Оптические системы связи и обработка информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание степени магистра телекоммуникаций

Исследование характеристик волоконно-оптических усилителей

Специальность: 5А522203

«Оптические системы связи и обработка информации»

Имамова Гузал Назимджановна

Ташкент-2010 г

АННОТАЦИЯ

Увеличение пропускной способности существующей ВОСП является актуальным на сегоднешний день. Исследования показывают, что модернизация действующей сети с помощью оптических усилителей значительно снижает затраты на эксплуатацию сети. Данная магистерская диссертация посвящена исследованию оссобенностей функционирования оптических усилителей различного типа.

АННОТАЦИЯ

Мавжуд ОТУТ нинг ўтказиш тезлигини ошириш шу куннинг долзарб масаласи бўлмо?да. Тад?и?отлар натижалари бўйича, оптик кучайтиргичлар ёрдамида ишлаб турувчи тармо? модернизацияланиши тармо? сарф харажатларини анча камайтиради. Ушбу магистерлик диссертацияси, хар хил типдаги оптик кучайтиргичлар ишлаш хусусиятларининг тад?и?отига ба?ишланган.

SUMMARY

The increase of exishing fiber-optic transmission system bandwidth is quite actual nowadays. The investigations show that modernigation of acting network with optical amplifier significantly decreases the expenses on network exploitation. The given dissertation of masters degree is devoted to the research of different optical amplifier types and their functioning fetures.

ВВЕДЕНИЕ

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) благодаря ряду ценных свойств, таких как широкая полоса пропускания, высокая помехозащищенность, высокая скорость передачи, малое затухание светового сигнала в оптическом волокне, скрытность передаваемой информации, длительный срок службы, экономичность волоконно-оптических кабелей и т. д. нашли и находят широкое применение в телефонии, кабельном телевидении, в бортовой связи летательных аппаратов, самолетов, морских судов, в локальных сетях и управлении технологическими процессами и превратились в один из наиболее конкурентно-способный и перспективный вид техники связи.

Одним из важнейшим и неотъемлемым элементом волоконно-оптических систем передачи, в том числе, ВОСП нового поколения с волновым разделением каналов по длине волны являются оптические усилители, обеспечивающие передачу информации на дальние расстояния, исчисляемые сотнями километрами.

В связи с этими исследование особенностей функционирования характеристик и параметров, а также вопросов целенаправленного и эффективного применения оптических усилителей приобретает актуальное значение.

Целью магистерской диссертационной работы является исследование характеристик волоконных оптических усилителей, в рамках которого предусматриваться решение следующих задач:

- проведение обобщения и системного анализа научной и научно- технической литературы по волоконным оптическим усилителям;

- исследование особенностей функционирования характеристик и параметров различных типов волоконных оптических усилителей - примесных волоконных усилителей (EDFA усилителей), Рамановских усилителей, усилителей Бриллюэна - Мандельштама и параметрических усилителей;

- проведение сравнительного анализа характеристик и параметров волоконно-оптических усилителей с точки зрения их применения в ВОСП;

- изучение вопросов целенаправленного и эффективного применения волоконно-оптических усилителей различных типов при проектировании ВОСП.

Научная новизна магистерской диссертационной работы состоит в том, что в ней:

-обобщен и систематизирован научный и научно-технический материал по оптических усилителям;

-проведена классификация волоконно-оптических усилителей по природе явлений, составляющих физическую основу их работы и по диапазону рабочей длины волны;

- исследованы особенности функционирования, характеристик и параметров волоконно-оптических усилителей, Рамановских усилителей, усилителей Бриллюэна - Мандельштама и параметрических усилителей;

- дана сравнительная характеристика различных типов волоконных оптических усилителей с точки зрения и применимости в ВОСП;

- изучен вопрос целенаправленного и эффективного использования различных типов волоконных оптических усилителей различных типов в ВОСП.

Практическая ценность магистерской диссертации состоит в том, что её результаты могут быть использованы при проектировании ВОСП, а также в учебном процессе при проведении занятий по дисциплине «Основы оптической связи» для бакалавров, обучаюшихся по направлению «Телекоммуникация».

Апробация магистерской диссертационной работы

Материалы и некоторые положения диссертационной работы доложены на научном семинаре кафедры ТСП и на научно-технической конференции докторантов, аспирантов, магистрантов и одарённых студентов ТАТУ на тему «Информационно-коммуникационные технологии», проведённой 25-27 марта 2010 года. Тезисы докладов сданы в печать.

1. ПРОБЛЕМЫ РАССТОЯНИЯ И СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ В ВОСП

1.1 Волоконно-оптические системы передачи и их достоинства

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) являются цифровыми системами передачи, использующими оптическое волокно в качестве среды передачи. Они появились тогда, когда доминирующей была технология PDH - технология плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ), которая использовала в качестве среды передачи первоначально медный кабель, но с ростом скоростей передачи быстро переориентировалась на ОВ (сначала на многомодовое, а затем и на одномодовое), как только оно стало конкурентноспособно с медным кабелем. PDH в процессе своей эволюции и возникших противоречий в управлении потоками все большей и большей емкости (достигавшей 576 Мбит/с) переросла в новую технологию - SDH - технологию синхронной цифровой иерархиии (СЦИ), которая предложила, а затем и стандартизовала (1988 г.), идею транспортировки сигналов PDH путем упаковки их в стандартные контейнеры SDH первоначальная скорость распространения которых 155 Мбит/с в настоящее время выросла до величины в 40 Гбит/с в расчете на один канал.

Технология SDH с самого начала была ориентирована на использование оптического волокна в качестве среды передачи. Указанного увеличения скорости передачи она достигла за 10 лет. Дальнейшее развитие по пути увеличения емкости канала связи натолкнулось на технологические ограничения на скорость передачи сигналов в одном канале (40 Гбит/с можно рассматривать как определенный практический предел). Поиск путей преодоления этого ограничения шел по двум перспективным направлениям. Одно было связано с поиском возможных путей дальнейшего увеличения скорости передачи в одном канале и преодолением возникших ограничений. Оно привело к практическому воплощению идеи использования специальных импульсов - солитонов - в качестве носителей информации и появлению солитонных сетей связи. Другое было связано с увеличением суммарной пропускной способности оптического волокна путем использования в каждом из волокон нескольких параллельно передаваемых оптических несущих, что привело к появлению технологии WDM - технологии волнового мультиплексирования. В современных сетях связи используются аналоговые и цифровые системы передачи (СП) с тенденцией постепенного перехода к применению только цифровых систем.

Высокая стоимость линий связи обуславливает разработку систем и методов, позволяющих одновременно передавать по одной линии связи большое число независимых сообщений, т.е. использовать линию многократно. Такие системы связи называют многоканальными. Связь, осуществляемую с помощью этих систем, принято называть многоканальной. Практически все современные системы связи за редким исключением являются многоканальными. Волоконно-оптическими (ВОСП) называют системы передачи, использующие в качестве среды распространения сигнала оптическое волокно. Автор известной книги «Волоконно-оптические системы связи» Роджер Фриман так представляет упрощённую модел ВОСП:

Рис. 1.1 Упрощённая схема ВОСП.

Первоначально развитие ВОСП шло в направлении создания оптоэлектронных элементов (источников и приемников оптического излучения) и каналообразующего оборудования ЦСП. Развитие ЦСП и оптоэлектроники для применения в ЦСП шло, фактически, независимо. В качестве примера систем, построенных по такому принципу, можно привести ВОСП Российского производства "Соната-2", "Сопка-2" и ИКМ-120-4/5 со скоростью передачи 8 Мбит/с; "Сопка-3", ИКМ-480-5 со скоростью передачи 34 Мбит/с; "Сопка-4М", "Сопка-5" со скоростью передачи 140 Мбит/с. Основным преимуществом ВОСП по сравнению с ЦСП, работающими по металлическому кабелю, явилось значительное увеличение длины участка регенерации (до нескольких десятков км).

Современные волоконно-оптические системы передачи обладают большими скоростными возможностями и широкополосностью, стабильностью и надежностью, высокой степенью достоверности передачи информации. Чтобы отвечать этим качествам, все их элементы должны функционировать в строгих технических рамках.

Для волоконно-оптической системы передачи (ВОСП), как и для любой кабельной системы (на коаксиальных или симметричных кабелях), существуют общие параметры, измерять которые необходимо при строительстве, пуско-наладочных работах, сертификационных и пусковых испытаниях, а также в процессе эксплуатации при проведении профилактических работ. Вместе с тем ВОСП присущи существенные особенности, обусловленные тем, что в них носителем информации в них является поток фотонов, среди которых можно выделить следующие:

-сверхвысокая пропускная способность, обусловленная работой в оптическом диапазоне электромагнитных волн. По одному ОВ можно передавать информацию со скоростью порядка 1012- 1013 бит/с, что эквивалентно 15 млн. одновременных телефонных разговоров цифрового качества. На сегодняшний день полоса пропускания оптоволокна превышает все потребности существующих сетевых приложений;

- малое затухание сигнала, значения которого составляют 0.2-0.25 дб/км на длине волны 1.55 мкм. В зависимости от скорости передачи это позволяет создавать линии с регенерационными участками более 100 км;

- невосприимчивость к электромагнитным помехам и высокая степень защищенности от прослушивания;

- малый вес и габариты кабелей (малый диаметр оптического волокна, малая удельная масса кварца, отсутствие экранов), легкость и компактность источников и приемников;

- оптические волокна, применяемые в связи на длинные и средние дистанции, в основном состоят из материала широко распространенного в природе, а потому более дешевые, чем медь;

- гальваническая развязка между входной и выходной цепями;

-большой срок службы (25 лет и более при качественном изготовлении и прокладке кабелей).

Благодаря этим свойств ВОСП, они нашли и находят широкое применение в телефонии, кабельном телевидении, в бортовой связи летательных аппаратов, самолетов, морских судов, в локальных сетях и управлении технологическими процессами и превратились в один из наиболее конкурентно-способных и перспективных видов техники связи.

1.2 Оптическое волокно - как передающая среда и факторы определяющие дальность и скорость передачи информации в ВОСП

В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) информация передается электромагнитными волнами высокой частоты, около 200 ТГц, что соответствует ближнему инфракрасному диапазону оптического спектра 1500 нм. Волноводом, переносящим информационные сигналы в ВОСП, является оптическое волокно (ОВ), которое обладает важной способностью передавать световое излучение на большие расстояния с малыми потерями.

Различают следующие типы оптического волокна:

- многомодовое градиентное (GI - Gradient Index);

-одномодовое оптическое волокно (SM - single mode 1.31 мкм);

-одномодовое со смещенной дисперсией (DS - Dispersion Shifted 1.55 мкм).

К этому же семейству принадлежат одномодовые ОВ со сглаженной дисперсией (DF - Dispersion Flatted 1.3 и 1.55 мкм) и одномодовое волокно со смещенной, но не нулевой дисперсией (NZDS - None Zero Dispersion Shifted).

Различают также:

-“активные” оптические волокна (ED - Еrbium Doped). Волокна этого типа используются в оптических усилителях;

-пластиковые оптические волокна (POF).

Основными факторами, влияющими на надежность и долговечность ОВ являются влага, механические деформации, водород, остаточные деформации.

Предполагается, что свет - расширение радиочастотного спектра на его высокочастотном конце. Эта концепция непрерывного спектра иллюстрируется рис. 1.2.

Рис. 1.2. Частотный спектр выше 300 МГц, где показано положение рабочей области ВОСП.

Потери в ОВ количественно характеризуются затуханием. Скорость и дальность передачи информации определяются искажением оптических сигналов из-за дисперсии и затухания. Волоконно-оптическая сеть - это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии волоконно-оптических сетей помимо вопросов волоконной оптики охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его стандартизации, протоколов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать, вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам:

- широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей Гц. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка бит/с (1Тбит/с). Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут;

очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в оптическом волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1,55 мкм имеет затухание 0,154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более «прозрачные», так называемые фторцирконатные оптические волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с;

ОВ изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди;

оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике;

т.к. оптические волокна являются диэлектриками, следовательно, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. В оптической системе они электрически полностью изолированы друг от друга, и многие проблемы, связанные с заземлением и снятием потенциалов, которые до сих пор возникали при соединении электрических кабелей, теряют свою актуальность. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды;

системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на ОВ могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии;

важное свойство оптического волокна - долговечность.

Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить волоконно-оптический кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Но существуют также некоторые недостатки волоконно-оптических

технологий:

при создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет, и свет в электрические сигналы. Для соединения ОВ с приемо-передающим оборудованием используются оптические коннекторы (соединители), которые должны обладать малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Погрешности при изготовлении таких элементов линии связи должны быть порядка доли микрона, т.е. соответствовать длине волны излучения. Поэтому производство этих компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее;

для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями. Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что, несмотря, на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

Затухание сигнала в оптическом волокне

По мере распространения света в оптической среде он ослабевает, что носит название затухания среды -- затухания ОВ. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передача сигналов по волокну осуществляется в трех диапазонах: 850 нм, 1300 нм, 1550 нм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность. Затухание (рис. 1.3) обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Оно состоит из следующих составляющих:

рэлеевское рассеяние;

рассеяние на дефектах волокна;

собственное поглощение кварцевого стекла;

примесное поглощение;

поглощение на микро и макроизгибах.

Рис. 1.3. Затухание оптического волокна в зависимости от длины волны (по-казаны три окна прозрачности, используемые для ВОСП).

Как следует из рисунка, существуют три основных окна прозрачности, которые являются рабочими диапазонами длин волн для ВОСП. Это: 820-900 нм; 1280-1350 нм; 1528-1561 нм. Причем последнее окно прозрачности может быть расширено до 1620 нм (Эта область обычно называют четвертым окном прозрачности).

Степень потерь в оптическом волокне определяется коэффициентом затухания , который в общем виде равен:

(1.1)

где -- коэффициент затухания, обусловленный потерями на поглощение световой энергии. Собственное поглощение кварцевого стекла определяется поглощением фотонов при котором энергия фотона переходит в энергию электронов или в колебательную энергию решетки. Спектр собственного электронного поглощения кварцевого стекла лежит в ультрафиолетовой области ( < 0,4 мкм). Спектр поглощения решетки лежит в инфракрасной области ( > 7 мкм). Поскольку структура кварцевого стекла аморфная, полосы поглощения имеют размытые границы, а их «хвосты» заходят в видимую область спектра. Во втором и третьем окнах прозрачности в диапазоне длин волн 1,3-1,6 мкм потери, вызванные собственным поглощением, имеют порядок 0,03 дБ/км.

-- коэффициент затухания, обусловленный рэлеевским рассеиванием на неоднородностях материала ОВ, размеры которых значительно меньше длины световой волны, и тепловыми флуктуациями показателя преломления. Этот вид рассеяния определяет теоретическую границу, ниже которой затухание не может быть уменьшено и в современных ОВ является основным источником потерь в рабочих областях спектра. Рэлеевское рассеяние вызывается рассеянием на неоднородностях показателя преломления, возникших в расплавленном кварце в связи с локальными термодинамическими флуктуациями концентрации молекул (плотности) кварца из-за их хаотического движения в расплавленном состоянии. При затвердевании волокна неоднородности, возникшие в расплавленной фазе, застывают в структуре кварцевого стекла. Колебания плотности приводят к случайным флуктуациям показателя преломления в масштабе, меньшем, чем длина световой волны .

-- коэффициент затухания, вызванный присутствующими в ОВ примесями, приводящими к дополнительному поглощению оптической мощности, это ионы металлов (Fe, Cu, Ni, Mn, Cr), вызывающие поглощение в диапазоне длин волн 0,6-1,6 мкм, и гидроксильные группы (ОН), из-за которых появляются резонансные всплески затухания на длинах волн 0,75 мкм, 0, 97 мкм и 1,39 мкм.

-- дополнительные потери, определяемые деформацией ОВ в процессе изготовления кабеля, вызванной скруткой, изгибом, отклонением от прямолинейного расположения и термомеханическими воздействиями, имеющими место при наложении оболочек и покрытий на сердцевину волокна при изготовлении ОК (их называют кабельными).

-- коэффициент затухания, зависящий от длины волны оптического излучения и за счет поглощения в инфракрасной области возрастающий в показательной степени с ростом длины волны.

В настоящее время в технике связи в основном применяются кварцевые ОВ, область эффективного использования которых находится в диапазоне длин волн до 2 мкм. На более длинных волнах в качестве материала для волокна используются галоидные, халькогенидные и фторидные стекла. По сравнению с кварцевыми волокнами они обладают большей прозрачностью и обеспечивают снижение потерь на несколько порядков. С появлением ОВ из новых материалов становится реальным создание ВОСП без ретрансляторов.

Затухание оптического волновода учитывается при расчете энергетического бюджета.

Затухание оптоволоконной линии с учетом потерь на разъемных соединениях и сростках (неразъемных соединениях) определяется по формуле:

(1.2)

где и - значение потерь на сростке и разъеме соответственно, и - количество сростков и разъемных соединений на протяжении оптоволоконной линии длиной L, - километрический коэффициент затухания оптического волокна, измеряемый в дБ/км.

Тогда энергетический бюджет рассчитывается по формуле:

(1.3)

где и - мощность источника оптического излучения и чувствительность фотоприемника в дБ соответственно; и - эксплуатационный запас для аппаратуры и для кабеля, (дБ), которые берутся из технических условий (контрактных спецификаций) для оборудования ВОЛС.

Дисперсия в оптическом волокне

Световой сигнал в цифровых системах передачи поступает в световод импульсами, которые вследствие некогерентности реальных источников излучения содержат составляющие с различной частотой. Уширение светового импульса, вызываемое различием времени распространения его спектральных и поляризационных компонент, и называется дисперсией.

Световая волна, распространяющаяся вдоль направления x, описывается уравнением:

(1.4)

где А - амплитуда световой волны; - ее угловая частота, k - волновое число.

Если взять фиксированное значение фазы волны:

=const, (1.5)

то скорость перемещения фазы в пространстве или фазовая скорость будет:

. (1.6)

Световой импульс, распространяющийся в ОВ представляет собой суперпозицию электромагнитных волн с частотами, заключенными в интервале Д, которая называется группой волн вида (1.4). В момент времени t в разных точках для разных x волны будут усиливать друг друга, что приводит к появлению максимума интенсивности группы волн (центр группы волн), или ослаблять. Центр группы волн перемещается со скоростью:

, (1.7)

называемой групповой. Заменив k=2р/л и выразив , получим соотношение, выражающее зависимость групповой скорости от длины волны:

. (1.8)

Это и является причиной, приводящей к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра по оптическому волокну. В результате по мере распространения по оптическому волокну частотные составляющие достигают приемника в разное время. Вследствие этого импульсный сигнал на выходе ОВ видоизменяется, становясь «размытым». Это явление называется волноводной дисперсией, определяемой показателем преломления ОВ и шириной спектра излучения источника Дл и имеющей размерность времени:

(1.9)

где Д - относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки, L - длина ОВ, - коэффициент волноводной дисперсии, называемый удельной волноводной дисперсией. Зависимость удельной волноводной дисперсии от длины волны показана на рис. 1.4

Скорость распространения волны зависит не только от частоты, но и от среды распространения. Для объяснения этого явления электроны внутри атомов и молекул рассматриваются в теории дисперсии квазиупруго связанными. При прохождении через вещество световой волны каждый электрон оказывается под воздействием электрической силы и начинает совершать вынужденные колебания. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся со скоростью с, которые, складываясь с первичной, образуют результирующую волну. Эта результирующая волна распространяется в веществе с фазовой скоростью v, причем, чем ближе частота первичной волны к собственной частоте электронов, тем сильнее будут вынужденные колебания электронов и различие между v и c будет больше, что объясняет зависимость . В результате смещения электронов из положений равновесия молекула вещества приобретает электрический дипольный момент. То есть при взаимодействии электромагнитной волны со связанными электронами отклик среды зависит от частоты светового импульса, что и определает зависимость показателя преломления от длины волны, которая характеризует дисперсионные свойства оптических материалов:

, (1.10)

где N - плотность частиц (число частиц в единице объема), m и е - масса и заряд электрона соответственно, - резонансные длины волн, - вынуждающие осцилляции электрические силы. В широком спектральном диапазоне, включающем обычный ультрафиолет, видимую область и ближнюю инфракрасную область, кварцевое стекло прозрачно и данная формула Солмейера применима с очень высокой точностью.

Явление, возникновение которого связано с характерными частотами, на которых среда поглощает электромагнитное излучение вследствие осцилляции связанных электронов, и которое определяет уширение длительности светового импульса после его прохождения через дисперсионную среду, называется в технике волоконно-оптической связи материальной дисперсией:

(1.11)

где коэффициент М(л) называется удельной материальной дисперсией. На длине волны л = 1276 нм у кварца величина , следовательно коэффициент материальной дисперсии M(л) = 0 (см. рис. 1.5). При длине волны л > 1276 нм M(л) меняет знак и принимает отрицательные значения, в результате чего на длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация М(л) и N(л). Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии . Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться для данного конкретного оптического волокна.

Результирующая дисперсия складывается из волноводной и материальной и называется хроматической дисперсией. Дисперсию в оптических волокнах принято характеризовать коэффициентом дисперсии или удельной дисперсией, измеряемом в пс/(нм·км). Коэффициент дисперсии численно равен увеличению длительности светового импульса (в пикосекундах), спектральная ширина которого равна 1 нм, после прохождения отрезка ОВ длиной 1 км. Значение коэффициента хроматической дисперсии определяется как D(л) = М(л) + N(л). Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нм·км).

Рис. 1.4 Зависимости коэффициентов волноводной, материальной и результирующей хроматической дисперсии от длины волны.

При допущениях, которые исходят из результатов опытов для различных веществ, из выражения (1.10) может быть получена приближенная формула зависимости показателя преломления от длины волны:

(1.12)

где a, b и c - постоянные, значения которых определяются экспериментально для каждого вещества.

Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного оптических волокон для расчета дисперсии применима эмпирическая формула Селмейера:

 (1.13)

Коэффициенты А, В, С являются подгоночными и определяются для каждого материала ОВ экспериментальным путем. Тогда удельная хроматическая дисперсия вычисляется по формуле:

(1.14)

где - длина волны нулевой дисперсии, новый параметр S0 =8В - наклон нулевой дисперсии (размерность пс/(нм2·км), а л - рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия.

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией простым соотношением:

(1.15)

К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более когерентных источников излучения, например лазерных передатчиков, и использование рабочей длины волны более близкой к длине волны нулевой дисперсии.

Дисперсия, возникающая вследствие различной скорости распрос-транения у мод, которая имеет место только в многомодовом волокне называется межмодовой дисперсией (рис. 1.5).



Рис 1.5. Распространение света по разным типам волокон:

а) многомодовое ступенчатое волокно, 6) многомодовое градиентное волокно.

Изменение закона дисперсии с линейного на квадратичный связано с неоднородностями, которые есть в реальном волокне. Эти неоднородности приводят к взаимодействию между модами, и перераспределению энергии внутри них. При L > L, наступает установившийся режим, когда все моды в определенной установившейся пропорции присутствуют в излучении. Обычно длины линий связи между активными устройствами при использовании многомодового волокна не превосходят 2 км и значительно меньше длины межмодовой связи. Поэтому можно пользоваться линейным законом дисперсии.

Вследствие квадратичной зависимости L от значения межмодовой дисперсии у градиентного волокна значительно меньше, чем у ступенчатого, что делает более предпочтительным использование градиентного многомодового волокна в линиях связи.

В реальных оптических волокнах из-за нарушения круговой симметрии возникает небольшая анизотропия, потому, учитывая, что световая энергия распределения между состояниями поляризации различие констант распространения вызывает увеличение длительности импульса на выходе ОВ.

Анизотропия или двулучепреломление оптического волокна может быть связано либо с нарушением идеальной круговой формы сердцевины, либо с наведенным двулучепреломлением вещества, например, из-за несимметричных напряжений в материале ОВ как это показано на рис. 1.5 а, или из-за несовпадения геометрических центров сердцевины и оболочки.

Потеря круговой симметрии приводит к появлению анизотропии, при этом, в оптическом волокне распространяются две ортогонально поляризованные моды с различными фазовыми и групповыми скоростями.

Рис. 1.5. Причины возникновения анизотропии оптического волокна.

Скорости распространения поляризационных компонентов светового импульса различны, что приводит к возникновению временной задержки , которую принято называть дифференциальной групповой задержкой, приводящей к уширению результирующего сигнала. Состояния поляризации, задающие самое быстрое и самое медленное распространение сигнала, называются быстрым и медленным главными состояниями поляризации PSP (Principal State of Polarization). Оси линейных поляризаций быстрого и медленного PSP называются «быстрой» и «медленной» осями анизотропной среды. Различие скоростей приводит к отставанию импульса, поляризованного вдоль медленной оси PSP (см. рис. 1.5 б) от импульса, поляризованного вдоль быстрой оси PSP на величину относительной задержки .

Возникновение дифференциальной групповой задержки вызывает ряд искажений информационного сигнала, включая увеличение длительности импульса. Но в отличие от хроматической дисперсии, PMD не является стабильной, а имеет статистическую природу. Существует несколько факторов роста анизотропии профиля волокна, в том числе следуюшие статические факторы:

- несовершенство заводского процесса вытяжки волокон;

скрутка волокон при изготовлении волоконно-оптического кабеля (ВОК);

изгибы ВОК и как следствие механические деформации волокон, возникающие в процессе укладки кабеля;

и динамические факторы:

вариации температуры окружающей среды - для ВОК, проложенных в грунт;

динамические деформации волокон (ветровые нагрузки, вариации температуры окружающей среды, деформации вследствие оледенения кабеля) - для подвесных ВОК.

Из-за наличия динамических факторов даже в пределах отдельного сегмента волокна невозможно определить направление поляризации сигнала после прохождения этого сегмента. Тем более, невозможно определить пропорцию, в которой распределиться энергия между PSP на следующем участке волокна.

волоконный оптический усилитель

Рис. 1.6 Появление PMD при распространении световых импульсов в оптическом волокне.

Итак, дифференциальная групповая задержка не постоянная величина, а изменяется со временем, причем случайным образом. Детальный анализ динамического поведения DGD показывает, что эта случайная величина наилучшим образом подпадает под распределение Максвелла, а среднеквадратичное отклонение связано со средним значением дифференциальной групповой задержки соотношением:

, (1.13)

где индекс Max - обозначает усреднение по функции распределения Максвелла.

Поляризационной модовой дисперсией PMD называют среднеквадратичное значение дифференциальной групповой задержки:

. (1.14)

Она обычно измеряется в пс.

В линии с большим числом сегментов значение PMD определяется в зависимости от суммарного расстояния по формуле:

, (1.15

где L - протяженность оптической линии связи (км), - коэффициент PMD оптического волокна (пс/км1/2).

Значение коэффициента для типичных ОВ находится в пределах от 0,1 до 2 пс/км1/2. В табл. 1.1 для них при разных скоростях цифровой передачи приведены значения максимальной протяженности линии связи.

Таблица 1.1

Значения максимальной протяженности волоконно-оптической линии связи.

	DPMD (пс/км1/2)	0,1	0,5	2,0
B=2,5Гбит/с	L (км)	160 000	6 400	400
B=10Гбит/с	L (км)	10 000	400	25
B=40Гбит/с	L (км)	625	25	1,56

Задержка световой волны, поляризованной вдоль медленной оси, относительно волны, поляризованной вдоль быстрой оси, приводит к появлению разности фаз между двумя поляризационными компонентами, прямо пропорциональной DGD и угловой частоте световой волны:

. (1.16)

Линейная зависимость разности фаз двух поляризационных компонент приводит к периодической зависимости поляризации выходного излучения от частоты.

Пути решения проблемы расстояния и скорости передачи информации в ВОСП

Регенераторы и оптические усилители

По мере распространения оптического сигнала, как уже отмечено, происходит его ослабление, а также уширение импульсов из-за дисперсии. Любой из этих факторов может оказаться причиной ограничения максимальной длины без ретрансляционного участка волоконно-оптического сегмента. Если же максимальная допустимая длина между приемником и передатчиком превышена, то необходимо в промежуточных точках линии связи добавлять один или несколько ретрансляторов. В общем случае, ретранслятор выполняет функцию усиления оптического сигнала, и дополнительно (при цифровой передаче) может восстанавливать форму импульсов, уменьшать уровень шумов и устранять ошибки -- такой ретранслятор называется регенератором.

По методу усиления оптического сигнала ретрансляторы подразделяются на две категории: регенераторы и оптические усилители. В волоконно-оптических системах локальных сетей регенераторы значительно больше распространены, чем оптические усилители, в то время как при построении оптических магистралей оптические усилители играют незаменимую роль.

Регенератор (электронно-оптический повторитель) сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал, рис.1.7 а. Можно представить регенератор как последовательно соединенные приемный и передающий оптические модули. Аналоговый регенератор, в основном, выполняет функцию усиления сигнала. При этом вместе с полезным сигналом усиливается также входной шум. Однако при цифровой передаче регенератор наряду с функцией усиления может выполнять функцию регенерации сигнала, свойственную цифровому оптическому приемнику, рис. 1.7б. Обычно блок регенерации охватывает цепь принятия решения и таймер. Блок регенерации восстанавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум, ресинхронизирует передачу так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие тайм-слоты. Регенератор может и не содержать таймера и восстанавливать прямоугольную форму импульсов по определенному порогу, независимо от того, на какой скорости ведется передача. Такие "средонезависимые" регенераторы применяются в локальных сетях, где имеет место асинхронный режим передачи.

Оптический усилитель (ОУ), в отличие от регенератора, не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала, рис. 1.7 б. Оптические усилители не способны в принципе производить регенерацию оптического сигнала. Они в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум. Кроме этого, вносится собственный шум в выходной оптический канал.

Сравнительные характеристики регенратора и оптического усилителя приведены в табл.1.2. Концептуальная простота -- один из притягивающих факторов ОУ. Простота конструкции, в которой преобладают пассивные компоненты, в конечном счете обещает низкую цену, так как число компонентов ОУ значительно меньше, чем у регенератора. На практике, однако, цена ОУ значительно выше, чем у регенератора. Но, по прогнозам специалистов, цена ОУ по мере увеличения рынка продаж будет падать. ОУ имеет более высокую надежность, чем регенератор. Это важное преимущество при создании ретрансляторов при прокладке подводного ВОК. ОУ не привязан к скорости передачи, в то время как регенератор обычно исполняется для работы на определенной скорости. Именно на эту скорость конфигурируется таймер регенератора.

Регенератор работает с одним сигналом. ОУ может одновременно усиливать несколько оптических сигналов, представленных несколькими длинами волн (WDM сигнал) в пределах определенного интервала, который называется зоной усиления. Это позволяет наращивать пропускную возможность линии связи, на которой установлены ОУ, без добавления новых волокон.

Одной из причин невысокой эффективности волоконно-оптических линий связи является то, что одиночный преобразователь электрических сигналов в оптические может использовать очень небольшую долю оптического спектра, в связи с чем реально достижимая пропускная способность ограничивается примерно 2,5 Гбит/с. Кроме того, применяемое до недавних пор при передаче информации по оптическим кабелям временное мультиплексирование не позволяло вести одновременную передачу с разными скоростями, типами фреймов или протоколами.

Рис. 1.7 Организация потока данных в WDM

Обойти ограничения, накладываемые сетевыми аппаратными средствами на скорость передачи, удаётся применением WDM-систем которые обрабатывают одновременно несколько видов световых сигналов, соответствующих разным длинам волн. Каждый канал можно использовать для передачи данных со скоростью в несколько гигабит в секунду, обеспечиваемой современной электроникой, и таким образом удается построить сети с чрезвычайно высокой производительностью. Используя методы WDM, можно в одном световоде диаметром 250 мкм достичь пропускной способности от 10 Гбит/с до 1.2 Тбит/с, обычный же кабель диаметром 18 мм содержит до 200 таких световодов.

Термин DWDM (dense wavelength division multiplexer) - плотное волновое мультиплексирование - используется по отношению к WDM устройствам с расстоянием между соседними каналами 1.6 нм и менее. Для построения многоканальных WDM систем наряду с пассивными WDM фильтрами также требуются узкополосные лазеры, стабильно выдерживающие нужную длину волны. Пока именно лазеры остаются наиболее дорогим элементом в таких системах, несколько сдерживая их развитие. В настоящее время поставляются системы с числом каналов 4-8 и 16. Предполагается рост числа мультиплексных каналов до 60 и более.

Основные технические параметры WDM фильтров

Терминология одинаково применима ко всем WDM устройствам. Рассмотрим простейший двухканальный мультиплексор (рис1.8). Наряду с функцией объединения (рис.1.8а) устройства WDM также могут выполнять обратную функцию (функцию демультиплексирования) - выделения сигналов разных длин волн из волокна, рис.1.2б. Большинство производимых WDM устройств совмещают режимы мультиплексирования и демультиплексирования в одном устройстве. Такие устройства могут также использоваться для мультиплексирования и демультиплексирования двунаправленных потоков, рис.1.8в.

В идеале сигнал l 1, поступающий на полюс 1 (рис. 1.8а), должен полностью проходить в общий выходной полюс 3 (common). На практике, однако, доля сигнала на длине волны l 1 ответвляется и проходит через полюс 2.



Рис.1.8. Устройство WDM:

а) мультиплексирование с уплотнением по длинам волн;

б) демультиплексирование;

в) мультиплексирование / демультиплексирование встречных потоков.через полюс 1 и наоборот.

Для оценки паразитных явлений используют понятие переходных помех. Переходные помехи показывают, насколько эффективна работа WDM устройства. Они состоят из ближних и дальних переходных помех. Ближние переходные помехи NEXT (near-end crosstalk или direcivity) аналогичны коэффициенту направленности и определяются как доля мощности, регистрируемая на длине волны l 1 на полюсе 2, соответствующем длине волны l 2, при условии, что сигнал на длине волны l 1 подается на полюс 1 (рис.1.8а). Дальние переходные помехи FEXT (far - end crosstalk, также называют isolation) являются мерой изоляции между выходными полюсами по сигналам разных длин волн. Так, если сигнал поступает на длине волны l 1 на полюс 3 (common), (рис.1.8б), то для него FEXT - это доля мощности, регистрируемая на длине волны l 1 на полюсе 2, соответствующем длине волны l 2.

В общем случае WDM модуль при работе в режиме мультиплексирования/демультиплексирования может иметь n входных /выходных полюсов 1, 2, …, n, которым соответствуют длины волн l 1, l 2, … l n, и один общий выходной/входной полюс (com) соответственно, рис.1.8в. Такой модуль обозначается - 1: n.

Широкозонные и узкозонные WDM фильтры

Широкозонные WDM фильтры предназначены для работы с двумя, максимум с тремя длинами волн при расстоянии между каналами более, чем 70 нм (1310, 1550, 1625 нм). Они наиболее часто применяются в системах кабельного телевидения 1310/1550 нм, или в цифровых телекоммуникационных системах передачи. Допускается также использование пары длин волн 1550/1625 нм при осуществлении дистанционного мониторинга ВОЛС на длине волны 1625 нм.

Для справки приведем основные технические параметры широкозонного WDM фильтра производства фирмы DICon: длина волны 1310/1550 нм; режимы работы - мультиплексор, демультиплексор или двунаправленная передача сигнала; ближние переходные помехи - 60 дБ; дальние переходные помехи -40 дБ (по выходному порту 1) и -20 дБ (по выходному порту 2); вносимые потери не больше 1.0 и 0.7 дБ (в выходных портах 1 и 2 соответственно); обратные потери -55 дБ; используется стандартное одномодовое волокно фирмы Corning SFM - 28.

Узкозонные WDM (DWDM) фильтры предназначены для мультиплексирования и демультиплексирования сигналов в многоканальных системах с расстоянием между каналами от минимального 1.6 нм (или еще меньше 0.8 нм) до 70 нм. Основные технические характеристики, за исключением рабочих длин волн, схожи с предыдущим типом. Основные области применения: волоконно-оптические системы с использованием оптических усилителей EDFA, мультиплексные системы “add/drop”, полностью оптические сети.

На рис.1.9 показана одна из реализаций источника мультиплексного многоволнового излучения, в котором полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ) используются в качестве широкополосного усилителя. Несколько узкополосных полупроводниковых лазеров на разных длинах волн генерируют световые сигналы, которые мультиплексируются и размножаются посредством оптического разветвителя. ППЛУ устанавливаются на конечном участке, чтобы усилить ослабленные после разветвления оптические мультиплексные сигналы.

Рис. 1.9 Источник мультиплексированного излучения и демультиплексор.

WDM и Интернет

Исследования в области WDM и других методов оптического мультиплексирования продолжаются уже почти десять лет, однако рыночный успех пришел к данной технологии лишь в 1996 г., в период бурного взлета популярности Internet и WWW.

По оценкам экспертов, ежегодное увеличение объема IP-трафика варьируется в диапазоне от 100 до 1000 процентов. Провайдеры междугородной телефонной связи видят в WDM спасительную возможность для резкого увеличения пропускной способности без кардинального обновления имеющейся коммуникационной инфраструктуры, так как WDM допускает использование оптоволоконных линий почти всех известных типов. Однако при этом и представители этих компаний, и аналитики сходятся во мнении, что, даже если развернуть средства WDM в общемировом масштабе, это не устранит всех проблем.

Технология мультиплексирования по длине волны WDM и близкая к ней DWDM дает крупным корпоративным пользователям, операторам систем связи и Internet-провайдерам возможность быстро увеличить пропускную способность своих каналов связи.

Особенно полезной эта технология может оказаться для крупных компаний, которым нужны высокоскоростные соединения между географически удаленными филиалами. Кроме того, она может найти применение в корпорациях, располагающих несколькими центрами данных для увеличения процессорной мощности, выполнения распределенных приложений, восстановления после разного рода катастроф. Соединения на базе технологии WDM позволяют сблизить инфраструктуры локальных и территориально распределенных сетей и сетей связи без прокладки новых кабелей. К тому же Internet создает все большую нагрузку на глобальные сети, формируя все новые и новые виды трафика, сильно отличающиеся от традиционного телекоммуникационного трафика. Возникающие видеослужбы нуждаются в гарантированном качестве обслуживания; с невиданной скоростью распространяется телефония в Internet. Для операторов и конечных пользователей решение вопроса об увеличении пропускной способности может обойтись в миллиарды долларов.

Технологии DWDM и WDM хороши еще тем, что позволяет передавать различные типы компьютерных данных, такие как ATM или пакеты локальной сети, в одном потоке света. Коммутаторы WDM и DWDM позволяют пользователям управлять приоритетами трафика. Например, их можно настроить таким образом, чтобы трафик ATM поступал прежде IP. Развитие технологии WDM подталкивается целым рядом факторов. Дело в том, что приемлемые реализации альтернативных технологий, например, временного мультиплексирования, появятся еще не скоро. Другим потенциальным приложением является возможность передавать по одному и тому же волокну сигналы с разной скоростью передачи. По данным Trans-Formation, в марте 1997 года Pacific Bell реализовала этот подход в одной части своей сети и реализовала OC-48 (2,5 Гбит/с) и OC-192 (10 Гбит/с) по одному и тому же волокну. WDM реализует полностью оптическую передачу, без преобразования оптических и электрических сигналов друг в друга.

WDM используется также в межконтинентальных кабельных системах. Теоретически, любой, кто имеет волоконно-оптическую сеть, в том числе компании кабельного телевидения и коммунальные компании, может использовать WDM. Считается, что, по крайней мере, в ближайшем будущем сфера применения этой технологии будет ограничена каналами дальней и сверхдальней связи, так как на небольших расстояниях она не рентабельна. Однако при использовании только пассивных компонентов, WDM может быть применена и для ближней связи.

Достоинства технологий WDM и DWDM

Наиболее очевидное достоинство WDM состоит в том, что эта технология позволяет увеличить пропускную способность, как правило, без весьма дорогостоящей прокладки нового оптического кабеля. В некоторых случаях, например в крупных городах прокладка оптического волокна вообще невозможна из-за плотного использования земельных ресурсов. Тогда такой вариант, как реализация WDM на основе уже имеющегося оптического кабеля, позволяет решить немало проблем.

Технология мультиплексирования по длине волны - самый оперативный способ построить сетевую инфраструктуру, способную обеспечить большую пропускную способность. Организовать WDM-магистраль намного быстрее, чем прокладывать новые оптические кабели и переводить клиентские рабочие места на непривычные технологии.

Коммутаторы с мультиплексированием по длине волны - отличное решение для конечных пользователей и операторов, которым необходимо создать инфраструктуру, поддерживающую сразу несколько сетевых технологий. Так, WDM поддерживает высокоскоростные соединения для сетей ATM, одновременно осуществляя связь между сегментами локальных сетей, глобальными сетями и сетями связи.

Примеры организации скоростных линий на основе WDM (DWDM)

Компания MCI Communications стала первым оператором сети связи, использовавшим новую технологию мультиплексирования WDM. По данным NEWSBYTE компания MCI в начале 1996года заявила о распространении новой технологии, которая позволяет вчетверо увеличить пропускную способность сети, не добавляя к ней новых линий связи. MCI использовала технологию под названием уплотнение каналов с разделением четырех длин волн (Four- Wavelength Wave Division Multiplexing - 4WL-WDM или Quad- WDM), которая позволяет по одному волокну в волоконно- оптической линии передавать четыре световых сигнала вместо одного. Каждый из этих световых сигналов имеет свою длину волны благодаря использованию узкополосного оборудования для уплотнения с разделением каналов, что позволяет в четыре раза увеличить имеющийся трафик. С помощью стандартной технологии WDM, два и более оптических сигнала, имеющих различные длины волн распространяются в одном направлении по одному волокну. На другом конце волокна эти сигналы затем разделяются. При этом резко увеличивается объем информации передаваемой по одному волокну в одном направлении. При использовании Quad-WDM- системы, которая передает два сигнала в различными длинами волн в каждом направлении, суммарная пропускная способность одного волокна возрастает с 2,5 Гбит до 10 Гбит. В начале 1998 года компания MCI разработала систему передачи данных по волоконно-оптическому кабелю на восьми различных длинах волн со скоростью 10 Гбит/с (OC-192) на каждой несущей, что дает суммарную скорость 80 Гбит/с. На данный момент эта технология используется на магистрали длиной 170 миль.

...