Jan Lamperski Zbigniew Szymański Jakub Lamparski * Politechnika Poznańska Instytut Elektroniki i Telekomunikacji ul. Piotrpwo 3A, 60-965 Poznań student IET, PP jlamper@et.put.poznan.pl zszyman@et.put.poznan.pl 2005 Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8-9 grudnia 2005 WYBRANE ASPEKTY DOBORU WŁÓKIEN DLA SYSTEMÓW ŚWIATŁOWODOWYCH ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM DYSPERSJI CHROMATYCZNEJ Streszczenie: Prezentowany referat poświęcony jest wybranym problemom doboru i pomiaru włókien ze szczególnym uwzględnieniem dyspersji chromatycznej. Opisano metody pomiaru dyspersji. Przedstawiono typowe charakterystyki dyspersyjne oraz rozrzut parametrów. Przedstawiono metodę pomiaru dyspersji chromatycznej krótkich włókien światłowodowych. 1. WSTĘP Jeszcze niedawno wydawało się, że włókno jednomodowe ma niemal nieograniczone możliwości transmisyjne. Gwałtownie rosnące zapotrzebowanie na przepływność wraz z pojawianiem się możliwości realizacji systemów o coraz to większych przepływnościach (co umożliwiał rozwój technologii w zakresie źródeł, włókien, odbiorników i optyki zintegrowanej) stymulowało konstruowanie nowych systemów. Głównym ograniczeniem ze strony włókien była dyspersja chromatyczna i wysiłki konstruktorów skupiały się na walce z nią. Systemy WDM, z natury ułatwiające podział i zagospodarowanie pasma, można również traktować jako narzędzie ograniczające wpływ dyspersji, znacznie mniejszy w poszczególnych kanałach. Jednak wynikające z sumowania mocy poszczególnych kanałów, duże ponadprogowe gęstości energii propagowane w włóknie oddziaływują z ośrodkiem uaktywniając różne efekty nieliniowe, które mogą w różny sposób degradować jakość transmisji. Historia rozwoju konstrukcji jednomodowych włókien światłowodowych ściśle wiąże się z historią poznawania ograniczeń transmisji we włóknach jednodomowych, a kolejne specyficzne rozwiązania mają na celu odsuwanie tych ograniczeń. Obecnie istnieje wiele rodzajów włókien jednomodowych (np. ITU-T G.652 do 655) różniących się przede wszystkim przebiegiem charakterystyk dyspersji chromatycznej, ale też innymi parametrami. Projektując zaawansowany system światłowodowy, a jednym z elementów tego projektowania jest dobór charakterystyk włókna, trzeba wziąć pod uwagę wszystkie zjawiska, które mogą wpływać na jego pracę i uwzględnić współzależności i możliwości ich wzajemnej kompensacji. Tylko takie podejście może dać satysfakcjonujący wynik. Wybór włókna nie jest więc trywialnym problemem, musi ono być dopasowane do systemu, a do niego z kolei trzeba dopasować elementy i przedsięwzięcia optymalizujące parametry transmisyjne. Zjawiska, które towarzyszą propagacji z dużymi przepływnościami np. w systemach OTDM lub propagacji w systemach wielokanałowych WDM i powinny być uwzględnione w pracach koncepcyjnych to w zakresie propagacji liniowej: dyspersja chromatyczna i polaryzacyjna, przeniki międzykanałowe - mogą być spowodowane nieidealnymi właściwościami wielu elementów systemu, jednak największy wpływ na nie mają nieidealne charakterystyki filtrów WDM, nierównomierność charakterystyki częstotliwościowej włókna i elementów składowych systemu w tym efekty akumulacyjne. w zakresie propagacji nieliniowej: rozpraszanie Ramana - to szerokopasmowe zjawisko i przejawia się poprzez dwa efekty: zmianę natężenia światła w poszczególnych kanałach oraz poprzez międzykanałowy przenik zdalny. Pierwszy z nich można kompensować odpowiednią charakterystyką wzmocnienia, drugi ogranicza wyraźnie maksymalną moc jaką można transmitować w kanale składowym WDM ze względu na pogorszenie stosunku sygnału do szumu i co za tym idzie stopy błędów. Przykładowo, dla przypadku 8 kanałów WDM położonych w odstępach 1nm i linii o długości 1000km, transmisja sygnałów o poziomach mocy 10dBm spowoduje pogorszenie SNR o 0,5dB w stosunku do transmisji o znacznie niższych poziomach mocy. Ze wzrostem długości linii, ograniczenie szybko się zaostrza. rozpraszanie Brillouina - energia rozpraszana jest wstecznie, a więc zjawisko ma szczególne znaczenie w przypadku dwukierunkowej transmisji w jednym włóknie lub w przypadku silnych odbić (niedopasowania). Rozpraszanie Brillouina powstaje przy znacznie niższych mocach niż ramanowskie (praktycznie już powyżej mocy 2,4mW w liniach dłuższych niż 20km). Ponieważ kierunki transmisji w systemach WDM są zwykle dzielone przestrzennie, niekorzystne efekty występuje tylko w przypadku odbić PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 1/5
(procesy łączenia włókien powinny być sterowane przy pomocy algorytmów uwzględniających typ włókna) efekt Kerra - opisuje zależność współczynnika załamania światła w szkle kwarcowym od jego natężenia uwzględniając niewielką składową nieliniową tego współczynnika. Efekt ten generuje szereg zjawisk: własną modulację fazy. Jest to konsekwencja wynikająca z istnienia efektu Kerra. Polega ona na tym, że rosnąca moc zwiększa współczynnik załamania co powoduje zmianę fazy, a więc i długości fali sygnału. Przy niedużych odległościach SPM można wykorzystać do kompensacji niewielkiej dodatniej dyspersji. W przypadku systemu WDM efekt ten ma znacznie poważniejsze konsekwencje objawiając się jako: skrośną modulację fazy. W tym przypadku sygnał transmitowany w kanale o długości fali λ 1 wpływając na wartość współczynnika załamania a więc i prędkość propagacji powoduje modulację sygnału w innym kanale pracującym z długością fali λ 2. W kanale tym mogą się zatem pojawić zmieniające się w czasie przesunięcia λ oraz jitter fazy impulsów. mieszanie czterofalowe. Jest także efektem spowodowanym nieliniową charakterystyką współczynnika załamania i powoduje wzbogacanie się widma propagowanego sygnału o nowe składowe wynikające z odpowiednich, spełniających zasadę zachowania energii, kombinacji sum i różnic pierwotnych częstotliwości. Efekt ten występuje tym silniej im bliżej siebie leżą pierwotne kanały składowe i może powodować znaczącą degradację SNR na zasadzie przeników międzykanałowych. Z powyższego przeglądu wynika jednoznacznie, że nie można optymalnie wybrać włókna, nie znając pozostałych elementów systemu. Jest natomiast bardzo wiele możliwości dopasowania systemu do włókna i poprawienia ich łącznych parametrów dodatkowymi środkami. Środków tych jest wiele, wśród najprostszych wymienić można stosowanie włókien transmisyjnych o niewielkiej dodatniej dyspersji chromatycznej, kompensującej SPM, poprzedzielanych krótkimi, a więc nie wprowadzającymi efektów nieliniowych, odcinkami o dużej ujemnej dyspersji (do kompensacji można również stosować elementy skupione np. siatki Bragga), zwiększanie odstępów między kanałami, stosowanie niejednakowych odstępów międzykanałowych, precyzyjny wybór charakterystyk emisyjnych nadajników, właściwy dobór długości fal, praca niezbyt dużymi poziomami mocy (ewent. zastosowanie kodowania), właściwy wybór typów i sposobów zastosowania wzmacniaczy itd. Trzeba jednak podkreślić konieczność przeprowadzania, ze względu na wielość parametrów, oddzielnej optymalizacji dla każdego przypadku. Stosowane obecnie chętnie włókna NZ-DSF dedykowane do zastosowań w szybkich systemach DWDM są projektowane na zasadzie różnych kompromisów, stąd różne charakterystyki w różnych wykonaniach, dopasowane do firmowego sprzętu, dodatkowo nie ułatwiają wyboru. Nie można wykluczyć, że w przypadku małych odległości między kanałami (znaczący FWM) i stosunkowo niedużych przepływności sygnałów składowych, lepszy efekt łatwiej uzyskać dla włókna standardowego (G.652), a dla transmisji w trzecim oknie, dla włókna z zerem dyspersji w tym oknie (G.654). Z powyższych rozważań wynika, że precyzyjna znajomość różnych parametrów włókien jest kluczowa dla podjęcia właściwych decyzji podczas projektowania systemu światłowodowego. Krytyczne parametry decydujące o jakości transmisji mogą być określone poprzez: - pomiar strat połączeń, - pomiar odbić - pomiar mocy i strat, - pomiar dyspersji polaryzacyjnej, - pomiar dyspersji chromatycznej, - pomiar tłumienności spektralnej, - pomiar parametrów DWDM, - pomiar stopy błędu, - pomiar SONET/SDH, Szczególnie istotna jest dokładna znajomość charakterystyki dyspersji chromatycznej. 2. PROBLEMY DYSPERSJI CHROMATYCZNEJ Dyspersja chromatyczna oznacza zależność prędkości propagacji światła w funkcji długości fali. Powoduje zwiększanie szerokości impulsów propagujących się w światłowodzie i w rezultacie może prowadzić do zachodzenia na siebie impulsów i wzrostu stopy błędu. DC jest więc czynnikiem ograniczającym przepływność i zasięg systemu transmisyjnego. Ograniczenie efektów dyspersyjnych polega na zastosowaniu kompensatorów. Efektywna, szerokopasmowa kompensacja wymaga przeprowadzenia dokładnych pomiarów wartości dyspersji chromatycznej oraz jej nachylenia. Wymagania na dokładność kompensacji wzrastają ze wzrostem przepływności (4-ro krotny wzrost przepływności oznacza 16-to krotne obniżenie dopuszczalnej wartości dyspersji). Ponieważ dyspersja chromatyczna współdecyduje o przepustowości włókna, maksymalna jej wartość wynika z wymaganej przepływności binarnej. W tabeli podano przykładowe wartości [1]. Przepływność binarna [GB/s] Maksymalna dyspersja chromatyczna [ps/nm] 2,5 18 817 10 1176 40 73,5 Opóźnienie grupowe τ(λ) impulsów propagujących się we włóknie światłowodowym jest proporcjonalne do przebytej drogi L i zależy od długości fali λ. Zależne od czasu opóźnienie oznacza, że impulsy o skończonej szerokości spektralnej będą ulegały dyspersyjnemu PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 2/5
poszerzeniu. Dyspersja chromatyczna będąca pochodną opóźnienia grupowego względem czasu jest miarą wzrostu szerokości impulsu o określonej szerokości widma po przebyciu włókna o długości L. Minimum zależności opóźnienia grupowego w funkcji długości fali wyznacza miejsce λ 0, w którym dyspersja uzyskuje wartość równą zeru D(λ 0 )=0. W tym punkcie włókno posiada największe pasmo. Bardzo ważnym parametrem jest nachylenie charakterystyki dyspersyjnej w punkcie λ 0, które pokazuje szybkość wzrostu dyspersji przy odchyleniu od punktu zerowego. Przebiegi dyspersyjne różnych typów włókien opisują jednoznacznie zdefiniowane równania, które stosowane są do interpolacji danych pomiarowych oraz wyznaczenia λ 0 i nachylenia dyspersji. Klasyczna metoda określenia dyspersji zakłada bezpośredni pomiar czasu opóźnienia grupowego metodą przesunięcia fazowego sinusoidalnie zmodulowanego sygnału optycznego [2, 3]: Rys.1. Współczynnik dyspersji, włókno SMF, długość ϕ τ( λ ) = 2 π f Następnie zmierzone wartości opóźnienia dopasowywane są do funkcji opisującej określony typ włókna i w rezultacie wyznaczana jest dyspersja, λ 0 i nachylenie. Tak więc w metodzie tej, przed przeprowadzeniem pomiaru, konieczna jest znajomość typu włókna. Jednakże w pewnych sytuacjach (nowe typy włókien, lub włókna specjalne) informacje te mogą nie być dostępne. Ograniczeń takich nie posiada metoda wykorzystująca różnicowe przesunięcie fazy. Metoda różnicowego przesunięcia fazy [3] polega na pomiarze różnicy czasu opóźnienia grupowego τ dla dwóch blisko siebie λ położonych długości fal λ 1 i λ 2. W rezultacie otrzymujemy wprost wartość dyspersji dla długości fali λ i położonej pomiędzy λ 1 oraz λ 2 : Rys.2. Opóźnienie grupowe, włókno SMF, długość D ( ) τ 1 λ L λ i = To podejście jest poprawne dla wszystkich typów włókien i nie wymaga żadnych założeń dotyczących przebiegu dyspersji. Główną zaletą metody różnicowego przesunięcia fazy jest bezpośredni odczyt dyspersji. 2. PROBLEMY DYSPERSJI CHROMATYCZNEJ W prezentowanej pracy zaprezentowano wyniki pomiarów polowych włókien o długościach od 47 do 120 km. Pomiary wykonane były na standardowych włóknach (SSMF) oraz włóknach z niezerowa, przesuniętą dyspersją (NZDSF). Wykonano próbne pomiary dyspersji chromatycznej bardzo krótkich włókien SSMF o długości 100 m. Przykładowe wyniki pomiarów parametrów dyspersyjnych (współczynnik dyspersji, opóźnienie grupowe, nachylenie charakterystyki dyspersyjnej oraz całkowita dyspwrsja) standardowego SSMF włókna o długości 60,5 km pokazano na rysunkach 1-4. Rys.3. Nachylenie dyspersji, włókno SMF, długość PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 3/5
Rozkłady statystyczne rozrzutu dyspersji pokazano na Rys. 7 i 8. W przypadku włókien standardowych rozkłady wyznaczono dla trzech długości fal: 1510nm, 1550nm oraz 1610nm. Rys.4. Dyspersja całkowita, włókno SMF, długość Uzyskane wartości, dla określonych parametrów widma nadajniki, umożliwiają określenie maksymalnej przepływności binarnej lub mogą być wykorzystane do określenia właściwości kompensatora dyspersji. W systemach o dużych przepływnościach, w których kompensacja dyspersji musi być bardzo precyzyjna, uzasadnione jest pytanie o rozrzut paramentów dyspersyjnych w obrębie danego typu włókna. Na rysunkach 5 oraz 6 pokazano wyniki pomiarów dyspersji chromatycznej dla 48 włókien SSMF i 67 włókien NZDSF. Rys.7. Rozkład współczynnika dyspersji włókien SMF, dla trzech długości fal: 1510nm, 1550nm oraz 1610nm Natomiast dla włókien NZDSF rozkłady pokazano dla czterech długości fal: 1440nm, 1510nm, 1550nm oraz 1610nm. Rys.8. Rozkład współczynnika dyspersji włókien NZDSF, dla czterech długości fal: 1440nm, 1510nm, 1550nm oraz 1610nm Rys.5. Współczynnik dyspersji, włókna SMF Rys.6. Współczynnik dyspersji, włókna NZDSF W przypadku długich włókien (2-100 km) uzyskuje się bardzo dobrą powtarzalność pomiarów obarczonych niewielkim błędem pomiarowym. Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku pomiaru bardzo krótkich włókien, dla których mierzone wartości opóźnienia grupowego są na granicy możliwości przyrządów pomiarowych. Generalnie metoda różnicowego przesunięcia fazy, dająca wprost wartości dyspersji pary blisko siebie położonych długości fal nie wymaga dopasowywania wyników do znanego typu charakterystyki dyspersyjnej włókna. Jednakże, gdy wyniki pomiarowe obarczone są dużym błędem znajomość typu dyspersji jest nieoceniona. Problem pomiaru dyspersji krótkich włókien ilustrują rysunki 9-12. Na Rys. 9 pokazano punkty pomiarowe oraz charakterystykę dyspersyjną włókna SSMF uzyskaną poprzez dopasowanie do pięcioskładnikowej funkcji Sellmeiera. Funkcja Sellmeiera generalnie uważana jest PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 4/5
za najbardziej uniwersalną [3], która z powodzeniem stosowana jest dla wszystkich typów przebiegu charakterystyk dyspersyjnych włókien. Jednak, w przypadku wyników obarczonych dużym błędem, elastyczność jest nie jest wskazana. Rys.12. Współczynnik dyspersji, długość włókna 100 m, aproksymacja 3 składnikowa Sellmeiera, wartość średnia trzech pomiarów 3. PODSUMOWANIE Rys.9. Współczynnik dyspersji, długość włókna 100 m, aproksymacja 5 składnikowa Sellmeiera Zdecydowanie lepsze wyniki można uzyskać stosując trójskładnikową funkcji Sellmeiera. Wyniki dla tych samych punktów pomiarowych pokazano na Rys. 10. Rys.10. Współczynnik dyspersji, długość włókna 100 m, aproksymacja 3 składnikowa Sellmeiera Na rysunkach 11 i 12 pokazano analogiczne charakterystyki uzyskane jednak dla uśrednionych wartości trzech cykli pomiarowych. Uśrednianie nie doprowadziło do eliminacji błędu związanego z aproksymacją za pomocą piecio-składnikowej funkcji Sellmeiera. Warto zauważyć, że przytoczone wyniki pomiarów wskazują na stosunkowo duży rozrzut wartości dyspersji poszczególnych włókien. Dla mierzonych włókien maksymalne różnice sięgają 1,2 ps/nm/km co znaczy, że względne rozrzuty są znacznie większe dla włókien NZDSF. Znaczy to również, że nawet jeśli w projekcie przewidziana zostanie kompensacja wartości średniej dyspersji, to i tak niektóre włókna znacząco ograniczą przepływność transmitowanych sygnałów. Przy założeniu typowej w systemach WDM szerokości widma emisyjnego lasera wynoszącej ok. 0,2 nm graniczna przepływność dla odcinka takiego włokna o długości np. 300 km (typowo w warunkach Polski) wyniesie ok. 14 Gb/s. Wynika z tego konieczność przeprowadzenia pomiarów dyspersji już po projektowanym skompensowaniu włókien i wtórne precyzyjne dokompensowanie dyspersji niektórych z nich. W pracy przedstawiono również problemy i metodykę wyznaczenia charakterystyk dyspersyjnych bardzo krótkich odcinków włókien. SPIS LITERATURY [1] The EXFO Application note # 086 [2] K. Perlicki, Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ Warszawa 2002 [3] FD400 Series Operators Manual, materiały firmy GN NetTest Rys.11. Współczynnik dyspersji, długość włókna 100 m, aproksymacja 5 składnikowa Sellmeiera, wartość średnia trzech pomiarów PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 5/5