Виды и компенсирующие методы дисперсии в ВОСП

Виды и компенсирующие методы дисперсии в ВОСП

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

Московский технический университет связи и информатики

Курсовая работа

по предмету: Инновационный менеджмент

на тему: «Виды и компенсирующие методы дисперсии в ВОСП»

Выполнил:

Аль-Сарори М.М.

Проверил:

доцент Сиднев С.А.

Москва, 2013

Оглавление

Введение

1.      Дисперсия сигналов в оптическом волокне <#"696828.files/image001.gif">

Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:

·              различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией t_mod),

·              направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией t_w),

·              свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией t_mat).

Рис. 1.1. Виды дисперсии

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия t определяется из формулы

t² = t²_mod + t²_chr = t²_mod + (t_mat + t_w)²

.1 Межмодовая дисперсия и полоса пропускания

Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне (рис. 2.3 а, б). Для ступенчатого многомодового волокна и градиентного многомодового волокна с параболическим профилем показателя преломления (2-9) ее можно вычислить соответственно по формулам:

где L_c - длина межмодовой связи (для ступенчатого волокна порядка 5 км, для градиентного - порядка 10 км).

Изменение закона дисперсии с линейного на квадратичный связано с неоднородностями, которые есть в реальном волокне. Эти неоднородности приводят к взаимодействию между модами, и перераспределению энергии внутри них. При L > L_c наступает установившийся режим, когда все моды в определенной установившейся пропорции присутствуют в излучении. Обычно длины линий связи между активными устройствами при использовании многомодового волокна не превосходят 2 км и значительно меньше длины межмодовой связи. Поэтому можно пользоваться линейным законом дисперсии.

Вследствие квадратичной зависимости от D значения межмодовой дисперсии у градиентного волокна значительно меньше, чем у ступенчатого, что делает более предпочтительным использование градиентного многомодового волокна в линиях связи.

На практике, особенно при описании многомодового волокна, чаще пользуются термином полоса пропускания. При расчете полосы пропускания W можно пользоваться формулой [1]:

= 0,44 / t

Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнюю частоту передаваемых сигналов. Физический смысл W - это максимальная частота модуляции передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия линейно растет с ростом расстояния, то полоса пропускания обратно пропорционально зависит от расстояния.

1.2 Хроматическая дисперсия

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны.

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны

где введены коэффициенты M(l) и N(l) - удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а Dl (нм) - уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как D(l) = M(l) + N(l). Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нм*км). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация M(l) и N(l), а результирующая дисперсия D(l) обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии l₀. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться l₀ для данного конкретного волокна.

Фирма Corning использует следующий метод определения удельной хроматической дисперсии. Измеряются задержки по времени при распространении коротких импульсов света в волокне длиной не меньше 1 км. После получения выборки данных для нескольких длин волн из диапазона интерполяции (800-1600 нм для MMF, 1200-1600 нм для SF и DSF), делается повторная выборка измерения задержек на тех же длинах волн, но только на коротком эталонном волокне (длина 2 м). Времена задержек, полученных на нем, вычитаются из соответствующих времен, полученных на длинном волокне, чтобы устранить систематическую составляющую ошибки.

Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическая формула Селмейера (Sellmeier, [4]): t (l) = A + Bl² + Cl^-2. Коэффициенты A, B, C являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую t (l). Тогда удельная хроматическая дисперсия вычисляется по формуле:

где l₀ = (C/B)^1/4 - длина волны нулевой дисперсии (zero dispersion wavelength), новый параметр S₀ = 8B - наклон нулевой дисперсии (zero dispersion slope, его размерность пс/(нм²*км)), а l - рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия.

а) многомодового градиентного волокна (62,5/125)

б) одномодового ступенчатого волокна (SF)

в) одномодового волокна со смещенной дисперсией (DSF)

Рис. 1.2 Кривые временных задержек и удельных хроматических дисперсий для:

Для волокна со смещенной дисперсией эмпирическая формула временных задержек записывается в виде t (l) = A + Bl + Cl lnl, а соответствующая удельная дисперсия определяется как

со значениями параметров l₀ = e^-(1+B/C) и S₀ = C/l₀, где l - рабочая длина волны, l₀ - длина волны нулевой дисперсии, и S₀ - наклон нулевой дисперсии.

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией простым соотношением t_chr(l) = D(l)·Dl, где Dl - ширина спектра излучения источника. К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более когерентных источников излучения, например лазерных передатчиков (Dl ~ 2 нм), и использование рабочей длины волны более близкой к длине волны нулевой дисперсии.

Технические характеристики взяты у волокон, производимых фирмой Corning.

.3 Поляризационная модовая дисперсия

Поляризационная модовая дисперсия t_pmd (polarization mode dispersion) возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Коэффициент удельной дисперсии T нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность (пс/км^1/2), а t_pmd растет с расстоянием по закону t_pmd=T·L^1/2. Для учета вклада в результирующую дисперсию следует добавить слагаемоеt²_pmd в правую часть (2-13). Из-за небольшой величины t_pmd может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем, когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/c и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.

В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды - две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью Однако на практике волокна имеют не идеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод, рис. 1.3.

Рис. 1.3. Появление поляризационной модовой дисперсии

Избыточный уровень t_pmd, проявляясь вместе с чирпированным модулированным сигналом от лазера, а также поляризационной зависимостью потерь, может приводить к временным колебаниям амплитуды аналогового видеосигнала. В результате ухудшается качество изображения, или появляются диагональные полосы на телевизионном экране. При передаче цифрового сигнала высокой полосы (>2,4 Гбит/с) из-за наличия t_pmd может возрастать битовая скорость появления ошибок.

Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является некруглость (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.

1.4 Учет дисперсии при расчете ВОСП

Для того, чтобы при передаче сигнала сохранялось его приемлемое качество - соотношение сигнал/шум было не ниже определенного значения - необходимо, чтобы полоса пропускания волокна на длине волны передачи превосходила частоту модуляции.

Пример 1. Стандарт Ethernet для многомодового волокна.

Оптический интерфейс 10Base-FL предполагает манчестерское кодирование с частотой модуляции 20 МГц. При использовании светодиодов с D l = 35 нм (850 нм) удельная полоса пропускания для волокна 50/125 составляет 125 МГц*км и при длине оптического сегмента 4 км будет 31 МГц, что больше 20 МГц. То есть с точки зрения дисперсии протяженность в 4 км является допустимой при указанной характеристике оптического передатчика и при данном типе волокна. Однако по затуханию, которое на этой длине волны составляет 3 дБ/км, динамического диапазона у стандартных приемопередатчиков на это расстояние может не хватить. Стандартом Ethernet 10Base-FL установлено допустимое расстояние 2 км, с учетом менее строгих требований как к характеристикам кабельной системы (например, волокно 62,5/125, наличие нескольких сухих соединительных стыков), так и к оптическим приемопередатчикам - оптическим трансиверам Ethernet (например D l = 50 нм).

2. Компенсирующие методы дисперсии в ВОСП

.1 Принципы компенсации дисперсии

Волокно с компенсацией дисперсии является основным компонентом при статическом подавлении хроматической дисперсии. Его отрицательная хроматическая дисперсия в несколько раз превышает положительную хроматическую дисперсию одномодового волокна. Добавление участка волокна с компенсацией дисперсии определенной длины компенсирует дисперсию линии передачи, обращая ее в ноль. Для систем передачи с волновым мультиплексированием (WDM) необходимо также компенсировать и различные наклоны дисперсионных характеристик для разных длин волн передачи. Так как наклоны в основном и компенсирующем волокне не совпадают точно, то и не происходит идеального зануления дисперсии. В итоге, накопленная дисперсия системы передачи изменяется с длиной волны (см. рис. 2.1).

Такие графики полезны для наглядного представления воздействия на хроматическую дисперсию, но существует много методик компенсации дисперсии, которые легче понять, рассматривая хроматическую дисперсию как фазовый сдвиг между разными длинами волн сигнала. В компенсирующем волокне фазовый сдвиг постоянен, что предполагает только статический метод компенсации. Изменяющийся фазовый сдвиг дает возможность перестраивать или динамически изменять величину компенсации.

Существует множество методов, позволяющих получить необходимые фазовые сдвиги. Некоторые методы оказывают периодические по длине волны (частоте) изменения фазовых сдвигов. Если сопоставить пики этих изменений с оптическими каналами в стандартном частотном плане DWDM, то перестройка дисперсии станет возможной сразу на нескольких разных каналах. Ряд методик ограничивает свое воздействие одной определенной длиной волны.

2.2 Волоконные брэгговские решетки

Одна из наиболее развитых методик с перестраиваемой дисперсией основана на свойствах волоконных брэгговских решеток, разработанных ранее для статической компенсации дисперсии. Фазовый сдвиг в компенсаторах на волоконных решетках зависит от модуляции интервалов между зонами с повышенным показателем преломления в решетке. Если эти интервалы возрастают вдоль волоконной решетки, то длинноволновая часть сигнала проникнет глубже в решетку, прежде чем полностью отразится. Это приводит к задержке длинноволновых составляющих относительно коротких. Если расстояние между коротковолновой и длинноволновой частями решетки составляет 1 мм, то длинные длины волн будут задержаны приблизительно на 10 пс.

Фазовый сдвиг, вызываемый волоконной решеткой, можно настраивать изменяя интервалы между зонами с повышенным показателем преломления, изменяя показатель преломления самого волокна и воздействуя на оба эти фактора одновременно. Действуя по отдельности, или одновременно, мы изменяем положение точки отражения для конкретной длины волны в волокне. Необходимые изменения можно получить как нагреванием, так и механическим растяжением волокна.

Дополнительная сложность заключается в том, что линейное воздействие вдоль решетки не обеспечивает различный фазовый сдвиг, необходимый для коррекции хроматической дисперсии. Это воздействие должно быть нелинейным по длине решетки. Необходимую неоднородность (нелинейность) можно получить либо сразу используя волоконную решетку с нелинейными интервалами, либо прилагая к ней неоднородные напряжения. Обычно механические напряжения однородны вдоль волокна в силу его продольной геометрической однородности. Однако можно создать необходимый нелинейный температурный профиль вдоль решетки, регулируя температуру источников тепла.

Все волоконные решетки обладают одним неустранимым недостатком - область их воздействия ограничена узким диапазоном длин волн. В настоящее время этот диапазон охватывает от 1 до 8 оптических каналов DWDM. Возможность перестройки отдельных каналов, конечно, позволяет добиваться лучшей коррекции, но сильно увеличивает число компонентов и стоимость системы передачи.

2.3 Фазовые фильтры и эталоны

Фазовый фильтр (all-pass filter) идеально передает свет на всех длинах волн в своем рабочем диапазоне и может сдвигать фазы на определенных длинах волн. Два важных примера представлены эталонами и кольцевыми резонаторами.

В хорошо известном эталоне Фабри-Перо свет курсирует в резонаторе, ограниченном двумя полупрозрачными зеркалами. Резонанс наступает при условии, что в полный путь света между зеркалами туда обратно D укладывается целое число длин волн l в среде с показателем преломления n, или 2D=Nl/n. Такие резонансные длины волн задерживаются резонатором, что приводит к их фазовому сдвигу относительно других длин волн. Однако, эталон Фабри-Перо не является правильным фазовым фильтром, так как свет может покинуть его из любого из двух зеркал.

Рис. 2.2. Перестраиваемые оптические фазовые фильтры можно построить двумя способами: два фазовращателя помещают в кольцевой резонатор (слева), либо электростатически-управляемая мембрана служит частично пропускающим зеркалом в эталоне Жире-Турнуа (справа)

Менее известный эталон конструкции Жире-Турнуа (Gires-Tournois) действует как фазовый фильтр, так как заднее зеркало является полностью отражающим, и весь свет выходит из частично прозрачного переднего зеркала (см. рис. 2.2). Как и в эталоне Фабри-Перо резонансы возникают, когда полный путь света кратен целому числу длин волн. Свет на резонансных длинах волн испытывает фазовую задержку, проводя больше времени в резонансной полости в сравнении с другими длинами волн.

Рис. 2.3. Фазовая задержка в эталоне Жире-Турнуа меняется периодически.

В применении к системам WDM эти пики разнесены так, чтобы соответствовать стандартным оптическим каналам. При настройке кривая фазовых задержек смещается относительно каналов, что приводит к одинаковому изменению фазовых задержек сразу для нескольких каналов.

Изменяя расстояние между зеркалами можно настроиться на условие резонанса и большую фазовую задержку. В одном из подходов подвижное переднее зеркало перемещается взад-вперед относительно полного отражателя. В качестве альтернативы используют температурную регулировку показателя преломления, что приводит к такому же эффекту фазового сдвига на резонансных длинах волн. Резонансные фазовые сдвиги не проявляются очень резко, а размазаны в некотором диапазоне длин волн (см. рис. 2.3). Обычно считают, что с изменением длины резонатора меняются резонансные длины волн. Однако, в системе WDM длины волн каналов фиксированы, поэтому мы наблюдаем изменение фазовых задержек на этих частотах. (По сути резонансные пики смещаются относительно оптических каналов WDM и происходит изменение фазовых задержек на рабочих частотах). Конструкция эталона допускает возникновение нескольких резонансов на равноотстоящих длинах волн, которые можно сопоставить длинам волн оптических каналов WDM. Таким образом, сразу несколько рабочих каналов могут испытывать фазовую задержку, хотя данный метод не позволяет настраивать разные наклоны дисперсионной кривой.

Другой тип фазового фильтра с перестраиваемой фазовой задержкой в кольцевом резонаторе показан на рис. 2.3. В состав кольца входит пара термооптических фазовращателей, с помощью которых регулируют фазовую задержку и, следовательно, хроматическую дисперсию. (Кольцо с одним фазовращателем обеспечивает постоянную фазовую задержку.) Эта методика не разработана столь хорошо как фазовый фильтр на основе эталона, но допускает исполнение на базе интегральной оптике и обещает налаживание дешевого производства.

2.4 Динамическая компенсация и направления развития

Хроматическую дисперсию можно настраивать и другими способами. Среди наиболее значимых упомянем виртуальную фазовую решетку (virtual phase array). В этом методе свет поступает в эталон под небольшим углом к нормали. Пучок света колеблется между зеркалами эталона и частично выходит при каждом колебании. Эти отдельные пучки взаимодействуют также как, если бы они вышли из массива волноводов или штрихов диффракционной решетки, вызывая фазовые задержки, которые можно настраивать с помощью оптики.

Все методы настройки, в принципе, можно реализовать в двух вариантах. Перестраиваемая система компенсации дисперсии регулируется согласно требованиям системы передачи и эти настройки сохраняются до тех пор, пока система не изменится по каким-либо причинам. В альтернативном, динамическом варианте система мониторинга отслеживает хроматическую дисперсию, а система обратной связи динамически использует данные этих измерений для перестройки компенсатора (см. рис. 2.4).

Рис. 2.4. Динамическая компенсация дисперсии основана на петле обратной связи.

Устройство, измеряющее дисперсию, выдает сигнал управляющей электронике. Та в свою очередь выдает сигнал для устройства компенсации, чтобы уменьшить дисперсию. Одни и те же принципы применимы для компенсации как хроматической, так и поляризационной дисперсии, как одного, так и нескольких каналов.

На практике ключевым моментом оказывается лишь то, настроен компенсатор на отдельный оптический канал, или он воздействует на группу рядом расположенных каналов. Системы с компенсацией отдельных каналов обеспечивают большую точность, но и оказываются намного дороже.

Динамическая компенсация просто необходима в случае поляризационной модовой дисперсии из-за присущих ей вариаций задержки со временем. Измеренные значения задержек PMD поступают в канал обратной связи и далее через цепь управления на устройства коррекции поляризации аналогично схеме, изображенной на рис. 2.4. Используются те же принципы, что и для динамической компенсации хроматической дисперсии, однако все временные характеристики должны быть быстрее.

Компенсация поляризационной модовой дисперсии горячо обсуждалась во времена еще недавнего телекоммуникационного бума. Эта проблема неизбежно возникала в проектах передачи на дальние расстояния на скоростях 40 Гбит/с. Были разработаны многообещающие технологии, но бум прошел и многие эти проблемы были задвинуты в угол, а рынок сосредоточился на решении краткосрочных задач. Резкое падение числа вводимых в строй новых систем также замедлило разработку перестраиваемых компенсаторов хроматической дисперсии.

Пока что разработки еще полностью не остановлены, и исследователи продолжают поиски новых технологий компенсации. Прогнозы предсказывают потребность в них в будущем, но, как и во многих других областях развития, будущее немного задерживается, пока компании решают свои ближайшие проблемы.

Список литературы

1. http://www.teralink.ru/?do=gloss&id=30.

. http://www.teralink.ru/?do=printt&id=79.

. http://www.rfe.by/media/kafedry/kaf2/publications/karikh/OeLab7.pdf.