Оценка протяженности регенерационного участка полевой волоконнооптической линии связи на основе оптических усилителей с удаленной накачкой
 Скачать 432.59 Kb.
|
|
Системный анализ, управление и обработка информации 403 УДК 535.92 DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-403-409 ОЦЕНКА ПРОТЯЖЕННОСТИ РЕГЕНЕРАЦИОННОГО УЧАСТКА ПОЛЕВОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ С УДАЛЕННОЙ НАКАЧКОЙ А.С. Соколов, К.С. Алексеев, К.П. Щербак В статье рассматривается вопрос использования эрбиевых линейных оптических усилителей с удаленной накачкой для построения протяженных полевых волоконно- оптических линий связи. Предлагается алгоритм расчета полевой волоконно-оптической линии связи с использованием эрбиевых оптических усилителей с удаленной накачкой. Проводится оценка протяженности регенерационного участка полевой волоконно-оптической линии связи с использованием предложенного алгоритма. Ключевые слова: регенерационный участок, EDFA, полевой волоконно-оптический ка- бель связи, линия связи, волоконно-оптический усилитель, удаленная накачка. В настоящее время одним из направлений развития сетей связи специального назначе- ния является внедрение новых и совершенствование характеристик, существующих полевых цифровых волоконно-оптических средств и комплексов связи, а также полевых оптических ка- белей (ПОК) связи различной конструкции. Основными задачами, которые возлагаются на дан- ные средства, являются: построение внутриузловых линий связи, линий привязки узлов связи пунктов управления к стационарным узлам связи и линий прямой связи. Протяженность поле- вых волоконно-оптических линий связи (ПВОЛС) зависит от оперативных условий, состояния и возможностей стационapной сети связи, наличия сил и средств связи, физико-географических условий, способов прокладки кабеля. Анализ показал, что для решения данных задач широкое применение находят ком- плексные аппаратные связи, в состав которых входит оборудование волоконно-оптических си- стем передачи плезиохронной и синхронной цифровых иерархий, а в качестве среды распро- странения применяются стандартные одномодовые оптические волокна полевых оптических кабелей связи. Известно, что качество образованных волоконно-оптической системой передачи кана- лов во многом определяется параметрами линейного тракта (ЛТ), которые, в свою очередь, за- висят от параметров элементов ЛТ и его структуры. Анализ принципов построения линейных трактов, построенных на базе оборудования и кабеля из состава комплексных аппаратных свя- зи, показывает, что полевые волоконно-оптические линейные тракты строятся по двухволокон- ной схеме без оптических усилителей (ОУ) и линейных регенераторов (ЛР). При необходимо- сти построения протяженных линий в качестве регенераторов используется оборудование ли- нейных трактов, входящее в состав мультиплексоров комплексных аппаратных связи. Одним из основных параметров ЛТ является максимальная протяженность регенера- ционного участка (РУ), которая определяется энергетическим потенциалом аппаратуры, вели- чиной затухания, хроматической и поляризационно-модовой дисперсии кабельного участка. Для полевых волоконно-оптических линейных трактов ввиду сравнительно небольших скоро- стей передачи информации влияние дисперсионных искажений на качество цифрового оптиче- ского сигнала при его передаче минимально. Соответственно, основным фактором, ограничи- вающим протяженность РУ, является затухание. Как показали результаты измерений затухания участков полевых волоконно- оптических линий связи, основной вклад в суммарное затухание линии вносит затухание разъ- емных оптических соединителей. Причем величина затухания в этих элементах имеет очень большой разброс: от 0,5 дБ до 2,5 дБ. Такие результаты можно объяснить, прежде всего, особенностями конструкции опти- ческих полумуфт и износом элементов соединителей в процессе эксплуатации. Кроме этого, в процессе эксплуатации ухудшение параметров передачи происходит и в результате возникно- вения микротрещин в оптических волокнах оптического кабеля, в результате чего увеличивает- ся коэффициент затухания оптического волокна. Одним из решений данной задачи является применение оптических усилителей раз- личного типа, в первую очередь эрбиевых оптических усилителей мощности и предваритель- ных оптических усилителей. Применение линейных устройств регенерации (оптических усили- Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. Вып. 3 404 телей (ОУ) и регенераторов) требует разрешения дополнительных вопросов дистанционного питания, разработки полевых оптических кабелей новой конструкции, увеличивает время раз- вертывания кабельной линии и усложняет реализацию системы контроля параметров линейно- го тракта. В качестве одного из вариантов дальнейшего увеличения протяженности регенераци- онного участка полевого ВОЛТ можно выделить применение эрбиевых оптических усилителей с удаленной накачкой. Основной особенностью данных усилителей является применение от- дельного оптического волокна для передачи оптического сигнала накачки в оптический усили- тель, находящийся на удалении от лазера накачки, размещаемого в оконечном оборудовании (аппаратной). Известно, что характеристики данных оптических усилителей зависят от параметров эрбиевого волокна, а также от уровней мощности входных сигналов (полезного сигнала и сиг- нала накачки), которые определяются суммарным затуханием кабельного участка, а основным показателем качества передачи оптического сигнала в волоконно-оптическом линейном тракте с оптическими усилителями является оптическое отношение сигнал/шум на входе приемного оп- тического модуля. Соответственно, в качестве исходных данных, необходимых для расчета оп- тического отношения сигнал/шум выступают параметры элементов линейного тракта и его структура: Параметры элементов ПВОЛТ: - длина волны излучения полезного сигнала – λ c =1,55ꞏ10 -6 м; - длина волны излучения сигнала накачки – λ н= 1,48ꞏ10 -6 м; - коэффициент затухания линии на длине волны полезного сигнала – α с =0,7 дБ/км; - коэффициент затухания линии на длине волны сигнала накачки – α н =0,71 дБ/км; - мощность квантового шума ‒ P ω0 =3,18ꞏ10 -9 Вт; - уровень мощности сигнала накачки - p н =20 дБм; - уровень мощности на выходе ПОМ – p ПОМ =−5 дБм. Параметры структуры ПВОЛТ: - расстояние до оптических усилителей – L 1 =29 км; - протяженность регенерационного участка – L лт =90 км; Параметры эрбиевых усилителей с удаленной накачкой: - радиус сердцевины эрбиевого волокна – R = 10 -6 м; - числовая апертура эрбиевого волокна – NA = 0,35; - длина эрбиевого волокна – L edfa = 30 м; - концентрация ионов эрбия – N = 5ꞏ10 -24 см -3 ; - сечение излучения полезного сигнала – σ ис =2,5ꞏ10 -25 м 2 ; - сечение поглощения полезного сигнала – σ пс =2ꞏ10 -25 м 2 ; - сечение излучения сигнала накачки – σ ин =0,5ꞏ10 -25 м 2 ; - сечение поглощения сигнала накачки – σ пн =1,5ꞏ10 -25 м 2 ; - диаметр модового поля оптического волокна для излучения полезного сигнала – W с =1,771ꞏ10 -6 м; - диаметр модового поля оптического волокна для излучения сигнала накачки – W н =1,691ꞏ10 -6 м; - коэффициент перекрытия для излучения полезного сигнала – Г с =0,273; - коэффициент перекрытия для излучения сигнала накачки – Г н =0,275; Параметры эрбиевого оптического усилителя мощности и предварительного оптиче- ского усилителя: - коэффициент усиления ОУМ – K ОУМ =15 дБ; - шум-фактор ОУМ – NF ОУМ =6 дБ; - шум-фактор ПОУ – NF ПОУ =6 дБ. Структура ПВОЛТ на основе двух оптических усилителей с удаленной накачкой пред- ставлена на рисунке. Общий алгоритм расчета ПВОЛТ с применением оптических усилителей с удаленной накачкой может быть представлен в виде следующих этапов: 1) расчет оптического отношения сигнал/шум на выходе первого и второго эрбиевого усилителя; 2) расчет итогового (суммарного) оптического отношения сигнал/шум на входе при- емного оптического модуля; 3) расчет диаграммы уровней оптического сигнала в ПВОЛТ. Системный анализ, управление и обработка информации 405 Рис.1. Структура ПВОЛТ на основе оптических усилителей с удаленной накачкой Расчет диаграммы уровней и основных характеристик оптических усилителей (зави- симости распределения уровней мощностей полезного сигнала, сигнала накачки и шума в эр- биевом волокне) выполнены на основе известных математических выражений, описывающих процессы перехода ионов эрбия между энергетическими уровнями в программной среде Mathcad Prime 4.0. Дифференциальные уравнения, описывающие процесс взаимодействия по- лезного сигнала, сигнала накачки и шума решались методом Эйлера с шагом 1 мм. Методика расчета уровней сигнала и оптического отношения сигнал/шум на выходах оптических усилителей с удаленной накачкой может выглядеть следующим образом: Расчет 1-го эрбиевого усилителя. На первом этапе осуществляется расчет уровня мощности сигнала накачки на входе 1- го усилителяс удаленной накачкой: н нак н 1 , p p L где н – коэффициент затухания линии на длине волны сигнала накачки, дБ/км; 1 L – расстоя- ние до усилителя, км; нак P – уровень мощности сигнала накачки на входе в линию. На втором этапе осуществляется расчет уровня мощности полезного сигнала на входе 1-го усилителя: 0 с М 1 с ОУ , p p L где с - коэффициент затухания линии на длине волны полезного сигнала, дБ/км; 1 L – рассто- яние до усилителя, км; ОУМ P – уровень мощности на выходе ОУМ. На третьем этапе определяется населенность 2-го и 1-го энергетических уровней в начале 1-го эрбиевого усилителя 10 X : пс 0 с пн н0 н с0 с 10 ис 0 с ис 0 н пс с ин 0 ис с0 с н P P P X P P P P На четвертом этапе определяется концентрация ионов эрбия на 1-м 110 N и 2-м 120 N энергетических уровнях в начале 1-го эрбиевого волокна: 110 10 , 1 N N X 10 120 10 , 1 N X N X где N – концентрация ионов эрбия. Данные значения являются граничными условиями для решения системы дифферен- циальных уравнений, описывающих распределение мощности полезного оптического сигнала, шума и сигнала накачки в первом оптическом усилителе. Результаты расчета распределения уровней мощностей сигнала накачки, полезного сигнала и шума в 1-м эрбиевом волокне пред- ставлены на рис. 2. На рис. 2 использованы следующие обозначения: 1 i ps – распределение уровня мощ- ности полезного сигнала в 1-м эрбиевом волокне; 1 i pn – распределение уровня мощности сиг- нала накачки в 1-м эрбиевом волокне; 1 i pw – распределение уровня мощности шума в 1-м эр- биевом волокне; 1 1 1 i i i s osnr p pw – распределение отношения сигнал/шум в 1-м эрбиевом волокне. На пятом этапе рассчитываются значения шум-фактора 1-го эрбиевого оптического усилителя 1 NF : 1 1 1 1 edfa i L L NF osnr osnr Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. Вып. 3 406 Рис.2. График распределения уровней мощностей сигнала накачки, полезного сигнала и шума в 1-м эрбиевом волокне Расчет 2-го эрбиевого усилителя. На первом этапе осуществляется расчет уровня мощ- ности сигнала накачки на входе 2-го усилителяс удаленной накачкой н0 p : н0 н н 1 , p p L где α н ‒ коэффициент затухания линии на длине волны сигнала накачки, дБ/км; 1 L – расстояние до усилителя, км; н p – уровень мощности сигнала накачки. На втором этапе осуществляется расчет уровня мощности полезного сигнала на выхо- де 2-й линии (на входе 2-го эрбиевого оптического усилителя) 2 p : 2 с лт 1 1 1 ( 2 ), edfa L s L p p L L где α с – коэффициент затухания линии на длине волны полезного сигнала, дБ/км; 1 L – расстоя- ние до усилителя, км; L лт – протяженность регенерационного участка; 1 с 1 L L edfa p – уровень мощности полезного сигнала на выходе 1-го оптического усилителя. На третьем этапе определяется населенность 2-го и 1-го энергетических уровней в начале 2-го эрбиевого волокна 20 X : пс 0 с пн н0 н с0 с 20 ис 0 с ис 0 н пс с ин 0 ис с0 с н P P P X P P P P На четвертом этапе определяется концентрация ионов эрбия на 1-м 210 N и 2-м 220 N энергетических уровней в начале 2-го эрбиевого волокна: 210 20 , 1 N N X 20 220 20 1 N X N X Результаты расчета распределения уровней мощностей сигнала накачки, полезного сигнала и шума во 2-м эрбиевом волокне представлены на рис. 3. На рис. 3 использованы следующие обозначения: 2 i ps – распределение уровня мощ- ности полезного сигнала во 2-м эрбиевом волокне; 2 i pn – распределение уровня мощности сигнала накачки во 2-м эрбиевом волокне; 2 i pw – распределение уровня мощности шума во 2- м эрбиевом волокне; 2 2 2 i i i s osnr p pw – распределение отношения сигнал/шум во 2-м эрби- евом волокне; Системный анализ, управление и обработка информации 407 На пятом этапе рассчитываются значения шум-фактора 2-го эрбиевого оптического усилителя 2 NF : 1 2 2 2 , edfa i L L NF osnr osnr и уровень мощности полезного сигнала на выходе 3-й линии (на входе предварительного опти- ческого усилителя) 3 p : 3 2 1 1 edfa L s L p p L Рис. 3. График распределения уровней мощностей сигнала накачки, полезного сигнала и шума в 2-м эрбиевом волокне Данные значения учитываются при расчете значения оптического отношения сиг- нал/шум на входе приемного оптического модуля. Методика расчета итогового (суммарного) оптического отношения сигнал/шум на вхо- де приемного оптического модуля может выглядеть следующим образом. Итоговое отношение сигнал/шум на входе в приемный оптический модуль рассчиты- вается на основе значений отношений сигнал/шум на выходах: 1-го эрбиевого оптического усилителя ОУ1 osnr , 2-го эрбиевого оптического усилителя ОУ2 osnr , оптического усилителя мощности ОУМ osnr , которое можно определить с помощью выражения 3 ОУМ ОУМ ПОМ 10log 10 osnr hv v NF p и предварительного оптического усилителя ПОУ osnr : 3 ПОУ ПОУ 3 10log 10 osnr hv v NF p Общее отношение сигнал/шум сум OSNR рассчитывается по выражениям: 1 1 1 1 1 сум ОУ1 ОУ2 ОУМ ПОУ , OSNR OSNR OSNR OSNR OSNR для представления в логарифмических единицах, и сум сум 10 , osnr log OSNR для представления в безразмерном виде. Для исходных данных, представленных выше, значение сум osnr составляет 24,5 дБ. Расчет диаграммы уровней оптического сигнала в ПВОЛТ представляет собой резуль- тат расчета уровней сигнала на входах и выходах оптических усилителей с формированием диаграммы уровней оптического сигнала. Она представляет собой распределение уровня мощ- ности оптического сигнала в волоконно-оптическом линейном тракте (рис. 4). Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. Вып. 3 408 Рис.4. Диаграмма уровней оптического сигнала в ПВОЛТ В ходе проведения расчетов были определены оптимальные по критерию оптического отношения сигнал/шум на входе приемного оптического модуля (выхода оптической линии) расстояния, на которых необходимо размещать оптические усилители с удаленной накачкой. Расстояния от оконечных пунктов до линейных оптических усилителей имеют одинаковое зна- чение, что объясняется необходимостью обеспечения одинаковых условий распространения оптического сигнала в двух противоположных направлениях. Результаты расчетов длин регенерационных участков показали, что применение опти- ческих усилителей с удаленной накачкой для построения полевого волоконно-оптического ли- нейного тракта протяженностью 90 км позволяет полностью исключить из рассмотрения про- межуточные комплексные аппаратные связи, выполняющие функции регенерации оптического сигнала. Таким образом, можно сделать вывод, что совместное применение оптических усили- телей с удаленной накачкой и представленной модели расчета параметров полевых волоконно- оптических линейных трактов позволит с одной стороны существенно повысить протяжен- ность регенерационных участков полевых ВОЛТ, с другой стороны, обоснованность принима- емых решений на этапе планирования полевых волоконно-оптических линий. Список литературы 1. Дополнение 39 МСЭ-Т. Рассмотрение вопросов расчета и проектирования оптиче- ских систем, 2003. 84 с. 2. Рекомендация МСЭ-Т G.652. Характеристики одномодового оптического волокна и кабеля, 2009. 22 с. 3. Листвин В.Н., Трещиков В.Н. DWDM системы: научное издание. М.: Издательский Дом «Наука», 2013. 500 с. 4. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника: Учеб. для вузов – М. Высш. шк., 2001. 573 с. 5. Снайдер А., Лав Д..Теория оптических волноводов. М.: «Радио и связь», 1987. 666 с. 6. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. М.: ЛЕСАРарт, 2005. 150 с. Алексеев Кирилл Сергеевич, старший оператор роты (научной), va- ra_alex@icloud.com, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени С.М. Буденного, Соколов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, sanyol80@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени С.М. Буденного, Кирилл Павлович Щербак, научный сотрудник научно-исследовательского центра, kirillshherbak@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени С.М. Буденного ESTIMATION OF THE LENGTH OF THE REGENERATION SECTION OF THE FIELD FIBER-OPTIC COMMUNICATION LINE BASED ON OPTICAL AMPLIFIERS WITH REMOTE PUMPING K.S. Alekseev, A.S. Sokolov, K.P. Shcherbak Системный анализ, управление и обработка информации 409 The article discusses the use of erbium linear optical amplifiers with remote pumping for the construction of extended field fiber-optic communication lines. An algorithm for calculating a field fiber-optic communication line using erbium optical amplifiers with remote pumping is proposed. The length of the regeneration section of the field fiber-optic communication line is estimated using the proposed algorithm. Key words: regeneration site, EDFA, field fiber-optic communication cable, communication line, fiber-optic amplifier, remote pumping. Kirill Sergeevich Alekseev, senior company operator (scientific), vara_alex@icloud.com, Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny, Sokolov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, sanyol80@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny, Kirill Pavlovich Shcherbak, researcher at the research center, kirillshherbak@gmail.com, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny УДК 535.92 DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-409-416 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛОКОН ПОЛЕВЫХ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ К.С. Алексеев, А.С. Соколов, К.П. Щербак В статье рассмотрены предложения по реализации системы контроля параметров оптических волокон полевых оптических кабелей связи. Значения параметров оптических во- локон являются основными исходными данными на этапе планирования полевых волоконно- оптических линий связи. При этом, с учетом многократного развертывания (свертывания) полевых оптических кабелей необходимо учитывать деградацию их характеристик, прежде всего увеличение затухания оптических волокон и соединителей, и, как следствие, деградацию показателя качества цифрового оптического сигнала. Ключевые слова: система контроля, оптические волокна, параметры оптических во- локон, полевые оптические кабели, кабели связи. Одной из основных задач, решаемых на этапе планирования и эксплуатации полевых волоконно-оптических линий связи (ПВОЛС) является измерение параметров полевых оптиче- ских кабелей (ПОК). Как показал анализ, для ПВОЛС, ввиду сравнительно небольших скоро- стей передачи информации, влияние поляризационно-модовой дисперсии на качество цифрово- го оптического сигнала может быть исключено, а возможность применения различного типа компенсаторов устраняет влияние хроматической дисперсии. Следовательно, основными пара- метрами, ограничивающими качество цифрового оптического сигнала в ПВОЛС являются за- тухание волокон и соединителей ПОК [1]. Значения вышеперечисленных параметров являются основными исходными данными на этапе планирования ПВОЛС. При этом, с учетом многократного развертывания (свертыва- ния) ПОК необходимо учитывать деградацию характеристик, прежде всего увеличение затуха- ния, оптических волокон и соединителей, и, как следствие, деградацию показателя качества цифрового оптического сигнала, определяемого коэффициентом битовой ошибки. Это приво- дит к необходимости применения системы контроля параметров ПОК, которая должна преду- сматривать измерение и оценку затухания оптических волокон и соединений строительных длин ПОК [2]. В настоящее время наиболее эффективным методом измерения затухания оптических волокон и соединителей, применяемых в различных системах контроля параметров ВОЛС яв- ляется метод обратного рассеяния, реализуемый в измерительных приборах, называемых ре- флектометрами [3]. |