Технические заметки Рост производительности ВОСП требует

Технические заметки
Рост производительности ВОСП требует улучшения компенсации дисперсии
Laser Focus World December, 2002
Author: Jeff Hecht
Ожидается, что новые технологии компенсации дисперсии удовлетворят тем жестким
требованиям, которые предъявляют волоконно-оптические системы передачи с большой
пропускной способностью. Первое поколение методов компенсации дисперсии по-прежнему
возглавляет классический подход компенсации хроматической дисперсии. Он состоит в
следующем: в систему передачи добавляют компоненты с постоянной хроматической
дисперсией, так чтобы компенсировать, свести к нулю накопленную хроматическую
дисперсию линии передачи. При тщательном проектировании эта технология позволяет
значительно увеличить длину линий передачи со скоростями до 10 Гбит/c. Но успех метода
статической компенсации зависит от того, насколько хорошо постоянная дисперсия
компенсирующего кабеля или других компонентов согласуется с дисперсией линии
передачи.
Логическим развитием методов компенсации стало использование таких
компонентов, дисперсия которых может перестраиваться как по величине, так и по длине
волны, что допускает возможность динамической компенсации. Заметим, что перестройка
(tunability) дисперсии и ее динамическая компенсация означают не одно и тоже. Для
динамической компенсации необходима обратная связь, в которой измеренное значение
дисперсии используется при выработке управляющего сигнала для устройства компенсации
дисперсии (DCD). Перестройка же дисперсии может осуществляться и без использования
обратной связи либо вручную на месте, либо дистанционно из центра управления.
Выбор метода зависит от конкретного приложения. Динамическая компенсация
требуется для подавления поляризационной модовой дисперсии, которая меняется быстро и
случайным образом, сильно зависит от внешних условий и вызывает всплески шума.
Хроматическая дисперсия не флуктуирует столь же быстро, хотя и изменяется с
температурой. Например, повышение температуры от 10°C до 20°C может изменить
задержки в 2000-км линии передачи на 50 пс/нм, правда такие изменения не происходят
быстро.
Принципы компенсации
Волокно с компенсацией дисперсии является основным компонентом при
статическом подавлении хроматической дисперсии. Его отрицательная хроматическая
дисперсия в несколько раз превышает положительную хроматическую дисперсию
одномодового волокна. Добавление участка волокна с компенсацией дисперсии
определенной длины компенсирует дисперсию линии передачи, обращая ее в ноль. Для
систем передачи с волновым мультиплексированием (WDM) необходимо также
компенсировать и различные наклоны дисперсионных характеристик для разных длин волн
передачи. Так как наклоны в основном и компенсирующем волокне не совпадают точно, то и
не происходит идеального зануления дисперсии. В итоге, накопленная дисперсия системы
передачи изменяется с длиной волны (см. рис.1).
ТЕЛЕКОМ ТРАНСПОРТ, 2002
1
Технические заметки
Рис.1 Статическая компенсация хроматической дисперсии оставляет слабую
волновую зависимость полной дисперсии в некотором диапазоне длин волн, поэтому с
увеличением расстояния передачи разброс накопленной дисперсии увеличивается.
Такие графики полезны для наглядного представления воздействия на хроматическую
дисперсию, но существует много методик компенсации дисперсии, которые легче понять,
рассматривая хроматическую дисперсию как фазовый сдвиг между разными длинами волн
сигнала. В компенсирующем волокне фазовый сдвиг постоянен, что предполагает только
статический метод компенсации. Изменяющийся фазовый сдвиг дает возможность
перестраивать или динамически изменять величину компенсации.
Существует множество методов, позволяющих получить необходимые фазовые
сдвиги. Некоторые методы оказывают периодические по длине волны (частоте) изменения
фазовых сдвигов. Если сопоставить пики этих изменений с оптическими каналами в
стандартном частотном плане DWDM, то перестройка дисперсии станет возможной сразу на
нескольких разных каналах. Ряд методик ограничивает свое воздействие одной
определенной длиной волны.
Волоконные брэгговские решетки
Одна из наиболее развитых методик с перестраиваемой дисперсией основана на
свойствах волоконных брэгговских решеток, разработанных ранее для статической
компенсации дисперсии. Фазовый сдвиг в компенсаторах на волоконных решетках зависит
от модуляции интервалов между зонами с повышенным показателем преломления в решетке.
Если эти интервалы возрастают вдоль волоконной решетки, то длинноволновая часть
сигнала проникнет глубже в решетку, прежде чем полностью отразится. Это приводит к
задержке длинноволновых составляющих относительно коротких. Если расстояние между
коротковолновой и длинноволновой частями решетки составляет 1 мм, то длинные длины
волн будут задержаны приблизительно на 10 пс.
Фазовый сдвиг, вызываемый волоконной решеткой, можно настраивать изменяя
интервалы между зонами с повышенным показателем преломления, изменяя показатель
преломления самого волокна и воздействуя на оба эти фактора одновременно. Действуя по
отдельности, или одновременно, мы изменяем положение точки отражения для конкретной
длины волны в волокне. Необходимые изменения можно получить как нагреванием, так и
механическим растяжением волокна.
Дополнительная сложность заключается в том, что линейное воздействие вдоль
решетки не обеспечивает различный фазовый сдвиг, необходимый для коррекции
хроматической дисперсии. Это воздействие должно быть нелинейным по длине решетки.
Необходимую неоднородность (нелинейность) можно получить либо сразу используя
волоконную решетку с нелинейными интервалами, либо прилагая к ней неоднородные
напряжения. Обычно механические напряжения однородны вдоль волокна в силу его
продольной геометрической однородности. Однако можно создать необходимый
нелинейный температурный профиль вдоль решетки, регулируя температуру источников
тепла.
ТЕЛЕКОМ ТРАНСПОРТ, 2002
2
Технические заметки
Все волоконные решетки обладают одним неустранимым недостатком – область их
воздействия ограничена узким диапазоном длин волн. В настоящее время этот диапазон
охватывает от 1 до 8 оптических каналов DWDM. Возможность перестройки отдельных
каналов, конечно, позволяет добиваться лучшей коррекции, но сильно увеличивает число
компонентов и стоимость системы передачи.
Фазовые фильтры и эталоны
Фазовый фильтр (all-pass filter) идеально передает свет на всех длинах волн в своем
рабочем диапазоне и может сдвигать фазы на определенных длинах волн. Два важных
примера представлены эталонами и кольцевыми резонаторами.
В хорошо известном эталоне Фабри-Перо свет курсирует в резонаторе, ограниченном
двумя полупрозрачными зеркалами. Резонанс наступает при условии, что в полный путь
света между зеркалами туда обратно D укладывается целое число длин волн λ в среде с
показателем преломления n, или 2D=Nλ/n. Такие резонансные длины волн задерживаются
резонатором, что приводит к их фазовому сдвигу относительно других длин волн. Однако,
эталон Фабри-Перо не является правильным фазовым фильтром, так как свет может
покинуть его из любого из двух зеркал.
Рис. 2 Перестраиваемые оптические фазовые фильтры можно построить двумя
способами: два фазовращателя помещают в кольцевой резонатор (слева), либо
электростатически-управляемая мембрана служит частично пропускающим зеркалом
в эталоне Жире-Турнуа (справа)
Менее известный эталон конструкции Жире-Турнуа (Gires-Tournois) действует как
фазовый фильтр, так как заднее зеркало является полностью отражающим, и весь свет
выходит из частично прозрачного переднего зеркала (см. рис.2). Как и в эталоне Фабри-Перо
резонансы возникают, когда полный путь света кратен целому числу длин волн. Свет на
резонансных длинах волн испытывает фазовую задержку, проводя больше времени в
резонансной полости в сравнении с другими длинами волн.
Рис. 3 Фазовая задержка в эталоне Жире-Турнуа меняется периодически. В
применении к системам WDM эти пики разнесены так, чтобы соответствовать
стандартным оптическим каналам. При настройке кривая фазовых задержек
смещается относительно каналов, что приводит к одинаковому изменению фазовых
задержек сразу для нескольких каналов.
ТЕЛЕКОМ ТРАНСПОРТ, 2002
3
Технические заметки
Изменяя расстояние между зеркалами можно настроиться на условие резонанса и
большую фазовую задержку. В одном из подходов подвижное переднее зеркало
перемещается взад-вперед относительно полного отражателя. В качестве альтернативы
используют температурную регулировку показателя преломления, что приводит к такому же
эффекту фазового сдвига на резонансных длинах волн. Резонансные фазовые сдвиги не
проявляются очень резко, а размазаны в некотором диапазоне длин волн (см. рис. 3). Обычно
считают, что с изменением длины резонатора меняются резонансные длины волн. Однако, в
системе WDM длины волн каналов фиксированы, поэтому мы наблюдаем изменение
фазовых задержек на этих частотах. (По сути резонансные пики смещаются относительно
оптических каналов WDM и происходит изменение фазовых задержек на рабочих частотах. –
Прим. переводчика.). Конструкция эталона допускает возникновение нескольких резонансов
на равноотстоящих длинах волн, которые можно сопоставить длинам волн оптических
каналов WDM. Таким образом, сразу несколько рабочих каналов могут испытывать фазовую
задержку, хотя данный метод не позволяет настраивать разные наклоны дисперсионной
кривой.
Другой тип фазового фильтра с перестраиваемой фазовой задержкой в кольцевом
резонаторе показан на рис. 2. В состав кольца входит пара термооптических фазовращателей,
с помощью которых регулируют фазовую задержку и, следовательно, хроматическую
дисперсию. (Кольцо с одним фазовращателем обеспечивает постоянную фазовую задержку.)
Эта методика не разработана столь хорошо как фазовый фильтр на основе эталона, но
допускает исполнение на базе интегральной оптике и обещает налаживание дешевого
производства.
Динамическая компенсация и направления развития
Хроматическую дисперсию можно настраивать и другими способами. Среди наиболее
значимых упомянем виртуальную фазовую решетку (virtual phase array). В этом методе свет
поступает в эталон под небольшим углом к нормали. Пучок света колеблется между
зеркалами эталона и частично выходит при каждом колебании. Эти отдельные пучки
взаимодействуют также как, если бы они вышли из массива волноводов или штрихов
диффракционной решетки, вызывая фазовые задержки, которые можно настраивать с
помощью оптики.
Все методы настройки, в принципе, можно реализовать в двух вариантах.
Перестраиваемая система компенсации дисперсии регулируется согласно требованиям к
системе передачи и эти настройки сохраняются до тех пор, пока система не изменится по
каким-либо причинам. В альтернативном, динамическом варианте система мониторинга
отслеживает хроматическую дисперсию, а система обратной связи динамически использует
данные этих измерений для перестройки компенсатора (см. рис. 4).
Рис. 4 Динамическая компенсация дисперсии основана на петле обратной связи.
Устройство, измеряющее дисперсию, выдает сигнал управляющей электронике. Та в
свою очередь выдает сигнал для устройства компенсации, чтобы уменьшить
дисперсию. Одни и те же принципы применимы для компенсации как хроматической,
так и поляризационной дисперсии, как одного, так и нескольких каналов.
ТЕЛЕКОМ ТРАНСПОРТ, 2002
4
Технические заметки
На практике ключевым моментом оказывается лишь то, настроен компенсатор на
отдельный оптический канал, или он воздействует на группу рядом расположенных каналов.
Системы с компенсацией отдельных каналов обеспечивают большую точность, но и
оказываются намного дороже.
Динамическая компенсация просто необходима в случае поляризационной модовой
дисперсии из-за присущих ей вариаций задержки со временем. Измеренные значения
задержек PMD поступают в канал обратной связи и далее через цепь управления на
устройства коррекции поляризации аналогично схеме, изображенной на рис. 4.
Используются те же принципы, что и для динамической компенсации хроматической
дисперсии, однако все временные характеристики должны быть быстрее.
Компенсация поляризационной модовой дисперсии горячо обсуждалась во времена
еще недавнего телекоммуникационного бума. Эта проблема неизбежно возникала в проектах
передачи на дальние расстояния на скоростях 40 Гбит/с. Были разработаны
многообещающие технологии, но бум прошел и многие эти проблемы были задвинуты в
угол, а рынок сосредоточился на решении краткосрочных задач. Резкое падение числа
вводимых в строй новых систем также замедлило разработку перестраиваемых
компенсаторов хроматической дисперсии.
Пока что разработки еще полностью не остановлены, и исследователи продолжают
поиски новых технологий компенсации. Прогнозы предсказывают потребность в них в
будущем, но как и во многих других областях развития, будущее немного задерживается,
пока компании решают свои ближайшие проблемы.
ТЕЛЕКОМ ТРАНСПОРТ, 2002
5