Параметры сигналов и компонентов

Конечной целью измерений параметров сигналов в системах DWDM является проверка работоспособности линии, по которой идет множество информационных потоков, т. е. подтверждение того, что полезная информация не только передается по всему оптическому тракту и что ее можно выделить из общего сигнала на принимающей стороне.

Так как реальный сигнал имеет очень сложную структуру, к тому же меняющуюся во времени, то задачу контроля упрощают, измеряя несколько ключевых характеристик: спектральных, временных и поляризационных. Основными, конечно, являются параметры спектра, связывающие длину волны излучения и его мощность, измеренную в какой-либо точке оптического тракта. Анализ полученной зависимости позволяет достаточно точно судить о прохождении реальных сигналов, при условии незначительности нелинейных явлений, неизбежных в любой оптической системе. Важнейшими параметрами отдельного канала при контроле за реальными линиями являются центральная длина волны, максимальная мощность сигнала и ширина спектра канала.

Центральная длина волны, согласно рекомендации МСЭ, должна соответствовать одному из стандартных значений. В данном дипломном проекте применяется сетка каналов с шагом 100 ГГц.

Канальная мощность представляет интерес для расчета отношения сигнал/шум, что позволяет судить о надежности выделения полезной информации из пришедшего сигнала. Уровень шума при этом определяется по диаграмме спектра, точнее, по пороговому уровню сигнала. В протяженной линии, имеющей промежуточные усилители, на стадии строительства и ввода в эксплуатацию необходимо применять эталонные источники лазерного излучения, поскольку при расчетах используется так называемое «актуальное» отношение сигнал/шум как показано на рисунке 4.1, т. е. разница между полезным сигналом и уровнем аккумулированных шумов. В этом случае пороговый уровень включает в себя аккумулированные шумы и, соответственно, располагается выше.

Рисунок 4.1 - Влияние аккумулированного шума.

Чем длиннее линия, тем шире спектр сигнала, во-первых, из-за влияния нелинейных эффектов во всем волоконно-оптическом тракте и, главным образом, в усилителях, а во-вторых, в результате поляризационно-модовой дисперсии (Polarized Mode Dispersion, PMD) сигнала в оптическом кабеле. Контроль спектральной ширины канала особенно важен для систем с близко расположенными каналами, где даже небольшое расширение сигнала в спектральной области может означать его переход в соседнюю область.

Еще одна важная характеристика сигнала — стабильность указанных параметров во времени, в особенности стабильность центральной длины волны источника излучения в течение длительного времени, а также стохастические процессы вследствие, например, флуктуаций поляризационно-зависимых потерь на любом участке оптического тракта.

В идеальной системе DWDM демультиплексор должен выделить каждый компонент входного сигнала и направить его на отдельный выход, независимо от мощности сигнала в любом другом канале. Однако поведение реальных устройств отклоняется от описанного, и сигнал на выходе одного канала частично передается в другие каналы. Величина остаточного сигнала, появляющегося на различных выходах, определяется взаимным влиянием каналов (crosstalk).

Если измерения параметров тракта передачи дают неудовлетворительные результаты, то переходят к тестированию параметров отдельных компонентов: источников излучения, пассивных устройств и усилителей сигнала.

Пассивные оптические компоненты — соединительные муфты, мультиплексоры и демультиплексоры — характеризуются вносимыми потерями, связывающими длину волны тестирующего сигнала с мощностью сигналов на входе (каждом входе мультиплексора) и выходе (каждом выходе демультиплексора) устройства. При измерениях нелинейные эффекты обычно не учитываются, поскольку их практическая обработка слишком сложна. Поэтому о вносимых потерях судят только по нескольким параметрам работы каждого отдельного канала.

В первую очередь, это максимальные вносимые потери и соответствующая им центральная длина волны канала. Максимальные вносимые потери — критическая величина для работоспособности системы, от которой зависит амплитуда переданного сигнала. Если вносимые потери превышают суммарно допустимые потери системы, то сигнал нужно дополнительно усилить, чтобы компенсировать такое ослабление.

Рисунок 4.2 - Пропускная способность и полоса пропускания.

В системах DWDM всегда большое внимание уделяется взаимоувязке характеристик оптических фильтров. Вместо полной функции зависимости вносимых потерь от длины волны используются две близкие по смыслу величины — полоса пропускания (passband) и пропускная способность (bandwidth), показанные на рисунке 4.2. Ширина сигнала на уровне 1 дБ ниже максимума называется полосой пропускания, а ширина сигнала на уровне 20 дБ ниже максимума — пропускной способностью и относится обычно к устройствам фильтрации сигналов. При этом отношение указанных величин указывает на крутизну наклонов боковых сторон в диаграмме фильтра и существенно влияет на величину перекрестной связи каналов. Идеальные устройства должны иметь пропускную способность немногим более широкую, чем полоса пропускания, что позволило бы им производить практически полное подавление сигналов вне полосы пропускания светофильтра.

К пассивным элементам относится и волоконно-оптический кабель, основное влияние которого — вносимые потери, в том числе и поляризационно-зависимые. Обычно их эффект мал, но на протяженных линиях PMD начинает играть заметную роль. На прохождение сигнала в длинной линии оказывает значительное влияние и другой вид дисперсии — хроматическая, которая приводит к росту взаимного влияния соседних каналов.

Оптические усилители характеризуются, в первую очередь, своим коэффициентом усиления, зависящим, к сожалению, от длины волны. Для компенсации этой зависимости применяют дополнительные аттенюаторы. Кроме того, усилители вносят существенный вклад в межканальное влияние. Особенно сильно нелинейные эффекты проявляются при больших мощностях сигнала. Поэтому в современных системах суммарная мощность излучения по всем каналам не должна превышать 17 дБм. Проверка полной мощности сигнала до и после усилителя функционально необходима [6].

Методы измерения и контроля

Измерение и контроль оптических сигналов и компонентов обычно производятся по одной из трех методик: в первой используют лазер с перестройкой частоты и измеритель оптической мощности, в другой — широкополосный источник излучения и оптический анализатор спектра; третья методика предназначена для контроля поляризационно-зависимых потерь.

Согласно первой схеме все каналы проверяются последовательно, для чего приходится так же последовательно перестраивать источник излучения (точность ±0,01нм).

Для изменения длины волны в них обычно применяется принцип Фабри-Перо. Фильтр Фабри-Перо состоит из двух частично отражающих пластин, интервал между которыми изменяется с помощью пьезоэлементов, управляемых электрически. Фильтр прозрачен для тех волн, которые при многократном отражении между пластинами синфазны, а поэтому усиливают друг друга. Для всех других длин волн происходит сильное ослабление. Собственно источниками излучения служат лазеры с внешним резонатором (External Cavity Lasers, ECL) или перестраиваемые полупроводниковые лазеры. Лазеры с перестройкой частоты дают излучение с точностью до 50 пм. В зависимости от требуемой точности, к системе тестирования может быть добавлен дополнительный измеритель длины волны. С добавочным измерителем длины волны точность измерения повыситься до 1 пм и выше. Для определения частоты тестируемого излучения эти приборы используют принцип генерации и сравнения интерферограмм внутреннего и исследуемого сигналов (точность ±0,0001нм).

Таким образом, на вход подается монохроматическое излучение для одного определенного канала. Далее мощность сигнала измеряется в различных точках оптического тракта, для чего можно использовать обычный оптический ваттметр. По полученным данным рассчитываются вносимые потери отдельных участков тракта либо тестируемых устройств.

Главный недостаток этого метода — временные затраты, необходимые для перевода излучения в желаемый диапазон длин волн, а также для проверки длины волны дополнительным устройством.

Второй метод предусматривает использование широкополосного источника излучения наподобие оптического светодиода (LED) или эрбиевого источника (ASE), а также анализатора оптического спектра (OSA).

Широкополосный источник излучает во всем спектре частот проверяемого устройства. Таким образом, измерения проводятся для всех длин волн. При этом дополнительные устройства не требуются, поскольку анализатор спектра разделяет излучение по длине волны для всего диапазона и измеряет передаваемую мощность для каждой длины волны отдельно.