Основные понятия и характеристики оптических модулей. Часть 1: Передатчики.

Оптические модули давно стали неотъемлемой частью современных телекоммуникационных сетей передачи данных. Оптические модули имеют ряд параметров, которые имеют важное значение для качества передачи данных. Для того, чтобы посетители нашего сайта лучше ориентировались в базовых понятиях, мы подготовили цикл статей параметры модулей и основные понятия. Начнем с оптических передатчиков и их основных параметров.

Тип излучателя

Тип излучателя передатчика определяется требованиями к дальности и скорости передачи данных. В телекоммуникационной отрасли используется несколько видов лазеров:

  • Лазеры Фабри-Перо (FP - Fabry-Perot) являются простейшими излучателями, которые позволяют создавать телекоммуникационные передатчики, пригодные для расстояний более 10 км. Такие лазеры могут использоваться в одномодовых и многомодовых передатчиках, при этом для ОМ длины волн 1310 и 1550 нм (последние используются для расстояний до 5 км), для ММ доступны длины волн 850 и 1300 нм. Скорость передачи данных у таких передатчиков обычно не превышает 1 Гбит/с.

  • Поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL - Vertical-cavity surface-emitting laser) обеспечивают скорость передачи данных до 25 Гбит/с. Стоимость производства передатчиков на их основе минимальна и лазеры с длиной волны 850 нм получили распространение в многомодовых системах на коротких дистанциях, т.к. характеристики этих лазеров не позволяют использовать их на длинных дистанциях. Такие лазеры отличаются высокой температурной стабильностью и малой потребляемой мощностью.

  • Лазеры с распределенной обратной связью (DFB - Distributed FeedBack) обеспечивают высокую мощность излучения и сохраняют при этом узкую ширину спектра излучения. Это свойство DFB используется при создании передатчиков для протяженных линий связи на основе одномодового волокна. Например, с передатчиками на DFB лазере канал 1Гбит/с может быть организован на расстоянии до 150 км. При этом канал на скорости 10Гбит/с может быть организован не более чем на 40 км. Относительно узкий спектр излучения позволил использовать такие лазеры в системах грубого спектрального уплотнения CWDM. Высокая температурная стабильность и возможность подстройки длины волны открывает лазерам DFB путь в системы с более строгими требованиями к излучателям.

  • Электроабсорбционные модулированные лазеры (EML - Electroabsorptive Modulated Laser) имеют отличные спектральные характеристики и могут быть использованы в передатчиках для протяженных линий со скоростью передачи данных до 100Гбит/с. По своей структуре это DFB лазер с внешним электроабсорбционным модулятором EAM. Лазеры EML в основном используются в передатчиках для расстояний более 40 км и систем спектрального уплотнения CWDM и DWDM. К недостаткам EML можно отнести высокую рассеиваемую мощность и очень высокую стоимость.

Ширина спектра

Ширина спектра излучения (Spectral Width) определяется типом излучателя, установленного в модуль. Ширина спектра излучения влияет на параметр хроматической дисперсии, который увеличивается вместе с шириной спектра.

Для многомодовых излучателей этот параметр рассчитывается как среднеквадратичная ширина спектра. Для лазеров FP ширина спектра составляет от 3 до 5 нм, для VCSEL 0,5 ~ 1 нм. Для многомодовых систем основным ограничивающим фактором по дальности является межмодовая дисперсия, хроматическая дисперсия имеет малую значимость.

Ширина спектра для лазеров FP и VCSEL
Ширина спектра для лазеров FP (справа) и VCSEL

Для одномодовых систем применяются лазеры DFB и EML. Особенностью этих лазеров является присутствие в спектре одно ярковыраженной моды. Ширина спектра излучения таких модулей определяется шириной спектра основной моды на уровне -20 дБ. Лазер DFB имеет ширину спектра 0,1 ~ 0,5 нм, для EML этот показатель еще уже - 0,01 ~ 0,08 нм.

Ширина спектра для лазеров DFB и EML
Ширина спектра для лазеров DFB (справа) и EML

Коэффициент подавления боковых мод

Понятие коэффициента SMSR (Side Mode Suppression Ratio) применимо только к одномодовым лазерам и определяет минимальную разницу в мощности излучения основной моды и следующей за ней. Для обычных оптических модулей значение SMSR выдерживается на уровне 30 дБ.

Мощность излучателя

Параметр мощности излучателя (Average output power) для оптических модулей как правило задается не точным значением, а некоторым диапазоном, за рамки которого это значение не выходит. Связано это с невысокой повторяемостью параметров при серийном производстве сборок оптических передатчиков.

Центральная длина волны передатчика

На этой длине волны распространяется излучение наибольшей мощности. Исторически так сложилось, что опорные длины волн в телекоммуникационных сетях совпали с длинами волн окон прозрачности оптического волокна: 850 и 1300 нм для ММ, 1310 и 1550 нм для OM. Последние спецификации одномодового волокна G.652C и D имеют сглаженную характеристику вносимого затухания и позволяют работать с длинами волн в диапазоне 1250 – 1650 нм. Длины волн спектрального уплотнения DWDM определены в стандарте G.694.1, длины волн CWDM – в G.694.2.

Глаз-диаграмма

Глаз диаграмма (Eye-pattern) является графическим представлением измерений оптического сигнала и позволяет определить качество передачи данных. Глаз диаграмма формируется в результате наложения графиков импульсов сигнала, измеренных в реальном времени.

Глаз диаграмма расшифровка
Глаз-диаграмма

Описание параметров глаз-диаграммы

Дрожание фазы

Дрожание фазы или джиттер (Jitter) оптического передатчика проявляется в смещении времени перехода сигнала из "0" в "1" или в изменении скорости перехода между состояниями сигнала, вызванного, в основном, нестабильностью задающего генератора. Большие значения джиттера приведут к тому, что на приемнике будут возникать ошибки, связанные с принятием неправильного решения об уровне сигнала. Дрожание фазы определяется либо в пикосекундах, либо в долях тактового интервала. Типичным требованием для оптических модулей значение до 0,35UI для Gigabit Ethernet и не более 0,21 UI для 10Gigabit Ethernet.

Амплитуда оптической модуляции

Параметр (OMA - Optical Modulation Amplitude) означает начальную разницу между уровнями сигналов, принятыми за "0" и "1" (P1-P0) и является абсолютной величиной. При распространении сигнала в линии амплитуда сигнала уменьшается, в следствие чего падает значение OMA.

Коэффициент ослабления импульса

Коэффициент ослабления (ER - Extinction Ratio) показывает отношение уровней сигналов, принятых за "0" и "1" (P1/P0) и является относительной величиной. Для модулей до 1Гбит/с стандартное значение ER составляет 8-10, для 10G - 3 ~ 5. Связано это с тем, что при больших скоростях передачи данных на выходе излучателя сложно обеспечить большую разницу уровней «1» и «0».

Время нарастания/спада мощности

Это время, за которое уровень мощности возрастает с 20 до 80% (уровень логической "1"), либо снижается с 80 до 20% (уровень логического "0"). Т.Е. это время перехода от "0" к "1".

Штраф по мощности

Значение штрафа по мощности (Power Penalty) отражает значение OMA и зависит от затухания сигнала в линии. Штраф по мощности может быть может быть рассчитано с учетом исходных значений мощности "0", "1" и ER.

Относительная интенсивность шумов

Работа излучателя сопровождается спонтанной эмиссией фотонов, приводящей к некогерентности светового потока. Эти шумы характеризуются относительной интенсивностью шумов – RIN (Relative Intensity Noise) - мощностью шумов, измеряемой в полосе 1 Гц по отношению к мощности излучаемого светового потока. Стандартным значением для оптических модулей является -120 ~ -130 дБ/Гц. Увеличение дальности и скорости передачи данных требует уменьшения интенсивности шумов.

Продолжение читайте в следущей статье!