Оптические волокна для линий связи (стр. 9 )

Как показано на рис. 1.32, картина восстанавливается (импульсы сжимаются) после того, как они проходят через компенсатор дисперсии (DC волокно с отрицательной дисперсией). Однако каждый компенсатор дисперсии вносит большие потери (3…9 дБ), и в линию приходится включать оптический усилитель, что сводит на нет весь экономический эффект, получаемый за счет использования DFB лазеров с прямой модуляцией. Кроме того, использование компенсатора дисперсии  представляет и определенную техническую проблему, так как в кольцевых линиях направление маршрута данных и, соответственно, длина компенсируемого участка волокна может изменяться.

Для того, чтобы удовлетворить растущую потребность в недорогих средствах передачи больших объемов информации в городских сетях и сетях средней дальности, были разработаны новые модели волокон с отрицательной дисперсией (MetroCore компании Corning и WideLight компании Pirelli и др.). Применение волокон с отрицательной дисперсией позволяет не только обеспечить высокую скорость передачи данных в этих сетях, но и снизить стоимость комплекта “оборудование + кабель”.

Результаты экспериментальных исследований изменения ширины импульсов (при скорости передачи 2.5 Гбит/с (STM-16)) в SM волокне (положительная дисперсия) и в волокне MetroCore (отрицательная дисперсия) представлены на рис 1.33. Изменение ширины импульсов характеризуется штрафом по мощности: q = = 10 log(Δt2/Δt1), где Δt2/Δt1 – отношение ширины импульса в линии к ширине импульса на входе в линию. Видно, что в SM волокне импульсы уширяются и достигают уровня q = 2 дБ (Δt2/Δt1 = 1.6) на расстоянии порядка 150 км. В то же время в волокне MetroCore по крайней мере до 400 км эти же импульсы не уширяются.

§ 22. Чирпинг эффект при фазовой самомодуляции волн.

Фазовая самомодуляция волн (SPM - Self-Phase Modulation) обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от интенсивности распространяющегося в нем света. При изменении интенсивности волны изменяется показатель преломления волокна, что и приводит модуляции фазы волны.

Для нашего анализа существенно то, что мощность в импульсе является функцией времени - на заднем фронте импульса мощность увеличивается во времени, а на переднем фронте уменьшается. Поэтому возникающий из-за SPM эффекта дополнительный набег фазы также является функцией времени - на заднем фронте импульса фазовый сдвиг увеличивается во времени, а на переднем уменьшается. А так как частота является производной фазы по времени, то импульс оказывается промодулированным не только по амплитуде, но и по частоте. В результате длина волны несущей на заднем фронте импульса, оказывается короче длины волны несущей на переднем фронте импульса.

Таким образом, SPM эффект приводит к появлению чирпинга и в отсутствие дисперсии в волокне. Характерно, что в отсутствии дисперсии SPM эффект приводит к уширению спектра импульса, но не меняет ширину импульса (рис. 1.34).

Рис. 1.34. Фазовая самомодуляция волн (SPM эффект) в волокне с нулевой дисперсией. Ширина импульса не меняется, но он приобретает чирпинг (частотную модуляцию). Спектр импульса становится шире.

       В волокне с дисперсией SPM эффект приводит одновременно к изменению как ширины спектра, так и ширины импульса. Напомним, что в линейном приближении дисперсия приводит только к изменению ширины импульса, но не меняет ширину его спектра (см. рис. 1.30).

       С увеличением мощности излучения в волокне с отрицательной дисперсией ширина импульса увеличивается. Происходит это потому, что благодаря SPM эффекту длина волны несущей вблизи заднего фронта импульса, оказывается короче длины волны вблизи переднего фронта. А так как в волокне с отрицательной дисперсией скорость распространения волн уменьшается с уменьшением длины волны, то задний фронт импульса начинает отставать от переднего фронта, и ширина импульса увеличивается.

       В волокне с положительной хроматической дисперсией при увеличении мощности импульс вначале сжимается. 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. 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.

       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.

Раздел VI. Компенсация полной дисперсии в линии передачи

§ 23. Максимально допустимая величина уширения импульсов

Максимально допустимая величина уширения импульсов определяется из условия, что импульсы перекрываются настолько, что ошибки, возникающие при идентификации битов, превышают допустимую величину (рис. 1.35).

Рис. 1.35. Битовый код 101 на входе и на выходе волокна с большой хроматической дисперсией. На входе в волокно биты 1 и 0 представлены, соответственно, наличием и отсутствием оптической мощности. На выходе из волокна бит 0 представлен уже не нулевой оптической мощностью, и, соответственно, вероятность принять его за бит 1 отлична от нуля.

Для оценки этого расстояния воспользуемся критерием, что ширина импульса  Δt = T/4 = 1/(4B), где Т = 1/В – битовый интервал, В – битовая скорость. При его выполнении 95 % мощности импульса (гауссовой формы) лежит внутри битового интервала. Например, при скорости передачи B = 2.5 Гбит/с (STM-16) битовый интервал T = 1/B = 400 пс, а допустимая ширина импульса Δt = T/4 = 100 пс. Начальная же ширина импульсов Δt0 с учетом того, что, пройдя через волокно, импульсы уширятся должна быть, соответственно, меньше 100 пс.

       § 24. Связь между начальной и конечной шириной импульсов

Конечная ширина импульса выражается через его начальную ширину Δt0 соотношением:

Δt = (Δt20 + Δt2D)1/2,  (1.17)

где ΔtD - уширение импульса. Оно равно произведению коэффициента дисперсии D на длину волокна L и на ширину спектра сигнала Δλ.

ΔtD = D (пс/нм⋅км) × L (км) × Δλ (нм).  (1.18)

       Спектр оптического сигнала имеет ненулевую ширину как из-за того, что излучение промодулировано по амплитуде, так и из-за не нулевой ширины спектра источника излучения. Ширина полосы частот для лазеров с распределенной обратной связью (DFB – Distributed Feedback Laser ) составляет величину порядка 10…100 МГц, что много меньше ширины полосы частот электрического сигнала для STM–16 (Δf = 1/Δt0 = 10 Ггц). В этом случае DFB лазер можно рассматривать как монохроматический источник излучения и полагать, что ширина спектра оптического сигнала Δλ равна ширине спектра электрического сигнала, величина которого в свою очередь обратно пропорциональна начальной ширине импульсов Δt0.

       При большой начальной ширине импульсов Δt0 конечная ширина импульсов Δt = (Δt20 + Δt2D)1/2 примерно равна Δt0 и увеличивается при увеличении Δt0. При малой начальной ширине импульсов Δt0 конечная ширина импульсов Δt примерно равна уширению импульсов ΔtD и увеличивается при уменьшении Δt0. (так как ΔtD ~ 1/Δt0). Таким образом, должно существовать оптимальное значение Δt0, при котором конечная ширина импульсов Δt минимальна, и, соответственно, предельно достижимое расстояние между ретрансляторами максимально.

       § 25.Максимальное расстояние между ретрансляторами

Оценка максимального расстояния между ретрансляторами обычно проводится в предположении, что потери в волокне скомпенсированы с помощью оптических усилителей. Кроме того, предполагается, что у волокон, уложенных в линию передачи, знак дисперсии один и тот же, а импульс без чирпинга (т. е. промодулирован только по амплитуде). Используя предыдущие выражения можно показать, что максимальное расстояние между ретрансляторами выражается через скорость передачи данных (измеряемую в единицах Гбит/с) и полную дисперсии линии соотношением

                               D L = 105 / B2.  (1.19)

       Тот факт, что полная допустимая дисперсия в линии обратно пропорциональна квадрату скорости передачи данных качественно, можно объяснить следующим образом. Во-первых, при удвоении скорости передачи удваивается ширина спектра сигнала и, следовательно, удваивается и величина уширения импульса ΔtD из-за дисперсии волокна. Во-вторых, при удвоении скорости передачи начальная длительность импульса уменьшается в два раза и, соответственно, дисперсионная добавка к полной ширине сказывается в два раза сильнее. Совместное действие уширения спектра импульса и уменьшение его длительности и приводят к появлению квадратичной зависимости полной дисперсии в линии от скорости передачи данных.

Результаты оценок полной дисперсии в линии связи и максимальное расстояние между ретрансляторами (без компенсации дисперсии) для SM и волокон (D = 16 пс/нм⋅км на λ = 1550 нм)  приведены в таблице № 2.2.

Таблица № 1.4. Допустимая величина полной дисперсии в линии связи и  максимальное расстояние между ретрансляторами для SM волокна.

Скорость передачи данных	Допустимая величина полной дисперсии в линии связи, пс/нм.	Максимальное расстояние между ретрансляторами, км
2.5 Гбит/с (STM-16)	16 000	1000
10 Гбит/с (STM-64)	1000	60
40 Гбит/с (STM-256)	60	4

Допустимая величина полной дисперсии в линии D L при скорости передачи в 2.5 Гбит/с составляет 16 000 пс/нм и ей соответствует ретрансляционный участок длиной около 1000 км. Таким образом, сигналы со скоростью 2.5 Гбит/с можно передавать без компенсации дисперсии практически на неограниченное расстояние. Но уже при скорости передачи в 10 Гбит/с допустимая величина полной дисперсии в линии D L уменьшается до 1000 пс/нм и ей соответствует всего лишь 60 километровый ретрансляционный участок. Увеличить длину ретрансляционного участка можно путем компенсации полной дисперсии в линии связи.