Распространение оптических импульсов мультигигабитных систем передачи данных по кварцевым волоконным световодам с экстремально увеличенным диаметром сердцевины Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВКВО-2019 ВОСПИ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ МУЛЬТИГИГАБИТНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО КВАРЦЕВЫМ ВОЛОКОННЫМ СВЕТОВОДАМ С ЭКСТРЕМАЛЬНО УВЕЛИЧЕННЫМ ДИАМЕТРОМ СЕРДЦЕВИНЫ

Бурдин А.В.1'2'3*, Бурдин В.А.2, Жуков А.Е.2

1ПАО ЦНПО "КАСКАД", г. Москва 2Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), г. Самара

3ООО "ОптоФайбер Лаб", г. Москва, ИЦ Сколково *E-mail: bourdine@yandex.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16048

В работе представлены результаты моделирования процесса распространения сигналов волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) стандарта IEEE 802.3ba спецификации 10GBase-LX в нерегулярных кварцевых многомодовых оптических волокнах (ММ ОВ) с экстремально увеличенным до 100 мкм диаметром сердцевины. Для этой цели использовалась ранее разработанная модель кусочно-регулярной волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП), функционирующей в маломодовом режиме [1], адаптированной на рассматриваемый случай. Модель базируется на кусочно-регулярном представлении и использует общий подход метода расщепления по физическим процессам [2].

На первом этапе рассматривались кварцевые нерегулярные ММ ОВ, градиентный профиль показателя преломления которых задавался в соответствие с протоколами измерения профилей ММ ОВ 50/125 кат. ОМ2+/ОМ3 [3], но масштабированный на искомый диаметр сердцевины 100 мкм. Нерегулярная структура ОВ была представлена в виде флуктуаций диаметра сердцевины, которые задавались непосредственно из протокола датчика контроля внешнего диаметра ОВ, измеряемого в процессе вытяжки строительной длины ММ ОВ 50/125 с разрешающей способностью Az=8 м [4]. В свою очередь, согласно [1], микро- и макро-изгибы ОВ, а также кручение и тяжение световода, которые неизбежно возникают на практике при инсталляции оптического кабеля и являются дополнительными факторами взаимодействия и смешения модовых компонентов оптического сигнала, представлены в данной модели в виде стыков регулярных участков линии, выполненные с некоторым малым угловым рассогласованием. В данном случае использовался нормальный закон распределения случайной величины, при этом математическое ожидание было выбрано равным 3.0°, а дисперсии - 0.5°.

С помощью указанной модели кусочно-регулярной многомодовой ВОЛП, функционирующей в маломодовом режиме, был проведен расчет динамики оптического импульса гауссовой формы длительностью т05=90.91 пс ВОСП 10GBase-LX (А=1310 нм, скорость 10 Гбит/с), распространяющегося по исследуемому ОВ общей протяженностью 2 км. Исследовался «наихудший вариант» реализации ввода сигнала с выхода лазерного диода (ЛД) передающего модуля ВОСП в торец ОВ линии - без применения каких-либо дополнительных устройств согласования или согласующих волоконных световодов, а непосредственно через типовой волоконно-оптический адаптер (проходную оптическую розетку) на корпусе трансивера / патч-панели, которая в данном случае моделируется как выполненное с угловым рассогласованием 6=4.20° [5] соединение между упомянутым одномодовым ОВ рек. ITU-T G.652, пигтелирующим ЛД, и ОВ линии. Результаты расчета динамики распространения оптического импульса ВОСП 10GBase-LX по исследуемому ОВ при указанных условиях ввода в виде 3D-диаграммы представлены на рис. 1(а). На следующем этапе рассматривались кварцевые нерегулярные многомодовые ОВ со специализированной, ранее полученной [6], формой градиентного профиля показателя преломления, оптимизированной для совместной работы с когерентными источниками оптического излучения. Данный профиль обеспечивает снижение ДМЗ до 256 пс/км на оптической несущей А=1310 нм, при этом указанный параметр не превышает 380 пс/км во всем «О»-диапазоне длин волн. Результаты расчета динамики распространения оптического импульса ВОСП 10GBase-LX по исследуемому ОВ при указанных условиях ввода в виде 3D-диаграммы представлены на рис. 1 (г), соответственно.

Далее для оценки эффективности применения рассматриваемых 100-мкм ОВ при совместной работе с ВОСП 10GBase-LX был проведен расчет огибающей глаз-диаграммы c последующей оценкой Q-фактора/5E^>. Для этой цели использовалась простая приближенная методика, разработанная непосредственно коллективом авторов ратифицированного стандарта IEEE 802.3z, которая подробно изложена в [7]. В качестве исходных данных использовались спецификации коммерческих трансиверов Cisco SFP-10G-LR-S [8] (типовой бюджет мощности 6.2 дБ). Результаты

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 101

ВКВО-2019- ВОСПИ

расчета для описанных выше исследуемых многомодовых ОВ с диаметром сердцевины 100 мкм -"опорного" и с оптимизированным профилем показателя преломления представлены на рис. 1(б), (в) и (д), (е), соответственно.

100 um core MMF; 10G-LX

ЮО.^гп-соге MMF 10 GBase-LX

......... L=0.000 km

i - L=0.286 km; D=62.329 ps

Ii ---L=0.449 km; D=83.583 ps

iji { I i №

'Ö 0.5 1 1.5 2

(a)

100 um core LDMDF 1CG-LX

(6)

100-i.m-core LDMDF 10GBase-LX

(в)

......... L=0.000 km

I - L=1.020 km; D=43.669 рз

Ii - — L=2.000km; D=92.113 ps

11 ijj 7 ! JJ l |

0 0.5 1.5 2

(г) (д) (е)

Рис. 1. Результаты моделирования распространения оптического импульса системы 10GBase-LX (В=10 Гбит/с, Я=1310 нм), распространяющегося по ОВ с диаметром сердцевины 100мкм, типовым градиентным ((а)...(в)) и оптимизированным профилем ((г)...(е)) показателя преломления: (а), (г) - 30-диаграмма; (б), (д) - форма импульса на заданном расстоянии; (в), (е) - огибающие глаз диаграмм

Так, на выходе 0.449 км линии с "опорным" ОВ импульс сохраняет свою огибающую, однако при этом дисперсия сигнала достигает 83.58 пс что приводит к неприемлемо низкому, с точки зрения нормы BER=10-12 [9], значения Q-фактора Q=4.97 при искомом номинальном Qном = 7.04 [7, 9]. Поэтому на следующем этапе был сделан повторный перерасчет огибающей глаз-диаграммы, Q-фактора и BER для уменьшенной протяженности ОВ 100/125 с целью подбора порогового значения этого параметра. В результате искомое значение Q-фактора для "опорного" ОВ достигается на дистанциях до 0.286 км: в этом случае дисперсия составляет 63.33 пс, а Q-фактор - 8.236. Аналогичным образом для ОВ с оптимизированным профилем показателя преломления, на выходе 2 км линии дисперсия сигнала достигает 92.11 пс что также приводит к неприемлемо низкому, с точки зрения нормы BER=10-12 [7, 9], значения Q-фактора Q=3.66. Согласно полученным результатам, канал передачи данных со скоростью 10 Гбит/с может быть организован путем совместного использования типового активного оборудования ВОСП 10GBase-LX и исследуемого протяженностью до 1 км без специализированных устройств согласования «ЛД - ОВ», при этом обеспечивается искомое номинальное значение коэффициента ошибок BER = 10-12: дисперсия составляет 43.67 пс, в то время как значение Q-фактора превышает искомое номинальное и достигает Q=8.66. Таким образом, эффективная модовая полоса пропускания исследуемого ОВ с оптимизированным профилем показателя преломления, несмотря на экстремально увеличенный диаметр сердцевины, в маломодовом режиме составляет, согласно результатам расчетов, не менее 10000 МГц-км.

Литература

1. Bourdine A.V., Advances in Optical Technologies 2013, 469389-1 - 469389-18 (2013)

2. Агравал Г, Нелинейная волоконная оптика. М. :Мир (1996)

3. Бурдин А.В. и др., Инфокоммуникационные технологии, 2, 22 - 27 (2010)

4. Demidov V.V., et al, Proc. of SPIE 10342, 103420X-1 - 103420X (2017)

5. Raddatz L., et al, J. Lightwave Technology 16, 324 - 331 (1998)

6. Zhukov A.E., et al, Procedia Engineering 201, 105 - 106 (2017)

7. Cunningham D, et. al, IEEE 802.3z Task Force. Presentation materials. January 1997meeting(1997)

8. Cisco GBase SFP+ Modules. Data Sheet. Cisco Public Information (2012)

9. ITU-TRec.G.957 (06/99) (1999)

102

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru