способ оптической передачи данных в волоконно-оптических линиях связи и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ оптической передачи данных в волоконно-оптических линиях связи, включающий генерацию периодической последовательности импульсов, определенных последовательностью битовых интервалов, модуляцию оптического сигнала в соответствии с передаваемыми данными, фильтрование импульсов для получения несущих импульсов, отличающийся тем, что импульс находится в каждом битовом интервале, фильтрованные несущие импульсы имеют длительность более одного битового интервала и плоскую (близкую к прямоугольной форме) форму в спектральной области, полосу пропускания оптического фильтра подбирают таким образом, чтобы несущие импульсы имели минимум интенсивности в центре каждого соседнего битового интервала, при этом частота оптического фильтра сдвигается относительно несущей частоты данного частотного канала для оптимизации передаточных характеристик системы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что передачу данных осуществляют с кодированием информации по разности несущих оптических фаз.

3. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее последовательно оптически связанные генератор периодической последовательности оптических импульсов, определенных последовательностью битовых интервалов, модулятор для модуляции оптического сигнала в соответствии с передаваемым сообщением, оптический фильтр для получения несущих импульсов, отличающееся тем, что оптический фильтр имеет спектральный профиль, приводящий к генерации импульсов с временным профилем длительностью более одного битового интервала, фильтр также имеет плоский (близкий к прямоугольному профилю) спектральный профиль, при этом частота оптического фильтра сдвинута относительно несущей частоты данного частотного канала для оптимизации передаточных характеристик системы.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что, с целью оптимизации передаточных характеристик системы, содержит средство контроля сдвига оптического фильтра.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к передаче оптических данных с высокой спектральной эффективностью в многоканальных волоконно-оптических линиях связи, объединенных с модуляционным форматом передачи данных.

Уровень техники

Передача оптических данных с высокой пропускной способностью, например 40 Гбит/сек, требует использования импульсов малой длительности. Уменьшение временной длительности импульса приводит к уширению спектра информационного сигнала и ограничению числа коммуникационных каналов в системах передачи данных со спектральным уплотнением оптических несущих. Например, импульс с возвращением к нулю (далее RZ импульс) при скорости передачи данных 10 Гбит/сек имеет спектральную ширину около 40 ГГц, а импульс при скоростях передачи 40 Гбит/с имеет спектральную ширину около 160 ГГц.

В схемах со спектральным уплотнением каналов информационная емкость волоконно-оптической линии связи увеличивается за счет передачи информации в различных спектральных каналах на различных частотах по одному оптоволоконному кабелю. Однако волоконные световоды имеют ограниченную полосу пропускания оптического сигнала, поэтому использование высоких скоростей передачи информации увеличивает полосу частот каждого канала, что приводит к уменьшению общего числа информационных каналов. В результате этого информационная емкость волоконно-оптической линии связи фактически не зависит от скорости передачи данных в одном частотном канале.

В настоящее время существует ряд схем, которые позволяют увеличить спектральную эффективность при высоких скоростях передачи данных путем очень узкой узкополосной фильтрации. В частности, использование оптических фильтров дает возможность получить сигналы с одной боковой полосой частот (SSB, Single SideBand) или частично подавленной боковой полосой (VSB, Vestigal SideBand) [1]. Сигнал с частично подавленной боковой полосой оказался очень эффективным для систем со спектральным уплотнением, однако максимально достижимое расстояние передачи ограничивается тем фактом, что подавленная часть спектра имеет тенденцию к восстановлению из-за нелинейностей. Поэтому VSB-фильтры предполагается использовать только на приемнике. Использование спектрально ограниченных форматов ранее исследовалось экспериментально в Morita I. et al., IEEE JLT, 2002, V.20(12), P.2182-2186 [2], однако в этой работе форма сигналов не контролировалась специальным образом.

Задачей данного изобретения было создание способа оптической передачи данных, который обеспечивает повышенную спектральную эффективность по сравнению с традиционными форматами передачи данных без уплотнения каналов по поляризации.

Сущность изобретения

Способ оптической передачи данных по многоканальным волоконно-оптическим линиям связи со спектральным уплотнением включает следующие этапы:

- генерацию периодической последовательности оптических импульсов в каждом битовом интервале, где импульс содержится в каждом битовом интервале;

- модуляцию импульсов в соответствии с передаваемыми данными;

- фильтрование исходных импульсов для получения несущих импульсов с временной длительностью более одного битового интервала.

Полосу пропускания оптического фильтра подбирают таким образом, чтобы несущие импульсы имели минимум интенсивности в центре каждого соседнего битового интервала. В этом случае эффект взаимодействия между соседними импульсами значительно уменьшается. Фильтрованные несущие импульсы имеют плоскую (близкую к прямоугольной форме) форму в спектральной области. Оптический фильтр сдвигается относительно центра данного частотного канала для оптимизации передаточных характеристик системы.

В результате предложенного способа информационный сигнал имеет относительно узкую полосу частот и эффект взаимодействия между соседними частотными каналами оказывается подавленным. Эффект перекрытия между соседними битами уменьшается за счет резонансного расположения минимума интенсивности каждого импульса в центре соседнего битового интервала.

Устройство для получения оптического информационного сигнала для коммуникационных систем со спектральным уплотнением включает в себя:

- генератор периодической последовательности оптических импульсов, определенной последовательностью битовых интервалов, где импульс содержится в каждом битовом интервале;

- модулятор для модуляции оптического сигнала в соответствии с передаваемым сообщением.

- оптический фильтр со спектральным профилем, приводящим к генерации импульсов с временным профилем длительностью более одного битового интервала.

Фильтр имеет плоский (близкий к прямоугольному профилю) спектральный профиль и сдвинут относительно центра заданного частотного канала для оптимизации передаточных характеристик оптической системы связи.

Устройство содержит средство контроля сдвига оптического фильтра с целью оптимизации передаточных характеристик системы.

Описание изобретения

На фиг.1 показан спектр импульсов до и после применения оптического фильтра. Фильтр имеет супергауссов профиль 6-го порядка с полосой пропускания 44 ГГц.

Фиг.1а показывает спектр одного частотного канала до применения оптического фильтра.

На фиг.1б представлена последовательность из восьми частотных каналов после фильтрования и мультиплексирования в системе со спектральным уплотнением и расстоянием между соседними каналами в 50 ГГц.

Фиг.2 показывает временной профиль импульса до и после фильтрования. Фиг.2а показывает импульс до фильтрования. Фиг.2б показывает временной профиль импульса после фильтрования. В данном случае длительность битового интервала равна 25 пс. Видно, что в результате фильтрования образуются импульсы с длительностью более одного битового интервала и что минимум интенсивности фильтрованного импульса находится в центре соседнего битового интервала. Данное обстоятельство позволяет минимизировать эффект перекрытия между соседними битами.

В результате воздействия оптического фильтра с идеальным прямоугольным профилем возникают импульсы с sine-образным временным профилем (точечная кривая на фиг.2), имеющие минимум интенсивности в соседних битовых интервалах. Если полоса частот фильтрованного импульса равняется В, тогда временной профиль импульса есть sinc ( Bt). Дистанция распространения оптических импульсов есть функция сдвига оптического фильтра, т.е. асимметрична относительно смещения фильтра по отношению к несущей частоте данного частотного канала. Оптимальный сдвиг зависит от формы оптического фильтра. Например, величина оптимального сдвига супер-гауссова оптического фильтра шестого порядка равна -6GHz.

На фиг.3 показан начальный Q-фактор системы (величина, характеризующая коэффициент ошибки системы) в зависимости от величины сдвига оптического фильтра для одного из частотных каналов. Приемлемым значением для современных коммуникационных систем связи считается величина Q 6. Видно, что для обычного формата передачи данных ("включено-выключено") начальная величина Q<6, что указывает на невозможность использования обычного формата данных для линий с высокой спектральной эффективностью.

Ниже рассмотрены результаты математического моделирования (Лысакова М.В., Федорук М.П., Турицын С.К., Шапиро Е.Г. Квантовая электроника, 2004, 34(9), С.857-859) [3] по распространению сигналов sin c-образной формы в N×40 Гбит/сек коммуникационной системе со спектральным уплотнением и 50 ГГц разделением между соседними частотными каналами. Периодическая секция волоконно-оптической линии связи имела следующую конфигурацию:

SMF(20 км)+DCF(6.8 км)+SMF(20 км)+EDFA

Здесь SMF - стандартное одномодовое волокно, DCF - дисперсионно-компенсирующее волокно, EDFA - волоконный эрбиевый усилитель.

Зависимость величины Q-фактора от номера канала при распространении сигнала по линии на расстояние в 1030 км показана на фиг.4. Поскольку величина Q 6 во всех 28 частотных каналах, то можно констатировать, что данный формат обеспечивает передачу оптических данных с суммарной пропускной способностью 1 Тбит/сек на расстояния до 1000 км и спектральной эффективностью S=0.8 бит/Гц/сек.

Таким образом, представленный в изобретении формат данных устойчив к перекрытию между соседними битами и обеспечивает высокую спектральную эффективность в системах со спектральным уплотнением частотных каналов.

В данном изобретении также предполагается объединить метод узкого спектрального фильтрования сигналов с новым перспективным модуляционным форматом передачи данных с кодированием информации по разности несущих оптических фаз.

В формате с кодированием по разности оптических фаз (Differential phase-shift keying, DPSK-формат) данные кодируются по разности оптических фаз между битами. В отличие от обычного двоичного формата "включено-выключено" (ООК-формат), использующего импульс для кодирования логической единицы и его отсутствие для логического нуля, в данном формате логический ноль кодируется, когда фаза оптического импульса в битовом интервале сдвинута на величину относительно предыдущего бита и логическая единица соответствует одинаковым фазам в двух соседних битах.

Рядом исследовательских групп (Лысакова М.В., Федорук М.П., Турицын С.К., Шапиро Е.Г. Квантовая электроника, 2004, 34(9), С.857-859) /4/; (А.Н.Gnauck et al., in Proc. OFC 2002, Anaheim, CA, Mar. 2002, Postdeadline Paper FC2) 151; (В. Zhu, et al., ECOC 2002, Post-deadline paper PD4.2) /6/; (Н.Bissessur, G.Charlet, E.Gohin, С Simonneau, L.Pierre, and W.Idler, Proc. ECOC 2002, paper 8.1.2.) /7/ было уже показано, что этот формат значительно улучшает качество передачи информации в оптических системах по сравнению с обычным цифровым форматом. Это обусловлено тремя причинами.

Во-первых, метод балансового детектирования в DPSK-формате обеспечивает уменьшение коэффициента ошибки (bit-error-rate, BER) пор сравнению с обычным форматом передачи данных.

Во-вторых, DPSK-формат значительно более устойчив по отношению к воздействию паразитных нелинейных эффектов на оптический сигнал, возникающих за счет кроссфазовой модуляции. В этом формате все битовые интервалы заполнены оптическими импульсами и распределение мощности от бита к биту более однородно по сравнению с обычным форматом.

В-третьих, за счет случайного сдвига фаз соседних битов можно ожидать уменьшение эффектов четырехволнового смешения. За счет уменьшения коэффициента ошибки можно увеличить расстояние между повторителями, увеличить дистанцию распространения и информационную емкость оптической системы связи.

Для линии, показанной на фиг.5, где SMF - стандартное одномодовое волокно, DCF - дисперсионно-компенсирующее волокно, FPR BPR - волоконные рамановские усилители с прямой и обратной накачкой соответственно, EDFA - волоконный эрбиевый усилитель, были выполнены расчеты по сравнению обычного двоичного формата передачи данных (ООК формат) и формата с кодированием информации по разности оптических фаз (RZ-DPSK формат.

Изолинии дистанции распространения сигнала в плоскости параметров (средняя дисперсия, средняя мощность сигнала) представлены на фиг.6. В расчетах рассматривалось 5 частотных каналов с расстоянием между соседними частотными каналами =100 ГГц и скоростью передачи данных 40 Гбит/сек в одном канале. Видно, что использование формата передачи данных с кодированием информации по разности оптических фаз значительно улучшает передаточные характеристики коммуникационной системы со спектральным уплотнением каналов.

Результаты численных расчетов позволяют выделить логические последовательности, вносящие наибольший вклад в уровень ошибок, и уменьшить вероятность появления таких последовательностей с помощью предварительного кодирования блоков двоичных сигналов. Данные численного моделирования показывают, что для линий на основе стандартного одномодового волокна с форматом передачи данных "включено-выключено" наиболее опасным с точки зрения возникновения ошибок оказывается логический триплет "101". Результаты расчетов (Shapiro E.G., Fedoruk M.P., Turitsyn S.K., Electron. Lett., 2004, 40(22), P.1436-1437) /8/, (Shapiro E.G., Fedoruk M.P., Turitsyn S.K., Proceedings Optical Fiber Conference (OFC'2005), 2005, OME60) /9/ представлены в табл.1. Здесь DL - уровень разрешимости сигнала.

Таблица 1
Triplet	DL=0.45	DL=0.46	DL=0.48
000	0	0	0
100	0	0	0
001	2	2	2
101	104	94	77
010	4	5	7
110	6	9	16
011	5	7	14
111	7	8	13

Численное моделирование прямой статистики ошибок было выполнено для линии, показанной на фиг.5 и RZ-DPSK формата передачи данных. Как видно из табл.2, наиболее опасными с точки зрения возникновения ошибок здесь оказываются логические триплеты "101" и "010".

Таблица 2
Channel Triplef	№1	№2	№3	№4	№5
111	3	13	13	15	19
110	134	171	201	211	227
101	4787	4999	5452	6008	6068
011	132	167	188	231	212
100	569	579	675	727	746
010	5727	5962	6420	6963	6941
001	571	632	657	721	820
000	6	16	21	14	21

Источники информации

1. Bigo S. et.al. Proc. ECOC 2004, paper Th2.5.

2. Morita I. et al., IEEE JLT, 2002, V.20(12), P.2182-2186.

3. Лысакова М.В., Федорук М.П., Турицын С.К., Шапиро Е.Г. Квантовая электроника, 2004, 34(9), С.857-859.

4. А.Н.Gnauck et al., in Proc. OFC 2002, Anaheim, CA, Mar. 2002, Postdeadline Paper FC2.

5. В.Zhu, et al, ECOC 2002, Postdeadline paper PD4.2.

6. Н.Bissessur, G.Charlet, E.Gohin, С Simonneau, L.Pierre, and W.Idler, Proc. ECOC 2002, paper 8.1.2.

7. X.Liu, X.Wei, R.E.Slusher, and C.J.McKinstrie, Opt. Lett., 2002, 27, P.1616-1618.

8. Shapiro E.G., Fedoruk M.P., Turitsyn S.K., Electron. Lett., 2004, 40(22), P.1436-1437.

9. Shapiro E.G., Fedoruk M.P., Turitsyn S.K., Proceedings Optical Fiber Conference (OFC'2005), 2005, OME60.