Градиентное размещение волоконно-оптических усилителей в транспортных сетях ведомственных телекоммуникационных систем
Саитов И.А., Мясин Н.И.
ANNOTATION
One of the most interesting developments in telecommunication is a rapid progress in optical communication where optical fibers are replaced the conventional telephone wires and cables. WDM systems present a new alternative for network connectivity in the enterprise. They offer cost advantages, flexibility and quick response to application growth. In WDM systems it is widely used an erbium doped fiber amplifier (EDFA). The article describes an advantages and some disadvantages of erbium doped fiber amplifier. In this connection in practice there is rather important scientific problem coupled to a placement EDFA in telecommunications networks.
Саитов И.А.
кандидат технических наук
Академия ФСО России, г. Орел
Мясин Н.И.
Академия ФСО России, г. Орел
Современные транспортные сети (ТС) строятся на основе применения волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) с мультиплексированием по длине волны (МДВ) и волоконно-оптическими усилителями (ВОУ).
Типовой оптический усилитель не наделен функциями восстановления временных параметров цифрового сигнала, в чем уступает регенератору, однако существуют преимущества, из-за которых применение усилителей в ведомственных ТС является целесообразным [1-5]:
- качество сигналов, передаваемых по оптическому волокну, остается очень высоким из-за пренебрежительно малого влияния таких факторов, как затухание, дисперсия, шумы и нелинейные искажения. Вследствие этого ретрансляция передаваемых сигналов простым усилением без полной регенерации является эффективной;
- ВОУ в отличие от регенератора "прозрачен" к используемому протоколу передачи (технологии переноса), частоте модуляции и пр.
В данной статье обосновывается новый, отличный от существующих, способ применения ВОУ в протяженных линейных трактах ведомственных ТС, формируемых на основе оптических волокон (ОВ), арендуемых у операторов ЕСЭ РФ [1, 2].
1.Анализ характеристик волоконно-оптических усилителей
Наиболее распространенными в настоящее время являются ВОУ на основе оптических волокон (ОВ), легированных эрбием Er+3. К таким усилителям предъявляется ряд требований, таких как [3]: высокий коэффициент усиления в заданном диапазоне длин волн, минимальный уровень собственных шумов, нечувствительность к поляризации, большой динамический диапазон, минимальные искажения сигналов и т. д.
В зависимости от используемой области усиления, определяемой величиной тока накачки (iнX), эрбиевые ВОУ могут применяться (рис. 1):
1. в режиме насыщения - в качестве усилителя мощности (УМ) сигнала от источника оптического излучения (ИОИ) на выходе мультиплексора (ОМ) передающего оптического модуля (ПОМ);
2. в режиме промежуточных значений усиления и шума - в роли линейного усилителя (ЛОУ) ВОСП;
3. в режиме, обеспечивающем наименьшую мощность собственного шума, - в качестве предварительного усилителя (ПОУ) фотоприемного устройства (ФПУ) на входе демультиплексора (ДМ) приемного оптического модуля (ПРОМ).
волоконный связь телекоммуникация
Рис. 1. - Роль и место различных типов ВОУ в современном одноволновом волоконно-оптическом линейном тракте
Оперативно-технические характеристики ВОСП с МДВ и ВОУ во многом определяются свойствами применяемых ВОУ. Так дальность связи и длины регенерационных секций (LРС) складываются из длин усилительных секций (lУС). Достоверность передачи (выражаемая, как правило, значениями вероятности битовой ошибки рош) зависит от отношения сигнал/шум на входе решающего устройства (РУ) ПРОМ.
Технико-эксплуатационные характеристики эрбиевых ВОУ включают [2, 3]: коэффициент усиления GВОУ (GВОУ(r), r = 1, R), мощность насыщения, спектральную полосу усиления (и ее равномерность), диапазон рабочих (усиливаемых) длин волн (min, max), мощность (величину тока) накачки, мощность (коэффициент) шума и пр.
Практика применения линейных эрбиевых ВОУ в волоконно-оптических линейных трактах (ВОЛТ) с МДВ, а также проведенные лабораторные исследования, показали, что использование этих универсальных средств сопряжено с появлением ряда факторов, которые не наблюдались в одноволновых однопролетных ВОСП. Основными из них являются [3, 4]:
- однонаправленность распространения оптических сигналов по ОВ с ВОУ. Дуплексная связь может быть организована только по паре ОВ;
- линейные ВОУ являются источником дополнительного типа оптического шума - шума усиленного спонтанного излучения (УСИ), который ухудшает отношение сигнал/шум (ОСШ) на входе РУ ПРОМ;
- высокая мощность оптического сигнала на входе ВОУ может вызвать режим его насыщения, при котором не будет обеспечен требуемый для компенсации затухания ВОЛТ коэффициент усиления;
- коэффициент усиления является частотно-зависимой величиной;
- каскадное включение ВОУ в протяженных линиях приводит к ощутимому сужению ширины полосы пропускания.
Основными источниками шума ВОСП с МДВ и ВОУ, которые вносят вклад в ОСШ на входе ФПУ, наряду с шумами УСИ являются дробовый шум, шум биения составляющих спонтанного излучения, шум биения сигнала с составляющими спонтанного излучения, интерференционный и избыточный шумы [3-5]. Однако, как показывают исследования, определяющим является шум усиленного спонтанного излучения, связанный с биениями сигнала с составляющими УСИ.
Наряду с повышением оптической мощности полезного сигнала ВОУ увеличивают мощность помех и шумов, попадающих в их полосу усиления. Шум УСИ, генерируемый в каждом ВОУ, повторяет цикл ослабления и усиления аналогично тому, как это происходит с полезным информационным сигналом [4]. Учитывая это, а также то, что в каждом следующем ВОУ добавляется собственный шум, можно сделать вывод, что общая мощность шума УСИ увеличивается пропорционально числу ВОУ. В [5] показано, что при определенных условиях мощность такого шума может превысить мощность полезного сигнала.
Профиль спектра шума УСИ также изменяется при переходе от усилителя к усилителю. Если шум УСИ от первого ВОУ является входным для второго ВОУ, профиль усиления второго усилителя изменяется за счет мощности шума этого УСИ, благодаря эффекту насыщения усиления. Как показали исследования [4, 6], при неравномерности распределения мощности среди 5-ти спектральных каналов в 3 дБ после первого ВОУ оно увеличивалось до 15 дБ после 6-го ВОУ. Так, например, после 50 каскадов усиления начальная спектральная полоса усиления сокращается с 30 нм до 10 нм.
Из рисунка 1 видно, что ВОУ является общим элементом для всех спектральных каналов. Изменение мощности на выходе ИОИ одного из спектральных каналов приводит к изменению суммарной оптической мощности на входе ВОУ, т.е. оказывает возмущающее воздействие на другие спектральные каналы. Для минимизации разницы ОСШ между спектральными каналами целесообразно использовать подстройку уровня передаваемой оптической мощности для каждого канала на основе использования сигналов обратной связи [3] или эквалайзеров, вносящих затухание на тех длинах волн, соответствующие каналы которых испытывают наибольшее усиление.
Основным параметром ВОУ, неразрывно с которым связано УСИ, является коэффициент усиления оптического сигнала GВОУ, определяемый выражением [3-5, 7]:
GВОУ = (Pвых - PУСИ) / Pвх, g = 10 lg G , (1)
где Pвх, Pвых - мощность входного и выходного сигналов соответственно; PУСИ - мощность шума, генерированного усилителем, который находится в пределах оптической полосы пропускания. В модели усилителя, свободного от УСИ, усиление определяется выражением [4, 6]:
, (2)
где G - коэффициент усиления слабого сигнала, Pнас ? мощность насыщения. Мощность насыщения Pнас является важным параметром ВОУ и определяется как значение мощности сигнала на выходе, при котором коэффициент усиления G в два раза (g на 3дБ) меньше максимального значения Gmax, достигаемого при малом входном сигнале:
, (3)
где a - сечение области стимулированной эмиссии, sp - время жизни иона в нестабильном состоянии, h - постоянная Планка, н - частота оптического сигнала, A - коэффициент стимулированной эмиссии.
Резюмируя вышесказанное коэффициент усиления ВОУ можно представить следующим выражением:
G = f (лr, Pвх r, Pнас, Pнак, Br, R), (4)
где лr, Pвхr, Br - длина волны, мощность входного сигнала и скорость передачи в спектральном канале соответственно; Pнас и Pнак ? мощности насыщения и накачки ВОУ, R - количество спектральных каналов.
Таким образом, коэффициент усиления ВОУ есть сложная функция характеристик спектрального канала (лr, Pвх r, Br, R) и параметров самого ВОУ (Pнас, Pнак). Управлять коэффициентом усиления можно только корректируя токи накачки ИОИ (iнИ) и самого ВОУ (iнЛ). Для упрощения вариации iнИ может использоваться селективный аттенюатор ПОМ [6, 7].
2.Идея градиентного способа размещения оптических усилителей при построении ВОСП с МДВ и ВОУ
Каждый спектральный канал регенерационной секции (рис. 1) включает наряду с «персональными» элементами (ИОИ, ФПУ) компоненты, общие для всех спектральных каналов (ОМ, ДМ, ВОУ, ОВ). Это существенно затрудняет описание зависимости показателей достоверности передачи от управляемых параметров ВОСП (iнИ и iнЛ). Если в тракте M > 1 усилителей, то зависимость рош = (iнИ, iнЛm), m = 1, М, становится еще сложнее. В связи с таким положением дел рекомендации G.692 МСЭ-Т «Оптические интерфейсы многоканальных систем с оптическими усилителями» предписывается использовать три типовых схемы включения ВОУ, для которых рассчитаны технико-эксплуатационные и оперативно-технические характеристики для типовых условий функционирования ВОСП с МДВ и ВОУ.
Все схемы предполагают использование одномодовых ОВ, но при этом отличаются рекомендуемые длины усилительных секций, маркируемые символами «L», «V», «U», что соответствует lУС протяженностью 80, 120 и 160 км. Такие схемы подразумевают применение семи, пяти или одного линейного ВОУ, что позволяет увеличить LРС до значений 400-600 км.
Проведенные исследования методов формирования ведомственных ТС [1, 6] позволили сделать вывод, что структуры их ВОЛТ могут существенно отличаться от рекомендованных выше из-за причин технико-эксплуатационного и физико-географического характера. Следовательно, необходим поиск новых системно-технических решений задач размещения линейных ВОУ в трактах ТС. Эти решения должны обеспечивать максимум показателей достоверности передачи (минимум
рош = (iнИ, iнЛm), m = 1, М) при заданных требованиях к скорости передачи Br в спектральном канале.
Как отмечалось выше, достоверность передачи оптического сигнала характеризуют величиной отношения оптической мощности сигнала к мощности шума Pс / Pш в спектральном интервале Д, определяемом окном фильтра или ДМ на входе ФПУ [3]. Значение отношения Pс / Pш должно быть достаточно большим для обеспечения вероятности ошибки не хуже требуемой (как правило, рош = 10-9-10-12). Однако, при распространении оптического сигнала по ВОЛТ с МДВ и ВОУ эта величина может оказаться неудовлетворительной [6]. Авторами на основе результатов имитационного моделирования и натурных экспериментов предложен новый вариант размещения ВОУ в линиях передачи ведомственных ТС. Для увеличения протяженности ВОЛТ с МДВ и ВОУ без регенерации с точки зрения обеспечения наилучшего ОСШ при каскадном включении линейных ВОУ необходимо реализовать принцип градиентного размещения усилителей по ВОЛТ. Структурная схема построения ВОЛТ с градиентным размещением ВОУ представлена на рисунке 2 для M =3.
Идея способа состоит в следующем. Известно, что ВОУ усиливает как полезный оптический сигнал, так и шумы, которые накапливаются по всей протяженности ВОЛТ и, кроме того, вносит собственный дополнительный шум. Применение в первых каскадах усиления малошумящих ВОУ с небольшим GВОУ и, соответственно, относительно короткими длинами усилительных секций с последующим постепенным их увеличением в некотором смысле ослабляют проблему накопления шумов и тем самым увеличивают длину ВОЛТ.
Рис. 2.- Структурная схема построения ВОЛТ с градиентным размещением ВОУ
Результаты имитационного моделирования одноволновой ВОСП на ОВ протяженностью 600 км с пятью ВОУ показали, что за счет градиентного размещения ВОУ получено снижение мощности шума на входе ФПУ на 8-10 процентов. Размещение ВОУ носило экспоненциальный характер, однако для более точного и полного описания всех выявленных закономерностей распространения оптических сигналов и шумов в ВОЛТ с МДВ и градиентным размещением ВОУ, а также получения максимального эффекта от применения данного подхода требуется решения комплекса оптимизационных задач.