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

Нелинейные оптические усилители на кабельных линиях связи операторов: теория и практика
Владимир Мягкий
директор департамента телекоммуникационных сетей

Россия наряду с другими странами за очень короткий промежуток времени совершила прорыв в развитии телекоммуникационной отрасли. Кажется, совсем недавно само понятие электросвязи стойко ассоциировалось в нашем понимании 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, dial up, постепенно изживают себя решения, построенные на технологии DSL.

В настоящий момент рост пропускной способности приобрел 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, как 50%. Рост пропускной способности каналов у абонента привел к необходимости расширения полосы магистральных и внутризоновых каналов.

2.jpg

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 Гигабит 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 свои существующие линии до максимально достижимого уплотнения всех имеющихся волокон.

Важнейшим критерием применимости оборудования на магистральных сетях операторов стала протяженность участка ВОЛС без промежуточного усиления. Еще 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 затраты на 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 EDFA уже не могло обеспечить необходимый прорыв как в увеличении протяженности, так и в расширении полосы, поскольку эти усилители характеризуются недостаточным отношением сигнал/шум при больших коэффициентах усиления.

Выход был найден - решение проблемы состояло в использовании нелинейных эффектов в оптическом волокне для построения оптических усилителей.

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

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

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, возникающее при мощности 10 мВт, получило название вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), а второе, возникающее при мощностях накачки около 1 ВТ, получило название вынужденного Рамановского или комбинационного рассеяния (ВКР).

Особенность двух явлений заключается в том, что интенсивности этих рассеяний могут увеличиваться до сотни миллионов раз по сравнению с основным сигналом, что позволило 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. Препятствием для использования данного открытия на настоящем этапе развития оптической науки и техники служит недостаточная широкополосность, из-за чего пока удается усиливать только одну длину волны, а также различные побочные явления (например, воздействие волны обратного рассеяния). Скорее всего, через несколько лет в оптических системах появятся усилители, использующие эффект ВРМБ, а на страницах различных изданий опубликуют подробные описание серийных усилителей на основе ВРМБ.

Эффект Рамана свободен от указанных выше 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 году. Сегодня же 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 эти усилители в широкополосных системах спектрального уплотнения DWDM. Коэффициенты усиления промышленных Рамановских усилителей достигают 20-30 дБ.

Однако не стоит считать усилители EDFA пережитком прошлого. Во-первых, усилители, построенные на эффекте Рамана не слишком дешевы и, применять их на участках волоконно-оптической сети небольшой протяженности, как минимум, неоправданно. Кроме того, опыт внедрения этих решений даже на длинных участках показал определенные особенности этой аппаратуры, затрудняющие её 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. Такой 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 простая, 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.

3.jpg

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 расположе=нного 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. Такой сигнал, попадающий в полосу пропускания оборудования DWDM, 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 противодействия такому явлению – борьба с вредными отражениями. Как показывает опыт специалистов нашей компании, такую борьбу 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 операторов 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 число 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. Одним из способов снижения уровня вредных отражений является замена оптических соединений на соединения с «угловой полировкой торцов». Такие пигтейлы и патч-корды не часто используются на сетях, однако наш опыт подтверждает, что ряд участков специалистам СТЭП ЛОДЖИК удалось запустить именно таким способом. Уверен, что после проведения указанных мероприятий число проблем на данной трассе уменьшится еще на 20-30 процентов. Физическая природа этого явления проста и будет понятна практически любому технически подготовленному специалисту: интенсивность отражения от плоскости стыка двух поверхностей, расположенной под углом, отличным от 90 градусов, 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 вашей 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, т.к. 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. При этом нужно обратить 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, прежде всего, позволят 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 перечисленный 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 в полной мере. Ближайший к оборудованию с ВКР-усилителем оптический кросс, как правило, мало влиял или вообще не влиял на запуск трактов, хотя отражение от ближайшего стыка должно было быть самым интенсивным. При этом на нескольких участках «спрямление волокна», расположенного в 10 оптических километрах от оборудования, приводило к немедленному выходу усилителя на полную мощность.

Возможно, в дальнейшем нам или нашим коллегам удастся доказательно объяснить природу перечисленных загадок.

Мы надеемся, что описанный опыт работы сотрудников компании СТЭП ЛОДЖИК поможет специалистам в нашей общей отрасли при построении сетей связи телекоммуникационных компаний.


Назад к экспертным мнениям
Подписаться на обновления методики КИИ