Отново подхващам една тема, въпросите по която ме навеждат по скоро на агресия, отколкото на това да се възмущавам на сериозните познания на „специалистите” по оптични комуникации. Става дума за въпроси от рода „толкова ли им е слаб лазера на вашите конвертори, че работят само на 10км?”
Както всички знаем, при разпространението на оптичните сигнали, там някъде с преносната среда, наречена оптично влакно, освен всичко друго се наблюдава и явлението хроматична дисперсия. При анализа на влиянието ѝ върху пренасяните по канала сигнали, лесно може да се установи, че различните спектралните съставящи ще пристигнат в края на оптичната линия по различно време.
И какво от това… Няколко поста по-назад, драснах някой друг ред за различните лазерни диоди, които се използват в оптичните комуникации. Та именно…
В евтините устройства, било медия конвертори, SFP модули и т.н. се използват лазерни диоди на Фабри-Перо, спектъра на които е много по-широк в стравнение с DFB или DBR лазерите. От друга страна, разликата между времената за пристигане на отделните спектрални съставки в края на линията зависи от коефициента на хроматична дисперсия, дължината на преносната среда и ширината на спектъра на пренасяния сигнал. Следователно, наличието на много широка спектрална линия, ограничава далечината, на която може да се „метне” сигнала и скоростта на предаваната информация. Т.е. идеалните правоъгълни импулси, наблюдавани в изхода на лазерния диод, преминавайки през оптичното влакно започват да придобиват камбанообразна форма. Този процес се задълбочава с нарастване на изминатия път и от един момент нататък на фотодетектора му е трудно да различи 1 или 0, а отделните камбанки тотално са се „разпльокали” и са се слели една с друга.
Нека се замислим за силата на лазера… В цялата ми практика, най-ниската стойност на изхдна мощност на медия конвертор е била “– 9 dBm”. Ако приемем, че чувствителността на използвания фотодиод, в най-лошия случай е “– 24dBm”, то тогава бюджетът с който разполагаме е 15dB. И ако затихването на влакното при 1310nm е 0,35dB/km, то тогава връзка може да се реализира на 43км, които далеч превишават разстоянието фиксирано в описанието на джаджата.

Self-phase modulation (SPM) is a phenomenon that happens when digital signals are transmitted through the optical fiber, which can be anything from signals to data from elearners or other web-based data coming through a fiber-optic line. It is a result of changing the optical fiber reflection according to the loaded power. SPM leads to undesired phase modulation of pulse fronts. As a result, the pulse is expanded, the interference between the symbols increases and the transmission speed decreases.
Cross-phase modulation (XPM) mainly happens when WDM signals are transmitted over the optical channel. It is similar to the SPM and dues to the signal interaction between two optical channels. When more than one signal is transmitted through the optical fiber each of them changes the reflect coefficient keeping the law of changing of the optical power. Investigations show that XPM decreases when the fiber effective area is increased.
Four wave mixing (FWM) is an event that is typical for DWDM systems. It is reason for creating products with new frequencies, and some of the products may fall into the used channels. There are two main factors which affect the level of FWM products, i.e. the mixing efficiency – channel spacing and the dispersion of the chosen optical fiber.

The PROLITE-75 is an instrument optimized for analysis, installation and maintenance of fiber optic networks based on GPON architecture (Gigabit-capable Passive Optical Networkit), that is, networks based on technology FTTX/PON, that provide speed over 1 Gbps. The instrument provides filtered measurements, individualized and simultaneous for the three wavelengths that are used in fiber (1490 and 1550 nm for Downstream and 1310 nm for Upstream). It provides quick access to all options of the instrument by means of a straightforward graphical interface very easy-to-use.
The PROLITE-75 provides a Visible Fault Locator that emits a laser light that is helpful, for example to identify a particular fiber, the location of breaks or cuts, macrobendings, damaged or dirty connectors… Any mistake or problem at the installation is identified efficiently with this function.
- FTTH Portable Analyser capable of measuring simultaneously three wavelengths (1310, 1490 and 1550 nm) in FTTH/PON systems and optimized for GPON architecture.
- Pass-through connection between the emitter center (OLT) and home (ONT) allowing full communication
  between them during testing.
- Visible Fault Locator by laser emission.
- Upstream BURST Detection at 1310 nm.
- Possibility of modular expansion: OTDR Module and Channel Analyser Module.
- Data transfer to PC.
- Ideal for fieldwork: lightweight, resistant to adverse conditions and backlit.
- Graphical interface simple and very intuitive, easy-to-use.
- Ambidextrous cursor keys, softkeys and alphanumeric keypad.
- Connectors protected from dust and external elements by sliding lids built into the instrument.
- Rechargeable Li-On Batteries.

Deployed in Bulgaria by KST Ltd.

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.

Characteristics of optical fiber are determined by ITU-T G.65X.
ITU-T G.650 Definition and test methods for the relevant parameters of single-mode fibers (SMF) – series G: transmission systems and media, digital systems and networks transmission media characteristics - optical fiber cables

According this standard the following categories of optical fiber are defined:
ITU-T G.651 50/125 Micrometer multimode graded index optical fiber cable - series G: transmission systems and media, digital systems and networks - transmission media characteristics - optical fiber cables
ITU-T G.652 A/B Single-mode optical fiber and cable (N-DSF)
ITU-T G.652.C/D Low water peak (LWP) single-mode optical fiber and cable non dispersion-shifted fiber (LWP N-DSF)
ITU-T G.653 Dispersion-shifted single-mode optical fiber and cable
ITU-T G.654 Cut-off shifted single-mode optical fiber and cable
ITU-T G.655 Non-zero dispersion-shifted single-mode optical fiber and cable (NZ-DSF)
ITU-T G.656 Fiber and cable with non-zero dispersion for wideband optical transport
ITU-T G.657 Bending loss insensitive single mode optical fiber and cable for the access network

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.

Оптични мултиплекстори (MUX)
Предназначението на оптичните мултиплексори е да обединят голям брой оптични сигнали с различна дължина на вълната, благодарение на което получения пакет може да бъде транспортиран по едно единствено оптично влакно, а самият процес на обединяване се нарича уплътняване по дължина на вълната.
Оптични демултиплекстори (DEMUX)
Демултиплексирането е процес обратен на мултиплексирането, а разглежданите устройства имат за цел да разделят предавания пакет на отеделните съставящи го еденични оптични сигнали с определена дължина на вълната и да ги изведат към едноименните им изходи.
MUX/DEMUX
Това устройство обединява свойствата на гореописаните две и се използва двупосочно, т.е. входовете му се използват и като изходи. Възможно е събирането на двете гореописани устройства в един корпус, но те да работят независимо. В този случай входовете на MUX не могат да бъдат използвани като изходи на DEMUX и обратно, а полученото устройство не е MUX/DEMUX.
ADD модули
Предназначението на ADD модула е да ”добави” сигнал с определена дължина на вълната към пакетния сигнал предаван по оптичното влакно.
DROP модули
Ролята на DROP модула е да „извади” сигнал с определена дължина на вълната от пакетния сигнал предаван по оптичното влакно.
ADD/DROP модули
В корпуса на ADD/DROP модула са поместени едно добавящо и едно изваждащо устройства, които са свързани последователно към едно и също оптично влакно а сигналите се насочват по посока общия порт, а именно COM.

Заваряването на оптични влакна или по друг начин казано „сплайсване” е процес на възстановяване на физическата цялост на светлопреносната линия. Като изключим етапите на манипулация на оптичния кабел с цел осигуряване на достъп до оптичните влакна, процесът на сплайсване се осъществява в няколко стъпки.
Първо – отсранява се външната (цветна) полиетиленова обвивка с диаметър 900µm и се достига до чистото кварцово влакно. Този процес се извършва с помощта на стрипер или друг специализиран инструмент.
След това с помощта на прецизна резачка на оптични влакна, позната като клийвър, подлежащите съединяване влакна се срязват под прав ъгъл. Същите се поставят в държачите на апарата за заваряване на оптични влакна (сплайсер) и чрез пулта му за управление се контролират и наблюдават процесите на съосване на влакната и пускане на електрическа дъга. Последната разтопява челата на поставените влакна и след леко прибутване, чрез механичната част на сплайсера заварката е готова.
Мястото на заварката се покрива със термосвиваем сплайс протектор, който има за цел да защити механически създаденото съединение.

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.

Един от основните проблеми на постоянно развиващите се оптични мрежи е недостигът на свободни оптични влакна. Причините за това са много и като най-съществена от тях може да се посочи не доброто планиране на развитието на оптичната мрежа. Желанието за преминаване към FTTH/FTTB архитектура или по-просто казано оптичното влакно да достига до сградата на потребителя, налага използването на кабели с огромен брой влакна (много често и повече от 144).
Съществуват случай, в които броят на влакната ни е ограничен поради една или друга причина и тогава решението е едно единствено, а именно по оптичното влакно да се пренесат много на брой оптични сигнали с различна дължина на вълната или казано по друг начин мултиплексиране по дължина на вълната (WDM). За реализирането на тази технология се използват оптични мултиплексори (MUX), демултиплексори (DEMUX), събиращи (ADD) и изваждащи (DROP) модули и оптични предаватели, излъчващи светлина с фиксирана дължина на вълната.
Различават се два вида WDM системи – с плътно разделяне по дължина на вълната (DWDM) и с грубо такова (CWDM). При първият вариант каналното отстояние може да бъде много малко – до 0,4 nm, но използваното активно и пасивно оборудване е много скъпо. Сравнително евтино, при второто решение каналите могат да се подредят през 20 nm и по този начин по едно влакно се предават около 16 дължини на вълната, разположени в спектъра от 1270 до 1410 nm и от 1490 до 1610 nm.