Поляризационная модовая дисперсия — угроза для работы ВОЛС на воздушных линиях электропередачи?

Опубликовано:  

автор: Ушакова Е. Ю., инженер-технолог
под ред. главного технолога Леонова Д. В.

Как известно, на сегодняшний день дисперсионные искажения являются основной причиной, сдерживающей дальнейшее увеличение скорости и дальности передачи информации в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). В процессе ввода и эксплуатации первых высокоскоростных протяженных ВОЛС выяснилось, что, несмотря на возможность полной компенсации хроматической дисперсии, увеличение ширины импульсов все же происходит. Это обусловлено фактором, который является так называемой скрытой угрозой, ввиду своей статистической природы, — поляризационной модовой дисперсией (ПМД). Таким образом, для производителей оптических кабелей связи важной задачей стало нормирование и снижение этого параметра. Но так ли сильно в действительности ПМД воздействует на рабочие характеристики волоконно-оптической системы? Попробуем это выяснить.

Чем обусловлено возникновение ПМД?
Поляризационная модовая дисперсия — это явление увеличения длительности импульса сигнала, связанное с различием скоростей распространения двух поляризаций по оптоволокну, т.е. ПМД является следствием явления двулучепреломления (анизотропии), которое заключается в поляризационной зависимости показателя преломления.
В общем случае основную моду оптического поля, распространяющегося в оптоволокне, можно представить в виде суперпозиции двух ортогонально поляризованных мод. Материал, из которого изготавливаются волокна, считается изотропным. Но, как правило, идеально круглая форма оболочки на практике имеет небольшие отклонения, допускаемые нормативными документами. Ввиду этого, а также из-за возможных внешних воздействий, таких как сдавливание, кручение и изгиб, возникает явление двулучепреломления. В результате симметрия нарушается, появляется анизотропия, и, как следствие, в волокне распространяются две ортогонально поляризованные волны, обладающие разными фазовыми и групповыми скоростями. Эти ортогональные волны называют состояниями поляризации SOP (State of Polarization).
Различие скоростей распространения поляризационных компонентов приводит к возникновению временной задержки δτ, которую принято называть дифференциальной групповой задержкой DGD (Differential Group Delay), приводящей к уширению сигнала.
Состояния поляризации, задающие самое быстрое и самое медленное распространение сигнала, называются быстрым и медленным главными состояниями поляризации PSP (Principal State of Polarization). Оси этих линейных поляризаций называются соответственно «быстрой» и «медленной» осями анизотропной среды. Разница скоростей приводит к запаздыванию импульса, поляризованного вдоль медленной оси PSP, от импульса, поляризованного вдоль быстрой оси PSP, на величину относительной задержки δτ (Рис. 1).

Рис. 1

Случайная величина δτ подчиняется распределению Максвелла. Поляризационной модовой дисперсией называют среднеквадратичное значение дифференциальной групповой задержки

Формула МПД1
и ее единица измерения — пикосекунда (пс). В линии с большим числом сегментов ПМД определяется по формуле:

где L - протяженность оптической линии связи (км), DPMD - коэффициент ПМД оптического волокна (пс/км1/2).
Конечно же, повлиять на случайный характер ПМД просто невозможно. Но, тем не менее, можно обеспечить те условия, при которых уровень ПМД в линии связи будет соответствовать установленным стандартам международных организаций, таких как IEC и TIA. В качестве примера можно привести следующие документы: IEC 60282-3, - описывает требования для расчетов ПМД в волоконно-оптических системах, а рекомендуемые уровни ПМД в волоконных кабелях могут быть найдены в ITU-T G.652 и ITU-T G.655 для волокон с несмещенной дисперсией и со смещенной ненулевой дисперсией соответственно.
И все-таки, каким образом нужно следить за уровнем ПМД? Во-первых, необходимо контролировать ПМД в процессе изготовления волокна, подстраивая и оптимизируя режимы вытяжки. Во-вторых, следует проводить измерения дисперсии волокон непосредственно в процессе эксплуатации ВОСП, т. к. после прокладки кабеля поляризационная модовая дисперсия по ряду причин (деформации волокна, температурные изменения, натяжение и т. д.) начинает испытывать отклонения от паспортных данных. Для сложных линий с большим числом последовательных сегментов волоконно-оптических кабелей следует проводить тестирование ПМД и отдельных сегментов, чтобы исключить возможность влияния низких характеристик одного сегмента на линию в целом. Более того, можно осуществлять эмуляцию ПМД - имитацию случайных статистических (максвелловское распределение DGD) состояний оптоволокна. Это дает возможность создания любого необходимого значения дисперсии, которое впоследствии может использоваться для тестирования тех или иных анализаторов дисперсии, а также для проверки методов компенсации ПМД.
Таким образом, влияние различных статических факторов (несовершенство заводского процесса вытяжки волокон, скрутка волокон при изготовлении волоконно-оптического кабеля, механические деформации волокон, возникающие в процессе укладки кабеля) можно предусмотреть и предотвратить. Но в случае подвесных кабелей важно учитывать условия окружающей среды, в которых проводится установка и последующая эксплуатация ВОЛС. Для этого необходимо исследовать следующие динамические факторы: вариации температуры окружающей среды, ветровые нагрузки, деформации вследствие оледенения кабеля и т. д.
Авторы статьи [1] исследовали влияние окружающей среды на дисперсионные параметры оптоволокна, измеряя интерференционным способом ПМД оптических волокон, намотанных на барабан, и ПМД смонтированного подвесного кабеля. В результате экспериментов было выявлено, что значения ПМД подвесного кабеля действительно сильно флуктуируют за счет влияния внешних факторов, в то время как значение ПМД для оптоволокна на барабане остается стабильным.

Внешние факторы воздействия на величину ПМД
Значительное влияние на изменение ПМД могут оказывать вихревые вибрации, порывы ветра и пляска проводов (галопирование), а также изменения температуры окружающей среды. Вихревые вибрации - это вибрации с небольшой амплитудой, вызванные устойчивым ветром с низкой скоростью, заставляющие кабель резонировать с частотой до 150 Гц. Подобный тип вибраций наиболее широко распространен в случае подвесных кабелей, протяженных на длинные расстояния.
Порывы ветра определяются как внезапные и кратковременные повышения скорости ветра, превышающие среднюю скорость на 50% и более. Порывы ветра влияют на всю кабельную систему путем передачи собственной частоты резонанса и перемещения центра масс всей конструкции. Они приводят к колебаниям с высокой амплитудой, создают изгибы и изменения в форме кабеля, поэтому могут быть разрушительными [3, 4]. Пляска кабеля возникает при температуре около 0°С в сопровождении умеренного или сильного ветра, когда круглая форма кабеля искажается из-за накопления льда или мокрого снега. Она также создает деформации, уменьшающие время жизни кабеля, и вызывает изменения SOP и флуктуации ПМД [3, 4, 5].
В пределах скорости ветра от 3 км/ч до 30 км/ч большое значение имеет окружающая местность. Плоский и открытый ландшафт создает самые тяжелые условия, поскольку воздействие ветра на кабель в данном случае более устойчиво [4].
Для более подробного рассмотрения воздействия факторов окружающей среды следует обратиться к мировому опыту исследований в данной области.
В работе [2] была снята временная зависимость для подвесного кабеля длиной 48 км (Рис. 2).

Рис. 2

Из полученного графика видно, что между изменениями температуры и флуктуациями ПМД есть четкая корреляция. При этом среднее значение измеренного ПМД составляет порядка 9,4 пс, а отклонение от среднего составляет 20%, в то время как температура изменяется на 10ºС.
Известен эксперимент [6], проведенный для трех подвесных кабелей, пролегающих через Швейцарские Альпы, и для кабеля в лабораторных условиях. Измерения проводились в течение двух длительных периодов времени летом и зимой. Временные колебания наблюдались в обоих случаях. При этом лабораторные измерения позволили изучить ПМД в стабильных условиях окружающей среды. Результаты длительного мониторинга показали корреляцию величины DGD с погодными данными.
Наибольший интерес представляет второй измеренный маршрут длиной 93,8 км. Среднее значение ПМД при измерении в зимнем сезоне составило 1,49 пс, а отклонение от среднего: 16%; для летнего периода среднее значении ПМД было 1,36 пс, отклонение: 15%. При этом в летнем периоде температура изменялась на 15°С по положительной шкале, а в зимнем — на 15°С по отрицательной.
Компания JDSU проводила измерения значения ПМД на воздушной линии протяженностью 80 км в Шотландии. Волокно было новым и ожидался низкий уровень ПМД. Анализ полученных результатов показал, что ПМД изменяется всего на 1,2%, т. е. является абсолютно устойчивой величиной. При этом температура окружающей среды практически не изменялась, а изменение скорости ветра составило 9 км/ч.
При измерении ПМД линии протяженностью 14,2 км в работе [1] авторы получают изменения значения поляризационной модовой дисперсии примерно в 28%. При этом максимальные отклонения от среднего значения ПМД наблюдались при спаде температуры на 7°С. Скорость ветра в процессе измерений изменялась с 10 км/ч до 40 км/ч. При этом для получения такого результата не применялись поляризационные скремблеры. При введении скремблеров из опыта видно, что распределение значений ПМД становится более узким.
В работе [7] для исследования зависимости ПМД от внешних условий было выбрано несколько волоконно-оптических линий связи. Среди них рассматривались и два подвесных кабеля. Для первой линии связи длиной 24,4 км полученные значения ПМД варьировались от 0,3 пс до 0,4 пс. Для второй линии связи длиной 80 км ПМД составило 1,2 пс - 1,4 пс. Очевидно, что подобный разброс значений незначителен при работе ВОЛС. При этом в первом случае скорость ветра изменялась от 5 до 24 км/ч, а во втором в среднем от 5 до 20 км/ч.
В зависимости от используемого метода измерений получаемые данные могут отклоняться из-за колебаний кабеля. Некоторые приборы чувствительны к состоянию поляризации на входе и выходе волокна в процессе тестирования. Для таких приборов колебания кабеля будут вызывать изменения ПМД в независимости от того, действительно ли величина ПМД изменилась. Это нарушение можно уменьшить при помощи поляризационных скремблеров или контроллеров, а также путем усреднения измерений ПМД в течение нескольких условий запуска.
Дополнительно можно ознакомиться с экспериментами по измерению ПМД в зависимости от внешних факторов, приведенными в работах [9-12]

Учет возможного влияния ПМД

Относительная доля ошибок цифровой системы передачи информации определяется, кроме всего прочего, мощностью сигнала и уровнем шумов приемника. Чтобы исключить эти параметры из рассмотрения, лучше характеризовать искажение сигнала величиной «энергетических штрафов», т.е. отношением необходимой мощности световых сигналов в системе с искажениями, вызванными ПМД, к необходимой мощности световых сигналов в системе без искажений при одинаковой доле ошибок, выраженным в дБ. Согласно требованиям ITU допустимым значением ПМД является такое, которое вызывает энергетический штраф, больший 1 дБ, в среднем не дольше, чем 30 минут в год. Для большинства действующих сегодня систем передачи информации, использующих формат передачи данных без возвращения к нулю, из этого условия можно получить приближенную оценку для максимально допустимого значения ПМД линии: , где Т - период следования битов.
Таким образом, можно рассчитать предельно допустимые значения ПМД для систем связи с различной скоростью передачи информации (Табл. 1).
Табл.1

Скорость передачи информации, Гбит/с 40 10 2,5
Предельно допустимое значение ПМД линии, пс 2,5 10 40

На рис.3 приведен расчет допустимого значения ПМД волокна в зависимости от требуемой дальности передачи информации при скорости 40 Гбит/с. Поскольку при дальности передачи более 100 км требуется использовать усилители, необходимо учитывать вносимый ими вклад в ПМД линии связи.

Рис.3

На настоящий момент самые маленькие потери и самую низкую поляризационную модовую дисперсию среди волокон группы G.652 имеет волокно Corning® SMF-28® ULL. Это позволяет увеличить как протяженность усилительного участка сети, так и скорость передачи. Заявленное максимальное значение ПМД в волокне 0,1 пс/км1/2, а коэффициент ПМД протяженной линии 0,04 пс/км1/2.
Максимальную протяженность оптической линии связи можно рассчитать следующим образом:

где Bmax — максимальная скорость передачи, DPMD - коэффициент ПМД протяженной линии, ε — доля битового интервала. Параметр ε выбирается в зависимости от того, какой коэффициент ошибок BER считается приемлемым. Так, теоретический анализ с учетом временных флуктуаций δτ дает ε = 0.1 бит при BER = 10-12 [8].
Таким образом, при скорости передачи данных 40 Гбит/с и использовании волокна с коэффициентом ПМД 0,04 пс/км1/2 получаем максимальную протяженность линии порядка 3900 км.

Список литературы

1. A.E. Mudau, L. Wu, T.B. Gibbon, A.W.R. Leitch, “PMD Measurements on Undeployed and Deployed Aerial Optical Fibre Cables using the Interferometric Technique”, SATNAC, 2007.
2. J. Cameron, X. Bao, J. Stears, “Time evolution of polarization-mode dispersion for aerial and buried cables”, pp. 240-241, OFC'98 Technical Digest.
3. V. Lecoeuche, G. Jagot, G. Lietaert, JDSU, “Testing Polarization Mode Dispersion on Aerial Cables”, 2010.
4. R. Roberge, “Case study: PMD measurement on aerial fiber under wind-induced oscillations and vibrations”, Technical note 039, EXFO
5. S. Tomita, M. Kawase, H. Shinohara, T. Fuchigami, “Suppression of Galloping Oscillation for a Self-Supporting Optical Fiber Cable”, Journal of lightwave technology, vol. 06, no. 2, 1988.
6. P.N. Nellen, R. Bronnimann, M. Held, U. Sennhauser, “Long-Term Monitoring of Polarization-Mode Dispersion of Aerial Optical Cables With Respect to Line Availability”, Journal of lightwave technology, vol. 22, no. 8, 2004
7. R. Ednay, "Field trial of PMD test methods and investigation into the dynamics of polarization effects in a variety of installed cable environments", Optical Technology Training Ltd, Terena Networking Conference 2010 Proceedings, 2010
8. Ramaswami R., Sivarajan K., “Optical Networks: A Practical Perspective”, Morgan Kaufmann Publishers, pp. 632., 1998
9. G. Vilela de Faria, M. R. Jimenez, J.P. von der Weid, “PMD Variations From Factory to Field in OPGW Cabled Fibers”, IEEE Photonics Technology Letters, no. 18(1), pp. 250-252, 2006
10. D.S. Waddy, L. Chen, X. Bao “Polarization effects in aerial fibers”, Optical Fiber Technology, no.11, pp. 1-19, 2005
11. J. Anacleto, M. Morais, “PMD and CD measurements on optical cables for bandwidth computation
12. Determining the Rate of PMD Compensation in Deployed Aerial Optical Fibres Through SOP Monitoring, Winston T. Ireeta, Vitalis Musara, Samuel K. Fosuhene, and Andrew W. R. Leitch

Пустой блок 2

Тестовый блок на третью колонку