На правах рукописи

Зелютков Евгений Александрович

ВЛИЯНИЕ ХРОМАТИЧЕСКОЙ ДИСПЕРСИИ ПРИ ВЫБОРЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ДЛИНЫ

РЕГЕНЕРАЦИОННОГО УЧАСТКА НА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009

Работа выполнена на кафедре линии связи Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Портнов Эдуард Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Боев Михаил Андреевич кандидат технических наук, доцент Казанский Николай Александрович

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности» (ВНИИКП)

Защита диссертации состоится «» _ 2009 года в _ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.03 при МТУСИ по адресу: 111024, г.

Москва, ул. Авиамоторная д.8а, ауд. _

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан _ 2009 года

Ученый секретарь совета по защите Т.П. Косичкина докторских и кандидатских диссертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широкое внедрение волоконно-оптических линий на сети Российской Федерации требует использования оптических кабелей с одномодовыми оптическими волокнами разного типа на магистральном, внутризоновом, городском и сельском участках сети (транспортной сети и сети доступа) с перспективой внедрения на всех участках сети плотного спектрального уплотнения (DWDM) ВОСП-СР.

Актуальными научными задачами в этом случае являются решения по оптимальному определению длины регенерационных участков на различных типах ОВ с учетом дисперсионных и нелинейных параметров, при которых обеспечивается организация большого числа каналов без ущерба экономическим характеристикам, связанным с переустройством волоконно-оптических линий связи (изменением расстояния между усилителем и регенератором).

Несколько причин ограничивают широкое применение на стандартном оптическом волокне G-652 спектральное уплотнение по длине волны: затухание, хроматическая дисперсия, поляризационная дисперсия, нелинейные эффекты.

Возрастание требований к широкополосности пропускной способности сети связи на всех участках транспортной сети и сети доступа приводит к необходимости увеличения скорости передачи с 2,5 Гбит/с до 40Гбит/с и выше, и внедрения спектрального уплотнения ВОСП-СР. Если при малых скоростях передачи на длину участка регенерации определяющим фактором был параметр затухания (до 6 Гбит/с), то с 10 Гбит/с и выше длину участка регенерации определяет дисперсия. При внедрении спектрального уплотнения требуется увеличить суммарную мощность, что приводит к нелинейным эффектам. Если от кроссмодуляции и четырехволнового смешивания можно избавиться за счет увеличения расстояния между каналами, то фазовая самомодуляция может оказать отрицательный эффект на расстояние между усилителями и регенераторами.

Вместе с тем, сочетание методов модуляции, нелинейных эффектов за счет усиления сигналов и дисперсионных параметров оптических волокон (ОВ) позволяет управлять режимом компенсации дисперсии.

Фундаментальные основы физических процессов в двухслойных диэлектрических волноводах, результаты экспериментальных исследований изложены в многочисленных работах отечественных и зарубежных ученых. Из них можно выделить работы Д. Маркузе, Д.

Гауэра, А. Хасегавы, Ф. Тапперта, Г.А. Хауса, Г.Агравала, А.М.Прохорова, Е.М. Дианова, Алексеева Е.Б. и очень многих отечественных ученых.

Для современных наземных волоконно-оптических линий связи типичная длина участка регенерации в зависимости от скорости передачи и типа ОВ лежит в пределах 80-300 км, а длина усилительного участка 80-120 км. Уточнение характеристик передачи стандартного ОВ типа G-652 по рекомендации МСЭ-Т и ОВ типа G-655 по тем же рекомендациям позволит оптимально решить задачу по компенсации хроматической дисперсии для ряда форматов модуляции с учетом начальной линейной модуляции и предварительной компенсации дисперсии за счет кодов Рида-Соломона.

Цель работы и задачи исследований. Диссертационная работа посвящена разработке уточненного метода определения дисперсионных характеристик при различных форматах модуляции с учетом фазовой самомодуляции и предварительной компенсации дисперсии с учетом отношения сигнал/шум в оптическом и электрическом каналах с применением кода Рида-Соломона при скоростях передачи 10 Гбит/с и 40 Гбит/с с использованием ВОСП-СР.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе должны быть решены следующие основные задачи:

1) выполнена разработка метода расчета параметров хроматической дисперсии с учетом различных форматов модуляции при скоростях передачи 10 Гбит/с и 40 Гбит/с для ОВ G-652 и ОВ G-655 по рекомендации МСЭ-Т;

2) должна быть определена длина РГУ с учетом начальной линейной модуляции для рассматриваемых скоростей и форматов модуляции;

3) выполнен учет фазовой самомодуляции при определении длины РГУ с учетом форматов модуляции;

4) разработано уточнение решений по определению отношения сигнал/шум для одноволновой передачи для рассматриваемых типов ОВ и форматов модуляции;

5) разработано уточнение решений по определению отношения сигнал/шум и вероятности ошибки для ОВ при ВОСП-СР;

6) выполнены решения по предварительной коррекции ошибок с применением кодов РидаСоломона.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории оптических волноводов, нелинейной оптики, теории линий передачи, теории дифференциального и интегрального исчисления и численного моделирования.

Личный вклад. Все основные научные положения, выводы и рекомендации, составляющие содержание диссертационной работы получены автором лично.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика для определения хроматической дисперсии для ОВ по рекомендации G-652 и G-655 МСЭ-Т для скоростей передачи 10 Гбит/с и 40 Гбит/с для одноволновой передачи с учетом форматов модуляции и отношения сигнал/шум в оптическом канале;

2. Разработана уточненная методика для определения хроматической дисперсии для одноволновой передачи с учетом начальной линейной модуляции и форматов модуляции;

3. Получены решения для определения отношения сигнал/шум и вероятности ошибки для указанных выше задач;

4. Получены решения для определения отношения сигнал/шум и вероятности ошибки для указанных выше решений с учетом фазовой самомодуляции;

5. Получены решения для определения сигнал/шум для ВОСП-СР в зависимости от числа каналов с учетом линейной и фазовой самомодуляции;

6. Доказана необходимость учета вышеназванных характеристик при определении длины регенерационного и усилительного участков;

7. Разработана уточненная методика расчета длины регенерационного участка с применением кода Рида-Соломона для управления дисперсией на ВОСП-СР;

8. Получены патенты на конструкцию ОК, позволяющие оптимально и в короткий срок устранить повреждения на волоконно-оптической линии связи;

Практическая ценность 1. Разработанная методика расчета хроматической дисперсии с учетом различных форматов модуляции и отношения сигнал/шум в оптическом канале при скоростях передачи 10 Гбит/с и 40 Гбит/с для оптических волокон, разработанных по рекомендации МСЭ-Т G-652, G-655 позволяет оптимально выбрать длину регенерационного участка, исходя из требований приемных устройств по параметру отношения сигнал/шум в оптическом и электрическом каналах.

2. Разработанная методика определения длины регенерационного участка с учетом начальной линейной частотной модуляции для рассматриваемых скоростей передачи и форматов модуляции и отношения сигнал/шум в оптическом канале позволяет увеличить длину РГУ в 1,5 – 2 раза.

3. Разработанная методика определения длины РГУ с учетом фазовой самомодуляции в нелинейном формате также позволяет более точно определить длину РГУ при известных требованиях на отношение сигнал/шум в электрическом канале.

4. Разработанная методика определения сигнал/шум в оптическом и электрическом каналах для рассматриваемых оптических волокон, скоростей передачи и форматов модуляции при применении кодов Рида-Соломона позволяет увеличить длину регенерационного участка в 1,5-2 раза.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований, рекомендации по методикам расчета хроматической дисперсии и длины РГУ и методики определения отношения сигнал/шум и вероятности ошибки внедрены на предприятиях «Мостелефонстрой», «МТК-Телеком». Полученные патенты на конструкции ОК рекомендованы заводам, производящим ОК, и ВНИИКП. Методики расчета хроматической дисперсии и отношения сигнал/шум и вероятности ошибки для ВОСП-СР внедрены учебный процесс МТУСИ в курсы «Волоконно-оптические линии связи», «Оптические направляющие системы и пассивные компоненты», а также в курсы повышения квалификации «Оптические кабели и пассивные компоненты», «Волоконно-оптические системы передачи и линейные сооружения».Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях: Московской отраслевой научно-технической конференции «Технологии информационного общества, Москва,2007г.,2008г.); Международная конференция Международной Академии инфоматизации (Москва, 2008г.); Межвузовская научно-практическая конференция аспирантов на иностранном языке (Москва, Московская Академия Экономики и Права, 2006г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 16 печатных трудах, из них в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня, рекомендованного ВАК – 5. Некоторые результаты отражены в отчетах по хоздоговорным НИР (2007г., 2008г.), в которых автор принимал участие в качестве исполнителя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Работа содержит 146 страниц машинописного текста, в том числе 28 рисунков, 39 таблиц, 8 страниц приложений. Библиография включает наименования.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика расчета хроматической дисперсии с учетом различных форматов модуляции и отношения сигнал/шум в оптическом канале при скоростях передачи 10Гбит/с и 40Гбит/с для ОВ G-652 и G-655 по рекомендации МСЭ-Т.

2. Методика определения длины регенерационного участка с учетом начальной линейной частотной модуляции для рассматриваемых скоростей передачи и форматов модуляции.

3. Метод определения отношения сигнал/шум в оптическом канале для рассматриваемых систем передачи, типов ОВ и форматов модуляции.

4. Методика определения длины РГУ с учетом одного из нелинейных эффектов фазовой самомодуляции для рассматриваемых оптических волокон, скоростей передачи и форматов модуляции при принятых требованиях на допустимые значения по рассматриваемых ОВ и форматов модуляции при ВОСП-СР при применении кодов Рида-Соломона.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформированы цели и задачи работы, перечислены основные научные результаты диссертации, определены практическая ценность и область применения результатов, приведены сведения об апробации работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе разработаны основные положения для уточнения методики определения хроматической дисперсии при передаче сигналов по оптическим волокнам G-652 и G-655.

На основании решения Гауэра и Агравала определение начальных исходных данных сигнала на основе гауссовского импульса получены точные решения по определению дисперсионной длины, которая устанавливает четкую связь между сигналом передачи (система передачи) и дисперсией (характеристика оптического волокна, по которому передается сигнал).

Показано, что на основании этой связи определяется зависимость характеристик передачи от формата модуляции для различных скоростей передачи (например STM-64 и STM-256) при работе по оптическим волокнам G-652 и G-655 по рекомендации МСЭ-Т.

Показано, что независимо от выбранного параметра ( T0 - полуширина импульса по уровню интенсивности от максимального значения, T 1 - полная длительность по уровню половины максимальной интенсивности, Tб - битовый период, равный 1, где B - скорость передачи), дисперсионная длина не изменяется.

Кроме того, эти решения связаны с Q-фактором, который определяет отношение сигнал/шум.в оптическом и электрическом каналах.

Показано, что решения, полученные рядом авторов (Фриманом, Былянски и Ингремом), не имеют окончательного решения и уточнены в данной главе.

Известно, что величина хроматической дисперсии волоконно-оптической линии с учетом аппаратуры определяется в виде трех составляющих:дисперсия, вызванная передатчиком, дисперсия, вызванная приемником, дисперсия, вызванная ОВ.

Основываясь на полуширине импульса по уровню интенсивности 1 / e от максимального значения T0, показано, что ширина T0 Tc / 2, которая связана с полной длительностью по уровню половины максимальной интенсивности (рисунок1):

и учитывая понятие времени нарастания импульса, было введено понятие дисперсионной длины, которая зависит от различных режимов распространения оптических импульсов в оптическом волокне.

LD T02 d 2 m / | 2 | Tb2 d m / / 8 | 2 | T12 2 d m / 2,77 | 2 |. для различных форматов модуляции и нелинейную длину LНЛ где 2 - дисперсия групповых скоростей ( пс 2 /км ); - длина волны, мкм; с – скорость света, где Aэфф - эффективная площадь моды, которая вычисляется выражением: Aэфф w 2 для гауссовской моды, n2 - нелинейный коэффициент преломления (принятый 2,6 1016 см / Вт ), D – дисперсионный параметр, пс/нм/км. Решения уравнения Шредингера по распространению импульса в ОВ осуществляется раздельно для дисперсии и нелинейных явлений. Соотношение между длинами ОВ, L, L Д, L НЛ определяет преобладание того или иного воздействия на сигнал.

Учитывая принимаемые для передачи по ОВ системы, а также значения T0, P0, 2, а также различные виды модуляций NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) и RZ (Return to Zero – возврат к нулю) 0,5;0,33;0,66 можно записать:

, где Tб - битовый период скорости передачи; d М - параметр модуляции 4 Tб d М Зная значения Tб, свяжем его значение с T0 : T Отсюда различные значения дисперсионной длины для разных форматов модуляции:

При определении дисперсионной длины было доказано, что гауссовский импульс сохраняет свою форму подчиняясь простому закону, а его длительность увеличивается Следует отметить, что получить значение дисперсионного штрафа, равное 1 дБ, необходимо, чтобы z < l Д. Следовательно, дисперсионную длину для каждого вида модуляции и при штрафе по дисперсии 1; 1,5; 2 дБ при вероятности ошибки 10 9 можно определить из выражения 1.

и таблицы 1.

Сравнение полученного результата для формата модуляции NRZ с выражением, полученным Агравалом, показывает полное совпадение полученных результатов:

В этом случае второе выражение для узкополосных источников примет вид:

Дисперсионная длина позволяет определить взаимосвязь не только с нелинейной длиной, но и с затуханием. При этом максимум реальной длины ОВ z при L Д z показывает, что уширение импульса составляет T1 / T0 1,414, а потери мощности по дисперсии составляет 1,5 дБ.

Q-фактор определяет связь между дисперсионной длиной, допустимой длиной, потерями на дисперсию и вероятностью ошибки.

L Д неизменная величина для каждого ОВ и каждой системы передачи и формата модуляции.

Определив с высокой точностью для гауссовской формы импульсов их параметры, в частности T0, получим результирующее значение на любой длине ОВ с учетом формата модуляции:

Импульсы сохраняют свою форму:

Уширение гауссовского импульса, не обладавшего частотной модуляцией на входе, не зависит от знака параметра дисперсии групповых скоростей 2. Импульс уширяется одинаково в области как нормальной, так и аномальной дисперсии в ОВ.

Параметр Qo связан с вероятностью ошибки известным выражением Qэ и приведенным графиком с вероятностью ошибки BER (рисунок 2) для электрического канала. В электрическом канале ОСШэ Qэ2 и понятие Qэ интерпретируется как 41 или 20lgQ э=16,2 дБ в электрической части приемника. Вместе с тем ОСШо(дБ)= 20 lg Qо =4дБ – минимальное значение в оптической части линии.

Таким образом, так как P0 (оптическкая) = PЭ (электрическая), то длине и потерях на дисперсию по мощности 3 дБ.

Зависимость битовой ошибки от параметра Qэ приведена на рисунке 2.

Приведенный алгоритм определения параметра Qэ от вероятности ошибки представляет граничные условия уширения гауссовского импульса при распространении по оптическому волокну без учета коэффициента затухания в волокне, при отсутствии частотной модуляции импульса, без дополнительного усиления сигнала.

Было предложено для системы передачи из конца в конец решение, основанное на времени нарастания (время, требуемое для роста интенсивности света от 0,1 до 0, номинального значения). Известное выражение связывает время нарастания интенсивности света в системе Tr с временем нарастания составляющих ее элементов TперTОВTпр - время нарастания передатчика света, оптического волокна и приемника света соответственно.

Вместе с тем, решения для времени нарастания выполняются методом подбора длин ОВ по дисперсии, тогда как значение Tпер и Tпр известны из типа аппаратуры.

Для гауссовского импульса известно, что:

Для широкополосных источников определим длину L для определения времени нарастания в ОВ: L а для узкополосных источников:

Зная вид источников, формат модуляции и, определив допустимые длины сразу подставляем решения для определения времени нарастания.

Полученные значения соответствуют минимальному отношению сигнал/шум через параметр Q для узкополосных источников:

полученному исходя из значения Qэ= 6,4. При учете потерь мощности на дисперсию для широкополосных источников для гауссовского импульса следует считать:

Отсюда легко найти допустимое значение L по дисперсии, при котором потери мощности по дисперсии будут составлять 1 дБ при вероятности ошибки 10 10.

Во второй главе исследовано влияние начальной линейной частотной модуляции на увеличение длины участка регенерации с учетом формата модуляции. Доказано, что при допустимых потерях на дисперсию в 2 дБ можно увеличить длину участка регенерации до 2L д.

Это можно рассматривать как один из пассивных методов компенсации хроматической дисперсии в одномодовых оптических волокнах при формате модуляции NRZ. При спектральном уплотнении и формате модуляции RZ этот метод также применяется для увеличения длины участка регенерации. Показано, что наибольший положительный эффект получаем при начальной линейной модуляции в 3-ем окне прозрачности (С-диапазон). При этом, значение параметра начальной линейной модуляции должно иметь положительное значение, равное 1:

Длительность импульса T1 после прохождения длины l1 по ОВ связана с начальной длительностью T0 и битовым периодом:

Вместе с тем, общее выражение для допустимой длины по дисперсии с учетом начальной линейной модуляции представлено в виде:

Как видно из этого выражения, L увеличивается при положительном значении С относительно дисперсионной длины и уменьшается при отрицательном значении С.

Зная LD и меняя С, получим зависимость L от С для третьего окна прозрачности (рисунок 3).

Рисунок 3 Зависимость длины линии от параметра начальной линейной частотной модуляции.

При увеличении длины L за счет начальной линейной частотной модуляции в 1,414 раза, параметр Qо не изменится и останется равным 1,59. Тогда:

В этом случае это соответствие будет выполняться при условии, что:

следовательно, вероятность ошибки В электрическом канале: OСШ e 20lg Qe 16,1дБ при Qe=6, В оптическом канале: OСШ о 20lgQo 4дБ при Qe=6, Если исходить из этой концепции, то l доп 0,767 L D при допустимых потерях мощности 1дБ при формате модуляции NRZ. Для формата модуляции RZ 0,5:

В этом случае дисперсионная длина будет в 4 раза меньше, чем при формате модуляции NRZ при допустимых потерях мощности 1дБ, но в этом случае за счет модуляции мы получаем дополнительно 3дБ по мощности.

Увеличивая допуск по потерям мощности до 2 дБ, мы получим допустимую длину l доп 1,236L D1, при этом сохраним параметр Qэ =6,4 при BER= 10 10.

Увеличение мощности в одном оптическом канале до 2дБ приведет при ВОСП-СР 4,8,16 к нелинейным и другим эффектам. Поэтому, целесообразно оставить из 3 дБ 2дБ на снижение уровня передачи. Эти решения связаны только с форматом модуляции отношением сигнал/шум ОСШ ОП в оптическом канале без решения задач, связанных с компенсацией дисперсии.

В третьей главе из ряда нелинейных эффектов рассматривается только фазовая самомодуляция, которая проявляет себя как в одноволновой передаче, так и в режиме ВОСПСР. Принимается расстояние между каналами в ВОСП-СР, равным 100 ГГц и 200 ГГц и различные форматы модуляции.

Доказано, что при расстоянии между каналами 100 и 200 ГГц кроссмодуляция и четырехволновое смешивание не влияет на каналы и их можно не учитывать при скоростях до 10 Гбит/c включительно. Показано воздействие фазовой самомодуляции без начальной частотной модуляции на уширение импульса и длину участка регенерации.