Мультиплексирование с пространственным разделением каналов

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.

Мультиплексирование разделение каналов

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.

Q-факторы 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.

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

Мультиплексирование разделение каналовРисунок 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.

07.09.2017

Мультиплексирование с пространственным разделением каналов

По материалам Spie

Заявка на звонок

В форме есть ошибки

Мы перезвоним Вам с 9:00 до 18:00 по Москве

Исправление ошибки

Спасибо за помощь в контроле качества нашего ресурса!