CC BY
389
Оптические когерентные DWDM системы связи с канальной скоростью 100 Гбит/с
Ключевые слова:: оптические когерентные системы связи, спектральные каналы, цифровая обработка сигналов, формат модуляции.
В течение последних двух десятилетий наблюдается непрерывное увеличение спроса на пропускную способность оптических сетей связи благодаря развитию интернета и появлению большого числа приложений, требующих использования высокоскоростных линий связи. Доля цифрового трафика в общем трафика увеличилась с 50% в2003 г. до 90% в настоящее время! Большая часть этого трафика относится к мультимедийным приложениям, а скорость его роста определяется развитием электронных средств создания таких приложений. Экспериментально продемонстрирована возможность совместной работы разнородных спектральных каналов (10 Гбит/с NRZ и 40 Гбит/с NRZ ADPSK) в сети DWDM с межканальным расстоянием 50 ГГц. Рассмотрен принцип работы когерентных оптических приемников с цифровой обработкой сигналов. Максимальная скорость передачи информации в когерентных системах связи определяется возможностями современных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), скорость работы которых достигла 56 Гбод. На их основе удалось увеличить скорость работы цифровых систем обработки сигналов и довести скорость работы когерентных приемников до 28 Гбод. Сделано заключение: по совокупности параметров формат модуляц ии DP 0[Жявпяется оптимальным форматом д ля систем дальней связи и облад ает наилучшим сред и всех известных форматов модуляции значением интегрального параметра — эффективности, равного произведению спектральной эффективности на дальность без регенерационной передачи информации
Гуркин Н.В., Трещиков В.Н.,
Компания Т8
Наний О.Е.,
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Введение
В течение последних двух десятилетий наблюдается непрерывное увеличение спроса на пропускную способность оптических сетей связи благодаря развитию интернета и появлению большого числа приложений, требующих использования высокоскоростных линий связи. Доля цифрового трафика в общем трафике превысила 50% примерно в 2003 г. и в настоящее время приблизилась к 90%. Большая часть этого трафика относится к мультимедийным приложениям, а скорость его роста определяется развитием электронных средств создания таких приложений.
Потребности операторов связи стимулируют предложение со стороны производителей систем связи все большей производительности и емкости. Однако переоценка потребностей привела в 2000 году к тому, что предлагаемая емкость систем связи существенно превысила потребности операторов. В результате этого в течение нескольких следующих за 2000 годом лет скорость роста емкости коммерческих систем связи значительно снизилась, но в 2008 г. потребности трафика вновь превысили емкость коммерческих систем связи (в США). С этого времени по настоящее время продолжается постоянный экспоненциальный рост, как потребности, так и предлагаемой емкости коммерческих систем связи.
Когерентные системы связи
Рост суммарной скорости передачи информации в системах связи со спектральным мультиплексированием (WDM) обеспечивается ростом канальной скорости передачи информации, спектральной эффективности использования рабочих спектральных областей и дальности передачи без регенерации. В оптических системах связи с канальной скоростью до 10 Гбит/ с преимущественно используются бинарные амплитудные форматы модуляции. При канальной скорости 40 Гбит/с наиболее экономически эффективным форматом модуляции для реализации DWDM систем связи, работающих на кабельной инфраструктуре действующих сетей связи, оказался адаптивный дифференциальный фазовый формат модуляции (ADPSK) [1-5]. Экспериментально продемонстрирована возможность совместной работы разнородных спектральных каналов (10 Гбит/с NRZ и 40 Гбит/с NRZ ADPSK) в сети DWDM с межканальным расстоянием 50 ГГц. Это позволяет осуществлять экономичную модернизацию действующих 80 канальных DWDM систем связи с канальной скорость 10 Гбит/с путем постепенного поканального перехода к более скоростному сорокагигабитному оборудовании.
Однако, скорость цифровой обработки и передачи символов ограничивается физическими факторами на уровне около 50 Гбод, что не позволяет использовать бинарный фазовый формат DBPSK в системах связи с канальной скоростью 100 Гбит/с. Поэтому, для увеличения канальной скорости передачи информации до 100 Гбит/с и больше надо использовать многоуровневые форматы модуляции, которые
позволяют уменьшить скорость передачи символов в несколько раз [6-9].
Наиболее удобно многоуровневые форматы реализовать в когерентных системах связи. Когерентные системы связи позволяют реализовывать любые многоуровневые форматы модуляции, обеспечивая увеличение скорости передачи информации в несколько раз в зависимости от емкости формата. В частности, формат РР ОРБК обладая емкостью 4 бит/символ, обеспечивают спектральную эффективность 2 бит/Гц при расстоянии между соседними каналами 50 ГГц.
Принцип работы традиционного когерентного приемника оптических сигналов заключается в том, что перед детектированием с преобразованием в электрический сигнал оптический сигнал смешивается с опорным излучением (ОИ) (см. рис.1).
Преобразование спектра оптического сигнала в когерентном гетеродинном приемнике поясняет рис. 2. Электрический сигнал, формируемый гетеродинным фотоприемником,
Рис. 1. Принцип работы традиционного когерентного приемника: оптический сигнал смешивается с опорным излучением (ОИ) и детектируется балансным фотоприемником, содержащим два фотодиода (PD1,2) и схему вычитания; для синхронизации ОИ используется схема автоподстройки (AFC)
Рис. 2. Преобразование спектра оптического сигнала в когерентном гетеродинном приемнике: слева показаны спектры оптического сигнала (трапеция), несущей волны (черная стрелка) и опорного излучения (красная стрелка); справа — спектры сигнала (трапеция) и несущей на промежуточной частоте. Поскольку промежуточная частота должна бьлъ значительно больше ширины полосы сигнала, то практическое применение гетеродинных приемников в системах связи со скоростью 100 Гбит/с маловероятно
содержит компоненту на разностной (или промежуточной) частоте, переносящую всю информацию, закодированную в исходном оптическом сигнале.
Если частота опорного излучения совпадает с частотой несущей волны оптического сигнала, то когерентная система называется гомо-динной. Принцип ее работы поясняет рис. 3.
В гетеродинных приемниках необходимо использовать промежуточную частоту, намного превышающую частоту передачи сигналов. Поэтому практическое применение гетеродинных приемников в системах связи со скоростью 100 Гбит/с маловероятно. В гомодинных приемниках основная трудность связана с обеспечением взаимной синхронизации частоты опорного излучения и несущей частоты оптического сигнала.
Первые попытки практического применения когерентных систем связи в 90-е годы ХХ в. оказались неудачными из-за отсутствия генераторов опорного излучения с ультравысокой стабильностью частоты. Почти на 20 лет были прерваны активные научные исследования в этой области.
Создание оптических систем обратной связи для синхронизации источника опорного излучения с несущей оптического сигнала (см. рис. 1)
по-прежнему остается трудной задачей.
Пригодные для практического применения когерентные системы связи были созданы после разработки приемников с высокоскоростной цифровой обработкой сигналов, в которых устранение фазового дрейфа несущей оптического сигнала производится в электрической форме.
Принцип работы когерентных оптических приемников с цифровой обработкй сигналов
В когерентном оптическом приемнике амплитудная и фазовая информация, переносимая оптическим сигналом, преобразуется в электрическую форму. В отсутствии цифровой обработки сигналов очень жесткие требования предъявляются к взаимной синхронизации частот и фаз источника опорного излучения и несущей оптического сигнала. При использовании цифровой обработки сигналов в когерентном приемнике не требуется взаимной синхронизации частот и фаз источников излучения. Устройство цифровой обработки сигналов выполняет функции синхронизации и фазовой диверсификации, а также декодирования цифровой информации.
Структура когерентного приемника показана на рис. 4.
Входной сигнал и опорное излучение делятся на две поляризационные компоненты поляризационными делителями (PBS). Две поляризационные компоненты информационного сигнала смешиваются с двумя поляризационными компонентами непрерывного излучения опорного лазера (LO) на 90-градусном оптическом смесителе (поляризационно-квадратурный смеситель — polarization-diversity 9G-degree optical hybrid).
Опорный лазер перестраивается относительно центральной частоты принимаемого сигнала в диапазоне ± 2G МГц. Ширина полоса лазера передатчика и лазера — источника опорного излучения должна быть менее 1GG кГц.
Четыре пары сигналов с балансных фотоприемников оцифровываются в АЦП и подаются на устройство цифровой обработки сигналов. Формируемые четыре потока символов с АЦП интерпретируются как действительная и мнимая части (I и Q) двух потоков комплексных символов, по одному "комплексному потоку" для каждой поляризации и обрабатываются в блоке цифровой обработки сигналов (см. рис. 4.).
На первом шаге алгоритм осуществляет синхронизацию и коррекцию статических ошибок, например ошибки связанные с относительной задержкой выборок между I и Q компонентами сигнала или поляризационные искажения 90-градусном смесителе (рис. 5.).
На втором шаге осуществляется сглаживающая цифровая фильтрация. Поскольку форма спектра сглаживающего фильтра оказывает незначительное влияние на работу цифрового приемника, то используются фильтры с треугольной или гауссовой формами спектра сглаживающего фильтра.
На третьем шаге фильтр хроматической дисперсии (bulk chromatic dispersion (CD) filter) компенсирует дисперсию передающей линии. Такая компенсация в цифровом виде возможна потому, что при когерентном приеме полная информация о комплексной огибающей оптического поля сохраняется в электрическом сигнале. Действие хроматической дисперсии может быть описано передаточной функцией линии связи Н(ю), преобразующей спектр Фурье огибающей входного сигнала Х(ю) в спектр Фурье выходного сигнала Y(ra) = Н(ю)Х(ю). После когерентного детектирования формируется электрический сигнал со спектром Y(ra - fflLQ). Для компенсации хроматической дисперсии необходимо пропустить полученный после детектирования электрический сигнал со спектром Y(ra - a>L0) через компенсирующий хроматиче-
Рис. 3. Преобразование спектра оптического сигнала в когерентном гомодинном приемнике: вверху показаны спектры оптического сигнала (трапеция) и опорного излучения (красная стрелка), спектр несущей совпадает со спектром опорного излучения; внизу справа — спектр сигнала биений (трапеция); слева — спектр комплексной огибающей несущей, восстанавливаемой с помощью фазовой диверсификации
Сигнал
Опорный.
лазер
—►
Цифровая
обработка
сигналов *
—-
Поляризационное и квадратурное разделение
Аналого-
цифровое
преобразование
Рис. 4. Структура когерентного приемника с поляризационной и фазовой диверсификацией
скую дисперсию линейный фильтр с обратной передаточной функцией Н-1(о - О^). Для осуществления линейной фильтрации цифрового сигнала его надо перевести в частотную область с использованием быстрого преобразования Фурье (fast Fourier transforms (FFT)) и умножить на функцию H-1 (о - Olo). После этого осуществляется обратное преобразование Фурье.
На четвертом шаге осуществляется синхронизация фаз и восстановление частоты. Частота синхронизации восстанавливается путем выполнения операции FFT от огибающей мощности и детектирования требуемой частотной компоненты на частоте, равной половине частоты следования символов, т.е. на 1/8 частоты передачи битов: 112/8 = 14 ГГц.
На пятом шаге с использованием восстановленной частоты и синхронной фазы осуществляется синхронное стробирование.
Затем алгоритм детектирования выполняет следующие задачи:
o Поляризационное разделение оптических сигналов для восстановления их поляризаций из случайно меняющихся поляризаций принятых электрических сигналов.
• Восстановление правильной фазы выборки (correct sampling phase).
• Восстановление частоты для компенсации остаточного вращения восстановленной амплитудно-фазовой диаграммы, вызванной не равенством нулю промежуточной частоты (IF), т.е. частоты биений между сигналом и опорным излучением (LO).
• Восстановление фазы для выравнивания амплитудно-фазовой диаграммы сигнала вдоль определенных направлений.
Максимальная скорость передачи инфомрации в когерентных системах связи
Максимальная скорость передачи информации в когерентных системах связи определяется возможностями современных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), скорость работы которых достигла 56 Гбод. На их основе удалось увеличить скорость работы цифровых систем обработки сигналов и довести скорость работы когерентных приемников до 28 Гбод.
Когерентные приемники обеспечивают возможность внедрения различных типов многоуровневых форматов модуляции включая фазовые и квадратурные форматы. Наиболее перспективным форматом для скорости передачи информации 1GG Гбит/с является формат DP-QPSK [1G]. Комплексная фазовая диаграмма сигнала в этом формате приведена на рис. 6.
В каждом из двух ортогонально поляризованных потоков информация передается с использованием 4-уровневой фазовой модуляции (QPSK). В результате в каждой поляризации передается по 2 бита на символ, всего 4 бит/символ. При символьной скорости 28 Гбод обеспечивается битовая скорость 112 Гбит/с, которая достаточна для передачи информации со скоростью 1GG Гбит/с и применения FEC с 12% избыточностью.
В стандартной сетке DWDM 5G ГГц системы связи 1GG Гбит/с DP QPSK обеспечивают спектральную эффективность 2 бит/Гц. Увеличить спектральную эффективность до 3 бит/Гц можно при использовании плотной спектральной сетки 33,3 ГГц. Применение сложных алгоритмов многосимвольной обработки (MAP или MLSE) позволило довести спектральную эффективность до 4 бит/с/Гц в сетке 25 ГГц/с [1G-11].
Поскольку при использовании сетки 33,3 ГГц не требуется применение сложных алгоритмов
Рис. 6. Комплексная фазовая диаграмма сигнала в формате йР-ОРБК В каждом из двух ортогонально поляризованных потоков информация передается с использованием 4-уровневой фазовой модуляции (ОРБК). В результате в каждой поляризации передается по 2 бита на символ, всего 4 бит/символ
многосимвольной обработки (МАР или MLSE), то DWDM системы связи со 100 Гбит/с РР QPSK форматом модуляции и скоростью передачи информации порядка 12-15 Тбит/с могут быть реализованы на основе коммерчески доступных компонент с использованием только С диапазона.
Для увеличения канальной скорости более 100 Гбит/с необходимо использовать многоуровневые (М-уровневые, М > 4) форматы модуляции совместно с поляризационным мультиплексированием и когерентным приёмом. Однако использование форматов РР160АМ, РР 320АМ и РР 640АМ уменьшает дальность передачи информации из-за увеличения чувствительности к шумам усиленного спонтанного излучения.
В недавних экспериментах максимальная дальность передачи информации в формате РР 160АМ составила 1022 км, в то время как дальность передачи со скоростью 100 Гбит/с в формате DP-QPSK в аналогичных условиях превышает 4000 км.
Среднее значение произведения спектральной эффективности на дальность — производительность системы связи [10] — примерно равно 5000 км-бит/с/Гц для РР п-ОАМ форматов и примерно равно 27000 км-бит/с/Гц для РР QPSK.
Комплексные диаграммы некоторых форматов, реализованных в когерентных системах, показаны на рис. 7. Многоуровневые форматы модуляции позволяют увеличить скорость передачи информации в несколько раз в зависимости от параметра М, который можно назвать емкостью формата. Величина М связана с числом уровней N выражением М = 1од2 N. Поэтому использование 16-уровневого формата модуляции позволяет увеличить скорость передачи информации в четыре раза по сравнению с обычным бинарным форматом при сохранении символьной скорости передачи.
Важное достоинство многоуровневьх форматов — более высокая по сравнению с двухуровневыми форматами спектральная эффективность. Для бинарных форматов она ограничена значением 1(бит/с)/Гц, для многоуровне-го формата — величиной М (бит/с)/Гц. Недавно продемонстрирована спектральная эффективность 8,6 (бит/с)/Гц при использовании формата модуляции 64-QAM с символьной скоростью 1 Гбод/с [9]. В работе [11] достигнута спектральная эффективность 6,2 (бит/с)/Гц при использовании формата модуляции DP16-QAM. Однако увеличение спектральной эффективности таких форматов достигается за счет уменьшения дальности передачи и экономичности систем дальней связи [10, 12].
По совокупности параметров формат DP QPSK с канальной скоростью 100 Гбит/с представляется наиболее перспективным форматом для DWDM систем дальней связи с суммарной скоростью 10-20 Тбит/с на одно соединение [10, 12-14].
Заключение
Когерентные системы связи сохраняют фазовую и поляризационную информацию оптического сигнала при преобразовании в электрическую форму. Это позволяет использовать любые форматы модуляции, осуществлять поляризационное мультиплексирование и постобработку электрических сигналов включая адаптивную компенсацию как стационарной, так и нестационарной хроматической и поляризационной модовой дисперсии (ПМД). Благодаря такой обработке сигналов могут быть эффективно компенсированы также и колебания во времени величины ПМД.
В настоящее время разработаны когерентные системы передачи информации с символьной скоростью 25 Гбод/с. Такие системы при использовании четырехуровневой фазовой
модуляции и поляризационного уплотнения (формат DP QPSK) обеспечивают скорость передачи информации 100 Гбит/с.
По совокупности параметров формат модуляции DP QPSK является оптимальным форматом для систем дальней связи и обладает наилучшим среди всех известных форматов модуляции значением интегрального параметра — эффективности, равного произведению спектральной эффективности на дальность без регенерационной передачи информации [10-14].
Литература
1. Редюк АА. и др. Математическое моделирование экспериментального прототипа высокоскоростной линии связи на основе дифференциального фазового формата модуляции без возвращения к нулю // Квантовая электроника, 2011, 41 (10). — С. 929-933.
2. Наний О.Е., Трещиков В.Н. Российское оборудование 40 Гбит/с — реальность! // Фотон-экспресс, 2010, №5 (85). — С. 28-30.
3. Гуркин Н.В., Капин Ю.А., Павлов В.Н., Плаксин С.О., Трещиков В.Н. Характеристики однопролетной системы DWDM с каналами 40 Гбит/с DPSK в сетке 50 ГГц // Электросвязь, 2012, №1.
4. Наний О.Е., Трещиков В.Н. Российское оборудование DWDM с канальной скоростью 40 G и 100 G. //Вестник связи, 2011, №4. — С. 52.
5. Наний О.Е., Новиков АГ, Плоцкий АЮ, Трещиков В.Н, Убайдуллаев RP Характеристики многопролетной системы DWDM с каналами 40 Гбит/с DPSK в сетке 50 ГГц // Электросвязь, 2012, № 5.
6. Величко М.А., Наний О.Е., Сусьян А А. Новые форматы модуляции в волоконно-оптических системах связи // Lightwave RE, 2005, № 4. — С. 21-30.
7. G. Charlet. Progress in Optical Modulation Formats for High-Bit Rate WDM Transmissions. // IEEE J. of Selected Topics in QE, 2006 (12), p. 469-483.
8. Наний О.Е. Когерентные системы связи. // Lightwave RE, 2008, № 4. — С. 23-27.
9. K Kikuchi. Coherent transmission system. // ECOC 2008, Paper Th2A1.
10. Наний О.Е., Новиков А.Г, Плаксин С.О., Плоцкий А.Ю., Трещиков В.Н. Перспективные DWDM системы связи со скоростью 20 Тбит/с на соединение // Фотон-экспресс, 2012, №3. — С. 34-37.
11. PJ. Winzer, A.H. Gnauck, C.R. Doerr, M. Magarin, L. L Buhl. Spectrally Efficient Long-Haul Optical Networking Using 112-Gb/s Polarization-Multiplexed 16-QAM. // J. Lightw. Technol., 2010, v. 28, p. 547556.
12. Winzer P. J. Energy-efficient optical transport capacity scaling through spatial multiplexng. // Photon. Technol. Lett., 2011, v. 23, pp. 851-853.
13. Наний О.Е., Трещиков В.Н. Российское оборудование DWDM с канальной скоростью 40 G и 100 G // Вестник связи, 2011, №4. — С. 52-53.
14. Наний О.Е, Трещиков В.Н. Форматы модуляции для оптических DWDM систем связи с канальной скоростью 40 и 100 Гбит/с //T-Comm — Телекоммуникации и транспорт, 2011, № 8. — С. 76-78.
ОРЭК (2 бит/символ)
Рис. 7. Комплексные фазовые диаграммы многоуровневых форматов модуляции, реализованных в когерентных оптических системах связи. Слева направо: четырехуровневый фазовый формат (ОРБК)емкостью 2 бит/символ; восьмиуровневый фазовый формат (8-РБК) емкостью 3 бит/символ и 16-уровневый квадратурный формат (16-ОАМ) емкостью 4 бит/символ. Использование двух поляризаций (РР) обеспечивает удвоение емкости форматов
8-PSK (3 бит/символе)
0000 • 0100 • 1100 • 1000 •
0001 • 0101 • 1101 • 1001 •
• 0011 • 0111 • 1111 W • 1011
• 0010 • 0110 • 1110 • 1010
16-QAM (4 бит/символ)
