненулевой дисперсией (+ D NZDS - Non Zero Dispersion Shifted) применяются в наземных линиях связи (где длина регенерационных участков, как правило, меньше 1000 км), так как в них за счет SPM эффекта импульс расширяется меньше, чем в волокнах с отрицательной дисперсией. По своим характеристикам + D NZDS волокна занимают промежуточное положение между SM и DS волокнами. В SM волокнах длина нулевой дисперсии порядка 1310 нм, а в DS волокнах она смещена на  = 1550 нм (примерно в середину полосы усиления EDFA). В + D NZDS волокнах длина волны нулевой дисперсии смещена в длинноволновую сторону (так же как и в DS волокнах), но на меньшую величину так, чтобы она не попадала в полосу усиления EDFA (1530…1565 нм) (рис. 3.21).



Рис. 3.21. Хроматическая дисперсия D() как сумма материальной DМ() и волноводной дисперсий DВ() в + D NZDS волокнах, т.е. волокнах, обладающих небольшой положительной дисперсией в 3-м (С) окне прозрачности.
Дисперсия с одной стороны должна быть достаточно малой, так чтобы она не вызывала уширения импульсов. С другой стороны для подавления перекрестных помех, возникающих из-за FWM и XPM эффектов, дисперсия должна быть достаточно большой (рис. 3.22). Величина дисперсии NZDS волокон определяется требованиями Rec. G. 655 и должна лежать в диапазоне 0.1….6 пс/нм км. Однако эти рекомендации не являются окончательными и должны быть существенно изменены для того, чтобы привести их в соответствии с характеристиками NZDS волокон новых марок. .


Рис. 3.22. Зависимость эффективности четырехволнового смешения от интервала длин волн между каналами DWDM системы. Типичные значения интервалов: 0.8 нм (100 ГГц), 0.4 нм (50 ГГц), 0.2 нм (25 ГГц).
NZDS волокна не только эффективно уменьшают влияние FWM и XPM эффектов в DWDM системах, но и обеспечивают возможность передачи без компенсации дисперсии сигналов со скоростью 10 Гбит/с (STM-64) на расстояние порядка 250 км (в SM волокнах оно ~60 км (рис. 3.23)).




Рис. 3.23. Зависимость максимального расстояния передачи без компенсации дисперсии от скорости передачи в SM и NZDS волокнах.
NZDS волокна появилось примерно в середине 90-х годов (TrueWave™ компании Lucent). В третьем окне прозрачности (диапазон С) TrueWave™ обладает дисперсией порядка 4...6 пс/нм км (у SM волокон дисперсия порядка 16...20 пс/нм км) (3.24).




Рис. 3.24. Дисперсионные характеристики оптических волокон для линий связи.
Интересно отметить, что в Японии в конце 80-х и начале 90-х годов в линии связи в массовых количествах инсталлировались DS волокна. Позднее было установлено, что наилучшей стратегией, обеспечивающей возможность передачи больших объемов информации, является использование DWDM систем. В настоящее время эти системы уже выпускаются промышленностью. При этом оказалось, что использование DWDM систем с DS волокнами в диапазоне С (в полосе усиления EDFA (1530...1570 нм)), там, где эти волокна обладают нулевой дисперсией, практически невозможно из-за больших перекрестных помех возникающих вследствие FWM эффекта.

Поэтому в дальнейшем разработчики линий связи в Японии сосредоточили свои усилия на освоение диапазона L (1570...1610 нм), где DS волокна обладают дисперсией порядка 2...4 пс/нм км, достаточной для подавления негативного влияния FWM и XPM эффектов (примерно такой же, как и NZDS волокна в диапазоне С).

С развитием DWDM систем потребовались NZDS волокна с улучшенными дисперсионными и нелинейными характеристиками:

Новые модели NZDS волокон удовлетворяют большинству этих требования. Они разделяются на три основные типа (рис. 3.25): волокна с большой площадью модового пятна (LEAF (Corning)), волокна с малым наклоном дисперсионной кривой (TrueWave RS (Lucent)) и волокна с большой дисперсией (TeraLight, Alcatel).



Рис. 3.25. Дисперсионные характеристики различного типа + D NZDS волокон (G. 655).
Все эти типы выпускаются основными производителями волокон. В литературе при упоминании какого либо из этих типов волокна обычно ссылаются, как это сделано выше, на марку волокна, появившуюся на рынке первой. Оптические характеристики трех основных типов NZDS волокон представлены в таблице № 3.1.
Таблица № 3.1 Оптические параметры трех основных типов + D NZDS волокон.

Параметры волокон


на  = 1550 нм


LEAF

Corning


TeraLight

Alcatel

TrueWave RS


Lucent

Потери


0.25 дБ/км

0.25 дБ/км

0.22 дБ/км

Площадь модового пятна


72 мкм2.

66 мкм2.

55 мкм2.

Дисперсия


4.2 пс/нмкм

8 пс/нмкм

3.8 пс/нмкм


Наклон дисперсии


0.085 пс/нм2км

0.058 пс/нм2км

0.045 пс/нм2км

Длина волны

нулевой дисперсии

1500 нм

1440 нм

1450 нм

Коэффициент PMD


< 0.1 пс/км1/2

< 0.08пс/км1/2

< 0.1 пс/км1/2
  1   2   3   4


Волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS)
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации