Способ компенсации дисперсионных искажений оптических сигналов в многомодовых волоконно-оптических линиях передачи
METHOD FOR COMPENSATION FOR OPTICAL SIGNAL DISPERSION DISTORTION IN MULTIMODE FIBER-OPTIC TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к волоконно-оптической технике связи и может быть использовано для электронной компенсации дисперсионных искажений оптических сигналов, в многомодовых волоконно-оптических линиях передачи (ВОЛП) сетей связи, в том числе функционирующих в маломодовом режиме, и увеличения их пропускной способности.
Известен способ реализации многомодовой волоконно-оптической системы связи [1], предполагающей, в том числе, совместную работу волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) с когерентным источником оптического излучения (лазером) в передающем модуле и многомодовой ВОЛП, который обеспечивает подавление нелинейных искажений оптического сигнала, в частности, размытия переднего фронта оптического импульса путем внесения предыскажений на передающей стороне в виде инвертирования предшествующего символа, что достигается путем введения некоторого опорного уровня оптической мощности при передаче логического "0" для формирования описанного предыскажения и включением на приемной стороне контроллера с двумя линиями задержки, обеспечивающими сложение неинвертированного и инвертированного сигналов. Данный способ позволяет выполнить компенсацию искажений оптического сигнала только при условии сохранения его огибающей в процессе распространения по многомодовым оптическим волокнам (ОВ), что существенно ограничивает его применение для многомодовых ВОЛП, функционирующих в маломодовом режиме, при котором из-за эффекта дифференциальной модовой задержки (ДМЗ) оптический сигнал может разделиться на отдельные компоненты и не сохранить свою огибающую.
Известен способ увеличения протяженности многомодовой ВОЛП [2], который заключается в применении технологии упреждающей коррекции ошибок и включения соответствующих компонентов в передающий и приемный модули ВОСП, обеспечивающих скорости до 10 Гбит/с.Данный способ позволяет увеличить протяженность ВОЛП с 30…40 м, декларируемых спецификациями сетевых стандартов, не более, чем до 105 м, что объясняется необходимостью выполнения условия сохранения огибающей оптического сигнала в процессе его распространения по многомодовым ОВ. Вышесказанное существенно ограничивает его применение для многомодовых ВОЛП, функционирующих в маломодовом режиме и отличающихся большей протяженностью.
Известен способ реализации системы связи, использующей одномодовые лазеры и многомодовые оптические волокна [3]. Согласно [3], декларируемая система связи предполагает совместную работу волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) с когерентным источником оптического излучения (лазером) в передающем модуле и многомодовой ВОЛП. Способ [3] заключается в применении специального согласующего устройства на передаче для снижения дифференциальной модовой задержки (ДМЗ) (в соответствии с [3], согласующего волоконно-оптического патчкода или иного способа согласования, обеспечивающего ввод сигнала с выхода лазера в торец многомодового ОВ линии с заданным прецизионным смещением относительно центра сердцевины ОВ, либо дифракционного оптического элемента, обеспечивающего центрированный ввод), электронного компенсатора дисперсии в приемном модуле и устройства, обозначенного как "контроллер". Контроллер подключен между выходом передатчика системы и входом лазера на передаче, выходом фотоприемника и выходом компенсатора на приеме, содержит в памяти некоторый опорный сигнал, зарегистрированный с выхода передатчика системы непосредственно на входе в лазер в служебном режиме (режиме настройки или калибровки). Согласно [3], процедура компенсации заключается в сопоставлении в контроллере полученного на выходе фотоприемника формы сигнала с опорной, оценивании соответствующих параметров и, при необходимости, корректировании последней с помощью компенсатора, таким образом, чтобы добиться максимального совпадения с опорным сигналом, исходя из возможностей используемых в компенсаторе методов и алгоритмов. В соответствии с [3], проведение калибровки контроллера осуществляется каждый раз при изменении условий функционирования системы связи. Данный способ требует обязательного применения специализированного согласующего устройства "лазер - многомодовое ОВ линии" на передающей стороне, а также записи опорного сигнала непосредственно с выхода передатчика системы связи в контроллер с последующим его перемещением на приемную сторону либо организации альтернативного канала связи для возможности записи опорного сигнала и сопоставления с сигналом, полученным на выходе фотоприемника после прохождения ВОЛП, что существенно ограничивает его универсальность, с точки зрения электронной компенсации дисперсионных искажений оптических сигналов в многомодовых ВОЛП, функционирующих в маломодовом режиме.
Известен способ увеличения протяженности многомодовой ВОЛП [4] для передачи сигналов ВОСП, обеспечивающих скорости 10 Гбит/с, передающие модули которых реализуются на базе лазеров с вертикальным объемным резонатором, функционирующих на рабочей длине волны 850 нм. Данный способ заключается в применении подключаемого на входе и выходе многомодовой ВОЛП устройства, обозначенного как "сетевой контроллер", в который входят трансивер, включающий в себя лазер и фотоприемник, состоящий из фотодиода и трансимпедансного усилителя на выходе, модуль электронной компенсации дисперсии и модуль восстановления тактовых сигналов и данных. Таким образом в модуле электронной компенсации дисперсии осуществляется компенсация дисперсионных искажений оптического сигнала (согласно [4], в частности, с применением методов адаптивной фильтрации), за счет чего и достигается увеличение пропускной способности / длины многомодовой ВОЛП при совместном функционировании с ВОСП, обеспечивающих скорость передачи данных 10 Гбит/с на рабочей длине волны 850 нм. Последнее существенно ограничивает универсальность данного способа, с точки зрения электронной компенсации дисперсионных искажений оптических сигналов ВОСП, поддерживающих другую скорость передачи данных и/или использующих когерентные источники оптического излучения, функционирующие на другой рабочей длине волны, при передаче по многомодовым ВОЛП в маломодовом режиме.
Наиболее близким к заявляемому является способ уменьшения эффекта ДМЗ в многомодовых ВОЛП [5], который заключается в оснащении приемного модуля системы адаптивным компенсатором ДМЗ, представляющим собой, в общем случае, каскад линий задержек, настроенных на соответствующее время поступления/задержки отдельной моды или группы мод, и регулируемых усилителей, настроенных на весовые коэффициенты (амплитуды) нежелательных модовых составляющих, таким образом, чтобы при вычитании результирующего сигнала с выхода компенсатора, из сигнала на выходе фотоприемника, нивелировать их присутствие в итоговом сигнале, передаваемом далее на решающее устройство. Настройка линий задержек и весовых коэффициентов усилителей осуществляется в служебном режиме обучения, предполагающем регистрацию заранее известной последовательности символов. Известны модификации и практические реализации предыдущего подхода - электронной компенсации ДМЗ в многомодовых ВОЛП гигабитных и мультигигабитных сетей передачи данных, функционирующих в маломодовом режиме - [6-10] и др. - отличающиеся, в частности, количеством звеньев в компенсаторе (например, 7 [6, 9]; от 40 до 70 [10]; 6 [11]), конфигурацией его исполнения для многомодовых ВОЛП определенной протяженности в сочетании со скоростью передачи ВОСП и рабочей длиной волны источника излучения (10 Гбит/с / 300 м / 850 нм [6-8]; 10 Гбит/с / 300 м / 1310 нм [7-9, 11]; 10 Гбит/с / до 20 км / 1550 нм [10]), а также вариантом реализации служебного режима обучения, дополненного, например, разными условиями ввода, проводимого как для одного ОВ, так и большой выборки многомодовых ОВ разных категорий (с последующим определением оптимальных условий) [7-9]. В общем случае, согласно [5], количество звеньев (линий задержки и регулируемых усилителей) в компенсаторе определяется числом нежелательных модовых составляющих сигнала, количество которых, в общем случае, определяется степенью и характером проявления ДМЗ, и увеличивается, в том числе при переходе на более высокие скорости передачи ВОСП и/или протяженность ВОЛП. Более того, даже для одной и той же ВОЛП степень и характер проявления ДМЗ может варьироваться для разных ОВ, отличающихся своими параметрами, а также комбинаций "лазер - ОВ". Вышесказанное существенно ограничивает универсальность данного способа и его применение для электронной компенсации дисперсионных искажений оптических сигналов, в многомодовых ВОЛП, функционирующих в маломодовом режиме.
Сущностью предлагаемого изобретения является расширение области применения, а именно, возможность компенсации дисперсионных искажений оптического сигнала в многомодовой ВОЛП, функционирующей в маломодовом режиме, основной причиной которых является, в первую очередь, эффект ДМЗ, приводящий к межсимвольной интерференции и влиянию символа как на последующий, так и предыдущий, и возможному наложению на удаленные символы в последовательности, упрощение проведения процедуры "обучения" компенсатора за счет использования простой обучающей последовательности из N символов, состоящей из "0 и только одной "1", а также универсальность, с точки зрения возможности компенсации дисперсионных искажений сигналов в многомодовой ВОЛП, функционирующей в маломодовом режиме, вне зависимости от сочетания "скорость передачи ВОСП - протяженность ВОЛП", комбинации пары "лазер - многомодовое ОВ линии", но с учетом "индивидуальных" параметров широкополосности/характеристик многомодового ОВ, которые могут отличаться для разных ОВ одной и той же ВОЛП, и условий ввода оптического сигнала в многомодовое ОВ линии. Эта сущность достигается тем, что, согласно заявляемому способу, компенсации дисперсионных искажений оптических сигналов в многомодовых ВОЛП при помощи электроники, в служебном режиме обучения компенсатора используется известная последовательность, состоящая из N символов, где N - целое нечетное число, и только один символ из этой последовательности из указанных N символов с порядковым номером (N+1)⋅0.5 является "1", а все остальные - "0", минимальное количество символов в обучающей последовательности - 3, при этом количество символов в обучающей последовательности N может оцениваться непосредственно относительно длительности  предварительно измеренного, например, с помощью штатного комплекта анализатора ДМЗ, импульсного отклика по уровню 0.1 от его максимума на выходе тестируемого многомодового ОВ линии протяженностью L:
05
L;
где М - некоторый введенный промежуточный параметр оценивания количества символов в обучающей последовательности;  - длительность зондирующего импульса по уровню 0.5, генерируемого источником оптического излучения передающего модуля анализатора ДМЗ; τ - длительность импульса ВОСП на уровне 0.5 от его максимума на выходе источника оптического излучения передающего модуля ВОСП, обратно пропорциональна скорости передачи сигнала в линии B
DMD
DMD
либо количество символов N в обучающей последовательности оценивается через известное значение ДМЗ t тестируемого многомодового ОВ линии (например, непосредственно измеренного во временной или частотной области соответствующим комплектом оборудования, теоретически рассчитанного для этого ОВ на основе данных протокола измерений профиля показателя преломления, используя данные проведенных статистических исследований для выборки многомодовых ОВ и пр.) в предположении, что края фронтов импульсного отклика в области уровня 0.1 от максимума могут быть описаны огибающей гауссовой формы, длительность которой по уровню 0.5 отклика непосредственно соответствует значению ДМЗ t на выходе линии протяженностью L также через параметр М:
где  - длительность искаженного импульса на выходе многомодового ОВ по уровню 0.1 от его максимума:
сформированная последовательность из N символов [0…010…0] поступает на вход источника оптического излучения передающего модуля ВОСП, осуществляется ее многократная передача по тестируемому многомодовому ОВ ВОЛП с накоплением: обучающая последовательность после прохождения ОВ поступает на вход фотоприемника приемного модуля ВОСП, преобразуется в электрический сигнал и записывается в модуль памяти с накоплением относительно ранее полученных аналогичных последовательностей, после чего выполняется их усреднение; далее осуществляется локализация центрального символа "1", проводится математическая обработка результата усреднения обучающей последовательности: при необходимости выполняется пересчет битовых интервалов путем деления фактической зарегистрированной общей длительности сигнала обучающей последовательности, полученной после прохождения ОВ линии, на известное количество символов N в ней, затем из полученного сигнала в пределах битового интервала удаляется центральный фрагмент, соответствующий центральному (номер (N+1)⋅0.5) символу "1", проводится оценивание весовых коэффициентов периферийных пиков сигнала, обусловленных, в первую очередь ДМЗ, формируется маска, которая записывается в соответствующий модуль хранения; в штатном режиме функционирования ВОСП поступающий поток данных подается на вход источника оптического излучения передающего модуля ВОСП, далее распространяется по многомодовому ОВ ВОЛП, с выхода ОВ поступает на вход фотоприемника приемного модуля и преобразуется в электрический сигнал, который поступает в модуль памяти, фиксирующий фрагмент этого сигнала, содержащий N искаженных символов, на временном интервале длительностью  после чего указанный фрагмент поступает в сумматор сигналов, где осуществляется вычитание опорного сигнала маски этой же длительности  далее из обработанного фрагмента выделяется последний символ номер N, который поступает на решающее устройство; одновременно в модуль памяти вновь до загружается недостающий фрагмент сигнала с выхода фотоприемного устройства для достижения длительности  со сдвигом по временной шкале на один символ, таким образом, что символ (N-1) предыдущего фрагмента информационного сигнала становится символом N, вновь в сумматоре осуществляется процедура вычитания опорного сигнала маски, последний символ N поступает в решающее устройство, и далее описанная процедура повторяется. Синхронизация осуществляется с помощью соответствующего штатного модуля восстановления тактовых сигналов и данных (модуля хронирования).
На чертеже представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа.
Устройство содержит перестраиваемый генератор последовательности символов 1, размещаемый на передающей стороне ВОСП, и компенсатор дисперсионных искажений 2, устанавливаемый на приемной стороне ВОСП, соответственно. Выход генератора 1 подключен к входу источника оптического излучения 3 передающего модуля 4 ВОСП, соединенного с соответствующим многомодовым ОВ 5 ВОЛП. При этом, когда генератор 1 активен, на вход источника 2 блокируется поступление информационного сигнала 6 ВОСП. Компенсатор 2 включен между выходом приемного модуля 7 ВОСП, содержащий фотоприемное устройство 8, вход которого соединяется с выходом многомодового ОВ 5 ВОЛП, и решающим устройством 9, идентифицирующее информационный символ 10. Компенсатор содержит модуль памяти 11, блок управления и математической обработки, блок хранения маски 13. Синхронизация осуществляется с помощью соответствующего штатного модуля восстановления тактовых сигналов и данных (модуля хронирования) 15 ВОСП.
Устройство работает следующим образом. На первом этапе ВОСП функционирует в служебном режиме обучения компенсатора. Для этой цели Перестраиваемый генератор 1 формирует последовательность нечетного количества N символов, которые поступают на вход источника оптического излучения 3 передающего модуля 4 ВОСП. Все символы этой обучающей последовательности, за исключением "центрального" символа номер (N+1)⋅0.5, являются "0", и только "центральный" символ является "1". Минимальное количество символов в обучающей последовательности - 3, при этом количество символов в обучающей последовательности N может оцениваться непосредственно относительно длительности  предварительно измеренного, например, с помощью штатного комплекта анализатора ДМЗ, импульсного отклика по уровню 0.1 от его максимума на выходе тестируемого многомодового ОВ линии протяженностью L:
05
L
где М - некоторый введенный промежуточный параметр оценивания количества символов в обучающей последовательности;  - длительность зондирующего импульса по уровню 0.5, генерируемого источником оптического излучения передающего модуля анализатора ДМЗ; τ - длительность импульса ВОСП на уровне 0.5 от его максимума на выходе источника оптического излучения передающего модуля ВОСП, обратно пропорциональна скорости передачи сигнала в линии B [12, 13]:
DMD
DMD
Также количество символов N в обучающей последовательности может оценивается через известное значение ДМЗ t [пс/км] тестируемого многомодового ОВ линии (например, непосредственно измеренного во временной или частотной области соответствующим комплектом оборудования, теоретически рассчитанного для этого ОВ на основе данных протокола измерений профиля показателя преломления, используя данные проведенных статистических исследований для выборки многомодовых ОВ и пр.) в предположении, что края фронтов импульсного отклика в области уровня 0.1 от максимума могут быть описаны огибающей гауссовой формы, длительность которой по уровню 0.5 отклика непосредственно соответствует значению ДМЗ t на выходе линии протяженностью L:
out
и, как результат, длительность искаженного импульса на выходе ОВ по уровню 0.1 от его максимума  относительно среднеквадратической длительности σ, в соответствии с вышесказанным, определяется как
а число символов в обучающей последовательности символов N, оцениваемое через параметр М, составит, соответственно:
Сформированная последовательность из N символов [0…010…0] поступает на вход источника оптического излучения 3 передающего модуля 4 ВОСП, осуществляется ее многократная передача по тестируемому многомодовому ОВ 5 ВОЛП с накоплением: обучающая последовательность после прохождения ОВ 5 поступает на вход фотоприемника 8 приемного модуля 7 ВОСП, преобразуется в электрический сигнал и записывается в модуль памяти 11 с накоплением относительно ранее полученных аналогичных обучающих последовательностей, после чего выполняется их усреднение. Далее блок управления и математической обработки 12 осуществляет локализацию центрального символа "1", проводит математическую обработку результата усреднения обучающей последовательности: при необходимости выполняется пересчет битовых интервалов путем деления фактической зарегистрированной общей длительности сигнала обучающей последовательности, полученной после прохождения ОВ 5 линии, на известное количество символов N в ней, затем из полученного сигнала в пределах битового интервала удаляется центральный фрагмент, соответствующий центральному (номер (N+1)⋅0.5) символу "1", проводится оценивание весовых коэффициентов периферийных пиков сигнала, обусловленных, в первую очередь ДМЗ, и далее формируется маска, которая записывается в соответствующий модуль хранения маски 13. В штатном режиме функционирования ВОСП поступающий поток данных 6 подается на вход источника оптического излучения 3 передающего модуля 4 ВОСП, далее распространяется по многомодовому ОВ 5 ВОЛП, с выхода ОВ 5 поступает на вход фотоприемника 6 приемного модуля 7 ВОСП и преобразуется в электрический сигнал. Последний поступает в модуль памяти 11, фиксирующий фрагмент этого информационного сигнала, содержащий N искаженных символов, на временном интервале длительностью  После чего указанный фрагмент поступает в сумматор сигналов 14, где осуществляется вычитание опорного сигнала маски этой же длительности  хранящегося в модуле 13, из этого фрагмента информационного сигнала. Далее из обработанного фрагмента информационного сигнала выделяется последний символ номер N, который поступает на решающее устройство 9, выдающее результат идентификации информационного символа 10. Одновременно в модуль памяти вновь дозагружается недостающий фрагмент информационного сигнала с выхода фотоприемного устройства для достижения длительности  со сдвигом по временной шкале на один символ, таким образом, что символ (N-1) предыдущего фрагмента информационного сигнала становится символом N. Вновь в сумматоре 14 осуществляется процедура вычитания опорного сигнала маски блока 13, последний символ N поступает в решающее устройство 9, и далее описанная процедура повторяется.
Сопоставление заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ обеспечивает возможность компенсации дисперсионных искажений оптического сигнала в многомодовой ВОЛП, функционирующей в маломодовом режиме, основной причиной которых является, в первую очередь, эффект ДМЗ, приводящий к межсимвольной интерференции и влиянию символа как на последующий, так и предыдущий, и возможному наложению на удаленные символы в последовательности. Предлагаемый способ обеспечивает упрощение проведения процедуры "обучения" компенсатора за счет использования простой обучающей последовательности из N символов, состоящей из "0" и только одной "1", соответствующей центральному символу с порядковым номером (N+1)⋅0.5. Кроме того предлагаемый способ отличается универсальностью, с точки зрения возможности компенсации дисперсионных искажений сигналов в многомодовой ВОЛП, функционирующей в маломодовом режиме, вне зависимости от сочетания "скорость передачи ВОСП - протяженность ВОЛП", комбинации пары "лазер - многомодовое ОВ линии", но с учетом "индивидуальных" параметров широкополосности / характеристик многомодового ОВ, которые могут отличаться для разных ОВ одной и той же ВОЛП, и условий ввода оптического сигнала в многомодовое ОВ линии. Синхронизация осуществляется с помощью соответствующего штатного модуля восстановления тактовых сигналов и данных (модуля хронирования) 15 ВОСП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Patent US 2007/0009266 United States Patent, IPC Classificatio H04B 10/00. Multimode optical fibre communication system / A. Bothwell, S. Meadowcroft, Avago Technologies Ltd., USA, - No 0513898, priority date 07.07.2005; publication date 11.06.2007.
2. Patent US 2007/0081825 Al United States Patent, IPC Classification H04B 10/12. Multimode distance extension / D. Rossetti, G. Loripeno (USA). - No 11/163144, priority date 06.10.2005; publication date 12.04.2007.
3. Patent US 2006/0039656 Al United States Patent, IPC Classification G02B6/42. Communication systems employing single-mode lasers and multimode fibers / L.S. Windover (USA). - No 11/256523, priority date 20.10.2005; publication date 23.02.2006.
4. Patent US 2007/0154147 A1 United States Patent, IPC Classification G02B6/36. Mechanism to increase an optical link distance / J.P. Weem, T.Mader, P. Kirkpatrik (USA). - No 11/320935, priority date 29.12.2005; publication date 05.07.2007.
5. Patent US 2001/0036334 A1 United States Patent, IPC Classification G02B/26. System and method for reducing differential mode dispersion effects in multimode optical fiber transmissions / F.-S. Choa (USA). - No 09/813102, priority date 22.03.2001; publication date 01.11.2001.
6. Wu H., Tierno J.A., Pepeljugoski P., Schaub J., Gowda S., Kash J.A., Hajimini A. Integrated transversal equalizers in high-speed fiber-optic systems // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2003. - vol. 38(12). - P. 2131-2137.
7. Xia C., Ajgaonkar M., Rosenkranz W. On the performance of the electrical equalization technique in MMF links for 10-Gigabit Ethernet // IEEE Journal of Lightwave Technology. - 2005. - vol. 23(6). - P. 2001-2011.
8. Xia C., Rosenkranz W. Statistical analysis of electrical equalization of differential mode delay in MMF links for 10-Gigabit Ethernet // Optical Fiber Communication Conference (OFC): proc. - Anaheim, California, USA, 2005. - P. OFO5-1-OFO5-3.
9. Pepeljugoski P., Tiemo J., Ristetski A., Reynolds S.K., Schares L. Performance of simulated annealing algorithm in equalized multimode fiber links with linear equalizers // IEEE Journal of Lightwave Technology. - 2006. - vol. 24(11). - P. 4235-4249.
10. Mori Т., Sakamoto Т., Yamamoto Т., Tomita Sh. Modal dispersion compensation by using digital coherent receiver with adaptive equalization in multi-mode fiber transmission // Optical Fiber Technology. - 2013. - vol. 19. - P. 132-138.
11. Kargar M., Khaliliadl P., Green M.M. A 10 Gb/s adaptive analog decision feedback equalizer for multimode fiber dispersion compensation in 0.13 urn CMOS // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. - 2015. - vol. 83. - P. 271-283.
12. Cunningham D., No well M., Hanson D. Proposed worst case link model for optical physical media dependent specification development [Электронный ресурс]: IEEE 802.3z Task Force. Presentation materials, January 1997 meeting. - 1997. - Режим доступа: http://www.ieee802.org/3/z/public/presentations/, свободный. - Загл. c экрана.
,
13. Cunningham D.G., Nowell М., Hanson D.C., Kazovsky L. The IEEE 802.3z worst case link model for optical physical media dependent specification [Электронный ресурс]: IEEE 802.3z Task Force. Presentation materials, March 1997 meeting. - 1997. - Режим доступа: http://www.ieee802.org,/3/z/public/presentations/marl997/ свободный. - Загл. с экрана.