Коммуникациялари техникуми оптик алоқа тизимлари

7- МАЪРУЗА


ТОЛАЛИ ОПТИК АЛОҚА ТИЗИМЛАРИНИНГ ЛИНИЯ ТРАКТИ


Режа:

7.1. Оптик линия тракти

7.2. Оптик линия трактининг классификацияси.
7.3. Толали оптик алоқа тизимларида шовқинлар ва ночизиқли бузилишлар.


7.1. Оптик линия тракти

Оптик нурланишни берилган тўлқин узунлигида узатувчи ва кабелдаги сўнишларни йўқотишни, дисперcия туфайли бузилган сигналларни тўғрилашни, берилган шовқиндан ҳимояланганликни таъминловчи оптик алоқа линиясининг техник қурилмалар йиғиндиси оптик линия тракти дейилади.

Оптик сигналлар тола бўйлаб узатилганда ёруғлик нурини оптик тола материалида ютилиши ва сочилиб кетишидан сўнади. Дисперсия эса сигналнинг спектрал ва мода ташкил этувчиларини вақт бўйича сочилиб кетишига, яъни уларни турли вақтларда тарқалишига олиб келади. Дисперсия туфайли оптик сигнал импульсларини давомийлиги ва кўриниши ўзгаради, импульслар кенгайиб кетади.
Бу ҳолатларни ҳаммаси оптик толали узатиш тизимларининг ретрансляторсиз участкасининг максимал узунлигини чегаралайди. Агар узатгич ва қабул қилгич орасидаги рухсат этилган максимал узунлик оширилса, у ҳолда линия трактининг оралиқ станцияларида бир ёки бир неча ретрансляторларни жойлаштириш керак.
ТОА линиялари бўйлаб сигналларни узатиш сифати минимал рухсат этилган сигнал-шовқин нисбати ёки шовқиндан ҳимояланганлик билан баҳоланади. Рақамли узатиш тизимларини аналог узатиш тизимларига қараганда бир қанча афзалликларга эгалиги сабабли рақамли ТОА тизимларини шовқиндан ҳимояланганлиги 20-25 дБқ дан, аналог узатиш тизимлари учун эса 50-60 дБқ дан кам бўлмаслиги талаб этилади.
Электр кабелли тизимларнинг линия трактидан фарқли равишда оптик тизимларнинг частота оралиғи (ёки узатиш тезлиги) бир неча марта катта. Бу оптик ташувчиларни жуда ҳам юқори частотага (10¹⁵Гц гача) эгалиги билан тушунтирилади. Оптик кабелларда сўниш жуда кичиклиги ( l=1,55 мкм да a=0,2 дБ/км гача) сабабли регенераторлар орасидаги масофа 100 км гача бўлиши мумкин. Бу ҳам оптик линия трактининг аҳамиятли томонидир.
7.2. Оптик линия трактининг классификацияси

Оптик алоқа тизимларининг линия тракти икки томонлама алоқани ташкил этиш бўйича қуйидагича классификацияланади:

- икки толали бир полосали бир кабели (тўрт ўтказгичли бир полосали бир кабелли);
- биp толали бир полосали бир кабелли (икки ўтказгичли бир полосали бир кабелли);
- бир толали кўп полосали бир кабели ёки тÿлқин узунлиги бўйича зичлаштирилган оптик алоқа тизимлари.
7.1 – расмда кўрсатилган ТОА тизимининг тузилиш схемаси фақат узатишнинг бир йўналишини кўрсатади.
Бундай тузилишда оптик сигналларни узатиш ва қабул қилиш икки тола бўйлаб (7.1 – расм), биттa тўлқин узунлигида амалга оширилади.

7.1-расм. Икки толали бир полосали бир кабелли ТОА тизимининг схемаси

Хap бир оптик тола икки симли физик занжирга ўхшайди, чунки кабелнинг оптик толалари орасида ўзаро ўтишлар бўлмайди [4]. Шунинг учун ТОА тизимининг узатиш ва қабул қилиш трактлари битта кабел бўйлаб ташкил этилади, яъни ТОА тизими бир кабелли ҳисобланади. Шу тарзда, берилган оптик линия трактини ташкил этиш схемаси икки толали бир полосали бир кабелли ҳисобланади.

Ушбу алоқа ташкил этиш схемасининг афзаллиги бу охирги ва оралиқ станцияларнинг узатиш ва қабул қилиш қурилмаларининг бир турдалигидир. Камчилиги эса оптик тола (ОТ)нинг ўтказиш қобилиятидан фойдаланиш коэффициенти жуда кичик.
Кабел қурилмаларига кетадиган харажатлар оптик алоқа тизимлари нархининг катта қисмини ташкил этишини, оптик кабел нархи етарли даражада қимматлигини ҳисобга олсак, оптик толадан бир вақтда катта ҳажмдаги информацияни узатиш ҳисобига унинг ўтказиш қобилиятидан фойдаланиш самарадорлигини ошириш масаласи юзага келади. Бунга масалан, битта оптик тола (ОТ) бўйлаб қарама-қарши йўналишдаги сигналларни узатиш ҳисобига эришиш мумкин.
Бир толали бир полосали бир кабелли оптик линия трактининг тузилиш схемаси 7.2 – расмда кўрсатилган. ОТ ни бир тўлқин узунлигида иккала йўналиш сигналлари учун қўлланилиши бу схеманинг хусусияти ҳисобланади [4].

7.2-расм. Бир толали бир полосали бир кабели ТОА тизимининг схемаси

ОАҚ- оптик ажратувчи қурилма, ёруғлик тўлқинларининг қутбланишини ёки оптик нурланишнинг йўналтирилган тўлқинлари турини ажратишни амалга оширади.
Қарама-қарши икки томонлама сигналларни узатганда оқимлар орасида ўзаро ўтиш шовқинлари ҳосил бўлади. Ўтиш шовқинлари ОТ ва тармоқлагичлардаги тескари сочилишдан, ёруғликни уланган жойлардан ва линия охиридаги ажраладиган улагичлардан қайтиши натижасида вужудга келади. Шовқин сатҳи ва унинг спектр таркиби узатилаётган сигналнинг узатиш тезлигига, импульс формасига ва линия тракти параметрлари (оптик толанинг сўниши, тўлқин узунлиги, сонли апертура, синдириш кўрсаткичлари)га боғлиқ.
Тўлқин узунлиги 1,55 мкм ва узатиш тезлиги 35 Мбит/с дан юқори бўлса, бир ОТдан қарама - қарши йўналишли сигналларни узатувчи ТОА тизимида ўтиш шовқинлари кам бўлиб, оптимал иш режимига эга бўлади.
Тÿлқин узунлиги бўйича зичлаштирилган (бир толали кўп поласали бир кабелли) ТОА тизимида бир оптик тола бўйлаб бир вақтда тÿлқин узунлиги бўйича зичлаштирилган бир неча оптик ташувчилар узатилади. Бундай тизимларни тузиш, қўлланилладиган спектр оралиғида оптик кабелнинг сўниш коэффициентини оптик ташувчи частотасига (ёки тўлқин узунлигига) нисбатан кам боғлиқлигига асосланади. Шунинг учун бир оптик тола бўйлаб, ахборотларни узатишнинг натижавий тезлигини ошириб, бир неча кенг оралиқли оптик каналларни ташкил этиш мумкин.
Оптик каналлари тÿлқин узунлиги бўйича зичлаштирилган ТОАТ нинг тузилиш схемаси 7.3-расмда кўрсатилган.
n КҲҚУдан сигналлар n оптик узатгич ОУз га узатилади. ОУз чиқишидаги ₁, ₂,..., _n тўлқин узунликли турли оптик ташувчилар мультиплексор (МП) ёрдамида бир оптик толага киритилади. Қабул қилувчи станцияда демультиплексор (ДМ) ёрдамида ₁, ₂,..., _n тўлқин узунликли турли оптик ташувчилар ажратилади ва оптик қабул қилгич (ОҚқ) га берилади. Шу тарзда, бир оптик тола орқали n тÿлқин узунлиги бўйича ажратилган оптик каналлар ташкил қилинади, яъни ўтказиш қобилиятидан самарали фойдаланиш коэффициенти бошқа анъанавий тузилган оптик тизимларнинг линия трактига нисбатан n марта ошади.

λ₁

λ₁

λ_n λ_n

7.3-расм. Тÿлқин узунлиги бўйича зичлаштирилган ТОА тизимининг тузилиш схемаси

Оптик ташувчиларни бирлаштириш ва ажратиш учун турли оптик спектрал қурилмалар оптик мультиплексор ва демультиплексорлар қўлланилиши мумкин. Уларнинг иши физик оптиканинг дисперсия, дифракция ва интерференция ходисаларига асосланган. Оптик мультиплексор ва демультиплексорлар оптик призма, кўп қатламли диэлектрик, дифракцион панжара асосида тузилишлари мумкин.

7.3. Толали оптик алоқа тизимларида шовқинлар ва ночизиқли бузилишлар

ТОУТ лари ривожланишининг биринчи босқичларида, бир тўлқин узунликли линия трактида сўниш ва дисперсия туфайли муаммолар юзага келган бўлса, ҳозирги вақтга келиб, тÿлқин узунлиги бўйича зичлаштирилган ТОА тизимиларининг қўлланилиши билан юқори тезликли рақамли ахборотларни узатишда юзага келадиган ночизиқли эффектлар билан боғлиқ муаммолар биринчи ўринни эгаллайди. Бу масалага биринчи бўлиб халқаро трансатлантика ТОАЛ қуришда эътибор берилган.
ОТ ҳам барча турдаги диэлектриклар, масалан, ночизиқли тўртқутблилик (7.4-расм) каби кучли электромагнит майдонда ночизиқли характерга эга. Бундай майдонлар кичик ўлчамли ОТ нинг кўндаланг кесимининг бирлик майдонига катта қувватли – юқори интенсивликка эга бўлган сигналнинг тушиши ҳисобига ҳосил бўлади [4]. Демак, ОТ ночизиқли муҳит ҳисобланади, чунки унинг параметрлари нурланиш қуввати ва интенсивлигига боғлиқ. Чизиқли муҳитда эса муҳит параметрлари узатиладиган сигналга боғлиқ бўлмайди [5].

7.4-расм.

Тўртқутблилик, мисолда ОТ киришига 2 ёки ундан ортиқ частотали сигналлар тушганда, унинг чиқишида асосий сигнал гармоникаларидан ташқари бошланғич сигнал таркибида бўлмаган комбинацион гармоникалар ҳам ҳосил бўлади. Бу комбинацион гармоникалар ишчи каналлар билан ўзаро таъсирда бўлиб, асосий сигналларнинг бузилишига – ночизиқли бузилишларга олиб келади.

Ночизиқли бузилишлар ОТ бўйлаб узатиладиган сигнал қувватига боғлиқ. Бир каналли ТОУТ ларида узатиш сигналининг сатҳи -2 дан + 3 дБқ гача ташкил этган бўлса, WDM технологиясининг кириб келиши билан алоқа масофасини узайтиришга интилиш ҳамда пассив оптик қурилмалар олиб кирадиган йўқотишларни бартараф этиш учун + 20 дБқ қувватли сигналларни узатиш талаб этилади. Бу билан ОТ нинг ночизиқлилиги юзага келади, яъни ОТ нинг синдириш кўрсаткичи кириш қувватига боғлиқ равишда ортиб боради.
Юқори интенсивликда ОТ нинг синдириш кўрсаткичи нурланиш интенсивлигига боғлиқ бўлади ва қуйидагича ифодаланади

n = n₀ + n_нI,

ёки ОТ нинг синдириш кўрсаткичи кириш қувватига боғлиқ [6]:

n = n₀ + n_н* P₀/ A_эфф, (7.1)

где: n₀ – кичик оптик қувватда ОТ нинг синдириш кўрсаткичи (кварц учун n₀=1,47);

n_н – синдириш кўрсаткичининг ночизиқлилик коэффициенти. n_н қиймати (2,2 ... 3,6) *10^-20 м²/Вт оралиқда ётиши мумкин (кварц учун n_н = 2,35*10^-20 м²/Вт);
I – ёруғлик оқимининг интенсивлиги;
Р₀ – ОТ га киритиладиган оптик қувват, Вт;
А_эфф – ОТ ўзагининг эффектив майдони, м².
7.5-расмда кварц ОТ синдириш кўрсаткичининг оптик қувватга боғлиқлиги кўрсатилган [6].

7.5-расм. Кварц ОТ синдириш кўрсаткичининг оптик қувватга боғлиқлиги.

Графикдан кўриниб турибдики, синдириш кўрсаткичи жуда ҳам кичик қийматга ўзгармоқда. Лекин бундан кичик ўзгаришлар ҳам юқори тезликли ТОУТ сифатига сезиларли даражада таъсир этади.

WDM тизимларида узатувчи муҳит сифатида БМ ОТ лардан фойдаланилади. БМ режимни таъминлаш учун

d_ў = λ_н

шарт бажарилиши керак. Лекин, ITU-T G.652 тавсияларида БМ ОТ ўзагининг диаметри d_ў > λ_н дан бир мунча катта, бу эса БМ ОТ орқали битта асосий модадан ташқари бир моданинг бошқа спектрал ташкил этувчиларининг ҳам узатилишига олиб келади. Чунки идеал когерент ЛД мавжуд эмас (7.6-расм).

7.6-расм. Бир модали ЛД нурланиш спектри.

Натижада WDM ли ТОУТ ларида БМ ли режимда f₁, f₂, …, f_N частотали гуруҳли сигнал узатилганда, унинг ОТ билан ўзаро таъсирлашувидан ночизиқлилик юзага келади ва комбинацион гармоникалар ҳосил бўлади. Масалан, f₁, f₂ частотали сигнал узатилса, ночизиқли таъсир натижасида 2f₁, 3f₁, …, 2f₂, 3f₂ ва бошқа иккинчи тартибли комбинацион частоталар ва учинчи тартибли 2 f₁- f₂, 2 f₂- f₁ частоталар ҳосил бўлади:

f _i = ‌‌‌‌‌ f ₁± f _2.

Иккинчи тартибли комбинацион гармоникалар ҳар доим ишчи диапазондан ташқарида жойлашади. Лекин 3-тартибли гармоникалар хавфли бўлиб, тўрт тўлқинли силжиш (ТТС) дейилади ва қўлланилаётган ишчи частота диапазонини эгаллаши мумкин [7].

7.7-расм. ТТС комбинацион частоталарининг ҳосил бўлиши.
3 та тўлқин узунликли гуруҳли сигнал узатилганда, ҳосил бўладиган комбинацион гармоникаларни қуйидагича ифодалаш мумкин


бу ерда .

Каналлар орасидаги қадам тенг бўлса, баъзи гармоникалар қўшни ишчи частота гармоникалари билан мос келади: = = = = = (7.8-расм). Натижада каналлараро ўтувчи ночизиқли ҳалақитлар юзага келади.

7.8-расм. 3 турли частотали оптик каналлар учун ТТС натижасида ҳосил бўлган комбинацион гармоникалар [8].

Ночизиқли бузилишларни камайтириш учун ОТ га киритиладиган йиғинди қувватни камайтириш керак. 1-жадвалда қувватнинг тенг тақсимланишида ҳар бир WDM каналидаги максимал қувват сатҳи келтирилган

7.1-жадвал
Қувватнинг тенг тақсимланишида ҳар бир WDM каналидаги максимал қувват сатҳи

Каналлар сони, m	2	4	8	16	32	64	128	256
Pтўлиқ = 17 дБм	14	11	8	5	2	-1	-4	-7
Pтўлиқ = 30 дБм	27	24	21	18	15	12	9	6

Жадвалдан кўриниб турибдики, P_тўлиқ=30 дБқ да минимал ва максимал каналлар сонида қувватнинг камайиши 21 дБ ни ташкил этади. Бу эса оптик каналда талаб этиладиган хатолик коэффициентини – СШН таъминлашда муаммоларга олиб келади. Бу муаммони ҳал этишнинг ягона йўли эффектив мода майдони кенг бўлган ОТ ларни яратишдир, бу эса қийин масала. Шунинг учун ОТ га киритиладиган йиғинди қувватни камайтириш керак. G.662 тавсияси бўйича қувват сатҳи 23 дБ деб қабул қилинган [9], лекин бунда иқтисодий афзал бўлган оптик кучайтиргичларни қўллашда компромисс масалалар юзага келади. Чунки ТТС ни камайтириш учун кетма-кет жойлашган оптик кучайтиргичларнинг умумий спектр полосасини чегаралаш керак.
Бундан ташқари ҳар бир оптик кучайтиргич нафақат фойдали сигналларни, балки ночизиқли бузилишларни ва бошқа шовқинларни ҳам кучайтиради. Кучайтиргичдан кучайтиргичга қадар шовқин сатҳи ошиб боради.
Ночизиқли бузилишларни камайтириш учун каналлараро интервални камайтириш керак.
Ночизиқли бузилишларни камайтиришнинг яна бир йўли хроматик дисперсия қиймати юқори бўлган ОТ ларни қўллаш керак, чунки минимал дисперсияли ОТ да когерент нурлар бир бирига нисбатан боғланган фазада бўлади. Сигналлар ОТ бўйлаб тарқалганда бир бири билан ўзаро таъсирлашувидан янги тўлқинлар ҳосил бўлади. SF ОТ нинг максимал дисперсияси буни бартараф этади, чунки сигналлар SF ОТ орқали узоқ масофаларга тарқалганда сигналларнинг фаза бўйича мослашуви бузилади. Лекин дисперсиянинг катта қиймати регенерациялаш участкаси узунлигини чегаралайди.
Юқоридагилардан ночизиқли бузилишларни камайтириш учун шуни хулоса қилиш мумкин:
- узатиладиган сигнал қуввати ва кучайтиргичларнинг жойлашувини оптималлаштириш керак, G.662 тавсияси бўйича йиғинди қувват сатҳи 23 дБ деб қабул қилинган;
- кучайтиргичларнинг кучайтириш коэффициентини ҳар бир тўлқин узунлигида тенглаштириш керак;
- каналлараро интервал ва тўлқин узунликлари сонини рационал тақсимлаш ва оптималлаштириш, 50 ГГц дан юқори ва нотекис каналлараро интервални қўллаш керак;
- D қиймати максимал SF [10] ОТ қўллаш ночизиқли бузилишларни камайтиради, лекин регенерациялаш участкаси узунлигини чегаралайди;
- DSF ОТ да D=0 [11] бўлгани учун ночизиқли бузилишлар энг юқори бўлади;
- NZDSF ОТ [12] қўллаш энг оптимал ҳисобланади.