Сети DWDM с применением усилителей EDFA и компенсаторов дисперсии DCM

Для увеличения пропускной способности в современных ВОЛС, помимо технологий WDM и CWDM, применяется метод плотного спектрального уплотнения каналов – технология DWDM.

Поскольку в оптическом волокне происходит ослабление сигнала, через определенное расстояние требуется его восстановление. Для этой цели в сетях DWDM используются оптические усилители. Наибольшее распространение получили усилители на основе примесного оптического волокна легированного эрбием Erbium Doped Fibre Amplifier (EDFA). В отличие от 3R регенерации – Retiming (ресинхронизация), Reshaping (восстановление формы), Reamplifying (усиление), усилители EDFA выполняют только одну функцию 1R – усиление. Оптический усилитель имеет три существенных преимущества перед регенератором 3R. Во-первых, оптический усилитель конструктивно проще. Во-вторых, оптический усилитель, в отличие от регенератора, не привязан к протоколу или скорости передачи и может преобразовывать (усиливать) входной сигнал любого формата. В третьих, оптический усилитель способен одновременно усиливать большое число независимых спектрально разделенных каналов, в то время как регенератор может обрабатывать только один канал (одну длину волны). Перечисленные преимущества оптического усилителя настолько сильны, что отодвигают один из его главных недостатков на задний план — оптический усилитель вносит шум. 

Усилители EDFA являются аналоговыми устройствами, их каскады обеспечивают усиление мощности передаваемого оптического сигнала, однако при этом они накапливают искажения (шумы усилителя, хроматические и поляризационные дисперсионные искажения оптического кабеля и т.д.), возникающие на различных участках сети DWDM, что приводит к снижению отношения сигнал/шум Optical Signal-To-Noise Ratio (OSNR) на приемной стороне в конце магистрали. Поэтому, на этапе проектирования сети, необходимо предусмотреть такой исходный запас помехоустойчивости для каждого спектрального канала, который позволил бы обеспечить требуемую помехозащищенность переданного информационного сигнала в конце линии DWDM. 

Из-за высокой стоимости у большинства производителей телекоммуникационного оборудования, усилители EDFA применялись в основном на сетях DWDM региональных и межрегиональных масштабов, однако благодаря появлению на рынке аналогов с меньшей стоимостью усилители EDFA нашли свое применение в сетях широкополосного доступа. 

Основная причина возникновения шума на выходе усилителя – мощность усиленного спонтанного излучения Amplified Spontaneous Emission (ASE). При отсутствии сигнала на входе усилителя, в волокне активной зоны усилителя присутствуют спонтанно образованные фотоны, вследствие их тиражирования появляются вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Результирующий спектр данных фотонов представляет из себя усиленное спонтанное излучение. При подаче на вход усилителя сигнала от лазера, часть энергетических переходов, ранее работавшая на ASE, начинает происходить под действием сигнала от лазера, усиливая входной сигнал. Происходит отток мощности от ASE в пользу усиливаемого сигнала. Чем ближе выходная мощность усилителя к мощности насыщения (максимальная выходная мощность), тем меньший уровень ASE присутствует на выходе усилителя. Общий уровень шума на выходе усилителя EDFA это сумма уровней шумов ASE и уровня мощности шума нулевых флуктуаций вакуума. Одной из основных характеристик усилителя EDFA, которую нужно учитывать при проектировании сетей DWDM, является коэффициент шума (Noise Figure). Значение коэффициента шума определяется как отношение сигнал/шум на входе (OSNRIN) к отношению сигнал/шум на выходе усилителя (OSNROUT). Также, следует учитывать, что вклад в общую мощность сигнала шума, вызванного ASE, зависит от ширины спектра выходного сигнала трансивера DWDM, чем шире спектр, тем больше шума попадает в канал. Уровень шума ASE определяется выражением:

 

ASEΔV=ASE×ΔV, где ΔV – ширина спектра на выходе трансивера DWDM.

При создании сетей DWDM большой протяженности, часто возникает необходимость последовательной установки в линию нескольких усилителей EDFA. Каждый последующий усилитель, вносит в групповой сигнал собственную составляющую шума (рис. 1), уменьшая отношение сигнал/шум. Поэтому количество усилителей в линии, без точек регенерации 3R ограничено и зависит от следующих параметров – тип/марка оптического кабеля, максимальное расчетное число каналов DWDM, скорость передачи данных каждого канала, допустимое отношение сигнал/шум на входе оптического приемника, неравномерность АЧХ и коэффициент шума на выходе каждого из усилителей EDFA. 

Помимо предельного отношения сигнал/шум, протяженность линий DWDM ограничена влиянием на передаваемые сигналы дисперсии – искажение импульсов передаваемых сигналов (рис. 2). Поскольку оборудование DWDM работает на одномодовых волокнах, учитываются хроматическая и поляризационная модовая дисперсии.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющей, материальная обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны, волноводная обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны. Коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, коэффициент материальной дисперсии может принимать и положительные и отрицательные значения. На определенной длине волны происходит взаимная компенсация составляющих и результирующая дисперсия равняется нулю, длина волны, на которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии. 

На территории Российской Федерации наиболее распространены оптические кабели с волокнами стандарта ITU-T G.652, данный стандарт разрабатывался в середине 80-х годов прошлого века для одноканальных систем передачи, работающих на длине волны 1310 нм, поэтому длина волны нулевой дисперсии для этого стандарта находится в диапазоне 1310±10 нм. В рабочем диапазоне длин волн DWDM (1528÷1560 нм) у данного типа волокон коэффициент хроматической дисперсии равен, без учета наклона нулевой дисперсии, 17 пс/нм×км. 

На этапе разработки проекта сети DWDM необходимо учитывать допустимые значения дисперсии для используемых трансиверов, причем чем выше скорость передачи трансивера DWDM, тем жестче требования к искажениям из за хроматической дисперсии. При необходимости, нужно включать в линию компенсаторы хроматической дисперсии Dispersion Compensation Module (DCM). Компенсаторы дисперсии вносят дополнительные ограничения на количество усилителей EDFA, т.к. вносят дополнительное затухание для передаваемых каналов и уменьшают длину усилительного участка. Также необходимо учитывать коэффициент наклона нулевой дисперсии в оптическом волокне и в используемых компенсаторах, т.к. коэффициент хроматической дисперсии зависит от длины волны, а трансиверы DWDM калибруются в расчете на положительное значение дисперсии.

Поляризационная модовая дисперсия PMD возникает в оптическом волокне вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды (рис. 3).Дисперсия PMD проявляется в одномодовых волокнах и связана с неоднородностью их геометрической формы. В отличии от хроматической, дисперсия PMD не может быть скомпенсирована и накапливается на протяжении всей длины линии DWDM. При проектировании сети необходимо учитывать удельный коэффициент PMD волокна и характеристики используемых трансиверов. Влияние PMD на передаваемые сигналы увеличивается по мере увеличения скорости передачи и становиться существенным на скоростях выше 2 Гбит/c. 

Разработка проекта протяженной сети DWDM не является тривиальной задачей, которая имеет «шаблонное» решение. Топология сети, места установки компенсаторов дисперсии, настройки усилителей и их тип и т.д. могут существенно отличаться при незначительных различиях исходных условий. 

На рисунке 4 приведен пример сети DWDM емкостью 15 каналов Ethernet 10 Gbps на оптическом волокне стандарта G.652 с использованием трансиверов UpNet XFP. Протяженность сети 465 километров, минимальное расчетное значение OSNR 27,7, неравномерность АЧХ усилителей не более 1 dB, число усилителей рассчитано для 15 каналов и допустимого OSNR для каждого из них, также в линии установлены компенсаторы дисперсии DCM-C, их количество, номинал и места установки рассчитаны исходя из параметров трансиверов.