Облако Тэгов

Мультиплексирование с пространственным разделением каналов

multicore fiber

Потребность в увеличении мощности магистральных систем дальней связи актуальна во всем мире. Недавние эксперименты в данной области продемонстрировали возможность существенного улучшения пропускной способности, в том числе и для подводных систем дальней связи. В подходах рассматривались различные технологии — современные форматы модуляции, предкоррекция ошибок (FEC), усиление широкополосных оптических сигналов и другие. Наибольшее увеличение пропускной способности систем и энергоэффективности (PE) обеспечило мультиплексирование с пространственным разделением (SDM).

 

Для трансокеанских систем передачи энергоэффективность особенно важна — электрическая мощность обычно поступает по кабелю от ближайшего берега и требует высокого напряжения для преодоления потерь на тысячекилометровых дистанциях. Доступная мощность для каждого ретранслятора ограничена, так как максимальное напряжение в кабеле лимитируется установленными правилами проектирования самого кабеля (состояние сухого и влажного). Именно поэтому энергоэффективность является крайне значимым фактором при проектировании высокопроизводительных подводных систем.

 

Группа инженеров из компании TE SubСom, Итонтаун, Нью-Джерси (отраслевой пионер в подводных коммуникационных технологиях) тщательно проработала возможности технологии мультиплексирования с пространственным разделением (SDM) для подводной передачи на дальние расстояния. В рамках проведенного исследования, основная задача которого заключалась в поиске наиболее эффективных способов увеличения мощности и системной энергоэффективности, были также исследованы пределы мощности систем передачи, достижимые с помощью технологии многоядерного волокна (MCF) и технология широкополосного усиления в C- и L-диапазонах (т. е. для диапазонов длин волн 1530-1560 и 1570-1608 нм соответственно).

 

При экспериментальной демонстрации трансокеанской передачи сигнала с полосой пропускания ~22 нм и выходной мощностью 12 дБм было использовано 12-ядерное волокно MCF, энергоэффективный формат модуляции и оптимизированные волоконные усилители на основе волокна легированного эрбием (EDFA). В совокупности эти технологии позволили продемонстрировать потенциальную передачу при общей скорости в 105,1 Тб/с на 14 352 км по 12-ядерному MCF. При этом было задействовано 12 усилителей EDFA с общей мощностью накачки 800 мВТ на один лазер и передачей сигнала по технологии SDM.

 

Восьмимерный (8D) формат кодовой модуляции (CM), основанный на амплитудной фазовой модуляции (APSK), построен из двух групп и 4D-символов, схожих по форме и количеству точек, используемых ранее форматов. 8D-APSK представляет собой гибрид пары символов квадратурной фазовой модуляции (QPSK) и пары символов APSK. Структура 8D-APSK, полученная при измерениях «спина к спине», показана на рисунке 1 (b).

 

Для поляризационного мультиплексирования 8D-APSK (PDM-8D-APSK) требуется оптическое отношение сигнал/шум (OSNR), которое примерно на 0,8 дБ ниже, чем PDM-QPSK для тех же заголовков FEC и той же спектральной эффективности. Этот уровень чувствительности приемника позволяет снизить выходную мощность ретранслятора и, следовательно, обеспечивает более высокое значение PE.

multicore fiber 1

Рисунок 1.(a) Настройка циркуляционного контура. 12 пролетов в испытательном стенде петли состоят из отдельных ядер в 12-ядерном волокне. Используя вводные и выводные устройства, отдельные ядра волокна могут быть подключены к одномодовым волоконно-оптическим усилителям EDFA. Эта установка также включает в себя специфичный для контура EDFA (LS EDFA) контроллер синхронной поляризации контура (LSPC) и переключатель выбора длины волны (WSS), который выполняет выравнивание усиления один раз для каждого цикла. TX: передатчик, RX: приемник, MCF: многоядерное волокно. (b) Структура 8D-APSK, полученная при измерениях «спина к спине»

 

Трасса передачи сигнала, использованная в эксперименте, построена на одной 46-километровой катушке из 12-ядерного волокна с устройствами для ввода и вывода сигнала. Все 12 ядер MCF имеют очень схожие физические характеристики (затухание, эффективную площадь сечения и дисперсию), а низкие перекрестные помехи между ними позволяют построить традиционную циркуляционную петлю с одним встроенным переключателем. Использование 12-ти одномодовых EDFА позволило компенсировать потерю каждой секции (ядра), как показано на рисунке 1 (a). Стенд включает в себя усилитель, специфицированный для петли, контроллер синхронной поляризации петли и переключатель длины волны, который выполняет выравнивание усиления после цикла.

 

Исследователям удалось повысить энергоэффективность EDFA C-диапазона, оптимизировав ширину и местоположение рабочего участка спектра. Это позволило уменьшить пульсацию усиления, а также избавиться от необходимости выравнивать усиление в каждом усилителе (выравнивание усиления добавляет дополнительные вносимые потери и требует большей мощности накачки). Исследователи получили Q-коэффициенты для каждого канала из 10 наборов измерений, каждый из которых содержит четыре миллиона выборок после передачи через 14 352 км MCF, рисунок 2. Все наборы данных были обработаны независимо и декодированы без ошибок с использованием автономного цифрового сигнала обработки и алгоритмов обработки FEC. В результате эксперимента пропускная способность ядра составила 8,76 Тб/с, что соответствует 12-ядерной структуре с пропускной способностью 105,1 Тб/с.

multicore fiber 2

Рисунок 2. Измеренные Q-факторы для 82 каналов после передачи через 14350 км MCF

 

Для исследования пределов пропускной способности на трансокеанских расстояниях с помощью MCF необходима более широкая оптическая полоса пропускания. Поэтому во втором эксперименте исследователи использовали усиление в C- и L-диапазонах для передачи 520 Tб/с на 8 832 км. Для демонстрации были объединены одноступенчатые усилители C- и L-диапазонов с использованием фильтров для мультиплексирования и демультиплексирования по длинам волн формата 4D CM (4D-6/8-16APSK). Данный формат обеспечил повышение чувствительности приемника на 1,0 дБ по сравнению со стандартным 8QAM15 при той же спектральной эффективности. Распределение, зафиксированное в измерениях «спина к спине», показано на рисунке 3. Результаты передачи сигнала после прохождения через 8 832 км волокна показаны на рисунке 4. Передача информации через 270 каналов со скоростью 160 Гбит/с обеспечивает пропускную способность 43,2 Тб/с. При 12-ядерном MCF это соответствует скорости передачи 520 Тб/с и коэффициенту емкость-расстояние до 4,59 Эб/с*км. Разница между максимальным и минимальным Q-факторами, полученная при 10-ти измерениях, свидетельствует о высоком уровне стабильности системы.

multicore fiber 3

Рисунок 3. Распределение 4D-6 / 8-16APSK, записанное в измерениях «спина к спине»

 

multicore fiber 4

Рисунок 4. Результаты передачи 270 кодированных модулированных каналов после 8830 км

 

Исследователи продемонстрировали, что использование технологии MCF позволяет одновременно улучшить пропускную способность и энергоэффективность трансокеанских систем передачи. С помощью данной технологии была показана возможность трансокеанской передачи большого объема информации. Благодаря использованию энергоэффективного формата модуляции 8D-APSK состоялась передача 105,1 Тб/с по 12-ядерному волокну более чем на 14 352 км, а исследование пределов мощности для трансокеанских систем SDM определило потенциальную пропускную способность —  520 Tб/с на 8 832 км с коэффициентом емкость-расстояние до 4,59 Эб/с*км (при использовании 12-ядерной MCF, СМ и EDFA, работающих в С- и L-диапазонах).

 

Работая над увеличением пропускной способности и повышением эффективности систем дальней связи, ученые планируют и дальше использовать передовые технологии в своих исследованиях и разработках.

 

По материалам http://spie.org