МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

 Алматинский институт энергетики и связи 

 

С.В.Коньшин, Б.Б.Агатаева 

 

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ  

Учебное пособие

 

Алматы 2008

     Учебное пособие предназначено для  изучения курсов «Оптические системы связи в телекоммуникационных системах», «Оптические и радиорелейные системы передачи», «Оптические системы связи в радиоэлектронике». В пособии приведены  обзор основных элементов волоконно-оптической системы передачи и решения технических задач, вставших при  развитии оптических  устройств.  Необходимость самого учебного пособия  обусловлена потребностью  более глубокого понимания процессов, происходящих в оптической системе связи. Развитие волоконно-оптической связи  не стоит на месте, появляются новые   способы реализации тех или иных технических решений создания оптических сетей, новые стандарты передачи информации, поэтому в учебном пособии, помимо описания основных принципов построения схем оптической системы связи, представлены ссылки на направления, которые могут быть использованы при изучении той или иной темы. Приведены основные структурные и принципиальные схемы, необходимые для понимания процессов, происходящих в оптической системе связи.

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения, по специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

   

Содержание 

Введение  4

1 Классификация и принципы построения оптических систем передачи  5

1.1 Оптический передатчик.  Передающий оптоэлектронный модуль  10

1.2 Оптический приемник. Приемный оптоэлектронный модуль  15

1.3 Ретрансляционные устройства  21

1.4 Оптические соединители  24

1.5 Оптические разветвители  26

1.6 Другие устройства  27

2 Современные информационные технологии и аппаратура ОСС   29

2.1 Современные технологии и аппаратура оптической системы связи  32

2.2 Спектральное уплотнение  34

2.3 Селективное спектральное уплотнение  34

2.4 Модель взаимодействия WDM с транспортными технологиями  36

2.5 Блок-схема систем c WDM   37

2.6 Узкополосные и широкополосные WDM   38

2.7 Канальный (частотный) план  38

2.8 Классификация WDM на основе канального плана  40

2.9 Схемы реализации мультиплексоров WDM   40

2.10 Характеристики промышленных систем WDM   43

3 Технология DWDM   46

3.1 Основные сведения о технологии DWDM   46

3.2 Пространственное разделение каналов и стандартизация DWDM   48

3.3 Компоненты системы DWDM: мультиплексоры и демультиплексоры   50

3.4 Технологии мультиплексирования  51

3.5 Компоненты системы DWDM: оптические усилители EDFA   57

3.6 Технология SWDM   59

4 Виды сетей  59

4.1 Сравнение DWDM c SWDM   61

4.2 Когерентные системы передачи  61

4.3 Одноволновые волоконно-оптические системы передачи  63

4.4 Структура систем волнового уплотнения  64

4.5 Модель системы   67

4.6 Насыщение усиления  70

4.7 Компенсация усиления  71

4.8 Каскадирование усилителей  72

Список сокращений  74

Список использованной литературы   77

 

 

Введение 

В последние годы скорость строительства и введения в эксплуата­цию волоконно-оптических сетей и систем различного назначения пре­взошла самые оптимистические прогнозы. К 2008 г. во всем мире изго­товлено и смонтировано более 100 млн. км оптических кабелей, которые являются доми­нирующей основой развивающейся глобальной информационной сети.

Технический облик волоконно-оптической системы передачи начала XXI века должен определяться в первую очередь внедрением новых промышленных и информационных технологий, от которых зависит их надежность, экономичность и потен­циальные возможности.

Оптические кабели, которым пока нет альтернативы, в бли­жайшие десятилетия будут оставаться основным видом направляющих систем. Обладая высокой пропускной способностью, они позволяют в течение срока службы увеличивать объем передаваемой информа­ции без существенных дополнительных затрат на модернизацию ли­нейных трактов волоконно-оптической системы передачи.

Поэтому основным направлением совершенствования волоконно-оптической системы передачи в бли­жайшее время останется увеличение объема передаваемой информа­ции.

Будет происходить дальнейшее развитие тенденций, наметив­шихся в предыдущие годы: освоение четвертого и пятого окон про­зрачности оптического волокна, разработка новых типов одномодовых оптических волокон с пониженной хроматической дисперсией и малым наклоном дисперсионной кривой, увеличение дальности передачи путем широкого внедрения оптических усилителей и компенсаторов хроматической дисперсии.

Продолжат­ся также исследования полностью оптических элементов коммутации, оптических регенераторов и солитонов.

Дальнейшее совершенство­вание методов плотного волнового (спектрального) мультиплексирова­ния DWDM и введение в коммерческую эксплуатацию систем передачи, использующих оптические солитоны, будет началом эпохи полностью оптических «терабитных» волоконно-оптических систем передачи.

 

1 Классификация и принципы построения оптических систем передачи 

В настоящее время оптические системы связи (ОСС) получили широкое распространение в системах связи и кабельного телевидения, системах передачи данных и управления, в бортовой аппаратуре и т.п.

По протяженности ОСС можно подразделить на три группы: ло­кальные (внутриобъектовые), средней протяженности и магистральные.

Локальные ОСС используются в сетях передачи данных внутри предприятий, на подвижных объектах гражданского и военного назна­чения, в вычислительных комплексах.

ОСС средней протяженности предназначены для цифровых сетей интегрального обслуживания и для связи тактического военного назначения.

И, наконец, магистральные ОСС используются для дальней многоканальной связи на магистраль­ных и внутризоновых системах и сетях.

Для передачи информации в современных ОСС применяют вре­менной и частотный методы разделения каналов. Электрический сиг­нал, сформированный тем или иным методом, модулирует оптическую несущую источника оптического излучения. Поскольку электрический ток на выходе фотоприемника (фотодиод, лавинный фотодиод) про­порционален мощности (интенсивности) принимаемого светового потока обычно применяется модуляция интенсивности оптической несущей, при которой амплитуда модулирующего электрического сигнала опре­деляет мощность излучения оптического источника.

Существуют два основных способа модуляции — внутренний и внешний. Внутренняя модуляция осуществляется непосредственным воздействием на источник оптического излучения. Так получают мо­дуляцию интенсивности. Внешняя модуляция позволяет при помощи специального устройства — модулятора изменять параметры излучения немодулируемого источника. При этом можно осуществить не толь­ко модуляцию интенсивности, но и другие виды модуляции, основан­ные на изменении частоты, фазы и поляризации оптической несущей, которые по ряду причин еще не получили широкого распространения на практике.

Современные ОСС обычно являются цифровыми, наиболее ча­сто применяют импульсно-кодовую модуляцию интенсивности (ИКМИ), так как при этом в значительной степени снижаются требования к ли­нейности амплитудных характеристик источников и приемников опти­ческого излучения.

Типовая структурная схема цифровой ОСС представлена на рисунке 1. Основными элементами системы являются оптический линей­ный тракт и оконечные устройства — передающая и приемная станции.

На передающей станции N первичных цифровых электрических сиг­налов (основных цифровых каналов ОЦК) со скоростью передачи ин­формации 64 кбит/с поступают в оконечную аппаратуру типовой мно­гоканальной системы передачи (МСП). С выхода МСП групповой N-канальный электрический сигнал подается на устройство сопряжения (кодер), где преобразуется в форму, наиболее удобную для передачи по линейному тракту. Затем в оптическом передатчике электрический сигнал путем модуляции оптической несущей преобразуется в оптиче­ский сигнал и передается по ОВ линейного тракта.

 

Рисунок 1 - Типовая структурная схема цифровой ОСС 

На приемной станции осуществляется обратное преобразование принимаемого оптического сигнала в N первичных цифровых электри­ческих сигналов. Для этого последовательно используются оптический приемник, устройство сопряжения (декодер) и оконечная аппаратура типовой МСП.

Оптические сигналы, распространяющиеся по ОВ, затухают вслед­ствие потерь в самом кабеле, а также потерь в соединениях строитель­ных длин и оконечных разъемных соединителях в местах подключения аппаратуры. Кроме того, дисперсия импульсных сигналов увеличива­ет шумы в канале передачи и вызывает кодовые ошибки при приеме. Поэтому, если приемная и передающая станции удалены на большое расстояние друг от друга (например, на несколько сот км), может потребоваться дополнительно одно или несколько промежуточных ретрансля­ционных устройств.

В качестве таких устройств используются линейные регенераторы и оптические усилители (рисунок 2).

Линейный регенератор (рисунок 2, а) восстанавливает первоначаль­ную форму оптического сигнала. Поскольку при существующей эле­ментной базе компенсацию затухания и коррекцию искажений целесо­образно производить с электрическими сигналами, линейный регене­ратор состоит из оптического приемника, электронного регенератора и оптического передатчика. Входной оптический сигнал сначала преобра­зуется в электрическую форму, усиливается и корректируется, а затем вновь преобразуется в оптический сигнал.

Оптический усилитель (рисунок 2,б) в отличие от регенератора не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а выполняет прямое усиление оптического сигнала.

 

Рисунок 2 - Схемы ретрансляционных устройств: a– линейный генератор; б– оптический усилитель

 Первоначальная форма сигнала при этом не восстанавливается, что является существенным недостатком оптического усилителя. Однако в ряде случаев на практике применение оптических усилителей является весьма эффективным.

При построении сетей кабельного телевидения применяют анало­говые ОСС, в которых оптический передатчик осуществляет преобра­зование широкополосного аналогового электрического сигнала в ана­логовый оптический, а оптический приемник — обратное преобразова­ние. При этом амплитудные характеристики оконечных устройств долж­ны иметь высокую линейность, а аналоговое ретрансляционное устрой­ство, в основном, выполняет функцию усилителя, который вместе с по­лезным сигналом усиливает также входной шум.

Рассмотренная структурная схема предназначена для передачи сигналов в одном направлении по одному оптическому волокну (ОВ), которое является ана­логом двухпроводной электрической линии. Для встречной передачи необходим еще один комплект оконечных и линейных устройств и вто­рое ОВ. Обычно в обоих направлениях сигналы передаются в одном и том же оптическом диапазоне (чем достигается однотипность оборудо­вания), а ОВ объединяются в одном оптическом кабеле (ОК), поскольку взаимные влияния между ними практически отсутствуют. Таким образом, ОСС являются однополосными и однокабельными.

Увеличение объема передаваемой информации (информационной емкости) ОСС в основном осуществляется по тем же принципам, что и электрических систем аналогичного назначения. Это, прежде все­го, увеличение количества ОВ для каждого направления передачи. По одному многоволоконному ОК по рассмотренной схеме организуются линейные тракты нескольких N-канальных ВОСП, причем для каждого направления используется половина ОВ (включая резерв). Этот экстен­сивный метод увеличения пропускной способности ОК обычно приме­няют в ОСС средней и малой протяженности при сравнительно низких скоростях передачи информации (до десятков мегабит в секунду).

Увеличение пропускной способности магистральных ОСС может быть достигнуто не только применением многоволоконных ОК, но и увеличением скорости передачи (числа каналов N) различными мето­дами уплотнения передаваемой информации - мультиплексировани­ем. Мультиплексирование, т.е. объединение в один групповой сигнал сигналов нескольких передатчиков, можно осуществить либо до пре­образования электрических сигналов в оптические, либо после пре­образования.

Простейшая принципиальная схема временного мультиплексирова­ния электрических сигналов представлена на рисунке 3. Две серии им­пульсов, поступающие с входов А и В (в общем случае может быть М), при помощи мультиплексора объединяются в определенной после­довательности чередования в групповой сигнал. Последний в оптиче­ском передатчике модулирует оптическую несущую, затем преобразо­ванный в световой поток проходит по ОВ и в оптическом приемнике вновь превращается в электрический сигнал. Этот сигнал разделяется демультиплексором на две серии импульсов, подобных входным, кото­рые поступают на выходы А' и В'.

 

Рисунок 3 - Схема временного мультиплексирования электрических сигналов 

Временное мультиплексирование оптических сигналов (рисунок 4) отличается тем, что сначала две серии электрических импульсов (в общем случае М) поступают в идентичные оптические передатчики, где преобразуются в оптические сигналы, а затем последние при помощи мультиплексора объединяются в групповой оптический сигнал. На при­еме осуществляется обратное преобразование.

 

Рисунок 4 - Схема временного мультиплексирования электрических сигналов 

При волновом (спектральном) мультиплексировании оптических сигналов (рисунок 5) в простейшем случае две серии электрических им­пульсов с входов А и В поступают в оптические передатчики, где мо­дулируют оптические несущие с длинами волн  и соответствен­но.

Рисунок 5 - Схема волнового мультиплексирования оптических сигналов 

Оптический мультиплексор объединяет монохроматические свето­вые потоки в групповой поток, который проходит по ОВ.

Оптический демультиплексор разделяет групповой поток на два монохроматиче­ских световых потока, а оптические приемники преобразуют их в две серии электрических импульсов.

Своеобразной разновидностью волнового мультиплексирования ОВ является дуплексная система, осуществляющая многоканальную связь во встречных направлениях на различных оптических несущих  и  (рисунок 6).

Разделение встречных сигналов на концах оптической линии можно осуществить при помощи волоконно-оптических разветвителей и оптических полосовых фильтров.

Принципиальной особенностью такой системы является наличие межсимвольных искажений между встречными сигналами, которые воз­никают за счет обратного рассеяния в ОВ и отражений от соединений строительных длин и оконечных разъемов.

 

Рисунок 6 - Схема двунаправленной (дуплексной) системы передачи по одно­му ОВ 

При волновом мультиплекси­ровании относительно высокие плотности оптической мощности мо­гут вызвать заметное проявление нелинейных эффектов. В результа­те возникает взаимодействие между монохроматическими световыми потоками, которое еще более усиливается при использовании опти­ческих усилителей.

  1.1 Оптический передатчик.  Передающий оптоэлектронный модуль 

 Оптический передатчик передающей станции (см. рисунок 1) пре­образует электрические сигналы в оптические и обеспечивает передачу последних по ОВ линейного тракта. В состав оптического передатчика обычно входят источник оптического излучения, согласующее оптиче­ское устройство, электронные схемы модуляции и стабилизации режи­мов работы источника излучения.

Источник оптического излучения является основным элементом оптического передатчика. Он должен излучать на длине волны, соответ­ствующей одному из окон прозрачности ОВ; обеспечивать достаточно высокую мощность излучения и эффективный ввод его в ОВ; иметь вы­сокое быстродействие, позволяющее осуществлять высокоскоростную модуляцию; отличаться простотой, надежностью и малыми габаритами. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют полупроводниковые источники излучения: светодиоды (СД), суперлюминесцентные светодиоды (СЛД) и лазеры (ПЛ). Основу работы полупроводниковых ис­точников излучения составляет инжекционная электролюминесценция, представляющая собой излучательную рекомбинацию носителей (элек­тронов и дырок), инжектированных в активную область полупроводни­ковой конструкции из материалов с прямозонными переходами.

Среди полупроводниковых материалов, обладающих свойствами прямозонного перехода (для перехода электрона из одной зоны в дру­гую достаточно изменить только его энергию), наилучшими свойствами обладают арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) и соединения на их основе. Полупроводниковые материалы на основе кремния (Si) и германия (Ge) являются непрямозонными (для перехода электрона тре­буется изменить не только его энергию, но и импульс). В них вероят­ность излучательной рекомбинации мала по сравнению с другими вида­ми рекомбинации (ударная, на дефектах или примесях и др.), которые не сопровождаются излучением, а связаны в основном с выделением тепла. Поэтому они непригодны для источников оптического излучения.

Применяются две основные конструкции СД: с поверхностным и торцевым излучением. Основой первой является двухслойный полупро­водник, содержащий р-п переход.   При прямом напряжении смещения спонтанная излучательная рекомбинация происходит непосредственно в области р-n перехода, а свет распространяется по всем направлениям. Поэтому излучение на вы­ходе СД является некогерентным и слабо­направленным. Ширина спектра излучения  = 20...40 нм.

В СД с торцевым излучением используется двойная гетероструктура (ДГС), предоставляющая собой в упрощенном виде трехслойный                                                                                                                                                                                               полупроводник (рисунок 7). Излучательная рекомбинация происходит в узком активном слое 1. Пассивные слои 2 образуются из полупроводниковых материалов с большей ши­риной запрещенной зоны Еg1 > Еg2. Граница раздела между двумя слоями с различными Еg называется гетеропереходом.

 

Рисунок 7 - Схематичное изображение двойной гетеростуктуры

 Отличительная особенность гетероперехода - односторонняя ин­жекция, обусловленная потенциальным барьером (скачком потенциала)  E на границе раздела. Поэтому в ДГС при прямом напряжении сме­щения происходит инжекция электронов и дырок из n и р областей в активный слой, где носители зарядов удерживаются за счет двух потен­циальных барьеров на гетеропереходах.

Другая особенность ДГС - это то, что показатель преломления ак­тивного слоя больше, чем пассивных ()- Поэтому рекомбинационное излучение распространяется вдоль активного слоя, испытывая полное внутреннее отражение на границах.

Вывод получения из источников с ДГС осуществляется с торца. По­скольку его распространение сопровождается большими потерями на поглощение, активный слой делают очень тонким (порядка 0,5 мкм). Ширина активного слоя, определяющая интенсивность излучения, в среднем составляет 20...40 мкм, но может достигать 100 мкм.

Длина волны излучения =1,24/Е_g1\ мкм, где Е_g1 = электрон-вольт. Следовательно, используя полупроводниковые материалы с раз­личной шириной запрещенной зоны, можно получить источники с раз­личной длиной волны. Например, при добавке к арсениду галлия при­меси алюминия GaAIAs   = 0,85 мкм, а для получения  = 1,3 и 1,55 мкм необходимо применять арсенид-фосфид галлия и индия (InGaAsP), варьируя композиционный состав.

В торцевых СД, как и в СД с поверхностным излучением, исполь­зуется механизм спонтанной рекомбинации, что делает источники не­когерентными. Однако частичная внутренняя канализация спонтанного излучения активным слоем позволяет сделать излучение торцевых СД на выходе более направленным.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

При повышении напряжения смещения (тока накачки) спонтан­но образующиеся фотоны, которые распространяются вдоль активного слоя, оказываются способными инициировать случаи излучательной рекомбинации носителей, т.е. создавать подобные себе фотоны. Это вызывает как спонтанное излучение, так и стимулированное (вынужден­ное), которое обусловлено усилением спонтанного излучения.

Источни­ки, использующие этот режим работы ДГС, называются суперлюминес­центными светодиодами или диодами со сверхвысокой яркостью (СЛД). Поскольку фотоны могут слегка отличаться энергией и иметь разные фазы, излучение СЛД еще не когерентно, но более направленно, чем у торцевых СД, а ширина спектра излучения составляет  = 10...20 нм.

Поместив ДГС в оптический резонатор, можно при превышении то­ком накачки некоторого порогового значения получить усиление, пре­вышающее оптические потери в резонаторе, и создать условия, при которых будет существовать только вынужденное излучение в актив­ной области.

Наличие резонатора позволяет значительно увеличить интенсивность излучения на одной (основной) или нескольких низших модах резонатора. Источники этого типа являются когерентными и называются полупроводниковыми лазерами (ПЛ). Они отличаются вы­сокой направленностью излучения, спектр которого является дискрет­ным.

Поскольку число генерируемых мод обычно достаточно велико, спектр излучения многомодового ПЛ составляет 1...3 нм. Для селекции мод применяются специальные меры: распределенная обратная связь (DFB-лазер), распределенное брэгговское отражение (DBR-лазер) и др. Источники, способные излучать на одной моде, получили название одномодовых ПЛ. Их спектр излучения не превышает 0,1 нм.

Полупроводниковые источники позволяют легко осуществить вну­треннюю модуляцию оптического излучения по интенсивности. Напря­жение смещения (ток накачки) управляет инжекцией носителей зарядов и, следовательно, в широких пределах меняет интенсивность выход­ного излучения.

Высокое быстродействие ПЛ, которое определяется временем вынужденного излучения и временем жизни фотонов, может обеспечить скорость передачи сигналов порядка нескольких гигабит в секунду.

Быстродействие некогерентных источников на порядок ниже и определяется временем спонтанной рекомбинации носителей и емко­стью р-n перехода. Это делает возможным использование СД в ВОСП со скоростью передачи сигналов до 100 Мбит/с, а СЛД — до 200 Мбит/с.

К числу основных параметров источников излучения, определяю­щих возможность их применения в ВОСП, относятся:

-  средняя мощность излучения при работе в непрерывном режиме;  

-  длина волны излучения;

-  углы расходимости пучка световых лучей;   

- ширина спектра излучения;

-  срок службы (наработка на отказ).

Это означает, что оптимальными источниками излучения для ВОСП являются ПЛ. Высокая средняя мощность излучения (порядка 10 мВт) и малые углы расходимости пучка лучей позволяют обеспечить передачу сигналов по ОВ на расстояние десятков километров без усиления. Од­нако высокие плотности рабочих токов накачки и дефекты полупровод­никовых структур, неизбежно возникающие в процессе производства ПЛ, являются причиной ограничения их срока службы (не более 5*10⁵ ч). Кроме того, для ПЛ характерна температурная зависимость порогового тока, длины волны и мощности излучения.

Для уменьшения температур­ных влияний используют теплоотводы и различные цепи обратной связи, но это удорожает оптический передатчик и снижает его надежность.

Следует отметить, что ширина спектра излучения в значительной мере определяет возможности применения ПЛ. В высокоскоростных ВОСП для уменьшения хроматической дисперсии (увеличения длины регенерационных участков) необходимо применять одномодовые ПЛ. Од­нако основным недостатком этих лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, высокая цена.

Многомодовые ПЛ имеют более скромные технические характери­стики, но с точки зрения «цена — эффективность» они вне конкуренции на магистральных и внутризоновых ВОСП, где не требуется очень вы­сокой скорости передачи.

СД и СЛД обладают некоторыми преимуществами по сравнению с ПЛ. Они проще, дешевле, отличаются высокой долговечностью (поряд­ка 10⁶ часов и более) и достаточно высокой температурной стабиль­ностью параметров. Однако большая расходимость пучка лучей, ши­рокий спектр излучения и ограниченное быстродействие существенно сужают область применения светодиодов: они используются в линиях малой и средней протяженности.

Энергетическая яркость (плотность) излучения любого источника не остается постоянной в пределах его пучка лучей. Обычно она мак­симальна на оси пучка и убывает по определенному закону в напра­влениях, образующих возрастающие углы <р с осью. Угловое распре­деление энергетической яркости принято характеризовать диаграммой направленности (ДН). Ширина ДН равна 2, где  — угол между осью и направлением, в котором энергетическая яркость равна поло­вине ее максимального значения.

ДН светодиодов с поверхностным излучением обычно обладает осевой симметрией, а ее ширина равна 120°. У источников с ДГС по­верхность излучения имеет форму узкой полоски, а ДН несимметрична. В Случае СЛД частичная внутренняя канализация спонтанного излуче­ния позволяет уменьшить ширину ДН в плоскости, перпендикулярной полоске, до 30°, а в плоскости полоски она остается равной 120°.

У ПЛ за счет лазерного эффекта ширина ДН в указанных плоскостях обычно не превышает 30° и 20° соответственно. А (для параболического ОВ А_эфф). ОВ может захватывать и направлять только те световые лучи, которые падают на его торец под углами в, не превыша­ющими предельный угол захвата _тах. Это означает, что при непосред­ственном соединении источника излучения с ОВ (встык) большие потери на вводе могут появиться при  > _тах.  Кроме того, если размеры по­верхности излучения источника больше диаметра сердцевины ОВ, часть мощности излучения не попадает в ОВ, а рассеивается в окружающем пространстве. Расчеты показывают, что для СЛД и ПЛ, серийно выпус­каемых отечественной промышленностью и предназначенных для ВОСП, потери на вводе составляют 10...16 дБ и 5...7 дБ соответственно.

Повысить эффективность ввода можно при помощи оптического со­гласующего устройства, которое устанавливается между источником и торцом ОВ, и в простейшем случае представляет собой увеличитель­ную линзу. Назначение линзы (сферической или цилиндрической) со­стоит в том, чтобы уравнять полуширину ДН источника с апертурным углом ОВ ( > _тах ).

Применение линз целесообразно в случаях, когда размеры поверх­ности излучения источников существенно меньше диаметра сердцевины ОВ. Это объясняется тем, что уменьшение угловой расходимости пучка происходит одновременно с увеличением размеров изображения излу­чающей поверхности, создаваемым линзой.

Поэтому в случае мощных источников излучения и одномодовых ОВ кроме линз в оптическое со­гласующее устройство вводятся фоконы, позволяющие уменьшить раз­меры изображения излучающей поверхности. Фокон представляет со­бой отрезок ступенчатого или градиентного ОВ с плавно изменяющимся поперечным сечением.

На рис. 8 приведена структурная схема одного из вариантов оптического согласующего устройства. Цилиндрическая линза 2 представляет собой отрезок параболического ОВ большого диа­метра (порядка 2 мм), Подбором длины, формы и профиля показателя преломления фокона 3 можно уменьшить потери на вводе до 2...3 дБ.

 

Рисунок 8 - Схема оптического согласующего устройства: 1- источник излучения с ДГС;  2– линза;  3–фокон;  4–ОВ 

ПОМ с ПЛ, кроме того, содержит цепь обрат­ной связи, при помощи которой поддерживается постоянной мощность излучения при изменении температуры и действии других дестабили­зирующих факторов. В качестве датчика обратной связи используется pin-фотодиод. Ответвление части оптической мощности в цепь обрат­ной связи осуществляется с заднего торца ПЛ, а фототок датчика ис­пользуется для управления режимом работы ПЛ.

Все ПОМ работают на одной моде; в корпус встроен InGaAsP-фотодиод. Диапазон длин волн выпускаемых модулей от 0,8 до 1,55 мкм, мощность излучения от 1 до 100 мВт. 

1.2 Оптический приемник. Приемный оптоэлектронный модуль 

  Оптический приемник приемной станции (см. рисунок 1) осуществля­ет преобразование оптического сигнала в электрический ток (напря­жение), что позволяет осуществлять обработку сигналов электронными схемами. В состав оптического приемника обычно входят фотодетек­тор, приемное оптическое устройство, электронные схемы усиления и обработки электрического сигнала, схемы ста­билизации или автоматической регулировки усиления.

Фотодетектор, как и источник оптическо­го излучения, должен отвечать определенным требованиям, а именно: обладать высокой чув­ствительностью и быстродействием, вносить минимальные шумы в приемную систему, отличаться стабильностью рабочих характеристик, иметь небольшие раз­меры, быть высоконадежным и недорогим.

Полнее всего этим требованиям удовлетворяют полупроводнико­вые фото детекторы, которые выполняются из материалов, обеспечива­ющих максимальную чувствительность на рабочей длине волны. При  = 0,85 мкм используется кремний Si, а в длинноволновой обла­сти  = 1,3...1,6 мкм — германий Ge или сложные соединения вида InGaAs, InGaAsP, InGaAsSb.

Среди полупроводниковых фотодетекторов наибольшее примене­ние в ВОСП получили pin-фотодиоды (ФД) и лавинные фотодиоды (ЛФД). В основе их работы лежит явление внутреннего фотоэффекта в полупроводниковом материале, которое заключается в образовании пары носителей зарядов (электрон и дырка) при поглощении фотона, энергия которого больше или равна ширине запрещенной зоны. Структура pin-фотодиода схематично показана на рисунке 9.

                 Рисунок 9 - Схема структуры pin-фотодиода 

Ме­жду тонкими слоями сильно легированных полупроводников р+- и n⁺-типа (знак «+» означает сильное легирование) расположен слаболеги­рованный полупроводник n-типа. При обратном напряжении смещения в последнем образуется обеднённая г-область.

Электрическое поле в основном сосредоточено в этой области, поскольку ее сопротивление значительно больше, чем сопротивления р+ и n⁺-слоев.

В результате поглощения фотонов падающего излучения в pin-структуре образуются электронно-дырочные пары. Вi- области под дей­ствием сильного электрического поля происходит быстрое разделение носителей зарядов (дрейфовое движение), что обеспечивает высокую скорость процесса преобразования оптического излучения в электри­ческий ток. Поскольку г-область достаточно широка, достигается и вы­сокая эффективность процесса преобразования.

В р⁺- и n⁺ -слоях электрическое поле практически отсутствует. Вследствие этого движение носителей зарядов в них возможно, в основном, за счет диффузии, скорость которой примерно на три по­рядка ниже скорости дрейфового движения. Таким образом, диффузи­онный ток ухудшает быстродействие ФД.

Кроме того, поскольку раз­деление носителей происходит медленно, часть из них рекомбинирует, и эффективность работы ФД снижается.  Чтобы уменьшить эти нежелательные эффекты, при разработке конструкции ФД -слой стремят­ся сделать как можно тоньше, а толщину г-слоя выбирают достаточно большой, чтобы обеспечить полное поглощение падающего излучения.

Основными параметрами ФД являются квантовый выход (эффек­тивность),  токовая чувствительность S и  темновой ток _Т.

Квантовый выход определяет ту часть общего количества элект­ронно-дырочных пар, которая разделяется pin-структурой и вызывает в сопротивлении нагрузки R_H протекание фототока. Спектральная за­висимость квантового выхода определяется материалом полупровод­ника (рисунок 10).

 

Рисунок 10 - Спектральная зависимость квантового выхода полупроводниковых фотодетекторов на основе кремния (Si) и германия (Ge) 

Токовая чувствительность — это отношение среднего значения фо­тотока в нагрузке R_H к среднему значению мощности падающего опти­ческого излучения:  S = ф/Р, А/Вт. Она связана с квантовым выходом соотношением  = 1,245/, где  — в микрометрах. Типичное значение S на рабочей длине волны S = (0,5...0,8) А/Вт.

В отсутствие падающего на ФД оптического излучения при обрат­ном смещении через нагрузку протекает ток, который называется темновым. Этот ток вызывает дробовый шум и в ряде случаев ограничивает чувствительность оптического приемника.

Величина темнового тока за­висит от материала полупроводника, температуры и конструкции ФД. Наибольший темновой ток в германиевых ФД (порядка 10^-7 А), наи­меньший — в кремниевых (порядка 10^-9А).

В реальном оптическом приемнике с ФД темновой ток является не единственным источником шума. Суммарный шум определяется также сопротивлением нагрузки и, главным образом, электронным усилите­лем, подключенным к ФД.

При увеличении дальности связи мощность падающего излучения уменьшается настолько, что на выходе усилите­ля суммарный шум оказывается недопустимо большим по сравнению с полезным сигналом, что исключает возможность последующей обработ­ки последнего. Чтобы шум усилителя не ограничивал чувствительность оптического приемника, следует предварительно увеличить полезный сигнал (фототок), поступающий на вход усилителя.

Увеличение первичного фототока мож­но обеспечить механизмом лавинного умноже­ния, который используется в ЛФД. Полупро­водниковая структура ЛФД схематично показа­на на рисунке 11. Профиль распределения ле­гирующих примесей подбирается таким обра­зом, чтобы при сравнительно большом обрат­ном напряжении смещения левее обедненной i- области в узком р- слое (области лавинного умножения) создавалось сильное электрическое поле. В этом поле обусловленные фотоэффек­том первичные носители зарядов преобретают кинетическую энергию, достаточную для создания новых электронно-дырочных пар путем удар­ной ионизации.

Рисунок 11 - Схема структуры ЛФД 

Поскольку и эти носители в свою очередь вызывают ударную ионизацию, процесс размножения носителей преобретает ла­винообразный характер, В результате получается ФД с внутренним усилением фототока.

Усиление ЛФД характеризуется коэффициентом лавинного умно­жения М, который показывает, во сколько раз выходной ток ЛФД пре­вышает первичный фототок фотодиода при отсутствии в нем процес­са ударной ионизации.

Величина М обычно составляет несколько де­сятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно превышает токовую чувствительность ФД и обычно составляет S = (20...60) А/Вт. Это позволяет существенно снизить требования к шумам и коэффици­енту усиления электронного усилителя.

Темновой ток в ЛФД состоит из двух частей. Одна часть вызвана поверхностными токами утечки, а вторая проходит внутри объема полу­проводника через область лавинного умножения и поэтому усиливается.

ЛФД всегда обеспечивает более высокую чувствительность опти­ческого приемника, чем ФД. Однако ЛФД работает при значительно более высоком напряжении питания (порядка сотен вольт), имеет мень­шую надежность и относительно высокую стоимость.

Кроме того, коэф­фициент лавинного умножения сильно зависит от напряжения питания, что вызывает необходимость в использовании схемы обратной связи в тракте прохождения сигнала.

Особенности ВОСП определяют выбор фотодетектора. В маги­стральных линиях всегда стремятся увеличить расстояние между ре­трансляционными устройствами, что требует максимальной чувстви­тельности оптического приемника. В этих случаях применяются ЛФД. Простота и надежность ФД позволяют использовать их во всех случаях, когда они удовлетворяют требованиям по чувствительности.

Соединение фотодетектора с ОВ осуществляется непосредствен­но (встык). Поскольку диаметр светочувствительной поверхности ФД и ЛФД (порядка 0,5 мм) значительно больше диаметра сердцевины ОВ (небольше 0,05 мм), почти весь световой поток попадает в фотодетектор, и небольшие угловое и радиальное смещения не вносят заметных потерь. Основной причиной возникновения потерь при соединении является от­ражение, обусловленное, во-первых, наличием зазора между торцом ОВ и светочувствительной поверхностью, и, во-вторых, скачком пока­зателей преломления граничащих сред.

Поэтому для уменьшения от­ражаемой мощности зазор заполняют прозрачным связующим веще­ством (иммерсионной жидкостью) с показателем преломления, равным показателю преломления сердцевины, и на светочувствительную по­верхность фотодетектора наносят антиотражающее покрытие, показа­тель преломления которого равен среднегеометрическому из показа­телей преломления граничащих сред, а толщина — четверти рабочей длины волны. Вносимые потери в приемном оптическом устройстве при этом не превышают 2 дБ.

Световой поток, переданный по ОВ в оптический приемник, пре­образуется фотодетектором в электрический сигнал, который после усиления в малошумящем предварительном усилителе поступает на главный усилитель и далее в устройства обработки сигнала.

Повышение чувствительности приема достигается за счет увеличения входного со­противления предварительного усилителя. Для этого в первом каскаде применяется полевой (ПТ) или биполярный (БТ) транзистор.

Основным параметром оптического приемника является пороговая чувствительность (минимально допустимый уровень мощности прини­маемого оптического сигнала)

P= 10lg дБм (Р₀ = 1мВт).

При заданной вероятности ошибки (или заданном отношении сиг­нал/шум) пороговая чувствительность зависит от скорости передачи информации (тактовой частоты следования оптических импульсов), ти­па фотодетектора и предварительного усилителя. При расчете необ­ходимо учитывать эффективность преобразования оптического сигна­ла в электрический, уровень шумов фотодетектора и предваритель­ного усилителя.

Приближенно пороговая чувствительность определяется по следу­ющим формулам

 при использовании ЛФД,

 при использовании ЛФД.

Отметим,  что для обеспечения максимальной чувствительности оптического приемника при _т < 40 МГц целесообразно в первом каскаде предварительного усилителя применять ПТ, а при _т < 40 МГц — применять БТ.

Фотодетектор и предварительный усилитель конструктивно объ­единяются в приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ). Излучение вводится через отрезок ОВ, к которому при помощи разъема присо­единяется внешнее ОВ кабеля.

При использовании в качестве фото­детектора ЛФД можно не только поддерживать постоянным коэффи­циент лавинного умножения, но регулировать его в достаточно широ­ких пределах. Это способствует увеличению динамического диапазона ПРОМ, но связано с применением схемы автоматической регулиров­ки усиления (АРУ).

Промышленно разработаны и производятся ПРОМ для диапазонов 0,8...1,6 мкм, предназначенные для скоростей пе­редачи информации до 2,5 Гбит/с. Параметры основных типов ПРОМ представлены в таблице 1. 

Таблица 1
Тип модуля	Скорость передачи информации, Мбит/с	Пороговая чувстви­тельность, дБм	Динамический диапазон, дБ
ПРОМ-364	4 16 68 320	-55 -51 -44 -35	52 48 41 32
ПРОМ-363	565 1200	-37 -33	25 20
ПРОМ-365	2500	-28	20
ПРОМ-367	4 16 68	-48 -45 -40	45 42 37
Примечание - Значения пороговой чувствительности приведены при вероятности ошибки 10-9, кроме значения для ПРОМ-365 (10-10).

 В состав модулей входят высокоскоростные ФД и ЛФД на осно­ве кремния (=0,8...0,9 мкм) и многокомпонентного полупроводника InGaAsP ( = 0,98...1,6 мкм). Предварительные усилители выполнены по тонкопленочной гибридной технологии.

Основное назначение ПРОМ-364 — работа в цифровых магистраль­ных ОСС с большим динамическим диапазоном принимаемых сигна­лов. Модуль ПРОМ-367 является модификацией ПРОМ-364 и предна­значен для работы в ОСС средней и малой протяженностей, но может быть использован и на магистральных линиях, где не требуется пре­дельно высокой чувствительности оптического приемника.

В высокоскоростных ОСС применяют ПРОМ-363 и ПРОМ-365. Эти модули имеют в своем составе быстродействующий ФД и широкопо­лосный усилитель с регулируемой полосой усиления до 2 ГГц. Для выравнивая АЧХ используется внешнее корректирующее устройство — эквалайзер, а для расширения динамического диапазона — схема ста­билизации рабочего режима.

На рисунке 12 показана структурная схема оптического приемника. Решающее устройство производит оценку значений передаваемых сим­волов (1 или 0). Для этого в решающем устройстве периодически с тактовой частотой производится стробирование сигнала на выходе главного усилителя и сравнение полученного отсчета с порогом.

 

Рисунок 12 - Структурная схема оптического приемника 

При превышении порога в формирователе сигнала вырабатывается необ­ходимый прямоугольный импульс. 

Устройство тактовой синхронизации выделяет из принимаемого сигнала синхроимпульсы тактовой частоты и вырабатывает короткие импульсы, при помощи которых осуществляет­ся стробирование сигнала в наиболее удобные моменты (вблизи ам­плитуды импульсов). 

1.3 Ретрансляционные устройства 

 Оптические сигналы при распространении по ОВ кабеля ослабля­ются и искажаются.

Поэтому, как указывалось ранее, для увеличения дальности и качества связи в магистральных ВОСП вдоль линейного тракта через определенные расстояния L_p, обусловленные затухани­ем и дисперсией в ОВ, устанавливаются ретрансляционные устройства: линейные регенераторы и оптические усилители.

Линейный регенератор (ЛР) восстанавливает амплитуду, форму, длительность и положение оптических импульсов цифрового оптическо­го сигнала, т.е. осуществляет его регенерацию.

ЛР — сложное и дорогостоящее устройство. Каждый из двух его по­лукомплектов (отдельно для встречных направлений передачи), содер­жит ПРОМ, электронный регенератор (ЭР) и ПОМ (рис. 13).

Принима­емый оптический сигнал преобразуется в электрический, в таком виде усиливается и корректируется, а затем вновь преобразуется в оптиче­ский сигнал для передачи по ОВ.

Электронный регенератор (ЭР) содержит усилитель, решающее устройство, формирователь сигнала, устройство тактовой синхрони­зации, т.е. все электронные устройства оптического приемника (см. рисунок 12).

Однако в отличие от последнего прямоугольные электриче­ские импульсы (с определенной амплитудой и длительностью), которые вырабатываются формирователем сигнала, поступают не на декодер, а модулируют оптическую несущую источника излучения ПОМ.

 

 

Рисунок 13 - Структурная схема линейного регенератора 

Существенным упрощением ЛР является применение прямой опти­ческой регенерации без оптоэлектронного преобразования. Однако чисто оптические регенераторы — дело будущего.

Разработанные в последние годы оптические усилители (ОУ), выполняющие более про­стую функцию — прямое усиление оптических сигналов, обладают ря­дом ценных свойств, которые позволяют увеличить длину регенерационного участка, уменьшить число регенераций, упростить схему передачи, и тем самым уменьшить расходы на оборудование ОСС.

В настоящее время наиболее перспективными для ОСС считают­ся следующие типы ОУ:

           -  полупроводниковые усилители:

           -  усилители на основе нелинейных явлений в ОВ;

           -  усилители на примесном ОВ.

 Принципы действия указанных ОУ весьма сложны и их рассмотре­ние выходит за рамки настоящего пособия. Поэтому ограничимся лишь общей характеристикой.

Полупроводниковые усилители подразделяются на усилители бегу­щей волны (УБВ) и усилители Фабри-Перо (УФП). Их отличает эконо­мичность, простая конструкция, высокий коэффициент усиления (25...30дБ). До недавнего времени полупроводниковые усилители счи­тались наиболее подходящими для работы во 2-м окне прозрачности. Однако в последнее время появились сообщения об успешных разра­ботках усилителей для 3-го окна.

Важной особенностью УФП являет­ся то, что они всегда могут быть перестроены для усиления только на одной определенной длине волны. Это позволяет широко использо­вать их в оптических коммутаторах и демультиплексорах для разде­ления по длинам волн.

Во втором типе ОУ обычно используются вынужденное комбина­ционное (рамановское) рассеяние (ВКР-усилители) и вынужденное рас­сеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ-усилители).

Эти нелинейные эффекты дают возможность преобразовать часть энергии мощной вол­ны накачки в слабую сигнальную волну. При малом входном сигнале ОУ обеспечивают усиление до 40 дБ во 2-м и 3-м окнах прозрачности.

У ВРМБ-усилителей выходной сигнал сосредоточен в узком диапазо­не (меньше 100 МГц), т.е. они могут использоваться для узкополосно­го усиления, в то время как ВКР-усилители достаточно широкополос­ны (5...10 ТГц), и могут использоваться в системах волнового мульти­плексирования для усиления сразу нескольких сигналов на различных оптических несущих (нескольких волновых каналов). Однако большие переходные помехи между усиливаемыми каналами — существенный недостаток ВКР-усилителей.

Основным элементом ОУ третьего типа является ОВ, легированное редкоземельными металлами (примесное ОВ). Ионы металлов создают активную среду для усиления в определенных полосах длин волн, кото­рые соответствуют полосам поглощения легирующих металлов. Обыч­но используются три редкоземельных металла: неодим (Nd), празео­дим (Рг) и эрбий (Ег).

ОУ, использующие два первых металла (они называются соответ­ственно NDFA и PDFA), работают во 2-м окне прозрачности. В настоя­щее время они находят ограниченное практическое применение.

Эрбиевые усилители (EDFA) обеспечивают широкую полосу усиле­ния (до 40,8 нм) в 3-м окне прозрачности, что особенно важно при создании полностью оптических ВОСП с волновым мультиплексирова­нием. Однако у них коэффициент усиления сигнала существенно за­висит от его входной мощности и длины волны, поэтому для полу­чения максимально плоской характеристики усиления необходимо ис­пользовать различные выравнивающие фильтры.

У лучших промышлен­ных усилителей EDFA коэффициент усиления достигает 40 дБ в поло­се 1530...1570 нм при неравномерности характеристики 0,6...1,5 дБ. Уже разработаны усилители EDFA с рабочей полосой 84,3 нм (1530... ...1614 нм) в 3-м и 4-м окнах прозрачности.

Сравнительный анализ параметров ЛР и ОУ позволяет сделать не­которые выводы. ЛР осуществляет регенерацию цифрового оптиче­ского сигнала, но имеет сложную конструкцию и, как следствие, вы­сокую стоимость и относительно низкую надежность.

Кроме того, ЛР обычно предназначен для работы на определенной скорости переда­чи информации и не допускает одновременной передачи нескольких волновых каналов, что затрудняет его использование в ОСС с вол­новым мультиплексированием.

ОУ имеет простую и высоконадежную конструкцию, а его стоимость постоянно снижается. Он не привязан к скорости передачи информации, что позволяет увеличивать пропуск­ную способность действующих ОСС без значительного увеличения за­трат на оборудование.

Создание современных сверхпротяженных ВОСП невозможно без ЛР. Однако в ряде случаев применение ОУ весьма эффективно.

 Это, прежде всего, относится к внутризоновым ОСС на одномодовом ОК с малой дисперсией при сравнительно небольших скоростях передачи информации.

Высокая надежность ОУ является важным преимуществом при создании ретрансляционных устройств для подводных ОСС.

Очень эффективным является совместное использование ЛР и ОУ (а в ряде случаев и компенсаторов дисперсии) на высокоскоростных сверхпротяженных ОСС. В них на один ЛР может приходиться от 4 до 8 линейных ОУ.

 Последние применяют не только в качестве ретрансляционных уст­ройств. Их часто устанавливают непосредственно за оптическим пере­датчиком, обеспечивая высокий уровень сигнала (бустеры), непосред­ственно перед оптическим приемником (предусилители), а также вну­три или на выходе устройств, которые вносят нежелательные потери (например, компенсаторы дисперсии).

 1.4 Оптические соединители 

  Оптический соединитель (ОС) представляет собой устройство, предназначенное для соединения компонентов линейного тракта ОСС. Применяются неразъемные и разъемные ОС.

Неразъемные ОС обеспе­чивают постоянное соединение ОВ строительных длин ОК между собой, а также с некоторыми другими компонентами (волоконно-оптические разветвители, станционные ОК).

Разъемные ОС (разъемы) допускают многократное оптическое соединение и применяются для соединения оконечных и ретрансляционных устройств с ОВ кабеля, а также для подключения приборов при проведении измерений.

ОС должны иметь малые вносимые и высокие возвратные потери, быть устойчивыми к внешним воздействиям (механическим, климатиче­ским и др.), отличаться простотой конструкции и высокой надежностью.

Дополнительно к разъемным ОС предъявляются требования неизмен­ности параметров при повторных соединениях и отсутствии необходи­мости в дополнительной юстировке.

При соединении ОВ с одинаковыми размерами и профилем пока­зателя преломления наиболее эффективно торцевое соединение.

По­скольку вносимые и возвратные потери в ОС возникают главным обра­зом из-за неточности оптической юстировки, основной задачей при торцевом соединении является обеспечение строгой соосности, пер­пендикулярности поверхностей торцов осям и высокая степень глад­кости торцов ОВ.

На рисунке 14 показаны возможные дефекты при торцевом соеди­нении ОВ.

 Рисунок 14 - Виды дефектов при торцевом соединении 

Коэффициент передачи оптической мощности из одного ОВ в дру­гое:

          - при радиальном смещении K = 1 - /2а;

          - при угловом смещении K = 1 — /2 _тах;,

          - при осевом смещении Ks = 1 – Stg _max/4a.

          Здесь а и _mах — радиус сердцевины и апертурный угол ОВ.

Вносимые потери при рассогласовании определяются по форму­ле

a_i =10lg(1/K_i) = -10lgKi (i = ,, S). Расчеты показывают, что наиболее жесткие требования предъявляют к радиальному и угло­вому смещениям.

 В настоящее время для постоянного соединения ОВ кабелей по­чти всегда применяют сварные соединения. Освобожденные от покры­тия ОВ после шлифовки торцов закрепляют в юстировочном устройстве и сваривают электрической дугой или лазерным лучом. Типовые вно­симые потери в таких соединителях составляют менее 0,2 дБ, а при высоком качестве - меньше 0,1дБ.

При проведении ремонтных работ, когда отсутствует сварочный ап­парат, а также при создании временных соединений для измерений и тестирования используется механическое соединение ОВ. В механи­ческом неразъемном ОС концы ОВ выравниваются друг относительно друга в направляющем устройстве (V-образная канавка или металли­ческие стержни) и фиксируются при помощи клея или прижима. Для улучшения оптических характеристик ОС часто используется гель с со­ответствующим показателем преломления. При этом вносимые поте­ри не превышают 0,2 дБ.

Конструкции разъемных ОС весьма разнообразны, но наиболее ча­сто используются ОС с наконечниками, принцип действия которых по­казан на рисунке 15.  Концы ОВ 1 закрепляются в наконечниках 2 при помощи клея, а юстировка наконеч­ников и их фиксация производится центрирующей муфтой 3.

                Рисунок 15 - К пояснению прин­ципа действия разъемного ОС с  наконечниками 

Торцы наконечников полируют­ся таким образом, чтобы придать им слегка выпуклую форму. В результате между ОВ возникает плотный кон­такт без воздушного зазора.  Такой вид соединения имеет более высокую оптическую эффективность, чем в случае плоских торцов.

Оптические характеристики разъемных ОС определяются качест­вом полировки торцов наконечников. Типичные значения вносимых по­терь 0,2...0,3 дБ, возвратных потерь 30...60 дБ.

Наконечники могут быть керамическими или металлическими (на­пример, циркониевые). Центрирующая втулка изготавливается из брон­зы, латуни или керамики.

Обычно разъемные ОС рассчитаны на 500...1000 повторных со­единений. При этом увеличение вносимых потерь не должно превы­сить 0,2 дБ.

Кроме одиночных ОС разработаны и применяются двойные ОС, обеспечивающие двунаправленную передачу по паре ОВ, соединители для двух пар ОВ и для волоконных лент. 

1.5 Оптические разветвители 

   Оптические разветвители (ОР) широко применяют при построении ОСС различного назначения, а также при решении частных техни­ческих задач (оптическая обратная связь, контроль и измерение па­раметров передачи и др.). ОР в общем случае представляет собой многополюсное устройство, в котором поступающее на часть оптиче­ских полюсов оптическое излучение распределяется между остальны­ми оптическими полюсами.

ОР подразделяют на направленные и ненаправленные. В напра­вленных ОР, которые получили наиболее широкое распространение, ко­эффициенты передачи между оптическими полюсами зависят от напра­вления распространения оптического излучения. Такие ОР позволяют, например, организовать двунаправленную (дуплексную) систему пере­дачи по одному ОВ (см. рисунок 6).

Параметры направленных ОР должны удовлетворять следующим требованиям:

        -  малые вносимые потери;

        -  высокое переходное затухание между развязанными полюсами;

        - сохранение модового состава распространяющегося излучения для многомодовых ОР и плоскости поляризации - для одномодовых.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют направленные волоконно-оптические разветвители, полученные путем сплавления ОВ в монолитную конструкцию. Кроме того, эти разветвители отличаются механической прочностью и стабильностью параметров.

На рисунке 16 схематически показаны волоконно-оптические раз­ветвители Х- и Y-типа. Распределение входной мощности (плечо 1) между плечами 2, 3 и 4  с помощью разветвителя Х-типа характери­зуется такими параметрами, как:

        -  коэффициент ответвления а₀ = 10lg(P₁/P₃), дБ;

        -  коэффициент направленности а_Н = 10lg(P₁/P₄), дБ;

        -  вносимые потери а_в=10lg(P₁/P₂+Р₃),дБ.                                                                                                                                                                                                 

 

Рисунок 16 - Схемы волоконно-оптических разветвителей 

Для разветвителя Y-типа эти параметры равны а₀ = 10lg(P₁/P₃), дБ;

 а_в=10lg(P₁/P₂+Р₃),дБ;     а_Н = 10lg(P’₂/P’₃), дБ.

В последней формуле P’₃ — мощность оптического излучения на полюсе 3 при мощности P’₂  поступающей на полюс 2.

Наиболее часто волоконно-оптические разветвители используются для деления мощности оптического излучения пополам (а₀ = 3 дБ), хотя для устройств контроля и измерения изготавливают такие разветвители, у которых ответвляемая мощность не превышает 10 % (а₀ > 10 дБ). Разветвители Y-типа широко используются для объединения оптической мощности в одно ОВ, а также они являются базовыми для изготовления древовидных разветвителей, осуществляющих деление (объединение) мощности на N волокон. Типовые значения вносимых потерь а_в = = 3,5 дБ и коэффициента направленности а_н = 40 дБ.

 1.6 Другие устройства 

Оптические изоляторы. Оптические сигналы, распространяясь по ОВ, многократно отражаются от различных неоднородностей, главным образом, оптических соединителей. Совокупность отраженных волн, попадая на вход полупроводникового лазера, нарушает режим его ра­боты и приводит к появлению паразитного сигнала.

Наиболее эффек­тивным способом подавления обратного потока является использова­ние оптических изоляторов, которые пропускают оптические сигналы в одном направлении почти без потерь и практически не пропускают обратные сигналы.

Принцип работы оптического изолятора (вентиля) основан на эф­фекте вращения плоскости поляризации света при его прохождении через некоторые вещества, свойства которых зависят от поперечного магнитного поля (эффект Фарадея). Важно отметить, что направление вращения не зависит от направления прохождения света.

Оптический изолятор состоит из трех элементов: входного поля­ризатора, элемента (ячейки) Фарадея и выходного поляризатора (ана­лизатора). Входной поляризатор превращает падающий свет в плоскополяризованный (например, с горизонтальной поляризацией).

Параметры элемента Фарадея выбираются так, чтобы плоскость поляриза­ции подходящего света повернулась на 45°. Если под таким же углом развернуть анализатор, то свет беспрепятственно пройдет через не­го. Свет, распространяющийся в обратном направлении, поляризует­ся анализатором и затем, проходя через элемент Фарадея, приобре­тает вертикальную поляризацию. В результате входной поляризатор его не пропускает.

Необходимо отметить, что оптическое излучение, распространяю­щееся по ОВ, как правило, неполяризованное. Поэтому при прохо­ждении света через входной поляризатор теряется половина мощно­сти.

Однако в современных оптических изоляторах применены специ­альные призмы, устраняющие этот недостаток. В результате вноси­мые потери в прямом направлении не превышают 1 дБ при потерях в обратном — более 50 дБ.

Оптические аттенюаторы. Такие аттенюаторы используют для уменьшения мощности оптического сигнала. Необходимое ослабление достигается за счет воздушного зазора между торцами соединяемых ОВ. По принципу действия аттенюаторы подразделяются на фикси­рованные и переменные.

Фиксированные аттенюаторы обеспечивают определенное значе­ние затухания (5, 10, 15 или 20 дБ). Затухание может обеспечиваться воздушным зазором фиксированной величины или при помощи специ­ального поглощающего фильтра, встроенного в аттенюатор.

В качестве аттенюаторов можно использовать оптические разветвители, предна­значенные для деления мощности.

Переменные аттенюаторы обеспечивают плавную регулировку ве­личины затухания в пределах 0...20 дБ за счет изменения воздушного зазора. Они обычно используются как подстроечные элементы.

Оптические переключатели. Такие переключатели осуще­ствляют быструю и эффективную коммутацию оптических информаци­онных потоков, переходящих из одних ОВ в другие, без которой невоз­можно изменение конфигурации и оперативное управление резервом волоконно-оптических сетей и систем.

Существует множество типов оптических переключателей: меха­нические, электромеханические, термооптические, акустооптические, электрооптические.

Наиболее простой тип переключателей — механические, управле­ние которыми осуществляется при помощи тумблера. Принцип дей­ствия электромеханических переключателей аналогичен работе обыч­ных электромагнитных реле.

Эти переключатели имеют неплохие пара­метры: вносимые потери 0,3..,1,5дБ; развязка между каналами >60 дБ; малая потребляемая мощность 2...20 мВт. Их основные недостатки — низкое быстродействие, чувствительность к внешним воздействиям и относительно большие размеры. Тем не менее они находят достаточ­но широкое применение.

Термооптические, акустооптические и электрооптические переклю­чатели находят наиболее широкое применение в современных ОСС. В их конструкциях использованы различные физические принципы и инже­нерные технологии, которые в данном пособии рассмотреть невозможно из-за большого объема. Переключатели разработаны для всех окон прозрачности.

Наилучшими параметрами обладают электрооптические переключатели. Их быстродействие достигает единиц наносекунд, а во-вторых, напря­жение питания (управляющее напряжение) не превышает 3В, что по­зволяет использовать интегральные цифровые микросхемы. Электро­оптические переключатели могут эффективно использоваться для со­здания матричных коммутаторов.

 2 Современные информационные технологии и аппаратура ОСС 

Современное состояние сетей передачи характеризуется широким внедрением дополнительных видов информационного обслуживания, бурным развитием сетей Интернет, массовым внедрением передовых технологий высокоскоростной передачи с коммутацией пакетов.

Для решения соответствующих технических задач необходимо прежде всего резкое увеличение пропускной способности как вновь строящихся, так и существующих транспортных сетей на основе магистральных ОСС. При этом увеличение количества ОВ в кабеле уже недостаточно для развития сетей экстенсивными методами, и необходимо применять но­вые информационные технологии.

Основными методами увеличения пропускной способности одномодовых ОВ в настоящее время являются временное и волновое (спек­тральное) мультиплексирование. Рассмотрим некоторые осо­бенности практического использования этих методов.

При временном мультиплексировании на вход мультиплексора по­ступает n входных двоичных последовательностей (сигналов). Комму­татор мультиплексора последовательно подключает на определенный промежуток времени (интервал коммутации) каждый входной сигнал или любую логически осмысленную его часть: бит, байт или блок (поле произвольной длины). Сформированный таким образом поток выбо­рок составляет выходную последовательность — групповой сигнал. На приемной стороне демультиплексор с помощью аналогичного коммута­тора выделяет отдельные выборки. Необходимо, чтобы коммутаторы на передающей и приемной сторонах работали синхронно.

Волновое мультиплексирование заключается в объединении муль­типлексором на передающей стороне нескольких монохроматических световых потоков (волновых каналов) с различными несущими и пере­даче полученного группового потока по ОВ. На приемной стороне про­исходит разделение (демультиплексирование) монохроматических све­товых потоков. Важно отметить, что каждая составляющая (несущая) группового потока принципиально может передавать поток цифровых сигналов, сформированный по законам различных современных техно­логий (например, PDH, SDH и т.д.).

Первые системы волнового мультиплексирования WDM (Wavelength Division Multiplexing) появились в начале 90-х годов и первоначально осуществляли объединение двух оптических несущих 1,31 и 1,55 мкм в одномодовом ОВ. Это позволило удвоить пропускную способность си­стемы. Многие магистральные ВОСП и сейчас используют такое муль­типлексирование в сочетании с технологией SDH.

В настоящее время быстро развиваются также системы волново­го мультиплексирования, практически использующие рабочую область длин волн оптических усилителей EDFA.

Увеличение числа волновых ка­налов достигается равномерным расположением несущих частот (длин волн) каналов с минимально возможным разносом (шагом). Единствен­ное условие, которое необходимо выполнить, — исключить перекрытие между соседними каналами. Для этого разнос длин волн должен быть больше ширины спектра излучения источника волнового канала.

Со­временные одномодовые полупроводниковые лазеры имеют спектр из­лучения меньше 0,1 нм. Поэтому, например, в стандартной рабочей области длин волн оптического усилителя EDFA 1,530...1,565 мкм при шаге 0,8 нм может разместиться около 40 волновых каналов. Такое волновое мультиплексирование обычно называется плотным — DWDM (Dense WDM). Этот термин используется по отношению к WDM систе­мам с разносом каналов 1,6 нм и меньше.

На современных магистральных ВОСП применяется исключительно одномодовое ОВ. Наиболее широкое распространение получило стан­дартное ступенчатое волокно SF, оптимизированное на длине волны  = 1,31 мкм. Теоретически по этому ОВ можно передавать инфор­мацию со скоростью примерно 10 Тбит/с.

Однако реализовать такие большие ресурсы ОВ для увеличения пропускной способности действу­ющих магистральных ВОСП в полной мере невозможно, поскольку пре­дельные частоты модуляции пока недостижимы, а получение более низ­ких частот (сотни гигабит в секунду) связано с большими техническими трудностями.

Кроме того, относительно высокое значение коэффици­ента затухания в рабочем диапазоне существенно ограничивает длину усилительных и регенерационных участков, т.е. по современным меркам снижает технико-экономическую эффективность ВОСП.

Использование этого ОВ во втором окне прозрачности при  = 1,55 мкм позволяет значительно уменьшить коэффициент затухания, но при этом проявляются ограничения скорости передачи информа­ции, связанные со значительно возросшей хроматической дисперси­ей. Поэтому при таком методе увеличения пропускной способности как действующих, так и проектируемых ОСС целесообразно использо­вать компенсаторы дисперсии, оптические усилители и волновое муль­типлексирование в диапазоне 1,530...1,565 мкм.

Волокна типа DSF целесообразно использовать в высокоскорост­ных ВОСП с одной оптической несущей, где применяются системы пе­редачи синхронно цифровой иерархии SDH. Совместное использование оптических усилителей и линейных регенераторов обеспечивает доста­точно высокую технико-экономическую эффективность этих ОСС. Од­нако если в перспективе предполагается переход на волновое мульти­плексирование DWDM, использование волокна DSF нежелательно ввиду ярко выраженного эффекта четырехволнового смешивания (ЧВС), воз­никающего в том случае, когда нулевое значение хроматической диспе­рсии находится внутри рабочего диапазона системы.

Эффект ЧВС состоит в том, что при вводе в ОВ двух монохро­матических световых потоков с длинами волн ₁ и ₂ на выходе по­являются четыре монохроматических световых потока с длинами волн ₁,₂,₃ = l/(2/₁ - 1/₂) и ₄  = 1/(2/₂  - 1/₁). Если ₁  < _2, то ₃ < ₁  < ₂  < ₃. ЧВС имеет место для любой пары одновре­менно передаваемых световых потоков при возникновении нелинейных эффектов. Вторичные (паразитные) световые потоки отбирают у исход­ных часть энергии, в результате чего затухание сигналов увеличивается. Кроме того, интерференция исходных и вторичных потоков снижает ка­чество передаваемых сигналов.

Поскольку ЧВС имеет максимальную интенсивность при нулевой хроматической дисперсии, в системах с WDM и DWDM целесообраз­но использовать волокно NZDSF с ненулевой смещенной дисперсией. Выбор конкретного типа ОВ определяется тем, что в рабочем диапа­зоне значение хроматической дисперсии должно быть достаточно ма­лым, чтобы обойтись без аппаратурной компенсации дисперсии, и до­статочно большим, чтобы ограничить эффект ЧВС. Значение хрома­тической дисперсии должно быть одного знака и составлять пример­но 2…6 пс/км*нм.

Волокно типа SF при = 1,55 мкм является ОВ с ненулевой сме­щенной дисперсией. Высокое значение хроматической дисперсии в ра­бочем диапазоне практически исключает появление эффекта ЧВС, что позволяет эффективно использовать волокно SF в системах с WDM и DWDM, о чем сказано выше.

Наиболее эффективным методом увеличения пропускной способ­ности ОСС является комбинированный, при котором сначала приме­няется временное мультиплексирование оптических сигналов в каждом из волновых каналов, а затем – волновое мультиплексирование WDM и DWDM. Современные системы передачи синхронной цифровой иерар­хии позволяют довести скорость передачи сигналов до 10 (STM-64) и даже до 40 Гбит/с (STM-256), в результате чего при 40 каналах волно­вого мультиплексирования полная пропускная способность одного ОВ составит 1,6 Тбит/с.  И это далеко не предел.

В связи с ранее сказанным наиболее перспективными следует счи­тать ОВ типов SF и NZDSF. Последние несколько дороже, но, как пока­зывают расчеты, при одинаковой пропускной способности ВОСП стои­мость линейного тракта с волокном NZDSF примерно в 1,5 раза ниже стоимости линейного тракта с волокном SF. Это объясняется тем, что низкое значение хроматической дисперсии волокна NZDSF позволяет исключить из линейного тракта дорогостоящие компенсаторы диспер­сии с оптическими потерями до 7 дБ и увеличить длину усилительного участка с 50 до 80 км при длине регенерационного участка 400 км.

 2.1 Современные технологии и аппаратура оптической системы связи 

          В настоящее время наиболее широкое распространение получили две технологии временного мультиплексирования ОСС: плезиохронная цифровая иерархия PDH и синхронная цифровая иерархия SDH. Широкому практическому использованию технологии волнового муль­типлексирования DWDM препятствует, во-первых, очень высокая сто­имость элементной базы и, во-вторых, не полностью использованные возможности технологии SDH.

В принятой в нашей стране европейской системе PDH мультиплек­сор на первом уровне использует в качестве входных сигналов 30 ка­налов ОЦК (каналов нулевого уровня) и формирует первичный цифро­вой информационный поток со скоростью передачи 30x64 кбит/с = 1920 кбит/с. Для осуществления синхронизации, сигнализации и контроля ошибок к нему добавляют еще два канала ОЦК, в результа­те чего первичный цифровой канал (ПЦК) имеет скорость 2048 кбит/с =  2,048 Мбит/с (или приближенно 2 Мбит/с). Далее в схеме после­довательного каскадного мультиплексирования, использующей мульти­плексоры типа 4:1, можно сформировать цифровые каналы 2-го, 3-го, 4-го и 5-го уровней иерархии со скоростями передачи 8,448; 34,368; 139,264; 564,992 Мбит/с (или приближенно 8; 34; 140; 565 Мбит/с). Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 30, 120, 480,1920 и 7680 каналов ОЦК*. В странах Европы и Латинской Америки она получила обозначение Е1 (ПЦК), Е2, ЕЗ, Е4 и Е5.

Технология PDH первоначально использовалась в медных кабелях, а затем получила широкое применение в ОК различного назначения. Сигналы ПЦК (сигналы первичной МСП) экономически нецелесообраз­но передавать даже по многомодовому ОВ, поэтому в ОСС различного назначения в оконечной аппаратуре применяются МСП более высоких уровней иерархии. У нас в стране разработана соответствующая аппа­ратура ОСС с использованием многомодового градиентного и одномодового ОВ. Для формирования группового электрического цифрового сигнала используется двуполярный код HDB3 (стыковой код), а для пе­редачи цифровой информации по оптическому линейному тракту — пре­образование кода HDB3 в однополярные линейные коды, оптимизиро­ванные для ВОСП. В системах передачи уровня Е2 это, как правило, ко­ды 1В2В (CMI и MCMI), в системах ЕЗ и Е4— коды 5В6В, 10B1P1R и др.

В настоящее время промышленность выпускает ап­паратуру систем передачи уровней Е2 и ЕЗ на современном техно­логическом уровне с использованием оптоэлектронных и электронных компонентов, обладающих высокой надежностью. Для создания меж­узловых и межстанционных связей на сетях интегрального обслужива­ния — это аппаратура ОЛТ-25 (ОАО «Морион», г. Пермь) и Т-41 (АО НПП «РОТЕК», Москва). Она позволяет передавать по одномодовому ОВ при А = 1,3 мкм 120 каналов ОЦК. Энергетический потенциал со­ставляет 40…42 дБ, а динамический диапазон приемного устройства — не менее 20 дБ.

Для внутризоновых сетей, а также для организации межстанцион­ной связи производится аппаратура уровня ЕЗ: Т-51, Т-316 (АО НПП «РОТЕК», Москва) и ОТЛС-31 (ОАО «Морион», г. Пермь). Она предна­значена для передачи по многомодовому градиентному и одномодовому ОВ при =1,3 мкм. Модифицированная модель Т-316 (21Е1) обеспе­чивает передачу линейного сигнала со скоростью 51,84 Мбит/с и может быть интегрирована в сети SDH. В аппаратуре ОТЛС-31 предусмотрены режимы вставки или выделения каналов.

На ВОСП различного назначения используется аппаратура ИКМ-120-5, «Сопка-2» (уровень Е2), «Сопка-3» (уровень ЕЗ) и «Сопка-4» (уро­ень Е4). Однако эти системы морально устарели и сняты с произ­водства.

Применяемые у нас в стране и за рубежом плезиохронные си­стемы позволяют осуществлять высококачественную многоканальную связь.

 

Но по мере роста скоростей передачи все больше проявляются недостатки технологии PDH. Их суть в общих чертах в следующем.

Во-первых, общая схема ВОСП даже при простой топологии «точка-точка», но при высоких скоростях должна содержать 3-4 уровня мультиплекси­рования/демультиплексирования на оконечных станциях (передающей и приемной), что приводит к достаточно сложной аппаратурной реали­зации таких систем.

Во-вторых, невозможен вывод (или ввод) каналов ОЦК или Е1 из каналов высших уровней иерархии без полного демуль­типлексирования и последующего мультиплексирования последних. И, в-третьих, возникают значительные трудности в организации служебных каналов для целей контроля и управления информационными потока­ми в сетях. Это означает, что в рамках технологии PDH невозможно создание современных цифровых сетей с гибкой, легко управляемой структурой.

Все это явилось предпосылкой преобразования техноло­гии PDH в технологию синхронной цифровой иерархии SDH, которая не имеет указанных выше недостатков.

 2.2 Спектральное уплотнение

 Физическая основа SDH/SONET и DWDM различны: первая технология использует одну несущую частоту оптического сигнала, в то время как вторая использует набор частот, за что и названа технологией плотного спектрального уплотнения (Dense Wavelength Division Multiplexing).

Более того, они используют различные спектральные “окна”: DWDM работает на длинах волн в районе 1550 нм, в то время как SDH/SONET кроме этого широко использует длину волны 1310 нм, а, следовательно, другие лазеры и другие фотоприемники.

Устройства, работающие на 1550 нм, способны передавать оптические сигналы на большие расстояние, чем те, что работают на длине волны 1310 нм. Но эти системы существенно дороже даже в случае, когда используется одна длина волны, не говоря уже об устройствах спектрального уплотнения, требующих сложных мультиплексоров.

В результате на рынке сложилась следующая ситуация: там, где требуется высокоскоростная передача на большие расстояния (например, в кабелях, проложенных по дну океана), DWDM — оптимальная технология, и ее победное шествие продолжается.

Однако в городских сетях, где расстояния не так велики, и где полоса пропускания не везде так критична, многие операторы не торопятся менять старые испытанные сети SDH/SONET. Вот тут и приходит на помощь решение на базе новой технологии — SWDM.

 2.3 Селективное спектральное уплотнение

 Selective WDM — селективное спектральное уплотнение — уникальная технология Lucent, компромисс между SDH/SONET и DWDM. Одни и те же узлы одного и того же волоконно-оптического кольца поддерживают и одноканальную передачу данных на длине волны 1310 нм, и спектральное уплотнение в диапазоне 1550 нм.

Все в целом работает как одна логическая сеть. Гибкое управление обеспечивается на уровне лежащих над ней протоколов: TDM, ATM и IP, “сырые” данные можно распределять и разветвлять на более “тонкие” структурированные потоки. Эта гибкая технология была приобретена Lucent Technologies вместе с компанией Chromatis и сразу стала одним из важнейших звеньев продуктов транспортных сетей Lucent Technologies.

Преимущества SWDM особенно наглядно видны при сравнении с быстрорастущей сетью SDH/SONET. В начале, когда требуемая пропускная способность невелика, применение SDH/SONET кажется оправданным, и полосы для передачи на длине волны 1310 нм, позволяющей развернуть недорогое решение, достаточно. Но когда потребность в пропускной способности резко возрастает, наращивание системы возможно только за счет прокладки новых волоконных кабелей и подключения их к новым устройствам.

В то же время устройствам SWDM, наследующим свойства DWDM, не нужны новые кабели: все наращивание заключается во “включении” еще одной длины волны, для чего может, самое большее, потребоваться подключить еще один модуль в существующее устройство. Но это преимущество не единственное, а в некоторых случаях и не главное: иногда не менее важно, что не происходит усложнения топологии сети, не ухудшается ее управляемость и время, необходимое для наращивания, меньше, чем в случае с системами SDH/SONET.

Например в  сети типичного поставщика коммуникационных услуг имеется оптоволоконное кольцо, соединяющее разбросанные по городу офисы с центральным офисом. Поставщик услуг планирует предоставить своим заказчикам доступ в сеть по технологии xDSL. Он рассчитывает на резкое увеличение трафика, но предсказать его количественно и оценить, какая часть кольца будет испытывать наибольшую нагрузку, оператор пока не в состоянии. На первой фазе развития сети его вполне устраивают возможности, которые дает передача данных на длине волны 1310 нм, и ни о каком DWDM нет речи. Через некоторое время один из узлов сети начинает испытывать повышенную нагрузку. Переход к DWDM становится необходимостью. Однако в этом случае не нужно модернизировать всю сеть, достаточно “включить” одну длину волны на участке “перегруженный узел — центральный офис”. При этом в конфигурации остальных узлов сети ничего менять не нужно. В случае если бы была установлена классическая сеть DWDM, то пришлось бы наращивать всю сеть одновременно.

Не исключено, что в результате роста числа пользователей сети, потребуется, в конце концов, перевести всю сеть на DWDM. Как, впрочем, возможна и ситуация, когда DWDM может так и не понадобиться, и поставщику услуг не придется тратить немалые средства для внедрения этой технологии. В любом случае, гибкость решения на базе SWDM не предоставит возможности сожалеть о вложенных или не вложенных средствах. 

2.4 Модель взаимодействия WDM с транспортными технологиями

 Формально для систем WDM не важно, какие методы кодирования и формирования конкретного цифрового сигнала использовались. Хотя, как правило, в этих системах и передается однотипный трафик, это диктуется используемыми методами синхронизации и единообразием процесса обработки. В отличие от систем SDH транспортируемый сигнал не упаковывается в контейнеры и не подвергается обработке в соответствии со структурой мультиплексирования SDH для формирования транспортного модуля STM-N, который только и может быть передан через физический уровень в канал связи (среду передачи).

Если упрощенно представить многоуровневую модель взаимодействия основных технологий SDH/SONET, ATM, IP (без учета возможности переноса IP через ATM), осуществляющих транспортировку сигнала в глобальных цифровых сетях, и WDM, то до появления последней она имела вид, представленный на рис. 17,а.

 

 

Рисунок 17 - Модель взаимодействия основных транспортных технологий:

а) до внедрения технологии WDM; б) после внедрения технологии WDM

 Модель состояла из трех уровней и оптической среды передачи и показывала, что для транспортировки трафика верхнего уровня ( ATM и IP) по оптической среде передачи он должен быть размещен (инкапсулирован) в транспортные модули STM-N/OC-n технологий SDH/SONET, способные, используя физический интерфейс этих технологий, пройти через физический уровень в оптическую среду передачи. Отсюда была ясна необходимость создания технологий инкапсуляции ячеек АТМ, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET ( IP over SONET).

Этим и занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в таких институтах, как ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на указанные технологии. После появления систем WDM модель принимает вид, представленный на рисунке 17.б.

Теперь модель имеет четыре уровня, не считая оптической среды передачи. Появился промежуточный уровень WDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий через физический уровень выйти в оптическую среду передачи не только технологии SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP.

В последнем случае не требуется инкапсуляции ячеек ATM или пакетов IP в промежуточный транспортный модуль технологий SDH/SONET, что не только упрощает процедуру обработки и транспортировки трафика, генерируемого системами ATM и IP, но и существенно уменьшает общую длину заголовков (которые пристыковываются по мере прохождения с верхнего уровня на нижний), повышая процент, занимаемый информационной составляющей трафика, в общей длине передаваемого сообщения, а значит, и эффективность передачи в целом.

Естественно, что ATM и IP трафик может быть передан и по традиционной схеме с использованием SDH/SONET, трафик которых может быть также передан с помощью систем WDM, что сохраняет преемственность старых схем транспортировки и увеличивает гибкость композитных систем WDM-SDH/SONET в целом.

 2.5 Блок-схема систем c WDM

 Основная схема системы c WDM (для примера взято четыре канала) имеет вид, представленный на рисунке 18 (показан один прямой канал).

 

 

Рисунок 18 - Блок-схема системы, использующей WDM

 Здесь n входных потоков данных (кодированных цифровых импульсных последовательностей) модулируют (модуляция основной полосой) с помощью оптических модуляторов M i оптические несущие с длинами волн l i .

Модулированные несущие мультиплексируются (объединяются) с помощью мультиплексора WDM Mux в агрегатный поток, который после усиления (с помощью бустера или мощного усилителя – МУ) подается в ОВ.

На приемном конце поток с выхода ОВ усиливается предварительным усилителем – ПУ, демультиплексируется, т.е. разделяется на составляющие потоки – модулированные несущие   l i , которые детектируются с помощью детекторов Д i (на входе которых могут дополнительно использоваться полосовые фильтры Фi для уменьшения переходных помех и увеличения тем самым помехоустойчивости детектирования), и, наконец, демодулируются демодуляторами ДM i, формирующими на выходе исходные кодированные цифровые импульсные последовательности. Кроме МУ и ПУ в системе могут быть использованы и линейные усилители – ЛУ.

 2.6 Узкополосные и широкополосные WDM

 Волновое мультиплексирование практически используется уже более 10 лет и первоначально было направлено на объединение двух основных несущих 1310 нм и 1550 нм (2-го и 3-го окон прозрачности) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы и было оправдано всей историей развития ВОЛС.

Многие стандартные системы SDH предлагают это сейчас, как один из вариантов конфигурации. Ряд исследователей называет такие системы широкополосными WDM (разнос по длине волны – 240 нм) в противовес узкополосным WDM (разнос в которых был на порядок ниже – 24-12 нм, что давало возможность разместить в 3 окне (1550 нм) 4 канала. Такое деление систем кажется на данный момент не совсем корректным, так как у таких “широкополосных" WDM спектр не перекрывался, а состоял из двух изолированных полос.

С другой стороны, в настоящее время формируется класс действительно широкополосных систем WDM, перекрывающих в смежных окнах прозрачности (3-м и 4-м) полосу порядка 84 нм от 1528-1612 нм. Этот класс в будущем, возможно, будет перекрывать полосу 1280-1620 нм, если ориентироваться на характеристики пионера в этой области WaveStar AllMetro DWDM System компании Lucent Technologies, использующей волокно, устраняющее пик поглощения в области 5-го окна (~ 1383 нм).

 2.7 Канальный (частотный) план 

Хотя рассчитывать сейчас на взаимную совместимость оборудования разных производителей систем WDM не приходится, необходимо было стандартизовать номинальный ряд несущих – “канальный или частотный план", чтобы дать производителям ориентир на будущее, а также позиционировать уже существующие WDM системы.

Эту задачу в первом приближении решил Сектор стандартизации МСЭ, выпустив стандарт ITU-T Rec. G.692.

Стандартный канальный план и его использование

Первоначально в основу проекта стандарта положен канальный (частотный) план с равномерным расположением несущих частот каналов с минимальным разносом (шагом) каналов на 0,1 ТГц, или 100 ГГц. Выбранная в плане область частот покрывает стандартизованный диапазон Dст=5,1 ТГц и практически соответствует диапазону длин волн (от 1528,77 до 1569,59 нм) амплитудно-волновой характеристики АВХ широко используемых ОУ.

При выборе постоянного шага h=0,1 ТГц (100 ГГц) в этом диапазоне можно разместить максимально 51 канал с несущими, указанными в верхнем ряду нижеследующей таблицы (для пересчета на длины волн используется обычная (уточненная) формула l = 2.99792458•1017/f [нм/Гц], при этом шаг по l получается разным от 0,780 до 0,821 нм, или в среднем 0,8 нм).

Компания Ciena, а в будущем, видимо, и другие компании, использующие шаг 0,05 ТГц (50 ГГц), выйдут за рамки стандартного плана, желая увеличить число каналов как в области наиболее плоской АВХ стандартного ОУ (Ciena), так и во всей области стандартизованного диапазона с выравненным усилением ОУ 1529-1565 нм.

Перспективный канальный план

Расширения числа каналов можно достичь двумя путями: уменьшением шага h до 0,05 ТГц (50 ГГц) и частичным расширением частотного плана до 191,0 ТГц, что дает возможность довести число каналов максимально до 102; расширением стандартной полосы Dст вправо до частот порядка 186 ТГц (1612 нм), что позволяет удвоить Dст до величины 10,2 ТГц (84 нм) за счет частичного использования 4-го окна прозрачности (1600 нм).

Первый путь был использован компанией Cienа, второй – Lucent. Эксплуатация вдвое большей полосы (2х5,1 ТГц) хотя и требует использования специальных сверхширокополосных оптических усилителей СШПУ (UWBA) с АВХ, охватывающих полосу 10,2 ТГц, но дает возможность увеличить число каналов до 102 при шаге 100 ГГц и до 204 при шаге 50 ГГц.

Это можно сделать, как мы видели выше (см. раздел 3.3), разбивая общую полосу усиления на две, называемые C-Band (Conventional Band) – обычная полоса и L-Band (Longwave Band) – диннноволновая полоса (в терминологии Bell Labs.) – не путайте с поддиапазоном L band в терминологии Alcatel, который теперь оказывается расположенным в правой половине C-Band). В этом смысле логично использовать обозначения ECI, вместо обозначений Alcatel, т.е. говорить C-band, как о полосе, состоящей из высокочастотной части (синей полосе) В и низкочастотной части (красной полосе) R. Тогда, для систем WDM получаем следующую перспективную схему канального плана на 102 канала с шагом 100 ГГц и на 204 канала с шагом 50 ГГц (см. рисунок  19):

 

Рисунок 19 - Перспективная схема расширенного канального плана 

2.8 Классификация WDM на основе канального плана 

Схема расширенного канального плана позволяет предложить следующую схему классификации, учитывающую современные взгляды и тенденции выделять три типа мультиплексоров WDM:

   -  обычные (грубые) WDM (CDWM) – ГМРДВ, или просто WDM – МРДВ;

   - плотные WDM (DWDM) – ПМРДВ;

      - высокоплотные WDM (HDWDM) – ВПМРДВ.

Хотя до сих пор и нет точных границ деления между этими типами, можно предложить, вслед за специалистами компании Alcatel, некоторые границы, основанные на исторической практике разработки систем WDM и указанном выше стандарте G.692 с его канальным планом, называемым также “волновым планом" или “частотным планом" в зависимости от того, используется ли волновая или частотная шкала канального плана.

 Итак, можно называть:

     - системами WDM – системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 16 каналов;

     - системами DWDM – системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 64 каналов;

     - системами HDWDM – системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов. 

2.9 Схемы реализации мультиплексоров WDM  

Первые мультиплексоры класса WDM, как известно, использовались для мультиплексирования двух несущих: 1310 нм и 1550 нм, расстояние между которыми 240 нм было настолько большим, что при реализации не требовало специальных фильтров для их разделения. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов) при использовании традиционной дискретной оптики не давали результатов лучше, чем следующие:

    - разнос каналов – 20-30 нм;

    - переходное затухание между каналами – 20 дБ;

    - уровень вносимых потерь – 2-4 дБ.

В настоящее время используются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования). Две из них на основе интегральной оптики: одна использует выделение несущих на основе дифракционной решетки на массиве волноводов – AWG (Arrayed Waveguide Grating) и вторая на основе вогнутой дифракционной решетки – CG(Concave Grating). В третьей технологии применяется традиционная миниатюрная (на новом уровне технологии) дискретная оптика, использующая выделение каналов на основе технологии трехмерного оптического мультиплексирования – 3DO (3-D Optics WDM).

В основе первой из них (см. рисунок 20,а) – планарный оптический многопортовый разветвитель в форме таблетки с портом входа l 0 и группой выходных портов l l0, l 20, … l n0, расположенной симметрично относительно l 0 на периферии волновода слева, и группой внутренних выходных портов l li, l 2i, … l ni, расположенной симметрично группе выходных портов на периферии справа. Внутренние выходные порты соединены через массив световодов (играющий роль дифракционной решетки, благодаря фиксированной разнице длин каждого световода, кратной DL) с плоским отражающим зеркалом. Входной поток l 0 = S l i (i=1,2, … n) подается в оптический волновод и распределяется по всем внутренним портам, откуда он распространяется по ассиву световодов (с разным фазовым запаздыванием) до зеркала, отражается и подается со стороны внутренних выходных портов в тот же волновод, где происходит интерференция входной и отраженных волн.

Указанное устройство напоминает, по сути, интерференционный волновой фильтр на дифракционной решетке или многомерный вариант MZI. Размеры и форма планарного разветвителя, решетки световодов, а также расположение выходных портов, выбираются так, чтобы интерференционные максимумы освещенности располагались в районе выходных портов и соответствовали группе несущих l l0, l 20, … l n0.

 

а)

б)

Рисунок 20 - Схема мультиплексирования WDM на основе дифракционной решетки на массиве волноводов:

а) с одним разветвителем и отражающим зеркалом; б) с входным и выходным разветвителями 

Порт входа и выходные порты могут быть разнесены, если использовать два планарных волновода (входной и выходной разветвители), как это показано на рисунке 20,б.

Третья технология также использует классическую схему с плоской отражательной дифракционной решеткой (1), вогнутым зеркалом (2) и массивом волокон (3) (см. рисунок 21), размещенных в пазах решетки с фиксированным шагом. Схема работы (в режиме демультиплексора) проста: мультиплексированный поток из входного волокна (А), расходясь конусом с углом, отражается от зеркала и падает на дифракционную решетку, отражающую под разными углами свет разной длины волны. Эти дифрагированные лучи, отражаясь от зеркала, фокусируются в определенных точках, где и должны быть расположены приемные порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие.

Для примера показано выделение одного такого канала, конус лучей которого (с тем же углом фокусируется в точке В (порте выходного волокна).

 

Рисунок 21 - Схема WDM на основе трехмерного оптического мультиплексирования

 Все элементы конструкции строго фиксированы в стеклянном блоке (4), что позволяет выдержать и сохранять высокую точность изготовления. Указанная конструкция может быть использована как с параболическим, так и сферическим зеркалами, имеет коэффициент увеличения равный 1. Она афокальна (т.е. не имеет фокуса), так что все исходящие и входящие в волокна углы одинаковы. ОМ волокна укладываются в канавки специальной решетки. Конструкция позволяет использовать до 131 канала с шагом 1 нм или до 262 каналов с шагом 0,5 нм.

Во всех указанных решениях процедура мультиплексирования предполагается обратной по отношению к рассмотренной процедуре демультиплексирования. Параметры мультиплексоров WDM, реализованных на основе указанных технологий, сведены в таблицу, приведенную ниже.

 Таблица 3 - Сравнение различных технологий оптического мультиплексирования

Технология	Мах число каналов [нм]	Разнос каналов	Вносимые потери [дБ]	Переходное затухание [дБ]	Чувствительность к поляризации, %
I/O AWG	32	0.1 - 15	6 - 8	-5 -  -29	2
I/O CG	78	1-4	10 - 16	-7 -  -30	2 - 50
3-D Optics WDM	262	0.4 - 250	2 - 6	-30 -  -55	0

 Из таблицы 3 видно, что технология 3-D Optics WDM имеет преимущество по четырем из пяти параметров и может быть использована в системах WDM до уровня HDWDM с разносом каналов не меньше 0,4 нм.

Из этой таблицы видно, что схема канального плана с числом каналов, кратным 2n, которой придерживаются ряд производителей, нерациональна с точки зрения использования стандартизованной выравненной полосы ОУ. Во-вторых, видно, что старый канальный план стандарта G.692 допускал формирование не более 51 канала. Этот показатель был перекрыт несколькими компаниями, производящими 96, 128 и 160 канальные системы. 

2.10 Характеристики промышленных систем WDM 

В настоящее время еще используются “старые" (первого поколения) системы WDM, мультиплексирующие 2 канала с несущими 1310 нм и 1550 нм. Эти системы, как уже упоминалось, являются вариантами (опциями), доступными при поставке ряда коммерческих систем SONET/SDH. Используется сейчас и некоторое количество 4-8-канальных систем. Их можно условно отнести к системам второго поколения (кроме 4-канальной системы компании Siemens).

Бурное развитие систем WDM/DWDM пришлось на 1997-98 годы, когда были разработаны системы третьего поколения, основанные на стандартном канальном плане и имеющие 16 каналов и больше. В настоящее время начался этап их повсеместного внедрения.

Общая емкость в расчете на одно волокно у наиболее продвинутых компаний этой группы составляет в настоящее время 160-400 Гбит/с, что выше, чем у систем производителей второй группы. Лидерами по этому показателю являются компании Alcatel и Lucent (400 Гбит/с).

В отличие от них компании второй группы предлагают, как правило, более простые и дешевые решения, рассчитанные на использование (по длине) одной секции и не имеющие возможности ввода/вывода отдельных каналов на промежуточных узлах (и не только в силу отсутствия последних). Однако они имеют, как правило, больше логических интерфейсов и позволяют работать с сигналами различных форматов, характерных для технологий, используемых в LAN: ATM, Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI и широко используют интерфейсы связи с ПК (Fiber Channel) и мини-компьютерами (ESCON).

Тип системы – дуплексные (D), в нашем случае используют две оптические несущие, и полудуплексные (S), используют одну оптическую несущую. Большинство производителей указывает число каналов n без указания типа системы, тогда считается, что система в принципе может работать как симплексная с n каналами или как дуплексная с n/2 каналами. Там, где прозводитель указал на возможность работы в дуплексном режиме, стоит D или D, S, если нет, то S.

Код – как правило, широко используются два типа линейного кодирования: NRZ и RZ. Первый позволяет реализовать большую плотность эквивалентных бит на секундный интервал и более предпочтителен в системах SDH верхних уровней иерархии. Второй широко используется в системах DWDM в силу специфики работы модуляторов. Интересно отметить, что система WL4 компании Siemens использует мультиплексор SDH типа SMA256, работающий на скорости 40 Гбит/с и реализованный на электронных компонентах (используется электронная система мультиплексирования ETDM, а не оптическая OTDM), что позволяет добиться высокой общей емкости системы (160 Гбит/с) уже при 4-х каналах. Наличие такого мультиплексора позволяет надеяться, что в недалеком будущем может быть реализована система WL32 общей емкостью потока через одно волокно 1,28 Тбит/с, если будут преодолены трудности с перекрытием оптических импульсов при таком сочетании высокой плотности каналов (разнос 100 ГГц) и высокой скорости потока в канале – 40 Гбит/с.

Число каналов ввода-вывода – реализовать ввод/вывод трибов (электрических или оптических), участвующих в схеме первичного (электрического – ETDM или оптического OTDM) мультиплексирования SDH (опция drop/insert – ввод/вывод) в оптический канал (представленный отдельной оптической несущей) или из него в схеме вторичного оптического мультиплексирования, осуществляемого WDM, достаточно сложно. Поэтому ряд систем WDM, работающих на скоростях STM-4 и выше, вообще не реализует эту опцию, обеспечивая лишь работу в режиме точка-точка (т-т), либо ограничивает число каналов, на которых эта опция может быть реализована (например, 4 из 16, 8 из 40, 12 из 64 – см. таблицу 2), не говоря уже о том, что снизу она вообще может быть ограничена на уровне виртуального контейнера VC-4, а не VC-3 или VC-1.

Топология – в порядке сложности в системах WDM могут быть реализованы топологии: точка-точка (т-т) без возможности ввода/вывода трибов SDH; линейная цепь (л) с возможностью ввода/вывода трибов SDH; звезда (з) или точка-много точек (т-мт), реализуемые с помошью концентратора; кольцо, которое может быть представлено в трех видах: одинарное кольцо без защиты (к), двойное кольцо с защитой (к2), счетверенное кольцо с полной защитой (к4); ячеистая сеть (я) с возможностью динамической маршрутизации.

Пролеты (перекрытия), Секции, Дистанция – общая дистанция, на которую могут быть переданы данные, определяется длиной пролета, числом пролетов в секции, т.е. длиной, перекрываемой одной секцией, и, наконец, числом секций. Пролет (перекрытие) – это расстояние между мультиплексором и линейным усилителем – ЛУ или между двумя ЛУ. Учитывая это, пролет сам по себе минимально содержит два ОУ: выходной мощный усилитель (бустер) и входной предусилитель (независимо от того, где они установлены в мультиплексоре или блоке ЛУ), он может перекрывать достаточно большое расстояние порядка 80-120 км и более (в зависимости от бюджета усилителей). Секция может состоять из нескольких пролетов и ее длина может быть до 600 км и более, причем несколько секций могут стыковаться между собой (по типу “выход-вход" (back-to-back), или с использованием регенераторов. Регенераторы применяются для восстановления оригинальной формы сигнала после секции (или группы пролетов). Например, в системе WL8 использование одного регенератора после группы из 5-8 пролетов позволяет удвоить общую дистанцию передачи сигнала (доведя ее до 1200 км).

Скорость входных данных, тип поддерживаемого логического интерфейса – указаны границы диапазона скоростей, которые определяются, кроме прочего, поддержкой того или иного логического интерфейса (или формата данных), определяющего набор сетевых технологий, с которыми может стыковаться указанная система WDM. Например, если минимальная скорость равна 10 Мбит/с, а в типах интерфейсов указан символ интерфейса E, значит, система WDM может стыковаться с сетью обычного Ethernet; если скорость равна 100 Мбит/с и указан интерфейс FE, значит, допустима стыковка с сетью Fast Ethernet. Если интерфейс GE, то допустима стыковка с сетью Gigabit Ethernet на скорости 1 Гбит/с, и т.д. смотри список типов поддерживаемых интерфейсов и скорость, поддерживаемую этими интерфейсами. Для технологии АТМ могут использоваться несколько скоростей передачи. Например, если в интерфейсах указано ATM-OC3,12, это значит, что система WDM стыкуется с сетями АТМ на двух скоростях технологии SONET OC-3 (155,52 Мбит/с) и OC-12 (622,08 Мбит/с).

Допуск – указывает, какую максимальную накопленную на длине одной секции дисперсию система WDM способна преодолеть без потери качества сигнала, определяемого уровнем ошибок системы (показатель BER). Эта величина используется для проверки возможности системы (секции) перекрыть определенное расстояние. С этой целью, зная конкретный тип волокна и соответствующий ему дисперсионный параметр D, определяемый для граничной длины волны в занимаемой полосе, проводится подсчет фактического допуска путем умножения значения D на длину секции, выраженную в километрах. Если фактический допуск меньше предельного – система работоспособна при использовании данного волокна, если нет – должно быть использовано другое волокно или уменьшена длина секции или, если последнее нежелательно или невозможно, следует использовать компенсаторы дисперсии, о которых мы уже упоминали выше.

Канал управления – имеется в виду оптический канал супервизорного управления ОКСУ, называемый в оригинальных документах OSC. Этот канал организуется на дополнительной оптической несущей, которая обычно лежит за пределами занимаемой полосы, хотя может лежать как внутри полосы, занимаемой стандартным канальным планом, так и соответствовать некоторым стандартным (но неиспользуемым для основной полосы) несущим или неиспользуемым частотам накачки лазеров в оптических усилителях. Например, из табл. 5 видно, что используется следующий ряд частот: 1310, 1480, 1510, 1532, 1625 нм.  

3 Технология DWDM

3.1 Основные сведения о технологии DWDM    

Плотное волновое мультиплексирование DWDM (dense wavelength-division multiplexing) - это современная технология передачи большого числа оптических каналов по одному волокну, которая лежит в основе нового поколения сетевых технологий

В настоящее время телекоммуникационная индустрия претерпевает беспрецедентные изменения, связанные с переходом от голосо-ориентированных систем к системам передачи данных, что является следствием бурного развития Internet технологий и разнообразных сетевых приложений.

В прошлом проектирование телекоммуникационных сетей с экономической точки зрения в основном диктовалось необходимостью передачи голоса. С крупномасштабным развертыванием сетей передачи данных происходит модификация самой архитектуры сетей. Именно поэтому требуются фундаментальные изменения в принципах проектирования, контроля и управления сетями. В основе нового поколения сетевых технологий лежат многоволновые оптические сети, базирующиеся на плотном волновом мультиплексировании DWDM (dense wavelength-division multiplexing).

Мультиплексорам DWDM (в отличии от более традиционных WDM) присущи две отличительные черты:

- использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA (1530-1560 нм);

          - малые расстояние  между мультиплексными каналами, 3,2 / 1,6 / 0,8 или 0,4 нм.

Кроме этого, поскольку мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов до 32 и более, то наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются (демультиплексируются) одновременно все каналы, допускаются также новые устройства, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного большим числом других каналов. Так как выходные порты/полюса демультиплексора закреплены за определенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует значительно большей прецизионности по сравнению c WDM мультиплексорами (использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм). Также важно обеспечить высокие характеристики по ближним (коэффициент направленности) и дальним (изоляция) переходным помехам на полюсах DWDM устройств. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM устройств по сравнению WDM.

На рисунке 22а показана типовая схема DWDM мультиплексора с зеркальным отражательным элементом. Рассмотрим его работу в режиме демультиплексирования. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). По прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал остается представленным во всех волноводах. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и в итоге световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция - образуются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности расположение выходных полюсов, и длины волноводов структуры AWG рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.

Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной а на паре волноводов-пластин, (рисунок 22.б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю, за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.

 

 

Рисунок  22 - Схемы DWDM мультиплексоров: а) с отражающим элементом; б) с двумя волноводами-пластинами 

DWDM мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства (рисунок 22.а), работающего в режиме демультиплексирования составляют 10-12 дБ, при дальних переходных помехах <-20 дБ, и полуширине спектра сигнал 1 нм, (по материалам Oki Electric Industry). Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед и/или после DWDM мультиплексора. 

3.2 Пространственное разделение каналов и стандартизация DWDM  

Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования бесспорно является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения каналов нужна, уже хотя бы потому, что на ее основе можно будет начинать проведение тестов на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникаций Международного союза по электросвязи ITU-T утвердил частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц (нм). В тоже время большие дебаты продолжают идти вокруг принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50 ГГц ( нм). Без понимания того, какие ограничения и преимущества имеет каждый частотный план, операторы связи и организации, планирующие наращивание пропускной способности сети, могут столкнуться со значительными трудностями и излишними инвестициями.

         Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других устройств полностью оптической сети, а также позволяет легче выполнять ее наращивание. Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от трех основных факторов: типа используемых оптических усилителей (кремниевого или фтор-цирконатного) скорости передачи на канал - 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64), влияния нелинейных эффектов, причем все эти факторы сильно взаимосвязаны между собой.

Стандартные EDFA на кремниевом волокне имеют один недостаток - большую вариацию коэффициента усиления в области ниже 1540 нм, что приводит к более низким значения соотношения сигнал/шум и нелинейности усиления в этой области. Одинаково нежелательны как сильно низкие, так и сильно высокие значениям коэффициента усиления. С ростом полосы пропускания минимальное допустимое по стандарту соотношение сигнал/шум возрастает - так для канала STM-64 оно на 4-7 дБ выше, чем для STM-16. Таким образом, нелинейность коэффициента усиления кремниевого EDFA сильней ограничивает размер зоны для мультиплексных каналов STM-64 (1540-1560 нм), нежели чем для каналов STM-16 и меньшей емкости (где можно использовать практически всю зону усиления кремниевого EDFA, несмотря на нелинейность).

Сетка 50 ГГц. Более плотный, пока не стандартизированный частотный план сетки с интервалом 50 ГГц позволяет эффективней использовать зону 1540-1560 нм, в которой работают стандартные кремниевые EDFA. Наряду с этим преимуществом, есть и минусы у этой сетки. Во первых, с уменьшением межканальных интервалов возрастает влияние эффекта четырехволнового смешивания, что начинает ограничивать максимальную длину межрегенерационной линии (линии на основе только оптических усилителей). Во вторых, малое межканальное расстояние ~0,4 нм может приводить к ограничениям в возможности мультиплексирования каналов STM-64, (рисунок 23). Как видно из рисунка, мультиплексирование каналов STM-64 c интервалом 50 ГГц недопустимо, поскольку тогда возникает перекрытие спектров соседних каналов. Только если имеет место меньшая скорость передачи в расчете на канал (STM-4 и ниже), перекрытия спектров не возникает. В третьих, при интервале 50 ГГц требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам становятся более жесткими, что снижает число потенциальных производителей оборудования, а также ведет к увеличению его стоимости.

В настоящее время ведутся работы по созданию надежных фтор-цирконатных EDFA, обеспечивающих большую линейность (во всей области 1530-1560 нм) коэффициента усиления. С увеличением рабочей области EDFA становится возможным мультиплексирование 40 каналов STM-64 с интервалом 100 ГГц общей емкостью 400 ГГц в расчете на волокно.

 

 

Рисунок 23 - Спектральное размещение каналов в волокне 

3.3 Компоненты системы DWDM: мультиплексоры и демультиплексоры     

Мультиплексирование и демультиплексирование спектральных компонент отдельных сигналов в системах WDM основано на использовании комбинированных или последовательно расположенных узкополосных фильтров.

Каждый лазерный передатчик в системе WDM выдает сигнал на одной из заданных частот. Все эти сигналы (каналы) необходимо мультиплексировать (объединить друг с другом) в единый составной сигнал. Устройство, которое выполняет эту функцию, называется оптическим мультиплексором MUX (или OM). Аналогичное устройство на другом конце линии связи разделяет составной сигнал на отдельные каналы и называется оптическим демультиплексором DEMUX (или OD). В отличие от систем TDM, в которых подобные операции уплотнения каналов происходят во временной области, и основное внимание уделяется точности синхронизации приемника и передатчика, в системах WDM мультиплексированию и демультиплексированию подвергаются спектральные компоненты отдельных сигналов, характеристики которых всегда известны заранее.

 

Рисунок 24 - Мультиплексор и демультиплексор 

Оптическое мультиплексирование и демультиплексирование основано на комбинированных или расположенных последовательно друг за другом узкополосных фильтрах. В частности, для фильтрации применяют тонкопленочные фильтры, волоконные или объемные брэгговские дифракционные решетки, сварные биконические волоконные разветвители, фильтры на основе жидких кристаллов, устройства интегральной оптики (матрицы фазовых волноводных дифракционных решеток или фазары).

В настоящее время наибольшее распространение получили устройства оптического мультиплексирования и демультиплексирования с частотным интервалом между отдельными каналами в 100 ГГц (~0,8 нм), наиболее распространенный в существующих системах WDM. Появляющиеся в последнее время мультиплексные устройства могут обеспечить большую плотность размещения каналов с частотным интервалом 50 ГГц и меньше. Современные оптические мультиплексоры создаются преимущественно на основе тонкопленочных фильтров и, немного реже – на матрицах волноводных дифракционных решеток и волоконных брэгговских решетках. При дальнейшем увеличении плотности размещения каналов в системах DWDM и ужесточении требований к оптическим устройствам MUX/DEMUX, по-видимому, будет меняться и спектр используемых технологий. 

3.4 Технологии мультиплексирования 

Тонкопленочные фильтры

         Тонкопленочный фильтр состоит из нескольких слоев прозрачного диэлектрического материала с различными показателями преломления, нанесенных последовательно друг за другом на оптическую подложку. На каждой границе раздела между слоями из-за различия их показателей преломления часть падающего светового пучка отражается обратно. Этот отраженный свет усиливает или подавляет падающий (отраженная волна интерферирует с падающей) в зависимости от длины волны. Надлежащим образом подобрав показатель преломления и толщину каждого слоя, можно получить фильтр, который будет пропускать любой заданный диапазон длин волн и отражать все остальные (рисунок 25).

 

 

Рисунок 25 - I1 – падающая волна, I2 – отраженная, I3 – прошедшая 

Методы выбора параметров и техника нанесения диэлектрических слоев хорошо известны в оптической промышленности десятки лет. Выбор диэлектрических материалов ограничен, так как многие материалы с хорошими оптическими свойствами имеют физические качества, далекие от требуемых. В общем случае, чем жестче требования к фильтру, тем большее число слоев необходимо нанести на подложку. Несмотря на имеющиеся сложности, эта технология позволяет, незначительно изменяя процесс производства, создавать недорогие фильтры с различными специальными спектральными свойствами.

В мультиплексорах и демультиплексорах используются обычно одноступенчатые тонкопленочные фильтры, каждый из которых выделяет из составного сигнала (или добавляет в него) один канал. Фильтры расположены под наклоном к оптической оси, чтобы отраженный свет не попадал обратно в систему.

 

Рисунок 26 - Многоступенчатая система тонкопленочных фильтров для демультиплексирования составного сигнала 

Наклонное расположение фильтров изменяет эффективную толщину слоев и меняет таким образом полосу пропускания, что необходимо учитывать при проектировании фильтров. Для обработки многоволновых сигналов используют многоступенчатые системы фильтров, в которых свет, отраженный от каждого фильтра, попадает на вход следующего фильтра, что придает исключительную важность вопросу их выравнивания (рисунок 26).

Тонкопленочные фильтры имеют достаточно узкую полосу пропускания и используются в системах WDM с 16-ю или 32-мя каналами. В современных системах с более плотным расположением каналов используют другие технологии.

Волоконные брэгговские решетки

Волоконная брэгговская решетка – это, по сути, оптический интерферометр, встроенный в волокно. Волокно, легированное некоторыми веществами (обычно германием), может изменять свой показатель преломления под воздействием ультрафиолетового света. Если облучить такое волокно ультрафиолетовым излучением с определенной пространственной периодической структурой, то волокно превращается в своего рода дифракционную решетку. Другими словами, это волокно будет практически полностью отражать свет определенного, наперед заданного диапазона длин волн, и пропускать свет всех остальных длин волн. 

 

Рисунок 27 - Волоконная брэгговская решетка выделяет из составного сигнала канал определенной длины волны 

Если структура не вполне периодическая, и период модуляции ее показателя преломления изменяется монотонно (происходит чирпирование), то получается дифракционная решетка с линейно изменяющимся периодом. Такие решетки используются для компенсации хроматической дисперсии в волоконной линии связи или для коррекции чирпированного сигнала лазерного источника.

Центральная длина волны фильтра на основе регулярной волоконной брэгговской решетки определяется ее периодом, полоса пропускания обратно пропорциональна ее длине. Оба этих параметра зависят от температуры, поэтому такие фильтры должны быть помещены в термостат или другое устройство, контролирующее температуру.

Волоконная брэгговская решетка может использоваться как оптический фильтр в устройствах мультиплексирования и демультиплексирования, как компенсатор хроматической дисперсии, или в комбинации с циркуляторами в мультиплексорах ввода/вывода каналов (рисунок 27).

 

Рисунок 28 - Использование волоконных брэгговских решеток в мультиплексорах ввода/вывода каналов 

В мультиплексорах ввода/вывода каналов волоконная брэгговская решетка может использоваться вместе с двумя циркуляторами и редко используется в пассивных компонентах систем DWDM сама по себе. Со стороны порта вывода канала циркулятор выделяет отраженную волну и направляет ее в порт вывода (рисунок 28, слева). Со стороны порта ввода циркулятор добавляет в передаваемый составной сигнал один канал на той же длине волны, что была выделена (рисунок 28, справа). Такие устройства часто используются на границе между магистральным каналом и сетью городского или регионального масштаба. В магистральном канале обычно очень много длин волн, в то время как в городских или региональных сетях их намного меньше.

Волоконные брэгговские решетки в последнее время также стали использоваться в устройствах мультиплексирования и демультиплексирования вместе с интерферометрами типа Маха-Цендера и в комбинации с другими типами фильтров.

Наряду с мультиплексорами и демультиплексорами, рассмотренная технология узкополосной фильтрации оптических каналов также используется для выравнивания спектра сигнала перед усилителями EDFA, для стабилизации длины волны и в волновых стабилизаторах.

Дифракционные решетки

Наиболее распространенные в оптике обычные дифракционные решетки отражают световой пучок под разными углами в плоскости падения, причем угол, в которых отраженный свет достигает максимальной интенсивности, зависит от длины волны. В дифракционных решетках используется тот же физический принцип, что и в тонкопленочных фильтрах – подавление или усиление света за счет интерференции падающих и отраженных волн (рисунок 29).

 

 

Рисунок 29 - Отражение составного сигнала дифракционной решеткой 

Представим, что в падающем свете присутствует излучение разных длин волн. Можно выбрать угол падения таким образом, что волны определенной длины при отражении от отдельных линий решетки будут отличаться по фазе друг от друга ровно на одну длину волны. В этом случае все отраженные волны будут усиливать друг друга. Такой угол будет углом максимального пропускания для заданной длины волны падающего света.

В устройствах мультиплексирования и демультиплексирования дифракционные решетки располагаются на пути света таким образом, чтобы сигнал нужной длины волны мог быть выделен из составного сигнала или добавлен в него. Хотя устройства на основе дифракционных решеток дороги и сложны в производстве, вносимые ими потери практически не зависят от числа каналов, что делает эту технологию одной из наиболее привлекательных для использования в системах с большим числом каналов. Однако при этом требуется тщательно контролировать поляризацию падающего оптического излучения.

Устройства интегральной оптики

Интегральные оптические устройства мультиплексирования и демультиплексирования – это оптический эквивалент интегральных схем в электронике. Оптические волноводы в несколько слоев помещаются на подложку из кремния или ниобата лития. В таком небольшом блоке содержится множество оптических компонентов, взаимосвязанных друг с другом. При использовании современного полностью автоматизированного оборудования возможно массовое производство таких блоков.

Интегральная оптика – относительно новая технология. Для того чтобы полностью использовать ее потенциал, требуются дальнейшие научные исследования и конструкторские разработки. В настоящее время интегральная оптика используется при производстве оптических разветвителей, коммутаторов, модуляторов, эрбиевых и легированных различными редкоземельными элементами волноводных усилителей, брэгговских решеток и других компонентов систем DWDM.

Интегральная оптика успешно применяется для создания решеток на основе массива планарных волноводов (более 100) различной длины между двумя планарными линзами смесителями AWG (Arrayed Waveguide Gratings), рисунок 30.

 

Рисунок 30 - Решетка на основе массива волноводов AWG – принцип работы 

Входной сигнал, который содержит излучение разных длин волн, попадает во входной разветвитель. Там он расщепляется на N оптических лучей, каждый из которых попадает в отдельный волноводный канал. Все N волноводных каналов, образующих волноводную матрицу, имеют разную длину и вносят в сигнал разные фазовые сдвиги, зависящие от длины волны. После этого световые пучки из отдельных волноводных каналов вновь объединяются в выходном разветвителе и интерферируют таким образом, что излучение разных длин волн попадает в разные выходные волноводы.

Решетки на основе массива волноводов AWG используются для того, чтобы перераспределять сигналы различных длин волн (каналы) между двумя наборами волокон (рисунок 30) или выделить (демультиплексировать) отдельные каналы составного сигнала в отдельные волокна. Эта технология сейчас становится основной для производителей мультиплексоров и демультиплексоров систем DWDM. Благодаря легко масштабируемой структуре, она может широко применяться в системах с сотнями каналов.

Решетки AWG еще также называют “драконовыми маршрутизаторами” (Dragon Routers), фазовыми матрицами или фазарами.

Сварные биконические разветвители

Простейший биконический разветвитель FBT (Fused Biconic Tapered) представляет собой пару одномодовых оптических волокон, на определенном участке сваренных друг с другом по длине. Основная мода волокна, которая распространяется по сердцевине одного из оптических волокон, при прохождении области сварки преобразуется в моды оболочки. Когда волокна снова разделяются, моды оболочки снова преобразуются в моды волокна, распространяющиеся по сердцевине каждого из выходных волокон. В результате получается разветвитель, практически не вносящий потерь. Выходные сигналы не обязательно имеют равную мощность, соотношение их мощностей определяется интерференцией в области сварки волокон и зависит от длины этой области.

Если два таких разветвителя расположены последовательно (рисунок 31), и два рукава имеют разные оптические пути между местами сварки, то такая комбинация действует подобно интерферометру Маха-Цендера. Мощность входного сигнала распределяется между выходными волноводами в зависимости от длины волны с определенной периодичностью. Если составной входной сигнал содержит оптические каналы двух различных длин волн, то при определенном подборе параметров эти каналы на выходе окажутся в разных выходных волокнах. Второе входное волокно не используется.

 

 

Рисунок 31 - Входной сигнал распределяется между двумя выходами 

Если на вход поступает составной сигнал, который содержит большое количество каналов на разных частотах (с одинаковыми расстояниями между ними), на выходе в каждом волокне будет по половине каналов с расстоянием между частотами в два раза больше. Используя последовательно несколько разветвителей, можно вывести каждый канал в отдельное волокно.

Массивы таких устройств, отдельные секции которых иногда заменены брэгговскими решетками, используются для выделения каналов определенной частоты из многоканальных систем WDM и DWDM или для добавления каналов в каком-либо узле оптической сети. Поскольку они являются полностью пассивными устройствами и имеют низкие потери, допустимо применение достаточно больших наборов таких устройств.

 3.5 Компоненты системы DWDM: оптические усилители EDFA       

Усилители на волокне, легированном эрбием, усиливают оптические сигналы без преобразования их в электрическую форму. Именно усилителям EDFA сети связи DWDM обязаны своим стремительным развитием в последние годы.

Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) за последние несколько лет произвели революцию в телекоммуникационной промышленности. Усилители EDFA обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна (рисунок 32). Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетанием качеств линии связи и сети на основе систем DWDM стали экономически привлекательными.

 

 

Рисунок 32 - Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины волны 

Усилитель EDFA состоит из отрезка волокна, легированного эрбием. В таком волокне сигналы определенных длин волн могут усиливаться за счет энергии внешнего излучения накачки. В простейших конструкциях EDFA усиление происходит в достаточно узком диапазоне длин волн – примерно от 1525 нм до 1565 нм. В эти 40 нм умещается несколько десятков каналов DWDM.

Обычные электронные повторители, чтобы восстановить уровень сигнала на протяженной линии связи, считывают сигнал с волокна, преобразуют его в электрические импульсы, усиливают их, преобразуют усиленный сигнал снова в оптическую форму и передают дальше по линии связи. В отличие от них, усилители EDFA полностью "прозрачны" – не зависят от используемых протоколов, форматов, скорости передачи и (в пределах указанных выше ограничений) длины волны оптического сигнала. Поскольку усилители EDFA независимы от сетевого протокола, их можно подключать непосредственно к различному оборудованию – коммутаторам ATM или компонентам протокола IP – не опасаясь, что они помешают друг другу. Такая гибкость – одно из основных преимуществ использования их в системах DWDM. Наряду с этим, при использовании усилителей EDFA требуется тщательно учитывать их неоднородное спектральное усиление и шум, вносимый ими за счет усиленной спонтанной эмиссии ASE (Amplified Spontaneous Emission). Сети с усилителями EDFA имеют многочисленные преимущества. Пропускную способность таких сетей можно наращивать экономично и постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности. Применение усилителей EDFA позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка сигнала электронными компонентами происходит только в начальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной (где информация достигает конечного получателя) точках сети. Каждая линия связи уровня OC-48 (STM-16) обрабатывается в системе DWDM как отдельный канал на отдельной длине волны, благодаря чему большая часть существующего сетевого оборудования непосредственно включается в состав систем DWDM. За счет этого начальная стоимость ввода систем DWDM в эксплуатацию достаточно низка.

Оптические усилители успешно используются в сетях кабельного телевидения CATV, когда один общий сигнал передается большому числу абонентов ("широковещание"). Сейчас еще достаточно редко прокладывают оптическое волокно непосредственно до квартиры FTTH (Fiber to the Home). Сигнал CATV обычно доставляется по оптическому волокну только до локальной точки распределения внутри дома FTTB (Fiber to the Building) или поблизости от группы домов FTTC (Fiber to the Curb), а конечная разводка осуществляется с помощью коаксиального кабеля. Для уверенного приема аналоговых сигналов, которые в основном используются в CATV, требуется большее отношение сигнал/шум на стороне получателя, чем для цифровых систем. Общий сигнал в сетях CATV должен иметь большую мощность, так как его энергия распределяется между сотнями и тысячами абонентов. Оптические усилители способны успешно справиться с этой задачей.

Для того чтобы технология FTTH стала экономически оправданной, необходимо обеспечить абонентов недорогими – а значит, не очень чувствительными приемниками. В этом случае также требуется обеспечить передачу к конечным точкам сети как можно более мощного сигнала. Таким образом, потребность сетей CATV в "прозрачных", гибких оптических усилителях достаточно очевидна.

Разработка различных схем мощной накачки позволила создать усилители EDFA с расширенным рабочим диапазоном от 1570 нм до 1605 нм (L-диапазон). Такие усилители также называют длинноволновыми усилителями LWEDFA (Long Wavelength EDFA). 

3.6 Технология SWDM 

Бурный рост Интернет-трафика вызвал не менее бурные обсуждения того, как поднять пропускную способность сетевой инфраструктуры. Никто не сомневается в том, что если не принять срочных мер в этом направлении, сети начнут захлебываться трафиком в “узких местах”, появятся заторы. В общем-то, нет сомнений и в том, что современные технологии передачи данных сами по себе обладают достаточным потенциалом для решения грядущих и уже сегодняшних проблем. Магистрали со скоростями в сотни Гбит/с уже не такая уж редкость, во всяком случае, в Северной Америке. Терабитные коммутаторы и мультиплексоры вышли из стен лабораторий, их предлагают многие производители оборудования. Платите деньги, наращивайте полосу пропускания, и все будет в порядке. Все это справедливо с одной лишь оговоркой: думая о главном, то есть создании инфраструктуры, способной справится со стремительно растущими информационными потоками, не стоит забывать о том, что идти к цели можно разными путями, платя абсолютно разные деньги. Идеальным было бы решение, позволяющее при относительно небольших инвестициях на начальном этапе, наращивать сеть в будущем без существенных перестроений сети. Именно здесь сильная сторона появившейся недавно на рынке запатентованной технологии SWDM, ориентированной главным образом на городские сети. Но, чтобы трезво оценить ее возможности, и границы применимости, стоит вспомнить о преимуществах и недостатках конкурирующих технологий.

 4 Виды сетей  

Задачи, которые должна решать транспортная сеть связи, соответствуют трем категориям сетей:

1.     Сетевое ядро, соединяющее города, страны и континенты.

2.     Городская транспортная сеть.

3.     Сеть доступа.

Требования к пропускной способности на уровне сетевого ядра находятся в широком диапазоне — от единиц до сотен Гбит/с. Нижняя граница требований характерна для развивающихся стран (к которым относится и Россия), а верхняя — для таких регионов, как Северная Америка (прежде всего, США), Западная Европа и Япония. Для уровня городских сетей необходимы (в зависимости от региона и масштаба города) скорости передачи в диапазоне от сотен Mбит/с до десятков Гбит/с. Для сетей доступа речь может идти о пропускной способности от единиц до сотен Mбит/с. При этом конечные пользователи могут подключаться к сети доступа в диапазоне скоростей от десятков кбит/с до единиц Mбит/с. До недавнего времени преобладающей технологией транспортного уровня и для ядра сети, и для городской сети была SDH/SONET. Распространение более скоростной - DWDM  началось с тех магистралей, где увеличение полосы пропускания нужно достичь любой ценой. Постепенно эта новая технология стала проникать и в менее скоростной сектор рынка. Многие эксперты полагали, что DWDM вытеснит SDH/SONET и из городских сетей, однако этот процесс идет совсем не теми темпами, которые ожидались. В какой-то степени результатом этой заминки и стало появление SWDM, облегчающей и удешевляющей переход к DWDM в городских сетях.

Достоинства и недостатки

Главное достоинство технологии WDM заключается в том, что она позволяет преодолеть ограничения на пропускную способность канала и существенно увеличить скорость передачи данных. Причем используются уже проложенный волоконно-оптический кабель и стандартная аппаратура временного мультиплексирования, а увеличивать скорость передачи по отдельному каналу до 10 Гбит/с и выше не требуется. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон - для передачи в прямом и обратном направлениях).

Существенно и то, что в сетях SONET/SDH появилась возможность выбирать для отдельного канала значение скорости (уровень иерархии), не зависящее от скорости других каналов, и затем использовать разные методы передачи. Наконец, распространению WDM способствуют последние технологические достижения: создание узкополосных полупроводниковых лазеров, имеющих ширину спектра излучения менее 0,1 нм, широкополосных оптических усилителей и оптических фильтров для разделения близких каналов.

У читателя могло сложиться представление, что технология WDM является универсальным решением проблемы увеличения пропускной способности, некой панацеей от всех бед, с которыми сталкиваются пользователи глобальных сетей. Между тем ее применение тормозится рядом факторов как экономического, так и чисто технического характера.

Если говорить об экономической стороне дела, то внедрение WDM в местных сетях сдерживается высокой стоимостью соответствующей аппаратуры, особенно передающих устройств, и сложностью коммутации трафика. Вместе с тем исследования показывают, что решения на базе WDM могут оказаться экономически эффективными и в сетях меньшего масштаба. Для этого, в частности, в них должны применяться недорогие мультиплексоры ввода/вывода, устанавливаемые в местах сопряжения местных и опорных сетей.

Фактор высокой стоимости аппаратуры оказывается еще более существенным для реализации технологии DWDM. При использовании близких частот требуются узкополосные полупроводниковые лазеры с высокой стабильностью длины волны генерируемого излучения, которые являются наиболее дорогим элементом DWDM-систем, сдерживающим распространение последних.

Среди технических проблем следует упомянуть значительные потери мощности сигналов в мультиплексорах/демультиплексорах, несовпадение, во многих случаях, рабочих длин волн WDM-оборудования и устройств временного мультиплексирования, необходимость повышения производительности узлов коммутации, усложнение управления сетью из-за различий в технологиях передачи данных по мультиплексируемым каналам, отсутствие промышленных стандартов. Наконец, не последнее место в этом перечне занимают нелинейные явления, которые при одновременной передаче на нескольких несущих способны приводить не только к ослаблению и искажению сигнала, но и к его проникновению в другие каналы. 

4.1 Сравнение DWDM c SWDM        

Исторически первыми возникли двухволновые WDM системы, работающие на центральных длинах волн их второго и третьего окон прозрачности кварцевого волокна (1310 и 1550 нм). Главным достоинством таких систем является то, что из-за большого спектрального разноса полностью отсутствует влияние каналов друг на друга.  Это способ позволяет либо удвоить скорость передачи по одному оптическому волокну, либо организовать дуплексную связь.

Современные WDM системы на основе стандартного частотного плана (ITU-T Rec. G.692) можно подразделить на три группы:

-     грубые WDM (Coarse WDM – CWDM) – системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 16 каналов;

-     плотные WDM (Dense WDM – DWDM) – системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 32 каналов;

-     высокоплотные WDM (High Dense WDM – HDWDM) – системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов.

Частотный план для CWDM систем определяется стандартом ITU G.694.2. Область применения технологии CWDM – городские сети с расстоянием до 50 км. Достоинством этого вида WDM систем является низкая (по сравнению с остальными типами) стоимость оборудования, вследствие меньших требований к компонентам.       

4.2 Когерентные системы передачи  

Необходимым условием для правильного смешения излучения локального генератора и принимаемого оптического излучения является то, что они должны быть синхронизированы (согласованы) по фазе, т.е. должны быть параллельными и иметь одинаковую поляризацию для того, чтобы возникло их взаимодействие. Это предъявляет высокие требования к используемым лазерам и оптическому волокну. Так, лазеры должны быть одночастотными и иметь минимальные флуктуации фазы и интенсивности излучения, кроме этого, локальный генератор должен синхронизироваться по фазе с принимаемым оптическим полем посредством адаптивной настройки фазы и частоты генератора (с использованием обратной связи по фазе). Для избежания модового шума волокно должно быть одномодовым с сохранением поляризации распространяемой в нем световой волны, в противном случае в приемник необходимо включить адаптивную систему компенсации поляризации. 

         Схема волоконно-оптической когерентной системы связи, использующей два лазера и фазовую модуляцию, показана на рисунке 33. В данной схеме излучения локального генератора смешиваются с принимаемым оптическим излучением при помощи оптического направленного ответвителя.

         Значения обнаруженных токов для этой схемы равны

                           ,                   

а их вычитание соответствующей электронной схемой создает сигнал

                           ,                                           

который для восстановления исходного сообщения в последующем демодулируется. Этот вид когерентного приема адекватен схеме балансного смесителя, устраняющего влияние на выходной сигнал флуктуаций интенсивности локального генератора.

 

 Рисунок 33 - Когерентная волоконно-оптическая телекоммуникационная система

           В настоящее время реализовано несколько когерентных волоконно-оптических систем связи, работающих на длине волны  мкм и обеспечивающих битовую скорость и расстояние, соответствующие теоретическим предпосылкам. Примером может служить система, работающая при битовой скорости 4 Гб/с с непосредственной частотой модуляцией  DFB лазера шириной спектральной линии, равной 15 МГц и локальным генератором на настраиваемом DBR лазере. Эта система обладает чувствительностью порядка 190 фотонов на бит и используется для передачи данных по одномодовому оптическому волокну длиной более 160 км.

 4.3 Одноволновые волоконно-оптические системы передачи

 Рассмотренные выше принципы построения системы передачи информации отражают теоретические аспекты непосредственно и  когерентного  приема оптических сигналов, передаваемых от источника к приемнику излучения по волоконно-оптической линии связи. Однако для передачи информации  на большие расстояние ко многим абонентам системы связи включают ряд дополнительных волоконно-оптических компонентов, влияющих на характеристики передачи.

     Структура двухточечной системы связи, функциональные блоки которой определены путем заимствования и обобщения терминологии, используемой  в стандартах SONE. В соответствии с данной структурой иерархия уровней, отражающая данный стандарт, включает:

         - волоконную оптику (РНОТ), содержащую источник излучения, фотоприемник, кабель, коннекторы, соединители и другие оптические компоненты, служащие для передачи оптического сигнала;

         - секцию (STE), включающею интерфейс и электронику оптического передатчика и приемника, которые определяют условия прохождения сигнала, следовательно, именно здесь сигнал окончательно преобразуется в нужный формат для оптического передатчика;

         - линейное терминальное оборудование (LTE), которое обычно представляет последний мультиплексор, объединяющий все сигналы каналы в один канал;

         - канальное терминальное оборудования (PTE),  которое конвертирует входные или аналоговые или цифровые сигналы в канальный формат, совместимый с мультиплексором на конце линии, и включает электронную аппаратуру модулирования и мультиплексирования низкого уровня.

         Для упрощения объединим все оборудование конца линии маршрута в одну категорию под названием “формирование сигнала”. В условиях современного производства большинство оборудования для формирования сигнала представляет собой стандартизированные подсистемы, разработанные для различных классов сетей, поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделено уровню волоконной оптики. Отметим лишь, что выходной сигнал последнего в линии мультиплексора (передающий конец LTE) и требования к сигналам на входе линейного демультиплексора (принимающий конец LTE) определяют тип интерфейса и параметры функционирования уровня волоконной оптики. Поэтому в результате модуляции и мультиплексирования данный уровень будет функционировать в совершено другом формате сигналов и полосе частот, чем исходный сигнал или сигналы. Например, аудиоканалы могут быть преобразованы в кодированный импульсами сигнал и затем мультиплексированы по длине волны с тем, чтобы сформировать для передачи поток цифровых импульсов, который требует ширины полосы рабочих частот SNR на порядок больше, чем каждый аудиоканал в отдельности.

         Интерфейсы входного и выходного сигналов, как правило, соответствуют стандартной скорости передачи, формату и уровням сигнала, так, например, вход 1.544 Мбит/с DS1 и выход 44.736 Мбит/с DS3.

 4.4 Структура систем волнового уплотнения

           Самая простейшая система WDM уплотнения может быть представлена в виде параллельного соединения оптических каналов, отличающихся длиной световой волны и характеризирующихся единым способом передачи. Такое построение системы, даже без учета взаимодействия сигналов, требует нового подхода к критерию выбора компонентов, в частности, все каналы должны рассматриваться как равные по длине оптические соединения. Для того, чтобы добиться желаемого качества работы всей сети, это требование вызывает необходимость очень тщательного выбора спектра для оптических источников, мультиплексоров, оптических усилителей и самого оптического волокна. Кроме этого, для уменьшения неблагоприятных взаимодействий между компонентами сети следует принимать во внимание и взаимодействие каналов. Следовательно, в системах WDM уплотнения оптические характеристики пассивных компонентов сети, такие, как вносимые потери, обратное отражения, поляризация, должны быть измерены как функции длины волны по всей ширине используемого спектра. Необходимо также учитывать иной подход для определения характеристик элементов, используемых в системах WDM уплотнения и отсутствующих в одноволновых системах, таких, как мультиплексоры/демультиплексоры, дифракционные решетки, оптические фильтры и особенно активные компоненты – оптические усилители. Особое внимание к оптическим усилителям продиктовано тем, что в рассматриваемых системах первостепенное значение приобретает их влияние на качество и целостность сигнала.

         Хотя при поставке оборудования надежными поставщиками можно быть уверенными, что оно было должным образом протестировано на заводе-изготовителе на предмет соответствия всем необходимым характеристикам, работа многих компонентов в реальных условиях может значительно ухудшить качества системы. Более того, характеристики отдельных компонентов при их объединении в систему могут оказать взаимное влияние самым неожиданным образом, в результате услуги сети, соответствующие данным рекомендациям, могут быть гарантированы только в случае, когда не только отдельные компоненты, а вся система в целом будет, удовлетворять нужным характеристикам.

         При переходе от одноволновой оптической сети к WDM уплотнению необходимо ясная, хорошо спланированная политика использования длин волн для того, чтобы не допустить конфликта оборудования и избежать взаимодействия между различными длинами волн. Международный стандарт определяет сейчас канальные интервалы, кратные 100 ГГц (около 0.8 нм). Хотя этот интервал был выбран с учетом достижения компромисса между высокой емкостью канала и оптимальными характеристиками компонентов, он фактически определяет требуемый и допустимый предел для всего оборудования системы передачи в целом. Рассмотрим основные проблемы, возникающие при переходе от одноволновой сети к сети, использующей WDM уплотнение.

         Так как интервал между каналами в 100 ГГц предполагает очень узкий диапазон рабочих частот, как указывалось выше, смешение и спектр излучения лазеров, используемых на передающей стороне, могут оказывать отрицательное воздействие на уровень принимаемого сигнала.

Поэтому стабильность источника и чистота спектра излучения лазеров имеют огромное значение. Важным является также вопрос влияния боковых лепестков излучения, так как они могут привнести дополнительный шум в смежные каналы WDM уплотнения. Хотя нестабилизированные лазеры могут быть предыдущего поколения,  используемые в сетях SONET, не удовлетворяют этим требованиям, оборудование существующих систем передачи может быть модернизировано для функционирования систем уплотнения WDM путем замены этих источников стабилизированными DFB лазерами.

Другими новыми и важными компонентами сети уплотнения WDM являются мультиплексоры и демультиплексора, которые объединяют отдельные оптические каналы в единую оптоволоконную сеть и затем разделяют их на принимающей стороне.

При этом полосы пропускания каналов должны точно соответствовать выбранным длинам волн, чтобы не создавать перекрестных помех, а внеполосное подавление на каждом канале должно быть достаточно высоким для исключения влияния соседних каналов и боковых лепестков.

Кроме этого, они должны обеспечивать только допустимые смещения центральной длины волны ведущего лазера любого канала без существенного ослабления сигнала.

         Оптические усилители, как правило, EDFA, обеспечивают экономичную эксплуатацию сетей с WDM уплотнением за счет существенного усиления всех каналов независимо от схем модуляции и используемых протоколов. Это означает, что модулированный оптический сигнал может быть передан на очень большие расстояния без необходимости промежуточного восстановления и повторного формирования передаваемой информации.

Однако при создании сети, особенно, когда отдельные каналы содержат несколько усилителей, необходимо учитывать зависимость усиления EDFA от длины волны, более того, так как показатели шума отдельных EDFA оказывают большое влияние на целостность оптического сигнала, они будут определять необходимое количество усилителей и как следствие максимальную протяженность соединения.

         Таким образом, уплотнения мультиплексированием по длине волны, или WDM уплотнение, является новой оптоволоконной технологией, которая предлагает очень эффективный и недорогой способ расширения диапазона рабочих частот сети для телекоммуникационной индустрии.

Эта новая технология позволяет телекоммуникационным операторам удовлетворять постоянно растущие потребности заказчиков в новых видах услуг и обеспечивает большую гибкость в процессе представления этих услуг.

Давая возможность оптоволоконным линиям связи переносить информацию по нескольким каналам одновременно, системы WDM уплотнения позволяют с максимальной пользой использовать имеющиеся возможности, с легкостью увеличивая объем передачи в 4/8 раз по сравнению с традиционными системами мультиплексирования по времени, и обладают большими потенциальными возможностями.

Однако проектирование, инсталляция и техническое обслуживание сетей WDM уплотнения требует и более пристального внимания к ограничению количества контролируемых параметров.

Для тщательного исследования возможных компромиссов, необходимых для достижений оптимальной работы сети на последних стадиях интеграции системы, должны использоваться усовершенствованные процедуры тестирования, так как переход от систем с одной длиной волны к системе с несколькими длинами волн приводит к появлению ряда проблем измерений, связанных, в частности, с необходимостью:

         - обеспечения очень широкого динамического диапазона измерительных приборов из-за наличия перекрестных помех между каналами, которые возникают вследствие нелинейных свойств волокна, недостаточного подавления демультиплексором смежных каналов и зависимости потерь оптических компонентов от длины волны;

         - увеличения точности контроля старения лазера, потому что точность менее 0.01 нм при разрешающей способности 0.001 нм, достаточная для одноволновых систем, в которых абсолютная длина волны лазера и связанных с ним компонентов не являются критической, для измерения длины волны лазеров WDM систем оказывается недостаточной;

         - мониторинга длины волны, мощности канала и отношения сигнал/шум для управления сетью, так как в WDM системах – в отличие от одноволновых систем, в которых для обнаружения неисправности требуется только измерения мощности в различных точках сети, – простое измерение мощности недостаточно, а необходимы спектральные измерения каждого канала.

     В связи с этим рассмотрим физической уровень WDM оптической сети с позиций влияния различных факторов на качество передачи, определим границы допустимых значений, степень их влияния и найдем оптимальные соотношения между различными параметрами волоконно оптической WDM системы. 

4.5 Модель системы 

          Как было отмечено выше, WDM системы требуют учета ряда дополнительных факторов, влияющих на скорость и дальность передачи, что обусловливает необходимость рассмотрения как общих принципов построения таких систем, так и выдвигаемые ими критерии обеспечения требуемых характеристик.

         На рисунке 34  представлена блок-схема однонаправленной WDM линии связи, которая включает передатчик, состоящий из набора лазеров DFB (по одному на каждую длины волны), подключенных к мультиплексору, выполняющему объединение излучаемых волн в передающее оптическое волокно. При этом для увеличения дальности связи на выходе передатчика устанавливается усилитель оптической мощности, а с некоторым интервалом вдоль волокна – линейные оптические усилители, причем в зависимости от расстояния, битовой скорости и типа используемого волокна сигнал может направляться через модуль компенсации дисперсии, предусматриваемый обычно на каждой стадии усиления. На приемной стороне сигнал с выхода оптического волокна может быть усилен оптическим предусилителем, включенным на входе демультиплексора и служащим для разделения сигналов по длине волны, направляя их на соответствующие фотодиоды.

Мультиплексор

ОВ

ОВ

ОВ

Демультиплексор

Линейный усилитель

Усилитель мощности

Предусилитель

 

TX

TX

TX

LD

LD

LD

 

WDM

RX

RX

RX

 

FD

FD

FD

 

WDM

 

Рисунок 34 - Обобщенная схема WDM системы передачи 

         В дальнейшем мы будем рассматривать цифровые системы передачи, в которых физический уровень должен гарантировать надежность доставки информационных битов от источника к месту их назначения, причем критериями качества передачи, как и в вышерассмотренных системах, будут являться запас мощности и коэффициент битовых ошибок (BER). Последний, как правило, должен находится в переделах от 10^-9 до 10^-15 при типовом значении 10^-12 и зависит от уровня шума, а также искажений, имеющих место в системе. При этом основные положения настоящей главы основаны на результатах исследований, изложенных в работе.

         Определение запаса по мощности. Наличие в системе отрицательно влияющих факторов приводит к необходимости обеспечения запаса по мощности, так как в этом случае для поддержания требуемой битовой скорости на приемник должен поступать более мощный сигнал. Это может быть достигнуто либо непосредственно увеличением мощности сигнала (в дБ), либо уменьшением отношения сигнал/шум, который определяется аргументом функции Q. Так как последний в большей степени отражает существо проблемы, его использование представляется наиболее целесообразным.

Пусть P₁ – оптическая мощность, полученная в отсутствие каких либо системных искажений, в течение бита 1, Р₀ – мощность, полученная в течение бита 0, а  обозначают уровни шумов при поступлении соответствующих битов. Электрические токи, создаваемые битами 1 и 0, обозначим через  - чувствительность фотодиода тогда, допуская гауссовское распределение шума и равную длительность рассматриваемых битов согласно (3.29), BER можно представить в виде

 

                    BER=Q                                                        

         Это выражение предполагает, что пороговое значение приемника настроено на оптимальное значение, соответствующее

                                                                                           

где I₁ и I₀ – ток фотодиода при поступлении бита 1 и бита 0 соответственно.

         При наличий искажений полученные значения мощности и стандартные шумовые отклонения обозначим собственно  запас по мощности будет определяться как

                                                                                           

         В общем случае расчет запаса мощности для простого соединения приемника более сложен, но, как правило, он равен запасу для оптимизированного приемника в двух наиболее важных случаях, когда:

    - доминирующим шумовым компонентом является термический шум приемника, при котором , что обычно имеет место в PIN приемниках прямого обнаружения или в том случае, когда шум не зависит от мощности сигнала. Запас по мощности в этих условиях определяется выражением

                                ,                                     

а наилучшая настройка порогового значения соответствует простому соединению, когда FD подключен к входу усилителя приемника по постоянному току (непосредственно);

          - имеет место усиление сигнала или используется APD приемник, при этом в системах с усилением доминирующим шумовым компонентом обычно является спонтанный гетеродинный свист сигнала усилителя, а в APD приемниках доминирующим шумовым компонентом является дробовой шум, который усиливается вследствие APD усиления. В обоих случаях можно предположить, что вариация шума  зависит от мощности сигнала. Допуская, что P₀ << P₁ и, следовательно, , оптимизированный приемник настроит свое пороговое значение близко к нулевому уровню, тогда как простой приемник по-прежнему будет настраивать свое пороговое значение при усредненной мощности, в связи с чем будет иметь место несколько большая битовая скорость. Несмотря на это, запас по мощности в обоих случаях оказывается одинаковым и определяется по формуле 

                                         .                                                  

   Кроме этого, необходимо помнить о влиянии системных искажений, вызванных поляризацией. Учитывая, что состояние поляризации каждого сигнала носит случайный характер и изменяется медленно во времени, может возникнуть необходимость обеспечения запаса по мощности, особенно в наихудших случаях, имеющих место обычно при идентичной поляризации взаимодействующих сигналов.

Все это требует тщательного плани­рования и контроля энергетического "бюджета" высокоскоростных систем, а также необходимости измерений  влия­ния отмеченных факторов, как при ин­сталляции системы передачи, так и в случае возникновения сбоев в процессе ее эксплуатации. В качестве примера здесь мы рассмотрим высокоскоростную систему передачи с оптическими уси­лителями, и типовым значением ВЕR, равным , что соответствует Q =7 или  . Это справедливо в том случае, когда не возникнет никаких искажений передачи, требующих запаса по мощности. На практике, любые искажения приводят к необходимости обеспечения запаса по мощности, который необходимо добавить к идеальному значению  с целью получения требуемого значения. Например, в случае использования несовершенного передатчика в соответствии с приведенной таблицей необходимо обеспечить запасы по мощности и дисперсии, равные соответственно 1 и 2дБ. Эти и некоторые другие искажения будут рассмотрены далее в этой главе. Очевидно, что необходимое значение  после добавления этих показателей составит 31 дБ. Это то значение, которое необходимо получить, если будет иметь место идеальная система, а  определяется только, на основе накопления шума оптического усилителя. Затем требуемый запас мощности подсчитывается с учетом других искажений в отдельности, предполагая, что остальная часть системы идеальна. Такой приближенный метод, естественно, не учитывает корреляций, связанных, например, с тем, что запасы мощности, вызванные неидеальным передатчиком и перекрестными помехами, мо­гут коррелировать друг с другом, тогда как дисперсия может рассматриваться как независимый запас. 

4.6 Насыщение усиления 

Важной особенностью систем, содержащих оптические усилители, является возможность их насыщения, так как выходная мощность усилителя ограничена его конструктивными особенностями и мощностью  генератора накачки. Поэтому, когда мощность входного сигнала возра­стает, усиление усилителя падает, что может быть приблизительно от­ражено следующим уравнением 

                           ,                                               

            где  и  G — соответственно ненасыщенное и насыщенное усиление усилителя;

 и — внутренняя мощность насыщения и мощность выходного сигнала, соответственно.                                           

Типовая зависимость усиления от мощно­сти входного сигнала EDFA усилителя, где при низких уровнях вход­ной мощности усиление соответствует его ненасыщенному состоянию, в то время как при больших уровнях    выходная мощность стано­вится равной входной, т. е..

Выходная мощность насыщения  определяется значением выход­ной мощности, при которой усиление усилителя падает на 3 дБ. Ис­пользуя и тот факт, что , а также предположив, что G>>1, выходная мощность насыщения равна 

                                                                                                       

и является функцией мощности генератора накачки и других парамет­ров усилителя. Обычно выходная мощность насыщения составляет по­рядка от 10 до 100 мВт (от 10 до 20 дБм).

 Ввиду того, что усилители мощности обычно работают в режиме на­сыщения, функционирование EDFA в этом режиме не является фунда­ментальной проблемой, как, например, в электронных усилителях, од­нако не следует забывать, что усиление при этом будет меньше, чем в ненасыщенном режиме.

 4.7 Компенсация усиления 

В системах WDM особое значение имеет постоянство усиления в по­лосе пропускания каскадно расположенных EDFA, так как в случае зависимости усиления от длины волны небольшие его вариации могут вызвать значительное отличие в мощности на выходе каналов. Напри­мер, если вариация усиления между наихудшим и наилучшим канала­ми составляет 1 дБ на каждой стадии усиления, после 10 стадий усиле­ния она составит уже 10 дБ, и наихудший канал будет иметь гораздо меньшее отношение сигнал/шум, чем наилучший канал. Поэтому со­здание усилителей с независимым от длины волны усилением приобре­тает особое значение и является лучшим способом решения данной про­блемы. На практике существует возможность создания EDFA, которые изначально отвечали данному требованию в диапазоне длин волн 1545 — 1560 нм, т. е. именно там, где функционирует большинство систем WDM, Однако системы с большим количеством каналов будут вынуждены использовать диапазон длин волн 1530 — 1545 нм, где усиление EDFA не является постоянным.

На системном уровне существует несколько подходов к решению этой проблемы. Первый из них заключается в использовании предварительной компенсации или внесения предыскажений. Переданная мощность на канал основанная на общей форме усиления каскада, может быть настроена таким образом, чтобы каналы с низким усилением имели бы высокую мощность. Цель предварительной компенсации заключается в том, чтобы добиться приблизительно одинакового отношения сигнал/шум всех каналов на входе приемника при сигнале, находящемся в пределах динамического диапазона приемника. Однако уровень компенсации, который может быть обеспечен таким способом, ограничен. Кроме этого, в отличие от «точка-точка» его сложно применять в сети. Поэтому может возникнуть необходимость в использовании других методов компенсации, компенсации на каждой стадии усиления. В этом случае после каждой стадии усиления мощности каналов выравниваются, а сама компенсация может быть осуществлена иными способами.

Так, первый способ заключается в демультиплексировании каналов с требуемым ослаблением каждого канала и последующим мультиплек­сированием этих каналов. Этот способ требует использования большого количества технических средств из-за введения дополнительных муль­типлексоров и демультиплексоров, а также увеличения запаса по мощ­ности для различных длин волн. По этим причинам этот подход счита­ется нерациональным. Другой подход заключается в использовании многоканального фильтра, как, например, акустооптического перестра­иваемого фильтра (AOTF), с помощью которого путем управления аку­стическим сигналом различной частоты каждый канал может быть ослаблен по-разному. Однако AOTF требует большой направленной акус­тической мощности (порядка 1 Вт) для выравнивания более 2-4 кана­лов. Оба подхода создают несколько дБм дополнительных потерь и тре­буют некоторых запасов мощности вследствие имеющих место перекрестных помех. Поэтому наилучшим решением будет добавление оптического фильтра в усилитель для обеспечения компенсации усиле­ния усилителя и получения не зависящего от длины волны выходного сигнала. Для этой цели хорошо подходят как тонкопленочные фильт­ры, так и дифракционные решетки.  

4.8 Каскадирование усилителей 

Рассмотрим линию связи длиной I, в которой на расстоянии l друг от друга расположены усилители, а потери между усилителями состав­ляют , где а — ослабление волокна. Так как каждый усилитель добавляет некоторый шум спонтанной эмиссии, отношение сигнал/шум для оптического сигнала, OSNR, постепенно уменьшается вдоль линии, поэтому усиление каждого усилителя должно быть достаточно боль­шим, по крайней мере для того, чтобы компенсировать потери между каскадами. В противном случае сигнал и OSNR будут быстро снижать­ся с увеличением количества усилителей.

Посмотрим, что произойдет, если выбрать значение усиления боль­ше, чем потери , при допущении, что на начальных участках линии усилители работают в режиме насыщения, а затем достигается условие пространственно стабильного состояния, где выходная мощность и уси­ление усилителя остаются неизменными для последующих каскадов. Эти значения,   и  , могут быть определены как

                                     

                                                                              

          где  — общая входная мощность усилителя, а второй член, представляет добавленный шум спонтанной эмиссии. Тогда усиление усилителя примет вид

                                      .                                          

Для определения значений  и  данные уравнения решаются совместно. В то же время из формулы следует, что , т.е. вследствие добавленного шума каждого усилителя усиление стабильного состоя­ния будет чуть меньше, чем потери между каскадами. Таким образом, значение усиления в режиме насыщения G должно выбираться как можно ближе к значению .

Теперь рассмотрим упрощенную модель каскадно установленных уси­лителей, предположив, что усиление в режиме насыщения равно . Учитывая, что мощность на выходе усилителя равна

                                                .                                                                              

при числе  L/l  усилителей общая мощность шума на выходе в этом случае будет определяться выражением

                               

Следовательно, при требуемом значении OSNR мощность возбужде­ния  Р  должна удовлетворять условию

                                                                                  

На рисунке 35 приведена зависимость необходимой мощности  Р  от расстояния между усилителями  для B₀=20 ГГц, α =0.22 дБ/км при

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 35 - Зависимость мощности от расстояния между усилителями 

общей длине линии L =1000 км. Не принимая в расчет нелинейные явления, можно попытаться максимально увеличить  с учетом ограни­чений входной и выходной мощности усилителя.

Список сокращений

 

Английские сокращения
3DO	3-D Optics WDM	Трехмерное оптическое мультиплексирование
AON	All-Optical Network	Полностью оптическая сеть
ASE	Amplified Spontaneous Emission	Усиленная спонтанная эмиссия
АWG	Arrayed Waveguide Grating	дифракционная решетка на массиве волноводов
АТМ	Asynchronous Transfer Mode	Режим асинхронной передачи (универсальный сетевой стандарт высокой пропускной способности)
CG	Concave Grating	вогнутая дифракционная решетка
DEMUX	DeMultiplexor	Демультиплексор
DSF	Dispersion-Shifted (single mode) Fiber	Волокно (одномодовое) со смещенной дисперсией
DWDM	Dense wavelength-division multiplexing	Плотное волновое мультиплексирование
EDFA	Erbium Doped Fiber Amplifier	Оптический усилитель на волокне, легированном эрбием
ETDM	Electronic Time Division Multiplexing	Мультиплексирование с разделением по времени
ETSI	European Telecommunications Standards Institute	Европейский институт стандартов в области связи
FBT	Fused Biconic Tapered	Простейший биконический разветвитель
FDDI	Fiber Distributed Data Interface	Распределенный интерфейс передачи данных по волоконно- оптическому кабелю. Стандарт сети, принятый комитетом ANSI ХЗТ9.5
FM	Frequency Modulation	Частотная модуляция
ILD	Injection Laser Diode	Лазерный диод
ISO	International Standards Organisation	Международная организация по стандартизации
ITU-T	Telecommunication Sector of International Telecommunication Union	Международный  союз электросвязи - Сектор стандартизации
LD	Laser Diode	Лазерный диод
LED	Light-Emitting Diode	Светоизлучающий диод
LWEDFA	Long Wavelength EDFA	Длинноволновый усилитель
MIC	Media Interface Connector	Тип оптического соединителя, принятый в стандарте FDDI
MMF	Multi Mode Fiber	Многомодовое волокно
MUX	Multiplexor	Мультиплексор
NF	Noise Figure	Шум-фактор
NZDSF	Non-Zero Dispersion-Shifted (single mode) Fiber	Волокно (одномодовое) с ненулевой смещенной дисперсией
OADM	Optical Add/Drop Multiplexer	Оптический мультиплексор
OC	Optical Cable	Оптический кабель
OTDM	Optical Time Division Multiplexing	Оптическое временное мультиплексирование
OXC	Optical Cross-Connect	Оптический кросс-коннектор
SDH	Synchronous Digital Hierarchy	Синхронная цифровая иерархия. (Европейский стандарт для волоконно-оптических линий распределенных сетей)
SONET	Synchronous Optical Network	Синхронная оптическая сеть
STM	Synchronous Transport Module	Синхронный транспортный модуль
TDM	Time Division Multiplexing	Временное мультиплексирование
WDM	Wavelength Division Multiplexing	Мультиплексирование с уплотнением по длинам волн/волновое мультиплексирование
АWG	Arrayed Waveguide Grating	дифракционная решетка на массиве волноводов
АТМ	Asynchronous Transfer Mode	Режим асинхронной передачи (универсальный сетевой стандарт высокой пропускной способности)
Русские сокращения
ВОЛС	Волоконно-оптическая линия связи
КПД	Коэффициент полезного действия
МПН	Мультиплексирование поднесущих
МСЭ	Международный союз электросвязи
ПОС	Полностью оптическая сеть
ППЛУ	Полупроводниковый лазерный усилитель
ВОК	Волокнно-оптический кабель
ВПМРДВ	Высокоплотные WDM (HDWDM) - системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов
ГМРДВ	Обычные (грубые) WDM (CDWM), или просто WDM – МРДВ - системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 16 каналов
ИКП	Интерконнектное подключение
ККП	Кросс-коннектное подключение
МРДВ	Оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн (WDM)
МЧР	Мультиплексирование с частотным разделением (FDM)
ОМЧР	Оптическое мультиплексирование с частотным разделением (OFDM)
ОУ	Оптический усилитель
ПМРДВ	Плотные WDM (DWDM) – системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 64 каналов
ПОМ	Передающий оптоэлектронный модуль
ПРОМ	Приемный оптоэлектронный модуль
СШПУ	Сверхширокополосный оптический усилитель (UWBA)

Полные названия компаний

Cambrian	Cambrian Systems Corporation
Ciena	Ciena Corporation
ITC	Inrange Technologies Corporation
Lucent	Lucent Technologies
NEC	Nippon Electric Corporation
Nortel	Northern Telecom
Osicom	Osicom Technologies, Inc.
Siemens	Siemens Telecom Networks

Типы поддерживаемых логических интерфейсов

ATM	Asynchronous Transfer Mo de (интерфейс АТМ со скоростью используемого канала SONET/SDH)
CL	Coupling Links (интерфейс IBM со скоростью 1 Гбит/с)
E	Ethernet (стандартный интерфейс LAN, скорость 10 Мбит/с)
ESCON	Enterprise System Connection (стандартный интерфейс IBM, скорость 200 Мбит/с)
FC	Fiber Channel (стандартный оптический интерфейс ввода/вывода, скорость до 4250 Мбит/с)
FE	Fast Ethernet (стандартный интерфейс LAN, скорость 100 Мбит/с)
FDD	Fiber Distributed Data Interface (стандартный интерфейс LAN, скорость 100 Мбит/с)
GE	Gigabit Ethernet (стандартный интерфейс LAN, скорость 1 Гбит/с)
HDTV	High Definition Television (интерфейс для ТВ высокой четкости обычно на скорости OC-1)
IP	Internet Protocol (протокол, реализующий пакетную передачу по сети Internet)
OC-nn	Opt ical Carrier (интерфейс SONET, скорость соответствует указанному уровню иерархии)
PDH	Plesiochronous Digital Hierarchy (интерфейс PDH обычно на скорости 140 Мбит/с)
STM-nn	Synchronous Transport Module (интерфейс SDH, скорость соответствует указанному уровню иерархии)

 Список использованной литературы 

1.     Р.Р.Убайдуллаев "Волоконно-оптические сети". - Москва: Эко-Трендз, 1998. С.199 - 214, 269.

2.     Слепов Н.Н. "Оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны" // Сети-1999.- №4.-С.24-31.

3.     Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH. 4-е издание.-М.: Эко-Трендз, 1999.-150 с.

4.     Анпилогов В.Р., Гольберг Б.С. Диденко М.Г. Волоконно-оптические линии связи в современных телекоммуникационных системах // Технология и средства связи- № 1.-2000.

5.     Потапов В.Т. Технологии DWDM призванные обеспечивать бурное развитие волоконно-оптических систем связи (ВОСС). Информационный бюллетень "Фотон-Экспресс", декабрь 1999, № 17.

6.     Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы/Сборник статей под редакцией Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. -М.:Издательство "Connect", 2000.

      7. Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов / М.М. Бутусов, СМ. Верник, С.Л. Галкин и др.; Под ред. В.Н. Гомзина. — М.: Радио и связь, 1992. — 416 с.

      8. Андреев В.А., Бурдин В.А., Попов Б.В., Польников И.А. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических ли­ний связи: Учебник для вузов / Под ред. Б.В. Попова. - М.: Радио и связь, 1995.   - 200 с.

       9. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы переда­чи, измерения. - М.: Компания «Сайрус Системе», 1999. - 672 с.           

      10. Волоконно-оптические системы передачи и кабели: Справоч­ник. Под ред. И.И. Гроднева. -М.: Радио и связь, 1993. - 265 с.

       11. МСЭ-Т. Рекомендации G 651, G 652, G 653, G 654, G 655.