ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

Алматы энергетика және байланыс институты

  Телекоммуникациялық жүйелер кафедрасы

  

 

Телекоммуникациядағы оптикалық байланыс жүйелері

 

Дәрістер жинағы

 

  

Алматы 2009 

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: Ағатаева Б.Б., Елизарова Е.Ю., Шахматова Г.А. Телекоммуникациядағы оптикалық байланыс жүйелері. 050719- Радиотехника, электроника және телекоммуникация  мамандығының барлық оқу түрінің студенттеріне арналған дәрістер жинағы. - Алматы: АЭжБИ, 2009.-  55б.  

  Дәрістер жинағы «Оптикалық байланыс жүйелері» курсын өз бетінше оқу және көмек құралы болып табылады. Жинақта талшықты оптикалық тарату жүйесінің (ТОТЖ)  негізгі элементтеріне және оптикалық құрылғыларды өндіру барысындағы туған техникалық есептерге шолу жасалған.

  Бұл дәрістер жинағын оқыған студенттер қандай да бір тақырыптар  мен аспектілерге және сұрақтарға көңіл аударуы және  ТОТЖ-да болып жатқан үрдістерді тереңірек түсінеді. ТОТЖ дамуы бір орнында тұрған жоқ, ақпаратты таратудың жаңа стандарттары, оптикалық желілерді құрудың техникалық есептерін шешудің амалдары ізделініп келеді, сондықтан да ТОТЖ құрудың негізгі сұлбаларынан басқа кез келген тақырыпты оқуға арналған әдебиеттер және негізгі құрылымдық және принципиалды сұлбалар берілген.

  Дәрістер жинағы 050719 – Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығы бойынша оқитын бакалавр студенттеріне арналған.

 

Кіріспе 

          Телекоммуникациялық жүйелердің дамуының негізгі бағыты талшықты – оптикалық тарату жүйелерінің талшықты оптикалық қолдануы болып табылады.

Талшықты – оптикалық тарату жүйелері негізінде оптикалық толқын және сигнал көмегімен оптикалық талшық арқылы таратылатын арқылы хабар таратуға арналған активті және пассивті құрылғыларды түсінеміз. Басқа сөзбен алғанда ТОТЖ оптикалық сигналдардың таратылуы мен өңделуін қалыптастыруды жүзеге асыратын оптикалық құрылғылар мен оптикалық тарату линиясы болып табылады.

          Оптикалық сигналдардың физикалық тарату ортасы талшықты – оптикалық байланыс желісі негізінде жасалған талшықты – оптикалық немесе оптикалық кабель болады.  ТОТЖ – нің кең қолданылмауынсыз сандық синхронды иерархиясының SDH негізінде транспорттық желінің құрылуы және телекоммуникациялық желі технологиясына АТМ асинхронды таратуы,  ISDN интеграциялық қызметімен жалпы цифрлық желі құру, деректер тарату, телекоммуникациялық технологиялардың телефонды, телеграфты кабельді телевидения мен факсимильді байланыста дамуы мүмкін емес.  

          Оптикалық талшық арқылы жарықтық толқындардың таралуының ең оптималды шарттарын қамтамасыз ететін толық ұзындығының диапазоны оның мөлдір терезесі болып табылады. Қазіргі уақытта ТОТЖ –ні құру үшін 0,8 мкм мен 1,65 мкм аралығындағы толқын ұзындықтары қолданылады. Болашақта инфрақызыл сәулелену мен оптикалық сәулелену деп аталатын 2,4 – 2,6 мкм – ұзын толқындарды меңгеру жобалануда.

          Талшықты – оптикалық тарату жүйелері ТОТЖ келесі басымдылықтар арқылы кең таралған:

         - жоғарғы бөгеуілге тұрақтылық, сыртқы электромагниттік өрістердің әсеріне сезімсіздік және бөлек талшықтардың арасындағы өзара әсерлесудің болмауы;

-         жоғарғы өткізу қабілеті және арналар санының біршама үлкеюі;

-         бағасын түсіретін құрылғылардың салмағымен көлемділігінің аздығы;

-         Тарату жүйесінің кірісі мен шығысы арасындағы толық электрлік түйілісуі, кабельдің үзілуінен қысқа тұйықталудың жоқтығынан сенімді қауіпсіздік техникасы;

-         регенерация бөлігінің үлкен ұзындығы;

-         мыстың аз шығындалуы және кабельдің бағасының төмендігі;

-         рұқсатсыз енуден жоғарғы қауіпсіздік.

Кемшіліктерге оптикалық талшықтық механикалық төзімділігінің нашарлығы және монтаж бен қаптама кезінде механикалық деформацияға оптикалық талшықтың беріліс сипаттамасын тәуелділігі жатады.

          Қазіргі уақытта жалпы қолданылымдылық ТОБЖ-нің көбінде 622 Мбит/с- қа дейінгі тарату жылдамдығы қолданылады. ТОТЖ- нің осындай түрі арқылы 100 мыңға жуық тональды жиілікті арналарды ұйымдастыру немесе 64 кбит/с өзкізу мүмкіндігі мен негізгі цифрлық каналдар құру мүмкін.

          ТОТЖ дамуы  екі негізгі  бағытта болып тұрады.

Біріншіден, ТОТЖ нің эффектілігін арттыруға арналған әртүрлі бағыттағы талшықты оптикалық технологияны өңдеу мен енгізу .  Алшақ байланыс линиясында басты назар мәліметті тарату жылдамдығына үлкейтуге, регенерацияланған бөліктің ұзындығын үлкейтуге және сенімділігін арттыруға аударылады. Жергілікті және локальді желінің  басты ерекшелігі оптикалық талшықтың желідегі соңғы  абонентке жақындауы болып табылады.   

Екіншіден, таралудың солитондық режимімен қамтамасыз ететін оптикалық талшықтың сызықсыз ерекшеліктерімен тарату линиясын құру. Солитон дегеніміз – берілгендерді оптикалық талшық арқылы таратуға келетін импульс, себебі ол алшақ аралыққа формасы мен ұзақтығын өзгертпей жіберуге мүмкіндік береді. Сонда регенерациялау бөлігі 1000 км-ге дейін жетуі мүмкін.  

 

№1 дәріс. Оптикалық талшық тарату құралы ретінде 

Дәрістің  мақсаты: басты ұғымы, геометриялық оптика заңына сүйенген талшық.  

          Оптикалық талшық – бұл оптикалық сигнал таралатын,  диэлектрлік структура. Ұқсас талшықтар келесідей құрылады:

 

 1 – Өзекше (жарықбасқарушы жила). Көбіне ол арқылы оптикалық сигнал таратылады.

2 – Өзекшені қоршайтын талшықтан сигналдың шығуына кедергі болатын шағылу қабығы.

Мұнда өзекшенің сыну көрсеткіші  n1 қабықтың сыну көрсеткішінен n2 үлкен: n1 > n2

3 – Өзекшені сыртқы әсер мен ылғалдан қорғайтын диаметрі 250  эпоксиакрилаттық жабу немесе   диаметрі 900 мкм буферлік полимерлік жабу.

 

1 Сурет -  Оптикалық талшықтың диэлектрлік структурасы

 

Көп модалық талшық  (мода деген – бағытталған толқын) –әртүрлі толқын түрін өткізеді. Өзінде диаметрі 125 мкм шағылу қабаты бар және 400 Мбит/с тарату жылдамдықты тарату жүйесі мен локальді желіде қолданылатын диаметрі   50 немесе 62,5 мкм өзекше бар.   Шағылу көзі 850 мен 1300 нм толқын ұзындығында шағылатын суперлюминесцентті диод болып табылады. Түрлі бұрыштық көп модалық талшыққа кіретін сәулелер

әр түрлі жолдармен таралады:

2 Сурет- Бұрыштық көп модалық талшыққа кіретін сәулелердің таралуы

Модалар өзекшенің ортасында орналасады және талшықтың осі бойынша зигзак түрлі траекториямен таралады, егер мына шарт орындалса:

          Бір модалы талшықтың  (Single Mode Fiber) диаметрі 8.5 - 10 мкм өзекшесі бар және  1300 мен 1550 нм толқын ұзындығындағы лазерлік сәулелену көзі бар кабельді телеарна жүйесінде қолданады.

Мұндай талшықтарда бір мода таралады.  (моданың бір түрі). Бір модалы талшық сәулелік оптикамен сипатталмайды.

                                 

3 Сурет- Бір модалы талшық

Бір модалы талшықта импульстің кеңеюі материалды дисперсия арқылы жүзеге асады. Модаралық дисперсия 0 ге тең.

Нормализацияланған жиілік (V-параметр) бір модалы талшық үшін V<2,4048. Бұл шартты берілген толқын ұзындығына l есептелген бір модалы талшықтарды алу үшін d мен D-нің мәнін таңдау үшін қолдануға болады.  Өзекшенің максималды диаметрін d иемденуге мүмкіндік беретін V=2,4048 кезіндегі бір модалы талшықпен жұмыс істеу оңтайлы.   

 

Модалық дақтың диаметрі

 

Бір модалық талшықтағы модалық дақтың диаметрі мына қатынаспен анықталады:

w = d (0.65 + 1.619 V-1.5 + 0.87 V-6),

          мұндағы V = p d n1 l-1 (2D)1/2 » pdl-1 NA,

                          NA – талшықтың сандық апертурасы.

           Стандартты бір модалы талшықта  d = 8.3 мкм, NA = 0.13, сондықтан  l = 1.55 мкм жұмыс диапазонында модалық дақтың диаметрі  w  9.5 мкм-ге тең.

Оптикалық қуаттың негізгі бөлігі өзекшенің өзге бөлігінен таралғандығынан бір модалы талшықтың қабаты өзекше сияқты төмен параметрлерге ие болу керек.

          Ауытқудың толқын ұзындығы lc мына қатынаспен анықталады

                                               lc= p d n1/ 2.4048

 d, n1 және D берілгендері бар талшық үшін .

           Кез келген  толқын ұзындығында талшық әрқашанда бір модалы болып табылады, l<lc үшін талшық көп модалы болып қалыптасады.

Апертура  NA деп модалары өзекшенің ішінде сақталып тұратын a ең үлкен бұрышының синусы орындалатын жарық басқарушыға түсетін оптикалық ось пен конус орындаушының арасындағы бұрышты айтамыз.

NA=

          Технологиялық рет бойынш n1 мен n2-нің бір-бірінен айырмашылығы жоқ. Сондықтан

D=

Сонда

                                          NA=

NA мен D талшықтың негізгі сипаттамалары болып табылады.

Байланыс жүйесінде қолданылатын сандық апертура мына аралықта жатады, 0,1...0,2, ол мына бұрыштарға сәйкес келеді  a ~ 5,7...11,50.

Баспалдақты және градиенттік көп модалы талшық сыну көрсеткішінің профилі арқылы бөлінеді:

 

 

4  Сурет- Баспалдақты және градиенттік көп модалы талшықтың сыну көрсеткіші

 

Баспалдақты профильді көп модалы талшық үшін анықтаушы ретінде мода аралық дисперсия жұмыс атқарады, яғни талшық бойынша әртүрлі

модалардың таралу уақытының айырымы

                                                     Dt1=n1 l D/c,

 

мұндағы  c –жарық жылдамдығы.

 

Градиентті талшықтар үшін мода аралық дисперсияның өлшемі аз шамалы, себебі сыну көрсеткіші аз ортада үлкен аралық өтетін және сыну көрсеткіші үлкен ортада аз аралықты өтетін сәулелер осыған бірдей уақыт аралығын келтіреді  

                                                   Dt1=n1 l D2/2c

 

Сондықтан барлық байланысқан көп модалық талшықтар градиентті болады.

 

1 К е с т е  - Талшықтардың берілу шамалары

 

 

 

Баспалдақты талшық

Градиентті талшық

Толқын ұзынды

ғы, нм

 

Сәулелену көзі

 

Материалдық дисперсия,

нс/км

Модааралық дисперсия

нс/км

Жалпы дисперсия

нс/км

Мода

арлық диспер

сия

нс/км

Жалпы дисперсия

нс/км

900

 

1330

 

1550

 

СД

Лазер

СД

Лазер

СД

Лазер

2,1

0,2

0,1

0,01

1,2

0,1

15

15

15

15

15

15

15

15

15

15

15

15

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

2,2

0,5

0,5

0,5

1,3

0,5

 

         Көп модалы талшықта модалар саны талшықтың V-параметрі немесе нормаланған жылдамдық арқылы анықталады

                                                    V=p d n1 l-1 (2D)1/2

          Мұндағы: p = 3,14

                            l - сәулеленудің толқын ұзындығы;

                            d – өзекше диаметрі;

                            n1 – өзекше сыну көрсеткіші.

                                                      D=

                            n2 – сыну қабатының көрсеткіші

Баспалдақты талшық үшін модалар саны мына теңдікпен анықталады

                                                      

Параболалық профилі бар сыну көрсеткіші екі есе кіші болады

                                                     

        Теңдік V>>1 шартына тән

Кәдімгі көп модалық талшық үшін V=50, бұл 1250 модалық баспалдақты талшыққа және  625 градиенттегі.

 

                   2 дәріс. Оптикалық талшықтың беріліс сипаттамалары 

 

          Дәрістің мақсаты: дисперсия мен оның түрлеріне түсініктеме беру және өшудің пайда болуының негізгі себептерін анықтау.

 Импульс дисперсиясы  - талшық бойымен таралу кезіндегі импульстің кеңеюі. Ол өткізу жолағының ені мен тарату линиясының жылдамдығын анықтайды.

                                          

Рисунок6

5 Сурет- Талшық бойымен таралатын импульстің өткізу жолағы

 

Импульстің кеңеюі – τ – кіріс пен шығыстағы импульс ұзақтығының квадраттық ауытқуы арқылы анықталады

 

                                           τ =

 

Дисперсия жиіліктік диапозонды шектейді және тарату қашықтығын айтарлықтай төмендетеді ΔF=1/τ.

Дисперсия 2 басты себептен пайда болады:

1        Сәулелену көзінің когерентті болмауынан

2        Модалардың санының көп болуынан

 

Дисперсия түрлері:

Модалық, хроматикалық, ол өз кезегінде толқын жолды және материалды болып бөлінеді (4-суретті қараңыз).

 

Дисперсия

 
 

 

 


Подпись: МодалықПодпись: Хроматикалық

 


Подпись: ТолқынжолдықПодпись: Материалдық

 

 

                                    6 Сурет- Дисперция түрлері

 

Хроматикалық дисперсияның себебі сәулелену көзінің когерентті еместігі болып табылады.
Материалды дисперсия сыну көрсеткішінің толқын ұзындығына тәуелділігімен шартталған. Бұл әртүрлі ұзындықты толқындар бір ортада
әртүрлі жылдамдықпен қозғалатындығымен түсіндіріледі, ол талшықтың материалының құрылысымен шартталған. Материалды дисперсия бір модалы толқын үшін негізделген. Оның әсерін сәулелену көзінің жолағының енін азайту және толқын ұзындығын оптималды таңдау арқылы төмендетуге болады. 

Толқын жол дисперсиясы мода ішіндегі процестермен шартталған. Ол моданың таралу коэффициентінің толқын ұзындығына тәуелділігімен сипатталады.

Модалық дисперсия модалар санының көп болуымен шартталған. Және оның әр қайсысы өз жылдамдығымен таралады. Модалық дисперсия көбіне көп модалы талшықтарға тән. Ол әр түрлі мода сәулелерінің өткен жолдарының әр түрлі болғандығына байланысты талшықтың ішінде пайда болады. Оны модалар саны азайтумен талшық өзекшесінің диаметірін бір модалыққа дейін кішірейту арқылы азйтуға болады. Модалық дисперсияның азаюын модалар саны азаятын градиентті профильді сыну көрсеткіші бар талшықты қолдану арқылы алуға болады.. 

Баспалдақты талшық үшін

                                                τ мод =

 

Градиентті талшық үшін

 

           =                                τ мод =

 

 

n1 – өзекшенің сыну көрсеткіші

n2 –қабаттың сыну көрсеткіші

C –жарық жылдамдығы

l – линиялар ұзындығы

lc –тұрақталған режим орындалатын байланыс модасының ұзындығы:

баспалдақты талшық үшін : lc = (5 – 7) км

градиентті талшық үшін : lc = (10 - 15) км

 

Өшу толқындық жарық жолдың өзіндік жоғалулармен және αк  кабельді деп аталатын қосымша жоғалулармен шартталған. Өзіндік жоғалулар жұту αп   жоғалуы мен шашырау αр жоғалуынан тұрады. Өшу регенирацияланған бөліктердің ұзындығын анықтайды.

Таратылу шығындары жарық өткізгіш кірісіне келетін қуат бөлігі қоршаған ортада ОТ-тың микроскоптикалық біртексіздігі есебінде  таратылуымен анықталады. Жарық осындай біртексіздікке түсе отырып, барлық бағытта шағылысады. Бұл шығындар рэлеевті таралу деп аталады және толқын ұзындығына тәуелді.

 

 

 

7 Сурет-Кабельдегі шығындардың жіктелуі

 

Жұтылу шығындары сигнал қуатының бір бөлігін жұтатын - αпр және диэлектрлік поляризацияның шығындарымен- αпол анықталады.

Қосымша (кабельді) қуаттың шығындары ОТ-қа полимерлі жабын және ОК құрастыру кезінде ОТ деформация нәтижесінде пайда болады. ОТ-тың қабықшаларының қалындығы үлкен болған сайын бағытталған мода өрісі оның ішкі шекарасында жабынмен соғүрлым аз болады, сәйкесінше қосымша шығындар да аз.

 

 

Рисунок7

 

8 Сурет- Шығынның толқын ұзындығынан тәуелділік графигі

 

 

Графиктен көріп тұрғанымыздай, шығындар толқын ұзындығы ұлғайған сайын азаяды. Бұл регенерациялаушы бөліктің ұзындығын үлкейтуге мүмкіндік береді.

 

 

       2 К е с т е

λ, мкм

α, дБ/км

lp,км

0,85

5

10

1,3

1

40

1,55

0,5

80

 

Шығындар децибелда өлшенеді [дБ]:

Шығындар [дБ] = - 10 log (Шығыс қуат [Вт]/кіріс қуат [Вт]) немесе

Шығындар [дБ] = Кіріс қуат [дБм] –шығыс қуат [дБм].

.

Сигналдың оптикалық қуаты қуаттың өлшем бірлігінің Вт бөлігінде анықталады:   милливатт  1 мВт = 10-3 Вт

                         микроватт  1 мкВт = 10-6 Вт

                         нановатт  1 нВт = 10-9 Вт,

сондай-ақ,салыстырмалы бірлікпен, логарифмдік шкаламен өрнектелген:

дБм = 10 log (Қуат/1 мВт)

 

№3 дәріс. Оптикалық тарату жүйелерінің функционалды элементтері

 

Дәрістің мақсаты: оптикалық жүйелердің негізгі компоненттерін оқып үйрену және олардың арналуы.

 

9-суретте байланыс жүйесінің типтік сұлбасы көрсетілген. Аналогты сигнал, соңғы мәліметтер құрылғысымен (СМҚ) генерирленетін, мысалы телефонмен, терминалмен, бейнекамерамен және т.б., оны биттік ағынға түрлендіретін аналогты-сандық түрлендіргіште (кодерде) коммутация түйініне келеді. Биттік ағын оптикалық импульстердің сериясын оптикалық талшыққа беретін оптикалық таратқышты модуляциялау үшін қолданылады. Қабылдайтын жақта жарық импульстері оптикалық қабылдағыш көмегімен қайта электр сигналына түрленеді. Коммуникациялық жүйенің декодерлік бөлігі бинарлы электр ағынын СМҚ-да қайта аналогты сигналға түрлендіреді. Негізінде кодерлер мен декодерлер, сондай-ақ оптикалық қабылдағыштар мен таратқыштар бір құрылғыда екі бағытты байланыс арнасы жасалатындай етіп құрастырылады.

9 Сурет- Байланыс жүйесінің типтік сұлбасы

 Негізгі компоненттері:

Оптикалық таратқыш (тарататын оптоэлектронды модуль ТОМ) кірістегі электр (сандық немесе аналогты) сигналын шығыстағы жарықтық (сандық немесе аналогтық) сигналға түрлендіруді қамтамасыз етеді. Сандық таратуда таратқыштың оптикалық шағылыстырғышы оған келіп түсетін электр сигналының биттік ағынына сәйкес «қосылады» және «өшіріледі». Бұл мақсатта инфрақызыл жарық шағылыстырушы диодтар LED немесе лазерлік диодтар ILD қолданылады. Бұл құрылғылар мегагерцті,  сондай-ақ гигагерцті жиіліктермен шағылысатын жарықтың модуляциясын қолдау қабілетті. Кабельді телевидения жүйесін жасауда оптикалық таратқыш кең жолақты аналогты электр сигналын аналогты оптикалыққа түрлендіруді жүзеге асырады.

Оптикалық қабылдағыш (қабылдайтын оптикалық модуль ҚОМ) қірістегі оптикалық импульстерді электр тоғының шығыс импульстеріне қайта түрлендіру жасайды. Оптикалық қабылдағыштың негізгі элементі ретінде p-i-n және лавиндік фотодиодтар қолданылады.

Оптикалық күшейткіш қайталағыш немесе регенератор сияқты оптоэлектронды түрлендіру жасамайды. Ол, арнайы белсенді орта мен  толтыру лазерлерін қолдана отырып, индуцирленген шағылысу арқасында өтіп жатқан оптикалық сигналды тура қүшейтеді. Оптикалық сигналды бастапқы түрге келтіретін қайталағыш регенератор деп аталады.

 

         Тарататын оптикалық модульдер:

Шағылысу көздері келесі талаптарды қанағаттандыруы тиіс:

1.     Шағылысу толқынының ұзындығы мөлдірліктің бір терезесімен сәйкес келуі керек;

2.     Көздің конструкциясы шығыстағы шағылысудың айтарлықтай жоғары қуатын және ОТ-та оның әсерлік енгізуін қамтамасыз етуі қажет;

3.     Көз жоғары сенімділікпен жұмыс істеуі керек және  қызмет көрсету уақыты ұзақ болу керек;

4.     Габаритті өлшемдері, массасы және қолданатын қуаты минималды болу керек;

 

Тарататын оптикалық модуль (ТОМ) ретінде жарық шағылыстырғыш диодтар (ЖШД) мен лазерлік диодтар (ЛД) қолданылады. Олардың негізгі жұмысын шала өткізгіштің белсенді аймағында инжектирленген өзімен тасушылардың (электрондар мен кемтіктер) шағылыстырғыш рекомбинациясын келтіретін инжекцияланған элекртлюминесценция құрайды.

Өзара олар шағылысу спектрінің енімен ажыратылады.

Жарық сәулелегіш диодтар. ЖСД-дың жұмыс істеу принципі белсенді қабаттағы зарядтың тасушыларының рекомбинациясының көрінуіне байланысты.

Рекомбинация – ионизацияға қарама-қарсы көрініс, яғни қарама-қарсы таңбалы зарядтың еркін тасушылары қақтығысқан кезде зарядтың еркін тасушыларының жойылуы.

 

 

Рисунок8

 

               10 Сурет- Рекомбинация кезіндегі зарядтардың шығуы

 

 

Тура ығысу болған кезде электронды-кемтікті өткелге электрондар мен кемтіктер белсенді қабатқа жақын жатқан пассивті қабаттан кіреді және жарық шағылысуымен жалғасатын спонтанды рекомбинацияны сезеді. Жарық барлық бағытта таралады, сондықтан ЖШД-тың шығысында шағылысу когорентті емес және жай бағытталған болады. Шағылысу спектрінің ені Δλ = 20-40 нм.

Лазерлік диодтар когорентті жарық көзі болып табылады. Оның негізгі жұмысы көлемді резонатормен алынған жартылай өткізгішті спонтанды шағылыстыру болып табылады. Лазер белсенді ортадан (1), толтыру құрылғысынан (2) және резонансты жүйеден (3) тұрады.

Рисунок9

 

11 Сурет- Лазерлік диодтың құрамы

 

 

Белсенді орта ретінде негізінен жартылайөткізгіш қолданылады. Толтыру құрылғысы ретінде электрлік энергия, ал резонанстық жүйе ретінде айна қолданылады.

Қойылатын кернеу әсерінен жартылай өткізгіште тасушылардың қозуы болады. Осының әсерінен жарықтық энергияның шағылысуы және фотондар ағыны пайда болады. Бұл ағын көп рет резонансты жүйенің айнасынан шағылысу арқылы өткір бағытты диаграммаман шағылысумен лазерлік сәуле жасайды.

 

  3 К е с т е ЖСД және ЛД салыстыру кестесі

Шағылыстырғыш

Қуат

Спектр кеңдігі

104-105

ЛД

(10 – 40) мВт

(1-3)нм

 

ЖШД

(5-20) мВт

(30-50)нм

105-106

 

Бағытталған диаграмма                       Шағылысудың спектралді сипаттамасы

 ЖСД             ЛД                                       ЖСД                 ЛД

 

Рисунок10                            Рисунок11

 

12 Сурет-Бағытталған диаграмма шағылысудың спектральді сипаттамасы

 

Бағытталған диаграмма бұл шағылысу көзінің энергетикалық анықтығы (тығыздығы) бұрышты таралуы. Анықтылық сәуле шоғырының шегінде тұрақты болмайды. Ол шоғыр осьінде максималды және осьпен бірге өсетін бұрыштар жасайтын бағыттағы анықталған заңмен өшеді.

 

 

Оптикалық шағылысудың дисперсиясы

ЖСД                                                             ЛД

 

Рисунок12

 

 

13 Сурет - Оптикалық шағылысудың дисперсиясы

 

Егер шағылысу көзінің беттңк өлшемдері ОТ өзекшенің диаметрінен үлкен, шағылысу қуатының бөлігі ОТ-қа түспей қоршаған кеңістікте шашырайды. Кірістегі шығындар ЖШД үшін (10-16) дБ, ал ЛД – (5-7)дБ үшін құрайды.

Енгізу әсерлігін шағылысу көзі мен ОТ торцтің арасында орнатылатын  оптикалық келістіргіш құрылғы көмегімен жоғарылатуға болады. ЖК өзімен ОТ-тың апертуралық бұрышпен шағылысу көзінің бағыттылық диаграммасының жарты енін теңестіретін үлкейткіш линза болады.

Шағылысу көзінің ТОТЖ қолданылу мүмкіндіктерін анықтайтын негізгі параметрлерінің санына жататындар:

-         үзіліссіз режимде жұмыс істейтін шағылысудың орташа қуаты;

-         шағылысу толқынының ұзындығы;

-         жарықтық сәуле шоғырының шашырау бұрыштары ;

-         шағылысу спектрінің ені;

-         қызмет ету уақыты.

Сондықтан да ТОТЖ үшін оптималды шағылысу көзі ЛД болып табылады. Шағылысудың жоғары қуаты және сәуле шоғырының кішкентай шашырау бұрыштары  ОТ-пен еш қиындықсыз ондаған км аралыққа  сигналдарды таратуды қамтамасыз етеді.

          Жоғары жылдамдықты ТОТЖ хроматикалық дисперсияны (регенерацияланған бөліктердің ұзындығының ұзаруы) азайту үшін бір модалы ЛД қолдану керек. Бірақ олардың кемшіліктері жасалу қиындығы және бағасы болып табылады. Көпмодалы ЛД тұйық техникалық көрсеткіштерге ие, бірақ «бағаға әсерлігі» жағынан оларға  өте жоғары жылдамтықты тарату керек емес, магистральді және аймақтық ТОТЖ  бәсекелес емес.

          ЖСД келесі жетістіктерге ие: қарапайым, арзанырақ, айтарлықтай параметрлердің үлкен температуралық тұрақтылығы. Бірақ шоғырдың үлкен шығындылығы (шағылысу когорентті емес), кең шағылысу спектрі, шектелген тез әрекеттілік ЖШД қолдану аясын кемітеді. Олар аз және орта қашықтықты  линиясында қолданылады.

Оптикалық таратқыштың элементтері тарататын оптикалық модул ТОП-шағын құрылғыда конструктивті біріктіріледі.

 

 

№4 дәріс.  Қабылдағыш оптикалық модульдер

 

Дәрістің мақсаты: қабылдағыш оптикалық модульдердің негізгі элементтерін (ҚабОМ) және фотоқабылдағыштың негізгі сипаттамаларын қарастыру.

Қабылдағыш оптикалық модульдер оптикалық сигналдың электрлік сигналға түрленуін қамтамасыз етеді.

Қабылдағыш оптикалық модульдің негізгі элементтері: фотодетектор, қабылдағыш оптикалық құрылғы, күшейткіштің электрондық сұлбалары және электрлік сигналды өңдеу мен тұрактандыру сұлбалары.

Қабылдағыш ОМ-дің негізгі элементі фотодетектордың рөлін атқаратын фотодиод болып табылады.

Детектордың қызметі оптикалық кіріс сигналын электрлік сигналға түрлендіруге көзделген, сосын ол күшейтіліп және электрондық сұлбалардың көмегімен өңдеуден өтеді. Фотодетектор қосымша шуды кіргізбей, оптикалық сигналдың түрлерін дәлме дәл қайта өңдеу керек. Сондықтан да, фотодетекторларға келесіндей шарттар қойылады:

1.               Оларда қажетті кең жолақтылық, динамикалық диапазон және сезгіштік бар болуы қажет.

2.               Үлкен емес өлшемдері және талшықтармен байланыстың төзімділігі жоғары болуы керек.

3.               Қоршаған ортаның параметрлерінің өзгерісін сезбеу.

4.               Үлкен қызмет ету уақыты және минимальді құны болу керек.

Жоғарыда көрсетілген барлық шарттарды жартылай өткізгіш фотодиодтар қанағаттандырады. Оның жұмыс істеу принципі ішкі фото әсерлігіне негізделген. Жұтылатын фотон өзінде бірнеше жаңа заряд тасушыларды тудырады-электрон және кемтік. Басқа жағдайда, атоммен жұтыла отырып, фотон электронды тудырады және валентті зонадан,өткізгіштік зонаға өтеді. Кванттық жарықтың жұтылуының нәтижесінде диодтың сыртқы тізбегінде ток импульсі ағады, оның өлшемі жарықтық ағынның интенсивтілігіне тәуелді. 

 

 pin-фотодиодтың құрылымы

 

       Рисунок13

14 Сурет-p-i-n-фотодиодтың құрылымы

         

Жұқа қабатты жоғары легирленген жартылай өткізгіштердің арасында («+» таңбасы жоғары легирленгенді білдіреді) n-типті нашар легирленген өткізгіш орналасқан. Кернеудің кері ығысуында, нашар легирленген қабатында біріккен i-аймағы пайда болады. Электр өрісі көбінесе осы аймаққа қарайды, өйткені оның кедергісі, p+  және  n+  қабаттардағы кедергілерге қарағанда біршама көбірек. 

Шағылысу беретін фотонның жұтылуынан p-i-n - құрылымында электронды-тетіктік жұптар пайда болады, i-аймағында жоғары электр өрісінің әсерінен, заряд тасушылардың тез бөлінуі болады, бұл оптикалық шағылудың электр тоғына түрлену процесінің жоғары жылдамдығын қамтамасыз етеді.

Негізгі сипаттамалары:

1.                     Кванттық эффектілік– η –бұл коэффициент, ереже бойынша жұтылатын жарық кванттарының барлығы импульс токтарының туындауына әкеп соқтырмайды деп есептейді. Бұл, жұтылатын квант энергиясы электронның валентті зонадан өткізгіштік зонаға өтуіне жеткіліксіз болуы мүмкін деген сөз

η= 0,55, λ=1,5 мкм үшін.

 

2. τ –уақыт бойынша тұрақты  фотодиодтың жылдамдығын сипаттайды. Оның көмегімен фотодетектордың өткізу енін анықтаймыз. Ол заряд тасушының қозғалғыштығына, p-n өту аймағының еніне, толқын ұзындығына тәуелді.

           3. Тоқтық сезімталдылық бұл жарықтық қуаттың электр тоғына толық ПӘК-тік түрлену.

 

                                         S=I/P (A/Bт);  S=η·q/(h·f),

 

 мұндағы   q-заряд тасушының өлшемі     

                   (h·f)- жарық энергиясы

 

4. Көлеңкелі ток – бұл ток, оптикалық шағылысу жоқ кезде жүктеме арқылы  ағады. Бұл ток түбірлік шуды тудырады және оптикалық қабылдағыштың сезімталдығын шектейді. Көлеңкелі токтың шамасы өткізгіштің материалына, температурасына және ФД құрылымына байланысты.

Қабылдағыш оптикалық модуль деп фотодетектордан және қайталағыш күшейткіштен тұратын құрылғыны айтамыз. Байланыс арасы өскен сайын шағылысудан түсетін қуат кеми береді де, күшейткіштің шығысындағы пайдалы сигналға қарағанда  қосынды шу  шамадан тыс үлкен  болады.

Егер фотодетектор ретінде лавиндік фотодиодты ЛФД қолдансақ, онда оған берілетін ығысу кернеуін өзгерте отырып, фотодиодтың лавиндік көбейту коэффициентін тұрақтандыруға болады. Бұл қабылдағыш оптикалық модульдің динамикалық диапазонын кеңейтуге мүмкіндік береді. Магистральді линияларда ретрансляциялық құрылғылардың арақашықтығын өсіруге тырысады, бұл қабылдағыштың максимальді сезгіштігін талап етеді. Сондықтан ЛФД қолданылады. ФД-ның қарапайымдылығы мен сезімталдығы оларды барлық жағдайлар үшін қолдануға мүмкіндік береді.

Оптикалық қабылдағыштың негізгі параметрі босағалық сезгіштігі-оптикалық сигналдың қабылдайтын минимальді мүмкін қуат деңгейі

 

Рпр = 10 logРпр/Р0 дБм

 

Берілген қателік ықтималдылығында (берілген сигнал/шу қатынасында) босағалық сезімталдылық ақпаратты беру жылдамдығына, ФД типіне және алдыңғы күшейткішке тәуелді.

ФД және алдыңғы күшейткіш құрылымдық түрде қабылдағыш оптикалық  модульге  қабылдағыш оптикалық модульге біріктіріледі. Шағылысу ОТ бөлік арқылы енгізіледі оған разъем арқылы сыртқы ОТ кабельдер қосылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15 Сурет- Оптикалық қабылдағыштың құрылымдық сұлбасы

 

Шешуші құрылғы берілетін 1 немесе 0 символдың шамасының бағасын жүргізеді. Бұл үшін шешуші құрылғыда  периодты түрде тактілік жиілікпен күшейткіштің шығысында страбирлеу және алынған есеп беру мен босағалық салыстыру жүргізіледі.

Түрлендіргіш сигнал босағасының шектен  тыс шыққанда үшбұрышты түрде импульс өндіріледі. Тактілеу синхронизация құрылғысы ТСҚ  тактілік жиіліктің синхроимпульсі қабылданатын сигнал өндіреді және қысқа импульстер өндіреді, осының көмегімен жәйлі сәттер үшін сигналды стробирлеу   іске асады.

 

  5 дәріс. Қайталағыштар және оптикалық күшейткіштер

 

          Дәрістің  мақсаты: Ретрансляциялаудың әртүрлілігін қарастыру

            Оптикалық сигналдың таралу шамасына қарай оның әлсіреуі  және дисперсияның әсерінен импульстердің кеңеюі болады. Кез келген осы факторлардың біреуі ретрансляциясыз аймақтың  талшықты оптикалық сегменттің максимальді ұзындығын шектеуге себеп болады.

Қабылдағыш пен таратқыштың арасындағы рұқсат етілген максимальді ұзындығы шамадан тыс үлкен болса, онда байланыс арналарының өтпелі нүктелерде бір немесе бірнеше ретрансляцияларды қосуымыз керек. Жалпы жағдайда, ретранслятор оптикалық сигналды күшейткіштің функциясының қызметін атқарады және қосымша (цифрлық таратуда) импульстердің пішіндерін қайта қалпына келтіреді, шу деңгейін азайтады және қателерді жояды мұндай ретранслятор регенератор деп аталады.

Оптикалық сигналы күшейту әдісі бойынша ретрансляторларды екі деңгейге бөлеміз: қайталағыштар және оптикалық күшейткіштер.

Қайталағыш (электронды-оптикалық қайталағыш) - бірінші оптикалық сигналды электронды түрге түрлендіреді, күшейтеді, жөндейді, содан соң керісінше оптикалық сигналға түрлендіреді, (16 а,суретті қараңыз).

 

 

а) электронды-оптикалық күшейткіш;

б) оптикалық күшейткіш.

16 Сурет- Ретранслятордың түрлері

 

Қайталағыш күшейту қызметімен бірге цифрлық оптикалық қабылдағышқа тән сигналды регенерациялау қызметін атқарады. Регенерациялау блогі импульстердың тік үшбұрышты пішінін қалпына келтіреді, шуды жояды, шығыс импульстері көзделген тайм-слоттарға түсу үшін берілетін нәрсені ресинхранизациялайды.

Оптикалық күшейткіш (ОК) - қайталағышқа қарағанда оптоэлектрондық түрлендіруді іске асырмай, оптикалық сигналды күшейтуді іске асырады (16 б, суретті қараңыз). Оптикалық күшейткіштер оптикалық сигналдың регенерациясын жүргізе алмайды. Олар кіріс сигналы мен шуды тең шамада күшейтеді. Қайталағыш пен оптикалық күшейткіштің салыстырмалы сипаттамалары 4-кестеде келтірілген.

 

  4 К е с т е - Қайталағыштар мен оптикалық күшейткіштердің салыстырмалы сипаттамалары

Сипаттама

Қайталағыш

Оптикалық күшейткіш

Құрылымы

Қйын

Қарапайым

Бағасы

Төмен

Жоғары

Сенімділігі

Жоғары

Өте жоғары

Сигнал регенерациясы

Өтеді

Өтпейді

Тарату жылдамдығына тәуелділігіПривязка к скорости передачи

Қажет етеді

Қажет етпейді

4 кестенің жалғасы

 

 

Бір уақытта бірнеше сигнал беру мүмкіндігі

Болмайды

Болады

Толқынның жұмыс істеу ұзындығы, нм

850, 1300, 1550

 1530-1560 аймағы

Шу сигнал қатынасы

Жоғары

Төмен

Қолданатын аймақ

Локальдік  желілерде, региондық желілерде, регион аралық желілерде

Қазір және де  региондық желілерде, регион аралық желілерде

 

ОК қарапайым және жоғары сенімділіктен құралған, оның бағасы  ылғи төмендейді, ол ақпаратты тарату жылдамдығына тәуелді емес, бұл дегеніміз  ТОТЖ-нің өткізу қабілеттілігін, құрылғыға шамадан тыс шығын шығармастан өсіруге мүмкіндік береді.

          Қазіргі уақытта ТОТЖ - да  болашағы бар ОК-дің келесідей типтерін қарастырамыз:

          - жартылай өткізгіш күшейткіштер (екінші мөлдір терезеде жұмыс істейді; бағасы төмен, қарапайым құрылымды, жоғары күшейту коэффициенті 25 … 30дБ; олар белгілі бір толқын ұзындығында күшейту үшін құрылған болуы мүмкін, ол дегеніміз оларды оптикалық коммутаторларда және толқындарды ұзындығы бойынша бөлу үшін демультиплексрлерде қолдануға мүмкіндік береді);

            - ОТ-дағы сызықсыз белгілері негізіндегі күшейткіштер (сызықсыз емес әсерлер қуатты толқын энергиясының бөлігін әлсіз толқын сигналына түрлендіреді; 2 және 3 мөлдір терезелерде 40 дБ-ге дейін күшейтуді қамтамасыз етеді; 100 МГц-ге сигнал тар диапазонда көзделген, бірақ та күшейтілетін арналар арасында үлкен ауысу кедергілерін береді);

            - ОТ-дағы қоспалы күшейткіштер (ОК-ның негізгі элементі ОТ, сирек жергілікті металдармен легирлеу, металл иондары лигерлейтін металдардағы жұтылу жолақтарына сәйкес келетін белгілі бір жолақтардағы толқын ұзындықтарын күшейту үшін активті ортаны жасайды; 40 дБ күшейтуді қамтамасыз етеді).

            - ОТ бойынша сигнал таратқанда әлсіреу ауқымы және бұрмалануы регенерация аумағының ұзындығына байланысты, ОК-ның құрылымды ұзындықтарының кесінділерінде толқынды белгілі түрде байланыс нүктелерінде береді. Сигналды қалпына келтіру үшін регенератордың кірісіндегі деңгейі оптикалық шағылысудың қабылдайтын минималды деңгейінен көп болуы керек, сигналдың толық қалпына келу процесі өтеді Рпрпр min. Бұл кезде әртүрлі шығындар деңгейін  негізге алатын болсақ, онда таратуда мынандай болуы керек  

Рпер = αв – nр αр – nн αн α • ℓуч≥ Рпр,

 

           мұндағы: αв – ОТ сигналының кірісіндегі және шығысындағы шығындар;

                           αр, αн – регенерация ұзындығының аймағындағы разъемдік  және разъемдік емес біріктірулердегі шығындар;

                           n – байланыс саны;

                           α – кабелдің өшу коэффициенті.

 

 

   №6 дәріс. Регенерациялық аймақтың ұзындығын есептеу

 

 Дәрістің мақсаты: Регенерациялық аймақтың ұзындығын есептеудің ерекшеліктерін қарастыру

         Регенерацияланған бөліктің ұзындығын анықтау кезінде бірінші қадамда сигналды таратуға болатын максималды мүмкін арақашықтықты тауып,  содан соң оны қайта қалпына келтіруге болады. Екінші қадамда оптикалық кабельдің өткізу мүмкіндігін анықтайды және берілген жылдамдығы бар оптикалық сигналдарды таратуға болатын жолдың ұзындығын табады. Көп модалы оптикалық талшықтың регенерацияланған бөлігінің ұзындығы дисперсиямен шектелсе, бір модалы оптикалық талшықта өшумен шектеледі.

        Өшумен шектелген регенерацияланған бөліктің ұзындығын анықтау кезінде мына өрнекті қолданған жөн

 


мұндағы: Э – тарату жүйесінің энергетикалық потенциалы, дБ;

                       Сжүйенің энергетикалық қоры, дБ;

                       АаТОТЖ ның пассивті компоненттерінің қосымша жоғалтулары  (кірісі мен шығысында), дБ;

                       αкоптикалық кабельдің өшу коэффициенті, дБ/км;

                       αсөлшемсіз қосудағы жоғалтулар , дБ;

                       сдоптикалық кабельдің құрылыстық ұзындығы, км.

      Тарату жүйесінің энергетикалық потенциалы (Э) регенерация бөлігіндегі өлшемсіз және өлшемді қосулардағы оптикалық кабельдегі оптикалық сигналдың максималды мүмкін өшуі мен басқа да құрылғылар бөлігіндегі өшулерді анықтайды. Энергетикалық потенциал тарату жүйесіне орнатылған регенератордың қателік коэффициентінің мәнінен аспайтын қабылдау құрылғысының кірісіндегі қуат деңгейі мен талшыққа енгізілген оптикалық сигналдың қуат деңгейлері арасындағы айырым ретінде анықталады.  Энергетикалық потенциалдың өлшемі тарату жылдамдығынан, электро оптикалық оптоэлектрондық түрленгіштердің элементтерінің техникалық  деңгейлерінен, сәулелену кезінде қолданылатын толқын ұзындығынан және т.б факторлардан тәуелді және ТОТЖ ның әр бір құрылғысына беріледі.

 

 

  5 К е с т е - Түрлі мемлекеттік жүйелердегі энергетикалық потенциалдың       

  анықтамалары  [З].

Жүйе

Толқын ұзындығы, мкм

Тарату жылдамдығы, Мбит/с

Каналдар саны

Энергетикалық потенциал, дБ

Соната -2

0,85

8,448

120

50

ИКМ-120-4/5

0,85 (ЛД)

8,448

120

50

—"—

0,85 (СД)

8,448

120

34

—"—

1,3 (ЛД)

8,448

120

37

—"—

1,3(СД)

8,448

120

24

ИКМ 480-5

1,3

34,368

480

38

Сопка-Г

1,3

34,368

480

38

Сопка-2

1,3

8,448

120

43

Сопка-3

1,3

34,368

480

41

Сопка-3М

1,55

34,368

480

38

Сопка-4

1,3

139,264

1920

38

Сопка-4М

1,55

139,264

1920

38

Сопка-5

1,55

668,4672

7680

25

 

 (С) жүйесінің энергетикалық қоры көбінесе   6 дБ (6 - 10 дБ) аралығында болады, ол оптикалық кабель мен құрылғылар элеметтерінің көнеру эффектісінің компенсациясы үшін, оптикалық кабельдің жөндеуі  кезіндегі қосымша жоғалтуларды компенсациялау үшін және т.б эксплутациялау кезіндегі бөлімдер параметрлерінің ауытқуы үшін керек.  ТОТЖ - ның пассивті компаненттеріндегі қосымша жоғалтулар  (Аа)  3 - 5 дБ аралығын қамтиды сызықты кабельді қосу құрылғысының өлшемді қосылулары арқылы пайда болады.

           

 №7 дәріс. ТОТЖ тығыздау әдістері

 

            Дәрістің мақсаты: қазіргі қолданылатын тығыздау тәсілдерін меңгеру

 

             Тығыздаудың келесі әдістері бар:

        - уақыттық (электрлік сигнал деңгейінде ; оптикалық сигнал деңгейінде);

        - кеңістіктік;

        - жиіліктік;

        - спектральді.

 

1.  Электрлік сигнал деңгейіндегі уақыттық тығыздандыру: (TDMTime Division Multiplexing)

 

17 Сурет-Электрлік сигнал деңгейінің уақыттық тығыздандыру

 

Электрлік сигналдарды қосу кезінде (мысалы екі көздер А және  В) импульстердің екі сериясы қосылу құрылғысы арқылы ҚҚ (мультиплексор) топтық сигналдарға қосылады. Бұл сигнал оптикалық таратушыда оптикалық құраушыны модуляциялайды. Оптикалық сәулелену оптикалық талшық арқылы таралады және оптикалық қабылдағышта қайта электрлік сигнал пайда болады. Сосын шығыстары арқылы А және В екі импульсті серияларға бөлу құрылғысы арқылы БҚ бөлінеді (демультиплексор). Мультиплексирлеу  – дегеніміз әртүрлі таратқыштардың сигналдарын бір топтық сигналға біріктіру.

 Оптикалық сигналдар деңгейіндегі уақыттық тығыздандыру (OTDM – Optical Time Division Multiplexing)

 

 

 

 


ОҚа2

 

ОС

 
          ОТ

 

 

 

 

 


                                      

18 Сурет- Уақыттық тығыздандыру

 

Электрлік сигналдардың оптикалыққа түрленуі жүзеге асатын оптикалық таратушыға электрлік цифрлық ағындар келіп түседі. Оптикалық сигналдарды біріктіру алдында оларды әртүрлі уақытқа тоқтату орындалады (∆t, 2∆t и т.д.). Біріктірілген сигнал оптикалық талшық арқылы таратылады және қабылдағышта қайта түрлену жүзеге асады. Уақыттық мультиплексирлеу мүмкіндігін шектеудің негізгі факторы болып бір модалы оптикалық талшықтың хроматикалық дисперсиясы болып табылады.

2. Кеңістіктік тығыздау. Әр бір ТОТЖ өзінің оптикалық талшығы арқылы жұмыс істейді.Бір көп талшықты оптикалық кабель арқылы бірнеше ТОТЖ - ның сызықты тракттары ұйымдастырылады және әр бағыт үшін оптикалық талшықтың жартысы қолданылады (резервті қоса).

19 Сурет- Кеңістіктік тығыздандыру

  Бұл оптикалық кабельдің өткізу мүмкіндігін кеңейтудің  экстенсивті әдісі мәлімет тарату жылдамдығының салыстырмалы түрде ТОТЖ - нің орташа және аз ұзақтығында қолданылады (секундына он мегабит). Оның кемшілігі оптикалық талшықтың көп қолданылуы, яғни сызықты тракттың үлкен құны болып табылады.  

 

Жиіліктік тығыздандыру  (FDM – Frequency Division Multiplexing) 

 


f1   f2   f3

                             20 Сурет- Жиіліктік тығыздандыру 

 Оптикалық құраушылар f1, f2, f3  анализаторға келіп түседі  А1, толқындық призманың ширегін өтіп  (π/4), фильтрдің бірінші арнасына келіп түседі  Ф1. Бұл фильтр бірінші арнаның оптикалық құраушысын ғана оптикалық модуляторға   ОМ1 өткізеді, осы жерде ақпарат көзінен түсетін бірінші арнаның пайдалы сигналымен модуляцияланады.

Модуляцияланған оптикалық құраушы  f1 айнадан шағылып, анализаторға А1, дәл сол жерге  f1 құраушысынан басқа құраушылар да қайта оралады.

 А1-ден сигнал шығып, айнадан шағылысып, анализатор А2-ге келіп түседі .

Сол қалпымен екінші арнаның тізбегі бойынша f2 құраушысы өтеді , м ОМ2 екінші арнаның пайдалы сигналымен модуляцияланып, айнадан шағылып  А2- ге қайта оралады.

Шығысында оптикалық тарату сызығына түсетін топтық оптикалық сигнал құрылады. Кірісінде модуляцияланған оптикалық құраушылары бар оптикалық топтық сигнал анализатор А2-ге келіп түседі, сосын призманың ширек толқынын және бірінші арнаның фильтрін өткеннен кейін оптикалық қосушыға ОҚ түседі. Фильтр Ф1 f1  жиілікті бірінші арнаның оптикалық сигналдарын ғана өткізеді, қалған сигналдар шағылысып А2 - ге келіп түседі.

 

 

ФД

 

ОҚ

 

ПФ

 

π /4

 

 

А1

 

Ф1

 
                                                                                                            Акп.

  Кіріс                                                                                                  сигнал

π /4

 

 

Ф2

 
 

 

 


      

 

 

 

21 Сурет- Топтық оптикалық сигналдың қабылдау принципі

 

Модуляцияланған оптикалық құраушы  f1 Оптикалық қосушыда ОҚ жергілікті гетеродиннің жиілігімен көбейтіліп, сосын аралық жиілік жолақтық жиілік арқылы бөлінеді де, шығысында электрлік сигнал түзелетін фотодиодқа  ФД қа келіп түседі. Сондықтан барлық қалған арналарда сигналдардың дететрленуі жүзеге асады. 

Бұл әдістің артықшылығы регенирациялау бөлігінің ұзындығын 100 км- ге дейін үлкейту болып табылады.

Спектралды  (толқындық) тығыздандыру (WDM – Wavelength Division Multiplexing)

Оптикалық сигналдарды толқындық  (спектралды) мультиплексирлеу   кезінде электрлік импульстер сериясы үш көзден әртүрлі ұзындықты толқындардың оптикалық құраушыларын модуляциялайтын оптикалық берушіге келіп түседі.

 Беруші станцияда бірнеше спектральді түрлендіргіштен (СТ-дан) ЦСТ сызықты кодынан ТОТЖ сызықты кодына түрлендіру жүзеге асатын әсерлесу құрылғысына (ӘҚ) келіп түседі .

 

 

 

22 Сурет- Спектралды  тығыздандыру

 

Оптикалық таратушылар сигналды электрлік түрден оптикалық түрге түрлендіреді және әрбір оптикалық таратушы өз толқын ұзындығын иемденеді. Мультиплексор МП көмегімен оптикалық сигналдар топтық сигналдарға біріктіріледі және оптикалық талшық арқылы таратылады.  

 Мысалы:  демодулятор ДМ оптикалық сигналдарды бөледі, себебі олар бір-бірінен айырмашылығы бар. Оптикалық қабылдағыш сигналды оптикалық түрден электрлік түрге түрлендіреді. ӘҚ – әсерлесу құрылғысы ТОТЖ нің кодын ЦСТ  сызықты кодына түрлендіреді және сигнал ЦСТ- ның арна түзуші құрылғысына келіп түседі.

Сол арқылы бір оптикалық талшық арқылы оптикалық талшықтың өткізу мүмкіндігін үлкейтетін спектралды бөлінген арналар құрылады. 

Аралық түйіндерде  кейбір арналар мультиплексор кірісі мен шығысындағы құрушы сигналдан бөлінуі және қосылуы мүмкін.

 WDM технологиясын қолдану  қолданылымдағы жүйеде қосымша қабатты алуға мүмкіндік береді.

          Әдістің кемшілігі - оптикалық қуаттың тығыздығының үлкен болу әсерінен сызықсыз эффектілерінің пайда болуы. Нәтижесінде оптикалық күшейткіштерді қолданғанда аса күшейтілетін монохраматты жарықтық ағындар арасында  әсерлесу пайда болады.

 

 

 №8  дәріс. ТОТЖ сызықты кодалары 

Дәрістің мақсаты: ТОТЖ қолданатын кодтарды қарастыру 

Оптикалық талшықтың оң және теріс полярлы импульс жіберуге болатын электрлік кабельден айырмашылығы теріс мәнге ие емес энергия импульсін ғана жіберуге болады. .

ТОБЛ - да таралатын сигнал электрлік формада берілетін сигналдан айырмашылығы ол екі жағдайда ғана бола алады.

 

6 К е с т е -ТОТЖ қолданылатын кодалар сипаттамасы

Скремблирленген код

NRZ

Non Return to Zero

Тактілік интервалда нөлге қайтпайтын

 

Цифрлық ТОТЖ үшін бірінші стандартты сызықты код

Артықшылық

сыз код

NRZ-L

 

 

 

 

 

Салыстырмалы кодтар

Ақпараттық тізбекті дәл қайталайды

Сызықты кодтар талабына сәйкес келмегендіктен,көп қолданыс таппады

NRZ-S

NRZ-M

Логикалық нөл S немесе  логикалық бірліктер М тізбегінен кейін қалпын өзгертеді

 

 

 

 

 

1В2В кластағы сызықты кодтар

 

 

 

 

BIF

BI-L

Биимпульсті

абсолютті

 

Бастапқы сигналдың бір биті екі битке түрлендіріледі

Түрленуші импульс ұзақтығы екі есеге азаяды, сондықтан тарату жылдамдығы 2 есе артады

Төменгі жылдамдықты ТОТЖ да қолданылады

 

BI-M

 

Биимпульсті

салыстырмалы М (1)

 

 

BI-S

Биимпульсті

салыстырмалы S (0)

CMI

Coded Marc Inversion

 

MCMI

Инверсті символдар тобымен

 

 

Жетілдірілген

CMI

 

Нөлдердің ұзақ сериясы қойылымдармен ауыстырылады

OOOV

BOOV

Нөлдердің ұзақ сериясының болмауы жоғары синхрондау тактісін қамтамасыз етеді

 

 

mBnB класты сызықты кодтар

 

 

2В3В

3В4В

5В6В

7В8В

 

 

 

Блокты кодтар

Бастапқы сигнал биттері m биттерге бөлінеді. Бұл блоктар сәйкес n кодтар комбинациясына түрленеді

 Тарату жылдамдығы артады

F=

Орташа жылдамдықты ТОТЖ-да қолданылады

6.Кестенің жалғасы

mB1C

 

mB1P

 

mB1P1R

Түрлі сызықты кодтар

 

3B1C    8B1C

 

10B1P    17B1P

 

10B1P1R

Қойылымдылары бар кодтар

R биті қызметтік байланыс үшін қолданылады

Р–биті қосымша қызметтік символ (боктағы бірліктер жұп болса, онда Р символы «1» мәніне ие, егер жұп болмаса, онда «0»)

Бастапқы сигнал символдары блоктарға бөлінеді. Осы блоктарға қосымша қызметтік символдар қосылады

 

Жоғары жылдамдықты ТОТЖ-да қолданылады

 

ТОТЖ-ның сызықты кодтарына келесідей талаптар қойылады:

1        Сигнал спектрі тар болуы керек және жоғарыдан да, төменнен де шекті болуы керек.

2        Код тактілі жиілікті бөлу мүмкіндігін беруі керек.

3        Код регенерациондық аумақтар арасын ұзарту мақсатында бөгеуілге максимальді төзімділікке ие болуы керек.

4        Код ақпараттық артықшылыққа ие болуы керек.

5        Практикалық орындау мақсатында код оңай болуы керек.

ТОТЖ-ның сызықты кодын құрау үшін блокты nBmB типті коды қолданылады, мұнда   n кодаланушы разрядтар саны m- оптикалық талшық бойынша берілетін разрядтар саны, сәйкес  n, B екілік есептеу жүйесі.

Жоғарыда келтірілген талаптарға CMI, Миллер және BIF кодтары сәйкес келеді. ТОТЖ иерархиясының бірінші сатысында CMI пайдалану ыңғайлы, екіншіге CMI  және BIF, үшінші BIF және Миллер,  одан да жоғарыға – Миллер.  ТОТЖ -да  HDB-3 коды түйістіруші код ретінде қолданылады.

Қазіргі таңдағы Е1, Е2, Е3 цифрлық ақпарат тарату талшықты оптикалық байланыс линиясында  тұрақты құраушыға ие емес және басқа да параметрлері бойынша оптикалық тракт арқылы таратуға оңтайландырылған HDB-3 кодын CMI кодына түрлендіру қолданады. Бірақ бұл артықшылықтар тактілік жиілікті екі есе үлкейтумен келеді. Жылдамырақ Е4 жүйелерінде 5В6В, 10В1Р1R типті кодтар пайдаланылады.

ТОТЖ-ның сызықты кодтарына келесідей талаптар қойылады:

6        Сигнал спектрі тар болуы керек және жоғарыдан да, төменнен де шекті болуы керек.

7        Код тактілі жиілікті бөлу мүмкіндігін беруі керек.

8        Код регенерациондық аумақтар арасын ұзарту мақсатында бөгеуілге максимальді төзімділікке ие болуы керек.

9        Код ақпараттық артықшылыққа ие болуы керек.

10    Практикалық орындау мақсатында код оңай болуы керек.

ТОТЖ-ның сызықты кодын құрау үшін блокты nBmB типті коды қолданылады, мұнда   n кодаланушы разрядтар саны m- оптикалық талшық бойынша берілетін разрядтар саны, сәйкес  n, B екілік есептеу жүйесі.

Жоғарыда келтірілген талаптарға CMI, Миллер және BIF кодтары сәйкес келеді. ТОТЖ иерархиясының бірінші сатысында CMI пайдалану ыңғайлы, екіншіге CMI  және BIF, үшінші BIF және Миллер,  одан да жоғарыға – Миллер.  ТОТЖ -да  HDB-3 коды түйістіруші код ретінде қолданылады.

Қазіргі таңдағы Е1, Е2, Е3 цифрлық ақпарат тарату талшықты оптикалық байланыс линиясында  тұрақты құраушыға ие емес және басқа да параметрлері бойынша оптикалық тракт арқылы таратуға оңтайландырылған HDB-3 кодын CMI кодына түрлендіру қолданады. Бірақ бұл артықшылықтар тактілік жиілікті екі есе үлкейтумен келеді. Жылдамырақ Е4 жүйелерінде 5В6В, 10В1Р1R типті кодтар пайдаланылады.

 

  №9 дәріс. ТОТЖ аппаратурасы

 

Дәрістің мақсаты: ТОТЖ - да қолданылатын аппаратураны қарастыру және оның техникалық сипаттамалары

 

ТОТЖ-ны игеру 1986 жылы «Соната-2» базасындағы құрылғыны екіншілік-оптикалық ақпарат тарату аппаратурасының ҚТС орнатуынан басталады. Аппаратура «Соната-2»  құрылғысы ИКМ-30 және ИКМ-120 арна және топ құраушы құрылғыларымен түйістіруге болады. 1990  жылдардан бастап ИКМ-120-5 қалалық жергілікті желіге арналған градиентті оптикалық кабельде 0,85 немесе 1,3  мкм толқын ұзындықта жұмыс жасайтын цифрлық тарату жүйесін жаппай өндіру басталды. 1,3 мкм жұмыстық ұзындықта бір модалы 34,368Мбит/с  тарату жылдамдықты сызықты тракт ұйымдастыруға арналған «Сопка-Г»,  ТОТЖ жасалды. «Сопка-Г» аппаратурасы ИКМ-30-4, ИКМ-120-5 конструкциясында жасалған  және техникалық қызмет көрсету бойынша ұқсас, қалаға арналған  ЦТЖ желісінің бірыңғай түрі болып табылады.

ТОТЖ орындаушы базалық элементін таңдау және оның сызықты трактының параметрлері цифрлық сигналдың таралу жылдамдығына байланысты.

Электр байланыстың цифрлық сигналдарын біріктіруші және уақытша цифрлық сигналдар аппаратураларының иерархиясын біріктіруші ереже жасалды.

Иерархияның мәні көрсетілген аппаратуралардың сатылы орналасуында мұнда символдарды бірдей тарату жылдамдығына және алдыңғы сатыға сәйкес кейбір цифрлық сигналдар біріктірілген.

Екіншілік және үшіншілік сигналдар алдыңғы иерархиядағы сигналдың қосындысы болып табылады. Әртүрлі иерархиялар үшін еуропа елдеріне арналған стандартты тарату жылдамдықтары көрсетілген (телефон арналарының сыйымдылығына байланысты), бірінші саты 2.048 Мбит/с (30 арна), екінші 8.448 Мбит/с (120 арна),  үшінші 34.368 Мбит/с (480 арна), төртінші 139.264 Мбит/с (1920 арна). Келтірілген жылдамдықтарға байланысты электр байланыстың біріншілік, екіншілік, үшіншілік және төртіншілік цифрлық сигналдар топтарына бөлуге болады (аталған ретте ИКМ жүйелеріне атау берілген). Қалалық телекоммуникация станциясына (ҚТС)  арналған ТОТЖ-ның төменде техникалық сипаттамалары келтірілген.

 

«Соната -2»

ҚТС - да түйіндер арасында  қосқыш линияларға арналған

Техникалық деректер:

1.     ТЖ арналар саны: 120

2.     Тарату жылдамдығы: 8,5 Мбит/с

3.     Сызықты код: CMI

4.     ОТ түрі: бір модалы

5.     Толқын ұзындығы: 0,85 мкм

6.     Тарату таратқышының түрі: ЛД

7.     Тарату таратқышының типі: лавинді фотодиод

8.     Максимальды байланыс арақашықтығы: 80-120 км

9.     Регенерационды бөлік ұзақтығы: 12 км

 

 

Рисунок19

 

        23 Сурет - Соңғы линиялық станция күре жолы құрылғысының  құрамы

          Соңғы линиялық станция күре жолының құрамы - жарық өткізгіш сызықты тракт тірегі, электрлік формадағы сигналды оптикалыққа түрлендіруге арналған құрылғысы телемеханика (ТМ) және арнайы қызметтер ұйымдастырылған бөліктерден тұрады.

 АЦО біріншілік цифрлық ағынды екіншілік ағынға СВВГ түрлендіреді – осыдан кейін екіншілік цифрлық ағын  СОЛСТ сызықты күре жолына түседі. СВВГ тірегінен кіріс сигнал  HDB-3 коды  код түрлендіргішке (КТ) түседі, онда CMI кодасына түрленеді. ПОМ-да РЛ блогында электрлік формадағы сигнал оптикалыққа түрленеді, яғни ССКТК арқылы (стационарлы және сызықты кабель түйістіру құрылғысы)  ОК түседі.

Рисунок20

                           24 Сурет - КОЛСТ-О-2 жабдықтауының сұлбасы

Қабылдау тракті. Қабылданған оптикалық сигнал ССКТК арқылы қабылдағыш опто-модулге ПрОМ ға түседі, онда лавинді фотодиод көмегі арқылы электрлік сигнал түзіледі, оны күшейтеді, түзетеді және қалпына келтіргеннен кейін СВВГ тірегіне жібереді.

 КОЛСТ жабдығында  ТТ (трактіні тексеру) блогы болады, CMI - да берілетін сызықты кодты тексеру және қызмет көрсету жүйесінің комплексті сигналды анықтау үшін қолданылады.

Одан басқа ТТ КТ жүйесі автоматты қосу сигналын беру құрылғысы болады.

 

ИКМ-120- 4/5 (СОПКА-Г)

ҚТС арасында станция аралық байланысты орнату үшін қолданады және АТС барлық түрлерін қосуға болады, мәселен АТС пен Қала аралық автоматты телефон станциясы.

1.     Ұйымдастырылатын арналар саны: 120

2.     Тарату жылдамдығы: 8,5 мбит/с

3.     Толқын ұзындығы: 0,85 и 1,3 мкм

4.     Байланыстың максимальді арақашықтығы: 500 км

5.     Регенерациялық бөлік ұзақтығы: 12 км

6.     Сызықты код: CMI

7.     Тарату көзі типі: Лазерлік диод

8.     Тарату қабылдағышының типі: Лавиндік фотодиод

9.     Кабель түрі: ОК-50-2-5-4(8)

Рисунок21

 

           25 Сурет - ИКМ-120-4/5 құрылғысының құрамы

 

ОСА-13 –АТС шығыс линиясын сәйкестендіргіш станция аралық құрылғысы. ИКМ құрылғысы барлық АТС түрлерін сәйкестендіре алады.

АЦО –2 мбит/с жылдамдықты біріншілік цифрлық сигналдар ағынын жасайды.

ОВГ-21 (екіншілік топқұрушы құрылғы) 2 Мбит/с 4 цифрлық ағынды бір 8,5 Мбит/с ағынға таратқанда және қабылдағанда кері түрлендіру кезінде біріктіре алады.  

КЛТ-2С (сызықты тракт жабдығы) қабылдауды және оның регенерациясы мен коррекциясын,  оптикалық сигналды электрлік сигналға түрлендіруді, ал трактыда электрлік сигналды оптикалық сигналға түрлендіру үшін қолданылады.

ОСП-22 (жарықөткізгіштік қосылулар құрылғысы) оптикалық сызықты кабельдің кіруін және стационарлыққа өтуді қамтамасыз етеді.

 

ИКМ-120- 5

          

          ҚТС арасында станцияаралық байланысты орнату үшін қолданады, және де АТС барлық түрлерін цифрлық базада қосуға болады, мәселен АТС пен ҚАТС.

1.                  Ұйымдастырылатын арналар саны: 120

2.                  Тарату жылдамдығы: 8,448 мбит/с

3.                  Толқын ұзындығы: 0,85 мкм (КЛТ-26 қойылады) және 1,3 мкм (КЛТ-24 қойылады)

4.                  Регенерациялық бөлік аумағы: 35 км

5.                 Сызықты код: CMI немесе М

6.                 Таратқыш көзідің типі: Лазерлік диод

7.                 Қабылдағыш түрі: Лавиндік фотодиод

8.                 Кабель түрі: бірмодалық және көпмодалық

 

Рисунок22

26-Сурет. ИКМ-120- 5 құрылғысының құрамы

 

ОСА-13 – АТС шығыс линиясын сәйкестендіргіш станция аралық құрылғысы. ИКМ құрылғылы барлық АТС түрлерін сәйкестендіре алады.

АЦО – 2 мбит/с жылдамдықты біріншілік цифрлық сигналдар ағынын жасайды.

ОВГ-21 (екіншілік топ құрушы құрылғы) 2 Мбит/с 4 цифрлық ағынды бір 8,5 Мбит/с ағынға таратқанда және қабылдағанда кері түрлендіру кезінде біріктіре алады.  

КЛТ-2С (сызықты тракт жабдығы) қабылдауды және оптикалық сигналды электрлік сигналға түрлендіруді, оның регенерациясы мен коррекциясын, ал линиялық күре жолда электрлік сигналды оптикалық сигналға түрлендіруге болады.

ОСП-22 (жарық өткізгіштік қосылулар құрылғысы) оптикалық сызықты кабельдің кіруін және стационарлыққа өтуді қамтамасыз етеді.

ОТГ (үшіншілік топ құру құрылғысы) 8,5 Мбит/с 4 цифрлық ағынды бір 34 Мбит/с ағынға таратқанда және қабылдағанда кері түрлендіру кезінде біріктіре алады.  

Тарату құрылғысы ИКМ-480 және ИКМ-120-4/5 сигнализация жүйесін ерекшелеуге арналған.

Жүйенің негізгі блогы УСО, блоктың қалыпты жағдайын хабарлайды және бұзылу орнын локальды платаға дейін анықтайды.

     ТСО-01 блогы күре жолда негізгі телеконтроль (ТК) құруды атқарады, басқарушы станцияға осы үшін таратуды қамтамасыз етеді, сұрау сигналдары, апаттық сигналдарды қабылдау және УСО-01 құрылғысына  ТСО-02 басқарушы станциядағы шығару блогына береді, басқарушы блоктар жайлы ақпарат алу командасын шығарады, ТК- да апаттық сигналдар туралы ақпарат және  ақпараттық ағынмен бірге мәліметтер жинайды және таратады.

 

Зоналық және магистральді желіге арналған ТОТЖ

 

СОПКА-2

Оптикалық кабель бойынша цифрлық күре жол құру үшін қолданылады. Техникалық ақпарат

1.     Ұйымдастырылатын арналар саны 120

2.     Тарату жылдамдығы: 8,5 Мбит/с

3.     Толқын ұзындығы: 1,3 мкм

4.     Байланыстың максимальді қашықтығы: 600 км

5.     Регенерациялық аумақ ұзақтығы: 26 км

6.     Сызықты код: 5b6b

7.     Таратқыш көз түрі: Лазерлік диод

8.     Қабылдағыш типі: Лавиндік фотодиод

9.     Кабель түрі: ОЗКГ-1-0,7-4/4

10. ОТ түрі: көп модалы

 

 

 

 


27 Сурет-Сопка-2 құрылғысының құрылымы

СОПКА-3

Оптикалық кабель бойынша цифрлық күре жол құру үшін қолданылады. Техникалық ақпарат

1.     Ұйымдастырылатын арналар саны: 480

2.     Тарату жылдамдығы: 34 Мбит/с

3.     Толқын ұзындығы: 1,3 мкм

4.     Регенерациялық аумақ ұзақтығы: 25-70 км

5.     Сызықты код: 5b6b

6.     Таратқыш көз түрі: Лазерлік диод

7.     Қабылдағыш типі: Лавиндік фотодиод

8.     Кабель түрі: ОЗКГ-1-0,7-4/4 (8/4)

9.     ОТ түрі: көп модалы

 

 

 


28 Сурет-Сопка – 3 құрылғының құрылымы

 

СОПКА-4

Оптикалық кабель бойынша цифрлық күре жол құру үшін қолданылады. Техникалық ақпарат

1.     Ұйымдастырылатын арналар саны: 1920

2.     Тарату жылдамдығы: 140 Мбит/с

3.     Толқын ұзындығы: 1,3 мкм

4.     Байланыстың максимальды қашықтығы: 12500 км

5.     ҚРП арасындағы арақашықтық: 830 км.

6.     Регенерациялық аумақ ұзақтығы: 30-70 км

7.Сызықты код: 10b1p1r (r символының функциясы қосымша ақпарат беруге арналған, синхронизациялау коды, СС сигналы, ТМ сигналы, қордағы цифрлық ағындар, p символының функциясы код тұрақты құраушысының дрейфін компенсациялау болып табылады).

7.     Таратқыш көз түрі: Лазерлік диод

8.     Қабылдағыш типі: Лавиндік фотодиод

9.     Кабель түрі: ОМЗКГ

10. ОТ түрі: бірмодалы

 

  

                    29 Сурет- Сопка-4 құрылғысының құрылымы

  

СОПКА-5

Магистральді желіде бесіншілік цифрлық күре жолды құруға арналған. Техникалық сипаттамасы

1.     Ұйымдастырылатын арналар саны: 1920*4

2.     Тарату жылдамдығы: 140*4 Мбит/с

3.     Толқын ұзындығы: 1,55 мкм

4.     Регенерациондық аумақ ұзындығы: 70 км

5.     Сызықты код: 40b4p4r

6.     Таратқыш көз типі: Лазерлік диод

7.     Қабылдағыш типі: Лавиндік фотодиод

8.     Кабель түрі: ОМЗКГ

9.     ОТ түрі: бір модалық

 

7 К е с т е - Көпарналы тарату жүйелерінің техникалық сипаттамасы

 

СП

Байла-ныс жүйесі

Кабель түрі

Сыз-

ықты спектр, кГц

 

Тол-

қын ұзындығы

ДП сек

циясының ұзын

дығы

Күшейткіш аумақ ұзындығы

Құрыл

ғы құрылымы

НУП типі

Соната-2

(120 арна)

1-кабельдік

2-талшықтық

ОК-50-2-5-8

ОК-50-2-5-4

8,5 Мб/с

СМI

0,85мкм

 

12 км

САЦО, СВВГ, СОЛСТ-0

УССЛК

 

Соп

ка-2

(120 арна)

1-кабельдік

1,2-талшықтық

ОЗКГ-1-0,7-4/4

8,5 Мб/с

5В6В

1,3

мкм

830

26 км

САЦО, СВВГ, СОЛТ-О

НРПГ-О

Соп

ка-3

(480 кан)

1-кабельдік

1,2-талшықтық

ОЗКГ-1-0,7-4/4

34,4 Мб/с

5В6В

1,3

мкм

830

25 км

САЦО, СВВГ,СТВГ, СОЛТ-О

НРПГ-О

Соп

ка-3М

(480 арна)

1-кабельдік

1,2-талшықтық

ОКЛ

34,4 Мб/с

2В4В

1,55

мкм

830

70 км

САЦО, СВВГ,СТВГ, СОЛТ-О

НРПГ-О

Соп

ка-4

(1920 кан)

1-кабельдік

1,2-талшықтық

ОМЗКГ

140 Мб/с

10В1Р1R

1,3

мкм

830

30 км

САЦО, СВВГ,СТВГ, СЧВГ, СОЛТ-О

НРПГ-О

Соп

ка-4М

1920х4

1-кабельдік

1,2-талшықтық

ОКЛ

140Х4 Мб\с

10В1Р1R

1,55

мкм

830

70 км

САЦО, СВВГ,СТВГ, СЧВГ, СОЛТ-О

НРПГ-О

 

№10 дәріс. WDM технологиясының негіздері

 

Дәрістің мақсаты: Оптикалық желілерде технологияны толығымен құру

 

Толқын ұзындықтары бойынша бөлуі бар оптикалық мультиплексирлеу ТҰБМ (WDM) – 1970-1980 жылдары пайда болған оптикалық тығыздаудың (немесе спектралды) жаңа технологиясы. Бүгін аналогты ақпарат тарату жүйелері үшін FDM қандай роль атқарса, оптикалық синхронды жүйелер үшін WDM сондай роль атқарады. Осыған байланысты WDM жүйелерін жиі жиіліктік бөлінуі бар оптикалық мультиплексирлеу жүйелері деп те атайды (OFDM). Бірақ бұл технологиялардың (OFDM және WDM) бір-бірінен айырмашылықтары бар. Олардың айырмашылығы тек оптикалық (OFDM) немесе электр (FDM) сигналдарын қолдануында емес. FDM кезінде ТЖ стандарты арналар жиынтығымен берілгендіктен, модуляциялайтын сигнал құрылымы бірдей болатын спектрдің бір жақ құраушысы және таңдалған тасушылар асты (поднесущие) жүйесі бар АМ модуляцияның механизмі қолданылады. OFDM кезінде тасушыларды ығыстыруға FDM-да қажетті модуляция механизмі мүлдем қолданылмайды, тасушылар жеке сигнал көздерінен (лазер) генерацияланады. Олардың сигналдары мультиплексормен көп жиілікті сигналға біріктіріледі. Бұның әр құраушысы (тасушы) әртүрлі синхронды технологиялар заңдарымен түзілген сигналдардың ағынын таси алады. Мысалы, бір тасушы формальді түрде АТМ трафикті бере алады,  басқасы SDH, үшіншісі PDH және т. б. Ол үшін тасушы сигналдар берілетін трафикке байланысты цифрлық сигналмен модуляцияланады.

 

          WDM мен бірге құралған жүйелер блок – сұлбасы

 

WDM жүйесінің негізгі сұлбасы (мысал үшін 4 арна алынған) 37- суретте келтірілген (бір тура арна көрсетілген).

30 Сурет-WDM қолданатын жүйенің блок сұлбасы

 

        Мұнда n кіріс ақпарат ағындары (кодталған цифрлық импульсті тізбектер) оптикалық модуляторларының Мі көмегімен li толқын ұзындықтары бар оптикалық тасушыларды модуляциялайды (негізгі құраушымен модуляциялау). Модуляцияланған тасушылар WDM Mux мультиплексоры көмегімен агрегатты ағынға мультиплексирленеді (біріктіріледі), күшейтілгеннен (бустер немесе қуатты күшейткіш ҚК көмегімен) кейін бұл  ағын ОТ-қа беріледі. Қабылдау жағында ОТ  шығысындағы ағын алдын ала күшейтіледі, демультиплексирленеді, яғни құраушы ағындарға бөлінеді – модуляцияланған тасушыларға, бұлар детекторланады көмегімен детекторленеді (өтпелі бөгеуілдерді азайту үшін және детекторлаудың бөгеуілдерге тұрақтылығын көбейту үшін олардың кірістерінде қосымша Фі сүзгілерін пайдаланылуы мүмкін), осыдан кейін бастапқы кодталған цифрлық импульстер тізбектерін түзетін ДМі демодуляторларымен демодуляцияланады. ҚК және алдын ала күшейткіштерден басқа жүйеде сызықты күшейткіштер СК де пайдаланылуы мүмкін.

 

8 К е с т е -Стандартты арналы жоспарды пайдаланудың тәжірибесі

  Компа-

    ния

Alcatel

Bellcore

Cambrian

Ciena

IBM

Luce

nt

MCI

Nortel

Osi

com

Қадам  ТГц

0,2; 0,1

0,2

0,2; 0,1

0,1; 0,05

0,4

0,1

0,4; 0,1

0,1

0,2; 0,1

Жоспар     басы S

1531,90

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

1530,33

1528,77

н/д

Жоспар аяғы S

1542,94

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

1541,35

1539,77

н/д

Жоспар басы L

1547,72

1547,72

н/д

1545,32

н/д

1550,12

1549,32

н/д

н/д

Жоспар аяғы L

1558,98

1558,98

н/д

1560,61

н/д

1560,61

1560,61

н/д

н/д

Арна саны

8L;

16S

32-40SL

8L

16; 32

16L; 40L

10

16L

4L; 8S

8S

8; 16

 

         Арналы жоспар негізінде WDM классификациясы

 

          Кеңейтілген арналы жоспар сұлбасы қазіргі заманғы көзқарастарды және мультиплексорлардың үш типін таңдау тенденциясын ескеретін келесі классификация сұлбасын ұсынуға мүмкіндік береді:

-         қарапайым WDM (СWDM),

-         тығыз WDM (DWDM),

-         жоғары тығызды WDM (HDWDM).

Осы түрлерді бөлудің нақты шекаралары болмағанымен, Alcatel компаниясын мамандарының ізінше кейбір шекараларды ұсынуға болады. Бұл шекаралар WDM жүйелерін шығару тарихына және жоғарыда келтірілген G.692 стандартына негізделген. G.692 стандартының арналы жоспары толқынды немесе жиіліктік шкаласының қолданылуына байланысты кейде «толқындық жоспар» немесе «жиіліктік жоспар» деп аталады. WDM жүйелері деп – 16-дан аз арналарды мультиплексирлеуге мүмкіндік беретін арналарды жиіліктік бөлуі 200 ГГц-тен кем емес жүйелерді айтуға болады.

DWDM жүйелері деп - 64-тен аз арналарды мультиплексирлеуге мүмкіндік беретін  арналарды жиіліктік бөлуі 100 ГГц-тен кем емес жүйелерді, HDWDM жүйелері деп - 64-тен аз емес арналарды мультиплексирлеуге мүмкіндік беретін арналарды жиіліктік бөлуі 50 ГГц және одан төмен жүйелерді атауға болады.

 

WDM мультиплексорларын жасау сұлбалары

 

Бізге белгілі, WDM типті алғашқы мультиплексорлар екі тасушыны мультиплексирлеу үшін пайдаланылған: 1310 нм және 1550 нм. Олардың арақашықтығы 240 нм үлкен болғаны соншалықты, оны іске асыруда арнайы сүзгілердің қажеті болған жоқ. Дәстүрлі дискретті оптиканы пайдалану арқылы сүзгілердің жиілікті бөліп алу қабілетін арттыруға бағытталған кейінгі талпыныстар келесі нәтижелерден аса алмады:

-         арна ауытқуы – 20-30 нм,

-         арналар арасындағы өтпелі өшулер – 20 дБ,

-         енгізілетін шығындар деңгейі.

Қазіргі уақытта арналарды бөліп алудың (демультиплексирлеу) бір-бірімен бәсекелес негізгі үш технологиясы қолданылады. Оның екеуі интегралды оптиканың негізінде: біреуі толқын бағыттағыш массивінде дифракциялық торды пайдалану арқасында тасушыларды бөліп алуды пайдаланады - AWG (Arrayed Waveguide Grating), екіншісі бөліп алуды майыстырылған дифрациялық торды пайдалану көмегімен іске асырады - CG (Concave Grating). Үшінші технологияда үш өлшемді оптикалық мультиплексирлеу - 3DO (3-D Optics WDM) технологиясы көмегімен арналарды бөлуді пайдаланатын дәстүрлі дискретті оптика (технологияның жаңа деңгейінде) пайдаланылады.

          Осылардың біріншісінің негізінде (38, а суретін қара) - l 0 кіріс порты және сол жақтан толқын бағыттауыштың перифериясында кіріс портына симметриялы орналасқан шығыс l l0, l 20, ... l n0 порттар тобы бар таблетка пішіндес планарлы оптикалық көп портты бөлгіш және оң жақтан перифериядағы шығыс порттарға симметриялы орналасқан l1i, l2i, ... lni ішкі шығыс порттар тобы. Ішкі шығыс порттар жарық жүргізгіштер (световоды) массиві арқылы (жарықжүргізгіштердің D L-ге бүтін бөлінетін белгіленген ұзындықтары арқасында дифракциялық тордың қызметін атқаратын) шағылысатын жазық айнамен қосылған. Кіріс ағын l 0 = S l i (i=1,2, ... n) оптикалық толқын бағыттауышқа беріліп, барлық ішкі порттар бойынша таралады. Бұдан ағын жарық жүргізгіштер массиві арқылы айнаға таралады да, шағылысып, ішкі шығыс порттар жақтан сол толқын бағыттауышқа беріледі. Мұнда кірген толқынның және шағылысқан толқындардың интерференциясы жүреді. Көрсетілген құрылғы, бір жағынан қарағанда, дифракциялық тордағы интерференциялық толқындық сүзгіні немесе көп өлшемді MZI нұсқасын еске түсіреді. Планарлы бағыттағыштың пішіні мен өлшемдері, жарық жүргізгіштер торлары, сонымен қатар шығыс порттардың орналасуы жарықтың интерференциялық максимумдары шығыс порттар маңайында орналасатындай және l l0, l 20, ... l n0 тасушылар тобына сәйкес болатындай етіп таңдалады.

          Кіріс порты және шығыс порттар бір-бірінен таралған болуы мүмкін, егер 31-суретте көрсетілгендей екі планарлы тоқынжол бағыттауышты пайдаланылған жағдайды ескерсек, (кіріс және шығыс бөлгіштер).

          Үшінші технология да жазық шағылысатын дифракциялық торы бар (1), майыстырылған айнамен (2), белгіленген қадаммен тордың пазаларында орналасқан талшықтардың массиві (3) бар классикалық тәсілді қолданады. Жұмыс барысы (демультиплексор режимінде) оңай: кіріс талшықтан мультиплексирленген ағын (А) бұрышпен конус тәріздес таралады (айнадан шағылысып, толқын ұзындығы әртүрлі жарықты әртүрлі бұрышпен шағылысатын дифрациялық торға түседі). Бұл дифрагирленген сәулелер айнадан шағылысып, белгілі бір нүктелерде фокустеледі. Бұл нүктелерде сәйкес тасушыларды бөліп алатын талшықтар массивінің қабылдағыш порттары орналасуы керек. Мысал үшін сәулелер конусы В нүктесінде (шығыс талшық портында) фокустелетін (сол бұрышпен) осындай бір арнаның бөлінуі көрсетілген.

 

 

31 Сурет-Толқын бағыттауыштар массивінде дифракциялық тор негізінде  WDM мультиплексирлеу сұлбасы: а) бір бөлгіш пен шағылысу айнасымен; б) кіріс және шығыс бөлгіштерімен.

 

          Құрылымның барлық элементтері әйнекті блокта (4) қатал белгіленген. Бұл жасалудың жоғары дәлдігін сақтауға мүмкіндік береді (32-суретті қара). Айтылған құрылым параболалық және сфералық айналармен де пайдаланылуы мүмкін, үлкейту коэффициенті 1-ге тең. Ол афокальді болып келеді (яғни, фокусы жоқ), сондықтан талшықтарда барлық кіріс және шығыс бұрыштар бірдей. Талшықтың ОМ арнайы тордың канавкасына кірістіріледі. Құрылым 1нм қадамы бар 131 арнаны немесе 0,5нм қадаммен 262 арнаға дейін пайдалануға мүмкіндік береді.

 

 

11

 

32 Сурет- Үш өлшемді оптикалық мультиплексирлеу негізінде WDM сұлбасы

 

          Барлық көрсетілген шешімдерде мультиплексирлеу процедурасы қарастырылған демультиплексирлеу процедурасына кері процесс ретінде көрсетіледі. Көрсетілген технологиялар көмегімен іске асырылған WDM мультиплексорлардың параметрлері төмендегі кестеге енгізілген.

10-кестеден көрініп тұрғандай, 3-D Optics WDM технологиясы қалғандарынан бес параметрдің төртеуі бойынша артықшылықтарға ие және WDM жүйелерінде арналар таралуы 0,4 нм-ден кем емес HDWDM деңгейіне дейін пайдаланыла алады.

10-кестеден көрініп тұрғандай, 3-D Optics WDM технологиясы қалғандарынан бес параметрдің төртеуі бойынша артықшылықтарға ие және WDM жүйелерінде арналар таралуы 0,4 нм-ден кем емес HDWDM деңгейіне дейін пайдаланыла алады.

     9 К е с т е - Оптикалық мультиплексирлеудің түрлі технологияларын салыстыру

Технология

Арналардың максималды саны [нм]

 Арналар

таралуы

Енгізілетін

Шығындар

[дБ]

Өтпелі

өшулік [дБ]

Поляризацияға

сезгіштік, %

  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

 

 

  №11 дәріс. Талшықты оптикалық желілер және DWDM технологиясы

Дәрістің мақсаты: DWDM технологиясын зерттеу.

 

          DWDM технологиясы – болашақтың оптикалық желілердің терабитті коммуникациялардың негізі. Талшықты-оптикалық байланыс жүйесі өзінің кезекті даму сатысында тұр. Бұл телекоммуникация саласында қайта бағалау процесінің жүруіне байланысты.

           Байланыста ақпарат таратудың жылдамдығының өсуіне және жаңа аудандарды қамтуына деген сұраныстар жаңа талшықты-оптикалық байланыс технологияларына, нақты айтқанда арналарды спектральді мультиплексирлеу технологиясына әкелді. Бұл технология WDM және  DWDМ – деген аттарға ие болды. WDM (wavelength division multiplexing) толқын ұзындығы бойынша мультиплексирлеу дегенді білдіреді, DWDМ толқын ұзындығы бойынша тығыздалған мультиплексирлеуді білдіреді.

          Бұл технологиялар талшықты-оптикалық байланыс арналарының өткізу қабілетін жүз есе көбейтуге мүмкіндік берді, олардың уақыттық тығыздау технологиясымен (TDM) біріктірілуі бір оптикалық талшық арқылы ақпарат таратудың террабиттік жылдамдығына қол жеткізуге мүмкіндік берді.

          Өткізілген кабельде оптикалық талшықтың өткізу қабілетін арттырудың екі тәсілі бар: неғұрлым жылдам уақыттық тығыздау технологиясын қолдану арқылы жылдамдықты арттыру немесе WDM технологияларды пайдалану көмегімен бір талшық арқылы ақпарат тарататын спектральді арналардың санын көбейту.

          ТОТЖ-да ақпарат таратудың жылдамдығын арттырудың басқа да тәсілі бар. Бұл – спектральді мультиплексирлеуді пайдалану. WDM пайдаланатын жүйелер оптикалық талшықтың бір уақытта оптикалық сәулеленудің кең

 жолағын немесе бір-бірімен интерференцияланбайтын және әсерлеспейтін көп толқындарды өткізу қабілетіне негізделген. Осы спектрдің әр толқыны немесе толқындар диапазоны дербес оптикалық арна ретінде қарастырылады. Қазіргі уақытта мұндай арналарды біріктіру және ажырату технологиялары жасалған. Бұлар әр арнаның идентификациясын қамтамасыз етеді. Мұнда мультиплексирлеу технологиясының жетіктігі соншалықты, толқын ұзындығы бойынша бөлу нанометр бөлшегіне дейінгі дәлдікпен іске асырылады.

          Мұндай технологиялардың дамуы соңғы уақытта бір талшықта дуплексті режимде жұмыс істей алатын (бір уақытта екі бағытта) жүзге дейін оптикалық арнаны іске асыратын коммерциялы қол жетімді талшықты-оптикалық жүйелерді және желілерді жасауға мүмкіндік береді.

          Атап өту керек, DWDМ технологияларды пайдалану мен ТОБЖ-ны жасаудағы жетістіктер эрбиевті талшықты-оптикалық күшейткіштердің (EDFА) пайда болуымен тығыз байланысты. Бұл күшейткіштер талшықтың мөлдірлік терезесінде толқын ұзындығында 1550 нм центрімен талшық арқылы берілетін барлық спектральді сигналдарды оларды электрлік сигналдарға түрлендірусіз күшейте алады. Мұндай күшейткіштерді пайдалану аса кең жолақты талшықты-оптикалық желілерді және қашықтық байланыс желілерін тұрғызуға мүмкіндік берді.

          ТОТЖ-де DWDМ технологияларын пайдалану тарихы 1966 ж басталады. Алғашында спектральді тығыздау қосымша кабельді тартусыз өткізу қабілетін арттыру қажеттігі туған, локальді желілердің бөлек ірі фрагменттерін байланыстыратын ұзын қашықтықты ТОБЖ-де пайдаланды. Кейін ақпаратты қызмет көрсету саласындағы сұраныстардың өсуімен және осыған байланысты локалді желілердегі ақаулықтардың пайда болуымен DWDМ технологиялары локальді желілердің басқа деңгейлерінде де қолданыла бастады. Нақты айтқанда, қазіргі кезде шетелде DWDМ технологиялары қала ішіндегі локальді желілерде кең қолданыла бастады. Intemet Protocol пайдаланатын мәліметті таратуды іске асыратын талшықты-оптикалық желілерде DWDМ технологияларын пайдаланудың үлкен болашағы бар. Қазіргі белгілі оптикалық ажырап-қосқыштарға байланысты жұмыстармен қатар DWDМ технологияларын енгізу ақпарат алмасудың арзандауына әкелетін мәлімет таратудың толық оптикалық желілерін, сонымен қатар Intemet желілерін жасауға мүмкіндік береді. Пайдаланушы үшін баға арзандауы ақырында бұл үрдісті ары жалғастырады.

          Бүгінгі таңда DWDМ технологиялары жылдам және баға тұрғысынан алғанда ТОТЖ-інде өткізу қабілетін арттырудың ең тиімді амалы болып табылады.

Алайда, кең жолақты оптикалық желілерді жасаудың неғұрлым тиімді әдісі бұл – бір уақытта уақыттық және спектрлік тығыздау. Осы жағдайда ТDМ технологиясын қолдану бөлек спектральді сигналдарды тасымалдауды оптимизацияласа, WDМ технологиясы осы арналарды өткізу жолағында тиімді таратуды қамтамасыз етеді. DWDМ сияқты технологиялардың дамуы тағы екі мәселені шешуді талап етеді. Біріншіден, осындай жүйелердің сипаттамаларын өлшеу және бақылау тәсілдерін ойластыру қажет, сондай-ақ осы өлшеулерді жүргізуге керекті құралдарды жасау керек. Қазіргі уақытта осындай өлшеулерді жүргізетін құрал ретінде берілген толқын ұзындықта жұмыс істейтін - 1,3 мкм немесе 1,5 мкм, ауыспалы блокқа тәуелді рефлектометр пайдаланылады. Бұл құрылғы ТDМ мультиплексирлеуді пайдаланатын ТОБЖ-да және локальді желілерде өлшеудің көптеген есептерін шешеді. Алайда, спектральді арналы бір-бірінен жақын орналасатын (нм шамалас) көп арналы DWDМ жүйелерін жасағанда параметрлерді бақылау қиынға түседі. Зондтаудың толқын ұзындығын өзгертуге болатын жаңа рефлектометрлерді ойлап табу қажет немесе DWDМ жүйелерінің спектральді интервалда сигналдардың өтуін зерттеудің жаңа әдістерін пайдалану керек. Осыдан басқа, сәйкесті оптикалық ажырап - қосқыштарды, маршрутизаторларды, мультиплексорларды, күшейткіштерді кіріс-шығыс құрылғыларын бақылау құралдары керек.

          DWDМ мультиплексорларының оларды жай ғана WDМ мультиплексорларынан өзгешелейтін негізгі сипаттамалары: 1550 нм бір ғана мөлдірлік терезені пайдалану, күшейту облысында EDF А 1530-1560 нм (EDFА – оптикалық күшейту жүйесі); мультиплекстелген арналардың аз арақашықтығы - 3,2/1,6/0,8 немесе 0,4 нм. Көрінетін жарықтың толқын ұзындығы 400-800 нм. Осыдан басқа, атының өзі арналардың тығыз (dense) берілуін көрсеткендіктен, қарапайым WDМ жүйелеріне қарағанда арналар саны көп және бірнеше ондықтарға дейін барады. Барлық арналарды кодтау немесе декодирлеу жүргізілгенде арнаны қоса алатын және ажырата алатын арнайы құрылғылар керек. Көптің ішінде бір арнамен жұмыс істейтін құрылғылармен толқын ұзындығы бойынша пассивті маршрутизация термині байланыстырылады. Түсінікті жағдай, көп арналармен жұмыс істегенде сигналдарды кодерлеу және декодерлеу құрылғыларының аса дәлді болуы талап етіледі және желі сапасына қатал талап қойылады. Бұдан құрылғылардың қымбаттығы көрінеді – осы уақытта үлкен көлемде ақпарат таратудың арқасында ақпарат бірлігінің бағасы төмендейді. Айнасы бар демультиплексордың жұмысы былай іске асады (33а суретті қараңыз). Мультиплексті сигнал кіріс портына келіп түседі. Осыдан кейін бұл сигнал толқын жүргізгіш пластина арқылы өтіп, дифракциялық АWG (апауеd waveguide grating) құрылым болып табылатын толқын жургізгіштер жиынтығына таратылады. Әр толқын жүргізгіште сигнал әлі де мультиплекстелген, ал әр арна барлық толқын жүргізгіштерде берілген, яғни әзірше параллельдеу ғана болды. Бұдан кейін сигналдардың айналы беттен шағылысуы жүреді, сөйтіп жарықтық ағын қайтадан толқын жүргізгіш пластинада жиналып, олардың фокустелуі және интерференциясы жүреді. Бұл кеңістікті таралған фокустелуі және интерференциясы жүреді. Бұл кеңістікті таралған максимумдары бар интерфренциялы суреттің пайда болуына әкеледі, мұнда пластина және айна геометриясының есептеулері максимумдар шығыс полюстармен беттесетіндей етіп жүргізіледі. Мультиплексирлеу кері жүреді. Мультиплексирорды жасаудың басқа әдісі бір емес, екі толқын жүргізгіш

пластинаны пайдалануға негізделеді (1-б суретті қараңыз). Мұндай құрылғының жұмыс істеу принципі алдыңғыдағыдай, бірақ мұнда фокустеу және интерференциялау үшін қосымша пластина қолданылады. DWDМ мультиплексорлар, пассивті құрылғылар болып, сигналға үлкен өшулік береді. Мысалы, демультиплексирлеу режимінде жұмыс істейтін құрылғы үшін (1а суерет) жоғалтулар 10-12 дБ, қашықтықты өтпелі бөгеуілдер кезінде – 20дБ және сигналдың жарты кеңдігіне 1нм (Oki Electric Indиstry материалдары бойынша). Үлкен шығындар әсерінен оптикалық күшейткішті DWDМ алдына немесе одан кейін орнатуға итермелейді.

Тығыз толқындық мультиплексирлеу технологиясында ең маңызды параметр көршілес арналар арасындағы қашықтық болып табылатыны күмәнсіз.  Арналардың кеңістікте орналасуының стандартизациясы олардың негізінде түрлі өндірушілер шығаратын жабдықтаулардың өзара сәйкестендірілуі бойынша сынақтар жүргізуді бастауға болатындығынан қажет. ITU- Т Халықаралық электр байланыс одағының телекоммуникацияны стандартизациялау секторы DWDM көршілес арналардың қашықтығы 100ГГц болатын жиіліктік жоспарын бекітті. Ал ол 0,8 нм толқындар ұзындығының айырмасына сәйкес келеді. 0,4 нм толқындар ұзындығының айырмасы туралы мәселе әлі шешіліп жатыр. Өткізу қабілеттілігінің арттыруға дейін әкелетіндей толқындар ұзындығының айырмасын одан әрі азайтуға болатын еді, алайда

мұндай жағдайда технологиялық қиындықтар туындайды. Мысалға, тек монохроматтық сигналды (бөгеуілсіз тұрақты жиілікті) және кеңістікте түрлі толқын ұзындықтарға сәйкес максимумдарды бөлетін дифракциялық торды генерациялайтын лазерлерді жасаумен байланысты пайда болатын қиындықтар. 100 ГГц-тік бөлуді қолданған кезде барлық арналар қалыпты түрде пайдаланылатын диапазонды толтырады, ал бұл жабдықтауды қалыпқа келтіру мен оны қайта конфигурациялау үшін өте ыңғайлы.

          Бөлу интервалын таңдау қажетті өткізу қабілеттілігімен, лазер түрімен және желідегі бөгеуілдермен анықталады. Алайда, өте кішкентай диапазонда (1530-1560 нм) жұмыс істегеннің өзінде сызықсыз бөгеуілдердің әсері осы облыстың шектерінде өте елеулі болатынын ескеру қажет. Бұл арналар санының өсуімен лазердің қуатын да арттыру қажет деген фактпен түсіндіріледі, бірақ бұл өз кезегінде «сигнал/шу» қатынасының артуына әкеп соқтырады. Нәтижесінде аса қатты тығыздауды қолдану әлі стандартталмаған және жасалу сатысында. Тығыздықты арттырудың тағы бір кемшілігі – сигналды күшейтусіз немесе регенерациясыз (кейінірек бұл туралы толығырақ айтылады) жіберу қашықтығының азаюы.

 

 

33 Сурет-DWDМ-мультиплексорларының сұлбасы: а) шағылыстырушы элементпен; б) 2 толқын өткізгіш пластиналармен

 

          Оптикалық күшейту жүйесіне толығырақ тоқталып кетейік. Проблеманың негізі неде? Алғашында сигнал лазермен генерацияланады және талшыққа жіберіледі. Ол өзгерістерге ұшырап талшық бойымен таралады. Негізгі пайда болатын өзгеріс бұл сигналдың шашырауы (дисперсия) болып табылады және бұл өзгеріспен күресу қажет. Ол толқындық дестенің ортадан өткенде пайда болатын сызықсыз әсерлермен байланысты, ал бұл ортаның кедергісімен түсіндіріледі. Сөйтіп үлкен қашықтыққа жіберу проблемасы туындайды. Үлкен қашықтық дегеніміз бұл жүздеген немесе мүлде мыңдаған километрлер. Бұл толқын ұзындығынан 12 есе көп, сондықтан сызықсыз әсерлер аз болғанымен мұндай қашықтықта олармен санасу қажеттігі таңқаларлық емес. Бұған қоса сызықсыздық лазердің өзінде болуы мүмкін. Сигналды сенімді түрде жіберудің екі түрі бар. Біріншісі, сигналды қабылдап декодирлеп, келген сигналға сәйкес жаңа сигналды генерациялайтын және әрі қарай жіберетін регенераторларды орнату. Бұл әдіс тиімді, бірақ мұндай құрылғылар өте қымбат және олардың өткізу қабілеттілігін арттыру немесе жаңа арналарды қосып өңдеу жүйенің қайта конфигурациялау қиындықтарымен байланысты. Екіншісі музыкалық центрдегі дыбысты күшейтуге толығымен аналогты болатын оптикалық сигналдың күшейтілуі. Мұндай күшейтудің негізінде EDFА технологиясы жатыр. Сигнал декодирленбейді, оның тек амплитудасы арттырылады.

 

 

 

34 Сурет- а) регенерационды қайталағыштар каскады негізіндегі; б) EDFA оптикалық күшейткіштер каскады негізіндегі оптикалық байланыс жүйелері

 

Бұл күшейту түйіндерінде жылдамдықтың жоғалуынан құтылуға және жаңа арналарды қосу проблемасынан арылуға мүмкіндік береді. Себебі күшейткіш берілген диапазонда барлығын да күшейтеді.

          EDFА негізінде желідегі қуаттың шығындалуы оптикалық күшейтумен жойылады. Регенераторларға қарағанда мұндай «мөлдір» күшейту сигналдың биттік жылдамдығына байланысты емес. Ал бұл ақпаратты одан да жоғары жылдамдықпен жіберуге және хроматикалық дисперсия, поляризациялы модалық дисперсия сияқты шектейтін факторлардың пайда болмайынша өткізу қабілеттілігін арттыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар EDFА күшейткіштері өткізу сыйымдылығына тағы бір өлшем енгізетін көп арналы WDМ – сигналын күшейте алады. Алайда бастапқы лазерлік таратқышпен генерацияланатын оптикалық сигналда әбден белгіленген поляризация бар. Оптикалық сигналдың жолындағы қалған түйіндер (оптикалық қабылдағышпен қоса) өзінің параметрлерінің поляризация бағытынан әлсіз тәуелділігін танытуы қажет.

 

35 Сурет- Спектральді анализатормен түсірілген EDFA шығыс спектрі (ASE – шуылдың спектральді тығыздығы)

          Мұндай мағынада күшейту коэффициентінің әлсіз поляризациялық тәуелділігімен сипатталатын EDFА оптикалық күшейткіштерінің жартылай өткізгішті күшейткіштерге қарағанда артықшылығы бар.

          Регенераторларға қарағанда оптикалық күшейткіштер есепке алуға қажет қосымша шуылды енгізеді. Сондықтан күшейту коэффициентімен қатар EDFА параметрлерінің маңыздысының біреуі шуыл коэффициенті болып табылады. EDFА технологиясы арзанырақ, сондықтан да тәжірибе жүзінде көбірек қолданылады.         35-суретте кірістегі сигналдың болуы мен болмауына байланысты шығыс сигналдың салыстырмалы спектрлері көрсетілген.

          Күшейткішті сипаттағанда тиімді қолданылатын тағы бір параметр ол шуыл-фактор – күшейткіштің кірісі мен шығысындағы «сигнал-шуыл» параметрлерінің қатынасы. Идеалды күшейткіште бұл параметр бірге тең болу қажет.

          EDFА күшейткіштері үшін үш қолдану әдісі бар: күшейтуге дейінгі күшейткіштер, сызықты күшейткіштер және қуаттық күшейткіштер. Біріншісі қабылдағыштың алдына орнатылады. Бұл «сигнал-шуыл» қатынасын ұлғайту үшін қажет. Ал бұл аса қарапайым қабылдағыштарды қолдануды қамтамасыз етеді және жабдықтаудың бағасын төмендете алады. Сызықты күшейткіштердің мақсаты созылыңқы желілерде немесе мұндай желілерді тармақтау жағдайында сигналды жай ғана күшейту болып табылады. Қуатты күшейткіштер шығыс сигналды тікелей лазерден кейін күшейту үшін қолданылады. Бұл лазердің қуаты шектеулі және кей жағдайда қуатты лазерді орнатқанша жай ғана оптикалық күшейткіш қою оңайырақ.

          DWDM және трафик. DWDM технологиясын қолданғанда маңызды шарттардың бірі жіберуші трафик болып табылады. Қазіргі таңдағы көптеген жабдықтаулар тек бір толқынды бір типті трафикті қолданады. Нәтижесінде трафиктің оптотолқынды (оптоволокно) толығымен толтырмайтын жағдайлары туындайды. Сонымен формальді өткізу қабілеттікті арна (мысалға  STM-16-ға эквивалент) бойымен «онша тығыз емес» трафик жіберіледі.

         Қазіргі таңда толқын ұзындықтарын толығымен қолданылатын жабдықтау пайда болуда. Мұндайда бір толқын ұзындығы түрлі типті трафикпен «толып тұруы» мүмкін, айталық TDM, А ТМ, IP-мен. Мысал ретінде Lucent Technologies шығаратын Chromatis жабдықтау түрлерін келтіруге болады, ол бір толқын ұзындығында кіріс/шығыс интерфейстерін қолданатын бүкіл трафик түрлерін жібере алады. Бұл орнатылған TDM кросс-коммутатор мен А ТМ коммутаторы арқылы жүзеге асырылады. Тағы да қосымша АТМ коммутаторы бағалы қалыптастырушы емес. Басқа сөзбен айтқанда, жабдықтаудың қосымша функционалдылығы тура сол бағамен жүзеге асырылады. Бұл келешек – өткізу қабілеттілігін оптимальді қолданатын кез келген трафикті жібере алатын әмбебап құрылғыларда екенін болжауға болады.

  

          №12 дәріс. DWDМ жабдықтаудың негізгі түйіндері. CWDM технологиясы

Дәрістің мақсаты: DWDМ және CWDM технологияларын зерттеу

 

Трафик көлемінің байланыс операторларына қарағанда ұлғаюына байланысты қалалық көліктік желілердің модернизациялануы туралы мәселе де актуалды болуда. Талшықты-оптикалық желілердің өткізу қабілеттілігін екі негізгі әдіспен ұлғайтуға болады: SТМ сигналының деңгейін көтеру арқылы немесе тығыз толқын өткізгішті мультеплексирлеу технологиясын енгізу арқылы (Dense Wavelength Division Mиltiplexing - DWDM). Бұл технология талшықтың жіберу жолағын спектральді түрде бірнеше оптикалық арнаға бөлуге негізделген. Сонымен бір жұп талшықта параллельді түрде тәуелсіз бірнеше арналар таралады (әрқайсысы өзінің толқын ұзындығында), ал бұл тарату жүйесінің өткізу қабілеттілігін арттырады. Көптеген алдыңғы қатарлы өндірушілерде DWDМ-жабдықтауы бар, ал ол С-диапазонда (1530-1565 нм) 40 оптикалық арнаға дейін мультеплексирлеуге мүмкіндік береді. Мұндағы бір арнаның ені 100 ГГц немесе 50 ГГц ені кезінде 80 оптикалық арнаға дейін барады.

          Мұндай жағдайда бір арнаның максимальді сыйымдылығы 10 Гбит/с-ке тең (STM-64 деңгейі). L диапазонында (1570-1605 нм) оптикалық арналардың максимальді саны ені 50 ГГц кезінде 160-қа дейін жетеді.

          Қазіргі таңда принципиалды жаңа, солитонды DWDМ-жүйелері нарықта пайда болды, олар арналардың өткізу қабілеттілігін және тарату қашықтығын елеулі түрде арттыруға мүмкіндік береді. Оптикалық солитонның негізгі қасиеті – оптикалық импульсті дисперсиялық жайылусыз тарату мүмкіндігі. Солитон – бұл қарқындылығы (интенсивтілігі) бойынша модуляцияланған оптикалық импульс, ол спектральді құрамалары арасындағы сызықсыз өзара әрекеттесу нәтижесінде оптикалық сигналдың талшық бойымен таралуына қарай пішінін өзгеріссіз сақтайды. Сызықты орталарда спектральді құрамалар өзара әрекеттеспейді, ал бұл сигналдың дисперсиялық жайылуына әкеледі. Энергияның қайта бөлінуінің сызықсыз әсерін есепке алсақ, сигналдың дисперсиялық жайылуын болдырмауға болады. Бұл технология STM-256 (40 Гбит/с) сигналын үлкен қашықтыққа тарату үшін аса перспективті. Алайда солитондық технологиялар оптикалық кабельдерге белгілі бір талаптар жүктейді, ал бұл олардың қазіргі желілерде толығымен ауыстырылуына әкелуі мүмкін.

          DWDM жабдықтауының төрт негізгі түйінін бөліп көрсетуге болады: оптикалық терминалдық мультиплексор (Optical Terminal Mu1tiplexer­ОТМ), регенератор (Regenerator - REG), оптикалық күшейткіш (Optical Line Amplifier - OLA), оптикалық кіріс-шығыс мультиплексоры (Optical Add Drop Multiplexer ­OADM).

          Оптикалық терминалдық мультиплексордың негізгі түйіні оптикалық мультиплексор (ОМ) мен оптикалық демультиплексор (OD) болып табылады. ОМ жіберу бағыты бойымен белгіленген толқын ұзындықтары бойынша транспондерлердің шығысында қалыптасқан сигналдарды оптикалық кабельмен таратылатын топтық сигналға мультеплексирлейді. OD кірісіне келген топтық сигналды транспондерлерге берілетін белгіленген толқын ұзындықтары бар сигналға демультеплексирлейді. Оптикалық регенератор топтық сигналдың пішінін қайта қалыптастыру, джиттерді басу және сигнал/шуыл қатынасын жақсарту үшін қолданылады. Осы мақсатпен О-Е-О (Optical- Electrical-Optical) түрлендіруі қолданылады. Топтық сигнал REG кірісінде электрлік күйге ауысады, 3R-сигналды қалпына келтіру жүргізіледі, сосын ол қайтадан оптикалық күйге түрлендіріледі. Регенератор транспондерлер арқылы back-to-back сызбасымен қосылған екі ОТМ-мультиплексорлер негізінде құрылады. Мұндай конфигурация бүкіл оптикалық арналардың кіріс-шығысын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.

          Оптикалық күшейткіш сәйкесінше топтық сигналды оның қалпына келуінсіз күшейтеді. Ақпаратты үлкен қашықтыққа жіберу кезінде күшейткіштер оптикалық арналардың қуатын түзететін эквалайзер функциясымен жабдықтайды. Қалалық жағдайда эквалайзер функциясы қолданылмайды және бұл күшейткіш бағасын төмендетеді. Оптикалық күшейткіш DWDM жабдықтауының аса арзан түйіні (ОТМ-мультилексор және регенератормен салыстырғанда).

          Кіріс-шығыс оптикалық мультиплексоры белгіленген толқын ұзындықтары бар шектелген оптикалық арналарының кіріс-шығысын жүзеге асыруға мүмкіндік беретін пассивті оптикалық интерфейс енгізілген оптикалық күшейткіш негізінде құрылады. Бұл сыну көрсеткішінің индексі периодты түрде өзгеретін брегтік тор болып табылады, мұндай сыну көрсеткіші ультракүлгін сәулелендіру арқылы оптикалық кабельге жасалынған кертіктер (насечки) арқылы алынады. Брегтік тор негізіндегі ОADМ – мультиплексорі 1-ден 12-ге дейінгі оптикалық арналардың кіріс-шығысын жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Басқа араналар үшін ол күшейткіш ретінде жұмыс істейді. Мұндай мультиплексордың ОТМ-мультиплексормен және регенератормен салыстырғанда негізгі артықшылығы – аса төмен баға. DWDМ-жабдықтаудың бағасын төмендетудің басқа бір мүмкіндігі – «түрлі-түсті» интерфейсті қолдану. Жоғарыда айтқандай, тарнспондердің бір жағынан  SDН-жабдықтау қосылады, екінші жағынан – DWDM құрылғысы (оптикалық мультиплексор/демультиплексор немесе брегтік тордың негізіндегі оптикалық кіріс-шығыс құрылғысы). Бірақ SDH-жабдықтауында  белгіленген толқын ұзындықтары бар және сәулелену спектрі кішкентай SТМ-интерфейстерін қолдансақ, онда траспондерлерге деген қажеттілік жоғалады. Мұндай SТМ – интерфейстері «түрлі-түсті» деп аталады. Оларды қолдану түрлендірулер санын азайтуға және оптикалық кабельдерді жалғау сандарын азайтуға мүмкіндік береді, ал бұл жабдықтаудың сенімділігін тудырады. Сонымен қатар, жабдықтаудың көлемі мен энергияны тұтыну да азаяды.

          CWDM технологиясы. Кәсіпорынның магистральді желілері мен қолжетушілік желілерінде (сети доступа) оптикалық талшықты қолдану талаптарының әрдайым өсуінің салдарынан толқын ұзындығы бойынша мультеплексирлеуді аз шығынмен жүргізу қажет. Шешім ретінде арналар арасындағы қашықтықты 20 нм-ге дейін азайту ұсынылды, сонда активті және пассивті компоненттер бағасы елеулі түрде азаяды. Қатқыл спектральді мультиплексирлеу (грубое спектральное мультиплексирование) технологиясы (Coarse Wavelength Division Multiplexing, CWDM) 1470 пен 1610 нм диапазонда сегіз арнаға дейін қалыптастыруға мүмкіндік береді.

          CWDM жүйелерінде толқын ұзындықтарының арасындағы қашықтық жақында ITU-мен (Халықаралық телекоммуникациялық одақ) стандартталды. ITU 0.694.2 жаңа стандарты 1270 пен 1610 нм диапазонында арналар арасындағы қашықтықты 20 нм деп анықтады. Сөйтіп, CWDM технологиясы халықаралық стандартқа айналды.

          CWDM жүйесі DWDM-нің орнына қалалық желілер мен қолжетушілік желілерінде қолданылады, және бұл жағдайда жоғары талаптар телекоммуникациялық қосымшалар мен желі топологиясы үшін түрлі спецификалық бас тартуға деген тұрақтылықты қамтамасыз етуге қойылады. Қоректендіру блогы мен вентиляторлар сияқты жүйенің сезімтал компоненттеріне арнаны  қорғау және ақпаратты трасса бойынша жіберуге аса көңіл бөлу қажет.

          Кәсіпорынның магистральді желісі. CWDM жүйелері корпоративті ақпараттық магистральді құруға келеді. Басты қолдану аясы – бір қаладағы филиалдар мен мәліметтерді өңдеу орталығымен байланыстыру. Қазіргі кезде маңыздылығы бойынша бірінші орынға оптикалық желілердің сыйымдылығын арттыру емес, түрлі желілер мен протоколдардың сәйкестендіру болып табылады. Магистральдары тек Gigabit Ethemet негізінде құрылған мәліметтерді жіберу желілерімен қатар көптеген кәсіпорындар Fibre Channel, FICON и ESCON стандарттарын ұстанатын өзінің мәліметтерді сақтау (Storage Area Network, SAN) желісін ұйымдастырады. Сонымен қатар көп жағдайда FDDI, Token Ring және АТМ технологияларын елемеу қажеттілігі туындайды. Еі интерфейсін қолданатын қарапайым телефондық құрылғыларды да ұмытпаған жөн. Мұндай жағдайда маңыздысы басынан максимальды икемді, мәліметтерді таратқанда түрлі жылдамдықпен және түрлі интерфейспен жұмыс істеу мүмкіншілігі бар жүйені қарастырған жөн. Өзіңнің магистральді желіңнің одан әрі дамуын ойластыру қажет – оның кеңеюі мен ESCON және Fibre Channel стандарттарынан толығымен бас тарту туралы. Толығымен сәйкестікке қол жеткізу үшін оптикалық интерфейс модульдік принцип бойынша жүзеге асырылуы қажет, яғни әрбір арна үшін өзара орын басуды қамтамасыз ету керек: мысалға, 850 нм диапазондағы көп модалық таратудан 1350 нм диапазондағы бір модалық  режимге ауысу.

          CWDM-нан DWDM-ге ауысу. CWDM технологиясын қолданудағы шектейтін фактор арналар санының аздығы. Жоғарыда айтылғандай, стандарттық жүйелер арқылы сегізден он алтыға дейін арналарды ұйымдастыруға болады. Қазіргі сұраныс деңгейі үшін бұл толығымен жетерлік, бірақ көптеген кәсіпорындарды келешекте инвестицияларды қорғау қызықтырады.

          Егер арналар санын ұлғайту керек болса, DWDM технологиясына көшуден басқа амал қалмайды, себебі тек қана ол арналар арасындағы аз интервал арқасында қажетті сыйымдылықты қамтамасыз етеді. Кәсіпорындарда уақыт өте келе өзінің жүйелерін DWDM жүйесіне ауыстыру қажет. Сондықтан қазіргі CDWМ жүйелеріне инвестиция өте аз салынады, себебі ол келешекте жарамай қалады.

          CWDM-нан DWDM-ға біртіндеп ауысудың жаңа концепциясы екі жүйенің артықшылықтарын біріктіруге мүмкіндік береді. Сәйкес лазерді таңдағанда бір CWDM арнасында сегіз DWDM арнасын CWDM-нің басқа арналарының жұмыс қабілеттілігін бұзбай ұйымдастыруға болады. Мұндай жұмыс режимінде DWDM арналары арнайы мультиплексор/демультиплексор мен пассивті CWDM арнасымен байланыстырылады.

          Нәтижесінде кәсіпорын өте икемді және экономды шешім қабылдайды. CWDM жүйесінде тек сегіз арнаның санын арттыру үшін бір белсенді арнаны пассивті режимге ауыстырамыз және онда  сегіз DWDM арнасын ұйымдастыруға болады. Ол үшін сегіз арнаны ұстанатын DWDM шассиін ғана қосу қажет. Қалған жеті CWDM арналары және оған қоса сегіз DWDM арнасы 15 жұмыс арнасын қалыптастырады. Жүйені одан әрі кеңейту қажеттілігі туындағанда тура осындай тағы бір операцияны жүргізуге болады, онда CWDM жүйесі 64-арналы DWDM жүйесіне ауысады және бұл үшін аса көп инвестиция қажет емес. Мұндай жағдайдың өзінде кәсіпорын бар жүйені қолдана алады.

          Оптикалық күшейткіш. CWDM арнасының спектральді ені үлкен болғандықтан, бір күшейткіш арқылы бірнеше арналарды күшейту мүмкін емес. Эрбия (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFА) қосымшасы бар күшейткішті қолдану арқылы сигналдарды тек CWDM диапазонында күшейтуге болады, соның өзінде бірден сегіз арнаны бірдей күшейту мүмкін емес. Проблеманы шешудің жолдарын іздеу кезінде кремнийлік оптикалық күшейткіш (Silicon Optical Amplifier, SOA) пайда болды, алайда бұл перспективті ашылу әлі жасалу үстінде және арналар саны мен күшейту деңгейі туралы нақты сандар жоқ. Алайда қалалық желілерде оптикалық арналар санының жетіспеушілігі аса күрделі жағымсыздық емес, себебі ондағы сигналдар алыс емес қашықтыққа таратылады және тарату күшейтусіз-ақ жүзеге асырыла алады.

          Соңғы жылдары CWDM технологиясы оптикалық талшықты көп рет қолдану жағынан одан эффективті альтернативті DWDM технологиясымен ауыстырылды. Арналар арасындағы қашықтықтың үлкен болғандығынан (20 нм) әрекет ететін арналардың жалпы саны шектелген (талшық сапасына байланысты сегізден он алтыға дейін). 

 

Әдебиеттер тізімі 

1.  Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: Эко-Трендз, 2000. – 267 с.

2.  Вербовецкий А.А. Основы проектирования цифровых оптоэлектронных систем связи. – М.: Радио и связь, 2000. – 160с.

3.  Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Сайрус системс, 1999. – 663 с.

4.  Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. – М.: СОЛОН-Р, 2001. – 238 с. 

5.  Крухмалев В.В. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. М.: Горячая линия – Телеком, 2004. – 506 с.

6.  Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1989. – 504 с.

7.  Девицына С.Н. Проектирование магистральных и внутризоновых волоконно-оптических линий связи с применением оборудования синхронной цифровой иерархии (SDH): Уч. пособие. – Ижевск: ИжГТУ, 2003. – 88 с.

8.  Бутусов М.М., Верник С.М. и др. Волоконно-оптические системы передачи. М.: Радио и связь, 1992. – 416 с.

9.  Бутусов М.М. Волоконная оптика и приборостроение. М.: Машиностроение, 1987.

       10. Гроднев И.И. Одномодовая связь по оптическим кабелям: Уч. пособие. – М.: МИС, 1990.

 

 

                                                    Мазмұны 

 

Кіріспе

3

 №1

дәріс. Оптикалық талшық тарату құралы ретінде

5

№2

дәріс. Оптикалық талшықтың беріліс сипаттамалары 

8

№3

дәріс. Оптикалық тарату жүйелерінің функционалды     элементтері

12

№4

дәріс. Қабылдайтын оптикалық модулдер

16

№5

дәріс. Қайталағыштар және оптикалық күшейткіштер

19

№6

дәріс. Регенерациялық аймақтың ұзындығын есептеу

22

№7

дәріс. ТОТЖ тығыздау әдістері

23

№8

дәріс. ТОТЖ сызықты кодалары

27

№9

дәріс. ТОТЖ аппаратурасы

30

№10

дәріс. WDM технологиясының негіздері

37

№11

дәріс. Талшықты оптикалық желілер және DWDM технологиясы

42

№12

дәріс. DWDМ жабдықтаудың негізгі түйіндері. CWDM технологиясы.

49

 

Әдебиеттер тізімі

54