eng
Содержание
Предисловие 8
Часть I. Основы DWDM-систем 10
1.
Введение. DWDM-системы 10
2.
Эволюция волоконно-оптических линий связи 20
2.1.
Первое поколение, ММ-волокна 24
2.2.
Второе поколение, SSMF-волокна (1310 нм) 25
2.3.
Третье поколение, DSF-волокна (1550 нм) 27
2.4.
Четвертое поколение, EDFA и DWDM 29
2.4.1.
Мультиплексирование по длинам волн 29
2.4.2.
Линии без промежуточных усилителей —
однопролетная линия 33
2.4.3.
Каскад усилителей 36
2.5.
Усовершенствованные форматы модуляции
для прямого детектирования 40
2.5.1.
Cпектральная эффективность форматов модуляции 40
2.5.2.
Оптические спектры сигналов 42
2.5.3.
«Псевдолинейный режим» при B ≥ 40 Гбит/с 43
2.6.
Пятое поколение: когерентные системы и модуляция nQAM 46
2.6.1.
Архитектура и принцип работы когерентных систем 47
2.6.2.
Форматы модуляции для когерентных систем 50
3.
Подводные и наземные cистемы 55
3.1.
Топологии сетей 56
3.2.
Параметры систем 58
3.3.
Надежность линий 61
4.
Оптические волокна 63
4.1.
Геометрия волокон 63
4.2.
Потери в прямом волокне 65
4.3.
Потери в изогнутом волокне 66
4.4.
Потери в соединениях волокон 68
4.5.
Хроматическая дисперсия 69
4.6.
Поляризационная модовая дисперсия 73
5.
Нелинейные эффекты 78
5.1.
Типы нелинейных эффектов 78
5.2.
Фазовая самомодуляция 80
5.3.
Перекрестная фазовая модуляция 84
5.4.
Четырехволновое смешение 86
5.5.
Вынужденное бриллюэновское рассеяние 89
5.6.
Вынужденное рамановское рассеяние 91
Часть II. Компоненты оптического тракта 101
6.
Пассивные оптические элементы 101
6.1.
Базовые технологии 101
6.2.
Оптические разъемы 103
6.3.
Оптические ответвители 105
6.4.
Типы оптических мультиплексоров 111
6.5.
Мультиплексоры с TFF-фильтрами 116
6.6.
Мультиплексоры с AWG-решетками 120
6.7.
Волокна для DCM-модулей 129
6.8.
Компенсаторы дисперсии с DCF-волокнами 133
6.9.
Компенсаторы дисперсии с FBG-решетками 141
6.10.
Выравнивающие GFF-фильтры 153
6.11.
Оптические изоляторы 159
6.12.
Оптические циркуляторы 161
6.13.
Аттенюаторы 162
7.
Эрбиевые усилители (EDFA) 169
7.1.
Физические основы EDFA 169
7.1.1.
Принцип действия EDFA 169
7.1.2.
Коэффициент перекрытия 173
7.1.3.
Сечения рассеяния 175
7.1.4.
Спектры усиления 177
7.1.5.
Эффективность усиления и накачки 182
7.1.6.
Пороговая мощность накачки 186
7.1.7.
Типы эрбиевых волокон 188
7.2.
Модель ненасыщенного усилителя 189
7.2.1.
Эффект просветления волокна 191
7.2.2.
Коэффициент усиления ненасыщенного усилителя 194
7.2.3.
Спонтанное излучение и шум-фактор 196
7.3.
Модель насыщенного усилителя 199
7.3.1.
Эффект самонасыщения 199
7.3.2.
Коэффициент усиления в режиме самонасыщения 202
7.3.3.
Шумы усилителя в режиме самонасыщения 206
7.3.4.
Спектральные характеристики 208
7.4.
Насыщение усилителя мощностью сигнала 213
Часть III. Передатчик и приемник 215
8.
Оптические передатчики 215
8.1.
Спецификации передатчиков 216
8.1.1.
Ширина оптического спектра 217
8.1.2.
Коэффициент экстинкции 219
8.1.3.
Паразитная частотная модуляция (чирп) 221
8.2.
Телекоммуникационные лазеры 228
8.2.1.
Лазерный диод с инжекционной накачкой 229
8.2.2.
Лазеры с резонатором Фабри — Перо 234
8.2.3.
Лазеры с распределенной обратной связью 237
8.2.4.
Поверхностные лазеры с вертикальным резонатором 238
8.2.5.
Ватт-амперные характеристики 240
8.2.6.
Модуляционные характеристики 242
8.3.
Электроабсорбционные модуляторы (EAM) 246
8.3.1.
Паразитная частотная модуляция (чирп) в EAM 247
8.3.2.
Эффект Франца — Келдыша 253
8.3.3.
Квантово-размерный эффект Штарка 257
8.3.4.
Конструкция и технология изготовления ЕАМ 265
8.4.
Модуляторы Маха — Цандера (MZMs) 269
8.4.1.
Фазовые модуляторы 270
8.4.2.
Интерферометры на Y-ответвителях 275
8.4.3.
Балансные схемы MZM 278
8.5.
Эволюция модуляционных технологий 282
8.5.1.
Бинарные амплитудные форматы NRZ и RZ 282
8.5.2.
Генерация NRZ и RZ 283
8.5.3.
Бинарные фазовые форматы PSK и DPSK 286
8.5.4.
Генерация и демодуляция PSK и DPSK 288
8.5.5.
Генерация и демодуляция многоуровневых форматов 290
8.5.6.
Транспондеры в когерентных DWDM-системах 292
9.
Фотоприемник для некогерентных систем 294
9.1.
Элементы цифрового фотоприемника 294
9.1.1.
Блок-схема 295
9.1.2.
Фотодиод 296
9.1.3.
Трансимпедансный усилитель 298
9.1.4.
Регенератор 301
9.2.
Быстродействующие фотодиоды 303
9.2.1.
Импульсные характеристики 303
9.2.2.
Вертикальное и торцевое освещение 306
9.2.3.
Насыщение фотодиодов 308
9.3.
Измерение BER 312
9.3.1.
Схема измерений 313
9.3.2.
Законы распределения ошибок 314
9.3.3.
Методика измерений 316
9.3.4.
Тестирование 318
9.4.
Коэффициент ошибок и Q-фактор 320
9.4.1.
Вероятность появления ошибок 320
9.4.2.
Оптимальное положение порога 321
9.4.3.
Q-фактор 322
9.4.4.
Негауссовы шумы 324
9.5.
Шумы фотоприемника 325
9.5.1.
Шумы спонтанного излучения 326
9.5.2.
Тепловые шумы 327
9.6.
Требуемое OSNR (OSNRТ) и чувствительность
фотоприемников 328
9.6.1.
Штраф по мощности 329
9.6.2.
Требуемое OSNR (OSNRТ) 329
9.6.3.
Чувствительность фотоприемников 332
9.6.4.
Отношение сигнал/шум в бите 335
10.
Когерентное детектирование в высокоскоростных ВОЛС 337
10.1.
Оптоэлектронное преобразование с 180° гибридом 337
10.2.
Гомодинное и гетеродинное детектирование 340
10.3.
Интрадинное детектирование 342
10.4.
Оптоэлектронное преобразование с 90° гибридом 345
10.5.
Цифровое поляризационное демультиплексирование 347
Часть IV. Расчет оптических шумов в DWDM-системах 351
11.
Расчет оптических шумов
в некогерентных системах 351
11.1.
OSNR на выходе линии передачи 351
11.2.
Неоднородности спектра OSNR 358
11.3.
Предустановка спектра входного сигнала 360
11.4.
Шум-фактор оптических усилителей 364
12.
Шумы нелинейной интерференции
в когерентных системах 369
12.1.
Механизм формирования шумов NLI 370
12.1.1.
Хаотизация импульсной последовательности 370
12.1.2.
Нелинейная интерференция (NLI) 371
12.1.3.
Шумовой характер NLI 372
12.1.4.
Спектр оптических шумов 374
12.2.
Измерение шумов нелинейной интерференции 375
12.3.
Модель шумов нелинейной интерференции 377
12.3.1.
Шумы, генерируемые в одном пролете ВОЛС 377
12.3.2.
Суммирование шумов в пролетах ВОЛС 379
12.3.3.
Точность модели гауссовых шумов 380
12.3.4.
Модель некогерентного сложения шумов 380
13.
Расчет оптических шумов
в когерентных системах 383
13.1.
ВОЛС с равными пролетами 383
13.1.1.
Модель оптического тракта 383
13.1.2.
Аналитические свойства OSNRвых 384
13.1.3.
Учет дополнительных потерь 391
13.2.
ВОЛС с неравными пролетами 394
13.2.1.
Эволюция OSNR в одном пролете ВОЛС 394
13.2.2.
Эволюция OSNR в оптическом тракте 396
Сокращения 398
Литература 403
Предисловие
Объем данных, передаваемый по сетям связи, растет на 20–30 % еже-
годно. Это следствие бурного технического прогресса в индустрии связи,
интернет-технологий, сетевых приложений и облачных сервисов. В новых
условиях одним из основных требований, предъявляемых к волоконно-оп-
тическим сетям, стала возможность быстрого увеличения их пропускной
способности в соответствии с ростом объемов трафика.
Наилучшим образом эта задача решается с помощью технологии муль-
типлексирования каналов по длинам волн (DWDM — Dense Wavelength
Division Multiplexing). В книге собран курс лекций по DWDM-системам,
предназначенный для специалистов, занимающихся разработкой, внедре-
нием и эксплуатацией DWDM-оборудования. Авторы книги — сотрудники
российской компании «Т8», занимающейся разработкой и производством
DWDM-оборудования, а также проектированием, инсталляцией и пуско-
наладкой DWDM-систем.
Оборудование «Волга» компании «Т8» предназначено для передачи до
96 каналов DWDM со скоростью до 400 Гбит/с, или до 48 каналов со скоро-
стью до 800 Гбит/с. Спектральная эффективность системы «Волга» состав-
ляет 1–6,4 бит/с/Гц, что обеспечивает потенциальную пропускную способ-
ность до 38,4 Тбит/с при использовании расширенного C-диапазона (6 ТГц).
Сотрудники компании «Т8» построили более 85 000 километров
DWDM-сетей. Таким образом, книга воплощает практический опыт спе-
циалистов, более 20 лет занимающихся разработкой оборудования и строи-
тельством DWDM-систем в России и других странах.
DWDM-система в самом общем виде состоит из приемо-передающе-
го оборудования (транспондеров) и волоконно-оптического тракта между
ними, как показано на рисунке ниже. По одному волокну можно передать
несколько десятков каналов на разных длинах волн. Для формирования ка-
налов со скоростью 10 Гбит/с и ниже используются классические транспон-
деры с модуляцией интенсивности излучения и прямым детектированием,
а для формирования DWDM-каналов со скоростью 100 Гбит/с и выше — ко-
герентные транспондеры с многоуровневой амплитудно-фазовой модуля-
цией.
Книга состоит из четырех частей. В первой части рассмотрены основы
DWDM-систем, история их возникновения и эволюция, во второй части —
компоненты волоконно-оптического тракта, в третьей — приемник и пере-
датчик каналообразующего оборудования, в четвертой части — механизмы
формирования шумов и способы их расчета применительно к волоконно-
оптическим линиям связи.
Книга продолжает начатую в 2003 году серию книг по волоконной оп-
тике: «Оптические волокна для линий связи», «Рефлектометрия оптических
волокон». Ее первое издание вышло в 2012 году, второе — в 2015-м, третье —
в 2017 году Материал изложен просто и может быть использован как вводный
курс в тему DWDM-систем как специалистами, так и теми, кто только начи-
нает знакомиться с телекоммуникационными технологиями.
Детальное описание технологии DWDM и обширный список литера-
туры можно найти в томах Optical Fiber Telecommunications [1–10], первый из
которых был издан в 1979 году, а самый новый том VIII вышел в 2019 году.
Список литературы на русском языке приведен в конце этой книги.
Авторы благодарят сотрудников компании «Т8» — аспирантов МФТИ
Марию Горбашову и Димитрия Старых — за редактирование текста и иллю-
страций 4-го издания книги.
Часть I. Основы DWDM-систем
1. ВВЕДЕНИЕ. DWDM-СИСТЕМЫ
Спектральным уплотнением каналов, или мультиплексированием
по длинам волн (WDM — Wavelength Division Multiplexing) называется пере-
дача нескольких сигналов в одном оптическом волокне на разных длинах
волн (несущих). Принцип действия схемы мультиплексирования по длинам
волн показан на рис. 1.1.
Оптические сигналы приходят от клиента по отдельным волокнам,
а в WDM-системе передаются по одному волокну на разных длинах волн (не-
сущих). В зависимости от расстояния между несущими различают системы
грубого мультиплексирования (CWDM — Coarse WDM) и системы плотного
мультиплексирования (DWDM — Dense WDM). Сегодня наиболее распро-
странены DWDM-системы с числом каналов 40 или 80.
Расстояние между несущими в DWDM-системах может составлять
25…200 ГГц, в современных сетях наиболее часто используется сетка кана-
лов с шагом 50 ГГц. Для передачи используются прежде всего спектральные
диапазоны С (1530…1565 нм), S (1460…1530 нм) и L (1565…1625 нм).
Приходят сигналы на длинах волн оборудования клиента, а передаются
на длинах волн, соответствующих частотному плану Сектора по стандарти-
зации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-T —
International Telecommunication Union — Telecommunication Standartization
Sector). Преобразование длин волн осуществляется в транспондерах
(transpon der = transmitter + responder), а объединение оптических сигналов —
в мультиплексоре. У каждой оптической несущей (оптического канала)
имеются свой передатчик и приемник, и сигналы могут передаваться в раз-
ных форматах. Например, в транспондерах «Волга» для скорости передачи
100 Гбит/с используется формат модуляции DP-QPSK.
Емкость DWDM-системы С можно наращивать, увеличивая как чис-
ло спектральных каналов М, так и скорость передачи в каждом канале В.
С 1980 года развитие технологий позволило увеличить M на два порядка,
а B — на четыре порядка. В результате емкость линий связи выросла при-
мерно в миллион раз, рис. 1.2.
С = M · B (1.1)
Типичные значения: М = 40…80 и В = 10…800 Гбит/с. В линейных трак-
тах чаще всего используется OTU-2 (10 Гбит/с), в новых системах — OTU4
(100 Гбит/с), а в клиентских трактах — Ethernet (90 %) и SDH (10 %). Число
каналов М = Δλу/Δλк равно отношению ширины полосы усиления света (Δλу)
к ширине межканального интервала (Δλк). Ширина полосы усиления зави-
сит от типа усилителя, а ширина межканального интервала определена ча-
стотным планом ITU-T (Δνк = 200 ГГц, 100 ГГц или 50 ГГц). Полосе частот
Δνк = 100 ГГц на λ = 1550 нм соответствует Δλк = 0,8 нм.
Спектральная эффективность формата модуляции определяет количе-
ство информации (число бит данных), переносимой одним символом. Спек-
тральная эффективность системы связи представляет собой отношение
скорости передачи информации (бит/с) к ширине полосы пропускания (Гц)
и измеряется в показателе (бит/с/Гц):
SE = B/Δλк (1.2)
Спектральная эффективность характеризует, насколько эффективно
в произвольной системе связи используется полоса частот.
Пример 1. Число каналов в DWDM-системе. Для оборудования «Волга»
стандартным является межканальный интервал Δλк = 0,4 нм (Δνк = 50 ГГц).
При этом межканальном интервале число каналов M в C-диапазоне
(Δλу = 35 нм) равно M = 35/0,4 ≅ 88. Стандартные мультиплексоры выпуска-
ются на 80, 88 или 96 каналов, для двух последних случаев используются уси-
лители с расширенным диапазоном. В С + L-диапазоне (Δλу = 80 нм) число
каналов увеличивается до M = 200. Реально из-за промежутка между полоса-
ми усиления эрбиевых усилителей в С + L-диапазоне используется 160 кана-
лов. При В = 100 Гбит/с это соответствует емкости линии 16 Тбит/с.
Переход от одноканальной линии к DWDM-системам потребовал усо-
вершенствования оптических волокон, оптических усилителей и компенса-
торов дисперсии, а также создания новых устройств: транспондеров и муль-
типлексоров.
Транспондеры применяются для преобразования несущей длины вол-
ны сигнала, приходящего от оборудования клиента, к частотному плану
ITU-T, а сигнала, приходящего из линии, — к несущей длине волны обо-
рудования клиента. Современные транспондеры работают в стандарте OTN
и упаковывают клиентские сигналы различных типов (Ethernet, SDH, FC)
в стандартные OTN-контейнеры, имеющие унифицированный заголовок,
обработку аварий и сигнализации и поля FEC. Поступающий на вход транс-
пондера оптический сигнал детектируется и восстанавливается цифровым
фотоприемником, рис. 1.3. При полном восстановлении цифрового сигнала
(3R-регенерация, 3R — reamplifying, resharping, retiming) восстанавливаются
три основных параметра импульса: амплитуда, форма и положение на шка-
ле времени (синхронизация). Далее с помощью этого сигнала модулирует-
ся лазер с распределенной обратной связью (DFB(L) — Distributed Feed Back
(Laser)), генерирующий свет на длине волны, соответствующей частотному
плану ITU-T.
В транспондерах «Волга» используется упреждающая коррекция оши-
бок (FEC — Forward Error Correction), рис. 1.3. Эффективность FEC принято
измерять по выигрышу в минимальном отношении сигнал/шум, при кото-
ром приемник способен принять сигнал (OSNRт). В зарубежной литературе
используется обозначение Net Coding Gain (NCG) или Net FEC Gain — чи-
стый выигрыш по FEC (где слово «чистый» подразумевает, что из выигрыша
по FEC надо вычесть небольшой штраф, связанный с увеличением полосы
сигнала). Например, для сигнала 10 Гбит/с применение FEC первого поколе-
ния (RS FEC, GFEC) дало выигрыш около 4,5 дБ, а применение FEC второго
поколения (SuperFEC) вместе с оптимизацией уровня принятия решений —
12 дБ (при BER = 10−12), рис. 1.4. Для сравнения: выигрыш в 3 дБ позволяет
в два раза увеличить длину линии с промежуточными усилителями.
В современных линиях 100 Гбит/с используется третье поколение FEC
(SoftFEC, FEC с многоуровневым приемом сигнала и «мягким» принятием
решений), которое дает еще больший выигрыш. Эти технологии позволяют
достичь для 100 Гбит/с значение OSNRТ 10 дБ, что лучше, чем OSNRТ для
10 Гбит/с с FEC первого поколения.
Оптические мультиплексоры применяются для объединения сигналов,
пришедших на вход линии на разных длинах волн, рис. 1.5. При M ≤ 16 ис-
пользуются наиболее простые типы мультиплексоров (MUX) на основе тон-
копленочных фильтров (TFF — Thin-Film Filter), а при M > 16 — интеграль-
но-оптические мультиплексоры на основе волноводных фазовых решеток
(AWG — Arrayed Waveguide Gratings). Мультиплексоры AWG стоят дороже,
но обладают меньшими габаритами. Для выравнивания уровней каналов
используются мультиплексоры с аттенюаторами на каждом канале VMUX.
При изменении направления распространения света эти устройства превра-
щаются в демультиплексоры (DEMUX).
Простейший тонкопленочный фильтр представляет собой интерферо-
метр Фабри — Перо с толщиной промежуточного слоя между зеркалами по-
рядка длины волны λ. Зеркала образуются многослойной диэлектрической
пленкой с оптической разностью хода между слоями, равной λ/4. В рабочем
диапазоне длин волн TFF-фильтр пропускает излучение вблизи одной дли-
ны волны и отражает излучение на всех других длинах волн. Комбинируя
слои различной толщины, можно синтезировать TFF-фильтр, форма спектра
пропускания которого близка к прямоугольной. Несколько установленных
последовательно TFF-фильтров образуют мультиплексор/демультиплексор,
рис. 1.5а. Потери в нем увеличиваются с ростом числа каналов, и при М > 16
они близки к величине потерь (5…6 дБ), вносимых AWG-мультиплексором.
Мультиплексор AWG состоит из массива планарных волноводов и двух
ответвителей (N · N), расположенных на входе и на выходе, рис. 1.5б. Длины
соседних волноводов отличаются на одну и ту же величину. На входе все вол-
новоды засвечиваются одинаково, поэтому фазы световых волн на выходе
из волноводов отличаются также на одну и ту же величину. Дифракционная
картина на выходе из волноводов подобна той, которая образуется при ос-
вещении вогнутой дифракционной решетки плоским полихроматическим
пучком света. В результате световые волны разной длины волны фокусиру-
ются в различные волокна, т. е. AWG действует как демультиплексор. При об-
ращении направления распространения свет с разными длинами волн фо-
кусируется в одно и то же волокно, и AWG действует как мультиплексор.
Мультиплексоры ввода/вывода (OADM — Optical Add/Drop Multiplexer)
отличаются только тем, что часть спектральных каналов проходит транзитом.
Строятся они обычно на основе тонкопленочных фильтров и рассчитаны
на работу в сетях, где необходим ввод/вывод каналов с фиксированными
длинами волн.
Оптические волокна. Для большинства наземных DWDM-систем опти-
мальны стандартные одномодовые волокна (SSMF — Standard Single Mode
Fiber), свойства которых определяются рекомендацией ITU-T G.652. Спе-
циально для применения в DWDM-системах были разработаны два новых
типа телекоммуникационных волокон: волокна с ненулевой дисперсией
(NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Fiber), дисперсия в которых составля-
ет 2…6 пс/нм·км в С-диапазоне (G.655), и волокна с сердцевиной из чистого
кварца (PSCF — Pure Silica Core Fiber) с рекордно малыми потерями (G.654).
Потери в PSCF-волокнах примерно на 30 % меньше, чем в SSMF-волокнах,
что позволяет почти на 1/3 увеличить длину пролета линии без промежуточ-
ных усилителей. Волокна NZDSF обеспечивают передачу сигналов со ско-
ростью 10 Гбит/с без компенсации дисперсии на расстояние порядка 150 км
(в формате NRZ). Эти волокна широко применяются в Европе, где мало рас-
стояние между городами. В России больше 90 % используемых волокон —
SSMF (G.657 без изгибных потерь).
Оптические усилители (EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier). В одно-
канальных линиях основными характеристиками линейных оптических
усилителей являются: коэффициент усиления, выходная мощность и шум-
фактор. В многоканальных линиях необходимо также, чтобы спектр уси-
ления был постоянным во всем рабочем диапазоне длин волн и не зависел
от уровня входной мощности. Достигается это путем выравнивания спектра
усиления с помощью оптических фильтров (GFF — Gain Flatting Filter) и ста-
билизации одновременно и коэффициента усиления, и величины выходной
мощности.
Коэффициент усиления устанавливается мощностью накачки, а для
регулировки выходной мощности усилителя применяется оптический ат-
тенюатор (VOA — Variable Optical Attenuator). Спектр потерь, вносимых VOA
в полосе усиления, практически плоский и не влияет на форму результирую-
щего сигнала. В качестве GFF-фильтров используются волоконные брэггов-
ские решетки (FBG — Fiber Brag Gratings), длиннопериодические волокон-
ные решетки (LPFG — Long-Period Fiber Gratings), тонкопленочные фильтры
TFF и биконические переходы. Для того чтобы компенсировать потери, вно-
симые аттенюатором и GFF-фильтром, их устанавливают между секциями
усилителя, рис. 1.6.
При регулировке выходной мощности при использовании VOA, в отли-
чие от регулировки с помощью накачки, удается достичь плоского спектра
усиления в диапазоне регулировки порядка 10 дБ.
При модернизации оптических сетей часть спектральных каналов от-
ключается или добавляется, что приводит к скачку мощности (ΔР) в остав-
шихся каналах. При выключенной системе стабилизации коэффициента
усиления величина этого скачка большая: ΔР > 6 дБ при отключении 7 кана-
лов из 8, рис. 1.7. Допустимая величина ΔР зависит от типа оптической сети,
в современных усилителях скачок не превышает 1 дБ.
Для эффективного подавления переходного процесса в оставшихся ка-
налах время стабилизации коэффициента усиления (tст) должно быть много
меньше постоянной времени этого процесса (tп). В ненасыщенных эрбиевых
усилителях tп велика — порядка постоянной времени спонтанной люминес-
ценции (τсп ≅ 10 мс) и условие tст << tп легко выполняется в стандартной схеме
коррекции накачки с использованием цепи обратной связи.
В DWDM-системах усилители работают в режиме насыщения. В насы-
щенном усилителе скорость релаксации инверсной населенности определя-
ется в основном вынужденными переходами, и для них tп << τсп. В одиночном
усилителе tп уменьшается до 100 мкс, а в каскаде усилителей еще сильнее —
до нескольких микросекунд. Для того чтобы успевать демпфировать столь
быстрые изменения выходной мощности, в схеме стабилизации коэффици-
ента усиления используется упреждающая коррекция накачки.
Стоимость эрбиевых усилителей остается традиционно высокой (хотя
выпускаются они в массовом количестве). Во-первых, потому, что усложня-
ются оптические и электрические блоки усилителей. Во-вторых, увеличива-
ются их выходная мощность (пропорционально числу каналов) и мощность
лазеров накачки. До недавнего времени стоимость усилителей возрастала
пропорционально мощности лазеров накачки. Существенно и то, что кон-
струкция и параметры усилителей не стандартизованы, так как они во мно-
гом зависят от типа оптических сетей, в которых инсталлируются усилители.
Компенсаторы дисперсии. В наземных линиях компенсация хроматиче-
ской дисперсии осуществляется в основном путем добавления между каска-
дами усилителей EDFA специальных модулей с катушками волокна, которое
имеет большую отрицательную дисперсию (DCF — Dispersion Compensating
Fiber) [7–8, 11]. Возможно использование компенсаторов дисперсии на осно-
ве брэгговских решеток, такие компенсаторы имеют меньший размер и по-
тери, чем DCF. В подводных линиях используются кабели, в которые уложе-
ны волокна с противоположным знаком хроматической дисперсии, рис. 1.8.
В DWDM-системах необходимо компенсировать дисперсию не только в се-
редине рабочего диапазона длин волн, но и на его краях, что до сих пор яв-
ляется серьезной проблемой. Например, в трансокеанских линиях длиной
порядка 10 000 км остаточная дисперсия на краю диапазона может достигать
несколько тысяч пс/нм.
При передаче сигналов со скоростью 40 Гбит/с в наземных линиях и на
краях диапазона в подводных линиях остаточная дисперсия компенсирует-
ся с помощью перестраиваемых модулей компенсации дисперсии (TDCM —
Tunable Dispersion Compensating Module) на основе волоконных брэгговских
решеток (FBG — Fiber Brag Grating), устанавливаемых на выходе демульти-
плексора, рис. 1.9а. Модуль ТDCM содержит циркулятор и FBG-решетку,
период которой изменяется по линейному закону (чирпированная FBG,
chirped FBG), рис. 1.9б. Импульс, уширенный из-за хроматической диспер-
сии волокна в линии, направляется циркулятором в отрезок волокна с FBG-
решеткой. Более длинные волны (λ1 > λ2 > λ3) этого импульса отражаются
от начала чирпированной волоконной брэгговской решетки и испытыва-
ют большую задержку по сравнению с короткими волнами. Отраженный
от этой решетки импульс сжимается и направляется циркулятором в линию.
Оптимальное значение дисперсии в TDCM обычно настраивают по мини-
мальному значению коэффициента ошибок BER в канале.
Еще одна особенность DWDM-систем состоит в том, что существенно
увеличивается передаваемая по волокну мощность и поэтому усиливается
влияние нелинейных эффектов. В одноканальных линиях мощность на вхо-
де в волокно ограничена эффектом самомодуляция волн (SPM — Self Phase
Modulation) и вынужденным бриллюэновским рассеянием (SBS — Stimulated
Brillion Scattering). В многоканальных линиях дополнительное ограничение
по входной мощности (в канале) возникает еще и из-за перекрестных по-
мех, обусловленных перекрестной фазовой модуляцией (XPM — Cross Phase
Modulation) четырехволновым смешением (FWM — Four Wave Mixing), и вы-
нужденным рамановским рассеянием (SRS — Stimulated Raman Scattering).
Резюме. Пропускную способность DWDM-систем можно наращивать,
увеличивая число каналов. Для работы DWDM-систем необходимы опти-
ческие волокна, оптические усилители и компенсаторы дисперсии, а также
новые устройства: транспондеры и мультиплексоры. В DWDM-системах по-
является дополнительное ограничение по входной мощности из-за нели-
нейных эффектов, а также ограничений на максимальную суммарную мощ-
ность, вводимую в волокно.
2. ЭВОЛЮЦИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Введение. Сразу после создания волокон с малыми потерями появились
и начали совершенствоваться магистральные волоконно-оптические линии
связи (ВОЛС). Эти линии предназначены для передачи больших потоков ин-
формации на большие расстояния. Магистральные линии характеризуются
двумя основными параметрами: емкостью С [Гбит/с] и длиной регенераци-
онного участка L [км]. Эти параметры в течение почти 30 лет улучшались
настолько быстро, что производительность линий С · L каждый год удваива-
лась [7–10, 12], рис. 2.1.
В последнее время наблюдается снижение скорости роста производи-
тельности. Предельная емкость DWDM-систем, которую можно достичь
в ближайшие годы за счет существующего технологического задела, состав-
ляет приблизительно 100 Тбит/с [13].
Например, при использовании каналов 800 Гбит/с в полосе 125 ГГц (что
теоретически возможно при символьной скорости 95 Гбод и формате моду-
ляции DP-64QAM, хотя и с существенным снижением дальности передачи),
спектральная эффективность составляет SE = 6,4 бит/с/Гц, что позволяет
добиться в C+L-диапазоне (~10 ТГц) емкости ~64 Тбит/с. В 2016 году была
продемонстрирована передача каналов 400 Гбит/с с модуляцией DP-64QAM
в полосе ~50 ГГц на расстояние порядка 100 км. Даже если предположить
десятикратное увеличение предельной дальности за счет оптимизации ар-
хитектуры многопролетных линий (сокращения длин пролетов) и улучше-
ния характеристик волокна и усилителей, предел роста производительности
можно оценить как 100 Тбит/с × 1000 км = 108 (Гбит/с)·км, рис. 2.1.
Дальнейший рост производительности систем связи возможен при рас-
ширении спектрального диапазона до O+S+C+L.
В течение нескольких десятков лет эволюция ВОЛС определялась со-
вершенствованием как оптических волокон, так и приемо-передающего
оборудования. Новые технологии в изготовлении оптических волокон от-
крывали возможность передавать световые волны в новых окнах прозрачно-
сти (1,3 мкм и 1,55 мкм) с меньшими потерями, рис. 2.2, что стимулировало
разработку новых систем и компонентов [14–15]. Более совершенные компо-
ненты и системные технологии предъявляли новые требования к характери-
стикам оптических волокон, что стимулировало, в свою очередь, разработку
новых типов оптических волокон [16–17], рис. 2.3.
Можно выделить пять поколений ВОЛС, которые обозначены римски-
ми цифрами I—V на рис. 2.1.
В первых трех поколениях линий оптические усилители не приме-
нялись, и передача оптических сигналов по волокну осуществлялась в ли-
нейном режиме, т. е. при относительно небольшой оптической мощности.
Искажение сигналов из-за нелинейных эффектов было мало. Основными
факторами, ограничивающими длину пролета в линии передачи, явля-
лись потери и хроматическая дисперсия, которые компенсировались оп-
тоэлектронными регенераторами (ОЕО — optical-electrical-optical). ОЕО-
регенераторы осуществляют полное восстановление цифрового сигнала
(3R — reamplifying, reshaping, retiming), но только для какого-нибудь одного
определенного формата модуляции и скорости передачи.
В четвертом поколении ОЕО-регенераторы заменили оптическими
усилителями. Оптические усилители восстанавливают только амплитуду
сигнала (1R — reamplifying), но зато линии с оптическими усилителями оп-
тически прозрачны: по ним можно передавать сигналы с любой скоростью,
в любых форматах и на любой длине волны (в полосе оптического усилите-
ля). Оптически прозрачные ретрансляторы (т. е. оптические усилители) осо-
бенно важны для систем с мультиплексированием каналов по длинам волн
(DWDM — dense wavelength division multiplexing), где по одному волокну пере-
даются сигналы на многих длинах волн. В линии с ОЕО-регенератором для
каждой длины волны (спектрального канала) необходим отдельный ОЕО-
регенератор, рис. 2.4б. В линии с оптическими усилителями все спектраль-
ные каналы усиливаются с помощью одного усилителя, рис. 2.4а. Число этих
каналов может быть более 100, что и делает технологию DWDM экономиче-
ски эффективной.
Оптические усилители позволили компенсировать потери в волокнах
и в компенсаторах хроматической дисперсии и существенно увеличить тем
самым длину регенерационного участка линии. Основными факторами, ограничивающими длину этого участка, стали нелинейные эффекты в во-
локне и накопленное спонтанное излучение оптических усилителей. Наи-
более сильно нелинейные эффекты проявляются в DWDM-системах [18],
так как с увеличением числа длин волн, передаваемых по волокну, увели-
чивается и передаваемая по нему суммарная оптическая мощность. Поэто-
му в DWDM-системах, кроме нелинейных эффектов, наблюдавшихся при
передаче сигналов на одной длине волны, начинают проявляться нели-
нейные эффекты, свойственные только многоволновым линиям передачи.
Для уменьшения искажений сигнала, вызванных этими нелинейными эф-
фектами, были разработаны новые форматы модуляции [7, 8].
В четвертом поколении ВОЛС применялись (и применяются до сих пор)
форматы модуляции с прямым детектированием. Изначально это были в ос-
новном амплитудные форматы NRZ и RZ. При В ≤ 2,5 Гбит/с использует-
ся наиболее простой в реализации формат NRZ, а при В = 10 Гбит/с наряду
с NRZ используется также более устойчивый к нелинейным искажениям
формат RZ. Впоследствии были разработаны также усовершенствованные
форматы с прямым детектированием, где используется как амплитудная,
так и фазовая модуляции сигнала.
В усовершенствованных амплитудных форматах RZ (CSRZ, APRZ,
RZDUO, RZAMI) дополнительная фазовая модуляция служит для умень-
шения внутриканальных нелинейных искажений.
Во втором классе усовершенствованных форматов модулируемым пара-
метром является фаза сигнала, а амплитудная модуляция применяется для
устранения чирпа (уширения спектра сигнала), возникающего при скачко-
образном изменении фазы сигнала. Для 40 Гбит/с наиболее распространены
дифференциальные фазовые форматы DPSK [19]. Они позволяют принять
фазомодулированный сигнал с помощью прямого детектирования, улучша-
ют чувствительность приемника на 3 дБ (в балансной схеме) и увеличива-
ют в два раза спектральную эффективность (при квадратурной модуляции
DQPSK).
В пятом поколении ВОЛС произошел переход от прямого детектирова-
ния к когерентному приему сигнала, открывший возможности реализации
многоуровневых форматов модуляции и схем электронной компенсации
дисперсионных и нелинейных искажений.
Необходимость применения многоуровневых форматов модуляции
в когерентных линиях с B = 40 Гбит/с, 100 Гбит/с и выше связана, в основ-
ном, с тремя факторами. Во-первых, при В = 40 Гбит/с и выше ширина опти-
ческого спектра сигнала становится сравнимой с межканальным интервалом
DWDM-систем, поэтому для дальнейшего увеличения скорости канала (при
сохранении занимаемой спектральной полосы) необходимы форматы моду-
ляции, обладающие большой спектральной эффективностью. Во-вторых,
необходимы форматы модуляции, позволяющие противостоять проявив-
шимся при таких скоростях внутриканальным нелинейным эффектам, пре-
жде всего, внутриканальному четырехволновому смешению (intra-channel
FWM, IFWM) и внутриканальной фазовой кросс-модуляция (intra-channel
XPM, IXPM) и дисперсии.
В-третьих, для скоростей 100 Гбит/с и выше ограничением является
скорость работы модуляторов сигнала и электронных компонентов. Чтобы
уменьшить требования к модуляторам, необходимо повысить символьную
эффективность модуляции (количество бит информации, передаваемых
за один такт модуляции). Например, для передачи 100 Гбит/с используется
модулятор с символьной скоростью 30 Гбод и формат модуляции DP-QPSK
(передача сигнала на двух поляризациях и четырех фазах). Каждый сим-
вол DP-QPSK которого несет 4 бита информации. Таким образом, сигнал
в 120 Гбит/с (100 — полезная нагрузка + 20 — FEC и Overhead) передается
по одной длине волны в виде 4 логических каналов по 30 Гбит/с. В наибо-
лее современных системах со скоростью передачи 400 Гбит/с и 800 Гбит/с по
одной оптической несущей используются форматы модуляции DP-16QAM
(8 бит на символ), DP-64QAM (12 бит на символ) и гибридные форматы.
2.1. Первое поколение, ММ-волокна
Хотя с самого начала было понятно, что в одномодовых (SM — single
mode) волокнах потери меньше, а полоса пропускания больше, чем в много-
модовых (ММ — multi mode) волокнах, в линиях связи первыми (1970 г.) нача-
ли применяться ММ-волокна. Объясняется это тем, что они обладают боль-
шой апертурой и большим диаметром сердцевины, поэтому соединять их
между собой (как с помощью сварки, так и с помощью разъемов) и с источ-
ником излучения намного проще. По этой причине многомодовые волокна
и на сегодняшний день используются на коротких (до 2…3 км) абонентских
участках линий. Кроме того, в 1970 г. еще не было промышленных полупро-
водниковых лазеров, а для согласования со светодиодами требовались во-
локна с большой светосилой.
Первые ММ-волокна имели ступенчатый профиль показателя пре-
ломления и поэтому обладали слишком большой межмодовой дисперсией
(коэффициент широкополосности К ~ 20 МГц·км). В дальнейшем на або-
нентских участках линий связи стали применяться градиентные волокна
(GF — graded-index fi ber, gradient-index fi ber). В последних моделях GF-волокон
для Gigabit Ethernet гарантирована дальность ~2 км. Вначале использова-
лись GF-волокна с диаметром сердцевины d ≅ 50 мкм и числовой апертурой
NA ≅ 0,2, рис. 2.5. Из-за относительно небольшой светосилы (~d2NA2) эти во-
локна обеспечивали передачу сигналов со скоростью 10 Мбит/с на расстоя-
ние менее 1,2 км. Для того чтобы преодолеть этот недостаток, были созданы
GF-волокна с большей светосилой (d ≅ 62,5 мкм и NA ≅ 0,275). Они обеспе-
чили передачу 10 Мбит/с на расстояние порядка 2 км (типичное расстояние
между имевшимися тогда колодцами для ретрансляторов).
В середине 1990 г., после того как были разработаны лазеры с вертикаль-
ным резонатором (VCSEL — vertical cavity surface emitting laser) на λ = 850 нм,
вновь вернулись к волокнам с диаметром сердцевины 50 мкм, так как они
обладают большей широкополосностью. C их помощью начали передавать
сигналы в формате Ethernet со скоростью 1 Гбит/с и 10 Гбит/с. При тщатель-
ном подборе формы профиля показателя преломления GF-волокна с диа-
метром сердцевины 50 мкм обеспечивают передачу 10 Гбит/с Ethernet на рас-
стояние до 300 м.
Резюме. В первом поколении линий применялись многомодовые волок-
на, а скорость передачи ограничивалась межмодовой дисперсией (которую,
в отличие от хроматической дисперсии, компенсировать не удается).
2.2. Второе поколение, SSMF-волокна (1310 нм)
С 1980 г. в линиях дальней связи применяются кабели только с SM-
волокнами. К тому времени появились промышленные полупроводниковые
лазеры и была отработана технология соединения SM-волокон. Эволюция
SM-волокон направлена в основном на уменьшение погонных потерь и оп-
тимизацию их дисперсионных характеристик, рис. 2.2 и 2.3. Конечно, важны
и другие параметры, такие как диаметр модового пятна, длина волны отсеч-
ки, потери при изгибе волокон и др. Оптимизировать их все одновременно
не удается, и поэтому было создано несколько типов SM-волокон, рис. 2.6.
Первыми начали применяться стандартные одномодовые волокна
(SSMF — standard single mode fi ber) со ступенчатым профилем показателя
преломления (рекомендация ITU-T G.652), которые и на сегодняшний день
остаются основным типом волокон в наземных линиях связи. Они обладают
малыми потерями, наиболее совершенными геометрическими характери-
стиками и стабильным диаметром модового пятна, что позволяет соединять
их между собой с минимальными потерями.
В соответствии с рекомендацией G.652 волокна SSMF оптимизированы
для работы на λ ≅ 1310 нм (длина волны отсечки близка к рабочей длине вол-
ны, что уменьшает чувствительность волокон к изгибу). На этой длине вол-
ны они обладают нулевой дисперсией и погонными потерями ~0,35 дБ/км
(против 2,5 дБ/км в GF на λ ≅ 850 нм). При работе вблизи длины волны ну-
левой дисперсии длина регенерационного участка линии определяется бюд-
жетом потерь (жирным курсивом выделены логарифмические единицы, из-
меряемые в децибелах):
α *L = Ад = Рвх – Рвых – азап, (2.1)
где Ад = Рвх – Рвых – азап – допустимые потери в линии, α — погонные потери
в волокне, Рвх — средняя мощность сигнала на входе в волокно, Рвых — сред-
няя мощность сигнала на выходе волокна, азап — запас. Минимальная вели-
чина Рвых равна пороговой чувствительности приемника Рпр (минимальной
мощности на входе в приемник, при которой достигается требуемое значе-
ние коэффициента ошибок BER ≅ 10−12). Максимальная величина Рвх (в от-
сутствие оптических усилителей) равна мощности передатчика Ри.
Пример 1. Максимальная длина пролета с SSMF-волокном на λ ≅ 1310 нм.
При α = 0,35 дБ/км, Рвх = Ри = 0 дБм, Рвых = Рпр = –28 дБм (лавинный фото-
диод, 2,5 Гбит/с) и азап = 3 дБ с помощью (2.1) получаем: Ад = 25 дБ и L ≅ 70 км.
Резюме. Во втором поколении начали применяться стандартные одно-
модовые волокна (SSMF), а передача сигналов осуществлялась на длине
волны нулевой дисперсии (λ ≅ 1310 нм). Основное ограничение — относи-
тельно большие потери на этой длине волны (0,35 дБ/км против 0,2 дБ/км
на λ = 1550 нм).
2.3. Третье поколение, DSF-волокна (1550 нм)
В третьем поколении ВОЛС сигналы передавались на λ = 1550 нм, где по-
тери в волокнах минимальны (~0,2 дБ/км), рис. 2.2. На этой длине волны SM-
волокна обладают большой хроматической дисперсией (D ≅ 16…17 пс/нм·км),
что существенно ограничивает длину линии без компенсации дисперсии,
рис. 2.7.
Как видно на рис. 2.7, для того чтобы передавать сигналы на λ = 1550 нм
со скоростью 10 Гбит/с на расстояние более 100 км, необходимо компенси-
ровать дисперсию в SM-волокне. Без оптических усилителей сделать это
сложно, так как модули для компенсации дисперсии вносят большие допол-
нительные потери (~1/3 от потерь в линии). Поэтому был разработан новый
тип одномодовых телекоммуникационных волокон — со смещенной нуле-
вой дисперсией (DSF — dispersion shifted fi ber, рекомендация ITU-T G.653).
В них длина волны нулевой дисперсии смещена на λ = 1550 нм (рис. 2.3) и ос-
новным ограничивающим фактором вновь стали потери в волокне, но уже
заметно меньшей величины (0,2 дБ/км на λ = 1550 нм против 0,35 дБ/км
на λ = 1310 нм).
Пример 2. Максимальная длина пролета с DSF-волокном на λ ≅ 1550 нм.
При Ри = 0 дБм, Рпр = –24 дБм (лавинный фотодиод, 10 Гбит/с), азап = 3 дБ
и α = 0,22 дБ/км с помощью (2.1) находим Ад = 21 дБ и L ≅ 95 км.
С внедрением DWDM-систем от массового применения DSF-волокон
пришлось отказаться. Вызвано это было тем, что вблизи длины волны ну-
левой дисперсии возникают сильные перекрестные помехи из-за эффекта
четырехволнового смешения волн (FWM — four wave mixing), рис. 2.8а.
При исследовании эффекта FWM выяснилось, что для его подавления
достаточно, чтобы волокно обладало небольшой (ненулевой) дисперсией,
рис. 2.8б. Дисперсия приводит к нарушению фазового синхронизма смеши-
ваемых волн и уменьшает, таким образом, эффективную длину взаимодей-
ствия волн.
Поэтому специально для DWDM-систем были созданы волокна с нену-
левой смещенной дисперсией, которые обладают дисперсией 2…6 пс/нм·км
в C-диапазоне (NZDSF — non-zero dispersion shifted fi ber, рекомендация
ITU-T G.655), рис. 2.3. Они позволяют передавать сигналы со скоростью
10 Гбит/с без компенсации дисперсии на расстояние порядка 150 км. Эти во-
локна широко применяются в Европе, где малы расстояния между городами.
Совершенствование одномодовых волокон продолжалось в IV и V по-
колениях оптических линий, рис. 2.6. Последние достижения — создание
волокон с повышенным порогом вынужденного бриллюэновского рассе-
яния (SBS — Stimulated Brillion Scattering) и волокон, малочувствительных
к изгибу. Первый тип волокон предназначен для передачи аналоговых сиг-
налов, так как оптическая мощность таких сигналов, как правило, больше,
чем цифровых. Второй тип — для прокладки абонентских кабелей внутри
помещений.
Резюме. Дисперсия в SM-волокнах ограничивает передачу сигналов
на λ = 1550 нм со скоростью 10 Гбит/с. В третьем поколении для передачи
высокоскоростных сигналов в одноканальных линиях без компенсации
дисперсии начали применяться DSF-волокна. В наземных DWDM-системах
для этой цели в настоящее время применяются волокна NZDSF и SSMF.
2.4. Четвертое поколение, EDFA и DWDM
В четвертом поколении начали применяться оптические усилители,
и технология мультиплексирования по длинам волн для дальней связи стала
экономически эффективной.
2.4.1. Мультиплексирование по длинам волн
Технология спектрального уплотнения, или спектрального мульти-
плексирования (WDM — wavelength division multiplexing), основана на том,
что по одному волокну можно передавать сигналы на многих длинах волн.
При этом емкость линии C можно наращивать, увеличивая как скорость
передачи B, так и число каналов M:
С = M · B. (2.2)
Различают разреженное, или грубое (CWDM — coarse WDM), и плотное
(DWDM — dense WDM) спектральное уплотнение, рис. 2.9. Системы CWDM
предназначены для городских сетей и сетей доступа, а DWDM — в основном
для магистральных линий.
Расстояние между каналами определено рекомендациями ITU-T.
В CWDM-системах каналы разделены спектральным интервалом 20 нм
в диапазонах длин волн О, Е, S, С и L (от 1270 до 1610 нм). Максимальное чис-
ло спектральных каналов порядка M = 16…18. Компоненты DWDM-систем работают на стандартизованных частотах из частотного плана ITU-T с ин-
тервалом 200 ГГц (~1,6 нм), 100 ГГц, 50 ГГц и 25 ГГц в диапазонах S, C и L.
Пример 3. Оценка числа каналов в DWDM-системе. Ширина диапазо-
на С равна 35 нм (1530…1565 нм). При расстоянии между каналами 100 ГГц
(0,8 нм) получаем: M = 35/0,8 ≅ 44. При расстоянии между каналами 0,4 нм
получаем 88 каналов. Стандартные мультиплексоры выпускаются для 80, 88
и 96 каналов, для двух последних случаев требуется усилитель с расширен-
ным С-диапазоном. Ширина диапазонов С + L равна 80 нм, для них рас-
четное значение M = 100. Реально M = 80 из-за промежутка между полосами
усиления эрбиевых усилителей С- и L-диапазонов.
В CWDM-системах для передачи сигналов может быть использована вся
полоса пропускания волокна, а в DWDM-системах она ограничена полосой
оптических усилителей. Полоса усиления эрбиевого усилителя определяет-
ся спектрами сечений испускания и поглощения ионов эрбия в кварцевом
стекле и зависит от длины волокна и относительной населенности лазерных
уровней [20–23]. При сильной инверсии населенности (~67 %) и относитель-
но короткой длине эрбиевого волокна (10…30 м) усилители работают в диа-
пазоне С (1528–1568 нм), а при слабой инверсии (~37 %) и большей длине во-
локна (~100…300 м) — в диапазоне L (1565–1605 нм), рис. 2.10.
В диапазоне С (основном рабочем диапазоне DWDM-систем) в спек-
тре ненасыщенного усилителя (предусилитель или линейный усилитель)
преобладает узкий пик на λ = 1535 нм, а в спектре насыщенного усилителя
(бустера) — относительно более широкий пик вблизи минимума поглоще-
ния кварцевого волокна на λ = 1550 нм, рис. 2.11а. Неоднородность спектра
усиления является большей проблемой при передаче сигналов в широком
диапазоне длин волн, так как длина линии определяется наихудшим спек-
тральным каналом. Кроме того, в линии с большим числом усилителей от-
носительно небольшие вариации усиления приводят к сильному сужению
полосы усиления («выжигание каналов»), так как «выживает» только участок
спектра с максимальным усилением. Например, в цепочке из 13 усилителей
спектр сужается до 5 нм, рис. 2.11б.
В многоканальных линиях необходимо также, чтобы спектр усиления
был постоянным во всем рабочем диапазоне длин волн и не зависел от уровня
входной мощности. Достигается это путем выравнивания спектра усиления
с помощью оптических фильтров (GFF — gain fl atting fi lter) и стабилизации
одновременно и коэффициента усиления, и величины выходной мощности.
Характеристики GFF-фильтров подбираются так, чтобы компенси-
ровать также и наклон спектра сигнала, возникающий из-за вынужденно-
го рамановского рассеяния (SRS — Stimulated Raman Scattering). Фильтры
устанавли ваются между секциями усилителя так, что вносимые ими по-
тери слабо влияют на шумы усилителя. Для эффективного сглаживания
спектра используется несколько последовательно установленных фильтров,
рис. 2.12а. Без GFF-фильтра плоский участок спектра усиления EDFA со-
ставляет 10…15 нм, с GFF-фильтром он увели чивается до 35 нм (с неровно-
стями ~0,5 дБ), рис. 2.12б. В комбинированных уси лителях EDFA, работаю-
щих в диапазонах С и L, полоса усиления достигает 80 нм.
Коэффициент усиления регулируется мощностью накачки, а для регу-
лировки выходной мощности усилителя применяется оптический аттенюа-
тор (VOA — Variable Optical Attenuator). Спектр потерь, вносимых VOA в по-
лосе усиления, практически плоский и не влияет на форму результирующего
спектра. Для того чтобы компенсировать потери, вносимые аттенюатором
и GFF-фильтром, их устанавливают между секциями усилителя.
С конца 1980-х гг. интенсивно исследовались рамановские усилители
[24, 25]. Их конструкция предельно проста: для усиления сигнала достаточ-
но ввести в волокно накачку на более короткой длине волны (λ ≅ 1450 нм).
Но из-за низкой эффективности накачки (20…30 дБ/Вт в SSMF) мощность
накачки должна быть велика (~1 Вт).
В эрбиевом усилителе эффективность накачки почти в 100 раз боль-
ше — порядка нескольких дБ/мВт. Поэтому, когда в начале 1990-х гг. появи-
лись промышленные эрбиевые усилители, исследования линий передачи
с рамановскими усилителями были приостановлены. Они были вновь про-
должены в середине 1990-х гг., когда появились мощные лазеры накачки.
В настоящее время в линиях передачи используются оба типа оптических
усилителей, рис. 2.13.
Резюме. Технология WDM основана на том, что по одному волокну
можно передавать сигналы на многих длинах волн. Системы CWDM пред-
назначены для недорогих городских сетей и сетей доступа, а DWDM — в ос-
новном для магистральных линий. В CWDM-системах для передачи сигнала
может быть использована вся полоса пропускания волокна. Однако из-за не-
стабильности используемых лазеров число доступных каналов ограничено
М ≤ 16. В магистральных DWDM-системах она ограничена полосой оптиче-
ских усилителей. Стандартные DWDM системы предполагают использова-
ние М = 80, 88 и 96 каналов.
2.4.2. Линии без промежуточных усилителей — однопролетная линия
Различают два типа линий с оптическими усилителями: линии без про-
межуточных (линейных) усилителей (однопролетная линия) и линии с проме-
жуточными усилителями. В России оптические трассы часто проходят через
малонаселенные места, в которых сложно организовать усилительные пун-
кты. В таких случаях сигнал передается без использования промежуточных
усилителей, а оптические усилители (усилитель мощности и предусилитель)
устанавливаются на терминалах линии, рис. 2.14. В длинных однопролетных
линиях также используются рамановские усилители и усилители с удаленной
Оценим максимальную длину линии без промежуточных усилителей.
Предположим, что на входе в приемник мощность спонтанного излучения
усилителя мощности (бустера) мала по сравнению с мощностью спонтан-
ного излучения предусилителя. Для линий с большой длиной пролета это
условие выполняется с большим запасом. Тогда шумами бустера можно
пренебречь и при расчете длины пролета воспользоваться формулой (2.1).
Для численной оценки нужно задаться средними значениями мощности
в спектральном канале на входе и на выходе линии: Рвх и Рвых.
Минимальная величина Рвых равна чувствительности приемника с оп-
тическим предусилителем Рпр. Она зависит от скорости передачи, формата
модуляции, требуемого коэффициента ошибок (BER), коэффициента га-
шения модулятора (r), положения порога принятия решения и т. д. (табл. 1).
В транспондерах «Волга» чувствительность приемника с эрбиевым предуси-
лителем при В = 10 Гбит/с в формате NRZ равна Рпр ≅ –32 дБм (BER = 10−12).
накачкой ROPA. Выравнивание спектра сигнала на выходе линии осуществля-
ется за счет предустановки спектра сигнала на входе в линию.
При малом числе каналов (M ≤ 8) максимальная величина Рвх для каж-
дого канала равна входной мощности, при которой становятся заметны ис-
кажения сигнала из-за нелинейных эффектов в волокне (обозначается как
Рн). Величина Рн зависит от площади модового пятна волокна, скорости пе-
редачи, формата модуляции, чирпа лазера, ширины межканального интер-
вала (Δνк) и т. д. Для оборудования «Волга» при В = 10 Гбит/с и Δνк = 100 ГГц
(0,8 нм) в SSMF-волокне Рн ≅ 15 дБм.
Пример 4. Длина пролета в линии при В = 10 Гбит/с с транспонде-
рами «Волга», ограниченная нелинейными эффектами в SSMF-волокне.
При Рн = 15 дБм, Рпр = –32 дБм, азап = 3 дБ, α = 0,22 дБ/км с помощью (2.1),
полагая Рвх = Рн и Рвых = Рпр, получаем: Ад ≅ 44 дБ и L ≅ 200 км. Т. е. более, чем
на 100 км больше, чем в примере 2.
При большом числе каналов (М ≥ 16) максимальная величина Рвх для
каждого канала ограничивается максимальной допустимой суммарной мощ-
ностью на входе в волокно Рlim. В разных задачах полагают Рlim = 27…33 дБм
(порядка 1 Вт).
В предположении, что мощность каналов одинакова, мощность каждо-
го канала не может превышать величину
pвх [мВт] = plim/M.
Или в логарифмических единицах:
Pвх = Plim – 10 · Log(М). (2.3)
Пример 5. Длина пролета в линии при В = 10 Гбит/с и М = 40, ограни-
ченная допустимой суммарной мощностью на входе в волокно Рlim = 27 дБм.
С помощью (2.3) находим Рвх = 11 дБм. При Рвых = Рпр = –32 дБм, азап = 3 дБ,
α = 0,22 дБ/км с помощью (2.1) получаем: Ад ≅ 40 дБ и L ≅ 180 км.
Длина пролета в линии без промежуточных усилителей получается
тем больше, чем меньше величина погонных потерь в волокне (см. формулу
2.1). Специально для таких линий были разработаны волокна с сердцевиной
из чистого кварца (PSCF — Pure Silica Core Fiber, рекомендация ITU-T G.654)
с потерями α ≅ 0,15 дБ/км и малой величиной поляризационной модовой дисперсии (PMD — polarization mode dispersion). При использовании волокна
PSCF вместо SSMF длина пролета увеличивается примерно на 30 % (почти
до 300 км в примере 4).
Допустимые потери в линии для разных конфигураций усилителей
представлены в табл. 2.
Пример 6. Увеличение длины пролета с использованием ROPA. Для еще
большего увеличения длины пролета применяются более сложные конфи-
гурации линии: с рамановскими усилителями и эрбиевыми усилителями
с удаленной накачкой (ROPA — remote optically pumped amplifi er), рис. 2.15.
В заключение раздела приведем результаты демонстраций линий
с большими пролетами без промежуточных усилителей (табл. 3).
Резюме. При В = 10 Гбит/с длина пролета линии с эрбиевым усилителем
мощности и предусилителем ~220 км (с SSMF-волокном) и ~300 км с волок-
ном PSCF (G.654). За счет использования рамановских усилителей и эрбие-
вых усилителей с удаленной накачкой длина пролета может быть увеличена
до 500 км (табл. 3).
Объем данных, передаваемый по сетям связи, растет на 20–30 % еже-
годно. Это следствие бурного технического прогресса в индустрии связи,
интернет-технологий, сетевых приложений и облачных сервисов. В новых
условиях одним из основных требований, предъявляемых к волоконно-оп-
тическим сетям, стала возможность быстрого увеличения их пропускной
способности в соответствии с ростом объемов трафика.
Наилучшим образом эта задача решается с помощью технологии муль-
типлексирования каналов по длинам волн (DWDM — Dense Wavelength
Division Multiplexing). В книге собран курс лекций по DWDM-системам,
предназначенный для специалистов, занимающихся разработкой, внедре-
нием и эксплуатацией DWDM-оборудования. Авторы книги — сотрудники
российской компании «Т8», занимающейся разработкой и производством
DWDM-оборудования, а также проектированием, инсталляцией и пуско-
наладкой DWDM-систем.
Оборудование «Волга» компании «Т8» предназначено для передачи до
96 каналов DWDM со скоростью до 400 Гбит/с, или до 48 каналов со скоро-
стью до 800 Гбит/с. Спектральная эффективность системы «Волга» состав-
ляет 1–6,4 бит/с/Гц, что обеспечивает потенциальную пропускную способ-
ность до 38,4 Тбит/с при использовании расширенного C-диапазона (6 ТГц).
Сотрудники компании «Т8» построили более 85 000 километров
DWDM-сетей. Таким образом, книга воплощает практический опыт спе-
циалистов, более 20 лет занимающихся разработкой оборудования и строи-
тельством DWDM-систем в России и других странах.
DWDM-система в самом общем виде состоит из приемо-передающе-
го оборудования (транспондеров) и волоконно-оптического тракта между
ними, как показано на рисунке ниже. По одному волокну можно передать
несколько десятков каналов на разных длинах волн. Для формирования ка-
налов со скоростью 10 Гбит/с и ниже используются классические транспон-
деры с модуляцией интенсивности излучения и прямым детектированием,
а для формирования DWDM-каналов со скоростью 100 Гбит/с и выше — ко-
герентные транспондеры с многоуровневой амплитудно-фазовой модуля-
цией.
Книга состоит из четырех частей. В первой части рассмотрены основы
DWDM-систем, история их возникновения и эволюция, во второй части —
компоненты волоконно-оптического тракта, в третьей — приемник и пере-
датчик каналообразующего оборудования, в четвертой части — механизмы
формирования шумов и способы их расчета применительно к волоконно-
оптическим линиям связи.
Книга продолжает начатую в 2003 году серию книг по волоконной оп-
тике: «Оптические волокна для линий связи», «Рефлектометрия оптических
волокон». Ее первое издание вышло в 2012 году, второе — в 2015-м, третье —
в 2017 году Материал изложен просто и может быть использован как вводный
курс в тему DWDM-систем как специалистами, так и теми, кто только начи-
нает знакомиться с телекоммуникационными технологиями.
Детальное описание технологии DWDM и обширный список литера-
туры можно найти в томах Optical Fiber Telecommunications [1–10], первый из
которых был издан в 1979 году, а самый новый том VIII вышел в 2019 году.
Список литературы на русском языке приведен в конце этой книги.
Авторы благодарят сотрудников компании «Т8» — аспирантов МФТИ
Марию Горбашову и Димитрия Старых — за редактирование текста и иллю-
страций 4-го издания книги.
Часть I. Основы DWDM-систем
1. ВВЕДЕНИЕ. DWDM-СИСТЕМЫ
Спектральным уплотнением каналов, или мультиплексированием
по длинам волн (WDM — Wavelength Division Multiplexing) называется пере-
дача нескольких сигналов в одном оптическом волокне на разных длинах
волн (несущих). Принцип действия схемы мультиплексирования по длинам
волн показан на рис. 1.1.
Оптические сигналы приходят от клиента по отдельным волокнам,
а в WDM-системе передаются по одному волокну на разных длинах волн (не-
сущих). В зависимости от расстояния между несущими различают системы
грубого мультиплексирования (CWDM — Coarse WDM) и системы плотного
мультиплексирования (DWDM — Dense WDM). Сегодня наиболее распро-
странены DWDM-системы с числом каналов 40 или 80.
Расстояние между несущими в DWDM-системах может составлять
25…200 ГГц, в современных сетях наиболее часто используется сетка кана-
лов с шагом 50 ГГц. Для передачи используются прежде всего спектральные
диапазоны С (1530…1565 нм), S (1460…1530 нм) и L (1565…1625 нм).
Приходят сигналы на длинах волн оборудования клиента, а передаются
на длинах волн, соответствующих частотному плану Сектора по стандарти-
зации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-T —
International Telecommunication Union — Telecommunication Standartization
Sector). Преобразование длин волн осуществляется в транспондерах
(transpon der = transmitter + responder), а объединение оптических сигналов —
в мультиплексоре. У каждой оптической несущей (оптического канала)
имеются свой передатчик и приемник, и сигналы могут передаваться в раз-
ных форматах. Например, в транспондерах «Волга» для скорости передачи
100 Гбит/с используется формат модуляции DP-QPSK.
Емкость DWDM-системы С можно наращивать, увеличивая как чис-
ло спектральных каналов М, так и скорость передачи в каждом канале В.
С 1980 года развитие технологий позволило увеличить M на два порядка,
а B — на четыре порядка. В результате емкость линий связи выросла при-
мерно в миллион раз, рис. 1.2.
С = M · B (1.1)
Типичные значения: М = 40…80 и В = 10…800 Гбит/с. В линейных трак-
тах чаще всего используется OTU-2 (10 Гбит/с), в новых системах — OTU4
(100 Гбит/с), а в клиентских трактах — Ethernet (90 %) и SDH (10 %). Число
каналов М = Δλу/Δλк равно отношению ширины полосы усиления света (Δλу)
к ширине межканального интервала (Δλк). Ширина полосы усиления зави-
сит от типа усилителя, а ширина межканального интервала определена ча-
стотным планом ITU-T (Δνк = 200 ГГц, 100 ГГц или 50 ГГц). Полосе частот
Δνк = 100 ГГц на λ = 1550 нм соответствует Δλк = 0,8 нм.
Спектральная эффективность формата модуляции определяет количе-
ство информации (число бит данных), переносимой одним символом. Спек-
тральная эффективность системы связи представляет собой отношение
скорости передачи информации (бит/с) к ширине полосы пропускания (Гц)
и измеряется в показателе (бит/с/Гц):
SE = B/Δλк (1.2)
Спектральная эффективность характеризует, насколько эффективно
в произвольной системе связи используется полоса частот.
Пример 1. Число каналов в DWDM-системе. Для оборудования «Волга»
стандартным является межканальный интервал Δλк = 0,4 нм (Δνк = 50 ГГц).
При этом межканальном интервале число каналов M в C-диапазоне
(Δλу = 35 нм) равно M = 35/0,4 ≅ 88. Стандартные мультиплексоры выпуска-
ются на 80, 88 или 96 каналов, для двух последних случаев используются уси-
лители с расширенным диапазоном. В С + L-диапазоне (Δλу = 80 нм) число
каналов увеличивается до M = 200. Реально из-за промежутка между полоса-
ми усиления эрбиевых усилителей в С + L-диапазоне используется 160 кана-
лов. При В = 100 Гбит/с это соответствует емкости линии 16 Тбит/с.
Переход от одноканальной линии к DWDM-системам потребовал усо-
вершенствования оптических волокон, оптических усилителей и компенса-
торов дисперсии, а также создания новых устройств: транспондеров и муль-
типлексоров.
Транспондеры применяются для преобразования несущей длины вол-
ны сигнала, приходящего от оборудования клиента, к частотному плану
ITU-T, а сигнала, приходящего из линии, — к несущей длине волны обо-
рудования клиента. Современные транспондеры работают в стандарте OTN
и упаковывают клиентские сигналы различных типов (Ethernet, SDH, FC)
в стандартные OTN-контейнеры, имеющие унифицированный заголовок,
обработку аварий и сигнализации и поля FEC. Поступающий на вход транс-
пондера оптический сигнал детектируется и восстанавливается цифровым
фотоприемником, рис. 1.3. При полном восстановлении цифрового сигнала
(3R-регенерация, 3R — reamplifying, resharping, retiming) восстанавливаются
три основных параметра импульса: амплитуда, форма и положение на шка-
ле времени (синхронизация). Далее с помощью этого сигнала модулирует-
ся лазер с распределенной обратной связью (DFB(L) — Distributed Feed Back
(Laser)), генерирующий свет на длине волны, соответствующей частотному
плану ITU-T.
В транспондерах «Волга» используется упреждающая коррекция оши-
бок (FEC — Forward Error Correction), рис. 1.3. Эффективность FEC принято
измерять по выигрышу в минимальном отношении сигнал/шум, при кото-
ром приемник способен принять сигнал (OSNRт). В зарубежной литературе
используется обозначение Net Coding Gain (NCG) или Net FEC Gain — чи-
стый выигрыш по FEC (где слово «чистый» подразумевает, что из выигрыша
по FEC надо вычесть небольшой штраф, связанный с увеличением полосы
сигнала). Например, для сигнала 10 Гбит/с применение FEC первого поколе-
ния (RS FEC, GFEC) дало выигрыш около 4,5 дБ, а применение FEC второго
поколения (SuperFEC) вместе с оптимизацией уровня принятия решений —
12 дБ (при BER = 10−12), рис. 1.4. Для сравнения: выигрыш в 3 дБ позволяет
в два раза увеличить длину линии с промежуточными усилителями.
В современных линиях 100 Гбит/с используется третье поколение FEC
(SoftFEC, FEC с многоуровневым приемом сигнала и «мягким» принятием
решений), которое дает еще больший выигрыш. Эти технологии позволяют
достичь для 100 Гбит/с значение OSNRТ 10 дБ, что лучше, чем OSNRТ для
10 Гбит/с с FEC первого поколения.
Оптические мультиплексоры применяются для объединения сигналов,
пришедших на вход линии на разных длинах волн, рис. 1.5. При M ≤ 16 ис-
пользуются наиболее простые типы мультиплексоров (MUX) на основе тон-
копленочных фильтров (TFF — Thin-Film Filter), а при M > 16 — интеграль-
но-оптические мультиплексоры на основе волноводных фазовых решеток
(AWG — Arrayed Waveguide Gratings). Мультиплексоры AWG стоят дороже,
но обладают меньшими габаритами. Для выравнивания уровней каналов
используются мультиплексоры с аттенюаторами на каждом канале VMUX.
При изменении направления распространения света эти устройства превра-
щаются в демультиплексоры (DEMUX).
Простейший тонкопленочный фильтр представляет собой интерферо-
метр Фабри — Перо с толщиной промежуточного слоя между зеркалами по-
рядка длины волны λ. Зеркала образуются многослойной диэлектрической
пленкой с оптической разностью хода между слоями, равной λ/4. В рабочем
диапазоне длин волн TFF-фильтр пропускает излучение вблизи одной дли-
ны волны и отражает излучение на всех других длинах волн. Комбинируя
слои различной толщины, можно синтезировать TFF-фильтр, форма спектра
пропускания которого близка к прямоугольной. Несколько установленных
последовательно TFF-фильтров образуют мультиплексор/демультиплексор,
рис. 1.5а. Потери в нем увеличиваются с ростом числа каналов, и при М > 16
они близки к величине потерь (5…6 дБ), вносимых AWG-мультиплексором.
Мультиплексор AWG состоит из массива планарных волноводов и двух
ответвителей (N · N), расположенных на входе и на выходе, рис. 1.5б. Длины
соседних волноводов отличаются на одну и ту же величину. На входе все вол-
новоды засвечиваются одинаково, поэтому фазы световых волн на выходе
из волноводов отличаются также на одну и ту же величину. Дифракционная
картина на выходе из волноводов подобна той, которая образуется при ос-
вещении вогнутой дифракционной решетки плоским полихроматическим
пучком света. В результате световые волны разной длины волны фокусиру-
ются в различные волокна, т. е. AWG действует как демультиплексор. При об-
ращении направления распространения свет с разными длинами волн фо-
кусируется в одно и то же волокно, и AWG действует как мультиплексор.
Мультиплексоры ввода/вывода (OADM — Optical Add/Drop Multiplexer)
отличаются только тем, что часть спектральных каналов проходит транзитом.
Строятся они обычно на основе тонкопленочных фильтров и рассчитаны
на работу в сетях, где необходим ввод/вывод каналов с фиксированными
длинами волн.
Оптические волокна. Для большинства наземных DWDM-систем опти-
мальны стандартные одномодовые волокна (SSMF — Standard Single Mode
Fiber), свойства которых определяются рекомендацией ITU-T G.652. Спе-
циально для применения в DWDM-системах были разработаны два новых
типа телекоммуникационных волокон: волокна с ненулевой дисперсией
(NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Fiber), дисперсия в которых составля-
ет 2…6 пс/нм·км в С-диапазоне (G.655), и волокна с сердцевиной из чистого
кварца (PSCF — Pure Silica Core Fiber) с рекордно малыми потерями (G.654).
Потери в PSCF-волокнах примерно на 30 % меньше, чем в SSMF-волокнах,
что позволяет почти на 1/3 увеличить длину пролета линии без промежуточ-
ных усилителей. Волокна NZDSF обеспечивают передачу сигналов со ско-
ростью 10 Гбит/с без компенсации дисперсии на расстояние порядка 150 км
(в формате NRZ). Эти волокна широко применяются в Европе, где мало рас-
стояние между городами. В России больше 90 % используемых волокон —
SSMF (G.657 без изгибных потерь).
Оптические усилители (EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier). В одно-
канальных линиях основными характеристиками линейных оптических
усилителей являются: коэффициент усиления, выходная мощность и шум-
фактор. В многоканальных линиях необходимо также, чтобы спектр уси-
ления был постоянным во всем рабочем диапазоне длин волн и не зависел
от уровня входной мощности. Достигается это путем выравнивания спектра
усиления с помощью оптических фильтров (GFF — Gain Flatting Filter) и ста-
билизации одновременно и коэффициента усиления, и величины выходной
мощности.
Коэффициент усиления устанавливается мощностью накачки, а для
регулировки выходной мощности усилителя применяется оптический ат-
тенюатор (VOA — Variable Optical Attenuator). Спектр потерь, вносимых VOA
в полосе усиления, практически плоский и не влияет на форму результирую-
щего сигнала. В качестве GFF-фильтров используются волоконные брэггов-
ские решетки (FBG — Fiber Brag Gratings), длиннопериодические волокон-
ные решетки (LPFG — Long-Period Fiber Gratings), тонкопленочные фильтры
TFF и биконические переходы. Для того чтобы компенсировать потери, вно-
симые аттенюатором и GFF-фильтром, их устанавливают между секциями
усилителя, рис. 1.6.
При регулировке выходной мощности при использовании VOA, в отли-
чие от регулировки с помощью накачки, удается достичь плоского спектра
усиления в диапазоне регулировки порядка 10 дБ.
При модернизации оптических сетей часть спектральных каналов от-
ключается или добавляется, что приводит к скачку мощности (ΔР) в остав-
шихся каналах. При выключенной системе стабилизации коэффициента
усиления величина этого скачка большая: ΔР > 6 дБ при отключении 7 кана-
лов из 8, рис. 1.7. Допустимая величина ΔР зависит от типа оптической сети,
в современных усилителях скачок не превышает 1 дБ.
Для эффективного подавления переходного процесса в оставшихся ка-
налах время стабилизации коэффициента усиления (tст) должно быть много
меньше постоянной времени этого процесса (tп). В ненасыщенных эрбиевых
усилителях tп велика — порядка постоянной времени спонтанной люминес-
ценции (τсп ≅ 10 мс) и условие tст << tп легко выполняется в стандартной схеме
коррекции накачки с использованием цепи обратной связи.
В DWDM-системах усилители работают в режиме насыщения. В насы-
щенном усилителе скорость релаксации инверсной населенности определя-
ется в основном вынужденными переходами, и для них tп << τсп. В одиночном
усилителе tп уменьшается до 100 мкс, а в каскаде усилителей еще сильнее —
до нескольких микросекунд. Для того чтобы успевать демпфировать столь
быстрые изменения выходной мощности, в схеме стабилизации коэффици-
ента усиления используется упреждающая коррекция накачки.
Стоимость эрбиевых усилителей остается традиционно высокой (хотя
выпускаются они в массовом количестве). Во-первых, потому, что усложня-
ются оптические и электрические блоки усилителей. Во-вторых, увеличива-
ются их выходная мощность (пропорционально числу каналов) и мощность
лазеров накачки. До недавнего времени стоимость усилителей возрастала
пропорционально мощности лазеров накачки. Существенно и то, что кон-
струкция и параметры усилителей не стандартизованы, так как они во мно-
гом зависят от типа оптических сетей, в которых инсталлируются усилители.
Компенсаторы дисперсии. В наземных линиях компенсация хроматиче-
ской дисперсии осуществляется в основном путем добавления между каска-
дами усилителей EDFA специальных модулей с катушками волокна, которое
имеет большую отрицательную дисперсию (DCF — Dispersion Compensating
Fiber) [7–8, 11]. Возможно использование компенсаторов дисперсии на осно-
ве брэгговских решеток, такие компенсаторы имеют меньший размер и по-
тери, чем DCF. В подводных линиях используются кабели, в которые уложе-
ны волокна с противоположным знаком хроматической дисперсии, рис. 1.8.
В DWDM-системах необходимо компенсировать дисперсию не только в се-
редине рабочего диапазона длин волн, но и на его краях, что до сих пор яв-
ляется серьезной проблемой. Например, в трансокеанских линиях длиной
порядка 10 000 км остаточная дисперсия на краю диапазона может достигать
несколько тысяч пс/нм.
При передаче сигналов со скоростью 40 Гбит/с в наземных линиях и на
краях диапазона в подводных линиях остаточная дисперсия компенсирует-
ся с помощью перестраиваемых модулей компенсации дисперсии (TDCM —
Tunable Dispersion Compensating Module) на основе волоконных брэгговских
решеток (FBG — Fiber Brag Grating), устанавливаемых на выходе демульти-
плексора, рис. 1.9а. Модуль ТDCM содержит циркулятор и FBG-решетку,
период которой изменяется по линейному закону (чирпированная FBG,
chirped FBG), рис. 1.9б. Импульс, уширенный из-за хроматической диспер-
сии волокна в линии, направляется циркулятором в отрезок волокна с FBG-
решеткой. Более длинные волны (λ1 > λ2 > λ3) этого импульса отражаются
от начала чирпированной волоконной брэгговской решетки и испытыва-
ют большую задержку по сравнению с короткими волнами. Отраженный
от этой решетки импульс сжимается и направляется циркулятором в линию.
Оптимальное значение дисперсии в TDCM обычно настраивают по мини-
мальному значению коэффициента ошибок BER в канале.
Еще одна особенность DWDM-систем состоит в том, что существенно
увеличивается передаваемая по волокну мощность и поэтому усиливается
влияние нелинейных эффектов. В одноканальных линиях мощность на вхо-
де в волокно ограничена эффектом самомодуляция волн (SPM — Self Phase
Modulation) и вынужденным бриллюэновским рассеянием (SBS — Stimulated
Brillion Scattering). В многоканальных линиях дополнительное ограничение
по входной мощности (в канале) возникает еще и из-за перекрестных по-
мех, обусловленных перекрестной фазовой модуляцией (XPM — Cross Phase
Modulation) четырехволновым смешением (FWM — Four Wave Mixing), и вы-
нужденным рамановским рассеянием (SRS — Stimulated Raman Scattering).
Резюме. Пропускную способность DWDM-систем можно наращивать,
увеличивая число каналов. Для работы DWDM-систем необходимы опти-
ческие волокна, оптические усилители и компенсаторы дисперсии, а также
новые устройства: транспондеры и мультиплексоры. В DWDM-системах по-
является дополнительное ограничение по входной мощности из-за нели-
нейных эффектов, а также ограничений на максимальную суммарную мощ-
ность, вводимую в волокно.
2. ЭВОЛЮЦИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Введение. Сразу после создания волокон с малыми потерями появились
и начали совершенствоваться магистральные волоконно-оптические линии
связи (ВОЛС). Эти линии предназначены для передачи больших потоков ин-
формации на большие расстояния. Магистральные линии характеризуются
двумя основными параметрами: емкостью С [Гбит/с] и длиной регенераци-
онного участка L [км]. Эти параметры в течение почти 30 лет улучшались
настолько быстро, что производительность линий С · L каждый год удваива-
лась [7–10, 12], рис. 2.1.
В последнее время наблюдается снижение скорости роста производи-
тельности. Предельная емкость DWDM-систем, которую можно достичь
в ближайшие годы за счет существующего технологического задела, состав-
ляет приблизительно 100 Тбит/с [13].
Например, при использовании каналов 800 Гбит/с в полосе 125 ГГц (что
теоретически возможно при символьной скорости 95 Гбод и формате моду-
ляции DP-64QAM, хотя и с существенным снижением дальности передачи),
спектральная эффективность составляет SE = 6,4 бит/с/Гц, что позволяет
добиться в C+L-диапазоне (~10 ТГц) емкости ~64 Тбит/с. В 2016 году была
продемонстрирована передача каналов 400 Гбит/с с модуляцией DP-64QAM
в полосе ~50 ГГц на расстояние порядка 100 км. Даже если предположить
десятикратное увеличение предельной дальности за счет оптимизации ар-
хитектуры многопролетных линий (сокращения длин пролетов) и улучше-
ния характеристик волокна и усилителей, предел роста производительности
можно оценить как 100 Тбит/с × 1000 км = 108 (Гбит/с)·км, рис. 2.1.
Дальнейший рост производительности систем связи возможен при рас-
ширении спектрального диапазона до O+S+C+L.
В течение нескольких десятков лет эволюция ВОЛС определялась со-
вершенствованием как оптических волокон, так и приемо-передающего
оборудования. Новые технологии в изготовлении оптических волокон от-
крывали возможность передавать световые волны в новых окнах прозрачно-
сти (1,3 мкм и 1,55 мкм) с меньшими потерями, рис. 2.2, что стимулировало
разработку новых систем и компонентов [14–15]. Более совершенные компо-
ненты и системные технологии предъявляли новые требования к характери-
стикам оптических волокон, что стимулировало, в свою очередь, разработку
новых типов оптических волокон [16–17], рис. 2.3.
Можно выделить пять поколений ВОЛС, которые обозначены римски-
ми цифрами I—V на рис. 2.1.
В первых трех поколениях линий оптические усилители не приме-
нялись, и передача оптических сигналов по волокну осуществлялась в ли-
нейном режиме, т. е. при относительно небольшой оптической мощности.
Искажение сигналов из-за нелинейных эффектов было мало. Основными
факторами, ограничивающими длину пролета в линии передачи, явля-
лись потери и хроматическая дисперсия, которые компенсировались оп-
тоэлектронными регенераторами (ОЕО — optical-electrical-optical). ОЕО-
регенераторы осуществляют полное восстановление цифрового сигнала
(3R — reamplifying, reshaping, retiming), но только для какого-нибудь одного
определенного формата модуляции и скорости передачи.
В четвертом поколении ОЕО-регенераторы заменили оптическими
усилителями. Оптические усилители восстанавливают только амплитуду
сигнала (1R — reamplifying), но зато линии с оптическими усилителями оп-
тически прозрачны: по ним можно передавать сигналы с любой скоростью,
в любых форматах и на любой длине волны (в полосе оптического усилите-
ля). Оптически прозрачные ретрансляторы (т. е. оптические усилители) осо-
бенно важны для систем с мультиплексированием каналов по длинам волн
(DWDM — dense wavelength division multiplexing), где по одному волокну пере-
даются сигналы на многих длинах волн. В линии с ОЕО-регенератором для
каждой длины волны (спектрального канала) необходим отдельный ОЕО-
регенератор, рис. 2.4б. В линии с оптическими усилителями все спектраль-
ные каналы усиливаются с помощью одного усилителя, рис. 2.4а. Число этих
каналов может быть более 100, что и делает технологию DWDM экономиче-
ски эффективной.
Оптические усилители позволили компенсировать потери в волокнах
и в компенсаторах хроматической дисперсии и существенно увеличить тем
самым длину регенерационного участка линии. Основными факторами, ограничивающими длину этого участка, стали нелинейные эффекты в во-
локне и накопленное спонтанное излучение оптических усилителей. Наи-
более сильно нелинейные эффекты проявляются в DWDM-системах [18],
так как с увеличением числа длин волн, передаваемых по волокну, увели-
чивается и передаваемая по нему суммарная оптическая мощность. Поэто-
му в DWDM-системах, кроме нелинейных эффектов, наблюдавшихся при
передаче сигналов на одной длине волны, начинают проявляться нели-
нейные эффекты, свойственные только многоволновым линиям передачи.
Для уменьшения искажений сигнала, вызванных этими нелинейными эф-
фектами, были разработаны новые форматы модуляции [7, 8].
В четвертом поколении ВОЛС применялись (и применяются до сих пор)
форматы модуляции с прямым детектированием. Изначально это были в ос-
новном амплитудные форматы NRZ и RZ. При В ≤ 2,5 Гбит/с использует-
ся наиболее простой в реализации формат NRZ, а при В = 10 Гбит/с наряду
с NRZ используется также более устойчивый к нелинейным искажениям
формат RZ. Впоследствии были разработаны также усовершенствованные
форматы с прямым детектированием, где используется как амплитудная,
так и фазовая модуляции сигнала.
В усовершенствованных амплитудных форматах RZ (CSRZ, APRZ,
RZDUO, RZAMI) дополнительная фазовая модуляция служит для умень-
шения внутриканальных нелинейных искажений.
Во втором классе усовершенствованных форматов модулируемым пара-
метром является фаза сигнала, а амплитудная модуляция применяется для
устранения чирпа (уширения спектра сигнала), возникающего при скачко-
образном изменении фазы сигнала. Для 40 Гбит/с наиболее распространены
дифференциальные фазовые форматы DPSK [19]. Они позволяют принять
фазомодулированный сигнал с помощью прямого детектирования, улучша-
ют чувствительность приемника на 3 дБ (в балансной схеме) и увеличива-
ют в два раза спектральную эффективность (при квадратурной модуляции
DQPSK).
В пятом поколении ВОЛС произошел переход от прямого детектирова-
ния к когерентному приему сигнала, открывший возможности реализации
многоуровневых форматов модуляции и схем электронной компенсации
дисперсионных и нелинейных искажений.
Необходимость применения многоуровневых форматов модуляции
в когерентных линиях с B = 40 Гбит/с, 100 Гбит/с и выше связана, в основ-
ном, с тремя факторами. Во-первых, при В = 40 Гбит/с и выше ширина опти-
ческого спектра сигнала становится сравнимой с межканальным интервалом
DWDM-систем, поэтому для дальнейшего увеличения скорости канала (при
сохранении занимаемой спектральной полосы) необходимы форматы моду-
ляции, обладающие большой спектральной эффективностью. Во-вторых,
необходимы форматы модуляции, позволяющие противостоять проявив-
шимся при таких скоростях внутриканальным нелинейным эффектам, пре-
жде всего, внутриканальному четырехволновому смешению (intra-channel
FWM, IFWM) и внутриканальной фазовой кросс-модуляция (intra-channel
XPM, IXPM) и дисперсии.
В-третьих, для скоростей 100 Гбит/с и выше ограничением является
скорость работы модуляторов сигнала и электронных компонентов. Чтобы
уменьшить требования к модуляторам, необходимо повысить символьную
эффективность модуляции (количество бит информации, передаваемых
за один такт модуляции). Например, для передачи 100 Гбит/с используется
модулятор с символьной скоростью 30 Гбод и формат модуляции DP-QPSK
(передача сигнала на двух поляризациях и четырех фазах). Каждый сим-
вол DP-QPSK которого несет 4 бита информации. Таким образом, сигнал
в 120 Гбит/с (100 — полезная нагрузка + 20 — FEC и Overhead) передается
по одной длине волны в виде 4 логических каналов по 30 Гбит/с. В наибо-
лее современных системах со скоростью передачи 400 Гбит/с и 800 Гбит/с по
одной оптической несущей используются форматы модуляции DP-16QAM
(8 бит на символ), DP-64QAM (12 бит на символ) и гибридные форматы.
2.1. Первое поколение, ММ-волокна
Хотя с самого начала было понятно, что в одномодовых (SM — single
mode) волокнах потери меньше, а полоса пропускания больше, чем в много-
модовых (ММ — multi mode) волокнах, в линиях связи первыми (1970 г.) нача-
ли применяться ММ-волокна. Объясняется это тем, что они обладают боль-
шой апертурой и большим диаметром сердцевины, поэтому соединять их
между собой (как с помощью сварки, так и с помощью разъемов) и с источ-
ником излучения намного проще. По этой причине многомодовые волокна
и на сегодняшний день используются на коротких (до 2…3 км) абонентских
участках линий. Кроме того, в 1970 г. еще не было промышленных полупро-
водниковых лазеров, а для согласования со светодиодами требовались во-
локна с большой светосилой.
Первые ММ-волокна имели ступенчатый профиль показателя пре-
ломления и поэтому обладали слишком большой межмодовой дисперсией
(коэффициент широкополосности К ~ 20 МГц·км). В дальнейшем на або-
нентских участках линий связи стали применяться градиентные волокна
(GF — graded-index fi ber, gradient-index fi ber). В последних моделях GF-волокон
для Gigabit Ethernet гарантирована дальность ~2 км. Вначале использова-
лись GF-волокна с диаметром сердцевины d ≅ 50 мкм и числовой апертурой
NA ≅ 0,2, рис. 2.5. Из-за относительно небольшой светосилы (~d2NA2) эти во-
локна обеспечивали передачу сигналов со скоростью 10 Мбит/с на расстоя-
ние менее 1,2 км. Для того чтобы преодолеть этот недостаток, были созданы
GF-волокна с большей светосилой (d ≅ 62,5 мкм и NA ≅ 0,275). Они обеспе-
чили передачу 10 Мбит/с на расстояние порядка 2 км (типичное расстояние
между имевшимися тогда колодцами для ретрансляторов).
В середине 1990 г., после того как были разработаны лазеры с вертикаль-
ным резонатором (VCSEL — vertical cavity surface emitting laser) на λ = 850 нм,
вновь вернулись к волокнам с диаметром сердцевины 50 мкм, так как они
обладают большей широкополосностью. C их помощью начали передавать
сигналы в формате Ethernet со скоростью 1 Гбит/с и 10 Гбит/с. При тщатель-
ном подборе формы профиля показателя преломления GF-волокна с диа-
метром сердцевины 50 мкм обеспечивают передачу 10 Гбит/с Ethernet на рас-
стояние до 300 м.
Резюме. В первом поколении линий применялись многомодовые волок-
на, а скорость передачи ограничивалась межмодовой дисперсией (которую,
в отличие от хроматической дисперсии, компенсировать не удается).
2.2. Второе поколение, SSMF-волокна (1310 нм)
С 1980 г. в линиях дальней связи применяются кабели только с SM-
волокнами. К тому времени появились промышленные полупроводниковые
лазеры и была отработана технология соединения SM-волокон. Эволюция
SM-волокон направлена в основном на уменьшение погонных потерь и оп-
тимизацию их дисперсионных характеристик, рис. 2.2 и 2.3. Конечно, важны
и другие параметры, такие как диаметр модового пятна, длина волны отсеч-
ки, потери при изгибе волокон и др. Оптимизировать их все одновременно
не удается, и поэтому было создано несколько типов SM-волокон, рис. 2.6.
Первыми начали применяться стандартные одномодовые волокна
(SSMF — standard single mode fi ber) со ступенчатым профилем показателя
преломления (рекомендация ITU-T G.652), которые и на сегодняшний день
остаются основным типом волокон в наземных линиях связи. Они обладают
малыми потерями, наиболее совершенными геометрическими характери-
стиками и стабильным диаметром модового пятна, что позволяет соединять
их между собой с минимальными потерями.
В соответствии с рекомендацией G.652 волокна SSMF оптимизированы
для работы на λ ≅ 1310 нм (длина волны отсечки близка к рабочей длине вол-
ны, что уменьшает чувствительность волокон к изгибу). На этой длине вол-
ны они обладают нулевой дисперсией и погонными потерями ~0,35 дБ/км
(против 2,5 дБ/км в GF на λ ≅ 850 нм). При работе вблизи длины волны ну-
левой дисперсии длина регенерационного участка линии определяется бюд-
жетом потерь (жирным курсивом выделены логарифмические единицы, из-
меряемые в децибелах):
α *L = Ад = Рвх – Рвых – азап, (2.1)
где Ад = Рвх – Рвых – азап – допустимые потери в линии, α — погонные потери
в волокне, Рвх — средняя мощность сигнала на входе в волокно, Рвых — сред-
няя мощность сигнала на выходе волокна, азап — запас. Минимальная вели-
чина Рвых равна пороговой чувствительности приемника Рпр (минимальной
мощности на входе в приемник, при которой достигается требуемое значе-
ние коэффициента ошибок BER ≅ 10−12). Максимальная величина Рвх (в от-
сутствие оптических усилителей) равна мощности передатчика Ри.
Пример 1. Максимальная длина пролета с SSMF-волокном на λ ≅ 1310 нм.
При α = 0,35 дБ/км, Рвх = Ри = 0 дБм, Рвых = Рпр = –28 дБм (лавинный фото-
диод, 2,5 Гбит/с) и азап = 3 дБ с помощью (2.1) получаем: Ад = 25 дБ и L ≅ 70 км.
Резюме. Во втором поколении начали применяться стандартные одно-
модовые волокна (SSMF), а передача сигналов осуществлялась на длине
волны нулевой дисперсии (λ ≅ 1310 нм). Основное ограничение — относи-
тельно большие потери на этой длине волны (0,35 дБ/км против 0,2 дБ/км
на λ = 1550 нм).
2.3. Третье поколение, DSF-волокна (1550 нм)
В третьем поколении ВОЛС сигналы передавались на λ = 1550 нм, где по-
тери в волокнах минимальны (~0,2 дБ/км), рис. 2.2. На этой длине волны SM-
волокна обладают большой хроматической дисперсией (D ≅ 16…17 пс/нм·км),
что существенно ограничивает длину линии без компенсации дисперсии,
рис. 2.7.
Как видно на рис. 2.7, для того чтобы передавать сигналы на λ = 1550 нм
со скоростью 10 Гбит/с на расстояние более 100 км, необходимо компенси-
ровать дисперсию в SM-волокне. Без оптических усилителей сделать это
сложно, так как модули для компенсации дисперсии вносят большие допол-
нительные потери (~1/3 от потерь в линии). Поэтому был разработан новый
тип одномодовых телекоммуникационных волокон — со смещенной нуле-
вой дисперсией (DSF — dispersion shifted fi ber, рекомендация ITU-T G.653).
В них длина волны нулевой дисперсии смещена на λ = 1550 нм (рис. 2.3) и ос-
новным ограничивающим фактором вновь стали потери в волокне, но уже
заметно меньшей величины (0,2 дБ/км на λ = 1550 нм против 0,35 дБ/км
на λ = 1310 нм).
Пример 2. Максимальная длина пролета с DSF-волокном на λ ≅ 1550 нм.
При Ри = 0 дБм, Рпр = –24 дБм (лавинный фотодиод, 10 Гбит/с), азап = 3 дБ
и α = 0,22 дБ/км с помощью (2.1) находим Ад = 21 дБ и L ≅ 95 км.
С внедрением DWDM-систем от массового применения DSF-волокон
пришлось отказаться. Вызвано это было тем, что вблизи длины волны ну-
левой дисперсии возникают сильные перекрестные помехи из-за эффекта
четырехволнового смешения волн (FWM — four wave mixing), рис. 2.8а.
При исследовании эффекта FWM выяснилось, что для его подавления
достаточно, чтобы волокно обладало небольшой (ненулевой) дисперсией,
рис. 2.8б. Дисперсия приводит к нарушению фазового синхронизма смеши-
ваемых волн и уменьшает, таким образом, эффективную длину взаимодей-
ствия волн.
Поэтому специально для DWDM-систем были созданы волокна с нену-
левой смещенной дисперсией, которые обладают дисперсией 2…6 пс/нм·км
в C-диапазоне (NZDSF — non-zero dispersion shifted fi ber, рекомендация
ITU-T G.655), рис. 2.3. Они позволяют передавать сигналы со скоростью
10 Гбит/с без компенсации дисперсии на расстояние порядка 150 км. Эти во-
локна широко применяются в Европе, где малы расстояния между городами.
Совершенствование одномодовых волокон продолжалось в IV и V по-
колениях оптических линий, рис. 2.6. Последние достижения — создание
волокон с повышенным порогом вынужденного бриллюэновского рассе-
яния (SBS — Stimulated Brillion Scattering) и волокон, малочувствительных
к изгибу. Первый тип волокон предназначен для передачи аналоговых сиг-
налов, так как оптическая мощность таких сигналов, как правило, больше,
чем цифровых. Второй тип — для прокладки абонентских кабелей внутри
помещений.
Резюме. Дисперсия в SM-волокнах ограничивает передачу сигналов
на λ = 1550 нм со скоростью 10 Гбит/с. В третьем поколении для передачи
высокоскоростных сигналов в одноканальных линиях без компенсации
дисперсии начали применяться DSF-волокна. В наземных DWDM-системах
для этой цели в настоящее время применяются волокна NZDSF и SSMF.
2.4. Четвертое поколение, EDFA и DWDM
В четвертом поколении начали применяться оптические усилители,
и технология мультиплексирования по длинам волн для дальней связи стала
экономически эффективной.
2.4.1. Мультиплексирование по длинам волн
Технология спектрального уплотнения, или спектрального мульти-
плексирования (WDM — wavelength division multiplexing), основана на том,
что по одному волокну можно передавать сигналы на многих длинах волн.
При этом емкость линии C можно наращивать, увеличивая как скорость
передачи B, так и число каналов M:
С = M · B. (2.2)
Различают разреженное, или грубое (CWDM — coarse WDM), и плотное
(DWDM — dense WDM) спектральное уплотнение, рис. 2.9. Системы CWDM
предназначены для городских сетей и сетей доступа, а DWDM — в основном
для магистральных линий.
Расстояние между каналами определено рекомендациями ITU-T.
В CWDM-системах каналы разделены спектральным интервалом 20 нм
в диапазонах длин волн О, Е, S, С и L (от 1270 до 1610 нм). Максимальное чис-
ло спектральных каналов порядка M = 16…18. Компоненты DWDM-систем работают на стандартизованных частотах из частотного плана ITU-T с ин-
тервалом 200 ГГц (~1,6 нм), 100 ГГц, 50 ГГц и 25 ГГц в диапазонах S, C и L.
Пример 3. Оценка числа каналов в DWDM-системе. Ширина диапазо-
на С равна 35 нм (1530…1565 нм). При расстоянии между каналами 100 ГГц
(0,8 нм) получаем: M = 35/0,8 ≅ 44. При расстоянии между каналами 0,4 нм
получаем 88 каналов. Стандартные мультиплексоры выпускаются для 80, 88
и 96 каналов, для двух последних случаев требуется усилитель с расширен-
ным С-диапазоном. Ширина диапазонов С + L равна 80 нм, для них рас-
четное значение M = 100. Реально M = 80 из-за промежутка между полосами
усиления эрбиевых усилителей С- и L-диапазонов.
В CWDM-системах для передачи сигналов может быть использована вся
полоса пропускания волокна, а в DWDM-системах она ограничена полосой
оптических усилителей. Полоса усиления эрбиевого усилителя определяет-
ся спектрами сечений испускания и поглощения ионов эрбия в кварцевом
стекле и зависит от длины волокна и относительной населенности лазерных
уровней [20–23]. При сильной инверсии населенности (~67 %) и относитель-
но короткой длине эрбиевого волокна (10…30 м) усилители работают в диа-
пазоне С (1528–1568 нм), а при слабой инверсии (~37 %) и большей длине во-
локна (~100…300 м) — в диапазоне L (1565–1605 нм), рис. 2.10.
В диапазоне С (основном рабочем диапазоне DWDM-систем) в спек-
тре ненасыщенного усилителя (предусилитель или линейный усилитель)
преобладает узкий пик на λ = 1535 нм, а в спектре насыщенного усилителя
(бустера) — относительно более широкий пик вблизи минимума поглоще-
ния кварцевого волокна на λ = 1550 нм, рис. 2.11а. Неоднородность спектра
усиления является большей проблемой при передаче сигналов в широком
диапазоне длин волн, так как длина линии определяется наихудшим спек-
тральным каналом. Кроме того, в линии с большим числом усилителей от-
носительно небольшие вариации усиления приводят к сильному сужению
полосы усиления («выжигание каналов»), так как «выживает» только участок
спектра с максимальным усилением. Например, в цепочке из 13 усилителей
спектр сужается до 5 нм, рис. 2.11б.
В многоканальных линиях необходимо также, чтобы спектр усиления
был постоянным во всем рабочем диапазоне длин волн и не зависел от уровня
входной мощности. Достигается это путем выравнивания спектра усиления
с помощью оптических фильтров (GFF — gain fl atting fi lter) и стабилизации
одновременно и коэффициента усиления, и величины выходной мощности.
Характеристики GFF-фильтров подбираются так, чтобы компенси-
ровать также и наклон спектра сигнала, возникающий из-за вынужденно-
го рамановского рассеяния (SRS — Stimulated Raman Scattering). Фильтры
устанавли ваются между секциями усилителя так, что вносимые ими по-
тери слабо влияют на шумы усилителя. Для эффективного сглаживания
спектра используется несколько последовательно установленных фильтров,
рис. 2.12а. Без GFF-фильтра плоский участок спектра усиления EDFA со-
ставляет 10…15 нм, с GFF-фильтром он увели чивается до 35 нм (с неровно-
стями ~0,5 дБ), рис. 2.12б. В комбинированных уси лителях EDFA, работаю-
щих в диапазонах С и L, полоса усиления достигает 80 нм.
Коэффициент усиления регулируется мощностью накачки, а для регу-
лировки выходной мощности усилителя применяется оптический аттенюа-
тор (VOA — Variable Optical Attenuator). Спектр потерь, вносимых VOA в по-
лосе усиления, практически плоский и не влияет на форму результирующего
спектра. Для того чтобы компенсировать потери, вносимые аттенюатором
и GFF-фильтром, их устанавливают между секциями усилителя.
С конца 1980-х гг. интенсивно исследовались рамановские усилители
[24, 25]. Их конструкция предельно проста: для усиления сигнала достаточ-
но ввести в волокно накачку на более короткой длине волны (λ ≅ 1450 нм).
Но из-за низкой эффективности накачки (20…30 дБ/Вт в SSMF) мощность
накачки должна быть велика (~1 Вт).
В эрбиевом усилителе эффективность накачки почти в 100 раз боль-
ше — порядка нескольких дБ/мВт. Поэтому, когда в начале 1990-х гг. появи-
лись промышленные эрбиевые усилители, исследования линий передачи
с рамановскими усилителями были приостановлены. Они были вновь про-
должены в середине 1990-х гг., когда появились мощные лазеры накачки.
В настоящее время в линиях передачи используются оба типа оптических
усилителей, рис. 2.13.
Резюме. Технология WDM основана на том, что по одному волокну
можно передавать сигналы на многих длинах волн. Системы CWDM пред-
назначены для недорогих городских сетей и сетей доступа, а DWDM — в ос-
новном для магистральных линий. В CWDM-системах для передачи сигнала
может быть использована вся полоса пропускания волокна. Однако из-за не-
стабильности используемых лазеров число доступных каналов ограничено
М ≤ 16. В магистральных DWDM-системах она ограничена полосой оптиче-
ских усилителей. Стандартные DWDM системы предполагают использова-
ние М = 80, 88 и 96 каналов.
2.4.2. Линии без промежуточных усилителей — однопролетная линия
Различают два типа линий с оптическими усилителями: линии без про-
межуточных (линейных) усилителей (однопролетная линия) и линии с проме-
жуточными усилителями. В России оптические трассы часто проходят через
малонаселенные места, в которых сложно организовать усилительные пун-
кты. В таких случаях сигнал передается без использования промежуточных
усилителей, а оптические усилители (усилитель мощности и предусилитель)
устанавливаются на терминалах линии, рис. 2.14. В длинных однопролетных
линиях также используются рамановские усилители и усилители с удаленной
Оценим максимальную длину линии без промежуточных усилителей.
Предположим, что на входе в приемник мощность спонтанного излучения
усилителя мощности (бустера) мала по сравнению с мощностью спонтан-
ного излучения предусилителя. Для линий с большой длиной пролета это
условие выполняется с большим запасом. Тогда шумами бустера можно
пренебречь и при расчете длины пролета воспользоваться формулой (2.1).
Для численной оценки нужно задаться средними значениями мощности
в спектральном канале на входе и на выходе линии: Рвх и Рвых.
Минимальная величина Рвых равна чувствительности приемника с оп-
тическим предусилителем Рпр. Она зависит от скорости передачи, формата
модуляции, требуемого коэффициента ошибок (BER), коэффициента га-
шения модулятора (r), положения порога принятия решения и т. д. (табл. 1).
В транспондерах «Волга» чувствительность приемника с эрбиевым предуси-
лителем при В = 10 Гбит/с в формате NRZ равна Рпр ≅ –32 дБм (BER = 10−12).
накачкой ROPA. Выравнивание спектра сигнала на выходе линии осуществля-
ется за счет предустановки спектра сигнала на входе в линию.
При малом числе каналов (M ≤ 8) максимальная величина Рвх для каж-
дого канала равна входной мощности, при которой становятся заметны ис-
кажения сигнала из-за нелинейных эффектов в волокне (обозначается как
Рн). Величина Рн зависит от площади модового пятна волокна, скорости пе-
редачи, формата модуляции, чирпа лазера, ширины межканального интер-
вала (Δνк) и т. д. Для оборудования «Волга» при В = 10 Гбит/с и Δνк = 100 ГГц
(0,8 нм) в SSMF-волокне Рн ≅ 15 дБм.
Пример 4. Длина пролета в линии при В = 10 Гбит/с с транспонде-
рами «Волга», ограниченная нелинейными эффектами в SSMF-волокне.
При Рн = 15 дБм, Рпр = –32 дБм, азап = 3 дБ, α = 0,22 дБ/км с помощью (2.1),
полагая Рвх = Рн и Рвых = Рпр, получаем: Ад ≅ 44 дБ и L ≅ 200 км. Т. е. более, чем
на 100 км больше, чем в примере 2.
При большом числе каналов (М ≥ 16) максимальная величина Рвх для
каждого канала ограничивается максимальной допустимой суммарной мощ-
ностью на входе в волокно Рlim. В разных задачах полагают Рlim = 27…33 дБм
(порядка 1 Вт).
В предположении, что мощность каналов одинакова, мощность каждо-
го канала не может превышать величину
pвх [мВт] = plim/M.
Или в логарифмических единицах:
Pвх = Plim – 10 · Log(М). (2.3)
Пример 5. Длина пролета в линии при В = 10 Гбит/с и М = 40, ограни-
ченная допустимой суммарной мощностью на входе в волокно Рlim = 27 дБм.
С помощью (2.3) находим Рвх = 11 дБм. При Рвых = Рпр = –32 дБм, азап = 3 дБ,
α = 0,22 дБ/км с помощью (2.1) получаем: Ад ≅ 40 дБ и L ≅ 180 км.
Длина пролета в линии без промежуточных усилителей получается
тем больше, чем меньше величина погонных потерь в волокне (см. формулу
2.1). Специально для таких линий были разработаны волокна с сердцевиной
из чистого кварца (PSCF — Pure Silica Core Fiber, рекомендация ITU-T G.654)
с потерями α ≅ 0,15 дБ/км и малой величиной поляризационной модовой дисперсии (PMD — polarization mode dispersion). При использовании волокна
PSCF вместо SSMF длина пролета увеличивается примерно на 30 % (почти
до 300 км в примере 4).
Допустимые потери в линии для разных конфигураций усилителей
представлены в табл. 2.
Пример 6. Увеличение длины пролета с использованием ROPA. Для еще
большего увеличения длины пролета применяются более сложные конфи-
гурации линии: с рамановскими усилителями и эрбиевыми усилителями
с удаленной накачкой (ROPA — remote optically pumped amplifi er), рис. 2.15.
В заключение раздела приведем результаты демонстраций линий
с большими пролетами без промежуточных усилителей (табл. 3).
Резюме. При В = 10 Гбит/с длина пролета линии с эрбиевым усилителем
мощности и предусилителем ~220 км (с SSMF-волокном) и ~300 км с волок-
ном PSCF (G.654). За счет использования рамановских усилителей и эрбие-
вых усилителей с удаленной накачкой длина пролета может быть увеличена
до 500 км (табл. 3).