Файл: Введение в радиооптику.pdf

Введение в радиооптику

наклон нулевой дисперсии (размерность пс/(нм2 км), λ − рабочая длина волны для которой определяется удельная хроматическая дисперсия.

Для ОВ со смещенной дисперсией эмпирическая формула временных задержек записывается в виде τ(λ) = А + Вλ + Cλlnλ, а соответствующая удельная дисперсия определяется как

D(λ) = ∂τ/∂λ = В + С + Clnλ = λ0 S0ln(λ/λ0), (6.19)

со значениями параметров λ0 = exp[− (1 + В/С)] и S0 = С/λ0, где λ0 − рабочая длина волны нулевой дисперсии, и S0 − наклон нулевой дисперсии.

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической диспессией простым соотношением τchr = D(λ)∆λ, где ∆λ − ширина спектра излучения источника. К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более когерентных источников излучения, например лазерных передатчиков (∆λ ≈ 2 нм), и использование рабочей длины волны более близкой к длине волны нулевой дисперсии. В табл. 6.3 приведены основные дисперсионные свойства различных ОВ.

Для того, чтобы при передаче сигнала сохранялось его приемлемое качество − отношение сигнал шум (с/ш) было не ниже определенного значения − необходимо, чтобы полоса пропускания ОВ на длине волны передачи превосходила частоту модуляции. Ниже приводятся примеры расчета допустимой длины сегмента с использованием табл. 6.3.

Таблица 6.3

1)– на основе формулы (6.13), ∆ = 0,013, n1 = 1,47;

2)– на основе формулы (6.13), ∆ = 0,02, n1 = 1,46;

3)– на основе формулы (6.18), λ0 = 1297 – 1316 нм, S0 ≤ 0,l01 пс/(нм2 км);

4)– на основе формулы (6.18), λ0 = 1322 – 1354 нм, S0 ≤ 0,097 пс/(нм2 км);

5)– на основе формулы (6.18), λ0 = 1301,5 – 1321,5 нм, S0 ≤ 0,092 пс/(нм2 км);

6)– на основе формулы (6.18), λ0 = 1535 – 1565 нм, S0 ≤ 0,085 пс/(нм2 км).

149

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Пример 1. Стандарт Ethernet для многомодового ОВ. Оптический интерфейс 10Base-FL предполагает манчестерское кодирование с частотой модуляции 20 МГц. При использовании светодиодов с ∆λ = 35 нм (λ = 850 нм) удельная полоса пропускания для ОВ 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 ОВ. 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 ОВ 62,5/125, наличие нескольких сухих соединительных стыков), так и к оптическим приемопередатчикам − оптическим трансиверам

Ethernet (например ∆λ = 50 нм).

Технические характеристики взяты у волокон, производимых фирмой Corning.

Пример 2. Стандарт FDDI для многомодового ОВ. Оптический интерфейс FDDI PMD предполагает кодировку 4В/5В с частотой модуляции 125 МГц. При использовании светодиодов с ∆λ = 35 нм (1310 нм) удельная полоса пропускания для ОВ 62,5/125 составляет 450 МГц км, и при длине оптического сегмента 2 км будет 225 МГц, что больше 125 МГц, то есть, с точки зрения дисперсии, протяженность в 2 км является допустимой, что находится в полном соответствии со стандартом FDDI PMD на многомодовое ОВ.

Слабая зависимость полосы пропускания многомодового ОВ (например 62,5/125) от спектральной ширины источника излучения, работающего на длине волны 1310 нм (450 МГц км при ∆λ =35 нм, и 452 МГц км при ∆λ = 2 нм), объясняется незначительной долей хроматической дисперсии по сравнению с межмодовой в силу близости рабочей длины волны к длине волны нулевой дисперсии. Таким образом, технические требования к спектральной полосе оптических передатчиков для работы по многомодовому ОВ на длине 1310 нм обычно слабые.

Пример 3. Стандарт Fast Ethernet для одномодового ОВ. Оптический интерфейс 100Base-FX аналогично FDDI предполагает кодировку 4В/5В с частотой модуляции 125 МГц. При использовании лазеров с ∆λ = 2 нм (1310 нм) удельная полоса пропускания для ступенчатого одномодового ОВ 8/125 составляет более 120000 МГц км и при длине оптического сегмента 100 км будет 1200 МГц, что больше 125 МГц. То есть, с точки зрения дисперсии, протяженность в 100 км является допустимой, однако здесь уже начинает сказываться затухание. При динамическом

150

Введение в радиооптику

диапазоне 25 дБ с учетом потерь на сухих соединениях и сварках при затухании в волокне 0,4 дБ/км получаем максимальное расстояние 62,5 км.

Уменьшить потери можно, если передавать сигнал на длине волны 1550 нм. По потерям при прежнем динамическом диапазоне 25 дБ и при условии, что ОВ имеет затухание 0,25 дБ/км, получаем расстояние 100 км. По дисперсии при использовании лазеров с ∆λ = 2 нм (1310 нм) удельная полоса пропускания для ступенчатого одномодового ОВ 8/125 составляет 12600 МГц км. В итоге на дистанции 100 км полоса пропускания будет 126 МГц, что сравнимо с частотой модуляции Fast Ethernet. Это не очень надежно. При фиксированной спектральной полосе ∆λ = 2 нм затруднения можно снять, если использовать для передачи ОВ со смещенной дисперсией DSF. Если же кабельная система представлена исключительно одномодовыми ОВ со ступенчатым профилем (SF), то следует использовать оптические передатчики с более узкой спектральной полосой, например ∆λ = 1 нм.

Пример 4. Стандарт ATM 622 Мбит/с (STM-4) для одномодового ОВ. Оптический интерфейс ATM 622 Мбит/с использует кодировку 8В/10В, что соответствует частоте модуляции 778 МГц. При использовании лазера с ∆λ = 0,1 нм (1550 нм) удельная полоса пропускания для ступенчатого одномодового ОВ 8/125 составляет 252 000 МГц км (12600×20) и при длине оптического сегмента 100 км будет 2520 МГц, что значительно больше 778 МГц. То есть, с точки зрения дисперсии, при использовании лазера с ∆λ = 0,1 нм (1550 нм) протяженность в 100 км является допустимой, даже если применяется стандартное ступенчатое ОВ.

Пример 5. Передача суперсигнала на частоте 100 ГГц по одномодовому ОВ со смещенной дисперсией DSF. При использовании лазеров с ∆λ = 0,1 нм (1550 нм) удельная полоса пропускания для DSF 8/125 составляет более 2400 ГГц км (20×120 000 МГц км) и при длине оптического сегмента 20 км будет 120 ГГц, что незначительно превосходит 100 ГГц. То есть, с точки зрения дисперсии, протяженность сегмента в 20 км находится на грани предельного допустимого расстояния. Именно поэтому оптические суперсети со скоростью передачи на канал 100 Гбит/с имеют ограниченный масштаб, например масштаб города.

Поляризационная модовая дисперсия

Поляризационная модовая дисперсия τpmd – возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Коэффициент удельной диспер-

сии Т нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность (пс/км0,5), а τpmd растет с ростом расстояния по закону τpmd = T L0,5. Для учета вклада в

результирующую дисперсию следует добавить слагаемое (τpmd)2 в правую

151

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

часть (6.12). Из-за небольшой величины τpmd может проявляться исключительно в одномодовом ОВ, причем когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с 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 ОВ в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды − две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном ОВ, в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью, рис. 6.11 (а). Однако на практике ОВ имеют неидеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод, рис. 6.11 (б).

Избыточный уровень τpmd, проявляясь вместе с чирпированным (чирпированная модуляция (тех.) − это модуляция, нестабильная по амплитуде или частоте, выходной сигнал при этом называют чирпированным модулированным сигналом (chirp-modulated signal)) 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 τpmd может возрастать битовая скорость появления ошибок.

а) б)

Рисунок 6.11 − Появление поляризационной модовой дисперсии [42]

Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового ОВ, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации ОВ.

Пример 6. Оценить расстояние L0, при котором хроматическая τchr и поляризационная модовая дисперсии τpmd сравниваются по величине, если коэффициент хроматической дисперсии D = 2 пс/(нм км), коэффициент поляризационной модовой дисперсии T = 0,5 пс/км0,5, а ширина

152

Введение в радиооптику

спектрального излучения ∆λ = 0,05 нм.

Приравнивая выражения τchr = D∆λ L и τpmd = TL0,5, находим L0=(Т/D∆λ)2 = 25 км. Если при L > L0 поляризационной модовой дисперсией можно пренебречь, то при L < L0, наоборот, ее следует строго учитывать. Проблема поляризационной модовой дисперсии возникает при обсуждении проектов построения супермагистралей (> 100 Гбит/с) городского масштаба.

Пример 7. Оценить максимальное допустимое расстояние оптического сегмента Lmaх, на которое можно передать одноканальный сигнал с частотой W = 100 ГГц без ретрансляции, исходя из ограничений, вносимых поляризационной модовой дисперсией, если коэффициент поляризационной модовой дисперсии Т = 1,0 пс/км0,5 .

На основании соотношения (6.15) получаем: τpmd = TL0,5 < 0,44/W.

Отсюда Lmax = (0,44/WT)2 = (0,44/(100 109 1 10-12))2 ≈ 19 км. При Т = 0,5

пс/км0,5 расстояние возрастает до 77 км.

Ведущие фирмы-производители ОВ обеспечивают выходной параметр поляризационной модовой дисперсии не выше 0,5, но после инсталляции кабельной системы значение этого параметра возрастает.

6.4 Характеристики поставляемых волокон

Широко используются два стандарта многомодового градиентного ОВ − 62,5/125 и 50/125, отличающиеся профилем сердцевины, рис. 6.12, а. Соответствующие спектральные потери для типичных волокон показаны на рис. 6.12, б.

а) б)

Рисунок 6.12 − Многомодовые градиентные ОВ: а − ППП ОВ 50/125 и 62,5/125; б − характерные кривые спектральных потерь мощности

Отметим, что полоса пропускания на длине волны 1300 нм превосходит соответствующее значение на длине волны 850 нм. Это объясняется следующим образом. Дисперсия, которая определяет полосу пропускания, состоит из межмодовой и хроматической составляющих.

153