В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
3.2.1. Принципы управления излучением лазера Для реализации возможностей по спектральному мультиплексированию оптических каналов в системах передачи DWDM на однопролетных участках местных и внутризоновых сетей производители наладили выпуск перестраивае- мых модулей (например, SFP/XFP) и транспондеров, которые могут настраиваться на отдельные волны сеток волн стандартов G.694.1 (DWDM), G.694.2 (CWDM). В составе модулей и транспондеров могут перестраиваться по длине волны источники излучения и приемники (фотодетекторы типа TAP, TWPD со встроен- ными оптическими фильтрами и усилителями). Классификация возможных способов перестройки лазеров приведена на рис. 3.5 , где показаны два главных направления перестройки: внешним резонатором и внутренних характеристик. Внешняя перестройка достаточно громоздкая, требует применения прецизион- ных оптических компонентов, которые отличаются высокой стоимостью про- изводства, что не позволяет использовать эти решения в модулях SFP, XFP, но могут с успехом применяться в транспондерных блоках когерентных систем. 124 Рис. 3.5. Возможные способы перестройки лазера оптического передатчика Способы внутренней перестройки излучения лазера могут отличаться друг от друга степенью сложности реализации и различными схемами исполнения управления перестройкой (переключения оптического канала, температурными изменениями тела лазера, изменением величины тока управления, пропускае- мого через зону генерации излучения, механической или иной перестройкой внутреннего резонатора лазера) [32]. Возможные варианты перестройки лазера упрощенно иллюстрируются на рис. 3.6. Рис. 3.6. Варианты управления перестраиваемого лазера В каждом из вариантов достигается перестройка фильтрующего устрой- ства в определенном диапазоне оптического усиления активной накачиваемой среды (рис. 3.7), где свойствами среды и фильтрующей системы определены возможные моды генерации. 125 Рис. 3.7. Возможности селекции генерируемых мод лазера Из относительно простого математического соотношения (3.1): = , (3.1) где m – номер моды, n – эффективный показатель преломления, L – эффектив- ная управляемая длина, можно вывести соотношение для оценки перестройки лазера (3.2): = + − (3.2) Перестройка длины волны излучения лазера может производиться измене- нием эффективного показателя преломления Δn (например, током накачки ППЛ или температурой тела лазера), изменением эффективной длины области гене- рации мод ΔL, перестройкой селективности оптического фильтра Δm (угловое расположение отражательной решетки или выбором порядка дифракции). 3.2.2. Источники излучения SG-DBR Для реализации перестройки длины волны излучения лазера в модуле SFP, XFP при сохранении относительно невысоких показателей стоимости, высокой надежности и простоты перестройки более всего подходят интегрированные конструкции, например, с распределенной обратной связью на основе брэггов- ских отражательных решеток, встроенных в конструкцию полупроводникового кристалла Sampled-Grating Distributed Bragg Reflector (SG-DBR) (рис. 3.8) c ре- зонансно-периодическим усилением [33]. 126 Рис. 3.8. Пример конструкции одномодового перестраиваемого лазера с распределенной обратной связью, совмещенного с электроабсорбционным модулятором (ЭА) и оптическим усилителем Применение в составе такой конструкции дополнительных устройств мо- дуляции оптического излучения ЭА и оптического полупроводникового усили- теля с множественными квантовыми ямами MQW (Multiple Quantum Wells) позволяют формировать оптический сигнал не только определенной длины волны излучения, но и обеспечивать минимальные искажения при оптической модуляции, что влечет уменьшение совокупной величины дисперсионных искажений в волоконном волноводе, и формировать требуемую мощность из- лучения для преодоления потерь энергии в стекловолокне. Пример характери- стик перестройки лазера SG-DBR представлен на рис. 3.9, где настраиваемая волна формируется в среде с различными токами управления периодическими отражательными системами. Интервал перестройки оценивается соотношением для волн (3.3): ∆ = 2 /2nL , (3.3) где L – расстояние между зеркалами, n – эффективный показатель преломления. Интервал перестройки может выбираться в пределах 1–5 нм при общем диапазоне до 40 нм. Наиболее востребованы интервалы перестройки на 25 Гц и 50 Гц при стабильности ±2,5 ГГц и максимальной ширине спектральной линии до 10 МГц. Типовое время перестройки составляет 10 мс, максимальная мощность излу- чения до 20 мВт. Подавление боковых мод достигает 40 дБ при относительной интенсивности оптического шума не более − 135 дБ/Гц. Для включения прибора SG-DBR в электрическую и оптическую схемы используются дополнительные специализированные электронные устройства (микросхемы) и отдельные оптические компоненты (рис. 3.10). 127 Рис. 3.9. Возможности по перестройке волн излучения лазера SG-DBR Эти устройства позволяют стабилизировать температурный режим лазера, т. е. мощность излучения, длину волны излучения, оптический шум. Это дости- гается применением управляемых элементов Пельтье, т. е. электрически управ- ляемых микрохолодильников. Также эти устройства определяют длину волны излучения и ее стабильность при длительной эксплуатации. Основной способ управления базируется на изменении токов в различных секциях конструкции лазера. Рис. 3.10. Функциональные элементы управления излучением лазера 128 3.2.3. Источники излучения DS-DBR Лазеры типа Digital Supermode Distributed Bragg Reflector laser (DS-DBR) называют усовершенствованными лазерами SG-DBR, т. к. в конструкцию (рис. 3.11) заложена возможность цифрового (Digital) управления модой излу- чения (Supermode) на основе отражательных брэгговских решеток [34, 35]. При этом ключевое решение в передней решетке, где применено секционирование электрических контактов (Front Grating), где выбор генерируемой моды пре- имущественно определяется не величиной электрического тока, а номером активируемого контакта. Ток заднего отражателя (Rear Grating) может быть за- фиксированным. Рис. 3.11. Конструкция перестраиваемого лазера DS-DBR На рис. 3.12 представлены примеры характеристик отражения передней и задней решеток. Перестройкой передней решетки при изменении тока может до- стигаться совпадение мод отражения (как показано на рис. 3.12 на волне 1555 нм). На совпадающих модах отражения происходит генерация излучения. Рис. 3.12. Пример характеристик отражения передней и задней решеток с настройкой на волну 1555 нм 129 Наиболее полная картина возможностей генерации мод в лазере DS-DBR представлена на карте перестройки (рис. 3.13), где показаны примеры пяти зон перестройки, определяемые токами передней решетки, и током задней решетки. Яркость (цвет) картины отражают параметр длины волны излучения. Рис. 3.13. Карта перестройки излучения лазера DS-DBR Количество фиксируемых волн достигает 80 при ширине спектральной ли- нии не более 1 МГц интервале между модами 50 ГГц. Подавление боковых мод достигает 40 дБ. Применение полупроводникового оптического усилителя (SOA) позволяет управлять излучаемой мощностью на 3–6 дБ. Максимальная дости- жимая мощность на выходе лазера до 100 мВт. Типовая мощность излучения около 40 мВт. 3.2.4. Источники излучения GCSR Перестраиваемый лазер Grating Coupler Sampled Reflector (GCSR) имеет в конструкции два параллельных канала [36], где в одном происходит управляе- мая генерация моды излучения, а во втором ее отведение (рис. 3.14), для чего в конструкции предусмотрен ответвитель (Coupler). Выводимое излучение может быть увеличено по мощности благодаря встроенному оптическому усилителю (Gain). Конструкция предложена шведской компанией Altitune в 90-х гг. XX в. и предназначена для применения в телекоммуникационных устройствах. 130 Рис. 3.14. Структура перестраиваемого лазера GCSR Характерной особенностью конструкции является высокая стабильность излучения при изменении температуры и короткое время перестройки. Способ перестройки излучения лазера аналогичный ранее рассмотренным DS DBR, т. е. током отдельных секций. Эта конструкция послужила прототипом для другой конструкции лазера с широким диапазоном перестройки (до 65 нм), названным Lateral-Grating- Assisted Lateral-Co-Directional-Coupler (LGLC). 3.2.5. Источники излучения LGLC Лазер с вспомогательной боковой решеткой и сонаправленным ответвле- нием LGLC представлен на рис. 3.15 [37]. В зоне искривления отражательной решетки LGLC происходит ответвление генерируемой оптической мощности для вывода из конструкции. Участок фазового управления Phase используется для подстройки волны излучения. Участок отражательной решетки LGLC (про- тяженность 200 мкм) имеет длиннопериодическую решетку с высоким индек- сом отражения. В параллельном канале, предназначенном для вывода излучения, выстроена решетка с низким индексом отражения (рис. 3.16). Такое построение гарантирует высокую стабильность излучения в диапазоне 1510–1575 нм. Прин- цип выделения моды аналогичен лазеру GCSR. Фильтрующая область LGLC имеет множество отражательных пиков (мод), которые не совпадают со множе- ством отражательных пиков решетки DBR. Подстройкой тока управления обла- сти LGLC и Phase может быть выделена одна мода, на которой два пика филь- трующих решеток совпадают. Изменение тока области LGLC от 0 мА до 26 мА позволяет формировать моду излучения диапазона 1510–1575 нм (рис. 3.17, 3.18). При этом подавление боковых мод превышает 35 дБ. Ток области отражатель- ной решетки DBR может изменяться от 0 до 20 мА. Ток области усиления Gain может достигать 100 мА. 131 Рис. 3.15. Структура лазера с фильтрующей решеткой LGLC Рис. 3.16. Разрез секции фильтрации моды излучения Рис. 3.17. Характеристика перестройки волны в фильтрующей области LGLC 132 Рис. 3.18. Диапазон перестройки лазера LGLC 3.2.6. Источники излучения Y-Branch laser DBR Предлагаемая к рассмотрению конструкция имеет название Modulated Grating Y-branch laser (MGY) – модулированные решетки с разветвителем [38]. Одномодовые лазеры конструкции в виде Y–формы представляют собой сочетание трех отражательных систем (рис. 3.19): две параллельные отража- тельные распределенные брэгговские решетки (DBR) – отражатель 1 и отража- тель 2; последовательно включенный объединяющий многомодовый интерфе- рометр MMI (Multi-Mode Interferometer). Эти отражательные системы имеют различные спектральные характеристики (рис. 3.20), где между пиками отраже- ния (1, 2 и 3) различные частотные интервалы 630 и 700 ГГц. Перестройка лазера производится аналогично конструкции лазера SG-DBR электрическим током отдельной и общей фазовых зон (до 1 мА) и отражателей (до 15 мА), получая совпадение трех пиков, можно добиться подавление боко- вых мод более чем 40 дБ. Величина перестройки 5–6 ТГц (до 32 нм). Достигну- тая при этом максимальная мощность излучения составляет 29 мВт (реальные значения уровня 10–15 дБм), а вариация мощности при перестройке не превы- шает 1,5 дБ. Рис. 3.19. Структура лазера Y-branch 133 Рис. 3.20. Спектральные характеристики отражения: а) первый отражатель; б) второй отражатель; в) многомодовый интерферометр; г) суммарная характеристика отражения 3.2.7. Источники излучения с внешним резонатором ECL Узкополосные перестраиваемые лазеры для широкого диапазона волн эффективно реализуются с использованием внешних резонаторов [39]. Они имеют обозначение Extended Cavity Laser (ECL). При этом управление может быть механическим, связанным со смещением избирательных отражательных элементов и термическим, связанным с изменением температуры тела генери- рующей среды (активного слоя полупроводникового лазера). Пример общей схемы механического управления излучением лазера приведен на рис. 3.21, где длина волны излучения определяется в связке схемы полупроводникового лазе- ра Фабри–Перо, плоского отражающего зеркала и избирательной отражатель- ной решетки. Плоским отражающим зеркалом меняется угол падения отражен- ного излучения относительно точки смещения. Другое решение по перестройке длины волны излучения с применением внешней избирательной системы приведено на рис. 3.22, где для управления длиной волны используется температурное воздействие на оптические филь- тры, имеющие различные частоты настройки. 134 Рис. 3.21. Схема лазера с внешней перестройкой длины волны излучения Температурными изменениями добиваются настройки фильтров на одном из множества пиков отражения волн, где и происходит генерация излучения благодаря полупроводниковому оптическому усилителю и отражающей систе- ме с делением мощности. Изолятор предотвращает проникновение в среду ге- нерации отраженных от волокна волн. Рис. 3.22. Схема термоперестраиваемого лазера ECL Emcore Пример современного конструкционного исполнения лазера ECL пред- ставлен на рис. 3.23, где нетрудно обратить внимание на его малые габариты в сравнении с габаритами физической платы для лазера и сопровождающей элек- троники. 135 Рис. 3.23. Конструкция лазерного модуля Tunable ECL TTX1994 ITLA Рисунок 3.24 – пример спектральной характеристики излучения лазера, представленный в документации производителя Emcore [39]. Другие характе- ристики помещены в табл. 3.2, по которой нетрудно составить сравнительную оценку некоторых рассмотренных лазеров для когерентных систем. Рис. 3.24. Спектральная характеристика излучения лазера TTX1994 ITLA 136 Табл. 3.2. Характеристики лазеров когерентных систем Характеристики Типы перестраиваемых лазеров когерентных систем Emcore ECL SG-DBR DS-DBR Y-Branch DBR Выходная мощность, дБм 15,5 12 14 13 Разброс мощности, дБ 8 6 6 4 Максимальная вели- чина шума, дБ/Гц − 145 − 135 − 135 − 135 Ширина спектра, кГц 100 5000 10 000 10 000 Потребляемая мощ- ность, Вт 3,5/5,0 − /6,6 3,8/5,5 3,7/4,8 Подавление боковых мод, дБ 45 38 40 40 Диапазон температур, ºС − 5…75 − 5…75 − 5…75 − 5…75 Сетка частот, ГГц Любая 25/50 25/50 50 Точность настройки, ГГц ±1,5 ±2,5 ±1,8 ±2,5 3.3. Способы модуляции оптического излучения Схемы и характеристики модуляторов В когерентных оптических системах передачи на скоростях от 40 Гбит/с и выше до известных решений 1 Тбит/с используется исключительно внешняя модуляция оптического излучения электрическим воздействием на среду рас- пространения этого излучения. При этом электрический модулирующий сигнал имеет, как правило, двоичное представление в форматах RZ или NRZ (рис. 3.25), а оптический сигнал в среде модуляции может иметь непрерывный характер или быть представленным оптическими импульсными посылками. Рис. 3.25. Форматы электрических сигналов для модуляции излучения: NRZ – Non Return to Zero – кодирование без возвращения к нулю, RZ – Return to Zero – возвращение к нулю 137 Параметрами модуляции оптического излучения могут быть: интенсивность оптического излучения (двухуровневые, трехуровневые,… n-уровневые); фазовые состояния оптических импульсных посылок (бинарные, квадратурные, 8-ми пози- ционные и т. д.); частотные состояния (2-х частотные, 4-х частотные и т. д.); поля- ризационные состояния (однополяризационные, двухполяризационные и т. д.); смешанные состояния оптического сигнала при модуляции, т. е. сочетание выше указанных. В зависимости от параметров модуляции строятся схемы внешних оптиче- ских модуляторов, которые, в свою очередь, базируются на различных электри- ческих и оптических эффектах, например, эффект Франца–Келдыша в обратно смещенном (запертом) p-n-переходе или электрооптический эффект Поккельса в анизотопных оптических кристаллах ниобата лития (LiNbO 3 ), нелинейный эффект Керра и др. Для реализации относительно простой внешней модуляции интенсивности оптического излучения применяются электроабсорбционные модуляторы (Electro-Absorption Modulators, EAMs), и модуляторы Маха–Зендера (Mach– Zehnder, MZ), встраиваемые (интегрируемые) в схемы с источниками излуче- ния (рис. 3.26, 3.27, 3.28, 3.29). Рис. 3.26. Структура лазера с модулятором EAM В модуле с EAM модуляция излучения по интенсивности (мощности на единицу площади) происходит от изменения напряженности электрического поля в слое InGaAsP EAM (рис. 3.26), примыкающем к аналогичному слою с брэгговской решеткой лазера DFB. Электрический ток, пропускаемый через конструкцию DFB, порождает одномодовое узкополосное когерентное излуче- ние, которое почти беспрепятственно проникает в широкий слой среды, про- зрачность которой зависит от величины напряженности электрического поля в обратно смещенном или запертом p-n-переходе EAM (рис. 3.27 диаграмма мо- дуляции). Электрический ток через среду модулятора не протекает, а случай- ный ток от лазера DFB отсекается изолятором. При этом полоса частот модуля- ции определяется межэлектродной емкостью, собственной емкостью запертого 138 p-n-перехода и сопротивлением цепи модулирующего сигнала. Контроль излу- чаемой мощности лазера производится с помощью фотодиода PD. В модуле с MZM модуляция интенсивности излучения или фазы излучения происходит от изменения напряженности электрического поля между электро- дами одного или двух волноводных каналов (рис. 3.28, 3.29, 3.30), выполнен- ных в подложке из электрооптического материала (чаще всего из ниобата ли- тия, обозначаемый LiNbO 3 или LN). Электрическое поле в электрооптическом материале воздействует на коэффициент преломления, т. е. на скорость распро- странения электромагнитной волны в волноводе. Это способствует изменению фаз волн в двух параллельных каналах, т. о., электромагнитная волна со входа поровну разделенная ветвителем 1×2 (Y-направленный разветвитель), прошед- шая с разной скоростью в параллельных волноводах, складывается в объедини- теле 2×1 (Y направленный объединитель) с разностью фаз от 0 до 180 0 или от 0 до π радиан. Рис. 3.27. Пример построения оптического передатчика со схемой электроабсорбционного модулятора EAM, диаграмма модуляции мощности (интенсивности) и его модуляционная характеристика с различными напряжениями модуляции [40] 139 Напряжение электрического поля, созданное модулирующим сигналом, при котором разность фаз равна π, называется полуволновым, обозначаемом Vπ или Uπ. При этом напряжении оптическая мощность на выходе MZM практиче- ски полностью отсутствует. Таким образом, модулирующее напряжение долж- но изменяться в таких пределах, чтобы фазовый сдвиг находился в интервале от 0 до π радиан и тогда будет формироваться модулированный по интенсивности оптический сигнал (рис. 3.30, б). Полоса частот модуляции, как и в EAM, опре- деляется межэлектродной электрической емкостью и сопротивлением цепи мо- дулирующего сигнала и обычно не превышает 20–50 ГГц. Рис. 3.28. Структура модулятора MZ Рис. 3.29. Пример построения оптического передатчика со схемой модулятора MZ 140 Рис. 3.30. Модулятор MZ и модуляция оптической мощности (интенсивности) излучения Одной из основных проблем простой внешней модуляции в EAM и MZM для систем передачи с DWDM является ограничение полосы частот модулиро- ванного оптического сигнала, обусловленное сеткой частот DWDM с интерва- лами 25 ГГц, 50 ГГц, 100 ГГц (рис. 3.31). Рис. 3.31. Проблема простой модуляции интенсивности оптической частоты при возрастании скорости передачи в спектральных каналах DWDM 141 При использовании простого формата NRZ для кодирования модулирующе- го сигнала с увеличением скорости передачи информационных данных (от 10 до 100 Гбит/с) потребуется увеличить частотный интервал между каналами и тем самым сократить число спектральных каналов, организуемых в системе пе- редачи. При этом также возрастут дисперсионные искажения в этих каналах, что потребует использования дополнительных средств компенсации дисперсии и оптического усиления. Для решения этих проблем оптической модуляции и передачи модулиро- ванных оптических сигналов в протяженных линиях были предложены принци- пиально другие способы и средства модуляции, которые предусматривают огра- ничение полосы частот модулированного сигнала в пределах известной сети ча- стот ITU-T (G.694.1), минимальную чувствительность сигнала к дисперсионным искажениям, накоплению оптических шумов в усилителях и т. д. Основой но- вых модуляторов стали интегрируемые структуры MZM и EAM на единых подложках (рис. 3.32) в модульные структуры. Для управления процессами мо- дуляции разработаны схемы оптических процессоров для передатчиков и при- емников, алгоритмы кодирования, декодирования, цифровой обработки сигна- лов для компенсации искажений в оптических каналах. Рис 3.32. Тренд развития интеграции оптических модуляторов [24] Одним из первых эффективных и широко применяемых решений по по- строению схем модуляторов для когерентной передачи стал модулятор с че- тырьмя параллельными оптическими каналами, построенным с двойным раз- ветвлением (рис. 3.33). Такая схема позволила реализовать квадратурную фазо- вую модуляцию QPSK (Quadra-Phase-Shift-Keying), детальное рассмотрение ко- торой приводится в гл. 4. 142 Рис. 3.33. Модулятор QPSK Для реализации возрастающих по сложности схем модуляторов для коге- рентных систем используется технология планарных (плоских) оптических ка- налов, создаваемых на различных подложках PLC (Planar Lightwave Circuits): Silica-on-Silicon PLCs с применением металлов Au, Au/Sn, Cr, NiCr, TiW, Al и Ti/Pt; полимеров Polymer PLCs. При этом наилучшие показатели передачи обеспечивают подложки из кремния (менее 0,02 дБ/см) [www.enablence.com]. В состав схем на PLC могут входить не только разветвители, параллельные ка- налы, электроды управления, но и поляризаторы оптического излучения, кото- рые преобразуют пучок света в две ортогональные волны, направляемые в па- раллельные структуры модулятора PDM-QPSK (Polarization-Division Multiplexing Quadra-Phase-Shift-Keying) (рис. 3.34), где каждая волна модулиру- ется по фазе своим закодированным сигналом (QPSK1, 2). Рис. 3.34. Структура PDM-DQPSK модулятора технологии PLC [24] Для реализации форматов модуляции QAM (Quadrature Amplitude Modulation), в которых предусматривается различное число состояний амплитуд (мощности) оп- тического сигнала (4, 8, 16, 32, 64, 128, 256), используются интегрированные моду- ляторы EAM (рис. 3.35). В этих модуляторах также применяются разветвители 143 оптического сигнала, отдельные каналы модуляции с фазовыми фиксированными задержками и аттенюаторами для задания амплитудного значения. Рис. 3.35. Модулятор Bell Labs 16 QAM modulator Также разработаны схемы модуляторов обеспечивающих модуляцию 2-х и большего числа оптических частот одним информационным сигналом (рис. 3.36), где для разделения несущих частот используются интерливинговые фильтры ILF (Interleave Filter), построенные по неравноплечим схемам MZ [41, 42]. Рис. 3.36. Структура двухчастотного OFDM QPSK модулятора технологии PLC [24] Метод OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, мультиплексиро- вание с ортогональным частотным разделением) – это метод передачи данных, при котором высокоскоростной поток данных разделяется на несколько относи- тельно низкоскоростных, каждый из которых передается на отдельной оптической несущей с последующим объединением данных. Каждая из несущих модулирует- ся независимо, например, с использованием модуляции вида BPSK (Binary Phase- 144 Shift Keying, двухпозиционная фазовая манипуляция), QPSK (Quadrature Phase- Shift Keying, квадратурная фазовая манипуляция) и их разновидностей или QAM. Таким образом формируется одновременная передача нескольких параллель- ных каналов, которые могут создаваться одним или несколькими лазерами, объединенными в решетку на одной подложке. Одно из преимуществ OFDM заключается в том, что с изменением вида модуляции каждой из несущих появ- ляется возможность адаптации к параметрам канала связи (т. е. при наличии помех скорость уменьшается, а при их отсутствии или снижении уровня, соот- ветственно, увеличивается). Возможности адаптации к параметрам канала и условиям передачи, заложенные в OFDM-методе, обеспечивают его высокую помехоустойчивость и надежность и в оптических системах. Возрастание сложности оптической схемы модулятора приводит к замет- ному увеличению габаритов изделий (достаточно сравнить рис. 3.35 и 3.37), что может сказаться и на габаритах оборудования. Кроме того, требуется более сложная электронная база управления и ее программное обеспечение. Рис. 3.37. Структура модулятора 64QAM [24] Примеры характеристик некоторых сложных схем оптических модулято- ров представлены в табл. 3.3 и на рис. 3.38. Табл. 3.3. Типовые характеристики 4-х канального модулятора PDM-QPSK для скорости передачи 112 Гбит/с [24] |