Компенсация дисперсии

13.1. Необходимость компенсации дисперсии

Скорость передачи ограничивается хроматической дисперсией (см. рис. 1.5).

В 1990 г. достигнута скорость передачи 2.5 Гбит/с, в 2005 – 10 Гбит/с,

в 2007 – 40 Гбит/с.

К 2010 г. скорость передачи по большинству линий будет составлять 160 Гбит/с,

а на подходе уже 640 Гбит/с.

Искажения в линии растут пропорционально квадрату скорости, при увеличении скорости в 4 раза искажения возрастают в 16 раз! Поэтому при увеличении скорости длина регенерационного участка линии сокращается. Большинство ВОЛС работает в 3-м окне прорачности, совпадающем с полосой работы эрбиевых усилителей. Если дисперсия (у волокна G.652) равна примерно D = 17 пс/(нм.км), то при скорости 2.5 Гбит/с длина регенерационного участка может быть равна L = 1000, а при скорости 10 Гбит/с уже в 16 раз меньше , примерно только L = 60 км (см. рис. 13.1 и таблицу 13.1).

Рис. 13.1. Зависимость длины регенерационного участка от скорости передачи

Таблица 13.1. Длина регенерационного участка L в км при различной скорости передачи по различным типам волокон

Поэтому при больших скоростях передачи необходима компенсация дисперсии. Методы компенсации разделяют на широкополосные и узкополосные. Узкополосные методы обычно ограничены одним оптическим каналом, и компенсация осуществляется только на одной оптической несущей на станции. Широкополосные методы обеспечивают компенсацию в некоторой полосе длин волн на линии.

Методы компенсации разделяются так же на методы с фиксированной (нерегулируемой), с перестраиваемой (регулируемой) и с адаптивной (с динамическим управлением) компенсацией. При фиксированной компенсации фазовые спектральные характеристики используемых устройств не регулируются. Если же параметры фазовых характеристик компенсаторов можно регулировать по величине и длине волны, то такую регулировку относят к методам с перестраиваемой компенсацией. Перестраивают характеристики компенсаторов или на месте их установки, или дистанционно. При адаптивной компенсации обязательно используется обратная связь, которая необходима для формирования (на основе результатов измерений дисперсионных искажений в линии) сигналов управления устройством компенсации с регулируемой фазовой характеристикой.

. В зависимости от области применения различают оптические и электронные методы. Оптические методы, как правило, - широкополосные. Электронные методы только узкополосные. Наибольшее распространение получили следующие методы компенсации дисперсии:

1) Пространственная компенсация с помощью волокна с отрицательной дисперсией.

2) Компенсация с помощью дискретных рамановских усилителей.

3) Компенсация дисперсии на модах высшего порядка.

4) Инверсия спектра в середине линии (обращение волнового фронта).

6) Динамическая компенсация с помощью управляющей электроники.

6) Компенсирующие устройства на основе Брэгговской решётки или интерферометра.

13.2. Компенсация с помощью включения волокна с отрицательной дисперсией

Один из наиболее распространенных способов компенсации хроматической дисперсии на регенерационном участке - включение по концам усилительных участков (УУ) модулей компенсации дисперсии - DSM (dispersion compensating module) с компенсирующими оптическими волокнами - DSF (dispersion compensating fiber). Последовательно оптическому волокну линии передачи включают компенсирующее волокно, дисперсия которого имеет противоположный знак. Параметры DCF выбираются так, чтобы обеспечить компенсацию дисперсии во всем рабочем диапазоне длин волн Некоторые характеристики выпускаемых промышленностью компенсирующих волокон RDF и DSCF приведены в таблице 13.1.

Таблица 13.1. Характеристики волокон, компенсирующих дисперсию

К достоинствам модулей компенсации дисперсии с DCF следует отнести простоту установки и компактность, эффективность использования при реконструкции линии, относительно широкий рабочий спектральный диапазон. Сегодня на рынке представлен большой выбор вариантов исполнения модулей компенсации с DCF для работы с оптическими волокнами различного типа в различных диапазонах. Модуль компенсации включается в линейный тракт как дополнительный элемент и, соответственно, вносит дополнительные потери, помехи и искажения. При типичной длине компенсирующего оптического волокна в модуле 5-10 км, включение каждого модуля увеличивает потери в линейном тракте на 5-6 дБ.

Поскольку модуль компенсации вносит значительные дополнительные потери, DCF нельзя включать на выходе усилительного участка до предварительного усилителя. Его нельзя включать так же и на выходе линейного оптического усилителя, так как из-за малой площади эффективного сечения DCF высокий уровень оптической мощности приведет к существенному росту нелинейных помех. По этой причине DCF включается между каскадами оптических усилителей – между предусилителем и выходным усилителем (рис. 13.3).

Рис.13.2. Включение волокна DCF между усилителями

13.3. Компенсация с помощью дискретных рамановских усилителей

Интересным решением представляется применение для компенсации хроматической дисперсии дискретных рамановских усилителей. Для таких оптических усилителей в качестве среды распространения используются уложенные в бухты длины ОВ с повышенной нелинейностью. DCF является идеальной средой распространения для дискретного рамановского усилителя. Малая площадь эффективного сечения и высокая концентрация легирующих добавок обеспечивают приемлемую эффективность рамановского усиления. При этом требуется малая длина DCF – всего несколько километров. Применение DCF в дискретных рамановских оптических усилителях обеспечивает эффективное усиление с компенсацией хроматической дисперсии. Эти усилители называют дискретными компенсирующими рамановскими усилителями – DCRA (Dispersion Compensating Raman Amplifier). Их принцип работы поясняет рис. 13.3.

.

Рис.13.3. Принцип работы дискретных рамановских усилителей

13.4. Компенсация с помощью фотонно-кристаллических волокон

В последние годы активно разрабатываются и развиваются технологии производства микроструктурированных оптических волокон. Эти технологии позволяют реализовать оптические волокна с такими характеристиками в заданном диапазоне длин волн, которые невозможно достичь в ОВ традиционной конструкции. Изменяя диаметры отверстий и их расположение, можно в очень широких пределах варьировать характеристики ФКВ. В частности, известны разработки с очень большой отрицательной дисперсией (до -1700 пс/(нм·км) на длине волны 1550 нм), и при этом с малыми потерями и увеличенной площадью эффективного сечения (пониженной нелинейностью).

Такие микроструктурированные оптические волокна имеют хорошие перспективы применения в компенсирующих модулях. Получены ФКВ с большой отрицательной дисперсией и повышенной нелинейностью, что определяет эффективность их применения в компенсирующих устройствах. Необходимая длина такого микроструктурированного ОВ при том же коэффициенте усиления более чем на порядок меньше, чем стандартного кварцевого оптического волокна. Более широкие перспективы открывают возможности управления параметрами и, соответственно, построения на их основе волоконно-оптических устройств с регулируемыми характеристиками.

13.5. Компенсация дисперсии на модах высшего порядка

Еще один способ, обеспечивающий снижение дополнительных потерь и влияния нелинейных эффектов, вносимых модулем компенсации хроматической дисперсии – компенсация дисперсии на модах высшего порядка. Известно, что параметр хроматической дисперсии мод высшего порядка по абсолютной величине существенно больше, чем у основной моды. Это позволяет обеспечивать широкополосную компенсацию на всех длинах волн рабочего диапазона при существенно меньших длинах компенсирующего волокна. При этом площадь эффективного сечения для моды более высокого порядка больше, что обеспечивает снижение нелинейных эффектов и затухания в ОВ. Принцип реализации метода поясняет рис. 13.4..

Рис.13.4. Компенсация дисперсии на модах высшего порядка

Распространяющаяся в линии основная мода (LP₀₁) поступает на модовый конвертор, который преобразует ее в моду более высокого порядка LP₀₂ или LP₁₁. Конструкция специального оптического волокна для передачи моды высшего порядка (high order mode fiber - HOMF) выполнена так, чтобы обеспечить наилучшие условия для ее распространения и подавить основную моду. На выходе HOMF мода высшего порядка преобразуется модовым конвертором в основную моду и восстановленный сигнал передается дальше в линию.

.

13.6. Метод инверсии спектральной фазовой характеристики передаваемого сигнала

Метод, основан на инверсии спектральной фазовой характеристики передаваемого оптического сигнала. Инвертор спектральной фазовой характеристики включается в регенерационный участок строго посередине. Принцип работы метода поясняет рис.13.5. Составляющие спектра передаваемого сигнала первую половину длины участка проходят с одной скоростью, а вторую - с другой, что обеспечивает выравнивание времени распространения спектральных составляющих сигнала на участке.

Рис.13.5. Метод инверсии спектральной характеристики

.

13.7. Перестраиваемая компенсация хроматической дисперсии.

Общий недостаток перечисленных выше методов компенсации обусловлен большими значениями накапливаемой дисперсии, разбросом характеристик устройств, длин и параметров волокна, температурной нестабильностью, повышенной ПМД.

Методы с фиксированной компенсацией могут обеспечить лишь "грубое" подавление дисперсионных искажений. Для более глубокой компенсации необходима "привязка к месту", что требует дополнительно применения перестраиваемых компенсаторов. Большинство методов с перестраиваемой компенсацией базируются на применении оптических фильтров различного типа. Это - фильтры на основе интерферометра Жире-Турнуа (Gires-Tournois interferometer - GTI), интерферометра Маха-Цандера (Mach-Zehndet interferometer - MZI), тонкопленочных технологий, а также брегговсктх дифракционных решеток (Bragg Grating – BG).

Рис.13.6. Компенсация н основе фильтра Маха-Цандера.

Компенсаторы дисперсии на основе волоконных брегговских решеток благодаря своей конструкции наилучшим образом согласуются с волокном линии передачи. Требуемые значения дисперсии и наклона ее спектральной характеристики обеспечивается путем применения брегговских дифракционных решеток с переменным периодом. Согласованием резонансных частот решетки с сеткой оптических несущих систем WDM удается обеспечить компенсацию для группы оптических каналов.

Управление периодом решетки позволяет регулировать ее спектральную дисперсионную характеристику. Например, регулируя прикладываемые к волокну механические напряжения (растяжение, сжатие), можно линейно изменять период решетки. Регулируя температуру вдоль волокна, в зависимости от закона ее изменения, можно обеспечить как линейное, так и нелинейное управление периодом решетки.

Рис.13.7. Компенсация с помощью Брэгговской решётки

13.8. Адаптивная компенсация хроматической дисперсии

Устройство адаптивной компенсации дисперсии ОВ включает управляемый модуль компенсации, модуль измерения и модуль управления. Известно множество вариантов схем построения модуля измерений, базирующихся на оценивании различных параметров сигнала. При реализации оптической адаптивной компенсации обычно измеряют параметры хроматической дисперсии на контрольных частотах (длинах волн). Управляемый модуль компенсации использует один из рассмотренных выше методов с регулируемой компенсацией.

Развитие элементной базы позволило реализовать адаптивные схемы электронной компенсации на скоростях до 10 Гбит/с. Компенсаторы строятся на известных принципах линейной и нелинейной фазовой коррекции. Их отличает экономичность и простота реализации. Они легко встраиваются в схему мультиплексора, но для каждого типа мультиплексора нужна своя схема электронной компенсации дисперсии. С увеличением числа оптических каналов системы суммарные затраты на реализацию такого способа растут.

13.9. Электронные методы компенсации

Несмотря на прогресс оптических технологий, стоимость оптических устройств все еще высока в сравнении с электронными устройствами. Существует два основных электронных способа борьбы с дисперсией на стороне передатчика:

1) Использование форматов модуляции, устойчивых к влиянию дисперсии. Это позволяет увеличить протяженность линии связи без дополнительных компенсаторов дисперсии.

2) Искусственное предыскажение формы передаваемого сигнала таким образом, чтобы на стороне приемника внесенные предыскажения и дисперсия волокна взаимно компенсировались.

Использование форматов модуляции, устойчивых к влиянию дисперсии, является одним из наиболее эффективных способов "электронной" борьбы с дисперсией и нелинейными эффектами в ВОЛС.

Применяются также предкомпенсация дисперсии путём искусственного искажения формы сигнала и электронная посткомпенсация, которая заключается в том, что оптический сигнал преобразуется в электрический и подвергается некоторой обработке.