Оптические системы связи / 3.Волоконно-оптические системы связи (Фриман Р., 2003)

нескольких усилителей, должно быть линейным, как это и предсказывается простой теорией.

Влияние РНВ, индуцированной сигнальным лазером, несколько отличается от рассмотренного. При распространении лазерного сигнала вдоль системы, шум, поляризованный вдоль оси параллельной оси распространения лазерного сигнала, будет испытывать то же усиление, что и сам сигнал. Однако, шум поляризованный ортогонально лазерному сигналу, будет испытывать большее усиление, так как он всегда будет ортогонален оси поляризации сигнала. Поэтому общий шум будет увеличиваться нелинейно от усилителя к усилителю.

Общее дифференциальное усиление, благодаря действию РНВ, изменяется с изменением состояния поляризации сигнала (благодаря ПМД) вдоль цепочки усилителей. Оно меняется, так как эффект провала усиления сигнала коррелирован с эффектом накачки. Амплитуда дифференциального усиления изменяется в соответствии с изменением относительных состояний поляризации сигнального лазера и лазера накачки. Поэтому, хотя общий шум изменяется нелинейно при движении по цепочке усилителей, он при этом еще и флуктуирует во времени. Следовательно, как мы уже объясняли выше, отношение сигнал/шум уменьшается и флуктуирует во времени. Добротность системы Q также при этом ухудшается и флуктуирует во времени.

6.5.3.2. Возможности снижения этих эффектов

Один из путей ослабить влияние РНВ — работать с меньшими уровнями сигнала в усилителях. Однако во многих случаях это или невозможно, или нежелательно. В рекомендации [6.10] предлагается воспользоваться простым подходом — использовать деполяризованный сигнал. Деполяризованный сигнал может генерироваться многими способами, но наиболее часто используемым является способ скремблирования поляризации. Используя фазовый модулятор, можно изменять состояние поляризации во времени между двумя ортогональными

состояниями. Полученный таким образом сигнал кажется деполяризованным. Практика показывает, что оптимальным является использование в качестве частоты модуляции эквивалент удвоенной скорости передачи. Это объясняется тем, что PDL в усилителе конвертирует модуляцию состояния поляризации в амплитудную модуляцию. Используя в качестве частоты модуляции эквивалент удвоенной скорости передачи, мы получаем флуктуации амплитуды со скоростью выше, чем полоса частот детектора, т.е. она не воспринимается приемником. Используя этот прием, можно улучшить показатели систем с длинными пролетами/секциями до таких величин, когда с большой вероятностью будут достигаться нужные показатели. Модуляция состояния поляризации в настоящее время широко практикуется в трансокеанских системах передачи с усилителями.

Однако в системах большой протяженности с усилителями, ПМД вызывает реполяризацию сигнала, вновь позволяя РНВ, таким образом, снова вызывать ухудшение показателей системы. Этот феномен показывает насколько сложна природа взаимодействия поляризации в звеньях передачи, использующих усилители.

6.6.Другие типы ухудшений системы передачи

6.6.1.Накопленный шум, связанный с оптическим усилением

При наличии каскадного соединения ряда ОУ (см. разд. 7.4.2), расположенных вдоль ВОЛС, шум ASE, генерируемый в ОУ, повторяет цикл ослабления и усиления аналогично тому, как это происходит с информационным сигналом. Учитывая, что входящий шум ASE усиливается каждым ОУ, и то, что он добавляется к шуму, который генерируется этим конкретным ОУ, можно предположить, что общая мощность шума ASE увеличивается почти пропорционально числу ОУ, а мощность сигнала уменьшается на эту же величину. В рекомендации [6.10] указано, что

мощность шума может превысить мощность сигнала.

Профиль спектра шума ASE также изменяется при переходе от усилителя к усилителю. Если шум ASE от первого ОУ является входным для второго ОУ, профиль усиления второго усилителя изменяется за счет мощности шума этого ASE, благодаря эффекту насыщения усиления. Аналогично этому, профиль усиления третьего ОУ также модифицируется выходным спектром мощности второго ОУ. Такой эффект повторяется на каждом каскаде ОУ вплоть до последнего. Шум ASE накапливается, даже если в каждом ОУ используются узкополосные фильтры, так как шум существует во всем диапазоне частот, который включает и частоту сигнала.

6.6.1.1. Эффекты ухудшения передачи

Накопление шума ASE влияет на отношение сигнал/шум системы, потому что благодаря (главным образом) шуму биений, связанному с ASE, происходит ухудшение отношения сигнал/шум принятого сигнала. Такой шум биений растет линейно с ростом числа используемых ОУ. В результате, коэффициент ошибок ухудшается с ростом числа ОУ. Более того, шум накапливается экспоненциально в зависимости от усиления усилителя.

В результате, в спектре шума ASE, после прохождения через большое количество усилителей, имеющих определенный спектр усиления, появляется характерный пик на некоторой длине волны, благодаря эффекту самофильтрации (см. разд. 6.6.2). Если, например, рассматривается замкнутая кольцевая оптическая сеть, то ожидаемое накопление шума ASE такое, как если бы использовалось бесконечное число ОУ. Хотя накопление шума ASE в системах с фильтрацией шума, существенно уменьшается благодаря наличию фильтров, внутриполосный шум тем не менее растет с ростом числа каскадов ОУ. В результате, отношение сигнал/шум ухудшается с ростом числа ОУ.

6.6.1.2. Возможности снижения этих эффектов

Накопление шума ASE можно уменьшить путем уменьшения расстояния между усилителями, если поддерживать, в то же время, общее усиление равным общим потерям на тракте передачи, так как шум накапливается экспоненциально в зависимости от усиления усилителя (которое при этом снижается). Существуют две технологии фильтрации, которые могут уменьшить шум ASE:

1.Фильтры шума ASE.

2.Эффект, или метод, самофильтрации.

Метод самофильтрации используется тогда, когда применяется 10 или больше ОУ последовательно. В этом методе проектировщик системы настраивает системную длину волны на длину волны самофильтрации так, что происходит снижение шума ASE на входе детектора. Это похоже на использование узкополосного фильтра. Рекомендация [6.10] сообщает, что этот метод очень эффективен для снижения начального шума ASE, если используется на укороченных пролетах и для ОУ с малым усилением.

Не рекомендуется использовать метод самофильтрации на сетях WDM с топологией замкнутого кольца при использовании ОУ. Принципиальная причина этого в том, что возникает результирующий пик усиления в спектре усиления ОУ, который может оказать значительное влияние на показатели системы. В этом случае рекомендуется использовать фильтры ASE, минимизирующие шум ASE. Это достигается путем фильтрации каналов WDM, не предназначенных для использования на данном узле сети.

Если в тандемном соединении используется только несколько усилителей, то метод самофильтрации менее эффективен, чем метод фильтров ASE. Этот последний метод является более гибким в плане выбора рабочих длин волн, с ним легче обеспечить уровень однородности каналов в системах WDM. В рекомендации [6.10] советуют тщательно выбирать характеристики фильтра. Следует отметить, что полоса пропускания каскада фильтров уже, чем полоса одного фильтра, если только она не является прямоугольной. В

одноканальных системах большой дальности могут быть использованы обычные фильтры, имеющие полосу пропускания на уровне половины максимума порядка 3 нм.

6.6.2. Эффект самофильтрации

Существует характеристический профиль спектра усиления (или спектр ASE шума) в результате накопления шума ASE благодаря каскаду ОУ. Этот спектр имеет пик и спектральная ширина этого пика уменьшается с ростом числа ОУ, пока этот процесс не достигнет насыщения при определенном числе усилителей. Это может привести к формированию спектральной линии шириной 2-3 нм при использовании нескольких десятков ОУ. Этот эффект и носит названия самофильтрации.

Рекомендация [6.10] сообщает, что эффект самофильтрации определяется формой спектра эмиссии, сечением поглощения и степени инверсии ОУ. Длина волны самофильтрации может изменяться в зависимости от состава используемого стекла, входной оптической мощности или потерями между ОУ и их зависимостью от длины волны, волны накачки и длины легированного волокна. Проектировщики систем считают, что эффект самофильтрации может быть желателен в одноволновых системах, но не желателен в системах WDM.

6.6.2.1. Эффекты ухудшения передачи

Если используется несколько усилителей в тандеме, спектральная ширина пика усиления самофильтрации остается достаточно широкой и это не приводит к уменьшению накопления шума ASE. Уменьшения не происходит, даже если рабочая длина волны подстраивается к пиковой волне самофильтрации. Может оказаться достаточно сложным воспользоваться преимуществом эффекта самофильтрации, благодаря большому количеству усилителей в тандеме. Величина сигнал/шум может быть выше, но может и ухудшаться, если рабочая длина волны сдвигается в сторону от позиции

волны самонастройки. Как правило, такой сдвиг может произойти после реконфигурации или ремонта, ввиду изменения потерь между усилителями.

В случае систем WDM/DWDM, при каскадировании ОУ может возникать изменение уровней каналов, которое экспоненциально растет с ростом числа ОУ в тандеме (показателем экспоненты является число ОУ). В [6.10] приводится пример, в котором распределение мощности среди 5 каналов имело неравномерность ~3 дБ после одного ОУ, оно увеличивалось до ~15 дБ после использования 6 ОУ. В системах WDM изменение общего числа каналов приводит к изменению спектра усиления, которое оказывает возмущающее воздействие на другие каналы. Кроме того, спектрально зависимое усиление, наведенное насыщением, также вызывает изменение усиления между каналами.

Рекомендуется тщательно рассчитывать бюджет звена, чтобы приспособиться к таким изменениям спектрального усиления ОУ типа EDFA, как в системах с фильтрами, так и без. Следует отметить, что фильтры ASE обычно снимают эту проблему. Этот метод описан в разд. 6.6.2.2.

6.6.2.2. Учет эффекта самофильтрации

Использование метода самофильтрации для улучшения отношения сигнал/шум наиболее эффективно тогда, когда длина волны оптимальной дисперсии, длина волны самофильтрации и рабочая длина волны одинаковы. Этот метод не требует использования фильтров ASE, которые могут вызвать деградацию, ассоциируемую с PDL в данном фильтре. Это в первую очередь относится к трансокеанским системам. Как упоминалось выше, ориентирование на использование эффекта самофильтрации усложняет проектирование системы, ее реконфигурацию и ремонт, потому что рабочая длина волны должна всегда настраиваться так, чтобы совпадать с длиной волны самофильтрации, которая меняется. Спектральные характеристики усиления ОУ и потерь между усилителями должны быть однородны настолько, насколько это возможно. В противном случае пик усиления само-

фильтрации может оказаться недостаточно узким, что приведет к уменьшению желаемого отношения сигнал/шум. Это также осложняет возможность предотвращения индуцируемого ASE насыщения в системах большой протяженности.

Метод ASE-фильтра является той альтернативой, которая позволяет избежать этих недостатков в снижении эффекта накопления шума ASE при использовании полосы фильтра, настроенной на рабочую длину волны. Узкополосные фильтры с величиной FWHM < 1 нм теперь широко доступны. Использование метода ASE-фильтра позволяет минимизировать накопление ASE-шума. Следовательно, система освобождается от ограничений, таких как сложность проектирования, реконфигурации и ремонта, а также освобождается от необходимости использовать короткие пролеты и однородные характеристики ОУ.

В системах WDM появление дополнительной мощности между каналами, распределенной благодаря эффекту самофильтрации, можно избежать за счет использования физически отдельных для каждого канала усилителей. Указывается только, что этот метод требует более дорогого демультиплексора, отдельного ОУ и мультиплексора. Альтернативой является использование выравнивания мощности оптических каналов для каждого узла сети, хотя этот метод требует дополнительных устройств управления и более критического бюджета мощности в системе. Другой подход — использовать менее насыщенные и менее строго инвертированные ОУ, так как это делает ослабление менее зависимым от длины волны и, тем самым, уменьшает неравномерность распределения мощности между каналами. В строго инвертированном каскаде ОУ, типа EDFA, ASE растет, с ростом числа EDFA, в районе первого пика усиления -1530 нм и должна быть устранена с помощью коротковолнового режекторного фильтра. Дополнительно может использоваться метод предварительной минимизации разницы отношения сигнал/шум между каналами для всех каналов путем подстройки уровня передаваемой оптической мощности для каждого канала на основе исполь-

зования сигналов обратной связи с каждого из удаленных оконечных терминалов.

Разделы 6.4 — 6.6 написаны на основе материала в Appendix II, ITU-T G.663, см. [6.10].

6.7.Выбор оптических фильтров по их дисперсионным характеристикам

Втексте мы уже упоминали 4 типа специального одномодового

волокна:

1. Обычное одномодовое волокно.

2. Волокно со сдвигом нулевой дисперсии (DSF).

3. Волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZ-DSF). 4. Волокно с уплощенной/выровненной дисперсией (DFF). Различают два типа дисперсии в одномодовом волокне:

1. Материальная дисперсия (DM), вызванная зависимостью показателя преломления от длины волны.

2. Волноводная дисперсия (DW), являющаяся результатом зависимости от длины волны распределения света фундаментальной моды в сердцевине и оболочке, и вследствие этого разницы показателей преломления.

Хроматическая дисперсия является суммой этих двух типов дисперсии. Напомним, что для длин волн больших 1300 нм эти две дисперсии в кварцевом стекле имеют противоположные знаки. При использовании легирующих добавок материальная дисперсия может изменяться лишь незначительно. С другой стороны, на волноводную дисперсию оказывает большое

влияние использование различных профилей показателя преломления.

Как было описано в гл. 1 и 2, профиль показателя преломления обычного одномодового волокна имеет вид ступеньки с разницей в показателе преломления, равной . Для этого типа профиля обычного одномодового волокна хроматическая дисперсия (сумма материальной и

волноводной дисперсии) равна нулю для длины волны примерно 1310 нм. Так как вклад волноводной дисперсии DW зависит от таких параметров

волокна, как радиус сердцевины а и разницы в показателе преломления , то можно сдвинуть длину волны нулевой дисперсии на другую длину волны. Одной из наиболее желательных длин волн является 1550 нм, в силу низкого уровня потерь на этой длине волны. Этот тип волокна описан в рекомендации ITU-T G.653, тогда как обычное одномодовое волокно описано в рекомендации G.652.

Рис. 6.7. Зависимость хроматической дисперсии от длины волны. (С разре-

шения компании Siemens, см. [6.9], рис. 4.11, с.48)

Технология сдвига дисперсии позволяет также создать волокно с уплощенной или компенсированной дисперсией, для которого значения дисперсии малы для целого диапазона длин волн от 1300 до 1600 нм. На рис. 6.7 показана хроматическая дисперсия в зависимости от длины волны для обычного одномодового волокна (1), для волокна со сдвигом дисперсии (2) и для волокна с уплощенной дисперсией (3). Волокно с уплощенной дисперсией описано в рекомендации ITU-T G.655.

Для того, чтобы сдвинуть длину волны нулевой дисперсии в направлении другой волны, должны быть изменены волноводная дисперсия и профиль показателя преломления оптического волокна. В результате мы приходим к многоступенчатому или сегментированному профилю

показателя преломления. На рис. 6.8 (а) показан обычный профиль показателя преломления (т.е. простой ступенчатый профиль, или выровненный показатель преломления оболочки), а на рис. 6.8(б) показан вдавленный профиль показателя преломления с уменьшенным показателем преломления в области оболочки (вдавленная/профильная оболочка).

Рис. 6.8. Профиль для оптических волокон без сдвига дисперсии (обычное одномодовое волокно), (а) стандартный ступенчатый профиль; (б) ступенчатый профиль с уменьшенным показателем преломления. (С

разрешения компании Siemens, см. [6.9], рис. 4.12, с.49)

На рис. 6.9 показаны различные варианты профиля оптического волокна со сдвигом дисперсии. На рис. 6.9(а) показан сегментированный профиль с треугольным профилем показателя преломления в области сердцевины (сегментированный профиль сердцевины), на рис. 6.9(б) показан простой треугольный профиль и на рис. 6.9(в) показан сегментированный профиль с двойным ступенчатым изменением показателя преломления в оболочке, также называемой двойной оболочкой. На рис. 6.10 показан профиль показателя преломления, спроектированный для волокна с уплощенной дисперсией. Сегментированный профиль с четырьмя ступеньками в профиле показателя преломления оболочки (называемый также четырехкратной оболочкой) показан на рис. 6.10(а). На рис. 6.10(б) показан так называемый W-профиль (двойная оболочка).