Многоканальная волоконно-оптическая система связи

 

Изобретение относится к волоконно-оптической связи с высокой пропускной способностью, предусматривающей спектральное уплотнение. В предлагаемом изобретении каналы спектрального уплотнения в системах волоконно-оптической связи имеют разнос по частоте между каналами, который предотвращает существенное совпадение составляющих четырехволнового смещения с несущими волнами каналов. Вследствие этого возрастает пропускная способность системы связи, что и является достигаемым техническим результатом. 14 з.п.ф-лы, 13 ил.

Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к волоконно-оптической связи с высокой пропускной способностью, предусматривающей спектральное уплотнение.

Описание предшествующего уровня техники Начало серийного промышленного производства оптического усилителя с эрбиевым легированием волокна (ОУЭЛ) оказало существенное влияние на волоконно-оптическую связь. Усилитель находит применение в одноканальных системах, в которых он заменяет оптоэлектронные ретрансляторы со значительными длинами волоконного участка. Его режим работы, около 1550 нм, совпадает с желаемой областью низких потерь оптического волокна на кварцевой основе (на основе двуокиси кремния). Разрабатываются и выпускаются оконечные устройства и другая вспомогательная аппаратура для работы при этой длине волны.

Появление ОУЭЛ позволяет практически осуществить спектральное уплотнение (СУ). Системы предназначены для многоканального режима работы на каналах, обеспечивающих устойчивую стабилизацию частоты вследствие достаточных интервалов между ними и имеющих общую ширину полосы пропускания, расположенную в пределах полосы пропускания ОУЭЛ. Эта способность обеспечивать одновременное усиление по всем каналам сразу вызвала повышенный интерес к СУ.

В заявке на патент США 08/069952 от 28 мая 1993 года описаны и заявлены системы, разработка которых ранее не считалась заслуживающей внимания. Самые современные одноканальные системы обладают преимуществом волокна со смещаемой дисперсией (ВСД). Разработка этого вида волокна зависит от "смещения" нулевой точки дисперсии в кварцевом волокне с единичной модой от ее обычной позиции 1310 нм к желаемой позиции 1550 нм длины волны несущей. Подавление хроматической дисперсии сделало возможной работу системы при скорости передачи битов, равной 2,5 Гбит/с при длинах участков в сотни километров. К сожалению, внедрению оптических систем, предназначенных для режима СУ, как и планировавшемуся совершенствованию самого режима СУ помешало осознание того факта, что работа уплотненного канала в рассматриваемых условиях ограничена нелинейным эффектом - четырехволновым смешением (4ВС). При обычных прогнозируемых расстояниях и скоростях передачи битов использование 4-канальных систем связи невозможно. Смысл приведенной заявки на патент США заключается в отмене режима работы при чрезмерно низком уровне дисперсии. Разработка точно просчитанной малой величины хроматической дисперсии является достаточным условием для работы при скоростях передачи битов по каналу, невозможных при 4ВС, использующим ВСД. Другие разработки систем, содержащиеся в упомянутой заявке, обладают преимуществом систем со сцепленной дисперсией и с компенсируемой дисперсией, обеспечивающих фазовое рассогласование волн для уменьшения воздействия 4ВС.

В другой заявке на патент США 08/069962 описано и заявлено особое волокно с ограниченной дисперсией для использования в уплотненных каналах, работающих при предпочтительной рабочей длине волны около 1550 нм ("волокно спектрального уплотнения" или "ВСУ"). Заявленные разработки волокна продолжают совершенствоваться с целью разрешения проблемы скоростной передачи битов в существующих одноканальных описанных системах и подобных системах недалекого будущего, использующих ВСД. Исходя из существующей вероятности того, что предусмотренная дисперсия будет служить помехой в работе при высокой скорости передачи битов на сверхдлинных участках и/или в работе на уровнях мощности, значительно превышающих существующие в ≈1 мВт, ВСУ может быть дисперсионно компенсируемым обычно предлагаемым компенсирующим волокном. Для компенсации сравнительно небольших дисперсий возможно использовать компенсирующее волокно с более низкими уровнями легирования или с более короткими длинами, что соответственно уменьшает добавляемые прокладкой потери.

Применяемая терминология СУ - спектральное уплотнение, предусматривающее многоканальный режим работы при использовании одного волокна. Важность подобного подхода к решению проблемы состоит в том, что он позволят осуществлять одновременное усиление группы каналов путем использования одного усилителя с легированием волокна редкоземельными элементами. Усилитель с эрбиевым легированием волокна использует ширину полосы частот Δλ, в диапазоне 10-20 нм. В целом, рассматриваемые системы СУ имеют общую ширину полосы частот для работы группы каналов в пределах этого диапазона.

Участок - это неретранслируемая длина волокна, которая может или не может включать в себя оптические усилители. На каждом конце участка имеется средство преобразования между электрической и оптической формами сигнала. Преобразование может осуществляться передающим устройством, приемным устройством или ретранслятором.

ВСД - волокно со смещаемой дисперсией, в котором значение совокупной хроматической дисперсии "смещается" от некоторого рекомендуемого значения длины волны к длине волны несущей.

ВСУ - волокно спектрального уплотнения, как описано и заявлено в заявке на патент США 08/069962 от 28 мая 1993 года. ВСУ имеет абсолютное значение дисперсии, равное 1,5-4 пс/нм-км при длине волны 1550 нм.

4BC - четырехволновое смешение. Как описано выше, оно представляет собой широко распространенный предел нелинейной пропускной способности для обычно рассматриваемых систем ВСУ.

ОУЭЛ - оптический усилитель с эрбиевым легированием волокна.

Краткое изложение существа изобретения По сравнению с режимом работы равномерно разнесенного канала СУ, обычно используемом в системах, описанных в литературе, разрабатываемые системы предназначены для работы с неравномерным разносом каналов. Предпочтительным вариантам выполнения удовлетворяет алгоритм, запрещающий совпадение любой составляющей 4BC с обозначенным номинальным значением несущей частоты канала. Существует и другой предпочтительный параметр для алгоритмически создаваемого критерия, предусматривающий наименьший разнос, что в результате ведет к уменьшению общей ширины полосы частот в пределах необходимой полосы пропускания, например, для ОУЭЛ.

Неравномерно разнесенные каналы первоначально рассматривались как альтернатива идее обеспечения ограниченной дисперсии. Описанные системы СУ, по-видимому, будут использованы в работе по "приспособлению" к ВСД, как альтернатива использования ВСУ. Посредством реализации этой альтернативы уже внедренные системы с ВСД могут быть усовершенствованы таким образом, что скорости передачи бит в каждом канале будут достаточными, чтобы оправдать принцип многоканального режима работы. Сведения, содержащиеся в "Подробном описании существа изобретения", указывают на возможность четырехкратного увеличения пропускной способности системы при оптимально разнесенных каналах (по сравнению с режимом работы при равномерно разнесенных каналах).

С учетом значения более длительного терма разнос каналов в соответствии с представленным алгоритмом позволяет получить то же четырехкратное увеличение в "приспосабливаемых" системах, например в системах, использующих ВСУ при работе с полностью ограниченной областью 4BC. Такое же преимущество достигнуто и в других приспосабливаемых системах - в системах, использующих компенсирующие или связанные волокна. В подобных системах волокна, способствующие повышению эффективности их работы, могут использовать меньшие уровни дисперсии, что стало возможным благодаря использованию неравномерного разноса каналов (с предпочтительными побочными явлениями, включающими уменьшенные энергетические потери, связанные с уровнями легирования).

Экспериментально установлена практическая возможность осуществления режима работы с 8 или более каналами СУ при условии нахождения ширины полосы частот в пределах полосы ОУЭЛ. Создана и имеется в наличии аппаратура для обеспечения требуемой стабилизации каналов, предположительно обеспечивающая стабилизацию частот каналов на порядок выше, чем при равномерном разносе каналов (для обеспечения постоянного минимального разноса).

Краткое описание чертежей ФИГ. 1 - обобщенная блок-схема системы СУ с неравномерно разнесенными каналами.

ФИГ. 2 - блок-схема экспериментальной системы СУ, использовавшейся для получения дополнительных и уточняющих данных для настоящего изобретения.

ФИГ. 3 - диаграмма зависимости частоты составляющих четырехволнового смешения от частот канала СУ при обычном, равномерном разносе каналов.

ФИГ. 4 - диаграмма тех же зависимостей, построенная на координатных осях ФИГ. 3, для предпочтительной системы с неравномерным разносом.

ФИГ. 5 - график зависимостей полной пропускной способности многоканальных систем СУ с равномерным и неравномерным разносом, отнесенных к величине хроматической дисперсии.

ФИГ. 6-9 - сравнительные диаграммы спектра каналов с равномерным разносом и разносом, рассчитанным с использованием алгоритма.

ФИГ. 6 - спектр входного сигнала для равномерно разнесенных каналов.

ФИГ. 7 - спектр входного сигнала для неравномерно разнесенных каналов.

ФИГ. 8 - спектр выходного сигнала для равномерно разнесенных каналов.

ФИГ. 9 - спектр выходного сигнала для неравномерно разнесенных каналов.

ФИГ. 10, 11 - индикаторные диаграммы, построенные на координатных осях мощности передаваемой энергии в мВт и времени в нс, для равномерного и неравномерного разноса каналов соответственно при использовании условий по ФИГ. 8 и 9.

ФИГ. 12 - диаграмма, построенная на координатных осях вероятности ошибок и возбужденной мощности передаваемых сигналов, сравнивающая зависимости значений этих координат для равномерного и неравномерного разноса каналов.

ФИГ. 13 - диаграмма зависимости расширения ширины полосы частот, требуемых для обеспечения минимального межканального разделения для системы по изобретению.

Подробное описание изобретения Общие положения Системные разработки и рабочий режим системы по изобретению дают положительный результат в условиях, когда 4ВС является доминирующим ограничением пропускной способности. Это справедливо для многоканальных систем большой протяженности, использующих ВСД. Выражение "многоканальная система большой протяженности" определяется такими понятиями, как длина участка в 360 км, наличием трех равномерно разнесенных ОУЭЛ, имеющих четыре канала по всей ширине полосы частот, отвечающей требованиям полосы пропускания. В качестве примера полоса пропускания ОУЭЛ при максимальном приближении составляет 30 нм. При существующей в настоящее время практике разрабатываемые системы должны иметь общую ширину полосы частот в пределах от 10 до 20 нм. Другими требованиями к этим системам является требование сосредоточения этой ширины полосы частот в районе длины волны 1550 нм и с частотой ошибки на бит ≅10^-6 /с.

Согласующаяся с названной предпосылкой, предполагающей наличие 360-км участка, четырех каналов, системы СУ с равномерным разносом при 1 мВт/канал, работающей с ВСД, обеспечивает общую пропускную способность около 2 Гбит/с. Для этих целей данная система с ВСД рассматривается как "заблокированная". Настоящее изобретение применимо к такой "заблокированной" системе. Применив рассчитанные с помощью разработанного алгоритма величины неравномерного разноса каналов, получают увеличение пропускной способности по меньшей мере в 4 раза при использовании того же умножителя; это увеличение определено в другой экспериментальной работе (или около 12 Гбит/с при той же общей ширине полосы частот).

Метод разрабатываемой системы применим к "заблокированным" системам - к системам с равномерным разносом, предусматривающим минимум хроматической дисперсии при абсолютной ее величине по меньшей мере 1,5 пс/нм-км для основной части волокна, составляющей участок. (Четырехканальная система или система с большим числом каналов протяженностью 360 км обеспечивает пропускную способность около 120 Гбит/с). Такие системы достигают увеличения пропускной способности, значительно превышающей четырехкратное увеличение (примерно 900 Гбит/с). Указанный выше умножитель работает при значениях дисперсии, значительно превосходящих минимальный предел. По меньшей мере на ближайшее будущее значения дисперсий волокна, превышающие примерно 4 пс/нм-км, способны обеспечить достаточную пропускную способность для равномерно разнесенных каналов. Предпочтительные значения дисперсий для неравномерно разнесенных каналов в заблокированных системах составляют соответственно значения в пределах 1,5-4 пс/нм-км для той же области изменения дисперсии волокна.

Зависимости, приведенные на диаграммах ФИГ. 3 и 4, получены для 10-канальной системы. Приведенная на ФИГ. 2 блок-схема модели системы, а также примеры 1 и 2 описывают 8-канальную экспериментальную систему. Как следует из приведенного уравнения 3, оптимальная ширина оптического спектра B_opt позволяет создавать эти и более сложные системы, соответствующие пределам полосы пропускания ОУЭЛ. Системы, работающие с меньшим числом каналов и занимающие ту же ширину спектра частот, могут иметь каналы с большим разносом. Компромиссом для увеличения ширины полосы частот системы являются менее жесткие требования к стабилизации частоты передающих каналов и уменьшенное значение четырехволнового смешения.

Не вызывает сомнения, что основная идея разрабатываемой системы направлена на увеличение пропускной способности систем, пропускная способность которых ограничивается 4ВС. Пропускная способность заявленных отдельно, идентичных систем с равномерно разнесенными каналами ограничена 4ВС. Увеличение пропускной способности для систем с ВСД, с ВСУ, с волокнами со сцеплением (последовательном соединением) или с волокнами с компенсацией дисперсии может быть приблизительно одним и тем же для той же ширины полосы частот. Применение указанного умножителя основывается на предположении, что окончательная система с неравномерным разносом будет и далее ограничиваться наличием 4ВС; в противном случае увеличение пропускной способности системы будет меньше. Основная идея разработки системы успешно применяется всякий раз, когда увеличение пропускной способности является существенным, независимо от предельного ограничения, накладываемого наличием 4ВС, хроматической дисперсией или каким-либо другим нелинейным явлением.

Поскольку системы СУ с равномерно разнесенными каналами, использующие волокна с величиной дисперсии, превышающей примерно 4 пс/нм-км, обычно не подвержены ограничивающему воздействию 4ВС, то предпочтительный вариант выполнения предлагаемой системы применяет волокно с величиной дисперсии, лежащей в пределах абсолютного значения 0-4 пс/нм-км. Вполне допустимо, что будущие скорости передачи битов найдут успешное применение настоящему изобретению при условии использования волокна с большей дисперсией. Возможно, что для будущего совершенствования системы будет оправданным применение неравномерного разноса каналов.

Отдельно описаны системы с длинами волн около 1550 нм. Благодаря широкому применению ОУЭЛ первоначальный эффект настоящего изобретения, по-видимому, проявится на системах, работающих в диапазоне этих длин волн. Диапазон применения данного изобретения достаточно широк. Предлагаемая система работает и на других частотах оптического спектра, которые могут передаваться по оптическому волокну. К примеру, работа системы при 1310 нм привлекает в настоящее время сравнительно небольшое внимание. Появление эффективного оптического усилителя для данной длины волны, возможно, преодолеет это предубеждение - не исключено, что в результате появится даже возможность одновременной работы на двух длинах волн (предположительно с применением дисперсионно выравненного волокна). Соответственно, дискуссия по вопросу использования специфических длин волн должна рассматриваться лишь как типичная для подобных случаев. Например, дискуссия по тематике "заблокированных" и "приспосабливаемых" систем должна проводиться с присутствием представителя разработчиков системы, с обсуждением соответствующих вопросов, связанных со значениями дисперсии для работы системы на выбранных длинах волн.

Числовые значения дисперсии существуют для длин волн, на которых работает система. Обычно это значение длины волны устанавливается передающим устройством. Замена или добавление другой длины волны системы, например, во время корректировки длины волны может изменить значение дисперсии (см. ФИГ. 5).

Подобным образом обычно проводится дискуссия по участкам линий, использующим гомогенное волокно. Разрабатываемые системы будут, по-видимому, эффективными при использовании участков, составленных из длин участков различных волокон. Для этих целей необходимо проведение дискуссии по сцепленным (связанным) системам. Компенсационные системы используют участки, включающие сравнительно небольшие отрезки компенсирующих волокон, состоящих предположительно из ≥95% из гомогенного волокна, а остальное - другое компенсирующее волокно.

Оптимальный разнос каналов Распределение каналов связи по спектру уплотнения частот использует теорию линейного программирования целых чисел (ЛПЦЧ), основанную на работе "Golomb Ruler". Cм. J.P.Robinson, "Optimum Golomb Rulers", IEEE Transactions on Computers том c-28, N 12, декабрь 1979 г., стр. 943, 944. В работе рассматривается возможность неравномерного разноса каналов для увеличения пропускной способности. В довольно специфическом изложении вариация чисто математической линейки Голумба успешно применяется к решению неизвестной проблемы. Проблема 4ВС включает в себя сложную проблему большого межканального разноса, связанную с эквивалентным критерием в области проблем, к которым она традиционно применяется.

4ВС представляет собой нелинейный процесс, в котором три волны с частотами колебаний f_i, f_j и f_k (k≠i,j) взаимодействуют через диэлектрическую восприимчивость третьего порядка оптического волокна (световода) и генерируют волну с частотой f_ijk=f_i+f_j-f_k. (Ур. 1)
Таким образом, три совместно распространяющиеся волны возбуждают посредством эффекта 4ВС девять новых световых волн (оптических волн).

В системах СУ подобное явление происходит с каждым возможным выбором из трех волн каналов. Однако данная проблема осложняется при увеличении числа каналов. Так, в 8-канальной системе связи посредством 4ВС генерируются уже сотни волн. Как отмечалось, в обычных системах СУ каналы равномерно разносятся по частоте. Равномерный разнос значительно повышает отрицательное воздействие эффекта 4ВС, поскольку все термы составляющих, попадающие в пределы ширины полосы частот системы, приходятся точно на частоты каналов и ухудшают отношение сигнала к уровню шумов (отношение сигнал-шум). Более того, искажение "1" битов увеличивается параметрическим усилением в детекторе, что может привести к дальнейшему ухудшению отношения сигнал-шум.

Если разделение частоты любых двух каналов системы СУ отличается от разделения каждой другой пары каналов, то волны 4ВС не будут генерироваться на номинальной частоте канала. Представленная методология проектирования системы удовлетворяет вышеприведенному требованию. Данный способ связан с предлагаемым способом в вопросе уменьшения эффекта интермодуляционной интерференции волн третьего порядка в системах радиосвязи. См. W.C.Babcock, "Intermodolution interference in radio systems", Bell Syst. Tech. J.. том 31, стр. 63- 73, январь 1953 г., а также M.D.Atkinson, N.Santoro и J.Urritia, "Integer sets with distinct sums and differences and carrier frequency assignments for nonlinear repeaters", IEEE Trans. Commun.. том СОМ-34, стр. 614-617, июнь 1986 г. Результаты моделирований и проведенных экспериментов подтверждают вывод о том, что предложенный настоящим изобретением способ распределения каналов позволяет в значительной степени уменьшить снижение рабочей характеристики системы, вызываемое эффектом 4ВС.

Проблема разработки способа распределения каналов может быть сведена к проблеме линейного программирования целых чисел (ЛПЦЧ) посредством разделения имеющейся ширины полосы частот оптического спектра на равные интервалы (Δf), большие по величине ширины полосы, занимаемой волной 4ВС (которая всегда больше ширины полосы канала, например, 0,15 нм в сравнении с 0,1 нм). Принятое (произвольно) обозначение оптической частоты (частоты оптического спектра) f₀ дает возможность выразить i-й отрезок ширины спектра, находящегося около оптической частоты, как f_i= f_o+n_iΔf, где n_i - целое число, обозначающее число интервалов i-го частотного отрезка. На языке обозначения количества интервалов уравнение (1) примет вид
n_ijk=n_i+n_j-n_k (k≠i,j). (Ур. 1а)
Если n_ijk не совпадает с любым из чисел канальных интервалов при любых значениях i, j, k, то не произойдет генерации волны 4ВС сигналом, созданным на любом из канальных интервалов. Если N принять за число передающих каналов, то достаточно выбрать N канальных интервалов (с возрастающими числами канальных интервалов) (n₁, n₂,..., n_N), чтобы получить выражение

Уравнение (2) эквивалентно требованию о том, что для любых двух разных пар канальных интервалов частотное разделение между каналами в каждой паре разное.

Теперь проблема 4ВС сведена до проблемы ЛПЦЧ нахождения вектора N-1 положительных целых чисел (m₁, m₂,..., m_N-1), так что выражение N(N-1)/2 представляет собой частичные суммы смежных элементов

или выраженное в частотных значениях уравнение 3 примет вид

где все частотные значения отличны друг от друга. В обычных системах существуют определенные практические ограничения, накладываемые на близость размещения каналов друг от друга, а также стремление иметь наименьшую величину общей ширины полосы частот. Это может быть выражено в виде требования, что общая сумма должна быть минимальной, чтобы иметь минимальную общую ширину полосы частот оптического спектра (B_opt= SΔf), занимаемую системой СУ.

На приемном конце системы применяются оптические фильтры, используемые для разделения каналов перед детектированием. Обеспечивается минимальный частотный интервал (Δf_c= nΔf) между частотными полосами каналов с целью подавления соответствующего количества ненужных каналов. Это налагает на решение проблемы ЛПЦЧ дополнительное ограничение m_i≥n, где nΔf означает минимальное разделение по частоте между смежными каналами.

В рамках ЛПЦЧ эта проблема сводится к отысканию полного значения величины NP, однако общий эффективный способ решения этой проблемы пока не известен и оптимальное решение может быть найдено лишь путем исчерпывающих поисков с применением компьютерной техники.

Нижняя граница общей оптической ширины полосы частот, требуемой B_opt, может быть найдена просто из условия, что значения переменных m_i должны быть отличны друг от друга (и больше значений n). Из этого следует, что

где B_c= (N-1)Δf_c - означает общую оптическую ширину полосы частот обычной системы СУ с равномерно разнесенными каналами на величину Δf_c.
На диаграмме ФИГ. 13 показан фактор расширения ширины полосы частот, определенный как B_opt/B_c относительно N, числа каналов в системе СУ, для различных значений минимального параметра разделения каналов n. Сплошные кривые линии диаграммы построены по значениям, полученным в результате значительной работы, проделанной с применением компьютерной техники; пунктирные линии диаграммы изображают значения нижней границы ширины полосы частот системы, полученные из уравнения 4. Для значения n≥5 вплоть до значения 10 каналов нижняя граница ширины полосы частот обеспечивается.

Данное рассматриваемое значение, а именно n≥5, играет важную роль для большинства разрабатываемых систем независимо от того, применяется или нет фактор расширения ширины полосы частот системы. Это значение n, при котором обеспечиваются минимальный разнос каналов и минимальное расстояние между любой составляющей 4ВС для любого из каналов, предусматривает расширение полосы частоты канала благодаря фазовой автомодуляции. Обеспечение значительного разделения уменьшает к тому же составляющие биений, вызываемых СУ и каналом. Это значение, равное 5, достижимо и достаточно надежно обеспечивается. Для небольшого числа каналов, например четырех, требования к полосе пропускания могут быть ослаблены в интересах получения больших значений (до 10 и более). При других условиях достаточным будет значение, равное 2.

Эффективность предложенного способа неравномерного разнесения каналов при удержании составляющих смешения за пределами частотных интервалов каналов показана на ФИГ. 3 и 4, где число составляющих смешения, падающих на каждый частотный интервал Δf, приведено для 10-канальной системы связи при n=5 и Δf_c= 1 нм. На ФИГ. 3 большинство составляющих смешения 4ВС совпадает с несущей частотой канала. Соответственно, общая ширина полосы частот составляет 9 нм. Необходимо отметить, что все составляющие смешения в ширине полосы частот разрабатываемой системы находятся в интервалах, занимаемых каналами, генерирующими максимальную интерференцию волн, а также что на некоторых каналах находится более 50 волн 4ВС. На ФИГ. 4 представлен результат применения неравномерного разноса. Фактор увеличения ширины полосы частот, показанный на ФИГ. 13, равен 1,8, так что ширина полосы частот увеличивается до значения 16 нм, однако теперь отсутствуют составляющие смешения в частотных интервалах, занимаемых каналами. Все составляющие смешения равномерно распределены в частотных интервалах между каналами и результат их воздействия может быть отфильтрован приемным устройством.

Оптический фильтр, применяемый в приемном устройстве для выделения необходимых каналов, передает с определенным ослаблением волны 4ВС, генерируемые в частотных интервалах вблизи канального интервала. Волны, возникающие от биений между каналом и упомянутыми волнами 4ВС, также должны отфильтровываться. Это может быть сделано электрическим фильтром. Следовательно, величина частотного интервала Δf должна быть достаточно большой, чтобы избежать заметного наложения волн канала и волн 4ВС, вызывающих нестабильность частот каналов. Поскольку среднеквадратическое (действующее) значение дрожания частоты волны 4ВС в 3 раза выше значения дрожания частоты канала, то наложением спектра частот можно пренебречь при величине стабильности частоты канала порядка Δf/10, при условии, что величина Δf больше величины 2R, где R - величина скорости передачи битов. Чтобы обеспечить подавление требуемого количества ненужных каналов без искажения работы выбранного канала, необходимо иметь минимальную величину разделения каналов следовательно, обеспечить соответствующее значение для n = Δf_c/Δf ≈ 5.
В результате выбор и применение основной идеи изобретения является вопросом стоимости ее практической реализации. Подходя традиционно, эффективное использование алгоритмически определенного разноса каналов требует обеспечения величины стабилизации частоты каналов, равной (+-5 ГГц). Для сравнения, требование для равномерно разнесенных каналов (с разносом, равным наименьшему значению разноса в системе с неравномерным разносом каналов) является простым избежанием перекрытия каналов, т.е. стабилизации при ±0,5 нм - на порядок ниже требуемой величины. Стабилизация на заданном уровне достижима, например, путем автоматической подстройки частоты (АПЧ) под выбранные режимы работы в диапазоне интерференционного светофильтра Фабри-Перо со значением свободной спектральной зоны, равным значению Δf.
На ФИГ. 3 и 4 показана эффективность применения системы с неравномерным разносом каналов, полученным с помощью алгоритма, при удержании составляющих смешения волн за пределами частотных интервалов. Диаграмма ФИГ. 3 составлена для системы с 10 равномерно разнесенными каналами (разнесенными на 125 ГГц), сосредоточенными вблизи номинального значения длины волны несущей, составляющего 1550 нм. (Математическое решение, полученное на компьютере, представляет собой чисто цифровые термы, обозначающие число каналов 1, 6, 11, 16 и т.д). По оси ординат диаграммы обозначены значения количества составляющих смешения. Разнос между каналами равен 1 нм, в данном случае рассматривается минимальный разнос, требуемый для выбора каналов с помощью оптического фильтра, благодаря чему достигается общая ширина полосы частот, равная 9 нм. Все составляющие смешения волн в пределах этой полосы частот расположены на канальных интервалах частот.

На ФИГ. 4 проводится сравнение эффективности аналогичной системы, однако с числом каналов, рассчитанным с помощью разработанного алгоритма и составляющим 1, 6, 16, 22, 30, 39, 50, 57, 69, 82 каналов. Для сохранения минимально допустимых результатов разноса каналов необходимо задействовать фактор расширения полосы частот системы (Ур. 4) со значением, равным 1,8, или иметь ширину полосы частот 16 нм. Все составляющие смешения в этом случае расположены в интервалах между канальными интервалами, следовательно, их воздействие может быть отфильтровано.

Примеры
Массив экспериментальных данных, изложенных в примерах 1 и 2, реализован на схеме ФИГ.2. Два указанных примера сравнивают равномерный разнос каналов с неравномерным разносом каналов для идентичных систем. Сравнительные результаты приведены на ФИГ. 6, 7, 8, 9 и 10.

На ФИГ. 2 изображена схема 8-канальной системы, обеспечивающей без использования повторителей передачу данных по восьми каналам со скоростью 10 Гбит/с на 137 км с использованием ВСД. Сигналы восьми внешних резонаторных лазеров с длинами волн излучения, на языке символов от λ₁ до λ₈, четырехкратно (4х1) уплотняются двумя пассивными ответвителями 30 и 31, замыкающимися на пассивный ответвитель 32 с двукратным (2х1) уплотнением. Два ОУЭЛ 33 и 34 компенсируют энергетические потери, полученные на пассивных ответвителях. Ниобийлитиевый (LiNbO₃) модулятор 35 генерирует поток псевдослучайных битов со скоростью 10 Гбит/с. 20-километровая катушка волокна с несмещаемой дисперсией низко поляризованных колебаний (ДПК), обладающего величиной хроматической дисперсии, равной 16 пс/нм-км при 1550 нм, образует дискретные задержки, приводящие к 3-битовым сдвигам на канал при скорости передачи битов 10 Гбит/с. (Подобным же образом тот же самый поток битов со скоростью 10 Гбит/с, одновременно пропускаемый по всем каналам, обеспечивает имитацию индивидуально модулированных каналов). Низкое значение величины ДПК создает наихудшие условия для 4ВС (для равномерного и неравномерного разноса каналов). После усиления в ОУЭЛ 37 сигналы поступают в регулируемый аттенюатор 38 мощности для установления требуемой величины возбужденной мощности. Аттенюатор 38 вместе с катушкой 39 ВСД длиной в 137 км обеспечивает соответствующие потери от искажений и эффекта 4ВС. ВСД имеет величину потерь от искажений 0,24 дБ/км. Для создания самых неблагоприятных условий при проведении эксперимента с моделью системы частоты каналов как с равномерным, так и неравномерным разносом были выбраны так, чтобы поместить значение длины волны с нулевой дисперсией λ₀ между каналами и с равномерным разносом каналов 2 и 3 (со значениями длин волн несущей λ₂ и λ₃). Спектры входного и выходного сигналов просматривались на оптическом спектральном анализаторе 40, куда сигнал поступал с узла 41 схемы и с узла 42 схемы. Данный сигнал затем пропускался через ОУЭЛ 43, после чего через регулируемые оптические фильтры 44, 45 и далее через ОУЭЛ 46 и регулируемый оптический фильтр 47. (Три разнесенных по схеме оптических фильтра понадобились для получения требуемого выделения сигнала. Решетка такого фильтра обеспечила уровень подавления невыбранных сигналов более чем на 23 дБ). Элементы 48 и 49 схемы обеспечили преобразование оптического сигнала в электрический и последующее его фильтрование электрическим фильтром. Электрические фильтры, обычно включаемые в схемы выпускаемых промышленностью повторителей, пригодны для отфильтровывания паразитных сигналов, образующихся вследствие биений между несущими частотами каналов и близко отстоящими от них составляющими 4ВС. Результаты эксперимента наблюдались посредством использования проверочной установки 50 определения частоты ошибки на бит и осциллографа 51. Элемент 50 использовался также для генерирования потока псевдослучайных битов (ППСБ), который в данном эксперименте составил 2³¹-1 бит. В процессе эксперимента проводилось сравнение генерируемого потока 52 псевдослучайных битов с их выходным потоком 53.

Пример 1
Экспериментальная система, изображенная на схеме ФИГ. 2, испытывалась в режиме равномерно разнесенных каналов при 1,6 нм, что соответствует общей ширине полосы частот системы в 11,2 нм. Спектры входного и выходного сигналов приведены на ФИГ. 6 и 8. Индикаторная диаграмма спектра выходного сигнала изображена на ФИГ. 10. Величина возбужденной мощности составила 3 дБм (2 мВт).

Пример 2
Та же самая модель системы испытывалась и в режиме неравномерно разнесенных каналов, причем величина возбужденной мощности составляла 5 дБм. В данном примере с целью сохранения прежнего значения ширины полосы частот величиной в 11,2 нм был установлен минимальный разнос при наименьшей полосе частоты канала, составившей 1 нм. Спектры входного и выходного сигналов данного эксперимента приведены на ФИГ. 7 и 9; индикаторная диаграмма показана на ФИГ. 11. В обоих этих примерах и в примере 1 диаграммы спектра выходного сигнала снимались для третьего частотного канала (наихудшего канала).

Уровень составляющих смешения волн в эксперименте с неравномерным разносом отмечен более высоким (ФИГ. 8 и 9) из-за большей возбужденной мощности. Простое рассмотрение диаграмм для неравномерного разноса (ср. ФИГ. 11 и ФИГ. 10), несмотря на более высокую возбужденную мощность, говорит в пользу настоящего изобретения. Сравнение диаграммы спектра выходного сигнала на ФИГ. 8 (равномерный разнос) и на ФИГ. 9 (неравномерный разнос) показывает, что составляющие 4ВС генерируются за пределами ширины полосы частот каналов в случае с неравномерным разносом.

Порог области Бриллоуина для данной испытываемой системы был определен как 10 дБм - величина, превышающая наибольшее значение возбужденной мощности, равное 9 дБм. Этот факт и другие исследования подтверждают вывод о том, что данная система даже при ее усовершенствовании продолжает оставаться системой с пропускной способностью, ограниченной 4ВС.

На ФИГ. 12 представлена диаграмма вероятности ошибок в логарифмической зависимости по оси ординат от значений величин возбужденной мощности по оси абсцисс для режимов работ системы, описанных в примерах 1 и 2. Данные, отражающие результаты эксперимента при неравномерном разносе, изображены на диаграмме кружками, а данные для системы с равномерным разносом - квадратами. При низкой передаваемой мощности, меньше значения -2 дБм, системы с равномерным и неравномерным разносом показали одинаковые результаты, касающиеся воздействия 4ВС. Однако по мере увеличения мощности рабочая характеристика системы с равномерным разносом деградировала стремительно, что привело к частоте ошибки на бит выше 10^-6. В то же время система с неравномерным разносом продолжает улучшать свои показатели по мере нарастания возбужденной мощности вплоть до значения, превышающего примерно +7 дБм. (Первоначальное увеличение частоты ошибки на бит в этом случае объясняется сравнительным снижением рабочих показателей системы из-за наличия шумов усилителя).

Система с неравномерным разносом на ФИГ. 12 в значительной мере свободна от ошибок (частота ошибки на бит ≅10^-11 для возбужденной мощности в пределах от 2 дБм до 7 дБм).

Полагают, что отмеченное улучшение частоты ошибки на бит у системы с неравномерным разносом частично достигается благодаря простой потери мощности вследствие ее передачи составляющим 4ВС, которые размещаются за пределами частотных полос.

Другие чертежи
На ФИГ. 1 представлена система СУ. Она состоит из четырех передающих устройств 10, 11, 12 и 13, объединенных в один пассивный элемент 14 (4:1). Объединенный сигнал поступает в волоконную линию 15 передачи, включающую два оптических усилителя 16 и 17. На приемном конце линии четырехканальные сигналы разделяются устройством 18 разделения каналов, после чего разделенные сигналы направляются к четырем регенераторам (восстановителям) 19, 20, 21 и 22.

На ФИГ. 5 приведены сравнительные данные пропускной способности передачи битов системы с равномерным разносом (кривая 60) и системы с неравномерным разносом (кривая 61) как функции дисперсии. По оси ординат проставлены цифровые значения для четырехканальной системы с длиной участка 360 км. При нулевой дисперсии система с равномерно разнесенными каналами обеспечивает пропускную способность примерно 2 Гбит/с. Система с неравномерно разнесенными каналами, сохраняя нулевую дисперсию, увеличивает пропускную способность до величины порядка 12 Гбит/с. Сравнение кривых при одних и тех же показателях улучшения дает возможность оценить значение величины дисперсии оптического волокна по всей области ее изменения и отметить, что пропускная способность со значения около 120 Гбит/с увеличивается почти до значения 900 Гбит/с для "заблокированных" систем, работающих в диапазоне длин волн 1550 нм и использующих волокно ВСУ (волокно с дисперсией 2,0 пс/нм-км на данной длине волны).

Та же форма кривых и те же сравнительные данные по пропускной способности системы применяются и к более сложным системам. Примеры 1 и 2, описывающие 8-канальную систему, иллюстрируют это.

При обсуждении вопроса о повышении пропускной способности системы делается определенное предположение. Предполагается, что четырехкратное увеличение пропускной способности системы (6 дБ) объясняется неизменностью ширины полосы частот системы в процессе эксперимента. Подобное объяснение справедливо для случаев, когда общая ширина полосы частот системы ограничивается полосой пропускания, например полосой пропускания ОУЭЛ. Поскольку воздействие фактора 4ВС возрастает с уменьшением разноса, то высказанное выше предположение ставит под сомнение справедливость подхода к данной проблеме, из чего следует, что использование четырехкратного умножителя частоты в испытываемой модели уже не отвечает современным требованиям. Но, с другой стороны, если сохраняется минимальный разнос между каналами, что влечет за собой увеличение общей ширины полосы частот, воздействие смешения уменьшается для всех каналов, кроме одной их пары. Для такой расширенной полосы частот показатель улучшения функционирования системы составляет почти 9 дБ (полученный путем использования 8-кратного умножителя частоты).

На ФИГ. 5 представлены характеристики систем по настоящему изобретению, которые, возможно, позволят использовать в них более четырех каналов связи, что рассматривается в настоящий момент. Более длинные системы могут включать и более длинные участки или их множество, так чтобы имелась возможность использовать четыре передающих устройства для регенерации сигналов. Для экспериментальной 4-канальной системы с равномерным разносом длина участка составляет 360 км, а усилители установлены через 120 км. Разнос каналов, т. е. разность длин волн несущих равна 200 ГГц (или около 1,5 нм). Соответствующая разрабатываемая система использует каналы, разнесенные через 180, 200, 220 ГГц. Тракт волоконно- оптической линии, как это обсуждается, возможно, будет состоять из волокна с постоянной дисперсией по всей его длине или, что также возможно, будут применяться сцепленные и компенсационные волокна.

Данные, представленные на ФИГ. 13, могут быть использованы для определения наименьшего разноса каналов для постоянной ширины полосы. Этот канал просто уменьшен посредством инверсии фактора расширения.

Формула изобретения

1. Система оптической связи со спектральным уплотнением, включающая передающее устройство для генерирования, модуляции и введения группы несущих частот уплотненных каналов в оптическую линию передачи данных, эти несущие частоты имеют длину волны несущей частоты в пределах общей ширины полосы частот, распределенных около длины волны системы, приемное устройство для выполнения функций приема, включающих разуплотнение несущих частот каналов; оптические усилители и передающую волоконно-оптическую линию, включающую по меньшей мере один волоконный участок, ограниченный на одном конце передающим устройством, а на другом конце приемным устройством, в котором этот участок включает в себя по крайней мере один оптический усилитель, причем в системе предусмотрено по меньшей мере 4 канала с длинами волн λ₁, λ₂, λ₃, λ₄, с общей достаточно узкой шириной полосы частот, при которой несущие частоты каналов образуют составляющие четырехволнового смешения (4ВС), которые ограничивают достижимую системой пропускную способность, отличающаяся тем, что разнос по частоте между каналами является неравномерным и имеет величины, обеспечивающие достаточно надежное исключение совпадения длины волны любой составляющей 4ВС с любой длиной волны несущей частоты канала, вследствие чего уменьшается ограничивающее воздействие 4ВС на пропускную способность, при этом дисперсия волокна, составляющего значительную часть участка, имеет значение, измеренное при длине волны системы, по меньшей мере 1,5 пс/нм-км.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что отношение минимального разноса между каналами и минимального разноса любой составляющей 4ВС от любого канала равно по меньшей мере 2.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что отношение равно по меньшей мере 5.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что значение дисперсии лежит в пределах 1,5 - 4 пс/нм-км.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что длина волны системы приблизительно равна 1550 нм.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что в качестве оптического усилителя используют оптический усилитель с эрбиевым легированием.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что общая ширина полосы частот составляет максимум 30 нм.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что общая ширина полосы частот составляет 10-20 нм.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что группа каналов включает в себя по меньшей мере 8 каналов.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что наименьший разнос по частоте между каналами имеет максимальное значение 0,8 нм.

11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что скорость передачи битов по каналу составляет по меньшей мере 2,5 Гбит/с.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что скорость передачи битов по каналу составляет по меньшей мере 5,0 Гбит/с.

13. Система по п.1, отличающаяся тем, что длина участка составляет не менее 360 км и в которой пропускная способность системы составляет по меньшей мере 10 Гбит/с.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что участок включает в себя по меньшей мере два оптических усилителя.

15. Система по п.1, отличающаяся тем, что разнос по частоте между каналами m_iΔf, где i = 1, ..., N - 1, N означает число каналов связи, а Δf означает минимальное значение разноса по частоте между любой составляющей 4ВС и любым каналом, удовлетворяет условию, что величина разноса между двумя каналами, составляющая

должна быть отлична от такой величины разноса любой другой пары каналов, при условии выполнения ограничения, состоящего в том, что все m_i≥n, где n означает целое число больше 1, а nΔf означает минимально разрешенное значение разноса по частоте каналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13