CC BY
97
БЕЗOПАCHOCТЬ
Решения, связанные с определением хроматической дисперсии в одномодовом оптическом волокне
Зелютков ЕА,
Ведущий инженер отдела планирования и оптимизации транспортной сети Московского региона,
ОАО “ВымпелКом"
Известно, что величина хроматической дисперсии волоконно-оптической линии с учетом аппаратуры определяется в виде трех составляющих:
1. Дисперсия, вызванная передатчиком;
2. Дисперсия в оптическом волокне;
3. Дисперсия приемника оптического сигнала.
При преобразовании оптическим детектором оптического сигнала в электрический, мощность оптического сигнала преобразуется в напряжение электрического сигнала, при этом 3дБ потерь мощности оптического сигнала трансформируется в 6дБ потерь напряжения электрического сигнала. Точка, соответствующая уровню потерь в 6дБ, традиционно используется для определения ширины полосы пропускания, ограниченной дисперсией. Как известно, под действием оптической мощности в фотодиоде появляется ток, который с помощью усилителей усиливается и преобразуется в напряжение.
В случае длинных линий уровень передаваемой мощности может оказаться недостаточным для достижения минимальной вероятности ВЕ1^.
В этом случае делают более короткими усилительные участки, используют оптический предусилитель, используют оптическое волокно с малыми потерями, используют более чувствительный фотодетектор.
Согласно [1] при увеличении скорости передачи до 10 Гбит/с дисперсия ограничивает длину усилительного участка для оптического волокна (ОВ) по рекомендации 1Т11-Т 0-652 вследствие больших ошибок для длины 50 км. При увеличении скорости до 40 Гбит/с компенсация дисперсии требуется для данного ОВ уже после 3,8 км.
При замене ОВ на волокно с ненулевой смещенной дисперсией [ОВННСД] компенсация дисперсии требуется на длине 100 км
для скорости передачи 10 Гбит/c и 30 км при скорости передачи 40Гбит/с.
Использование мультиплексора, драйвера, оптического модулятора с трансимпе-дансным усилителем в электрической части передатчика волоконно-оптической линии при скорости передачи 10 Гбит/с на OB SMF-28 на длине 80-100 км может быть свободно от ошибок: не требуется компенсация дисперсии и не требуется оптическое усиление (бустер, линейные оптические усилители, предусилитель)
Работа драйвера основана на самых современных логических схемах и трансим-педансных усилителях. Модулятор Маха-Зендера соединен с оптическим волокном SMF-28, которое имеет коэффициент затухания 0,2 дБ/км и дисперсионный коэффициент 17 пс/нм^км на длине волны 1,55 мкм. Лазерный источник с максимальной выходной мощностью 15мВт (11,8 dBm) перекрывает расстояние 80 и 100 км.
На приемном конце используется два типа приемных устройств: для 80 км OВ используется PIN-фотодиод (PD) с характеристикой 0,85А/Вт в сочетании с трансимпе-дансным усилителем с одной настройкой усиления на 700 Oм.
Для длины 100 км OВ лавинный фотодиод (APD) используется в сочетании с тран-симпедансным усилителем с настройкой усиления на 4,5 Юм.
В каждом случае вьход трансимпедансно-го усилителя соединен с приемником. При этом BER < 10-12 на длине 80 км и BER < 10-12на длине 100 км.
Схема с трансимпедансом позволяет получить большую полосу пропускания и высокую чувствительность. В этом случае нагрузочное сопротивление расположено в цепи обратной связи усилителя. Нагрузочное сопротивление может быть достаточно
большим, так как отрицательная обратная связь уменьшает эффективный входной импеданс пропорционально усилению усилителя. Полоса пропускания такой схемы увеличивается во столько раз, во сколько увеличивается усиление усилителя.
Следующим электрическим компонентом такого приемника является усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления и низкочастотный фильтр. Коэффициент усиления управляется с помощью АРУ вне зависимости от средней оптической мощности, падающей на приемник. Фильтр низких частот формирует импульс напряжения. Фильтр используется с целью уменьшения шума без внесения межсимвольных искажений. Фильтр 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.
Восстановленные сигналы таймера обеспечивают синхронизацию и побитовое таймирование. Схема принятия решений (логическая схема) сравнивает выходное напряжение усилителя напряжения на выходе фильтра с пороговым уровнем и определяет для каждого битового интервала, является ли принятый сигнал двоичный 1 или 0. Так, для формата NRZ1 Мбит/c имеет длительности битового интервала 1 мкс, для 1 Гбит/c —
1 нс, для 10 Гбит/с — 0,1 нс (100 пс)
Для дальних линий передачи для каждого звена длинной линии требуется BER < 10-12 для скорости 10Г бит/с для того, чтобы на приемном конце BER < 10-10.
Для каждого типа приемника производитель дает кривую или семейство кривых, где представлена зависимость BER от уровня сигнала в dBm. Рассматриваемый уровень может изменяться от 10-9 до 10-12. Оператор Sprint устанавливает порог на уровне 10-12, стандарт ITU-T G-957 — на уровне 10-10. Эти уровни соответствуют всей системе в целом для сигнала, переданного "из конца в конец"
В случае длинной линии уровень мощности сигнала может оказаться недостаточным для достижения требуемого значения вероятности ошибки BER. В этом случае, делают более коротким участок, используют оптический предусилитель, используют ОВ с ма-
лыми потерями, используют более чувствительный детектор. Например, PIN диоды имеют большую наработку на отказ, чем APD, менее сложны, менее чувствительны к изменению температуры и более просты в использовании. Их наработка на отказ в 10 раз выше, чем у APD.
Оптический вход модулятора Маха-Зендера управляется лазерным источником мощностью 10 дБм для 80 км и 13 дБм для 100 км. 5 дБм отводится потерям на включение и модуляцию данных. Затухание составляет 16,4 дБ. При изменении передатчик-приемник с очень короткой длиной ОВ отличается чувствительность приемника —
17.8 дБм для BER < 10-12. При длине 80 км чувствительность приемника падает до —
13.8 дБм, т.е. вводится 4 дБ ОВ SMF-28. Рассмотрев функциональные особенности передачи и приема оптического сигнала, следует определить характеристические особенности передачи сигнала по ОВ. Предполагая Гауссову форму огибающей импульса, возьмем его функциональные особенности из Гауэра [2]
Г05 =да; Ту, = 0,83321/* о = 0,354Ту/е = 0,425Т05,
где 7q5 — длительность импульса на уровне 0,5 от максимального значения; Т",/е — длительность импульса на уровне его уменьшения в e раз (Tq); о — средне квадратичное значение уширения импульса;
Согласно теории информации следует, что максимальная скорость передачи информации не должна превосходить величи-1
ны —, где о — средне квадратичное значение уширения импульса.
Известно, что для одномодового ОВ — это значение хроматической дисперсии. Таким образом, опять обращаясь к Гауэру [2]
B = — =—^ =—,
40 2Т0,5 ЛТб
где B = Л/опт = 2А/ЭЛ B — скорость передачи; f — оптическая частота сигнала; f — электрическая полоса частот после фильтра.
Как уже указывалось выше, электрическая Af и оптическая Af полосы пропускания ОВ могут быть определены по его электрической частотной характеристике соот-
ветственно уровням — 3 дБ и — 6 дБ соответственно.
Таким образом, следует понимать, что мы хотим определить: какая дисперсия в ОВ или во всей системе. При передаче гауссовского импульса, который имеет среднеквадратичную длительность О0, который на выходе из передатчика изменяет свою форму •у/а0 + о,1, проходит по ОВ, уширяясь до О2 входа перед фотодиодом, и уширяется и преобразуется до выхода из фильтра после усилителя напряжения О3.
Таким образом, для всей системы мы имеем результирующую длительность импульса:
I 2 2 2 2
а = у]а2> + °1 + °2 + а 2 ■
Ясно, что результирующее значение
\ja02 + а1 =а — получаем при характеристике передатчика по времени нарастания или по среднему значению импульса на уровне 0,5
а3 — получаем на параметрах фотодиода и характеристике фильтра с усилителем в электрической части. Другими словами, наша задача — определить значение а2.
В соответствии с международным стандартом на цифровые телефонные каналы в линии с протяженностью 2500 км допускается не более 2 ошибок при передаче 107 бит информации. Это выражается в виде вероятности ошибки во всей линии 2^10"7. Это означает, что каждые 10 км линии связи средняя вероятность ошибки должна быть
2 ю ^ 7 — макс имальное среднее
значение для каждых 10 км линии.
Достоинством ОВ является то, что оно
нечувствительно к внешним помехам, чего
нельзя сказать об аппаратуре. Поэтому, для типичной оптической линии (ОВ) минимальное среднее значение вероятности ошибки принимается равным 10-9, а для всей системы в целом 10-10 — 10-15, но при таких уровнях ошибок требуемая мощность сигнала на входе приемника относительно нечувствительна к точному значению вероятности ошибок, которое нужно обеспечить.
Кроме того, для вероятности ошибки 10-9, что соответствует среднеквадратичному уширению импульса, равному а = Т^/4 для формата модуляции = 1(ЫК7) потери и затухание по дисперсии будут <1 дБ. При превышении этого значения штраф по мощ-
ности резко возрастает: так при а = 0,3Т штраф по мощности равен 2 дБ, при а = 0,4Т штраф по мощности равен 5 дБ, а при а = 0,5Т6 штраф по мощности равен 10 дБ. Исходя из решений Гауэра, Агравал предложил решения, связанные с возможностями определения ограничений для оптического волокна по определению дисперсии и нелинейных эффектов в оптическом волокне.
Основываясь на решении Гауэра:
Т0 = а/0,354 определяется
Т — _
Т0 _ _
о
2 0,354 • 2
Приняв о — Т0/4, получим
гр __ О
Т _ 242
(где Тб — битовый период)
Далее, решая нелинейное уравнение Шредингера, описывая распространение оптических импульсов в одномодовом оптическом волокне, получаем результат, связанный с дисперсионной и нелинейной длиной, от соотношения между которыми рассматриваются четыре режима эволюции импульсов:
То
в
1
їРо
ПС
Где О — дисперсионный параметр,
км ■ км
Л — длина волны, на которой рассматривается дисперсионная длина, нм С — скорость света, км/с Р0 — пиковая мощность начального импульса, Вт
1 , , 1
у_
п2®0____________
С^эфф ’Вт •км
,7 —1,1 - 20
Вт • км
при Л = 1,55мкм;
г>2 — нелинейный показатель преломления С>В см2/Вт; п2 = 3,2 • 10'16 см2/Вт ю0 = Л, А ,ф = 40-80 мкм2 при Л = 1,55 мкм А ,, = пут — эффективная площадь моды, мкм2
w — радиус модового поля, мкм.
Рассмотрим 4 режима, предложенных Агравалом для конкретной системы передачи и оптического волокна. Выберем скорость передачи В = 10 Гбит/с и ОВ 0-6520 по рекомендации МСЭ-Т. Определим два
т2 1
т = Т0 „ т = 1
' "|А|"1ш ~1Г,
предложенных параметра:
Т0 =-0 = 35,3бпс
242
Для скорости передачи 10 Гбит/с битовый период составляет 100 пс, в этом случае:
Параметр дисперсии Б = 17 ПС
нм ■ км
при Л = 1,55 мкм.
Учитывая соотношение:
2пС ,
32 определим Р2:
я2
в г
-Р = БЛ = - 21,7 — ■
2пС км
Для передачи сигнала на оцной длине
волны Л = 1,55 мкм, в2 = 21,7 пС—, Р0 = 1мВт
км
О = 57,6 км
Диаметр модового поля 10,4 мкм при Л = 1,55 мкм
Л.. = пг2 = 85мкм2
п2 — 3,2-10-
У —
'Вт
С • Аэфф СЯ)Аэфф Вт • Я) • мкм • 85мкм2
1
эфф “ ■ ‘эфф
3,2 10-16см2 • 6,28 10
— 15,3-
Вт • км
Ьнл —
Отсюда
1Вт• км
15,3 •! 10Вт
-— 65,4км
В результате получим, что
Цш > Ьд; Ьд < Ь И Цт < Ь
А. , 1
ЬНЛ
При выборе длины I. > 1.ди I > мы имеем режим, при котором дисперсия преобладает. Чем определяется длина L? Затуханием сигнала:
Ь —
аПВ +
'С.Д.
где 5 — энергетический потенциал сигнала аппаратуры, принимаем ~30 дБ;
Ор — затухание разъемного соединения, принимаем равным 0,3 дБ;
5, — запас на старение и ремонт линии, равный 3-6 дБ;
Онс — затухание неразъемного соединения, равное 0,1 дБ;
С Д — строительная длина 2-6 км;
Оов — затухание оптического волокна дб/км.
Принимая значение дисперсионной длины 1д = I, получаем дополнительные потери на уширение импульса в пределах 1,5 дБ.
Согласно рекомендациям МСЭ-Т, эти потери от дисперсии не должны превышать 1 дБ, это соответствует длине, равной:
L = 0,767 L = 44,2 км.
' д '
Остановившись на этом значении, мы получаем отношение сигнал/шум на выходе фильтра на решающем устройстве при приеме 1 и 0. Эти значения равны 12 и 6, что соответствует 21,6 дБ и 15,6 дБ. Полученные результаты соответствуют формату модуляции N1^.
Выводы
1. Приведенные результаты по расчету дисперсии позволяют исключить влияние нелинейных эффектов.
2. Для других форматов модуляции, например, 1^, 50% расстояния дисперсионной длины будут меньше.
3. Задачей при передаче сигналов по ОВ является получение максимальной дальности с минимальным затуханием, дисперсией и нелинейными эффектами.
Литература
1. Г. Агравал. Нелинейная волоконная оптика. — М.: Мир, 1996. — 324 с.
2. Дус. Гауэр. Оптические системы связи. — М.: Радио и Связь, 1989. — 470 с.
3. Р. Фриман. Волоконно-оптические системы связи. Техносфера. — М., 2003. — 448 с.
16
ом
а
