Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Оптическое волокно
Можно выделить три основные явления в оптическом волокне, ограничивающие характеристики систем WDM - это хроматическая дисперсия, поляризационная модовая дисперсия и нелинейные оптические эффекты.
1. Хроматическая дисперсия
Рис.1. Зависимость хроматической дисперсии от длины волны
Важной оптической характеристикой стекла, используемого при изготовлении волокна, является дисперсия показателя преломления, проявляющаяся в зависимости скорости распространения сигнала от длины волны – материальная дисперсия. Кроме этого, при производстве одномодового волокна, когда кварцевая нить вытягивается из стеклянной заготовки, в той или иной степени возникают отклонения в геометрии волокна и в радиальном профиле показателя преломления. Сама геометрия волокна вместе с отклонениями от идеального профиля также вносит существенный вклад в зависимость скорости распространения сигнала от длины волны, это – волноводная дисперсия. Совместное влияние материальной и волноводной дисперсий называют хроматической дисперсией волокна [1], рис.1. Исходный канал представлен не единственной длиной волны, а группой длин волн в узком спектральном диапазоне – волновым пакетом. Так как различные длины волн распространяются с разными скоростями (или точнее, с разными групповыми скоростями), то оптический импульс, имеющий на входе линии связи строго прямоугольную форму, по мере прохождения по волокну будет становиться все шире и шире. При большом времени распространения в волокне этот импульс может смешаться с соседними импульсами, затрудняя точное их восстановление. С увеличением скорости передачи и длины линии связи влияние хроматической дисперсии возрастает.
Хроматическая дисперсия, как уже говорилось, зависит от материальной и волноводной составляющих. При некоторой длине волны хроматическая дисперсия обращается в ноль – эту длину волны называют длиной волны нулевой дисперсии. Одномодовое кварцевое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления обладает нулевой дисперсией на длине волны 1310 нм. Такое волокно часто называют волокном с несмещенной дисперсией[4]. Волноводная дисперсия в первую очередь определяется профилем показателя преломления сердцевины волокна и внутренней оболочки. В волокне со сложным профилем показателя преломления, изменяя соотношение между дисперсией среды и дисперсией волновода, можно не только сместить длину волны нулевой дисперсию, но и подобрать нужную форму дисперсионной характеристики, т.е. форму зависимости дисперсии от длины волны.
Форма дисперсионной характеристики является ключевой для систем WDM, в особенности, по волокну со смещенной дисперсией. Кроме параметра используют параметр , описывающий наклон дисперсионной характеристики на длине волны , рис. 5. В общем случае, наклон на других длинах волн отличается от наклона при длине волны . Текущее значение наклона определяет линейную составляющую дисперсии в окрестности .
Рис. 5. Основные параметры зависимости хроматической дисперсии от длины волны: – длина волны нулевой дисперсии и – наклон дисперсионной характеристики в точке нулевой дисперсии
Хроматическую дисперсию (обычно измеряется в пс) можно рассчитать по формуле
,
где – коэффициент хроматической дисперсии (пс/(нм*км)) , а – протяженность линии связи (км). Заметим, что данная формула не точна в случае ультра узкополосных источников излучения [1].
На рис. 6 раздельно показаны зависимости волноводной дисперсии для волокна с несмещенной (1) и смещенной (2) дисперсией и материальной дисперсии от длины волны.
Рис. 6 Зависимость дисперсии от длины волны (хроматическая дисперсия определяется как сумма материальной и волноводной дисперсий.)
Хроматическая дисперсия системы передачи чувствительна к[4]:
На нее в меньшей степени влияют:
Хроматическая дисперсия уменьшается при:
В системах WDM с обычным стандартным волокном хроматической дисперсии следует уделять особое внимание, так как она велика в области длины волны 1550 нм.
2. Поляризационная модовая дисперсия
Описать характеристики идеального оптического волокна относительно просто. Они включают характеристики распространения мощности по волокну, моды с заданным состоянием поляризации на заданной длине волны и некоторые другие характеристики. Однако когда волокно уложено в кабель, а кабель затем прокладывают в разнообразных местах и эксплуатируют при различных условиях, то волокно в кабеле становится далеко неидеальным. Возникающие в процессе производства волокна напряжения приводят к остаточным напряжениям в его сердцевине и оболочке, вызывая в дальнейшем трудной предсказываемые явления двойного лучепреломления[3], рис. 7. Кроме этого, механические воздействия на волокно в скрученном кабеле создают несимметричные напряжения, увеличивающиеся при его намотке. И, наконец, во время монтажа кабель непрерывно подвергается напряжениям. Это и установка арматуры, и прокладка в канализации, подсоединение соединительных муфт и т.д. Все эти механические воздействия ведут к локальным, псевдослучайно распределенным деформациям волокна, которые нарушают геометрию волокна или соосность сердцевины и оболочки.
Рис. 7 Поляризационная модовая дисперсия PMD чувствительна к колебаниям температуры, механическим напряжениям и искажениям геометрии волокна
Поляризационная модовая дисперсия – это основной механизм, с помощью которого все дефекты волокна проявляются на характеристиках системы передачи.
В любой точке волокна импульс поляризованного оптического излучения можно разложить на поляризационные составляющие с двумя взаимно ортогональными состояниями поляризации, направленными вдоль двух локально ортогональных осей волокна, так называемых, быстрой и медленной осей. Отметим, что эти оси не обязательно соответствуют состоянию линейной поляризации. На практике, в уложенном в кабель волокне направление этих осей и относительная разность скоростей распространения по каждой оси (непосредственно зависящих от величины локального двулучепреломления) изменяются вдоль оптического пути. Для идеализированной модели явление PMD можно представить так, что различные участки волокна имеют постоянные, но различные на каждом участке направления осей двулучепреломления. (Локальное изменение ориентации главных осей двулучепреломления волокна известно как явление связи мод.) На каждом участке волокна возникнет временная задержка между компонентами оптического сигнала, разложенного по быстрой и медленной осям. Из-за того, что направление осей двулучепреломления соседних участков волокна меняется случайным образом, форма и границы оптического импульса претерпевают статистическое временное расплывание[5].
Для каждой выделенной длины волны излучения можно подобрать такую ориентацию плоскости поляризации оптического импульса на входе, что импульс при прохождении волокна не будет испытывать никакого расплывания (по крайней мере, на достаточно коротком интервале времени измерения, когда можно пренебречь изменениями внешних факторов).
Действительно, существуют два взаимно ортогональных состояния поляризации, называемые основными состояниями поляризации PSP (Principal State of Polarization). Одно из них соответствует самому быстрому, а другое самому медленному времени распространения импульса по волокну. Разница времен распространения называется дифференциальной групповой задержкой DGD (Differential Group Delay), соответствующей данной длине волны. Величина задержки PMD определяется как значение DGD усредненное по длинам волн[1], рис. 8.
Рис. 8 Значение величины DGD, усредненное по рабочему диапазону длин волн, определяет значение PMD для волокна
Так как отдельные факторы, вызывающие поляризационная модовую дисперсию PMD, невозможно выделить и измерить, то явление PMD следует рассматривать как непрерывный и нестационарный стохастический процесс. Этот процесс приводит к уширению информационных оптических импульсов, что может ухудшить качество сигнал при его декодировании приемником, рис. 9. Таким образом, поляризационная модовая дисперсия является существенным фактором, ограничивающим скорость передачи по волокну[3].
Рис. 9 Передаваемые биты информационного сигнала (0, 1) по мере распространения по волокну уширяются так, что не могут быть обнаружены фотоприемником
PMD измеряется в пс для каждого конкретного участка проложенного волокна в линии связи[1], рис. 10.
Рис. 10 Пример измерения PMD интерферометрическим методом
Для вычисления PMD линии связи, состоящей из нескольких участков, выполняют процедуру статистического суммирования. Общая поляризационная модовая дисперсия линии связи определяется как квадратный корень из суммы квадратов PMD отдельных участков, образующих линию связи:
Если, например, 9 из 10 участков линии имеют PMD по 0,2 пс каждая, а PMD десятого участка составляет 2 пс, то общая величина PMD линии будет равна 2,088 пс. Иными словами один плохой участок волокна портит общую картину для всей линии связи. Поэтому необходимо проводить тестирование всех участков линии в сети связи. Нет никаких оснований полагать, что если несколько измеренных участков имеют малые задержки PMD, то и вся линия будет иметь приемлемое значение PMD[5].
Влияние PMD на качество сигнала в линии связи возрастает при:
Уменьшение частотного разнесения каналов влияет на PMD незначительно. Однако PMD можно уменьшить, тщательно контролируя геометрию волокна или увеличивая связь мод в волокне (уровень обмена мощностью между основными состояниями поляризации). Влияние технологии компенсации хроматической дисперсии на PMD еще не до конца ясно, но исследования в этом направлении продолжаются.
Явление PMD является серьезным препятствием при установке систем WDM на сетях с обычным волокном. При использовании новых типов волокна проблема PMD не стоит столь остро.
Критерии для оценки удельного коэффициента PMD, обеспечивающие необходимый относительный уровень ошибок по битам приемника, разработаны и предложены ITU, Табл. 1. Коэффициент PMD характеризует само волокно и как было указано выше измеряется в единицах пс/км½.[1]
|
Битовая скорость (Гбит/с) |
Максимальная задержка PMD (пс) |
Коэффициент PMD для волокна длиной 400 км (пс/км½) |
|
2,5 |
40 |
2,0 |
|
10 |
10 |
0,5 |
|
20 |
5 |
0,25 |
|
40 |
2,5 |
0,125 |
Таблица. 1 Максимальное значение PMD для заданной скорости передачи
На рис. 11 представлены критерии PMD в другой форме. Для каждой из трех стандартных скоростей передачи даны зависимости дополнительного запаса мощности приемника для надежного декодирования сигнала от заданной дифференциальной групповой задержки (т.е. разности групповых скоростей распространения основных состояний поляризации
Рис. 11 Дополнительный запас по чувствительности, связанный с PMD.
3. Нелинейные эффекты
Нелинейные эффекты в волоконной оптике подобны нелинейным эффектам в других физических системах (механических или электронных). Они порождают генерацию паразитных гармоник на частотах равных сумме или разности основных частот системы. Эти дополнительные сигналы приводят к непредсказуемым явлениям потерь в оптических сетях связи.
Нелинейность волокна не является дефектом производства или конструкции волокна. Это неотъемлемое свойство материальной среды при распространении в ней любой электромагнитной энергии. Как разработчикам, так и операторам волоконно-оптических сетей связи следует учитывать нелинейные эффекты из-за высокой когерентности используемого лазерного излучения. При заданном уровне передаваемой мощности напряженность электрического поля возрастет с увеличением степени когерентности излучаемых волн.
Таким образом, в системах WDM c высокой степенью когерентности оптические сигналы даже умеренной мощности могут приводить к нелинейным явлениям.
Нелинейность волокна становится ощутимой, когда интенсивность лазерного излучения (мощность на единицу поперечного сечения) достигает порогового значения. Кроме того, влияние нелинейностей обнаруживается после прохождения сигналом некоторого пути по волокну в зависимости от параметров, конструкции волокна и условий его работы.
Рис. 12. Нелинейность проявляется при высоком уровне мощности
Действительно, напряженность электрического поля распространяющегося оптического сигнала пропорциональна его мощности , умноженной на квадратичную по полю нелинейную добавку показателя преломления волокна и деленной на эффективную площадь сердцевины волокна , и может быть представлена как[1]:
, где – затухание в волокне, – фаза распространяющейся волны, а – коэффициент нелинейности, равный . Если предположить, что оптическое излучение распространяется в волокне в виде гауссова пучка, то эффективную площадь можно выразить через диаметр модового поля волокна (Mode Field diameter):
Для волокон со смещенной дисперсией и с ненулевой смещенной дисперсией эффективная площадь приблизительно равна 50-60 мкм2, в то время как для волокна со смещенной дисперсией она составляет около 80 мкм2. Иногда используют понятие эффективной длины волокна ( ~ ), дающей тот же эффект, что и величина . Для типичного одномодового волокна .составляет 20 км.
В зависимости от характера поведения нелинейного коэффициента все нелинейные явления можно разделить на две категории. Это явления рассеяния (когда действительная часть коэффициента дает усиление или затухание) и явления преломления (когда мнимая часть коэффициента приводит к фазовой модуляции).
В явлениях рассеяния сигнал лазера рассеивается на звуковых волнах (акустических фононах) или на молекулярных колебаниях волокна (оптических фононах) и смещается в область более длинных волн. Имеют место два следующих эффекта рассеяния:
В явлениях, зависящих от показателя преломления, при высоком уровне мощности сигнала необходимо учитывать нелинейность показателя преломления:
, где – показатель преломления волокна, – коэффициент нелинейности показателя преломления волокна ((2…3)10-16 см2/Вт для кварцевого волокна), – интенсивность оптического сигнала. К явлениям, зависящим от показателя преломления, относятся:
3.1 Четырехволновое смешение
Более подробно рассмотрим четырехволновое смешение FWM (Four-Wave Mixing) является одним из самых вредных нелинейных оптических явлений в системах WDM. При достижении критического уровня мощности излучения лазера нелинейность волокна приводит к взаимодействию трех волн с частотами ,, и появлению новой четвертой волны на частоте . Некоторые частоты таких ложных сигналов могут попасть в рабочие полосы пропускания каналов. Число таких ложных сигналов определяется соотношением:
,
где – число каналов, передающих сигналы. Таким образом, в четырехканальной системе WDM возникает 24 ложных сигнала, а в 16-канальной уже 1920, рис. 13. Помехи такого типа могут стать катастрофическими для приемного устройства на конце линии[1].
,
Рис. 13. Четырехволновое смешение приводит к появлению нежелательных сигналов в спектральном диапазоне систем передачи Четырехволновое смешение чувствительно к:
Действие четырехволнового смешения нужно учитывать в системах, использующих волокно со смещенной дисперсией. Оно менее критично в волокнах с ненулевой смещенной дисперсией, особенно в волокнах с большой эффективной площадью. Увеличение скорости передачи в канале незначительно влияет на эффективность четырехволнового смешения.
Влияние четырехволнового смешения уменьшается при:
Явление четырехволнового смешения менее опасно в системах DWDM, использующих волокно с несмещенной дисперсией на длине волны 1550 нм, так как дисперсионная характеристика в этом случае относительно пологая. Для волокна со смещенной дисперсией дисперсионная кривая имеет крутой наклон в этом диапазоне и явление FWM необходимо учитывать[4].