Расчет длины волокна компенсации дисперсии

4.4 Расчет длины волокна компенсации дисперсии

 

При использовании стандартного одномодового волокна ограничением для системы длиной в 550км является дисперсия. Эту проблему решают используя волокно компенсирующее дисперсию – ВКД. ВКД будем устанавливать после каждого пролета между 1 и 2-м каскадом усилителя.

Произведем расчет необходимой длины – ВКД.

При прохождении сигналом пролета набег хроматической дисперсии составляет:

ф = D * L,

ф = 20 пс*нм/км * 110км = 2200пс*нм.

Для компенсации накопленной дисперсии будем использовать модуль компенсации дисперсии – МДК – DCM-95(см. таблицу 2.4).

Дисперсионный параметр МКД D = - 1564±15пс*нм/км.

После прохождения сигналом МКД дисперсия будет составлять

D¢= 2200-1564 = 636 пс*нм, что сравнимо с дисперсией накопленной в NZDSF в волокне (дисперсия составляет ~ 7 пс*нм/км). Таким образом, при использовании 1 км ВКД после каждого линейного усилителя обеспечивается необходимый уровень накопленной хроматической дисперсии.

Проведенный расчет показал возможность использования стандартного одномодового волокна (SF) в проектируемой ВОЛС длиной регенерационного участка 550км. Ограничение длины в следствии хроматической дисперсии решается используя волокно компенсирующее дисперсию.

5. Моделирование 8-ми канальной DWDM линии с применением системы автоматизированнного проектирования LinkSim

 

LinkSim представляет оптическую систему связи как связанный набор блоков, каждый из которых является компонентом или подсистемой в системе связи. Аналогично тому, как в фактической системе связи физические сигналы проходят через компоненты линии связи, при моделировании в LinkSim данные сигнала проходят через модели компонентов. Каждый блок (модель) моделируется независимо, используя параметры, указанные пользователем для данного блока. Информация о сигнале проходит в данный блок из других блоков. Такой метод моделирования называется блочно-ориентированным. В LinkSim эти блоки графически представлены как иконки. Внутренне, они представляют собой структуры данных и сложные числовые алгоритмы.

LinkSIM обеспечивает иерархическую объектно-ориентированную среду расположения топологии для непосредственного формирования рисунка линейной топологии. Чтобы смоделировать необходимую топологию, из инструментальной панели можно легко отобрать необходимые оптические компоненты линии: генераторы псевдослучайных двоичных последовательностей, лазеры, модуляторы, волокно, оптические усилители, аттенюаторы, фильтры, приемники и др., добавить к уже расположенным и соединить вместе при помощи "мыши".

Каждый компонент, представленный иконкой в топологической схеме имеет собственный набор параметров, который может быть вызван при помощи правой кнопки мыши. Параметры могут включать как численные значения, например, длина волны лазера или диаметр волокна, так и различные уже установленные типы, например, типы фильтров.

При каждом последующем моделировании и анализе в LinkSim по возможности используются предварительно вычисленные результаты. Данный алгоритм заключается в том, что в процессе моделирования линии, моделируются только те компоненты, на которые повлияли внесённые пользователем изменения переменных, что позволяет проводить эффективный по времени анализ результатов.

В LinkSim поддерживаются статистические изменения составляющих параметров. Каждый числовой составляющий параметр может иметь индивидуально определенную функцию вероятности и среднеквадратичное отклонение. Анализ параметров, изменяющихся согласно их статистике, может быть сделан указанное число раз. Многократный анализ может использоваться, для определения диапазона ожидаемых статистических изменений для данной линии связи. Эта информация может быть использована проектировщиком для уточнения проектных параметров.

Пользователь может получить итоговую информацию о сигнале в любой точке топологической схемы в процессе моделирования или после его завершения.

Каждая модель в LinkSim представлена в виде иконки в средней части левой инструментальной панели. Левая сторона иконки соответствует входным сигналам модели, правая сторона иконки соответствует выходным сигналам модели. Некоторые модели генерируют графики или файлы результатов выходных сигналов.

Модели разделяются на пять общих категорий: модели передатчика, модели канала, модели приемника, модели контроля и модели анализа. Передатчик, канал и приемник представляют модели, включающие компоненты соответствующих блоков оптической линии связи. Модели контроля - специальные модели, которые осуществляют функции, помогающие управлять моделированием и оперировать данными сигнала в процессе моделирования. Модели анализа проводят исследования результатов и генерируют графики результатов. Ниже приведено краткое описание моделей и их параметров, используемых в этой работе.

Моделирование 8-ми канальной DWDM линии при помощи системы автоматизированного проектирования LinkSim.

Рассмотрим модель 8-ми канальной DWDM оптической сети.

Эта схема представляет собой 8-ми канальную DWDM систему, которая содержит следуещие блоки:

Блок PRBS (генератора псевдослучайной последовательности) генерирует на выходе четыре отдельных двоичных последовательности. В этом блоке можно менять битовую скорость и длину волны CW лазера. Благодаря этому можно, в зависимости от длины волны излучения и скорости передачи, просматривать параметры BER.

Блок MUX (мультиплексора) осуществляет слияние восьми отдельных оптических канала в единый оптический канал. Также в состав блока MUX входит оптический фильтр с частотной характеристикой трапециидальной формы, с одинаковым зазором частоты между их центрами. В этом блоке также предусмотрены и оптические потери.

Блок Усилителя (предусилители, усилители мощности, линейнные усилители EDFA). Обеспечивает усиление сигнала до нужной величины. В этом блоке предусмотрены коэффициент усиления, мощность насыщения усилителя.

Волокно здесь можно задать почти все характеристики волокна такие как затухание, длину, диаметр, коэффициенты дисперсии показатели преломления и тд.

Выход линии подключён к блоку (демультиплексора). DEMUX разделяет оптический канал на восемь каналов. В DEMUX используются фильтры с теми же параметрами, как в MUX. Оптический сигнал с выхода DEMUX идёт к блоку приемника. Модель приемника преобразует оптическую входную мощность в электрический поток, усиливает и преобразует форму сигнала. Электрический сигнал с выхода модели приемника передается BER-тестеру. Этот блок использует форму сигнала и зависящий от времени шум, который сопровождает его для определения средней частоты передачи ошибочных битов. Блок BER автоматически определяет идеальное время выборки и порог срабатывания исходя из формы входного сигнала. Для каждого бита в последовательности определяется вероятность ошибки исходя из уровня сигнала, уровня шума и двоичного значения сигнала (двоичный сигнал от генератора псевдослучайной последовательности) во время выборки. Затем, исходя из средней вероятности ошибки передачи каждого из битов в последовательности, определяется средняя частота передачи ошибочных битов.

Исследование ВОЛС и ее характеристик

В системе автоматизированного проектирования LinkSim строим модель 8-ми канальной WDM – линии (см. рисунок 2.7). Исследуем прохождение сигнала по линии.

  5.1 Описание компонентов ВОЛС и их параметров

Генератор псевдослучайной двоичной последовательности (PRBS)

Эта модель генерирует двоичную последовательность нескольких различных типов. Используя только одну модель PRBS можно обеспечить многократные выходные сигналы, ввести различные каналы WDM или параллельной оптической шины. Каждый канал может иметь собственную модель PRBS, каждая из которых сконфигурирована различным образом. Различные типы модели описаны согласно их имени в списке параметров пользователя:

PRBS: Производит максимально длинную псевдослучайную двоичную последовательность.

Параметры PRBS генератора, определяемые пользователем:

BitRate: Скорость передачи информации в битах сгенерированной двоич-ной последовательности =25*10⁹ Биты / двоичная последовательность

PatternLength: Число битов в сгенерированной последовательности - 2x,

где x - значение параметра =6 2 ^ x биты

PreBits: Число нулевых битов в начале последовательности =2

Postbits: Число нулевых битов в конце последовательности =3

DF 1*10¹¹;

F1 1.952*10¹⁴ Гц;

F2 F1+DF = 1.953*10¹⁴ Гц;

F3 F1+2*DF = 1.954*10¹⁴ Гц;

F4 F1+3*DF = 1.955*10¹⁴ Гц;

F5 F1+3*DF = 1.956*10¹⁴ Гц;

F6 F1+3*DF = 1.957*10¹⁴ Гц

F7 F1+3*DF = 1.958*10¹⁴ Гц;

F8 F1+3*DF = 1.959*10¹⁴ Гц;

Patternlenght =6

Point sperbit =5

Генератор сигнала (Signal generator)

Эта модель преобразует входной двоичный сигнал в выходной электрический сигнал. Для конфигурации электрического выходного сигнала используются пользовательские параметры.

Параметры генератора электрического сигнала, определяемые пользователем:

U_pk - Пиковое напряжение выходного электрического сигнала двоичной последовательности =2В;

U_min - Минимальное напряжение выходного электрического сигнала двоичной последовательности =0В;

Тип модели, используемой для генерирования сигнала - On_off_ramp;

F₀ - Резонансная частота кольцевого фильтра =20*10⁹ Гц;

Тип фильтра - RingFilter (кольцевой фильтр);

g -излучение: Демпфирование частоты кольцевого фильтра =7.69*10⁹ рад/с;

Тип модуляции - NRZ

T_r - Время нарастания выходного электрического сигнала =40*10^-12 с;

T_f - Время спада выходного электрического сигнала =40*10^-12 c.

CW лазер

Эта модель производит оптический сигнал с CW лазера и предназначена для использования совместно с моделью модулятора.

Эта модель обеспечивает два различных типа выходного оптического сигнала. Для топологии, в которой модель CW лазера обеспечивает прямой вход к модели модулятора, наиболее удобно представление сигнала по его мощности. Для топологии, в которой выход CW лазера используется как вход к другим составляющим моделям, должно использоваться временное представление сигнала. Чтобы наиболее полно использовать эту возможность должны быть установлены параметры timeStep и noSamples для согласования интенсивности замеров и числа точек в данном сигнале с любыми другими сигналами, с которыми данный сигнал взаимодействует при моделировании.

Пользователь может также установить фазу выходного оптического сигнала.

Параметры лазера, определяемые пользователем:

RIN: Относительный шум интенсивности лазера = -150 дБ/Гц;

PeakPower: Пиковая мощность (средняя мощность для CW лазера) =1*10^-3 Вт;

Длина волны: Длина волны, на которой работает лазер =1.55*10^-9 м;

Электрооптический модулятор (Modulator)

Эта модель позволяет смоделировать несколько типов модуляторов, включая модулятор Маха-Цендера. При совместном использовании модели модулятора и модели лазера пользователь должен установить одинаковое значение числа точек на бит и разрядной ширины последовательности для моделей генератора двоичной последовательности и лазера с синхронизацией мод.

Параметры электрооптического модулятора, определяемые пользователем:

FittingType: тип электрического модулятора - fOffset;

ModulationType: тип функции реакция модуляции =MachZehender;

U_Pi Пиковое напряжение модулятора = 2В;

U_Bias падение напряжения на модуляторе = 1В;

U_Offset напряжение смещения модулятора = 0В;

OnOffRatio вымирание или двухпозиционное отношение = 30дБ;

InsertionLoss вносимые потери = потери на волноводе + потери на соединении = 5 дБ;

F_offset смещение частотной характеристики = 16.655 ГГц;

Power показатель степени частотной характеристики = -0.10478;

Coef1 Coef1 в модуляторе = 1;

Coef2 Coef2 в модуляторе = 0.0114841/ГГц;

ChirpFactor параметр "чириканья" для модулятора Маха-Цендера.=0.5;

Оптический мультиплексор (MUX)

Параметры мультиплексора, задаваемые пользователем:

FilterType  Тип фильтра на входе: поддерживающий отдельные типы фильтра - trapezoidal;

FilterSpecMod: Находятся ли спецификации фильтра в частоте или единицах длины волны - частота

FirstFilterCenter центральная частота (длина волны) фильтра =F1 Гц ( м);

FilterSpacing Зазор между фильтром = DF Гц или м;

FilterBW 3дБ ширина диапазона фильтра в длине волны = BW Гц или м;

FilterBW0dB Установить на 0дБ ширину диапазона для трапеци-идального типа фильтра = 9e9 Гц или м;

FilterFSR Освободить спектральный диапазон от оптического фильтра Фабри-Перо =100*10¹⁰ дБ или м;

Потери Оптические вносимые потери фильтра =6 дБ.

Оптическое волокно (Fiber)

Эта модель вычисляет реакцию сигнала на волокно. При этом принимается во внимание затухание, дисперсия и нелинейность волокна. При использовании одноканального способа мультиплексирования волоконной модели, также принимается во внимание четырехволновое смешивание. При многоканальном способе четырехволновое смешивание не моделируется между отдельными каналами.

Распространение различных WDM-канальных сигналов моделируется следующим уравненем:

(2.1)

Здесь A_i - модуль комплексной амплитуды сигнала i-го канала, n_gi - групповая скорость, b_2i - коэффициент дисперсии второго порядка, b_3i - коэффициент дисперсии третьего порядка, a_i - коэффициент поглощения, g_Rji - коэффициент усиления Рамана в i-м канале, вызванного j-м каналом, g_i - параметр нелинейности волокна (g_i=2pn₂/l_iA_eff), где n₂ - коэффициент нелинейности, а A_eff - эффективное поперечное сечение волокна.

Коэффициенты усиления Рамана g_Rji интерполируются из экспериментальной кривой усиления Рамана кремниевого волокна. Состояния поляризации рассматриваются в равной степени распределенными среди параллельных и перпендикулярных состояний. Коэффициент усиления Рамана отрицательный, если i-й канал имеет более короткую длину волны, чем j-й канал.

Выражение для g_Rji имеет вид:

, (2.2)

где g_Rn(l_j,l_i) - интерполируемое усиление Рамана, l₀ = 1.0 мкм - длина волны для нормирования кривой усиления Рамана, поскольку расчетные коэффициенты усиления имеют единицу м^-1Вт^-1, g_Rmax=0.98×10^-13 м/Вт - пиковое усиление Рамана.

Параметры волокна, определяемые пользователем.

Расстояние Длина волокна = 110*10³ м;

Диаметр  Диаметр сердцевины = 8 *10^-6 м;

Потери Затухание на единицу длины = 0.25 дБ/км;

Beta2 дисперсия групповой скорости = -0.25*10^-27 с^2/м;

Beta3 дисперсия групповой скорости = 0.1*10^-39 с^2/м;

N1 групповой коэффициент = 1.4682

N2 Коэффициент нелинейности = 3.0*10^-20 м^2/Вт.

EDFA усилитель

Это модель блока оптического усилителя, в частности волоконного усилителя с добавками эрбия.

В этой модели EDFA усилителя усиление не зависит от длины волны. Причиной этого частично является зависимость коэффициента усиления от уровня насыщения усилителя, что усложняет моделирование. Коэффициент усиления является значительным фактором при моделировании многоволновых систем со спектральным разделением (WDM). В эту модель включено насыщение усиления при высоких входных мощностях и указанном усилении мощности:

, (2.3)

где G₀ - малое усиление мощности сигнала, P_sat - выходная мощность насыщения, P_ave - общая средняя мощность в волокне.

Усиление G получают как сигнал так и предварительно сгенерированный самопроизвольный шум.

Параметры оптического усилителя EDFA, определяемые пользователем.

Усиление Оптический усилитель (усиление по амплитуде сигнала) = 26дБ;

Psat  Оптическая мощность насыщения усилителя = 18 дБм;

BW Оптический усилитель ASE шумовая ширина диапазона =30*10^-9м.

Оптический демультиплексор (DEMUX)

Параметры DEMUX, задаваемые пользователем:

FilterType  Тип фильтра на входе: поддерживающий отдельные типы фильтра - trapezoidal;

FilterSpecMod: Находятся ли спецификации фильтра в частоте или единицах длины волны - частота

FirstFilterCenter центральная частота (длина волны) фильтра =F1 Гц ( м);

FilterSpacing Зазор между фильтром = DF Гц или м;

FilterBW 3дБ ширина диапазона фильтра в длине волны = BW Гц или м;

FilterBW0dB Установить на 0дБ ширину диапазона для трапеци

идального типа фильтра = 0.8*BW Гц или м;

FilterFSR Освободить спектральный диапазон от оптического фильтра Фабри-Перо =100*10¹⁰ дБ или м;

Потери Оптические вносимые потери фильтра =6 дБ.

Приемник

Это модель оптического приемника и всех его стандартных составляющих. Данная модель преобразует входной оптический сигнал в электрический сигнал, который затем усиливает и фильтрует, а также вычисляет шум в сигнале. Рассмотрим различные части этой модели приемника.

Параметры приёмника, определяемые пользователем:

Pd_deviceCapacitance  Емкость элемента = 50*10^-15 Ф;

Pd_layerThickness Толщина Активной Области = 0.5*10^-6 м;

Pd_absorptionCoeff Коэффициент поглощения = 0.68*10⁶ 1/м;

Pd_reflectivity Отражающая способность в фотодиоде = 0.04;

Pd_quantumEff Квантовая эффективность (КПД) = 0.8

Pd_lossGain Усиление или потери реакции фотодетектора = 0 дБ;

Pd_darkCurrent Темновой ток = 1*10^-6 A

Flt_bandwidth  Фильтр 3dB ширины диапазона = 10*10⁹ Гц;

Flt_lossGain Усиление фильтра или потери = -3 дБ

Тестер передачи ошибочных битов

Эта модель вычисляет вероятность передачи ошибочных битов (BER) для входного электрический сигнала. Метод вычисления заключается в синхронизации входного электрического сигнала с соответствующим ему первоначальным двоичным сигналом, генерации данных глаза и получении вероятности передачи ошибочных битов. При этом блок BER имеет минимум два входа, на один из которых подаётся электрический сигнал от приемника, а на другой - соответствующий ему двоичный сигнал. Полученные данные могут буть сохранены в файле.

Чтобы улучшить точность вычислений BER, первый бит и последние три бита каждого входного сигнала игнорируются. Это делается для того, чтобы исключить определенные нефизические погрешности, которые могут присутствовать в этих разрядных периодах и которые привели бы к неправильным оценкам BER.

Параметры BER тестора определяемое пользователем:

TimingJitter Выбор времени принятия решения = 0 с;

DecisionLevelJitter Дрожание уровня принятия решений = 0В;

DecisionLevel Пороговое значение решения = 0В;