Солитонные сети. Часть 3

Николай Слепов2 ноября 2008
Рис. 4. Схема солитонной линии связи с ВКР-усилителям

Рис. 4. Схема солитонной линии связи с ВКР-усилителям

Экспериментальные линии связи

В 1983 г. Хасегава предложил схему солитонной линии связи, приведенную на рис. 4. Эта линия связи основана на топологии «точка—точка»; в ней реализована архитектура линейной последовательной цепи, состоящей из линейных сегментов световодов длиной L с ВКР-усилителями. Усиление организовано так: на концах каждого сегмента установлены направленные ответвители, через которые в линию связи (световод) в обоих направлениях вводится излучение накачки от непрерывного лазера, работающего на длине волны 1460 нм. В схеме может быть использовано одномодовое волокно — как обычное, так и со сдвигом дисперсии с эффективной площадью сердцевины 25 мкм2, работающее на длине волны 1550 нм. Реализованные значения L составили 40—50 км, а общая длина линии — 600 км. Она ограничивается, в основном, случайным шумом когерентного усиления, вызывающего флуктуацию времени прихода импульса на детектор (эффект Гордона—Хауса).

Серьезным стимулом к созданию новых экспериментальных солитонных линий связи стало появление в 1989 г. ОУ с диодной накачкой на основе легированного эрбием волокна (EDFA), работающего на длине волны 980 или 1480 нм. Эти ОУ относятся к классу усилителей с сосредоточенным (а не распределенным, как в усилителях на ВКР) усилением. ОУ такого типа были использованы в экспериментальной системе связи (1994 г.), рассчитанной на скорость передачи данных 80 Гбит/с по одномодовому волокну, которое работает на длине волны 1550 нм.

Реализованные значения L составили 25 км, а общая длина линии — 500 км с уровнем ошибок по битам BER=10-10 (рис. 5). Расстояние между усилителями выбиралось так, чтобы оно было больше периода солитона или сопоставимо с ним. Кроме того, использование волокна со сдвигом дисперсии позволило существенно уменьшить мощность источника, требуемую для формирования солитона. Указанная экспериментальная линия состояла из 20 линейных сегментов по 25 км каждый. Сегмент объединял усилитель EDFA и одномодовое волокно соответствующей длины. Линия функционировала следующим образом (рис. 5).

Рис. 5. Схема солитонной линии связи на волокне, легированном эрбием

Рис. 5. Схема солитонной линии связи на волокне, легированном эрбием

Генератор информационной последовательности (ГИП) на входе системы управлял импульсным источником излучения частотой 10 ГГц и — через электрический
усилитель (ЭУ) — оптическим модулятором на ниобате лития. Таким образом имитировался один канал данных со скоростью 10 Гбит/с. Для получения
информационной последовательности импульсов со скоростью 80 Гбит/с был использован оптический мультиплексор, реализованный в виде планарной оптической интегральной схемы, который объединял 8 каналов на 10 Гбит/с.

Для выделения на приемном конце канала сигнала тактовой синхронизации 10 ГГц указанные блоки настраивались так, чтобы амплитуды генерируемых ими солитонов отличались друг от друга. Сформированный мультиплексором оптический сигнал, усиленный в ОУ на ОВ, легированном эрбием (EDFA), подавался с его выхода на
первый линейный сегмент EDFA1-STF. Пройдя по цепочке из таких сегментов, сигнал демультиплексировался с выделением тактового сигнала синхронизации 10 ГГц, используемого в схеме детектора ошибок.

Источником излучения служил лазер, который работал на частоте 10 ГГц (период 100 пс) в режиме с активным захватом моды (M-L laser) и c кольцом ОВ,
легированного эрбием (EDF), в цепи обратной связи. Лазер генерировал солитонные импульсы длительностью 2,7—3,0 пс на длине волны 1552 нм. Сигнал на выходе
мультиплексора имел битовый интервал 12,5 пс, что соответствовало расстоянию между солитонами, равному примерно трем значениям ширины солитонного импульса; это позволяло избежать взаимодействия между солитонами.

Использовалось ОВ со сдвигом дисперсии, которое имело на длине волны 1552 нм дисперсию -0,19 пс/км/нм. Кодированные информационные импульсы усиливались ОУ EDFA до солитонной пиковой мощности порядка 8,2 дБм.

При демультиплексировании информационного сигнала 80 Гбит/с применялся отражатель в виде нелинейной оптической петли, нечувствительной к поляризации (PI-NOLM). Часть переданного сигнала принималась PIN-диодом для выделения сигнала таймера 10 ГГц, который затем использовался для управления лазерным диодом 1533 нм с распределенной обратной связью (DFB), генерирующим импульсы 9 пс вместо исходных. Эта импульсная последовательность применялась для управления вышеупомянутым отражателем, имевшим вид шестикилометрового отрезка ОВ, который сохранял поляризацию и вносил сдвиг дисперсии.

Указанная схема линии связи могла работать и на скорости 160 Гбит/с (эквивалент STM-1024). В таком случае битовый интервал уменьшался вдвое — до 6,25 пс, что соответствовало расстоянию между солитонами, равному примерно ширине солитонного импульса, и создавало условия для их взаимодействия. Для уменьшения битового интервала применялась ортогональная поляризация соседних солитонов, при этом была получена максимальная длина участка передачи 225 км с уровнем BER=10-10.

Перспективы внедрения солитонных линий связи

Как уже было сказано, перспективность солитонных систем и их преимущество перед обычными методами оптической передачи оценивается в соответствии с возможностями повышения скорости передачи и увеличения длины регенерационного участка. Основными препятствиями к внедрению солитонных линий являются шум
когерентного усиления (эффект Гордона—Хауса), аккумуляция усиленного спонтанного излучения (ASE) и солитон—солитонные взаимодействия.

Повышение скорости передачи

Основным препятствием здесь является солитон—солитонное взаимодействие. До начала широкого внедрения систем передачи на основе мультиплексирования с
разделением по длинам волн предполагалось, что на скоростях от 10 Гбит/с солитонные системы будут иметь преимущество перед обычными методами оптической
передачи. Однако с 1995 г. началось бурное развитие систем волнового мультиплексирования, основанных на технологии компенсации дисперсии — специальных кабелей с ненулевой (но небольшой по величине) дисперсией (NZDSF) и достаточно плоской характеристикой дисперсионного параметра D в области 1530—1565 нм, что передвинуло этот рубеж сначала до 40 Гбит/с, затем до 80 Гбит/с, а сейчас и до 320—400 Гбит/с.

Из рассмотренного выше видно, что для длительностей импульсов источника порядка единиц пикосекунд скорость передачи данных 160 Гбит/с в одном канале является фактически предельной (скважность импульсов — примерно 2). Дальнейшее увеличение скорости возможно лишь за счет уменьшения длительности генерируемых лазерными источниками импульсов, т. е. перехода к фемтосекундному диапазону. Это увеличивает скважность импульсов (при сохранении периода генерации импульса, что важно в случаях применения прежних типов лазеров) и уменьшает взаимодействие солитонов.

Для уменьшения длительности импульса солитона можно использовать эффект многосолитонного сжатия. Например, уже выбор солитона второго порядка дает возможность сжать исходный импульс лазера продолжительностью в 3 пс до уровня порядка 0,4 пс (400 фс). Это позволит (даже без формирования солитонов с
ортогональной поляризацией) получить удвоение скорости передачи данных (320 Гбит/с, битовый интервал 3,125 пс). Напомним, что оптические мультиплексоры (оптические интегральные схемы) способны нормально работать на таких скоростях.

Вместе с тем нужно отметить, что современный уровень развития обычных оптических систем мультиплексирования типа МРДВ позволяет даже при умеренных скоростях исходных мультиплексируемых потоков — например, 2,5 Гбит/с (STM-16) или 5 Гбит/с (ОС-96) — формировать следующие агрегатные потоки: 80 или 160
Гбит/с при коэффициенте мультиплексирования κ=32, 160 или 320 Гбит/с при κ=64 и, наконец, до 400 Гбит/с при κ=80. Таким образом, применение чисто солитонных линий связи не даст выигрыша в емкости линии уже при κ=32 (по сравнению с обычными оптическими системами на основе SDH/SONET — WDM/DWDM).

Конечно, солитонные линии связи могут использовать и технику мультиплексирования WDM. Однако если учесть, что для солитонных систем требуется высокий уровень мощности генерации солитонов и высокий уровень нелинейных эффектов, то создать волокно с плоской (в широком диапазоне длин волн) дисперсионной характеристикой (а значит, и гарантировать приемлемо большой коэффициент мультиплексирования) будет, видимо, достаточно сложно. При этом можно фантазировать о создании солитонных WDM-систем с κ=32 и скоростью солитонного сигнала в одном канале 80—160 Гбит/с.

Увеличение длины регенерационного участка

Что касается перспектив увеличения длины регенерационного участка, то они значительно лучше для солитонных систем, чем для обычных оптических, — даже если учесть, что в результате последних усовершенствований удалось довести длину регенерационного участка обычных систем до 250—500 км при использовании ОУ типа EDFA.

Для синхронных солитонных систем, которые могут работать на сверхдальних расстояниях без регенераторов, только с усилителями типа EDFA, в 1991—1992 гг. была предложена технология одновременного управления солитоном во временной и частотной областях. Эта технология задействует два механизма управления:

  • периодическую синхронную модуляцию (ПСМ) — для управления позицией солитона во временной области;
  • узкополосный перестраиваемый полосовой фильтр (УППФ) — для управления частотным спектром.

ПСМ позволяет не только устранить дрожание фазы солитона, вызванное эффектом Гордона—Хауса, но и значительно уменьшить уровень шума, вызванного спонтанным излучением (ASE). УППФ представляет собой узкополосный следящий фильтр с полосой пропускания шириной 0,3—0,4 нм, центральная длина волны которой перестраивается, управляя контуром стабилизации энергии солитона в частотной области.

Применяя УППФ, удалось на кольце солитонной линии связи длиной 500 км с усилителями типа EDFA, которые были расставлены через каждые 50 км, добиться прохождения солитоном 180 млн км без ошибок. Этот поразительный результат позволяет заявить, что при использовании солитонов практически не существует предела длины регенерационного участка.

Использование существующих ОВ-кабелей

Выше было отмечено, что солитон может быть сформирован только в среде с отрицательной дисперсией на длине волны генерации солитона. Это, однако, не означает, что для солитонных линий связи обязательно должны использоваться волокна с небольшой отрицательной дисперсией (например, типа NZDSF-). Солитон может распространяться и на участках с положительной дисперсией, характерных для уже существующих ВОЛС, но при этом нужно, чтобы на всей длине линии или на анализируемом участке средняя дисперсия групповых скоростей (СДГС) была отрицательной.

Так, на линии, состоящей из двух участков длиной 60 и 30 км с дисперсией -1,75 и +2,0 пс/км/нм соответственно, имеем отрицательную СДГС, равную -0,5 пс/км/нм. Это позволяет использовать данную линию для организации солитонной линии связи, если период солитона больше суммарной длины участков (90 км). Устанавливая после каждой пары таких участков усилитель, можно существенно увеличить общую длину линии связи (например, до 1170 км, как в экспериментах японского исследователя Наказава).

С Николаем Слеповым можно связаться по электронной почте: nslepov@rst.ru.

Статья была впервые опубликована на сайте xaoc.ru 5 мая 2006 г.

Источник: marsu.ru