MOŻLIWOŚĆ STOSOWANIA BEZPOŚREDNIO MODULOWANYCH LA

www.pwt.et.put.poznan.pl
Przemysław Krehlik
Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Elektroniki
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
e-mail: [email protected]
2005
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 8 - 9 grudnia 2005
MOŻLIWOŚĆ STOSOWANIA BEZPOŚREDNIO MODULOWANYCH LASRÓW W ŁĄCZACH ŚWIATŁOWODOWYCH 10 Gb/s W WARUNKACH ZNACZĄCEJ DYSPERSJI CHROMATYCZNEJ
Streszczenie: W pracy zbadano możliwość stosowania
bezpośrednio modulowanych laserów w łączach pracujących z prędkością 10 Gb/s w oknie 1550 nm, w warunkach
niekompensowanej dyspersji chromatycznej. Przyjmując
typowe parametry produkowanych obecnie laserów określono ograniczenie zasięgu transmisji, wynikające w rozważanym przypadku ze współoddziaływania migotania bezpośrednio modulowanego lasera z dyspersją chromatyczną
światłowodu. Badania symulacyjne poparto weryfikacją
eksperymentalną.
1. WSTĘP
Przepływność 10 Gb/s stanowi pewną granicę stosowania układów nadawczych z bezpośrednią modulacją
lasera. Wynika to po pierwsze z ograniczonego pasma
modulacji lasera, wynoszącego typowo 5 ... 15 GHz.
Najszybsze produkowane seryjnie lasery specyfikowane
są do prędkości 10 Gb/s, a próby ich modulacji z większymi szybkościami nie prowadzą do obiecujących rezultatów [1]. Po drugie, modulacja bezpośrednia powoduje migotanie (ang. chirp) długości fali emitowanego
sygnału optycznego, którego intensywność narasta wraz
ze zwiększaniem prędkości modulacji. Znaczące migotanie jest nieakceptowalne w systemach o gęstym zwielokrotnieniu falowym (ang. DWDM), oraz w sytuacji
dużej dyspersji chromatycznej światłowodu.
Alternatywą dla bezpośredniej modulacji lasera jest
zastosowanie modulatora elektroabsorpcyjnego lub modulatora Mach-Zender’a. Pozwala to na modulację z
prędkością rzędu 40 Gb/s, przy niewielkim (w przypadku modulatora Mach-Zender’a - praktycznie zerowym)
migotaniu sygnału optycznego. Jednakże układy nadawcze z zewnętrzną modulacją lasera są wielokrotnie droższe od popularnych laserów przeznaczonych do modulacji bezpośredniej, i dlatego nieracjonalne jest ich stosowanie tam, gdzie nie jest to niezbędne.
Zagadnienie wydaje się szczególnie aktualne w kontekście potencjalnego zwiększenia przepływności w sieciach metropolitalnych, gdzie obecnie stosuje się układy
nadawcze z modulacją bezpośrednią, pracujące do
2,5 Gb/s. Ze względów ekonomicznych stosuje się
(ewentualnie) proste zwielokrotnienie falowe (CWDM),
wobec umiarkowanej szybkości oraz dystansów transmisji nie stosuje się technik kompensacji dyspersji chromatycznej, ani specjalnych światłowodów o zredukowanej
dyspersji w III oknie transmisyjnym. Najprostszym i najtańszym sposobem zwiększenia przepływności byłoby
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005
zatem zwiększenie szybkości modulacji do 10 Gb/s, bez
modernizacji infrastruktury światłowodowej.
Celem niniejszej pracy będzie zatem określenie, czy
układy nadawcze z bezpośrednią modulacją lasera umożliwiają transmisję ze wspomnianą szybkością na odległości charakterystyczne dla sieci miejskich, w warunkach niekompensowanej dyspersji chromatycznej w
oknie 1550 nm.
2. NARZĘDZIA SYMULACYJNE
Przedstawione w następnym rozdziale badania symulacyjne prowadzone były w układzie o strukturze pokazanej na rys. 1. Symulowany tor transmisyjny pobudzany był przez losowe lub konkretnie zdefiniowane sekwencje binarne. Efekt ograniczonej stromości narastania/opadania prądu na wyjściu układu sterującego laser,
a także wpływ pasożytniczych reaktancji połączeń układu sterującego z laserem, oraz obudowy z „chipem” lasera zamodelowano w postaci liniowego filtru dolnoprzepustowego 4-go rzędu, o częstotliwości granicznej
ok. 4 GHz. Ponieważ dolnoprzepustowy model interfejsu
elektrycznego nie odpowiada konkretnemu, dającemu się
pomierzyć fragmentowi fizycznego układu eksperymentalnego, jego parametry dobrano tak, by uzyskać zgodność symulowanych przebiegów na wyjściu lasera z wynikami pomiarów układu eksperymentalnego (por.
rozdz. 4).
Generator
sekwencji
binarnych
Model
interfejsu
elektr.
Laser
„wewnętrzny”
Światłowód
Układ
odbiorczy
Rys. 1. Układ symulacyjny
Model lasera składa się z dwu części: pierwsza modeluje dynamikę lasera, pozwalając określić czasowy
przebieg mocy optycznej w funkcji prądu sterującego,
natomiast druga modeluje migotanie długości fali emitowanego sygnału. Dynamikę lasera zamodelowano
standardowym układem różniczkowych równań bilansu
1/5
www.pwt.et.put.poznan.pl
(ang. rate equations). Zainteresowanych postacią tych
równań i znaczeniem sporej niestety liczby ich parametrów odsyłam do bogatej literatury, np. [2, 3, 4]. Wstępne wartości liczbowe parametrów modelu zaczerpnięto z
pracy [5]. Drogą „prób i błędów” nieznacznie zmodyfikowano niektóre parametry, by ostatecznie uzyskać
zgodność symulacji z pomiarami (por. rozdz. 4).
Migotanie lasera zamodelowano korzystając z zależności [2]:
·
α § 1 dPL (t )
(1)
¨¨
∆ν (t ) =
+ κPL (t ) ¸¸ ,
4π © PL (t ) dt
¹
gdzie ∆ν (t ) oznacza chwilową dewiację częstotliwości
optycznej, α - tzw. współczynnik poszerzenia linii (ang.
line enhancement factor), κ - współczynnik migotania
adiabatycznego, wreszcie PL (t ) - chwilową wartość emitowanej mocy optycznej. Pierwszy czynnik sumy w powyższym równaniu opisuje migotanie dynamiczne (ang.
transient chirp), drugi migotanie adiabatyczne (ang.
adiabatic chirp). Ponieważ w rozważanej tu sytuacji
znacznej dyspersji chromatycznej migotanie prowadzi
do zniekształceń sygnału limitujących osiągalny zasięg
transmisji, kluczową sprawą jest rzetelna znajomość
współczynników równania modelującego migotanie.
Niestety, producenci nie specyfikują tego typu parametrów, a dane występujące w literaturze naukowej dotyczą
często przestarzałych bądź eksperymentalnych konstrukcji laserów. Dlatego autor opracował własną metodę
pomiaru parametrów migotania, opisaną w [6]. Wyniki
pomiarów trzech różnych laserów przedstawia tab. 1.
Tab. 1. Wyznaczone parametry migotania laserów
Typ lasera,
producent
PT3563
Photon
C15D
Lasermate
DFBLD-15-05
AOC
α
κ
[Hz/W]
2.7
8.0*1012
3.15
4.8*1012
9.1
10.5*1012
gdzie faza φL (t ) jest całką z chwilowej dewiacji częstotliwości optycznej lasera:
t
(3)
0
Transmitancja światłowodu dla obwiedni zespolonej
ma postać:
c
πc 2 ,
(4)
h (t ) = j
exp(− j
t )
zD λ2
zD λ2
gdzie z jest długością światłowodu, D - współczynnikiem dyspersji chromatycznej, λ centralną długością fa-
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005
PO (t ) = E L (t ) ∗ h (t )
2
.
(5)
Układ odbiorczy zamodelowano transmitancją zgodną
z określoną dla odbiornika referencyjnego w zaleceniach
ITU [8] oraz IEEE [9], tzn. transmitancją dolnoprzepustową Bessla 4-go rzędu o częstotliwości granicznej
7,5 GHz.
Całość symulacji zaimplementowano w środowisku
Matlab/Simulink.
3. BADANIA SYMULACYJNE
W niniejszym rozdziale przedstawiona zostanie
próba określenia osiągalnych zasięgów transmisji w systemie z bezpośrednio modulowanym laserem nadawczym pracującym w oknie 1550 nm, przy założeniu dyspersji chromatycznej typowej dla standardowego światłowodu jednomodowego (17 ps/nm*km), oraz tłumienia
0,2 dB/km. W funkcji długości łącza wyznaczona zostanie jakość odbieranego sygnału scharakteryzowana
dwoma parametrami wykresu oczkowego: pionowym
rozwarciem oczka, oraz skupieniem miejsc przejścia sygnału przez poziom wartości średniej.
Pionowe rozwarcie oczka y (patrz rys. 2) określono
jako wysokość prostokątnego obszaru (o szerokości
0,2 UI), umieszczonego symetrycznie w polu oczka.
Przyjęcie niezerowej szerokości obszaru, w którym analizowane jest pionowe rozwarcie oczka odzwierciedla
nieidealność fazy próbkowania sygnału oraz niezerową
apreturę rzeczywistego układu decyzyjnego.
y
W prezentowanych poniżej symulacjach przyjęto
wartości liczbowe uzyskane dla lasera PT3563, użytego
również w eksperymencie sprzętowym.
W modelowaniu zniekształceń sygnału powstających
w dyspersyjnym światłowodzie posłużono się koncepcją
odpowiedzi impulsowej światłowodu dla zespolonej obwiedni sygnału optycznego [7]. Obwiednię tę można zapisać w postaci:
(2)
E L (t ) = PL (t ) exp[ jφL (t )] ,
φL (t ) = 2π ³ ∆ν (t )dt .
li lasera. (We wzorze (4) pominięto dla uproszczenia
czynniki związane z propagacyjnym opóźnieniem sygnału, oraz z jego tłumieniem.) Ostatecznie przebieg mocy
optycznej na wyjściu światłowodu określony jest zależnością:
∆t
Rys. 2. Określenie analizowanych parametrów oczka
Ponieważ w trakcie badań okazało się, że wynikająca
z migotania i dyspersji degradacja oczka prowadzić może do jego znacznej asymetrii, wyznaczono też rozwarcie
oczka w przypadku optymalnie przesuniętego zarówno
progu, jak i fazy komparacji sygnału. Na rys. 2 jest to
wysokość obszaru zaznaczonego linią szarą, odpowiadającego w przedstawionej sytuacji nieco opóźnionej fazie
próbkowania sygnału oraz wyraźnie obniżonemu progowi komparacji. Szerokość obszaru przejść sygnału
przez poziom wartości średniej ( ∆t ) opisuje możliwość
odtworzenia z odbieranego sygnału przebiegu zegarowego; duża szerokość tego obszaru implikuje duży jitter
lub wręcz niemożność synchronizacji pętli fazowej układu odtwarzania zegara.
2/5
www.pwt.et.put.poznan.pl
5
wsp. ekst. 6 dB
rozwarcie oczka [dBm]
0
wsp. ekst. 3 dB
wsp. ekst. 2 dB
próg czułości
ukł. odbiorczego
-5
-10
-15
-20
0
10
20
30
40
składnikami migotania. Niestety, zależność rozwarcia
oczka od dystansu jest wtedy niemonotoniczna i silnie
zależna od konkretnych wartości liczbowych przyjętych
w modelu migotania. Nie należy zatem przypisywać tym
przypadkom większej użyteczności technicznej.
5
wsp. ekst. 6 dB
0
rozwarcie oczka [dBm]
Parametrem, który w analizowanej sytuacji w ewidentny sposób wpływa na jakość odbieranego sygnału
jest współczynnik ekstynkcji (wygaszania) emitowanego
przez laser sygnału optycznego. Z jednej strony większa
ekstynkcja oznacza większą rozpiętość między poziomami sygnału w stanie niskim i wysokim (czyli większą
„wysokość” emitowanego oczka), z drugiej strony powoduje ona większe migotanie (por. zależność (1)), czyli
większą podatność na dyspersyjne zniekształcenie sygnału. Dlatego symulacje przeprowadzono w trzech wariantach modulacji mocy lasera: między 0,5 mW w stanie niskim a 2 mW w stanie wysokim (ekstynkcja 6 dB),
między 1 mW a 2 mW (ekstynkcja 3 dB), oraz między
1,25 mW a 2 mW (2 dB). Należy zaznaczyć, że celowo
utrzymywano stały, duży poziom mocy w stanie wysokim, a zmniejszanie głębokości modulacji realizowano
przez podnoszenie mocy stanu niskiego. Poruszanie się
w obszarze możliwie dużych mocy wyjściowych lasera
jest korzystne z dwu powodów: po pierwsze lepsze są
wtedy własności dynamiczne lasera (szersze pasmo modulacji, mniejsze przeregulowania na zboczach sygnału,
mniejsze nieliniowości dynamiczne), po drugie mniejsze
jest wtedy migotanie dynamiczne (por. zależność (1)).
Na rys. 3 przedstawiono rozwarcie oczka w zależności
od długości łącza, określone dla przypadku typowej, symetrycznej co do fazy jak i poziomu komparacji dyskryminacji sygnału. Rozwarcie oczka określono w jednostkach bezwzględnych (dBm), aby można je było odnieść bezpośrednio do czułości układu odbiorczego. Typową czułość zintegrowanego modułu fotodiodawzmacniacz transimpedancyjny (ang. PD-TIA) przyjęto
za danymi producentów [10, 11].
wsp. ekst. 3 dB
wsp. ekst. 2 dB
próg czułości
ukł. odbiorczego
-5
-10
-15
-20
0
10
20
30
40
50
długość światłowodu [km]
Rys. 4. Zależność rozwarcia oczka od dystansu transmisji dla optymalnej (niecentralnej) fazy i poziomu dyskryminacji sygnału
Jak wspomniano powyżej analizowano też wpływ
degradacji sygnału na możliwość poprawnego odtworzenia z niego przebiegu zegarowego. To, czego można
się było spodziewać, to postępujące stopniowo wraz ze
zwiększaniem dystansu transmisji poszerzenie obszaru
przejść sygnału przez poziom wartości średniej ( ∆t
określone na rys. 2), a zatem w konsekwencji pewien jitter odtworzonego zegara. Jednakże zaobserwowano dodatkowo zjawisko nowe jakościowo, polegające na pojawianiu się, dla dużych dystansów, wielokrotnych
przejść sygnału przez poziom wartości średniej (poziom
komparacji). Sytuację taką przedstawia rys. 5. Nietrudno
dojść do wniosku, że w przypadku takim poprawna synchronizacja pętli fazowej układu odtwarzania zegara nie
jest możliwa. Zatem sygnał, mimo że układa się w zasadniczo czytelne oczko, wydaje się być nieinterpretowany w klasycznym systemie transmisji szeregowej, w
którym przebieg zegarowy odtwarza się z sygnału danych.
50
długość światłowodu [km]
Rys. 3. Zależność rozwarcia oczka
od dystansu transmisji
Z rysunku można (wstępnie!) wywnioskować, że niezależnie od głębokości modulacji lasera osiągalny zasięg
wynosi dwadzieścia kilka kilometrów. Nieco lepsze rezultaty („bezpieczny” zasięg rzędu 30 km) można uzyskać przyjmując optymalnie dobrane fazę i poziom dyskryminacji sygnału (rys. 4). Należy jednak zwrócić uwagę, że praktyczna realizacja takiego rozwiązania byłaby
wysoce kłopotliwa.
Na obydwu omawianych powyżej rysunkach można
zauważyć, iż dla bardzo płytkiej modulacji lasera pewna
„otwartość” oczka występuje też dla większych dystansów transmisji, nawet rzędu 50 km. Wynika to z subtelnych interakcji między dynamicznym i adiabatycznym
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005
Rys. 5. Wykres oczkowy z zaznaczonym obszarem
wielokrotnych przejść sygnału przez poziom komparacji
Rys. 6 przedstawia szerokość obszaru przejść sygnału przez poziom wartości średniej. Wykresy urywają się
dla dystansów, powyżej których występują przejścia
wielokrotne. Widać zatem, że w aspekcie odtwarzania
zegara zmniejszanie ekstynkcji (głębokości modulacji)
lasera daje wymierne korzyści; przy współczynniku ekstynkcji rzędu 2...3 dB poprawne odtworzenie zegara wy-
3/5
www.pwt.et.put.poznan.pl
poz. 3, który ma znacząco większy parametr α osiągalny dystans transmisji okazał się ponad trzykrotnie mniejszy, co potwierdza kluczowe w badanym kontekście
znaczenie efektu migotania.
daje się możliwe dla dystansów do ok. 30 km, podczas
gdy przy ekstynkcji 6 dB zaledwie do ok. 15 km.
1
wsp. ekst. 6 dB
0.8
wsp. ekst. 3 dB
4. WERYFIKACJA EKSPERYMENTALNA
wsp. ekst. 2 dB
∆t [UI]
0.6
W celu sprawdzenia dokładności przeprowadzonych
symulacji i poprawności uzyskanych wniosków przeprowadzono eksperyment polegający na zmierzeniu rzeczywistych wykresów oczkowych dla różnych dystansów transmisji. Układ składał się z generatora sekwencji
pseudolosowych, „drivera” laserowego o regulowanym
prądzie polaryzacji i modulacji, lasera PT3563, wymiennych odcinków światłowodu, oraz po stronie odbiorczej
z oscyloskopu samplingowego HP83480A z głowicą
optyczną HP83485B o paśmie przenoszenia 30 GHz. W
torze pomiarowym oscyloskopu włączony był dodatkowo filtr dolnoprzepustowy o paśmie 7,5 GHz, analogiczny do filtru występującego modelu symulacyjnym
(por. rys. 1). Na rys. 7 zestawiono symulowane i zmierzone wykresy oczkowe przy współczynniku ekstynkcji
3 dB, dla dystansów 0, 19 i 38 km. Można zauważyć, że
istotne cechy przebiegów symulowanych i zmierzonych
są praktycznie identyczne.
0.4
0.2
0
0
10
20
30
40
50
długość światłowodu [km]
Rys. 6. Zależność szerokości obszaru przejść sygnału
przez poziom komparacji od dystansu transmisji
Podsumowując powyżej opisane badania należy
stwierdzić, że uwzględniając pewne „marginesy bezpieczeństwa” możliwa wydaje się transmisja na odległości
do 20...25 km. Należy jednak bezwzględnie ograniczyć
współczynnik ekstynkcji lasera do ok. 3 dB.
Podobne badania wykonano wprowadzając parametry modelu migotania charakterystyczne dla pozostałych
laserów umieszczonych w tab. 1. Uzyskano jakościowo
podobne rezultaty. Jednakże w przypadku lasera z
0 km
19 km
38 km
symulacja
pomiar
Rys. 7. Porównanie symulowanych i zmierzonych wykresów oczkowych
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005
4/5
www.pwt.et.put.poznan.pl
5. WNIOSKI
W przeprowadzonych badaniach wykazano, że współczesne, produkowane seryjnie stosunkowo niedrogie
bezpośrednio modulowane lasery DFB MQW pracujące
w oknie 1550 nm umożliwiają transmisję z szybkością
10 Gb/s na dystansach do ok. 20...30 km, przy wykorzystaniu standardowego światłowodu, bez stosowania
technik kompensacji dyspersji chromatycznej. Warto
jednak jeszcze raz podkreślić, iż rzetelna ocena osiągalnych zasięgów wymaga konkretnej wiedzy o parametrach migotania przewidzianych do zastosowania laserów, co wymaga z reguły samodzielnego przeprowadzenia odpowiednich pomiarów.
W trakcie prowadzonych eksperymentów ustalono, że
ograniczenie dystansu transmisji wynika nie tyle z zamknięcia się wykresu oczkowego, co z niemożliwości
odtworzenia przebiegu zegarowego, spowodowanej wielokrotnymi przejściami zboczy sygnału przez poziom
komparacji. Wskazano, że w celu osiągnięcia wspomnianych wyżej zasięgów niezbędne jest zastosowanie o
wiele mniejszego niż typowo współczynnika ekstynkcji
lasera, rzędu 3 dB.
SPIS LITERATURY
[1] B. Huiszoon i in., „Cost-Effective Up to 40 Gb/s
Transmission Performance of 1310 nm Directly Modulated Lasers for Short- to Medium-Range Distances”,
Journal of Lightwave Technology, 23, 1116-1124 (2005)
[2] G.P. Agrawal, N.K. Dutta, Long-Wavelength Semiconductor Lasers, Van Nostrand Reinhold, New York,
1993.
[3] L.A. Coldren, S.W. Corzine: Diode lasers and
photonic integrated circuits, Wiley, New York, 1995
[4] G. Morthier, P. Vankwikelberge: Handbook of distributed feedback laser diodes, Boston, Artech House,
1997
[5] P. V. Mena, S. M. Kang, T. A. DeTemple, "Rateequation-based laser models with a single solution regime," Journal of Lightwave Technology , 15, 717-730,
(1997)
[6] P. Krehlik „Characterization of semiconductor laser
frequency chirp based on signal distortion in dispersive
optical fiber”, praca złożona do druku w OptoElectronics Review; w recenzji
[7] B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, Willey 1991.
[8] Standard ITU-T G.957
[9] Standard IEEE 802.3ae
[10] www.okioptical.com
[11] www.hamamatsu.com
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005
5/5