CC BY
4
УДК 53.043
Софронова А.К. преподаватель
Северо-восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова
Россия, г. Якутск
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОГО СМЕШЕНИЯ НА СПЕКТРАЛЬНО УПЛОТНЕННЫЕ КАНАЛЫ
Аннотация: Исследовано явление четырехволнового смешения, возникающее в оптических сетях со спектральным уплотнением каналов. Произведено теоретическое исследование возникновения двухчастотных и трехчастотных спектральных компонент. Приведены результаты распределения комбинационных частот по спектру. Рассмотрено влияние комбинационных частот на качество передачи сигнала на участке ВОСП-WDM. Результаты исследования оптического канала показали, что наличие трехчастотных компонентов и их попадание в рабочую полосу приводит к значительному ухудшению отношения сигнал/шум.
Ключевые слова: плотное спектральное уплотнение (DWDM), четырехволновое смешение (FWM), комбинационные частоты, нелинейные явления, оптический канал
Sofronova A.K.
Educator
North-Eastern Federal University Russia, Yakutsk STUDY OF THE EFFECT OF FOUR-WAVE MIXTURE ON SPECTRALLY CONDUCTED CHANNELS
Abstract: The phenomenon of four-wave mixing arising in optical networks with spectral densification of channels is investigated. A theoretical study of the occurrence of two-frequency and three-frequency spectral components was made. The results of the distribution of combination frequencies over the spectrum are given. The influence of combination frequencies on the quality of the signal transmission in the FOTS-WDM section is considered. The results of the optical channel study showed that the presence of three-frequency components and their entry into the working band leads to a significant deterioration in the signal-to-noise ratio.
Keywords: dense spectral compaction (DWDM), four-wave mixing (FWM), combination frequencies, nonlinear phenomena, optical channel
Введение
Один из ведущих технологий, оборудование которой широко применяется во многих мировых операторов связи является технология волнового мультиплексирования WDM.
Технология плотного спектрального мультиплексирования с разделением по длине волны DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing) имеет огромное значение в прогрессирующей информатизации сетей связи. DWDM система позволяет увеличить скорость передачи данных. Технология DWDM предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Возможность DWDM интегрироваться с перспективными технологиями и протоколами передачи цифровой информации делает ее незаменимой в процессе конвергенции между различными видами и службами связи [1].
Актуальными научными задачами в связи с этим являются исследования влияния оптической среды существующих волоконно-оптических линий связи на качество передачи информации в оптических каналах систем DWDM.
Понятие четырехволнового смешения
Одним из эффектов нелинейности является четырёхволновое смешение FWM (Four Wave Mixing), которая приводит к появлению новых частот, часть из них попадает в каналы DWDM системы и вызывает перекрестные помехи. Это является причиной зависимости показателя преломления волокна от мощности сигнала, что вызывает распространение нелинейной среды и создания условий для смешения сигнала. [2].
Название четырехволнового смешения основывается на явлении появления новой четвертой волны комбинацией трех породивших ее волн (см. рис.1).
Терминологически нежелательные спектральные компоненты делятся на комбинационные частоты 2-го, 3-го порядка и 1-го, 2-го рода. Порядок комбинационных частот - арифметическая сумма частот, входящих в данный нежелательный спектральный компонент, род - алгебраическая сумма этих частот. Например, комбинационные частоты типа 2 ^ — , ^ + ty — шк - частоты 3 порядка 1-го рода, которые являются опасными двухчастотными и трехчастотными спектральными компонентами и попадающие в рабочие полосы каналов [3].
Причины, по которым возможно возникновение четырёхволнового смешения в волокне:
1. Фазы DWDM сигналов должны быть одинаковыми, что выполняется только при низких значениях хроматической дисперсии;
2. Ограниченность DWDM промежутка между каналами;
3. Высокий уровень мощности сигнала в каналах.
Исследование влияния четырехволнового смешения на качество
сигнала
В N-канальной системе канал, в который попадают трехчастотные продукты, имеет номер [4]:
х = i + j — к. (1)
при выполнении условий
1 < 1,],к < I Ф ] Ф к; 1,], к,х > 0; ] > г,к> ]
Для двухчастотного продукта канала у, в который попадают эти продукты, имеет номер:
у = 2)-к
(2)
при условии
I = ] Ф к; к > ] к,у > 0;,
Согласно рекомендации МСЭ-Т G.692, ширина спектра канала принимается равной 0,1 нм (12,5 ГГц). Мощность помехи из-за ЧВС определим на входе тракта при длине Ь:
РХ = (Рилм3с + Р2]Лс)ы, (3)
где Ы2с, Ы3с - количество двухчастотных и трехчастотных продуктов нелинейности, соответственно; и Р2]к - мощности каждого вида
2В(ГГц)
продукта; ш = 125 - коэффициент, учитывающий расширение спектра
канала при высокоскоростной передаче [5].
Если N - число спектральных каналов, то общее число продуктов нелинейности определяется из соотношения:
N = (4)
Общее число продуктов нелинейности для двухчастотных и трехчастотных, соответственно, определяется [4]:
N2с = - 1), (5)
Мзс = --- . (6)
Помехи от продуктов нелинейности могут сильно ухудшить отношение сигнал/шум на приемной стороне. Для этого исследуем три оптических канала, и по параметрам стандартного оптического волокна SMF рассчитаем величину мощности продуктов 3-го порядка 1-го рода на расстоянии 80 км.
Рисунок 1. Новые спектральные продукты при передаче 3-х спектральных каналов на частотах /1, /2, /3 Так как наиболее опасные продукты находятся между 1 и 2 каналом (см. рисунок 1), а по расчетам эти продукты ближе ко 2-му каналу, то в этом канале будет производиться расчет мощности помех спектральных продуктов по формуле (3). Чтобы оценить качество сигнала, определим отношение сигнал/шум в канале [6]:
OSNR = РсК - Рх,
(7)
где Рсъ - мощность сигнала в канале на расстоянии Ь, Рх - мощность помехи из-за ЧВС.
Мощность помех двухчастотных и трехчастотных комбинационных частот, соответственно, составляет 3692,5 мкВт и 332,32 мкВт, что существенно влияет на отношение сигнал/шум, равной 31,67 дБ, и на качество сигнала.
Исследование участка ВОСП-"^ОМ Для ВОСП нежелательными являются продукты ЧВС 3-го порядка 1-го рода. Для К-канальной системы индексы I, ], к принимают любые значения от 1 до К, что приводит к генерации (Ы3-К2)/2 продуктов ЧВС, однако не все эти продукты попадают в диапазон группового многоканального ЧРК сигнала [7].
Рисунок 2 - Структурная схема участка ВОСП-"^ОМ При определении мощности помех в канале для участка (рисунок 2) следует учитывать, что эта мощность накапливается от усилителя к усилителю. Предположим, что все пролеты в секции одинаковой длины и сами усилители не создают нелинейных помех. Длина секции равна 680 км, а длина каждого пролета Ь=80 км [8]. Тогда на входе каждого усилителя будут
возникать продукты ЧВС, которые усиливаются усилителем. Кроме того, входная мощность сигнала Pin будет создавать ЧВС в каждом пролете. Поэтому мощность помехи из-за ЧВС на входе приемника ВОСП-DWDM можно определить по формуле:
(8)
Р Р
ГХС ¿Jl = lrl
= NP
1хппр 1v ' хпп■
10 15 20 25
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Номер канала
Рисунок 3 - Зависимость числа трехчастотных продуктов нелинейности от номера канала в 80-канальной системе
Номер канала
Рисунок 4 - Зависимость числа двухчастотных продуктов нелинейности от номера канала в 80-канальной системе Как видно из рис.3 количество комбинационных частот максимально в центральных каналах, а двухчастотные комбинационные частоты равномерно распределены по каналам [9].
Также учитываем мощность шума на выходе усилителя с учетом накопления:
РА5Еб = (с- 1) • ^ • Л • / • Д/0рТ, (9)
где AfonT — оптическая полоса пропускания демультиплексора; Afk — электрическая полоса пропускания канала; Fn-коэффициент шума; G-усиление усилителя [10].
Защищенность сигнала от помехи ЧВС определим из соотношения:
OSNR = 10log Pch , [дБ], (10)
'xc+'ASE6
Коэффициент усиления бустера равен 25 дБ при мощности в канале 6 мВт и мощности шума на выходе бустера равной -26 дБм. Тогда отношение сигнал/шум на выходе бустера составляет 32 дБ. А для первого пролета усиление усилителя равно 23 дБ. Общий шум на входе приемника находится по формуле [4]:
Рп = (Pase6 + PASE • Ю • 10-aL, (11)
Так как мощность в канале на выходе POA должна восстанавливаться, то PchBx = Рсквых. Тогда отношение сигнал/шум на выходе POA равна 27,43 дБ, а с учетом помех из-за ЧВС будет равным 25,27 дБ. Из расчетов очевидно ухудшение отношения сигнал/шум на выходе участка ВОСП-WDM.
Заключение
Рассмотрен участок сети ВОСП-WDM при равномерном распределении оптических каналов. Результаты моделирования распределения по спектру комбинационных частот четырехволнового смешения показывают, что при равномерном размещении спектральных каналов в наихудшем положении оказывается средний канал. Таким образом, помехи из-за четырехволнового смешения существенно влияют на качество сигнала.
Полученные результаты полезны при проектировании систем передачи с применением спектрального уплотнения и выявляют необходимость учета возникающих в оптическом волокне нелинейных явлений, в частности четырехволнового смешения.
Использованные источники:
1. Листвин В.Н., Трещиков В.Н. DWDM системы: научное издание. -Москва: Наука, 2013. 49 с.
2. Айбатов Д.Л., Айбатов Л.Р. Оптические направляющие среды и пассивные компоненты ВОЛС : конспект лекций. М.: Казанский государственный университет, 2013. 167с.
3. Варданян В.А. Исследование распределения продуктов четырехволнового смешивания в ВОСП с ЧРК// Вестник СибГУТИ. 2016. №2. С. 78-84.
4. Бородихин М.Г., Заславский К.Е. Волоконно-оптические системы передачи :практикум. М.: Веди, 2010. 137с.
5. Заславский К.Е., Капустенко Л.М. Волоконно-оптические системы передачи: Расчет мощности помех, возникающих из-за четырехволнового смешивания в каналах ВОСП-WDM// Электросвязь. 2004. №10. С. 44-46.
6. Заславский К.Е. Волоконно-оптические системы передачи со спектральным уплотнением ВОСП-WDM : учебное пособие. М.: СибГУТИ,
2002. 98с.
7. Беспрозванных В.Г., Первадчук В.П. Нелинейная оптика: учебное пособие. М.: Пермский государственный технический университет, 2011. 200с.
8. Система спектрального уплотнения Пуск// Оптическая связь. URL: http://optic-lines.ru/pusk.html (дата обращения: 15.10.18)
9. Варданян В.А. Влияние помех от четырехволнового смешения на спектрально разделённые каналы в пассивных оптических сетях доступа // Автометрия. 2017. Т.53, №1.
10. Леонов А., Наний О., Трещиков В. Волоконно-оптические технологии: Нелинейные искажения и нелинейный шум в когерентных системах связи / / Первая миля. 2014. №4. С. 50-55.
References in English:
1. Listvin V.N., Treshchikov V.N. of a DWDM system: scientific publication. -Moscow: Science, 2013. 49 pages.
2. Aybatov D.L., Aybatov L.R. The optical directing environments and the FOCL passive components: abstract of lectures. M.: Kazan state university, 2013. 167 pages.
3. Vardanyan V. A. A research of distribution of products of four-wave mixing in VOSP with ChRK//the Messenger of SIBGUTI. 2016. No. 2. Page 78-84.
4. Borodikhin M.G., Zaslavsky K.E. Fiber-optical systems of transfer: practical work. M.: Conduct, 2010. 137 pages.
5. Zaslavsky K.E., Kapustenko L.M. Fiber-optical systems of transfer: Calculation of power of the hindrances arising because of four-wave mixing in VOSP-WDM channels//Telecommunication. 2004. No. 10. Page 44-46.
6. Zaslavskiy K.E. The fiber-optical systems of transfer with spectral consolidation of FOST-WDM: manual. M.: СибГУТИ, 2002. 98 pages.
7. Besprozvannykh V.G., Pervadchuk V. P. Nonlinear optics: manual. M.: Perm state technical university, 2011. 200 pages.
8. System of spectral consolidation Start-up//Optical communication. URL: http://optic-lines.ru/pusk.html (date of the address: 15.10.18)
9. Vardanyan V. A. Influence of hindrances from four-wave mixture on spectrally divided channels in passive optical networks of access//Avtometriya. 2017. T.53, No. 1.
10.Leonov A., Nany O., Treshchikov Century. Fiber-optical technologies: Nonlinear distortions and nonlinear noise in coherent communication systems//the First mile. 2014. No. 4. Page 50-55.
