Проект внедрения технологии волнового уплотнения на участке Новосибирск – Кемерово

- интерференционных фильтров;

- явления угловой дисперсии.

 

4.4.1 Характеристики мультиплексоров – демультиплексоров

Хотя технологии при изготовлении мультиплексоров и демультиплексоров схожи, изготовление последних является более сложной задачей. Демультиплексор характеризуется параметром, который называют изоляцией – способностью изолировать друг от друга входные и выходные каналы, а мультиплексор характеризуется направленностью. Чем меньше значения каждого из этих параметров, тем выше характеристики устройства. По мере уменьшения интервала между каналами и увеличения числа каналов изготовление демультиплексора становиться более сложным.

Полоса пропускания каждого  канала характеризуется следующими параметрами: центральная длина волны, интервал между каналами, полоса пропускания по уровню -3 дБ, изоляция и дальние перекрестные помехи, неравномерность пика мощности в спектре канала и однородность каналов. Рассмотрим подробнее значения каждого из этих параметров.

Центральная длина волны – это среднее арифметическое значение верхней и нижней длины волны отсечки. Длины волн отсечки – это длины волн, на которых вносимые потери достигают заданного уровня. Часто относительные слабые отклонения в форме спектра приводят к заметному изменению центральной длины волны. Номинальную длину волны передатчика стараются делать как можно ближе к центральной длине волны, как правило, это одна из длин волн соответствующих частотному плану ITU (табл. 2.1, глава 2).

Интервал  между каналами должен соответствовать  частотному плану системы WDM. Используются как равномерные, так и неравномерные частотные сетки каналов. Наиболее распространенным является частотный план ITU с равномерным частотным интервалом между каналами 100 ГГц. Неравномерные интервалы между каналами могут применяться для того, чтобы минимизировать или устранить нелинейность четырехволнового смешения, когда в результате нелинейного взаимодействия излучения в волокне на двух или более частотах возникают сигналы с новой частотой. При неравномерных интервалах между каналами четырехволновое смешение может привести к дополнительным шумам на длинах волн, не используемых для передачи полезного сигнала. Новый паразитный сигнал может совпасть по частоте с существующими сигналами других каналов, что может привести к возникновению перекрестных помех, при использовании равномерных интервалов между каналами.

Полоса пропускания по уровню -3 дБ. Полоса пропускания – это та часть спектра передаваемого сигнала, в пределах которой все спектральные составляющие превышают некоторый пороговый уровень. Полоса пропускания определяет тот спектральный диапазон, в пределах которого устройство может быть эффективно использовано. Конкретное пороговое значение ширины полосы пропускания зависит от степени изоляции соседних каналов [22].

Изоляция  и дальние перекрестные помехи. Изоляция канала и перекрестные помехи определяют уровень ослабления данного канала в других каналах, где этот сигнал не является основным. Изоляция определяется как минимальная величина ослабления мощности сигнала с выборкой по всем не основным выходным каналам по отношению к основному входному каналу. Перекрестные помехи определяют повышение уровня мощности входного сигнала на определенной длине волны на всей суммарной утекающей мощностью этого сигнала в не основные каналы. Помимо измерения или оценки уровня наихудших перекрестных потерь между каналами в системе необходимо также определять допустимые их уровни.

Неравномерность пика мощности в спектре  канала. Пиковое значение вносимых потерь характеризует уровень потерь на фиксированной длине волны, но не определяет полностью разброс уровней потерь во всей полосе пропускания или в отдельном канале. Разброс уровней – это разность между минимальным и максимальным уровнями потерь в измеренной или номинальной полосе пропускания – называют неравномерностью потерь. Неравномерность распределения потерь канала предоставляет информацию о возможном разбросе уровня передаваемой мощности при изменении длины волны передатчика в пределах номинальной полосы пропускания. Большая неравномерность неприемлема во многих практических приложениях.

Однородность  каналов является мерой разброса уровня передаваемой мощности или вносимых потерь от канала к каналу в мультиплексоре – демультиплексоре [6].

4.5 Оптические усилители

Следующим важным компонентом и  основой для построения систем WDM являются усилители на волокне легированном эрбием EDFA, которые произвели революцию в телекоммуникационной промышленности за последние несколько лет. Оптические усилители обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, независимо от протоколов или схемы модулирования сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно. Обладают низким уровнем шумов, а их абочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна. Усилители EDFA открывают возможность передачи модулированного оптического сигнала на очень большие расстояния без необходимости восстановления и регенерации передаваемой информации.

4.5.1 Усилители для окна 1550 нм

Такими усилителями являются оптические усилители на ОВ, легированном эрбием ОУЛЭ (EDFA). Ионы эрбия имеют пики поглощения в окрестности длин волн 532, 660, 808, 980 и 1480 нм. Из этого следует, что источником накачки могут служить известные типы лазеров с длинами волн 797/800, 980 и 1480 нм. Из них, лазеры на 800 и 98Q нм соответствуют трехуровневой модели взаимодействия, а на 1480 нм – двухуровневой модели, причем эффективность использования лазера на 800 нм оказывается значительно ниже, чем на 980 нм.

Лазеры  на 980 нм используются достаточно широко, учитывая их возможность благодаря трехуровневой модели взаимодействия реализовать очень низкий уровень шумов (порядка 3-5 дБ). Однако лазеры на 1480 нм, хотя и являются менее эффективными (70% по сравнению с эффективностью лазеров на 980 нм), считаются более предпочтительными (как более надежные), позволяющими вместе с тем реализовать достаточно низкий уровень шума (порядка 5 дБ).

При использовании  иттербия в качестве дополнительного  легирующего элемента для EDFA можно  воспользоваться лазерными диодами  накачки, работающими на длине волны 1053 нм (так называемые DPSS-лазеры). Их использование позволяет получить более мощный источник накачки, что повышает усиление или увеличивает срок службы при меньших фактически используемых мощностях.

Усилители легко позволяют реализовать  коэффициент усиления порядка 30-40 дБм. Фактически же АВХ EDFA с неравномерностью ±10 дБ практически перекрывает полосу 1520-1570 нм, имеет максимум усиления (40 дБм при Рвх = -30 дБм) на длине волны 1532 нм и плато (усиление 30 дБм) в интервале 1540-1550 нм, рисунок 4.13. При этом могут быть обеспечены мощности насыщения порядка 500 мВт.

Сам факт такой  большой широкополосности (порядка 50 нм) потенциально позволяет применять их в системах с HDWDM, однако для этого усиление должно быть выровнено в стандартном диапазоне систем WDM 1530-1565 нм. Для получения такой плоской характеристики используются различные выравнивающие фильтры, снижающие общее усиление до 16-18.дБм при использовании одного лазера накачки и до 19-27 дБм при двух лазерах накачки в зависимости от требуемой неравномерности (которая может достигать 0,1-2 дБ) и перекрываемого диапазона длин волн [11].

Другими важными  особенностями EDFA являются: низкая чувствительность к изменению поляризации сигнала, а также практически полное отсутствие переходных помех на выходе усилителя, вызванных откликами системы на последовательность импульсов входного сигнала.

 

  а) зависимость выходной мощности от уровня входного сигнала; 
 б) АВХ УСИ при отсутствии входного сигнала; 
 в) АВХ при одной несущей с уровнем -6 дБм; 
 г) АВХ при многоканальном входном сигнале

Рисунок 4.13 – Амплитудно-волновая характеристика EDFA.

 

 

4.5.2 Классификация усилителей по способам применения

В зависимости от применения, различают  предварительные усилители, линейные усилители, усилители мощности и  компенсаторы потерь, (рисунок 4.14).

Рисунок 4.14 – Типы усилителей по применению

- усилители мощности — (бустеры), устанавливаемые непосредственно за передатчиком; их особенность в том, что они работают с большим сигналом на входе, обеспечивают максимально допустимое усиление и высокий уровень сигнала на выходе и не критичны к уровню шумов;

- линейные усилители — устанавливаемые  на линии в качестве повторителей; их особенность в том, что они работают с сигналом среднего уровня на входе, обеспечивают необходимый уровень сигнала на выходе и критичны к уровню шумов, который ограничивает общую длину регенерационного участка системы;

- предварительные усилители —  устанавливаемые непосредственно  перед приемником; их особенность в том, что они работают с сигналами очень низкого уровня и потому очень критичны к уровню шума усилителя;

- компенсаторы потерь — устанавливаются  внутри или на выходе таких  устройств, которые вносят потери, подлежащие компенсации (например, в оптических коммутаторах и маршрутизаторах); их особенность в том, что они должны быть небольшого размера, от них не требуется очень большого коэффициента усиления и низкого уровня шумов [11].

Но при проектировании системы  необходимо определить и учесть зависимость коэффициента усиления усилителя от длины волны, особенно в случае передачи отдельных каналов, через несколько усилителей. Необходимо также учесть накопление шумов за счет проявления шум – фактора в нескольких последовательно расположенных в линии усилителях, что может привести к невосстановимому разрушению оптического сигнала. Учет шум – фактора необходим для определения предельного числа каскадов усиления, а, следовательно, и максимальной длины линии [6].

Шум – фактор определяется как ухудшение отношения сигнал/шум после прохождения сигнала через оптический усилитель.

На ухудшение отношения сигнал/шум могут влиять несколько процессов:

- дробовой шум – есть неизбежное проявление дискретной природы света;

- спонтанно-спонтанный шум биений (гетеродинный шум) – возникает между сигналами усиленного спонтанного излучения в полосе частот амплитудно-модулированного сигнала;

- сигнал – спонтанный шум биений (гетеродинный шум) – возникает при смешении сигнала гетеродина с существенно белыми шумами излучения ASE;

- интерференционный шум – возникает из-за небольших внутренних отражений в усилителе, которые ухудшают его характеристики;

- дополнительный шум (шумы источника).

Коэффициент усиления – одна из самых важных измеряемых характеристик оптического усилителя, который зависит от множества параметров: длина волны сигнала, состояние поляризации на входе и мощность сигнала, которые по отдельности или вместе могут влиять на эффективность усилителя.

Коэффициент усиления перекрестного  насыщения – определяется как изменение коэффициента усиления отдельного канала при изменении мощности, подаваемой на вход другого канала, на определенную величину.

Равномерность коэффициента усиления определяется максимальным разбросом коэффициента усиления различных каналов при одной и той же входной мощности.

Зависимость коэффициента усиления от поляризации определяется различием коэффициента усиления для различных входных состояний поляризации.

Коэффициент усиления сигнала усилителя EDFA – это коэффициент усиления мощного сигнала, при котором усилитель обычно начинает переходить в режим насыщения. Это основной фактор, определяющий рабочую точку усилителя.

Профиль (кривая, характеристика) часто  используют для выражения зависимости некоторого параметра, например, усиления от длины волны.

Коэффициент усиления канала определяет усиления одного отдельного сигнала в системе WDM [22].

Основным источником шумов усилителя  является усиленное спонтанное излучение ASE. Усиленное спонтанное излучение  приводит к появлению высокочастотных шумов в системе связи (т.е. высокочастотных шумов в электрическом сигнале на выходе приемника) [10].

 

4.6 Передатчики

Полоса пропускания системы WDM распределяется между многочисленными каналами с различными длинами волн. Все эти длины волн должны разместиться в рабочей области усилителя. Если в системе много каналов, то каждый из них необходимо тщательно контролировать. Успешное решение данной задачи определяется характеристиками источников излучения каждого канала. Необходимость строго контролировать характеристики передатчика диктуется следующими соображениями:

- соблюдение международных стандартов;

- совместимость с соседними  сетями, допускающими переход к  технологии волнового уплотнения.

Системы WDM с каналами с малым  частотным интервалом можно использовать только при наличии лазера с узкой линией излучения. Узкая ширина линии минимизирует искажения импульсов, вызываемых дисперсией волокна, позволяет применять на входе перед приемником узкополосных фильтров для улучшения отношения/шум. Сильное подавление остаточных боковых полос источника излучения применяется для того, чтобы сигнал источника не взаимодействовал с другими каналами [10].

Источник излучения должен работать в режиме одной продольной моды, чтобы свести к минимуму гетеродинный шум.

Явление эффекта старения в системах WDM должно оставаться в допустимых пределах. Эффект старения – это предельная мощность, длина волны максимума излучения и подверженность чирпированию (уширение линии излучения) источника излучения при долговременном и кратковременном использовании.

Лазерные  источники должны быть защищены от обратных отражений, так как они могут вызвать нестабильность генерации источника.

Лазерные модули сами по себе довольно дороги и их замена может потребовать сложной и дорогостоящей операции по разборке и последующей перенастройки компонентов, обеспечивающих эффективную работу линии.