Собствената фазова модулация (SPM) е явление, което се проявява при предаване на цифрови сигнали. Дължи се на факта, че оптичното влакно променя коефициента си на пречупване в зависимост от подадената към него оптична мощност. SPM води до паразитна фазова модулация на фронтовете на предаваните импулсите, вследствие на което те се разширяват, междусимволната интерференция нараства и ограничава скоростта на предаване.
Кръстосаната фазова модулация (XPM) се проявява във WDM системите. Тя е подобна на SPM и се дължи на взаимодействието на цифровите сигнали на два оптични канала. При пренасяне на сигналите по едно оптично влакно всеки от тях променя коефициента на пречупване по закона на изменение на оптичната си мощност. Изследванията показват, че за намаляване на XPM е необходимо да се увеличи ефективното сечение на влакното.
За DWDM системи е характерно също и явлението четиривълново смесване (FWM). То е причина е за появата на продукти с нови честоти, някои от които могат да попаднат в използваните канали. Съществуват два основни фактора, които влияят върху нивата на FWM продуктите, респ. ефективността на смесване – каналното отстояние и коефициентът на дисперсия на избраното оптично влакно.

Stimulated Brillouin scattering (SBS) is a nonlinear phenomenon which happens when optical power, larger than a defined threshold value, is loaded to the fibre. SBS threshold depends on the width of the laser spectrum and its output power. SBS leads to scattering of large part of the optical power transmitted through the optical fibre and this is the reason for reducing SNR at the output of the optical channel. In general when using the sources with narrow spectral line and external modulation, the SBS threshold varies from 5 to 10 mW. If using lasers with direct modulation then this power varies between 20 – 30 mW.
The stimulated Raman scattering (SRS) is similar to SBS. SRS threshold power is much bigger than SBS and reaches values about 1 W. The final effect of SRS is transferring signal power from the channels with low wavelength to channels with large wavelength. That power transfer has a positive effect in some cases – for example Raman amplifier.

Нелинейните изкривявания са причина за появата на продукти с нови честоти в спектъра на полезния сигнал, вследствие на което се влошава достоверността на приеманата информация. Основните източници на нелинейни изкривявания в една хибридна кабелна комуникационна система са оптичният предавател, оптичното влакно и RF усилвателите.
По принцип във фирмената документация за оптичните предаватели и RF усилвателите се дават оптималните стойност на параметрите, при които се гарантират зададени нива на нелинейните изкривявания.
Нелинейните изкривявания, проявяващи се в оптичните влакна се дължат на няколко явления, които възникват при недопустимо високи нива на предаваните сигнали. Те могат да бъдат разделени в две групи – нелинейности, свързани с разсейването (стимулирано разсейване на Брюлен и стимулирано разсейване на Раман) и нелинейности, свързани с ефекта на Кер (собствена фазова модулация, кръстосана фазова модулация, четиривълново смесване и др.)

Една тема, разкъсана от дискусии и коментари на “професионалисти”. Без да се впускам в дълбоки анализи на две, на три ще си го кажа. G.652А или B са зората на едномодовите оптични влакна, актуални за кабелите които са полагани от нашите родители. Т.е. те не са актуализирани с последните ъпгрейди и на тях са присъщи всички онези бъгове, които в много голяма степен биха ограничили възможностите на една съвременна оптична мрежа. И по конкретно, при тези влакна се наблюдава зона с много по-високо затихване в областите от 800 до 900 nm  и от 1350 до около 1500 nm, дължащи се свойствата на хидроксилните групи на водните молекули и водородните атоми да поглъщат в по-голяма степен въпросните сигнали. Освен това, стандартното затихване при тях е малко по-високо (с около 0,5 до 0,1dB/km) спрямо това при G.652C или D. На пръв поглед какво толкова. Намаляваме максималната дължина на линията едва с около 20%. По-сериозен проблем ще възникне, ако по линия построена с влакно от типа G.652B  се опитаме да пренесем оптичен сигнал, уплътнен по дължина на вълната. Тогава всички онези сигнали, имащи дължина на вълната около въпросните зони ще получат затихване по-голямо от 5dB/km или по-скоро няма да минат. Така че, ако ще мислим за някакъв тип развитие на мрежата ни, не е лошо да помислим на какво оптично влакно залагаме.

Тенденцията при изграждането на широколентови кабелни комуникационни системи е оптичното влакно да достигне до дома на потребителя. Това е идеалната оптична комуникационна архитектура, при която оптичното влакно изгражда цялата преносна среда на кабелната разпределителна мрежа. Технологията FTTH покрива изискванията за високоскоростен пренос на данни, висококачествени видео и звук и е създадена в отговор на редица движещи пазара фактори, най-значими от които са:
– бурното развитие на интернет, желанието за висока скорост и алтернативните стратегии като глас през DSL (VoDSL), глас през IP (VoIP),  глас през ATM (VoATM), както и кабелните модеми;
– нарастващата конкуренция на пазара, изразяваща се в поява на голям брой конкурентни фирми, предлагащи на местно ниво по-голям брой услуги, както и недоизяснените все още законови граници;
– много бързо и лесно изграждане на оптичните системи и значително по-малко ресурси за поддръжка;
– постоянно спадащите цени на активното и пасивното оборудване за оптични мрежи;
– дългия жизнен цикъл на изграждащите елементи, доказали се във вече съществуващите мрежи.

Динамичният обхват на сигналите се дефинира като разлика между максималната и минималната сигнални мощности, които могат да бъдат подадени на входа на канала за връзка.
Максималната стойност на входната мощност се ограничава от максимално допустимите нива на продуктите от нелинейните изкривявания, най-съществено влияние от които оказват тези от втори и трети ред (CSO и CTB), получени в изхода на канала. При пренос на аналогови телевизионни сигнали превишането на тези нива най-често видимо се проява като „зърнеене” на картината.
Минималната стойност на входните сигнали се ограничава от необходимото минимално отношение носещо трептение/шум (CNR), което по стандарт е 51dB в изхода на оптичния канал и 43dB в абонатния контакт.
По-големият териториален обхват на широколентовите кабелни комуникационни системи (ШККС) води до увеличаване на броя на последователно включените в мрежата източници на шумове и нелинейни изкривявания, което намалява динамичния обхват на входните RF сигнали. Това е основната причина за ограничаване на дължина на преносния канал в този тип системи.
Динамичният обхват на сигналите в оптичния канал на ШККС се определя от минималното и максималното ниво на RF сигналите, постъпващи на входа на лазерния предавател и според критериите му за определяне са дефинирани три вида динамичен обхват: динамичен обхват на блокиране (ДОБ), динамичния обхват без изкривявания (ДОБИ) и работен динамичен обхват (РДО).

Желанието на големите кабелни оператори да доставят кабелна телевизия с високо качество води със себе си изискването оптичната им мрежа да достига до сградата на потребителя (FTTB). При това се налага да бъде осигурена оптична мощност за десетки стотици оптични приемници.
Ако такава система използва сравнително по-евтината технология с рабтна дължина на вълната 1310nm е наложително използването на огромен брой оптични предаватели, респ. и осигуряване на RF входна мощност и специфична настройка на всеки от тях. От друга страна значително по-големите загуби на оптична мощност при работа с тази дължина ограничават максималният радиус на покритие. Наред с казаното до тук, се добавят и недостатъците дължащи се на директната модулация на оптичния сигнал, а именно широка спектрална лента и високо ниво на генерираните шумове.
Всички тези недостатъци могат да се избегнат при използване на оптичен предавател с външна модулация, работещ на 1550nm. В този случай успешно се използват оптични усилватели, благодарение на които териториалното покритие се разширява многократно.
Освен изброените предимства, използването на 1550nm води до някои съществени неудобства. Едно от тях е значително по-високите изисквания към качеството на изграждане на оптичната мрежа – радиуси на огъване, затихване на оптичните заварки и т.н. Като друг недостатък може да се посочи ограничената скорост на предаване на данни по един единствен прав канал. Вторият недостатък е съществен единствено при доставка на Интернет по кабелната мрежа.

References: [1].

Full Version of Paper

Analog transmission of RF signals over the optical channel of a hybrid fiber coaxial (HFC) CATV system can be based on either direct laser modulation or an external modulator. The parameters of the optical channels with direct laser modulation are of poor quality due to laser chirping, nonlinearity and slightly sloping transfer characteristic etc. To eliminate such a disadvantage a laser with a constant bias current and an external modulator at its output is used.
Modern HFC CATV systems usually apply electro-optical intensity modulators based on the Mach-Zehnder interferometer and known as MZ-modulators (MZM). The linear part of the conventional MZM transfer characteristic is rather short which results in nonlinear distortion of the signals transmitted over the optical channel. With HFC CATV systems the carrier-to-composite second order (C/CSO) products and the carrier-to-composite triple beat (C/CTB) products ratio measured at the optical channel output is required to be higher than 60 dB. To provide the minimum CSO and CTB values needed the conventional MZM must be operated with a modulating RF signal of comparatively small amplitude which however causes the carrier-to-noise ratio (CNR) to decrease, hence the received information quality to worsen.
Different methods for linearization of the MZM transfer characteristic have been developed. They improve the dynamic range of the input RF signals and keep the carrier-to-intermodulation distortion ratio within the required limits. Linearization techniques most often apply several conventional MZMs (two as usual) whose mode of operation is set in a way to achieve an effective suppression of the nonlinear distortion products. The method usually applied to determine the parameters of such modulators consists in representing their transfer characteristic as a power series. A mathematical model based on Bessel functions has been used to describe the MZM. The purpose was to optimize the modulator parameters in a way to reduce the nonlinearities over a broad frequency band and to maximize the modulation efficiency, i.e. to maximize the linearity of its transfer characteristic and to minimize the optical loss.

References: [1], [2], [3].

При преноса на сигнали по КРМ на системата, към тях се добавят шумове от различни източници. Важно при съставянето на пълната шумова картина е да се познава видът, характерните особености и мястото на възникване на шума. Най-голямо влияние при определяне на пълния шум на системата оказват топлинният шум, дробовият шум и относителният интензитетен шум на лазера. В ШККС се генерират и множество други шумове, влиянието на които не е толкова съществено. Пренебрегването им е недопустимо и те се вземат под внимание за всеки конкретен случай. Такива са шумовете, генерирани в свързващи устройства, насочени отклонители, атенюатори, кабелни коректори и др.
Топлинния шум (Thermal noise) се появява при протичането на ток през всеки електронен елемент и зависи от работната температура, ширината на честотната лента и стойността на еквивалентното активно съпротивление. Основни източници на топлинен шум са съгласуващите вериги в оптичния предавател и приемник, а също така оптичните и кабелните усилватели. Коаксиалната кабелна разпределителна мрежа, която притежава характеристично съпротивление 75Ω, също се разглежда като източник на топлинен шум, нивото на който е около 2dBµV, при температура на околната среда 17°C и ширина на честотната лента 5MHz.
Източниците на светлина преобразуват електрическия сигнал в светлинен поток, което е съпроводено с добавяне на различни шумови съставки към полезния сигнал. Най-съществено е влиянието на относителния интензитетен шум на лазер (RIN), неговият фазов шум и шумът от отражения. Относителният интензитетен шум на лазера има квантов характер и се причинява от несъвършенството на процеса на преобразуване “електрон - фотон” в материала на лазера. В активния слой на лазера възникват случайни  емисии на голям брой фотони, причиняващи случайна модулация на генерираната светлина. RIN зависи от работната температура, възбуждащия ток на лазера и от оптичната обратна връзка на светлината, създадена от отражения в оптичното влакно. Фазовият шум (Phase noise) е случаен по природа и се предизвиква от спонтанната емисия на фотони в излъчващата среда на лазера. Той води до флуктуации на фазата на изходния сигнал и разширяване на спектралната линия, което за FP лазери е в границите от 1-10nm, а за DFB  е по-малко 100MHz.
В оптичния усилвател освен разгледания топлинен шум се генерират сигнално-спонтанен шум  и спонтанно-спонтанен шум. Първият зависи от пълната светлинна мощност, а втория, който е доминиращ – от усилването на усилвателя.
Освен шумовете, генерирани в напомпващия лазер, оптичният усилвател създава и шумове от сигнал-спонтанно биене, спонтанно-спонтанно биене, двойно обратно Релеево разсейване и усилената спонтанна емисия (ASE). ASE се дължи на естественото преразпределение на фотоните в различните енергиини нива и генерира дробов шум в приемника. Нивото на породения от ASE шум е много по-малко от това на генерирания от средната оптична мощност на сигнала шум и затова той може да се пренебрегне.
Определящи за оптичния приемник са топлинният и дробовият (квантов) шум. Дробовият шум е с квантов произход и се генерира непосредствено в полупроводниковия фотодиод на приемника. Причина за възникването му е неефективното преобразуване “фотон - електрон”. Създадената шумовата мощност е пропорционална на приемания фототок и ширината на честотната лента. Дробовият шум ограничава отношението CNR до ниво известно като квантово ограничение.
Поляризационният шум е случаен по природа, свързва се с поляризационната зависимост на усилването и поляризационната модова дисперсия на влакното. Характеризира се с нееднакво затихване на всички моди в изходния сигнал и довежда до сериозни загуби от поляризация, а от там до намаляване на отношението CNR на входа на оптичния приемник.

References: [1].

При пренасяне на радиочестотните (RF) сигнали по оптичния канал на една широколентова кабелна комуникационна система (ШККС) може да се използва както директна модулация на лазера, така и външен модулатор. Оптичните канали с директна модулация на лазера са с понижени качествени показатели. Причините за това са паразитната честотна модулация в лазера, нелинейността и малката стръмност на неговата характеристика на преобразуване на електрическия в оптичен сигнал, релаксационните ограничения на лазера и др.
Изброените недостатъци на оптичните предаватели с директна модулация на лазера могат да се избегнат чрез използване на лазер, работещ с постоянен възбуждащ ток, в изхода на който се включва външен модулатор. В ШККС са се наложили оптичните амплитудни модулатори, реализирани чрез интерферометър на Мах-Зендер, наречени за краткост MZ-модулатори.
При него постъпващият от лазера оптичен сигнал се разделя поравно между два фазови модулатора, към електродите на които се подават едновременно преднапрежение и модулиращ радиочестотен (RF) сигнал. Под действие на модулиращото напрежение, ъгълът на дефазиране на оптичните сигнали, преминаващи през двата фазови модулатори се променя противопосочно и след сумирането им се формира нивото на изходния сигнал на MZ-модулатора, което следва формата на изменение на модулиращия сигнал.

References: [1].

Съвременните ШККС са хибридни и включват влакнесто-оптична и коаксиална част (HFC). Като преносна среда в оптичната част се използват едномодови оптични влакна за наложилите се два диапазона на дължината на вълната – 1310nm и 1550nm. В коаксиалната част се използва стандартен коаксиален кабел с вълново съпротивление 75Ω.
Архитектурата на хибридната ШККС се изгражда на йерархичен принцип и в най-общия случай системата включва четири йерархични нива. Първото ниво в йерархията представлява супермагистралната система, която най-често е първичен оптичен пръстен, първична и вторични главни станции. Първичната главна станция обединяват няколко малки автономни ситеми и може да осигуряви обслужване на повече от 200 000 потребители, а вторичните са локални и обслужват обикновено между 50 000 и 200 000 потребители. Второто йерархично ниво е магистрална система (вторичен оптичен пръстен), осигуряваща връзка на концентраторите с оптичните пръстени. Един концентратор обслужва около 16 разпределителни точки или до 40 000 абонати. Третото ниво в йерархията на системата е субмагистралната мрежа. Тя свързва концентраторите с оптичните възли (Node), където става преобразуването на  светлинния поток в електрически сигнал и обратно. Оптичният възел има 1, 2 или 4 входа/изхода и може да обслужва между до около 1 000 абонати. Четвърто йерархично ниво е абонатната система, представляваща коаксиална кабелна разпределителна мрежа. Тя свързва оптичните възли с дома на потребителя.
Тенденцията при изграждането на ШККС е оптичното влакно да достигне до дома на потребителя. Fiber to the home (FTTH) е идеалната оптична комуникационна архитектура. FTTH покрива изискванията за високоскоростен пренос на данни, висококачествен звук, както и висококачествен видео сигнал.

References: [1].

За усилване на сигналите, предавани по оптичния канал на CATV системи, са се наложили усилвателите, в които се използва легирано с ербий оптично влакно (EDFA). Причините за това са както ниската им цена и лесна реализация, така и отличните им параметри в C обхвата (1525-1565 nm), а именно голям коефициент на усилване (30-50 dB), широк работен обхват (» 50 nm), малък коефициент на шум (3-5 dB) и сравнително високо ниво на изходния сигнал (10-20 dBm). Принципът на действие на EDFA се основава на поглъщане на енергията на светлината, генерирана от напомпващия източник, от легираните във влакното ербиеви атоми и преизлъчването ú в обхвата на усилвания сигнал.  В EDFA освен стимулирана е налице и спонтанна емисия на фотони, която поражда шум, наречен усилена спонтанна емисия (ASE). Изследванията показват, че най-ефективни са EDFA, в които напомпващият сигнал е с дължина на вълната  980 nm или 1480 nm. Когато напомпващият лазер работи с l = 980 nm, се постига по-малък коефициент на шум, а при работата му с l = 1480 nm – по-високо ниво на усиления сигнал. Съществуват три основни схеми за реализиране на EDFA, различаващи се по начина на подаване на напомпващата светлина към влакното. Схемата, в която посоката на сигнала от активиращия лазер съвпада с тази на усилвания сигнал (с право напомпване), осигурява по-ниски нива на шум от ASE. За разлика от нея схемата с обратно напомпване позволява да се постигнат по-големи изходни мощности на насищане. Предимствата на двете схеми (малък коефициент на шум и голяма изходна мощност) са обединени в третата схема, която е с двустранното напомпване.