CC BY
19
УДК 535.92
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-403-409
ОЦЕНКА ПРОТЯЖЕННОСТИ РЕГЕНЕРАЦИОННОГО УЧАСТКА ПОЛЕВОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ С УДАЛЕННОЙ НАКАЧКОЙ
А.С. Соколов, К.С. Алексеев, К.П. Щербак
В статье рассматривается вопрос использования эрбиевых линейных оптических усилителей с удаленной накачкой для построения протяженных полевых волоконно-оптических линий связи. Предлагается алгоритм расчета полевой волоконно-оптической линии связи с использованием эрбиевых оптических усилителей с удаленной накачкой. Проводится оценка протяженности регенерационного участка полевой волоконно-оптической линии связи с использованием предложенного алгоритма.
Ключевые слова: регенерационный участок, EDFA, полевой волоконно-оптический кабель связи, линия связи, волоконно-оптический усилитель, удаленная накачка.
В настоящее время одним из направлений развития сетей связи специального назначения является внедрение новых и совершенствование характеристик, существующих полевых цифровых волоконно-оптических средств и комплексов связи, а также полевых оптических кабелей (ПОК) связи различной конструкции. Основными задачами, которые возлагаются на данные средства, являются: построение внутриузловых линий связи, линий привязки узлов связи пунктов управления к стационарным узлам связи и линий прямой связи. Протяженность полевых волоконно-оптических линий связи (ПВОЛС) зависит от оперативных условий, состояния и возможностей стационapной сети связи, наличия сил и средств связи, физико-географических условий, способов прокладки кабеля.
Анализ показал, что для решения данных задач широкое применение находят комплексные аппаратные связи, в состав которых входит оборудование волоконно-оптических систем передачи плезиохронной и синхронной цифровых иерархий, а в качестве среды распространения применяются стандартные одномодовые оптические волокна полевых оптических кабелей связи.
Известно, что качество образованных волоконно-оптической системой передачи каналов во многом определяется параметрами линейного тракта (ЛТ), которые, в свою очередь, зависят от параметров элементов ЛТ и его структуры. Анализ принципов построения линейных трактов, построенных на базе оборудования и кабеля из состава комплексных аппаратных связи, показывает, что полевые волоконно-оптические линейные тракты строятся по двухволокон-ной схеме без оптических усилителей (ОУ) и линейных регенераторов (ЛР). При необходимости построения протяженных линий в качестве регенераторов используется оборудование линейных трактов, входящее в состав мультиплексоров комплексных аппаратных связи.
Одним из основных параметров ЛТ является максимальная протяженность регенера-ционного участка (РУ), которая определяется энергетическим потенциалом аппаратуры, величиной затухания, хроматической и поляризационно-модовой дисперсии кабельного участка. Для полевых волоконно-оптических линейных трактов ввиду сравнительно небольших скоростей передачи информации влияние дисперсионных искажений на качество цифрового оптического сигнала при его передаче минимально. Соответственно, основным фактором, ограничивающим протяженность РУ, является затухание.
Как показали результаты измерений затухания участков полевых волоконно-оптических линий связи, основной вклад в суммарное затухание линии вносит затухание разъемных оптических соединителей. Причем величина затухания в этих элементах имеет очень большой разброс: от 0,5 дБ до 2,5 дБ.
Такие результаты можно объяснить, прежде всего, особенностями конструкции оптических полумуфт и износом элементов соединителей в процессе эксплуатации. Кроме этого, в процессе эксплуатации ухудшение параметров передачи происходит и в результате возникновения микротрещин в оптических волокнах оптического кабеля, в результате чего увеличивается коэффициент затухания оптического волокна.
Одним из решений данной задачи является применение оптических усилителей различного типа, в первую очередь эрбиевых оптических усилителей мощности и предварительных оптических усилителей. Применение линейных устройств регенерации (оптических усили-
403
телей (ОУ) и регенераторов) требует разрешения дополнительных вопросов дистанционного питания, разработки полевых оптических кабелей новой конструкции, увеличивает время развертывания кабельной линии и усложняет реализацию системы контроля параметров линейного тракта.
В качестве одного из вариантов дальнейшего увеличения протяженности регенераци-онного участка полевого ВОЛТ можно выделить применение эрбиевых оптических усилителей с удаленной накачкой. Основной особенностью данных усилителей является применение отдельного оптического волокна для передачи оптического сигнала накачки в оптический усилитель, находящийся на удалении от лазера накачки, размещаемого в оконечном оборудовании (аппаратной).
Известно, что характеристики данных оптических усилителей зависят от параметров эрбиевого волокна, а также от уровней мощности входных сигналов (полезного сигнала и сигнала накачки), которые определяются суммарным затуханием кабельного участка, а основным показателем качества передачи оптического сигнала в волоконно-оптическом линейном тракте с оптическими усилителями является оптическое отношение сигнал/шум на входе приемного оптического модуля. Соответственно, в качестве исходных данных, необходимых для расчета оптического отношения сигнал/шум выступают параметры элементов линейного тракта и его структура:
Параметры элементов ПВОЛТ:
- длина волны излучения полезного сигнала - Хс=1,55-10"6 м;
- длина волны излучения сигнала накачки - ^н=1,48 10"6 м;
- коэффициент затухания линии на длине волны полезного сигнала - ас=0,7 дБ/км;
- коэффициент затухания линии на длине волны сигнала накачки - ан=0,71 дБ/км;
- мощность квантового шума - -Рто=3,1810"9 Вт;
- уровень мощности сигнала накачки - рн—20 дБм;
- уровень мощности на выходе ПОМ - рпом=—5 дБм.
Параметры структуры ПВОЛТ:
- расстояние до оптических усилителей - ¿1=29 км;
- протяженность регенерационного участка - Ьт—90 км;
Параметры эрбиевых усилителей с удаленной накачкой:
- радиус сердцевины эрбиевого волокна - Я — 10-6 м;
- числовая апертура эрбиевого волокна - ЫЛ — 0,35;
- длина эрбиевого волокна - — 30 м;
- концентрация ионов эрбия - N — 5 10-24 см-3;
- сечение излучения полезного сигнала - оис—2,5 10"25 м2;
- сечение поглощения полезного сигнала - опс—210"25 м2;
- сечение излучения сигнала накачки - Оин—0,5 10"25 м2;
- сечение поглощения сигнала накачки - Опн—1,5 10"25 м2;
- диаметр модового поля оптического волокна для излучения полезного сигнала -Жс—1,77110"6 м;
- диаметр модового поля оптического волокна для излучения сигнала накачки -Жн—1,69110"6 м;
- коэффициент перекрытия для излучения полезного сигнала - Гс—0,273;
- коэффициент перекрытия для излучения сигнала накачки - Гн—0,275;
Параметры эрбиевого оптического усилителя мощности и предварительного оптического усилителя:
- коэффициент усиления ОУМ - Жэум—15 дБ;
- шум-фактор ОУМ - Ы^оум—6 дБ;
- шум-фактор ПОУ - ЫРПоу—6 дБ.
Структура ПВОЛТ на основе двух оптических усилителей с удаленной накачкой представлена на рисунке.
Общий алгоритм расчета ПВОЛТ с применением оптических усилителей с удаленной накачкой может быть представлен в виде следующих этапов:
1) расчет оптического отношения сигнал/шум на выходе первого и второго эрбиевого усилителя;
2) расчет итогового (суммарного) оптического отношения сигнал/шум на входе приемного оптического модуля;
3) расчет диаграммы уровней оптического сигнала в ПВОЛТ.
404
Рис.1. Структура ПВОЛТ на основе оптических усилителей с удаленной накачкой
Расчет диаграммы уровней и основных характеристик оптических усилителей (зависимости распределения уровней мощностей полезного сигнала, сигнала накачки и шума в эр-биевом волокне) выполнены на основе известных математических выражений, описывающих процессы перехода ионов эрбия между энергетическими уровнями в программной среде Mathcad Prime 4.0. Дифференциальные уравнения, описывающие процесс взаимодействия полезного сигнала, сигнала накачки и шума решались методом Эйлера с шагом 1 мм.
Методика расчета уровней сигнала и оптического отношения сигнал/шум на выходах оптических усилителей с удаленной накачкой может выглядеть следующим образом: Расчет 1-го эрбиевого усилителя.
На первом этапе осуществляется расчет уровня мощности сигнала накачки на входе 1-го усилителя с удаленной накачкой:
Рн - рнак - анР1,
где ан - коэффициент затухания линии на длине волны сигнала накачки, дБ/км; р - расстояние до усилителя, км; Рнак - уровень мощности сигнала накачки на входе в линию.
На втором этапе осуществляется расчет уровня мощности полезного сигнала на входе 1-го усилителя:
рс0 = рОУМ -асРЪ
где ас - коэффициент затухания линии на длине волны полезного сигнала, дБ/км; р - расстояние до усилителя, км; Pqym - уровень мощности на выходе ОУМ.
На третьем этапе определяется населенность 2-го и 1-го энергетических уровней в начале 1-го эрбиевого усилителя Xw:
Кс • P(o0 • Гс +апн • Рн0 "Гн +°пс • Рс0 Гс)
X10 -
Кс • Pco0 Гс +аис • P(00 Гс +аин • Рн0 "Гн + аис " Рс0 " Гс )
На четвертом этапе определяется концентрация ионов эрбия на 1-м Лцд и 2-м N]
120
энергетических уровнях в начале 1-го эрбиевого волокна:
N110 -
N
N120
N • X
10
1 + Х!о 1 + Хю
где N - концентрация ионов эрбия.
Данные значения являются граничными условиями для решения системы дифференциальных уравнений, описывающих распределение мощности полезного оптического сигнала, шума и сигнала накачки в первом оптическом усилителе. Результаты расчета распределения уровней мощностей сигнала накачки, полезного сигнала и шума в 1-м эрбиевом волокне представлены на рис. 2.
На рис. 2 использованы следующие обозначения: ps1i - распределение уровня мощности полезного сигнала в 1-м эрбиевом волокне; рп1. - распределение уровня мощности сигнала накачки в 1-м эрбиевом волокне; рм:\ - распределение уровня мощности шума в 1-м эрбиевом волокне; ояПг\ = ря1; - - распределение отношения сигнал/шум в 1-м эрбиевом волокне.
На пятом этапе рассчитываются значения шум-фактора 1-го эрбиевого оптического усилителя N^1:
NF\ - osnrlj - osnrl L
edfa
~AT
ДБ" "
мили за то-■а -о. - 10-ао-за.
40.
поел.
рй1.
раЛ.
оялг!
Рис.2. График распределения уровней мощностей сигнала накачки, полезного сигнала
и шума в 1-м эрбиевом волокне
Расчет 2-го эрбиевого усилителя. На первом этапе осуществляется расчет уровня мощности сигнала накачки на входе 2-го усилителя с удаленной накачкой рн0 :
рн0 = Рн -ан '
где ан - коэффициент затухания линии на длине волны сигнала накачки, дБ/км; Ь - расстояние
до усилителя, км; рн- уровень мощности сигнала накачки.
На втором этапе осуществляется расчет уровня мощности полезного сигнала на выходе 2-й линии (на входе 2-го эрбиевого оптического усилителя) р2:
Р2 = Рс1^ " а 5 • (Ьлт " 2 • Ll),
АЬ
где ас - коэффициент затухания линии на длине волны полезного сигнала, дБ/км; ь1 - расстояние до усилителя, км; Ьлт - протяженность регенерационного участка; р 1 Ь - уровень
Ье^/а 1
АЬ
мощности полезного сигнала на выходе 1-го оптического усилителя.
На третьем этапе определяется населенность 2-го и 1-го энергетических уровней в начале 2-го эрбиевого волокна х20:
х _ Кс • Рсо0 Гс +^пн • Рн0 •Гн + °пс • Рс0 Гс)
X 20 _7-7 •
(аис • Рсо0 • Гс + аис • Рсо0 • Гс + аин • Рн0 • Гн + аис • Рс0 • Гс)
На четвертом этапе определяется концентрация ионов эрбия на 1-м N210 и 2-м N220 энергетических уровней в начале 2-го эрбиевого волокна:
N _ N N _N • X20 ^^210 _ 1 + х , N220 _ 1 + х ■ 1 + х 20 1 + х 20 Результаты расчета распределения уровней мощностей сигнала накачки, полезного сигнала и шума во 2-м эрбиевом волокне представлены на рис. 3.
На рис. 3 использованы следующие обозначения: р5 2г- - распределение уровня мощности полезного сигнала во 2-м эрбиевом волокне; рп2^ - распределение уровня мощности сигнала накачки во 2-м эрбиевом волокне; pw2j - распределение уровня мощности шума во 2-м эрбиевом волокне; ожг2г- _ ря2; - рм>2^ - распределение отношения сигнал/шум во 2-м эрби-евом волокне;
На пятом этапе рассчитываются значения шум-фактора 2-го эрбиевого оптического усилителя NF 2 :
NF2 = osnr 2i - osnr 2 L
'edfa
AL
-1
и уровень мощности полезного сигнала на выходе 3-й линии (на входе предварительного оптического усилителя) рз:
Р3 = Р2L'dfa 1 -as-(L1 ) •
AL
дБм
и ia-
9
ps2.
pn'2
pw'2_
osnr'2
Рис. 3. График распределения уровней мощностей сигнала накачки, полезного сигнала
и шума в 2-м эрбиевом волокне
Данные значения учитываются при расчете значения оптического отношения сигнал/шум на входе приемного оптического модуля.
Методика расчета итогового (суммарного) оптического отношения сигнал/шум на входе приемного оптического модуля может выглядеть следующим образом.
Итоговое отношение сигнал/шум на входе в приемный оптический модуль рассчитывается на основе значений отношений сигнал/шум на выходах: 1-го эрбиевого оптического усилителя osnrçyyi , 2-го эрбиевого оптического усилителя osnr0y2 ' оптического усилителя мощности osnrQYM, которое можно определить с помощью выражения
osnrÜYM = -10log(hvAv •103 ) - Щоум + РПОМ и предварительного оптического усилителя osnrnoy :
osnrnoy = -10log ( hvAv • 103 ) - NFnoy + Рз. Общее отношение сигнал/шум 0SNRCуM рассчитывается по выражениям:
OSN^ = (oSNRoyf1 + OSNRoy2-1 + OSNRoyM-1 + OSNRnoy-1 )-1,
для представления в логарифмических единицах, и
osnrсум =
10log (0SNRCум ),
для представления в безразмерном виде.
Для исходных данных, представленных выше, значение osnrсуM составляет 24,5 дБ.
Расчет диаграммы уровней оптического сигнала в ПВ0ЛТ представляет собой результат расчета уровней сигнала на входах и выходах оптических усилителей с формированием диаграммы уровней оптического сигнала. orn представляет собой распределение уровня мощности оптического сигнала в волоконно-оптическом линейном тракте (рис. 4).
407
дБм 1IX J Y U
-Ы ч -■a* —14 -HJt -21 -WJr а "^Ч 8 2? JV 4S B4 63 n Hi № Kl.l
t
Рис.4. Диаграмма уровней оптического сигнала в ПВОЛТ
В ходе проведения расчетов были определены оптимальные по критерию оптического отношения сигнал/шум на входе приемного оптического модуля (выхода оптической линии) расстояния, на которых необходимо размещать оптические усилители с удаленной накачкой. Расстояния от оконечных пунктов до линейных оптических усилителей имеют одинаковое значение, что объясняется необходимостью обеспечения одинаковых условий распространения оптического сигнала в двух противоположных направлениях.
Результаты расчетов длин регенерационных участков показали, что применение оптических усилителей с удаленной накачкой для построения полевого волоконно-оптического линейного тракта протяженностью 90 км позволяет полностью исключить из рассмотрения промежуточные комплексные аппаратные связи, выполняющие функции регенерации оптического сигнала.
Таким образом, можно сделать вывод, что совместное применение оптических усилителей с удаленной накачкой и представленной модели расчета параметров полевых волоконно-оптических линейных трактов позволит с одной стороны существенно повысить протяженность регенерационных участков полевых ВОЛТ, с другой стороны, обоснованность принимаемых решений на этапе планирования полевых волоконно-оптических линий.
Список литературы
1. Дополнение 39 МСЭ-Т. Рассмотрение вопросов расчета и проектирования оптических систем, 2003. 84 с.
2. Рекомендация МСЭ-Т G.652. Характеристики одномодового оптического волокна и кабеля, 2009. 22 с.
3. Листвин В.Н., Трещиков В.Н. DWDM системы: научное издание. М.: Издательский Дом «Наука», 2013. 500 с.
4. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника: Учеб. для вузов - М. Высш. шк., 2001. 573 с.
5. Снайдер А., Лав Д..Теория оптических волноводов. М.: «Радио и связь», 1987. 666 с.
6. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. М.: ЛЕСАРарт, 2005.150 с.
Алексеев Кирилл Сергеевич, старший оператор роты (научной), va-ra_alex@icloud.com, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени С.М. Буденного,
Соколов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, sanyol80@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени С.М. Буденного,
Кирилл Павлович Щербак, научный сотрудник научно-исследовательского центра, kirillshherbak@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени С.М. Буденного
ESTIMATION OF THE LENGTH OF THE REGENERATION SECTION OF THE FIELD FIBER-OPTIC COMMUNICATION LINE BASED ON OPTICAL AMPLIFIERS
WITH REMOTE PUMPING
K.S. Alekseev, A.S. Sokolov, K.P. Shcherbak 408
The article discusses the use of erbium linear optical amplifiers with remote pumping for the construction of extended field fiber-optic communication lines. An algorithm for calculating a field fiber-optic communication line using erbium optical amplifiers with remote pumping is proposed. The length of the regeneration section of the field fiber-optic communication line is estimated using the proposed algorithm.
Key words: regeneration site, EDFA, field fiber-optic communication cable, communication line, fiber-optic amplifier, remote pumping.
Kirill Sergeevich Alekseev, senior company operator (scientific), vara_alex@icloud.com, Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny,
Sokolov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, sanyol80@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny,
Kirill Pavlovich Shcherbak, researcher at the research center, kirillshherbak@gmail.com, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny
УДК 535.92
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-409-416
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛОКОН ПОЛЕВЫХ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ
К.С. Алексеев, А.С. Соколов, К.П. Щербак
В статье рассмотрены предложения по реализации системы контроля параметров оптических волокон полевых оптических кабелей связи. Значения параметров оптических волокон являются основными исходными данными на этапе планирования полевых волоконно-оптических линий связи. При этом, с учетом многократного развертывания (свертывания) полевых оптических кабелей необходимо учитывать деградацию их характеристик, прежде всего увеличение затухания оптических волокон и соединителей, и, как следствие, деградацию показателя качества цифрового оптического сигнала.
Ключевые слова: система контроля, оптические волокна, параметры оптических волокон, полевые оптические кабели, кабели связи.
Одной из основных задач, решаемых на этапе планирования и эксплуатации полевых волоконно-оптических линий связи (ПВОЛС) является измерение параметров полевых оптических кабелей (ПОК). Как показал анализ, для ПВОЛС, ввиду сравнительно небольших скоростей передачи информации, влияние поляризационно-модовой дисперсии на качество цифрового оптического сигнала может быть исключено, а возможность применения различного типа компенсаторов устраняет влияние хроматической дисперсии. Следовательно, основными параметрами, ограничивающими качество цифрового оптического сигнала в ПВОЛС являются затухание волокон и соединителей ПОК [1].
Значения вышеперечисленных параметров являются основными исходными данными на этапе планирования ПВОЛС. При этом, с учетом многократного развертывания (свертывания) ПОК необходимо учитывать деградацию характеристик, прежде всего увеличение затухания, оптических волокон и соединителей, и, как следствие, деградацию показателя качества цифрового оптического сигнала, определяемого коэффициентом битовой ошибки. Это приводит к необходимости применения системы контроля параметров ПОК, которая должна предусматривать измерение и оценку затухания оптических волокон и соединений строительных длин ПОК [2].
В настоящее время наиболее эффективным методом измерения затухания оптических волокон и соединителей, применяемых в различных системах контроля параметров ВОЛС является метод обратного рассеяния, реализуемый в измерительных приборах, называемых рефлектометрами [3].
