§ 26. Компенсация дисперсии в широкой полосе частот

Модули для компенсации дисперсии должны удовлетворять ряду требований: малые потери, широкий диапазон, малая величина нелинейных эффектов, малые габариты и вес, малая потребляемая мощность и малая стоимость. Кроме того, желательно также, чтобы величина дисперсии в модуле могла регулироваться. В первых конструкциях модулей компенсации дисперсии использовалось специальное DC волокно (DCF - Dispersion Compensating Fiber). Модули с DC волокнами удовлетворяют только двум из приведенных выше требований: они обладают широкой полосой частот и не потребляют мощность (таблица № 1.5). В настоящее время они являются ключевыми элементами в системах со скоростью передачи 10 Гбит/с (STM-64).

Таблица № 1.5. Параметры модулей с DC волокнами для компенсации дисперсии.

Компания	Corning				Lucent Technologies
Тип модуля	DCM- 20	DCM- 40	DCM- 60	DCM- 80	DK-40	DK-60	DK-80
Компенсируемая длина линии, км	20	40	60	80	40	60	80
Полная дисперсия, пс/нм	-329	-658	-988	- 1317	-680	-1020	- 1360
Коэффициент наклона полной дисперсии, пс/нм^2	н/д	н/д	н/д	н/Д	<-1.2	<-1.9	<-2.5
Вносимое затухание, дБ	3.2	5.0	6.8	8.6	5.2	7.0	8.9
Эффективность, пс/нм∙дБ	103	132	145	153	131	146	153
Среднее значение PMD, пс	0.8	1.1	1.4	1.5	0.6	0.75	0.9

Хотя отрицательная дисперсия DC волокон позволяет компенсировать положительную дисперсию SM волокон в достаточно широком диапазоне длин волн (рис. 1.36), однако наклон дисперсионной характеристики DC волокон не согласован с наклоном дисперсионной характеристики SM волокон. Компенсировать полную дисперсию в линии до нужного уровня удается только на одной длине волны (обычно в середине полосы усиления EDFA). При этом в длинноволновой части диапазона С линия будет обладать избыточной отрицательной дисперсией, а в коротковолновой его части избыточной положительной дисперсией. То есть возникает так называемая проблема «рассогласования наклонов дисперсионных характеристик».

Кроме того, величина дисперсии в DC волокне фиксирована и всего лишь примерно в пять раз больше дисперсии SM волокна. Поэтому для компенсации дисперсии в линии с SM волокнами необходимо использовать длинные отрезки DC волокон и вносить тем самым дополнительные потери в линию. Потери в DC волокнах складываются из трех основных компонентов:

• Потери в прямом волокне порядка 0.5 дБ/км (рис. 1.36), что почти 2.5 раза больше, чем в SM волокне.

• Потери на изгибе волокна. Из-за сложной структуры профиля показателя преломления в DC волокнах (рис. 1.37) допустимый радиус изгиба (из-за изгибных потерь) большой (~ 15...20 см). Для сравнения: у SM волокон этот радиус порядка 5 см.

• Потери в месте соединения DC волокон с SM волокнами, возникающие из-за рассогласования диаметров модовых пятен. У DC волокон площадь модового пятна 19 мкм², а у SM волокон — 85 мкм². Малая площадь модового пятна увеличивает также плотность мощности и, соответственно, нелинейность волокна

Рис. 1.36. Зависимость дисперсии и потерь в стандартных DC волокнах от длины волны

Обычно модуль для компенсации дисперсии размещают в стойке рядом с оптическим усилителем. Однако из-за больших потерь, вносимым модулем, его нежелательно устанавливать на выходе оптического кабеля, так как это приведет к уменьшению сигнала на входе в оптический усилитель и, следовательно, к увеличению отношения сигнал/шум. Устанавливать модуль на выходе оптического усилителя также нежелательно - из-за большого уровня мощности в DC волокне возникнут сильные нелинейные искажения сигнала.

Оптимальным является размещение модуля между двумя оптическими усилителями. При этом потери, вносимые модулем, компенсируются с помощью первого усилителя, но мощность на его выходе еще не слишком велика, так что она не приводит к заметным нелинейным искажениям сигнала. Второй же оптический усилитель разгоняет мощность до нужного уровня.

Профиль показателя преломления в DC волокнах выполнен в виде узкого центрального пика, окруженного кольцом с меньшим скачком показателя преломления (рис. 1.37). На коротких длинах волн мода ведется в основном центральным пиком. С увеличением длины волны диаметр моды увеличивается, а модовый показатель преломления, соответственно, уменьшается. При этом изменяется коэффициент дисперсии волокна, величина которого пропорциональна (со знаком минус) второй производной по длине волны от эффективного показателя преломления волокна. Эта производная проходит через максимум, когда поле моды достигает кольца, окружающего центральный пик.

Рис. 1.37. Профили показателя преломления DC волокна (а) с коэффициентом дисперсии порядка 100 пс/(нм∙км) и (б) с коэффициентом дисперсии 1800 пс/(нм∙км) и шириной рабочего диапазона 24 нм

Таким способом удается создавать волокна, обладающие большим (по модулю) отрицательным коэффициентом дисперсии. Однако чем больше величина коэффициента дисперсии, тем уже полоса частот, в которой можно скомпенсировать полную дисперсию в SM волокнах. Промышленные DC волокна (типичные значения D = -100 пс/(нм∙км), S = - 0.15 пс/(нм²∙км) на λ = 1550 нм) позволяют компенсировать дисперсию во всей полосе эрбиевого усилителя (рис. 1.38).

Рис. 1.38. DC волокно обеспечивает компенсацию дисперсии SM волокон в широком диапазоне длин волн, так как у него не только знак коэффициента дисперсии отрицательный (D < 0), но и знак наклона дисперсионной характеристики отрицательный (S < 0)

Применение DC волокон наиболее эффективно в «старых» линиях с SM волокнами, однако в них для компенсации потерь, вносимых DC модулями, требуется устанавливать дополнительные оптические усилители. В новых линиях с NZDS волокнами, как показано на рис. 1.39, при той же длине ретрансляционного участка требуется меньше оптических усилителей.

Рис. 1.39. Две линии STM-64 (10 Гбит/с) с длиной регенерационного участка в 240 км. В линии с NZDS волокнами используются два оптических усилителя, а в линии с SM волокнами - три усилителя, так как DC модули вносят дополнительные потери ~ 20 дБ

В качестве примера найдем зависимость от длины волны степени компенсации полной дисперсии (CR-Compensation Ratio) в линии с SM волокнами и модулями DK-80. Коэффициент CR определяется как скомпенсированная доля полной дисперсии в линии. Будем полагать, как это часто делается, что в рабочем диапазоне длин волн коэффициенты дисперсии для SM волокон D(λ) и для DC волокон D_DC(λ) зависят линейно от длины волны (рис. 1.38). Тогда для их описания достаточно трех независимых параметров: длины волны λ_с, на которой осуществляется компенсация полной дисперсии, коэффициента дисперсии и наклона коэффициента дисперсии. Для удобства расчетов все необходимые параметры SM волокна и модуля DK-80 приведены в таблице № 1.6.

Таблица № 1.6. Дисперсионные параметры SM волокна и модуля DK-80 на λ = 1550 нм

Дисперсионные параметры	SM волокно	Модуль DK-80
Коэффициент дисперсии, пс/(нм км)	17	н/д
Коэффициент наклона дисперсии, пс/(нм^2 км)	0.058	н/д
Длина волокна, км	80	н/д
Полная дисперсия, пс/нм	1360	- 1 360 ± 40
Коэффициент наклона полной дисперсии, пс/нм^2	4.64	< - 2.5

Полная дисперсия в линии в предвидении, что по ней, возможно, в будущем будут передаваться солитоны, обычно компенсируется не до нуля, а до небольшого отрицательного значения. Для упрощения расчетов положим, что она скомпенсирована до нуля:

D(λ_с) L = D_DC(λ_с) L_DC. (1.20)

Тогда нескомпенсированная часть полной дисперсии в линии будет описываться выражением:

S(AJ (λ-λ_с) L + S_DC (AJ (A,- be) L_DC, (1.21)

а степень компенсации дисперсии выражением:

CR(λ) = [D(λ_c) L + S(λ_c)(λ – λ_c) L + S_DC (λ_c)(λ – λ_c) L_DC] / (D(λ_c) L). (1.22)

Подставив в (1.22) численные значения из таблицы № 2.4, получаем

CR(λ) =1 + 16 (λ- 1550)/1000. (1.23)

Зависимость СR(λ) изображена на рис. 1.40.

Рис. 1.40. Зависимость степени компенсации от длины волны в линии с SM волокном длиной 80 км и модулем DK-80

Как видно из рис. 1.40, на краю диапазона полная дисперсия не скомпенсирована примерно на 25 %, что при полной дисперсии линии 1360 пс/нм составляет величину около 340 пс/нм. Отсюда можно оценить максимальную длину ретрансляционного участка в линии с компенсирующими модулями DK-80. Например, так как при скорости передачи 10 Гбит/с (STM-64) полная дисперсия в линии должна быть меньше 1000 пс/нм (таблица № 1.4), то получаем, что длина этого участка может достигать 3x80 км = 240 км. В то же время для скорости передачи 40 Гбит/с (STM-256) компенсация дисперсии в линии оказывается недостаточной, так как в этом случае допустимая величина полной дисперсии (60 пс/нм) меньше нескомпенсированной доли полной дисперсии (340 пс/км).