Systemy transmisji o bardzo dużych zasięgach i przepływnościach Wykład 19 SMK Literatura: J. Siuzdak, Wstęp do telekomunikacji światłowodowej, WKŁ W-wa 1999 W nowoczesnych systemach transmisji (transoceanicznych) regeneratory zastępuje się wzmacniaczami optycznymi EDFA (system TAT-12 o przepływności 2*5 Gbit/s USA- Anglia-Francja. Sygnał nie regenerowany przechodzi kilkaset albo kilka tysięcy km. 1. Konsekwencje stosowania wzmacniaczy optycznych Wzmacniacze te połączone są kaskadowo. Długość odcinka pomiędzy wzmacniaczami 45-68 km. Systemy, które pozwalają zwiększyć tą odległość do kilkuset km zdalnie pompowane wzmacniacze optyczne. Przykład: Do transmisji na odległość 423 km z przepływnością 2.5 Gbit/s wykorzystano cztery wzmacniacze EDFA: wzmacniacz mocy w nadajniku, wzmacniacz mocy w odległości 74.5 km od nadajnika pompowany dodatkowym światłowodem z nadajnika, odległy o 96.5 km od odbiornika przedwzmacniacz optyczny zdalnie pompowany światłem z odbiornika oraz drugi przedwzmacniacz optyczny przy odbiorniku. Użycie wzmacniaczy optycznych pozwoliło wzmocnić sygnał o ponad 18 db (zdalne wzmacnianie lub pompowanie realizuje się przy pomocy wzmacniaczy lub laserów Ramana). Zakłócenia pracy systemu: a). wzmacniany szum emisji spontanicznej każdy wyemitowany spontanicznie foton dodaje do światła koherentnego (emisja wymuszona) drobną składową pola o przypadkowych parametrach. Zaburza to w sposób przypadkowy amplitudę i fazę wypadkowego pola. Przypadki emisji spontanicznej zachodzą bardzo często natężenie i faza emitowanego światła ulegają szybkim fluktuacjom. Szum generowany przez każdy wzmacniacz optyczny z łańcucha będzie dodawany i ponownie wzmacniany przez następne wzmacniacze. Poziom szumu jest proporcjonalny do wzmocnienia pojedynczego wzmacniacza, G, i do liczby wzmacniaczy. Widmo szumu spontanicznego jest szerokopasmowym widmem emisji spontanicznej zmodyfikowanym przez charakterystykę wzmocnienia łańcucha wzmacniaczy. Do szumów pojedynczego wzmacniacza należą: 1
- szum fazowy lasera pp, - szum natężenia lasera pp. (RIN), - odbicie wsteczne, - chirp, - szum partycji modowej moc indywidualnych modów podłużnych podlega fluktuacjom, podczas gdy całkowita moc pozostaje stała, - szum modalny światłowody wielodomowe. Gęstość mocy wzmocnionego szumu emisji spontanicznej ASE - (przy założeniu, że wzmocnienie wzmacniacza kompensuje straty w odcinku światłowodu pomiędzy wzmacniaczami) na końcu toru jest: N sp (ν)=mf(g-1)hν, M liczba wzmacniaczy lub N sp (ν)=fhναη(g)l α - tłumienność jednostkowa światłowodu, L długość światłowodu, F współczynnik szumów wzmacniacza optycznego, H(G)=(G-1)/logG, G=exp(αl), l odległość między wzmacniaczami. W celu zminimalizowania szumu wzmocnionej emisji spontanicznej na końcu linii, oprócz minimalizacji F, trzeba zmniejszyć tłumienie światłowodu i odległość między wzmacniaczami (koszty!). Stosunek sygnału do szumu w odbiorniku optoelektronicznym przy M wzmacniaczach w torze: 2 2αl P e SNR αl 2 2 Pe Mh ν ff(2 + MBo F) hν B o pasmo optyczne, f pasmo szumowe odbiornika, P moc optyczna na wejściu światłowodu. Szum emisji spontanicznej może ulegać zdudnieniom ze sobą, z sygnałem użytecznym oraz z szumem śrutowym. W przypadku długich linii poziom szumu wzmocnionej emisji spontanicznej rośnie wzdłuż linii i wprowadza wzmacniacze optyczne w stan nasycenia (maleje wzmocnienie sygnału). W wyniku nasycenia całkowita moc optyczna (sygnału użytecznego i szumu) pozostaje stała wzdłuż linii, zaś moc samego sygnału maleje wzdłuż linii, gdyż rośnie moc szumu emisji spontanicznej. 2
b). Transmitancja i widma szumów wzmacniaczy optycznych nie są płaskie. Połączenie kaskadowe wielu wzmacniaczy daje filtr o stosunkowo wąskim paśmie przepustowym skoncentrowanym wokół jednej częstotliwości. c) Efekty polaryzacyjne w światłowodzie (wpływ na pracę odbiornika). Ponieważ wzmacniacze optyczne nie zapewniają regeneracji sygnału, wszystkie zjawiska (szum, dyspersja) narastają wzdłuż linii. α). dyspersja polaryzacyjna zmienia w sposób ciągły kształt impulsu w wyniku zmian czasowych stanu polaryzacji wzdłuż linii. W odbiorniku zmiany kształtu zmieniają kształt i rozwarcie oczka zwiększenie stopy błędów BER: Dyspersja polaryzacyjna wynika stąd, że w światłowodzie jednodomowym rozchodzą się dwa mody spolaryzowane ortogonalnie względem siebie. Prędkości grupowe tych modów różnią się (brak zachowania symetrii kołowej światłowodu, profilu współczynnika załamania, naprężenia). Rozkład prędkości grupowych zmienia się przypadkowo wzdłuż światłowodu. Średnia różnica czasu propagacji między modem szybkim a wolnym rośnie proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego z długości światłowodu. β) tłumienie zależne od polaryzacji (PDL polarisation dependent loss) większość pasywnych elementów optycznych (sprzęgacze, izolatory) wykazuje zależność tłumienia od polaryzacji światła. Sygnał użyteczny i szum wykazują różne tłumienie dla składowych ortogonalnych. Prowadzi to do zmiany mocy sygnału w czasie i fluktuacji SNR, a więc i do zwiększenia BER. γ) wzmocnienie zależne od polaryzacji (PDG polarisation dependent gain) wzmacniacze EDFA wykazują niejednorodność nasycenia wzmocnienia w zależności od polaryzacji sygnału szum o polaryzacji prostopadłej do polaryzacji sygnału doznaje większego wzmocnienia niż sam sygnał (różnica ta jest największa przy sygnałach spolaryzowanych liniowo). Zmiany polaryzacji światła w linii prowadzą do zmian w czasie SNR i zwiększenia BER (można tego uniknąć przez okresowe przełączanie skrambling polaryzacji nadawanego sygnału). δ) nieliniowe właściwości światłowodu samomodulacja fazy i mieszanie czterofalowe pomiędzy sygnałem użytecznym, a wzmocnionym szumem emisji spontanicznej. Gdy praca systemu odbywa się w zakresie dyspersji normalnej lub zbliżonej do 3
zera, to przy dużych przepływnościach i długościach linii, zjawiska nieliniowe ograniczają poprawę parametrów pracy systemu (BER) poprzez zwiększenie mocy sygnału. 2. Metody ograniczania wpływu dyspersji światłowodu na transmisję Podczas stosowania wzmacniaczy optycznych w torze światłowodowym o dużej szybkości transmisji ograniczeniem odcinka między regeneratorami jest dyspersja, a nie tłumienie. Dyspersja jest proporcjonalna do szerokości linii widmowej i współczynnika dyspersji. Współczynnik dyspersji, D, wyznacza rozszerzenie czasowe impulsu (ps) po przejściu 1 km odcinka światłowodu, jeśli szerokość linii widmowej źródła światła = 1 nm. Światłowody o przesuniętej dyspersji umożliwiają osiągnięcie dłuższych odcinków między regeneratorami. a) W standardowych światłowodach długość fali, przy której D=0 (1310 nm) nie pokrywa się z minimum tłumienia światłowodu (1550 nm). Jedynie w światłowodach z przesuniętą dyspersją te dwie długości fal są zbliżone do 1550 nm. Jednak zastosowanie tych światłowodów w systemach WDM (jednoczesna transmisja wielu sygnałów o zbliżonych długościach fal) wykazuje dużą efektywność mieszania czterofalowego. Dlatego w systemach tych stosuje się światłowody z tzw. niezerową przesuniętą dyspersją (mała niezerowa dyspersja dla 1550 nm redukcja efektów mieszania czterofalowego) 4
b) zmniejszenie szerokości linii widmowej lasera przy bezpośredniej modulacji prądu lasera pojawia się chirp prowadzący do rozszerzenia linii widmowej lasera o kilka dziesiątych nm. Chirp przy włączaniu lasera (wzroście prądu) długość fali przesuwa się w stronę fal krótszych, przy wyłączaniu w stronę dłuższych. Powoduje to rozszerzenie linii widmowej lasera i zwiększenie dyspersji chromatycznej w światłowodzie (dyspersja związana z niezerową szerokością źródła światła = dyspersja falowodowa + dyspersja materiałowa). α) polaryzacja lasera powyżej prądu progowego, β) odpowiednie kształtowanie prądu modulującego lub dodatkowa modulacja strumienia świetlnego (prechirp) (zewnętrzna modulacja fazy lub dodatkowa modulacja częstotliwości lasera). γ) użycie synchronizacji zewnętrznym laserem (promieniowanie z zewnętrznego lasera nie modulowanego wymusza zachowanie długości fali lasera modulowanego). δ) użycie zewnętrznych modulatorów światła (elektroabsorpcyjne i interferencyjne) występuje jednak szczątkowy chirp, spowodowany zmianą długości optycznej modulatora w modulatorach elektroabsorpcyjnych. Kompensacja tego chirpu przez scalenie modulatora z laserem i odpowiednie sterowanie całością. Maksymalny zasięg transmisji ograniczony dyspersją jest: c Lmax = 2 2 1.2D B D=17 ps/nmkm, λ o =1.55 µm, B=10 Gbit/s, L Max =61 km. Nie można zwiększyć maksymalnego zasięgu transmisji poza podaną w powyższym wzorze wartość poprzez zmniejszenie szerokości linii widmowej (widmo transmitowanego sygnału ma niezerową szerokość). c) kompensacja dyspersji światłowodu α) kompensacja elektroniczna - w odbiornikach z detekcją bezpośrednią przy zamianie sygnału optycznego na elektryczny tracona jest informacja o fazie i częstotliwości odbieranego sygnału. Dobre rezultaty daje obróbka nieliniowa oparta na detekcji maksymalnej wiarygodności - w systemach koherentnych sygnał po fotodetekcji zachowuje informacje o fazie i częstotliwości sygnału optycznego. Stosuje się mikrofalowe kompensatory dyspersji (technika linii paskowych, których opóźnienie zależy od częstotliwości) β) kompensacja optyczna - elementy optyczne o dyspersji przeciwnej do dyspersji światłowodu = światłowody kompensujące dyspersję Światłowody kompensujące dyspersję mają duży ujemny współczynnik dyspersji chromatycznej w zakresie 1.55 µm. Jeżeli przy pracy na długości fali 1.55 µm połączymy kaskadowo odcinek światłowodu standardowego o długości L i D>0 ze światłowodem kompensującym dyspersję o długości L 1 i D 1 <0, to wypadkowa dyspersja: =DL+D 1 L 1 Długość L 1 można dobrać tak, aby =0: L 1 =DL/D 1. Dodatkowa tłumienność wprowadzona przez światłowód kompensujący: L s =(DL)α 1 /D 1 =DL*1/FOM [db] Wzrost tłumienia linii jest odwrotnie proporcjonalny do współczynnika jakości FOM (Figure of merit) (200 ps/(nm.db)). Istnieją śwaitłowody kompensujące dyspersję z rdzeniem o wysokim współczynniku załamania (eliptycznym). λ o 5
Dla λ=1.55 µm, D 1 =80 ps/(nm.km), α=0.32 db/km, FOM=250 ps/(nm.db). Wada zwiększenie tłumienności linii. Zaleta możliwość dołączenia takiego światłowodu w już istniejących liniach. - zastosowanie światłowodowych siatek odbiciowych Bragga. Stałą siatki zmienia się wraz z odległością, w wyniku czego fale o różnych długościach odbijają się w różnych miejscach i ulegają różnym opóźnieniom kompensacja dyspersji. Wada kompensowany sygnał jest odbijany wstecznie, co wymaga zastosowania cyrkulatorów optycznych (oddzielenie wejścia od wyjścia). - technika sprzężonej fazy w połowie długości linii widmo częstotliwościowe sygnału zostaje odwrócone (staje się lustrzanym odbiciem widma wejściowego względem pewnej częstotliwości) Inwersja widma mechanizm mieszania czterofalowego w pompowanych optycznie ośrodkach nieliniowych. d) transmisja solitonowa polega na wykorzystaniu nieliniowych właściwości światłowodu do transmisji krótkich impulsów zachowujących swój kształt tzw. solitonów (w przypadku dyspersji anomalnej nieliniowość i dyspersja mogą się kompensować; dyspersja normalna fala o większej częstości porusza się wolniej od fali o częstości mniejszej, dyspersja anomalna fala o większej częstości porusza się szybciej od fali o częstości niższej). e) transmisja wykorzystująca dyspersję (DST disperssion supported transmission) dyspersja światłowodu wykorzystywana jest do zamiany modulacji częstotliwościowej lasera nadawczego na modulację amplitudową w odbiorniku. Technika ta umożliwia transmisję w oknie 1.55 µm sygnałów o przepływnościach 10 GBit/Bit przez standardowy 6
światłowód o typowej dyspersji chromatycznej 16-20 ps/(nm.km). Nie wymaga zewnętrznych modulatorów, ani elementów kompensujących dyspersję. Ten rodzaj transmisji wymaga doboru dewiacji częstotliwości przy modulacji lasera nadawczego do szybkości transmisji, długości linii i dyspersji światłowodu. Niektóre parametry optyczne systemów DST: SD STM-64 (10 Gbit/s). 3. Generacja krótkich impulsów Częstotliwości graniczne modulacji bezpośredniej laserów 30 GHz, modulatory zewnętrzne 70 GHz. W celu uzyskania krótkich impulsów stosuje się następujące techniki: a). Przełączanie wzmocnienia (gain switching) laser pp. DFB spolaryzowany jest poniżej progu laserowania i przełączany znacznie powyżej prądu progowego za pomocą impulsów prądowych. Typowo 20-40 ps. Częstotliwość powtarzania zależy od modulacji prądu n GHz. Tak uzyskane impulsy mają duży chirp i drganie położenia (jitter). Ich kształt odbiega od kształtu solitonu (iloczyn szerokości impulsu i zajmowanego przezeń pasma = 0.315) stosuje się filtrację optyczną impulsów wychodzących z lasera. b). Wykorzystanie sterowanych elektrycznie modulatorów zewnętrznych, do których doprowadzono niemodulowane światło laserowe. Sygnał optyczny na wyjściu takiego modulatora jest ciągiem impulsów o częstotliwości powtarzania dwukrotnie większej od częstotliwości sygnału modulującego, a szerokość impulsu optycznego stanowi jedynie kilkanaście procent okresu przebiegu modulującego. Można też zastosować inne niż sinusoidalne przebiegi sterujące (do zmiany kształtu impulsów optycznych), o ile mieszczą się w paśmie modulatora. Wykorzystuje się modulatory elektroabsorpcyjne (napięcie przełączające 1.5 V jest niższe niż dla modulatora interferometrycznego 5-10 V). c). Użycie laserów synchronizowanych modowo (mode locked lasers). W laserze takim długość rezonatora jest tak dobrana, że czas jego dwukrotnego przejścia odpowiada okresowi 7
sygnału o bardzo dużej częstotliwości, który moduluje prąd lasera. Synchronizuje to fazowo mody podłużne oscylujące w rezonatorze i w efekcie daje ciąg krótkich impulsów na jego wyjściu. Odstęp częstotliwościowy między modami: ν=c/l opt L opt długość optyczna przy przejściu długości rezonatora tam i z powrotem. Szerokość impulsu jest odwrotnie proporcjonalna do pasma 1/ ν g, w którym fazy różnych modów podłużnych mogą być ze sobą zsynchronizowane. Aktywna synchronizacja polega na modulacji amplitudy lub częstotliwości (fazy) pola wewnątrz rezonatora z częstotliwością f m równą odstępowi częstotliwości między modami ν lub jego całkowitej wielokrotności k ν. Ten rodzaj synchronizacji stosuje się w laserach pp z odpowiednio dobranym modulatorem zewnętrznym (rezonator tworzą jeden: z końców laserowej struktury pp oraz siatka dyfrakcyjna umieszczona za drugim końcem tej struktury). Siatka zapewnia odpowiednie optyczne sprzężenie zwrotne oraz możliwość przestrajania długości emitowanej fali. Wada częstotliwość powtarzania impulsów określona jest przez długość rezonatora i nie może być zmieniona. Typowo 20 ps przy 10 GHz. Alternatywą dla laserów pp są synchronizowane modowo pierścieniowe lasery światłowodowe: 8
Składają się z: rezonatora pierścieniowego zbudowanego ze światłowodu, optycznego wzmacniacza światłowodowego EDFA. W pętlę światłowodową włączony jest izolator optyczny (jednokierunkowa praca układu) oraz układ kontroli polaryzacji. Synchronizacja modowa może zostać osiągnięta poprzez zastosowanie zewnętrznego modulatora amplitudy (aktywnie) lub zastosowanie nieliniowych elementów optycznych (pasywnie), których odpowiedź jest tego rodzaju, że impuls na ich wyjściu jest węższy niż na wejściu. Przykładem elementu nieliniowego absorber, którego tłumienie ulega nasyceniu przy dużych natężeniach pola. Gdy impuls optyczny rozchodzi się w takim absorberze, jego początek i koniec są bardziej tłumione niż środek, w którym natężenie pola jest dostatecznie duże, aby nasycić absorber. W rezultacie impuls optyczny ulega skróceniu. Lasery światłowodowe są bardziej skomplikowane od laserów pp, ale pozwalają otrzymać impulsy bardzo zbliżone do solitonowych (t<100 fs). Wiążą się z nimi istotne problemy techniczne: - długość rezonatora podlega dryftom temperaturowym i musi być stabilizowana, - sygnał wyjściowy może wykazywać fluktuację (brak korelacji pomiędzy fazami sąsiednich impulsów). Dalsza kompresja impulsów nieliniowe oddziaływanie w specjalnie zaprojektowanych światłowodach (światłowód ze współczynnikiem dyspersji zmieniającym się hiperbolicznie z odległością). Półprzewodnikowe lasery synchronizowane modowo mają doskonałą stabilność, ale są trudne do dostrojenia do określonej szybkości transmisji. Lasery z przełączaniem wzmocnienia łatwo dostroić do danej szybkości transmisji, ale wymagają zewnętrznej obróbki optycznej wychodzących impulsów. Lasery DFB scalone z modulatorem elektroabsorpcyjnym dają impulsy o kształcie odbiegającym od solitonowego, choć zapewniają dobrą stabilność i proste sterowanie. 9