СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ООСШ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАМАНОВСКОГО УСИЛЕНИЯ
METHOD OF CONTROLLING OPTICAL SIGNAL-TO-NOISE RATIO OF FIBRE-OPTIC DATA LINE USING RAMAN AMPLIFICATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к технологиям разработки, установки и регулирования оптических сетей, содержащих оптические усилители большой мощности, такие как рамановские усилители.
Уровень техники
В предшествующем уровне техники был предложен ряд решений для расчета и регулировки отношения оптического сигнала к шумам (OSNR, ООСШ) в оптических сетях передачи данных. В частности, существует ряд подходов для управления и регулировки ООСШ в оптических линиях, содержащих рамановские оптические усилители.
На фиг.1 (предшествующий уровень техники) показан один участок примерной оптической системы 10 передачи данных. На практике такие системы могут состоять из нескольких участков.
-12
Пусть иллюстрируемая система 10 первоначально содержит узел 12 мультиплексора на передающем конце системы, узел 14 демультиплексора на приемном конце системы, оптоволоконное соединение 15, продолжающееся между передающим концом оптического усилителя (EDFA, ОУЛЭ, оптический усилитель на волокне, легированном эрбием) 13 и ОУЛЭ 17 приемного конца для передачи мультиплексированного оптического сигнала, и обратный рамановский усилитель (BRA, ОРУ) 18, который установлен ближе к приемному концу соединения. Цель конструктора системы состоит в том, чтобы ООСШ на входе любого приемника одиночного канала на приемном конце соединения было больше, чем предел допуска ООСШ приемника, который представляет собой минимальное значение ООСШ, для которого частота ошибок по битам (BER, ЧОБ) все еще лучше, чем, например, общепринятое стандартное значение 10. Требуемое значение ООСШ должно быть больше, чем предел допуска ООСШ приемника+запас, выбранный конструктором системы. Одна из возможностей улучшить ООСШ системы представляет собой увеличение входной мощности, прикладываемой к волокну, вплоть до возможного максимума, используя выходную мощность усилителя ОУЛЭ 13. Возможный максимум обычно устанавливают по пределу нелинейности системы.
Специалисту в данной области техники известно, что на больших уровнях мощности нелинейные явления, такие как фазовая автомодуляция (SPM, ФАМ), перекрестная фазовая модуляция (ХРМ, ПФМ) и четырехволновое смешение (FWM, ЧВС) приводят к искажению сигнала и деградации рабочей характеристики (или увеличению ЧОБ) в системе.
Предел нелинейности системы следует понимать следующим образом. Когда сеть работает ниже предела нелинейности, потери из-за нелинейности (ухудшение рабочих характеристик из-за нелинейных эффектов в волокне) не превышают значение, определенное конструктором системы (например, 1 или 2 дБ). Фактически, пересечение предела нелинейности может быть также выражено, как такое состояние системы, когда повышение мощности, прикладываемой к волокну, приводит к увеличению реального ООСШ, требуемого для той же установленной ЧОБ. Обычно, когда рабочие характеристики оптической линии нельзя дополнительно улучшить, используя ее собственные ресурсы и без пересечения предела нелинейности, конструкторы сети вводят в линию прямой рамановский усилитель (FRA, ПРУ).
На фиг.1, таким образом, иллюстрируется ввод ПРУ 16 (показан пунктирной стрелкой) в начале соединения 15.
В ряде статей, например 1) 1) Essiambre et al. IEEE photon. Techn. Lett. Vol.14, pp.914 (2002); 2) Perlin and Winful. IEEE photon. Techn. Lett. Vol.14, pp.1199 (2002) поясняется, что прямое рамановское усиление (ПРУ) позволяет конструктору системы увеличить эффективную входную мощность, вводимую в волокно, таким образом, улучшая ООСШ системы без превышения предела нелинейности.
В упомянутых выше статьях предлагаются различные, но достаточно сложные математические уравнения, которые теоретически позволяют рассчитать мощность ПРУ, требуемую для конкретной системы передачи данных. Однако эти и некоторые другие предыдущие работы относятся к слишком обобщенным системам; их методику расчета, включающую в себя множество параметров системы, очень трудно использовать в практических системах.
Насколько известно Заявителю, в предшествующем уровне техники отсутствует простое и эффективное средство оценки требуемого усиления ПРУ для получения проектной величины ООСШ в реальных оптических системах связи. Аналогично, не были найдены какие-либо рекомендации эффективной регулировки ООСШ в реальных системах.
Цель изобретения
Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в получении для конструктора системы простого инструмента, позволяющего эффективно применять ПРУ в оптической линии передачи данных и выполнять регулировку ООСШ на приемном конце линии.
Сущность изобретения
Проблема получения требуемых значений ООСШ при разработке оптической линии состоит, по меньшей мере, из трех подпроблем:
a) выбор соответствующего рамановского усилителя для оптической линии, когда это требуется;
b) регулировка ООСШ на приемном конце линии, таким образом, чтобы его значение не стало меньше, чем допустимый уровень приемника; и
c) регулировка ООСШ на приемном конце различных оптических каналов, передаваемых через линию.
Автор изобретения вывел формулу для любой реальной длинной системы передачи данных, работающей, по существу, в режиме, близком к ее пределу нелинейности, которая показывает, что коэффициент усиления требуемого прямого рамановского усилителя (ПРУ) может быть с достаточно высокой точностью определен, исключительно на основе желаемого значения улучшения ООСШ, и что практически линейная функция регулирования может быть получена для тонкой настройки ООСШ путем регулировки коэффициента усиления ПРУ.
На практике автор изобретения определил, что любое разумное улучшение ООСШ (например, до 5 дБ) может быть достигнуто путем правильного выбора значения коэффициента усиления ПРУ.
Автор изобретения также определил, что, когда добавляют и регулируют ПРУ в системах передачи на большие расстояния, которая работает, по существу, в режиме, близком к пределу ее нелинейности, требуемое увеличение ООСШ фактически не зависит от коэффициента усиления обратного рамановского усилителя ОРУ (если он входит в состав системы) и от множества других параметров, обычно присутствующих в теоретических уравнениях, описанных в ссылочных документах предшествующего уровня техники.
f
Под системами передачи на большие расстояния следует понимать такие оптические системы передачи данных, в которых потери L мощности на участке волоконной линии, которая простирается между двумя узлами оптической сети, соответственно, относящимися к ее передающему концу и ее приемному концу, намного больше, чем значение рабочего коэффициента G усиления ПРУ (прямого рамановского усилителя), соответствующего передающему концу:
f
L>>G.
Если ОРУ (обратный рамановский усилитель) уже присутствует в этой же системе (на данном отрезке) на ее приемном конце, упомянутое выше состояние следует понимать как
f
b
L>>Мах из (G, G),
f
где G представляет собой значение рабочего коэффициента усиления ПРУ,
b
G представляет собой значение рабочего коэффициента усиления ОРУ, если он присутствует,
L - потеря мощности на отрезке оптоволоконного кабеля, которая представляет собой пассивную характеристику волокна, зависящую только от длины и качества волокна.
f
b
Предпочтительно, величина потери L мощности составляет, по меньшей мере, на порядок больше по величине (приблизительно на 10 дБ), чем значение коэффициента G усиления, который также называется "коэффициентом усиления включено-выключено" (или коэффициентом усиления G, если присутствует ОРУ).
b
f
b
Коэффициент усиления ОРУ обычно составляет тот же порядок по величине, что и у ПРУ. Однако даже в последнем случае, когда G>>G, состояние систем передачи на большие расстояния все еще остается тем же и может быть только перезаписано как L>>G.
f
Например, формула, составленная автором изобретения, применяется к отрезку оптической линии передачи, оборудованной ПРУ с коэффициентом усиления G=10dB, в котором потери L мощности для отрезка оптической линии составляет приблизительно 20 дБ или больше.
В настоящем описании термин "коэффициент усиления" будет использоваться взаимозаменяемо с термином "коэффициент усиления включено-выключено", который применяется в данной области техники.
OSNR
В частности, учитывая ряд предположений, который автор изобретения рассматривает практически корректными для реальных систем передачи на большие расстояния, которые работают в режиме, близком к их пределу нелинейности, автор изобретения показал, что благодаря вводу ПРУ на конце передачи отрезка оптоволоконной линии, ООСШ оптического сигнала на приемном конце может быть улучшено в соответствии с функцией улучшения ООСШ R, которая близка к линейной (или, по меньшей мере, может быть аппроксимирована линейными участками):
f
NL
где G представляет собой коэффициент усиления включено-выключено ПРУ, и R представляет собой, так называемый, коэффициент нелинейного улучшения ПРУ, определяемый как близкий к следующему:
где µ=α/β,
α представляет собой затухание в волокне на длине волны сигнала (фактически, среднее значение затухания в волокне в С-полосе), которое известно для каждого конкретного волокна,
β представляет собой затухание в волокне на длинах волн рамановской накачки (на практике среднее значение по длинам волн накачки),
и Г(х) и Г (х, у) представляют собой Гамма-функцию и неполную Гамма-функцию соответственно.
Следует отметить, что хотя коэффициенты α и β могут незначительно изменяться от волокна к волокну, их отношение µ=α/β остается практически постоянным. Остальные компоненты выражения (2) могут быть легко получены специалистами в данной области техники.
Поскольку в современных ПРУ используются две рамановских накачки, одновременная работа насосов позволяет получать равный коэффициент рамановского усиления для каждой из длин волн распространяющегося сигнала. Таким образом, одно и то же уравнение (2) на практике применимо для каждого оптического канала многоканального сигнала.
OSNR
Кроме того, автор изобретения показал, что для практического интервала 0-20 дБ коэффициента усиления включено-выключено ПРУ, функция улучшения ООСШ R на конце приемника линии оптической передачи может быть аппроксимирована как множество линейных секций:
в случае необходимости, для интервала 0-12 дБ, функция может быть аппроксимирована как:
Соответствующие расчеты и проверочные эксперименты были выполнены и доказали предложенный способ.
Проще говоря, при проектировании линии передачи автор изобретения предлагает выбирать для длинных оптоволоконных линий передачи ПРУ, позволяющий обеспечивать определенный коэффициент усиления "включено-выключено", рассчитываемый в соответствии с Уравнением (1), для улучшения ООСШ линии на определенную требуемую величину.
OSNR
f
OSNR
В соответствии с этой версией, автор изобретения предлагает способ выбора прямого рамановского усилителя (ПРУ) для установки на передающем конце заданной оптоволоконной линии передачи, для обеспечения улучшения ООСШ на приемном конце упомянутой линии передачи не менее, чем на определенную требуемую величину R улучшения, при этом способ содержит этап, на котором определяют требуемое значение (рабочего) коэффициента усиления G упомянутого ПРУ, используя функцию (R) регулирования улучшения ООСШ, по существу, близкую к функции, определенной следующим выражением:
NL
где R представляет собой нелинейный коэффициент улучшения ПРУ:
где µ=α/β,
α представляет собой затухание в волокне на длине волны сигнала,
β представляет собой затухание в волокне на рамановских длинах волн накачки,
Г(х) и Г(х, у) представляют собой Гамму-функцию и неполную Гамма-функцию соответственно;
способ может применяться, если удовлетворяются следующие два условия:
f
заданная оптоволоконная линия передачи работает ниже предела нелинейности, потери L мощности для заданной оптоволоконной линии передачи намного больше, чем определенный коэффициент усиления G.
f
ПРУ, позволяющий достичь значения коэффициента усиления не меньше, чем требуемый коэффициент усиления G, можно рассматривать как выбранный.
f
Способ может дополнительно содержать этап, на котором вводят выбранный ПРУ (то есть ПРУ, позволяющий достичь значения коэффициента усиления не меньше, чем G) в оптоволоконную линию передачи на передающем конце.
Кроме того, автор изобретения предлагает добавить этап регулирования (настройки, тонкой настройки) ООСШ на приемном конце линии передачи путем регулирования коэффициента усиления упомянутого ПРУ в соответствии с функцией регулирования, выраженной упомянутым уравнением (1).
Поскольку любой рамановский усилитель содержит накачку, регулирование коэффициента усиления может быть выполнено путем управления накачкой упомянутого ПРУ.
Автор изобретения также предлагает альтернативный способ регулирования ООСШ реальной оптоволоконной линии передачи, содержащей существующий ПРУ на ее передающем конце; причем способ содержит этапы, на которых
регулируют ООСШ на приемном конце упомянутой линии передачи путем регулировки коэффициента усиления упомянутого ПРУ, используя функцию регулирования, по существу, выраженную уравнением (1),
f
при условии, что данная линия передачи работает без превышения предела нелинейности и что L>>G, в котором:
f
G представляет собой значение рабочего (или фактического) коэффициента усиления существующего ПРУ,
L представляет собой значение потери мощности в заданной волоконной линии передачи.
f
Для обоих из способов, предложенных выше, потери L мощности приблизительно должны составлять на один порядок по величине больше, чем определенный коэффициент G усиления.
f
b
b
В случае, когда заданная линия передачи первоначально содержит обратный рамановский усилитель ОРУ, линия передачи должна удовлетворять условию, что потери L мощности намного больше (например, приблизительно на один порядок по величине больше), чем наибольшее значение среди значений G и G, в котором С представляет собой значение рабочего (или фактического) коэффициента усиления ОРУ.
Этап регулирования ООСШ фактически содержит регулирование коэффициента усиления упомянутого ПРУ на величину, полученную с помощью упомянутой функции регулирования для величины определенного требуемого улучшения ООСШ.
Как способ выбора ПРУ, так и способ регулирования ООСШ в линии, содержащей ПРУ, могут быть существенно упрощены при использовании линейной аппроксимации функции (1) регулирования.
Следует отметить, что функция регулирования может быть представлена как сумма линейных аппроксимаций в соответствии с уравнениями 3, 4, 5.
Способы, поэтому, могут быть упрощены в результате использования конкретной линейной секции функции регулирования для фактически требуемых интервалов коэффициентов усиления ПРУ и приращений ООСШ.
f
Кроме того, для многоканального оптического трафика, передаваемого через упомянутую линию передачи автор изобретения предлагает регулировать ООСШ таким образом, чтобы достичь упомянутого определенного требуемого улучшения ООСШ в "наихудшем" оптическом канале, в котором наихудшим считается такой оптический канал, который имеет самое низкое значение ООСШ при текущем используемом значении коэффициента усиления G ПРУ.
В одном конкретном варианте воплощения оптоволоконная линия передачи содержит один участок оптического волокна, простирающийся между передающим концом и приемным концом линии.
f
f
f
b
f
Следует добавить, что способ можно применять в оптической системе в форме оптоволоконной линии передачи, содержащей множество оптических участков, причем каждый из участков работает в режиме, близком к пределу нелинейности, и оборудован ПРУ таким образом, что значения G всех упомянутых ПРУ, по существу, равны друг другу; и в котором каждый из участков удовлетворяет либо требованию L>>G, или L>>Мах (G, G) в случае, когда какой-либо из участков оптической линии также оборудован ОРУ. ООСШ системы можно затем регулировать в соответствии с уравнением 1, уравнением 6 и/или уравнениями 3,4, 5 путем синхронной регулировки коэффициентов усиления G ПРУ для каждого из участков.
f
В общих словах, автор изобретения определил способ выбора взаимосвязи между коэффициентом G усиления прямого рамановского усилителя (ПРУ) на передающем конце оптоволоконной линии передачи и отношением оптического сигнала к уровню шумов (ООСШ) на приемном конце оптоволоконной линии передачи, удовлетворяющей упомянутым выше ограничениям для длинных линий; в котором
OSNR
способ содержит этап, на котором выбирают упомянутую взаимосвязь, используя функцию R регулирования либо в форме уравнения (1), или в форме одной или больше линейных аппроксимаций для практического диапазона коэффициента усиления ПРУ от 0 до 12 дБ или от 0 до 20 дБ.
Например, функция регулирования может быть представлена в форме одной или более, или суммы следующих линейных аппроксимаций:
OSNR
f
f
В более аппроксимированном случае, функция регулирования может быть представлена в форме одной секции линейной аппроксимации, охватывающей более ограниченный практический диапазон коэффициента усиления ПРУ: R=0,35G для 0 дБ<G≤12 дБ (6)
Общий способ можно променять а) для регулирования ООСШ на приемном конце заданной линии передачи путем регулирования коэффициента усиления ПРУ, присутствующего на передающем конце линии;
b) для выбора прямого рамановского усилителя (ПРУ), который будет установлен на передающем конце оптоволоконной линии передачи для обеспечения требуемого ООСШ или улучшения ООСШ на приемном конце упомянутой линии передачи.
Раскрытая и проверенная автором изобретения зависимость позволила обеспечить неожиданно простой и удобный инструмент, который помогает конструктору сети определять коэффициент усиления включено-выключено ПРУ, который должен быть обеспечен для получения требуемого ООСШ или требуемого улучшения ООСШ системы.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет дополнительно более подробно описано со ссылкой на следующие не ограничивающие чертежи.
На фиг.1 показана упрощенная блок-схема многоканальной системы передачи данных, содержащей длинную линию передачи, оборудованную ОРУ и ПРУ.
На фиг.2 показано графическое представление функции регулирования, предложенной автором изобретения для длинных оптоволоконных линий передачи, в пределах наиболее широко используемых интервалов коэффициентов усиления ПРУ и изменений ООСШ.
На фиг.3 иллюстрируется линейная аппроксимация функции, представленной на фиг.2.
На фиг.4 иллюстрируется графическое представление функции регулирования в более широком диапазоне коэффициента усиления ПРУ, чем на фиг.1.
На фиг.5, 6 и 7 иллюстрируются разные участки функции регулирования, представленной на фиг.4, с частичной линейной аппроксимацией функции на разных интервалах коэффициента усиления ПРУ.
Подробное описание изобретения
Фиг.1 относится к описанию известного уровня техники.
На фиг.2 графически представлена функция регулирования, предложенная автором изобретения, для определения минимального коэффициента усиления включено-выключено ПРУ, если он связан с передающим концом длинной оптоволоконной линии передачи, в которой требуется достичь определенного улучшения ООСШ на приемном конце участка оптического волокна.
Пример длинной оптоволоконной линии передачи показан на фиг.1, как один участок (15).
Рассмотрим для нашего примера, что линия удовлетворяет следующим двум условиям: она работает ниже предела нелинейности (без каких-либо эффектов нелинейности), и ее потери L в волокне намного больше, чем максимальный коэффициент усиления Gm ПРУ (16). Если, например, Gm существующего ПРУ составляет 10 дБ, способ можно применять весьма точно, когда линия достаточно длинна для формирования потери в волокне приблизительно 20 дБ или больше. И наоборот, если в данной достаточно длинной линии передачи еще не предусмотрены рамановские усилители и требуется определенное улучшение ООСШ, предложенный способ обеспечивает возможность выполнения быстрой оценки требуемого коэффициента усиления ПРУ.
Функцию регулирования строят в соответствии с Уравнением (1) для наиболее практического интервала коэффициентов усиления ПРУ, а именно, от 0 до 12 дБ.
Графическая схема позволяет получить практический ответ на вопрос - какой коэффициент усиления ПРУ требуется выбрать (получить) для получения определенного требуемого улучшения в ООСШ на приемном конце длинной линии передачи.
Следует отметить, что линия передачи, представляющая интерес, может содержать множество участков волокна, аналогичных участку 15, каждый из которых содержит ПРУ и ОРУ, имеющие, по существу, равные коэффициенты усиления и удовлетворяющие обоим упомянутым выше условиям. В этом случае ООСШ на приемном конце линии можно регулировать, используя ту же функцию регулирования, путем регулирования коэффициента усиления ПРУ синхронно на каждом из участков.
На фиг.3 показано, что для простоты и практического применения, функцию (1) регулирования можно аппроксимировать с достаточно хорошей точностью таким образом, что требуемое улучшение ООСШ становится линейной функцией коэффициента усиления включено-выключено ПРУ.
В частности, для практической области 0-12 дБ коэффициента усиления ПРУ включено-выключено функция улучшения ООСШ для длинной оптоволоконной линии передачи может быть линеаризована следующим уравнением:
На фиг.3 представлены как точная (пунктирная линия), так и аппроксимированная (сплошная линия) функции улучшения ООСШ в зависимости от коэффициента усиления включено-выключено ПРУ.
f
На фиг.4 иллюстрируется функция регулирования, построенная для длинной оптоволоконной линии передачи, в более широком диапазоне коэффициента усиления G ПРУ (от 0 до 20 дБ). Для использования такой функции на практике с обоснованной точностью полезно разделить эту функцию на множество меньших участков для линеаризации этих участков по отдельности.
f
На фиг.5 иллюстрируется частичная линейная аппроксимация функции, показанной на фиг.4, для диапазона коэффициента усиления G ПРУ от 0 до 6 дБ. Эта функция аппроксимирована следующим образом:
f
На фиг.6 иллюстрируется частичная линейная аппроксимация функции, показанной на фиг.4, для диапазона коэффициента усиления G ПРУ от 6 до 13 дБ. Эту функцию аппроксимируют следующим образом:
f
На фиг.7 иллюстрируется частичная линейная аппроксимация функции, показанной на фиг.4, для диапазона коэффициента усиления G ПРУ от 13 до 20 дБ. Эту функцию аппроксимируют следующим образом:
f
Конструктор сети может использовать аппроксимированные функции регулирования, показанные на фиг.3, 5, 6 и 7, для практической оценки коэффициента G усиления ПРУ, требуемого для получения определенного улучшения значения ООСШ на приемном конце линии, и для дальнейшей регулировки коэффициента усиления в каждом конкретном интервале значений коэффициента усиления.
На этих чертежах функция регулирования показана пунктирной линией, и аппроксимированные линеаризованные функции представлены сплошной линией.
Следует понимать, что уравнения (1) и (2), описывающие функции регулирования, могут быть немного изменены, без изменения принципа настоящего изобретения, причем такие модифицированные уравнения (функции регулирования), таким образом, следует рассматривать как часть изобретения.