2007/13 – 27.4.2007
Plánování optovláknových přenosových tras Ing. Martin Kyselák Ing. Vítězslav Křivánek Ústav telekomunikací Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně Purkyňova 118, 612 00 Brno
[email protected] [email protected]
Současná poptávka po datových službách přestává být reálným požadavkem na stávající přenosové trasy. Služby video na vyžádání VoD (Video on Demand), videokonference, přenosy reálného zvuku a videa, přenosy objemných datových souborů a ostatní multimediální služby znamenají velký nárůst poptávky po přenosové kapacitě. Z výročních zpráv a zveřejňovaných aktualit zájmového sdružení právnických osob NIX.CZ jednoznačně vyplývá strmý nárůst množství přenesených dat za jednotku času. K zajištění chodu rychlé transportní sítě nestačí pouhé vybavení kvalitním zařízením s dostatečnou propustností, nýbrž je nutné i zajištění dostatečnými přenosovými kanály v současné době realizovanými nejčastěni optovláknovými spoji. Jak ukázal vývoj v telekomunikacích, je optické vlákno ideálním médiem pro realizaci vysokorychlostních páteřních tras. Pro své nesporné výhody (neomezené využití pásma, nemožnost rušení či odposlechů a nízká cena) je optické vlákno i médiem nejpoužívanějším. Postupné navyšování přenosových rychlostí však ukázalo, že i skleňené vlákno má svá omezení. Testy extrémních přenosových rychlostí ukázaly přítomnost fyzikálních jevů, které nepříznivě ovlivňují přenášený signál, degradují jeho sílu a způsobují celou řadu druhů rozptylů světla.
Obsah Úvod Vlivy vláken na přenášený signál Druhy optických vláken Polarizace světla Současné techniky plánování optických tras Závěr Literatura Úvod Dnešní optická vlákna si dokáží poradit s téměř všemi nepříznivými vlivy, mají dostatečně nízký měrný útlum, umí si poradit s útlumem způsobeným ionty molekul OH-, jsou schopna účinně potlačit vznik většího počtu vidů než jednoho dominantního a konečně existují vlákna schopná účinně kompenzovat chromatickou disperzi. Existuje však jeden problém, se kterým si současná věda nedokáže zatím poradit a tím je polarizační vidová disperze (PMD –
13-1
2007/13 – 27.4.2007 Polarization Mode Dispersion), tento jev se ukazuje jako limitující faktor optických tras vysokých přenosových rychlostí na velké vzdálenosti. Vlivy vláken na přenášený signál Útlum a disperze omezují přenosové schopnosti optických vláken v datových komunikačních systémech. Zatímco útlum snižuje velikost výkonu přenášeného optického signálu, disperze – rozptyl světla způsobuje následkem časového rozšiřování a zkreslování přenášených optických impulzů datovou rychlost. Útlum Koeficient útlumu α je měrná jednotka, která se zpravidla udává v jednotkách dB/km. Výkon přenášeného optického záření klesá díky absorbci a rozptylu exponenciálně podél vlákna. Absorbce. Koeficient útlumu výrazně závisí na vlnové délce. Křemenné vlákno má dva výrazné absorbční pásy: první způsobený vibračními přechody ve střední infračervené oblasti a druhý absorbční pás v ultafialovém spektru světla zapříčiněný elektronovými a elektronově vibračními přechody. Absorbce způsobená molekulami páry vody ve slke – zápornými ionty OH- je v současné době již odstraněna speciálním druhem vláken podle doporučení ITU G.652d [11]. Rayleighův rozptyl je jevem vlastním křemennému sklu a přispívá k utlumení optického výkonu. Příčinou jsou náhodné změny rozložení molekul ve skle, které vytváří různé nehomogenity v rozložení indexu lomu podél vlákna a působí jako tzv. rozptylová centra. Intenzita rozptýleného záření však roste s vlnovou délkou, tedy modré světlo je roztylováno více než červené. Tento jev je nazýván jako Rayleighův zákon. Pásmo propustnosti křemenného skla je tedy na krátkovlnné straně spektra ohraničeno Rayleighovým rozptylem a na dlouhovlnné straně infračerveným absorbčním pásem [2]. Disperze Disperze je rozptyl energie světla v čase, její vliv je přímo úměrný délce vlákna, kterým paprsek proletěl. U optických vláknech se vyskytují tři základní druhy disperzí z nichž jedna se dále dělí podle jejího zdroje. Vidová disperze, Mode Dispersion, DMOD(λ). Jednotlivé vidy se šíří vláknem rozdílnými rychlostmi, jejich vzájemnou interferencí tak na konci vlíkna vzniká signál rozšířený, který zasahuje svou šířkou do okolních bitů. Přesahuje rozhodovací úrovně. Vidová disperze se uplatňuje pouze u mnohavidových vláken. Její vliv je daleko nejvýznamější [2]. Celková chromatická disperze, Chromatic Dispersion, DCH(λ).Tvoří ji součet vlivů disperze materiálové, vlnovodové (geometrické) a profilové. DCH(λ) = DMAT(λ) + DWG(λ) + DP(λ)
(1)
Její vliv je výrazně menší než disperze vidové. Jednotlivé vlnové délky se šíří různou rychlostí. Podmínka nulové chromatické disperze: DMAT(λ) + DP(λ) = DWG(λ)
(2)
Materiálová disperze, Material Dispersion, DMAT(λ). Jednotlivé vlnové délky se šíří různou rychlostí z důvodu nedokonalého materiálového složení vlákna.
13-2
2007/13 – 27.4.2007 Vlnovodová disperze, Waveguide Dispersion, DWG(λ). Jednotlivé vlnové délky se šíří různou rychlostí z důvodu různých rychlostí šíření jádrem a pláštěm optického vlákna. Závisí především na geometrické konstrukci vlákna. Její hodnota je srovnatelná s disperzí materiálovou. Profilová disperze, Profile Dispersion, DP(λ). Jednotlivé vlnové délky se šíří různou rychlostí, což je způsobeno závislostí profilu indexu lomu jádra a pláště na vlnové délce. Může se vzájemně kompenzovat s materiálovou disperzí. Závislost se projevuje až u vysokých přenosových rychlostí. Polarizační vidová disperze, Polarization Mode Dispersion, DPMD(λ). Je způsobena fyzikální podstatou světla vyplývající z teorie polarizace světla – jeho šířením ve dvou složkách v horizontální a vertikální rovině dvěma „vidy“, které se optovláknovým vlnovodem šíří nestejnou rychlostí. V optovláknových systémech se nejčastěji šíří vlna kruhově polarizovaná. Do jisté míry jde o náhodný jev díky předem neodhadnutelným parametrům optické trasy. Druhy optických vláken Jednovidová optická vlákna se momentálně definují podle ITU-T na tyto druhy: G.652a, b, c,d; G.653a, b; G.654a, b, c; G.655c, d, e; G.656 [11][12][13]. Vlákno typu G.652a je standardní jednovidové vlákno 9/125. Označované jsou někdy jako USF (UnShifted Fiber) nebo také jako vlákno MC (Matched Cladding), vzhledem k typické skokové změně indexu lomu na rozhraní jádro/obal. Je optimalizováno pro použití na vlnové délce 1 310 nm, na které má také nulovou disperzi. Může pracovat také na 1 550 nm, ovšem pro toto pásmo není optimalizované. Typická hodnota chromatické disperze na 1 550 nm je 17 ps/nm-km, útlum asi 0,2 dB/km a polarizační disperze je menší než 0,1 ps/km. Vlákna typu G.652b bývá označováno jako DC (Depressed Cladding) neboli vlákna s vnořeným indexem lomu. Index lomu pláště v okolí jádra je nižší než v samotném plášti. Vlákna typu G.652c/d je relativně nový typ vlákna, které lze provozovat v celém rozsahu vlnových délek a využít tak všechna přenosová okna. Toto je možné díky schopnosti vyrobit vlákno bez úlumu vlivem rezonancí na absorbovaných iontech OH~, které se normálně do vlákna dostávají při výrobě. Použití hlavně pro systémy, kde přenos probíhá v pásmu vlnových délek od 1 285 nm až po 1 625 nm, hodí se tedy pro systémy vlnového multiplexu. Typické hodnoty útlumu na 1 550 nm jsou 0,2 dB/km. Vlákna typu G.653 jsou konvenční vlákna, která mají potlačenou chromatickou disperzi na vlnové délce 1 550 nm. Jsou označována jako DSF (Dispersion Shift Fiber) neboli vlákna s posunutou disperzni charakteristikou. Používá se pro vyšší přenosové rychlosti na velké vzdálenosti, ovšem pouze pro přenos s jednou vlnovou délkou, nehodí se pro systémy vlnového multiplexu. Při použití vlnového multiplexu jednotlivé vlnové délky překrývají, a vytváří tak přeslechy. U hodnoty polarizační disperze je maximální hodnota PDQ kabelu snížena na 0, 2 ps/^/km. Vlákna typu G.654. Vlákno označované jako CSF (Cutt-off Shifted Fibre) - vlákno s posunutou mezní vlnovou délku. Používá se na vlnové délce 1 550 nm, na které má minimální útlum. Toho je doaženo použitím čistého křemičitého skla na výrobu jádra. Hlavní oblast použití je pro dálkové přenosy bez zesilovačů (např. pro podmořské trasy). Vlákna typu G.655. Značí se jako NZ-DSF (Non Zero - Dispersion Shifted Fibre), tedy vlákno s posunutou nenulovou disperzí. Jak vyplývá z názvu, mají posunutou nulovou 13-3
2007/13 – 27.4.2007 chromatickou disperzi mimo přenosové okno 1 550 nm. Má malou ale konečnou hodnotu chromatické disperze na 1 550 nm. Ta potlačuje vedlejší nelineární jevy, které způsobují problémy při použití hustého vlnového multiplexu. Existují dva typy NZ-DSF vlákna a to NZ-DSF(+) NZ-DSF(-), u kterých je nulová chromatikcá disperze posunuta před resp. za vlnovou délku 1 550 nm. Typická chro-matická dispeze na 1 550 nm je asi 4,5 ps/nm-km, útlum 0,2 dB/km a polarizační disperze 0,1 ps/km. Použití především již u zmíňeného hustého vlnového multiplexu, dálkové trasy a velmi vysoké rychlosti. Vlákna typu G.656. Toto vlákno můžeme považovat za vylepšené vlákno G.655, použití v pásmech S, C a L, pro WDM systémy, kdy v S pásmu dostaneme minmálně dalších 40 kanálů (při použití hustého vlnového multiplexu). Má nenulovou hodnotu chromatické disperze v pásmu 1 460 nm - 1 625 nm. Polarizace světla Polarizace světla je fyzikální jev určený směrem vektoru intenzity elektrického pole ε(r,t) a jeho závislostí na čase. Pro monochromatické světlo se všechny tři složky vektoru ε(r,t) sinusově mění s časem. jejich amplitudy a fáze však mohou obecně nabývat různých hodnot, takže se v každém bodě r pohybuje koncový bod vektoru ε(r,t) v rovině v níž opisuje obecně elipsu. Vláknovou optiku však můžeme považovat za paraxiální a proto lze vlny přibližně považovat za transverzálně elektromagnetické vlny (TEM), vektor intenzity elektrického pole leží v rovině kolmé k ose z (v rovině x-y) a koncový bod vektoru r opisuje kružnici. Proto je vlna kruhově polarizovaná. Na obrázku 1 je ukázána rotace koncového bodu elektrického pole v rovině x-y v dané poloze z a momentka trajektorie koncového bodu vektoru elektrického pole v daném čase t [6].
Obrázek 1 - rotace koncového bodu elektrického pole v rovině x-y v dané poloze z a momentka trajektorie koncového bodu vektoru elektrického pole v daném čase t. Pro potřeby matematických simulací polarizační vidové disperze budeme dále uvažovat pouzeparaxiální optiku, kruhově polarizované světlo a jediný dominantní vid ve vlákně. U kruhové polarizace φ = +π/2 rozlišujeme pravotočivou a φ = -π/2 levotočivou polarizaci v závislosti na směru rotace elektrického pole ve či proti směru pohybu hodinových ručiček. Maticový popis teorie polarizace světla je příliž obsáhlý pro tuto práci. je uveden přehledně například v literatuře [2] a [1]. Matematický aparát Jonesova a Stokesova prostoru a Pointingův vektor bude použit při vývoji zmiňovaných aplikací. Současné techniky plánování optických tras Pokrok v optických komunikacích umožnil problémy útlumu a chromatické disperze prakticky zanedbat při plánování vysokorychlostních optických spojů [8]. Jedným skutečným problémem zůstává polarizační vidová disperze PMD, která se na degeneraci
13-4
2007/13 – 27.4.2007 vysokorychlostního signálu podílí měrou sice zdaleka ne největší, ale nejvýznamější pro svou neodstranitelnost. Mezinárodní telekomunikační unie ITU stanovila limity pro maximální hodnoty PMD [11]. V praxi se však častěji užívá deklarace 1/10 doby trvání jednoho signálového prvku, ale ve skutečnosti jsou trasy projektovány s ještě o řád lepšími parametry. V tabulce 1 jsou všechna doporučení přehledně srovnána. tab. 1 doporučení ITU a limity PMD přenosová rychlost SDH
155 Mb/s 622 Mb/s STM-1
STM-4
2,5 Gb/s
10 Gb/s
40 Gb/s
STM-16
STM-64 STM-256 100,47 ps 25,12 ps
trvání jednoho bitu
6,43 ns
1,61 ns
401,88 ps
limit PMD ITU
640 ps
160 ps
40 ps
10 ps
2,5 ps
limit PMD deklarace 1/10
643 ps
161 ps
40,1 ps
10 ps
2,51 ps
<32
<8
<2
<0,5
<0,125
koeficient PMD na 400 km ps/ km
Současné softwarové možnosti projektanta optických tras jsou vynikající, ale právě řešení problémů s PMD jsoudo jisté míry velmi omezené. Existuje celá řada nástrojů pro tvorbu projektové dokumentace i podrobných výpočtů poměrů znehodnocujících vlivů na přenášený signál. Některé se vyznačují příjemným prostředím umožňujícím přehledně graficky plánovat, jiné jsou zaměřeny spíše developersky pro pokusy na trasách a testování různých variant. V následujícím odstavci jsou popsány všechny dostupné návrhové programy. OptSim - je intuitivní modelovací a simulační prostředí společnosti RSoft podporující návrh a stanovení výkonnosti fyzické vrstvy (přenosové části) optických komunikačních systémů. Jako jedniný z uvedených umožňuje volit hodnotu PMD optických vláken. Není však možné sledovat pouze tento parametr ani tvořit jakékoliv parametrické simulace. Aplikace pouze zahrne vliv PMD do všech nepříznivých vlivů trasy, vykreslí diagram oka pro zvolený modulační kmitočet a umožní výsledné hodnoty exportovat do prostředí MatLab. EXFO Optical software - aplikace vyvinutá speciálně pro zpracování výstupů měřících přístrojů EXFO, chybí jakákoliv možnost trasu konfigurovat či měnit vstupní parametry. FIBERCORE - Polarisation Mode Dispersion Emulators – jsou emulátory pro měření. Jedná se o hardwarové řešení složící k emulaci imaginární optické trasy. Chybí jakákoliv možnost trasu konfigurovat či měnit vstupní parametry. OpTaliX –simulátor geometrické optiky, možnost simulovat optické přenosy, sledovat parametrické změny indexu lomu, útlumu prostředí, pohyblivě graficky vyobrazovat výsledky v závislosti na parametrech. Simulace disperzních vlivů je však možná pouze pro chromatickou disperzi. Soubor simulačních programů OptiWave – jedná se o japonský software boužel s absencí anglického jazykového prostředí. Součástí souboru jsou jednotlivé aplikace OptiSystem (sloužící pro jednotlivý návrh optických tras s možností kalkulace útlumu a chromatické disperze), OptiBPM (VB skript sloužící pro konformní mapování), OptiGratings (mřížkové struktury sloužící k parametrickému rozkladu světla; vhodné pouze jako školní
13-5
2007/13 – 27.4.2007 pomůcka), OptiFiber (umožňuje simulace měnících se parametrů vlákna mimo PMD) a OptiAmplifier (simulátor optických zesilovačů). Žádná z uvedených projekčních pomůcek však neobsahuje simulace PMD ani neumožňuje jakýmkoliv způsobem zobrazovat výslednou hodnotu PMD na základě dynamicky se měnících parametrů trasy. Závěr Článek obsahuje souhrn základních vlivů prostředí optického vlákna na přenášený signál, obsahuje analýzu současných médií pro optovláknové přenosy, analyzuje vlivy polarizace světla na vysokorychlostní přenosy a pojednává o současných návrhových a projekčních možnostech plánování optických tras. Součástí je i popis největšího problému páteřních optických tras – polarizační vidové disperze s uvedením limitů a jejich zdůvodnění. Článek má poukázat na nedostatečnou možnost využití současných projektových aplikací pro uspokojivý návrh optických tras zahrnující kalkulaci vlivů polarizační vidové disperze. Literatura Publikace: [1] Galtarossa A., Menyuk C.R.: Polarization Mode Dispersion, Springer, Padova, ISBN 0-387-23193-5 [2] Saleh, B. E. A., Teich, M. C.: Základy fotoniky II, Matfyzpress, Praha, 1994, ISBN 80-85863-01-4 [3] Fischer, S., Randel, K., Petermann, J.K. PMD outage probabilities of optical fiber transmission systems employing bit-to-bit alternate polarization, IEEE Photonics Technology Letters, Volume: 17, Issue: 8, pp. 1647-1649, August 2005. [4] Martin Hájek, Petr Holomeček: Měření chromatické a polarizační vidové disperze jednovidových optických tras, CABLEX, České Budějovice 2002 [5] Martin Hájek: Zkušenosti s měřením polarizační vidové disperze (PMD) jednovidových optických kabelových tras, OPTICKÉ KOMUNIKACE, Praha 2002 [6] Damask J. N.: Polarization Optics in Telecommunications, Springer, New York 2004 ISBN 0-387-22493-9 [7] KYSELÁK, M. The Optimalization of the High-Speed Optical Networks, Wave and Quantum Aspects of Contemporary Optics, XV Czech-Polish-Slovak Optical Conference. Technical University Liberec, Czech Republic, 2006. s. 75 (1 s.). ISBN: 80-86742-13-X. [8] KYSELÁK, M. Způsoby řešení polarizační vidové disperze u stávajících optických tras, Optické komunikace 2006. Praha: Agentura Action M, 2006. s. 85-174. ISBN: 80-86742-16-4. [9] KYSELÁK, M. FILKA, M. KOVÁŘ, P. Novell Approach to the Solution of Optical Fibre Dispersion Effects, Telecommunications and Signal Processing TSP - 2006. Brno, 2006. s. 25-28. ISBN: 80-214-3226-8. [10] KYSELÁK, M. Moderní způsoby řešení disperzních vlivů optických vláken, Jemná mechanika a optika, 2006, roč. 5, č. 05, s. 1-3. ISSN: 0447-6441. Doporučení ITU: [11] ITU-T Recommendation G.652: Characteristics of a single-mode optical fibre cable. ITU-T, April1997 [12] ITU-T Recommendation G.653: Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fibre cable. ITU-T, April1997 13-6
2007/13 – 27.4.2007 [13] ITU-T Recommendation G.655: Characteristics of a nan-zero dispersion shifted single-mode optical fibre cable. ITU- T J October 1996 Skriptum: [14] ŠKORPIL, V. Vysokorychlostní komunikační technologie, VUT – Ústav telekomunikací, 2002, ISBN 80-214-2244-0
13-7
