50Представляем приборы

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Оптические DFB лазеры для широкополосного вещания: оптимизация параметров на примере передатчиков серии PWRLink


И. Гайович (по материалам публикаций Harmonic Lightwaves) Теле-Спутник - 3(41) Март 1999 г.


Введение

Растущая потребность расширения полосы вещания и увеличения надежности оборудования сетей кабельного телевидения (КТВ), предназначенных зачастую для обеспечения нескольких видов услуг, обусловила мощную тенденцию к росту доли пассивных оптических сетей и сокращению коаксиальных каскадов с РЧ усилителями. Наступающая эра внедрения архитектуры распределительного (дистрибутивного) оптического участка предполагает массовое применение DFB передатчиков, особенно в тех сетях, где планируется доводить одно оптоволокно до узлов, обслуживающих 200-500 абонентов. По мере роста числа оптических приемников и уменьшения количества абонентов в пересчете на один узел затраты на оптоэлектронную часть сети существенно возрастают. Изменение принципа построения сетей диктует необходимость четко определить, какие параметры cможет обеспечить применяемое оборудование оптических линий передачи.

Процесс выбора передатчиков опирается на два основных критерия: цена и качество (т.е. параметры). При оценке аналоговых DFB передатчиков можно применять многомерную методику классификации, основой которой является понимание особенностей технологии и знание физических ограничений (например, наличие свободного места на головной станции или предполагаемые вариации температуры окружающей среды). Техническую часть процесса выбора можно было бы упростить, сравнивая разные передатчики при помощи какой-либо общей меры. Однако, так сложилось, что параметры, указываемые различными производителями, сильно отличаются по своему содержанию и смыслу, что делает задачу сравнения технического качества весьма трудной.

Основные требования

По мере увеличения количества передатчиков на головной станции (ГС), особенно в случае применения схем целевого вещания на группы абонентов (narrowcasting) с помощью одного передатчика на каждый узел, проблемой становится найти свободное место в помещении ГС. Поэтому передатчик должен быть компактным и иметь гибкую перестраиваемую конфигурацию.



Рис. 1. Влияние эффекта паразитной модуляции (chirp)

При переносе на оптическую несущую мультиплексированных по частоте сигналов AM-VSB должны соблюдаться требования по параметрам искажений и коэффициента сигнал/шум. Эти параметры, в свою очередь, обеспечиваются при соблюдении требований по линейности зависимости излучаемого света от тока лазера, по равномерности АЧХ, по шуму RIN (relative intesity noise), по уровню паразитной модуляции (chirp), которая приводит к интерференционному шуму IIN.

Наиболее важными параметрами, на которые оказывают влияние вышеуказанные эффекты, являются: отношение сигнала несущей к шуму (CNR) и параметры искажений второго (CSO), третьего (CTB) порядков. Эти определяющие по своей сути параметры должны быть постоянными при вариациях температуры в помещении ГС в диапазоне от 0° до 50°С. Кроме того, в передатчике должен быть удобный интерфейс для работы обслуживающего персонала.

В данной статье на примере передатчиков серии PWRLink производства фирмы Harmonic Lightwaves изучаются различные параметры DFB лазеров и их влияние на свойства всего оптического участка. Показано также, как большое значение индекса модуляции — параметра, которым часто пренебрегают, — дает возможность минимизировать эффекты паразитной модуляции, увеличить надежность лазеров и улучшить коэффициент CNR.


Лазеры с распределенной обратной связью (DFB)



Рис. 2. Зависимость CNR от индекса модуляции

Чтобы выполнить упомянутые выше требования к системе, необходимо, чтобы источник непосредственно модулированного излучения работал исключительно по схеме с распределенной обратной связью. Обыкновенные полупроводниковые лазеры — например, типа Фабри-Перо — оснащаются оптическим резонатором с полированными торцами, необходимыми для реализации обратной связи при формировании пучка излучения. Технология DFB лазеров опирается на градиентное периодическое изменение коэффициента преломления тела оптического резонатора, обеспечивающее необходимую обратную связь, теперь уже распределенного типа.

Наиболее часто встречающиеся DFB лазеры для применений в сетях КТВ излучают на одной длине волны, расположенной в диапазоне 1290-1330 нм. С другой стороны, лазеры типа Фабри-Перо характеризуются одновременным излучением на нескольких несущих. При работе на одной несущей сводятся к минимуму эффекты дисперсии, возникающие при прохождении света через оптическое волокно, а также уменьшается шум RIN, что необходимо для достижения высокого показателя CNR. C целью минимизации RIN эти лазеры обычно дополнительно оснащаются т.н. внутренними оптическими изоляторами.

Первоначально DFB лазеры имели очень узкую сферу применения, поскольку они характеризовались малым выходным уровнем и неадекватными параметрами искажений. Кроме проблем, связанных с увеличением оптической энергии на выходе, линейностью лазера и шумами, на качество оптического участка влияют и другие факторы. Наиболее важным является нежелательное взаимодействие между лазерным передатчиком и отраженным от оптоволокна излучением, что может резко ухудшить параметры по шумам и искажениям.

Аналоговые лазерные DFB передатчики используются в режиме непосредственной модуляции, что означает, что информация AM-VSB непосредственно переносится на ток лазера. В результате возникает паразитная модуляция (chirp) или временные изменения длины волны излучения. Паразитная модуляция, в свою очередь, влияет на качество передачи по оптическому участку — параметры отношения сигнал/шум и искажений второго/третьего порядков.


Параметры оптического участка

В системе AM-VSB коэффициент CNR вычисляется по формуле:

CNR=10Log[(mrP)2/2B(Nth+rPNshot+RIN(rP)2+IIN)] (1)

где m — индекс модуляции на канал (типичное значение 3-4%);
Р — принимаемая приемником оптическая мощность (0 дБм);
r — чувствительность приемника (0,81);
B — полоса фильтра (для NTSC — 4 МГц, для PAL — 5 МГц);
Nth — тепловой шум (8 рА/sqrt(Hz));
RIN — шум (тип. -155 дБ/Гц);
Nshot — дробовой шум;
IIN — интерферометрический шум, обусловленный релеевским рассеиванием в волокне.

Очень важно добиться высокого значения CNR при малых искажениях. Для этого числитель в уравнении (1) должен быть максимальным, а знаменатель — минимальным. В числителе желательно, чтобы как индекс модуляции, так и принимаемая оптическая мощность были по возможности максимальными. Ограничение оптической мощности связано с дифференциальной квантовой эффективностью лазера и оптимальным значением постоянной составляющей тока лазера, обеспечивающим участок линейного режима.



Рис. 3. Блок-схема DFB передатчика серии PWRLink. В лазере применяется схема предыскажений

Индекс модуляции ограничен размером участка характеристики, на котором обеспечивается линейность. Для 80 каналов допустимое значение индекса модуляции приблизительно составляет 4% на канал. Однако для лазеров, не оснащенных схемой предыскажений, допустимый уровень модуляции не превышает 3,5%, поскольку обусловлен нелинейностью лазерного диода, а не ограниченностью участка линейности характеристики.

Тепловой шум в знаменателе определяет нижний предел CNR при малых уровнях энергии. Составляющая дробового шума пропорциональна принимаемой оптической мощности и влияет на CNR в случае высокого уровня оптического сигнала на входе приемника. Заметим, что при высоком уровне входного сигнала (что обычно весьма желательно), уровень шума определяется вкладом RIN и IIN. Номинальное значение параметра RIN составляет — 155 дБ/Гц вплоть до частоты 860 МГц и пренебрежимо при частотах менее 550 МГц. Эффекты IIN будут рассмотрены ниже вместе с паразитной модуляцией (chirp).

Поскольку величина как числителя, так и знаменателя зависит от принимаемой мощности, то простое увеличение выходной мощности необязательно приводит к повышению CNR. При детальном анализе уравнения (1) получается, что повышение CNR возможно путем увеличения индекса модуляции, что сопровождается ростом уровня несущей и минимизацией эффектов IIN. Такое увеличение вполне возможно, благодаря применению цепей предыскажений и контролю над уровнем искажений второго и третьего порядка.


Рис. 4. Параметры оптической мощности и индекса модуляции, измеренные для 150 передатчиков. Средняя энергия равна 12 мВт (10,8 дБм) и индекс модуляции — 4%

Паразитная модуляция (chirp) лазера

Из-за естественных для волокна нерегулярностей возникают множественные отражения (как результат обратного рассеивания Релея). Взаимодействие отраженного света и эффекта паразитной модуляции приводит к росту интерферометрического шума (IIN), который, в свою очередь, снижает параметр CNR, величина которого зависит от уровня паразитной модуляции и длины волокна. Это объясняет улучшение параметра CNR в случае, если потери на трассе обусловлены не только оптическим волокном, но и делителями оптической мощности, по сравнению с чисто волоконной линией.

Пример ухудшения CNR, обусловленного паразитной модуляцией, показан на рис.1. Три графика отображают величину CNR для различных вариантов построения оптического участка: А — оптическое звено состоит из делителя, В — из оптоволокна, С — частично потери существуют в волокне и 5 дБ в делителе. Как видим, минимальные эффекты паразитной модуляции наблюдаются в случае А, в то время как максимальное ухудшение — в случае В. Вариант С является промежуточным. По оценкам, для потерь на трассе 13 дБ различие между А и В составляет около 2 дБ. В примере предполагалось, что параметр паразитной модуляции находится в пределах 300-350 МГц/мА. Фактор улучшения CNR по мере увеличения доли ответвителей существенно влияет на проект системы. Весьма консервативное правило гласит, что на каждый децибел потерь на ответвление можно добавлять 0,1 дБ улучшения отношения сигнал/шум (например, возвращаясь к рис.1, можно констатировать, что при переходе от кривой В к С CNR увеличится на 0,5 дБ). В свете всего вышесказанного при составлении проекта очень важно учитывать наиболее низкие параметры лазерного передатчика для случая потерь на трассе, состоящей исключительно из оптоволокна.

Предыскажения и индекс модуляции



Рис. 5. Температура (°С). Параметр CSO при наличии термокомпенсации и без нее

Согласно уравнению (1), уровень РЧ несущей и величина параметра CNR на выходе оптического узла зависят как от мощности принятого оптического сигнала, так и от индекса модуляции. Так сложилось, что в спецификациях DFB оборудования приводятся данные лишь о выходной мощности передатчиков, а об индексе модуляции умалчивается. Как уже было показано выше, следует позаботиться о том, чтобы индекс модуляции был максимальным.

Поскольку реализовать схему предыскажений весьма непросто, то требование улучшения параметров оптического участка зачастую трактуется лишь в терминах повышения выходной мощности DFB передатчиков. Лазеры с высоким уровнем выходной мощности весьма сложны в производстве, и при всех равных условиях предпочтение следует отдавать лазерам с меньшим выходным уровнем и большим индексом модуляции. Причин тому несколько.

Во-первых, для того чтобы добиться высокой выходной мощности, на лазер следует подать большой ток. Такая повышенная нагрузка сокращает срок службы и понижает надежность лазера, а также приводит к росту шума RIN.

Во-вторых, при меньших уровнях мощности можно избежать попадания большой мощности на приемное устройство, которое обычно ограничено 2-3 дБм. Таким образом, простое сокращение потерь в волокне (или, эквивалентно, рост выходной мощности) и подача высокого уровня на вход приемника не приведут к увеличению CNR, даже если высокий уровень CNR очень важен для проекта. Например, лазеры с выходной мощностью 13 мВт (11 дБм) могут применяться на трассах с потерями не меньше 8-9 дБ, что ограничивает максимально достижимое значение CNR.

Третья причина проиллюстрирована на рис. 2, на котором для трассы с потерями 10 дБ (все потери — в оптоволокне) показана зависимость CNR от индекса модуляции и выходной мощности. Сравнительный анализ двух крайних точек показывает, что лазер с номиналом выходной мощности 15 мВт дает CNR 52 дБ, а передатчик на 10 мВт при индексе модуляции 4% обеспечивает параметр отношения сигнал/шум на 2 дБ выше при тех же потерях на трассе. Таким образом, увеличение индекса модуляции приводит к повышению уровня несущей и одновременно снижает IIN, что в совокупности обеспечивает повышение CNR.

Добиться высокого уровня индекса модуляции без внесения предыскажений очень трудно из-за присущих DFB лазерам нелинейностей. Даже в предположении идеальных характеристик линейности мощности излучения от тока лазерного диода и РЧ усилителей, искажения по-прежнему остаются из-за нелинейности вольт-амперной характеристики p-n перехода, а также из-за так называемых токов утечки.

В результате реализации схем предыскажений в DFB лазерах серии PWRLink получаются типичные значения параметров искажений CSO“-62 dBc и CTB“-67 dBc при 80 NTSC каналах. На рис. 3 показана схема DFB передатчика, в которой применяются скомпенсированные по температуре схемы предыскажений для контроля CTB и CSO. Детектор РЧ мощности применяется для реализации механизма АРУ, выбираемой по усмотрению пользователя.

Среднее значение индекса модуляции, измеренное в 150 передатчиках производства Harmonic Lightwaves, составляет 4,04% (СКП = 0,19%). Для трассы, состоящей полностью из оптоволокна и дающей 10 дБ затухания, наихудший CNR оказался равным 54,47 дБ (СКП = 0,39 дБ). По индексу модуляции на канал можно определить совокупный коэффициент глубины модуляции по формуле m x (N/2)0,5 = 0,259, что немного ниже уровня отсечки линейного участка характеристики лазера. Все эти измерения сведены на рис. 4 в виде гистограмм.

Неравномерность АЧХ, рабочая температура

Неравномерность АЧХ — это еще один важный параметр передатчиков, определяющий результирующие параметры оптического звена. Для того чтобы сделать возможным каскадирование передатчиков и хорошее качество сигнала, следует обеспечить постоянство АЧХ на уровне 0,5 дБ по всему рабочему диапазону (т.е. до 860 МГц). Другим ключевым параметром для обеспечения качества оптического звена является оценка стабильности CNR, CTB и CSO при изменениях температуры. Это очень важно, особенно, если в помещении, где установлены передатчики, температура существенно изменяется. На рис. 5 показана типичная зависимость CSO от температуры для некомпенсированных и скомпенсированных схем передатчиков. Видно, что при отсутствии термокомпенсации вариации CSO могут достигать 5 дБ.

Для повышения надежности системы и уменьшения времени на восстановление режима после отказа, очень существенно выполнение мониторинга всех важных для работы передатчика параметров и управление работой лазера при помощи компьютерной программы управления сетью. Среди параметров контроля могут быть следующие: постоянная составляющая тока лазера, мощность на выходе лазера, температура лазера, уровень РЧ энергии, температура окружающей среды. Существенно облегчает работу и обеспечивает заменяемость модулей реализация режимов предварительной установки диапазонов разрешенных значений параметров с отображением предупреждения в случае ошибочного ввода. Автоматическая регулировка уровня также может оказаться полезной, поскольку обеспечивается возможность быстрой замены модулей и минимизации влияния изменений уровня выходного сигнала с головной станции.

Заключение

Итак, мы обсудили важнейшие параметры, определяющие работу DFB лазеров. Было показано, что достижение баланса между линейностью, большим значением отношения сигнал/шум и низким уровнем паразитной модуляции возможно, главным образом, для лазеров, оснащенных схемой предыскажений, характеризуемых меньшим уровнем выходной мощности, но большим значением индекса модуляции.

Более конкретно можно сделать следующие выводы:

  1. в аналоговых передатчиках, не оснащенных системой оптимизации параметров линейности, достижение требуемого значения CNR возможно лишь за счет увеличения оптической мощности, попадающей на приемник;
  2. использование передатчика мощностью 10 мВт, оснащенного высококачественной системой внесения предыскажений (индекс модуляции 4%), дает возможность реализовать оптический участок, характеризуемый гораздо более высоким значением CNR, чем для случая применения лазера 15 мВт, однако при гораздо более худшей системе линеаризации (индекс модуляции 3%).

По мере увеличения количества передатчиков и ужесточения требований по отказоустойчивости систем особенно важной становится реализация удобного интерфейса пользователя и системы управления сетью. Равномерность АЧХ, общая надежность оборудования и соответствие заявляемым параметрам — также являются важными требованиями к оборудованию распределительных оптических участков на 1310 нм. Все это следует принимать во внимание при сравнительной оценке DFB лазеров с точки зрения их способности обеспечивать передачу сигналов широкополосных услуг (ТВ каналы, данные, телефония).



 
Теле-Спутник Март 1999
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт