В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение 14.В37.21.1878. Статья посвящена разработке и изучению работоспособности функциональной схемы подстраивающего устройства, синхронизированного с внешним сигналом. Действие предложенной схемы основано на разделении входного сигнала, частично подаваемого на мультиплексор, частично направляемого на волоконную петлю синхронизатора. В последнем случае используется эффект фазовой кросс-модуляции близких по длине волны оптических сигналов. Схема обеспечивает подстройку синхронности абонентских сигналов и "маски" тактовых интервалов, что и позволяет снизить значение девиации временного интервала в выходном сигнале. Выполнена оценка конструктивных параметров синхронизатора. Показано, что смещение частоты сигнала зависит от длины волоконно-оптической петли и длин волн синхронизируемых сигналов.
The article is devoted to investigation of efficiency and development of the functional scheme of the adjustment signal unit that is synchronized with external signal. The operation of proposed scheme based on splitting and transmission of the input signal separately to the multiplexor and to the fiber loop of synchronizer. In last case it uses an effect of the phase cross modulation of optical signals with similar wavelengths. The scheme provides synchronous adjustment of subscriber’s signals and "the mask" of clock interval; thereby time interval deviation reduces in the output signal. The estimation of design parameters of the synchronizer performed. It is shown that frequency shift depends on length of the fiber optic loop and wavelengths of signals that must be synchronized.
Владимир
Вадим Одной из концепций увеличения количества каналов является использование оптического мультиплексирующего устройства [1] – OTDM (Optical Time Digital Multiplexing). В настоящее время подобного рода устройства в серийном варианте не реализованы, что связано не столько со сложностью их изготовления1, сколько со сложностью обеспечения полностью оптического управления, включая реализацию в таком виде служебных подсистем [2]. Именно решению этой задачи – подстройки синхронизации – посвящена настоящая статья.
Неотъемлемой частью OTDM является чередование битов или тайм-слотов. Процесс OTDM в общем случае состоит из следующих шагов [2], рис. 1:
1. Лазер генерирует периодический поток узких оптических импульсов длительностью τ (с) с частотой повторения, соответствующей скорости передачи по входному каналу, который в общем случае может быть не только оптическим, но и электронным. Для этого случая предусмотрены электрооптические модуляторы (обозначены EO Mod на рисунке). Затем поток входных импульсов (ставших уже оптическими) проходит следующие ступени обработки.
2. Разделение потока импульсов на N отдельных каналов, где N – коэффициент сжатия (compression factor), на который, благодаря оптическому мультиплексированию, увеличивается скорость потока по отношению к индивидуальному каналу. Ширина τ оптических импульсов выбирается так, чтобы выполнялось условие: τ < T/N, где T – интервал передачи двоичного разряда в электронном2 потоке данных.
3. Параллельная модуляция оптических импульсов информационными битами, поступающими по входным каналам с использованием модуляторов (EO Mod). Последние могут представлять собой, например, быстродействующие электрооптические двухпозиционные переключатели (on-off switch [3]). Если входные сигналы уже были в оптической форме, то модуляторы следует использовать полностью оптические.
4. Сигналы с выходов модуляторов направляются через оптические линии задержки со временами фиксированной задержки3 от 0 до tp+[(N-1)T/N] с на соединитель, где они объединяются (накладываются друг на друга), что и приводит к образованию пассивного мультиплексного OTDM-сигнала со скоростью N⋅τ бит/с.
Следует отметить, что поскольку τ < T/N, то допустимым форматом мультиплексного оптического сигнала является формат передачи с пассивной паузой – кодирование с возвратом к нулю (return-to-zero) [3]. Если во входном потоке данных битовая скорость составляет 10 Гбит/с (T ≈ 10-9 с), а длительность импульса от лазера (с учетом параметров распространенных сегодня моделей лазеров) имеет порядок τ ≈ 5...10 пс, то данный способ позволяет мультиплексировать до 1000 каналов в одно волокно при отсутствии наложения каналов. Требования для оптических линий задержки могут иметь вид: τ0, τ0 + 10 пс, τ0 +20 пс... и т.д., где значения τ0 могут подбираться в процессе настройки OTDM-мультиплексора.
С развитием технологий полностью оптических сетей типа PON и Metro WDM [4] возникает задача присоединения волоконно-оптических сетевых сегментов, работающих без использования электронных средств, к многоканальному оборудованию, выполняющему, например, маршрутизацию на телефонной станции или мультиплексирование оптических сигналов. Это приводит к необходимости выполнения фазовой подстройки тактовых отсчетов для различных служебных функций. Причем, учитывая, что синхронизируется полностью оптический сегмент, подстройка должна также выполняться с привлечением оптических, а не электронных эффектов.
Для решения поставленной задачи предложено использовать эффект фазовой кросс-модуляции (ФКМ), возникающий в волоконно-оптической петлевой линии между импульсами подстраиваемого генератора (ПГ, λ1) и импульсами, приходящими из полностью оптического сегмента сети (λ2), рис. 2 [5].
Для реализации эффекта подстройки используется волоконный разветвитель 2х2 с малыми потерями, выходные порты которого соединены в петлевую линию. Оптические импульсы, поступающие от ПГ на длине волны λ1, расщепляются на разветвителе на два равных встречных потока, которые приобретают идентичные фазовые сдвиги по мере перемещения по петле. Прошедшие по петле синхроимпульсы испытывают конструктивную интерференцию в смесителе разветвителя, складываются там в изначальный импульс, который передается (отражается) обратно от его входного порта практически без изменения амплитуды (с разницей за счет потерь в разветвителе и волоконной петле). Узкополосный фильтр, установленный во втором входном порту разветвителя и настроенный на некоторую смещенную длину волны (λ3 ≠ λ1 ≠ λ2), не пропускает такой синхроимпульс к эрбиевому усилителю (Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA) и далее на подстройку генератора. Попаданию обратно отраженного импульса в лазер ПГ препятствует установленный в первом входном порту изолятор.
Петлевой контур оказывается рассогласованным в результате поступления внешнего импульсного потока на другой длине волны λ2 ≠ λ1, который распространяется сонаправленно по петлевой линии вместе с одним из импульсов, идущих от ПГ. Это приводит к взаимному смещению фазы для расщепленных частей импульса на длине волны λ1, что дает меньший эффект от их интерференции в смесителе, а также приводит к появлению импульса малой амплитуды на несколько смещенной длине волны λ3 [6].
Такой смещенный импульс проходит через устройство 3, далее пропускается полосовым фильтром, усиливается в EDFA и поступает для подстройки генератора. Для повышения эффективности взаимодействия, а также для выполнения 1R-регенерации [3] в сегменте полностью оптической сети поступающие из сетевого сегмента импульсы пропускаются через узкополосный усилитель 6.
Полученный таким путем сигнал является инверсным сигналом ошибки для ПГ, так как чем он больше, тем рассинхронизация между рассматриваемыми сигналами меньше. Сигнал такой антирассинхронизации (λ3) вообще не возникает при отсутствии входного сигнала λ2 либо при существенном несовпадении импульсов3 (рис. 3а). Если указанные импульсы совпадают лишь частично (рис. 3б), то сигнал антирассинхронизации будет небольшим. Последний будет максимальным при полном совпадении импульсов (рис. 3в).
На рис. 4 представлена схема для OTDM-устройства, синхронизируемого при помощи волоконно-оптической петли с входным сигналом. Представленная схема обеспечивает синхронизацию с каким-либо одним сигналом. Это может быть сигнал с точными [7] параметрами (низким коэффициентом вариации Алана, низким значением девиации временного интервала и низкой ошибкой временного интервала), выполняющий настройку тактовой частоты на мультиплексоре. Если необходимо обеспечить синхронизацию со многими входными каналами хотя бы в усредненном варианте, то следует разомкнуть соединение в точке А (рис. 4) и включить здесь волоконно-оптическое устройство усреднения. На данное устройство следует подать входные сигналы от каждого из входов через Y-разветвители, подобно тому, как это представлено на рисунке.
Предполагается, что входные сигналы подаются в оптическом виде, следовательно, модуляторы (MOD), рассматриваемые выше, могут представлять собой управляемые (стробируемые) конвертеры длин волн λ2/λ1.
На рис. 2 представлена функциональная схема синхронизатора, руководствуясь которой следует подобрать его конструктивные параметры: параметры излучения и параметры волоконно-оптической петли. В первом случае это:
Для двух распространяющихся совместно импульсов, спектры которых не перекрываются и соответственно центральные частоты не равны ω1 ≠ ω2), известны соотношения для соответствующих значений сдвига частот [6], возникающих при ФКМ для случая пренебрежения фазовой самомодуляцией:
n2 - керровский коэффициент ; преломления световода, или нелинейная составляющая второго порядка для полного коэффициента преломления световода [6], обладает слабой зависимостью от частоты излучения, для кварцевых волокон в диапазоне ближнего инфракрасного излучения (X = 1,5...1,6 мкм) n2 ≈ 2,4x10-18 м2/Вт2;
Sэфф – площадь модового пятна, в рассматриваемом диапазоне для кварцевых световодов обычно Sэфф x 10-2 мкм2 = 10-14 м2;
c – скорость света в вакууме, с = 3x108 м/с;
τ =T/T0, Т – время в системе отсчета, движущейся с импульсом 1;
T0 –длительность импульсов;
nг1 и nг2 – групповые коэффициенты показателей преломления [6].
Соотношения (1) справедливы для импульсов приблизительно одинаковой длительности и при малом различии в значениях мощностей P1 ≈ P2, составляющих приблизительно один порядок, отсутствии потерь в волоконной петле и малом эффекте самомодуляции для каждого из импульсов.
Действительно, ФКМ всегда сопровождается фазовой самомодуляцией (ФСМ) и возникает из-за того, что эффективный показатель преломления какой-либо волны зависит не только от интенсивности самой этой волны, но и от интенсивности других волн, распространяющихся с ней совместно. Согласно [6], ФКМ в 2 раза эффективнее, чем ФСМ при той же интенсивности. Причиной этого является количество слагаемых (при ФКМ в противовес ФСМ) в системе уравнений, описывающих распространение импульсов, что приводит к утроенной сумме для выражения, характеризующего нелинейную поляризацию сердцевины световода. Иначе говоря, когда оптические частоты двух волн различны, число слагаемых удваивается по сравнению с вырожденным случаем для единственной частоты в идущем излучении.
В этом случае для двух импульсов на различных частотах имеет место различие в групповых коэффициентах показателя преломления (nг1 ≠ nг2), что вытекает из разных коэффициентов дисперсии и соответственно приводит к различию в групповых скоростях [6] при их движении по световоду. Неравенство групповых скоростей играет важную роль, поскольку оно ограничивает взаимодействие - импульсы "разбегаются" и в случае длинной волоконно-оптической петли в конце они уже могут перестать перекрываться, хотя вначале мог быть случай даже полного их перекрытия (рис. 3). Иллюстрация зависимости полного (n) и группового (nг) показателя преломления представлена на рис. 5.
Исходя из того что ФКМ эффективна, когда импульсы перекрываются во временной области (рис. 3в), а их длительность составляет T0, то их "разбегание" во временной области при прохождении волоконной петли длиной L из-за различия nг1 ≠ nг2 не должно превысить их же длительность в волокне:
где 
, - разница в групповых скоростях или 
t* - время движения импульсов по петле L, или 
, если считать, что 
из-за nг1 ≈ nг2; с этой же точки зрения групповую скорость ft., входящую в выражение (2), заменим на 
. Тогда 
Кроме этого, желательно, чтобы третий (генерируемый, λ3) импульс существенно уже отличался по спектру от импульса 2, то есть чтобы его можно было надежно отделить фильтром от λ1 и от λ2, расположенным за разветвителем 3 (см. рис. 2 и 4).
Отсюда, согласно выражению в (1) для Δω2, а также учитывая, что все они будут иметь приблизительно одинаковую спектральную ширину δω ≈ δω2 ≈ δω3 ≈ δω (см. рис. 6), запишем:
или
Зная величину для δω и значения других входящих в (3) коэффициентов, принимая во внимание ограничение для L, полученное на основании (2), находим, что nг2 ≈ 1,4611, а с этим и длину волны λ2 ≈ 1533 нм, значение L будет составлять ~ 45 м. При этом мощность нового (генерируемого) импульса можно вычислить:
где P03 - начальная флуктуационная величина, оцениваемая как шумовой порядок ~1 нВт; μ - коэффициент нарастания мощности, согласно [6] составляющий 0,102 1/м. Окончательно получаем: P3 = 100 нВт.
Очевидно, что, зная спектральный состав наводимого излучения: λ3 ± δλ3/2, можно спрогнозировать характеристику фильтра δf. Так, указанный фильтр должен обладать пропусканием в диапазоне: 1531,785-1532,595 нм, ширина зоны пропускания должна составлять 0,81 нм. Исходя из полученных значений, данный фильтр является когерентным узкозонным [10], который, например, может быть реализован с использованием интерферометра Фабри - Перо. Для сравнения заметим, что используемые в DWDM-сетях узкозонные фильтры обладают шириной линии 0,4–0,8 нм в соответствии с установленной шириной канала [8]. Следовательно, в данном случае можно применить стандартный фильтр.
Предложенная модель синхронизатора может быть внедрена на действующих сетях типа PON [12, 13]. Кроме этого, результаты могут быть использованы в учебном процессе вузов и ссузов, в которых проводится обучение по направлению "Телекоммуникации", в виде следующей лабораторной работы.
Лабораторная работа по исследованию режимов работы волоконно-оптического синхронизатора, собранного в соответствии со схемой по рис. 2 проводится следующим образом. Как следует из соотношений (1) ÷ (3), действие синхронизатора основано на использовании взаимосвязанных параметров. Главным образом это длина волоконно-оптической петли, уровни мощности синхронизируемых сигналов P1 и P2, длины волн λ1 и λ2 и, в общем случае, спектральные линии δλ1 и δλ2. Из соотношения (1) следует, что, варьируя один из перечисленных параметров, можно находить целевую величину - сдвиг по длине волны (или частоте) при ФКМ. Отсюда очевидно, что технический интерес представляет нахождение наиболее влияющего на Δω2 фактора и одновременно требуется, чтобы для данного влияющего фактора легко можно было организовать управление.
В качестве конечного показателя можно определять показатели работоспособности абонентских сегментов, основанных на использовании оптических коммутаторов или OTDM-устройств. Данная работа может быть поставлена на основе программного средства [14] в соответствии с методикой вычислительного эксперимента, представленного в [11], а также с применением виртуальных средств моделирования и численных методик проведения экспериментов [15].
1. Предложен принцип и разработана схемотехническая модель системы подстройки синхронности цифровых сигналов для реализации в устройстве OTDM-мультиплексора. Разработана совмещенная схема синхронизатора и OTDM-мультиплексора. В качестве основополагающего эффекта предложено использовать эффект фазовой кросс-модуляции, возникающей между импульсом на длине волны стробирующего генератора и импульсом, приходящим от удаленного абонента. Предполагается, что такой синхронизатор может быть использован для подстройки наиболее искаженного по частоте сигнала, либо выполнять "усредненную" подстройку.
2. Разработана инженерная методика расчета конструктивных параметров синхронизатора, основанная на зависимости целевой функции – величины смещения частоты как от параметров волоконно-оптической петли, так и от параметров излучения. Определены конструктивные параметры устройства, являющиеся наиболее благоприятными для его реализации.
3. Кратко представлен взгляд авторов на подходы к применению результатов работы. Предполагается, что предложенный способ расширения функциональных возможностей PON может быть реализован уже в настоящее время на действующих системах связи. Предложено применение результатов и в учебном процессе для выполнения лабораторных работ.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2013
Посещений: 6739
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
