Новые форматы модуляции в оптических системах связи

21www.lightwave-russia.comLIGHTWAVE Russian Edition №4 2005

Зачем нужны новые форматымодуляции?Исследования в области новых форматов

модуляции стимулируются поиском путей

увеличения скорости и снижения стоимости

единицы передаваемой информации.

Экономичность DWDM-систем связи с боль-

шой суммарной скоростью передачи данных

B� в значительной степени зависит от эф-

фективности использования рабочего

спектра для передачи информации, так на-

зываемой спектральной эффективности �

(см. врезку 1). При использовании обычного

NRZ-кодирования (см. ниже) максимальная

практически достижимая � не превышает

0,4 [1], поэтому веская причина для иссле-

дования альтернативных форматов модуля-

ции – увеличение спектральной эффектив-

ности DWDM-систем связи.

Сделать это можно двумя путями: умень-

шить расстояние между каналами или уве-

личить канальную скорость B (см. врезку 1).

Второй путь экономически более перспекти-

вен, так как увеличение B приводит к сни-

жению стоимости единицы передаваемой

информации. По оценкам увеличение ка-

нальной скорости в четыре раза обеспечи-

вает снижение стоимости единицы переда-

ваемой информации примерно в 2,5 раза,

так как при фиксированном значении � уве-

личивает расстояние между каналами,

уменьшает требования к стабильности дли-

ны волны излучения лазеров и спектраль-

ных характеристик мультиплексоров.

Однако наряду с отмеченными преимущест-

вами увеличение скорости передачи инфор-

мации сопровождается ростом искажений

цифровых сигналов в линии связи. В част-

ности, искажения, вызываемые хроматичес-

кой дисперсией, растут пропорционально

квадрату канальной битовой скорости (B2),

искажения из-за воздействия поляризаци-

онной модовой дисперсии (ПМД) в первом

приближении пропорциональны первой сте-

пени канальной битовой скорости (B). Мощ-

ность шумов также пропорциональна бито-

вой скорости. Поэтому по мере увеличения

скорости передачи растет интерес к форма-

там, менее чувствительным к дисперсии и

нелинейным искажениям.

Таким образом, можно определить две

главные задачи, которые предполагается

решить с использованием новых форматов:

во-первых, обеспечить более эффективное

использование спектральных каналов в сис-

темах плотного волнового мультиплексиро-

вания (DWDM) и, во-вторых, снизить

чувствительность информационных сигна-

лов к искажениям из-за дисперсии или не-

линейности (см. врезку 2) [1–8].

Классификация форматов модуляцииКлассифицируя форматы модуляции, следу-

ет разделить их, прежде всего, по парамет-

ру электромагнитной волны, используемому

для модуляции. Практическое применение

нашли форматы, в которых для кодирования

информации применяется амплитудная мо-

дуляция (ASK, Amplitude Shift Keying), и фор-

маты, использующие для этой цели фазо-

вую модуляцию (PSK, Phase Shift Keying).

При этом следует иметь в виду, что ряд

форматов, использующих амплитудную мо-

дуляцию, содержит некоторую фазовую мо-

дуляцию, которая не несет никакой инфор-

мации. Аналогично оптические сигналы в

форматах, применяющих фазовую модуля-

цию, обладают также и амплитудной моду-

ляцией, не несущей самостоятельной ин-

формации. В то же время разработаны но-

вые1 многоуровневые форматы, в которых

информация кодируется как амплитудой (ин-

тенсивностью), так и фазой световой волны.

Модуляция, используемая в форматах тако-

го типа, иногда называется квадратурной

модуляцией, а для обозначения самих фор-

матов используется аббревиатура ASK-PSK.

Совсем недавно начаты исследования форма-

тов, в которых информация кодируется моду-

ляцией частоты (FSK, Frequency Shift Keying).

Среди амплитудных форматов наиболее из-

вестными являются бинарные форматы,

имеющие два информационных значения

мощности, соответствующих включенному и

выключенному состоянию передатчика. По-

этому такие форматы часто обозначают аб-

бревиатурой OOK (On/Off Keying).

Следует иметь в виду, что в оптических сис-

темах связи все фазовые форматы модуля-

ции используют дифференциальные фазо-

вые методы, так как в оптическом диапазоне

практически нецелесообразно выделять аб-

солютное значение фазы несущей световой

волны принимаемого сигнала. Поэтому ин-

формация закладывается в относительный

сдвиг фазы несущих двух последовательных

импульсов. Этот фазовый сдвиг должен быть

WDM и оптические сети связи

М. А. ВЕЛИЧКО, О. Е. НАНИЙ, А. А. СУСЬЯН,

физический факультет МГУ, кафедра оптики и спектроскопии

НОВЫЕ ФОРМАТЫ МОДУЛЯЦИИВ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ

1 Новые для оптических систем связи. Аналогич-

ные многоуровневые форматы модуляции хорошо

известны и широко применяются в системах ра-

диосвязи, кабельного телевидения и др.

22 www.lightwave-russia.comLIGHTWAVE Russian Edition №4 2005


преобразован в амп-

литудную модуляцию

с использованием оп-

тических линий заде-

ржки и интерферен-

ции. Поэтому пра-

вильное обозначение

для этих форматов –

DPSK (Differential

Phase Shift Keying).

Однако первая буква

в аббревиатуре DPSK

иногда опускается.

С теоретической точ-

ки зрения волоконно-

оптические системы

можно рассматривать

как классические поло-

совые системы, к кото-

рым применима хорошо

разработанная для

классической радиосвя-

зи теория модуляции.

Спектральнаяэффективность

Спектральная эффективность – это числен-

ная мера эффективности использования ра-

бочего спектра DWDM-систем связи для пе-

редачи информации. Она определяется как

отношение скорости передачи в канале B к

расстоянию между DWDM-каналами ��:

� = B / ��.

При фиксированной ширине рабочего спект-

рального диапазона ��, используемого для

передачи сигналов, максимальная суммар-

ная скорость B�, которая равна произведе-

нию канальной скорости B на число каналов

N, определяется произведением � на ��:

B� = ��.

Следовательно, для увеличения B� нужно

повышать спектральную эффективность.

Это можно сделать двумя путями: умень-

шить расстояние между каналами �� (см.

рис. 2Б) или увеличить канальную скорость

B (см. рис. 2В).

B� можно также увеличить путем расширения

спектрального интервала ��, т.е. добавления

новых каналов на новых частотах (см. рис. 2Г),

но это не всегда возможно, так как спектраль-

ная полоса DWDM систем связи может быть

ограничена типом используемых усилителей

или другими причинами.

А)

Канальная скорость B, Спектральная эффективность �, Число каналов N

BБ = B, NБ > N, ��Б < ��, �Б > �, ��Б = ��

��

��

Б)

В)

BВ > B, NВ = N, ��В = ��, �В > �, ��В = ��

BГ = B, NГ > N, ��Г = ��, �Г = �, ��Г > ��

Рис. 2. Пути увеличения суммарной скорости передачи информации по волокну

Г)

Лазер с прямой

модуляцией

Pt

T 2T 4T 6T5T 8T0

Излучение лазера

It

T 2T 4T3T 6T5T 7T 8T0

Накачка

Лазер c внешней

модуляцией

T 2T 4T3T 6T5T 7T 8T0

T 2T 4T3T 6T5T 7T 8T0

Модулированное

T 2T 4T3T 6T5T 7T 8T0

Модулятор

It

Накачка

Pt

Излучение лазера

Pt

излучение лазера

Рис. 1. Модулированное излучение лазера с

прямой (а) и внешней

модуляцией (б).

Информационная последовательность m(k):

00100110. T = 1/B

а) б)

Исходная схема

Расширение спектрального диапазона

Увеличение

скорости передачи

информации

по каждому каналу

Увеличение

плотности

расположения

каналов


Отличия между оптическими и радиомикро-

волновыми системами лежат в диапазоне

несущих частот (~200 ТГц против нескольких

МГц или ГГц) и в свойствах компонентов,

способных генерировать или модулировать

сигналы в этих диапазонах, а также в свой-

ствах среды распространения – оптического

волокна в случае оптических систем связи.

Амплитудная модуляцияПри амплитудной модуляции в системах опти-

ческой связи осуществляется изменение мощ-

ности оптического излучения передатчика. Ис-

торически бинарный амплитудный формат

был первым форматом, используемым в опти-

ческой связи, так как его можно

получить путем прямой модуля-

ции током накачки. Благодаря

простоте и экономичности тех-

нической реализации бинарный

ASK является самым распрост-

раненным форматом и в насто-

ящее время. Прямая модуляция

возможна в передатчиках как

на основе светоизлучающих ди-

одов, так и на основе полупровод-

никовых лазеров любого типа.

В передатчиках с прямой модуляцией

(рис. 1а) в соответствии с информационной

последовательностью m(k) модулируется ток

накачки. Под действием модулированного

тока накачки модулируется выходная мощ-

ность светового излучения лазера. Такой

способ реализации амплитудного формата

является доминирующим в относительно

низкоскоростных системах передачи (менее

2,5 Гбит/с), особенно в городских сетях и се-

тях доступа. Недостатком передатчиков с

прямой модуляцией является наличие пара-

зитной частотной и амплитудной модуляции,

связанных с переходными процессами в по-

лупроводниковых лазерах. Паразитная час-

тотная модуляция (чирп, от англ. chirp) при-

водит к увеличению искажений, связанных с

хроматической дисперсией. Эффективным

методом уменьшения паразитных эффектов

является использование структурированных

импульсов накачки [2], а также волокна с от-

рицательной дисперсией и полупроводнико-

вых лазеров специальной конструкции.

Современные передатчики с прямой моду-

ляцией обеспечивают максимальную ско-

рость передачи 10 Гбит/с. Однако по даль-

ности передачи информации и спектраль-

ной эффективности системы связи с такими

передатчиками далеки от оптимальных.

Существенно увеличить технические пара-


Потребностьв новых форматах

модуляцииПрименение новых форматов модуляции

особенно целесообразно, когда

•• все другие способы повышения

суммарной скорости передачи информации

B� в линии связи исчерпали себя или

оказались неэкономичными (см. врезку 1);

•• необходимо увеличить дальность

передачи или канальную скорость (см. рис. 3)

за счет снижения чувствительности

к искажениям из-за дисперсии или

нелинейности.

А)

Канальная скорость B, Спектральная эффективность �

BБ > B,

�Б > �

Б)

В)BВ > BБ > B,

�В > �Б > �

Схема формированияАй-диаграмма

ОптическийспектрФазаМощность

NRZ

1

0,5

0

�

�/2

0

–�/2

–3B 3B–B B

20

0

–20

B Гбит/сT = 1/B

B = 1/T

Рис. 4. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Ай�диаграмма и схема

формирования NRZ�сигнала

Увеличение скорости передачи информации по каждому каналу без использования но�

вых спектрально�эффективных форматов. При этом уменьшение времени следования

импульсов приводит к уширению спектральных интервалов, занимаемых каждым кана�

лом. Максимальная канальная скорость BБ ограничена ростом перекрестных помех со�

седних каналов из�за перекрытия их спектров

Увеличение скорости передачи информации по каждому каналу с использованием

новых спектрально�эффективных форматов. Перекрестные помехи не возрастают, так

как спектральные интервалы, занимаемые каждым каналом, не увеличиваются

Рис. 3. Увеличение канальной скорости

передачи за счет применения

спектрально эффективных форматов

модуляции

Исходная схема



метры системы связи позволяет использо-

вание передатчиков на основе полупровод-

никовых лазеров с непрерывной накачкой и

внешней модуляцией. Оптическая схема та-

кого передатчика показана на рис. 1б.

NRZ�, RZ� и улучшенный RZ�форматыНаиболее популярным среди амплитудных

форматов остается формат без возвраще-

ния к нулю (NRZ, Non Return to Zero, рис. 4).

В этом формате сигнал, соответствующий

логической единице, формируется оптичес-

ким импульсом, длительность которого �

равна периоду следования символов � = T =

1/B (где B – скорость передачи). Нулю соот-

ветствует отсутствие оптического сигнала

или сигнал меньшего уровня.

В формате с «возвращением к нулю» (RZ,

Return to Zero, рис. 5) любой символ «1»

представляет собой импульс, длительность

которого T может варьироваться, но всегда

� < T (например, � = T/2 ).

Чтобы его сформировать,

обычно из импульса NRZ с

помощью модулятора Маха –

Цандера вырезается некото-

рая его часть.

В 10 Гбит/с сетях формат RZ

получил широкое распрост-

ранение из-за его более вы-

сокой устойчивости к нели-

нейности волокна. Эту осо-

бенность можно объяснить

тем фактом, что, когда импульс изолирован

(в отличие от NRZ), каждый «1» символ не

зависит от своих соседей. В NRZ, последова-

тельности «1» порождают непрерывные па-

кеты световых сигналов, нестабильных при

нелинейном распространении в периферии.

Помимо «стойкости» к нелинейным искаже-

ниям при распространении, у сигналов RZ

есть дополнительное преимущество – они

более устойчивы к ПМД, чем NRZ-сигналы.

CRZ�, CSRZ� и APRZ�форматыЧирпированный (содер-

жащий частотную мо-

дуляцию) RZ (CRZ,

Chirped RZ, рис. 6) яв-

ляется одним из самых

успешных форматов.

Он формируется при

прохождении RZ-сигна-

ла через фазовый мо-

дулятор, на который по-

дается периодический

сигнал на частоте сле-

дования информацион-

ных сигналов B [8].

У сигнала в формате

CRZ спектр шире, чем у

RZ-сигнала, что ограни-

чивает максимально

достижимую спектраль-

ную эффективность и,

таким образом, пропу-

скную способность. Од-

нако этот формат полу-

чил широкое распрост-

ранение в 10 Гбит/с под-

водных системах, пото-

му что он значительно

более устойчив к нели-

нейным эффектам. CRZ

особенно хорошо проти-

востоит внутрисимволь-

ным нелинейным иска-



CRZ

1

0,5

0–3B 3B–B B

20

0

–20

B Гбит/с

B Гц B Гц


формирования СRZ�сигнала



CSRZ

1

0,5

0

�

�/2

0

–�/2

–3B 3B–B B

20

0

–20

B Гбит/с B/2 Гц

B/2 Гц


формирования CSRZ�сигнала



–3B 3B–B B

20

0

–20

1

0,5

0

�

�/2

0

–�/2

B Гбит/с

B Гц B/2 Гц

APRZ


формирования APRZ�сигнала

–3B 3B–B B

20

0

–20

�

�/2

0

–�/2

RZ

1

0,5

0

B Гбит/с

B Гц




формирования RZ�сигнала


жениям (т.е. искажениям, влияющим на фор-

му отдельного изолированного импульса).

Позже было установлено, что в 40 Гбит/с

системах преобладают межсимвольные не-

линейные эффекты (также относящиеся к

внутриканальным эффектам, включая кросс-

фазовую модуляцию и четырехволновое сме-

шение [8]). Это открытие побудило к деталь-

ному изучению ряда других форматов моду-

ляции, которые, как ожидается, улучшат ха-

рактеристики 40 Гбит/с систем передачи.

Формат RZ с подавленной несущей (CSRZ,

Carrier Suppressed RZ, рис. 7) первоначально

использовался в континен-

тальных линиях связи со

скоростью 40 Гбит/с по одно-

му каналу [8].

В этом формате дополни-

тельный сдвиг фазы на �

разделяет последователь-

ные битовые такты путем до-

полнительной фазовой моду-

ляции на частоте, равной по-

ловине частоты следования

импульсов. Однако формат

CSRZ не очень эффективен

против внутриканальных не-

линейных эффектов.

Применяя дополнительный

сдвиг фазы на �/2 к после-

довательным битовым тактам

вместо �, чтобы получить так

называемый «RZ с дополнительным сдви-

гом фазы на �/2» (�/2 APRZ, Alternate

Phase RZ, рис. 8) формат, можно добить-

ся более существенного снижения внут-

риканальных искажений [8].

VSB�фильтрованиеВ ряде форматов, используемых в WDM-

системах, применяется усечение опти-

ческого спектра канала путем очень уз-

кополосной фильтрации. Использование

фильтров дает возможность получить

сигналы с одной боковой полосой (SSB,

Single SideBand) или частично подавленной


Рис. 10. Временные зависимости мощности и фазы, оптические спектры, Ай�диаграммы и

схемы формирования NRZ� и RZ�сигналов с частичным подавлением боковой полосы (VSB)

Тенденции развития современных оптических систем свя-

зи иллюстрирует рис. 9. Нижний эллипс отображает состо-

яние коммерческих оптических сетей (маленький яркий

круг – наиболее продвинутые сети). Верхний эллипс

представляет собой системы передачи данных для науч-

ных целей. Развитие будущих телекоммуникационных

систем будет происходить по пути увеличения суммарной

скорости передачи преимущественно за счет повышения

спектральной эффективности �. В свою очередь ширина

полосы линии (рабочий спектральный диапазон) не будет

существенно увеличиваться. Она, скорее всего, остано-

вится на величине порядка 20 ТГц и составит, таким обра-

зом, 10% от несущей частоты (такой предел характерен,

например, для радиофизических систем передачи). В этой

эволюции оптических телекоммуникационных систем но-

вые спектрально-эффективные форматы модуляции

должны сыграть важнейшую роль.

Сум

ма

рна

я с

ко

ро

сть

пер

ед

ачи

(Т

би

т/с)

Ширина полосы линии (ТГц)

0

0

10 20

14

10

6

2Максимальная скоростьпромышленных систем

Эволюция будущих систем:многоуровневые форматы

Спектральнаяэффективность

[(Гбит/С)/Гц]

0,2

0,4

0,81,22,05,0

Рис. 9. Тенденции развитиясовременных оптических систем связи

Количество уровней (M)Спектральная ширина

сигнала

2 2 B4 B8 2/3 B

16 1/2 B32 2/5 B64 1/3 B

Таблица 1

Ширина полосы пропускания M-ary ASK



1

0,5

0

�

�/2

0

–�/2

–3B 3B–B B

20

0

–20

Декодер

B Гбит/с

VSBNRZ



B Гбит/с

B Гц

Декодер

–3B 3B–B B

20

0

–20

�

�/2

0

–�/2

VSBRZ

1

0,5

0

Тенденции развитиясовременных оптических систем связи



боковой полосой (VSB, Vestigial SideBand,

рис. 10). Спектральная эффективность

SSB- и VSB-форматов повышается за счет

устранения избыточной информации, прису-

щей NRZ и RZ-форматам.

Сигнал с частично подавленной боковой по-

лосой, полученный узким оптическим

фильтрованием вне

центра спектра, оказал-

ся эффективным для

WDM-систем [8]. Однако

максимально достижи-

мое расстояние переда-

чи ограничивается тем

фактом, что подавлен-

ная часть спектра кана-

ла имеет тенденцию вос-

станавливаться из-за не-

линейностей, особенно

в 10 Гбит/с системах.

Это предполагает ис-

пользовать VSB-фильт-

рование только на сто-

роне приемника.

Многоуровневоеамплитудное кодиро�вание (M�ary ASK,рис. 12)В этом формате N бит

сигнала преобразуются в

многоуровневый сигнал (символ) с чис-

лом уровней M, отличающихся амплиту-

дой, причем M = 2N, а полный сигнал сос-

тоит из этих символов и преобразуется в

слово, записанное бинарным кодом. Каж-

дый символ несет в себе N = log2M бит

информации.

Таким образом, вместо

передачи оптических

сигналов единичной

амплитуды с периодом T= 1/B (что характерно

для бинарных форматов)

можно передавать сиг-

налы, принимающие M

значений, с интервалом

TN = N/B = (log2M)/B,

сохраняя скорость пере-

дачи информации [1].

Так как длительность

импульса увеличилась от

T = 1/B до TN = N/B,

спектр (точнее, расстоя-

ние между первыми ну-

лями в спектре) переда-

ваемого (прямоугольно-

го) импульса уменьшил-

ся от 2B до 2B/N =

2B/log2M. В таблице 1

проиллюстрированы эти

изменения. Случай M = 2

соответствует бинарному

NRZ-формату, ширина

полосы которого составляет 2B.

Формирование многоуровневых сигналов

осуществляется при помощи линейных

схем, содержащих аттенюаторы и смеси-

тели. Для примера на рис. 11 показана

сравнительно простая реализация схемы

формирования 4-ary системы.

311

201

110

000

ZBA

Бинарный сигнал A

Аттенюатор 3 дБ

Смеситель

сигналов

Бинарный сигнал B

Многоуровневый сигнал Z

Рис. 11. Схема формирования 4�ary сигнала



B Гбит/с

B Гбит/с

–3B 3B–B/2 B/2

20

0

–20

�

�/2

0

–�/21

0

2

3

f f

f

4-ary

Рис.12. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Ай�диаграмма и схема

формирования 4�ary сигнала

КодерB Гбит/с



DPSK()

1

0,5

0

�

�/2

0

–�/2

–3B 3B–B B

20

0

–20

Рис.13. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Ай�диаграмма и схема

формирования двоичного DPSK�сигнала с помощью модулятора фазы



Кодер

Кодер

B Гбит/с

B Гбит/с–3B 3B–B B

20

0

–20

�

�/2

0

–�/2

1

0,5

0

DPSK (MZ)


формирования двоичного DPSK�сигнала с помощью модулятора Маха – Цандера


Четырехуровневый сигнал позволит в 2

раза увеличить спектральную эффектив-

ность �, при этом либо увеличить в 2 раза

скорость передачи, сохранив неизменной

ширину спектра сигнала, либо уменьшить

в 2 раза этот спектр, сохранив скорость

передачи. В первом случае в DWDM-систе-

ме можно сохранить число каналов, увели-

чив скорость передачи по каждому из них,

во втором случае, сохранив B неизменной,

можно увеличить число каналов и даль-

ность передачи без использования ком-

пенсации хроматической дисперсии.

Уменьшение ширины спектра сигнала поз-

воляет уменьшить мощность шумов, но из

этого не обязательно следует увеличение

дальности передачи, так как разность зна-

чений мощности между сигналами с близ-

кими значениями символов уменьшается

(появляются дополнительные возможности

закрывания «зрачков» Ай-диаграммы).

Преимущества многоуровневых форматов

наиболее заметны в локальных системах

связи (LAN) на основе многомодового во-

локна, где ограничения скорости и дальнос-

ти передачи определяются межмодовой

дисперсией.

Фазовая модуляцияDPSK�форматыВо втором классе форматов модулируемым

параметром является фаза. Поскольку мо-

дуляция абсолютного значения фазы в оп-

тических системах оказалась затруднитель-

ной, практический интерес представляют

форматы на основе дифференциальной фа-

зовой модуляции (DPSK). В отличие от рас-

смотренных выше форматов, в DPSK ин-

формация содержится в разности фаз меж-

ду двумя последовательными импульсами,

при этом мощность излучения информации

не несет. Схема

формирования сиг-

нала при помощи

фазового модулято-

ра приведена на

рис. 13. Предпочти-

тельнее, однако,

схема, использую-

щая модулятор Ма-

ха – Цандера

(рис.14), настроен-

ный таким обра-

зом, что уровни ин-

тенсивности симво-

лов «1» и «0»

идентичны.

Поскольку инфор-

мация содержится в

изменении фазы от

символа к символу

(см. таблицу 3),

то сигнал, управля-

ющий фазовым мо-

дулятором, необхо-

димо сначала пре-

образовать, исполь-

зуя процедуру, называемую дифференци-

альным кодированием. Дифференциальное

кодирование начинается с произвольного

выбора первого бита кодовой последова-

тельности c (k = 0). На втором этапе после-

довательность c (k) может кодироваться од-

ним из двух способов:




Кодер

Кодер

B Гбит/с

B Гбит/с

B Гц

RZ-DPSK

1

0,5

0

�

�/2

0

–�/2

–3B 3B–B B

20

0

–20


формирования RZ�DPSK�сигнала



Кодер

Кодер

B Гбит/с

B Гбит/с

B/2 Гц

B/2 Гц

–3B 3B–B B

20

–20

�

�/2

0

–�/2

CSRZ-DPSK

1

0,5

0

0


формирования CSRZ�DPSK�сигнала

ak bk ck = ak � bk

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Таблица 2

Результат сложения по модулю 2

1 1 символ

0 0 0

0 � 1

� 0 1

� � 0

Таблица 3

Соответствие значений фаз () двух

последовательных импульсов

передаваемому символу

Параметр дискретизации, k 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Информационный сигнал, m(k) 1 1 1 0 0 1 0 0

Сигнал в дифференциальной кодировке, c(k) 1 1 1 1 0 1 0 0 1

Соответствующий сдвиг фаз, (k) � � � � 0 � 0 0 �

Таблица 4

Дифференциальное кодирование DPSK-сигнала



c (k) = c (k – 1) � m(k)

или

c (k) = c (k – 1) � m(k),

где «�» – это сложение по модулю 2 (см.

таблицу 2), а черта над выражением означа-

ет его дополнение. В таблице 4, например,

c(0) = 1, а кодирование выполнено вторым

способом. Это значит, что текущий бит кода

c(k) равен 1, если бит сообщения m(k) совпа-

дает с предыдущим битом кода c(k–1), в про-

тивном случае c(k) = 0. На третьем этапе ко-

дирования последовательность c(k) преобра-

зуется в последовательность сдвигов фаз

(k), где единица представляется сдвигом

фаз на �, а ноль – нулевым сдвигом фазы.

На детекторе определяется корреляция при-

нятого сигнала с опорным, который предс-

тавляет собой запаздывающую на один бит

версию принятого сигнала. (Эту корреляцию

может выполнять, например, пассивный во-

локонный интерферометр Маха – Цандера,

у которого одно плечо длиннее другого на

один бит.) Таким образом, в течение каждо-

го интервала времени T фаза принятого

символа сравнивается с фазой предыдуще-

го. Если они совпадают, то детектируется

логическая «1», а если разность фаз равна

� – логический «0» (см. таблицу 3).

Применение двух

работающих па-

раллельно фото-

диодов в качестве

приемников позво-

ляет уменьшить

вероятность появ-

ления ошибки и

тем самым повы-

сит чувствитель-

ность на ~3 дБ.

В большинстве

экспериментов ис-

пользуется DPSK-

модулятор в комбинации с формирователем

RZ- или CSRZ-импульсов, т.е. RZDPSK- и

CSRZDPSK-форматы (рис. 15, 16 соотв.).

Формирование импульса может быть выпол-

нено с помощью MZ-модулятора, который уп-

равляется периодическим сигналом на часто-

те B (как в RZ-схеме, см. рис. 15), или на час-

тоте B/2 (как в CSRZ-схеме, см. рис. 16). В

RZDPSK- и CSRZDPSK-форматах амплитуд-

ная модуляция является дополнительной и не

несет никакой информации. Фаза сигнала

при модуляции RZDPSK не отличается от со-

ответствующей фазы при DPSK-кодирова-

нии. При модуляции CSRZDPSK, как и при

обычном CSRZ-кодировании, фаза в начале

каждого такта скачкообразно изменяется на

�. Получается, что фаза любого CSRZDPSK-

сигнала дополняет фазу аналогичного RZ

DPSK (или DPSK) сигнала до �.

Экспериментальные исследования показа-

ли, что при скорости передачи 40 Гбит/с

DPSK-сигналы удавалось передать на боль-

шие расстояния с меньшими потерями, чем

сигналы в других форматах. Однако в этом

случае необходимы дорогие терминалы. По-

этому до сих пор не ясно, будут ли системы

связи с DPSK-форматами экономичнее сис-

тем, использующих ASK-форматы. Чтобы

получить утвердительный ответ на этот воп-

рос, необходимо дальнейшее исследование

и улучшение DPSK-формата.

Двойной фазомодулированныйбинарный форматДвойная бинарная передача (DBT –

DuoBinary Transmission) – передача сигналов

с использованием трехуровневой схемы ко-

дирования. Одна из ее разновидностей –

двойная фазомодулированная передача

(PSBT – Phase Shaped Binary Transmission,

рис. 17, 18) – особенно интересна для

DWDM-систем. Формат PSBT был разрабо-

тан с целью уменьшения ширины спектра

сигнала (сравн. спектр сигна-

ла на рис. 18 и, например, на

рис. 4). В нем используется

схема кодирования с уровня-

ми «0» и «–1», «1», отличаю-

щимися сдвигом фазы на �.

Формат в 3 раза более устой-

чив к хроматической диспер-

сии, чем NRZ или чистый

двойной бинарный. Сдвиг фа-

зы на � в PSBT также помо-

гает снижать вредное воздей-

ствие внутриканальных нели-

нейных эффектов на скорости 40 Гбит/с. Ис-

пользование этого формата обеспечивает

улучшение чувствительности фотоприемни-

ка и одновременно не ведет к снижению

разности уровней детектируемых сигналов.

Кроме того, для детектирования PSBT-фор-

мата используются стандартные бинарные

фотоприемники. Более подробно о форма-

тах DBT и PSBT можно прочитать в [12].

Смешанные амплитудно�фазовыеформатыПрименение популярных ASK-форматов при

постоянном росте количества передаваемой

информации препятствует дальнейшему

увеличению пропускной способности линий

передачи, потому что частота модуляции

электрического сигнала ограничена величи-

ной 40 Гбит/c. Кроме того, высокоскорост-

ная бинарная модуляция характеризуется

низкой спектральной эффективностью и

меньшей устойчивостью к дисперсии.

В какой-то степени эти проблемы решает

многоуровневое кодирование сигналов, нап-

ример, четырехуровневые форматы ASK и

PSK (или QPSK – Quaternary Phase Shift

Keying). Однако реализация четырехуровне-

вой схемы очень сложна. Увеличение числа

уровней значений приводит к тому, что он



PSBT

1

0,5

0

�

�/2

0

–�/2

–3B 3B–B B

20

0

–20

ДекодерB Гбит/с

ДекодерB Гбит/с

Рис. 18. Временные зависимости мощности и фазы, оптические спектры,

Ай�диаграммы и схемы формирования PSBT�сигнала

sin(�)

cos(�)

|E| = 1

E – амплитуда напряженности электрического поля� – фаза напряженности электрического поля

�

sin(�)

cos(�)

|E| =

�

Рис. 17. Амплитудно�фазовая диаграмма («constellation» –

созвездие) 3�символьных сигналов DBT (а) и PSBT (б)

а) б)


хуже распознается приемником из-за плохо-

го раскрытия eye-диаграммы.

Наиболее действенным способом увеличе-

ния спектральной эффективности � являет-

ся использование многоуровневой ампли-

тудно-фазовой модуляции, при которой ин-

формация кодируется как амплитудой, так и

фазой сигнала. Иногда для обозначения

амплитудно-фазовой модуляции использу-

ется термин «квадратурная модуляция».

ASK�QPSKВ работе [7] предложен новый 8-символь-

ный смешанный формат ASK-QPSK. Пред-

ложенный формат является сочетанием би-

нарного амплитудного ASK и 4-символьного

фазового QPSK-форматов.

На рис.19 показаны 8 уровней сигнала

(A~D, a~d) предложенной схемы кодирова-

ния ASK-QPSK. Один символ содержит

3 бита информации, и скорость передачи

бита получается в 3 раза выше скорости пе-

редачи закодированного символа. Сигнал

имеет 2 уровня амплитуды (E1, E2) и 4 уров-

ня фазы (0, �/2, �, 3�/2).

Устройство передатчика показано на рис. 20.

Не вносящий линейной частотной модуля-

ции (чирпа) двухтактный модулятор Маха –

Цандера модулирует фазу непрерывной

световой волны, выходящей из лазерного

диода, заставляя ее принимать значения 0

или �. Оптический фазовый модулятор до-

бавляет сдвиг фаз 0 или �/2. Таким обра-

зом, получается четырехуровневое фазовое

кодирование. Следующим этапом добавля-

ется NRZ или RZ амплитудное модулирова-

ние. Двухтактный модулятор Маха – Цанде-

ра, не вносящий чирпа, нужен для NRZ-

ASK-кодирования, аналогичный прибор

превращает NRZ- в RZ-формат.

На границах бита RZ-ASK-QPSK мощность

падает до нулевого значения, и поэтому

этот формат более устойчив к хроматичес-

кой дисперсии, чем NRZ-ASK-QPSK, что

подтверждается результатами проведенных

экспериментальных исследований. Устойчи-

вость к хроматической дисперсии 30 Гбит/c

RZ-ASK-QPSK сравним с 10 Гбит/c RZ-ASK.

Частотная модуляцияФорматы, в которых параметром модуляции

является частота световой волны, называ-

ются частотными форматами модуляции

или FSK-форматами. Такой подход, когда

используется прямая модуляция лазера с

распределенной обратной связью (DFB –

Distributed FeedBack), считается потенциаль-

но дешевым. При использовании диффе-

ренциального детектирования FSK (как и

DPSK) обладает лучшими свойствами в

плане увеличения отношения сигнал/шум по

сравнению с NRZ. Кроме того, у FSK самая

низкая восприимчивость к нелинейностям

волокна по сравнению с DPSK-, NRZ- и RZ-

форматами модуляции.

Однако в настоящее время FSK-форматы в

коммерческих сетях не используются. Это

объясняется отсутствием быстрых перест-

раиваемых и относительно недорогих лазе-

ров для промышленных сетей связи.

Еще один формат, в котором для кодирования

используется частота (длина волны), был наз-

ван авторами «символьной модуляцией» [13].

Он теоретически обладает некоторыми техни-

ческими преимуществами в системах дальней

связи, но из-за сложности реализации нет дан-

ных о его экспериментальных исследованиях

ЗаключениеНесмотря на рост количества передавае-

мой по волокну информации, основным

форматом модуляции остается бинарное

амплитудное кодирование (ASK). Попу-

лярность ASK-форматов не падает благо-

даря простоте их реализации и малой

стоимости приемопередающей аппарату-

ры. Но использование амплитудной моду-

ляции препятствует повышению спект-

ральной эффективности �, а для будущих

сетей связи увеличение � станет един-

ственным способом повысить суммарную

скорость передачи. Поэтому внедрение

новых спектрально-эффективных форма-

тов модуляции, по-видимому, начнется в

ближайшее время по мере увеличения

количества передаваемой информации.

В настоящее время активно разрабатывают-

ся фазовые форматы модуляции, но из-за

сложности и высокой стоимости передающих

и принимающих устройств они фактически

не используются в коммерческих линиях свя-

зи. Частотные форматы находятся в самом

начале исследований. Они обладают некото-

рыми преимуществами по сравнению с NRZ-,

RZ- и DPSK-форматами, обещают быть бо-

лее дешевыми, но требуют значительного

улучшения перестраиваемых лазеров-пере-

датчиков. Теоретические оценки показали

перспективность применения двойного фазо-

модулированного формата в DWDM-сетях

из-за малой ширины спектра сигнала.

Большинство свойств новых форматов полу-

чено экспериментально или в результате чис-

ленного моделирования. Часто модели не учи-

тывают влияния некоторых нелинейных эф-

фектов на распространяющийся сигнал, а экс-

периментальные данные не могут объяснить

некоторые явления. Поэтому необходимы


C c

D

da A

B

b

sin(�)

cos(�)

�

|E1| = 1

E1, E2 – амплитуды напряженностей

электрического поля

|E2| = 1

� – фаза напряженности

электрического поля

Рис. 19. Амплитудно�фазовая

диаграмма 8�символьного сигнала

ASK�QPSK

LD

LD – лазерный диод

Данные 1

Инвертированныеданные 1

Данные 3


Данные 4


Данные 2

PSK (0, �) ASK RZPSK (0, ��2)

Рис. 20. Устройство передатчика ASK�QPSK. Без блока, помещенного в скобках,

реализуется формат NRZ�QPSK, с этим блоком – RZ�QPSK



дальнейшие исследования влияния нелиней-

ных эффектов, различных видов дисперсии и

шумов на качество работы систем связи, ис-

пользующих различные форматы модуляции.

СокращенияAPRZ (Alternate Phase RZ) – RZ-формат c

дополнительным сдвигом на �/2 между со-

седними битами.

ASK (Amplitude Shift Keying) – формат, ис-

пользующий для кодирования информации

амплитудную модуляцию.

CRZ (Chirped RZ) – RZ-формат c дополни-

тельной периодической фазовой модуляци-

ей, не несущей информации; чирпирован-

ный RZ.

CSRZ (Carrier Suppressed RZ) – RZ-формат

c дополнительным сдвигом на � между со-

седними битами; чирпированный RZ.

DFB (Distributed FeedBack) – распределенная

обратная связь.

DPSK (Differential Phase Shift Keying) – формат

модуляции, в котором информация закодиро-

вана в разности фаз соседних импульсов.

DWDM (Dense Wavelength Division

Multiplexing) – плотное волновое (частотное)

мультиплексирование.

FSK (Frequency Shift Keying) – формат, ис-

пользующий для кодирования информации

частотную модуляцию.

LAN (Local Area Network) – локальная сеть

связи.

NRZ (No Return to Zero) – формат модуля-

ции без возвращения к нулю.

OOK (On/Off Keying) – бинарный формат

модуляции с двумя значениями амплитуды

сигнала, соответствующими включенному и

выключенному состоянию передатчика, то

же, что бинарный ASK.

PSBT (Phase Shaped Binary Transmission) –

двойная фазомодулированная бинарная

передача.

PSK (Phase Shift Keying) – формат, исполь-

зующий для кодирования информации фа-

зовую модуляцию.

QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) – фор-

мат модуляции, символы в котором могут

иметь четыре различных значения фазы.

RZ (Return to Zero) – формат модуляции с

возвращением к нулю.

SSB (Single SideBand) – формат, в котором

сигнал после амплитудной модуляции под-

вергается дополнительной частотной фильт-

рации с целью подавления одной из боко-

вых полос в его спектре.

VSB (Vestigial SideBand) – формат, в кото-

ром сигнал после амплитудной модуляции

подвергается дополнительной частотной

фильтрации с целью частичного подавления

одной из боковых полос в его спектре.

WDM (Dense Wavelength Division

Multiplexing) – мультиплексирование (уплот-

нение) с разделением по длинам волн.

ПМД – поляризационная модовая дисперсия.

Литература1. Conradi Jan. Bandwidth�Efficient Modulation

Formats for Digital Fiber Transmission

Systems. Optical Fiber Telecommunications,

2002, vol. IV B, p. 862.

2. Белов К.Н., Наний О.Е. Уменьшение

ширины спектра излучения лазеров с

прямой модуляцией // Lightwave Russian

Edition, 2003, № 1, с. 9.

3. Развитие технологий оптической связи и

волокон (Технический семинар компании

Corning) // Lightwave Russian Edition, 2004,

№ 4, с. 16–17.

4. Winzer P.J. and Essiambre R.J. Advanced

optical modulation formats. ECOC�IOOC 2003

Proceedings, vol. 4, pp. 1002–1003, Rimini, 2003.

5. Ferber S. et al. Comparison of DPSK and

OOK modulation format in a 160 Gb/s transmis�

sion system // ECOC�IOOC 2003 Proceedings,

vol. 4, pp. 1004–1005, Rimini, 2003.

6. Idler W. et al. System Performance and

Tolerances of 43Gb/s ASK and DPSK modula�

tion formats // ECOC�IOOC 2003 Proceedings,

vol. 4, pp. 1006 � 1007, Rimini, 2003.

7. Hayase S. et al. Proposal of 8�State per

Symbol (Binary ASK and QPSK) 30�Gbit/s

Optical Modulation / Demodulation Scheme //

ECOC�IOOC 2003 Proceedings, vol. 4, pp.

1008–1009, Rimini, 2003.

8. Bigo S. et al. What has hybrid phase/intensity

encoding brought to 40 Gbit/s ultra long�haul sys�

tems? // ECOC�IOOC, 2004. Proceedings, Th2.5.

9. Иртегов Д.В. Введение в сетевые

технологии. СПб.: БХВ�Петербург, 2004.

10. Klekamp A. et al. Comparison of FSK by

directly modulated DBF laser with DPSK, NRZ

and RZ modulation formats at 10 Gb/s //

ECOC�IOOC, 2004.

11. Golovochenko E.A. et al. Transmission

Properties of Chirped Return�to�Zero Pulses and

Nonlinear Intersymbol Interference in 10 Gb/s WDM

Transmission. OFC'00, paper FC3, Baltimore.

12. Величко М.А., Сусьян А.А. Двойной

фазомодулированный бинарный формат //

Lightwave Russian Edition, 2004, № 4, с. 26–29.

13. Некучаев А., Юсупалиев У. Символьная

передача данных по ВОЛС. Патент –

российский, что дальше? // Электроника

НТБ, 2001, № 6.


И. Е. БЕССАЛОВ, компания «Инфонет Директ»

ОБНАРУЖЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙВ РАБОТЕ КОМПОНЕНТОВDWDM�СИСТЕМ СВЯЗИ

Критерием качества работы цифровой сис-

темы связи является коэффициент ошибок

BER (Bit Error Ratio или Bit Error Rate), т.е.

отношение количества Nош неправильно

распознанных битов к общему числу N пе-

редаваемых битов [1]:

BER = Nош/N.

К появлению ошибок приводят следующие

факторы:

• шумы любой природы,

• искажения сигнала при его распростране-

нии в ВОЛС.

Источниками шумов в DWDM-системах мо-

гут быть лазерные шумы, отражения, уси-

ленное спонтанное излучение (ASE –

Amplified Spontaneous Emission), шумы при-

емников и пр. Существует также большое

количество факторов, искажающих сигнал

при распространении. Это хроматическая и

поляризационная модовая дисперсия

(ПМД), а также различные нелинейные эф-

фекты, в том числе четырехволновое сме-

шение, вынужденное комбинационное (ра-

мановское) рассеяние и др. [2].

Поскольку коэффициент ошибок BER являет-

ся основным параметром, позволяющим оце-

нить качество работы системы связи, он тре-

бует постоянного контроля. К сожалению, ког-

да BER превышает норму, трудно точно опре-

делить процесс, «виновный» в таком всплес-

ке ошибок. Сохранить малые значения BER

становится все сложнее по мере развития

DWDM-систем связи, когда растет число опти-

ческих каналов и канальная скорость, увели-

чивается длина участков волокна между реге-

нераторами, используются компенсаторы дис-

персии и система коррекции ошибок [3].

Качество функционирования DWDM-системы

определяется работой ее оптических компо-

нентов. Деградация или выход из строя того

или иного компонента влечет за собой наб-

людаемые изменения различных параметров

сигнала. Контроль этих параметров дает воз-

можность обнаружить и затем исправить воз-

никшие неполадки в сети. Но главное, своев-

ременное принятие необходимых мер помо-

гает предотвратить крупные неприятности,

вплоть до выхода из строя системы связи.

Наблюдаемое изменение параметров сигна-

ла не всегда дает возможность выявить не-

исправность. Например, сбой в работе зер-

кал микроэлектромеханического (MEMS)

компонента может привести как к снижению

выходной мощности и, как следствие, повы-

шению BER в соответствующем канале, так

и к повышению BER в другом канале (из-за

роста перекрестных помех). Правильная ор-

ганизация тестирования DWDM-системы

позволяет быстро обнаружить и устранить

неисправность, локализовав положение де-

фектного элемента в сетевом узле.

Не так просто осуществлять контроль качест-

ва сигнала в оптической области; для этой

цели он чаще всего преобразуется в элект-


Одним из простейших кодов с обнаруже-

нием ошибок является код, в котором к

данным добавляется один бит четности.

Бит четности выбирается таким образом,

чтобы количество единиц во всем кодо-

вом слове было четным (или нечетным).

Например, при посылке числа 10110101

с добавлением бита четности в конце

оно становится равным 101101011, тогда

как 10110001 преобразуется в

101100010. Любая однократная ошибка в

любом разряде образует кодовое слово

с неверной четностью, поэтому такой код

может использоваться для обнаружения

однократных ошибок.

Потенциально опасные ситуации Возможные последствия

Дрейф длины волны накачкиУменьшение накачки на некоторых длинах волн,

возможная потеря сигнала на некоторых каналах

Нестабильная накачкаНепостоянство усиления, увеличение BER, воз-

можная потеря сигнала на всех каналах

Снижение мощности накачкиСнижение усиления, увеличение BER, возможная

потеря сигнала на конкретных каналах

Увеличение мощности накачкиНелинейные эффекты, увеличение BER и перек-

рестных помех

Снижение усиления во всех

каналах

Возможное увеличение BER, возможная потеря

сигнала во всех каналах

Неравномерное снижение усиле-

ния в конкретных каналах

Возможное увеличение BER, возможная потеря

сигнала в конкретных каналах

Сбои в работе разветвителяПотеря усиления, увеличение BER, возможная по-

теря сигнала во всех каналах

Увеличение шумов усилителя (ASE) Повышение отношения сигнал/шум и BER

Рост нелинейных эффектов

на различных длинах волнУвеличение BER (в рабочем и/или соседних каналах)

Повышение температурыУхудшение параметров волокна, работы развет-

вителя, изолятора

Таблица 1

Потенциальные дефекты в работе волоконного усилителя и их последствия



рическую форму, где можно применять стан-

дартные методы мониторинга, такие, как

построение Ай-диаграмм и измерение BER,

например, с помощью тестовых сигналов

или кодов с обнаружением ошибок (см. врез�

ку). Однако следует помнить, что качество

электрического сигнала не может в точности

соответствовать качеству оптического (из-за

дополнительных искажений, возникающих

при оптоэлектронном преобразовании).

Ниже описаны некоторые оптические

DWDM-компоненты и способы обнаружения

неполадок в их работе.

ФильтрВ DWDM-системах применяются

• фильтры Фабри – Перо,

• фильтры на основе волоконных брэгговс-

ких решеток (FBG – Fiber Bragg Grating),

• чирпированные (частотно-модулирован-

ные) FBG-фильтры (они также способны ком-

пенсировать хроматическую дисперсию),

• перестраиваемые акустооптические

фильтры и пр.

Фильтры входят в состав приемников,

транспондеров, оптических демультиплексо-

ров и мультиплексоров ввода/вывода, изо-

ляторов и др. устройств.

Измеряя следующие параметры, можно

оценить правильность работы фильтра:

• число оптических каналов на входе и выходе,

• центральная длина волны ( i) каждого вы-

ходного канала,

• расстояние между выходными каналами,

• мощность в каждом канале (на i),

• вносимые потери на каждой длине волны i),

• поляризационный сдвиг в каждом опти-

ческом канале,

• поляризационно-зависимые потери (PDL –

Polarization Dependent Loss),

• тонкость фильтрации,

• температура элемента.

Температура, давление и изменение поля

влияют на физические константы фильтра,

а также на многие из вышеперечисленных

параметров, тем самым они могут служить

источниками неполадок в работе этого

элемента. Они также могут привести к

усилению нелинейных эффектов, действие

которых можно обнаружить, например, пу-

тем измерения BER в рабочем и/или в со-

седних каналах.

Перестраиваемые акустооптические фильт-

ры обладают также и другими потенциаль-

ными источниками неполадок, к которым

относится сдвиг частоты управляющего ра-

диочастотного сигнала, приводящий к изме-

нению настройки фильтра, и пр.

Оптический волоконный усилительОптические волоконные усилители (OFA –

Optical Fiber Amplifier) представляют со-

бой волокна, легированные редкозе-

мельными элементами, например, эрби-

ем (EDFA [4]), празеодимом (PDFA –

Praseodymium Doped Fiber Amplifier) и

пр. Принцип работы OFA основан на яв-

лении усиления света при вынужденном

излучении. На функционирование воло-

конных усилителей оказывают воздей-

ствие различные факторы, в том числе

дисперсия и нелинейные эффекты. Ниже

показаны параметры, которые необходи-

мо измерять для поддержания правиль-

ной работы OFA:

• длина волны накачки,

• мощность накачки,

• спектральная ширина (на выходе),

• усиление в каждом частотном канале,

• отношение сигнал/шум,

• температура.

В таблице 1 собраны потенциально опасные

ситуации при тестировании параметров

OFA и то, как они могут отразиться на рабо-

те волоконного усилителя. Способы обнару-

жения наиболее часто встречающихся не-

исправностей в работе волоконного усили-

теля отражены в таблице 2.

Мультиплексор/демультиплексорБлок Mux/Demux (мультиплексор/демуль-

типлексор) служит для объединения раз-

личных оптических каналов в один ин-

формационный поток и, наоборот, разби-

ения этого потока на каналы. Он может

являться составной частью оптических

линейных карт, коммутаторов, мультип-

лексоров ввода/вывода (в том числе

ROADM [5]) и пр.

Для корректной работы Mux/Demux жела-

тельно периодически тестировать

• число оптических каналов,

• расстояние между соседними каналами,

• спектральную ширину каналов,

• поляризацию,

• PDL,

• вносимые потери,

• температуру.

Наиболее часто встречающийся дефект при

функционировании мультиплексора/демуль-

типлексора – это ослабление мощности сиг-

нала на выходе (на некоторых или на всех

длинах волн). В таблице 3 показаны потен-

циальные проблемы в работе этого элемен-

та и их последствия.

Дефект Метод обнаружения

Потеря мощности накачки Измерение мощности накачки

Увеличение шумов

и рост нелинейных эффектов

Измерение BER

Контроль параметров Ай-диаграммы

Снижение усиления Измерение мощности сигнала

Таблица 2

Способы обнаружения дефектов в работе волоконного усилителя


Частотная дискриминацияСмещение частотных границ каналов, перекрест-ные помехи и, как следствие, перекрытие «зрач-ка» Ай-диаграммы, увеличение BER

Уширение спектра каналаСнижение мощности на канал, перекрестные по-мехи, увеличение BER

Сбои в работе разветвителяСнижение мощности вплоть до потери сигнала на

некоторых или всех длинах волн

Вращение поляризацииИзменение мощности сигнала, увеличение вноси-мых потерь

Повышение температурыИзменение параметров устройства, сдвиг фаз,повышение вносимых потерь

Таблица 3

Потенциальные дефекты в работе мультиплексора/демультиплексора

и их последствия


Передатчик на основе лазераТестируемыми параметрами являются:

• выходная мощность,

• длина волны,

• ширина спектра,

• эффективность электрооптического пре-

образования,

• скорость перестройки (для перестраивае-

мых лазеров),

• частотный диапазон (для перестраивае-

мых лазеров),

• поляризация пучка,

• отношение выходной мощности к мощнос-

ти накачки,

• стабильность,

• глубина модуляции (для лазера с прямой

модуляцией или для случая, когда модуля-

тор интегрирован в передатчик),

• частота модуляции (для тех же случаев),


В таблице 4 указаны потенциальные дефек-

ты в работе передатчика.

Приемник на основе PIN�фотодиодаИзмеряемые параметры:

• квантовая эффективность,

• чувствительность,

• выходной ток,

• время отклика,

• быстродействие,


Потенциально опасные ситуации при функци-

онировании приемника собраны в таблице 5.

Оптическое волокноТестируемые параметры:

• длина,

• затухание,

• межмодовая дисперсия,

• хроматическая дисперсия,

• поляризационная модовая дисперсия,

• длина волны нулевой дисперсии,

• давление,

• изгиб,

• температура и пр.

Потенциальными проблемами в случае

оптоволокна является разрыв, естественно

приводящий к потере оптического сигнала

на всех длинах волн, а также повышенное

давление или сильные изгибы, результа-

том которых может быть ухудшение дис-

персионных и прочих характеристик линии

или ослабление сигнала на некото-

рых/всех длинах волн.

Сокращения• ASE (Amplified Spontaneous Emission) –

усиленное спонтанное излучение.

• BER (Bit Error Ratio или Bit Error Rate) – ко-

эффициент ошибок.

• DWDM (Dense Wavelength Division

Multiplexing) – плотное частотное мультип-

лексирование.

• EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) – эр-

биевый волоконный усилитель.

• FBG (Fiber Bragg Grating) – волоконная

брэгговская решетка.

• MEMS (MicroElectroMechanical Systems) –

микроэлектромеханические системы (фото-

литографическая технология).

• Mux/Demux – мультиплексор/демультип-

лексор.

• OFA (Optical Fiber Amplifier) – оптический

волоконный усилитель.

• PDFA (Praseodymium Doped Fiber Amplifier) –

празеодимовый волоконный усилитель.

• PDL (Polarization Dependent Loss) – поля-

ризационно-зависимые потери.

• ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop

Multiplexer) – перестраиваемый мультиплек-

сор ввода-вывода.

• ПМД – поляризационная модовая дис-

персия.

Литература1. Редд Дж. Особенности измерения коэф�

фициента ошибок // Lightwave Russian

Edition, 2005, № 1, с. 40.

2. Компоненты DWDM�систем и их характе�

ристики // Lightwave Russian Edition, 2005,

№ 2, с. 50.

3. Убайдуллаев Р.Р. Протяженные ВОЛС на

основе EDFA // Lightwave Russian Edition,

2003, № 1, с. 22.

4. Курков А.С., Наний О.Е. Эрбиевые воло�

конно�оптические усилители // Lightwave

Russian Edition, 2003, № 1, с. 14.

5. Величко М. Перестраиваемые мультип�

лексоры ввода�вывода облегчают сетевое

управление // Lightwave Russian Edition,

2005, № 2, с. 22.



Снижение выходной мощностиПотеря сигнала (на выходе передатчика или навходе приемника), повышение ASE, отношениясигнал/шум и, как следствие, увеличение BER

Дрейф длины волныИскажение или потеря сигнала на приемнике, перек-

рестные помехи и, как следствие, увеличение BER

Уширение спектраСнижение оптической мощности, увеличение пе-рекрестных помех и BER

Изменение глубины модуляцииНеэффективная демодуляция, повышение BER(трудности при распознавании битов)

Изменение параметров частотнойперестройки

Потери пакетов, потери сигнала на некото-рых/всех длинах волн

Повышение температурыИзменение параметров лазера (мощности, цент-ральной длины волны, ширины спектра)

Таблица 4

Потенциальные дефекты в работе передатчика на основе лазера



Снижение чувствительностиТрудности при распознавании сигнала, как след-ствие, увеличение BER

Снижение быстродействия Увеличение BER

Дисперсионно уширенный прини-

маемый сигнал

Снижение мощности сигнала, перекрестные поме-

хи, дрожание фазы из-за нарушения фазовой синх-

ронизации при оптоэлектрическом преобразовании,

снижение отношения сигнал/шум и пр. Следствие

вышеперечисленных проблем – увеличение BER

Повышение температурыУвеличение BER из-за снижения квантовойэффективности

Таблица 5

Потенциальные дефекты в работе приемника на основе PIN-фотодиода




МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИКОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХУСИЛИТЕЛЕЙ

Широкое распространение технологии

спектрального мультиплексирования кана-

лов передачи данных WDM [1] и переход от

сетей с топологией «точка-точка» к сетям с

динамически перестраиваемой архитекту-

рой предъявляют новые требования к опти-

ческим усилителям [2]. В таких сетях необ-

ходимо обеспечить постоянство коэффици-

ента усиления в условиях периодического

подключения и отключения некоторой час-

ти спектральных каналов. Поскольку отклю-

чение/подключение каналов приводит к из-

менению суммарной усиливаемой мощнос-

ти, то в отсутствии стабилизации происхо-

дит изменение значения коэффициента

усиления оптического усилителя в резуль-

тате насыщения. Изменение усиления, а

следовательно, и мощности рабочих кана-

лов приводит к увеличению количества

ошибок (BER), а может привести и к выходу

системы из строя.

В данной статье приведен анализ основных

методов стабилизации коэффициента уси-

ления эрбиевых оптических усилителей

(EDFA).

Методы стабилизации коэффициентаусиленияКоэффициент усиления оптического усили-

теля пропорционален величине инверсной

населенности активного элемента, который

в свою очередь определяется балансом

между действием накачки и спонтанных и

вынужденных переходов. Поскольку управ-

лять спонтанными переходами не представ-

ляется возможным, могут быть реализова-

ны две возможности стабилизации уровня

инверсной населенности: путем управления

накачкой или насыщением.

В первом случае используются электрические

методы стабилизации, во втором – оптичес-

кие. Возможно также совмещение электри-

ческих и оптических методов стабилизации.

Электрические методы стабилизациикоэффициента усиленияЭлектрические методы стабилизации коэф-

фициента усиления заключаются в коррек-

тировке мощности лазера накачки для обес-

печения постоянства коэффициента усиле-

ния. Корректировка может быть: упреждаю-

щей, с использованием цепи обратной свя-

зи, а также их комбинацией.

Упреждающая коррекция накачки

Принцип действия упреждающей коррекции

накачки поясняет рис. 1а. Разветвитель от-

водит часть мощности входного сигнала на

фотодетектор, который выполняет его опто-

электронное преобразование. Усиленный

электрический сигнал, пропорциональный

мощности входного оптического сигнала,

используется для управления мощностью

лазера накачки. В первом приближении не-

обходимое для обеспечения постоянства ко-

эффициента усиления изменение мощности

накачки происходит пропорционально изме-

нению мощности усиливаемого оптического

излучения.

Коррекция накачки с использованием

цепи обратной связи

Принцип действия коррекции накачки

цепью обратной связи поясняет рис. 1б.

Два разветвителя отводят часть мощности

входного и выходного сигнала на фотоде-

текторы, выполняющие их оптоэлектрон-

ное преобразование, затем эти сигналы

подаются на специальную электрическую

схему. Эта электрическая схема сравнива-

ет реальное значение коэффициента уси-

ления, определяемое по отношению мощ-

ностей входного и выходного сигналов, с

требуемым коэффициентом усиления и со-

ответствующим образом корректирует

мощность лазера накачки.

Комбинация упреждающей коррекции

накачки и коррекции накачки цепью об-

ратной связи

Для повышения эффективности стабилиза-

ции коэффициента усиления может быть ис-

пользована комбинация рассмотренных ме-

тодов (рис. 1в).

Оптическая стабилизациякоэффициента усиленияПринцип оптической стабилизации коэф-

фициента усиления заключается в том, что

усиливающая область помещается в резо-

натор лазера, генерирующего на нерабо-

чей длине волны. Хорошо известное свой-

ство лазера заключается в том, что коэф-

фициент усиления в нем в режиме генера-

ции в точности равен потерям в резонато-

ре. Если на активный элемент лазера од-

новременно подать внешнее излучение на

негенерирующей длине волны, то выход-

ная мощность лазера изменится, а коэф-

фициент усиления останется прежним. Ла-

зерное излучение, таким образом, оказы-

вается некоторым балластным излучени-

ем, обеспечивающим постоянство коэффи-

циента усиления. Уменьшение общей мощ-

ности входящего оптического сигнала ав-

томатически компенсируется увеличением

лазерной мощности и наоборот.

Оптическая обратная связь может быть осу-

ществлена двумя путями: с помощью коль-

цевого резонатора и с помощью линейного

резонатора.

Кольцевой резонатор (рис. 1г)

Кольцевой резонатор для создания оптичес-

кой обратной связи состоит из отрезка

стандартного волокна, соединяющего вы-

ходную часть секции оптического усилителя

с входной, и узкополосного фильтра, задаю-

щего длину волны лазерного излучения.

Линейный резонатор (рис. 1д)

Линейный резонатор для создания оптичес-

кой обратной связи состоит из двух распреде-

ленных дифракционных отражателей, распо-

ложенных на входе и выходе усилителя. Мак-

М.А. БОРИСОВ, физический факультет МГУ,

кафедра оптики и спектроскопии

симумы коэффициентов отражения решеток

задают длину волны лазерного излучения. Ко-

эффициенты отражения на длинах волн сиг-

нала и накачки должны быть равны нулю.

Комбинация оптическихи электрических методов стабилизациикоэффициента усиленияСовмещение оптических и электрических

методов стабилизации коэффициента уси-

ления, с одной стороны, может привести к

улучшению характеристик усилителя, с дру-

гой – к чрезмерному усложнению схемы

стабилизации. Поэтому целесообразность

такого совмещения должна быть определе-

на в каждом конкретном случае из сравне-

ния затрат на достижение требуемой степе-

ни стабилизации.

Эффективность стабилизацииЭффективность стабилизации можно оха-

рактеризовать следующими параметрами:

Время стабилизации коэффициента уси-

ления – это время восстановления заданно-

го значения коэффициента усиления.

Максимальное отклонение коэффициен-

та усиления – это максимальное его откло-

нение от заданного значения.

Смещение коэффициента усиления –

это установившееся по прошествии време-

ни стабилизации его отклонение от задан-

ного значения.

Эффективность стабилизации тем выше,

чем меньше численные значения трех при-

веденных параметров, сущность которых

поясняет рис. 2.

Сравнительный анализразличных схем стабилизацииДля сравнительного анализа представлен-

ных схем были использованы модифициро-

ванные уравнения эрбиевого оптического

усилителя [3, 4]. На основе этих уравнений

численным методом была промоделирована

работа усилителя при отключении/подклю-



РазветвительСоединитель

Лазер

накачки

EDFA

Pin Pout

Узкополосный

фильтр

Соединитель

EDFA

Pin Pout

Разветвитель Соединитель

Лазер

накачки

Электрический

усилительФотодетектор Фотодетектор ФотодетекторЭлектрическая

схема

Разветвитель

Лазер

накачки

EDFAСоединитель Разветвитель

PoutPin

РазветвительСоединительРазветвитель

Лазер

накачкиЭлектрический

усилитель

ФотодетекторЭлектрическая

схема

Фотодетектор

PoutPin


EDFA

Лазер

накачки

Дифракционные

отражатели Дифракционные

отражатели

EDFAСоединитель

PoutPin

Оптические компоненты

Электрические компоненты Узкополосный

фильтр

EDFA

Pin Pout

Разветвитель Соединитель Разветвитель

Лазер

накачки


Электрический

усилитель

г)

д) e)

Рис. 1. Принципы стабилизации коэффициента усиления эрбиевых оптических усилителей: а) упреждающая коррекция

накачки; б) коррекция накачки цепью обратной связи; в) комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки

с цепью обратной связи; г) оптическая обратная связь (кольцевой резонатор); д) оптическая обратная связь (линейный резонатор);

е) совмещенная оптоэлектронная стабилизация

а) б)

в)



чении некоторой части спектральных кана-

лов. Результаты моделирования для всех

описанных схем стабилизации представле-

ны в таблице 1 и графически на рис. 3.

Для эрбиевых оптических усилителей наи-

более простыми и надежными методами

стабилизации коэффициента усиления яв-

ляются электрические методы. Они отлича-

ются малыми отклонениями коэффициента

усиления в течение переходного периода и

достаточно быстрым временем его стабили-

зации. Это связанно с относительно мед-

ленным изменением коэффициента усиле-

ния в эрбиевых оптических усилителях без

стабилизации, связанным с большим вре-

менем релаксации инверсной населенности

� = 10,5 мс [5]. Наилучшими параметрами

среди этих методов обладает комбинация

упреждающей коррекции накачки с коррек-

цией накачки с использованием обратной

связи, так как они отлично дополняют друг

друга: упреждающая коррекция обладает

малым временем стабилизации, а цепь об-

ратной связи обеспечивает малое значение

смещения коэффициента усиления. Однако

быстродействие электрических методов

стабилизации может оказаться недостаточ-

ным в полупроводниковых усилителях, для

которых более оптимальным представляет-

ся использование оптических схем стабили-

зации коэффициента усиления [6, 7].

Литература1. Наний О.Е. Основы технологии спект�

рального мультеплексирования каналов пе�

редачи (WDM) // Lightwave Russian Edition,

2004, № 2, с. 47–52.

2. Ramaswami R. Optical Fiber Communication:

From Transmission to Networking // IEEE

Communications Magazine, May 2000, 50th

Anniversary Commemorative Issue.

3. Bononi A., Rusch A.L. Doped�Fiber Amplifier

Dynamics: A System Perspective // Journal of

lightwave technology, May 1998, vol. 16, №. 5.

4. Bononi A., Barbieri L. Design of Gain�

Clamped Doped�Fiber Amplifiers for Optimal

Dynamic Performance // Journal of lightwave

technology, July 1999, Vol. 17, No. 7.

5. Desuivre E. Erbium�doped Fiber Amplifier:

Principles and Applicaions, 1994.

6. Francis D.A., DiJaili S.P., Walker J.D. A sin�

gle�chip linear optical amplifier // OFC

Postdedliane Papers, Anaheim, 2001, PD13.

7. Наний О.Е. Линейный оптические усилители

– новый класс полупроводниковых усилителей

// Lightwave Russian Edition, 2003, № 2, с. 27.

Коэффиицент

усиления

Время стабилизации коэффициента усиления

Максимальное отклонение

коэффициента усиления

Смещение

коэффициента усиления

Время

Рис. 2. Параметры, характеризующие эффективность стабилизации

коэффициента усиления.

Значения этих характеристик зависят от: метода стабилизации; Входной мощности

одного канала (Pin/channel); числа отключенных/подключенных каналов (N);

заданного значения коэффициента усиления (G)

–2

–1,5

–1

–0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 50 100 150 200

Время, мкс

Отк

ло

нени

е к

оэф

фи

ци

ента

уси

лени

я о

т за

да

нно

го з

на

чени

я,

дБ

1 2 3 4 5 6

Рис. 3. Переходные процессы в EDFA с автоматической стабилизацией

коэффициента усиления: 1 – оптическая обратная связь (линейный резонатор);

2 – оптическая обратная связь (кольцевой резонатор); 3 – совмещенная

оптоэлектронная стабилизация; 4 – коррекция накачки с цепью обратной связи;

5 – комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки с цепью

обратной связи; 6 – упреждающая коррекция накачки

Метод стабилизации

Время

стабилизации

коэффициента

усиления

(мкс)

Максимальное

отклонение

коэффициента

усиления

(дБ)

Смещение

коэффици-

ента

усиления

(дБ)

1. Оптическая обратная связь (линейный резонатор) > 200 2,01 0,1

2. Оптическая обратная связь (кольцевой резонатор) > 200 1,72 0,1

3. Совмещенная оптоэлектронная стабилизация > 200 1,53 0,1

4. Коррекция накачки с цепью обратной связи < 100 0,82 0,02

5. Комбинация упреждающей коррекцией накачки и

коррекции накачки с цепью обратной связи< 35 0,4 0,02

6. Упреждающая коррекция накачки < 5 0.11 0,11

Таблица 1

Параметры стабилизации для рассмотренных методов

G=18 дБ, Pin/channel = –10 дБ, что соответствует отключению 15 из 16 каналов

Engineering

Новые форматы модуляции в оптических системах связи