В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
VSB (Vestigial Side Band, амплитудно-модулированный сигнал с частично по- давленными боковыми полосами частот) и SSB (Single-Side-Band, амплитудно- модулированный сигнал с одной боковой полосой частот), на которые указы- вают ряд исследовательских публикаций [71, 72, 73]. Возможности этих видов формирования сигналов оцениваются применительно к оптическим сетям до- ступа, распределения программ кабельного телевидения при спектральной эффективности, не превышающей 1 бит/с/Гц и дистанциями передачи в преде- лах 200 км. 4.5. Оценка спектральной эффективности формирования оптических сигналов и проблемы при передаче сигналов в оптических каналах Для оценки спектральной эффективности формирования сигналов для оптических каналов используется теоретический критерий К. Шеннона (теоре- ма Шеннона). Рассматривая все возможные многоуровневые и многофазные методы шифрования (кодирования и модуляции), теорема Шеннона утверждает, что пропускная способность канала (оптический спектральный канал таковым является), означающая теоретическую верхнюю границу скорости передачи данных, которые можно передать с данной средней мощностью сигнала через аналоговый канал связи, подверженный аддитивному белому гауссовскому шуму мощности равна (оптический шум спонтанной эмиссии ASE можно тако- вым считать): , где С – пропускная способность канала, бит/с; В – полоса пропускания канала, Гц; S – полная мощность сигнала над полосой пропускания, Вт; N – полная шумо- вая мощность над полосой пропускания, Вт; S/N – частное от деления отноше- ния сигнала к его шуму (SNR) на гауссовский шум, выраженное как отношение мощностей. Кроме того, предел Шеннона в технике волоконно-оптической свя- зи должен учитывать нелинейные свойства волокон (эффект Керра) при увели- чении совокупной мощности оптических каналов или для одного канала сохра- нения требуемого OSNR при увеличении оптической мощности. Примеры ли- нейного и нелинейного пределов Шеннона представлены в ряде исследований (рис. 4.38) [30, 51, 65, 66]. 189 Рис. 4.38. Теоретические пределы Шеннона и известные результаты спектральной эффективности в технике оптических каналов Принципиальные ограничения по Шеннону на величину спектральной эффективности с учетом вида модуляции и детектирования приведены в [66] (рис. 4.39). Рис. 4.39. Соотношения по Шеннону, позволяющие оценить пределы эффективности использования полосы частот [66] Пример расчетов спектральной эффективности различных фазовых и квад- ратурных форматов оптической модуляции для линейных асимптотических ограничений представлены на рис. 4.40. Нетрудно заметить по рисункам, что ли- нейные ограничения связаны с необходимостью увеличения отношения 190 сигнал/спонтанный шум. Превышение OSNR 24 дБ приведет к нелинейным огра- ничениям (рис. 4.38) и невозможности использования форматов PM-256QAM, PM-1024QAM. Рис. 4.40. Граница Шеннона для фазовой и квадратурной модуляции в оптических каналах для коэффициента ошибок 10 -3 Нелинейный предел спектральной эффективности оценивается в [65] ря- дом соотношений с учетом шумов усилителей и нелинейных свойств волокон: 2 2 1 1 log 1 log 2 2 NL s NL s P P N P P s e P e P SNR B C , где h n G N P sp a N 1 2 ln 2 2 2 ch eff NL N L c f BD B P , где С – общая емкость (скорость) в системе с полосой частот В; SNR – отношение сигнал шум; P s и P N – спектральная плотность мощности сигнала и шума; 191 P NL – спектральная плотность мощности нелинейных помех. Для систем с оптическими усилителями шумовая и нелинейная плотность спектральной мощности зависит от числа усилительных участков N a . G – коэффициент уси- ления; n sp – шум-фактор спонтанной эмиссии; с – скорость света; h – постоян- ная Планка; ν – оптическая несущая частота; D – хроматическая дисперсия в волокне; γ – нелинейный коэффициент; L eff – эффективная длина нелинейного взаимодействия (на каждом усилительном участке); Δf – полоса частот каждого оптического канала n ch WDM. Пример расчета спектральной эффективности в условиях нелинейных огра- ничений Шеннона приведен в [67] в сравнении двух различных технологий ка- нального кодирования (QAM и IPM, Iterative Polar Modulation) ( рис. 4.41 ). График показывает возможность достижения спектральной эффективности 5,5 бит/с/Гц при уровне мощности в оптическом канале 100 Гбит/с около − 6… − 7 дБм. Рис. 4.41. Пример расчета спектральной эффективности в нелинейном пределе Шеннона для различных видов модуляции QAM, IPM на скорости 100 Гбит/с при использовании FEC и вероятности ошибки 10 -3 [67] Детальное исследование роли каждого из нелинейных эффектов на огра- ничение спектральной эффективности приведено в [30] (рис. 4.42). Исследова- ние показывает, что наихудшие условия создают эффекты фазовой кросс- модуляции (XPM) и четырехволновое смешивание (FWM). Эти явления огра- ничивают спектральную эффективность 8 бит/с/Гц при соотношениях сиг- нал/шум 20–25 дБ и дисперсии 17 пс/нм×км для волокон SMF. 192 Рис. 4.42. Пример расчета предела спектральной эффективности для DWDM системы с учетом нелинейности волокна [30] Удвоение спектральной эффективности возможно с применением двух орто- гональных плоскостей поляризации оптической несущей частоты (рис. 4.43), что соответствует расчетам, отображенным на рис. 4.40. Рис. 4.43. Оптические частотные каналы с ортогональной организацией Открытым для поиска ответа остается вопрос о реальной спектральной эффективности OFDM и, не смотря на наличие ряда научных работ, прибли- женных вычислений и практических результатов пока нет. Среди проблем многопозиционной фазовой и амплитудной модуляции необходимо отметить фазовые и амплитудные шумы, вызываемые рядом фак- торов: шумы спонтанной эмиссии, фазовые флуктуации в каналах модуляторов, фазовый шум из-за нелинейных оптических эффектов, температурный дрейф характеристик модуляторов и др. Итогом этих дестабилизирующих факторов являются амплитудно-фазовые шумы, приводящие к расширению спектра ка- 193 нального оптического сигнала (рис. 4.44), что требует увеличения оптического соотношения сигнал/шум при увеличении числа состояний фаз и амплитуд (см. рис. 4.40, табл. 4.1). Рис. 4.44. Проблема фазового шума модуляции Табл. 4.1. Скорость передачи и спектральная эффективность оптических высокоскоростных каналов Линейная скорость, Гбит/с Скорость в Бод, ГБод Формат модуляции Бит/ символ Спектральная эффективность, бит/с/Гц Требование OSNR, дБ при BER = 10 -3 112 28 DP-QPSK 2 4 12,6 224 28 DP-16QAM 4 4 17,4 448 112 DP-QPSK 2 4 19,3 448 56 DP-16QAM 4 8 23,1 448 37 DP-64QAM 6 12 27,3 448 28 DP-256QAM 8 16 31,9 Среди проблем формирования оптических сигналов выделяются проблемы их устойчивости: к шумам спонтанной эмиссии, к хроматической и поляриза- ционно-модовой дисперсии, к нелинейным искажениям. В ряде исследований представлены результаты подобных оценок в сравнении различных форматов. На рис. 4.45–4.48 для наглядности представлены примеры исследований от компании Fujitsu 1 1 URL: www.fujitsu.com (дата обращения: 27.01.2015). 194 Рис. 4.45. Пример характеристик устойчивости сигналов (BER) различных форматов передачи к шумам (OSNR) на скорости 40 Гбит/с Рис. 4.46. Пример характеристик устойчивости сигналов (штраф) различных форматов передачи к хроматической дисперсии разных знаков на скорости 40 Гбит/с 195 Рис. 4.47. Пример характеристик устойчивости сигналов (штраф) различных форматов передачи к поляризационной дисперсии на скорости 43 Гбит/с Рис. 4.48. Пример характеристик устойчивости сигналов (штраф) различных форматов передачи к нелинейным оптическим эффектам, ограничивающим уровень мощности в одном оптическом канале на скорости 40 Гбит/с Если провести сравнительный анализ графических результатов исследова- ний, то нетрудно заметить явные преимущества фазовых методов модуляции (RZ-DPSK, RZ-DQPSK) по отношению к шумам, ПМД, нелинейным искажениям в волокне. Только в случае оценки устойчивости к хроматической дисперсии у DB формата лучшие показатели. 196 4.6. Характеристики промышленных когерентных передатчиков В мире телекоммуникаций многими компаниями (Avago, Cisco, Civcom, Emcore, Finisar, Fujitsu, JDSU, NeoPhotonics, Oclaro, Oplink, Opnext, Source Photonics, SHF, Sumitomo, WTD, Yokogawa и другими) налажен выпуск моду- лей оптических передатчиков и приемников для когерентных систем. Модули, как правило, размещаются в конструкциях транспондерных блоков. При этом лазерный источник передатчика может использоваться в качестве оптического гетеродина для когерентного приема. Ниже в качестве примеров представлены схемы, конструкции и характери- стики некоторых образцов продукции для построения аппаратуры когерентных систем передачи и сетей. 4.6.1. Когерентный транспондер CIVCOM Транспондер 100G DP-(D)QPSK Coherent Tunable Transponder C-band, 40.000 ps/nm рассчитан на применение в оптических сетях OTN/DWDM/ROADM/Ethernet любого масштаба (магистральных, внутризоновых и местных сетей) 1 Поддерживаются две скорости линейного сигнала: 111,81 Гбит/с и 127,16 Гбит/с и два формата модуляции DP-DQPSK, DP-QPSK. Компенсация дисперсии предусмотрена в диапазоне ±40 000 пс/нм. Рабочий диапазон волн – С Стандартная сетка частот оптических каналов 50 ГГц. В состав транспондера входят (рис. 4.49): цифровой синальный процессор DSP и демультиплексор DeMUX, используемый для компенсации хроматической и поляризационной модовой дисперсии 1 и 2-го порядков и также для выполнения операций упреждающей коррекции ошибок FEC с целью поддержки требуемого отношения OSNR в оптической сети. Также в коплекте схема формирователя линейного сигнала ASIC, далее в последовательности мультиплексор 20:4MUX, схема управления оптическим модулятором QUAD Driver и оптический модуль Optical MOD, в котором излучение лазера CW Tunable laser преобразуется в сигнал выбранного формата DP-(D)QPSK. Комплект транспондера выполнен согласно международному стандарту OIF-MSA-100GLH в интерфейсе MDIO стандартной карты. В качестве передатчика используется перестраиваемый лазер во всем C-диапазоне. Для когерентного приема предусмотрен отдельный перестриваемый лазерный гетеродин (локальный осциллятор, LO). В модуле поддерживается формат модуляции NRZ. В модуле расположены контроллеры согласования с электронными схемами передачи/приема информационных сигналов (OTU4, Ethernet 100 Гбит) и управления (Control Block). 1 URL: www.civcom.com (дата обращения: 27.01.2015). 197 Рис. 4.49. Структура когерентного транспондера CIVCOM Рабочий диапазон температур 0–70 0 С, требуемый диапазон напряжений электропитания 11,4–12,6 В, потребляемый ток 8 А, общая потребляемая мощ- ность 80 Вт. Размеры 177.8 × 127 × 33 мм (рис. 4.50). Технические характеристики передатчика (TX) и приемника (RX) транс- пондера представлены в табл. 4.2. Табл. 4.2. Оптические характеристики когерентного транспондера Параметр Ед. изм. Минимум Типовой Максимум TX Скорость бит/с 111,81 Гбит/с и 127,16 Гбит/с Диапазон настройки нм 1528,77 1563,66 Уровень мощности дБм − 1 0 +4 Спектр излучения кГц 100 500 SMSR дБ 40 RIN дБ/Гц − 140 RX Входная мощность дБм − 20 0 Время включения мс 25 Компенсация дисперсии пс/нм − 40 000 +40 000 Требуемый OSNR дБ 14 Устойчивость к ПМД пс 50 Устойчивость к отклонению часто- ты гетеродина ГГц − 2,5 +2,5 198 SMSR, Side-Mode Suppression Ratio (lasers) – подавление боковых мод в одномодовом лазере. RIN, Relative intensity noise (lasers) – относительная интенсивность шума лазера. Рис. 4.50. Конструкция когерентного транспондера 4.6.2. Оптический передатчик Communication Technologies AG Optical DP-QAM Transmitter SHF 46215 B Оптический передатчик SHF 46215 B 1 представляет собой блок формиро- вания сигналов QAM с двумя плоскостями поляризации (X- и Y-поляризация) скоростных режимов до 32 Гсимвол/с оптических данных и с общей скоростью до 256 Гбит/с. На выходе блока формируется модулированное излучение в двух ортогональных плоскостях с битовой синхронизацией во времени. Основу бло- ка составляют оптические модуляторы Маха–Зендера (рис. 4.51), совмещенные с фазовращателями, электронная схема управления модуляторами (Data drivers) и система автоматического мониторинга работоспособности блока (uC Control). Изделие представляет собой корпус с размерами 59 × 213 × 450 мм с рас- положенными на передней панели коннекторами для подключения 6 оптиче- ских сигналов (коннекторы FC/PC) (рис. 4.52). Один вход излучения от CW (перестраиваемого полупроводникового лазера), один выход и 4 входа для управления излучения от источника закодированных данных. Последние преду- смотрены для передачи четырех высокоскоростных потоков короткими оптиче- скими линиями, оснащенными модулями CFP. Масса изделия 3,3 кг, общая по- требляемая мощность 20,5 Вт, рабочий диапазон температур от 10 0 С до 35 0 С. В табл. 4.3 представлены технические характеристики SHF 46215 B. 1 URL: http://www.shf.de (дата обращения: 27.01.2015). 199 Рис. 4.51. Структура блока SHF 46215 B Рис. 4.52. Конструктивное исполнение DP-QAM Transmitter SHF 46215 B Табл. 4.3. Спецификация SHF 46215 B Параметр Ед. изм. Мини- мальное Типо- вое Макси- мальное Комментарий Оптические параметры Диапазон C- и L- диапазоны Вносимые поте- ри для каждой поляризации дБ 14 16 От коннектора до коннектора без учета модуляц. потерь Возвратные по- тери дБ 30 Без оптич. коннек- тора Электрические параметры Электр- оптическая по- лоса для моду- лятора данных ГГц 23 По уровню –3дБ оптического 200 Продолжение табл. 4.3. Параметр Ед. изм. Мини- мальное Типовое Макси- мальное Комментарий Скорость симво- лов DP-QPSK RZ/CS-RZ DP- QPSK Гбит/с 5 50 33 33 Потери в элек- трическом уси- лителе данных драйвера дБ –10 Уровень вводи- мых данных QAM QPSK V p-p 0,4 0,25 0,9 Уровень вводи- мых тактов для RZ формата V p-p 0,5 1,2 Сигнал/шум для DPSK формата со входов дан- ных I X , Q X , I Y , Q Y 9 11 Абсолютные характеристики схемы передатчика определены для мощно- сти вводимого излучения +17 дБм и +18 дБм, для мощности вводимых данных усилителя +4 дБм, мощности тактирующего RZ сигнала драйвера +4 дБм. 4.6.3. Технические характеристики транспондера Cisco 100G CP-DQPSK Транспондерная карта Cisco 100G CP-DQPSK Coherent DWDM Trunk Card (рис. 4.53) предназначена для использования в составе оптической мультисер- висной платформы ONS15454 100 Гбит/с с поддержкой плотного спектрально- го мультиплексирования (спектральный интервал 50 ГГц или 0,4 нм), пере- стройкой в дивпвзоне С на 96 волн и совокупной скорости до 9,6 Тбит/с 1 . Мак- симальное перекрываемое расстояние передачи в оптическом канале до 3000 км. Передача сигналов на скорости 100 Гбит/с может производиться в во- локнах низкого качества, т. е. с повышенной ПМД (0,5 пс/√км). В транспондер- ную карту входят три блока (рис. 4.54): блок согласования клиентской нагрузки (CXP 100GBASE-SR10); блок коррекции ошибок (100GFEC ASICS); оптиче- ский канальный (линейный) блок (CP-DQPSK Trunk Module). 1 URL: www.cisco.com (дата обращения: 27.01.2015). 201 Рис. 4.53. Структура транспондера Cisco 100G CP-DQPSK Оптический передатчик и когерентный приемник размещены в одном бло- ке и построены модульно из отдельных интегральных схем ( рис. 4.55 ). Рис. 4.54. Конструкция транспондерной карты Cisco 100G CP-DQPSK Рис. 4.55. Интегральные компоненты оптического блока транспондерной карты Cisco 100G CP-DQPSK В клиентском блоке сигнал 100GE LAN-PHY на скорости 101,125 Гбит/с размещается в структуре OTU-4, которая имеет скорость передачи 111,809 Гбит/с. OTU-4 дополняется полем коррекции ошибок FEC в блоке 100GFEC ASICS и по- лучает скорость передачи 124,964 Гбит/с. После предварительного кодирования на модулятор передатчика передаются параллельно четыре сигнала со скоростью 31,241 Gbaud ± 20 ppm. 202 Выходная мощность оптического передатчика может составить от − 2 дБм до +1,5 дБм в зависимости от масштабов использования в сети (местные или ма- гистральные сети). Устойчивость к хроматической дисперсии составляет ±70000 пс/нм. Уровень входной мощности на прием со стороны оптической линии от 0 до − 14 дБм. Допустимая величина OSNR в пределах от 7,5 дБ до 9,0 дБ при использовании UFEC (20 % от емкости кадра OTU-4), при вероятности ошибки менее 10 -2 на входе блока 100GFEC ASICS и допустимого накопления ПМД до 180 пс. При аналогичных параметрах входной мощности, но с применением упрощенных алгоритмов GFEC (7 % от емкости кадра OTU-4), при вероятности ошибки менее 4 × 10 -3 допустимая величина OSNR в пределах от 9,5 дБ до 11 дБ и допустимого накопления ПМД до 180 пс. Потребляемая мощность транспон- дерной картой составляет от 125 Вт до 133 Вт. |