Нелинейные оптические усилители на кабельных линиях связи операторов: теория и практика

Myagkiy_s

 

 

 

 

 

Владимир Мягкий, директор департамента телекоммуникационных сетей, ООО «СТЭП ЛОДЖИК»

 

 

 

 

Россия наряду с другими странами за очень короткий промежуток времени совершила прорыв в развитии телекоммуникационной отрасли. Кажется, совсем недавно само понятие электросвязи стойко ассоциировалось с обычным телефоном с вращающимся диском и вечными короткими гудками. Последние несколько лет основной тенденцией развития телекоммуникационного рынка является непрерывный рост пропускной способности каналов связи. Уже забыт доступ в Интернет при помощи набора номера, dialup, постепенно изживают себя решения, построенные на технологии DSL.

Сегодня повышение пропускной способности приобрело лавинообразный характер в связи с наводнением телекоммуникационного рынка новейшими решениями в области широкополосного доступа, предлагающими каждому абоненту доступ к различным услугам на скоростях, которые еще несколько лет назад считались настоящим достижением операторов связи.

Еще пару лет назад аналитики предсказывали следующую тенденцию роста проникновения услуг широкополосного доступа (рис. 1).

Российский телекоммуникационный рынок опередил эти достаточно оптимистические прогнозы, и уже сегодня проникновение услуг широкополосного доступа в домовладения оценивается в 50%. Увеличение пропускной способности каналов у абонента привело к необходимости расширения полосы магистральных и внутризоновых каналов.

Рис. 1. Прогнозная кривая проникновения услуг ШПД в домовладения (факт и прогноз 2012 г.)

Еще в начале прошлого десятилетия на смену маломощным системам передачи на ВОЛС (PDH, SDH) пришли многоканальные системы со спектральным уплотнением, позволяющие организовать в одном волокне десятки каналов пропускной способностью 10, 40, 100 Гбит в секунду каждый.

В последние годы производители оборудования систем передачи нацелены на увеличение количества каналов и пропускной способности каждой «лямбды». Уже сейчас многие операторы расширяют существующие линии до максимально достижимого уплотнения всех имеющихся волокон.

Важнейшим критерием применимости оборудования на магистральных сетях операторов стала протяженность участка ВОЛС без промежуточного усиления. Всего несколько лет назад подобная проблема была характерна только для трансконтинентальных линий связи и объяснялась сложностью регенерации сигнала на протяженном подводном участке ВОЛС. Сегодня рыночные условия требуют от операторов минимизировать затраты на приобретение оборудования и эксплуатацию узлов связи на всех участках. Возникает простейшая закономерность: чем меньше на трассе узлов связи с оборудованием, тем более эффективными являются капиталовложения в создание современной телекоммуникационной инфраструктуры. Описанная закономерность характерна не только для телекоммуникационного рынка России, поэтому производители оборудования длительное время искали метод увеличения энергетических характеристик трассы ВОЛС. Улучшение характеристик оптических усилителей по технологии EDFAуже не могло обеспечить прорыв ни в увеличении протяженности, ни в расширении полосы, поскольку эти усилители характеризуются недостаточным отношением сигнал/шум при высоких коэффициентах усиления.

Выход был найден – использование нелинейных эффектов в оптическом волокне для построения оптических усилителей.

Эффект, который позволил телекоммуникационному оборудованию перейти на новый уровень, был открыт еще в далеком 1928 г. группой индийских физиков под руководством Чандрасекхара Венката Рамана и получил название Рамановского рассеяния, а сам ученый был удостоен за свое достижение Нобелевской премии.

Целью статьи не является описание теории построения нелинейных усилителей, однако прежде чем перейти к анализу опыта внедрения нелинейных усилителей на сетях связи российских операторов, необходимо привести несколько заключений теоретического характера.

Суть эффекта Рамана заключается в вынужденном неупругом рассеянии, при котором фотон падающего пучка (в современных оптических системах это пучок лазерной накачки, установленный в усилителе) распадается на фотон меньшей частоты и фонон. При этом возникает так называемая Стоксова волна, имеющая частоту, равную разности частот накачки и основного сигнала.

Необходимо упомянуть о достижениях других выдающихся ученых. Так, при разных мощностях накачки возникают два различных рассеяния, одно из них, при мощности 10 мВт, получило название вынужденного рассеяния Мандельштама – Бриллюэна (ВРМБ), второе, при мощности накачки около 1 ВТ, – вынужденного Рамановского или комбинационного рассеяния (ВКР).

Особенность двух явлений заключается в том, что интенсивности рассеяний могут увеличиваться до сотни миллионов раз по сравнению с основным сигналом, что позволяет использовать нелинейные эффекты при разработке волоконно-оптических усилителей. Если правильно выбрать частоту сигнала накачки для каждого эффекта и рабочего диапазона, то на выходе усилителя прибора мы получим значительно усиленный основной сигнал.

На нынешнем этапе развития науки и техники явление ВРМБ пока не нашло практического применения в виде завершенного изделия вследствие недостаточной широкополосности, в результате чего удается усиливать пока только одну длину волны, а также различные побочные явления (например, воздействие волны обратного рассеяния). Скорее всего, через несколько лет в оптических системах появятся усилители, применяющие эффект ВРМБ, а на страницах этого и иных изданий опубликуют подробные описание серийных усилителей на основе ВРМБ.

Эффект Рамана свободен от указанных неприятных особенностей, именно поэтому Рамановские усилители появились на свет раньше ВРМБ-усилителей и внедрены в современное телекоммуникационное оборудование. Первый серийный усилитель был представлен в 2012 г. Сегодня практически все ведущие производители телекоммуникационного оборудования предлагают решения на базе Рамановских усилителей.

Ширина полосы пропускания Рамановских усилителей составляет 5–10 ТГц, что позволяет успешно применять их в широкополосных системах спектрального уплотнения DWDM. Коэффициенты усиления промышленных Рамановских усилителей достигают 20–30 дБ.

Однако не стоит считать усилители EDFAпережитком прошлого. Во-первых, усилители, построенные на эффекте Рамана, не дешевы и использовать их на участках волоконно-оптической сети небольшой протяженности, как минимум, неоправданно. Во-вторых, опыт внедрения подобных решений даже на продолжительных участках показал определенные особенности этой аппаратуры, затрудняющие ее применение.

Если обратиться к истории, то мы увидим, что связисты всегда стремились создать разветвленные сети с большим количеством промежуточных пунктов для облегчения вывода трафика в любом направлении. Данный подход считался грамотным и гибким планированием. Многие инженеры справедливо гордились тем, что им удалось так спланировать сеть, что на одном промежуточном кроссе можно было сделать коммутацию практически любых направлений обычным патч-кордом.

Все эти решения, которые формировались годами и аккуратно вносились в кроссовую ведомость, стали злейшими врагами трактов, использующих ВКР-усилители.

Причина проста и заключается она в опасных для приемных трактов оборудования отражениях сигнала накачки от оптических стыков.

Рассмотрим это явление для схемы включения Рамановского усилителя с накачкой назад или встречной накачкой (рис. 2).

Волна накачки распространяется навстречу основному слабому сигналу и, взаимодействуя с ним, образует обратную Стоксову волну, усиленную до рабочего уровня приемных трактов оборудования. В то же время мощный сигнал накачки доходит до близко расположенного стыка оптических волокон на кроссе. Отраженный от этого стыка сигнал возвращается в приемные тракты оборудования. При существенной неоднородности, а также при небольшом расстоянии до стыка отраженный сигнал обладает немалой мощностью. Попадая в полосу пропускания оборудования DWDM, он может со временем повредить входные чувствительные тракты оборудования.

Для защиты от подобных повреждений производители оборудования включают в состав Рамановских усилителей специальные схемы анализа уровня отраженного сигнала, которые автоматически снижают мощность сигнала накачки и не позволяют усилителю выйти на расчетные/максимальные коэффициенты усиления, вследствие чего на участке ВОЛС не достигаются необходимые энергетические характеристики трактов.

Единственный способ противодействовать такому явлению – борьба с вредными отражениями. По опыту нашей компании, ее приходится вести практически на всех участках с Рамановским усилением. После успешного запуска большого количества линий на таких усилителях был сделан вывод, что сложности с запуском обусловлены не нехваткой квалификации инженеров, а особенностями существующих кабельных линий и культурой их содержания. Последовательная реализация рекомендуемых ниже мероприятий во всех случаях применения привела специалистов нашей компании к положительному результату.

Первая и наиболее распространенная причина неполной работоспособности усилителей – влияние банальных загрязнений на коммутируемых соединениях. К сожалению, в последние годы службы эксплуатации не уделяют должного внимания регулярным процедурам по поддержанию оптических стыков в идеальной чистоте. В связи с этим мы можем дать ряд рекомендаций. Все коммутируемые оптические соединения необходимо тщательно очистить от загрязнений, причем банальная продувка контактов не даст никакого результата, равно как и использование чистящих лент и других способов очистки. Без применения микроскопа все перечисленные способы бесполезны. Необходимо последовательно тщательно очистить все коммутируемые соединения на кроссах и патч-кордах на оптическом расстоянии, не меньшем чем примерно 10 км от места установки Рамановского усилителя встречной накачки. На работу нашего усилителя будет влиять только одно волокно, которое присоединено к Рамановскому усилителю, но мы рекомендуем привести в эксплуатационную готовность оба тракта и правильно произвести очистку всех стыков на кабельном участке от передатчика до приемника.

Как правило, после добросовестного выполнения перечисленных действий количество неработоспособных или частично работоспособных трактов уменьшается примерно вдвое. Не удивляйтесь, если на одном и том же участке одно из направлений заработает, а встречное, абсолютно идентичное по длине и маршруту, откажется работать. Это распространенное явление для трактов с нелинейными усилителями, и означает оно лишь то, что проблему надо искать по трассе вблизи некорректно работающего ВКР-усилителя.

Следующие мероприятия по «запуску» усилителей являются более сложными и неприятными для кабельной инфраструктуры.

Определите ближайшие к неработающему на расчетной мощности усилителю оптические стыки. Один из способов снижения уровня вредных отражений – замена оптических соединений соединениями с «угловой полировкой торцов». Подобные пигтейлы и патч-корды не часто используются на сетях, однако наш опыт подтверждает, что ряд участков специалистам «СТЭП ЛОДЖИК» удалось запустить именно таким способом. После проведения указанных мероприятий количество проблем на данной трассе уменьшится еще на 20–30%. Физическая природа этого явления проста и будет понятна любому технически подготовленному специалисту: интенсивность отражения от плоскости стыка двух поверхностей, расположенной под углом, отличным от 90°, существенно ниже, чем и обусловлено снижение мощности отраженного сигнала. Не забудьте после замены пигтейлов и патч-кордов еще раз выполнить очистку стыков от загрязнений с обязательным использованием микроскопа.

Дальнейшие меры по улучшению характеристик линии связаны с существенными изменениями кабельной инфраструктуры.

На тех участках, где, несмотря на все мероприятия, не удалось вывести усилители на максимальную мощность, придется последовательно «спрямлять» волокна на кроссах. Начать следует с ближайшего кросса. Прямое соединение оптических кабелей полностью ликвидирует влияние отражения волны накачки, поэтому после удаления всех оптических соединений на расстоянии примерно 10 км по оптическому волокну от места установки ВКР-усилителя вам удастся запустить все интервалы линии на Рамановских усилителях.

Возможно, многие специалисты станут утверждать, что описанные мероприятия основаны на «методе научного тыка», и если заранее выполнить комплекс рефлектометрических измерений на участке ВОЛС, то не придется искать проблему, так как сразу будет понятно, где «спрямлять» и где чистить. Это верно, но мы также рекомендуем перед подключением усилителей снять рефлектограммы каждого элементарного участка, чтобы определить все неоднородности в оптическом волокне. Обратите внимание на то, что в нашем случае рефлектометрические измерения необходимо проводить с двух сторон элементарного кабельного участка, чтобы достоверно получить данные по характеристикам отражений в каждом из направлений. Результаты измерений позволят прежде всего достоверно определить все неоднородности оптической трассы, к которым могут относиться некачественные сварки на муфтах, некачественные сварки на кроссах, некачественные патч-корды и повреждения волокон.

Кроме того, необходимо отметить, что на большом количестве участков после получения удовлетворительных показателей ORL (примерно –45…–50 dB) специалисты «СТЭП ЛОДЖИК» были вынуждены проводить описанный выше комплекс мероприятий для успешного запуска трактов. В то же время на ряде участков, где измеренные показатели ORL были совершенно неприемлемыми (порядка –25…–30 dB), те же самые Рамановские усилители запускались и работали безотказно.

Это еще одна загадка, которую нам не удалось разгадать. Ближайший к оборудованию с ВКР-усилителем оптический кросс, как правило, оказывал незначительное воздействие либо вообще не влиял на запуск трактов, хотя отражение от ближайшего стыка должно было быть самым интенсивным. Причем на нескольких участках «спрямление волокна», расположенного в десяти оптических километрах от оборудования, приводило к немедленному выходу усилителя на полную мощность. Возможно, в будущем нам или нашим коллегам удастся объяснить природу перечисленных загадок.

Надеемся, что опыт работы сотрудников компании «СТЭП ЛОДЖИК» поможет специалистам при построении сетей связи телекоммуникационных компаний.

Поделиться:
Спецпроект

Напряженный трафик или Современные требования к инфраструктуре ЦОД

Подробнее
Спецпроект

Специальный проект "Групповой спутниковый канал для территориально-распределенной сети связи"

Подробнее

Подпишитесь
на нашу рассылку