Нелинейные эффекты в оптическом волокне (далее ОВ) изучались давно. Серьезное внимание им начали уделять с того момента, когда стали увеличиваться протяженности ВОЛС, информационные скорости в ОВ, число длин волн, передаваемых по одному волокну, а также уровни оптической мощности. Раньше решались проблемы ВОЛС, связанные с погонными оптическими потерями и волоконно-оптической дисперсией, но сейчас на первое место стали выходить проблемы нелинейных эффектов, которые особенно остро проявляются в системах DWDM при передаче высокоскоростной цифровой информации.
Нелинейные эффекты в волоконной оптике подобны нелинейным эффектам в других физических системах (механических или электронных). Они порождают генерацию паразитных гармоник на частотах равных сумме или разности основных частот системы. Эти дополнительные сигналы приводят к непредсказуемым явлениям потерь в оптических сетях связи.
Нелинейность волокна не является дефектом производства или конструкции волокна. Это неотъемлемое свойство материальной среды при распространении в ней любой электромагнитной энергии. Как разработчикам, так и операторам волоконно-оптических сетей связи следует учитывать нелинейные эффекты из-за высокой когерентности используемого лазерного излучения. При заданном уровне передаваемой мощности напряженность электрического поля возрастет с увеличением степени когерентности излучаемых волн. Таким образом, в системах WDM c высокой степенью когерентности оптические сигналы даже умеренной мощности могут приводить к нелинейным явлениям.
Нелинейность волокна становится ощутимой, когда интенсивность лазерного излучения (мощность на единицу поперечного сечения) достигает порогового значения. Кроме того, влияние нелинейностей обнаруживается после прохождения сигналом некоторого пути по волокну в зависимости от параметров, конструкции волокна и условий его работы [2, с. 66]. Рисунок 1 показывает, как проявляется нелинейность при высоком уровне мощности.
Рисунок 1. Нелинейность проявляется при высоком уровне мощности
Нелинейные эффекты в волокнах наиболее сильно проявляются в DWDM системах, так как с увеличением числа длин волн, передаваемых по волокну, увеличивается и передаваемая по нему суммарная оптическая мощность. При этом не только усиливается вклад нелинейных эффектов наблюдающихся при передаче сигналов на одной длине волны, но начинают проявляться нелинейные эффекты, свойственные только многоволновым линиям передачи.
Наиболее вредным из них является эффект четырехволнового смешения. При достижении критического уровня мощности излучения лазера (порядка 10 мВт) нелинейность ОВ приводит к взаимодействию волн и появлению новых частот. Некоторые частоты возникающих ложных сигналов могут попасть в рабочие полосы пропускания каналов, то есть явление ЧВС проявляется во внутриканальных перекрестных помехах [2, с.70].
Суть явления ЧВС с позиций квантовой механики состоит в том, что при взаимодействии четырех линейно поляризованных вдоль оси х оптических волн с частотами ω1, ω2, ω3 и ω4 может произойти уничтожение фотонов одной частоты и рождение фотонов других частот при сохранении энергии и импульса. Это обычно происходит по двум схемам:
— передача энергии трех фотонов четвертому, генерируемому на частоте
ω4 = ω1 + ω2 + ω3;
— передача энергии двух фотонов двум новым, генерируемых на частотах
ω3 + ω4 = ω1 + ω2.
Формально эти схемы можно свести в одну: ω4 = ω1 + ω2 ± ω3, обобщив ее для случая взаимодействия трех линейно поляризованных произвольных волн:
ωi+ ωj± ωk.
Строго говоря, явление ЧВС наблюдается при соблюдении фазового синхронизма волновых векторов (Δk = 0). На выходе лазеров формируется когерентное световое излучение, в котором сигналы находятся в привязанной фазе по отношению друг к другу. При наличии дисперсии в ОВ условие фазового синхронизма выполняется с большей или меньшей точностью, что позволяет говорить о степени эффективности ЧВС.
На практике легче всего добиться фазового синхронизма в простейшем случае – двух совместно распространяющихся волн [6, с.300]. Например, две несущие WDM, ω1 и ω2, дают, взаимодействуя, две боковые гармоники: стоксовую — 2ω1 – ω2 и антистоксовую — 2ω2 – ω1 (рисунок 2, а). Эти составляющие распространяются совместно с двумя исходными, отбирая у них часть энергии.
В случае трех совместно распространяющихся волн фазовый синхронизм легче получить для схемы взаимодействия вида: ωijk = ωi + ωj + ωk. В результате формально происходит генерация двенадцати гармоник, а фактически семи гармоник, так как некоторые частоты совпадают (рисунок 2, б).
При наличии нескольких (более трех) несущих, могут работать обе схемы формирования ЧВС, а число гармоник NΣ можно оценить по формуле
Рисунок 2. Вид спектра несущих при наличии ЧВС: а) спектр ЧВС при двух несущих; а) спектр ЧВС при трех несущих
Путем несложных подсчетов, можно определить, что в системе WDM возникает 24 ложных сигнала, а в 16-канальной уже 1920. При этом появление и амплитуда тех или иных гармоник зависят от факта и точности соблюдения фазового синхронизма.
Важен и тот момент, что явление ЧВС может заметно проявляться даже при одном оптическом сигнале, который переносит информацию методом модуляции по интенсивности. При таком методе модуляции, как и при амплитудной модуляции в радиодиапазоне спектр сигнала состоит из трех составляющих: fc ± Ωc, где fc – частота несущей (центральная частота) и две боковые частоты fн = fc — Ωc и fв = fc — Ωc. При высоких скоростях передачи, например, 10 Гбит/с или 40 Гбит/с, частоты боковых составляющих заметно отличаются от центральной частоты и каждая из них с точки зрения процесса ЧВС является самостоятельной оптической несущей [5, с.124].
Четырехволновое смешение чувствительно к:
- увеличению мощности канала;
- уменьшению частотного интервала между каналами;
- увеличению числа каналов (несмотря на то, что может быть достигнут уровень порога насыщения).
Рассмотрим каждый из них.
При увеличении межканального интервала увеличивается рассогласование фаз взаимодействующих волн, а, следовательно, снижается эффективность ЧВС. Однако увеличение межканального интервала приводит к различию групповых скоростей между каналами и, как следствие, к увеличению полосы пропускания всей системы, требуя увеличения стабильности коэффициента усиления оптических усилителей от длины волны в широкой полосе частот. [3, с.306]
Исключение взаимного влияния каналов в полосе пропускания приемника обеспечивается также при использовании неравных межканальных интервалов, однако это возможно для небольшого числа каналов и требует тщательного расчета точного их расположения.
Влияние явлений четырехволнового смешения и фазовой кросс – модуляции возможно снизить при уменьшении числа каналов. Очевидно, что при этом уменьшится количество побочных эффектов, попадающих в полосу приема полезного сигнала, а также дополнительный частотный сдвиг, приобретаемый канальным сигналом при модуляции его сигналами соседних каналов.
Как известно, важным условием возникновения явления ЧВС является согласование фаз взаимодействующих волн, зависящее от величины дисперсионного коэффициента и наклона дисперсионной характеристики ОВ.
Нелинейный процесс четырехволнового смешения по своей природе близок к комбинационному рассеянию и также является широкополосным. В волоконно-оптических системах передачи степень влияния ЧВС на качественные характеристики связи сильно зависит от дисперсионных свойств волокна. Это влияние проявляется в виде дополнительных перекрестных помех, в ВОСП со спектральным уплотнением, а также в виде межсимвольных помех при высоких скоростях передачи. Этот вид помех может иметь место и в одноволновых ВОСП [5, с.124].
При наличии дисперсии согласованность фаз не сохраняется, и четырехволновое смешение не возникает. Отсюда вытекает требование к оптическим волокнам для систем со спектральным уплотнением каналов – дисперсионный коэффициент должен быть отличен от нуля на длинах волн несущего излучения, при этом изменение величины дисперсии в зависимости от длины волны должно быть минимально.
Для повышения скорости передачи информации по одному каналу в третьем окне прозрачности (1550нм) было разработано волокно со смещенной нулевой дисперсией (DSF), в котором за счет специально подобранного профиля показателя преломления сердцевины длина волны нулевой дисперсии равна 1550нм.
Характеристики такого волокна регламентируются рекомендациями ITU G.653. Однако, именно это волокно оказалось неудачным для систем со спектральным разделением каналов (DWDM) из-за влияния эффекта четырехволнового смешения. Этот эффект заключается в возникновении комбинационных частот, приводящих к взаимным помехам каналов. На рисунке 3 показано влияние дисперсии на величину паразитных световых сигналов на комбинационных частотах в результате четырехволнового смещения.
В волокна с дисперсией в одном случае 0пс/нм·км и 2,5пс/нм·км во втором случае вводится излучение четырех спектральных каналов с мощностью 2мВт в каждом. На выходе волокна длиной 50км с ненулевой дисперсией излучение на дополнительных длинах волн не наблюдается. В волокне той же длины с нулевой дисперсией эффективно идет четырехволновое смешение и ясно видны более 20 дополнительных пиков. Из необходимости ослабления нелинейных эффектов ясно вытекает специфическое для систем со спектральным уплотнением каналов требование к оптическому волокну – отличная от нуля, но не очень большая дисперсия на длинах волн несущего излучения; при этом изменение дисперсии с длиной волны должно быть минимальным.
Рисунок 3. Четырехволновое смешение в волокне с нулевой и ненулевой дисперсией
Для подавления нелинейных эффектов, в первую очередь эффекта четырехволнового смешения, были разработаны волокна, в которых длины волн нулевой дисперсии выведены за пределы рабочего диапазона.
Такое волокно называется волокном с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF) и оно описывается рекомендациями ITU G.655.
У волокон такого типа величина дисперсии достаточна для подавления четырехволнового смешения и при этом сохраняется возможность высокой скорости передачи информации без применения компенсации хроматической дисперсии (до 10Гбит/с на канал на расстояния до 500км). Поэтому волокна NZDSF наилучшим образом подходят для использования в системах со спектральным разделением каналов [1].
Уменьшение эффективности FWM (ЧВС) при увеличении дисперсии волокна объясняется тем, что она приводит к нарушению фазового синхронизма смешиваемых волн и следовательно уменьшает длину их взаимодействия. Зависимость эффективности подавления возникающих из-за FWM перекрестных помех от коэффициента дисперсии волокна изображена на рисунке 4 [4, с.71].
Рисунок 4. Зависимость эффективности четырехволнового смешения от ширины межканального интервала DWDM системы для SM и NZDS волокон.
Итак, наиболее вредным из нелинейных эффектов, возникающих в ОВ, является эффект четырехволнового смешения. Оказалось, что для его подавления необходимо, чтобы волокно обладало ненулевой дисперсией. Поэтому пришлось отказаться от использования волокон со смещенной дисперсией (DS) длина волны нулевой дисперсии (1550 нм) которых попадает в рабочий диапазон DWDM системы. Специально для применения в DWDM системах были созданы волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS – Non Zero Dis-persion Shifted). В них длина волны нулевой дисперсии смещена так, что она выходит за пределы рабочего диапазона DWDM системы, а в пределах этого диапазона она обладает малой (ненулевой) дисперсией.
Список литературы:
- Гладышевский М.А., Наний О.Е., Сабинин Н.К., Туркин А.Н., Щербаткин Д.Д. Оптическое волокно для систем передачи информации OPTICTELECOM 2002
- Жирар А. Руководство по технологии и тестированию систем WDM. / Пер. с англ. Под ред. А.М. Бортникова., У.У. Убайдуллаева, А.В. Шмалько./ М.: EXFO. 2001. 254 с.
- Иванов А.Б. ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА: компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999. – 670 с.: ил.
- Листвин А.В. Листвин В.Н. Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи Москва 2003 с. 106
- Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 272 с.: ил.
- Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. – М.: Радио и связь, 2000. – 468 с.: ил.
- Нелинейные явления в оптическом волокне. // Фотон-экспресс №3, 2004, с. 6.[schema type=»book» name=»ЯВЛЕНИЕ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОГО СМЕШЕНИЯ В СИСТЕМАХ DWDM» author=»Полякова Марина Николаевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-08″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)» ebook=»yes» ]