Технологии достижения высоких скоростей передачи в современных когерентных DWDM – системах связи

Стремительное развитие интернета и постоянно растущий спрос на мультимедийные приложения, для которых необходимы высоко­скоростные линии связи, требуют повышения пропускной способности оптических сетей. В результате нового потребительского запроса возникла необходимость применения спектрального уплотнения каналов в волоконно-оптических линиях связи [1].

WDM (Wavelength Division Multiplexing) системы, целью которых является увеличение пропускной способности систем передачи, развивались сначала по интенсивному пути. При этом уменьшался шаг между оптическими несущими, но это вело к удорожанию таких DWDM (Dense WDM) систем, что тормозило их внедрение. В результате появления оптических волокон, у которых рабочая полоса пропускания расширилась от 30 нм до 340 нм, появилась возможность использовать более дешевые системы с большим шагом (20 нм) сетки частот CWDM (Coarse WDM), то есть перейти на экстенсивный путь. Однако со вре­менем, появилась необходимость в увеличении суммарной скорости передачи, что привело к необходимости заменять некоторые каналы CWDM-систем на несколько несущих DWDM. Такие системы получили название гибридных WDM- систем. При этом в зависимости от стратегии расширения числа несущих и несимметричного расположения каналов их суммарное число могло быть либо 32, либо 68. Это позволяло значи­тельно увеличить суммарную скорость передачи, так как изначально в CWDM- системах предполагалось 8-16 каналов [2, с. 27-28].

Увеличение суммарной скорости передачи информации в совре­менных системах связи с технологией WDM достигается повышением скорости передачи информации в одном канале, эффективным исполь­зованием рабочих спектральных областей (3, 4 и 5 окон прозрачности). В волоконно-оптических системах передачи, где канальная скорость не превышает 10 Гбит/с, как правило, используются форматы модуляции NRZ, RZ, а также их модификации.

При достижении скорости передачи в 40 Гбит/с наиболее эффективным с технологической и экономической точек зрения является адаптивный дифференциальный фазовый формат модуляции - ADPSK. В некоторых системах возможна работа спектральных каналов на различных скоростях и с различными форматами модуляции, например 10 Гбит/с NRZ и 40 Гбит/с NRZ-ADPSK. При этом исполь­зуется сетка частот с разнесением в 50 ГГц. Такие решения позволяют модернизировать действующие DWDM системы, в которых применялись 80 каналов со скоростью по 10 Гбит/с.

Стоит отметить, что бинарные фазовые форматы не могут быть использованы в системах со скоростями в 100 Гбит/с. Это обусловлено физическими ограничениями, не дающими превысить скорость цифровой обработки и передачи символов более 50 Гбод. Следовательно, возникает необходимость использования многоуровневых форматов модуляции, позволяющих уменьшить скорость передачи символов. Оптимальными для реализации использования многоуровневых форматов модуляции являются когерентные системы связи. Они позволяют увеличивать скорость передачи информации в разы, что определяется форматом модуляции. Например, формат DP-QPSK (двуполяризационная четырех­уровневая фазовая модуляция) с емкостью 4 бит/символ дает спект­ральную эффективность 2 (бит/с)/Гц с сеткой частот 50 ГГц [4, с. 114]. Работа когерентного приемника (рис. 1) состоит в том, что оптический сигнал смешивается с опорным излучением (ОИ) и детекти­руется балансным фотоприемником, содержащим два фотодиода (ФД1, 2) и схему вычитания.

Примечание: ОИ – опорное излучение; ФД - фотодиод; САП - схема авто­подстройки.

Рисунок 1. Работа когерентного приемника

С целью синхронизации ОИ используется схема автоподстройки (САП). Гетеродинный фотоприемник формирует электрический сигнал, содержащий компоненту на промежуточной (разностной) частоте, которая несет в себе всю информацию, закодированную в переданном сигнале. При совпадении частот ОИ и несущей волны оптического сигнала когерентная система является гомодинной. Стоит отметить, что при использовании гетеродинного когерентного приемника промежу­точная частота намного больше частоты передачи сигнала, что ведет к затруднениям при использовании таких приемников на скоростях 100 Гбит/с и выше. Однако, гомодинные приемники требуют высокой точности синхронизации частот ОИ и несущей частоты сигнала. Именно поэтому лишь недавно в результате создания приемников с высокоскоростной цифровой обработкой сигналов стало возможным внедрение таких систем, так как в электрической форме стало возможным устранение фазового дрейфа.

Гомодинный когерентный оптический приемник преобразует амплитуду и фазу оптического сигнала в электрическую форму. Появление цифровой обработки сигналов снимает жесткие требования к взаимной синхронизации ОИ и несущей оптического сигнала. Цифровая обработка сигналов выполняет функции синхронизации и декодирования цифровой информации. Входной оптический сигнал и ОИ разделяются на две поляризационные компоненты при помощи поляризационных делителей (PBS). Две поляризационные компоненты информационного сигнала смешиваются с двумя поляризационными компонентами непрерывного излучения опорного лазера (LO) с исполь­зованием 90-градусного оптического смесителя (поляризационно­квадратурный смеситель — polarization-diversity 90-degree optical hybrid). Опорный лазер может перестраиваться на ± 20 МГц относительно центральной частоты принимаемого сигнала. Для лазера передатчика и лазера — источника опорного излучения ширина полосы должна быть менее 100 кГц. Четыре пары сигналов с балансных фотоприемников оцифровываются в АЦП и подаются на устройство цифровой обработки сигналов. Формируемые четыре потока символов с АЦП интерпре­тируются как действительная и мнимая части (I и Q) двух потоков комплексных символов, по одному «комплексному потоку» для каждой поляризации и обрабатываются в блоке цифровой обработки сигналов [3, с. 25].

Достижимая максимальная скорость передачи информации в совре­менных системах связи определяется техническими характеристиками аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Современные АЦП могут выдавать скорость в 56 Гбод. При использовании таких АЦП увеличилась производительность современных систем цифровой обработки сигналов, скорость работы когерентных приемников достигла 28 Гбод. Для систем передачи данных со скоростями 100 Гбит/с оптимальным является формат DP-QPSK (рис. 2). В каждой из двух ортогональных поляри­заций используется фазовая модуляция QPSK. В каждой поляризации передается по 2 бита на символ, всего 4 бит/символ. Для скорости передачи символов 28 Гбод обеспечивается битовая скорость 112 Гбит/с. Скорость передачи информации – 100 Гбит/с, применяется FEC с 12 % избыточностью.

При использовании сетки частот 50 ГГц в системах связи 100 Гбит/с с DP-QPSK обеспечивается спектральная эффективность 2 (бит/с)/Гц. Применяя плотную частотную сетку с разнесением в 33,3 ГГц, реально достичь спектральной эффективности 3 (бит/с)/Гц. Использование алго­ритмов многосимвольной обработки дает спектральную эффективность 4 (бит/с)/Гц с сеткой частот 25 ГГц/c. С техническо-экономической точки зрения выгоднее использование сетки в 33,3 ГГц, так как этот вариант легче технологически реализуем. Для увеличения канальной скорости более 100 Гбит/с необходимо использовать многоуровневые (М-уровневые, М > 4) форматы модуляции совместно с поляризационным мультиплексированием и когерентным приёмом. Следует отметить, что использование форматов DP 16QAM, DP 32QAM, DP 64QAM и DP 256QAM уменьшает дальность передачи информации из-за увели­чения чувствительности к шумам усиленного спонтанного излучения. Важным достоинством многоуровневых форматов является более высокая по сравнению с двухуровневыми форматами спектральная эффективность. Для бинарных форматов она ограничена значением 1 (бит/с)/Гц, для многоуровнего формата — величиной М (бит/с)/Гц. Существенным минусом многоуровневых форматов можно считать уменьшение дальности передачи и экономичности систем дальней связи.

Рисунок 2. Сигнал в формате DP-QPSK

Также стоит отметить необходимость контроля за выходной мощ­ностью оптического излучения на выходе оптических усилителей (ОУ). При превышении некоторого уровня (экспериментально ком­пания Alcatel-Lucent определила этот порог равным примерно 20 дБм) наблюдается сильное уширение спектра оптического сигнала на выходе ОУ, что может привести к недопустимому перекрытию между каналами в DWDM-системах [5, с. 632-633]. Зависимость ширины спектра опти­ческого излучения на выходе ОУ от мощности выходного сигнала ОУ показана на рисунке 3. Компания Alcatel- Lucent рекомендует устанав­ливать мощность на уровне 19 дБм.

Рисунок. 3. Зависимость ширины спектра оптического излучения на выходе ОУ от мощности выходного сигнала ОУ

Выводы

Таким образом, проведенный анализ существующих технологий достижения высоких скоростей передачи информации в современных когерентных системах связи со спектральным разделением каналов показывает, что по ряду существенных параметров формат DP-QPSK со скоростью передачи информации 100 Гбит/с на один канал является наиболее перспективным форматом для современных DWDM-систем дальней связи с суммарной скоростью 10-20 Тбит/с Также рассматри­ваемая технология открывает новые перспективы для увеличения скоростей передачи в будущем.