Przemysław Krehlik, MOŻLIWOŚĆ STOSOWANIA BEZPOŚREDNIO MODULOWANYCH LASRÓW W ŁĄCZACH ŚWIATŁOWODOWYCH 10 Gb/s W WARUNKACH ZNACZĄCEJ DYSPERSJI CHROMATYCZNEJSesja: Światłowody w sieciach telekomunikacyjnych.Akademia Górniczo-Hutnicza

Pełen tekst

(1)www.pwt.et.put.poznan.pl. Przemysław Krehlik Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Elektroniki al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków e-mail: krehlik@agh.edu.pl. 2005. Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8 - 9 grudnia 2005. MOŻLIWOŚĆ STOSOWANIA BEZPOŚREDNIO MODULOWANYCH LASRÓW W ŁĄCZACH ŚWIATŁOWODOWYCH 10 Gb/s W WARUNKACH ZNACZĄCEJ DYSPERSJI CHROMATYCZNEJ Streszczenie: W pracy zbadano możliwość stosowania bezpośrednio modulowanych laserów w łączach pracujących z prędkością 10 Gb/s w oknie 1550 nm, w warunkach niekompensowanej dyspersji chromatycznej. Przyjmując typowe parametry produkowanych obecnie laserów określono ograniczenie zasięgu transmisji, wynikające w rozważanym przypadku ze współoddziaływania migotania bezpośrednio modulowanego lasera z dyspersją chromatyczną światłowodu. Badania symulacyjne poparto weryfikacją eksperymentalną.. 1. WSTĘP Przepływność 10 Gb/s stanowi pewną granicę stosowania układów nadawczych z bezpośrednią modulacją lasera. Wynika to po pierwsze z ograniczonego pasma modulacji lasera, wynoszącego typowo 5 ... 15 GHz. Najszybsze produkowane seryjnie lasery specyfikowane są do prędkości 10 Gb/s, a próby ich modulacji z większymi szybkościami nie prowadzą do obiecujących rezultatów [1]. Po drugie, modulacja bezpośrednia powoduje migotanie (ang. chirp) długości fali emitowanego sygnału optycznego, którego intensywność narasta wraz ze zwiększaniem prędkości modulacji. Znaczące migotanie jest nieakceptowalne w systemach o gęstym zwielokrotnieniu falowym (ang. DWDM), oraz w sytuacji dużej dyspersji chromatycznej światłowodu. Alternatywą dla bezpośredniej modulacji lasera jest zastosowanie modulatora elektroabsorpcyjnego lub modulatora Mach-Zender’a. Pozwala to na modulację z prędkością rzędu 40 Gb/s, przy niewielkim (w przypadku modulatora Mach-Zender’a - praktycznie zerowym) migotaniu sygnału optycznego. Jednakże układy nadawcze z zewnętrzną modulacją lasera są wielokrotnie droższe od popularnych laserów przeznaczonych do modulacji bezpośredniej, i dlatego nieracjonalne jest ich stosowanie tam, gdzie nie jest to niezbędne. Zagadnienie wydaje się szczególnie aktualne w kontekście potencjalnego zwiększenia przepływności w sieciach metropolitalnych, gdzie obecnie stosuje się układy nadawcze z modulacją bezpośrednią, pracujące do 2,5 Gb/s. Ze względów ekonomicznych stosuje się (ewentualnie) proste zwielokrotnienie falowe (CWDM), wobec umiarkowanej szybkości oraz dystansów transmisji nie stosuje się technik kompensacji dyspersji chromatycznej, ani specjalnych światłowodów o zredukowanej dyspersji w III oknie transmisyjnym. Najprostszym i najtańszym sposobem zwiększenia przepływności byłoby. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. zatem zwiększenie szybkości modulacji do 10 Gb/s, bez modernizacji infrastruktury światłowodowej. Celem niniejszej pracy będzie zatem określenie, czy układy nadawcze z bezpośrednią modulacją lasera umożliwiają transmisję ze wspomnianą szybkością na odległości charakterystyczne dla sieci miejskich, w warunkach niekompensowanej dyspersji chromatycznej w oknie 1550 nm. 2. NARZĘDZIA SYMULACYJNE Przedstawione w następnym rozdziale badania symulacyjne prowadzone były w układzie o strukturze pokazanej na rys. 1. Symulowany tor transmisyjny pobudzany był przez losowe lub konkretnie zdefiniowane sekwencje binarne. Efekt ograniczonej stromości narastania/opadania prądu na wyjściu układu sterującego laser, a także wpływ pasożytniczych reaktancji połączeń układu sterującego z laserem, oraz obudowy z „chipem” lasera zamodelowano w postaci liniowego filtru dolnoprzepustowego 4-go rzędu, o częstotliwości granicznej ok. 4 GHz. Ponieważ dolnoprzepustowy model interfejsu elektrycznego nie odpowiada konkretnemu, dającemu się pomierzyć fragmentowi fizycznego układu eksperymentalnego, jego parametry dobrano tak, by uzyskać zgodność symulowanych przebiegów na wyjściu lasera z wynikami pomiarów układu eksperymentalnego (por. rozdz. 4). Generator sekwencji binarnych. Model interfejsu elektr.. Laser „wewnętrzny”. Światłowód. Układ odbiorczy. Rys. 1. Układ symulacyjny Model lasera składa się z dwu części: pierwsza modeluje dynamikę lasera, pozwalając określić czasowy przebieg mocy optycznej w funkcji prądu sterującego, natomiast druga modeluje migotanie długości fali emitowanego sygnału. Dynamikę lasera zamodelowano standardowym układem różniczkowych równań bilansu. 1/5.

(2) www.pwt.et.put.poznan.pl. (ang. rate equations). Zainteresowanych postacią tych równań i znaczeniem sporej niestety liczby ich parametrów odsyłam do bogatej literatury, np. [2, 3, 4]. Wstępne wartości liczbowe parametrów modelu zaczerpnięto z pracy [5]. Drogą „prób i błędów” nieznacznie zmodyfikowano niektóre parametry, by ostatecznie uzyskać zgodność symulacji z pomiarami (por. rozdz. 4). Migotanie lasera zamodelowano korzystając z zależności [2]: · α § 1 dPL (t ) (1) ¨¨ ∆ν (t ) = + κPL (t ) ¸¸ , 4π © PL (t ) dt ¹ gdzie ∆ν (t ) oznacza chwilową dewiację częstotliwości optycznej, α - tzw. współczynnik poszerzenia linii (ang. line enhancement factor), κ - współczynnik migotania adiabatycznego, wreszcie PL (t ) - chwilową wartość emitowanej mocy optycznej. Pierwszy czynnik sumy w powyższym równaniu opisuje migotanie dynamiczne (ang. transient chirp), drugi migotanie adiabatyczne (ang. adiabatic chirp). Ponieważ w rozważanej tu sytuacji znacznej dyspersji chromatycznej migotanie prowadzi do zniekształceń sygnału limitujących osiągalny zasięg transmisji, kluczową sprawą jest rzetelna znajomość współczynników równania modelującego migotanie. Niestety, producenci nie specyfikują tego typu parametrów, a dane występujące w literaturze naukowej dotyczą często przestarzałych bądź eksperymentalnych konstrukcji laserów. Dlatego autor opracował własną metodę pomiaru parametrów migotania, opisaną w [6]. Wyniki pomiarów trzech różnych laserów przedstawia tab. 1. Tab. 1. Wyznaczone parametry migotania laserów Typ lasera, producent PT3563 Photon C15D Lasermate DFBLD-15-05 AOC. α. κ [Hz/W]. 2.7. 8.0*1012. 3.15. 4.8*1012. 9.1. 10.5*1012. gdzie faza φL (t ) jest całką z chwilowej dewiacji częstotliwości optycznej lasera: t. (3). 0. Transmitancja światłowodu dla obwiedni zespolonej ma postać: c πc 2 , (4) h (t ) = j exp(− j t ) zD λ2 zD λ2 gdzie z jest długością światłowodu, D - współczynnikiem dyspersji chromatycznej, λ centralną długością fa-. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. PO (t ) = E L (t ) ∗ h (t ). 2. .. (5). Układ odbiorczy zamodelowano transmitancją zgodną z określoną dla odbiornika referencyjnego w zaleceniach ITU [8] oraz IEEE [9], tzn. transmitancją dolnoprzepustową Bessla 4-go rzędu o częstotliwości granicznej 7,5 GHz. Całość symulacji zaimplementowano w środowisku Matlab/Simulink. 3. BADANIA SYMULACYJNE W niniejszym rozdziale przedstawiona zostanie próba określenia osiągalnych zasięgów transmisji w systemie z bezpośrednio modulowanym laserem nadawczym pracującym w oknie 1550 nm, przy założeniu dyspersji chromatycznej typowej dla standardowego światłowodu jednomodowego (17 ps/nm*km), oraz tłumienia 0,2 dB/km. W funkcji długości łącza wyznaczona zostanie jakość odbieranego sygnału scharakteryzowana dwoma parametrami wykresu oczkowego: pionowym rozwarciem oczka, oraz skupieniem miejsc przejścia sygnału przez poziom wartości średniej. Pionowe rozwarcie oczka y (patrz rys. 2) określono jako wysokość prostokątnego obszaru (o szerokości 0,2 UI), umieszczonego symetrycznie w polu oczka. Przyjęcie niezerowej szerokości obszaru, w którym analizowane jest pionowe rozwarcie oczka odzwierciedla nieidealność fazy próbkowania sygnału oraz niezerową apreturę rzeczywistego układu decyzyjnego.. y. W prezentowanych poniżej symulacjach przyjęto wartości liczbowe uzyskane dla lasera PT3563, użytego również w eksperymencie sprzętowym. W modelowaniu zniekształceń sygnału powstających w dyspersyjnym światłowodzie posłużono się koncepcją odpowiedzi impulsowej światłowodu dla zespolonej obwiedni sygnału optycznego [7]. Obwiednię tę można zapisać w postaci: (2) E L (t ) = PL (t ) exp[ jφL (t )] ,. φL (t ) = 2π ³ ∆ν (t )dt .. li lasera. (We wzorze (4) pominięto dla uproszczenia czynniki związane z propagacyjnym opóźnieniem sygnału, oraz z jego tłumieniem.) Ostatecznie przebieg mocy optycznej na wyjściu światłowodu określony jest zależnością:. ∆t. Rys. 2. Określenie analizowanych parametrów oczka Ponieważ w trakcie badań okazało się, że wynikająca z migotania i dyspersji degradacja oczka prowadzić może do jego znacznej asymetrii, wyznaczono też rozwarcie oczka w przypadku optymalnie przesuniętego zarówno progu, jak i fazy komparacji sygnału. Na rys. 2 jest to wysokość obszaru zaznaczonego linią szarą, odpowiadającego w przedstawionej sytuacji nieco opóźnionej fazie próbkowania sygnału oraz wyraźnie obniżonemu progowi komparacji. Szerokość obszaru przejść sygnału przez poziom wartości średniej ( ∆t ) opisuje możliwość odtworzenia z odbieranego sygnału przebiegu zegarowego; duża szerokość tego obszaru implikuje duży jitter lub wręcz niemożność synchronizacji pętli fazowej układu odtwarzania zegara.. 2/5.

(3) www.pwt.et.put.poznan.pl. 5 wsp. ekst. 6 dB. rozwarcie oczka [dBm]. 0. wsp. ekst. 3 dB wsp. ekst. 2 dB próg czułości ukł. odbiorczego. -5. -10. -15. -20 0. 10. 20. 30. 40. składnikami migotania. Niestety, zależność rozwarcia oczka od dystansu jest wtedy niemonotoniczna i silnie zależna od konkretnych wartości liczbowych przyjętych w modelu migotania. Nie należy zatem przypisywać tym przypadkom większej użyteczności technicznej. 5 wsp. ekst. 6 dB. 0. rozwarcie oczka [dBm]. Parametrem, który w analizowanej sytuacji w ewidentny sposób wpływa na jakość odbieranego sygnału jest współczynnik ekstynkcji (wygaszania) emitowanego przez laser sygnału optycznego. Z jednej strony większa ekstynkcja oznacza większą rozpiętość między poziomami sygnału w stanie niskim i wysokim (czyli większą „wysokość” emitowanego oczka), z drugiej strony powoduje ona większe migotanie (por. zależność (1)), czyli większą podatność na dyspersyjne zniekształcenie sygnału. Dlatego symulacje przeprowadzono w trzech wariantach modulacji mocy lasera: między 0,5 mW w stanie niskim a 2 mW w stanie wysokim (ekstynkcja 6 dB), między 1 mW a 2 mW (ekstynkcja 3 dB), oraz między 1,25 mW a 2 mW (2 dB). Należy zaznaczyć, że celowo utrzymywano stały, duży poziom mocy w stanie wysokim, a zmniejszanie głębokości modulacji realizowano przez podnoszenie mocy stanu niskiego. Poruszanie się w obszarze możliwie dużych mocy wyjściowych lasera jest korzystne z dwu powodów: po pierwsze lepsze są wtedy własności dynamiczne lasera (szersze pasmo modulacji, mniejsze przeregulowania na zboczach sygnału, mniejsze nieliniowości dynamiczne), po drugie mniejsze jest wtedy migotanie dynamiczne (por. zależność (1)). Na rys. 3 przedstawiono rozwarcie oczka w zależności od długości łącza, określone dla przypadku typowej, symetrycznej co do fazy jak i poziomu komparacji dyskryminacji sygnału. Rozwarcie oczka określono w jednostkach bezwzględnych (dBm), aby można je było odnieść bezpośrednio do czułości układu odbiorczego. Typową czułość zintegrowanego modułu fotodiodawzmacniacz transimpedancyjny (ang. PD-TIA) przyjęto za danymi producentów [10, 11].. wsp. ekst. 3 dB wsp. ekst. 2 dB próg czułości ukł. odbiorczego. -5. -10. -15. -20 0. 10. 20. 30. 40. 50. długość światłowodu [km]. Rys. 4. Zależność rozwarcia oczka od dystansu transmisji dla optymalnej (niecentralnej) fazy i poziomu dyskryminacji sygnału Jak wspomniano powyżej analizowano też wpływ degradacji sygnału na możliwość poprawnego odtworzenia z niego przebiegu zegarowego. To, czego można się było spodziewać, to postępujące stopniowo wraz ze zwiększaniem dystansu transmisji poszerzenie obszaru przejść sygnału przez poziom wartości średniej ( ∆t określone na rys. 2), a zatem w konsekwencji pewien jitter odtworzonego zegara. Jednakże zaobserwowano dodatkowo zjawisko nowe jakościowo, polegające na pojawianiu się, dla dużych dystansów, wielokrotnych przejść sygnału przez poziom wartości średniej (poziom komparacji). Sytuację taką przedstawia rys. 5. Nietrudno dojść do wniosku, że w przypadku takim poprawna synchronizacja pętli fazowej układu odtwarzania zegara nie jest możliwa. Zatem sygnał, mimo że układa się w zasadniczo czytelne oczko, wydaje się być nieinterpretowany w klasycznym systemie transmisji szeregowej, w którym przebieg zegarowy odtwarza się z sygnału danych.. 50. długość światłowodu [km]. Rys. 3. Zależność rozwarcia oczka od dystansu transmisji Z rysunku można (wstępnie!) wywnioskować, że niezależnie od głębokości modulacji lasera osiągalny zasięg wynosi dwadzieścia kilka kilometrów. Nieco lepsze rezultaty („bezpieczny” zasięg rzędu 30 km) można uzyskać przyjmując optymalnie dobrane fazę i poziom dyskryminacji sygnału (rys. 4). Należy jednak zwrócić uwagę, że praktyczna realizacja takiego rozwiązania byłaby wysoce kłopotliwa. Na obydwu omawianych powyżej rysunkach można zauważyć, iż dla bardzo płytkiej modulacji lasera pewna „otwartość” oczka występuje też dla większych dystansów transmisji, nawet rzędu 50 km. Wynika to z subtelnych interakcji między dynamicznym i adiabatycznym. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. Rys. 5. Wykres oczkowy z zaznaczonym obszarem wielokrotnych przejść sygnału przez poziom komparacji Rys. 6 przedstawia szerokość obszaru przejść sygnału przez poziom wartości średniej. Wykresy urywają się dla dystansów, powyżej których występują przejścia wielokrotne. Widać zatem, że w aspekcie odtwarzania zegara zmniejszanie ekstynkcji (głębokości modulacji) lasera daje wymierne korzyści; przy współczynniku ekstynkcji rzędu 2...3 dB poprawne odtworzenie zegara wy-. 3/5.

(4) www.pwt.et.put.poznan.pl. poz. 3, który ma znacząco większy parametr α osiągalny dystans transmisji okazał się ponad trzykrotnie mniejszy, co potwierdza kluczowe w badanym kontekście znaczenie efektu migotania.. daje się możliwe dla dystansów do ok. 30 km, podczas gdy przy ekstynkcji 6 dB zaledwie do ok. 15 km. 1 wsp. ekst. 6 dB. 0.8. wsp. ekst. 3 dB. 4. WERYFIKACJA EKSPERYMENTALNA. wsp. ekst. 2 dB. ∆t [UI]. 0.6. W celu sprawdzenia dokładności przeprowadzonych symulacji i poprawności uzyskanych wniosków przeprowadzono eksperyment polegający na zmierzeniu rzeczywistych wykresów oczkowych dla różnych dystansów transmisji. Układ składał się z generatora sekwencji pseudolosowych, „drivera” laserowego o regulowanym prądzie polaryzacji i modulacji, lasera PT3563, wymiennych odcinków światłowodu, oraz po stronie odbiorczej z oscyloskopu samplingowego HP83480A z głowicą optyczną HP83485B o paśmie przenoszenia 30 GHz. W torze pomiarowym oscyloskopu włączony był dodatkowo filtr dolnoprzepustowy o paśmie 7,5 GHz, analogiczny do filtru występującego modelu symulacyjnym (por. rys. 1). Na rys. 7 zestawiono symulowane i zmierzone wykresy oczkowe przy współczynniku ekstynkcji 3 dB, dla dystansów 0, 19 i 38 km. Można zauważyć, że istotne cechy przebiegów symulowanych i zmierzonych są praktycznie identyczne.. 0.4. 0.2. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. długość światłowodu [km]. Rys. 6. Zależność szerokości obszaru przejść sygnału przez poziom komparacji od dystansu transmisji Podsumowując powyżej opisane badania należy stwierdzić, że uwzględniając pewne „marginesy bezpieczeństwa” możliwa wydaje się transmisja na odległości do 20...25 km. Należy jednak bezwzględnie ograniczyć współczynnik ekstynkcji lasera do ok. 3 dB. Podobne badania wykonano wprowadzając parametry modelu migotania charakterystyczne dla pozostałych laserów umieszczonych w tab. 1. Uzyskano jakościowo podobne rezultaty. Jednakże w przypadku lasera z. 0 km. 19 km. 38 km. symulacja. pomiar. Rys. 7. Porównanie symulowanych i zmierzonych wykresów oczkowych. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 4/5.

(5) www.pwt.et.put.poznan.pl. 5. WNIOSKI W przeprowadzonych badaniach wykazano, że współczesne, produkowane seryjnie stosunkowo niedrogie bezpośrednio modulowane lasery DFB MQW pracujące w oknie 1550 nm umożliwiają transmisję z szybkością 10 Gb/s na dystansach do ok. 20...30 km, przy wykorzystaniu standardowego światłowodu, bez stosowania technik kompensacji dyspersji chromatycznej. Warto jednak jeszcze raz podkreślić, iż rzetelna ocena osiągalnych zasięgów wymaga konkretnej wiedzy o parametrach migotania przewidzianych do zastosowania laserów, co wymaga z reguły samodzielnego przeprowadzenia odpowiednich pomiarów. W trakcie prowadzonych eksperymentów ustalono, że ograniczenie dystansu transmisji wynika nie tyle z zamknięcia się wykresu oczkowego, co z niemożliwości odtworzenia przebiegu zegarowego, spowodowanej wielokrotnymi przejściami zboczy sygnału przez poziom komparacji. Wskazano, że w celu osiągnięcia wspomnianych wyżej zasięgów niezbędne jest zastosowanie o wiele mniejszego niż typowo współczynnika ekstynkcji lasera, rzędu 3 dB. SPIS LITERATURY [1] B. Huiszoon i in., „Cost-Effective Up to 40 Gb/s Transmission Performance of 1310 nm Directly Modulated Lasers for Short- to Medium-Range Distances”, Journal of Lightwave Technology, 23, 1116-1124 (2005) [2] G.P. Agrawal, N.K. Dutta, Long-Wavelength Semiconductor Lasers, Van Nostrand Reinhold, New York, 1993. [3] L.A. Coldren, S.W. Corzine: Diode lasers and photonic integrated circuits, Wiley, New York, 1995 [4] G. Morthier, P. Vankwikelberge: Handbook of distributed feedback laser diodes, Boston, Artech House, 1997 [5] P. V. Mena, S. M. Kang, T. A. DeTemple, "Rateequation-based laser models with a single solution regime," Journal of Lightwave Technology , 15, 717-730, (1997) [6] P. Krehlik „Characterization of semiconductor laser frequency chirp based on signal distortion in dispersive optical fiber”, praca złożona do druku w OptoElectronics Review; w recenzji [7] B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, Willey 1991. [8] Standard ITU-T G.957 [9] Standard IEEE 802.3ae [10] www.okioptical.com [11] www.hamamatsu.com. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 5/5.

(6)