Измерение хроматической дисперсии в проложенных оптических кабелях

Марьенков А. А.,к.т.н., Бобров В.И., Гринштейн М.Л., Лузгин А.Н.
ЗАО "Институт информационных технологий", Беларусь, Минск, ул. Смоленская 15.
Тел/факс: (+375 17) 236-59-72, E-mail: maa@beliit.com, www.beliit.com

Введение

В настоящее время развитие экономики требует увеличения пропускной способности систем передачи. Растут требования к увеличению каналов связи, вызванные развитием интернета и сотовой связи. Для решения этих задач проектируются и строятся новые системы с более высокими скоростями передачи и, с другой стороны, осуществляется модернизация существующих систем, направленная на использование проложенных оптических кабелей. Скорости передачи на реальных линиях начали достигать 10-40 Гбит/c. Очень быстро идет освоение технологии DWDM. При создании систем передачи на скорости в сотни Мбит/с основным фактором, ограничивающим длину регенерационного участка, было затухание в оптическом кабеле. При больших скоростях разработчики неминуемо сталкиваются с ограничением полосы пропускания, вызванной хроматической дисперсией в волоконных световодах. Этот параметр требует точного измерения не только в процессе производства кабеля, но и при завершении прокладки. По результату таких измерений можно также принимать решение о возможности повышения скорости передачи по уже проложенным оптическим кабелям [1]. Проведение подобных измерений является дорогостоящей и сложной технической задачей. В данной работе описывается разработанный прибор для измерения хроматической дисперсии, его технические характеристики и приводятся результаты измерения реальных линий.

1. Хроматическая дисперсия в волоконных световодах

Под хроматической дисперсией понимают зависимость времени распространения сигнала от длины волны источника излучения. Она содержит две составляющие: материальную и волноводную дисперсии. Если первая зависит только от свойств материала волновода, то второй можно управлять изменением профиля показателя преломления.

Изменяя профиль показателя преломления, получают волоконные световоды с различными дисперсионными свойствами. Сегодня наибольшее распространение получили три типа одномодовых волокон.

А) Волокно с несмещенной дисперсией (стандартное): длина волны нулевой дисперсии 1310 нм, величина дисперсии D на длине волны 1550 нм равна ~ 17 пс/нм км. Рекомендация ITU G.652 [2].

В) Волокно со смещенной нулевой дисперсией: длина волны нулевой дисперсии 1550 нм. Рекомендация ITU G.653 [3].

С) Волокно с ненулевой смещенной дисперсией: длина волны нулевой дисперсии лежит вне диапазона 1530 - 1565 нм. Типичные значения дисперсии 2,0 - 6,0 пс/нм км в диапазоне 1530 - 1565 нм и 4,5 - 11,2 пс/нм км в диапазоне 1565 - 1625 нм (волокно LEAF, Corning) [4]. Рекомендация ITU G.655[5].

2. Основные методы измерения

Хроматическая дисперсия волоконных световодов определяется по разнице в задержке сигналов с различными длинами волн [6]. В большинстве производимых приборов для измерения хроматической дисперсии используется фазовый метод, состоящий в сравнении фаз прошедшего через измеряемый световод сигнала с опорным [7-10]. Среди этих приборов можно выделить три группы приборов, отличающихся способом формирования измерительного сигнала. В приборах первого типа для получения многоволнового сигнала используется некогерентный источник и механический монохроматор для выделения фиксированной длины волны. В приборах второго типа используется перестраиваемый в широком диапазоне длин волн лазер. В последнем случае используется набор источников с различными длинами волн. Все эти методы формирования измерительного сигнала имеют достоинства и недостатки. В первом случае получаемый сигнал имеет чрезвычайно низкую мощность, что приводит к значительному росту ошибки измерения при большом затухании в кабеле. При использовании перестраиваемых лазеров резко возрастает стоимость приборов. Достоинством этих методов является большое количество формируемых длин волн, что уменьшает ошибку при аппроксимации групповой задержки. При использовании набора источников с различными длинами волн большая мощность вводимого излучения обеспечивает высокую точность измерения задержки, но увеличивается погрешность расчетов за счет небольшого количества длин волн. На основании этого можно предположить, что первый способ является более предпочтительным для измерения коротких отрезков кабеля. Второй и третий пригодны для проложенных длинных линий, при этом в последнем случае обеспечивается минимальная стоимость прибора.

3. Структурная схема прибора

Для измерения хроматической дисперсии проложенных кабелей прибор должен состоять из двух блоков. На рис. 1 показана структурная схема разработанного прибора. Синусоидальный сигнал (примерно 20 МГц) с генератора 1 через коммутатор 2 поочередно подается на входы шести измерительных полупроводниковых лазеров 4..9 с длинами волн в диапазоне 1,4 - 1,62 мкм.

Процессор 3 служит для управления переключением лазеров. В оптическом сумматоре 11 сигналы объединяются и поступают в измерительный канал. Для определения фазового сдвига сигналов, прошедших через измеряемое оптическое волокно, требуется опорный канал. Для этих целей используется полупроводниковый лазер 10. Его сигнал передается по отдельному волокну, которое называется опорным. Для согласования уровней сигналов используются аттенюаторы 12,13. После усилителей 17,18 сигналы поступают на аналого-цифровой преобразователь 19. Сигнальный процессор 20 осуществляет измерение амплитуд и фаз принятых сигналов. На приемной стороне с помощью лавинных фотодиодов 14,16 осуществляется гетеродинное преобразование. Генератор 15 имеет частоту, отличающуюся от частоты генератора 1 примерно на 300 Гц. Выделенные таким образом сигналы несут информацию о разности фаз между опорным и измерительным каналом.

4. Определение основных параметров и точность измерения

Измеренные значения групповой задержки сигнала на фиксированных длинах волн аппроксимируются для получения точных данных о дисперсии во всем диапазоне длин волн. Вид аппроксимирующего полинома зависит от типа измеряемого волокна [6]. Ниже приведены формулы аппроксимации для стандартного волокна (1), волокна со смещенной нулевой дисперсией (2) и с ненулевой смещенной дисперсией (3):

где ₀ - длина волны нулевой дисперсии;
S₀ - крутизна дисперсионной характеристики при = ₀, S₁₅₅₀ = при = 1550 нм,
₁₅₅₀ - относительная групповая задержка на длине волны 1550 нм.

Основными источниками погрешности при измерении хроматической дисперсии являются следующие [11]:

• флуктуации фазы сигнала из-за наличия шумов в оптическом приемнике;
• нелинейные искажения сигнала;
• температурные изменения длин волн полупроводниковых лазеров;
• нестабильность спектра лазеров;
• аппроксимация.

Каждый из этих факторов может привести к значительному ухудшению точности измерения. В процессе работы над прибором анализировалась каждая составляющая погрешности и предпринимались меры по ее снижению. Например, использовалась температурная стабилизация лазеров, исследовались способы построения малошумящих усилителей с малыми нелинейными искажениями. В приборе используется сложная цифровая обработка сигнала, включающая преобразование Фурье для расчета фаз.

5. Технические характеристики

Проведенные испытания показали хорошие метрологические характеристики разработанного прибора. Их значения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметр	Един. изм.	Величина
Диапазон длин волн измерения хроматической дисперсии	нм	1470 - 1620
Динамический диапазон	дБ	> 40
Погрешность измерения дисперсии	%	1.0
Погрешность измерения длины волны нулевой дисперсии	нм	0.5
Диапазон рабочих температур	°С	+5 - +40
Габаритные размеры:     - передающего блока     - приемного блока	мм мм	293x260x65 293x260x65
Вес:     - передающего блока     - приемного блока	кг кг	4 3,5
Напряжение питания	В	220, =12

6. Результаты испытаний

Испытания прибора проводились как в лабораторных, так и полевых условиях. На рис. 2 показаны результаты измерения хроматической дисперсии волокна с ненулевой смещенной дисперсией длиной 100,5 км в лабораторных условиях.

Результаты измерения проложенного кабеля длиной 130 км на основе волокна с несмещенной дисперсией на участке Орша - Крупки показаны на рис. 4.

Результаты измерений представлены также в таблице 2.

Таблица 2

Выводы

При создании высокоскоростных систем передачи необходимы точные знания величины хроматической дисперсии в оптических кабелях, которая может иметь различные значения в зависимости от типа используемых волокон. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что выбранный принцип построения прибора обеспечивает высокие метрологические характеристики. Прибор является простым в эксплуатации и обеспечивает высокую точность измерений.

Список литературы

1. А. Жирар. Руководство по технологии и тестированию систем WDM. М.,EXFO, 2001.
2. Characteristics of a single-mode optical fibre cable. ITU-T Recommendation G.652 (03/93).
3. Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fibre cable. ITU-T Recommendation G.653 (03/93).
4. Оптическое волокно LEAF фирмы Corning. Описание изделия. NY, 2002.
5. Characteristics of a non zero dispersion-shifted single-mode optical fibre cable. ITU-T Recommendation G.655 (04/00).
6. Definition and test methods for the relevant parameters of single-mode fibres. ITU-T Recommendation G.650 (03/93).
7. Гринштейн М.Л., Марьенков А.А. Устройство для измерения хроматической дисперсии волоконных световодов. А.С. 1744673, МКИ G 02 B 6/00, 1990.
8. Марьенков А.А., Гринштейн М.Л. Устройство для измерения хроматической дисперсии одномодовых волоконных световодов. А.С. 1645868, МКИ G 01 М 11/00, 1988.
9. Марьенков А.А., Гринштейн М.Л., Ивкович А.В. Устройство для измерения хроматической дисперсии одномодовых волоконных световодов. А.С. 1784879, МКИ G 01 N 21/41, 1990.
10. Урядов В.Н., Марьенков А.А., Синкевич В.И. Устройство для измерения составляющих дисперсии в оптическом кабеле. А.С. 1223075, G 01 M 11/00, 1984.
11. Марьенков А.А., Ивкович А.В., Гринштейн М.Л. Анализ источников погрешности измерения фазовым методом хроматической дисперсии одномодовых волоконных световодов. - Радиотехника и электроника. - Мн.,1991, вып.20, с.44-48.