Wyzwania dla sieci optycznej TPSA stawiane przez technikę transmisji 10Gbit/s Wstęp Zbigniew Koper, Zenon Drabik Przez sieć optyczną rozumiemy sieć zbudowaną w oparciu o systemy teletransmisyjne bazujące na kablach światłowodowych i wyposażone w optyczne interfejsy liniowe. Sieć tego typu zaczęto na większą skalę budować w TP S.A. na początku lat dziewięćdziesiątych. Powstały wówczas dwie główne magistrale: północ- południe (NSL) oraz wschód- zachód. W połowie lat dziewięćdziesiątych wybudowano dużą sieć dalekosiężną o długości ok. 6000 km bazującą na technice SDH. Kolejny etap w rozbudowie sieci dalekosiężnej stanowiło zastosowanie systemów STM-16 pracujących z przepływnościami 2,5Gbit/s i techniki zwielokrotnienia w zakresie długości fali (DWDM). Następny etap stanowić będzie zastosowanie systemów STM-64 pracujących z przepływnościami 10Gbit/s a w dalszej perspektywie systemów STM-256 i przepływności 40Gbit/s. Systemy o większych przepływnościach stosowane będą przy rosnącej liczbie kanałów i wykorzystywaniu nowych pasm optycznych w tym pasma S i pasma L i UL. O ile dotychczasowy rozwój, polegający na zwiększaniu szybkości transmisji i zwiększaniu liczby kanałów optycznych był możliwy przy założeniu typowych charakterystyk światłowodów jednomodowych G.652 o tyle zastosowanie systemów nowej generacji wymagać będzie szczegółowej analizy i weryfikacji istniejących zasobów sieciowych. Podstawowe czynniki ograniczające rozwój sieci wiążą się z parametrami dyspersyjnymi światłowodów dyspersją chromatyczną i dyspersją polaryzacyjną. Artykuł omawia szczegółowo uwarunkowania związane z tymi dwoma czynnikami oraz przedstawia sposoby radzenia sobie z nimi. Przedstawia również wyniki pilotażowych pomiarów PMD wykonanych przez Laboratorium Badawcze OTO Lublin oraz konsekwencje z nich płynące. Dyspersja chromatyczna Określenie dyspersja odnosi się do poszerzenia bądź separacji impulsów sygnału wędrującego w falowodzie, takim jak światłowód. Coraz większe szybkości transmisji pociągają za sobą coraz mniejsze szerokości transmitowanych impulsów oraz coraz wykorzystanie coraz szerszego widma optycznego. Dyspersja chromatyczna światłowodu różnicuje opóźnienia grupowe (czasy przejścia przez określony odcinek światłowodu) poszczególnych składowych widma (długości fali) propagujących przez dany odcinek światłowodu o długości L, co prowadzi do poszerzenia impulsu. Powoduje to rozdział energii pomiędzy sąsiadujące impulsy (szczeliny czasowe poszczególnych bitów), co utrudnia właściwą ich separację na wyjściu. Miarą dyspersji są ps/(nmkm), zatem im dalej impuls biegnie wzdłuż światłowodu, tym większy jest efekt dyspersji. Opóźnienie grupowe po pokonaniu drogi L w światłowodzie zależy od prędkości grupowej danej składowej spektralnej impulsu: gdzie m f g L V g opóźnienie materiałowe związane z zależnością współczynnika załamania światła od długości fali opóźnienie falowodowe związane z profilem współczynnika załamania światła światłowodu m f Dyspersja materiałowa Opóźnienie grupowe materiałowe: gdzie m L dn n [ps] c d
Opóźnienie grupowe [ps/km] n c L współczynnik załamania światła długość fali prędkość światła w próżni długość światłowodu Stosując źródło światła o szerokości spektralnej [nm], wystąpi różnica [ps] czasów przejścia poszczególnych składowych widma promieniowania o różnych długościach fal, powodując poszerzenie impulsu wyrażone zależnością: d m [ps] d Znormalizowana wielkość określającą poszerzenie impulsu [ps], przypadającą na jednostkę długości światłowodu L [km] oraz jednostkę szerokości spektralnej źródła [nm] określona zależnością : 1 d m Dm ( ) L L d 2 d n 2 c d jest współczynnikiem dyspersji materiałowej. Poniższe rysunki przedstawiają zależności opóźnienia grupowego materiałowego m i współczynnika dyspersji materiałowej D m dla czystego SiO 2. W rzeczywistych światłowodach występują domieszki tlenków Ge i F, które nieznacznie modyfikują przedstawione wykresach przebiegi. 4 881 4 880 4 880 4 879 4 879 4 878 4 878 4 877 4 877 4 876 4 876 4 875 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 długość fali m] [ Rysunek 1 Opóźnienie grupowe m dla SiO 2
dyspersja falowodowa [ps.km -1.nm -1 ] Dyspersja materiałowa [ps.km -1.nm -1 ] dyspersja anomalna dyspersja normalna 30 20 10 0-10 -20-30 -40 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 długość fali m] [ Rysunek 2 Współczynnik dyspersji materiałowej D m dla SiO 2 Dyspersja falowodowa Przyczyną zjawiska dyspersji falowodowej jest fakt, że rozkład energii niesionej przez mod podstawowy w światłowodzie jednomodowym obejmuje zarówno obszar rdzenia jak i płaszcza. W obszarach tych występują zupełnie różne warunki propagacji - prędkości grupowe oraz dyspersję. Dyspersja falowodowa wyraża się zależnością: gdzie d f n Df ( ) 1 D L d c w D w = f() - współczynnik dyspersji falowodowej Dyspersja falowodowa modu podstawowego LP 01 silnie zależy od kształtu profilu współczynnika załamania. promień rdzenia a[ m] 1 2 3 4 5 6 7 8 2 1 0-1 -2-3 -4-5 -6 0.5 0.0-0.5-1.0-1.5 wpółczynnik dyspersji D w Rysunek 3 Zależność dyspersji falowodowej D f = f(v) 1 2 3 częstotliwość znormalizowana V Dyspersja chromatyczna Dyspersja chromatyczna jest sumą dyspersji materiałowej i falowodowej:
Dyspersja [ps.km -1.nm -1 ] D( ) D m ( ) D ( ) Dyspersja materiałowa przyjmuje wartość zerową dla czystego SiO 2 dla długości fali ok. 1270 nm. Poprzez domieszkowanie można ją przesuwać w kierunku fal dłuższych w bardzo ograniczonym zakresie. Dyspersja falowodowa zależy od częstotliwości znormalizowanej: V =2aNA/ Gdzie f a NA n 1 n 2 promień rdzenia światłowodu apertura numeryczna światłowodu NA 2 2 n 1 n2 maksymalny współczynnik załamania w rdzeniu światłowodu współczynnik załamania płaszcza światłowodu Dyspersja falowodowa ma znak odwrotny do dyspersji materiałowej i jej wielkość i charakterystykę spektralną można kształtować, w szerokim zakresie, profilem współczynnika załamania światła w światłowodzie. 40 30 20 10 0-10 -20-30 -40 dyspersja materiałowa dyspersja całkowita 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 dyspersja falowodowa n 1 n 3 [ m] n 2 Rysunek 4 Przykładowa charakterystyka dyspersyjna światłowodu jednomodowego o przesuniętej charakterystyce dyspersyjnej Dyspersja chromatyczna jest jednym z podstawowych ograniczeń pojemności sieci i zasięgu transmisji. Rosnąca pojemność sieci wiąże się ze zwiększeniem liczby kanałów transmisji w jednym światłowodzie przy jednoczesnym zwiększaniem szybkości transmisji w pojedynczym kanale. Współczesne systemy ze zwielokrotnianiem w dziedzinie długości fali DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) dają możliwość transmisji do 160 kanałów długości fali w jednym światłowodzie z odstępem między kanałami 50GHZ. Systemy takie zapełniają całe pasmo C (1530-1565 nm) odpowiadające światłowodowym wzmacniaczom domieszkowanych Er EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifiers) zapewniając w każdym kanale przepływność 10 Gb/s. Jeżeli zapewnimy właściwą kompensację dyspersji chromatycznej w każdym kanale i w całym paśmie, wprowadzimy tym samym ograniczenia na zasięg transmisji pomiędzy reperatorami.
Tłumienność (db/km) 0.6 0.5 O E S C L U 0.4 0.3 0.2 0.1 1100 1200 1300 1400 1500 Długość fali (nm) 1600 1700 O (original) E (extended) S (short) 1260-1360nm 1360-1460nm 1460-1530nm Rysunek 5 Pasma transmisyjne w światłowodach jednomodowych C (conventional) L (long) U (ultra-long) 1530-1565nm 1565-1625nm 1625-1675nm Przy przepływnościach 40 Gb/s dyspersja chromatyczna stanowi jeszcze poważniejszy problem zwłaszcza w paśmie L (1570-1610 nm).tradycyjne metody kompensacji dyspersji, często implementowane w nowych sieciach, nie są w stanie zarządzać dyspersją, a więc kształtować charakterystyki dyspersyjnej linii w całym dostępnym paśmie, co jest szczególnie ważne w systemach o dużej liczbie kanałów DWDM. Nie korygują one dyspersji równomiernie, korygują ją jedynie dla określonej długości fali (najczęściej jest to środkowa długość fali dla pasma C, czyli 1550nm), podczas gdy długości fali sąsiadujące będą nadmiernie skompensowane lub niedostatecznie skompensowane. Współczesne kompensatory dyspersji chromatycznej oparte na światłowodowej siatce Bragga - FBG (Fibre Bragg Grating) lub technice modów wyższego rzędu HOM (High Order-Mode technology) pozwalają w szerokim zakresie widmowych kształtować charakterystykę dyspersyjną. Stosując szerokopasmowe zarządzanie dyspersją, linie dalekiego zasięgu mogą gwarantować przepływności powyżej 40 Gb/s przy zachowaniu dużej odległości pomiędzy regeneratorami. Ograniczenia wynikające dyspersji chromatycznej Przyczyny i skutki dyspersji chromatycznej w światłowodach są problemem dobrze poznanym i opracowanym. Każdy propagujący w światłowodzie impuls świetlny zawiera pewien zakres spektralny widma. Jeżeli dyspersja światłowodu jest w tym zakresie dodatnia, wówczas krótsze długości fali będą propagowały szybciej niż dłuższe, co spowodowane jest zależnością prędkości grupowej od długości fali, co prowadzi do poszerzenia propagującego impulsu. Jednostką dyspersji chromatycznej D() jest ps/(nmkm), co określa wyrażoną w ps wielkość poszerzenia impulsu o szerokości spektralnej 1nm, po przebyciu 1km światłowodu. Dyspersja chromatyczna powoduje interferencję międzysymbolową czego rezultatem wzrost elementowej stopy błędu i ograniczenie możliwości odbioru sygnału. W okresie ostatnich kilku lat producenci światłowodów oferują światłowody o obniżonej dyspersji w porównaniu ze standardowym światłowodem jednomodowym SMF (Single Mode Fibre), są to różnego rodzaju światłowody o przesuniętej niezerowej dyspersji NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fibres) o wartościach dyspersji w poszczególnych pasmach DWDM oraz o różnych nachyleniach charakterystyki dyspersyjnej S() = ds()/d (Slope). Tabela 1 Wartości dyspersji D) i nachylenia charakterystyki dyspersyjnej S() różnych rodzajów światłowodów jednomodowych Rodzaj światłowodu Typowa dyspersja dla 1550 nm Typowe nachylenie dla 1550 nm Dyspersja w pasmie C 1530 1565 nm Dyspersja w pasmie L 1570 1620 nm SMF 17.0 0.057 ps/(nm 2 km) 15.9 to 17.8 ps/(nmkm) 18.1 to 21.0 ps/(nmkm)
(standardowy) NZDSF (typ 1) NZDSF (typ 2) NZDSF (large effective area) NZDSF (reduced slope) NZDSF (new large effective area) NZDSF (new light fiber) ps/(nmkm) 2.6 ps/(nmkm) 0.067 ps/(nm 2 km) 1.3 to 3.6 ps/(nmkm) 3.9 to 7.3 ps/(nmkm) 3.5 ps/(nmkm) 0.067 ps/(nm 2 km) 2.2 to 4.6 ps/(nmkm) 4.8 to 8.2 ps/(nmkm) 3.8 ps/(nmkm) 0.100 ps/(nm 2 km) 1.8 to 5.3 ps/(nmkm) 5.8 to 10.8 ps/(nmkm) 4.4 ps/(nmkm) 0.045 ps/(nm 2 km) 3.5 to 5.1 ps/(nmkm) 5.3 to 7.5 ps/(nmkm) 4.2 ps/(nmkm) 0.085 ps/(nm 2 km) 2.6 to 5.5 ps/(nmkm) 5.9 to 10.1 ps/(nmkm) 8.0 ps/(nmkm) 0.057 ps/(nm 2 km) 6.8 to 8.9 ps/(nmkm) 9.1 to 12.0 ps/(nmkm) Taka różnorodność parametrów światłowodów pokazuje że nie ma jednego uniwersalnego sposobu kompensacji dyspersji. Dla przykładu światłowody typu NZDSF mają niższą dyspersję niż światłowody standardowe, lecz niektóre z nich posiadają większe nachylenie charakterystyki dyspersyjnej S(), co powoduje że właściwe skompensowanie dyspersji w długich liniach z wykorzystaniem techniki DWDM, staje się problemem krytycznym. W niektórych światłowodach występuje 2, 3-krotna różnica wartości dyspersji dla granicznych długości fali pasma C. Tak więc właściwe zarządzanie dyspersją linii jest procesem jej równoważenia za pomocą dodatniej i ujemnej dyspersji wzdłuż długości linii, w całym interesującym nas zakresie widma tak, aby całkowita wartość dyspersji była bliska zeru lub mieściła się w z góry określonych granicach. Maksymalna dopuszczalna skumulowana wielkość dyspersji chromatycznej przy 1 db marginesie mocy odbiornika jest funkcją szybkości transmisji R dla jednego kanału i długości linii L, wyraża przybliżona zależność DL [ps/(nm] < 10 5 /( R 2 Tabela 2 Tolerancja na dyspersję chromatyczną i ograniczenia transmisji, przy 1 db marginesie mocy ze względu na stopę błędu, dla światłowodu standardowego SMF o dyspersji D(=1550nm)=17 ps/nmkm Szybkość transmisji [Gb/s] 2,5 10 40 Maksymalna dyspersja [ps/nm] 16 000 1 000 63 Maksymalna długość linii [km] 941 59 4 Oznacza to, że sygnały transmitowane z szybkością 2,5 Gb/(s mogą tolerować dyspersję całkowitą do 16000 ps/(nm, przy szybkości 10 Gb/(s dopuszczalna dyspersja wyniesie 1000 ps/(nm, zaś przy 40 Gb/(s tylko 60 ps/(nm.
L [km] 10000 1000 100 2 ps/(nm.km) 8 ps/(nm.km) 16 ps/(nm.km) 10 1 1 2,5 10 40 100 R [Gb/s] Rysunek 6 Dyspersyjne ograniczenie zasięgu transmisji Kompensacja dyspersji chromatycznej Zarządzanie dyspersją chromatyczna można realizować na wiele różnych sposobów. Odcinki naprzemiennie ułożonych odcinków światłowodów o dyspersji przeciwnych znaków (+D i D) mogą równoważyć dyspersję dla centralnej długości fali pasma transmisji. Ten sposób zarządzania dyspersją znalazł zastosowanie w kablach układanych na dnie morza. Sposób ten stwarza jednak problemy w projektowaniu i budowie takich linii, gdyż charakterystyki dyspersyjne takich światłowodów nie są komplementarne i skrajne kanały DWDM nie będą właściwie skompensowane. Najczęściej stosowana metoda kompensacji dyspersji wykorzystuje konwencjonalny światłowód kompensujący dyspersję DCF (Dispersion Compensation Fibre). Tradycyjny światłowód kompensujący dyspersję posiada dyspersję 70 90 ps/(nmkm), chociaż najnowsze doniesienia mówią o 170 a nawet 230 ps//(nmkm). Przykładowo kompensator z DCF zawierający 11,1 km ( 1000 ps/nm) tego światłowodu kompensuje 60 km (+1020 ps/nm) standardowego światłowodu SMF. Jedną z cech charakterystycznych światłowodów DCF jest fakt, że mają niemal płaską charakterystykę dyspersyjną w szerokim zakresie widma. Oznacza to, że mogą one skompensować dyspersję chromatyczną dla określonej długości fali, jednak nachylenie charakterystyki dyspersyjnej światłowodu transmisyjnego, spowoduje że kanały odległe ( w dziedzinie długości fali) od długości fali kompensacji mogą być niedostatecznie lub nadmiernie skompensowane.
Dyspersja [ps/nm] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 50 100 150 L [km] 1530 nm 1550 nm 1570 nm 1620 nm Rysunek 7 Przykład nierównomierności kompensacji światłowodu SMF za pomocą światłowodu kompensującego dyspersję DCF Przykładem tego zjawiska może być odcinek 80 km światłowodu jednomodowego NZDSF (typ 1) przeznaczony do transmisji sygnałów NRZ przy przepływności 40 Gb/s. Światłowód ten będzie miał dyspersję ok. +210 ps/nm przy długości fali 1550 nm. Kompensator ze światłowodem DCF dobrano tak aby miał dyspersję 210 ps/nm dla 1550 nm. Całkowita dyspersja tak skompensowanej linii będzie bliska zeru. Gdy teraz zmienimy długość fali sygnału np. na 1530 nm, dyspersja światłowodu NZDSF zmieni się do ok. +105 ps/nm, podczas gdy dyspersja kompensatora praktycznie nie ulegnie zmianie dla tej długości fali i nadal wynosi ok. 210 ps/nm. W takim przypadku dyspersja całkowita skompensowanej linii będzie wynosiła ok. 105 ps/nm. Jakości transmisji dla długości fali 1530 i 1550 nm będzie nieporównywalna. Istnieje wprawdzie możliwość wytworzenia światłowodu DCF korygującego efekt nachylenia charakterystyki dyspersyjnej światłowodu jednomodowego SMF, ale odbywa się to kosztem zmniejszenia efektywnej powierzchni czynnej światłowodu, a więc jego większej wrażliwości na efekty nieliniowe a tym samym znacznym ograniczeniem mocy transmitowanej. Metody zarządzania dyspersją Omówiona wyżej metoda kompensacji dyspersji ma zastosowanie przy niewielkim całkowitym paśmie spektralnym transmisji. Wraz ze zwiększaniem liczby kanałów DWDM, pojawia się wymaganie na kompensację dyspersji w całym wymaganym paśmie. Podejście takie nosi miano zarządzania dyspersją. Niżej omówiono niektóre z metod zarządzanie dyspersją. Światłowodowa siatka Bragga Jednym ze sposobów kompensacji dyspersji jest wykorzystanie światłowodowej siatki Bragga - FBG (Fibre Bragg Grating). Kompensacja w FBG dokonuje się poprzez zawężenie spektralne sygnału na drogą selektywnych odbić na odpowiednio rozłożonych wzdłuż światłowodu zmianach współczynnika załamania światła w rdzeniu światłowodu stanowiącego FBG. Zmiany współczynnika załamania a zarazem współczynnika odbicia można stosunkowo łatwo wytworzyć w światłowodach domieszkowanych tlenkiem germanu GeO 2, poddanych działaniu promieniowania UV, w skutek interferencji dwóch wiązek lub poprzez naświetlanie światłowodu przez odpowiednią maskę dyfrakcyjną.
koherentne wiązki UV prążki interferencyjne I i I t I r rdzeń światłowodu okres b n holograficznie wyindukowana modulacja współczynnika załamania (siatka liniowa) Rysunek 8 Wytwarzanie światłowodowej siatki Bragga. Absorbowany w światłowodzie UV prowadzi do zmianę wiązań chemicznych germanu, co w rezultacie powoduje zmianę współczynnika załamania światła. Zmiany te pozostają trwałe w szkle kwarcowym aż do temperatury 350C. Zmiany te tworzą reflektor będący zarazem pasmowym filtrem długości fali. Reflektor Bragga ma środkową długość fali określoną przez warunek rezonansu Bragga: gdzie B n B 2n długość fali rozpraszanej efektywny współczynnik załamania światłowodu stała siatki Bragga Siatka FBG o danej stałej siatki będzie selektywnie odbijała charakterystyczną dla niej długość fali B, pozostała część widma (pozbawiona odbitej składowej) będzie propagowała w kierunku transmisji. widmo sygnału wejściowego widmo sygnału transmitowanego I t I t I r widmo sygnału odbitego b b Rysunek 9 Zasada działania jednoczęstotliwościowej odbiciowej światłowodowej siatki Bragga na przykładzie sygnału o szerokim widmie W jednym światłowodzie można umieścić wiele siatek Bragga o różnych stałych siatki w interesującym nas zakresie długości fali. Taka siatka pełni dwie funkcje, z jednej strony odbija selektywnie odpowiednie długości fali, z drugiej strony wprowadza określone poprzez odległości poszczególnych siatek, opóźnienia czasowe pomiędzy poszczególnymi składowymi spektralnymi impulsu.
impuls szerokopasmowy n 1 n 2 n 3 widmo wyjściowe 1 2 3 Rysunek 10 Siatka FBG odbijająca trzy składowe spektralne sygnału W światłowodzie można nanieść siatki Bragga pokrywające cały interesujący nas zakres spektralny, w którym zależności czasowe pomiędzy składowymi spektralnymi określają odległości siatek elementarnych. sy gnał rozmy ty wskutek dy spersji (normalnej) 1 3 sy gnał wejściowy t 3 2 1 3 2 1 dy spersja skompensowana 1 3 sy gnał odbity Rysunek 11 Światłowodowa siatka Bragga FBG z tzw. chirpem czyli komprymacją impulsu Liniowe siatki Bragga są używane do wąskopasmowej kompensacji dyspersji, w zakresie spektralnym 1 do 2 nm oraz jako szerokopasmowe kompensatory dyspersji, nawet w zakresie powyżej 40 nm. Światłowodowe liniowe siatki Bragga są bardzo wrażliwe na zmiany temperatur oraz zmiany naprężeń światłowodu. Innym poważnym problemem są tętnienia opóźnienia grupowego, które ujawniają się przy nachylenia charakterystyki dyspersyjnej siatki co skutkuje niewłaściwą kompensacją dyspersji, a przy dyskretnym spektralnym widmie sygnału powoduje przesunięcie w czasie niektórych jego składowych spektralnych - dystorsje sygnału. Szerokopasmowe zarządzanie dyspersją na bazie techniki modów wysokiego rzędu HOM (High Order Mode) Idealna metoda zarządzania dyspersją chromatyczną powinna mieć następującą charakterystykę:
Dużą ujemną wartość dyspersji (krótkie odcinki światłowodu kompensującego, o ile elementem kompensującym jest światłowód) Szeroki zakres spektralny kompensacji (40 nm konieczne jest do pokrycia pasma C) Korekcja dyspersji drugiego rzędu (nachylenia charakterystyki dyspersyjnej S()) Niska tłumienność i małe tłumienie wtrącane Brak lub słabe wprowadzanie efektów nieliniowych Brak lub niskie tętnienie dyspersji Działanie niezależne od stanu polaryzacji Łatwość wykonania i spełnienia wymagań Urządzeniem, które ma wiele z wyżej wymienionych cech jest światłowodowy kompensator dyspersji wykorzystujący zjawisko przemiany modów. Metodę określa się jako metodę modu wysokiego rzędu HOM (order mode). [...] Kompensatory wykonywane w technologii HOM posiadają nominalną dyspersję na poziomie 270 ps/nm długości fali 1550 nm i nachylenie charakterystyki w paśmie C równe 5.6 ps/nm 2. Schemat kompensatora dyspersji chromatycznej przedstawia rysunek. [...] Rysunek 12 Inne metody zarządzania dyspersją chromatyczną Istnieje szereg laboratoryjnych metod zarządzania dyspersją, które ze względu na komplikację techniczną funkcjonują jedynie w wersji laboratoryjnej. Jedną z takich metod kompensacji dyspersji w szerokim zakresie spektralnym jest interferometr Macha-Zendera (lub kaskada interferometrów), w którym długości dróg optycznych są precyzyjnie strojone dla każdej długości fali tak, aby na wyjściu uzyskać oczekiwaną charakterystykę dyspersyjną. [...] Dyspersja polaryzacyjna Potencjalnym źródłem poszerzenia impulsów w światłowodach jest ich dwójłomność. Już niewielkie odchylenia kształtu rdzenia światłowodu od symetrii cylindrycznej powodują jego dwójłomność. Dwójłomność światłowodu wynika z tego, że tzw. mod podstawowy HE 11 jest superpozycją dwu ortogonalnie spolaryzowanych modów. Jeśli symetria cylindryczna jest zachowana mody te są zdegenerowane ze względu na stałą propagacji k. Zniesienie symetrii powoduje również zniesienie degeneracji ortogonalnie spolaryzowanych modów czyli zróżnicowanie ich stałych propagacji. Oznacza to, że poruszają się one w z różnymi prędkościami grupowymi. Jeśli do światłowodu dwójłomnego wprowadzimy impuls światła w taki sposób, że wzbudzone zostaną oba ortogonalnie spolaryzowane mody to na wyjściu światłowodu impuls ten ulegnie rozmyciu. Zjawisko rozmycia impulsów światła powodowane dwójłomnością światłowodu nazywamy polaryzacyjną dyspersją modową (po angielsku PMD Polarization-Mode Dispersion). Poszerzenie impulsu propagującego w światłowodzie można ocenić na podstawie tzw. różnicy opóźnień T między dwiema składowymi polaryzacji. Dla światłowodu o długości L różnica opóźnień wyraża się formułą: T L v gx L v gy L 1x 1y L1 gdzie indeksy x i y przypisane są do dwu ortogonalnie spolaryzowanych modów a 1 oznacza dwójłomność światłowodu. Wartość T/L jest miarą polaryzacyjnej dyspersji modowej. Powyższe równanie znajduje bezpośrednie zastosowanie w przypadku tzw. światłowodów o dużej dwójłomności (HB- high birefrigence fiber) cechujących się dużą różnicą stałych propagacji ortogonalnie spolaryzowanych modów i brakiem sprzęgania między modami. W przypadku standardowych światłowodów telekomunikacyjnych charakteryzujących się niewielkimi odchyleniami od symetrii cylindrycznej powyższe równanie nie może być stosowane bezpośrednio ze względu na zjawisko sprzęgania się modów. Sprzęganie się modów związane jest z niewielkimi zmianami dwójłomności wzdłuż
światłowodu o charakterze statystycznym. Sprzęganie się modów prowadzi do wyrównywania czasów opóźnienia dwu ortogonalnie spolaryzowanych modów i osłabienia efektu PMD. Dla standardowych światłowodów telekomunikacyjnych stosuje się podaną w pracy [2] formułę: L L T 1 2 2 2 2 2 T h 2 1 exp, 1 2 h h gdzie h jest tzw. drogą dekorelacji. Dla światłowodów HB wartość drogi dekorelacji jest nieskończenie duża i wówczas T rośnie liniowo z długością włókna. W przypadku światłowodów telekomunikacyjnych h<<l. Wówczas można operować przybliżeniem: hl D L, T 1 gdzie D p jest tzw. parametrem dyspersji PMD. Polaryzacyjna dyspersja modowa rośnie w funkcji długości włókna dużo wolniej w przypadku standardowych światłowodów telekomunikacyjnych niż w przypadku włókien HB. W wielu zastosowaniach jej wpływ na pracę systemów telekomunikacyjnych można pominąć. Jednak modernizacja systemy DWDM w kierunku przepływności 10Gbit/s w jednym kanale optycznym a zwłaszcza 40 Gbit/s stawia problem dyspersji polaryzacyjnej z całą ostrością. Na szczęście istniejące rozwiązania techniczne pozwalają zmierzyć się z tym problemem. Możliwy jest pomiar dyspersji polaryzacyjnej jak również jej kompensacja. Narzędzia te pozwalają projektantom na ocenę skali tego zjawiska i zastosowanie efektywnych metod opanowania go. Czynniki wpływające na PMD Zdeformowany- owalny kształt rdzenia światłowodu może być związany z wieloma czynnikami o charakterze zewnętrznym i wewnętrznym. Najczęściej występującym czynnikiem wewnętrznym zwiększającym efekt PMD jest proces wytwarzania włókna światłowodowego. Włókna światłowodowe wytwarzane przed rokiem 1996, kiedy zjawisko PMD nie było w ogóle analizowane, charakteryzują się znacząco większymi wartościami PMD niż włókna wytworzone po roku 1996, kiedy to zmieniono technologię wytwarzania światłowodów po to aby zminimalizować zjawisko PMD. Czynniki zewnętrzne związane są z naprężeniami powstającymi w trakcie procesu kablowania włókna, zmianami temperatury lub przemieszczeniami włókna. Również dobowe zmiany temperatury mogą przyczyniać się do zwiększania poziomu PMD, szczególnie w odkrytych odcinkach linii. Dyspersja polaryzacyjna zjawisko kapryśne Zmienność PMD w czasie i jej statystyczny charakter zdecydowanie różni to zjawisko od innych efektów ograniczających transmisję, takich jak dyspersja chromatyczna czy tłumienie. Rozkład zmian PMD mierzonej dla wybranej długości fali w czasie przybiera kształt rozkładu Maxwella. Asymetryczny kształt rozkładu Maxwella i jego długi ogon powodują, że większe niż wartość średnia wartości PMD występują znacznie częściej niż przy rozkładzie symetrycznym. W praktyce oznacza to, że jako maksymalny poziom wartości DGD określających PMD należy przyjąć wartość 3,1 raza większą niż wartość średnia. p 1,0 0,8 wart. graniczna 0,6 0,4 0,2 0 0 0,2 0,4 0,6 Rysunek 13 Statystyczna natura PMD wsp. PMD ps / km
W przypadku linii optotelekomunikacyjnych o długości setek kilometrów wartość PMD indywidualnego odcinka włókna staje się mniej istotna. Istotnym parametrem jest natomiast PMD całej linii, powstałej przez złożenie wielu odcinków włókna. Wartość PMD linii składającej się z wielu pojedynczych włókien wyznaczana jest metodą obliczenia wartości średniokwadratowej współczynników PMD poszczególnych włókien. X M gdzie: M- liczba odcinków kabla o jednakowej długości wchodzących w skład linii (dopuszcza się niejednakową długość jeśli średnia długość mniejsza niż 10km) x i współczynnik PMD światłowodu w pojedynczym kablu X M współczynnik PMD linii złożonej z M odcinków kabla Współczynniki PMD włókien wchodzących w skład linii są rozłożone losowo wzdłuż linii. Z drugiej strony współczynniki PMD linii tworzą również rozkład losowy. Zmienność rozkładu losowego linii jest mniejsza niż zmienność indywidualnych włókien ze względu na uśrednianie. M i1 M x 2 i 1,0 0,8 0,6 Rozklad PMD w linii 0,4 0,2 0 Rozklad PMD indywidualnych wókien 0 0,2 0,4 0,6 wsp. PMD ps / km Rysunek 14 Rozkład PMD w indywidualnych światłowodach i w linii składającej się z 20 odcinków światłowodów Rysunek 14 pokazuje jak rozkład współczynników PMD indywidualnych włókien wpływa na rozkład współczynników PMD w linii. Uwzględnianie przy projektowaniu koncepcji LDV (Link Designed Value) pozwala na większą elastyczność w specyfikacjach indywidualnych włókien i bardziej odpowiada rzeczywistej sytuacji występującej w liniach optotelekomunikacyjnych. Tolerancja systemów na zjawisko PMD Ponieważ światło lasera jest spolaryzowane więc bity informacji emitowane przez taki laser są również spolaryzowane. Zestawienie tego z dwójłomnymi właściwościami światłowodu prowadzi do wniosku, że bit informacji poszerza się. Poszerzanie się kolejnych bitów prowadzi do wypełnienia szczeliny miedzy nimi i ich wzajemnego zlewania się. Układ detekcyjny ma wówczas problemy z rozróżnieniem i interpretacją sąsiadujących ze sobą bitów co uwidacznia się poprzez wzrost stopy błędów BER. Wielkość poszerzenia impulsu lub dyspersja rosną wraz z dystansem czyli im dłuższa linia tym szerszy impuls. Im bardziej dwójłomne jest włókno tym szybciej impuls ulegnie dyspersji. Im mniejszy jest odstęp między kolejnymi bitami tym mniejsza jest tolerancja systemu na dyspersję polaryzacyjną. W pewnym zakresie można ograniczyć wpływ efektu PMD przez ograniczenie długości linii lub transmisję z mniejszymi przepływnościami. Rysunek 15 przedstawia jaką tolerancję na dyspersję polaryzacyjną mają współczesne systemy transmisyjne.
Długość linii (km) 10000 3000 1000 2,5 Gbit/s 300 10 Gbit/s 100 40 Gbit/s 30 10 3 0,1 0,3 1,0 3,0 10,0 PMD (ps/sqrt(km)) Rysunek 15 Tolerancja systemów na zjawisko PMD Wybór strategii modernizacyjnej Pomiary wykonane w sieciach największych operatorów telekomunikacyjnych oraz pilotażowe pomiary sieci TP S.A., które omówione zostanę w dalszej części artykułu wskazują, że PMD stanie się wkrótce największym problemem w sieciach dalekiego zasięgu. Zebrane na podstawie pomiarów dane wskazują, że przy przeciętnych rozpiętościach linii wynoszących 300km w Europie i 500km w Stanach ok. 20-30% włókien może osiągać wartości PMD krytyczne dla systemów 10Gbit/s. Tradycyjna metoda rozwiązywania problemu polega na instalowaniu regeneratorów sygnału w połowie rozpiętości odcinka. Regeneratory przywracają właściwy kształt impulsów i zapewniają odpowiedni poziom transmisji, jednak nie jest to rozwiązania najtańsze. W przypadku systemów ze zwielokrotnieniem w zakresie długości fali każdy z kanałów optycznych wymaga niezależnej regeneracji co jeszcze bardziej podnosi koszty całej operacji. Inne rozwiązanie polega na skierowaniu ruchu do włókien o niskiej PMD. Jest to również rozwiązanie dosyć rozsądne i odsuwające problem PMD w czasie. Wcześniej czy później limit włókien spełniających kryteria zostanie jednak wyczerpany. W przypadku starszych kabli należy rozważyć ich wymianę na nowe, zawierające światłowody o doskonalszych właściwościach, spełniające wymagania nowych systemów transmisyjnych. Gruntowne rozwiązanie problemu PMD wydaje się być związane z instalacją kompensatorów dyspersji polaryzacyjnej, które przywracają młodość wysłużonym liniom światłowodowym. Jednak kompensacja dyspersji polaryzacyjnej nie jest zagadnieniem prostym ze względu na statystyczną naturę tego efektu, zmienność w czasie i zmienność wraz z długością fali. Zasada kompensacji sygnału omówiona zostanie w następnym rozdziale. Wybór jednej z metod postępowania przy modernizacji sieci TP S.A. zależy oczywiście nie tylko od aspektów technicznych ale głównie od uwarunkowań ekonomicznych. Kompensacja PMD Jak wspomniano statystyczna natura zjawiska PMD odróżnia je od innych efektów występujących w światłowodach. Przykładowo, dyspersja chromatyczna jest zjawiskiem liniowym i przewidywalnym. Natomiast PMD może jednego dnia mieć niski poziom by po kilku dniach wzrosnąć gwałtownie powodując równie gwałtowny wzrost stopy błędów. Kompensatory dyspersji polaryzacyjnej muszą analizować te fluktuacje i dopasowywać swoje działanie do aktualnej wartości PMD.
Ruch światła w światłowodzie ma złożony charakter. Nawet stosunkowo prosty przypadek ruchu płaskiej fali monochromatycznej okazuje się dosyć złożony, jeżeli weźmiemy pod uwagę zmiany stanu polaryzacji. Jedynie w przypadku tzw. światłowodu idealnego, charakteryzującego się symetrią cylindryczną oraz brakiem naprężeń mechanicznych, stan polaryzacji światła w nim propagującego nie zmienia się. W rzeczywistym światłowodzie, gdzie występują zaburzenia symetrii światłowodu oraz naprężenia mechaniczne propagujący sygnał światła rozpada się na dwie wzajemnie prostopadłe składowe, które zaczynają żyć własnym życiem. Dwie płaszczyzny drgań po których poruszają się te dwie składowe zmieniają swoje położenie względem światłowodu w miarę poruszania się sygnału. Ich ruch względem światłowodu można porównać do ruchu wkręcanej śruby. v a b c Rysunek 16 Różne stany polaryzacji światła Jeżeli amplitudy składowych w każdej płaszczyźnie są jednakowe wówczas mówimy o polaryzacji kołowej patrz Rysunek 16a. Jeśli, co zdarza się najczęściej, amplitudy dla różnych płaszczyzn drgań są różne mamy do czynienia z polaryzacją eliptyczną- patrz Rysunek 16c. Skrajny przypadek stanowi sytuacja w której jedna z amplitud drgań ma wartość zerową. Mówimy wówczas o polaryzacji liniowej patrz Rysunek 16b. Kąty i oznaczają kolejno azymut oraz kąt eliptyczności. Azymut to kąt między dużą osią elipsy stanu polaryzacji a osią układu współrzędnych. Kąt eliptyczności wiąże z eliptycznością, czyli ilorazem małej i dużej osi elipsy następująca zależność. b ar ctg a gdzie b i a duża i mała oś elipsy. Eliptyczność, czyli iloraz małej i dużej osi elipsy, zmienia się w miarę ruchu światła w światłowodzie. Zjawisko dyspersji polaryzacyjnej PMD wywoływane jest przez zmianę stanu polaryzacji i związane z nią różnice czasów opóźnienia dwu składowych polaryzacyjnych.
Aby właściwie skorygować efekt PMD kompensator polaryzacji musi uwzględniać skomplikowaną naturę sygnału, w tym amplitudy, kąt polaryzacji, wzajemne opóźnienie obu składowych. Uznana metodą obrazowania wszystkich możliwych stanów polaryzacji jest tzw. sfera Poincare. Z polaryzacja prawoskrętna polaryzacja liniowa - 45 polaryzacja liniowa pionowa polaryzacja liniowa pozioma Y X polaryzacja liniowa 45 polaryzacja lewoskrętna Rysunek 17 Sfera Poincare Każdy stan polaryzacji sygnału zawierającego jedną składową reprezentowany jest jako punkt na równiku sfery Poincare. Poruszanie się po równiku jest równoważne obrotowi płaszczyzny polaryzacji z położenia poziomego do pionowego i ponownie do poziomego. Bieguny odpowiadają polaryzacji kołowej, północny prawoskrętnej, południowy lewoskrętnej. Na półkuli północnej mieszczą się stany eliptyczne prawoskrętnie, na południowej eliptyczne lewoskrętne. Na danym południku mieszczą się stany o tym samym azymucie, natomiast na równoleżniku o tej samej eliptyczności. Linia łącząca środek sfery Poincare z powierzchnią wskazuje chwilową wartość wektora PMD sygnału. Sfera Poincare stała się podstawowym narzędziem pozwalającym na ocenę dynamiki zmian PMD oraz opracowanie układów kompensujących efekt PMD. Układ optyczny kompensujący różnicę opóźnień stanów własnych Analizator jakości sygnału Kontroler Rysunek 18 Schemat kompensatora PMD Kompensator dyspersji polaryzacyjnej pracuje w układzie sprzężenia zwrotnego i składa się z trzech podstawowych zespołów: analizatora jakości sygnału, kontrolera oraz układu optycznego, który kompensuje dyspersję polaryzacyjną. Analizator jakości sygnału odszczepia niewielką część światła docierającego do kompensatora, analizuje właściwości dyspersyjne a następnie wysyła informację do kontrolera. Układ kontrolera stanowi serce kompensatora w którym uzyskany sygnał jest przetwarzany i generowany jest algorytm kompensacji. Bazując na sygnale wychodzącym z kontrolera układ optyczny dokonuje kompensacji dyspersji polaryzacyjnej. Najpierw element dwójłomny obracając się dopasowuje się do stanów własnych polaryzacji światłowodu, a następnie następuje kompensacja różnicy opóźnień miedzy dwoma stanami własnymi. Kompensacja realizowana jest przez przyspieszenie składowej wolnej sygnału i zwolnienie składowej szybkiej. Współczesne kompensatory mogą pracować w zakresie do 100ps a częstotliwość próbkowania dochodzi do 500Hz. Oczywiście wnoszą one pewne tłumienie do linii. Może ono sięgać 5 lub 6dB. Kompensacja jest technologią drogą i jeszcze nie do końca technicznie opanowaną. Wydaje się jednak, że w niektórych sytuacjach może stanowić rozwiazanie alternatywne wobec wymiany światłowodów.
PMD a sieć optyczna TP S.A. Jeśli brać pod uwagę dyspersję polaryzacyjną PMD jeszcze do niedawna sieć optyczna TP S.A. stanowiła swego rodzaju terra incognita. Można było snuć przypuszczenia co do wielkości tego zjawiska na podstawie informacji dostarczanych przez producentów światłowodów. Należy jednak pamiętać, że jeszcze niedawno PMD nie była przez nich specyfikowana. Dopiero realizowany przez OTO Lublin program pomiarów PMD w wybranych liniach optotelekomunikacyjnych pozwolił ocenić skalę problemu. Realizowany przez OTO projekt przewidywał wykonywanie pomiarów dyspersji polaryzacyjnej (PMD) na wybranych liniach optotelekomunikacyjnych TP S.A. Linie do pomiaru zostały wyznaczone we współpracy z Ośrodkiem Sieci Dalekosiężnej. Lokalizacja wytypowanych linii była zróżnicowana. Część z nich przebiegała wzdłuż linii kolejowych, inne budowane były klasycznie w kanalizacji wtórnej. Niektóre z mierzonych odcinków przekraczały cieki wodne i prowadzone były w przepustach czy też na odkrytych odcinkach wiaduktów i mostach. Wytypowane do pomiaru linie powstawały w różnym czasie, tym samym mierzone światłowody miały zróżnicowaną jakość. Założono, że pomiary PMD będą wykonywane z częstotliwością raz w miesiącu przez okres jednego roku. Miało to zapewnić maksymalną zmienność warunków środowiska i tym samym dać pełny obraz zmienności PMD. numer linii dł. linii [km] liczba mierzonych włókien typ światłowodu OKD-24 49 4 G652 186 OKD-25 53 2 G652 106 OKD-421 27 6 G652 162 OKD-420 47 4 G652 188 OKD-417 28 4 G652 112 OKD-430 42 4 G652 168 OKD-431 38 6 G652 228 OKD-432 56 5 G652 280 całkowita długość włókien [km] Tabela 3 Zestawienie informacji o liniach optotelekomunikacyjnych na których wykonywano pomiary PMD. Całkowita długość mierzonych linii wynosiła 340 km, zaś łączna długość zmierzonych włókien wynosiła 1598 km. Uzyskane w trakcie pomiarów wyniki przedstawiono w tabeli 4. nr linii dł. linii (km) włókno nr PMD min PMD max OKD-24 49 1 8,085 11,174 2 9,951 14,093 5 4,32 5,77 6 5,848 7,454 OKD-25 53 1 4,904 6,267 2 4,958 6,37 5 1,664 2,511 6 2,818 4,096 OKD-421 27 15 0,113 0,259 16 0,155 0,262 17 0,107 0,184 18 0,246 0,446 19 0,106 0,309 20 0,086 0,215 OKD-420 47 11 2,022 2,637 12 1,605 2,466 15 0,328 1,356 16 0,471 1,839 OKD-417 28 3 0,452 0,652 4 0,78 1,631 5 0,411 1,099
Długość linii (km) 6 1,26 1,624 OKD-431 42 1 0,104 0,397 2 0,134 0,534 7 0,078 0,239 8 0,102 0,404 OKD-430 38 7 0,084 0,152 8 0,077 0,15 25 0,078 0,182 26 0,074 0,14 27 0,073 0,13 28 0,106 0,245 OKD-432 56 1 0,124 0,31 2 0,128 0,323 6 0,199 0,259 7 0,194 0,312 8 0,138 0,257 9 0,099 0,208 Tabela 4 Wyniki pomiarów PMD dla dł. fali =1550m. Można wyróżnić dwie wyraźnie różniące się grupy linii: pierwsza z nich charakteryzuje się wyraźnie większymi wartościami PMD. Są to linie OKD-24, OKD-25 oraz OKD-420 oraz w pewnym zakresie linia OKD-417. W drugiej grupie linii zmierzone wartości PMD są wyraźnie niższe. Najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie tak dużego zróżnicowania mierzonych linii wiąże duże wartości PMD z wiekiem linii. Linie pierwszej grupy powstały przed rokiem 1995. Stosowane w nich światłowody charakteryzowały się gorszymi geometrycznymi właściwościami niż współczesne włókna. Skutkuje to dużo większymi wartościami PMD. Natomiast linie drugiej grupy budowane były w drugiej połowie lat 90-tych i wykorzystywały światłowody o lepszej geometrii. Stąd średnie wartości PMD są małe. Zasoby sieci optycznej TP S.A. na których wykonano pomiary PMD stanowią niewielką część całkowitych zasobów a jednak ujawniono w nich na tyle duże wartości PMD, że może to stanowić istotny problem przy instalacji systemów nowej generacji. Rysunek 19 pokazuje jak można lokalizować zbadane linie na wykresie tolerancji systemów na PMD. Jak widać wśród badanych linii można znaleźć zarówno linie spełniające wymagania systemów 40Gbit/s jak również takie, które nie spełniają wymagań 10000 3000 1000 300 10 Gbit/s 2,5 Gbit/s OKD 24/1 100 30 10 40 Gbit/s OKD-421/15 OKD-25/1 3 0,1 0,3 1,0 3,0 10,0 PMD (ps/sqrt(km))
Rysunek 19 Ocena mierzonych linii optotelekomunikacyjnych systemów 2,5Gbit/s. Wykonane pomiary mogły odkryć wierzchołek swego rodzaju góry lodowej czyli zasobów sieci, które będą nastręczać problemy w trakcie przyszłych prac modernizacyjnych. Podsumowanie W artykule omówiono dwa podstawowe czynniki stanowiące barierę rozwoju współczesnych sieci optycznych: dyspersji chromatycznej oraz dyspersji polaryzacyjnej. Dyspersja chromatyczna wpływaja na projektowanie i funkcjonowanie systemów transmisyjnych o przepływnościach 10Gb/s i 40 Gb/s. Systemy te wymagają zarządzania dyspersją w szerokim zakresie spektralnym, urządzenia kompensujące powinny wprowadzać do linii możliwie niskie tłumienności, oraz nie powinny wprowadzać efektów nieliniowych lub utrzymywać je na niewielkim poziomie. Przedstawiono przykłady tego typu urządzeń. Drugim z wymienionych czynników jest dyspersja polaryzacyjna. Stawia ona przed operatorem sieci problem wyboru strategii modernizacyjnej. Każdy z możliwych scenariuszy modernizacji musi być jednak poprzedzony systematycznymi badaniami istniejących zasobów. Przedstawiono wyniki wykonywanych przez Laboratorium Badawcze OTO Lublin pomiarów dyspersji polaryzacyjnej w sieci TP S.A. i płynące z tych pomiarów wnioski. Jeden z możliwych scenariuszy pokonywania ograniczeń wynikających z dyspersji polaryzacyjnej wiąże się z instalacją kompensatorów PMD. Omówiono zasadę kompensacji PMD i przedstawiono budowę kompensatora PMD. [...] Literatura 1. FullBand 40 Gb/(s LongHaul Transport Enabled by HighOrderMode Dispersion Management; NFOEC 2000 2. Dispersion-Managed Transmission Lines with Reverse-Dispersion Fiber; Kazunori Mukasa, Ryuichi Sugizaki, Shuhei Hayami and Satoru Ise, Furukawa Review, No. 19. 2000 3. Fiber Bragg Gratings and Chromatic Dispersion; Richard L. Lachance1, Yves Painchaud, and Aidan Doyle, 2002 4. Dispersion compensating fibers for non-zero dispersionfibers; Marie Wandel, Poul Kristensen, Torben Veng, Yujun Qian, Quang Le, Lars Grüner-Nielsen Lucent Technologies Denmark, 2001 Optical Society of America 5. Rozwój telekomunikacyjnych sieci optycznych; Krzysztof Perlicki; Przegląd Telekomunikacyjny Nr1/2001 6. Rozwój szkieletowej sieci optycznej TP S.A. Tadeusz Zagrobelny, XVI Krajowa Szkoła Optyczna, Zakopane 2001 7. Optyka ośrodków anizotropowych, Florian Ratajczyk, PWN, 1994 8. Fibre optic communication system design guides, Part 3, 61282 TR3/CDV IEC 9. Polarisatin Mode Dispersion, Robert J. Whitman, WP4229 Corning White Paper 10. Breaking the PMD barrier at 10-Gbps, Yafo White Paper