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.

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.

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

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.

Лазерите с разпределена обратна връзка са полупроводникови лазерни диоди, в структурата на които е поставена дифракционна решетка, създаваща положителна обратна връзка за една единствена спектрална съставна. За всички останали дължини на вълната затихването е многократно по-голямо и те на практика не присъстват в изходния сигнал.
DFB имат няколко несъмнени положителни качества, като висока изходна мощност, ниско ниво на шум, голям динамичен обхват и много тясна спектрална лента, което ги прави много по-привлекателни в сравнение с другите полупроводникови лазери.
Основно приложение DFB лазерите намират в оптичните комуникационни системи, за предаване на сигнали на големи разстояния по едномодово оптично влакно в диапазоните 1300 и 1550nm, както и като напомпващи лазери в оптичните усилватели. Ограниченото им приложение е продиктувано от относително високата цена и небходимостта от допълнителни вериги за стабилизация, наложено от силната зависимост на нивото на шумовете от работната температура на полупроводниковия кристал и от върнатата преизлъчена от оптичното влакно оптична мощност. Паразитна честотна модулация и RIN са генерираните шумови компоненти, но те са значително по-малки по стойност в сравнение с тези на FP лазерите.
Лазерите с резонатор с вертикална излъчваща повърхност представляват вертикална структура от няколко слоя p-тип, активна област и няколко слоя n-тип. Слоестата структура е аналогична на решетката на Брег и броя на слоевете зависи от желаната дължина на вълната. Лазерите от този тип могат да работят както в едномодов така и в многомодов режим. Това се определя от диаметъра на излъчващата повърхност.
 VCSEL намират приложение във високоскоростните оптични локални мрежи работещи в обхвата 850nm, както и като антена във вътрешно сградните микроклетъчни мрежи. Ниската им цена и малката консумирана мощност ги правят конкурентни и за онези приложения, които изискват много на брой оптични линии.
Най-често оптичния предавател се помества в херметичен корпус и освен лазерен диод в състава му могат да бъдат включени: импедансно-съгласуваща верига (ИСВ), оптичен изолатор (ОИ), влакнесто-оптичен накрайник (pigtail), фотодиод за контрол на лазерната мощност, термистор и термоелектричен охладител (ТЕО) за контрол и регулиране на лазерната температурата.

В оптичните комуникационни системи като източник на светлина се използват полупроводникови светодиоди (LED) и лазерни диоди (LD). Съществените предимства, които отреждат основно място на полупроводниковите лазерни диоди при изграждане на оптични предаватели са: малки размери, висока надеждност и ефективност, много тесен честотен спектър на излъчвания сигнал, малка излъчваща повърхност съвместима с размерите на оптичното влакно, възможност за директна модулация, както и относително висока работна честота.
Полупроводниковите лазерни диоди са разделени в няколко основни групи: хомоструктурни, еденични хетероструктурни, двойни хетероструктурни, GRINSCH (Graded-index separate confinement heterostructure), от огледален тип (FP, DFB, DBR) и лазери с резонатор с вертикална излъчваща повърхност (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). От изброените до тук най-голямо приложение намират лазерите на Фабри-Перо (FP), лазерите с разпределена обратна връзка (DFB), лазерите с разпределен рефлектор на Брег (DBR) и лазарите с резонатор с вертикална излъчваща повърхност (VCSEL).
Лазерите на Фабри-Перо са многомодов тип лазери, за изграждането на които се използва двойка крайни огледала, осигуряващи условията за излъчване на светлина и резонатор на Фабри-Перо. В спектъра на излъчения от тях сигнал присъстват няколко спектрални съставящи (моди), като една от тях е доминантна и се приема за основна, а другите са странични, имащи по-малка амплитуда. От многомодовата структура на спектъра на излъчения сигнал произтичат основните недостатъци на FP лазерите: изходната мощност се разпределя във всички спектрални съставки, много ярко изразено при директна модулация, водещо до промяна на съотношението на амплитудите на отделните странични моди; при предаване по оптичния канал различните моди имат различна групова скорост (хроматична дисперсия), водещо до голямо изкривяване формата на сигнала в изхода на оптичната част, особено при предаване на по-големи разстояния. Последното се явява и основна причина за ограничената скоростта на предаване при FP лазерите. При работата им се наблюдават и още някой нежелани явления като бърза смяна на модовете, релаксационни колебания, паразитна честотна модулация, както и генериране на различни по характер шумове със сравнително голям интензитет – относителен интензитетен шум, фазов шум и шум от отражения в резонатора.

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].

One of the most usable in the contemporary submarine and long-haul terrestrial networks are the distributed Raman amplifiers (DRA), which is due to many advantages: stimulated Raman amplification can occur in any fiber at any signal wavelength by proper choice of the pump wavelength; the Raman gain process is very fast and the effective noise figure of the DRA is smaller than the noise figure of erbium-doped fiber amplifier and the semiconductor optical amplifier.
In contrast with the EDFA which is a discrete device with an input and an output, DRA can be described as a system which consists of two pumping sources placed at the beginning and at the end of the transmission span which length is more than 100 kilometers. The optical fiber is used as an active medium. The projecting of a DRA is related with the choice of a pump power value in accordance with the transmission span length; the needed net gain coefficient and the magnitude of the added noises.
The high level of the pump power and the long actual transmission span of the distributed Raman amplifier are the reason for adding the noises due to spontaneous emission, double Rayleigh backscattering of the signal and RIN noise transfer.