Оптические волокна для линий связи (стр. 22 )

Таким образом, SPM эффект приводит к появлению чирпинга примерно так же, как и при распространении импульса в волокне с дисперсией. Однако между этими явлениями имеются существенные отличия. SPM эффект приводит к уширению спектра импульса, но не меняет ширину импульса (рис. 1.34). Дисперсия же наоборот приводит к изменению ширины импульса, но не меняет ширину его спектра (см. рис. 1.30).

На рис. 3.15. изображена зависимость штрафа по мощности от величины мощности вводимой в NZDS волокнах (марки TrueWave) с положительной и отрицательной дисперсиями. Штраф по мощности характеризует изменение ширины  импульсов обусловленное совместным воздействием на импульсы дисперсии волокна и SPM эффекта.

Рис. 3.15. Зависимости штрафа по мощности от мощности входного сигнала в линии с NZDS волокнами (TrueWave) с положительной и отрицательной дисперсиями. Длина линии 145 км, скорость передачи 10 Гбит/с коэффициент битовых ошибок 10-9.

       При малой входной мощности излучения штраф по мощности положительный и примерно одинаковый для волокон как с положительной, так и отрицательной дисперсиями. Объясняется это тем, что в линейном приближении импульсы без чирпинга (полученные от DFB лазера с внешним модулятором) всегда уширяются, независимо от знака дисперсии волокна.

       При увеличении входной мощности излучения для волокна с отрицательной хроматической дисперсией штраф по мощности увеличивается. Происходит это потому, что благодаря SPM эффекту длина волны несущей вблизи заднего фронта импульса оказывается короче длины волны вблизи переднего фронта (отрицательный чирпинг). В волокне с отрицательной дисперсией скорость распространения волн увеличивается с увеличением длины волны. В результате задний фронт импульса отстает от переднего фронта, и таким образом ширина импульса увеличивается.

       В волокне с положительной хроматической дисперсией при увеличении мощности штраф по мощности вначале уменьшается. Волокно с положительной дисперсией ускоряет задний фронт импульса (с более короткими волнами) и замедляет передний фронт (с более длинными волнами), что и приводит к сжатию импульса.

Сжатие импульса наблюдается при не слишком большой мощности, когда уширение спектра импульса из-за SPM эффекта ещё мало, но импульс уже приобретает отрицательный чирпинг. При большой мощности уширение спектра импульса становится уже основным фактором, определяющим ширину импульса при его распространении в волокне с дисперсией. Такой импульс будет уширяться независимо от знака дисперсии волокна, что и происходит как видно из рис. 3.14 при мощности больше 15 дБм.

       Солитоны. При промежуточном значении мощности эффект сжатия импульса (наблюдаемый при малой мощности) может в принципе компенсировать эффект уширения импульса (наблюдаемый при большой мощности), т. е. возможна такая ситуация, когда импульс будет распространяться в волокне, не меняя своей ширины. Действительно, как показывает более точный анализ, можно подобрать такую мощность и форму импульса, что в волокне с положительной дисперсией он будет распространяться, не меняя своей формы. Такие импульсы называются солитонами. Их применение в оптической связи весьма перспективно и в настоящее время сдерживается только стремительным развитием DWDM систем.

§ 6. Модуляционная нестабильность (MI)

Модуляционная нестабильность (MI – Modulation Instability) наблюдается только в волокнах с положительной дисперсией. Во временном представлении оно проявляется в виде пичков на импульсах (рис. 3.16а), а в спектральном представлении как уширение спектра импульса (рис. 3.16б).

Появление пичков на импульсах связано с эффектом самовоздействия волн. Этот эффект приводит к тому, что длина волны на заднем фронте импульса оказывается короче длины волны на переднем фронте. Волокно с положительной дисперсией ускоряет волну заднего фронта сильнее, чем более длинную волну заднего фронта. Когда задний фронт входит во взаимодействие с передним фронтом, возникает интерференция, которая и служит причиной образования пичков на передаваемых импульсах. После детектирования оптического сигнала и последующей электрической фильтрации амплитуда пичков уменьшается так, что они не оказывают существенного влияния на работу систем протяженностью менее 1000 км.

Рис. 3.16. Модуляционная нестабильность (а) и формирование боковых полос (б) в потоке импульсов следующих со скоростью 2.5 Гбит/с (мощность источника 9 дБм) после прохождения 600 км волокна с положительной дисперсией (+ 3 пс/нм⋅км).

§ 7. Перекрестная фазовая модуляция (ХРМ)

Изменение показателя преломления волокна возникает не только из-за фазовой самомодуляции волн (SPM эффект), но и из-за XPM (Cross Phase Modulation) эффекта - перекрестной фазовой модуляции волн, возникающей при взаимодействии с волнами, распространяющимися в других каналах DWDM системы. Возникающий при этом дополнительный фазовый сдвиг i-ом канале аналогично, как в SPM эффекте (3.11) пропорционален коэффициенту нелинейности γ и эффективной длине взаимодействия Lэфф:

φi = γ Lэфф [Pi + 2 ∑m ≠ i Pm].  (3.14)

       Так как мощность в каналах DWDM системы примерно одинакова, то, как видно из (3.14), XPM эффект увеличивает нелинейный фазовый сдвиг, возникающий из-за SPM эффекта, примерно в 2 N раз, где N – число каналов в DWDM системе и приводит к таким же искажениям импульсов, только более сильным. Для того чтобы компенсировать увеличение нелинейного фазового сдвига с ростом числа каналов, необходимо уменьшить или дисперсию волокна, или мощность в канале (~ 1/N), как это показано на рис. 3.8.

Перекрестная фазовая модуляция приводит также и к появлению амплитудных искажений и временного джиттера (рис. 3.17). Эти искажения проявляются тем сильнее, чем выше скорость передачи сигнала и меньше интервал частот между каналами. Исследования в этом направлении стали интенсивно проводиться только в самое последнее время.

Рис. 3.17. Схема, поясняющая появление амплитудных искажений и временного джиттера при перекрестной фазовой модуляции импульсов (XPM эффект).

§ 8. Четырехволновое смешение (FWM)

Четырехволновое смешение (FWM – Four Wave Mixing) приводит к появлению новых частот, часть из них попадает в каналы DWDM системы и вызывает перекрестные помехи. Для появления новых частот достаточно, чтобы в нелинейном взаимодействии участвовали, по крайней мере, две световые волны с близкими частотами (w1 и w2). Тогда появившиеся при нелинейном взаимодействии частоты (2w1 - w2 и 2w2 - w1) будут близки к исходным (рис. 3.18).

Если же в нелинейном взаимодействии участвуют три световые волны с близкими частотами (wi, wj и wk), то некоторые из вновь возникших комбинационных частот wi ± wj ± wk так же будут близки к исходным частотам и попадут в спектральные каналы DWDM системы. Поэтому это явление принято называть четырехволновым смешением (частота появившаяся новой четвертой волны близка к частотам трех породившим её волн).

Рис. 3.18. Схема образования новых длин волн при FWM эффекте.

Для уменьшения перекрестных помех, возникающих из-за FWM эффекта, необходимо, чтобы длина волны нулевой дисперсии волокна не попадала в рабочий диапазона длин волн. Так в линии с NZDS волокнами паразитные сигналы отсутствуют даже после прохождения вдвое большего расстояния, чем в линии с DS волокнами (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Спектры сигналов на выходе DWDM систем при мощности в каждом канале ~ 3 дБм. а) Видны паразитные сигналы. б) Паразитных сигналов нет.

Уменьшение эффективности FWM при увеличении дисперсии волокна объясняется тем, что она приводит к нарушению фазового синхронизма смешиваемых волн и следовательно уменьшает длину их взаимодействия. Зависимость эффективности подавления возникающих из-за FWM перекрестных помех от коэффициента дисперсии волокна изображена на рис. 3.20.

Рис. 3.20. Зависимость эффективности четырехволнового смешения от ширины межканального интервала DWDM системы для SM и NZDS волокон.

Раздел II. Дисперсионные характеристики NZDS волокон

       § 9. Волокна с положительной дисперсией

Волокна с положительной ненулевой дисперсией (+ D NZDS - Non Zero Dispersion Shifted) применяются в наземных линиях связи (где длина регенерационных участков, как правило, меньше 1000 км), так как в них за счет SPM эффекта импульс расширяется меньше, чем в волокнах с отрицательной дисперсией. По своим характеристикам + D NZDS волокна занимают промежуточное положение между SM и DS волокнами. В SM волокнах длина нулевой дисперсии порядка 1310 нм, а в DS волокнах она смещена на λ = 1550 нм (примерно в середину полосы усиления EDFA). В + D NZDS волокнах длина волны нулевой дисперсии смещена в длинноволновую сторону (так же как и в DS волокнах), но на меньшую величину так, чтобы она не попадала в полосу усиления EDFA (1530…1565 нм) (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Хроматическая дисперсия D(λ) как сумма материальной DМ(λ) и волноводной дисперсий DВ(λ) в + D NZDS волокнах, т. е. волокнах, обладающих небольшой положительной дисперсией в 3-м (С) окне прозрачности.

       Дисперсия с одной стороны должна быть достаточно малой, так чтобы она не вызывала уширения импульсов. С другой стороны для подавления перекрестных помех, возникающих из-за FWM и XPM эффектов, дисперсия должна быть достаточно большой (рис. 3.22). Величина дисперсии NZDS волокон определяется требованиями Rec. G. 655 и должна лежать в диапазоне 0.1….6 пс/нм км. Однако эти рекомендации не являются окончательными и должны быть существенно изменены для того, чтобы привести их в соответствии с характеристиками NZDS волокон новых марок. .

Рис. 3.22. Зависимость эффективности четырехволнового смешения от интервала длин волн между каналами DWDM системы. Типичные значения интервалов: 0.8 нм (100 ГГц), 0.4 нм (50 ГГц), 0.2 нм (25 ГГц).

NZDS волокна не только эффективно уменьшают влияние FWM и XPM эффектов в DWDM системах, но и обеспечивают возможность передачи без компенсации дисперсии сигналов со скоростью 10 Гбит/с (STM-64) на расстояние порядка 250 км (в SM волокнах оно ~60 км (рис. 3.23)).

Рис. 3.23. Зависимость максимального расстояния передачи без компенсации дисперсии от скорости передачи в SM и NZDS волокнах.