Возвращение к истокам

Выбор оптического волокна — важнейший этап построения и модернизации сетей связи, ведь волокно — не просто среда, по которой передаются информационные потоки, это стратегические инвестиции. Прокладка волоконно-оптического кабеля — дело дорогостоящее. Срок службы кабельной инфраструктуры составляет не один десяток лет, за это время сменяется несколько поколений электронной аппаратуры, и оператор должен быть уверен, что новое оборудование, поддерживающее все более высокие скорости, сможет гарантированно работать по проложенным волокнам. Очень важно (и вместе с тем крайне сложно) попытаться спрогнозировать, какие сетевые системы и приложения потребуются завтра, и с учетом их характеристик выбрать волокно «на перспективу».

В своем развитии кабельные системы практически всегда опережали активное сетевое оборудование. Тому есть немало примеров. Скажем, первые оптические волокна с нулевым «водяным пиком» были разработаны в конце 90-х годов прошлого века — используемые до этого волокна имели характерный максимум потерь в окрестности 1383 нм вследствие поглощения света на гидроксильных ионах (см. Рисунок 1). Коммерческие же системы, в полной мере использующие преимущества таких волокон (16-канальные системы CWDM), стали появляться на рынке только в 2003 году… Через пару-тройку лет в выигрыше окажутся те операторы, которые сегодня выберут волокна, разработанные с учетом специфики технологии 100G, а в идеальном случае имеющие потенциал для поддержки возможных решений 400G и 1000G.

Рисунок 1. Затухание типичного оптического волокна.

ТОЧКИ УСИЛЕНИЯ

Распространяясь по волокну, световые импульсы постепенно ослабевают, и если уровень полезного сигнала станет ниже уровня шума, информация будет потеряна. Затухание света возникает вследствие трех фундаментальных причин. Первая связана с его рассеянием на имеющихся в волокне неоднородностях и/или примесях. Концентрация и размеры неоднородностей во многом определяются технологией производства волокна. Примеси же часто добавляют в него специально, например для изменения показателя преломления. По этой причине коэффициент затухания в многомодовых волокнах (где больше примесей) выше, чем в одномодовых. Вторая причина — поглощение света на различных инородных вкраплениях, например, частицах металла или уже упомянутых гидроксильных ионах, дающих «водяной пик». Наконец, третья причина — наличие микро- или макроизгибов. Микроизгибы могут появиться, например, при сильном стягивании оптического кабеля жгутом или сдавливании его каким-либо тяжелым предметом, и тогда в результате деформации сердцевины волокна часть световой энергии выходит за ее пределы. Макроизгибы являются следствием несоблюдения предельно допустимого минимального радиуса изгиба кабеля и еще больше усиливают затухание сигнала. Проблемы, связанные с изгибами, встают наиболее остро при построении сетей доступа, для магистральных сетей они менее актуальны.

Чтобы не допустить ослабления сигнала ниже определенного уровня, при передаче на дальние расстояния его необходимо периодически усиливать. Типовое расстояние между усилительными пунктами составляет 75 км. Расчет здесь довольно прост: предположим, для примера, что коэффициент затухания составляет 0,25 дБ/км, а допустимый бюджет (динамический диапазон оборудования) — 20 дБ, получим дальность 80 км. Если учесть еще затухание на стыках волокна и предусмотреть некоторый запас, как раз и получим те самые 75 км. Заметим, что, применив волокно с более низким коэффициентом затухания, скажем, 0,20 дБ/км (а такой показатель типичен для длины волны 1550 нм), можно примерно на 25% увеличить допустимое расстояние между усилительными пунктами, а это при построении линий дальней связи даст весьма существенную экономию капитальных затрат.

Самый известный способ усиления оптического сигнала без его преобразования в электрический формат связан с использованием волокна, легированного эрбием. Соответствующий усилитель (Erbium Doped-Fiber Amplifier, EDFA) содержит, как правило, около 20 м такого волокна и лазер накачки, мощный световой луч которого возбуждает ионы эрбия. Возвращаясь на исходный энергетический уровень, эрбий отдает свою энергию в форме дополнительных фотонов, находящихся в той же фазе и передающихся в том же направлении, что и усиливаемый сигнал. В свое время именно технология EDFA предопределила успех систем DWDM на магистралях дальней связи: периодически усиливаемый с помощью недорогих EDFA-усилителей оптический сигнал может преодолевать расстояния в несколько тысяч километров без дорогостоящей электрической регенерации. При массе достоинств усилители EDFA имеют серьезные ограничения — они работают в довольно узких диапазонах частот: C- или L-диапазоне — 1530–1560 нм и 1570–1610 нм соответственно.

Другой способ основан на эффекте вынужденного рамановского рассеяния и позволяет усиливать сигнал на любой длине волны в рабочих диапазонах систем оптической связи. При обычном рамановском рассеянии фотон с частотой υ₁ при рассеянии на молекуле вещества отдает ей часть энергии и образует фотон с меньшей частотой υ₂. Если информацию передавать на частоте υ₂, а мощность сигнала накачки на частоте υ₁ сделать достаточно большой, то рамановское рассеяние становится вынужденным (длина волны лазера накачки на 80 нм меньше длины волны, несущей информацию). В результате обычное волокно превращается в распределенный усилитель с коэффициентом усиления, пропорциональным накачке. В коммерческой эксплуатации рамановские усилители появились только в начале 2000-х годов. Они дороже и сложнее в эксплуатации, чем усилители EDFA.

Усиление оптического сигнала может происходить и путем его полной регенерации, когда он преобразуется в электрический, а затем обратно в оптический (O – E – O). Очевидно, что при таком преобразовании устраняются все искажения, возникшие в ходе передачи по оптическому тракту.

ЕЩЕ НЕМНОГО ФИЗИКИ

Помимо затухания, серьезным врагом передачи оптических сигналов с большой скоростью на дальние расстояния является дисперсия, или уширение импульсов в процессе передачи. При большом уширении происходит перекрытие импульсов, что делает невозможным выделение информационных сигналов на приеме. Для одномодового волокна существует два основных типа дисперсии: хроматическая и поляризационная модовая (ПМД).

Хроматическая дисперсия состоит из двух составляющих: материальной и волноводной. Первая обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны (свойство материала), вторая — зависимостью условий распространения моды от длины волны (свойство волокна как волновода). Эти составляющие могут иметь противоположный знак и различаться характером зависимости от длины волны. В результате на определенной длине волны суммарная хроматическая дисперсия оказывается равной нулю. Для классического одномодового волокна длина волны нулевой дисперсии находится в окрестности 1350 нм. Меняя соотношение между материальной и волноводной дисперсией, можно передвигать точку нулевой дисперсии, что активно используется разработчиками волокон (см. ниже).

Дисперсия ПМД возникает из-за различий в скорости распространения двух взаимно перпендикулярных составляющих передаваемого сигнала (в одномодовом волокне в действительности распространяется не одна, а две моды — перпендикулярные поляризации исходного сигнала). В идеальном волокне эти моды распространялись бы с одной скоростью, однако реальные волокна всегда имеют неидеальную геометрию, что и приводит к разнице в скорости. Вследствие статистической природы поляризационной дисперсии при увеличении длины волокна в четыре раза ее значение увеличивается только в два раза — другими словами, коэффициент ПМД пропорционален корню квадратному длины, поэтому этот параметр указывается в пс/√км.

Первые обсуждения влияния ПМД на работу систем связи начались в середине 80-х годов прошлого века, но тогда мало кто мог предположить, что этот вид дисперсии придется учитывать при решении практических вопросов выбора и эксплуатации волоконно-оптических систем связи. Долгие годы невысокие скорости в сетях связи и небольшие расстояния между регенераторами позволяли не обращать внимания на ПМД. Однако в современных высокоскоростных линиях большой протяженности именно ПМД часто становится ограничивающим фактором. Заметим, что если хроматическую дисперсию довольно просто компенсировать установкой соответствующих модулей, то компенсация ПМД — процесс более сложный и не всегда эффективный.

ПОПУЛЯРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ

В сетях операторов связи одномодовые оптические волокна используются значительно чаще, чем многомодовые. Их классификация обычно производится в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т серии G.65x. Хотя в них всего лишь фиксируются некие усредненные характеристики, уже достигнутые в инновационной продукции ведущими производителями волокон, именно они служат своеобразными реперными точками для потребителей.

В сетях связи наиболее широкое распространение получило классическое волокно с несмещенной дисперсией, свойства которого описаны в рекомендации МСЭ-Т G.652. Характеристики этого волокна оптимизированы для работы во втором окне прозрачности (1310 нм), где оно имеет очень низкую хроматическую дисперсию. Кроме того, это волокно может использоваться в третьем окне прозрачности (1550 нм) и даже в четвертом (1625 нм). Совершенствование технологии дегидрации позволило «сгладить» гидроксильный пик между вторым и третьим окнами прозрачности (см. Рисунок 1), что открыло новые возможности по более эффективному использованию технологии WDM. Характеристики волокна с несмещенной дисперсией и «сглаженным» гидроксильным пиком определены в рекомендациях МСЭ-Т G.652C и G.652D.

Последние 10–15 лет, борясь с «водяным пиком», производители волокон также активно «двигали» по спектру хроматическую дисперсию. В свое время казалось заманчивым передвинуть точку нулевой хроматической дисперсии во второе окно прозрачности (1550 нм), где затухание меньше, чем в первом. Идея была реализована в волокнах со смещенной дисперсией (Dispersion-Shifted Fiber, DSF, рекомендация G.653). Однако при внедрении систем передачи DWDM выяснилось, что наличие длины волны нулевой дисперсии в рабочей области создает проблемы: организация нескольких спектральных каналов увеличивает мощность в сердцевине волокна, что приводит к нелинейным эффектам, негативное воздействие которых оказывается наибольшим именно при значении хроматической дисперсии, близком к нулю.

Для решения этой проблемы были разработаны новые волокна, в которых точка нулевой дисперсии вынесена за пределы рабочей области. Они получили название волокон со смещенной ненулевой дисперсией (Non-Zero DSF, NZDSF, G.655) и являются вторыми по степени распространенности после волокон G.652D. Практически все новые кабельные линии имеют в своем составе хотя бы несколько волокон G.655. Следует отметить, что спецификации МСЭ-Т G.652 довольно жестко определяют параметры волокна, поэтому соответствующие данным спецификациям продукты разных производителей различаются не слишком сильно и могут достаточно хорошо сопрягаться между собой. Этого нельзя сказать о волокнах G.655: здесь отличия могут быть весьма существенными, что чревато проблемами при их сопряжении. Например, при сварке волокон NZDSF разных поставщиков с различными параметрами могут возникать значительные потери в месте соединения, что необходимо учитывать при расчете оптического бюджета линии связи.

Одним из последних документов МСЭ-Т в отношении характеристик оптического волокна стала рекомендация G.656. В ней предусмотрен расширенный рабочий диапазон (от 1460 до 1625 нм), для которого специфицированы и хроматическая дисперсия, и коэффициент затухания, что открывает более широкие возможности для развертывания и функционирования систем CWDM и DWDM. Во всем указанном диапазоне коэффициент хроматической дисперсии волокон G.656 должен иметь положительное значение не менее 1 пс/(нм×км) и не более 14 пс/(нм×км). Кроме того, от схожих по характеристикам волокон G.655 новые волокна отличает несколько меньший диаметр модового поля.

Для всех обсуждаемых типов волокон максимально допустимый коэффициент ПМД специфицирован на уровне 0,2 пс/√км. Но характеристики волокон, выпускаемых ведущими производителями, как правило, превосходят требования стандартов. Так, ПМД в линии (Link Design Value, LDV) для лучших образцов волокон таких компаний, как Corning, Draka Comteq и OFS (подразделение Furukawa), не превышает 0,04 пс/√км.

100-ГИГАБИТНАЯ ПЕРЕСТРОЙКА

Традиционно в системах оптической связи сигналы кодировались по простейшему алгоритму «без возврата к нулю» (Non Return to Zero, NRZ). Значения битов представлялись двумя уровнями мощности оптического сигнала, причем изменение уровня мощности означало переход от 0 к 1 (или от 1 к 0) в исходном коде, а отсутствие изменения показывало, что значения предыдущего и последующего битов равны. Увеличение скорости достигалось сужением оптических импульсов, и при переходе на 40-гигабитные, а особенно на 100-гигабитные скорости это вызывает массу проблем.

Во-первых, с ростом скорости необходимо обеспечить существенное увеличение минимального соотношения сигнал/шум, требуемого для достижения приемлемого уровня битовых ошибок. По оценкам экспертов компании Corning, при сохранении формата NRZ для перехода с 10 на 40 Гбит/с это соотношение надо увеличить на 6 дБ, а для перехода на 100 Гбит/с — на 10 дБ. Во-вторых, значительно ужесточаются требования к уровню ПМД и хроматической дисперсии: с ростом скорости допустимое значение первой характеристики снижается линейно, второй — квадратично. Наконец, в-третьих, импульсы NRZ могут не поместиться в сетке 50 ГГц систем спектрального уплотнения, которую стремятся использовать многие операторы для более эффективного расходования канальных ресурсов.

Решить эти проблемы на уровне кабельных систем оказалось крайне сложно, поэтому усилия разработчиков были направлены на создание нового метода модуляции. В настоящее время наиболее перспективным для 100-гигабитных систем считается квадратичная фазовая манипуляция (QPSK) с двойной поляризацией (Dual Polarization, DP). Эта технология позволяет использовать для передачи информации две ранее не задействованных в системах оптической связи характеристики — фазу и поляризацию. Механизм DP дает возможность удвоить пропускную способность канала путем поляризационного мультиплексирования — каждая из ортогональных поляризационных мод применяется для независимой передачи информации. В свою очередь манипуляция QPSK позволяет передавать 2 бита при одном перескоке фазы (2 бита на символ): например, последовательность битов «10» может инициироваться сдвигом по фазе π/2, а последовательность «01» — 3π/2. Все это обеспечивает высокую спектральную эффективность.

Для работы с модуляцией DP-QPSK потребовался новый тип приемника, который способен распознавать обе поляризационные составляющие и фазу поступающего оптического сигнала. Такие приемники стали называть когерентными, этот же термин часто применяют для всей системы передачи, основанной на модуляции DP-QPSK. По сравнению с традиционными приемниками, воспринимающими только уровень сигнала, когерентный приемник позволяет использовать больше параметров, а следовательно, может работать на более низкой частоте (с меньшей скоростью передачи символов). Последнее обстоятельство способствует применению более дешевых компонентов и упрощению процесса производства. Но, пожалуй, самым главным является тот факт, что, собирая максимально полную информацию о сигнале, когерентные приемники имеют значительно больше возможностей по компенсации негативного влияния дисперсии путем цифровой обработки сигнала в процессорах ASIC самого приемника. А это значит, что требования к такой характеристике волокна, как ПМД, а также к точности компенсации хроматической дисперсии снижаются!

Специалисты компании Ciena провели тестирование, в ходе которого лучшие результаты при передаче 100G с использованием модуляции DP-QPSK были достигнуты тогда, когда компенсация хроматической дисперсии осуществлялась не в самой линии (с помощью традиционных модулей компенсации дисперсии), а в терминале когерентным приемником (см. Рисунок 2). В тестировании использовались три варианта волокон G.652 с разными показателями потерь и три варианта волокон G.655 с разными показателями потерь и дисперсии. Наилучшим оказался вариант волокна G.652 с самым низким коэффициентом потерь — 0,17 дБ/км.

Рисунок 2. Штраф по мощности (reach penalty) для разных типов волокон при различном уровне компенсации дисперсии в линии.

Согласно данному тестированию, протяженность 100-гигабитных трактов с волокнами G.652 в среднем может быть на 55% больше, чем протяженность трактов с волокнами G.655. Главными причинами столь феноменального превосходства эксперты Ciena называют меньшее (примерно на 15%) затухание сигнала в волокнах G.652, а также большую площадь эффективного сечения таких волокон. Последнее обстоятельство снижает негативные нелинейные эффекты, что очень важно для систем с модуляцией DP-QPSK.

РЕВОЛЮЦИЯ ИЛИ ЭВОЛЮЦИЯ?

Указывают ли приведенные выше результаты на необходимость кардинального пересмотра требований к оптическим волокнам? Как отмечают представители Corning, даже если формат модуляции DP-QPSK станет стандартом для высокоскоростных систем дальней связи, оптическая компенсация хроматической дисперсии долго будет сосуществовать с электронной. При этом производители оборудования DWDM получат возможность свободно выбирать диапазон компенсации дисперсии и ПМД, что должно повысить экономическую эффективность решений.

Кроме того, они отмечают, что хотя переход на технологию DP-QPSK снижает уровень требований к соотношению сигнал/шум (при сохранении необходимого показателя BER), рост скорости передачи заставляет искать способы повышения этого соотношения. Это позволяет сделать волокна с большей площадью эффективного сечения, более низким коэффициентом нелинейности и меньшим затуханием. Все перспективные разработки ведутся с учетом данных обстоятельств.

По мнению Александра Микилева, директора по маркетингу российского филиала OFS, вследствие быстрой смены поколений активного оборудования, многозадачности в настоящем и непредсказуемости развития волоконно-оптических систем передачи, оправданным решением для линий дальней связи является использование нескольких типов волокна (например, G.652D/G.655 или G.652D/G.656) в одном кабеле. Он приводит следующий пример: дисперсия волокон G.652D в несколько раз больше, чем у волокон G.655, что может считаться недостатком первых, так как ведет к увеличению стоимости систем 10 Гбит/с. Однако при скорости передачи 40 Гбит/с может оказаться, что малая дисперсия волокон G.655 недостаточна для подавления нелинейных эффектов, и оптимальными будут волокна G.656.

По-видимому, в такой серьезной области, как инфраструктура сетей дальней связи, резких изменений ждать не приходится — слишком велика цена просчета. И все же пришедшие вместе со 100-гигабитной технологией когерентные методы передачи корректируют основной вектор развития оптических волокон. Компенсация дисперсии будет постепенно переходить на электронный уровень, а физики-оптики вернутся к улучшению фундаментальных характеристик волокна, таких как коэффициент затухания. Начатая 40 лет назад эра инноваций в оптической связи еще далека от завершения.

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.