Перспективы применения маломодовых технологий на высокоскоростных протяженных ВОЛП

т

Перспективы применения маломодовых технологий на высокоскоростных протяженных ВОЛП

На современном этапе для систем передачи со скоростью в оптическом канале свыше 40-100 Гбит/c задача компенсации дисперсионных искажений практически полностью решается методам электронной компенсации в сочетании с применением устойчивых к дисперсии форматов модуляции, оптимизацией кодирования и приема. При этом основным фактором ошибок в оптическом канале становится нелинейность. Задача подавления нелинейных искажений в оптическом канале при использовании одномодовых оптических волокон (ОВ) является крайне сложной. Один из способов уменьшения влияния нелинейных эффектов — увеличение площади поперечного сечения сердцевины ОВ линии связи. В частности, за счет использования так называемых маломодовых ОВ. Еще более глубокое подавление фактора нелинейности можно обеспечить при использовании многомодовых ОВ в маломодовом режиме передачи. Дан анализ факторов искажений в оптическом канале волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП), функционирующей в маломодовом режиме. Предложена модель ВОЛП со спектральным уплотнением разделением каналов и линейными оптическими усилителями EDFA, функционирующей в маломодовом режиме. Представлены данные сравнения передачи в оптических каналах со скоростью 100 Гбит/с для линий с многомодовыми ОВ в маломодовом режиме, маломодовыми ОВ и одномодовыми ОВ. Демонстрируются потенциальные возможности применения маломодовых режимов передачи на высокоскоростных линиях большой протяженности.

Ключевые слова: одномодовое оптическое волокно, маломодовое оптическое волокно, многомодовое оптическое волокно, маломодовый режим, EDFA, спектральное разделение каналов.

Андреев В.А.,

д.т.н., проф., ректор ФГОБУВПО ПГУТИ andreev@psati.ru

Бурдин В.А.,

д.т.н., проф., проректор по науки и инновациям

ФГОБУВПО ПГУТИ,

buidin@psati.ru

Бурдин А.В.,

д.т.н., доцент, профессор кафедры линий связи и измерений в технике связи, ФГОБУВПО ПГУТИ, bourdine@yandex.ru

Сегодня в системах передачи со скоростью в оптическом канале свыше 40-100 Гбит/с задачу компенсации дисперсионных искажений практически полностью решают методами электронной компенсации в сочетании с применением устойчивых к дисперсии форматов модуляции, оптимизацией кодирования и приема. Основным фактором ошибок в оптическом канале при подавлении дисперсионных искажений становится нелинейность [1-7]. Известно, что уменьшить нелинейные искажения в оптическом канале одномодовых оптических волокон (ОВ) крайне сложно [5-11 ]. Один из кардинальных способов снижения влияния нелинейных эффектов — увеличение площади поперечного сечения сердцевины ОВ линии связи. В частности, для этого предлагается использовать так называемые маломодовые ОВ [8, 12-15]. Более глубокое подавление фактора нелинейности можно обеспечить при использовании многомодовых ОВ, функционирующих в маломодовом режиме передачи [8, 16-18]. Пре-

имущество той или иной технологии можно оценить только в сравнении. Соответственно, представляет интерес сравнение показателей качества передачи в оптических каналах для линий с одномодовыми ОВ, маломодовыми ОВ и многомодовыми ОВ в маломодовом режиме. В данной работе представлены результаты моделирования протяженных линий с рассматриваемыми ОВ при передаче в оптическом канале со скоростью 100 Гбит/с.

При моделировании полагали, что общая протяженность линии составляет 2000 км. используются эрбиевые оптические усилители (ЕРБА), расстояния между которыми одинаковы. Длина усилительного участка (УУ) составляла 100 км. Модель ЕРЕД учитывала лишь коэффициент усиления и шумы (ДБЕ) оптического усилителя. Исследования выполняли на рабочей длине волны оптического канала равной 1550 нм. Длина тактового интервала принималась равной 25 пс. Моделировали систему передачи с форматом модуляции РОРБК.

Обобщенная структурная схема моделируемой линии приведена на рис.1. Здесь Тх — передатчик, Рх — приемник, ВФ — выравнивающий фильтр. Допускали, что ВФ настраивается при инсталляции линии передачи. Соответственно, моделирование для каждого варианта выполняли в два этапа. На первом этапе опре-

деляли характеристики ВФ. На втором этапе оценивали вероятность ошибок (ВЕР) при включенном ВФ с найденными на первом этапе параметрами.

Процесс распространения оптических импульсов в маломодовом режиме в линии описывали с помощью системы уравнений Шредин-геровского типа [19, 20], записанной для случая системы со спектральным разделением каналов с учетом [21, 22]:

J^T^ + JYm + Чт-Т-Т + iam ^ m + дц дт дт

+Хк1 ,m И1 + Х кщт W^т = 0

n = L-; к,т = Km (E )B,m L0

(t - z / v0) _ r Т= „ 0 ; am =атЦ;

L

a ; Y =XL

4m 2T0 dw ' m T0

K = ЧП0П2 L0 E0

Km = "77

_1___1_

Vm Vo

с в В '

' т т

где — комплексная огибающая т-й моды, нормированная на ее максимальное по модулю

EDFA

Рис. 1. Обобщенная структурная схема линии передачи

14

T-Comm #9-2014

У

значение на входе световода; — среднее значение нормированных комплексных огибающих мод в /-том канале системы со спектральным разделением; Vm, ат вт — групповая скорость, коэффициент затухания, постоянная распространения т-й моды; л,, г^ — невозмущенное значение показателя преломления и коэффициент в его нелинейном члене; Вт, В¡т — коэффициенты, определяемые в результате усреднения для т-й и 1-й мод согласно [20].

При моделировании линий с маломодовы-ми и многомодовыми ОВ, функционирующими в маломодовом режиме, полагали, что ввод и вывод оптического излучения в линейное волокно выполняется через стандартное ступенчатое одномодовое ОВ типа БМР28е и линейные оптические усилители ЕРРА включаются также через стандартные ступенчатые одномодовые ОВ типа БМР28е как вставка между линейными волокнами.

Процесс распространения оптических импульсов в линии с одномодовыми волокнами в одномодовом режиме описывали аналогично (1) с помощью уравнения Шредингера, записанного для случая системы со спектральным разделением каналов [21, 22], но только для основной моды.

Для одномодовых волокон моделирование выполнили для ОВ, наиболее распространенных на территории нашей страны — типа БМР28е. Профиль показателя преломления таких ОВ приведен на рис. 2. Характеристики данных ОВ брали согласно паспорту [23].

Исследования линии передачи с маломо-довыми волокнами проводили для ОВ, в которых поддерживались два типа направляемых мод ^Ро, и ^Р,,. В работе [24] были представлены профиль данного маломодового ОВ (рис. 3) и основные характеристики (табл. 1).

Моделирование линии передачи с много-модовыми ОВ выполняли для волокон типа ОМ3, профиль показателя преломления которого был получен в результате измерений типичного образца волокна подобного типа [25].

Профиль исследуемого образца ОВ приведен на рис.4. Характеристики направляемых мод ОВ и коэффициенты связи мод на вводе и выводе рассчитывали методом приближения Гаусса, как описано в работах [16, 17, 26]. Исследования проводили для разных условий согласования на вводе — для центрированного ввода, а также углового и осевого рассогласований. Полагали, что рассогласования не превышают 1,0%. При этом, при центрированном вводе в рассматриваемом многомодовом ОВ возбуждались лишь две направляемые моды ^Р01 и 1Р11.

При рассогласовании до 1,0% возбуждалось до 10 направляемых мод. Моделирование повторялось многократно для различных условий рассогласования на вводе из принятого диапазона. Следует отметить, что при этом полученные результаты существенно не отличались. На рис. 5 приведена типичный вид полученной на приеме глаздиаграммы, а на рис. 6 представлен типичный пример результатов моделирования.

Как показывают полученные данные, применение маломодового волокна не дает существенного выигрыша по сравнению с од-номодовым. Вместе с тем, при использовании многомодового ОВ в маломодовом режиме получаем более существенный выигрыш.

По результатам моделирования передачи информации по оптическим каналам системы со спектральным разделением со скоростью 100 Гбит/с с форматом модуляции РОРБК на расстояние 2000 км с применением одномодовых, маломодовых и много-модовых ОВ можно сделать вывод о перспективности применения функционирующих в маломодовом режиме многомо-довых ОВ на магистральных сетях связи. Очевидно, что это требует решения сложных задач, связанных с разработкой технологий и алгоритмов приема, оптических усилителей, предназначенных для работы на таких линиях, оптимизацией форматов модуляции и многих других.

Таблица 1

Рис. 2

Рис. 5

\ Т» N XV \ 1 V

* X Л ч| V < ; \ ч

V \ \ 1 \ ч .......;.........

18 20

ЙВт

Рис. 6

Т-Сотт #9-2014

15

т

Литература

1. Kahn J.M., Keang-Po Ho, A bottleneck for optical fibres', Nature, vol. 411, 2001. - pp.1007- 1010.

2. Milra RP, Stark J.B., 'Nonlinear limits to the information capacity of optical fibre communi-cations,' Nature, vol. 411, 2001. - pp.1027-1030.

3. Ellis A.D., Zhao J., Cotter D., 'Approaching the Non-linear Shannon limit,' JLT-11648, 2009. - R1.

4. Essiambre R..-J., KramerG., WinzerPJ., Foschini GJ, Goebel B., 'Capacity Limits of Optical Fiber Networks,' Journal of Lightwave Technology, vol. 28, No. 4, 2010. - pp. 662-700.

5. Essiambre R.-J., Tkach R.W. Capacity Trends and Limits of Optical Communication Networks,' Proceedings of the IEEE, vol. 100, No. 5, 2012. - pp. 1035-1055.

6. Mecozzi A., Essiambre R.-J. 'Nonlinear Shannon Limit in Pseudolinear Coherent Systems' Journal of Lightwave Technology, vol. 30, No. 12, 2012. - pp. 2011- 2024.

7. Sorokina M.A., Turitsyn S.K. 'Regeneration limit of classical Shannon capacity,' Nature Communications, no 5, 2014. Article number: 3861.

8. Ellis A.D. 'The nonlinear Shannon limit and the need for new fibres,' Proceedings of SPIE, vol. 8434, 2012. - pp. 84340H.

9. Turitsyn K.S., 'Nonlinear communication channels with capacity above the linear Shannon limit,' Optics Letters, vol. 37, No. 17, 2012. - pp. 3600-3602.

10. Schubert C., Rscher J.K., Schmidt-Langhorst C, Elschner R., Molle L.,, Nolle M., Richer T, 'New Trends and Challenges in Optical Digital Transmission Systems,' ECOC Technical Digest, 2012. Wa1.G1.pdf.

11. Shoda M., Yokota I., Sugaya Y, Saito Sh., 'Ultra-High-Speed Core Transport to Handle Rapid Growth in Traffic,' Fujitsu Sci. Tech. J., vol. 49, No.3, 2013. -pp.342-349.

12. Kudo R., Kobayashi T., Ishihara K., Takatori Y, Sano A., Miyamoto Y, 'Coherent Optical Single Carrier Transmission Using Overlap Frequency Domain Equalization for Long-Haul Optical Systems,' Journal of Lightwave Technology, vol. 27, No. 16, 2009. -pp. 3721-3728.

13. Ryf R., Fontaine N.K., Meslre M.A., Randel S., Palou X.,, Bolle C., Gnauck A.H., Chandra-sekhar S., Liu X., Guan B., Essiambre R.-J, Winzer PJ., Leon-Saval S.G., Bland-Hawthorn J, Delbue R., Pupalaikis R, Sureka A., Sun Y., Gruner-Nielsen L., Jensen R.V., Lingle R., '12_12 MIMO Transmission over 130-km Few-Mode Fiber,' Frontiers in Optics 2012, Laser Science XXVIII, OSA Technical Digest (online), paper FW6C.4.

14. Xi Chen, An Li, Ja Ye, Abdullah Al Amnn, Sheh W, 'Reception of mode-division multi-plexed superchannel via few-mode compatible optical add/drop multiplexer,' Optics Express, vol. 20, No.13, 2012. - pp. 1430214307.

15. Salsi M., Koebele C., Sperti D., Tran P, Brindel P, Mardoyan H., Bigo S., Boutin A.,, Verluise F, Sillard R, Astruc M., Provost L., Cerou F., Charlet G., 'Transmission at 2x100Gb/s, over Two Modes of 40km-long Prototype Few-Mode Fiber, using LCOS-based Mode Multiplexer and Demultiplexer,' Optics Express, vol.19, No.17, 2011. - pp.16593-16600.

16. Андреев В А., Бурдин А. В. Многоходовые оптические волокна. Теория и приложения на высокоскоростных сетях связи. - М.: Радио и связь, 2004. - 248 с.

17. Бурдин А.В. Маломодовый режим передачи оптических сигналов по многомодовым волокнам: приложения в современных инфокоммуникациях -Самара: ПГУТИ, 2011. - 274 с.

18. Андреев В. А., Бурдин В.А., Бурдин А.В. Маломодовый режим передачи по оптическим

волокнам: применение на высокоскоростных ВОЛС// Электросвязь, №12, 2013. - C. 27-30.

19. Agrawal G.P. Application of Nonlinear Fiber Optics // Academic Press, 2001. - 459 p.

20. Leibrich J. Rosenkranz W., 'Efficient Numerical Simulation of Multichannel WDM Transmission Systems Limited by XPM,' IEEE Photonics Technology Letters, vol.15, No. 3, 2003. - pp. 395-397.

21. Широков СМ. Приближенные параметрические модели динамики самовоздействия импульсов в нелинейных оптических средах с модовой дисперсией // Компьютерная оптика, том 14-15, ч2, 1995. -C.117-124.

22. Сисакян И.Н., Шварцбург А.В. Нелинейная динамика пикосекунднык импульсов в волоконно-оптических световодах // Квантовая электроника, 1984, т. 11, №9. - C.1703-1721.

23. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи // М.: ЛЕСАР арт, 2003. -288 с.

24. An Li, Xi Chen, Abduiah Al Amnn, Ja Ye, Shieh W, 'Space-Division Multiplexed High-Speed Superchannel Transmission Over Few-Mode Fiber,' Journal of Lightwave Technology, vol.30, No. 24, 2012. -pp. 3953-3964.

25. Бурдин А.В., Яблочкин КА. Исследование дефектов профиля показателя преломления много-модовык оптических волокон кабелей связи // Инфокоммуникационные технологии. - 2010. -№2. - С. 22-27.

26. Бурдин А.В., Бурдин В.А. Решение для произвольной направляемой моды1 круглого оптического волокна на основе метода приближения Гаусса // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, том 14(2), 2011, с. 65-72.

Possibilities of few-mode technologies application for high-speed long-haul optical fiber links

Andreev V.A., Doctor of Technical Science, Prof., rector, PSUTI, andreev@psati.ru Burdin V.A., Doctor of Technical Science, Prof., Pro-rector for Research and Innovations, PSUTI, burdin@psati.ru Bourdine A.V., Doctor of Technical Science, professor of communication lines dept., PSUTI, bourdine@yandex.ru

Abstract

At the present time problems of dispersion distortions almost completely are solved by using electronic compensation combined with dispersion-tolerance modulation formats, optimized coding and coherent reception. Here a major factor errors in the optical channel becomes non-linearity. The solution of task of suppressing nonlinear distortion in the optical channel using a single-mode optical fibers is extremely difficult . One way to reduce the influence of nonlinear effect is increasing the cross-sectional area of the core optical fiber. In particular, through the use of few-mode optical fibers . More profound nonlinearity suppression can be achieved by using a few-mode regime at multimode optical fiber. The paper analyzes the factors distortions in the optical channel of optical fiber in few-mode regime. A model of the optical fiber link with DWDM and EDFA in a few-mode regime is described. Comparison data of 100 Gbs fiber optic link with multimode OM in a few-mode regime, few-mode and single-mode optical fiber are presented. Possibilities of few-mode technologies application on high-speed long-haul links are demonstrated.

Keywords: single mode optical fiber, few-mode optical fiber, multimode optical fiber, few-mode regime, EDFA, DWDM. References

16. Andreev V.A., Burdin AV. Multimode optical fibers. Theory and applications of high speed communication networks. Moscow: Radio and svyaz, 2004. 248 p.

17. Burdin A.V. Few-mode optical transmission over multimode fiber: application of modern information communications. Samara: PGUTI, 2011. 274 p.

18. Andreev V.A., Burdin V.A., Burdin A.V. Low-mode transmission mode optical fibers: application to high-speed fiber-optic line / Electrosvyaz, No12, 2013. Pp. 27-30.

21. Shirokov S.M. Approximate parametric model of the dynamics of self-action of pulses in nonlinear optical media with modal dispersion / Computer Optics, Vol 14-15, Vol.2, 1995. Pp.117-124.

22. Sisakyan I.N., Schwarzburg AV. Nonlinear dynamics of picosecond pulses in optical fibers / Quantum Electronics, 1984, Vol.11, No9. Pp.1703-1721.

23. Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. Optical fiber communication lines / Moscow: LESAR art, 2003. 288 p.

24. Burdin AV., Yablochkin KA. Study of defects in the refractive index profile of multimode optical fiber communication cables / Information and Communication Technologies, 2010. No2. Pp. 22-27.

25. Burdin AV.., Burdin, VA Solution for arbitrary guided mode circular optical fibers based on a Gaussian approximation method / process and Physics wave radio systems, Vol.14 (2), 2011, p. 65-72.

16 T-Comm #9-2014