CC BY
139
ПРЕДЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10257
Вийюкусенге Огюстен,
Республика Бурунди,
Ключевые слова: скорость передачи, хроматическая дисперсия, поляризационная модовая дисперсия,
vyukusengeaugustin@yahoo.fr оптическое волокно, нелинейные эффекты.
В современном мире отрасль связи приобретает ведущее значение для развития национальной экономики. Это приводит к необходимости интенсивного развития информационной инфраструктуры страны для передачи значительного объема сетевого телекоммуникационного трафика на большие расстояния. Существенное увеличение объема трафика связано с ростом разнообразных приложений, таких как облачные вычисления, потокового видео, социальные сети и различные телекоммуникационные услуги. Потребности в передаче информации существенно превосходят возможности систем связи с коаксиальными кабелями, спутниковых систем и систем радиосвязи. Решение дефицита пропускной способности было найдено с внедрением волоконно-оптических систем связи, среду передачи которых составляет оптическое волокно. В настоящее время ВОЛС являются предпочтительным способом организации высокоскоростных телекоммуникационных сетей. По мере увеличения потребностей в инфокоммуникационных услугах становится необходимым модернизация или оптимизация существующей информационной инфраструктуры для повышения скорости передачи информационных потоков. Однако, увеличение скорости передачи подлежит ограничениям. В данной статье, описываются модели распространения света в оптическом волокне. Рассматриваются ограничения скорости типом оптического волокна и системные ограничения по хроматической и поляризационной модовой дисперсии.
Информация об авторе:
Вийюкусенге Огюстен, аспирант 2-го года обучения МТУСИ, Республика Бурунди
Для цитирования:
Вийюкусенге О. Предельная скорость волоконно-оптической системы передачи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №4. С. 21-26.
For citation:
Vyukusenge A. (2019). Limit transmission rate of fiber-optical transmission system. T-Comm, vol. 13, no.4, pр. 21-26. (in Russian)
T-Comm Vol.13. #4-2019
Ш
Введение
В настоящее время в Республике Бурунди осуществляется внедрение BOJIC емкостью до 10 Гб/с. IIa большинстве линий приложено стандартное одномодовое волокно (G.652 D). Таким образом, для дальнейшего наращивания количества передаваемой информации необходимо учитывать ограничивающие факторы: оптические потери, хроматическая и гю ля р и J ационно- м одо вая дисперсия, нелинейные эффекты при распространении света, а также ограничение, связанное с относительно узкой полосой усиления существующих эрбиевых волоконных усилителей.
Ограничение скорости передачи типом
оптического волокна
Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболочки [2]. Сердцевина и оболочка имеют разные величины показателя преломления ii| и п2 соответственно, при этом П|> гъ.
Распространение света в оптическом волокне можно описывать с помощью оптической геометрической модели. Согласно данной модели, принцип распространения оптического излучения в OB основан на эффекте полного внутреннего отражения, при котором световой луч, попадая на границу сердцевины-оболочки, отражается от оболочки, рис. 1, и вея мощность светового луча практически полностью возвращается в сердцевину.
Рис. 1. Модель распространения светового луча
В зависимости от количества лучей, распространяющихся вдоль сердцевины, различают два основных типа оптического волокна: многомодовое и одномодовос.
Оптическая геометрическая модель справедлива в том случае, когда длина волны распространяющегося света много меньше размеров диаметра сердцевины О В, т.е. X « & При этом, в оптическом волокне распространяется большое количество мод. Волокно, выполняющее данному условию, называют многомодовым. Разные моды проходят разные пути и распространяются с различной скорости.
Многомодовое волокно.
Скорость распространения света в веществе определяется соотношением: р = — • где с - скорость света в вакууме; п
п
- показатель преломления среды распространения.
Различают быстрые и медленные моды. Время распространения быстрой моды можно рассчитать по следующей
формуле: Хл = I —.
с
Время распространения медленной моды можно рассчитать по следующей формуле £ = £-Ь—. Такой разброс ско-
с.п-
ростей распространения мод обусловливает возникновение межмодовой дисперсии. Она определяется выражением:
с с «г с,пг Чл^ / с. Да
Как видно из этого выражения, межмодовая дисперсия возрастает с увеличением длины оптического волокна и д. Различие скоростей распространения мод приводит к уши-рению импульса, что эквивалентно не только ограничению ширины полосы пропускания, но и существенному снижению дальности передачи.
Межмодовая дисперсия устанавливает следующее ограничение по битовой скорости: — <; а
Мь 2Б
д| < Данное условие является ограничением для оп-
тического волокна, значение показателя преломления которого в пределах сердцевины постоянно. Данный тип волокна называют ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления.
Чтобы уменьшить эффекгг м одо вой дисперсии, был создан тип оптического волокна, при котором показатель серд-невины постепенно уменьшается от его максимальной величины вблизи оси волокна п, до величины п2 на границе сердцевина-ободочки. Данный тип волокна получил название градиентное оптическое волокно.
Уменьшение межмодовой дисперсии в градиентном оптическом волокне обусловлено тем, что лучи, распространяющиеся вблизи оси волокна, где показатель преломления сердцевины максимален, проходят кратчайший путь, но обладают меньшей скоростью. Лучи, траектории которых удалены от оси волокна, проходят по более протяженным траекториям, но с большей скоростью, В результате, несмотря на разный путь прохождения, лучи приходят к концу с меньшим запаздыванием, что уменьшает уширение импульса.
Дня волокна с градиентным профилем показателя преломления ограничение широкополосности также определяется выражением ¡ЗД
2пкгй
Вследствие межмодовой дисперсии, выходные импульсы могут перекрываться друг с другом, вызывая межсимвольные помехи в приемнике. За счет межсимвольных помех затрудняется работа приемника по различению импульсов, что повышает вероятность ошибки. Межсимвольные помехи - основной фактор, ограничивающий скорость передачи в многомодовом оптическом волокне.
Для преодоления межмодовой дисперсии был создан тип оптического волокна, радиус сердцевины которого значительно меньше и позволяющее распространение одной моды вдоль волокна. Данный тип волокно называют одномодовым оптическим волокном.
Одномодовое волокно
Одномодовый режим реализуется, если [4] нормированная частота:
V = — <• 2,405; где, а - диаметр сердцевины.
Дтя оптических волокон, у которых ¿|<-10А [3], процессы распространения электромагнитных волн целесообразно описывать при помощи волновой модели, рассматривающей
22
✓4-4
T-Comm Том 13. #4-2019
_
23
2. Нелинейные явления, которые связаны с эффектом рассеивания световой волны в оптическом волноводе [11 возникают, когда оптические сиг налы при прохождении по кварцевым волокнам взаимодействуют с акустическими волнами (акустическими фононами) или молекулярными колебаниями волокна (оптическими фононами). Подобное взаимодействие рассеивает оптическое излучение и смещает рабочую длину волны в область спектра более длинных волн. Значимые виды возбуждаемого рассеяния в ОВ:
• вынужденное обратное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама (на акустических фононах) (BPME/SBS — Stimulated Brillouin Scattering);
• вынужденное рамановское или комбинационное рассеяние (па оптических фононах) (BKP/SRS - Stimulated Raman Scattering).
Степень проявления нелинейных эффектов в ОВ возрастает с увеличением плотности мощности J= —— (интенсив-
441
ности) и длины взаимодействия £,„ а эффективность нелинейного процесса оценивается их произведением:
M = РХ— •
А»ФФ
Длипа взаимодействия в ОВ ограничена уменьшением интенсивности света из-за потерь в волокне. Нелинейные эффекты проявляются только на начальном участке, где мощность оптического излучения еще достаточно велика.
Предположим, что Р,, — мощность, передаваемую в волокно, a P(z)= Pce*1" обозначает мощность на расстоянии z вдоль линии связи. Тогда эффективная длина Ь.ф,), определяется из соотношения = P(z)dZ-
¿афф = llzl-1. Где L - длина; а — коэффициент затухания волокна.
зависит от параметров волокна: радиуса сердцевины и разности показателей преломления сердцевины и оболочки [8]. Для одном ода вы \ волокон площадь эффективного
сечения: Аэфф, = —— ; lv ~ диаметр модового поля, указанный в технических условиях на ОВ.
Распространение оптических сигналов с фиксированной поляризацией в системах оптической связи с дисперсией и нелинейностью описывается нелинейным уравнением Шре-
дингера(НУШ):££ + 1яa(i)^§ + —Е = МЕ\2Е,
dz 2 9 f~ 2
где, а и - соответственно коэффициент затухания и вторая производная коэффициента распространения волокна на длине волны излучения, у- коэффициент нелинейности ОВ.
В результате упомянутых факторов определяется максимальное количество информации, которое может передаваться через оптические волокна. При использовании технологии DWDM предельная пропускная способность линии передачи на одном волокне в оптическом диапазоне C+L со спектральной эффективностью [3] 10 биг/с/Гц составляет около 100 Тбит/с. Такой предел оценки максимально возможных скоростей в DWDM системах получил название «Нелинейный предел Шеннона».
Нелинейный предел Шеннона фактически определил порог пропускной способности и, соответственно, ограниченные возможности применения одномодовых оптических волокон [5].
Одним из методов снижения влияния нелинейных эффектов на передачу является разработка ОВ с большой величиной площади эффективного сечения, то есть с большим диаметром модового пятна.
Системные ограничения по хроматической дисперсии
В оптической системе связи имеет место уширение световых импульсов в процессе прохождения через дисперсионную среду, вызванное эффектами хроматической дисперсии (ХД) и поляризационной модовой дисперсии (НМД).
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов [10]. В конце 80-годов в целях увеличения интервалов между регенераторами начали внедрять BOCI1 с длиной волны 1,55 мкм, на которой наблюдаются меньшие потери по сравнению с потерями на длине волны 1,3 мкм. При этом дальнейшее увеличение битовой скорости стало определяться дисперсия.
Важно отметить, что при снижении хроматической дисперсии ее нецелесообразно сводить к нулю, поскольку при этом увеличиваются нелинейные эффекты, особенно так называемое четырех вол новое смешивание. Достаточно уменьшить дисперсию до уровня ниже максимально допустимого значения, определяемого изготовителем аппаратуры ВОСП. Допустимый уровень хроматической дисперсии обратно пропорционален квадрату скорости передачи, т.е. увеличение скорости передачи в четыре раза приведет к уменьшению предельно допустимой хроматической дисперсии в 16 раз.
На рисунках 4 и 5 представлены графики зависимости дисперсионной длины от скорости передачи для волокна (G.652) и волокна со смещенной ненулевой дисперсии (G.655).
На графиках, видно, сколь быстро при увеличении скорости передачи уменьшается протяженность регеиерацион-ного участка и сколь резко снижается значение допустимой хроматической дисперсии ОВ.
Рис. 4. график зависимости максимальной допустимой хроматической дисперсии от скорости
24
✓4-4
T-Comm Том 13. #4-2019
_
Ii
I 5 2000
: s isoo
в s
и
l £10011
U ;
УЛ Г
я —
2 Ü
Зависимом ib протяженное г i) .шипи передачи от ск прост
-Оолоыи» SMF (G.652) _ Bcwokim Ч/DSF' (G.655) при [) fl ПС'HM KM
цесс вызывает ухудшение качества сигнала мри его декодировании приемником. В стандартах, касающихся линий дальней связи, достаточно, чтобы <5т> было па порядок меньше 0,1 ширины битового интервала ]/В (0,1ТЙ).
В таблице 2 приведены оценки максимального допустимого расстояния между ретрансляторами без компенсации
пмд.
Таблица I
Оценка длины линии, ограниченной ПМД
I) 5 10 IS Л) И 30 35 40
СпОрОСТъ передач». [Гбнт/с]
Рис. 5. график зависимости протяженности регеперационного участка от скорости
При малых скоростях передачи данных (до 2,5 Гбит/с) нет необходимости компенсировать хроматическую дисперсию для эффективного подавления перекрестных помехи, возникающих при самофазовой модуляции и четырехволно-вом смешивании. При этом пропускная способность транспортной системы может быть увеличена без ее существенной модернизации путем уменьшения интервала частот между ее спектральными каналами. Однако при скорости передачи в 10 Гбит/с дисперсию в стандартном волокне на X—1550 нм необходимо компенсировать.
Системные ограничения по поляризационной
модовой дисперсии
При увеличении скорости передачи выше ¡0 Гбит/с поляризационная модовая дисперсия является одним из факторов, оказывающих негативные воздействия на характеристики передачи и выбор длины усилительного и регенераци-онного участка ВОСП. Причинами появления поляризационной моды, являются незначительные изменения в геометрии одномодового оптического волокна, которые возникают в процессе изготовления, в процессе прокладки кабеля или при эксплуатации волокна, а также механические воздействия на волокно в виде сжатий, изгибов, скрутки. При изготовлении оптического волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра [4]. Явление ПМД создается, как известно, двулучепреломлением, которое изменяется случайным образом вдоль оси ОВ.
Случайная связь между ноляризаиионными модами приводит к появлению разности групповых запаздываний (DGD - differential group delay) и, соответственно, к ушпрению импульсов. При этом, информационные импульсы могут перекрываться и интерферировать между собой.
Усредненное но времени значение дифференциальной групповой задержки между поляризационными модами увеличивается пропорционально квадратному корню из длины
i
волокна: < <5 г >= Dp • La; где Dp - коэффициент ПМД,
пс/км1L —длина линии
Так как отдельные факторы, вызывающие поляризационную модовую дисперсию PMD, трудно выделить и измерить, то явление РМ D следует рассматривать как непрерывный и нестационарный стохастический процесс. Этот про-
Скорость передачи, Гбит/с Битовый интервал, пс Допустимое значение <8т>, пс Максимальная длина лини при разных коэффициентах ПМД, км
1 пс/км ) Dp= 0,2 пс/км113 IV 0,01 пс/км1"
2,5 400 40 160000 40000 1600
10 100 10 10000 2500 100
40 25 2,5 625 160 6
Из таблицы I следует, что при скорости передачи 2,5 и 10 Гбит/с ПМД практически не ограничивает длину регене-рационного участка. С развитием высокоскоростных систем со скоростями 40, 100 и 400 Гбит/с возникает необходимость борьбы с накоплением поляризационной модовой дисперсии применением методов компенсации ПМД.
Заключение
Рассмотрены физические процессы, которые происходят в оптических волокнах и аппаратуре ВОСП, системно-сетевые требования к ВОЛС, и модели, на основание которых можно создать рекомендации о возможностях увеличения пропускной способности и оптимизации ар хите ¡ауры национальной сети связи Республики Бурунди.
Литература
1. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения: М.: Сайрус Системе, 1994 658 с
2. Листеин A.B., Листвип В Н.. ШвырковД.В. Оптические волокна дзя линий связи. М.: ЛЕСАРарт, 2003.
3. Скляров O.K. Современные ВОСП. Аппаратура и элементы. М.: Солон. 2001.
4. Портнов Э.Л. Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи: Учебное пособие для вузов. М: Горячая линия - Телеком, 2007. 464 с.
5. Бурдmi A.B.. Бурдин, В.А.. Андреев. В.А. Моделирование кварцевых многомодовых оптических волокон транспортных сетей связи нового поколения // Прикладная фотоника. 2014. С. 24-47.
6. Фокин В.Г.. Ибрагимов Р.З. Оптические системы с тсра-битными и гигабитными скоростями передачи. Учебное пособие; Сибирский государственный университет телекоммуникации и информатики: каф. Многоканальной электросвязи и оптических систем. Новосибирск, 2016, 162 с.
7. Воронин В.Г.. Наний О Е. Основы нелинейной ВОЛОКОННОЙ оптики: учебное пособие. М.: Университетская книга, 201!. 128 с.
8. Агравал Г. Начиненная волоконная оптика. М.: МИР, 1996, 323 с,
9. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи, 4-е, доп. изд. М.: Техносфера, 2007.
10. Иоргачев Д.В., Бондаренко О.В. Волоконно-оптические кабели и линии связи. М.: Эко-Трендз, 2002.
LIMIT TRANSMISSION RATE OF FIBER-OPTICAL TRANSMISSION SYSTEM
Vyukusenge Augustin, Republic of Burundi, vyukusengeaugustin@yahoo.fr
Abstract
With the constant growth of demand for information and communication services, it becomes necessary to modernize or optimize the existing information infrastructure to increase the transport network capacity. However, there are limitations in increasing the transmission capacity due to the system impairments. In this paper, models of light propagation in an optical fiber are described. The transmission rate limits by the type of optical fiber are studied as well the system limitations due to chromatic and polarization mode dispersions.
Keywords: transmission rate, chromatic dispersion, polarization mode dispersion, optical fiber, nonlinear effects.
1. Ivanov A.B. (1999). Fiber optics: components, transmission systems, measurements. Moscow: Cyrus Systems. 658 p.
2. Listvin AV, Listvin, V.N., Shvyrkov, D.V. (2003). Optical fibers for communication lines. Moscow: LESARART.
3. Sklyarov O.K. (200I). Modern FOTS. Equipment and elements. Moscow: Solon.
4. Portnov A.L. (2007). Optical communication cables and passive components of fiber-optic communication lines: A manual for universities. Moscow: Hot line - Telecom. 464 p.
5. Burdin A.V., Burdin, V.A., Andreev, V.A. (20I4). Modeling of quartz multimode optical fibers of a new generation transport networks. Applied photonics, pp. 24-47.
6. Fokin V.G., Ibragimov R.Z. (20I6). Optical systems with terabit and petabit transmission rates. Manual; Siberian State University of Telecommunications and Informatics; kaf Multichannel telecommunications and optical systems. Novosibirsk. I62 p.
7. Voronin V.G., Naniy O.E. (20II). Fundamentals of nonlinear fiber optics: Manual. Moscow: University book. I28 p.
8. Agrawal G. (I996). Nonlinear fiber optics. Moscow: MIR. 323 p.
9. Friman R. (2007). Fiber-optical communication systems, 4th, ed. Moscow: Technosphere.
10. Iorgachev D.V., Bondarenko O.V. (2002). Fiber-optic cables and communication lines. Moscow: Eco-Trend.
Information about author:
Vyukusenge Augustin, Phd student 2nd course, MTUCI, Republic of Burundi
References
