| Рубрикатор |  |
 |
| Статьи |  |
ИКС № 04 2010 | |
|
| Денис МОРГУНОВ | 06 апреля 2010 |
Оценка бюджета потерь в оптических кабельных системах
Отправной точкой при выборе оптимальной конфигурации кабельной проводки является допустимый бюджет потерь в пассивной кабельной системе, который определяется исходя из стандарта проектируемой системы с учетом требуемой скорости и дальности передачи данных. Из чего складывается этот бюджет и какие факторы на него влияют?
Необходимо отметить, что допустимый бюджет потерь, зафиксированный в стандартах, в большинстве случаев указан для наихудших условий и не определяет
конкретную конфигурацию кабельной системы. Однако на практике следование требованиям стандартов структурированных кабельных систем (разделение проводки на функциональные подсистемы, зонирование и т.д.) приводит к невозможности соблюсти требования по допустимому бюджету потерь в линии – проще говоря, реальные суммарные потери в «правильной» структурированной системе могут превысить допустимый уровень.
Штраф по мощности
В общем случае проектируемая оптическая система связи включает в себя источник, среду передачи и приемник, обеспечивающий прием и детектирование сигналов. По тем или иным причинам детектирование сигнала может происходить с ошибками. Например, сигнал, представляющий на входе системы логическую единицу, на выходе воспринимается как логический нуль. Поскольку модулирование несущей полезным сигналом осуществляется оптическим методом, то логическая единица представляется высоким уровнем излучаемой мощности, а логический нуль – низким уровнем. Для однозначного определения единицы или нуля вводится понятие порогового значения мощности, выше которого детектируется единица, а ниже – логический нуль (рис. 1). 
Другими ключевыми понятиями являются амплитуда оптической модуляции (OMA), представляющая собой разность максимального и минимального энергетических уровней сигнала, и коэффициент экстинкции (ER) – отношение этих уровней. Необходимо подчеркнуть, что и ОМА и ER суть относительные величины.
Неидеальность оптической среды передачи приводит к потерям, т.е. к линейному уменьшению мощности по мере распространения сигнала в среде. При наличии потерь в тракте OMA и ER будут вести себя по-разному. Пусть, например, OMA = 0,9 мВт, Р1 = 1 мВт, Р0 = 0,1 мВт и ER = 10. После прохождения сигналом 10 км по волокну с линейным коэффициентом потерь 0,3 дБ/км уровни мощности Р1 и Р0 уменьшатся в 2 раза, т.е. Р1 = 0,5 мВт и Р0 = 0,05 мВт. Соответственно, ОМА уменьшится в 2 раза до значения 0,45 мВт, а ER останется равным 10. Таким образом, при известном коэффициенте экстинкции можно рассчитать энергетические уровни сигнала Р1 и Р0, измерив оптическим тестером средний уровень мощности излучения в любой точке системы.
Коэффициент вероятности ошибки (BER) определяется величиной отношения сигнал/шум в системе и зависит от так называемого Q-фактора (рис. 2), т.е. напрямую от величины OMA. Таким образом, максимизировав отношение между двумя энергетическими уровнями сигнала, можно существенно уменьшить вероятность возникновения ошибки (площадь заштрихованной области).
На практике обеспечить большое значение отношения между энергетическими уровнями сигнала достаточно сложно. Предельное значение уровня Р1 ограничено явлением насыщения используемого фотоприемника – выше некоторого значения фотоприемник теряет чувствительность (Р1 = Рoverload). Добиться Р0 = 0 (т.е. ER = ∞) также не представляется возможным, так как источник имеет конечное время включения и выключения, что приводит к возникновению осцилляций мощности излучения, ограничивает быстродействие источника и, как следствие, возможную скорость передачи.
Таким образом, в реальной системе для сохранения требуемого коэффициента BER при фиксированном верхнем уровне Р1 и нижнем уровне Р0, отличном от нуля, пороговое значение мощности должно быть увеличено. Отношение порогового значения реальной системы к пороговому значению идеальной системы называют штрафом по мощности (power penalty). Наличие штрафа по мощности сужает доступный динамический диапазон проектируемой системы (рис. 3).
Эксперименты показывают, что величина ОМА прямо влияет на коэффициент BER (рис. 4). Отметим, что с увеличением OMA соответствующая экспериментальная кривая сдвигается влево и доступный уровень оптической мощности для фотоприемника увеличивается (улучшается отношение сигнал/шум). Например, при увеличении OMA с -4,01 дБм до -3,22 дБм мощность детектируемого излучения увеличивается с -10,78 дБм до -11,7 дБм при неизменном коэффициенте BER = 10-12.
Источники шума в тракте
Как отмечалось выше, площадь области между двумя распределениями интенсивности шума для каждого из возможных энергетических состояний системы (см. рис. 2) эквивалентна вероятности возникновения ошибки. Площадь данной области будет увеличиваться по мере увеличения интенсивности шума для каждого из Р1 и Р0 состояний системы. Шум обусловлен целым рядом физических явлений в активных и пассивных элементах проектируемой системы.
Шум в источнике может вызываться:
• распределением мод излучения (Mode Partition Noise, MPN);
• относительными колебаниями интенсивности излучения (Relative Intensity Noise, RIN).
В приемнике шум обусловлен многократными отражениями (Reflection Noise, RN).
Среда передачи может порождать:
• поляризационный шум (Polarization Noise, PN);
• модовый шум (Modal Noise, MN);
• межсимвольную интерференцию (Inter-Symbol Interference, ISI).
Из-за скачкообразного распределения мод излучения оптического источника (например, VCSEL-лазера) интенсивность каждой поперечной моды излучения меняется во времени случайным образом, хотя суммарная мощность генерируемого излучения не меняется. Интенсивность излучения варьируется как внутри волнового пакета импульса, так и от импульса к импульсу. В результате источник генерирует излучение на разных длинах волн, что вследствие хроматической дисперсии в среде вызывает изменение фазы спектральных составляющих волнового пакета импульса. На стороне приемника данное явление выражается в виде временного джиттера, так как время стробирования остается неизменным.
Несмотря на постоянство величины тока смещения лазерного источника, суммарная интенсивность излучения и центральная длина волны могут незначительно меняться из-за спонтанной эмиссии фотонов, т.е. изначально когерентное излучение приобретает случайное изменение фазы и амплитуды, что приводит к флуктуациям интенсивности излучения (RIN) и возникновению паразитной амплитудной модуляции полезного сигнала.
Вариации показателя преломления в среде и достаточно малые обратные потери приемника порождают интерференцию между прямой и обратной отраже
нной/рассеянной волной. В результате интерференции появляется нежелательная модуляция интенсивности излучения, которая выражается в дополнительном шуме (RN) в тракте.
Межсимвольная интерференция
Оптическое волокно является дисперсионной средой, поэтому различные спектральные составляющие излучения распространяются с разными фазовыми скоростями. В многомодовых волокнах из-за большого диаметра сердцевины при вводе излучения от источника возбуждается достаточно большое количество мод (рис. 5). Возникающий волноводный эффект, обусловленный наличием границы раздела двух оптических сред (сердцевина/оболочка) и полным внутренним отражением, определяет возможность распространения нескольких мод излучения по различным лучевым траекториям.
В идеальном случае модовое распределение является равновесным, т.е. каждая группа мод переносит определенную часть общей мощности волнового пакета. На выходе системы из-за разницы времени прихода различных групп мод возникает временная дифференциальная модовая задержка, приводящая к временн'ому уширению импульса (рис. 6).
Уменьшить влияние межмодовой дисперсии можно за счет использования высококачественных оптических волокон, у которых материал сердцевины имеет однородную структуру и оптимальный профиль показателя преломления, а граница раздела сердцевина/оболочка строго циркулярна (рис. 7).
Вследствие межмодовой дисперсии происходит пространственное и временное уширение импульса (рис. 8), которое приводит к наложению двух соседних импульсов в последовательности и существенно увеличивает вероятность ошибки. В оптической среде без потерь уширение импульса вызывает уменьшение амплитуды, которое может быть представлено в виде потерь из-за межмодовой дисперсии в сердцевине волокна.
Дополнительное ослабление сигнала из-за его уширения учитывается дисперсионным штрафом по мощности, который в многомодовых оптических трактах вносит самый большой вклад в общий бюджет потерь системы.
Модовый шум
Моды в пределах группы и между группами интерферируют, что приводит к появлению так называемой спекл-структуры – мгновенному распределению переносимой мощности излучения между различными группами мод (рис. 9, а). Спекл-структура крайне непостоянна во времени, что выражается в флуктуациях интенсивности излучения на входе фотоприемника. Перекачка мощности между модами излучения происходит при любых колебаниях интенсивности излучения на выходе источника, при внешних воздействиях на кабельную проводку (сдавливание, изгиб, вибрация), а также в разъемных соединениях из-за фильтрации мод и селективных модовых потерь.
Модовый шум возникает при наличии одновременно трех факторов.
1. Источника когерентного света с малой спектральной шириной излучения.
2. Модовых или пространственных возмущений в среде.
3. Временных возмущений в среде.
В случае использования VCSEL-источника первый фактор присутствует. Кроме того, измерения спектральной ширины и модового состава излучения VCSEL-источника при помощи прецизионного оптического спектроанализатора показывают, что с течением времени происходит перекачка мощности между различными поперечными модами излучения, а также изменяется состояние поляризации излучения (рис. 9, б). Таким образом, присутствует и третий фактор возникновения модового шума.
Говоря о втором факторе возникновения модового шума – о существовании пространственных возмущений, отметим, – что внешние механические воздействия на волокно (в первую очередь изгиб) приводят к перераспределению переносимой мощности от мод высших порядков к модам низших порядков.
Пространственные возмущения вызывают и селективные модовые потери, которые возникают в разъемных соединениях (рис. 10).
Оптические потери, вносимые разъемным соединением, в основном обусловлены эффективным осевым смещением стыкуемых волокон. Измерения показывают, что на их долю приходится до 80% общей суммы потерь в соединении. Осевое смещение вызывается целым рядом конструктивных особенностей используемого разъема: эксцентриситетом сердцевины волокна относительно оптической оболочки; допуском на диаметр отверстия в феруле и возникающим в нем угловым отклонением волокна.
При прохождении света через границы раздела между двумя стыкуемыми со смещением разъемами происходит высвечивание мод высших порядков и изменение спекл-структуры, что приводит к перекачке мощности между модами. Иными словами, часть мощности, переносимая модами вблизи границы раздела сердцевина/оболочка, высвечивается, а часть перераспределяется между другими группами мод. Таким образом, можно говорить о селективной природе потерь в разъемном соединении.
Все изложенное выше подводит к следующим важным выводам:
• наибольший вклад в ограничение дальности передачи вносит межсимвольная интерференция, обусловленная межмодовой дисперсией (рис. 11);
• при соединении двух многомодовых волокон низкокачественные оптические соединители могут вносить в тракт селективные потери;
• неидеальность выходных параметров используемого источника при наличии селективности модовых потерь приводит к возникновению нежелательной амплитудной модуляции сигнала;
• паразитная амплитудная модуляция значительно ухудшает отношение сигнал/шум в тракте и вызывает неконтролируемые ошибки, которые не позволяют обеспечить соответствие проектируемой системы существующим нормам (в частности, BER < 10-12);
• для снижения уровня селективных модовых потерь большое значение имеет аккуратность прокладки кабеля, кабельных сборок и патчкордов как по лотковым системам, так и внутри шкафов при подключении к оборудованию;
• по возможности следует избегать пространственных изгибов волокна, служащих еще одним источником селективных модовых потерь;
• при использовании многополюсных оптических интерфейсов MPO необходимо особенно тщательно планировать бюджет потерь, так как в этих интерфейсах труднее обеспечить точность совмещения волокон в соединении по сравнению с традиционными разъемами;
• из-за возникновения модовой фильтрации в тракте возможно спонтанное сокращение бюджета потерь.
Таким образом, мы видим, что использование качественных (по заверениям производителей) оптических соединителей в сочетании с многомодовым 
волокном категории ОМ3 не гарантирует, что проектируемая система пройдет финальные измерения. Практика показывает, что даже в идеальных условиях результаты измерений кабельных проводок коренным образом расходятся с оценками бюджета потерь по традиционным методикам. Однако, понимая, какие характеристики имеют используемые в оборудовании активные компоненты (трансиверы), можно с приемлемой точностью спрогнозировать итоговые потери в тракте.
Особо хочется отметить, что никакая оценка потерь в тракте не имеет смысла, если при проведении измерений не учитывается погрешность метода измерения и используемого измерительного прибора. В некоторых случаях ошибка показаний прибора достигает 0,5 дБ и более.
Адрес: 105082, Россия, г. Москва, 2-й Ирининский пер, д. 3