Warum löst eine optische Faser SBS bei 8 dBm aus, wenn die Nenn schwelle 10 dBm beträgt?

In optischen Übertragungs systemen liegt der berechnete Schwellen wert für die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) häufig bei 10 dBm oder höher. Nach dem Einsatz eines Systems können Ingenieure jedoch einen signifikanten Anstieg der rück gestreuten Leistung und eine Verschlechterung des optischen Signal-Rausch-Verhältnisses (OSNR) beobachten, wenn die gestartete optische Leistung nur 8 dBm erreicht.

Warum kann eine Faser SBS auslösen2 dB unter dem berechneten Schwellen wert?

Eine Differenz von 2 dB mag klein aussehen, aber SBS ist ein nichtlinearer Effekt mit exponentieller Verstärkung. Sobald sich der Betriebs punkt in das von SBS dominierte Regime bewegt, kann ein relativ kleiner Fehler in der vorhergesagten Schwelle zu einem signifikanten Anstieg der rückwärts gestreuten Leistung und der Systems trafen führen.

Der entscheidende Punkt ist, dassSBS-Schwelle ist keine feste Eigenschaft der Faser allein. Es hängt von der optischen Quelle, der Faserlänge und-dämpfung, den Reflexionen, der Polarisation und der räumlichen Verteilung von Dehnung und Temperatur entlang der Faser ab.

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Die verborgenen Annahmen hinter der klassischen SBS-Schwellen formel

Für Dauer wellen licht in einer Single-Mode-Faser ist eine üblicher weise verwendete Näherung für den SBS-Schwellen wert:

$$P _{th}=\ frac{21A _{eff}}{g_B L _{eff}}$$

Wo:

• $P _{th}$Ist die SBS-Schwellen wert leistung

• $A _{eff}$Ist der effektive Modus bereich

• $G_B$Ist der Brillouin-Gewinn koeffizient

• $L _{eff}$Ist die effektive Faserlänge

Die effektive Länge wird üblicher weise ausgedrückt als:

$$L _{eff}=\ frac{1-e ^{-\ alpha L}}$$

wo$L$Ist die physikalische Faserlänge und$\ Alpha$Ist der Faser dämpfung koeffizient.

Diese Gleichungen sind nützlich für technische Schätzungen, stützen sich jedoch auf Annahmen, die in einem realen Übertragungs system möglicher weise nicht vollständig erfüllt sind. Die SBS-Schwelle wird stark von der Faserlänge, den Material parametern, der Pumpen wellenlänge und anderen System bedingungen beeinflusst.

Drei Annahmen sind besonders wichtig:

1. Die optische Quelle hat die bei der Berechnung angenommene Linienbreite.

2. Die Faser verhält sich als ausreichend gleichmäßiges Medium.

3. Es gibt keine signifikanten Reflexionen oder andere injizierte Stokes-Komponenten, die den SBS-Initiation prozess verändern.

Wenn sich eine dieser Annahmen ändert, kann sich der tatsächliche Schwellen wert erheblich bewegen.

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Faktor 1: Die tatsächliche Laser linien breite kann viel enger sein als erwartet

Eine der häufigsten SBS-Schwellen fallen istLaser-Linienbreite.

Angenommen, ein Systemdesigner berechnet den SBS-Schwellen wert unter der Annahme, dass die Modulation das optische Spektrum auf ungefähr 1 GHz erweitert. Da die Brillouin-Verstärkungs bandbreite nur in der Größen ordnung von zehn MHz liegt, verringert die Erweiterung des optischen Spektrums die effektive SBS-Verstärkung erheblich.

Eine häufig verwendete Näherung für eine erweiterte Quelle ist:

$$P _{th}\ ca \ frac{21A _{eff}}{g_B L _{eff}} \ links (1 \ frac{\ Delta \ nu_p} =\ Delta \ nu_B}\ rechts)$$

Wo:

• $Δν_p$Ist die optische Quell linien breite

• $\ Delta \ nu_B$Ist die Brillouin-Gewinn bandbreite

Daher kann eine Erhöhung der optischen Linienbreite die SBS-Schwelle wesentlich erhöhen. Experimentelle und theoretische Studien haben diese starke Abhängigkeit von der Quell linien breite gezeigt.

Das Problem tritt auf, wenn das SystemWurde unter der Annahme einer spektralen Verbreiter ung entwickelt, aber der Verbreiter ungs mechanismus funktioniert nicht wie erwartet.

Wenn beispiels weise ein externer Phasen modulator einen DFB-Laser mit schmaler Linienbreite verbreitern soll, der HF-Antrieb jedoch nicht ausreicht oder die Modulator vorspannung gedriftet ist, kann das optische Spektrum viel schmaler als erwartet werden.

Der effektive SBS-Gewinn kann dann dramatisch zunehmen.

Eine Quelle, von der angenommen wurde, dass sie eine effektive Linienbreite von ungefähr 1 GHz aufweist, könnte effektiv zu ihrem intrinsischen Zustand mit schmaler Linienbreite zurückkehren.

Dies kann eine scheinbar komfortable SBS-Marge in eine viel niedrigere reale Schwelle verwandeln.

Ein praktisches Beispiel

Für eine Standard-Single-Mode-Faser mit einer effektiven Fläche in der Größen ordnung von 80 μm² und einer langen Übertragungs spanne kann der Unterschied zwischen einer Quelle mit schmaler Linienbreite und einer absichtlich erweiterten Quelle viele dB betragen.

Der genaue Schwellen wert hängt von den Faser parametern, dem Quellens pektrum, dem Modulation format, der Polarisation und der Schwellen wert definition ab. Daher,Die in der Entwurfs berechnung verwendete Linienbreite muss am tatsächlichen Faser eingang überprüft werdenAnstatt einfach aus der Nenn spezifikation des Senders entnommen.

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Faktor 2: Ihre effektive Faser länge kann länger sein als berechnet

Eine weitere häufige Fehler quelle ist$L _{eff}$.

Da der SBS-Schwellen wert ungefähr umgekehrt proportional zur effektiven Länge ist,

$$P _{th} \ propto \ frac{1}{L _{eff}}$$

Sogar ein moderater Fehler in$L _{eff}$Kann die vorhergesagte Schwelle verschieben.

Die effektive Länge ist:

$$L _{eff}=\ frac{1-e ^{-\ alpha L}}$$

Beide$L$Und$\ Alpha$Müssen den tatsächlichen optischen Pfad darstellen.

Beispiels weise kann die Verwendung eines Dämpfung koeffizienten von 0,20 dB/km anstelle der tatsächlichen 0,18 dB/km einen bedeutenden Unterschied in der berechneten effektiven Länge für eine lange Faser spanne erzeugen.

Zusätzliche Faser segmente können ebenfalls übersehen werden:

• Patch fasern

• Zöpfe

• Dispersion kompensation module

• Innen faser abschnitte

• Reparatur-oder Wartungs abschnitte

• Andere optische Module mit einer signifikanten Faserlänge

Weil die Schwelle sinkt als$L _{eff}$Erhöht sich und unterschätzt die effektive Länge, wodurch der berechnete SBS-Schwellen wert zu optimistisch ist.

Mit anderen Worten:

Ein kleiner Fehler in der Faserlänge oder-dämpfung kann zu einem echten Fehler in der verfügbaren SBS-Leistungs spanne werden.

ITU-T Anleitung stellt auch fest, dass die SBS-Nennleistung mit der Faserlänge variiert und umgekehrt mit der effektiven Länge zusammen hängt.

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Faktor 3: Reflexionen können einen SBS-Samen liefern

Das klassische Bild von SBS geht davon aus, dass der Prozess mit der spontanen Brillouin-Streuung beginnt.

Echte optische Verbindungen können jedoch Reflexionen enthalten.

Ein schlechter Stecker, eine kontaminierte End fläche, ein mechanischer Spleiß oder eine andere Diskontinuität können reflektierte optische Leistung in das System einbringen.

Dieses reflektierte Licht kann mit der Faser interagieren und die Anfangs bedingungen für SBS modifizieren.

Beispiels weise kann ein Verbinder mit einer signifikanten Verschlechterung des Rücklauf verlusts eine sich rückwärts ausbreitenden optischen Komponente erzeugen, die effektiv als Keim für die nichtlineare Wechsel wirkung fungiert.

Aus diesem Grund sollte ein unerwartetes SBS-Problem nicht automatisch der Faser selbst zuges chrieben werden.

Prüfen Sie auf:

• Kontaminierte Stecker-End flächen

• Beschädigte Steck verbinder

• Schlechte Fusions spleiße

• Temporäre Patch-Verbindungen

• Ungenutzte Häfen

• Reflektierende Komponenten

• Unerwartete Fresnel-Reflexionen

Ein OTDR kann hier besonders nützlich sein, weil es erlaubt, einzelne Reflexions ereignisse zu identifizieren und ihre Rendite-Verlust-Eigenschaften zu bewerten.

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Faktor 4: Faser abseigung und Temperatur sind entlang der Verbindung nicht einheitlich

Eine Übertragungs faser ist selten ein vollkommen einheitliches optisches Medium.

Echte eingesetzte Fasern können erhebliche Unterschiede aufweisen in:

• Temperatur

• Mechanische Dehnung

• Installation spannung

• Biegung

• Umwelt bedingungen

Diese Variationen ändern die lokale Brillouin-Frequenz.

Beispiels weise kann ein vergrabener Faser abschnitt unter mechanischer Spannung eine ganz andere Dehnung bedingung erfahren als eine Luft faser, die täglichen Temperatur schwankungen ausgesetzt ist.

Folglich kann die Brillouin-Frequenz entlang der Faser variieren.

Auf den ersten Blick mag dies vorteilhaft erscheinen, da die spektrale Variation die gesamte Brillouin-Reaktion erweitern und den effektiven Gewinn verringern kann.

Es gibt jedoch einen wichtigen lokalen Effekt.

Betrachten Sie eine lange Faser, die einen relativ gleichmäßigen Abschnitt von 2 km enthält. Wenn dieser Abschnitt nahezu identische Temperatur-und Dehnung bedingungen aufweist, kann seine lokale Brillouin-Frequenz sehr konsistent bleiben.

Das Ergebnis kann einLokalisierte Region mit verbessertem SBS-Gewinn.

Daher bestimmt das durchschnitt liche Verhalten auf Systemebene nicht unbedingt, wo SBS beginnen wird.

Ein bestimmter Abschnitt der Faser kann der erste Ort sein, an dem sich SBS entwickelt.

Dies ist ein Grund, warum ein gemessener Schwellen wert von einer einfachen Berechnung abweichen kann, die nur auf durchschnitt lichen Faser parametern basiert.

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Faktor 5: Multi mode-oder Multi frequenz quellen können unerwartete Wechsel wirkungen erzeugen

Das optische Spektrum der Quelle ist ebenfalls wichtig.

Für einen Multi mode-oder Mehrfach längs modus laser können verschiedene optische Modi auf unterschied liche Weise mit dem Brillouin-Verstärkungs spektrum interagieren.

Unter bestimmten Frequenz beziehungen kann sich die aus einem optischen Modus erzeugte Stokes-Komponente mit dem Brillouin-Verstärkungs bereich überlappen, der einem anderen Modus zugeordnet ist.

Dies kann die effektive nichtlineare Verstärkung modifizieren und den praktischen SBS-Schwellen wert im Vergleich zu einer einfachen Einzel frequenz berechnung verringern.

Daher sollten Ingenieure bei der Untersuchung eines unerwarteten SBS-Ereignisses nicht nur die nominale Wellenlänge des Zentrums überprüfen, sondern auch:

• Optische Linienbreite

• Längs modus struktur

• Seiten modi

• Modulation-Seiten

• Spektrale Stabilität

Ein optischer Spektrum analysator kann häufig Informationen enthüllen, die von den Nenns pezifi kationen des Senders unsichtbar sind.

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Wie kann eine nominale 10-dBm-Schwelle zu einer realen Schwelle von 8 dBm werden?

Der wichtige Punkt ist, dass möglicher weise kein einziger "2 dB Fehler" vorliegt.

Stattdessen können sich mehrere kleinere Effekte ansammeln.

Zum Beispiel:

Mechanismus	Mögliche Auswirkungen
Quell linien breite schmaler als angenommen	SBS-Schwelle sinkt
Modulation tiefe oder HF-Antrieb unzureichend	SBS-Schwelle sinkt
Effektive Faserlänge unterschätzt	SBS-Schwelle sinkt
Zusätzliche Faser abschnitte weggelassen	SBS-Schwelle sinkt
Signifikante optische Reflexionen	Die SBS-Initiierung wird einfacher
Lokal gleichmäßige Dehnungs-/Temperatur region	Der lokale SBS-Gewinn steigt
Multimode-spektrale Wechsel wirkung	Effektiver Gewinn kann zunehmen

Dies bedeutet, dass eine Schwelle von 8 dBm nicht unbedingt darauf hinweist, dass das theoretische Modell grunds ätzlich falsch ist.

Es kann einfach bedeuten, dassDie tatsächlichen Betriebs bedingungen stimmen nicht mehr mit den zur Berechnung des 10-dBm-Werts verwendeten Annahmen überein.

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Wie sollten Sie eine unerwartete SBS-Schwelle diagnostizieren?

Anstatt sich nur auf die theoretische Berechnung zu verlassen, ist eine praktische Fehler behebung sequenz zuverlässiger.

1. Messen Sie das tatsächliche optische Spektrum

Gehen Sie nicht davon aus, dass der Laser die im Systemdesign angegebene Linienbreite hat.

Messen Sie das optische Spektrum am tatsächlichen Faser eingang.

Achten Sie besonders auf:

• Linienbreite

• Modulation-Seiten

• Träger unterdrückung

• RF-Modulation tiefe

• Längs modi

Wenn die spektrale Verbreiter ung verwendet wird, um den SBS-Schwellen wert zu erhöhen, stellen Sie sicher, dass die Verbreiter ung tatsächlich vorhanden ist.

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2. Überprüfen Sie den gesamten optischen Pfad

Neu berechnen$L _{eff}$Unter Verwendung des tatsächlichen Faser pfads.

Einschließen:

• Übertragungs faser

• Patch kabel

• Zöpfe

• Faser haltige Module

• Dispersion kompensation abschnitte

• Reparatur abschnitte

Überprüfen Sie auch den tatsächlichen Dämpfung koeffizienten, anstatt sich nur auf einen nominalen Datenblatt wert zu verlassen.

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3. Verwenden Sie OTDR, um Reflexions ereignisse zu lokalisieren

Führen Sie OTDR-Tests durch und inspizieren Sie einzelne Reflexions ereignisse.

Achten Sie besonders auf:

• Steck verbinder

• Spleiße

• Patch-Paneele

• Reparierte Abschnitte

• Optische Schnitts tellen

Eine lokalisierte Reflexion kann bei einer herkömmlichen Insertion-Verlust-Messung leicht zu übersehen sein.

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4. Überprüfen Sie das Modulation system

Wenn Phasen-oder Frequenz modulation verwendet wird, um das optische Spektrum zu erweitern, überprüfen Sie die vollständige Modulation kette.

Überprüfen Sie:

• HF-Ausgangs leistung

• Modulator vorspannung

• RF-Kabel verbindungen

• Modulation tiefe

• Optisches Spektrum nach Modulation

Das Vorhanden sein eines externen Modulators bedeutet nicht automatisch, dass die optische Linienbreite ausreichend erweitert wurde.

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5. Messen Sie die SBS-Schwelle direkt

Letztendlich besteht der zuverlässig ste Weg, das tatsächliche System zu charakterisieren, darin, die Schwelle zu messen.

Erhöhen Sie schrittweise die gestartete optische Leistung, während Sie die rückwärts gestreute Leistung kontinuierlich überwachen.

Eine praktische Schwellen wert definition besteht darin, den Punkt zu identifizieren, an dem die gemessene rückwärts gestreute Leistung beginnt, erheblich von ihrem linearen Trend mit geringer Leistung abzu weichen. Das genaue Schwellen kriterium sollte für den Antrag einheitlich definiert werden.

Diese direkte Messung ist besonders wertvoll, wenn theoretische Annahmen ungewiss sind.

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Die wichtigsten technischen Lektion

Die SBS-Schwelle sollteNicht als eine einzelne konstante Zahl behandelt werden, die auf einem Systems pezifi kation blatt gedruckt wird.

Es wird besser als Ergebnis einer Interaktion zwischen:

Mess definition für optische Faser wege Umgebungs bedingungen

Der nominale Wert von 10 dBm kann unter den während des Systemdesigns verwendeten Annahmen durchaus angemessen sein.

Wenn jedoch die tatsächliche Quell linien breite schmaler ist, die effektive Faserlänge länger ist, ein reflektieren des Ereignis vorliegt oder ein lokaler Faser abschnitt ungewöhnlich günstige Bedingungen für SBS aufweist, kann der reale Schwellen wert um mehrere dB niedriger sein.

Aus diesem Grund kann ein System, das theoretisch 10 dBm zulässt, eine SBS-bedingte Verschlechterung bei 8 dBm-oder sogar niedriger-anzeigen.

Wenn SBS früher als erwartet auftritt, fragen Sie nicht einfach: "Ist die Faser spezifikation falsch?"

Fragen Sie stattdessen:

Welche Annahme in der SBS-Schwellen rechnung passt nicht mehr zum realen optischen System?

Diese Frage führt normaler weise viel schneller zur eigentlichen Ursache.