CC BY
53
20 декабря 2011 г, 12:07
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Потенциальные возможности реконструкции волоконно-оптических линий связи на основе управляемых дисперсией солитонов
Ключевые слова; волоконно-оптическая пинии связи упрсвление дисперсией, оптические соли тоны, волокна компенсирующие дисперсию, соедини»*« строительных длин отжеских кабелей связи
Рассмотрен способ реконструкции волоконно-оптической линии связи на основе техники управления дисперсией за счет формирования оптических солитонов на коротких периодах компенсации включением компенсируюицих дисперсию волокон в местах соединения строительных длин оптического кабеля. Представлены результаты моделирования, которые демонстрируют возможность реализации предлагаемого подхода на регенерационном участке с оптическими усилителями для увеличения скорости передачи в линии с адномодовыми ступенчатыми оптическими волокнами до 40 Гбит/с.
Бурдин В.А., Волков КА
На современном этапе развития сетей связи потребность в скорости передачи по линиям связи возрастает примерно в два раза каждые 3-4 года[1, 2]. При этом рост потребности в увеличении скорости передачи происходит на фоне увеличения стоимости земли, недвижимости и, как следствие, удорожания отводов земли по трассе строительства кобельных линий, аренды опор, кабельной канализации и тл. Уже сегодня в структуре затрат на строительство магистральных и внутризоновых волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) доля затрат на строительно-монтажные работы соизмерима с затратами на приобретение материалов и оборудования (кабелей, защитных пластмассовых труб, кабельных муфт, предупредительной ленты, смотровых устройств и тд) [3]. Эта тенденция в перспективе будет только усугубляться, что делает крайне актуальной задачу реконструкции ВОЛС, обеспечивающей увеличение ее пропускной способности при минимуме затрат на трудоемкие земляные роботы при прокладке или замене оптических кабелей (ОК) и на оборудование новых пунктов с гарантированным электропитанием.
Набор решений задачи увеличения пропускной способности ВОЛС ограничен. Это — увеличение скорости передачи в оптическом канале и увел^ение числа оптических каналов Сегодня на сетях связи РФ ОК в основном проложены непосредственно в грунт или подвешены на опорах. В подавляющем большинстве случаев это кабели с одномодовыми ступенчатыми оптическими волокнами (ОВ) (рекомендации в.652 ГП)-Т), по которым обеспечивается передача со скоростью 25 Гбит/с при расстояниях между необслуживаемыми регенерационными пунктами (НРП) в среднем 80-120 км. На европейской чости РФ расстояние между крупными поселенными пунктами составляет около 300-400 км Очевидно, что для таких ВОЛС наибольший интерес представляют варианты реконструкции без замены кобеля с размещением оптических усилителей (ОУ) в контейнерах НРП через 80-120 км, при которых по тем же ОВ обеспечивается увеличение скорости передачи до 40 Гбит/с и выше на длине регенерационных участков (РУ) до 400 км. Эю задача и рассмотрена в данной работе.
Можно выделил» следующие способы увеличения скорости передачи при реконструкции ВОЛС: увеличение динамического диапазона; пр^енение помехозащищенных кодов и коррекции ошибок; применение методов модуляции и линейного кодирования (форматов модуляции) с низкой чувствительностью (толерантных) к
дисперсии; компенсация хроматической дисперсии. Согласно [4], даже без учета компенсации хроматической дисперсии, вышеперечисленные меры в комплексе могут дать увелкнение отношения сигнал/ помеха до 24 дБм Для подавления влияния дисперсии перспективно использование солигонных технологий, обеспечивающих передачу оптических импульсов на значительные расстояню практически без дисперсионных искажений [5]. Временные солитоны формируются в ОВ с отрицательной дисперсией вследствие баланса между хроматической дисперсией и самомодуляцией фазы, обусловленной керровской нелинейностью. Важное свойство оптических солитонов — их высокая устойчивость к возмущениям. Благодаря этому он может формируется в световоде даже если форма профиля и пиковая мощность отклоняются от идеальных условий. Различают режим передачи солитонов, управляемых потерями, и режим передачи солитонов, управляемьк дисперсией. Из-за потерь при распространении салигона в ОВ его пиковая мощность уменьшается и, как следствие, нарушается условие баланса. Компенсировать потери можно, периодически включая в линии ОУ Известно, что солитоны будут распространяться в ОВ, если выполняется условие 1А «(.р, здесь ¿л — расстояние между ОУ (длина усилительного
участка), а ^ — дисперсионная длина, равная Т^/Н-У'где Р2 — параметр хроматической дисперсии, пс2/км, а Т0 — длительность оптического импульса, пс. Эго режим передачи солитонов, управляемых потерями. Чтобы обеспечить скорость передачи 10 Гбит/с по обычному одномодовому ступенчатому ОВ, длина усилительного участка должна быть не более 30-50 км.
Пусть в линии чередуются длины ОВ с положительной и отрицательной дисперсией. Период изменения дисперсии вдоль линии называют периодом дисперсионной схемы, а порядок укладки длин ОК с ОВ, дисперсия которых имеет противоположные знаки, в пределах этого периода — дисперсионной схемой. Известно [5,6], что в такой линии будут распространяться солитоны, если выполняется условие п • 1с=т • [д, где гл и п — целые числа, и длительность оптического импульса приближенно равна: т ^0. > Р: М &1 & 1 где, Г — параметр с размерностью времени, который предоставляет временной масштаб для произвольной дисперсионной схемы такой, что устойчивые периодические решения имеют длительность входного импульса, близкую к ■ кк — значения параметров хроматической дисперсии ОВ с аномальной и нормальной дисперсией, соответственно; 1п—длины ОВ с аномальной и нормальной дисперсией на периоде дисперсионной схемы, соответственно. Такой режим называют передачей солитонов, управляемых дислер-
Т-Сотт, #8-2011
37
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
сией (DMS — dispersion managed sofiton). По сравнению с управлением потерями, он позволяет существенно увеличить длину РУ и расстояния между ОУ При условии La «Lc добиваются значительного увеличения расстояния между регенераторами при относительно небольших длинах усилительных участков. Для рассматриваемой задачи, характерной для наземных ВОЛ С, предпочтительнее "плотное" управление солитонами но дисперсионных схемах с малым периодом (DDMS — densely dispersion manoged sotoon), обеспечивающее устойчивую передачу солитонов на относительно небольших длинах РУ, но при увеличенных расстояниях между ОУ В этом слу-чое L- «Ід. На ВОЛС с обычным одномодовым ступенчатым ОВ возможно увеличение расстояний между ОУ до требуемых значений 80-120 км [5,7-8]. Известны варианты "плотного" управления с постоянным периодом дисперсионных схем на усилительном участке (УУ) и с изменением периода в соответствии с изменениями пиковой мощности (A4DMS — averoge dispersion decreasing densely dispersion manoged sol ton) [9,10].
Для реализации дисперсионных схем с малым периодом на ВОЛС введенных в эксплуатацию без замены проложенного ОК авторами предложено включение ОВ с дисперсией противоположного знака в местах соединений строительных длин ОК на муфтах [11]. На ВОЛС с обычными одномодовыми ступенчатыми волокнами это должны быть компенсирующие ОВ (DCF — dispersion compensating fiber) с отрицательной дисперсией. В отличие от известных решений [5-10] в данном случае включение DCF вносит значительные дополнительные потери и изменения параметра нелинейности ОВ вдоль линии. С одной стороны, это требует увеличения усиления ОУ а с другой — накладывает более жесткие ограничения на выбор параметров дисперсионных схем В частности, для уменьшения потерь желательно, чтобы длина DCF, была как можно меньше. Уменьшение длины компенсирующих волокон желательно также с точки зренга практической реализации включения DCF: согласовании типоразмеров, снижения затрат. Как следствие, здесь должны применяться компенсирующие ОВ с большими значениями параметра качества (ЮМ — figure of merit), равного ЮМ ■ | D | /а, где U — коэффициент затухания волокна, дБ/км; D — коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нмЧкм).
Предложено два способа включения DCF в местах соединения строительных длин ОК. Это размещение DCM в корпусах муфт и укладка совместно с запасом ОК, необходимым для монтажа, бухт специального компенсирующего ОК (кабеля с компенсирующими волокнами). Учитывая ограниченные размеры корпусов муфт, в них возможно размещение лишь небольшого число модулей компенсации и, соответственно, сформировать дисперсионные схемы можно только на отдельных волокнах кабеля. Возможно от 2 до 6 ОВ. Номинальная длина компенсирующих ОВ в выпускаемых промышленно DCM выдерживается с высокой точностью. Однако расстояния между муфтами определяются не только строительными длинами
О К, но и конкретными условиями прокладки, свойствами местности и рядом субъективных факторов. Анализ паспортов кабельных участков ВОЛС показывает, что разница между номинальными значениями строительных длин кабеля и расстоянкями между муфтами с учетом запоса кабеля обычно не превышает 100-120 м Вместе с тем, встречаются удлиненные и укороченные строительные длины кобеля, отличающиеся от среднего значения строительной длины на кабельном участке на 2км и более. Как следствие, при включении DCM в муфтах средние значения дисперсии на периодах дисперсионных схем на длине УУ не одинаковы, что может привести к нарушению условий существования солитона. Эго, соответственно, требует оценивания допустимого разброса средней дисперсии на РУ Невозможность коррекции длины DCF в модуле компенсации при
ограниченных возможностях выбора расстояния между точками включения DCM делают применение режима A4DMS в этом случае практически невозможным И, наконец учитывая особенности конструкции DCF, для ограничения ПМД важно обеспечить их защиту DCM от климатических воздействий. В типовых конструкциях муфт это сделать сложно.
Более предпочтительный на наш взгляд вариант — включение компенсирующего ОК, хотя он и требует разработки конструкции и заказа специального кабеля с компенсирующими ОВ. Для включения компенсирующего кабеля между строительными длинами проложенного ОК достаточно двух свободных портов и места под дополнительную кассету в корпусе муфты, что, как правило, обеспечивают практически все представленные на рынке муфты для монтажа ОК. Эго позволяет сформировать дисперсионные схемы на всех волокнах проложенных кабелей. При этом длина компенсирующего кабеля (волокон) здесь практически не ограничена. Более того, возможна "подгонка" длины компенсирующего ОК по месту, что позволяет исключил» случайный разброс среднего значения дисперсии на периодах дисперсионных схем и, при необходимости, реализовать ре-жюл A4DMS, за счет изменения длины включаемых компенсирующих ОК вдоль УУ И, наконец конструкц ия ОК может обеспечить заданные требования по стойкости к климатическим воздействиям,
В целях исследования потенциальных возможностей предложенного способа реконструкции ВОЛС на основе DOMS были выполнены расчеты уширения импульсов и параметра N (порядка фундаментального солитона) для различных вариантов схем компенсации, длины РУ и УУ В первом приближении рассматривали модель РУ одноканальной ВОЛС с ОУ при распространении одиночного солитона. Последнее допустимо, поскольку для подавления взаимодействия солитонов но практике применяются дополнительные меры, например чередование поляризации сигналов при передаче последовательности ^пульсов. Полагали, что оптическое усиление полностью компенсирует потери линейного тракта. При моделировании ограничились случаем бинарного формата ООК. Расчеты были выполнены для симметричных и асимметричных схем компенсации с различным периодом. Известно, что фундаментальный со-литон можно создать при условии, если отклонение N2 от единицы не превышает 0,5 (5,12]. Соответственно полагали, что если при вариациях длительности распространяющегося в линии импульса параметр удовлетворяет условию 0,71 <N< 1,22, то в линии имеет место режим передачи солитонов и дисперсионными искажениями можно пренебречь.
Распространение оптического сигнала в линейном тракте ВОЛС с ОУ и управлением дисперсией описывают модифицированным нелинейным уравнением Ш редин пера (MHYLU) с переменными коэффициентами для комплексной огибающей А амплитуды, форму записи которого для DMS нередко называют уравнением Га-битова-Турицына (6]. Здесь воспользовались его приближенным решением, полученным вариационным методом, соглосно которому длительность и чирп оптического импульса в линии вычисляются при решении дифференциальных уравнений [5,13]:
§'*<z>7
3Z -j2nT
(1)
где [}2Й — функция, описывающая изменение параметра хроматической дисперсии вдоль линии; у — параметр нелжейносги ОВ; С(2) — функция, описывающая изменение пиковой мощности солитона между двумя сосе**ими усилителями; Т, С — длительность и чирп импульса; Еф — входная энергия импульса.
38
T-Comm, #8-2011
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
500 600
г, км
Рис. 1. Изменения параметра N вдоль пинии для схорости переасми 40 Гбит/с и /у»*« УУ — 80 км при периоде схемы 1 км
Искажен« оптических импульсов рассчитывали путем решения системы дифференциальных уравнений (1) для параметров импульса в предположении Гауссовской огибающей импульса. Для расчета шумов ОУ воспользовались известными математическими моделями и методикой, подробно описанными в работе [ 14].
Расчеты выполнялись на длине волны 1550 нм диапазона С, где потери минимальны Ограничились анализом для ВОЛС со ступенчатыми одномодовыми ОВ типа БМР28, которые наиболее широко представлены на сетях связи РФ. Полагали, что на длине волны 1550 нм волокна 5МР28 и 5МР28е имеют коэффициент хроматической дисперсии 0=17 пс/(нм.рсм), коэффициент затухания а = 0,22 дБ/км и параметр нелинейности у = 3 Вт 1 /км. Рассматривали применение типичных компенсирующих ОВ, у которых на длине волны 1550 им коэффициент хроматической дисперсии 0- 100пс/(нм-км), коэффициент затухания а = 0,65 дБ/км и параметр нелинейности у = 11 Вт1/км. Параметр шум-фактора ОУ принимали равным 5 дБ- Расчеты выполнялись для длины РУ равной 400 км, длины УУ — 80 км и 120 км. В качестве примера на рис. 1 представлены результаты вычислений значений порядка салитона N для скорости передачи 40 Гбит/с и длине УУ — 80 км при длине периода схемы — 1,0 км
Результаты моделирования показали, что для скорости передачи 40 Гбиг/с и длине УУ до 80-120 км при периоде дисперсионной схемы 1 км СЮМБ реализуется на длине РУ до 350 — 400 км. При периоде дисперсионной схемы 2 км ЭР МБ — на длине РУ до 200 км При периоде 4км для рассматриваемых условий СЮМБ реализовать нельзя. Учет отклонений строительных длин кабеля на УУ от номинальных показал, что для обеспечения условий существования солитоно при отклонениях строительных длин на периоде дисперсионной схемы до 120 м требуется оптимизация дисперсионной схемы и/или дополнительные меры по повышению ОБИ Р. Подгонка длины ЭБР к факгжеским строительным длинам ОК на трассе ВОЛС позволяет выравнивать средние значенга дисперсии на периодах дисперсионных схем вдоль линии, что делает более перспективным применение ОК с компенсирующими ОВ.
Очевидно, что применение дополнительных мер по снижению взаимодействия солитонов, в частности чередования поляризации при передаче последовательностей оптических импульсов, по увеличению OSNR, таких как упреждающая коррекция, выбор толерантных к дисперсии форматов модуляции и тл., позволит существенно улучшить показатели предлагаемого способа. В частности, существенно увеличить длину периода. Следует отметить, что представленные данные носят предварительный характер и оценивают параметры режима передачи в первом приближении. Для получения более точных оценок, необходимы исследования на моделях, позволяющих учитывать всю совокупность факторов, включая взаимодействие солитоное при передаче последовательностей оптических импульсов, при передаче оптических импульсов в разных каналах и тл.
Литература
1 Мардер Н.С Современные телекоммуникации // М.: ИРИ-
AQ 2006. -384 с.
2 Хоскин Т. 40-Гигабитные опттесхие сети: эснем.кск и когда?// Ughkvove Russion Edition, №3, 2005. — С16-18,
3. Спиридонов ВН Современные технолог»« и оборудование для строительства кабелыых линий связи//Кабели связи и кабельное обору-довсние. Технологии и средства связи. Спецвыпуск №6, часть 2, 2005. — С.78-80.
Л Спелое КН. Оптоволоконные системы дальней связи. Перспективы развития//Электроника Наука, Технология, Бизнес, №6, 2005. — С.70-75.
.5 Кшшарь Ю.С, Агрсвап ГЛ. Оптические солитоны. От волокожых световодов к фотонным кристаллам / пер. с сигл. Под ред. Н.Н. Розанова. М.: Физматлит, 2005. — 648 с
6 TurisynSJC, ShcproЕG, Mettad»/& В, FedcnJeM. РУ MezertavVX.
Physics ond mathematics of dispersiorwnanoged optical solitons // Comptes Rendus Physique, Academie des sciences. 2003. №4. — С145-161.
7 Turitsyn, SJC Reduced-power optical soitons in fiber lines wifi short-scale dispersion management // OPTICS LETTERS, 1999. Vol. 24. №13. -C869-871.
8. Ucng A, Toda H, Hasegcwa A High speed optical transmission with dense cfepersion managed sotion // ECOC99 1999 Vfel. 1, 1999. — С 386-387.
9 HftxJcn Т., Nakoda T, Hasegawa A Feasibility of densely dispersion managed soliton transmission at 160 Gb/s // IEEE transactions on Photonics technology letters. 2000. Vol. 12. — №6 — C633-635.
10. Fdome L Plots S, Tchofo Dinda P, Mlct G. Experimental demonstration of 160-GHz densely dispersion-managed sofcton transmission in о single channel over 896 km of commercial fiber // OP-T1CS EXPRESS. 2003. Vol. 11. — №13.— Cl 553-1558.
11. Бурдин BA, Волков КА Реконструкция ВОЛС на основе DDMS с включением компенсирующих волокон в муфтах оптического кабеля // Фотон-Экспресс, 2009. - №6(78). - С180-181.
12. ТигЬул SJC, Gabiov L, Laedoo EW„ Mezertxr/ VJC, МшЬег SI* Shapiro EG„ SchoeiorT_ Spabchek ICH. Vbnational opproach to optical poise propagation in dispersion compensated transmission systems // Optical Conrnunicaions, 1998 - №151. -C117-135.
13. Optical fiber telecommunication IVA. Components// Edited by I. R Kaminow, T. U// Academic press, Elsevier science, 2002. — 876 p.
14 Штыри« ОД, Федору* МГЦ Тур»«»»« ОС Исследоес»**е новых модуляционных форматов передачи денных для высокоскоростных волоконно-оптических линий связи с дисперсионным упреллением // Квантовая электроника 2007. - Т. 37. - №9. - С885-890.
T-Comm, #8-2011
39
