Аналіз нелінійних ефектів, які обмежують пропускну здатність оптичних компонентів тракту, та шляхи їх оптимізації

Аналіз нелінійних ефектів, які обмежують пропускну здатність оптичних компонентів тракту, та шляхи їх оптимізації

1. Аналіз нелінійних ефектів, які обмежують пропускну здатність оптичних компонентів тракту в зв'язку з нелінійними ефектами

При проектуванні волоконно-оптичних систем вважають, що розробник працює у діапазоні оптичних потужностей, які не викликають нелінійних спотворень у матеріалі, крізь який поширюється оптичне випромінювання.

Згідно досліджень перевищення певної порогової потужності стає причиною нелінійних перекручувань вищих порядків оптичного сигналу багатьох каналів тракту. Тобто перехресні завади погіршують відношення/сигнал шум у каналах. Явище має складний системний характер та може привести до зриву передавання інформації системою DWDM.

Отже, виходячи з принципу надійності передачі, маємо дотримуватися дозволеного допорогового діапазону потужностей оптичних сигналів. Цього можна досягти, обмежуючи максимальну потужність, яка вводиться у оптичний тракт шляхом вибору допустимої потужності випромінювача та загального числа оптичних частотних каналів.

Розглянемо 3 основні нелінійні явища та порогові значення потужностей, які їм відповідають:

1) Стимульоване Брілюенівське Розсіювання (SBS - Stimulated Brillouin Scattering) установлює верхню межу на рівень оптичної потужності, що може бути переданий оптичним волокном. При перевищенні визначеного рівня оптичної потужності, іменованого порогом SBS, в ОВ виникає акустична хвиля, під впливом якої змінюється величина індексу рефракції п, Зміни п викликають розсіювання світла, приводячи до додаткової генерації акустичних хвиль.

Для збудження РМБ спектральна густина початкового випромінювання повинна бути значно більшою, ніж для раманівського розсіювання - 10 мВт у смузі частот 10-50 МГц. У кінцевому рахунку, унаслідок цього ефекту, виникає хвиля зі зміщеною частотою, що поширюється в зворотному напрямку до джерела світла, у результаті чого корисна передана оптична потужність послабляється. Тим самим обмежується гранично досяжна потужність, що може бути передана передавачем у лінію. Наприклад, при довжині хвилі 1550 нм розсіяне світло зсувається вправо приблизно на 11 ГГц. Це розсіювання (SBS) має найнижчу порогову потужність. Було показано, що поріг SBS може змінюватися в залежності від типу волокна і навіть в залежності від конкретного волокна. Поріг має порядок від 5 до 10 мВт для вузькосмугових лазерів із зовнішньою модуляцією. Для лазерів з безпосередньою модуляцією ця потужність може бути порядку 20-30 мВт. Для волокон G.653 поріг SBS дещо менший , ніж для систем G.652. Це виникає завдяки меншій ефективній площі волокон типу G.653. Можна також сказати, що пе справедливо для всіх нелінійних ефектів, шо розглядаються. Поріг SBS чутливий до спектральної ширини джерела випромінювання і рівня випромінюваної потужності. Одначе, він не залежить від числа каналів WDM.

Крім ефекту зниження корисної потужності виникають і шуми (підвищується відносна інтенсивність шуму - RIN, наприклад, с - 155 дБ/Гц до - 138 дБ/Гц), що погіршують характеристики BER (імовірність виникнення помилки). Особливо важливо контролювати SBS у високошвидкісних транспортних оптичних системах, обов'язково використовуючи модулятори з зовнішньою модуляцією (External modulators) і лазерні джерела безупинних коливань (CW - Continuous Wave).

Акустична хвиля, що з'являється, за своєю природою є гіперзвуковою, і її частотний спектр може розташовуватися до 10...13 ТГц (максимум 10¹³ Гц). SBS обмежує рівень світлової енергії, що може бути передана волокном.

Погіршення, що викликані SBS не виникнуть у системах, де ширина лінії джерела випромінювання значно перевищує ширину смуги Бріллюена, або там де потужність сигналу менша порогової потужності SBS.

Можна прийняти, що за умови перевищення теоретичного порогу погіршення k_SBS складе приблизно 3-5 дБп на канал, що абсолютно неприпустимо.

2) Раманівське розсіювання (SRS - Stimulated Raman Scattering) представляє собою значно меншу проблему у порівнянні зі стимульованим Брілюенівським розсіюванням (SBS). Реальні волоконно-оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ) допускають використання оптичного підсилювача (EDFA) с рівнем порядку 25 дБп або декількох підсилювачів з меншим рівнем вихідного сигналу. SRS за своєю природою близьке до SBS, але викликається іншими фізичними явищами.

SRS є частотно-залежним і проявляється більш виражено на коротких хвилях у порівнянні с довгохвилевими (тобто на більш високих частотах). Можна зауважити, що короткохвилеві канали мають набагато меншу амплітуду у порівнянні с довгохвилевими каналами, тобто спостерігається зміна амплітуд сигналів по кожному з каналів. При цьому більшому затуханню піддаються саме більш короткохвилеві (високочастотні) канали. У системах WDM вплив цього типу розсіювання полягає у перерозподілі потужності з короткохвильових у довгохвильові канали. У цьому випадку це явище працює як раманівський підсилювач і довгохвильові канали підсилюються за рахунок короткохвильових до тих пір, доки різниця у довжинах хвиль лежить у смузі частот раманівського підсилення. Це явище може виникнути у кварцовому волокні, де підсилення може стати результатом використання кроку між каналами 200 нм.

Найбільш збіднюються короткохвилеві канали, так як його потужність може одночасно перекачуватися у багато каналів одночасно. Такий перерозподіл потужності між каналами можна визначити за характеристиками системи, тому що він залежить від характеру розташування біт - підсилення проходить тільки у тому випадку, коли двійкові «1» присутні в обох каналах одночасно. Таке підсилення приводить до збільшення флуктуацій потужності, яка збільшує рівень шуму приймача та погіршує його характеристики. Раманівських перехресних завад можна запобігти, якщо потужності каналів зробити такими малими, що підсилення вийде незначним за всією довжиною волокна. При використанні в системах DWDM Раманівських підсилювачів необхідно враховувати факт виникнення перехресних завад, що викликаються наявністю декількох сигналів, переданих на різних довжинах хвиль.

SRS може виникнути у системах, що використовують як одномодове, так і багатомодове волокно. Для того, щоб спостерігати SRS за наявності тільки одного каналу, без використання оптичного підсилювача, необхідно мати рівень сигналу порядку +30 дБп.

Поріг SRS для систем, що використовують волокно типу G.653 дещо нижчий, ніж для систем, що використовують волокно типу G.652, завдяки меншій ефективній площі волокна G.653. SRS практично не вносить погіршень в одноканальні системи. Ефект SRS фактично обмежує світлову потужність в каналі.

При використанні одноканальних систем небажані ділянки спектру можуть бути прибрані з допомогою фільтрів. Для WDM систем до цієї пори практично немає технічних прийомів, що дозволили би прибрати вплив SRS. Разом із цим вплив SRS можна знизити шляхом зменшення вхідної оптичної потужності.

3) Чотирихвильове змішування (ЧХЗ) виникне, якщо в речовину ввести два сигнали з різними частотами, з достатньо великою інтенсивністю - у спектрі розсіяного сигналу будуть компоненти з чотирма частотами (з врахуванням розсіювання Релея-Мандельштама), причому у випадку накладання двох з частот одна на одну, що практично є можливим, виникають фотони з частотами, які відрізняються від несучої

.

Частотний спектр розсіяного випромінювання розширюється, причому деякі зі складових можуть підсилюватися за рахунок подавлення інших.

ЧХЗ може проявлятися і при одному оптичному сигналі, який переносить інформацію методом амплітудної модуляції, тобто його спектр складається з трьох основних складових: центральної частоти та бокових частот, при високих швидкостях передачі бокові частоти є сильно рознесені по відношенню до центральної, тому кожна з них є самостійною несучою з точки зору ЧХЗ. Вплив ЧХЗ на передачу проявляється як додаткові перехресні завади, міжсимвольні завади при високих швидкостях передачі, збіднення потужності сигналів одних каналів за рахунок впливу на інші.

Ефективність ЧХЗ також чутлива до загальної оптичної потужності у волокні. Так, для 8-ми канальної CWDM (з поширеним оптичним волокном SMF-28) із кроком частотного розміщення в d_f = 200 ГГц (192,4 - 193,8 ТГц) FWM_P складе ~ -46,7 дБ, а для 16-ти канального розміщення з частотним кроком у 100 ГГц FWM_P складе ~ -37,7 дБ. Нагадаємо, що електричний еквівалент FWMp дорівнює подвоєному значенню оптичної ефективності) FWM_P і для останнього випадку буде дорівнює -75,4 дБ.

Найбільший паразитний вплив ЧХЗ справляє на СПІ в яких оптичний тракт побудований на оптичному волокні зі зміщеною нульовою дисперсією G.653 DSF, практично не впливає при одномодовому стандартному волокні G.652 SMF. Досліди показали, що для волокон G.653 ці завади є практично неприйнятними (до 20 дБп ), тоді як для G.652 вони практично відсутні.

Для того, щоб адекватно подавляти генерацію продуктів ЧХЗ в промисловості було запропоновано використання волокна з мінімально допустимою, але ненульовою дисперсією в області підсилення оптичних підсилювачів. Як альтернатива, пропонується використання чергування прольотів з протилежними за знаками дисперсіями. Звичайно, можна забезпечувати збільшення кроку між каналами та існування нерівномірного кроку між ними, за рахунок цього зменшуючи рівень завад від ЧХЗ.

Отже, важливо при розрахунках систем DWDM розрахувати потужність оптичних передавачів та їхню кількість із врахуванням бюджету оптичного тракту таким чином, щоб загальна оптична потужність не перевищувала жодного з порогів вищенаведених нелінійних явиш у оптичних волокнах.

Слід також зазначити, що використання великої кількості оптичних підсилювачів не є адекватним виходом з такої ситуації, оскільки шуми підсилювачів у тракті сумуються та зменшують ймовірність правильного прийому символу - стає необхідною повна регенерація. Тому оптимізація кількості каналів є найбільш прийнятною за умови незмінної, однакової (уніфікація) потужності кожного з оптичних випромінювачів.