wybrane aspekty doboru włókien dla systemów światłowodowych ze

www.pwt.et.put.poznan.pl
Jan Lamperski
Zbigniew Szymański
Jakub Lamparski*
Politechnika Poznańska
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji
ul. Piotrpwo 3A, 60-965 Poznań
student IET, PP
[email protected]
[email protected]
2005
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 8 - 9 grudnia 2005
WYBRANE ASPEKTY DOBORU WŁÓKIEN DLA SYSTEMÓW
ŚWIATŁOWODOWYCH ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM DYSPERSJI
CHROMATYCZNEJ
Streszczenie: Prezentowany referat poświęcony jest
wybranym problemom doboru i pomiaru włókien ze
szczególnym uwzględnieniem dyspersji chromatycznej.
Opisano metody pomiaru dyspersji. Przedstawiono typowe
charakterystyki dyspersyjne oraz rozrzut parametrów.
Przedstawiono metodę pomiaru dyspersji chromatycznej
krótkich włókien światłowodowych.
1. WSTĘP
Jeszcze niedawno wydawało się, że włókno
jednomodowe ma niemal nieograniczone możliwości
transmisyjne. Gwałtownie rosnące zapotrzebowanie na
przepływność wraz z pojawianiem się możliwości
realizacji
systemów
o
coraz
to
większych
przepływnościach (co umożliwiał rozwój technologii w
zakresie
źródeł, włókien, odbiorników i optyki
zintegrowanej) stymulowało konstruowanie nowych
systemów. Głównym ograniczeniem ze strony włókien
była dyspersja chromatyczna i wysiłki konstruktorów
skupiały się na walce z nią. Systemy WDM, z natury
ułatwiające podział i zagospodarowanie pasma, można
również traktować jako narzędzie ograniczające wpływ
dyspersji, znacznie mniejszy w poszczególnych
kanałach. Jednak wynikające z sumowania mocy
poszczególnych kanałów, duże ponadprogowe gęstości
energii propagowane w włóknie oddziaływują z
ośrodkiem uaktywniając różne efekty nieliniowe, które
mogą w różny sposób degradować jakość transmisji.
Historia rozwoju konstrukcji jednomodowych
włókien światłowodowych ściśle wiąże się z historią
poznawania ograniczeń transmisji we włóknach
jednodomowych, a kolejne specyficzne rozwiązania
mają na celu odsuwanie tych ograniczeń. Obecnie
istnieje wiele rodzajów włókien jednomodowych (np.
ITU-T G.652 do 655) różniących się przede wszystkim
przebiegiem charakterystyk dyspersji chromatycznej, ale
też innymi parametrami.
Projektując
zaawansowany
system
światłowodowy, a jednym z elementów tego
projektowania jest dobór charakterystyk włókna,
trzeba wziąć pod uwagę wszystkie zjawiska, które
mogą wpływać na jego pracę i uwzględnić
współzależności i możliwości ich wzajemnej
kompensacji. Tylko takie podejście może dać
satysfakcjonujący wynik. Wybór włókna nie jest więc
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005
trywialnym problemem, musi ono być dopasowane
do systemu, a do niego z kolei trzeba dopasować
elementy i przedsięwzięcia optymalizujące parametry
transmisyjne.
Zjawiska, które towarzyszą propagacji z dużymi
przepływnościami np. w systemach OTDM lub
propagacji w systemach wielokanałowych WDM i
powinny być uwzględnione w pracach koncepcyjnych to
w zakresie propagacji liniowej:
•
dyspersja chromatyczna i polaryzacyjna,
•
przeniki
międzykanałowe
mogą
być
spowodowane nieidealnymi właściwościami wielu
elementów systemu, jednak największy wpływ na nie
mają nieidealne charakterystyki filtrów WDM,
•
nierównomierność
charakterystyki
częstotliwościowej włókna i elementów składowych
systemu w tym efekty akumulacyjne.
w zakresie propagacji nieliniowej:
•
rozpraszanie Ramana - to szerokopasmowe
zjawisko i przejawia się poprzez dwa efekty: zmianę
natężenia światła w poszczególnych kanałach oraz
poprzez międzykanałowy przenik zdalny. Pierwszy z
nich można kompensować odpowiednią charakterystyką
wzmocnienia, drugi ogranicza wyraźnie maksymalną
moc jaką można transmitować w kanale składowym
WDM ze względu na pogorszenie stosunku sygnału do
szumu i co za tym idzie stopy błędów. Przykładowo, dla
przypadku 8 kanałów WDM położonych w odstępach
1nm i linii o długości 1000km, transmisja sygnałów o
poziomach mocy 10dBm spowoduje pogorszenie SNR o
0,5dB w stosunku do transmisji o znacznie niższych
poziomach mocy. Ze wzrostem długości linii,
ograniczenie szybko się zaostrza.
•
rozpraszanie Brillouina - energia rozpraszana jest
wstecznie, a więc zjawisko ma szczególne znaczenie w
przypadku dwukierunkowej transmisji w jednym
włóknie
lub
w
przypadku
silnych
odbić
(niedopasowania). Rozpraszanie Brillouina powstaje
przy znacznie niższych mocach niż ramanowskie
(praktycznie już powyżej mocy 2,4mW w liniach
dłuższych niż 20km). Ponieważ kierunki transmisji w
systemach WDM są zwykle dzielone przestrzennie,
niekorzystne efekty występuje tylko w przypadku odbić
1/5
www.pwt.et.put.poznan.pl
(procesy łączenia włókien powinny być sterowane przy
pomocy algorytmów uwzględniających typ włókna)
•
efekt Kerra - opisuje zależność współczynnika
załamania światła w szkle kwarcowym od jego natężenia
uwzględniając niewielką składową nieliniową tego
współczynnika. Efekt ten generuje szereg zjawisk:
⇒ własną modulację fazy. Jest to konsekwencja
wynikająca z istnienia efektu Kerra. Polega ona na
tym, że rosnąca moc zwiększa współczynnik
załamania co powoduje zmianę fazy, a więc i
długości fali sygnału. Przy niedużych odległościach
SPM można wykorzystać do kompensacji
niewielkiej dodatniej dyspersji. W przypadku
systemu WDM efekt ten ma znacznie poważniejsze
konsekwencje objawiając się jako:
⇒ skrośną modulację fazy. W tym przypadku sygnał
transmitowany w kanale o długości fali λ1
wpływając na wartość współczynnika załamania a
więc i prędkość propagacji powoduje modulację
sygnału w innym kanale pracującym z długością
fali λ2. W kanale tym mogą się zatem pojawić
zmieniające się w czasie przesunięcia λ oraz jitter
fazy impulsów.
⇒ mieszanie czterofalowe. Jest także efektem
spowodowanym
nieliniową
charakterystyką
współczynnika załamania i powoduje wzbogacanie
się widma propagowanego sygnału o nowe
składowe
wynikające
z
odpowiednich,
spełniających
zasadę
zachowania
energii,
kombinacji
sum
i
różnic
pierwotnych
częstotliwości. Efekt ten występuje tym silniej im
bliżej siebie leżą pierwotne kanały składowe i może
powodować znaczącą degradację SNR na zasadzie
przeników międzykanałowych.
Z powyższego przeglądu wynika jednoznacznie, że
nie można optymalnie wybrać włókna, nie znając
pozostałych elementów systemu. Jest natomiast bardzo
wiele możliwości dopasowania systemu do włókna i
poprawienia ich łącznych parametrów dodatkowymi
środkami. Środków tych jest wiele, wśród najprostszych
wymienić można stosowanie włókien transmisyjnych o
niewielkiej
dodatniej
dyspersji
chromatycznej,
kompensującej SPM, poprzedzielanych krótkimi, a więc
nie wprowadzającymi efektów nieliniowych, odcinkami
o dużej ujemnej dyspersji (do kompensacji można
również stosować elementy skupione np. siatki Bragga),
zwiększanie odstępów między kanałami, stosowanie
niejednakowych
odstępów
międzykanałowych,
precyzyjny
wybór
charakterystyk
emisyjnych
nadajników, właściwy dobór długości fal, praca niezbyt
dużymi poziomami mocy (ewent. zastosowanie
kodowania), właściwy wybór typów i sposobów
zastosowania wzmacniaczy itd.
Trzeba
jednak
podkreślić
konieczność
przeprowadzania, ze względu na wielość parametrów,
oddzielnej optymalizacji dla każdego przypadku.
Stosowane
obecnie
chętnie
włókna
NZ-DSF
dedykowane do zastosowań w szybkich systemach
DWDM są projektowane na zasadzie różnych
kompromisów, stąd różne charakterystyki w różnych
wykonaniach, dopasowane do firmowego sprzętu,
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005
dodatkowo nie ułatwiają wyboru. Nie można wykluczyć,
że w przypadku małych odległości między kanałami
(znaczący
FWM)
i
stosunkowo
niedużych
przepływności sygnałów składowych, lepszy efekt
łatwiej uzyskać dla włókna standardowego (G.652), a
dla transmisji w trzecim oknie, dla włókna z zerem
dyspersji w tym oknie (G.654). Z powyższych
rozważań wynika, że precyzyjna znajomość różnych
parametrów włókien jest kluczowa dla podjęcia
właściwych decyzji podczas projektowania systemu
światłowodowego.
Krytyczne parametry decydujące o jakości
transmisji mogą być określone poprzez:
- pomiar strat połączeń,
- pomiar odbić
- pomiar mocy i strat,
- pomiar dyspersji polaryzacyjnej,
- pomiar dyspersji chromatycznej,
- pomiar tłumienności spektralnej,
- pomiar parametrów DWDM,
- pomiar stopy błędu,
- pomiar SONET/SDH,
Szczególnie istotna jest dokładna znajomość
charakterystyki dyspersji chromatycznej.
2. PROBLEMY DYSPERSJI CHROMATYCZNEJ
Dyspersja chromatyczna oznacza zależność
prędkości propagacji światła w funkcji długości fali.
Powoduje
zwiększanie
szerokości
impulsów
propagujących się w światłowodzie i w rezultacie może
prowadzić do zachodzenia na siebie impulsów i wzrostu
stopy błędu. DC jest więc czynnikiem ograniczającym
przepływność i zasięg systemu transmisyjnego.
Ograniczenie efektów dyspersyjnych polega na
zastosowaniu
kompensatorów.
Efektywna,
szerokopasmowa
kompensacja
wymaga
przeprowadzenia dokładnych pomiarów wartości
dyspersji chromatycznej oraz jej nachylenia. Wymagania
na dokładność kompensacji wzrastają ze wzrostem
przepływności (4-ro krotny wzrost przepływności
oznacza 16-to krotne obniżenie dopuszczalnej wartości
dyspersji).
Ponieważ dyspersja chromatyczna współdecyduje o
przepustowości włókna, maksymalna jej wartość wynika
z wymaganej przepływności binarnej. W tabeli podano
przykładowe wartości [1].
Przepływność binarna
[GB/s]
Maksymalna dyspersja
chromatyczna
[ps/nm]
2,5
18 817
10
1176
40
73,5
Opóźnienie grupowe τ(λ) impulsów propagujących
się we włóknie światłowodowym jest proporcjonalne do
przebytej drogi L i zależy od długości fali λ. Zależne od
czasu opóźnienie oznacza, że impulsy o skończonej
szerokości spektralnej będą ulegały dyspersyjnemu
2/5
www.pwt.et.put.poznan.pl
poszerzeniu. Dyspersja chromatyczna będąca pochodną
opóźnienia grupowego względem czasu jest miarą
wzrostu szerokości impulsu o określonej szerokości
widma po przebyciu włókna o długości L. Minimum
zależności opóźnienia grupowego w funkcji długości fali
wyznacza miejsce λ0, w którym dyspersja uzyskuje
wartość równą zeru D(λ0)=0. W tym punkcie włókno
posiada największe pasmo. Bardzo ważnym parametrem
jest nachylenie charakterystyki dyspersyjnej w punkcie
λ0, które pokazuje szybkość wzrostu dyspersji przy
odchyleniu od punktu zerowego. Przebiegi dyspersyjne
różnych typów włókien opisują jednoznacznie
zdefiniowane równania, które stosowane są do
interpolacji danych pomiarowych oraz wyznaczenia λ0 i
nachylenia dyspersji.
Klasyczna metoda określenia dyspersji zakłada
bezpośredni pomiar czasu opóźnienia grupowego
metodą
przesunięcia
fazowego
sinusoidalnie
zmodulowanego sygnału optycznego [2, 3]:
τ (λ) =
Rys.1. Współczynnik dyspersji, włókno SMF, długość
60,476 km
ϕ
2πf
Następnie
zmierzone
wartości
opóźnienia
dopasowywane są do funkcji opisującej określony typ
włókna i w rezultacie wyznaczana jest dyspersja, λ0 i
nachylenie. Tak więc w metodzie tej, przed
przeprowadzeniem pomiaru, konieczna jest znajomość
typu włókna. Jednakże w pewnych sytuacjach (nowe
typy włókien, lub włókna specjalne) informacje te mogą
nie być dostępne. Ograniczeń takich nie posiada metoda
wykorzystująca różnicowe przesunięcie fazy.
Metoda różnicowego przesunięcia fazy [3] polega
na pomiarze różnicy czasu opóźnienia grupowego ∆τ dla
dwóch blisko siebie ∆λ położonych długości fal λ1 i λ2.
W rezultacie otrzymujemy wprost wartość dyspersji dla
długości fali λi położonej pomiędzy λ1 oraz λ2:
Rys.2. Opóźnienie grupowe, włókno SMF, długość
60,476 km
⎛ ∆τ ⎞ 1
D(λi ) = ⎜
⎟
⎝ ∆λ ⎠ L
To podejście jest poprawne dla wszystkich typów
włókien i nie wymaga żadnych założeń dotyczących
przebiegu dyspersji.
Główną zaletą metody różnicowego przesunięcia
fazy jest bezpośredni odczyt dyspersji.
2. PROBLEMY DYSPERSJI CHROMATYCZNEJ
W prezentowanej pracy zaprezentowano wyniki
pomiarów polowych włókien o długościach od 47 do
120 km. Pomiary wykonane były na standardowych
włóknach (SSMF) oraz włóknach z niezerowa,
przesuniętą dyspersją (NZDSF). Wykonano próbne
pomiary dyspersji chromatycznej bardzo krótkich
włókien SSMF o długości 100 m.
Przykładowe wyniki pomiarów parametrów
dyspersyjnych (współczynnik dyspersji, opóźnienie
grupowe, nachylenie charakterystyki dyspersyjnej oraz
całkowita dyspwrsja) standardowego SSMF włókna o
długości 60,5 km pokazano na rysunkach 1-4.
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005
Rys.3. Nachylenie dyspersji, włókno SMF, długość
60,476 km
3/5
www.pwt.et.put.poznan.pl
Rozkłady statystyczne rozrzutu dyspersji pokazano na
Rys. 7 i 8. W przypadku włókien standardowych rozkłady
wyznaczono dla trzech długości fal: 1510nm, 1550nm oraz
1610nm.
Rys.4. Dyspersja całkowita, włókno SMF, długość
60,476 km
Uzyskane wartości, dla określonych parametrów
widma nadajniki, umożliwiają określenie maksymalnej
przepływności binarnej lub mogą być wykorzystane do
określenia właściwości kompensatora dyspersji.
W systemach o dużych przepływnościach, w
których kompensacja dyspersji musi być bardzo
precyzyjna, uzasadnione jest pytanie o rozrzut
paramentów dyspersyjnych w obrębie danego typu
włókna.
Na rysunkach 5 oraz 6 pokazano wyniki pomiarów
dyspersji chromatycznej dla 48 włókien SSMF i 67
włókien NZDSF.
Rys.7. Rozkład współczynnika dyspersji włókien SMF,
dla trzech długości fal: 1510nm, 1550nm oraz 1610nm
Natomiast dla włókien NZDSF rozkłady pokazano dla
czterech długości fal: 1440nm, 1510nm, 1550nm oraz
1610nm.
Rys.8. Rozkład współczynnika dyspersji włókien
NZDSF, dla czterech długości fal: 1440nm, 1510nm,
1550nm oraz 1610nm
Rys.5. Współczynnik dyspersji, włókna SMF
Rys.6. Współczynnik dyspersji, włókna NZDSF
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005
W przypadku długich włókien (2-100 km) uzyskuje się
bardzo dobrą powtarzalność pomiarów obarczonych
niewielkim błędem pomiarowym.
Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku
pomiaru bardzo krótkich włókien, dla których mierzone
wartości opóźnienia grupowego są na granicy możliwości
przyrządów pomiarowych. Generalnie metoda różnicowego
przesunięcia fazy, dająca wprost wartości dyspersji pary
blisko siebie położonych długości fal nie wymaga
dopasowywania
wyników
do
znanego
typu
charakterystyki dyspersyjnej włókna. Jednakże, gdy
wyniki pomiarowe obarczone są dużym błędem znajomość
typu dyspersji jest nieoceniona. Problem pomiaru dyspersji
krótkich włókien ilustrują rysunki 9-12.
Na Rys. 9 pokazano punkty pomiarowe oraz
charakterystykę dyspersyjną włókna SSMF uzyskaną
poprzez dopasowanie do pięcioskładnikowej funkcji
Sellmeiera. Funkcja Sellmeiera generalnie uważana jest
4/5
www.pwt.et.put.poznan.pl
za najbardziej uniwersalną [3], która z powodzeniem
stosowana jest dla wszystkich typów przebiegu
charakterystyk dyspersyjnych włókien. Jednak, w
przypadku wyników obarczonych dużym błędem,
„elastyczność” jest nie jest wskazana.
Rys.12. Współczynnik dyspersji, długość włókna 100 m,
aproksymacja 3 składnikowa Sellmeiera, wartość średnia
trzech pomiarów
3. PODSUMOWANIE
Rys.9. Współczynnik dyspersji, długość włókna 100 m,
aproksymacja 5 składnikowa Sellmeiera
Zdecydowanie lepsze wyniki można uzyskać stosując
trójskładnikową funkcji Sellmeiera. Wyniki dla tych
samych punktów pomiarowych pokazano na Rys. 10.
Rys.10. Współczynnik dyspersji, długość włókna 100 m,
aproksymacja 3 składnikowa Sellmeiera
Na rysunkach 11 i 12 pokazano analogiczne
charakterystyki uzyskane jednak dla uśrednionych wartości
trzech cykli pomiarowych. Uśrednianie nie doprowadziło do
eliminacji błędu związanego z aproksymacją za pomocą
piecio-składnikowej funkcji Sellmeiera.
Warto zauważyć, że przytoczone wyniki pomiarów
wskazują na stosunkowo duży rozrzut
wartości
dyspersji poszczególnych włókien.
Dla mierzonych włókien maksymalne różnice
sięgają 1,2 ps/nm/km co znaczy, że względne rozrzuty są
znacznie większe dla włókien NZDSF. Znaczy to
również, że nawet jeśli w projekcie przewidziana
zostanie kompensacja wartości średniej dyspersji, to i tak
niektóre włókna znacząco ograniczą przepływność
transmitowanych sygnałów. Przy założeniu typowej w
systemach WDM szerokości widma emisyjnego lasera
wynoszącej ok. 0,2 nm graniczna przepływność dla
odcinka takiego włokna o długości np. 300 km (typowo
w warunkach Polski) wyniesie ok. 14 Gb/s. Wynika z
tego konieczność przeprowadzenia pomiarów dyspersji
już po projektowanym skompensowaniu włókien i
wtórne
precyzyjne
dokompensowanie
dyspersji
niektórych z nich.
W pracy przedstawiono również problemy i
metodykę wyznaczenia charakterystyk dyspersyjnych
bardzo krótkich odcinków włókien.
SPIS LITERATURY
[1] The EXFO Application note # 086
[2] K. Perlicki, Pomiary w optycznych systemach
telekomunikacyjnych, WKŁ Warszawa 2002
[3] FD400 Series Operators Manual, materiały firmy
GN NetTest
Rys.11. Współczynnik dyspersji, długość włókna 100 m,
aproksymacja 5 składnikowa Sellmeiera, wartość średnia
trzech pomiarów
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005
5/5