CC BY
136. Bourdine A. V. Method for chromatic dispersion estimation of high-order guided modes in graded index single-cladding fibers // Proceedings of SPIE. 2007. 6605. pp. 660509-1-660509-13.
7. Бурдин А. В., Дельмухаметов О. Р. Расчет параметров передачи направляемых мод высших порядков на основе комбинации модифицированного приближения Гаусса и метода конечных элементов // Телекоммуникации. 2010. № 9. С. 33-40.
8. Bourdine A. V. Modeling and simulation of piecewise regular multimode fiber links operating in a few-mode regime // Advances in Optical Technologies. 2013. pp. 469389-1-469389-18.
9. Definition and test methods for the relevant parameters of single-mode fibres. ITU COM 15-273-E. 1996.
10. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов. М.: Физматгиз, 1962. 1100 с.
11. Бурдин А. В., Яблочкин К. А. Исследование дефектов профиля показателя преломления многомодовых оптических волокон кабелей связи // Инфокоммуникационные технологии. 2010. № 2. С. 22-27.
12. Боголюбов А. Н., Буткарев И. А., Свешников А. Г. Синтез волоконных световодов // Радиотехника. 2004. № 12. С. 4-12.
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УВЕЛИЧЕНИЯ ДЛИНЫ ОДНОПРОЛЕТНОГО УЧАСТКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
М.С. Былина, С.Ф. Глаголев, В.С. Кузнецов
Целью работы является исследование возможности увеличения длины однопролетного участка волоконно-оптической линии связи с плотным спектральным мультиплексированием без использования в оптических кабелях медных жил для дистанционного электропитания. В работе предложены и промоделированы варианты построения схем однопро-летных участков с использованием эрбиевых оптических усилителей с удаленной накачкой. Полученные результаты можно использовать в качестве рекомендаций для разработчиков оптических усилителей и проектировщиков линий связи.
Ключевые слова: волоконно-оптическая линия связи, оптический усилитель, оптическое волокно, однопролетный участок, оптический сигнал, излучение накачки, усиленное спонтанное излучение, спектральное мультиплексирование, оптический усилитель с удаленной накачкой
ANALYSIS OF POSSIBILITIES TO INCREASE THE LENGTH OF THE SINGLE-SPAN SECTION OF THE FIBER-OPTICAL
COMMUNICATION LINE
Bylina M, Glagolev S, Kuznetsov V.
The article is devoted to the investigation of the possibilities to increase the length of the single-span section of the fiber-optical communication line with dense wavelength division multiplexing without using remote power supply. The work includes proposed and simulated variants of schemes of the single-span sections with linear optical amplifiers EDFA with remote pump signal. The results can be used as a recommendation for amplifier developers and communication line designers.
Keywords: fiber-optical communication line, optical amplifier, optical fiber, single-span section, optical signal, pump emission, amplified spontaneous emission, wavelength division multiplexing, remote optical pumped amplifier
Благодаря малым потерям и возможности компенсации дисперсии в одномодовых оптических волокнах (ОВ) длины усилительных участков волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) с плотным спектральным мультиплексированием DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) при высоких скоростях передачи (С = 10 Гбит/с и более) имеют большие значения порядка ly = 60-100 км и более. Поэтому обычно усилительные пункты (УП) можно разместить в обслуживаемых или необслуживаемых узлах связи и обеспечить электропитанием. Однако возможны ситуации, когда требуется обеспечить значительно большее расстояние между узлами с электропитанием. Такие однопро-летные участки (ОПУ) большой протяженности могут найти применение в подводных, а также в наземных ВОЛС при прокладке оптического кабеля (ОК) в малонаселенных и труднодоступных для человека районах.
В данной работе рассматривается решение по увеличению длины ОПУ, предлагаемое компанией Т8, для ОК без медных жил, в которых излучение накачки линейных оптических усилителей (ЛОУ) поступает от оконечных пунктов (ОП) по выделенным для этого ОВ [1]. Такие ЛОУ называют усилителями с удаленной накачкой ROPA (Remote Optical Pumped Amplifier).
Структурные схемы однопролетных участков ВОЛС
Рассмотрим общие соображения, положенные в основу предлагаемых для анализа структурных схем ОПУ ВОЛС, которые могут представлять собой усилительные или регенерационные участки.
В качестве ЛОУ могут использоваться только оптические усилители (ОУ) EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), так как они требуют для работы относительно малых уровней оптической накачки (порядка 10 мВт). Они могут использовать попутную, встречную и двунаправленную накачки, излучение для которой можно передавать от ближайших ОП по одному или нескольким ОВ. Для накачки ЛОУ EDFA используют излучение с длиной волны Xp = 1480 нм, на которой затухание в кварцевых ОВ сравнительно мало (а ~ 0,2 дБ/км). Излучение с Xp = 980 нм нельзя использовать в качестве удаленной накачки из-за большого затухания на этой длине волны.
Рассмотрим структурную схему ОПУ (рис. 1) с двумя ОП и двумя необслуживаемыми усилительными пунктами с ЛОУ EDFA, которые могут располагаться в оптических муфтах.
Рассматривать схемы ОПУ с большим количеством УП нет смысла, так как только для двух УП можно обеспечить относительно малые расстояния от источника излучения (ИИ) накачки до ЛОУ. В ОП располагаются два предварительных оптических усилителя (ПОУ) встречных направлений и ИИ накачки. В качестве ПОУ могут использоваться ОУ EDFA или рамановские ОУ со встречной накачкой. Они должны обладать большим коэффициентом усиления и малыми шумами.
Рис. 1. Схема однопролетного усилительного участка ВОЛС с двумя необслуживаемыми усилительными пунктами
В этой схеме можно выделить два одинаковых подучастка с ОК длиной Ь1, которые прилегают к ОП, и подучасток с ОК2 длиной Ь2 между УП. Общая длина ОПУ равна:
Ь = 2 Ь1 + Ь2.
При использовании в качестве ЛОУ EDFA с двунаправленной накачкой в ОК1 общее количество ОВ составляет 6, а в ОК2 только 2 ОВ.
Рассмотрим также структурную схему ОПУ (рис. 2), в которой используется в два раза меньше ЛОУ, ИИ накачки и ОК с меньшим количеством ОВ. В этой схеме также можно выделить аналогичные подучастки с длинами Ь1 и Ь2. Общая длина ОПУ составляет:
L = Ll + 1а.
ОП1 ОК1 о УП1 0К2 о УП2 ОК1 о ОП2
ИИ о О о ИИ с
._4 4_.
о о о о /
и 12
12 |_1
1
Рис. 2. Схема однопролетного регенерационного участка ВОЛС с двумя усилительными пунктами
При анализе схем на рисунках 1 и 2 можно выделить ряд общих задач, требующих отдельного рассмотрения.
Исследование ЛОУ EDFA
Будем исследовать ЛОУ с двунаправленной накачкой (рис. 3) с n = 10 каналами DWDM со скоростями передачи С = 10 Гбит/с и частотным интервалом Av = 25 ГГц (АХ = 0,2 нм). Каналы нумеруются от i = 0 до 9. Длина волны центрального канала Xs4 = 1552,52 нм, Xp = 1480 нм.
Целью исследования является определение оптимальных параметров ЛОУ, которые обеспечивают относительно большой уровень выходной мощности сигнала psout при небольших уровнях накачки ppin, малую неравномерность AG коэффициента усиления G. Для исследования использовалась моделирующая программа GainMaster™ [2], которая позволяет определять параметры ЛОУ при изменениях длины l и типа эрбиевого ОВ, уровней мощностей накачки pp и входного сигнала psin. Определялись: G, AG, psout, а также уровень мощности усиленного спонтанного излучения (УСИ) pase и оптическое отношение сигнала к шуму OSNR (Optical Signal-to-Noise Rate) для центрального канала в полосе АХ = 0,2 нм.
EE]:::
Probe
........
: NA
шиш
Signai
Multiple Source
........
I ШОт L, llllllll ~
Pump
1480 Pump
Probe
WDM
mri
Er fiber
с
WDM
WDM
WDM 2
........
l48Ditm ч llllllll ~
Pump
1480 Pump_2
Рис. 3. Схема ОУ EDFA с двунаправленной накачкой
В таблице 1 приведены некоторые результаты моделирования ЛОУ при использовании эрбиевых ОВ IsoGane 1-4, 1-25 и MetшGam М-5 [2] при одинаковых уровнях попутной и встречной накачек рр = 13 дБм и одинаковых рзп = -20 дБм в каждом канале.
В таблице 1 и далее используются следующие обозначения:
- р^ и р^и. - уровни выходной мощности в центральном канале и во всех каналах;
- 8а!1е и ра!1е - спектральная плотность и уровень мощности УСИ на выходе ОУ в полосе одного канала АХ = 0,2 нм.
Величины Рае и OSNR в таблице 1 определялись по выражениям:
Sn.se / /1
Vase = 10 • lg (
OSNR = psout - Vase
10 ase/i0-Ax),
ТАБЛИЦА 1. Выбор эрбиевого ОВ
Тип psout, PsouiL, Ваве^! о, OSNR,
ОВ м дБм дБм дБм/нм дБм дБ дБ дБ
10 -0,8 9,2 -24,4 -31,4 19,2 30,6 0,11
1-4 15 3,8 13,1 -21,1 -28,1 23,0 31,9 0,30
20 4,1 14,1 -19,8 -26,8 24,1 30,9 0,55
3 4,1 14,2 -20,0 -27,0 24,2 31,1 0,64
1-25 2 1,9 11,9 -22,0 -29,0 21,9 30,9 0,31
1 -6,7 3,3 -31,9 -38,9 13,3 32,2 0,11
15 2,2 12,2 -21,3 -28,3 22,2 30,5 0,20
М-5 20 3,7 13,7 -20,0 -27,0 23,7 30,7 0,43
25 4,1 14,1 -19,8 26,8 24,1 30,9 0,69
По совокупности параметров для каждого ОВ выделены цветом лучшие варианты, отличающиеся эффективностью использования накачки и малой неравномерностью коэффициента усиления.
Результаты, приведенные в таблице 1, показывают, что параметры ЛОУ с оптимально выбранной длиной эрбиевого ОВ мало зависят от его типа. Поэтому в дальнейших расчетах используется ОВ 1-4. Для ЛОУ1 при pp = 13 дБм характерны следующие параметры: G = 23 дБ, AG = 0,3 дБ, роиг = 3,8 дБм, OSNR = 31,9 дБ. Шум-фактор ОУ ^ = 4,7 дБ.
Для ЛОУ2 в качестве рзп принимается ослабленный на расстоянии между УП сигнал рзШ (табл. 1). В таблице 2 приведены некоторые результаты моделирования ЛОУ2 при рр = 13 дБм и изменении рзп .
ТАБЛИЦА 2. Выбор оптимального значенияр^п для ЛОУ2
р«ш, р80Ш, PsouiL, раяе, OSNR, о, 1 т
дБм дБм дБ дБм дБм/нм дБм дБ дБ дБ
-38 -7,6 0,1 2,4 -12,8 -19,8 12,2 30,4 4,7
-40 -9,5 0,13 0,5 -12,8 -19,8 10,3 30,5 4,7
-42 -11.5 0,13 -1,4 -12,8 -19,8 8,3 30,6 4,7
Исследование ПОУ EDFA для оконечных пунктов
Основными требованиями к ПОУ, который может быть выполнен по схеме на рисунке 3, являются: максимальный коэффициент усиления, небольшая неоднородность коэффициентов передачи разных каналов и малый коэффициент шума. Ограничений на уровень накачки ПОУ нет, поэтому примем его равным рр = 20 дБм. Для ПОУ можно использовать излучение накачки на Хр = 980 нм. В таблице 3 приведены некоторые результаты моделирования ПОУ с накачкой на Хр = 980 нм с эрбиевым ОВ 1-4 длиной I = 15 м для различных сигналов.
ТАБЛИЦА 3. Выбор оптимального значения psin для ПОУ
Psin:: psouti PsouiL, Sase, pase: G, AG, OSNR, Fn
дБм дБм дБм дБм/нм дБм дБ дБ дБ дБ
-34 3,4 13,4 -5,5 -12,5 37,4 0,04 15,9 4,7
-38 -0,2 9,7 -5,2 -12,2 37,7 0,04 12,0 4,9
-40 -2,1 7,9 -5,0 -12,0 37,9 0,04 9,9 4,9
Определение длины ОПУ
Длина подучастка, прилегающего к ОП, определяется затуханием излучения накачки на Хр = 1480 нм и может быть выбрана равной Ь1 = 100 км. Для обеспечения уровня излучения накачки ЛОУ рр = 13 дБм уровни мощности источников излучения накачки должны быть равны рр = 33 дБм.
Входной сигнал для ЛОУ1 для обеспечения р^ = 3 дБм должен быть не менее -20 дБм, а на выходе ОП не менее 0 дБм.
Входной сигнал для ЛОУ2 для обеспечения уровня роиг = 0 дБм на выходе УП для дальнейшей передачи до ОП на расстояние 100 км не должен превышать уровня р8П = -27 дБм. Тогда расстояние Ь2 между УП составит:
Рзом-Рзт 3,8 - (-40) Ь2 =-=-—-« 220 км.
2 а 0,2
р^п для ПОУ при коэффициенте усиления G = 37 дБ должен быть не менее -37 дБм, а для ЛОУ2 р!1ои{2 = -17 дБм и входной рзЫ2 = -37 дБм. Тогда:
г РзоШ1 — Рб1П2 3,8 — (—38) „„ „
Ь2 =-=-—-« 210 км.
2 а 0,2
Общая длина ОПУ для схемы на рисунке 1 составит:
I = 2 • Ь1 + Ь2 = 2 • 100 + 220 = 420 км, а для схемы на рисунке 2:
Ь = Ь1 + Ь2 = 100 + 210 = 310 км.
Заключение
Во многих случаях полученное значение длины ОПУ достаточно. Дальнейшее увеличение длины ОПУ возможно за счет использования большего числа ОВ для передачи излучения накачки к ЛОУ и увеличения суммарной мощности накачки. Эти вопросы и некоторые другие не вошли в статью ограниченного объема. Работы по проблеме увеличения длины ОПУ будут продолжены.
Список используемых источников
1. Листвин В. Н., Трещиков В. Н. DWDM системы: научное издание. М.: Наука, 2013. -300 с. ISBN 978-5-94836-407-0.
2. GainMaster. Amplifier Design Software Manual. Revision 1.1. Fibercore Limited. 2004.
