Файл: Исследования в области новых форматов модуляции стимулируются поиском путей увеличения скорости и снижения стоимости единицы передаваемой информации.pdf

32
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
WDM и оптические сети связи
рическую форму, где можно применять стан- дартные методы мониторинга, такие, как построение Ай-диаграмм и измерение BER,
например, с помощью тестовых сигналов или кодов с обнаружением ошибок (см. врез
ку). Однако следует помнить, что качество электрического сигнала не может в точности соответствовать качеству оптического (из-за дополнительных искажений, возникающих при оптоэлектронном преобразовании).
Ниже описаны некоторые оптические
DWDM-компоненты и способы обнаружения неполадок в их работе.
Фильтр
В DWDM-системах применяются
•
фильтры Фабри – Перо,
•
фильтры на основе волоконных брэгговс- ких решеток (FBG – Fiber Bragg Grating),
•
чирпированные (частотно-модулирован- ные) FBG-фильтры (они также способны ком- пенсировать хроматическую дисперсию),
•
перестраиваемые акустооптические фильтры и пр.
Фильтры входят в состав приемников,
транспондеров, оптических демультиплексо- ров и мультиплексоров ввода/вывода, изо- ляторов и др. устройств.
Измеряя следующие параметры, можно оценить правильность работы фильтра:
•
число оптических каналов на входе и выходе,
•
центральная длина волны (
i
) каждого вы- ходного канала,
•
расстояние между выходными каналами,
•
мощность в каждом канале (на i
),
•
вносимые потери на каждой длине волны i
),
•
поляризационный сдвиг в каждом опти- ческом канале,
•
поляризационно-зависимые потери (PDL –
Polarization Dependent Loss),
•
тонкость фильтрации,
•
температура элемента.
Температура, давление и изменение поля влияют на физические константы фильтра,
а также на многие из вышеперечисленных параметров, тем самым они могут служить источниками неполадок в работе этого элемента. Они также могут привести к усилению нелинейных эффектов, действие которых можно обнаружить, например, пу- тем измерения BER в рабочем и/или в со- седних каналах.
Перестраиваемые акустооптические фильт- ры обладают также и другими потенциаль- ными источниками неполадок, к которым относится сдвиг частоты управляющего ра- диочастотного сигнала, приводящий к изме- нению настройки фильтра, и пр.
Оптический волоконный усилитель
Оптические волоконные усилители (OFA –
Optical Fiber Amplifier) представляют со- бой волокна, легированные редкозе- мельными элементами, например, эрби- ем (EDFA [4]), празеодимом (PDFA –
Praseodymium Doped Fiber Amplifier) и пр. Принцип работы OFA основан на яв- лении усиления света при вынужденном излучении. На функционирование воло- конных усилителей оказывают воздей- ствие различные факторы, в том числе дисперсия и нелинейные эффекты. Ниже показаны параметры, которые необходи- мо измерять для поддержания правиль- ной работы OFA:
•
длина волны накачки,
•
мощность накачки,
•
спектральная ширина (на выходе),
•
усиление в каждом частотном канале,
•
отношение сигнал/шум,
•
температура.
В таблице 1 собраны потенциально опасные ситуации при тестировании параметров
OFA и то, как они могут отразиться на рабо- те волоконного усилителя. Способы обнару- жения наиболее часто встречающихся не- исправностей в работе волоконного усили- теля отражены в таблице 2.
Мультиплексор/демультиплексор
Блок Mux/Demux (мультиплексор/демуль- типлексор) служит для объединения раз- личных оптических каналов в один ин- формационный поток и, наоборот, разби- ения этого потока на каналы. Он может являться составной частью оптических линейных карт, коммутаторов, мультип- лексоров ввода/вывода (в том числе
ROADM [5]) и пр.
Для корректной работы Mux/Demux жела- тельно периодически тестировать
•
число оптических каналов,
•
расстояние между соседними каналами,
•
спектральную ширину каналов,
•
поляризацию,
•
PDL,
•
вносимые потери,
•
температуру.
Наиболее часто встречающийся дефект при функционировании мультиплексора/демуль- типлексора – это ослабление мощности сиг- нала на выходе (на некоторых или на всех длинах волн). В таблице 3 показаны потен- циальные проблемы в работе этого элемен- та и их последствия.
Дефект
Метод обнаружения
Потеря мощности накачки
Измерение мощности накачки
Увеличение шумов и рост нелинейных эффектов
Измерение BER
Контроль параметров Ай-диаграммы
Снижение усиления
Измерение мощности сигнала
Таблица 2

Способы обнаружения дефектов в работе волоконного усилителя
Потенциально опасные ситуации
Возможные последствия
Частотная дискриминация
Смещение частотных границ каналов, перекрест- ные помехи и, как следствие, перекрытие «зрач- ка» Ай-диаграммы, увеличение BER
Уширение спектра канала
Снижение мощности на канал, перекрестные по- мехи, увеличение BER
Сбои в работе разветвителя
Снижение мощности вплоть до потери сигнала на некоторых или всех длинах волн
Вращение поляризации
Изменение мощности сигнала, увеличение вноси- мых потерь
Повышение температуры
Изменение параметров устройства, сдвиг фаз,
повышение вносимых потерь
Таблица 3
Потенциальные дефекты в работе мультиплексора/демультиплексора
и их последствия

33
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
Передатчик на основе лазера
Тестируемыми параметрами являются:
•
выходная мощность,
•
длина волны,
•
ширина спектра,
•
эффективность электрооптического пре- образования,
•
скорость перестройки (для перестраивае- мых лазеров),
•
частотный диапазон (для перестраивае- мых лазеров),
•
поляризация пучка,
•
отношение выходной мощности к мощнос- ти накачки,
•
стабильность,
•
глубина модуляции (для лазера с прямой модуляцией или для случая, когда модуля- тор интегрирован в передатчик),
•
частота модуляции (для тех же случаев),
•
температура.
В таблице 4 указаны потенциальные дефек- ты в работе передатчика.
Приемник на основе PIN фотодиода
Измеряемые параметры:
•
квантовая эффективность,
•
чувствительность,
•
выходной ток,
•
время отклика,
•
быстродействие,
•
температура.
Потенциально опасные ситуации при функци- онировании приемника собраны в таблице 5.
Оптическое волокно
Тестируемые параметры:
•
длина,
•
затухание,
•
межмодовая дисперсия,
•
хроматическая дисперсия,
•
поляризационная модовая дисперсия,
•
длина волны нулевой дисперсии,
•
давление,
•
изгиб,
•
температура и пр.
Потенциальными проблемами в случае оптоволокна является разрыв, естественно приводящий к потере оптического сигнала на всех длинах волн, а также повышенное давление или сильные изгибы, результа- том которых может быть ухудшение дис- персионных и прочих характеристик линии или ослабление сигнала на некото- рых/всех длинах волн.
Сокращения
•
ASE (Amplified Spontaneous Emission) –
усиленное спонтанное излучение.
•
BER (Bit Error Ratio или Bit Error Rate) – ко- эффициент ошибок.
•
DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing) – плотное частотное мультип- лексирование.
•
EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) – эр- биевый волоконный усилитель.
•
FBG (Fiber Bragg Grating) – волоконная брэгговская решетка.
•
MEMS (MicroElectroMechanical Systems) –
микроэлектромеханические системы (фото- литографическая технология).
•
Mux/Demux – мультиплексор/демультип- лексор.
•
OFA (Optical Fiber Amplifier) – оптический волоконный усилитель.
•
PDFA (Praseodymium Doped Fiber Amplifier) –
празеодимовый волоконный усилитель.
•
PDL (Polarization Dependent Loss) – поля- ризационно-зависимые потери.
•
ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop
Multiplexer) – перестраиваемый мультиплек- сор ввода-вывода.
•
ПМД – поляризационная модовая дис- персия.
Литература
1. Редд Дж. Особенности измерения коэф
фициента ошибок // Lightwave Russian
Edition, 2005, № 1, с. 40.
2. Компоненты DWDMсистем и их характе
ристики // Lightwave Russian Edition, 2005,
№ 2, с. 50.
3. Убайдуллаев Р.Р. Протяженные ВОЛС на
основе EDFA // Lightwave Russian Edition,
2003, № 1, с. 22.
4. Курков А.С., Наний О.Е. Эрбиевые воло
коннооптические усилители // Lightwave
Russian Edition, 2003, № 1, с. 14.
5. Величко М. Перестраиваемые мультип
лексоры вводавывода облегчают сетевое
управление // Lightwave Russian Edition,
2005, № 2, с. 22.
WDM и оптические сети связи
Потенциально опасные ситуации
Возможные последствия
Снижение выходной мощности
Потеря сигнала (на выходе передатчика или на входе приемника), повышение ASE, отношения сигнал/шум и, как следствие, увеличение BER
Дрейф длины волны
Искажение или потеря сигнала на приемнике, перек- рестные помехи и, как следствие, увеличение BER
Уширение спектра
Снижение оптической мощности, увеличение пе- рекрестных помех и BER
Изменение глубины модуляции
Неэффективная демодуляция, повышение BER
(трудности при распознавании битов)
Изменение параметров частотной перестройки
Потери пакетов, потери сигнала на некото- рых/всех длинах волн
Повышение температуры
Изменение параметров лазера (мощности, цент- ральной длины волны, ширины спектра)
Таблица 4
Потенциальные дефекты в работе передатчика на основе лазера
и их последствия
Потенциально опасные ситуации
Возможные последствия
Снижение чувствительности
Трудности при распознавании сигнала, как след- ствие, увеличение BER
Снижение быстродействия
Увеличение BER
Дисперсионно уширенный прини- маемый сигнал
Снижение мощности сигнала, перекрестные поме- хи, дрожание фазы из-за нарушения фазовой синх- ронизации при оптоэлектрическом преобразовании,
снижение отношения сигнал/шум и пр. Следствие вышеперечисленных проблем – увеличение BER
Повышение температуры
Увеличение BER из-за снижения квантовой эффективности
Таблица 5
Потенциальные дефекты в работе приемника на основе PIN-фотодиода
и их последствия

34
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
WDM и оптические сети связи
МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ
КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ
УСИЛИТЕЛЕЙ
Широкое распространение технологии спектрального мультиплексирования кана- лов передачи данных WDM [1] и переход от сетей с топологией «точка-точка» к сетям с динамически перестраиваемой архитекту- рой предъявляют новые требования к опти- ческим усилителям [2]. В таких сетях необ- ходимо обеспечить постоянство коэффици- ента усиления в условиях периодического подключения и отключения некоторой час- ти спектральных каналов. Поскольку отклю- чение/подключение каналов приводит к из- менению суммарной усиливаемой мощнос- ти, то в отсутствии стабилизации происхо- дит изменение значения коэффициента усиления оптического усилителя в резуль- тате насыщения. Изменение усиления, а следовательно, и мощности рабочих кана- лов приводит к увеличению количества ошибок (BER), а может привести и к выходу системы из строя.
В данной статье приведен анализ основных методов стабилизации коэффициента уси- ления эрбиевых оптических усилителей
(EDFA).
Методы стабилизации коэффициента
усиления
Коэффициент усиления оптического усили- теля пропорционален величине инверсной населенности активного элемента, который в свою очередь определяется балансом между действием накачки и спонтанных и вынужденных переходов. Поскольку управ- лять спонтанными переходами не представ- ляется возможным, могут быть реализова- ны две возможности стабилизации уровня инверсной населенности: путем управления накачкой или насыщением.
В первом случае используются электрические методы стабилизации, во втором – оптичес- кие. Возможно также совмещение электри- ческих и оптических методов стабилизации.
Электрические методы стабилизации
коэффициента усиления
Электрические методы стабилизации коэф- фициента усиления заключаются в коррек- тировке мощности лазера накачки для обес- печения постоянства коэффициента усиле- ния. Корректировка может быть: упреждаю- щей, с использованием цепи обратной свя- зи, а также их комбинацией.
Упреждающая коррекция накачки
Принцип действия упреждающей коррекции накачки поясняет рис. 1а. Разветвитель от- водит часть мощности входного сигнала на фотодетектор, который выполняет его опто- электронное преобразование. Усиленный электрический сигнал, пропорциональный мощности входного оптического сигнала,
используется для управления мощностью лазера накачки. В первом приближении не- обходимое для обеспечения постоянства ко- эффициента усиления изменение мощности накачки происходит пропорционально изме- нению мощности усиливаемого оптического излучения.
Коррекция накачки с использованием
цепи обратной связи
Принцип действия коррекции накачки цепью обратной связи поясняет рис. 1б.
Два разветвителя отводят часть мощности входного и выходного сигнала на фотоде- текторы, выполняющие их оптоэлектрон- ное преобразование, затем эти сигналы подаются на специальную электрическую схему. Эта электрическая схема сравнива- ет реальное значение коэффициента уси- ления, определяемое по отношению мощ- ностей входного и выходного сигналов, с требуемым коэффициентом усиления и со- ответствующим образом корректирует мощность лазера накачки.
Комбинация упреждающей коррекции
накачки и коррекции накачки цепью об-
ратной связи
Для повышения эффективности стабилиза- ции коэффициента усиления может быть ис- пользована комбинация рассмотренных ме- тодов (рис. 1в).
Оптическая стабилизация
коэффициента усиления
Принцип оптической стабилизации коэф- фициента усиления заключается в том, что усиливающая область помещается в резо- натор лазера, генерирующего на нерабо- чей длине волны. Хорошо известное свой- ство лазера заключается в том, что коэф- фициент усиления в нем в режиме генера- ции в точности равен потерям в резонато- ре. Если на активный элемент лазера од- новременно подать внешнее излучение на негенерирующей длине волны, то выход- ная мощность лазера изменится, а коэф- фициент усиления останется прежним. Ла- зерное излучение, таким образом, оказы- вается некоторым балластным излучени- ем, обеспечивающим постоянство коэффи- циента усиления. Уменьшение общей мощ- ности входящего оптического сигнала ав- томатически компенсируется увеличением лазерной мощности и наоборот.
Оптическая обратная связь может быть осу- ществлена двумя путями: с помощью коль- цевого резонатора и с помощью линейного резонатора.
Кольцевой резонатор (рис. 1г)
Кольцевой резонатор для создания оптичес- кой обратной связи состоит из отрезка стандартного волокна, соединяющего вы- ходную часть секции оптического усилителя с входной, и узкополосного фильтра, задаю- щего длину волны лазерного излучения.
Линейный резонатор (рис. 1д)
Линейный резонатор для создания оптичес- кой обратной связи состоит из двух распреде- ленных дифракционных отражателей, распо- ложенных на входе и выходе усилителя. Мак-
М.А. БОРИСОВ, физический факультет МГУ,
кафедра оптики и спектроскопии

симумы коэффициентов отражения решеток задают длину волны лазерного излучения. Ко- эффициенты отражения на длинах волн сиг- нала и накачки должны быть равны нулю.
Комбинация оптических
и электрических методов стабилизации
коэффициента усиления
Совмещение оптических и электрических методов стабилизации коэффициента уси- ления, с одной стороны, может привести к улучшению характеристик усилителя, с дру- гой – к чрезмерному усложнению схемы стабилизации. Поэтому целесообразность такого совмещения должна быть определе- на в каждом конкретном случае из сравне- ния затрат на достижение требуемой степе- ни стабилизации.
Эффективность стабилизации
Эффективность стабилизации можно оха- рактеризовать следующими параметрами:
Время стабилизации коэффициента уси-
ления – это время восстановления заданно- го значения коэффициента усиления.
Максимальное отклонение коэффициен-
та усиления – это максимальное его откло- нение от заданного значения.
Смещение коэффициента усиления –
это установившееся по прошествии време- ни стабилизации его отклонение от задан- ного значения.
Эффективность стабилизации тем выше,
чем меньше численные значения трех при- веденных параметров, сущность которых поясняет рис. 2.
Сравнительный анализ
различных схем стабилизации
Для сравнительного анализа представлен- ных схем были использованы модифициро- ванные уравнения эрбиевого оптического усилителя [3, 4]. На основе этих уравнений численным методом была промоделирована работа усилителя при отключении/подклю-
35
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
WDM и оптические сети связи
Разветвитель
Соединитель
Лазер накачки
EDFA
Pin
Pout
Узкополосный фильтр
Соединитель
EDFA
Pin
Pout
Разветвитель
Соединитель
Лазер накачки
Электрический усилитель
Фотодетектор
Фотодетектор
Фотодетектор
Электрическая схема
Разветвитель
Лазер накачки
EDFA
Соединитель
Разветвитель
Pout
Pin
Разветвитель
Соединитель
Разветвитель
Лазер накачки
Электрический усилитель
Фотодетектор
Электрическая схема
Фотодетектор
Pout
Pin
Фотодетектор
EDFA
Лазер накачки
Дифракционные отражатели
Дифракционные отражатели
EDFA
Соединитель
Pout
Pin
Оптические компоненты
Электрические компоненты
Узкополосный фильтр
EDFA
Pin
Pout
Разветвитель
Соединитель
Разветвитель
Лазер накачки
Фотодетектор
Электрический усилитель
г)
д)
e)
Рис. 1. Принципы стабилизации коэффициента усиления эрбиевых оптических усилителей: а) упреждающая коррекция
накачки; б) коррекция накачки цепью обратной связи; в) комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки
с цепью обратной связи; г) оптическая обратная связь (кольцевой резонатор); д) оптическая обратная связь (линейный резонатор);
е) совмещенная оптоэлектронная стабилизация
а)
б)
в)

36
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
WDM и оптические сети связи
чении некоторой части спектральных кана- лов. Результаты моделирования для всех описанных схем стабилизации представле- ны в таблице 1 и графически на рис. 3.
Для эрбиевых оптических усилителей наи- более простыми и надежными методами стабилизации коэффициента усиления яв- ляются электрические методы. Они отлича- ются малыми отклонениями коэффициента усиления в течение переходного периода и достаточно быстрым временем его стабили- зации. Это связанно с относительно мед- ленным изменением коэффициента усиле- ния в эрбиевых оптических усилителях без стабилизации, связанным с большим вре- менем релаксации инверсной населенности

= 10,5 мс [5]. Наилучшими параметрами среди этих методов обладает комбинация упреждающей коррекции накачки с коррек- цией накачки с использованием обратной связи, так как они отлично дополняют друг друга: упреждающая коррекция обладает малым временем стабилизации, а цепь об- ратной связи обеспечивает малое значение смещения коэффициента усиления. Однако быстродействие электрических методов стабилизации может оказаться недостаточ- ным в полупроводниковых усилителях, для которых более оптимальным представляет- ся использование оптических схем стабили- зации коэффициента усиления [6, 7].
Литература
1. Наний О.Е. Основы технологии спект
рального мультеплексирования каналов пе
редачи (WDM) // Lightwave Russian Edition,
2004, № 2, с. 47–52.
2. Ramaswami R. Optical Fiber Communication:
From Transmission to Networking // IEEE
Communications Magazine, May 2000, 50th
Anniversary Commemorative Issue.
3. Bononi A., Rusch A.L. DopedFiber Amplifier
Dynamics: A System Perspective // Journal of
lightwave technology, May 1998, vol. 16, №. 5.
4. Bononi A., Barbieri L. Design of Gain
Clamped DopedFiber Amplifiers for Optimal
Dynamic Performance // Journal of lightwave
technology, July 1999, Vol. 17, No. 7.
5. Desuivre E. Erbiumdoped Fiber Amplifier:
Principles and Applicaions, 1994.
6. Francis D.A., DiJaili S.P., Walker J.D. A sin
glechip linear optical amplifier // OFC
Postdedliane Papers, Anaheim, 2001, PD13.
7. Наний О.Е. Линейный оптические усилители
– новый класс полупроводниковых усилителей
// Lightwave Russian Edition, 2003, № 2, с. 27.
Коэффиицент усиления
Время стабилизации коэффициента усиления
Максимальное отклонение коэффициента усиления
Смещение коэффициента усиления
Время
Рис. 2. Параметры, характеризующие эффективность стабилизации
коэффициента усиления.
Значения этих характеристик зависят от: метода стабилизации; Входной мощности
одного канала (Pin/channel); числа отключенных/подключенных каналов (N);
заданного значения коэффициента усиления (G)
–2
–1,5
–1
–0,5 0
0,5 1
1,5 2
2,5 0
50 100 150 200
Время, мкс
Отклонение коэффициента усиления от заданного значения, дБ
1 2
3 4
5 6
Рис. 3. Переходные процессы в EDFA с автоматической стабилизацией
коэффициента усиления: 1 – оптическая обратная связь (линейный резонатор);
2 – оптическая обратная связь (кольцевой резонатор); 3 – совмещенная
оптоэлектронная стабилизация; 4 – коррекция накачки с цепью обратной связи;
5 – комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки с цепью
обратной связи; 6 – упреждающая коррекция накачки
Метод стабилизации
Время
стабилизации
коэффициента
усиления
(мкс)
Максимальное
отклонение
коэффициента
усиления
(дБ)
Смещение
коэффици-
ента
усиления
(дБ)
1. Оптическая обратная связь (линейный резонатор)
> 200 2,01 0,1 2. Оптическая обратная связь (кольцевой резонатор)
> 200 1,72 0,1 3. Совмещенная оптоэлектронная стабилизация
> 200 1,53 0,1 4. Коррекция накачки с цепью обратной связи
< 100 0,82 0,02 5. Комбинация упреждающей коррекцией накачки и коррекции накачки с цепью обратной связи
< 35 0,4 0,02 6. Упреждающая коррекция накачки
< 5 0.11 0,11
Таблица 1
Параметры стабилизации для рассмотренных методов
G=18 дБ, Pin/channel = –10 дБ, что соответствует отключению 15 из 16 каналов