Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пакетно-оптические транспортные сети. Технологии оптических транспортных сетей. Ч. 1. Учебное пособие
.pdf
1.5. Решетка Брегга
Рисунок 1.20 - Компенсатор хроматической дисперсии
Хроматическая дисперсия, приводящая к уширению длительности
оптических импульсов, является одной из главных причин ухудшения качества
передачи на гигабитных скоростях. Общий подход, используемый для
компенсации дисперсионных искажений, состоит в том, чтобы пропустить
оптический сигнал через устройство, дающее такой же уровень искажений, но
противоположного знака. Эту функцию и выполняет приведенный на рисунке
компенсатор [2]. Компенсация может осуществляться как в каком-то одном
канале, так и во всей полосе ВОСП-СР, используя, например, достаточно
длинную дифракционную решетку с чирпом (рисунок 1.20).
Волоконная решетка Брэгга (FBG – Fibre Bragg Grating) представляет собой
отрезок оптического волокна с периодически изменяющимся вдоль длины волокна
показателем преломления [2]. Изготовление таких решеток основано на явлении
фоточувствительности, которое заключается в изменении показателя
преломления сердцевины волокна под воздействием ультрафиолетового
излучения определенных длин волн. В сердцевине волокна создаются
облученные через трафарет области с высоким показателем преломления,
чередующиеся с областями с низким показателем преломления. Входной сигнал,
имеющий сложный спектральный состав, т.е. состоящий из набора длин волн,
входит с левой стороны решетки. В зависимости от периода решетки (расстояния d)
будет наблюдаться отражение одной или нескольких длин волн. Отраженный
сигнал выходит также с левой стороны, тогда как остальная группа длин волн
сигнала выйдет с правой стороны. На рисунке 1.21 приведена брэгговская решетка с
изменяющимся периодом d (так называемая FBG с чирпом).
22
Рисунок 1.21 - FBG с чирпом и её характеристика коэффициента отражения
Рисунок 1.22 - Оптический демультиплексор
В этом случае для отраженных волн в некотором спектральном интервале
можно получить характеристику коэффициента отражения, подобную той, которая
показана на рисунке 1.21 справа. Видно, что в некотором, достаточно узком
спектральном интервале для отраженного сигнала решетка выполняет функцию
полосового фильтра, а для проходящего сигнала - функцию заграждающего
(режекторного) фильтра с очень малыми потерями для полезного сигнала.
Центральная длина волны такого фильтра может управляться путем изменения
периода решетки, а полоса пропускания может подстраиваться путем изменения
коэффициентов преломления полос решетки и небольшой частотной модуляцией
(чирпирования) периода решетки.
1.6. Оптические мультиплексоры/демультиплексоры
В оптическом демультиплексоре, рисунок 1.22, используется каскадное
включение пар (циркулятор плюс FBG) и осуществляется последовательное
разделение каналов по длинам волн. В первом слева каскаде происходит выделение
канала с рабочей длиной волны λ1. Для этого каскада решетка выполняется с
периодом d = λ1. Решетка следующего каскада имеет период d = λ2 и т.д. [2].
23
Рисунок 1.23 - Оптический мультиплексор ввода/вывода
Приведенный на рисунке 1.23 оптический мультиплексор ввода/вывода
состоит из двух трехпортовых (порты обозначены цифрами) циркуляторов,
соединенных волоконной решеткой Брэгга. Решетка спроектирована так, что
условие Брэгга выполняется для несущей волны канала, который необходимо
выделить в пункте ввода/вывода.
1.7. Оптические усилители, длина и количество усилительных участков
Оптические усилители (ОУ) делятся на два класса: полупроводниковые
(ПОУ) и волоконно-оптические (ВОУ). В настоящее время в основном
применяются вторые. ОУ обеспечивают усиление оптических сигналов без
преобразования в электрическую форму [1; 2; 3; 6; 8 и 12]. В ВОСП
используются два типа ВОУ:
- волоконно-оптические усилители на основе активных волокон,
- волоконно-оптические усилители на основе эффекта вынужденного
комбинационного рассеяния (ВКР).
Эффект ВКР относится к классу нелинейных и его часто называют
стимулированным рáмановским рассеянием (SRS). Отсюда и название -
«рáмановский усилитель». Отметим, что наиболее значимыми для оптических систем
передачи являются усилители первого типа, позволяющие получить наибольшее
усиление.
Волоконно-оптические усилители на основе активных волокон
Кратко рассмотрим принципы работы. Если в чистый кварц добавить
дополнительно атомы или молекулы какого-либо вещества, то среда из
нейтральной может превратиться в поглощающую. Чаще всего поглощение
24
происходит на той частоте (или длине волны), которая совпадает с частотой
резонанса энергетического уровня атомов добавленного вещества, при этом
электроны с основного (устойчивого) энергетического уровня переводятся на
более высокий энергетический уровень.
При некоторой пороговой величине оптической мощности
возбуждающего излучения (накачки) количество электронов на верхнем
энергетическом уровне становится больше, чем на основном уровне. Такая
среда становится обратной по отношению к первоначальному устойчивому
состоянию и называется инверсной средой. Если в инверсную среду,
полученную путем накачки, ввести когерентное излучение (сигнал), то каждый
фотон этого сигнала будет стимулировать переход электрона на основной
уровень, сопровождающийся излучением фотона с такой же частотой,
поляризацией и направлением распространения, что и исходный.
Распространяясь дальше и встречаясь со следующим возбужденным атомом, два
этих фотона (исходный и рожденный), порождают каждый также по одному
фотону и т.д. Таким образом, происходит усиление оптического излучения.
Подбирая определенные вещества в качестве химических добавок в кварц,
можно создавать инверсную среду для заданного диапазона длин волн. В
частности, для третьего окна прозрачности кварцевого волокна наиболее
подходит редкоземельный элемент эрбий. В таких усилителях рабочей средой
усиления является сердцевина кварцевого одномодового волокна, легированная
ионами эрбия (Еr3+), поэтому они часто называются эрбиевыми ВОУ (ЭВОУ) или
EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). ЭВОУ (EDFA) в окне прозрачности
1550 нм обеспечивает полосу усиления порядка 40 нм. Данную полосу можно
расширить, если использовать оптические усилители на фтористом волокне,
легированном тулием (TDFFA) или празеодимом (PDFFA). Например, используя
усилитель типа TDFFA, можно получить полосу усилителя от 1470 до 1650 нм.
Существуют три основных конфигурации накачки ЭВОУ: сонаправленная,
противонаправленная (встречная) и двунаправленная. Упрощенные схемы
ЭВОУ для этих конфигураций показаны на рисунке 1.24.
25
1480
2Н
нм
Луч накачки
Выходной
световой
поток
б) Противонаправленная накачка
Выходной
световой
поток
Луч накачки
Луч накачки
а) Сонаправленная накачка
Оптический
изолятор
Луч
сигнала
Источник накачки
(полупроводниковый
лазер)
Выходной
световой
поток
Разветвитель
Оптическое
волокно
легированное
эрбием
ПЛ
Луч
сигнала
Входной
световой
поток
ПЛ
ПЛ
Входной
световой
поток
Входной
световой
поток
ПЛ
в) Двунаправленная накачка
980
1Н
нм
Рисунок 1.24 - Конфигурации накачки ЭВОУ
При сонаправленной накачке излучение источника накачки подается на
вход усилителя, т.е. потоки излучения накачки и сигнала распространяются в
одном и том же направлении. В случае противонаправленной накачки
излучение источника накачки подается на выход усилителя. Конфигурация
двунаправленной накачки предполагает ввод излучений накачки как на вход,
так и на выход усилителя. Обычно для противонаправленной накачки
используется длина волны 1480 нм, а для соноправленной накачки – 980 нм.
Накачка на 1480 нм имеет более высокую эффективность (к.п.д.), тогда как
накачка на 980 нм может обеспечивать минимальный коэффициент шума,
близкий к квантовому пределу. Двунаправленная накачка сочетает достоинства
первых двух, но естественно усложняет схему.
26
Волоконно-оптические усилители на основе эффекта ВКР (рáмановские
усилители)
Рáмановское усиление возникает, когда фотоны накачки высокой энергии
(коротких длин волн) рассеивают колебательные моды матричной решётки
материала (оптические фононы) и когерентно добавляют их к сигнальным
фотонам низкой энергии (больших длин волн) (рисунок 1.25). Излучение
накачки вводится непосредственно в рабочее волокно в направлении,
противоположном направлению распространения сигнала, т.е. используется
противонаправленная накачка (рисунок 1.26). Использование рабочего волокна
в качестве среды усиления является несомненным достоинством. При этом
рамановский усилитель работает как малошумящий предусилитель, что также
весьма положительно.
Рисунок 1.25 - Принцип работы рамановского усилителя
Рисунок 1.26 - Способ накачки рамановского усилителя
27
Основные параметры и характеристики ОУ
Основными параметрами оптических усилителей являются: коэффициент
усиления (или усиление по мощности); коэффициент шума; уровень шума,
приведенный ко входу; мощность насыщения на выходе усилителя.
Коэффициент усиления G (gain) представляет отношение выходной
мощности сигнала Р
к входной мощности сигнала Р
с вых
с вх
: G = Р
с вых
/ Р
с вх
.
Коэффициент шума или шум-фактор NF(noise-factor)
, (1.4)
где ООСШ
сигнал/шум на входе и выходе усилителя; ООСШ
отношение мощности сигнала на входе ОУ к мощности квантового шума Р
т.е. ООСШ
ВХ
=Р
мощности сигнала на выходе ОУ к мощности шума на выходе ОУ – Р
ВХ
С ВХ
и ООСШ
/ Р
КВ. Ш ,
ВЫХ
соответственно оптическое отношение
а – ООСШ
ВЫХ
= Р
представляет собой
ВХ
С ВЫХ
/ Р
отношение
ASE
ASE .
КВ.Ш
Коэффициент шума характеризует уменьшение отношения сигнал/шум на
выходе по сравнению с входным отношением сигнал/шум. В логарифмической
форме
, (1.5)
,
где А
з вх
и А
– помехозащищенности соответственно на входе и выходе.
з вых
Логарифмический коэффициент шума характеризует потерю
помехозащищенности оптического сигнала при его прохождении через ОУ.
Уровень шума, приведенный ко входу ОУ
р
где р
квантового шума в оптической полосе частот ∆ f
мощность квантового шума Р
– уровень квантового шума в оптической полосе частот ∆ f
кв ш
ш.вх
КВ. Ш
= р
кв ш
= h f ∆ f
+ nf , (1.6)
. Уровень
опт
определяется через
опт
по формуле
опт
, (1.7)
где Р 0 = 1 мВт, f = c/λ.
28
Мощность насыщения – выходная мощность Р
ОВ
ОВ
ОВ
ОУ
3
ОУ
3
ОС-Р
ОС-Р
ОС-Н
ОВ
ОВ
ОВ
ОВ
L
уу
ОС-Н
S
R
l
стр
вых нас
, при которой
коэффициент усиления в два раза (усиление на 3 дБ) меньше максимального
значения, достигаемого при минимальном уровне входного сигнала.
Определение количества усилительных участков производится по
критерию перекрываемого затухания Ауу, которое численно равно усилению
линейного усилителя – ОУ
усилительного участка L
уу
. Расчетная схема для нахождения длины
3
показана на рисунке 1.27 и рисунке 1.28. Здесь ОС-Р
– оптическое соединение разъемное, ОС-Н – оптическое соединение
неразъемное. Рекомендации МСЭ-Т определяют точку S, как точку ОВ сразу за
оптическим разъемом ОС-Р, а точку R, как точку ОВ перед оптическим
разъемом ОС-Р [2].
Рисунок 1.27 - К расчёту ООСШ участка регенерации с N
оптическими усилителями
Рисунок 1.28 - К расчету длины усилительного участка
29
Согласно этой схеме затухание усилительного участка
А
= α·L
уу
+ Ан ·( L
уу
уу
/ l
), (1.8)
стр
где Ан – затухание неразъемного соединения – ОС-Н, дБ; l
– строительная
стр
длина оптического кабеля, км; α – коэффициент затухания ОК, дБ/км. Отсюда
длина усилительного участка
. (1.9)
Для уменьшения числа оптических усилителей целесообразно
использовать усилительные участки максимальной длины Lуу
перекрываемое затухания максимально, т.е. А
Защищённость в точке с уровнем приема р
А
= рR – р
з R
= Аз –10lgN. (1.10)
ш
уу
= А
R
уу макс
.
, когда
макс
Из (1.10) следует, что результирующая защищенность по сравнению с
защищенностью на одном участке снижается на величину ΔА
этом она не зависит от уровня р
. Число усилительных участков N может быть
R
= 10lgN. При
з
только целым. Поэтому их максимальное число
N
=[dec(0,1(А
макс
з–АзR
))], (1.11)
где квадратные скобки означают округление до ближайшего целого числа в
сторону уменьшения.
Так как А
Уровень шума, приведённого ко входу усилителя
где р
– уровень квантового шума; d – логарифмический коэффициент шума.
кв ш
Отсюда можно найти N
= р
з
N
– А
пер
= [dec(0,1( –А
макс
уу
р
– р
ш.вх
макс
ш вх
= р
, то
– –А
уу
+ d, (1.13)
кв ш
))]. (1.12)
з тр
и определить предельную протяженность
регенерационной секции
где L
уу макс
L
рс пред
определяется по формуле (1.9).
= N
макс
∙ L
уу макс
, (1.14)
30
На проектируемой или реконструируемой ВОЛП протяженности
регенерационных секций не могут превышать L
рс пред
обеспечения гарантированного энергообеспечения линейные усилители (ОУ
. Отметим, что с целью
)
3
располагают, как правило, в населённых пунктах. Поэтому реальные значения
протяженностей усилительных участков и, следовательно, их затуханий
различаются друг от друга [2].
Учёные из Bell labs разработали и протестировали новый способ борьбы с
шумом и искажениями при передаче оптического сигнала. Они
продемонстрировали эффективную скорость передачи данных на уровне
400 Гбит/сек на расстояние 12 800 километров. Принцип работы системы
шумоподавления напоминает давно используемое в аудиотехнике балансное
(симметричное) подключение — сигнал разделяется на две части, одна из них
передаётся, как обычно, а вторая — в противофазе. На принимающей стороне
вторая часть снова переворачивается и складывается с первой. В результате
искажения и помехи, попавшие в оба сигнала, взаимно уничтожаются, а сам
сигнал усиливается на 6 дБ (рисунок 1.29) [13].
Рисунок 1.29 - Принцип шумоподавления (источник [13])
В оптоволокне всё происходит примерно так же, только основная волна и
её «близнец» в противофазе передаются во взаимно перпендикулярных
плоскостях поляризации. Благодаря этому уровень нелинейных искажений
удалось уменьшить на 8.5 дБ. В ходе главного эксперимента они, используя
волновое уплотнение каналов, добились «сырого» битрейта в 512 Гбит/сек, что
после вычитания затрат скорости на коды коррекции ошибок дало
406,6 Гбит/сек. Сигнал передавался через кабель, состоящий из 160 сегментов
по 80 километров, между которыми были лишь оптические усилители EDFA
[13] (рисунок 1.30).
31
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]