Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные линии связи для цифровых систем передачи. Учебное пособие для СПО.pdf
где В – скорость передачи в Гбит/с.
В, Гбит/с
Длительность битового
интервала, пс
Δτ, пс
2,5
400
40
10
100
10
40
25
2,5
Поляризационный отклик
Отклик заселенности уровней
Явление нелинейной поляризации
световой волны.
Изменение заселенностей энергетических уровней
световой волны, распространяющейся в среде
Упругие взаимодействия
Неупругие взаимодействия,
связанные с эффектами рассеяния
FWM
(микширование)
SPM
мод
SRS
рассеяние Рамана
SBS
рассеяние Бриллюэна
Спектр спонтанного
излучения
Пороговая мощность
Вид рассеяния
SBS
Узкий спектр, смещен на
0,088 нм
Ограничивает
мощность излучения
Рассеяние назад
SRS
Широкий спектр, смещен на
Не ограничивает
Наблюдается для
сонаправленных волн
В таблице 3.5 приведена связь между скоростью передачи сигнала и
допустимыми значениями уширения импульса.
Таблица 3.5 – Допустимая поляризационно-модовая дисперсия
Нелинейные искажения в световодах
Мощность энергии световой волны, вводимой в световод, имеет
ограничения по величине в связи с возникновением нелинейных искажений при
превышении допустимого значения. Возникновение нелинейных искажений
связана с природой отклика при взаимодействии световой волны с передающей
средой. В таблице 3.6 представлены основные причины возникновения
нелинейных искажений.
лица 3.6 – Природа отклика
Таб
среды под воздействием исходной
Четырехволновое
смешение
Фазовая
самомодудяция
частиц среды, происходящим под воздействием
Вынужденное
стимулированное
Вынужденное
стимулированное
Вынужденное стимулированное рассеяние проявляется следующим
образом: отрицательно заряженные электроны под действием поля смещаются
относительно положительно заряженных ядер. Появляется электрический
дипольный момент, и меняется положение электрона, т.е. колеблющийся
электрон сам является источником поля – он переизлучает действующее на
него световое поле. В таблице 3.7 представлены сравнительные характеристики
SRS и SBS. Данное излучение некогерентно.
Таблица 3.7
– Сравнительные характеристики SRS и SBS
100 нм
мощность излучения
71
встречных и
Пороговая мощность SBS, вводимая в световод, т.е максимально
)1(
21
B
u
взB
эф
пороговаяВ
f
f
lg
A
Р
∆
∆
+
⋅
⋅
≈
.
2
мпэфф
wА ⋅=
π
,)(
эф
нлнл
A
P
nntInnn ⋅+=⋅+=
( )
./1042,255,1
;46,1
220
Втмnмкм
n
н
л
−
⋅−==
=
λ
допустимая мощность вводимого излучения, при которой не возникают
нелинейные искажения, определяется по формуле (3.47) [8].
, (3.47)
где А
l
Δf
Δf
g
Источник излучения может быть представлен с внешним модулятором, в
этом случае пороговая мощность ограничена величиной 5 мВт, источник с
непосредственной модуляцией характеризуется пороговой мощностью 200 мВт.
Поляризационный отклик – процесс когерентный, т.е. нельзя разделить во
времени акты взаимодействия, но взаимодействие волн требует согласования
волны накачки и вторичной волны по частоте, направлению распространения и
поляризации, т.е. волновой синхронизм. При передаче волны высокой
мощности возникает дополнительная световая волна. Данный процесс
характеризуется зависимостью показателя преломления среды от
интенсивности излучения, т.е. характеризуется эффектом Керра. Оптическим
эффектом Керра называется изменение состояния поляризации сигнала при
прохождении через диэлектрик, т.е. эффект Керра приводит к появлению новых
частот. В этом случае показатель преломления среды есть совокупность
показателя преломления линейной области n
преломления n
– эффективная площадь модового поля (формула (3.48));
эфф
– длина взаимодействия световой волны со средой (20 км);
вз
– широкополосность источника излучения;
и
– широкополосность рассеяния Бриллюэна;
В
– коэффициент усиления рассеяния Бриллюэна.
В
. (3.48)
и нелинейного показателя
л
.
н
(3.49)
причем:
.
Величина нелинейного коэффициента зависит от:
− длины волны света,
72
− состава, концентрации и поперечного распределения легирующих
Класс
Диаметр
Допустимый коэффициент
Минимальное значение
МГц· км
λ = 850 нм
λ = 1300 нм
λ = 850 нм
λ = 1300 нм
ОМ 3
50
3,5
1.5
1500
500
ОМ 4
50
3,5
1.5
3500
500
ОМ5
50 3 1,5
4700
2470
эфф
н
А
n
⋅=
λ
π
γ
2
примесей,
− длительности импульса.
Нелинейные искажения можно оценить с помощью коэффициента
нелинейности γ (1/Вт·км).
. (3.50)
3.2. Характеристики многомодовых световодов
Характеристики на первые многомодовые световоды приведены в таблице
9, но в настоящее время в стандартах ISO/IEC 11801 от 2017 года внесены
изменения, в которых указано, что модификации световода ОМ1 стандарта
G.651 и ОМ2 стандарта G651.1 не рекомендуется использовать при
проектировании новых сетей. В 2012 году разработанный многомодовый
световод ОМ4 с лазерным источником VCSEL, который определяет порядок
моды, позволил увеличить скорость передачи до 40 и 100 Гбит/с.
В 2017 году стандартизирован световод ОМ5 для работы на нескольких
длинах волн в диапазоне 850-950 нм. Световод ОМ5 имеет широкополосность
3500 МГц·км на длине волны 850 нм, но отличается от световода ОМ4
эффективным модовым коэффициентом широкополосности EMB. Основные
характеристики применяемых на сети многомодовых световодов, согласно ITUТ, приведены в таблице 3.8 [1,2].
Таблица 3.8 – Характеристики многомодовых световодов согласно ITU-T
МОВ
сердцеви
ны,
мкм
В 2018 году был введен в действие стандарт ГОСТ Р МЭК 60793-2-10–
2018 (IEC), в котором прописаны основные технические требования к
многомодовым световодам. В стандарте предусмотрены следующие
обозначения световодов: А1а.2 – градиентный световод с диаметром
сердцевины 50 мкм; минимальное значение коэффициента широкополосности
при насыщающем возбуждении на длине волны 850 нм – 1500 Мгц·км,
затухания,
дБ/км
коэффициента широкополосности
при насыщающем возбуждении на
длине волны λ нм,
73
минимальное значение эффективного коэффициента широкополосности на
Параметры
Нулевая длина волны
дисперсии λ0, нм
Крутизна дисперсионной
длине волны, S0 пс/нм2·км
EMB,
850 нм
953 нм
(ITU-T)
МОВ
dc
λр, нм
α
Минимальное
Минимальное
850
1300
953
850
1300
953
850
953
ОМ 1
A1b
62,5
850
3,5
0,8
200
500
ОМ 2
A1a.1
50
850
2,5
0,8
500
500
ОМ 3
A1a.2
50
850
2,5
0,8
1500
500
2000
ОМ 4
A1a.3
50
850
2,5
0,8
3500
500
4700
ОМ5
A1a.4
50
850950
2,5
0,8
1,8
3500
500
1850
4700
2470
длине волны 850 нм – 2000 МГц·км, т.е. данный стандарт соответствует
стандарту G651.1, модификации ОМ 3. Сравнительный анализ световодов
ОМ4 и ОМ5 приведен в таблице 3.9.
Таблица 3.9 – Сравнительные характеристики световодов ОМ4 и ОМ5
ОМ4 ОМ5
1295-1310 1297-1328
характеристики на нулевой
МГц·км
0,105 0,211-0,225
4700 4700
- 2470
Световод типа G.651.1 модификации ОМ 4 в данном стандарте
обозначается А1.а3, также является градиентным, минимальное значение
коэффициента широкополосности при насыщающем возбуждении на длине
волны 850 нм – 3500 Мгц·км, минимальное значение эффективного
коэффициента широкополосности на длине волны 850 нм – 4700 МГц·км.
Ниже представлена таблица 3.10 с характеристиками многомодового
световода согласно стандартам IEC.
Таблица 3.10 – Характеристики многомодовых световодов согласно IEC
с,
G.651/C
.651.1
(IEC)
дБ/км при λ, нм
значение
коэффициента
широкополосности
при насыщающем
возбуждении,
OFL, МГц· км,
при λ, нм
значение
эффективного
коэффициента
широкополосно
сти EMB,
МГц· км,
при λ, нм
74
Световод типа G.651.1 модификации ОМ 5 в данном стандарте
Скорость передачи
в системе, Гбит/с
Скорость передачи в
одном субканале, Гбит/с
Число
световодов
Год стандартизации
10
40
10
282002
2008
25
100
25
282016
50
200
2
8
200
400
100
482021
обозначается А1.а4, имеет минимальное значение коэффициента
широкополосности при насыщающем возбуждении на длине волны 850 нм –
3500 Мгц·км, минимальное значение эффективного коэффициента
широкополосности на длине волны 850 нм – 4700 МГц·км, минимальное
значение эффективного коэффициента широкополосности на длине волны 953
нм – 2470 нм.
Одним из основных методов увеличения пропускной способности является
пространственное уплотнение. Для формирования субканала используется один
световод. В 2002 году был внедрен стандарт, согласно которому скорость
передачи по субканалу равна 10 Гбит/с, что позволило по двум световодам
осуществлять двунаправленную передачу со скоростью 10 Гбит/с. В 2008 году
по восьми световодам организуется скорость передачи 40 Гбит/с. В 2016 году
организуется передача по одному субканалу со скоростью 25 Гбит/с и,
соответственно, по двум световодам организуется двунаправленная передача со
скоростью 25 Гбит/с, а по восьми световодам – 100 Гбит/с. В таблице 3.11
приведены параметры пространственного уплотнения [1,2].
лица 3.11 – Пространственное уплотнение
Таб
100
50
на многомодовых световодах
4
2018
В системах с пространственным уплотнением применяются
многоволоконные кабельные сборки МТР/МО. С появлением модулей
MPO/MTP в оптических системах большую популярность приобретают
ленточные кабели, которые вмещают в свою конструкцию от 12 до 24 волокон.
Это существенно оптимизирует пространство в кабельных системах, уменьшая
занимаемое пространство. При использовании кабельных сборок необходимо
учитывать полярность, т.е. при двухволоконной рализации полярность
обеспечивается скрещиванием световодов в каждом из компонентов сети. Для
перехода от многоволоконной линии к симплексным используется кабельная
сборка fan-out, т.е. с одной стороны MPO, с другой – LC.
В оптических системах новым решением стали ленточные кабели и
разработанные для них модули MPO/MTP. Итоговая конструкция совмещает в
себе одновременное подключение от 12 до 72 волокон в один разъем, что
существенно поднимает эффективность оптимизации места в кабельных
каналах.
75
Кроме того, данные решения позволяют поддерживать
Скорость
Приемопередатчик
Количество
Максимально допустимое
расстояние, м
ОМ4
ОМ5
40
BiDi/QSFP+
2
150
200
40
SWDM4/QSFP+
4
350
440
100
BIDI/QSFP28
2
100
150
100
SWDM4/QSFP28
4
100
150
100
eSWDM4\QSFP28
4
300
400
высокопроизводительные приложения, которые требуют высоких скоростей.
Также в 2010 году был принят стандарт IEEE 802.3ba, который описывал
передачу со скоростью 40 Гбит/сек и 100 Гбит/сек. Этот стандарт содержит
требования к кабельной системе.
Как видно из таблицы 3.11, для увеличения скорости требуется
увеличивать количество световодов. Поэтому для увеличения пропускной
способности без существенного увеличения количества субканалов предложено
использовать на многомодовых сетях волноводное уплотнение. Существуют
двухволновое уплотнение и четырехволновое уплотнение.
При четырехволновом уплотнении в рамках диапазона 850-950 нм
формируются каналы на длинах волн 850 нм, 880 нм, 910 нм, 950 нм с шагом 30
нм, т.е. организуется уплотнение по коротким линиям SWDM. Уплотнение по
коротким линиям позволяет:
− осуществлять поддержку более протяженных линий;
− упрощать мониторинг сетей;
− предоставлять возможность использования параллельной оптики.
Кроме SWDM при двунаправленной передаче существует система
двухволнового уплотнения BiDi. Данная система работает на двух оптических
несущих 850 нм и 900 нм и для увеличения производительности канала
удваивается тактовая частота. В таблице 3.12 приведены параметры волнового
уплотнения [1,2].
Таб
лица 3.12 – Волновое уплотнение в многомодовых световодах
передачи,
Гбит/с
форм-фактор
длин волн
3.3. Характеристики одномодовых световодов
В настоящее время разработаны стандарты на оптические световоды,
такие как МЭК (Международная электрохимическая комиссия) и МСЭ-Т
(Международный союз электросвязи). При разработке данных стандартов
учитывались все вышеперечисленные особенности передачи световой волны по
световоду, изготовленному из кварцевого стекла.
В таблице 3.13 приведено сравнение между МЭК (IEC) и МСЭ-Е (ITU-T)
для световодов, работающих в одномодовом режиме.
76
Таблица 3.13 – Сравнение стандартов МЭК (IEC) и МСЭ-Е (ITU-T)
МЭК
МСЭ-Т
В1.1
G.652.A/B
В1.2_b
G.654.B
B1.2_c
G.654.C
B1.2_d
G.654.D
B1.3
G.652.C/D
B2_a
G.653.A
B2_b
G.653.B
B4_c
G.655.C
B4_d
G.655.D
B4.e
G.655.E
B5
G.656
B6_a1
G.657.A1
B6_a2
G.657.A2
B6_b2
G.657.B2
B6_b3
G.657.B3
кмдБ /4,0
1310
≤
α
Кабели, содержащие световоды, предназначенные для работы в
одномодовом режиме, могут использоваться как в качестве внутриобъектовых,
так и для внешней прокладки на большие расстояния. При выборе оптического
кабеля для сети связи необходимо учитывать основные характеристики, к
которым относятся:
отс
, мкм;
мп
, мкм;
, нм;
о
− диаметр модового поля d
− длина волны нулевой дисперсии λ
− длина волны отсечки λ
− коэффициент затухания α на определенной длине волны или в
определенном диапазоне длин волн, дБ/км;
− удельная хроматическая дисперсия D на определенной длине волны
или в определенном диапазоне длин волн, пс/км·нм;
− коэффициент поляризационно-модовой дисперсии, Т, пс/км
1/2
;
− крутизна дисперсионной кривой на длине волны нулевой дисперсии
(дифференциальный параметр) S
, пс/нм2·км.
0
В ГОСТ Р МЭК 60793-2-50 -2022 содержатся основные характеристики
следующих световодов:
Основные характеристики одномодового световода В1.1 (G.652 В)
1. Коэффициент затухания на определенной длине волны:
;
77
;
.5,96,8 мкмd
МП
−=
нм13241300
0
−=
λ
./092,0
2
0
кмнмпсS ⋅≤
кмдБ /3,0
1550
≤
α
кмнмпсD ⋅= /17
1550
./2,0)( кмпсВТ =
.1260нм
отс
≤
λ
кмдБ /4,0
1625
≤
α
кмдБ /4,0
16251310
≤
−
α
.
2. Длина волны нулевой дисперсии:
.
3. Наклон дисперсионной характеристики на длине волны нулевой
дисперсии:
4. Длина волны отсечки:
5. Номинальный диапазон значений диаметра модового поля на длине
волны 1310 нм:
Допустимое отклонение диаметра модового поля составляет
+ 0,6 мкм.
6. Потери, вызванные макроизгибами на длине волны 1625 нм, 100
витков при диаметре стержня 30мм не более 0,1 дБ.
Примечание. На длине волны 1550 нм типовое значение хроматической
дисперсии: с типовым значением наклона дисперсионной
2
характеристики 0,056 пс/нм
·км.
В стандартах ITU-T приведена величина коэффициента поляризационной
модовой дисперсии
Световод В1.1 характеризуется ступенчатым профилем показателя
преломления, предназначен для работы в двух стандартных окнах
прозрачности: 1310 нм, 1550 нм, но оптимальным является волна 1310 нм в
связи с минимальной удельной хроматической дисперсией на данной длине
волны.
Основные характеристики одномодового световода В1.3 (G.652 D)
1. Коэффициент затухания на определенной длине волны:
78
.2,96,8 мкмd
МП
−=
.13241300
0
нм−=
λ
./092,0073,0
2
0
кмнмпсS ⋅−≤
кмдБ /4,0
3,01383
≤
±
α
кмпсВТ /2,0)( =
.1260нм
отс
≤
λ
кмдБ /3,0
15651530≤−
α
./2,17
1625
кмнмпсD ⋅=
;/6,183,13
1550
кмнмпсD ⋅−=
;/6,183,13
1550
кмнмпсD ⋅−=
2. Длина волны нулевой дисперсии:
3. Наклон дисперсионной характеристики на длине волны нулевой
дисперсии:
4. Длина волны отсечки:
5. Номинальный диапазон значений диаметра модового поля на длине
волны 1310 нм:
Допустимое отклонение диаметра модового поля составляет
мкм.
6. Потери, вызванные макроизгибами на длине волны 1625 нм, 100
витков при диаметре стержня 30 мм не более 0,1 дБ.
7. Типовое значение удельной хроматической дисперсии:
+ 0,4
В стандартах ITU-T приведена величина коэффициента поляризационной
модовой дисперсии:
.
79
Световод В1.3 аналогичен В1.1, но может работать в более широком
G.652
A B C
D
Применение
Некоторые
Диапазон передачи
Диапазон передачи
.5,88,7 мкмd
МП
−=
кмдБ /5,0
1310
≤
α
кмдБ /35,0
1550
≤
α
.1270нм
отс
≤
λ
кмдБ /4,0
1625
≤
α
15751525
75
5.3
)( ≤≤≤
λλ
D
16001500
0
≤≤
λ
кмнмпсS ⋅≤
2
0
/085,0
диапазоне длин волн за счет устранения гидроксильных групп при
изготовлении. Световод оптимален для технологии WDM.
В таблице 3.14 приведено основное применение на сети световода
стандарта G.652.
Таблица 3.14 – Рекомендации по применению световода стандарта G.652
применения с более
высокой скоростью
передач (10G)
расширены до E, S и L.
Подходит для систем
CWDM
расширены до E и S.
Подходит для систем
CWDM
Основные характеристики одномодового световода В2_а/_b (G.653А/В)
1. Коэффициент затухания на определенной длине волны:
;
;
.
лина волны отсечки:
2. Д
3. Н
Допустимое отклонение диаметра модового поля составляет
0,8/0,6)/мкм.
4. Потери, вызванные макроизгибами на длине волны 1625 нм, 100
витков при диаметре стержня 30 мм не более 0,5 /0,1 дБ.
5. Требования к коэффициенту удельной хроматической дисперсии
В2_а:
оминальный диапазон значений диаметра модового поля на длине
волны 1310 нм:
+
;
;
.
80