eng
Выпуск #3-4/2009
Н.Слепов.
Системы SDH уровня STM-1024: эксперименты или реальность?
Системы SDH уровня STM-1024: эксперименты или реальность?
Просмотры: 4632
Системы SDH используют для передачи сигнала одну оптическую несущую. Их развитие, с момента создания иерархии SDH в 1988 году, шло по пути увеличения скорости передачи данных. Эта скорость, в соответствии c законами иерархии SDH [1], составляла сначала 155 Мбит/с (1-й уровень синхронного транспортного модуля – STM-1), а затем возрастала в четыре раза от уровня к уровню. Сегодня скорость промышленных SDH-систем достигла 40 Гбит/с (STM-256). Следующий шаг – 160 Гбит/с (STM-1024) – дается с трудом. Об этом и повествует краткий обзор лабораторных систем этого класса, разработанных за последние годы.
Проблемы
Основные проблемы, которые пришлось преодолевать для достижения нужных показателей скорости и длины пролета (или секции), общеизвестны [1, 2]. Это затухание сигнала, вызванное рэлеевским рассеянием, и уменьшение интенсивности сигнала из-за хроматической дисперсии (CD), а на высоких скоростях и из-за поляризационной модовой дисперсии (PMD). Сказываются и нелинейные эффекты в оптическом волокне (ОВ) при большой мощности входного сигнала, нужной для достижения максимальной длины пролета/секции. Для скоростей до 40 Гбит/с эти проблемы, можно считать, преодолены, так как серийные мультиплексоры уровня STM-256 уже эксплуатируются на линиях связи. Последние несколько лет специалисты пытаются разрешить данные проблемы для следующей скорости иерархии SDH – 160 Мбит/с (STM-1024).
Рэлеевское рассеяние [1] – это неизбежное зло для оптических систем на всех скоростях. Оно преодолевается использованием третьего окна прозрачности (диапазон длин волн 1525–1575 нм) и современных ОВ, где получено затухание порядка 0,17–0,18 дБ/км, а также оптических усилителей (ОУ), компенсирующих потери на длине пролета/секции.
Хроматическая дисперсия компенсируется либо выбором ОВ типа DSF с нулевой дисперсией на частоте оптической несущей (1550 нм), либо (если выбрано или проложено ОВ другого типа) применением модуля компенсации дисперсии (DCM) нужного типа, позволяющего компенсировать накопленную на длине пролета/секции дисперсию [1], или других средств компенсации дисперсии (например, оптических или электронных), или, наконец, применением схемы ОВ с управлением дисперсией [3].
Поляризационная модовая дисперсия пока еще трудно поддается компенсации [4], но ее влияние и раньше можно было минимизировать путем выбора подходящего ОВ и замены формата двоичного кодирования без возврата к нулю (NRZ) на формат с возвратом к нулю (RZ) [5]. Уже появились и сообщения о возможности автоматической компенсации PMD [6].
Влияние нелинейных эффектов, вызванных мощным сигналом, вводимым в ОВ, можно уменьшить, используя ОВ с большим сечением. Но получаемый при этом выигрыш невелик (из-за ограничений на диаметр сердцевины) и такое решение обычно не используют. Вместо этого ограничивают уровень сигнала, подаваемого в ОВ, и применяют тандем ОУ EDFA-Raman (ОУ на ОВ, легированном эрбием, и ОУ на эффекте Рамана), вытягивая за их счет нужный уровень сигнала на приеме. Этого же можно достичь, снижая требования к допустимому уровню ошибок (BER) на приемной стороне (вход демультиплексора) и добиваясь нужной надежности приема за счет упреждающего кодирования, корректирующего ошибки (FEC), а также выбирая оптимальный модуляционный формат для представления двоичных данных [3].
Выбор оптимального модуляционного формата для высокоскоростных систем в последнее время стал предметом особого внимания. Так, для систем с одной несущей в одних работах [7, 8] демонстрируют эффективность форматов CS RZ (RZ с подавленной несущей). В других [4, 9] говорят об эффективности формата DBM (дуобинарная модуляция) или его обобщения PSBT (двоичная передача с фазированием и фильтрацией сигнала), в частности, версии BL-PSBT (PSBT с общим ограничением по ширине полосы), или же чирпованного формата DBM (CDBT) [10]. В большинстве последних работ [3, 4, 11–13], однако, демонстрируются результаты, свидетельствующие в пользу сочетания форматов RZ-PSK: RZ DPSK, RZ-QPSK, RZ-DQPSK, RZ-8DPSK (RZ с различными типами фазовых манипуляций: дифференциальной, квадратурной, дифференциальной квадратурной и 8-фазной дифференциальной). В этих работах не только показана эффективность данных методов в противостоянии различным типам дисперсии (CD и PMD), но и их меньшая чувствительность к уровню накопленного усиленного спонтанного излучения (ASE) [1]. Отмечается, что в общем случае эти методы модуляции характеризуются более высоким порогом, при котором нелинейности ОВ влияют на качество передачи.
Недавно (2003 г.) был предложен подход, конкурирующий с оптимизацией модулирующего формата и основанный на применении оптического преобразования Фурье (OFT) во временной области [14]. OFT в комбинации с использованием ограниченных процессом преобразования оптических импульсов (TL-импульсов) позволяет оперировать при передаче спектральным, а не временным, представлением оптического импульса, которое практически не искажается при трансляции. Форма TL-импульсов, как показано в [14], описывается функцией гиперболического секанса (sech), как и для солитонов [15]. Для их существования необходима среда с отрицательной дисперсией групповых скоростей (GVD) [15]. Реализация этой идеи позволила группе исследователей [16] получить феноменальные результаты, описанные ниже.
Эксперименты
Экспериментальные исследования одноканальных оптических систем передачи со скоростью 160 Гбит/с начались на рубеже последних столетий. Охватить все посвященные им публикации невозможно, однако рассмотренные ниже источники достаточно хорошо покрывают период с 2000 по 2007 год.
Одной из первых была работа 2000 года [17], где описывались результаты лабораторных модельных экспериментов по передаче в формате RZ потока данных со скоростью 160 Гбит/с по стандартному ОВ G.652 на длине волны 1550 нм. Достигнутая дальность передачи составила 160 км. Примерно этот же состав авторов через год сообщил [18] о результатах натурного эксперимента по передаче потока 160 Гбит/с по такому же волокну, но проложенному в полевых условиях, на той же длине волны. Достигнутая длина передачи составила 116 км, что на 27,5% меньше (это, видимо, объясняется ухудшением дисперсионных характеристик ОВ в реальных условиях). При этом демодуляция проводилась путем демультиплексирования потока 160 Гбит/с в формате оптического TDM (OTDM) в потоки 40 Гбит/с в формате электрического TDM (ETDM).
Большую длину передачи (200 км) удалось достичь коллективу экспериментаторов в том же году [19], используя аналогичную лабораторную модель, но с другим типом волокна (NZDSF) [1]. Спустя два года (2003 г.) длина передачи потока 160 Гбит/с сигнала по стандартному волокну G.652 была увеличена до 240 км [20], но уже благодаря методу управления дисперсией, основанному на чередовании ОВ с положительной и отрицательной дисперсией.
Система с форматом сигнала CS-RZ
Существенный прогресс в увеличении длины передачи в 2003 году все же был достигнут только благодаря прогрессивным модуляционным форматам, в частности – CS-RZ [8]. В этом эксперименте сигнал 160 Гбит/с формировался по стандартной процедуре OTDM из четырех 40-Гбит/с компонентных сигналов (трибов). Для высокоскоростных систем с подавлением несущей было важно контролировать оптические фазы каждого TDM-канала, для чего применялись четыре электроабсорбционных модулятора (EAM). Они работали по схеме с бит-интерливингом [1] и формировали сначала пару 80-Гбит/с TDM-сигналов, а затем сигнал 160 Гбит/с в двух вариантах: CS-RZ (с начальными оптическими фазами 0 и 180°) и синфазный (с фазой 90°) RZ (см. их спектры на рис.1).
Схема эксперимента (рис.2) включала маршрутную петлю (для многократного прохождения сигнала), состоящую из одномодового ОВ (ОМ ОВ) длиной 80 км и волокна для компенсации дисперсии (DCF), обрамленного двумя усилителями EDFA для компенсации вносимого затухания. Для увеличения длины передачи сигнал 160 Гбит/с подавался на вход системы чирпованным (путем включения ОВ с отрицательной GVD, равной -650 пс/нм, которая компенсировалась перед приемником отрезком стандартного ОМ ОВ), а также дополнительно усиливался на выходе распределенным (за счет диодного массива DRA – источника рамановской накачки) усилителем Рамана. В приемнике сигнал демодулировался в два приема: 160→40 и 40→10 Гбит/с. В результате эксперимента (рис.3) максимальная длина передачи составила 640 км для формата CS-RZ и 560 км для синфазного RZ формата.
Система с форматом сигнала RZ-DPSK
В работе [12] представлены результаты эксперимента по передаче на 650 км (5 пролетов по 130 км) сигнала со скоростью 170,6 Гбит/с в формате RZ-DPSK (скорость сигнала 160 Гбит/с была формально увеличена на 7% с учетом возможного последующего применения FEC с кодеком Рида-Соломона для увеличения длины передачи).
В эксперименте (рис.4) передатчик был представлен настраиваемым лазерным диодом с синхронизацией мод (TMLL), излучающим 2-пс импульсы с длиной волны 1551,5 нм и частотой повторения 10,7 ГГц, которые мультиплексируются с помощью оптического мультиплексора (Pulse OMUX) в агрегатный сигнал 42,6 ГГц (рассматриваемый далее как оптический триб [1]). Четыре таких триба подаются на модуляторы (источник данных – псевдослучайная двоичная последовательность ПСП (PRBS) длиной 27 - 1 бит) и линейные кодеры, представленные манипулятором DPSK, а затем – на двухступенчатый OTDM-мультиплексор Data OMUX, формирующий агрегатный сигнал 170,6 Гбит/с. В отличие от эксперимента с форматом сигнала CS-RZ [8], в данном случае модуляторы не обеспечивали фиксированных фазовых соотношений между OTDM-трибами.
Сигнал 170,6 Гбит/с, прошедший пять пролетов стандартного ОМ ОВ (рис.4б), демультиплексировался до уровня 42,6 Гбит/с сигнала DPSK стандартным EAM с помощью блока восстановления синхронизации (CR). Сигналы DPSK детектируются балансным PSK-приемником, настроенным по уровню оптического отношения сигнал/шум (С/Ш) в точке R с помощью аттенюатора ATT (см. рис.4а), и демодулируются интерферометром Маха-Цендера.
Схема организации одного пролета стандартного ОМ ОВ длиной 130 км (см. рис.4б) включает прекомпенсатор дисперсии (-180 пс/нм); контроллер поляризации, позволяющий настроить требуемый уровень PMD; связку усилителей EDFA-Raman в начале и конце пролета; модуль компенсации дисперсии DCM с усилителем EDFA (PDCM); посткомпенсатор дисперсии (сегмент ОВ с положительной дисперсией), позволяющий свести к нулю накопленную на длине пролета дисперсию.
На рис.5 приведены данные измерений зависимости уровня BER от отношения оптического С/Ш для двух случаев: непосредственного соединения передающего и приемного модулей системы (Back-to-Back – B2B) и с учетом прохождения сигналом 170,6 Гбит/с пяти ОВ-пролетов длиной по 130 км.
Система с форматом сигнала RZ-DPSK и кодированием FEC
На предыдущий эксперимент формально похожи и исследования по передаче OTDM-сигнала в формате RZ-DPSK [3]. Они отличаются тем, что в эксперименте DPSK и FEC не эмулировались, а были реализованы с помощью модулей серийной аппаратуры. Линия передачи ВОЛС (длиной 480 км) была составлена из трех пролетов по 160 км, использующих схему ОВ с управлением дисперсией (DMF). Затухание порядка 36 дБ/пролет компенсировалось только усилителями EDFA. Суть DMF – в использовании перемежающихся сегментов ОВ одного типа, но с положительным или отрицательным дисперсионным параметром D [15], совпадающим в каждой точке по модулю величины и модулю угла наклона (последнее более важно для систем WDM).
Схема эксперимента (рис.6) включала приемопередатчик линейного кода DPSK и собственно звено передачи. В передатчике с помощью лазера с синхронизацией мод TMLL с длиной волны 1553 нм и блока умножения с фазовой стабилизацией создается несущий поток оптических импульсов частотой 43 ГГц и шириной импульсов 1,8 пс. Этот поток модулируется источником сигнала с помощью двухтактного модулятора Маха-Цендера и кодируется передатчиком, который включает кодер линейного кода DPSK и усовершенствованный кодер упреждающей коррекции ошибок (UFEC), который дает дополнительный выигрыш 2 дБ в отношении С/Ш по сравнению со стандартным кодером FEC типа Рида-Соломона (255,239) при BER=10-16.
Так как в качестве источника сигнала обычно используется двоичная ПСП, а характеристики передачи системы чувствительны к ее длине [3], то для UFEC-кодера в этом эксперименте использовалась максимально длинная ПСП (231 - 1 бит). В этой связи отметим, что фактически характеристики передачи чувствительны не к длине ПСП, а к ее периоду, который определяет корреляционные свойства ПСП и может быть, при неудачном выборе схемы ее генерации, много меньше ее длины (об особенностях выбора ПСП см. работу [21]). Из-за использования UFEC-кодера DPSK-сигнал, передаваемый на скорости 43 Гбит/с, терял структуру (и свойства) ПСП. Этот сигнал на выходе мультиплексировался в поток 172 Гбит/с (4×43 Гбит/с) с помощью оптического мультиплексора OMUX, сконструированного так, чтобы сохранить хотя бы структуру ПСП длиной 27 - 1 в потоке 172 Гбит/с. Это обеспечивало достаточную некоррелированность оптических трибов 43 Гбит/с, сформированных по технологии OTDM.
Поток данных передавался через три 160-км пролета по волокну типа Ultrawave компании OFS Denmark с управлением дисперсией. Каждый пролет состоял из последовательно соединенных двух пар сегментов, состоящих из ОВ с большой площадью поперечного сечения (SLA) длиной 53 км и положительной дисперсией D = 20 пс/нм/км и ОВ с отрицательной дисперсией (IDF) D = -40 пс/нм/км длиной 27 км. Длина каждой пары составляла 80 км, а двух пар – 160 км. Средние потери на пролете порядка 36 дБ компенсировались усилителями EDFA. В эксперименте мощность потока Psp на входе пролетов менялась от 6 до 14 дБм (средняя дисперсия GVD для пролета была порядка 0,4 пс). Отметим, что в этом эксперименте на линии передачи не использовались контроллеры поляризации и не предпринимались меры по ослаблению влияния PMD или какие-то дополнительные устройства компенсации хроматической дисперсии.
В приемном тракте сигнал усиливался с помощью EDFA и подавался на демультиплексор, состоящий из схемы восстановления синхронизации на основе EAM [22] и оптического переключателя, также построенного на базе EAM. Полученный в результате поток 43 Гбит/с фильтровался полосовым оптическим фильтром c полосой пропускания 2 нм, а затем детектировался в приемной части приемопередатчика. Она включала интерферометр с линией задержки 23,3 пс, балансный детектор и UFEC-декодер. Параметры приемника автоматически настраивались на оптимальный уровень BER, требуемый для UFEC. В режиме прямого соединения блоков (B2B) оптическое отношение С/Ш подстраивалось переменным оптическим аттенюатором (VOA), включенным между передатчиком и предусилителем приемной части.
На рис.7 приведены значения BER в зависимости от отношения С/Ш для варианта измерения B2B до и после передачи на 480 (3×160) км. Для получения BER = 10-9 при скорости 172 Гбит/с, кодировании UFEC и варианте B2B требуется С/Ш=24,8 дБ, тогда как при скорости 43 Гбит/с достаточно 18,3 дБ. Соответственно, для получения такого же BER, но применительно к исходному потоку данных 160 Гбит/с, требуется отношение С/Ш=18,3 дБ (а при 40 Гбит/с – 13,3 дБ).
Оптимальные показатели системы были получены при уровне сигнала на входе пролетов 11,5 дБм (что соответствует уровню BER 10-6 при кодировании кодом типа UFEC). При мощности на входе пролета выше 12 дБм сигнал начинает деградировать из-за нелинейных искажений в ОВ, что ухудшает показатели всей системы в целом. Типичными значениями BER были (1,3...2,8)·10-6 при отношении С/Ш = 22 дБ. Эти результаты указывают, что для скорости 160 Гбит/с, даже применяя сверхдлинные пролеты (160 км), можно эксплуатировать ВОЛС длиной не меньше 1000 км [3, 23].
Система с прямым и обратным оптическим преобразованием Фурье
При разработке описанных выше 160-Гбит/с систем передачи все исследователи столкнулись с проблемой высокой чувствительности систем к дисперсии (CD, PMD) и ее изменениям во времени. Дисперсия вызывала существенные искажения формы сигнала. Единственным решением проблемы было сведение всех дисперсий к нулю. Поэтому интересным было бы любое новое решение, позволяющее добиться тех же результатов, но без специальных мер по компенсации влияния дисперсии (CD и PMD) на форму сигнала. Такое решение предлагала система с OFT, описанная в работе [16] и основанная на результатах работы [14].
Идея заключалась в том, чтобы преобразовать на входе системы с помощью OFT исходный временной сигнал, форма которого искажается дисперсией, в частотный сигнал, спектр которого не меняется под действием дисперсии, передать его на нужное расстояние, а на выходе системы снова преобразовать его, но с помощью обратного OFT, во временной сигнал, форма которого воспроизведет исходную, т.е. останется практически неизменной.
Результаты эксперимента показывают [16], что этого можно достичь, если применить OFT не к исходным временным сигналам, а к упомянутым выше TL-импульсам, или чирп-импульсам (импульсам с наложенной линейной частотной модуляцией – ЛЧМ) [15]), пропущенным через дисперсионную среду определенной длины (с отрицательной дисперсией групповых скоростей D=1/K, где K – скорость изменения частоты). Выполнение этих ограничений гарантирует, что выход OFT будет пропорционален спектру исходного сигнала, а значит при обратном OFT исходный временной сигнал будет точно восстановлен.
В эксперименте [16] (рис.8) источником оптических импульсов служил волоконный лазер с синхронизацией мод MLFL, использующий ФАПЧ. Он генерировал гауссовские TL импульсы длительностью 1,7 пс на длине волны 1550 нм с тактовой частотой 40 ГГц. Поток импульсов затем модулировался модулятором (LN) по методу амплитудной манипуляции (On-Off Keying - OOK) сигналом ПСП длиной 215 - 1. Четыре потока 40 Гбит/с на выходе оптически мультиплексировались (MUX) в OTDM-сигнал 160 Гбит/с, состояние поляризации которого оптимизировалось контроллером поляризации.
Сигнал 160 Гбит/с передавался через восемь пролетов длиной около 75 км каждый (общая длина ВОЛС – 600 км) по схеме ОВ с управлением дисперсией: чередовались ОВ типа стандартный ОМ ОВ и ОВ с отрицательной дисперсией. Затухание в пролетах компенсировалось оптическими усилителями типа EDFA. На выходе системы сигнал демультиплексировался (DEMUX) с помощью EAM и подавался на схему OFT [14]. Сигнал синхронизации восстанавливался аналогично описанному выше [22].
На рис.9 показаны формы сигнала, не подвергнутого преобразованию OFT (а), и подвергнутого такому преобразованию (б) (регистратор – оптический осциллограф). Видно, что в первом случае сигнал уширился с 1,7 до 2,8 пс и приобрел хвост (внизу справа), а во втором случае он уширился только до 1,9 пс и не имел хвоста. Результаты измерений (рис.10) показывают, что выигрыш по мощности на приеме при BER = 10-9 в случае иcпользования OFT составляет 2 дБ (при передаче на 600 км).
Таким образом, различные эксперименты продемонстрировали, что сегодня для передачи одноканального сигнала на скорости 160 Гбит/с (stm-1024) на большие расстояния можно использовать различные форматы модуляции. Однако для достижения высоких показателей систем передачи следует применять определенные решения:
* схемы с управлением дисперсией ОВ на участке передачи или (по крайней мере) схемы компенсации дисперсии (CD, PMD);
* коды с коррекцией ошибок (типа FEC);
* схемы контроля состояния поляризации;
* оптические усилители для компенсации вносимых затуханий и др.
Отметим, что все проведенные эксперименты свидетельствуют о возможности безошибочной передачи данных на расстояние от 480 до 650 км, которое при определенных условиях может быть увеличено до 1000 км.
Литература
1. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. 2-е испр. изд. –
М.: Радио и связь, 2003. – 468с.
2. Слепов Н. Современные оптоволоконные технологии. Чем ударить по бездорожью. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2002, №1, с.20-23.
3. R.Ludwig et al. 160 Gb/s RZ-DPSK OTDM-transmission over 480 km using 160 km repeater spans and advanced FEC. – OFC 2007. Paper OWE-4.
4. S.Herbst et al. Final report on physical layer network issues. – IST IP NOBEL – "Next generation Optical network for Broadband European Leadership". Phase 2. 2008. – D5.5_final[2].pdf
5. H.Shunnerud et al. A comparison between NRZ and RZ data formats with respect to PMD-induced system degradation. – OFC 2001. Paper WT3-1.
6. S.Kieckbusch. Automatic Compensation of PMD and Chromatic Dispersion in a 160 Gb/s Transmission Experiment. – ECOC 2006. Paper Th3.5.1.
7. L.Moller. Generation of 160 Gb/s Carrier-Suppressed Return-to-Zero Signals. – ECOC 2003. Paper Mo363.
8. Hitoshi Murai et al. Single Channel 160 Gbit/s Carrier-Suppressed RZ Transmission over 640 km with EA Modulator based OTDM Module. – ECOC 2003. Paper Mo364.
9. G.Charlet et al. Cost-optimized 6.3 Tbit/s capacity terrestrial link over 17x100 km using Phase-Shaped Binary Transmission in a conventional all-EDFA SMF-based system. – OFC 2003. Paper PD25.
10. M.Wichers, W.Rosenkranz. Chirped duobinary transmission (CDBT) for mitigating the self-phase modulation limiting effect. – OFC 2001.
Paper WDD43-1.
11. A.Gnauck et al. 1-Tb/s (6x170.6 Gb/s) transmission over 2000-km NZDF using OTDM and RZ-DPSK format. – IEEE Photon. Technol. Lett., 2003, vol.15, p.1618.
12. S.Weisser et al. 170 Gbit/s single-polarization transmission over 650 km SSMF with 130 km spans using RZ-DPSK. – Proc. OFC 2005. Paper OFF4.
13. M.Zaacks et al. Demonstration of 1000 km 43 Gb/s RZ-DPSK transmission through a 50 GHz channel spaced WSS. – OFC 2007, Paper JWA92.
14. M.Nakazawa et al. Ideal distortion-free transmission using optical Fourier transformation and transform-limited ultra short pulses. – ECOC-2003. Paper PDP Th4.3.8.
15. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ. под ред. П.В. Мамышева. – М.: Мир, 1996. – 324 с.
16. T.Hirooka et al. 160 Gbit/s-600 km OTDM Transmission Using Time-domain Optical Fourier Transformation. – ECOC 2006. Paper Tu1.5.4.
17. R.Ludwig et al. Unrepeatered 160 Gbit/s RZ single channel transmission over 160 km of standard fiber at 1.55 mkm with hybrid MZI optical Demux. – Proc. ECOC 2000. Paper 6.1.3.
18. U.Feiste et al. 160 Gbit/s transmission over 116 km field-installed fiber using 160 Gbit/s OTDM and 40 Gbit/s ETDM. – OFC 2001. Paper ThF3-1.
19. J.Yu et al. 160 Gb/s single-channel unrepeatered transmission over 200 km of NZDSF. – Proc. ECOC 2001, PD.M.1.10.
20. J. Berger et al. 160 Gbit/s Transmission over Dispersion Managed Fibre Set. – ECOC 2003.
Paper Mo366.
21. N.N.Slepov. A Portable Package for Assessment of the Uniformly Distributed Random Number Generators. "Advances in Modeling and Analysis", pt.A, vol.13, n.1, pp.43-53. – AMSE Press, Paris, 1992.
22. C.Boerner et al. 320 Gbit/s clock recovery with electro-optical PLL using a bidirectionally operated electroabsorption modulator as phase comparator. – Proc. OFC 2005, Paper OTuO3.
23. Людвиг Р. и др. Передача OTDM-сигнала со скоростью 160 Гбит/с на расстояние 480 км с кодом коррекции ошибок. – Фотоника, 2008, №5, с.22–25.
Основные проблемы, которые пришлось преодолевать для достижения нужных показателей скорости и длины пролета (или секции), общеизвестны [1, 2]. Это затухание сигнала, вызванное рэлеевским рассеянием, и уменьшение интенсивности сигнала из-за хроматической дисперсии (CD), а на высоких скоростях и из-за поляризационной модовой дисперсии (PMD). Сказываются и нелинейные эффекты в оптическом волокне (ОВ) при большой мощности входного сигнала, нужной для достижения максимальной длины пролета/секции. Для скоростей до 40 Гбит/с эти проблемы, можно считать, преодолены, так как серийные мультиплексоры уровня STM-256 уже эксплуатируются на линиях связи. Последние несколько лет специалисты пытаются разрешить данные проблемы для следующей скорости иерархии SDH – 160 Мбит/с (STM-1024).
Рэлеевское рассеяние [1] – это неизбежное зло для оптических систем на всех скоростях. Оно преодолевается использованием третьего окна прозрачности (диапазон длин волн 1525–1575 нм) и современных ОВ, где получено затухание порядка 0,17–0,18 дБ/км, а также оптических усилителей (ОУ), компенсирующих потери на длине пролета/секции.
Хроматическая дисперсия компенсируется либо выбором ОВ типа DSF с нулевой дисперсией на частоте оптической несущей (1550 нм), либо (если выбрано или проложено ОВ другого типа) применением модуля компенсации дисперсии (DCM) нужного типа, позволяющего компенсировать накопленную на длине пролета/секции дисперсию [1], или других средств компенсации дисперсии (например, оптических или электронных), или, наконец, применением схемы ОВ с управлением дисперсией [3].
Поляризационная модовая дисперсия пока еще трудно поддается компенсации [4], но ее влияние и раньше можно было минимизировать путем выбора подходящего ОВ и замены формата двоичного кодирования без возврата к нулю (NRZ) на формат с возвратом к нулю (RZ) [5]. Уже появились и сообщения о возможности автоматической компенсации PMD [6].
Влияние нелинейных эффектов, вызванных мощным сигналом, вводимым в ОВ, можно уменьшить, используя ОВ с большим сечением. Но получаемый при этом выигрыш невелик (из-за ограничений на диаметр сердцевины) и такое решение обычно не используют. Вместо этого ограничивают уровень сигнала, подаваемого в ОВ, и применяют тандем ОУ EDFA-Raman (ОУ на ОВ, легированном эрбием, и ОУ на эффекте Рамана), вытягивая за их счет нужный уровень сигнала на приеме. Этого же можно достичь, снижая требования к допустимому уровню ошибок (BER) на приемной стороне (вход демультиплексора) и добиваясь нужной надежности приема за счет упреждающего кодирования, корректирующего ошибки (FEC), а также выбирая оптимальный модуляционный формат для представления двоичных данных [3].
Выбор оптимального модуляционного формата для высокоскоростных систем в последнее время стал предметом особого внимания. Так, для систем с одной несущей в одних работах [7, 8] демонстрируют эффективность форматов CS RZ (RZ с подавленной несущей). В других [4, 9] говорят об эффективности формата DBM (дуобинарная модуляция) или его обобщения PSBT (двоичная передача с фазированием и фильтрацией сигнала), в частности, версии BL-PSBT (PSBT с общим ограничением по ширине полосы), или же чирпованного формата DBM (CDBT) [10]. В большинстве последних работ [3, 4, 11–13], однако, демонстрируются результаты, свидетельствующие в пользу сочетания форматов RZ-PSK: RZ DPSK, RZ-QPSK, RZ-DQPSK, RZ-8DPSK (RZ с различными типами фазовых манипуляций: дифференциальной, квадратурной, дифференциальной квадратурной и 8-фазной дифференциальной). В этих работах не только показана эффективность данных методов в противостоянии различным типам дисперсии (CD и PMD), но и их меньшая чувствительность к уровню накопленного усиленного спонтанного излучения (ASE) [1]. Отмечается, что в общем случае эти методы модуляции характеризуются более высоким порогом, при котором нелинейности ОВ влияют на качество передачи.
Недавно (2003 г.) был предложен подход, конкурирующий с оптимизацией модулирующего формата и основанный на применении оптического преобразования Фурье (OFT) во временной области [14]. OFT в комбинации с использованием ограниченных процессом преобразования оптических импульсов (TL-импульсов) позволяет оперировать при передаче спектральным, а не временным, представлением оптического импульса, которое практически не искажается при трансляции. Форма TL-импульсов, как показано в [14], описывается функцией гиперболического секанса (sech), как и для солитонов [15]. Для их существования необходима среда с отрицательной дисперсией групповых скоростей (GVD) [15]. Реализация этой идеи позволила группе исследователей [16] получить феноменальные результаты, описанные ниже.
Эксперименты
Экспериментальные исследования одноканальных оптических систем передачи со скоростью 160 Гбит/с начались на рубеже последних столетий. Охватить все посвященные им публикации невозможно, однако рассмотренные ниже источники достаточно хорошо покрывают период с 2000 по 2007 год.
Одной из первых была работа 2000 года [17], где описывались результаты лабораторных модельных экспериментов по передаче в формате RZ потока данных со скоростью 160 Гбит/с по стандартному ОВ G.652 на длине волны 1550 нм. Достигнутая дальность передачи составила 160 км. Примерно этот же состав авторов через год сообщил [18] о результатах натурного эксперимента по передаче потока 160 Гбит/с по такому же волокну, но проложенному в полевых условиях, на той же длине волны. Достигнутая длина передачи составила 116 км, что на 27,5% меньше (это, видимо, объясняется ухудшением дисперсионных характеристик ОВ в реальных условиях). При этом демодуляция проводилась путем демультиплексирования потока 160 Гбит/с в формате оптического TDM (OTDM) в потоки 40 Гбит/с в формате электрического TDM (ETDM).
Большую длину передачи (200 км) удалось достичь коллективу экспериментаторов в том же году [19], используя аналогичную лабораторную модель, но с другим типом волокна (NZDSF) [1]. Спустя два года (2003 г.) длина передачи потока 160 Гбит/с сигнала по стандартному волокну G.652 была увеличена до 240 км [20], но уже благодаря методу управления дисперсией, основанному на чередовании ОВ с положительной и отрицательной дисперсией.
Система с форматом сигнала CS-RZ
Существенный прогресс в увеличении длины передачи в 2003 году все же был достигнут только благодаря прогрессивным модуляционным форматам, в частности – CS-RZ [8]. В этом эксперименте сигнал 160 Гбит/с формировался по стандартной процедуре OTDM из четырех 40-Гбит/с компонентных сигналов (трибов). Для высокоскоростных систем с подавлением несущей было важно контролировать оптические фазы каждого TDM-канала, для чего применялись четыре электроабсорбционных модулятора (EAM). Они работали по схеме с бит-интерливингом [1] и формировали сначала пару 80-Гбит/с TDM-сигналов, а затем сигнал 160 Гбит/с в двух вариантах: CS-RZ (с начальными оптическими фазами 0 и 180°) и синфазный (с фазой 90°) RZ (см. их спектры на рис.1).
Схема эксперимента (рис.2) включала маршрутную петлю (для многократного прохождения сигнала), состоящую из одномодового ОВ (ОМ ОВ) длиной 80 км и волокна для компенсации дисперсии (DCF), обрамленного двумя усилителями EDFA для компенсации вносимого затухания. Для увеличения длины передачи сигнал 160 Гбит/с подавался на вход системы чирпованным (путем включения ОВ с отрицательной GVD, равной -650 пс/нм, которая компенсировалась перед приемником отрезком стандартного ОМ ОВ), а также дополнительно усиливался на выходе распределенным (за счет диодного массива DRA – источника рамановской накачки) усилителем Рамана. В приемнике сигнал демодулировался в два приема: 160→40 и 40→10 Гбит/с. В результате эксперимента (рис.3) максимальная длина передачи составила 640 км для формата CS-RZ и 560 км для синфазного RZ формата.
Система с форматом сигнала RZ-DPSK
В работе [12] представлены результаты эксперимента по передаче на 650 км (5 пролетов по 130 км) сигнала со скоростью 170,6 Гбит/с в формате RZ-DPSK (скорость сигнала 160 Гбит/с была формально увеличена на 7% с учетом возможного последующего применения FEC с кодеком Рида-Соломона для увеличения длины передачи).
В эксперименте (рис.4) передатчик был представлен настраиваемым лазерным диодом с синхронизацией мод (TMLL), излучающим 2-пс импульсы с длиной волны 1551,5 нм и частотой повторения 10,7 ГГц, которые мультиплексируются с помощью оптического мультиплексора (Pulse OMUX) в агрегатный сигнал 42,6 ГГц (рассматриваемый далее как оптический триб [1]). Четыре таких триба подаются на модуляторы (источник данных – псевдослучайная двоичная последовательность ПСП (PRBS) длиной 27 - 1 бит) и линейные кодеры, представленные манипулятором DPSK, а затем – на двухступенчатый OTDM-мультиплексор Data OMUX, формирующий агрегатный сигнал 170,6 Гбит/с. В отличие от эксперимента с форматом сигнала CS-RZ [8], в данном случае модуляторы не обеспечивали фиксированных фазовых соотношений между OTDM-трибами.
Сигнал 170,6 Гбит/с, прошедший пять пролетов стандартного ОМ ОВ (рис.4б), демультиплексировался до уровня 42,6 Гбит/с сигнала DPSK стандартным EAM с помощью блока восстановления синхронизации (CR). Сигналы DPSK детектируются балансным PSK-приемником, настроенным по уровню оптического отношения сигнал/шум (С/Ш) в точке R с помощью аттенюатора ATT (см. рис.4а), и демодулируются интерферометром Маха-Цендера.
Схема организации одного пролета стандартного ОМ ОВ длиной 130 км (см. рис.4б) включает прекомпенсатор дисперсии (-180 пс/нм); контроллер поляризации, позволяющий настроить требуемый уровень PMD; связку усилителей EDFA-Raman в начале и конце пролета; модуль компенсации дисперсии DCM с усилителем EDFA (PDCM); посткомпенсатор дисперсии (сегмент ОВ с положительной дисперсией), позволяющий свести к нулю накопленную на длине пролета дисперсию.
На рис.5 приведены данные измерений зависимости уровня BER от отношения оптического С/Ш для двух случаев: непосредственного соединения передающего и приемного модулей системы (Back-to-Back – B2B) и с учетом прохождения сигналом 170,6 Гбит/с пяти ОВ-пролетов длиной по 130 км.
Система с форматом сигнала RZ-DPSK и кодированием FEC
На предыдущий эксперимент формально похожи и исследования по передаче OTDM-сигнала в формате RZ-DPSK [3]. Они отличаются тем, что в эксперименте DPSK и FEC не эмулировались, а были реализованы с помощью модулей серийной аппаратуры. Линия передачи ВОЛС (длиной 480 км) была составлена из трех пролетов по 160 км, использующих схему ОВ с управлением дисперсией (DMF). Затухание порядка 36 дБ/пролет компенсировалось только усилителями EDFA. Суть DMF – в использовании перемежающихся сегментов ОВ одного типа, но с положительным или отрицательным дисперсионным параметром D [15], совпадающим в каждой точке по модулю величины и модулю угла наклона (последнее более важно для систем WDM).
Схема эксперимента (рис.6) включала приемопередатчик линейного кода DPSK и собственно звено передачи. В передатчике с помощью лазера с синхронизацией мод TMLL с длиной волны 1553 нм и блока умножения с фазовой стабилизацией создается несущий поток оптических импульсов частотой 43 ГГц и шириной импульсов 1,8 пс. Этот поток модулируется источником сигнала с помощью двухтактного модулятора Маха-Цендера и кодируется передатчиком, который включает кодер линейного кода DPSK и усовершенствованный кодер упреждающей коррекции ошибок (UFEC), который дает дополнительный выигрыш 2 дБ в отношении С/Ш по сравнению со стандартным кодером FEC типа Рида-Соломона (255,239) при BER=10-16.
Так как в качестве источника сигнала обычно используется двоичная ПСП, а характеристики передачи системы чувствительны к ее длине [3], то для UFEC-кодера в этом эксперименте использовалась максимально длинная ПСП (231 - 1 бит). В этой связи отметим, что фактически характеристики передачи чувствительны не к длине ПСП, а к ее периоду, который определяет корреляционные свойства ПСП и может быть, при неудачном выборе схемы ее генерации, много меньше ее длины (об особенностях выбора ПСП см. работу [21]). Из-за использования UFEC-кодера DPSK-сигнал, передаваемый на скорости 43 Гбит/с, терял структуру (и свойства) ПСП. Этот сигнал на выходе мультиплексировался в поток 172 Гбит/с (4×43 Гбит/с) с помощью оптического мультиплексора OMUX, сконструированного так, чтобы сохранить хотя бы структуру ПСП длиной 27 - 1 в потоке 172 Гбит/с. Это обеспечивало достаточную некоррелированность оптических трибов 43 Гбит/с, сформированных по технологии OTDM.
Поток данных передавался через три 160-км пролета по волокну типа Ultrawave компании OFS Denmark с управлением дисперсией. Каждый пролет состоял из последовательно соединенных двух пар сегментов, состоящих из ОВ с большой площадью поперечного сечения (SLA) длиной 53 км и положительной дисперсией D = 20 пс/нм/км и ОВ с отрицательной дисперсией (IDF) D = -40 пс/нм/км длиной 27 км. Длина каждой пары составляла 80 км, а двух пар – 160 км. Средние потери на пролете порядка 36 дБ компенсировались усилителями EDFA. В эксперименте мощность потока Psp на входе пролетов менялась от 6 до 14 дБм (средняя дисперсия GVD для пролета была порядка 0,4 пс). Отметим, что в этом эксперименте на линии передачи не использовались контроллеры поляризации и не предпринимались меры по ослаблению влияния PMD или какие-то дополнительные устройства компенсации хроматической дисперсии.
В приемном тракте сигнал усиливался с помощью EDFA и подавался на демультиплексор, состоящий из схемы восстановления синхронизации на основе EAM [22] и оптического переключателя, также построенного на базе EAM. Полученный в результате поток 43 Гбит/с фильтровался полосовым оптическим фильтром c полосой пропускания 2 нм, а затем детектировался в приемной части приемопередатчика. Она включала интерферометр с линией задержки 23,3 пс, балансный детектор и UFEC-декодер. Параметры приемника автоматически настраивались на оптимальный уровень BER, требуемый для UFEC. В режиме прямого соединения блоков (B2B) оптическое отношение С/Ш подстраивалось переменным оптическим аттенюатором (VOA), включенным между передатчиком и предусилителем приемной части.
На рис.7 приведены значения BER в зависимости от отношения С/Ш для варианта измерения B2B до и после передачи на 480 (3×160) км. Для получения BER = 10-9 при скорости 172 Гбит/с, кодировании UFEC и варианте B2B требуется С/Ш=24,8 дБ, тогда как при скорости 43 Гбит/с достаточно 18,3 дБ. Соответственно, для получения такого же BER, но применительно к исходному потоку данных 160 Гбит/с, требуется отношение С/Ш=18,3 дБ (а при 40 Гбит/с – 13,3 дБ).
Оптимальные показатели системы были получены при уровне сигнала на входе пролетов 11,5 дБм (что соответствует уровню BER 10-6 при кодировании кодом типа UFEC). При мощности на входе пролета выше 12 дБм сигнал начинает деградировать из-за нелинейных искажений в ОВ, что ухудшает показатели всей системы в целом. Типичными значениями BER были (1,3...2,8)·10-6 при отношении С/Ш = 22 дБ. Эти результаты указывают, что для скорости 160 Гбит/с, даже применяя сверхдлинные пролеты (160 км), можно эксплуатировать ВОЛС длиной не меньше 1000 км [3, 23].
Система с прямым и обратным оптическим преобразованием Фурье
При разработке описанных выше 160-Гбит/с систем передачи все исследователи столкнулись с проблемой высокой чувствительности систем к дисперсии (CD, PMD) и ее изменениям во времени. Дисперсия вызывала существенные искажения формы сигнала. Единственным решением проблемы было сведение всех дисперсий к нулю. Поэтому интересным было бы любое новое решение, позволяющее добиться тех же результатов, но без специальных мер по компенсации влияния дисперсии (CD и PMD) на форму сигнала. Такое решение предлагала система с OFT, описанная в работе [16] и основанная на результатах работы [14].
Идея заключалась в том, чтобы преобразовать на входе системы с помощью OFT исходный временной сигнал, форма которого искажается дисперсией, в частотный сигнал, спектр которого не меняется под действием дисперсии, передать его на нужное расстояние, а на выходе системы снова преобразовать его, но с помощью обратного OFT, во временной сигнал, форма которого воспроизведет исходную, т.е. останется практически неизменной.
Результаты эксперимента показывают [16], что этого можно достичь, если применить OFT не к исходным временным сигналам, а к упомянутым выше TL-импульсам, или чирп-импульсам (импульсам с наложенной линейной частотной модуляцией – ЛЧМ) [15]), пропущенным через дисперсионную среду определенной длины (с отрицательной дисперсией групповых скоростей D=1/K, где K – скорость изменения частоты). Выполнение этих ограничений гарантирует, что выход OFT будет пропорционален спектру исходного сигнала, а значит при обратном OFT исходный временной сигнал будет точно восстановлен.
В эксперименте [16] (рис.8) источником оптических импульсов служил волоконный лазер с синхронизацией мод MLFL, использующий ФАПЧ. Он генерировал гауссовские TL импульсы длительностью 1,7 пс на длине волны 1550 нм с тактовой частотой 40 ГГц. Поток импульсов затем модулировался модулятором (LN) по методу амплитудной манипуляции (On-Off Keying - OOK) сигналом ПСП длиной 215 - 1. Четыре потока 40 Гбит/с на выходе оптически мультиплексировались (MUX) в OTDM-сигнал 160 Гбит/с, состояние поляризации которого оптимизировалось контроллером поляризации.
Сигнал 160 Гбит/с передавался через восемь пролетов длиной около 75 км каждый (общая длина ВОЛС – 600 км) по схеме ОВ с управлением дисперсией: чередовались ОВ типа стандартный ОМ ОВ и ОВ с отрицательной дисперсией. Затухание в пролетах компенсировалось оптическими усилителями типа EDFA. На выходе системы сигнал демультиплексировался (DEMUX) с помощью EAM и подавался на схему OFT [14]. Сигнал синхронизации восстанавливался аналогично описанному выше [22].
На рис.9 показаны формы сигнала, не подвергнутого преобразованию OFT (а), и подвергнутого такому преобразованию (б) (регистратор – оптический осциллограф). Видно, что в первом случае сигнал уширился с 1,7 до 2,8 пс и приобрел хвост (внизу справа), а во втором случае он уширился только до 1,9 пс и не имел хвоста. Результаты измерений (рис.10) показывают, что выигрыш по мощности на приеме при BER = 10-9 в случае иcпользования OFT составляет 2 дБ (при передаче на 600 км).
Таким образом, различные эксперименты продемонстрировали, что сегодня для передачи одноканального сигнала на скорости 160 Гбит/с (stm-1024) на большие расстояния можно использовать различные форматы модуляции. Однако для достижения высоких показателей систем передачи следует применять определенные решения:
* схемы с управлением дисперсией ОВ на участке передачи или (по крайней мере) схемы компенсации дисперсии (CD, PMD);
* коды с коррекцией ошибок (типа FEC);
* схемы контроля состояния поляризации;
* оптические усилители для компенсации вносимых затуханий и др.
Отметим, что все проведенные эксперименты свидетельствуют о возможности безошибочной передачи данных на расстояние от 480 до 650 км, которое при определенных условиях может быть увеличено до 1000 км.
Литература
1. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. 2-е испр. изд. –
М.: Радио и связь, 2003. – 468с.
2. Слепов Н. Современные оптоволоконные технологии. Чем ударить по бездорожью. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2002, №1, с.20-23.
3. R.Ludwig et al. 160 Gb/s RZ-DPSK OTDM-transmission over 480 km using 160 km repeater spans and advanced FEC. – OFC 2007. Paper OWE-4.
4. S.Herbst et al. Final report on physical layer network issues. – IST IP NOBEL – "Next generation Optical network for Broadband European Leadership". Phase 2. 2008. – D5.5_final[2].pdf
5. H.Shunnerud et al. A comparison between NRZ and RZ data formats with respect to PMD-induced system degradation. – OFC 2001. Paper WT3-1.
6. S.Kieckbusch. Automatic Compensation of PMD and Chromatic Dispersion in a 160 Gb/s Transmission Experiment. – ECOC 2006. Paper Th3.5.1.
7. L.Moller. Generation of 160 Gb/s Carrier-Suppressed Return-to-Zero Signals. – ECOC 2003. Paper Mo363.
8. Hitoshi Murai et al. Single Channel 160 Gbit/s Carrier-Suppressed RZ Transmission over 640 km with EA Modulator based OTDM Module. – ECOC 2003. Paper Mo364.
9. G.Charlet et al. Cost-optimized 6.3 Tbit/s capacity terrestrial link over 17x100 km using Phase-Shaped Binary Transmission in a conventional all-EDFA SMF-based system. – OFC 2003. Paper PD25.
10. M.Wichers, W.Rosenkranz. Chirped duobinary transmission (CDBT) for mitigating the self-phase modulation limiting effect. – OFC 2001.
Paper WDD43-1.
11. A.Gnauck et al. 1-Tb/s (6x170.6 Gb/s) transmission over 2000-km NZDF using OTDM and RZ-DPSK format. – IEEE Photon. Technol. Lett., 2003, vol.15, p.1618.
12. S.Weisser et al. 170 Gbit/s single-polarization transmission over 650 km SSMF with 130 km spans using RZ-DPSK. – Proc. OFC 2005. Paper OFF4.
13. M.Zaacks et al. Demonstration of 1000 km 43 Gb/s RZ-DPSK transmission through a 50 GHz channel spaced WSS. – OFC 2007, Paper JWA92.
14. M.Nakazawa et al. Ideal distortion-free transmission using optical Fourier transformation and transform-limited ultra short pulses. – ECOC-2003. Paper PDP Th4.3.8.
15. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ. под ред. П.В. Мамышева. – М.: Мир, 1996. – 324 с.
16. T.Hirooka et al. 160 Gbit/s-600 km OTDM Transmission Using Time-domain Optical Fourier Transformation. – ECOC 2006. Paper Tu1.5.4.
17. R.Ludwig et al. Unrepeatered 160 Gbit/s RZ single channel transmission over 160 km of standard fiber at 1.55 mkm with hybrid MZI optical Demux. – Proc. ECOC 2000. Paper 6.1.3.
18. U.Feiste et al. 160 Gbit/s transmission over 116 km field-installed fiber using 160 Gbit/s OTDM and 40 Gbit/s ETDM. – OFC 2001. Paper ThF3-1.
19. J.Yu et al. 160 Gb/s single-channel unrepeatered transmission over 200 km of NZDSF. – Proc. ECOC 2001, PD.M.1.10.
20. J. Berger et al. 160 Gbit/s Transmission over Dispersion Managed Fibre Set. – ECOC 2003.
Paper Mo366.
21. N.N.Slepov. A Portable Package for Assessment of the Uniformly Distributed Random Number Generators. "Advances in Modeling and Analysis", pt.A, vol.13, n.1, pp.43-53. – AMSE Press, Paris, 1992.
22. C.Boerner et al. 320 Gbit/s clock recovery with electro-optical PLL using a bidirectionally operated electroabsorption modulator as phase comparator. – Proc. OFC 2005, Paper OTuO3.
23. Людвиг Р. и др. Передача OTDM-сигнала со скоростью 160 Гбит/с на расстояние 480 км с кодом коррекции ошибок. – Фотоника, 2008, №5, с.22–25.
Отзывы читателей
