Systemy transmisji o bardzo duych zasięgach i przepływnościach

Systemy transmisji o bardzo dużych zasięgach i przepływnościach
Wykład 19 SMK
Literatura: J. Siuzdak, „Wstęp do telekomunikacji światłowodowej”, WKŁ W-wa 1999
W nowoczesnych systemach transmisji (transoceanicznych) regeneratory zastępuje się
wzmacniaczami optycznymi EDFA (system TAT-12 o przepływności 2*5 Gbit/s – USAAnglia-Francja. Sygnał nie regenerowany przechodzi kilkaset albo kilka tysięcy km.
1. Konsekwencje stosowania wzmacniaczy optycznych
Wzmacniacze te połączone są kaskadowo. Długość odcinka pomiędzy wzmacniaczami 45-68
km. Systemy, które pozwalają zwiększyć tą odległość do kilkuset km – zdalnie pompowane
wzmacniacze optyczne. Przykład:
Do transmisji na odległość 423 km z przepływnością 2.5 Gbit/s wykorzystano cztery
wzmacniacze EDFA: wzmacniacz mocy w nadajniku, wzmacniacz mocy w odległości 74.5
km od nadajnika pompowany dodatkowym światłowodem z nadajnika, odległy o 96.5 km od
odbiornika przedwzmacniacz optyczny zdalnie pompowany światłem z odbiornika oraz drugi
przedwzmacniacz optyczny przy odbiorniku. Użycie wzmacniaczy optycznych pozwoliło
wzmocnić sygnał o ponad 18 dB (zdalne wzmacnianie lub pompowanie realizuje się przy
pomocy wzmacniaczy lub laserów Ramana).
Zakłócenia pracy systemu:
a). wzmacniany szum emisji spontanicznej – każdy wyemitowany spontanicznie foton
dodaje do światła koherentnego (emisja wymuszona) drobną składową pola o przypadkowych
parametrach. Zaburza to w sposób przypadkowy amplitudę i fazę wypadkowego pola.
Przypadki emisji spontanicznej zachodzą bardzo często – natężenie i faza emitowanego
światła ulegają szybkim fluktuacjom.
Szum generowany przez każdy wzmacniacz optyczny z łańcucha będzie dodawany i
ponownie wzmacniany przez następne wzmacniacze. Poziom szumu jest proporcjonalny do
wzmocnienia pojedynczego wzmacniacza, G, i do liczby wzmacniaczy. Widmo szumu
spontanicznego jest szerokopasmowym widmem emisji spontanicznej zmodyfikowanym
przez charakterystykę wzmocnienia łańcucha wzmacniaczy.
Do szumów pojedynczego wzmacniacza należą:
1
- szum fazowy lasera pp,
- szum natężenia lasera pp. (RIN),
- odbicie wsteczne,
- chirp,
- szum partycji modowej – moc indywidualnych modów podłużnych podlega fluktuacjom,
podczas gdy całkowita moc pozostaje stała,
- szum modalny – światłowody wielodomowe.
Gęstość mocy wzmocnionego szumu emisji spontanicznej –ASE - (przy założeniu, że
wzmocnienie wzmacniacza kompensuje straty w odcinku światłowodu pomiędzy
wzmacniaczami) na końcu toru jest:
Nsp(ν)=MF(G-1)hν, M – liczba wzmacniaczy
lub
Nsp(ν)=FhναΗ(G)L
α - tłumienność jednostkowa światłowodu, L – długość światłowodu, F – współczynnik
szumów wzmacniacza optycznego, H(G)=(G-1)/logG, G=exp(αl), l – odległość między
wzmacniaczami.
W celu zminimalizowania szumu wzmocnionej emisji spontanicznej na końcu linii,
oprócz minimalizacji F, trzeba zmniejszyć tłumienie światłowodu i odległość między
wzmacniaczami (koszty !).
Stosunek sygnału do szumu w odbiorniku optoelektronicznym przy M wzmacniaczach
w torze:
P 2 e −2αl
SNR ≈
Pe −αl
Mh 2ν 2 ∆fF (2
+ MBo F )
hν
Bo – pasmo optyczne, ∆f – pasmo szumowe odbiornika, P – moc optyczna na wejściu
światłowodu.
Szum emisji spontanicznej może ulegać zdudnieniom ze sobą, z sygnałem użytecznym
oraz z szumem śrutowym. W przypadku długich linii poziom szumu wzmocnionej emisji
spontanicznej rośnie wzdłuż linii i wprowadza wzmacniacze optyczne w stan nasycenia
(maleje wzmocnienie sygnału). W wyniku nasycenia całkowita moc optyczna (sygnału
użytecznego i szumu) pozostaje stała wzdłuż linii, zaś moc samego sygnału maleje wzdłuż
linii, gdyż rośnie moc szumu emisji spontanicznej.
2
b). Transmitancja i widma szumów wzmacniaczy optycznych nie są płaskie. Połączenie
kaskadowe wielu wzmacniaczy daje filtr o stosunkowo wąskim paśmie przepustowym
skoncentrowanym wokół jednej częstotliwości.
c) Efekty polaryzacyjne w światłowodzie (wpływ na pracę odbiornika). Ponieważ
wzmacniacze optyczne nie zapewniają regeneracji sygnału, wszystkie zjawiska (szum,
dyspersja) narastają wzdłuż linii.
α). – dyspersja polaryzacyjna – zmienia w sposób ciągły kształt impulsu w wyniku
zmian czasowych stanu polaryzacji wzdłuż linii. W odbiorniku zmiany kształtu zmieniają
kształt i rozwarcie „oczka” – zwiększenie stopy błędów BER:
Dyspersja polaryzacyjna wynika stąd, że w światłowodzie jednodomowym rozchodzą
się dwa mody spolaryzowane ortogonalnie względem siebie. Prędkości grupowe tych modów
różnią się (brak zachowania symetrii kołowej światłowodu, profilu współczynnika załamania,
naprężenia). Rozkład prędkości grupowych zmienia się przypadkowo wzdłuż światłowodu.
Średnia różnica czasu propagacji między modem „szybkim” a „wolnym” rośnie
proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego z długości światłowodu.
β) – tłumienie zależne od polaryzacji (PDL – polarisation dependent loss) –
większość pasywnych elementów optycznych (sprzęgacze, izolatory) wykazuje zależność
tłumienia od polaryzacji światła. Sygnał użyteczny i szum wykazują różne tłumienie dla
składowych ortogonalnych. Prowadzi to do zmiany mocy sygnału w czasie i fluktuacji SNR, a
więc i do zwiększenia BER.
γ) – wzmocnienie zależne od polaryzacji (PDG – polarisation dependent gain) –
wzmacniacze EDFA wykazują niejednorodność nasycenia wzmocnienia w zależności od
polaryzacji sygnału – szum o polaryzacji prostopadłej do polaryzacji sygnału doznaje
większego wzmocnienia niż sam sygnał (różnica ta jest największa przy sygnałach
spolaryzowanych liniowo). Zmiany polaryzacji światła w linii prowadzą do zmian w czasie
SNR i zwiększenia BER (można tego uniknąć przez okresowe przełączanie – skrambling –
polaryzacji nadawanego sygnału).
δ) – nieliniowe właściwości światłowodu – samomodulacja fazy i mieszanie
czterofalowe pomiędzy sygnałem użytecznym, a wzmocnionym szumem emisji
spontanicznej. Gdy praca systemu odbywa się w zakresie dyspersji normalnej lub zbliżonej do
3
zera, to przy dużych przepływnościach i długościach linii, zjawiska nieliniowe ograniczają
poprawę parametrów pracy systemu (BER) poprzez zwiększenie mocy sygnału.
2. Metody ograniczania wpływu dyspersji światłowodu na transmisję
Podczas stosowania wzmacniaczy optycznych w torze światłowodowym o dużej
szybkości transmisji ograniczeniem odcinka między regeneratorami jest dyspersja, a nie
tłumienie. Dyspersja jest proporcjonalna do szerokości linii widmowej i współczynnika
dyspersji. Współczynnik dyspersji, D, wyznacza rozszerzenie czasowe impulsu (ps) po
przejściu 1 km odcinka światłowodu, jeśli szerokość linii widmowej źródła światła = 1 nm.
Światłowody o przesuniętej dyspersji umożliwiają osiągnięcie dłuższych odcinków między
regeneratorami.
a) W standardowych światłowodach długość fali, przy której D=0 (1310 nm) nie
pokrywa się z minimum tłumienia światłowodu (1550 nm). Jedynie w światłowodach z
przesuniętą dyspersją te dwie długości fal są zbliżone do 1550 nm. Jednak zastosowanie tych
światłowodów w systemach WDM (jednoczesna transmisja wielu sygnałów o zbliżonych
długościach fal) wykazuje dużą efektywność mieszania czterofalowego. Dlatego w systemach
tych stosuje się światłowody z tzw. niezerową przesuniętą dyspersją (mała niezerowa
dyspersja dla 1550 nm – redukcja efektów mieszania czterofalowego)
4
b) zmniejszenie szerokości linii widmowej lasera – przy bezpośredniej modulacji
prądu lasera pojawia się chirp prowadzący do rozszerzenia linii widmowej lasera o kilka
dziesiątych nm. Chirp – przy włączaniu lasera (wzroście prądu) długość fali przesuwa się w
stronę fal krótszych, przy wyłączaniu – w stronę dłuższych. Powoduje to rozszerzenie linii
widmowej lasera i zwiększenie dyspersji chromatycznej w światłowodzie (dyspersja związana
z niezerową szerokością źródła światła = dyspersja falowodowa + dyspersja materiałowa).
α) polaryzacja lasera powyżej prądu progowego,
β) odpowiednie kształtowanie prądu modulującego lub dodatkowa modulacja strumienia
świetlnego (prechirp) (zewnętrzna modulacja fazy lub dodatkowa modulacja częstotliwości
lasera).
γ) użycie synchronizacji zewnętrznym laserem (promieniowanie z zewnętrznego lasera –
nie modulowanego – wymusza zachowanie długości fali lasera modulowanego).
δ) użycie zewnętrznych modulatorów światła (elektroabsorpcyjne i interferencyjne) –
występuje jednak szczątkowy chirp, spowodowany zmianą długości optycznej modulatora w
modulatorach elektroabsorpcyjnych. Kompensacja tego chirpu przez scalenie modulatora z
laserem i odpowiednie sterowanie całością.
Maksymalny zasięg transmisji ograniczony dyspersją jest:
c
Lmax =
1.2 Dλo2 B 2
D=17 ps/nmkm, λo=1.55 µm, B=10 Gbit/s, LMax=61 km.
Nie można zwiększyć maksymalnego zasięgu transmisji poza podaną w powyższym
wzorze wartość poprzez zmniejszenie szerokości linii widmowej (widmo transmitowanego
sygnału ma niezerową szerokość).
c) kompensacja dyspersji światłowodu
α) kompensacja elektroniczna
- w odbiornikach z detekcją bezpośrednią przy zamianie sygnału optycznego na elektryczny
tracona jest informacja o fazie i częstotliwości odbieranego sygnału. Dobre rezultaty daje
obróbka nieliniowa oparta na detekcji maksymalnej wiarygodności
- w systemach koherentnych sygnał po fotodetekcji zachowuje informacje o fazie i
częstotliwości sygnału optycznego. Stosuje się mikrofalowe kompensatory dyspersji (technika
linii paskowych, których opóźnienie zależy od częstotliwości)
β) kompensacja optyczna
- elementy optyczne o dyspersji przeciwnej do dyspersji światłowodu = światłowody
kompensujące dyspersję
Światłowody kompensujące dyspersję mają duży ujemny współczynnik dyspersji
chromatycznej w zakresie 1.55 µm.
Jeżeli przy pracy na długości fali 1.55 µm połączymy kaskadowo odcinek
światłowodu standardowego o długości L i D>0 ze światłowodem kompensującym dyspersję
o długości L1 i D1<0, to wypadkowa dyspersja:
∆=DL+D1L1
Długość L1 można dobrać tak, aby ∆=0: L1=DL/D1.
Dodatkowa tłumienność wprowadzona przez światłowód kompensujący:
Ls=(DL)α1/D1=DL*1/FOM [dB]
Wzrost tłumienia linii jest odwrotnie proporcjonalny do współczynnika jakości FOM (Figure
of merit) (200 ps/(nm.dB)).
Istnieją śwaitłowody kompensujące dyspersję z rdzeniem o wysokim współczynniku
załamania (eliptycznym).
5
Dla λ=1.55 µm, D1=80 ps/(nm.km), α=0.32 dB/km, FOM=250 ps/(nm.dB).
Wada – zwiększenie tłumienności linii.
Zaleta – możliwość dołączenia takiego światłowodu w już istniejących liniach.
- zastosowanie światłowodowych siatek odbiciowych Bragga. Stałą siatki zmienia się wraz
z odległością, w wyniku czego fale o różnych długościach odbijają się w różnych miejscach i
ulegają różnym opóźnieniom – kompensacja dyspersji. Wada – kompensowany sygnał jest
odbijany wstecznie, co wymaga zastosowania cyrkulatorów optycznych (oddzielenie wejścia
od wyjścia).
- technika sprzężonej fazy – w połowie długości linii widmo częstotliwościowe sygnału
zostaje odwrócone (staje się lustrzanym odbiciem widma wejściowego względem pewnej
częstotliwości)
Inwersja widma – mechanizm mieszania czterofalowego w pompowanych optycznie
ośrodkach nieliniowych.
d) transmisja solitonowa – polega na wykorzystaniu nieliniowych właściwości
światłowodu do transmisji krótkich impulsów zachowujących swój kształt – tzw. solitonów
(w przypadku dyspersji anomalnej nieliniowość i dyspersja mogą się kompensować;
dyspersja normalna – fala o większej częstości porusza się wolniej od fali o częstości
mniejszej, dyspersja anomalna – fala o większej częstości porusza się szybciej od fali o
częstości niższej).
e) transmisja wykorzystująca dyspersję (DST – disperssion supported transmission)
– dyspersja światłowodu wykorzystywana jest do zamiany modulacji częstotliwościowej
lasera nadawczego na modulację amplitudową w odbiorniku. Technika ta umożliwia
transmisję w oknie 1.55 µm sygnałów o przepływnościach 10 GBit/Bit przez standardowy
6
światłowód o typowej dyspersji chromatycznej 16-20 ps/(nm.km). Nie wymaga zewnętrznych
modulatorów, ani elementów kompensujących dyspersję.
Ten rodzaj transmisji wymaga doboru dewiacji częstotliwości przy modulacji lasera
nadawczego do szybkości transmisji, długości linii i dyspersji światłowodu.
Niektóre parametry optyczne systemów DST: SD STM-64 (10 Gbit/s).
3. Generacja krótkich impulsów
Częstotliwości graniczne modulacji bezpośredniej laserów – 30 GHz, modulatory zewnętrzne
– 70 GHz. W celu uzyskania krótkich impulsów stosuje się następujące techniki:
a). Przełączanie wzmocnienia (gain switching) – laser pp. DFB spolaryzowany jest poniżej
progu laserowania i przełączany znacznie powyżej prądu progowego za pomocą impulsów
prądowych. Typowo – 20-40 ps. Częstotliwość powtarzania zależy od modulacji prądu – n
GHz. Tak uzyskane impulsy mają duży chirp i drganie położenia (jitter). Ich kształt odbiega
od kształtu solitonu (iloczyn szerokości impulsu i zajmowanego przezeń pasma = 0.315) –
stosuje się filtrację optyczną impulsów wychodzących z lasera.
b). Wykorzystanie sterowanych elektrycznie modulatorów zewnętrznych, do których
doprowadzono niemodulowane światło laserowe. Sygnał optyczny na wyjściu takiego
modulatora jest ciągiem impulsów o częstotliwości powtarzania dwukrotnie większej od
częstotliwości sygnału modulującego, a szerokość impulsu optycznego stanowi jedynie
kilkanaście procent okresu przebiegu modulującego. Można też zastosować inne niż
sinusoidalne przebiegi sterujące (do zmiany kształtu impulsów optycznych), o ile mieszczą
się w paśmie modulatora.
Wykorzystuje się modulatory elektroabsorpcyjne (napięcie przełączające 1.5 V jest
niższe niż dla modulatora interferometrycznego – 5-10 V).
c). Użycie laserów synchronizowanych modowo (mode locked lasers). W laserze takim
długość rezonatora jest tak dobrana, że czas jego dwukrotnego przejścia odpowiada okresowi
7
sygnału o bardzo dużej częstotliwości, który moduluje prąd lasera. Synchronizuje to fazowo
mody podłużne oscylujące w rezonatorze i w efekcie daje ciąg krótkich impulsów na jego
wyjściu.
Odstęp częstotliwościowy między modami:
∆ν=c/Lopt
Lopt – długość optyczna przy przejściu długości rezonatora tam i z powrotem.
Szerokość impulsu jest odwrotnie proporcjonalna do pasma 1/∆νg, w którym fazy różnych
modów podłużnych mogą być ze sobą zsynchronizowane.
Aktywna synchronizacja polega na modulacji amplitudy lub częstotliwości (fazy) pola
wewnątrz rezonatora z częstotliwością fm równą odstępowi częstotliwości między modami ∆ν
lub jego całkowitej wielokrotności k∆ν. Ten rodzaj synchronizacji stosuje się w laserach pp z
odpowiednio dobranym modulatorem zewnętrznym (rezonator tworzą jeden: z końców
laserowej struktury pp oraz siatka dyfrakcyjna umieszczona za drugim końcem tej struktury).
Siatka zapewnia odpowiednie optyczne sprzężenie zwrotne oraz możliwość
przestrajania długości emitowanej fali.
Wada – częstotliwość powtarzania impulsów określona jest przez długość rezonatora i
nie może być zmieniona. Typowo – 20 ps przy 10 GHz.
Alternatywą dla laserów pp są synchronizowane modowo pierścieniowe lasery
światłowodowe:
8
Składają się z: rezonatora pierścieniowego zbudowanego ze światłowodu, optycznego
wzmacniacza światłowodowego EDFA. W pętlę światłowodową włączony jest izolator
optyczny (jednokierunkowa praca układu) oraz układ kontroli polaryzacji.
Synchronizacja modowa może zostać osiągnięta poprzez zastosowanie zewnętrznego
modulatora amplitudy (aktywnie) lub zastosowanie nieliniowych elementów optycznych
(pasywnie), których odpowiedź jest tego rodzaju, że impuls na ich wyjściu jest węższy niż na
wejściu. Przykładem elementu nieliniowego – absorber, którego tłumienie ulega nasyceniu
przy dużych natężeniach pola. Gdy impuls optyczny rozchodzi się w takim absorberze, jego
początek i koniec są bardziej tłumione niż środek, w którym natężenie pola jest dostatecznie
duże, aby nasycić absorber. W rezultacie impuls optyczny ulega skróceniu.
Lasery światłowodowe są bardziej skomplikowane od laserów pp, ale pozwalają
otrzymać impulsy bardzo zbliżone do solitonowych (t<100 fs). Wiążą się z nimi istotne
problemy techniczne:
- długość rezonatora podlega dryftom temperaturowym i musi być stabilizowana,
- sygnał wyjściowy może wykazywać fluktuację (brak korelacji pomiędzy fazami
sąsiednich impulsów).
Dalsza kompresja impulsów – nieliniowe oddziaływanie w specjalnie
zaprojektowanych światłowodach (światłowód ze współczynnikiem dyspersji zmieniającym
się hiperbolicznie z odległością).
Półprzewodnikowe lasery synchronizowane modowo mają doskonałą stabilność, ale
są trudne do dostrojenia do określonej szybkości transmisji. Lasery z przełączaniem
wzmocnienia łatwo dostroić do danej szybkości transmisji, ale wymagają zewnętrznej obróbki
optycznej wychodzących impulsów. Lasery DFB scalone z modulatorem
elektroabsorpcyjnym dają impulsy o kształcie odbiegającym od solitonowego, choć
zapewniają dobrą stabilność i proste sterowanie.
9