Эффекты нелинейного преломления (стр. 3 из 3)
Рисунок 15 – Зависимость эффективности ЧВС/FWM от межканального интервала
Возникающие при FWM новые волны могут приводить к деградации распространяемого оптического сигнала, интерферируя с ними, или перекачивать мощность из полезного волнового канала. Установлено, что явление смешения четырёх волн зависит от фазового отношения между взаимодействующими сигналами. Как это ни парадоксально, но понизить эффективность FWM можно именно с помощью хроматической дисперсии, т.е. при использовании стандартного одномодового ОВ без смещения (SMF-28). Дело в том, что на выходе лазеров формируется когерентное световое излучение, в котором сигналы находятся в привязанной фазе по отношению друг к другу. Если все взаимодействующие сигналы распространяются по волокну с одной и той же групповой скоростью, что происходит при отсутствии дисперсии, то между собой, они образуют новую волну. Этому эффекту в значительной степени противодействует дисперсия, обеспечивающая условия, при которых согласованность фаз сигналов не может сохраниться после прохождения ими больших расстояний. При наличии дисперсии различные сигналы распространяются с различными групповыми скоростями, что приводит к снижению эффекта смешения (рисунок 16).
Рисунок 16 – Зависимость групповой скорости от дисперсии
В системах с дисперсией отличие скоростей больше, когда каналы расположены дальше друг от друга. Для примера в таблице 1 приведены типовые значения эффективности FWM при шаге расстановки в 100 ГГц (0,8 нм) для ВОК протяженностью в 100 км при канальной мощности возбуждения +10 dBm. Как видно из таблицы, при использовании стандартного одномодового волокна (SMF-28), эффективность FWM является низкой. Однако следует иметь в виду, что указанное значение в -47 dB заявлено только для трех каналов. В реальных системах их может быть больше.
Известно, что мощность четырёхволнового смешения возрастает с увеличением длины линии, а это, в свою очередь, устанавливает ограничения на передаваемую мощность для каждого канала в зависимости от её длины. Данное ограничение отражено на рисунке 17, как для стандартного одномодового волокна (SMF), так и для волокна со смещённой дисперсией (DSF) при трёх случаях расположения каналов.
Таблица 1
Максимальное значение передаваемой мощности в случае использования волокна со смещённой дисперсией значительно меньше, чем для стандартного волокна. Это связано с тем, что вследствие низкого показателя дисперсии эффективность смешения четырёх волн в волокне со смещённой дисперсией значительно выше. Сравнивая ограничения для 8-канальной и 32-канальных систем с одинаковыми интервалами 100 ГГц, видим, что уровень ограничения мощности уменьшается с увеличением числа каналов, так как количество элементов смешения четырёх волн увеличивается с их числом. В случае использования волокна со смещённой дисперсией это уменьшение неощутимо, несмотря на то, что в 32-канальной системе существует много спектральных составляющих. Это объясняется тем, что те же самые 8 каналов вблизи нулевой дисперсии содержат почти всю мощность смешения четырёх волн, как и случае 8-канальной системы, а вклад мощности смешения четырёх волн от других каналов невелик, так как на этих длинах волн дисперсия намного больше. Наконец, ограничение мощности существенно уменьшается при уменьшении интервалов между каналами, что следует из сравнения кривых для двух 32-канальных систем с интервалами 100 и 50 ГГц.
Таким образом, для снижения эффекта смешения четырёх волн необходимо уменьшать передаваемую мощность и увеличивать интервал между каналами. Однако это приводит к различию групповых скоростей между каналами и, как следствие, к увеличению полосы пропускания всей системы.
Волокно со смещённой дисперсией (DSF) имеет в третьем окне прозрачности наименьшие значения затухания и дисперсии. Причём, нулевая дисперсия находится в середине передаваемой полосы каналов с коэффициентом наклона кривой дисперсии So=0,055 пс/(нм2·км). Однако, это выгодно только для случая передачи одной длины волны – одноканальной передачи. Исследования показали, что если длина волны нулевой дисперсии попадает в зону мультиплексного сигнала, начинают проявляться нежелательные интерференционные эффекты, приводящие к более быстрой деградации сигнала. Поэтому смешение четырёх волн представляет серьёзную проблему в системах WDM, использующих волокно со смещённой дисперсией (DSF), но обычно не вызывает проблем в системах со стандартным волокном.
В случае использования волокна со смещённой дисперсией максимальная величина передаваемой мощности значительно меньше, чем для стандартного волокна. Это связано с тем, что вследствие низкого показателя дисперсии эффективность смешения четырёх волн в волокне со смещённой дисперсией значительно выше. Поэтому, чтобы избежать нелинейных эффектов при использовании DSF в системах WDM, следует вводить в волокно сигнал меньшей мощности, увеличивать расстояние между каналами и избегать передачи парных каналов (симметричных относительно λо).
Поскольку смешение четырёх волн представляет серьёзную проблему в системах WDM, использующих волокно со смещённой дисперсией, стало ясно, что необходимо разработать новый тип волокна, в котором λ0 располагалась бы вдали, то есть, по одну сторону (левее или правее) от всех возможных каналов. В 90-х годах было создано волокно со смещенной ненулевой дисперсией. Так как длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы окна 1550 нм, то волна не захватывает полосу пропускания эрбия. Это уменьшает нелинейные эффекты и улучшает характеристики волокна при передаче DWDM сигнала.
Мощность четвертой волны Р4 зависит от множества факторов и записывается в виде:
(8)где h - эффективность ЧВС;
L – геометрическая длина ОВ;
l - длина волны;
С=3*10-5 км/с – скорость света;
Lэфф – эффективная длина ОВ;
DX3 – деградирующий фактор, зависящий от межканального расстояния и хроматической дисперсии используемого волокна;
Р1, Р2, Р3 – вводимые оптические мощности на различных длинах волн;
a - погонные потери ОВ.
Эффективная длина оптического волокна Lэфф зависит от его геометрической длины L и погонных потерь a:
(9)В выражении (8) величину погонных потерь a необходимо подставлять в неперах на километр. Формула пересчета имеет вид:
(10)Более удобно пользоваться непосредственно в традиционных справочных значениях, то есть в дБ/км. Для этого выражение (8) можно переписать в виде, удобном для практического использования:
(11)График зависимости Lэфф от геометрических размеров ОВ для разных значений погонных потерь a’ представлен на рисунке 18. Для длинных линий (свыше 40 км) эффективная длина ОВ при типовом значении погонных потерь a=0,22 дБ/км составляет порядка 20 км.
Рисунок 18 – Зависимость эффективной длины от физической длины ОВ
В свою очередь, эффективность четырехволнового смешения h может быть выражена зависимостью:
(12)где к – коэффициент, зависящий от межчастотного интервала расстановки каналов (
) и состояния поляризационной согласованности.На основе рассмотренных выше выражений можно получить приближенную формулу по расчету эффективности FWMp для волокна SMF-28, наиболее часто используемого на практике для России, с учетом частотного шага расстановки N каналов df, может быть записано в виде:
(13)Так, для 8-ми канальной WDM с шагом частотной расстановки в df = 200 ГГц (192,4– 193,8 ТГц) FWMp составит примерно -46,7 дБ, а для 16-ти канальной расстановки с частотным шагом в 100 ГГц FWMp составит -37,7 дБ. Электрический эквивалент FWMp равен удвоенному значению оптической эффективности и для последнего случая будет равен -75,4 дБ.