Частотное уплотнение (гетеродинное)

В системах передачи с частотным уплотнением исходным сигналам различных источников информации в линейных трактах отводятся определенные полосы частот. В этом случае для получения группового линейного сигнала требуется близкорасположенные стабильные оптические несущие частоты.

Однако нестабильность излучения полупроводниковых лазеров, особенно при высокоскоростной модуляции, приводит к тому, что расстояние по спектру между рабочими длинами волн соседних каналов во много раз превышает полосу частот информационного сигнала. Поэтому для получения близкорасположенных спектральных каналов в ВОСП используются различные несущие частоты не от разных источников, а от одного. Это достигается с помощью сдвига оптической несущей частоты.

Принцип формирования группового оптического сигнала показан на рисунке 5.10. Здесь оптическое излучение с лазерного источника излучения (ЛИИ), содержащего несущие f₁, f₂, …, f_n, поступает на анализатор А₁, четверть- волновую призму ОП₁, фильтр первого канала ОФ₁. Этот фильтр пропускает оптическую несущую первого канала f₁ к оптическому модулятору ОМ₁, где она и модулируется.

Оптическая несущая первого канала, промодулированная в оптическом модуляторе ОМ₁ информационным сигналом, отражаясь от зеркала возвращается к анализатору А₁, предварительно изменив угол поляризации. Затем это оптическое излучение попадает на анализатор А₂.

Здесь оптический сигнал, дважды проходит через четвертьволновую призму, поэтому плоскость его поляризации поворачивается на /2 по отношению к плоскости поляризации исходного излучения, в связи с чем промодулированный световой пучок отклоняется в призме и выходит из неё. Далее общий сигнал, отразившись от зеркала, поступает на анализатор А₂ и процесс повторяется с той лишь разницей, что модулируется оптическое излучение с частотой f₂. Таким образом, формируется групповой оптический сигнал на нескольких несущих частотах f₁ , …, f_n .

Принцип демодуляции группового оптического сигнала рассмотрен на рисунке 5.11.

Достоинство данного метода уплотнения заключается в том, что длина участка регенерации сигнала за счет гетеродинного приема возрастает до 200 км и значительно повышается коэффициент использования пропускной способности ОВ.

Недостатком этого метода является то, что требуется оптический тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также целый набор дополнительных устройств: сдвигатели частоты, оптические вентили, контроллеры поляризации, оптические усилители, системы автоподстройки частоты и т. д., что значительно усложняет и увеличивает стоимость ВОСП.

5.3. Спектральное уплотнение

Спектральный метод уплотнения (WDM – Wavelength Division Multiplexing) [11, 12, 37–39, 54] является одним из наиболее перспективных методов увеличения коэффициента использования пропускной способности ОВ.

В настоящее время разработаны ещё ряд разновидностей WDM: CWDM – "Грубые" WDM (Coarse WDM) – системы с частотным разносом оптических каналов не менее 200 ГГц (20 нм), в диапазоне длин волн от 1270 до 1610 нм.; DWDM – "Плотные" WDM (Dense WDM) – системы с разносом оптических каналов не менее 100 ГГц (или 0,8 нм), позволяющие мультиплексировать не более 32 каналов ( в диапазоне длин волн от 1530 до 1560 нм.); HWDM – High-Density Wavelength Division Multiplexer. "Высокоплотные" системы с разносом оптических каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов. Структурно мало отличается от простого DWDM, поэтому иногда их даже не выделяют в отдельную классификацию, считая "разновидностью" DWDM.

Типовая конфигурация современных магистральных ВОСП со спектральным разделением или уплотнением приведена на рис. 5.12 [54,55].

Рис. 5.12. Структурная схема ВОСП со спектральным разделением: SDH – аппа-ратура синхронной цифровой иерархии; FEC – предварительная коррекция ошибок; TRx –транспондер передачи; C, L – оптические диапазоны длин волн соответственно, _1-80  (1528 – 1565 нм), _81-160  (1570 - 1610 нм); ОПУ – оптический промежу-точный усилитель; ОУП – оптический усилитель приема; ОМ – оптический мульти-плексор; КД –компенсатор дисперсии; ЛН – лазер накачки; ОД – оптический демультиплексор

Этот метод позволяет обеспечивать развитие сети связи без проведения дополнительных строительных работ, а также создавать древовидные сети или их конфигурации с пассивными элементами спектрального уплотнения в местах разделения или выделения потоков[10, 13]. При этом расширяются возможности передачи сигналов с различными скоростями и типами модуляции – цифровой и аналоговой (телефон, телевидение, телеметрия, сигнал управления ЭВМ и т. д.).

Одним из важных преимуществ данного метода является более полное использование сверхширокой спектральной полосы пропускания оптического волокна (ОВ). В настоящее время осваивается диапазон 0,8–14,8 мкм. Если принять, что ширина спектрального канала составляет 10 нм (0,01 мкм), что уже достигнуто, то в указанном диапазоне разместиться 100 спектральных каналов. Например, в диапазоне волн 1055 мкм при десяти спектральных каналах связи создана ВОСП с информационной скоростью 1037 Тбит/с, что эквивалентно организации по одному волокну 300 000 телефонных каналов.

Основными компонентами данных ВОСП являются оптические мультиплексоры и демультиплексоры. Мультиплексоры подразделяются на спектрально-нечувствительные и спектрально-чувствительные.

К первым относятся волоконные направленные ответвители, соединительные устройства, а также устройства на градиентных линзах. Вторые, называемые мультиплексорами, содержат элементы, характеристики которых зависят от оптической длины волны. К ним относятся дифракционные решетки, призмы, оптические фильтры. Конструктивно мультиплексоры разделяются на объемные многоэлементные, объемные интегральные, планарные, волоконные, гибридные и др. (рис. 5.13). Демультиплексоры, входящие в состав систем со спектральным уплотнением, имеют структуру, аналогичную структуре (рис. 5.13) спектрально-чувствительных мультиплексоров при обратном направлении распространения излучения.

Рис. 5.13. Мультиплексор четырехканальный планарный на дифракционной решетке

В ВОСП со спектральным уплотнением в основном используются одномодовые ОВ с малым затуханием и лазерным источником с повышенной мощностью излучения. Для обеспечения большого энергетического потенциала оптические каналы следует располагать в одном окне прозрачности, где потери в ОВ минимальны (рис. 5.14). Такому требованию для одномодового ОВ, выпол-ненному на основе кварцевого стекла, отвечает диапазон длин волн 1,5–1,6 мкм.

Относительно высокие плотности оптической энергии в одномодовых ОВ вызывают заметное проявление нелинейных эффектов. В ВОСП со спектральным разделением сигналов наиболее значительным из них является эффект усиления вследствие комбинационного рассеяния (УВКР), который объясняется резонансным взаимодействием оптических несущих частот с оптическими фотонами вещества ОВ.

В результате эффекта УВКР в одномодовых ОВ наблюдается взаимодействие между оптическими сигналами различных оптических каналов, что выражается в уменьшении мощности оптических несущих с меньшей длиной волны и увеличением оптических несущих с большими длинами волн.

Рис. 5.14. Затухание волоконного световода при различных длинах волн: _п - затухание поглощения; _р - зату­хание рассеяния; ИК, УФ – излучения инфракрасное и ультрафиолетовое соответственно

Изменение мощности оптического сигнала в ОВ вследствие УВКР в произвольном оптическом канале описывается дифференциальным уравнением [12]

,

где P_i – мощность i-й спектральной несущей в точке z длины волны ОВ (на выходе ОВ z = 0); _i – коэффициент потерь излучения на i-й несущей; P_i – приращение мощности излучения j–м канале вследствие УВКР от i–го источника; n – число оптических несущих; P_ri – переданная в i-й канал доля излучения j-го источника.

В n-канальной ВОСП со спектральным уплотнением распределение P_i(z) (i=1, 2, …, n) мощности спектральных несущих при учете УВКР описывается сис-темой уравнений [12 ]

,

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

,

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

,

где q₀ – максимальное значение УВКР; k – коэффициент поляризации ОВ,1 k  2; А – эффективная площадь сердцевины ОВ; _ij – нормированное значение коэффи- циента УВКР для i-й несущей в j-м канале; _ij = _i /_j .

Коэффициент _ij определяется выражением

,

где f_ij – разность частот i-го и j-го каналов; f_si – частота сдвига максимума спектральной кривой УВКР относительно частоты i-го канала; f_si  440 см^-1 ; f – ширина профиля спектральной кривой УВКР по уровню 0,5 (в кварцевых ОВ f  240 см^–1).