Vybrané aspekty rušení v plně optických přenosových sítích
Autor: M. Kozák, M. Lucki, L. Boháč <kozakmil(at)fel.cvut.cz?cc=luckimic(at)fel.cvut.cz?cc=bohac(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Parametry, Vydáno dne: 19. 04. 2010Selected Aspects of Impairments in Optical Transfer Networks
This article is focused on all optical transport networks which use wavelength division multiplex (WDM). It summarizes threads affecting transmitted data quality and compares two different methods of OSNR monitoring along the fiber. The origination of ASE and chromatic dispersion is more precisely described.
Keywords: All optical, optical performance monitoring (OPM), OSNR
Úvod
K dosažení vyšších přenosových rychlostí se dnes využívá principu WDM [1], kdy se pro přenos mezi uzly sítě využívá více nosných vlnových délek v rámci jednoho optického vlákna. Kapacitní možnosti dnešních optických sítí nejsou omezovány přenosovými systémy, ale spíše uzly. Tyto uzly dnes pracují na bázi elektronického směrování. K elektronickému směrování je zapotřebí, aby uzly sítě prováděly převod signálu z optické roviny do roviny elektrické. Signál je v elektrickém tvaru vyhodnocen a následně převeden zpět do podoby optické. Optický signál je dále směrován na odpovídající výstup. Popisovaná metoda má jednu podstatnou výhodu, a to tu, že je signál v každém uzlu sítě regenerován, je tedy obnoven tvar, velikost a časová poloha pulzů. Vzhledem k opakujícímu se procesu postupné regenerace signálu v jednotlivých uzlech sítě, lze dosáhnout větší vzdálenost mezi koncovými body. Tato metoda je označována jako opticko-elektricko-optická (OEO) konverze.
I když výše zmíněná metoda přenosu umožňuje dosáhnout větších vzdáleností, neumožňuje dosažení vysokých přenosových rychlostí vzhledem k tomu, že elektronické zpracování v dílčích uzlech sítě podél trasy nedovoluje docílit takových přenosových rychlostí, jako kdyby uzly sítě směrovaly signály na optickém principu [2]. Sítě obsahující uzly, které využívají výše zmíněný princip, se nazývají plně optické sítě (AON - All Optical Network).
V těchto sítích existují jevy, které nejsou v klasických sítích známé nebo jsou zanedbávány, např., není nutné řešit dostupnost vlnových délek podél celé trasy, protože uzel s OEO konverzí je schopen převést signál z jedné vlnové délky na jinou, podle aktuálních požadavků a tedy v každém úseku je možné signál přenášet na jiné nosné vlnové délce, v jiném kanálu WDM. Navíc není třeba řešit hromadění zhoršujících vlivů podél celé optické trasy, jelikož na začátku každého dalšího úseku vstupuje signál zcela obnoven.
Teoretický rozbor vlivů zhoršujících kvalitu přenosu
U plně optické trasy, dochází ke zhoršení kvality signálu. Příčiny zhoršení kvality lze rozdělit do tří základních kategorií. Jedná se o:
Šum- nejčastěji náhodné změny velikosti amplitudy optické nosné, které mohou být matematicky popsány jako Gaussův proces.
- změna tvaru modulačního signálu. Zkreslení může způsobit nárůst bitové chybovosti - BER (Bit Error Rate).
- změna časové polohy symbolu, označovaná buď jako jitter, pro rychle se měnící polohu symbolu, nebo jako wander, pro pomalu se měnící polohu symbolu.
- nežádoucí přenos informace mezi jednotlivými kanály systému WDM. Takovýto přenos informace může být způsoben např. vlivem nelineárních efektů jako je např. čtyřvlné směšování (FWM).
Z výše jmenovaných jsou při vyhodnocení velmi problematické zkreslení a fázové chvění [3]. Zkreslení a šum lze částečně kompenzovat ekvalizací nebo použitím optických filtrů. Problémem se stává fázové chvění, které vzniká vlivem nepřesného odvození taktu z přijímaného signálu. Nepřesné určení taktovacího signálu může být způsobené jak šumem, tak i mezisymbolovou interferencí (ISI). Pokud je fázové chvění příliš velké, může toto vést až k nárůstu hodnoty bitové chybovosti vlivem neoptimálního okamžiku vzorkování [16].
V sítích využívajících OEO tyto problémy řešily, již ze samé podstaty své funkce, buď opakovače signálu, nebo sítové prvky, takže stačilo hodnoty těchto veličin pouze sledovat. V sítích AON je nutné navíc provádět kompenzaci šumu a zkreslení.
Nicméně, každou z výše zmíněných kategorií lze rozdělit do skupin podle dalších dílčích vlivů, které souvisí s velikostí vstupního signálu. Pro zjednodušení situace je možné tyto vlivy rozdělit na vlivy způsobené uzly sítě a samotnou optickou trasou [3]. V případě snížení kvality signálu vlivem optické trasy, se může jednat o šum zesilovačů, chromatickou disperzi (CD), polarizační vidovou disperzi (PMD - Polarization Mode Dispersion) a přeslech způsobený nelineárními jevy, fázovým chvěním, optickou filtrací a vložným útlumem. Všechny tyto jevy navíc nabývají na významu s rostoucí délkou trasy [3].
Chromatická disperze
Chromatická disperze je jev, který se nejčastěji projevuje změnou tvaru modulační obálky signálu [4]. Je vyvolána nekonstantní skupinovou rychlostí šířených vln v závislosti na vlnové délce, způsobenou nestejnou hodnotou indexu lomu pro všechny vlnové délky, geometrií a profilem indexu lomu vlákna. Velikost CD narůstá s rostoucí délkou optického vlákna a spektrální šířkou zdroje záření. CD je možné kvantifikovat pomocí koeficientu chromatické disperze Dch (1), který vztahuje velikost CD (typicky ps) na jednotkovou délku vlákna (typicky v km) a šířku spektra zdroje záření (typicky nm). Patří k významným vlivům, jež zhoršují kvalitu signálu podél optické trasy [6].
 | (1) |
L - délka optického vlákna [km].
τg - skupinové zpoždění signálu odpovídající vlnové délce λ [ps].
λ - vlnová délka [nm].
Obdobou CD je vidová disperze, která je přítomna u mnohovidových vláken a projevuje se rozdílnou dobou příchodu šířících se vidů, což v konečném důsledku vede k rozšíření optického pulzu. CD je tvořena dvěma složkami, složkou materiálové disperze a složkou vlnovodné disperze.
Posledním důležitým typem disperze je polarizační vidová disperze (dále jen PMD), která je způsobena anizotropními vlastnostmi optického vlákna. Ve vlákně lze totiž nalézt hlavní a vedlejší osu polarizace, podél nichž dochází k různě rychlému šíření vln, což se na konci vlákna projeví opět jako roztažení pulsu. Velikost PMD je náhodná veličina, proměnná v čase, která se mění s vlnovou délkou záření, deformací vlákna, jeho ohybem podél trasy, atd., a proto se obtížně kompenzuje.
Amplitudová spontánní emise
Optické vlákno je využíváno k vedení světla, avšak vlivem nenulového útlumu dochází k poklesu úrovně signálu. V AON tento jev nabývá na významu, jelikož vzájemným propojováním dílčích tras, úseků, narůstá celková délka, takže hrozí, že na konci trasy nebude možné signál s dostatečnou kvalitou detekovat. Proto se do optických tras vkládají zesilovače. Nejčastěji se u WDM systémů používají k zesílení erbiem dopovaná vlákna (EDF - erbium dopped fiber), která při nabuzení čerpacím zdrojem s vhodnou vlnovou délkou a velikostí výkonu pracují jako zesilovače (EDFA - EDF amplifier) nebo se používají zesilovače využívající Ramanova rozptylu (FRA - Fiber Raman amplifier).
Optické zesilovače však přidávají v celém zesilovaném pásmu k zesílenému signálu další energii záření, která se označuje jako šum (zvaný jako ASE šum). Šum u EDFA vzniká spontánní emisí elektronů, které přecházejí z excitované metastabilní hladiny na hladinu stabilní bez vybuzení jiným fotonem. Při přechodu elektronu z metastabilní hladiny na hladinu stabilní dochází k uvolnění energie v podobě záření, dojde ke vzniku fotonu. Vzdálenost mezi metastabilní a stabilní hladinou udává vlnovou délku nově vzniklého záření.
Šum optických zesilovačů společně s chromatickou disperzí nejvíce ovlivňují kvalitu optické trasy, viz [7].
Metody sledování kvality optické trasy
Základní sledování kvality optické trasy se provádí vyhodnocením optického spektra systému WDM. Tímto způsobem lze sledovat všechny WDM kanály současně, není ale možné provádět přesné vyhodnocení dalších parametrů, jako je např. BER, Q-faktor a oko rozhodnutí jednotlivých kanálů bez jejich spektrální demultiplexace. Proto se provádí měření odstupu úrovně signálu od šumu (OSNR - Optical Signal to Noise Ratio) jednotlivých kanálů. Ze správně určeného OSNR je možné provést odhad parametrů, jako je např. BER a Q-faktor. Určení správné hodnoty OSNR je u systémů využívajících hustého WDM (DWDM - Dense WDM) složitější, oproti systémům využívajících hrubého WDM (CWDM - Coarse WDM), vzhledem k malým vzdálenostem mezi jednotlivými kanály [15]. Z toho důvodu existuje řada metod [8]-[12] umožňujících její sledování a vyhodnocování.
Určení odstupu úrovně signálu a šumu
Odstup úrovně optického signálu od šumu je kvantifikován koeficientem OSNR, který vyjadřuje rozdíl úrovně signálu od úrovně šumu, jenž je de facto ASE [3].
 | (2) |
Bn - šířka spektra, ve kterém je prováděno měření [nm].
Ni - interpolovaná hodnota průměrného výkonu šumu [W].
Br - referenční šířka pásma, většinou bývá Br=0,1 nm.
Pomocí koeficientu OSNR je možné provést odhad hodnoty BER, viz (4), pomocí přepočtu hodnoty OSNR na hodnotu Q faktoru, viz (3), [17] a tím určit míru chybovosti spoje.
 | (3) |
Bc - šířka filtrovaného pásma v elektrické rovině [nm].
 | (4) |
S nárůstem vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem je nutné vkládat do optických tras zesilovače, kvůli potlačení útlumu optické trasy. Tyto zesilovače však snižují hodnotu OSNR.
Metody monitorování OSNR
Základní metoda určení OSNR vychází ze spektra optického signálu, které lze měřit pomocí optického spektrálního analyzátoru (OSA), kdy odečtením úrovně výkonu a interpolací hodnoty šumu mezi sousedními kanály určíme přímo hodnotu OSNR, viz (2).
Tato metoda je vhodná pouze tehdy, kdy jsou jednotlivé kanály systému WDM dostatečně vzdáleny, a tedy je možné provést interpolaci šumu. V opačném případě již tato metoda není příliš přesná, a pokud se jedná o systém DWDM, nelze tuto přímou metodu použít. Z toho důvodu bylo třeba vytvořit nové metody určení přesné hodnoty OSNR. Tyto metody jsou navrženy tak, aby bylo možné měřit hodnoty OSNR bez přerušení provozu na optické trase. Cíle bylo dosaženo s využitím vazebních článků, viz Obr. 1.
Obr. 1 Princip měření OSNR podél trasy.
Laser - zdroj optické nosné vlny.MZ - Mach-Zehnderův modulátor.
DATA - vstupní datová posloupnost.
OSA - optický spektrální analyzátor měřič OSNR.
PP - optická pásmová propust.
Dioda - optický detektor signálu.
BER - měřič míry chybovosti spojení.
Nové metody určení OSNR lze rozdělit do dvou základních kategorií v závislosti na tom, jak využívají polarizace přenášeného signálu. Dnes již klasická metoda potlačující polarizované složky [12] využívá toho, že vlastní signál je polarizován a zbytek, který není polarizován, je zcela potlačen a není zahrnut do úrovně maxima výkonu. Při určování úrovně šumu je naopak zcela potlačen polarizovaný signál a vše ostatní je bráno jako energie šumu. Tyto hodnoty jsou následně dosazeny do (5) a z ní je určena hodnota OSNR.
Tato metoda je založena na polarizaci dopadajícího světla. K polarizaci je využito čtvrvlnné destičky na vstupu, která zajistí přeměnu optického signálu na signál lineárně polarizovaný. Lineárně polarizovaný signál je zaveden do druhého lineárního polarizátoru, který však slouží k výběru pouze lineárně polarizovaného signálu o určité hodnotě úhlu polarizace. Tento druhý lineární polarizátor je však otočný, stejně jako první, a tedy dochází k určení úrovně signálu v nastaveném úhlu polarizace. Z principu je tato metoda velmi náchylná na PMD [12], jelikož vlivem nestejné rychlosti šíření v hlavní a vedlejší rovině polarizace mohou tyto složky dopadnout v jiném okamžiku a nedojde tak k vzniku lineárně polarizované vlny o očekávané velikosti a úhlu polarizace.
Když zachováme myšlenku silně polarizovaného signálu a depolarizovaného šumu, vynecháme výše zmíněné otočené části měřící soupravy, můžeme se soustředit pouze na měření míry polarizace (DOP - degree of polarization), která není tak závislá na šířce optických filtrů a tím dosáhneme přesnějšího určení hodnoty OSNR [13]. Navíc pak není třeba k měření využívat čtvrtvlnné destičky, čímž potlačíme vliv PMD. OSNR je s DOP svázáno vztahem (5) a DOP je definováno pomocí (6), kde parametry sn jsou tzv. Stokesovy parametry, které popisují tzv. částečně polarizované světlo [14].
 | (5) |
 | (6) |
Stokesovy parametry jsou závislé na vlnové délce, stejně tak jako celý parametr DOP je závislý na vlnové délce. Ze spektrální charakteristiky je zřejmé, že je tato metoda velmi přesná a tedy velmi perspektivní.
Jinou cestou řešení problému velmi malého rozestupu kanálů u DWDM systémů je použití dvou lineárně polarizovaných signálů. Tyto signály však musejí být ortogonální. V jedné rovině polarizace jsou přenášeny informace modulované na jedné nosné vlně a ve druhé polarizaci se přenáší jen nemodulovaná nosná vlna bez uživatelské informace. Tohoto uspořádání je možné dosáhnout za použití zdroje kontinuální vlny (CW), která je však v jedné větvi ortogonálně polarizována a následně přidána k původní CW. Tato kombinace nosných vln je následně modulována pomocí MZ modulátoru, který má tu vlastnost, že uživatelskou informaci moduluje na jednu polarizovanou CW a druhou CW v ortogonální polarizaci ponechá nezměněnou. Po zavedení signálu do optické trasy, která obsahuje zesilovací prvky, dochází k nárůstu šumu ASE, ale jak bylo zmíněno výše, ASE šum není polarizován, a je tedy přítomen v obou rovinách polarizace. Znamená to tedy, že ASE šum ovlivní hodnotu OSNR i u této metody, avšak díky nemodulované CW v ortogonální polarizaci dochází k nárůstu prostoru mezi jednotlivými CW, kde se nachází pouze šum a je tedy snazší provést interpolaci hodnoty šumu na vlnové délce CW. Na straně přijímače je třeba zařadit depolarizátor kvůli odstranění nemodulované ortogonální CW a sadu filtrů pro výběr kanálu DWDM systému.
U všech metod určování OSNR je však velmi důležitá volba rozlišení měřicího přístroje. Klasické metody měření OSNR jsou založeny na principu měření s vyšším rozlišením, kdy se provádí popis tvaru spektra pomocí vzorků. Čím menší vzdálenost mezi vzorky, tím je dosaženo věrnějšího popisu. Vzdálenost mezi jednotlivými vzorky je kritická u systému DWDM, které mohou mít rozestup mezi jednotlivými kanály až 0,1nm, jelikož pro určení interpolované hodnoty průměrného výkonu šumu je zapotřebí dostatek naměřených hodnot, vzorků. Naopak metody měřící hodnotu DOP nepotřebují tak vysoké rozlišení, jelikož neprovádějí přímé měření ve spektrální oblasti, ale určují míru polarizace, a tedy provádějí nepřímý popis tvaru spektra přenosového systému. Dokonce přístroj s rozlišením 0,6 nm podává odpovídající výsledky jako přístroj využívající klasické metody s rozlišením 0,1 nm.
Závěr
Přímá metoda měření úrovně výkonu je vhodnější pro měření systémů, které vykazují nižší hodnoty OSNR, jelikož při větších hodnotách OSNR dochází k poklesu přesnosti. Navíc tato metoda ke své funkci potřebuje měřicí přístroj, který je schopen měřit s vyšší přesností, řádově 0,1 nm. Naopak je tomu u metody vycházející z DOP, která je schopna správně určit vyšší hodnoty OSNR při nižším rozlišení měřicího přístroje. Velký problém u měření výkonu pomocí ortogonální polarizace CW je v tom, že následně není možné vytvořit polarizační multiplex, který by umožnil dosažení vyšších přenosových rychlostí. U metody využívající DOP je možná realizace polarizačního multiplexu, ale je nutné zařadit polarizační konvertor, který provede rozdělení polarizací do dvou nezávislých větví. Na takto rozděleném signálu je následně možné provést měření DOP, separátně.
Příspěvek vznikl v rámci projektu SGS10/275/OHK3/3T/13.Literatura
[1] GIRARD, A. Guide to WDM Technology and testing. [s.l.] : EXFO, 2000. 194 s. ISBN 1553420004.
[2] MEDINA, R Photons vs. electrons : all optical network. In . [s.l.] : IEEE Potentials Magazine, 2002.
[3] KILPER, D.C., et al. Optical Perfomance monitoring. IEEE Lightwave Technology Journal. 2006, 22, s. 294-304.
[4] COSTA, Bruno, et al. Phase Shift Technique for the Measurement of Chromatic Dispersion in Optical Fibers Using LED’s. IEEE transactions on microwave theory and,. 1982, 30, s. 1497-1503.
[5] YAMAMOTO, Takashi, et al. Simple and Precise Chromatic Dispersion Measurement Using Sinusoidally Phase-Modulated CW Light. IEEE Transaction on microwave theory and techniques. 2009, 20, s. 1-3.
[6] HOSUNG, Yoon, et al. Link-Control Gain Clamping for a Cascaded EDFAs Link Using Differential ASE Monitor. IEEE photonics technology letters. 2000, 12, s. 1334-1336.
[7] BLOWS, T, et al. In-band OSNR and chromatic dispersion monitoring using a fibre optical parametric amplifier. Optical express. 2005, 10, s. 1-5.
[8] LIU, X; KAO, Y. H. A Simple OSNR Monitoring Technique Independent of PMD and Chromatic Dispersion Based on A 1-bit Delay Interferometer. IEEE Optical Communications. 2006, 1, s. 1-2.
[9] LU, Guo-Wei; CHEN, Lian-Kuan. Enhancing the monitoring sensitivity of DOP- based OSNR monitors in high OSNR region using off -center narrow-band optical filtering. Optical Society of America, Optical Express. 2007, 10, s. 1-6.
[10] PETERSON, M. N.; TOKLE, T. Novel OSNR Monitoring Technique in Dense WDM Systems using Inherently Generated CW Monitoring Channels. Optical Society of America, Optical Express. 2007, 1, s. 1-6.
[11] QURESHI, K. K., et al. Monitoring of Optical Signal-to-Noise Ratio using Polarization Maintaining Fiber Bragg Grating. Optical Society of America, Optical Express. 2006, 1, s. 1-6.
[12] JUNG, D, et al. OSNR Moniforing Techinique Using Polarization-NullingMethod. IEEE Optical Fiber Communication Conference. 2000, 1, s. 1-8.
[13] PETERSSON, Mats, et al. Performance Monitoring in Optical Networks Using Stokes Parameters. IEEE photonics technlogy letters. 2004, 2, s. 686-689.
[14] Optika praktika [online]. 2008 [cit. 2009-10-05]. Dostupný z WWW: http://praktika.fjfi.cvut.cz/Polarizace/node1.html
[15] Doporučení ITU-T G.694.1 - „DWDM spectral grid"
[16] MING, Max; LIU, Kang. Principles and apllications of optical communications. USA : Hill companies, 1996. 1004 s.
[17] WDM Network Design [online]. 2003 [cit. 2010-02-21]. Dostupný z WWW:
http://www.ciscopress.com/articles/article.asp?p=30886&seqNum=5.