МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

 Некоммерческое акционерное общество

Алматинский университет энергетики и связи

  

 

Г.С. Казиева 

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

 Учебное пособие

 

 

Алматы 2012

УДК

Оптические системы связи в телекоммуникационных системах

Учебное пособие/ Г.С. Казиева;

АУЭС. Алматы 2012.-84 с.

 

Учебное пособие, содержащие общие сведения о построении оптических систем связи в телекоммуникационных системах, технические и конструктивные параметры систем оптической связи. Представлен список используемой литературы.

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

Ил.   35  , табл.27, библиогр.  21    назв.9

   

ББК

  

 Рецензенты: док. техн. наук, проф.КУПС  С.К.Султангазин

           канд. техн. наук, доц.АУЭС  К.С.Чежимбаева

 

Печатается по плану издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2011 г.

 

 

ISBN

 

© НАО "Алматинский  университет энергетики и связи", 2012 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение                                                                                                           4

1 Глава.  Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH                          6

1.1 Общие особенности построения синхронной иерархии                           6

2 Глава. Нелинейные явления в волокне                                                          21

3 Глава. Технологии оптического мультиплексирования  WDM и DWDM    23

3.1 Мультиплексирование с разделением по длине волны                             23

3.2 Модель взаимодействия транспортных технологий                                 25

3.3 Схемы реализации мультиплексоров WDM                                                  27

3.4 Узкополосные и широкополосные WDM                                                  29

3.5 Предпосылки развития DWDM                                                                           31

3.6 Мультиплексоры DWDM                                                                           32

4 Глава. Технология SWDM                                                                            34

5 Глава. Структура  DWDM-технологии                                                          38

6 Глава. Оптические усилители                                                                            48

6.1 Типы оптических усилителей                                                                         48

7 Глава. Многоволновое уплотнение оптических несущих (для WDM и DWDM)                                                                                                          59

8 Глава. Оптические компоненты                                                                    66

9 Глава . Характеристики промышленных систем WDM                                   71

10 Глава Оборудования фирмы HUAWEI                                                            76

Глоссарий                                                                                                                 79

Список литературы                                                                                              80

 


                                        Введение 

Отвечать растущим объемам передаваемой информации на уровне сетевых магистралей можно, используя оптическое волокно. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Множество компаний, в том числе крупнейшие: IBM, Lucent Technologies, Nortel, Corning, Alcoa Fujikura, Siemens, Pirelli - ведут интенсивные исследования в области волоконно-оптических технологий. К числу наиболее прогрессивных можно отнести технологию плотного волнового мультиплексирования DWDM, позволяющую значительно увеличить пропускную способность существующих волоконно-оптических магистралей.

Благодаря появлению современных волоконно-оптических кабелей (ВОК), оказались достижимыми высокие (несколько Гбит/с) скорости пе­редачи V в линейных трактах (ЛТ) цифровых систем передачи (ЦСП) с од­новременным удлинением секций регенерации 1 до 100 км и более. Произ­водительность (произведение 1∙V) таких ЛТ превышает производитель­ность цифровых трактов на кабелях с цифровыми парами в 100 и более раз, что радикально увеличивает их экономическую эффективность.

 Большин­ство регенераторов оказывается возможным совместить с оконечными или транзитными станциями. Однако использование существующей асинхронной системы группообразования цифровых потоков для получения высокоскоростных сигна­лов приводит к громоздким и малонадёжным техническим решениям. За­труднён доступ к составляющим (компонентным) цифровым потокам для ответвления и транзита (для чего нужно многоступенное расформирование группового сигнала).

При нарушениях синхронизации группового сигнала сравнительно большое время тратится на многоступенное восстановление синхронизации компонентных потоков. Эти трудности можно преодолеть при синхронной системе группообразования. Для повышения надёжности и достоверности передачи информации по сети с одновременным снижением эксплуатационных затрат необходи­ма глубокая автоматизация функций контроля, управления и обслужива­ния (Орегаtiоn, Аdminisstration  and   Маnаgement, ОАМ) сети, что достижимо при органическом внедрении техники ЭВМ в аппаратуру связи. Разрабо­танные в последние годы для вычислительных сетей методы взаимодей­ствия открытых систем (ВОС), с чётким разделением этих сетей на отдель­ные слои и стандартизацией интерфейсов и протоколов взаимодействия, нашли применение в системе управления и обслуживания сети связи (Те1есоmmunication Маnаgеmеnt  Network, ТМN). Эти методы представляются плодотворными и для построения собственно сети связи.

Однако для эффективного внедрения новых функций в действующие сетевые структуры и в аппаратуру связи потребовалась бы их существенная переработка. Например, в циклы ЦСП нужно включить дополнительные позиции для контрольных и управляющих сигналов, а в аппаратуру пере­дачи и оперативного управления - интерфейсные, контрольные и исполни­тельные устройства. Кроме того, пользователи служб электросвязи ожидают получить больший выбор услуг проводной и мобильной связи, а также улучшенное качество обслуживания, низкие расходы, более оперативное реагирование на запросы, набор индивидуальных услуг. Крупные деловые абоненты на­чинают требовать усовершенствования возможности управления своими сетевыми средствами, включая большую гибкость управления пропускной способностью. Потребности существенного увеличения объёма, надёжности и эко­номичности передачи цифровой информации предопределили необходи­мость SDH (Synchronous Digital  Нierarchy), DWDM.

 

1 Глава.  Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH

 

1.1 Общие особенности построения синхронной иерархии

 

При разработке SDH обеспечивалась преемственность европейской иерархии PDH: терминальные мультиплексоры и мультиплексоры ввода/вывода сетей SONET/SDH, через которые осуществляется доступ в сеть, были рассчитаны на поддержку только тех входных каналов, или каналов доступа, скорость передачи которых соответствовала объединённому стандартному ряду американской и европейской иерархии PDH, а именно: 1.5, 2, 6, 8, 34, 45, 140 Мбит/с. Цифровые сигналы каналов доступа, скорость передачи которых соответствует указанному ряду, будем называть трибами PDH (или в терминологии связистов компонентными сигналами), а сигналы, скорость передачи которых соответствует стандартному ряду скоростей  SDH, трибами SDH.  

Первая особенность - поддержка в качестве входных сигналов каналов доступа только трибов PDH и SDH.

Другая особенность - процедура формирования структуры фрейма.

Для реализации этого метода было предложено использовать понятие контейнер, в который и упаковываются трибы. По типоразмеру контейнеры делятся на 4 уровня, соответствующие уровням PDH. На контейнер наклеивается ярлык, содержащий управляющею информацию для сбора статистики прохождения контейнера. Контейнер с таким ярлыком используется для переноса информации, т.е. является логическим, а не физическим объектом, поэтому его называют виртуальным контейнером.

Вторая особенность иерархии SDH - трибы должны быть упакованы в стандартные помеченные контейнеры, размеры которых определяются уровнем триба в иерархии PDH.

Третья особенность иерархии SDH - положение виртуального контейнера может определятся с помощью указателей, позволяющих устранить противоречие между фактом синхронности обработки и возможным изменением положения контейнера внутри поля полезной нагрузки.

Четвёртая особенность иерархии SDH - несколько контейнеров одного уровня могут быть сцеплены вместе и рассматриваться как один непрерывный контейнер, используемый для размещения нестандартной  полезной нагрузки.

Пятая особенность иерархии SDH состоит в том, что в ней предусмотрено формирование отдельного (нормального для технологий пакетной обработки в локальных сетях) поля заголовка размером 9∙9=81 байт.

Самой важной особенностью сети SDH является ее деление на три функциональных слоя, которые подразделяются на подслои (см. таблицу 1.1). Каждый слой обслуживает вышележащий слой и имеет определенные точки доступа. Слои имеют собственные средства контроля и управления, что упрощает операции по ликвидации последствий отказов и снижает их влияние на вышележащие слои. Независимость слоев позволяет внедрять, модернизировать или заменять их, не затрагивая другие слои.

 

Таблица 1.1 – Деление SDH на функциональные слои

Слои

Подслои

Каналы

 

Тракты

низшего порядка

высшего порядка

Среда передачи

Секции

Мультиплексные регенерационные

 

Физическая среда: ВОЛС, РРЛ

 

Важнейшими для последующего изложения являются сетевые слои: каналов, трактов и секций. Сеть каналов - слой, обслуживающий собственное пользователей. Их терминалы подключаются к комплектам оконечной аппаратуры SDH соединительными линиями. Сеть каналов соединяет различные комплекты оконечной аппаратуры SDH через коммутационные станции.

Группы каналов объединяются в групповые тракты различных порядков, образуя сеть трактов. Имеются два сетевых слоя трактов (сверху вниз по иерархии SDH) низшего и высшего порядков. В слое трактов осуществляется программный и дистанционный контроль и управление соединениями. Все тракты оканчиваются в аппаратуре оперативного переключения, входящей в мультиплексоры SDH.

Групповые тракты организуются в линейные, построение которых зависит от среды передачи (оптическое волокно, радиорелейные линии). Это сетевой слой передачи. Он подразделяется на две части: слой секций (верхний) и слой физической среды. Сетевой слой секций разделяется на два. Верхним является слой мультиплексных секций (МС). МС обеспечивает передачу информации между пунктами, где оканчиваются или переключаются тракты. Нижний слой регенерационных секций (РС) обеспечивает передачу информации между регенераторами или регенераторами и пунктами окончания или переключения трактов.

 

Функциональные задачи и модули сетей SDH

 

Сеть SDH строится из отдельных функциональных модулей ограниченного набора: мультиплексоров, концентраторов, регенераторов и терминального оборудования. Этот набор определяется основными функциональными задачами, решаемыми сетью:

 - сбор входных потоков через каналы доступа в агрегатный блок, пригодный для транспортировки сети SDH, задача мультиплексирования,  решаемая терминальными мультиплексорами - ТМ сети доступа;

 - транспортировка агрегатных блоков по сети с возможностью ввода/вывода  входных/выходных потоков - задача транспортирования, решаемая мультиплексорами ввода/вывода - ADM, логически управляющими информационным потоком сети, а физически - потоком в физической среде, формирующей в этой сети транспортный канал;

 - перегрузка виртуальных контейнеров в соответствии со схемой маршрутизации из одного сегмента сети в другой, осуществляемая в выделенных узлах сети, - задача коммутации, или кросс коммутации, решаемая с помощью цифровых коммутаторов или кросс коммутаторов - DXC;

 - объединение нескольких однотипных потоков в распределительный узел - концентратор (или хаб) - задача концентрации, решаемая концентраторами;

 - восстановление (регенерация) формы и амплитуды сигнала, передаваемого на большие расстояния, для компенсации его затухания - задача регенерации, решаемая с помощью регенераторов - устройств, аналогичных повторителям в LAN;

 - сопряжение сети пользователя с сетью SDH - задача сопряжения, решаемая с помощью оконечного оборудования - различных согласующих устройств, например, конвертеров, интерфейсов, конвертеров скоростей, конвертеров импедансом  и т.д.         

 

 Мультиплексор

 

Основным функциональным модулем сетей SDH является мультиплексор. Мультиплексоры SDH в отличие от обычных мультиплексоров, используемых, например, в сетях PDH, выполняют как функции собственно мультиплексора, так и функции устройств терминального доступа, позволяя подключать низкоскоростные каналы PDH иерархии непосредственно к своим входным портам. Они являются более универсальными и гибкими устройствами, позволяющими решать практически все перечисленные выше задачи, т.е., кроме задачи мультиплексирования, выполнять еще и задачи коммутации, концентрации и регенерации. Это оказывается возможным в силу модульной конструкции SDH мультиплексора - SMUX, при которой выполняемые функции определяются лишь возможностями системы управления и составом модулей, включенных в спецификацию  мультиплексора.

Принято выделять два основных типа SDH мультиплексора: терминальный мультиплексор и мультиплексор ввода/вывода.

Другой важной особенностью SDH мультиплексора является наличие двух оптических линейных входов (каналов приёма/передачи), называемых агрегатными выходами и используемых для создания режима стопроцентного резервирования, или защиты по схеме 1+1 с целью повышения надёжности. Эти выходы (в зависимости от топологии сети) могут называться основными и резервными (линейная топология) или восточными и западными (кольцевая топология).

Резервирование 1+1 в сетях SDH является их внутренней особенностью и не имеет ничего общего с так называемым внешним резервированием, когда используется альтернативный (резервный) путь от одного узла сети к другому, как это делается в так называемой ячеистой сети SDH, работающей в незащищённом режиме.

 

Топология "Кольцо"

 

Эта топология (см. рисунок 1.1), широко используется для построения SDH сетей первых двух уровней SDH иерархии (155 и 622 Мбит/с).

Основное преимущество этой топологии - лёгкость организации защиты типа 1+1, благодаря наличию в синхронных мультиплексорах SMUX двух пар (основной и резервной) оптических агрегатных выходов (каналов приёма/передачи): восток - запад, дающих возможность формирования двойного кольца со встречными потоками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 - Топология "кольцо" с защитой 1+1 на уровне трибных блоков TU-n

                                                         

 Кольцевая топология обладает рядом интересных свойств, позволяющих сети само восстанавливаться, т. е. быть защищённой от некоторых достаточно характерных типов отказов.

 

Аппаратура SDH

 

В отличие от PDH, где аппаратура узко специализировалась для преобразования передачи, оперативного переключения или других функций, аппаратура SDH многофункциональна. Все виды выпускаемого разными фирмами оборудования SDH выполняет функции передачи по линии, контроля и управлении, большинство из них имеют функции преобразования, автоматического переключения и т.д. поэтому приводимое ниже разделение аппаратуры SDH по типам является условным.

Основным типом аппаратуры  SDH является СМ. Он выполняет функции преобразования, оперативного переключения, ввода/вывода цифровых потоков и передачи/приёма с линии. Кроме того, он участвует в функциях конфигурирования и контроля сети. В соответствии с высшим уровнем синхронных транспортных модулей, которые обрабатывают СМ, различают   СМ-1, СМ-4 и  СМ-16.

Мультиплексоры первого уровня образуют сети доступа. Они формируют из сигналов потребителей сигналы STM-1, которые либо используются в качестве линейных, либо по внутристанционным связям подаются в СМ-4 или СМ-16 для дальнейших преобразований.

Мультиплексоры высших уровней работают на более загруженных участках сети, например, магистралях. Они воспринимают сигналы STM-1 и PDH – сигналы 140 Мбит/с и формируют из них новые STM-N.

Мультиплексоры всех указанных видов обычно могут работать в качестве оконечных (ОМ) ввода/вывода (МВВ) и имеют встроенную АОП.

Второй распространённый тип аппаратуры SDH – автономная АОП. Её функции – переключение цифровых потоков и передача по линии. Кроме того, АОП является шлюзом между сетями SDH и PDH, т.е. выполняет и функции СМ. Возможны комбинации функций АОП разных уровней SDH и PDH.

В качестве станционных регенераторов на сетях SDH используют СМ, транслирующие между секциями регенерации на весь сигнал STM-N, а только VC-4.

Специфичным для SDH является головное устройство (Element Manager) системы обслуживания, его задача – контроль и управления всеми сетевыми элементами SDH (в том числе реконфигурация сети и каждого сетевого элемента). Сетевыми элементами являются СМ, АОП и регенераторы, с которыми Element Manager связывается по каналам, встроенным в заголовки STM-N, VC-n или по локальной сети (например, Ethernet) после создания общественной системы обслуживания TMN последняя должна будет взять на себя функции Element Manager.

 

Характеристика сети SDH

 

Технологии SDH (Synchronous Digital Hierarchy - Синхронная Цифровая Иерархия) позволяет создать единую транспортную среду для разнородных информационных потоков.

При этом совокупная пропускная способность сети достаточна для того, чтобы в едином потоке передавать большие массивы информации - как телефонно-голосовой, так и изначально существующей в виде цифровых данных.

Оборудование постоянно самотестируется и при возникновении какой-либо неисправности соответствующее сообщение посылается центральной системе управления, которая выдает диагностическое сообщение на монитор оператора и одновременно сохраняет его в базе данных для последующего анализа.

Каналы в сети продублированы с помощью обходных путей, на которые система переключается в случае ухудшения качества передачи или пропадания основного канала. Такой принцип управления обеспечивает полное сохранение связи в случае аварии на кабельных трассах или выходе из строя каких-либо элементов сетевого оборудования.

Топологически сеть состоит из кольца со скоростью передачи информации 622 Мбит/с (STM-4). Сеть предоставляет возможность передачи по каждому из направлений до 63 или 252 Е1 (2 Мбит/с) по STM-4. Такая пропускная способность обеспечивает передачу  до 7560 телефонных каналов. Используемым PDH-интерфейсом является G.703.

От пользователей в SDM поступают потоки 2,048 Мбит/с; трассы прохождения потоков задаются программно. Кольцевая структура и резервирование каналов обеспечивают связность сети при авариях  и бесперебойность передачи данных.

Все сетевые элементы управляются из единого центра управления сети. Система управления отвечает всем самым современным требованиям, предъявляемым к системам такого рода, а многие ее функции являются уникальными.

Система управления предоставляет оператору множество различных возможностей для управления сетью. В частности, система позволяет:

- собирать и анализировать аварийные сообщения в режиме реального времени, осуществлять мониторинг и конфигурацию удаленного сетевого элемента (до уровня блока);автоматически создавать канал указанием его начальной и конечной точек, контролировать качество канала без нарушения связи, устанавливать «петли» на ближнем и дальнем концах, а также контрольные точки на любом участке пути, что существенно облегчает поиск неисправности;

- строить каналы с одним входом и несколькими выходами, что создает удобную среду для передачи оцифрованных сигналов кабельного телевидения;

- редактировать конфигурации канала без перерыва связи, переводить периферийное оборудование сети на новую версию программного обеспечения из центра управления без перерыва связи.

Для подключения станции к кольцу SDH на станции предусматривается установка мультиплексора ввода/вывода ADM. Мультиплексор служит как для сборки (мультиплексирования) высокоскоростного потока из низкоскоростных, так и для демультиплексирования, т.е. разборка высокоскоростного потока с целью выделения низкоскоростных потоков. Мультиплексор может также осуществлять локальную коммутацию входа одного трибного интерфейса на выход другого трибного интерфейса. Как правило, эта коммутация ограничена трибами 2 Мбит/с. Мультиплексор ADM позволяет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков, а также осуществлять замыкание канала приема на канал передач  в случае выхода из строя одного из направлений.

Наконец он позволяет (в случае аварийного выхода из строя мультиплексора) пропускать основной оптический поток мимо него в обходном режиме. Все это дает возможность использовать ADM в топологиях типа кольца. Мультиплексор состоит из следующих основных блоков:

- трибные блоки с набором электрических портов для приёма входных потоков различной скорости (от 2 до 155 Мбит/с);

- двух пар (основной и резервной) мультиплексоров и коммутаторов для мультиплексирования, локальной коммутации и управления потоками, двух оптических агрегатных блоков с выходными портами 622 Мбит/с (STM-4) ”восток” и ”запад” для формирования выходных потоков;

- двух (основного и резервного) блоков питания;

- интерфейсами контроля и управления, служебным каналом.

Он обеспечивает мультиплексирование различных входных потоков, подаваемых на входные электрические порты трибных интерфейсов: до 252 потоков 2 Мбит/с, или до 12 потоков 34 Мбит/с, или до шести или 12 частично заполненных потоков 155 Мбит/с в один или два потока 622 Мбит/с, формируемых на выходе оптических агрегатных блоков. Мультиплексор и его блоки имеют следующие характеристики:

а) интерфейсные входы и выходы трибов: скорость передачи данных на входе 2 Мбит/с или 622 Мбит/с, входной импеданс - 120 Ом (симметричный вход) для 2 Мбит/с;

б) оптические входы и выходы трибов и агрегатных блоков: длина волны 1310 нм для коротких и средних оптических секций, 1550 нм для длинных секций, максимально допустимые потери на секцию   12/12/24 дБ для коротких, средних и длинных секций при 1310 нм и  24 дБ для длинных секций при 1550 нм, тип кабеля - одномодовый.

В качестве передающей среды оборудования SL4 используется оптическое волокно. Оптическое волокно должно соответствовать Рекомендациям G.652 и G.653 МСЭ-Т [4]. Дисперсия волокон, соответствующих Рекомендации G.652, оптимизирована для диапазона 1300 нм, тогда как дисперсия волокон, соответствующих Рекомендации G.653, оптимизирована для диапазона 1550 нм. Тем не менее волокна, соответствующие Рекомендации G.652, могут быть использованы для обоих диапазонов. Все узлы оборудования SL4 могут быть оборудованы оптическими платами как для диапазона 1300 нм, так и для диапазона 1550 нм.

 

Структура тракта передачи, оптический диапазон

 

На рисунке 1.2 приведена структура двунаправленного тракта передачи, организованного на базе оборудования SL4.

Для передачи сигналов STM-4 в соответствии с Рекомендацией G.957 МСЭ-Т используется линейный код NRZ (без возврата к нулю) со скремблированием. В линейном регенераторе входной оптический сигнал преобразуется в электрический, усиливается, регенерируется и преобразуется обратно в оптический сигнал. Линейный регенератор обеспечивает доступ к каналу служебной связи и дополнительным вспомогательным каналам передачи данных секции регенерации. Между двумя оконечными пунктами допускается размещать до 48 регенераторов SL4. При этом суммарная величина фазового дрожания не превышает допустимого значения.

Тракты передачи с большей длиной могут быть организованы путем каскадного включения секций регенерации, на концах которых включено линейное оконечное  оборудование.

 

 

Рисунок 1.2 - Структура тракта передачи на базе линейного оборудования    СЦИ SL4

AUX - дополнительные каналы Qx;

QD2 - интерфейс системы, управления сетью (TMN);

F1 - F1 интерфейс: 2488.320 Мбит/с;                

SRL4 - линейный регенератор в коде NRZ, СЦИ;                                 

F2 -   F2 интерфейс: электрический 155 Мбит/с;

SLT4 - линейный терминал СЦИ или 140 Мбит/с ПЦИ;              

F(OT) - интерфейс рабочего терминала ;

T3 - вход синхронизации  (выход  T3 - в стадии подготовки).

В случае, если оборудование SLR не может быть использовано, например, в подводных кабельных линиях большой протяженности, данная задача может быть решена с использованием оптических усилителей (ONV) или, в случае необходимости, оптических предусилителей (OVV).

В диапазоне 1550 нм на передающем конце оптический усилитель может быть использован для увеличения выходной мощности передатчика на 13 дБ. На приемном конце оптический усилитель может быть использован для увеличения чувствительности приемника на 10.5 дБ.

 

 

Применение в сетях передачи информации

 

Модульная конструкция оборудования SL4 означает, что оно может быть использовано для различных применений. Следующие важные функциональные характеристики могут быть оптимизированы для конкретного случая путем использования различных вариантов конструктивного исполнения:

- оптические приемники и передатчики для различных диапазонов длины волны (1300 нм или 1550 нм) и различной длины линии передачи;

- оптические усилители, позволяющие увеличить длину секции регенерации, например, для подводных кабельных линий;

- переключаемый электрический интерфейс F2 для плезиохронных 140 Мбит/с или синхронных 155 Мбит/с сигналов;

- наличие оптического выхода интерфейса F2;

- дублирование выхода интерфейса         F2 для различных специальных случаев;

- наличие плат, обеспечивающих доступ к байтам секционного заголовка (SOH), (платы ZK11 и OPF2);

- оборудование служебной связи.

Таким образом, система SL4 оптимально подходит для магистрального тракта передачи большой протяженности (с регенераторами SLR4).

 

В свете изложенного, разработку СЦИ можно рассматривать в ка­честве способа введения вышеупомянутых новшеств с "чистого листа". Фактически в рамках СЦИ новая перспективная концепция цифровых се­тей и аппаратуры, учитывающая современные достижения системотехники и технологии. Вместе с тем, СЦИ разрабатывается так, чтобы она могла действовать в окружении существующих сетей с использованием большей части действующей аппаратуры. СЦИ обеспечивает следующие преимущества:

- сокращение издержек технической эксплуатации и технического об­служивания вследствие широких возможностей сетевого управле­ния в системах СЦИ;

- сокращается потребность в аппаратуре вследствие эффективности ввода-выделения каналов без разуплотнения всей системы связи;

- повышает производительность и надёжность сети, т.к. уменьшается количество аппаратуры;

     - гибкая структура цикла предоставляет запас для удобного наращи­вания пропускной способности, стык 155520 Кбит/с (STM-1).

Результаты внедрения СЦИ будут также весомы, как были весомы ре­зультаты переходов в 70-е года переход к цифровым системам передачи.          Синхронная цифровая иерархия - это набор цифровых структур, стандартизированных с целью транспортирования нужным образом адап­тированной нагрузки по физическим сетям. СЦИ рассчитывается на транспортирование как сигналов действую­щих плезиохронных цифровых иерархий (Р1еsiochronous  Digital  Hiегагсhies, РDН), так и сигналов новых широкополосных служб. Особо отметим, что, выполняя транспортные функции, СЦИ не решает проблем взаимодей­ствия сетей, использующие различные ПЦИ и различные законы кодиро­вания сигналов. Уровни СЦИ определяют структуру цикла и скорость передачи груп­пового сигнала на интерфейсе сетевого узла (Network  Node  Interface,NNI). Для первого уровня установлена скорость передачи 155520 Кбит/с. Ско­рости высших уровней получаются умножением данной скорости на целое число, равное высшему уровню. На сегодняшний день существует три уровня СЦИ: 1, 4, 16. Им соот­ветствуют следующие скорости передачи: 155520 Кбит/с (1920 каналов), 622080 Кбит/с (7680 каналов), 2488320 Кбит/с (30720 каналов). Изучается перечень уровней выше 16-го. В сети СЦИ используется принцип контейнерных перевозок. Подле­жащие транспортированию сигналы предварительно размещаются в стан­дартных контейнерах С (Соntainer). Все операции производятся с контейне­рами независимо от их содержимого. Благодаря этому и достигается про­зрачность сети СЦИ, т.е. возможность транспортировать различные сиг­налы ПЦИ, потоки ячеек АТМ или какие-либо новые сигналы. Имеются контейнеры 4-х уровней. Все они, вместе с сигналами ПЦИ в них размещаемыми, указаны в таблице 1.2  (скорость 8 Мбит/с европейской ПЦИ не дана, т.к. в настоящее время контейнер С-2 предназначен для но­вых сигналов с неиерархическими скоростями, например, АТМ-ячеек).

 

 Таблица 1.2- Стандартные контейнеры

 

 

Уровень

Контейнер

Сигнал ПЦИ, Мбит/с

1

С-11, С-12

1,5 и 2

2

С-2

6

 

 

 

3

С-З

34 и 45

4

С-4

140

 

Концепция СЦИ излагается в комплексе рекомендаций, описы­вающих сетевые структуры, принципы построения оборудования и ОАМ - функции. Эти рекомендации стандартизируют не схемы аппаратуры, а функции различных структур СЦИ, оставляя свободу для аппаратных реа­лизаций. Созданы следующие рекомендации по СЦИ (они продолжают кор­ректироваться и дополняться):

G.652 - характеристики одномодовых волоконно-оптических кабелей;

G.653 - характеристики одномодовых волоконно-оптических кабелей со смещенной дисперсией;

G.654 - характеристики одномодовых волоконно-оптических кабелей с минимальным затуханием на длине волны 1550 нм;

G.702 - скорости передачи цифровой иерархии;

G.703 - физические и электрические характеристики иерархических цифровых интерфейсов;

G.707 - скорости передачи СЦИ;

G.708 - интерфейс сетевого узла ддя СЦИ;

G.709 - структура синхронного группообразования;

G.781 - структура рекомендаций по аппаратуре группообразования СЦИ;

G.782 - типы и общие характеристики аппаратуры группообразования СЦИ;

G.783 - характеристики функциональных блоков аппаратуры группо­образования СЦИ;

G.784 - управление и обслуживание СЦИ;

G.803 - архитектура транспортных сетей на базе СЦИ;

G.811 - требования к стабильности частоты первичных эталонов, при­годных для плезиохронного воздействия международных цифровых трак­тов;

G.812 - требования к стабильности частоты вторичных эталонов, при­годных для плезиохронного взаимодействия международных цифровых трактов;

G.956 - цифровые линейные тракты, основанные на иерархии на базе 2048 Кбит/с, для использования на волоконно-оптических кабелях:

 G.957 - оптические интерфейсы для аппаратуры и систем, относя­щихся к СЦИ;

 G.958 - цифровые линейные тракты, основанные на СЦИ, для исполь­зования на волоконно-оптических кабелях.

Сеть СЦИ строится по функциональным слоям, верхний занимает пользователь. Он является клиентом, которого обслуживает нижележащий сетевой слой. Тот, в свою очередь, выступает в роли клиента для следую­щего слоя и т.д. Деление по слоям позволяет: внедрять и менять независи­мо друг от друга отдельные сетевые слои, часть которых может сохранять­ся при смене нескольких поколений технологий. Сетевые слои делятся на слои каналов, трактов и секций (см. таблицу 1.3). Сеть каналов - слой, обслуживающий собственно пользователей. Их терминалы подключаются к комплектам оконечной аппаратуры СЦИ сое­динительными линиями (СЛ). Сеть каналов соединяет различные комплек­ты оконечной аппаратуры СЦИ через коммутационные станции (например, ЭАТС).

 

 Таблица 1.3 - Сеть СЦИ

Слои

Подслои

1 Каналы

 

2 Тракты

Низшего порядка

Высшего порядка

Среда передачи

Секции

Мультиплексные

Регенерационные

Физическая среда

 

Слой каналов поддерживает службу аренды ка­налов, службу пакетной коммутации, коммутации каналов. Группы каналы объединяются в групповые тракты различных поряд­ков, образуя сеть трактов (сверху вниз по иерархии СЦИ) - низшего и высшего порядков, которые полностью не зависят от физической среды и могут иметь собственную топологию. В каждом слое может осуществлять­ся коммутация - с помощью аппаратуры оперативного переключения (АОП) трактов. Групповые тракты организуются в линейные, построение которых за­висит от среды передачи (0В, РРЛ). Это сетевой слой среды передачи. Он подразделяется на два: слой секций (верхний) и слой физической среды. Линейные тракты СЦИ выполняют и часть функций аппаратуры группообразования, например, ввод и ответвление цифровых потоков. Сетевой слой секций подразделяется на два. Верхним является слой мультиплексных секций (МS). Нижний слой - слой регенерационных секций (RS).

Целостность информации клиента в пределах данного слоя сети обес­печивает трасса (trail). Это введение в СЦИ понятие обобщает понятие ка­налов, трактов и секций. Трасса включает средства передачи сигналов и ОАМ-средства. Поступающая в каждый слой информация клиента прохо­дит через точки доступа, лежащие на границах слоя. Взаимосвязь и расположение некоторых слоев показаны на рисунке 1.3.

 

 

 

Сеть внутри слоя об­разуется звеньями, связывающими точки доступа напрямую или через дру­гие звенья, соединяемые с данным звеном в точках внутри слоя. В каждом выполняется соединения звеньев - по принципу 1:1 или 1:N (например, коммутация каналов в коммутируемой сети, оперативное пере­ключение в сети трактов и мультиплексных секций). В каждом слое реали­зуются ОАМ-функции. Каждый сетевой слой может содержать подсети, соединяемые между собой СЛ, например, интернациональные, национальные, областные и т.д. Это деление сети СЦИ по горизонтали дополняет вышеописанное деление по вертикали. Отдельные элементы сети СЦИ оснащаются интерфейсами сетевых узлов (NNI), с помощью которых производится соединение элементов.

Вначале поступающая информация адаптируется, т.е. согласуется с функциями передачи данного слоя. В канальном слое производится аналого-цифровое преобразование или преобразование непрерывно посту­пающей от пользователя цифровой информации в циклическую форму в канале 64 Кбит/с; в слое трактов - группообразование; в слое секций несколько трактов высшего порядка объединяются между собой и с ОАМ-сигналами при вводе в цикл секции. Предполагается, что на первом этапе развития СЦИ она будет ис­пользоваться в основном для передачи существующих ПЦИ-потоков. В дальнейшем начнут создаваться линейные, кольцевые и разветвленные се­тевые структуры с несколькими пунктами выделения.

Общая схема преобразований СЦИ сложна. Её слож­ность обусловлена тем, что она фактически объединяет две схемы: евро­пейскую и американскую (SONET). Если выделить схему, принятую Евро­пейским институтом стандартов электросвязи ЕТSIuгореаn Те1есоmmuniсаtions Standards Institute), то получится более простая и стройная система, представленная на рисунке 1.4.

  

 

 

Для организации трактов используются виртуальные контейнеры VС. Они образуются добавлением к соответствующему контейнеру трактового заголовка РОН, т.е. условно можно записать: VС=С+РОН.  Как уже отмечалось выше, европейский вариант не включает в себя контейнер С-2. Соответствующий виртуальный контейнер VС-2 предназ­начен для транспортирования не сигналов ПЦИ, а новых сигналов с неиерархическими скоростями (например ячеек с АТМ). 

Виртуальные контейнеры формируются и расформировываются в точках окончания трактов. Трактовый заголовок позволяет осуществлять контроль качества трактов «из конца в конец» и передавать аварийную и эксплуатационную информацию. Тракты, соответствующие виртуальным контейнерам 1-го и 2-го уровня VС-11 и VС-12, относятся к трактам низшего уровня, а виртуальным контейнерам 3-го и 4-го уровней VС-3 и VС-4 - высшего. При мультиплексировании циклы различных компонентных потоков могут не совпадать как между собой, так и с циклом агрегатного потока. В ПЦИ этому не придаётся значение - именно поэтому операции «ввода-вывода» там столь громоздки. Для разрешения указанной проблемы в СЦИ служат указатели РТR.

Они указывают, где именно внутри цикла синхрон­ного транспортного модуля SТМ-1 находятся начальные позиции циклов компонентных потоков. Это позволяет легко производить ввод-вывод потоков. Виртуальные контейнеры 1-го, 2-го, 3-го уровней вместе с соответ­ствующими указателями образуют субблоки ТU, а 4-го уровня - админи­стративный блок АU. Таким образом, TUn=VCn+TU-PTR (n=12,2,3);  АU-4=VC-4+АU-PTR. Один или несколько субблоков, занимающих определённые фиксиро­ванные позиции в нагрузке виртуального контейнера высшего порядка, на­зывают группой субблоков ТUG.

Группы определены так, чтобы получить возможность образования смешанной нагрузки из субблоков разных уров­ней для увеличения гибкости транспортной сети. Один или несколько административных блоков, занимающих опреде­лённые фиксированные позиции в нагрузке SТМ, называют группой адми­нистративных блоков АUG. В европейской схеме преобразований в соответствии с рисунком 1.4 состоит из одного АU-4. Наконец, синхронный транспортный модуль SТМ-1 образуется до­бавлением к группе административных блоков АUG секционного заголов­ка SОН. который состоит из заголовков мультиплексной МSOН и регенерационной секций RSOН. Эти заголовки служат для контроля, управления и ряда других функций. При этом RSOН передаётся между соседними реге­нераторами, а МSOН - между пунктами, где формируются и расформиро­вываются SТМ, проходя регенераторы транзитом. Таким образом: SТМ-1=АUG+SOН, где SOН=RSOН+МSOН.

Каждая из описанных выше информационных структур служит для транспортирования информации на определённом слое сети СЦИ или для согласования между собой двух смежных слоев. Соответствие между слоя­ми или межслоевыми взаимодействиями и информационными структурами показано в таблице  1.4.

 

Таблица 1.4 - Соответствие между слоями и информационными     структурами

Слои

Информационные структуры

Каналы

 

 

Контейнеры С

Тракты

Низшего порядка

Виртуальные контейнеры VС-12,

VС-2

 

Субблоки ТU и их группы TUG

Высшего порядка

Виртуальные контейнеры VС-3, VС-4

 

Административный блок АU

Среда передачи

Секции

Синхронные транспортные модули SТМ

Физическая среда

 

 

Циклы основных информационных структур СЦИ принято изобра­жать графически в виде прямоугольных таблиц. Каждая клеточка такой таблицы соответствует байту. Порядок передачи байтов - слева направо, сверху вниз (так же, как при чтении текста на странице). Первый байт цик­ла размещается в левом углу таблицы, последний - в правом нижнем. Цикл SТМ-1 имеет период повторения 125 мкс.

Таблица имеет 9 рядов и 270 столбцов. Таким образом, каждая кле­точка соответствует скорости передачи 8 бит/125 мкс=64000 бит/с=64 Кбит/с, а вся таблица - 9х270х64 Кбит/с=155520 Кбит/с. Первые 9 столбцов цикла отведены для служебных сигналов. Ряды с 1-го по 3-й - заголовок регенерационной секции RSOН, ряды с 5-го по 9-й -заголовок мультиплексной секции МSOН, 4-й ряд несёт указатели админи­стративных блоков. Остальные 261=270-9 столбцов цикла предназначены для информационной нагрузки. В качестве информационной нагрузки для SТМ-1 может выступать, например, виртуальный контейнер VС-4. Ему соответствует таблица 9х261.

Следует подчеркнуть, что начало цикла сигнала в 140 Мбит/с (или любой другой нагрузки) внутри цикла SТМ-1 может не совпадать с нача­лом последнего.

 

2 Глава. Нелинейные явления в волокне

 

 Нелинейные явления в волокне обусловлены неоднозначным откликом вещества на увеличение интенсивности светового потока. В результате оптические характеристики среды (электронная поляризуемость, показатель преломления, коэффициент поглощения) становятся функциями напряженности электрического поля световой волны, так что поляризация среды начинает нелинейно зависеть от напряженности поля, а волны с различными частотами и направлениями распространения - оказывать влияние друг на друга.

Нелинейные явления в оптическом волокне усиливаются с ростом интенсивности поля, т. е. мощности потока, приходящейся на единицу площади поперечного сечения сердцевины волокна. Чтобы увеличить дальность и скорость передачи, стремятся уменьшить накопленную дисперсию кабеля, поэтому применяют одномодовое волокно, имеющее малый диаметр сердцевины (10 мкм и менее). Однако использование одномодового носителя, а также низкие оптические потери могут приводить к возникновению высокой плотности потока излучения на достаточно протяженных участках.

При анализе технологии WDM следует учитывать следующие явления: нелинейное преломление, вынужденное рассеяние света и четырехволновое смешение.

Нелинейное преломление вызвано зависимостью показателя преломления сердцевины волокна, а значит, и фазы выходного сигнала от интенсивности оптического сигнала. Когда мощность сигнала достаточно велика, ее колебания приводят к фазовой самомодуляции (ФСМ) и фазовой кросс-модуляции (ФКМ). В первом случае сигнал воздействует сам на себя, во втором - на сигнал в другом канале. Каждый из этих эффектов может создавать помехи, когда передача ведется с помощью фазовой манипуляции. Максимально допустимое значение канальной мощности, обусловленное ФСМ и ФКМ, обратно пропорционально числу мультиплексируемых каналов.

Вынужденное рассеяние света представляет собой рассеяние на элементарных возбуждениях среды, индуцированных рассеиваемой волной. Поскольку процесс рассеяния стимулируется самим рассеиваемым светом, рассеянное излучение характеризуется высокой степенью когерентности, узкими диаграммами направленности отдельных компонентов и интенсивностью, сопоставимой с интенсивностью падающего света. Таким образом, при возбуждении среды мощным световым источником происходит модуляция ее параметров, что приводит к амплитудной модуляции рассеянного света, а следовательно, к появлению в нем новых спектральных компонентов.

Самые важные виды рассматриваемого явления - вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), иногда называемое рамановским, и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). Комбинационное рассеяние связано с возбуждением новых колебательных и, в меньшей степени, вращательных энергетических уровней частиц среды, а ВРМБ - с появлением в среде гиперзвуковых волн.

Влияние ВКР невелико (менее 1 дБ на канал), если произведение суммарной мощности каналов на разность между частотами крайних каналов меньше 500 Вт·ГГц. Другими словами, данный эффект существен лишь для систем с сотнями каналов.

В отличие от ВКР, излучение, рассеянное по механизму Мандельштама-Бриллюэна, распространяется только в направлении, противоположном направлению падающего. Его интенсивность значительно выше, чем при ВКР; ВРМБ порождает перекрестные помехи, если разность несущих частот составляет 11 ГГц, а передача ведется в противоположных направлениях. Другое отличие от ВКР состоит в том, что максимально допустимая мощность канала не зависит от числа мультиплексируемых каналов и расстояния между ними. Ее типичное значение для высокоскоростных линий дальней связи равно 10 мВт. ВРМБ является единственным из описываемых нелинейных явлений, влияние которого зависит от скорости передачи. С ростом последней оно уменьшается, причем особенно быстро - при использовании фазовой манипуляции. Им можно пренебречь для импульсов короче 10 нс.

Четырехволновое смешение заключается в том, что при наличии двух попутных волн с частотами f1 и f2 (f1 < f2) возникают еще две волны, с частотами 2f1 - f2 и 2f2 - f1, распространяющиеся в том же направлении и усиливающиеся за счет исходных. Аналогичные процессы происходят и в том случае, когда имеются три (или больше) падающие волны. При этом должно быть обеспечено согласование значений частот и волновых векторов всех волн.

Данный вид нелинейности теснее других связан с параметрами системы: на него влияют не только длина волокна и площадь поперечного сечения его сердцевины, но и расстояние между соседними каналами и дисперсия. Изо всех рассмотренных явлений четырехволновое смешение имеет наибольшее значение для современных DWDM-систем.

Четырехволновое смешение можно устранить, выбрав неодинаковые разности частот между соседними каналами. Кроме того, данный эффект подавляется дисперсией, так как она нарушает согласование фаз. По этой причине волокно со смещенной дисперсией (Dispersion-Shifted Fiber, DSF), созданное в целях устранения хроматической дисперсии в диапазоне 1550 нм, малопригодно для WDM с шагом 50 ГГц (0,4 нм) и меньше; вместо него используют специальные виды волокна (TrueWave, AllWave и др.).

В обычном одномодовом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления четырехволновое смешение между каналами f1 и f2 отсутствует, если f2 - f1 > 20 ГГц. Максимально допустимая мощность канала в данном случае практически не зависит от числа мультиплексируемых каналов. Для обычного волокна при WDM с расстоянием между каналами 10 ГГц она равна нескольким милливаттам.

Необходимо отметить, что нелинейность среды играет в волоконно-оптической связи двоякую роль. С одной стороны, она ограничивает скорость и дальность передачи, с другой - может быть обращена во благо. Например, ВРМБ можно использовать для реализации режима ввода/вывода каналов. Кроме того, ФКМ и четырехволновое смешение применяются в волновых конверторах для переноса полезного сигнала с одной несущей длины волны на другую, а ВКР и ВРМБ - в волоконных лазерах и усилителях.

 

3 Глава. Технологии оптического мультиплексирования  WDM и DWDM

 

3.1 Мультиплексирование с разделением по длине волны

 

Мультиплексирование с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM), называемое также волновым мультиплексированием или спектральным уплотнением, напоминает хорошо известное мультиплексирование с частотным разделением каналов, но только выполняемое в оптической среде передачи. Главное достоинство технологии WDM заключается в том, что она позволяет преодолеть ограничения на пропускную способность канала и существенно увеличить скорость передачи данных. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон - для передачи в прямом и обратном направлениях). Развитием этой технологии стало "плотное" WDM (dense WDM, DWDM).

 В настоящее время системы связи, использующие DWDM-технологии, являются достаточно более сложными и дорогими по сравнению с существующими одноканальными ВОЛС. Однако, если учесть, что значительную часть стоимости строительства новых ВОЛС и сетей связи составляет стоимость оптического кабеля и его прокладки, то сравнительный анализ показывает, что применение DWDM-технологии позволяет существенно снизить затраты в расчете на 1 бит информации, т. е. сеть становится более дешевой. Кроме того, появляется возможность более гибкого маркетинга информационными каналами: можно будет приобретать или брать в аренду не только кабель или волокно, но и отдельную длину волны. Таким образом, DWDM-технологии способны обеспечить возможности многократного расширения полосы передаваемых частот в сети без ее капитальной реконструкции и прокладки нового кабеля. В настоящее время в мире уже практически реализованы и функционируют DWDM-системы с 64 спектральными каналами, на стадии завершения разработки находятся системы на 128 спектральных каналов.

Мультиплексирование с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM), называемое также волновым мультиплексированием или спектральным уплотнением, напоминает хорошо известное мультиплексирование с частотным разделением каналов, но только выполняемое в оптической среде передачи.

Развитием этой технологии стало "плотное" WDM (dense WDM, DWDM). Рост объема передаваемых данных постепенно привел к исчерпанию пропускной способности существующего оптического волокна, со всей остротой поставив вопрос ее увеличения.

 Его можно решить тремя способами: проложив новый кабель, перейдя к более производительной аппаратуре временного мультиплексирования или применив WDM. Недостатки первого сценария очевидны. Реализация второго варианта в сетях дальней связи SONET/SDH тоже связана с рядом трудностей. До недавнего времени в таких сетях самым быстрым был канал OC-48/STM-16 (скорость передачи 2,4 Гбит/с).

 Затем началось внедрение аппаратуры уровня OC-192/STM-64, обеспечивающей производительность 10 Гбит/с, однако проложенное волокно изначально не было рассчитано на столь высокие скорости передачи. Во-первых, при таких скоростях существенную роль начинают играть отражения сигнала от мест соединения кабелей и поляризационная модовая дисперсия, вызванная отклонением поперечного сечения волокна от круговой формы. Для компенсации дисперсии прокладываются отрезки волоконно-оптического кабеля с дисперсией противоположного знака.

 Во-вторых, с ростом скорости передачи усиливается затухание (рассеяние) светового потока и ухудшается чувствительность фотоприемника, т. е. увеличивается минимальная мощность входного сигнала, при которой частота появления ошибок (BER) соответствует определенному пределу. Чтобы обеспечить достаточную мощность принимаемого сигнала, приходится устанавливать дополнительные усилители и регенераторы.

Таким образом, планируя переход к канальным скоростям 10 Гбит/с и более, необходимо проанализировать ограничения, обусловленные искажениями сигнала в волокне и техническими возможностями аппаратуры.

 Многие специалисты сомневаются в том, что в ближайшие годы временное мультиплексирование (например, SONET/SDH) сможет на практике превзойти уровень 10 Гбит/с. Теперь рассмотрим третий вариант - технологию WDM, позволяющую заметно повысить эффективность использования суммарной пропускной способности оптического волокна.

 

 

Рисунок 3.1 - Рабочие диапазоны оптического волокна

        

Обычное оптическое волокно имеет три окна прозрачности в инфракрасной области; их центральные длины волн равны 850, 1300 и 1550 нм. Для передачи на большие расстояния используются только диапазоны 1300 и 1550 нм, характеризующиеся минимальным затуханием сигналов (см. рисунок 3.1). Ширина каждого из этих двух диапазонов составляет 200 нм, что в сумме приблизительно эквивалентно частотному интервалу в 60 ТГц.

 При оценке пропускной способности волоконно-оптического канала обычно принимают, что на каждые 1 Гбит/с требуется 2 ГГц полосы пропускания. При таком подходе 60 ТГц становятся эквивалентными пропускной способности 30 Тбит/с, однако, не учитываются ограничения приемо-передающей аппаратуры, которая формирует канал передачи данных. Если, например, время срабатывания фотоприемника равно 1 нс, то скорость передачи трафика по каналу не превысит 1 Гбит/с, какой бы широкой ни была полоса пропускания волокна.

Пропускная способность канала определяется такими характеристиками приемо-передающих устройств, как максимально достижимая скорость модуляции передатчика и способность фотоприемника быстро и точно распознавать биты данных. Сегодня скорость передачи по каналу дальней связи, на которую может рассчитывать пользователь, составляет около 2,4 Гбит/с, а в отдельных случаях - 10 Гбит/с. Это означает, что из 60 ТГц потенциальной полосы пропускания канала на практике используется не более 20 ГГц. Если же разделить общую полосу пропускания на множество частотных каналов, скорость передачи каждого из которых сохранится на прежнем уровне, то объем данных, передаваемых по волокну в единицу времени, увеличится. Именно этот подход реализован в технологии WDM.

 

3.2 Модель взаимодействия транспортных технологий

 

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

 Если упрощенно представить многоуровневую модель взаимодействия основных технологий SDH/SONET, ATM, IP (без учета возможности переноса IP через ATM), осуществляющих транспортировку сигнала в глобальных цифровых сетях, и WDM, то до появления последней она имела вид, представленный на рисунке 3.2.

Модель состояла из трех уровней и оптической среды передачи и показывала, что для транспортировки трафика верхнего уровня (ATM и IP) по оптической среде передачи он должен быть размещен (инкапсулирован) в транспортные модули STM-N/OC-n технологий SDH/SONET, способные, используя физический интерфейс этих технологий, пройти через физический уровень в оптическую среду передачи. Отсюда была ясна необходимость создания технологий инкапсуляции ячеек АТМ, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET). Этим и занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в таких институтах, как ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на указанные технологии.

 

а) до внедрения технологии WDM, б) после внедрения технологии WDM.

Рисунок 3.2 - Модель взаимодействия основных транспортных технологий

 

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

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

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

 

 

3.3 Схемы реализации мультиплексоров WDM

 

Первые мультиплексоры класса WDM, как известно, использовались для мультиплексирования двух несущих: 1310 нм и 1550 нм, расстояние между которыми 240 нм было настолько большим, что при реализации не требовало специальных фильтров для их разделения. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов) при использовании традиционной дискретной оптики, не давали результатов лучше, чем следующие: разнос каналов – 20-30 нм, переходное затухание между каналами – 20 дБ, уровень вносимых потерь – 2-4 дБ.      

В последние годы произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обусловленный, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологиям, с другой – миниатюризацией и улучшением качества изготовления элементов традиционной дискретной оптики.      

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

В основе первой из них (см. рисунок 3.3а) – планарный оптический многопортовый разветвитель в форме таблетки с портом входа 0 и группой выходных портов l0,  20, ... n0, расположенной симметрично относительно 0 на периферии волновода слева, и группой внутренних портов l0,  20, ... n0 расположенной симметрично группе выходных портов на периферии справа. Внутренние выходные порты соединены через массив световодов (играющий роль дифракционной решетки, благодаря фиксированной разнице длин каждого световода, кратной ) с плоским отражающим зеркалом. Входной поток  (i=1,2, ... n) подается в оптический волновод и распределяется по всем внутренним портам, откуда он распространяется по массиву световодов (с разным фазовым запаздыванием) до зеркала, отражается и подается со стороны внутренних выходных портов в тот же волновод, где происходит интерференция входной и отраженных волн. Указанное устройство напоминает, по сути, интерференционный волновой фильтр на дифракционной решетке или многомерный вариант MZI. Размеры и форма планарного разветвителя, решетки световодов, а также расположение выходных портов, выбираются так, чтобы интерференционные максимумы освещенности располагались в районе выходных портов и соответствовали группе несущих n

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

Рисунок 3.3 - Схема мультиплексирования WDM на основе дифракционной решетки на массиве волноводов

Порт входа и выходные порты могут быть разнесены, если использовать два планарных волновода (входной и выходной разветвители), как это показано на рисунке 3.3б. Третья технология также использует классическую схему с плоской отражательной дифракционной решеткой (1), вогнутым зеркалом (2) и массивом волокон (3) (см. рисунок 3.4), размещенных в пазах решетки с фиксированным шагом. Схема работы (в режиме демультиплексора) проста: мультиплексированный поток из входного волокна (А), расходясь конусом с углом, (отражается от зеркала и падает на дифракционную решетку, отражающую под разными углами свет разной длины волны. Эти дифрагированные лучи, отражаясь от зеркала, фокусируются в определенных точках, где и должны быть расположены приемные порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие. Для примера показано выделение одного такого канала, конус лучей которого фокусируется с тем же углом  в точке В (порте выходного волокна).

 

Рисунок 3.4 - Схема WDM на основе трехмерного оптического мультиплексирования

 

Все элементы конструкции строго фиксированы в стеклянном блоке (4), что позволяет выдержать и сохранять высокую точность изготовления. Указанная конструкция может быть использована как с параболическим, так и сферическим зеркалами, имеет коэффициент увеличения, равный 1.

 Она афокальна (т.е. не имеет фокуса), так что все исходящие и входящие в волокна углы одинаковы. ОМ волокна укладываются в канавки специальной решетки. Конструкция позволяет использовать до 131 канала с шагом 1 нм или до 262 каналов с шагом 0,5 нм. Во всех указанных решениях процедура мультиплексирования предполагается обратной по отношению к рассмотренной процедуре демультиплексирования.

 

3.4 Узкополосные и широкополосные WDM

 

Волновое мультиплексирование практически используется уже более 10 лет и первоначально было направлено на объединение двух основных несущих 1310 нм и 1550 нм (2-го и 3-го окон прозрачности) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы и было оправдано всей историей развития ВОЛС. Многие стандартные системы SDH предлагают это сейчас, как один из вариантов конфигурации. Ряд исследователей называет такие системы широкополосными WDM (разнос по длине волны – 240 нм) в противовес узкополосным WDM (разнос в которых был на порядок ниже – 24-12 нм, что давало возможность разместить в 3 окне (1550 нм) 4 канала). Такое деление систем кажется на данный момент не совсем корректным, так как у таких “широкополосных” WDM спектр не перекрывался, а состоял из двух изолированных полос. С другой стороны, в настоящее время формируется класс действительно широкополосных систем WDM, перекрывающих в смежных окнах прозрачности (3-м и 4-м) полосу порядка 84 нм от 1528-1612 нм. Этот класс в будущем, возможно, будет перекрывать полосу 1280-1620 нм, если ориентироваться на характеристики пионера в этой области WaveStar AllMetro DWDM System компании Lucent Technologies, использующей волокно, устраняющее пик поглощения в области 5-го окна (~ 1383 нм).

 

Канальный (частотный) план

 

Хотя рассчитывать сейчас на взаимную совместимость оборудования разных производителей систем WDM не приходится, так как необходимо  стандартизовать номинальный ряд несущих – “канальный или частотный план”, чтобы дать производителям ориентир на будущее, а также позиционировать уже существующие WDM системы. Эту задачу в первом приближении решил Сектор стандартизации МСЭ, выпустив стандарт ITU-T Rec. G.692.

.

Перспективный канальный план

 

Расширения числа каналов можно достичь двумя путями: уменьшением шага h до 0,05 ТГц (50 ГГц) и частичным расширением частотного плана до 191,0 ТГц, что дает возможность довести число каналов максимально до 102; расширением стандартной полосы Dст вправо до частот порядка 186 ТГц (1612 нм), что позволяет удвоить Dст до величины 10,2 ТГц (84 нм) за счет частичного использования 4-го окна прозрачности (1600 нм). Первый путь был использован компанией Cienа, второй – Lucent. Эксплуатация вдвое большей полосы (2х5,1 ТГц) хотя и требует использования специальных сверхширокополосных оптических усилителей СШПУ (UWBA) с АВХ, охватывающих полосу 10,2 ТГц, но дает возможность увеличить число каналов до 102 при шаге 100 ГГц и до 204 при шаге 50 ГГц.

Это можно сделать, разбивая общую полосу усиления на две, называемые C-Band (Conventional Band) – обычная полоса и L-Band (Longwave Band) – диннноволновая полоса (в терминологии Bell Labs.) – не путайте с поддиапазоном L band в терминологии Alcatel, который теперь оказывается расположенным в правой половине C-Band). В этом смысле логично использовать обозначения ECI, вместо обозначений Alcatel, т.е. говорить C-band как о полосе, состоящей из высокочастотной части (синей полосе) В и низкочастотной части (красной полосе) R. Тогда для систем WDM получаем следующую перспективную схему канального плана на 102 канала с шагом 100 ГГц и на 204 канала с шагом 50 ГГц (см. рисунок 3.5).



Рисунок 3.5 - Перспективная схема расширенного канального плана

 

3.5 Предпосылки развития DWDM

 

   Долгое время в WDM-системах использовались 2-4 канала, отстоящих друг от друга на десятки и сотни нанометров. Между тем, еще с середины 80-х годов разработчики пытались радикально увеличить данный параметр. Появление технологии DWDM позволило формировать в одном волокне десятки каналов и вести передачу с суммарной скоростью более 1 Тбит/с.

Первые эксперименты с DWDM датируются 1985 г., когда специалистам Bell Laboratories (исследовательского центра компании AT&T, ныне принадлежащего Lucent Technologies) удалось мультиплексировать 10 каналов по 2 Гбит/с, длины волн которых отстояли друг от друга на 1,3 нм. Аналогичные опыты были выполнены в том же году в BTRL (исследовательском центре British Telecommunications), где использовалось 7 каналов по 280 Мбит/с с шагом 15 нм. В лабораторных условиях скорости передачи 1 Тбит/с достигли в 1996 г. сразу три компании - Bell Laboratories, Fujitsu Laboratories и Nippon Telegraph and Telephone (NTT).

Первая из них использовала 25 инжекционных лазеров; их выходные сигналы расщеплялись на две составляющие с различной поляризацией, а затем полученные 50 несущих сигналов модулировались со скоростью 20 Гбит/с. Передача велась на расстояние 55 км. Специалисты Fujitsu Laboratories продемонстрировали связь на расстоянии 150 км с использованием 55 длин волн при скорости передачи 20 Гбит/с в каждом канале. NTT осуществила мультиплексирование 10 каналов по 100 Гбит/с при дальности связи 40 км. Во всех трех случаях использовался диапазон 1550 нм. В том же году NTT добилась суммарной скорости свыше 2,2 Тбит/с, а организация All-Optical Networking Consortium сообщила о возможности достичь показателя 4 Тбит/с при формировании 40 каналов по 100 Гбит/с каждый.

В начале 1998 г. центр Bell Laboratories объявил о двух новых достижениях - передаче данных по 100 каналам (скорость каждого - 10 Гбит/с) при дальности около 400 км и по 30 каналам (скорость 40 Гбит/с) при дальности 85 км. В обоих экспериментах применялись новые оптические усилители Bell Laboratories, полоса пропускания которых почти в семь раз шире, чем у серийных устройств.

 

3.6      Мультиплексоры DWDM

 

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

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

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

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

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

Пространственное разделение каналов  и стандартизация DWDM

 

Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования бесспорно является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения каналов нужна, уже хотя бы потому, что на ее основе можно будет начинать проведение тестов на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникаций Международного союза по электросвязи ITU-T утвердил частотный план DWDM с расстояние между соседними каналами 100 ГГц (0,8 нм). В то же время большие дебаты продолжают идти вокруг принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50 ГГц (0,4 нм). Без понимания того, какие ограничения и преимущества имеет каждый частотный план, операторы связи и организации, планирующие наращивание пропускной способности сети, могут столкнуться со значительными трудностями и излишними инвестициями.

 

Сетка 100 ГГц

 

Сетки частотного плана 100 ГГц имеют различную степень разреженности каналов. Все сетки, кроме одной 500/400, имеют равноудаленные каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других устройств полностью оптической сети, а также позволяет легче выполнять ее наращивание. Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от трех основных факторов: типа используемых оптических усилителей (кремниевого или фтор-цирконатного), скорости передачи на канал - 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64), влияния нелинейных эффектов, причем, все эти факторы сильно взаимосвязаны между собой.

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

 

 

Сетка 50 ГГц

 

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

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

 

       4 Глава. Технология SWDM

 

Бурный рост Интернет-трафика вызвал не менее бурные обсуждения того, как поднять пропускную способность сетевой инфраструктуры. Никто не сомневается в том, что если не принять срочных мер в этом направлении, сети начнут захлебываться трафиком, в “узких местах” появятся заторы. В общем-то, нет сомнений и в том, что современные технологии передачи данных сами по себе обладают достаточным потенциалом для решения грядущих и уже сегодняшних проблем.

Магистрали со скоростями в сотни Гбит/с уже не такая редкость, во всяком случае, в Северной Америке. Терабитные коммутаторы и мультиплексоры вышли из стен лабораторий, их предлагают многие производители оборудования. Платите деньги, наращивайте полосу пропускания - и все будет в порядке. Все это справедливо с одной лишь оговоркой: думая о главном, то есть создании инфраструктуры, способной справится со стремительно растущими информационными потоками, не стоит забывать о том, что идти к цели можно разными путями, платя абсолютно разные деньги.

Идеальным было бы решение, позволяющее при относительно небольших инвестициях на начальном этапе, наращивать сеть в будущем без существенных перестроений сети. Именно здесь сильная сторона появившейся недавно на рынке запатентованной технологии SWDM, ориентированной главным образом на городские сети. Но, чтобы трезво оценить ее возможности, и границы применимости, стоит вспомнить о преимуществах и недостатках конкурирующих технологий.

 

Виды сетей

 

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

- сетевое ядро, соединяющее города, страны и континенты;

- городская транспортная сеть;

- сеть доступа.

Требования к пропускной способности на уровне сетевого ядра находятся в широком диапазоне — от единиц до сотен Гбит/с. Нижняя граница требований характерна для развивающихся стран (к которым относится и Россия), а верхняя — для таких регионов, как Северная Америка (прежде всего, США), Западная Европа и Япония.

Для уровня городских сетей необходимы (в зависимости от региона и масштаба города) скорости передачи в диапазоне от сотен Mбит/с до десятков Гбит/с. Для сетей доступа речь может идти о пропускной способности от единиц до сотен Mбит/с. При этом конечные пользователи могут подключаться к сети доступа в диапазоне скоростей от десятков кбит/с до единиц Mбит/с. До недавнего времени преобладающей технологией транспортного уровня и для ядра сети, и для городской сети была SDH/SONET.

 Распространение более скоростной — DWDM — началось с тех магистралей, где увеличение полосы пропускания нужно достичь любой ценой. Постепенно эта новая технология стала проникать и в менее скоростной сектор рынка. Многие эксперты полагали, что DWDM вытеснит SDH/SONET и из городских сетей, однако этот процесс идет совсем не теми темпами, которые ожидались. В какой-то степени результатом этой заминки и стало появление SWDM, облегчающей и удешевляющей переход к DWDM в городских сетях.

 

Спектральное уплотнение

 

Физическая основа SDH/SONET и DWDM различны: первая технология использует одну несущую частоту оптического сигнала, в то время как вторая использует набор частот, за что и названа технологией плотного спектрального уплотнения (Dense Wavelength Division Multiplexing). Более того, они используют различные спектральные “окна”: DWDM работает на длинах волн в районе 1550 нм, в то время как SDH/SONET, кроме этого, широко использует длину волны 1310 нм, а, следовательно, другие лазеры и другие фотоприемники. Устройства, работающие на 1550 нм, способны передавать оптические сигналы на большие расстояние, чем те, что работают на длине волны 1310 нм. Но эти системы существенно дороже даже в случае, когда используется одна длина волны, не говоря уже об устройствах спектрального уплотнения, требующих сложных мультиплексоров.

 В результате на рынке сложилась следующая ситуация: там, где требуется высокоскоростная передача на большие расстояния (например, в кабелях, проложенных по дну океана), DWDM — оптимальная технология, и ее победное шествие продолжается. Однако в городских сетях, где расстояния не так велики, и где полоса пропускания не везде так критична, многие операторы не торопятся менять старые испытанные сети SDH/SONET. Вот тут и приходит на помощь решение на базе новой технологии — SWDM.

 

Селективное спектральное уплотнение

 

Selective WDM — селективное спектральное уплотнение — уникальная технология Lucent, компромисс между SDH/SONET и DWDM. Одни и те же узлы одного и того же волоконно-оптического кольца поддерживают и одноканальную передачу данных на длине волны 1310 нм, и спектральное уплотнение в диапазоне 1550 нм. Все в целом работает как одна логическая сеть. Гибкое управление обеспечивается на уровне лежащих над ней протоколов: TDM, ATM и IP, “сырые” данные можно распределять и разветвлять на более “тонкие” структурированные потоки. Эта гибкая технология была приобретена Lucent Technologies вместе с компанией Chromatis и сразу стала одним из важнейших звеньев продуктов транспортных сетей Lucent Technologies.

 Преимущества SWDM особенно наглядно видны при сравнении с быстрорастущей сетью SDH/SONET. В начале, когда требуемая пропускная способность невелика, применение SDH/SONET кажется оправданным, и полосы для передачи на длине волны 1310 нм, позволяющей развернуть недорогое решение, достаточно. Но когда потребность в пропускной способности резко возрастает, наращивание системы возможно только за счет прокладки новых волоконных кабелей и подключения их к новым устройствам. В то же время устройствам SWDM, наследующим свойства DWDM, не нужны новые кабели: все наращивание заключается во “включении” еще одной длины волны, для чего может, самое большее, потребоваться подключить еще один модуль в существующее устройство.

 Но это преимущество не единственное, а в некоторых случаях и не главное: иногда не менее важно, что не происходит усложнения топологии сети, не ухудшается ее управляемость и время, необходимое для наращивания, меньше, чем в случае с системами SDH/SONET.

Приведем пример решения, построенного на базе оборудования SWDM. На рисунке изображена сеть типичного поставщика коммуникационных услуг. В его распоряжении имеется оптоволоконное кольцо, соединяющее разбросанные по городу офисы с центральным офисом. Поставщик услуг планирует предоставить своим заказчикам доступ в сеть по технологии xDSL. Он рассчитывает на резкое увеличение трафика, но предсказать его количественно и оценить, какая часть кольца будет испытывать наибольшую нагрузку, оператор пока не в состоянии.

На первой фазе развития сети его вполне устраивают возможности, которые дает передача данных на длине волны 1310 нм, и ни о каком DWDM нет речи. Через некоторое время один из узлов сети начинает испытывать повышенную нагрузку. Переход к DWDM становится необходимостью. Однако в этом случае не нужно модернизировать всю сеть, достаточно “включить” одну длину волны на участке “перегруженный узел — центральный офис”. При этом в конфигурации остальных узлов сети ничего менять не нужно. В случае, если бы была установлена классическая сеть DWDM, то пришлось бы наращивать всю сеть одновременно. Не исключено, что в результате роста числа пользователей сети потребуется, в конце концов, перевести всю сеть на DWDM. Как, впрочем, возможна и ситуация, когда DWDM может так и не понадобиться, и поставщику услуг не придется тратить немалые средства для внедрения этой технологии. В любом случае, гибкость решения на базе SWDM не предоставит возможности сожалеть о вложенных или не вложенных средствах.

 

Достоинства и недостатки

 

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

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

Применение WDM тормозится рядом факторов как экономического, так и чисто технического характера.

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

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

Среди технических проблем следует упомянуть значительные потери мощности сигналов в мультиплексорах/демультиплексорах, несовпадение, во многих случаях, рабочих длин волн WDM-оборудования и устройств временного мультиплексирования, необходимость повышения производительности узлов коммутации, усложнение управления сетью из-за различий в технологиях передачи данных по мультиплексируемым каналам, отсутствие промышленных стандартов.

 Наконец, не последнее место в этом перечне занимают нелинейные явления, которые при одновременной передаче на нескольких несущих способны приводить не только к ослаблению и искажению сигнала, но и к его проникновению в другие каналы.

 

5 Глава. Структура  DWDM-технологии

 

Волоконно-оптические системы связи проходят очередной этап своего развития, косвенно связанный с осуществляющейся в последнее время переоценкой ценностей в области телекоммуникаций вообще.

Рост потребностей в увеличении объемов связи как с точки зрения увеличения скорости передачи информации, так и охвата новых регионов привел к появлению и становлению новых волоконно-оптических технологий, в частности, технологий спектрального (частотного) мультиплексирования (уплотнения) каналов, получивших название WDM- и DWDM-технологий. WDM (wavelength division multiplexing) означает мультиплексирование с разделением по длине волны, DWDM (dense wavelength division multiplexing) — плотное мультиплексирование с разделением по длинам волн.

Рост пропускной способности при использовании технологии DWDM осуществляется без дорогостоящей замены оптического кабеля. Применение технологии DWDM позволяет сдавать в аренду не только оптические кабели или волокна, но и отдельные длины волн, то есть реализовать концепцию «виртуального волокна».

По одному волокну на разных длинах волн можно одновременно передавать самые разные приложения – кабельное телевидение, телефонию, трафик Интернет, “видео по требованию” и т.д. Как следствие этого, часть волокон в оптическом кабеле можно использовать для резерва. Применение технологии DWDM позволяет исключить дополнительную прокладку оптических кабелей в существующей сети. Даже если в будущем стоимость волокна уменьшится за счет использования новых технологий, волоконно-оптическая инфраструктура (проложенное волокно и установленное оборудование) всегда будет стоить достаточно дорого.

Для ее эффективного использования, необходимо иметь возможность в течение долгого времени увеличивать пропускную способность сети и менять набор предоставляемых услуг без замены оптического кабеля. Технология DWDM предоставляет именно такую возможность. Технология DWDM пока применяется в основном на линиях связи большой протяженности, где требуется большая полоса пропускания. Сети городского и регионального масштаба и системы кабельного телевидения потенциально также являются широким рынком для технологии DWDM. Системы, использующие DWDM, основаны на способности оптического волокна одновременно пропускать широкий спектр оптического излучения или набор большого числа не интерферирующих и не взаимодействующих между собой длин волн. Каждая длина волны или определенный диапазон длин волн этого спектра может служить независимым оптическим каналом для передачи информации по волокну.                                                                                                                   

В настоящее время разработаны оптические методы объединения  (мультиплексирования) и разъединения (демультиплексирования)    таких каналов, обеспечивающие идентификацию каждого канала в любой заданной точке системы или сети связи. При этом технология мультиплексирования доведена до такого уровня, что разделение по длинам волн  соседних спектральных каналов может составлять доли нанометров.

Становление и развитие таких технологий позволили в последнее время создать коммерчески доступные волоконно-оптические системы и сети, в которых по одному волокну можно передавать более сотни независимых оптических каналов, причем в дуплексном режиме (одновременно в двух направлениях).

 Первоначально спектральное уплотнение было использовано в достаточно протяженных ВОЛС, связывающих отдельные крупные фрагменты локальных сетей, где возникла необходимость увеличения пропускной способности линии без дополнительной прокладки волокна. В дальнейшем, с ростом потребностей в информационных услугах и с возникновением по этой причине перегрузок в локальных сетях, которые могут постоянно изменяться по всей сети, DWDM-технологии начали применяться и на других уровнях локальных сетей.

В частности, в настоящее время за рубежом DWDM-технологии начинают достаточно широко применяться и во внутригородских локальных сетях. Большие перспективы имеют DWDM-технологии для применения в волоконно-оптических сетях передачи данных, использующих Internet Protocol. Внедрение DWDM-технологии, наряду с наблюдающимся в последнее время бурным развитием работ по оптическим переключателям, позволяет надеяться на создание в ближайшем будущем полностью оптических сетей передачи данных, в том числе и в Internet, и потенциальное снижение стоимости обмена информацией для пользователей.

Система дальней связи  DWDM использует спектральное уплотнение или мультиплексирование сигналов по длинам волн в полосе частот эрбиевого волоконного лазера с центром на длине волны λ=1,550 мкм.

Функциональная схема DWDM-системы приведена на рисунке 2.1. Типовая ВОЛС со спектральным уплотнением содержит передатчики Txk с лазерами Лk и модуляторами Мk, оптический мультиплексор MUX и демультиплексор DMUX, оптические усилители ОА и приемники Rxk. Информационный сигнал модулирует оптическое излучение лазера, оптические сигналы объединяются мультиплексором и передаются по волоконно-оптическому тракту. На выходе тракта оптические сигналы разъединяются демультиплексором и направляются на соответствующие приемники. При необходимости оптический сигнал может усиливаться оптическими усилителями, а также ответвляться адресным устройством ввода-вывода OADM.

Успехи DWDM связаны с разработкой узкополосных стабильных лазеров – одного из ключевых элементов системы, определяющих число спектральных информационных каналов (λ-каналов), характеризуемых частотным интервалом между каналами и шириной спектрального окна передачи. В настоящее время принят частотный план ITU-T G.692 систем DWDM с Δν = 100 ГГц, который для базовой частоты ν0 = 193,1 ТГц, (λ0 = 1552, 52 нм) соответствует расстоянию между спектральными составляющими Δλi = 0,8 нм.  

 

 

Рисунок 5.1 - Функциональная схема DWDM-системы

                                                               

Компоненты системы DWDM

 

Основное требование к компонентам систем DWDM состоит в том, что они должны одинаково обрабатывать все каналы на всем протяжении оптического пути линии связи. Для этого требуется тщательный выбор оптических передатчиков, мультиплексоров, демультиплексоров, усилителей и волокна.

Все оптические характеристики пассивных и активных компонентов сети – вносимые потери, потери на отражение, дисперсия, поляризационные эффекты и т.д. должны измеряться как функция длины волны во всем диапазоне длин волн, используемом для передачи в системе DWDM. В системах DWDM часто используют значительно более сложные устройства, чем в системах с одной рабочей длиной волны, и проводить тестирование характеристик таких устройств намного сложнее.

В мультиплексорах, демультиплексорах, узкополосных фильтрах систем DWDM используются тонкопленочные фильтры, сварные биконические разветвители BFT (Fused Biconic Tapered Coupler), решетки на основе массива волноводов AWG (Array Waveguide Grating), волоконные брэгговские и обычные дифракционные решетки. Необходимо исследовать влияние активных компонентов (в особенности, оптических усилителей) и взаимной интерференции каналов на целостность передаваемых сигналов для минимизации потенциальной возможности их неблагоприятного воздействия.

Несмотря на то, что все материалы и компоненты при производстве тестируются на соответствие стандартам, возможно ухудшение их характеристик при непосредственной установке в полевых условиях. При объединении отдельных компонентов в единую систему, небольшие различия их характеристик могут накапливаться и непредсказуемым образом влиять на параметры сети в целом. Для обеспечения гарантированной надежности сети, необходимо выполнять тестирование не только каждого компонента в отдельности, но и всей системы в целом.

Тестирование компонентов может вызвать много сложностей. Разница длин волн соседних каналов в системах DWDM очень мала, и параметры многих компонентов (например, мультиплексоров) должны строго соответствовать пределам допустимых отклонений. При большом числе каналов используемый спектральный диапазон становится достаточно широким, и поддержание близких значений параметров для всех каналов (коэффициента усиления, дисперсии, уровня вносимых шумов и т.д.) становится достаточно сложной задачей.

 

Передатчики

 

В волоконно-оптических передатчиках электрические и электронно-оптические элементы представляли собой отдельные модули. Современные передатчики имеют гибридную конструкцию. Лазеры и интегральные микросхемы, модулирующие излучение, объединены в единый компактный модуль, что позволяет достичь больших частот модуляции и высокой надежности. Такой модуль является, по сути, электронно-оптическим преобразователем, в котором интенсивность выходного светового сигнала модулируется входным цифровым электрическим сигналом. При низких скоростях передачи модулируется управляющий ток (лазеры с внутренней модуляцией), при высоких – сам оптический сигнал (лазеры с внешней модуляцией).

Передатчик для одного канала обычно представляет собой лазер с распределенной обратной связью DFB (Distributed Feed Back) с выходной мощностью в волокне не менее 0 дБм (1 мВт) и модулятор. При высоких частотах модуляции модулятор обычно внешний. Современная интегральная оптика позволяет создавать недорогие и удобные в эксплуатации оптические передающие модули, объединяющие в одном кристалле лазер, модулятор и полупроводниковый усилитель. Разработаны оптические передающие модули, объединяющие мультилазеры, одновременно генерирующие сигналы на нескольких длинах волн, мультиплексор и полупроводниковый оптический усилитель мощности.

Иногда за лазером устанавливают регулируемый аттенюатор, плавно уменьшающий мощность лазера. Степень ослабления сигнала лазера выбирается, исходя из характеристик первого регенератора в линии связи. В случае, когда одновременно используют несколько передатчиков с разными длинами волн, для выравнивания спектрального распределения мощности также требуется применение соответствующих аттенюаторов.

В системах DWDM наиболее широко применяют DFB-лазеры с резонатором типа Фабри-Перо. При этом дифракционная решетка выполнена на поверхности активной части кристалла лазера, что обеспечивает точный выбор длины волны лазерного излучения за счет оптической обратной связи . С помощью дифракционной решетки обеспечивается усиление излучения только одной продольной моды лазера таким образом, что вся мощность сигнала концентрируется в очень узкой области спектра (ширина линии на половине высоты менее 100 МГц). При этом боковые моды подавляются до уровня не менее 40 дБ . Отношение мощности главного пика к мощности ближайшей боковой моды называют коэффициентом подавления боковых мод. Как и в лазере с резонатором Фабри-Перо, геометрия волновода обеспечивает высокую направленность и высокую степень поляризации выходного лазерного излучения.

 

 

Рисунок 5.2 – Упрощенный вид кристалла DFB-лазера

 

Модуль оптического передатчика с DFB-лазером может содержать также термоэлектрическое охлаждающее устройство, датчик температуры, оптический изолятор и контрольный фотодиод. Эффективность DFB-лазеров достаточно высока: выходная мощность в 0 дБм обеспечивается при токе накачки в 40 мА.                                                                               

Модуляция излучения лазера является одним из проблемных вопросов. При низких скоростях передачи модулируется ток накачки лазера. При высоких скоростях передачи используется внешняя модуляция сигнала лазера, так как модуляция тока приводит к слишком большому чирпированию. Внешняя модуляция увеличивает стоимость и сложность системы, вносит дополнительные оптические потери и усложняет управление состоянием поляризации излучения.                                           

Применение волоконных оптических усилителей EDFA и полупроводниковых оптических усилителей SOA (Semiconductor Optical Amplifier) позволило значительно увеличить мощность, вводимую в волокно после модулятора (до уровня больше +17 дБм). Поскольку значения мощности выше +17 дБм уже не соответствуют классу безопасности IIIb (Рекомендации IEC 60825), рассматривается возможность введения класса безопасности 1M для лазеров с мощностью излучения, вводимой в волокно, +20 дБм и выше.                  Существенная проблема DFB-лазеров – высокая чувствительность к сигналу обратного отражения в волоконно-оптическом тракте.

 

Мультиплексоры  DWDM

 

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

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

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

Кроме этого, поскольку мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов до 32 и более, то наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются (демультиплексируются) одновременно все каналы, допускаются также новые устройства, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного большим числом других каналов.

Так как выходные порты/полюса демультиплексора закреплены за определенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует значительно большей прецизионности, по сравнению c WDM мультиплексорами (использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм).                                                                             

На рисунке 5.3а показана типовая схема DWDM мультиплексора с зеркальным отражательным элементом. Рассмотрим его работу в режиме демультиплексирования. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating).

 По-прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал () остается представленным во всех волноводах. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и в итоге световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция - образуются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности, расположение выходных полюсов и длины волноводов структуры AWG рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем. Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводов-пластин (см. рисунок 5.3б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю, за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.

 

а) с отражающим элементом; б) с двумя волноводами-пластинами. Рисунок 5.3 – Схемы   DWDM   мультиплексоров

 

Мультиплексоры ввода/вывода каналов

 

Для построения гибких сетей DWDM используются оптические Add-Drop мультиплексоры (OADM), обеспечивающие непосредственный ввод/вывод каналов в магистраль DWDM на оптическом уровне (без преобразований оптического сигнала в электрический) и позволяющие строить разветвлённые транспортные оптические сети.

Данные мультиплексоры позволяют добавлять в составной сигнал или выделить из него определенное количество каналов, не меняя при этом всю структуру сигнала (см. рисунок 5.4).

.                                                

 

Рисунок 5.4 – Мультиплексор ввода/вывода каналов

 

Сегодня на рынке есть разнообразные устройства, позволяющие добавлять и выделять каналы SDH из сетей DWDM. Разрабатываются мультиплексоры ввода/вывода, конфигурацию которых можно менять дистанционно.

 

Пространственное разделение каналов и стандартизация DWDM

 

Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования, бесспорно, является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения каналов нужна, уже хотя бы потому, что на ее основе можно будет начинать проведение тестов на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникаций Международного союза по электросвязи ITU-T утвердил частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц (Δλ≈0,8 нм) (см. таблицу 5.1).

 В то же время большие дебаты продолжают идти вокруг принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50 ГГц (Δλ≈0,4 нм). Без понимания того, какие ограничения и преимущества имеет каждый частотный план, операторы связи и организации, планирующие наращивание пропускной способности сети, могут столкнуться со значительными трудностями и излишними инвестициями.

Сетка 100 ГГц. В таблице 5.1 показаны сетки частотного плана 100 ГГц с различной степенью разреженности каналов. Все сетки, кроме одной 500/400, имеют равноудаленные каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других устройств полностью оптической сети, а также позволяет легче выполнять ее наращивание. Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от трех основных факторов: типа используемых оптических усилителей (кремниевого или фтор-цирконатного), скорости передачи на канал - 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64), влияния нелинейных эффектов, причем все эти факторы сильно взаимосвязаны между собой.

Стандартные EDFA на кремниевом волокне имеют один недостаток - большую вариацию коэффициента усиления в области ниже 1540 нм, что приводит к более низким значениям соотношения сигнал/шум и нелинейности усиления в этой области. Одинаково нежелательны как сильно низкие, так и сильно высокие значения коэффициента усиления.

С ростом полосы пропускания минимальное допустимое по стандарту соотношение сигнал/шум возрастает - так для канала STM-64 оно на 4-7 дБ выше, чем для STM-16. Таким образом, нелинейность коэффициента усиления кремниевого EDFA сильней ограничивает размер зоны для мультиплексных каналов STM-64 (1540-1560 нм), нежели чем для каналов STM-16 и меньшей емкости (где можно использовать практически всю зону усиления кремниевого EDFA, несмотря на нелинейность).

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

Таблица 5.1 – Частотный план ITU-T

Частота,
ТГц

Интервал
ГГц

Длина волны,
нм

100

200

400

400/
500

600

   1000

   196,1

*

*

 

 

 

 

1528,77

   196,0

*

 

 

 

 

 

1529,55

195,9

*

*

 

 

 

 

1530,33

195,8

*

 

 

 

 

 

1531,12

195,7

*

*

 

 

 

 

1531,90

195,6

*

 

 

 

 

 

1532,68

195,5

*

*

 

 

*

*

1533,47

195,4

*

 

 

 

 

 

1534,25

195,3

*

*

 

*

 

 

1535,04

195,2

*

 

 

 

 

 

1535,82

195,1

*

*

 

 

 

 

1536,61

195,0

*

 

 

 

 

 

1537,40

194.9

*

*

 

 

*

 

1538,19

194,8

*

 

 

*

 

 

1538,98

194,7

*

*

 

 

 

 

1539,77

194,6

*

 

 

 

 

 

1540,56

194,5

*

*

 

 

 

*

1541,35

194,4

*

 

 

 

 

 

1542,14

194,3

*

*

 

*

*

 

1542,94

194,2

*

 

 

 

 

 

1543,73

194,1

*

*

 

 

 

 

1544,53

194,0

*

 

 

 

 

 

1545,32

193,9

*

*

*

*

 

 

1546,12

193,8

*

 

 

 

 

 

1546,92

193,7

*

*

*

 

*

 

1547,72

193,6

*

 

 

 

 

 

1548,51

193,5

*

*

*

 

 

*

1549,32

193,4

*

 

 

*

 

 

1550,12

193,3

*

*

*

 

 

 

1550,92

193,2

*

 

 

 

 

 

1551,72

193,1

*

*

*

 

*

 

1552,52

193,0

*

 

 

*

 

 

1553,33

192,9

*

*

*

 

 

 

1554,13

192,8

*

 

 

 

 

 

1554,94

192,7

*

*

*

 

 

 

1555,75

192,6

*

 

 

 

 

 

1556,55

192,5

*

*

*

*

*

*

1557,36

194,4

*

 

 

 

 

 

1558,17

192,3

*

*

*

 

 

 

1558,98

192,2

*

 

 

 

 

 

1559,79

192,1

*

*

 

*

 

 

1560.61

 

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

 

6 Глава. Оптические усилители

 

6.1 Типы оптических усилителей

 

По мере распространения оптического сигнала происходит его ослабление, а также уширение импульсов из-за дисперсии. Любой из этих факторов может оказаться причиной ограничения максимальной длины безретрансляционного участка волоконно-оптического сегмента. Если же максимальная допустимая длина между приемником и передатчиком превышена, то необходимо в промежуточных точках линии связи добавлять один или несколько ретрансляторов. В общем случае, ретранслятор выполняет функцию усиления оптического сигнала, и дополнительно (при цифровой передаче) может восстанавливать форму импульсов, уменьшать уровень шумов и устранять ошибки – такой ретранслятор называется регенератором.  

По методу усиления оптического сигнала ретрансляторы подразделяются на две категории:  повторители и оптические усилители.

В волоконно-оптических системах локальных сетей повторители значительно больше распространены, чем оптические усилители, в то время как при построении оптических магистралей оптические усилители играют незаменимую роль.                                                                  

Повторитель (электронно-оптический повторитель) сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал.                     

Оптический усилитель (ОУ), в отличие от повторителя, не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала. Оптические усилители не способны в принципе производить регенерацию оптического сигнала. Они в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум. Кроме этого, вносится собственный шум в выходной оптический канал.

Концептуальная простота – один из притягивающих факторов ОУ. Простота конструкции, в которой преобладают пассивные компоненты,

обещает низкую цену, т.к. число компонентов ОУ значительно меньше, чем у повторителей. На практике, однако, цена ОУ значительно выше, чем у повторителей. Но, по прогнозам специалистов, цена ОУ по мере увеличения рынка продаж будет падать. ОУ имеет более высокую надежность, чем повторитель. ОУ не привязан к скорости передачи, в то время как повторитель обычно исполняется для работы на определенной скорости. Повторитель работает с одним сигналом. ОУ может одновременно усиливать несколько оптических сигналов, представленных несколькими длинами волн (WDM-сигнал) в пределах определенного интервала, который называется зоной усиления. Это позволяет наращивать пропускную возможность линии связи, на которой установлены ОУ, без добавления новых волокон.                                                                   

Усилители на волокне, легированном эрбием, усиливают оптические сигналы без преобразования их в электрическую форму. Именно усилителям EDFA сети связи DWDM обязаны своим стремительным развитием в последние годы. Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) за последние несколько лет произвели революцию в телекоммуникационной промышленности. Усилители EDFA обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования, в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна (см. рисунок 6.1). Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетанием качеств линии связи и сети на основе систем DWDM стали экономически привлекательными.

 

Спектральная зависимость коэффициента усиления EDFA

 

Рисунок 6.1 – Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины волны

 

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

Обычные электронные повторители, чтобы восстановить уровень сигнала на протяженной линии связи, считывают сигнал с волокна, преобразуют его в электрические импульсы, усиливают их, преобразуют усиленный сигнал снова в оптическую форму и передают дальше по линии связи. В отличие от них, усилители EDFA полностью "прозрачны" – не зависят от используемых протоколов, форматов, скорости передачи и (в пределах указанных выше ограничений) длины волны оптического сигнала. Поскольку усилители EDFA независимы от сетевого протокола, их можно подключать непосредственно к различному оборудованию – коммутаторам ATM или компонентам протокола IP, – не опасаясь, что они помешают друг другу. Такая гибкость – одно из основных преимуществ использования их в системах DWDM.

Наряду с этим, при использовании усилителей EDFA требуется тщательно учитывать их неоднородное спектральное усиление и шум, вносимый ими за счет усиленной спонтанной эмиссии ASE (Amplified Spontaneous Emission). Сети с усилителями EDFA имеют многочисленные преимущества. Пропускную способность таких сетей можно наращивать экономично и постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности. Применение усилителей EDFA позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка сигнала электронными компонентами происходит только в начальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной (где информация достигает конечного получателя) точках сети. Каждая линия связи уровня OC-48 (STM-16) обрабатывается в системе DWDM как отдельный канал на отдельной длине волны, благодаря чему большая часть существующего сетевого оборудования непосредственно включается в состав систем DWDM. За счет этого начальная стоимость ввода систем DWDM в эксплуатацию достаточно низка.

 

 

Рисунок 6.2 – Оптические системы связи (каскад регенерационных повторителей, каскад оптических усилителей EDFA)

 

В зависимости от применения различают предварительные усилители, линейные усилители и усилители мощности (см. рисунок 6.3):                   

1) усилитель мощности, предназначен для увеличения выходной мощности передатчика и устанавливается на его выходе;                            

2) линейный усилитель, который, как правило, устанавливается в середине линии связи для компенсации возникающих в ней потерь;

3) оптический предусилитель, который используется для повышения чувствительности приемника и устанавливается на его входе.            

В связи с этим:                                                                              

1) усилитель мощности должен обеспечить максимально возможную выходную мощность передатчика;                                                                

2) предусилитель должен обеспечить высокое усиление и, следовательно, чувствительность при создании минимально возможного уровня дополнительных шумов;                                                                 

3) линейный усилитель должен обеспечивать выполнение всех вышеперечисленных факторов.

 

Рисунок 6.3 – Оптическая линия связи с использованием WDM

 

Применение оптических усилителей EDFA

 

Традиционные волоконно-оптические системы используют повторители-регенераторы, повышающие мощность сигнала, kогда длина между удаленными узлами начинает превосходить по условиям затухания сигнала максимальную допустимую длину пролета между соседними узлами, в промежуточных точках устанавливаются дополнительные регенераторы, которые принимают слабый сигнал, усиливают его в процессе оптоэлектронного преобразования, восстанавливают скважность, фронты и временные характеристики следования импульсов, и после преобразования в оптическую форму передают дальше правильный усиленный сигнал в том же виде, в каком он был на выходе предыдущего регенератора. Хотя такие системы регенерации работают хорошо, они являются весьма дорогими и, будучи установленными, не могут наращивать пропускную способность линии.

На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления (см. рисунок 6.4б). В отличие от регенераторов, такое "прозрачное" усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступают в силу другие ограничивающие факторы такие, как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Также усилители EDFA способны усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.

Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации. В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеет ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями.

 

а) каскада регенерационных повторителей; б) каскада оптических усилителей EDFA.

Рисунок 6.4 -Оптические системы связи на основе

 

В отличие от регенераторов оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. По этому наряду с коэффициентом усиления одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума. Оптические усилители, аналогично лазерам, используют принцип индуцированного излучения. Существует пять типов оптических усилителей, перечень которых приведён в таблице 6.1.

 

    Таблица 6.1 - Типы и области применения оптических усилителей

п/п

Типы усилителей

Область применения

1

Усилитель с полостью Фабри-Перо

Усиление одного канала (одной длины волны)

2

Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние

Усиление одного канала

3

Усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние

Усиление нескольких каналов одновременно

4

Полупроводниковые лазерные усилители

Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно

5

Усилители на примесном волокне

Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно

 

1. Усилители Фабри-Перо.Усилители оснащены плоским резонатором с зеркальными полупрозрачными стенками. Они обеспечивают высокий коэффициент усиления (до 25 дБ) в очень узком (1,5 ГГц), но широко перестраиваемом (800 ГГц) спектральном диапазоне. Кроме этого, такие усилители не чувствительны к поляризации оптического сигнала и характеризуются сильным подавлением боковых составляющих (ослабление на 20 дБ за пределами интервала в 5 ГГц). В силу своих характеристик, усилители Фабри-Перо идеально подходят для работы в качестве демультиплексоров, поскольку они всегда могут быть перестроены для усиления только одной определённой длины волны одного канала из входного многоканального WDM .

2. Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние. Стимулированное бриллюэновское рассеяние - это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом волокне, когда энергия от оптической волны на частоте f1 переходит в энергию новой волны на смещённой частоте f2. Если мощная накачка в кремниевом волокне производится на частоте f1, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать входной слабый сигнал на частоте f2. Выходной сигнал сосредоточен в узком диапазоне, что позволяет выбирать канал с погрешностью 1,5 ГГц.

3. Усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние. Используют тот же нелинейный эффект, что и использующие бриллюэновское рассеянии, однако в данном случае частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки (|f2- f1|), больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов в WDM сигнале. Большие переходные помехи между усиливаемыми каналами представляют основную проблему при разработке таких усилителей.

4. Полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ). ППЛУ имеют ту же активную среду, что и п/п лазеры, но в них отсутствуют зеркальные резонаторы. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное покрытие толщиной W с согласованным показателем преломления ( см. рисунок 6.5).

 

Рисунок 6.5 - П/п лазерный усилитель

 

.ППЛУ свойственны два существенных недостатка: светоизлучающий активный слой имеет поперечный размер несколько микрон, а толщину в пределах одного микрона, что много меньше диаметра светонесущей части оптического волокна (~9 мкм - для одномодового волокна). Вследствие этого большая часть светового потока из входящего волокна не попадает в активную область и теряется, что уменьшает КПД усилителя. Увеличить КПД можно, поставив между входящим волокном и активной средой линзу, но это приводит к усложнению конструкции. Второй недостаток имеет более тонкую природу.

 Выход (коэффициент усиления) ППЛУ зависит от направления поляризации и может отличаться на 4-8 дБ для двух ортогональных поляризаций. Это нежелательно, так как в стандартном одномодовом волокне поляризация распространяемого светового сигнала не контролируется. Мощность светового потока данной поляризации может флуктуировать вдоль ППЛУ. Следовательно, коэффициент усиления ППЛУ зависит от неконтролируемого фактора. Можно уменьшить эту зависимость от поляризации путём установки двух лазеров - возможно как параллельное (требуется пара разветвителей), так и последовательное их подключение. Но это снова приводит к усложнению конструкции и росту стоимости. Два приведённых недостатка нивелируются в тех случаях, когда ППЛУ интегрирован с другими оптическими устройствами. И именно так преимущественно используется ППЛУ. Одна из возможностей - производство светоизлучающего лазерного диода, непосредственно на выходе которого устанавливается ППЛУ. На рисунке 6.6 показана реализация ППЛУ в виде широкополосного усилителя. Несколько узкополосных п/п лазеров на различных длинах волн генерируют световые сигналы, которые мультиплексируются и размножаются с помощью оптического разветвителя. ППЛУ устанавливаются на конечном участке, чтобы усилить ослабленные после разветвления оптические мультиплексные сигналы.

Рисунок 6.6 - Источник мультиплексного излучения (п/п лазерный усилитель интегрирован с массивом лазерных светодиодов и оптическим разветвителем)

 

5. Усилители на примесном волокне. Данные усилители наиболее широко распространены и являются ключевыми элементами в технологии DWDM, так как позволяет усиливать световой сигнал в широком спектральном диапазоне.

 

 

Рисунок 6.7 - Оптический усилитель на примесном волокне

 

Схема такого усилителя приведена на рисунке 6.7. Слабый входной оптический сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении - слева направо, но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении, далее проходит через блок фильтров (3), которые блокируют световой поток на длине волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала.

Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера накачки (5), установленного с противоположной стороны, с более короткой длиной волны.

 Излучение этого лазера (5) с длиной волны накачки (6) возбуждает атомы примесей, возбуждённое состояние которых имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако при наличии слабого сигнала происходит индуцированный переход атомов примесей из возбуждённого состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же самой фазой, что и вызвавший этот переход сигнал. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное волокно (9).

 Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя. Активной средой является одномодовое волокно, сердцевина которого легирована примесями редкоземельных элементов с целью создания трёхуровневой атомной системы (см. рисунок 6.8).

 

 

Рисунок 6.8 - Энергетическая диаграмма уровней атомной системы усилителя на примесном волокне

 

Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов, в результате чего электроны с основного состояния (уровень А) переходят в возбуждённое состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С. Когда заселённость уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселённость уровней А и С, то такая система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определённом диапазоне длин волн.

При отсутствии входного сигнала происходит спонтанное излучение возбуждённых атомов примесей, приводящее к шуму. Режимы работы усилителя во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал.

Наиболее широко распространены усилители, в которых используется кремниевое волокно, легированное эрбием. Такие усилители получили название EDFA. Межатомное взаимодействие является причиной очень важного положительного фактора - уширения уровней, что, в конечном итоге, обеспечивает усилителю широкую зону усиления сигнала. В EDFA наиболее широкая зона усиления от 1530 до 1560 нм, соответствующая переходу , достигается при оптимальной длине волны лазера накачки 980 нм. Усиление в другом окне прозрачности 1300 нм можно реализовать с использованием примесей празеодимия, однако такие оптические усилители не получили большого распространения. Коэффициент усиления сигнала зависит от его входной амплитуды и длины волны. При малых входных сигналах амплитуда выходного сигнала растёт линейно с ростом входного сигнала, коэффициент усиления достигает при этом своего максимального значения.Однако при некотором достаточно большом входном сигнале сигнал на выходе достигает своего насыщения, что приводит к падению коэффициента усиления при дальнейшем увеличении уровня входного сигнала.

 

 

Классификация оптических усилителей по способам применения

 

В зависимости от применения различают предварительные усилители, линейные усилители и усилители мощности (см. рисунок 6.9).

Предварительные усилители (предусилители) устанавливаются непосредственно перед приемником регенератора и способствуют увеличению отношения сигнал/шум на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике. Оптические предусилители часто используются в качестве замены сложных и обычно дорогих когерентных оптических приемников.

Линейные усилители устанавливаются в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей с целью компенсации ослабления сигнала, которое происходит из-за затухания в оптическом волокне или из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах WDM. Линейные усилители заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы в тех случаях, когда нет необходимости в точном восстановлении сигнала.

Усилители мощности (бустеры) устанавливаются непосредственно после лазерных передатчиков и предназначены для дополнительного усиления сигнала до уровня, который не может быть достигнут на основ лазерного диода. Бустеры могут также устанавливаться перед оптическим разветвителем, например, при передаче нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных архитектурах кабельного телевидения.

 

Рисунок 6.9 - Применение разных типов оптических усилителей

 

В таблице 6.2. указана степень значимости параметров EDFA в зависимости от типа усилителя.

 

Таблица 6.2 - Сравнительный анализ параметров трех типов EDFA

 

Параметр

Предусилитель

Линейный усилитель

Усилитель мощности

Коэффициент усиления G

высокий *

Средний

низкий

Коэффициент шума NF

низкий

средний *

низкий

Мощность насыщения Pout sut

низкая

Средняя

высокая *

Нелинейность **

низкая

Низкая

низкая

Зона усиления

узкая

широкая

широкая

Отклонение от плато G

не указывается

высокая линейность

высокая линейность

* - указан наиболее значимый параметр;

** - нелинейность охватывает совокупность характеристик: зависимость G от Pin, поляризационную чувствительность, PMD усилителя, поперечные помехи между каналами.

 

7 Глава. Многоволновое уплотнение оптических несущих (для WDM   и DWDM)

 

Решение задачи дальнейшего роста пропускной способности ВОСП путем увеличения скорости передачи при помощи TDM ограничивается не только технологическими сложностями при электронном временном уплотнении, но и ограничениями, вызванными временной (хроматической) дисперсией оптических импульсов в процессе их распространения в ОВ. Это наглядно видно из сопоставления допустимых величин хроматической дисперсии для систем передачи SDM – STM-16 и STM-64 соответственно: 10500 пс/нм и 1600 пс/нм и поляризационной модовой дисперсии – 40 пс и 10пс.

 Указанная выше задача успешно решается с помощью многоволнового уплотнения оптических несущих – WDM (Wavelength Division Multiplexing). .

Системы, использующие WDM, основаны на способности оптического волокна одновременно пропускать широкий спектр оптического излучения или набор большого числа не интерферирующих и не взаимодействующих между собой длин волн. Каждая длина волны или определенный диапазон длин волн этого спектра может служить независимым оптическим каналом для передачи информации по волокну.

В настоящее время разработаны оптические методы объединения  (мультиплексирования) и разъединения (демультиплексирования) таких каналов, обеспечивающие идентификацию каждого канала в любой заданной точке системы или сети связи. При этом технология мультиплексирования доведена до такого уровня, что разделение по длинам волн Δλ соседних спектральных каналов может составлять доли нанометров.

Становление и развитие таких технологий позволили в последнее время создать коммерчески доступные волоконно-оптические системы и сети, в которых по одному волокну можно передавать более сотни независимых оптических каналов, причем в дуплексном режиме (одновременно в двух направлениях).

Суть этого метода состоит в том, что m информационных цифровых потоков, переносимых каждый на своей оптической несущей на длине волны λm и разнесенных в пространстве, с помощью специальных устройств – оптических мультиплексоров (ОМ) – объединяются в один оптический поток λ1…..λm, после чего он вводится в оптическое линейное волокно, входящее в состав оптического кабеля. На приемной стороне производится обратная операция демультиплексирования. Примерная структурная схема такой системы с WDM представлена на рисунке 7.1 

 

Рисунок 7.1 – Структурная схема системы передачи с WDM

 

На рисунке  7.1  блоки 1 – 6 и 9 – 14 одноканальная аппаратура SDH – STM или STM-64, 7 – оптический мультиплексор, 8 – оптический демультиплексор. В соответствии с рекомендациями G.692, к системам передачи с WDM предъявляются требования совместимости по оптическим интерфейсам с аппаратурой существующих одноволновых систем передачи SDH. Оптические параметры систем WDM регламентируются рекомендациями G.692, в которых определены длины волн и оптические частоты для каждого канала. Согласно этим рекомендациям, многоволновые системы передачи работают в 3-м окне прозрачности ОВ, т.е. в диапазоне длин волн 1530…1565 нм. Для этого установлен стандарт длин волн, представляющий собой сетку оптических частот, в которой расписаны регламентированные значения оптических частот от 196,1 ТГц до 192,1 ТГц (1 ТГц = 10¹² Гц) с интервалами 100 ГГц и длины волн: от 1528,77 нм до 1560,61 нм с интервалом 0,8 нм. Стандарт состоит из 41 длины волны, т.е. рассчитан на 41 спектральный канал. Однако на практике используется 39 каналов из представленной сетки частот, поскольку два крайних не используются, так как они находятся на склонах частотной характеристики оптических усилителей, применяемых в системах WDM.

В последнее время установилась четкая тенденция уменьшения частотного интервала между спектральными каналами до 50 ГГц и даже до 25 ГГц, что приводит к  более плотному расположению спектральных каналов в отведенном диапазоне длин волн (1530…1565 нм). Такое уплотнение получило название плотного волнового уплотнения, или DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Очевидно также, что в настоящее время аббревиатура DWDM закрепилась и для систем с многоволновым уплотнением, у которых частотный интервал между каналами равен 100 ГГц.

Выше отмечалось, что оптические интерфейсы аппаратуры DWDM должны быть совместимы с аппаратурой СЦИ – STM-16 и STM-64. Однако, согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH), допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических стыках (интерфейсах) имеют следующие значения:  ширина спектральной линии    Δλ ≈ ±0,5 нм (для STM-16), для STM-64 - Δλ = 0,1 нм, а центральная оптическая длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530…1565 нм. На входы оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, параметры которых, в особенности спектральные, должны строго соответствовать стандартам, определенным рекомендациям G. 692. Такое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре DWDM специального устройства – транспондера. Это устройство имеет количество оптических входов и выходов, равное числу уплотняемых оптических сигналов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рекомендациями G. 957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рекомендациям G. 692.

При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера  длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частот, т.е. допустим для 1-го канала оптический сигнал должен иметь длину волны λ1, для второго λ2 и т.д. до λm. С выходов транспондера эти оптические сигналы поступают на строго определенные входы оптического мультиплексора, соответствующие указанным длинам волн λ1…. λm, реальная обобщенная структурная схема системы передачи с DWDM представлена на рисунке 7.2

 

Рисунок 7.2 – Структурная схема системы передачи с DWDM

 

На рисунке 7.2  блоки 1 – 6 и 13 – 18 – аппаратура SDH; 7, 11 – транспондер; 8, 12 – мультиплексор/демультиплексор; 9, 10 – оптические усилители соответственно передачи и приема.

Следует отметить, что при оптическом уплотнении по длинам волн в оптическом мультиплексоре происходят значительные потери. Так, в системах передачи DWDM 16-ти спектральных каналов потери оптического мультиплексора на канал составляют ≈ 7…9 дБ (на одной стороне). С учетом потерь на обеих сторонах (на передаче и на приеме) их общая величина составит 14…18 дБ. Такие потери значительно сокращают энергетический потенциал системы, поэтому без оптических усилителей возможна передача на весьма небольшие расстояния – до 50 км для передачи 8-ми каналов. Для того, чтобы скомпенсировать энергетические потери в оптическом мультиплексоре, на передаче применяется волоконно-оптический усилитель мощности (BOOSTER). Если же этой мощности оказывается недостаточно, то оптический усилитель применяется и на приемной стороне.

Основными преимуществами сетей DWDM являются:

1)   Высокие скорости передачи;

2)   Высокая утилизация оптических волокон;

3) Возможность обеспечить 100% защиту на основе кольцевой топологии;

4) Позволяет использование любых технологий канального уровня благодаря прозрачности каналов оптических волокон;

5) Возможность простого наращивания каналов в оптической магистрали;

6)  Быстрая окупаемость вложенных средств.

В настоящее время наиболее распространены следующие применения сетей DWDM:

-         построение высокоскоростных транспортных сетей операторов национального масштаба, на основе топологий «точка-точка» или «кольцо»

-         построение мощных городских транспортных магистралей, которые могут использоваться большим количеством пользователей с потребностями в высоких скоростях передачи и использующих самые различные протоколы.

 

 

Для накачки активного волокна используются полупроводниковые лазеры с рабочими длинами волн 980 нм и 1480 нм. Излучение обеих длин волн соответствует уровням энергии возбужденных ионов и хорошо поглощается волокном, легированным эрбием. Однако при выборе того или иного типа лазеров накачки приходится идти на компромисс. С одной стороны, усилители с лазерами 980 нм обладают более низким коэффициентом шума, чем усилители с лазерами 1480 нм, что лучше для многоканальных систем и предусилителей систем DWDM. С другой стороны, использование лазеров 1480 нм позволяет создать более мощные усилители за меньшую цену. Выбор осложняется тем, что тип лазеров накачки необходимо определить в самом начале проектирования сети, когда еще не известно окончательное число каналов и достаточно сложно определить, что важнее — высокая мощность усилителя или низкий уровень его шума. В некоторых усилителях используется накачка на двух длинах волн, что позволяет совместить преимущества обоих способов.

Возможно несколько схем накачки на длинах волн 1480 нм или 980 нм — прямая и обратная. В прямой схеме направление распространения излучения накачки совпадает с направлением распространения усиливаемого сигнала. При обратной схеме они противоположны.

Прямая схема накачки дает наиболее низкий уровень шума. Это важно при небольшой мощности входного сигнала и максимальных значениях коэффициента усиления. При обратной накачке проще достигается режим насыщения. Это существенно в тех случаях, когда требуется на выходе сигнал максимально возможной мощности.

Если используется комбинированная схема накачки, рекомендуется осуществлять накачку на 1480 нм в обратном направлении, а накачку на 980 нм — в прямом. Это позволяет эффективно использовать преимущества обоих методов. Лазер накачки 1480 нм обладает более высокой квантовой эффективностью, но при этом и несколько более высоким коэффициентом шума, в то время как у лазера 980 нм можно снизить уровень шумов практически до уровня квантовых флуктуаций.

Следует отметить, что лазеры с длиной волны 1480 нм считаются более предпочтительными, так как они более надежные, не требуют жесткого контроля длины волны (излучают в более широкую полосу поглощения ионов эрбия) и вместе с тем, позволяют реализовать достаточно низкий уровень шумов усилителя (5 дБ), хотя их эффективность и составляет 70 % от эффективности лазеров на длину волны 980 нм.

Чем большее число каналов транслируется в волокне, тем большая энергия накачки требуется. Поэтому в системах с большим числом и плотной расстановкой каналов используется несколько лазеров накачки.

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

 

 

Рисунок 7.3 -  Режимы усилителей в разных рабочих диапазонах

 

Усилители могут использоваться по-разному, в зависимости от выбранной области коэффициента усиления (см. рисунок 7.3).

- в режиме насыщения (область С,см. рисунок 7.3) — как усилитель мощности (бустер) сразу после лазера-передатчика. Бустер повышает мощность сигнала и позволяет максимально увеличить расстояние до первого повторителя;

- в режиме промежуточных значений усиления и шума (область В,) — как повторитель. Повторитель усиливает сигнал насколько это возможно, внося при этом как можно меньше шума;

- в режиме наименьшего шума (область А) — как предусилитель перед приемником. Предусилитель повышает мощность слабого сигнала в конце линии связи. Он практически всегда используется вместе с узкополосным фильтром.

В спектральном распределении коэффициента усиления имеется широкий максимум на длине волны 1535 нм и относительно ровная область между 1540 нм и 1560 нм. Эта узкая область шириной около 20 нм и является рабочим диапазоном эрбиевых усилителей, в пределах которого должны лежать длины волн всех каналов систем DWDM. Было предложено множество методов, позволяющих выровнять спектр усиления и расширить рабочий диапазон усилителей до 40 нм и более. В усилителе LWEDFA верхняя граница рабочего диапазона достигает 1610 нм. Это позволяет передавать информацию по одному волокну в обоих направлениях в двух взаимно не пересекающихся спектральных окнах и в то же время снижает уровень технических требований при более плотной упаковке каналов DWDM.

В современных усилителях имеется ряд компонентов, которые увеличивают их надежность. Оптические изоляторы подавляют обратное распространение усиленной спонтанной эмиссии и предохраняют усилитель от попадания всевозможных отраженных сигналов и излучения накачки от усилителей, расположенных ниже по линии связи. Устройства компенсации дисперсии выравнивают временные задержки, возникающие при распространении сигналов различных длин волн, особенно, между двумя каскадами двухкаскадного усилителя.

 

 

Рисунок 7.4 - Современный оптический усилитель производства фирмы Harmonic

 

В настоящее время в EDFA используется волокно на кварцевой или фторидной основе. Применение других материалов пока находится в стадии исследования. Оба типа волокна имеют практически одинаковую внутреннюю структуру, но волокно на фторидной основе обеспечивает более высокий уровень легирования эрбием. Обе технологии обеспечивают приемлемое усиление в окне 1525-1560 нм., однако, спектральное распределение коэффициента усиления для усилителей EDFA на кварцевой основе менее однородное, чем для усилителей на фторидной основе.

Поиски новых активных материалов привели к использованию в качестве легирующего вещества празеодима. Это позволило создать усилители диапазона 1310 нм — PDFFA (Praseodymium Doped Fluoride based Fiber Amplifier). Хотя потери в волокне на длине волны 1310 нм больше, чем в диапазоне 1550 нм, однако, и мощность лазеров здесь выше. К сожалению, необходимый уровень накачки в волокне, легированном празеодимом, достигается только тогда, когда его диаметр значительно меньше диаметра стандартного волокна. Из-за разности диаметров волокон на обоих стыках возникают оптические потери. Кроме того, достаточно сложно обеспечить механическую надежность стыков, потому возможность широкого коммерческого использования усилителей PDFFA пока затруднена.

Был испробован в качестве активной легирующей присадки и другой материал — тулий. Усилитель на фторидной основе, легированный тулием, — TDFFA (Thulium Doped Fluoride-based Fiber Amplifier) — имеет два рабочих диапазона: в области длины волны 1460 нм и в области длины волны 1650 нм. К его преимуществам относятся высокая мощность выходного сигнала в режиме насыщения, не зависящий от поляризации коэффициент усиления и низкий коэффициент шума.

В усилителях с очень высокой мощностью выходного сигнала в качестве легирующей примеси используется также иттербий.

Другое направление исследований — обеспечение режима усиления входного излучения в волокне за счет стимулированного эффекта рассеяния Рамана (также известного как вынужденное комбинационное рассеяние). Этот метод позволяет создать усилители с низким уровнем собственных шумов и обеспечивает широкий выбор рабочего диапазона длин волн. Рамановские усилители (Raman amplifiers) дают возможность увеличивать число каналов в существующих линиях связи без замены уже установленных EDFA.

 Однако в рамановских усилителях возникает значительная перекрестная модуляция между каналами, что ограничивает применение таких усилителей либо одноканальными системами, либо системами DWDM с очень большим числом каналов, где влияние такой модуляции устраняется за счет усреднения. Кроме того, рамановские усилители чувствительны к поляризации входного излучения. С учетом низкого уровня преобразования сигнала в эффекте рассеяния Рамана в кварцевом волокне, их применение ограничено узким кругом специфических областей, по крайней мере, на данный момент.

Продолжают совершенствоваться полупроводниковые оптические усилители SOA (Semiconductor Optical Amplifiers), первыми нашедшие применение в протяженных линиях. В них излучение фотонов стимулируется рекомбинацией электронов и дырок в полупроводнике посредством прямой инжекции тока (а не внешней накачкой оптическим излучением). Такие усилители представляют значительный интерес, поскольку позволяют достичь высокой эффективности усиления в широком спектральном диапазоне, пусть и с высоким коэффициентом шума (обычно на 5-6 дБ больше, чем у EDFA, в основном, за счет неизбежных потерь на стыке активного слоя с волокном). Как и в рамановских усилителях, в SOA возникает значительная перекрестная модуляция между усиливаемыми каналами, что препятствует их применению в системах DWDM с небольшим числом каналов.

Для полупроводниковых усилителей, как и для PDFFA, возникает проблема стыковки с волокном, поскольку толщина активного слоя полупроводникового усилителя значительно отличается от диаметра сердцевины стандартного оптического волокна.

Технология БИС и интегральной оптики позволяет создать лазеры со встроенными в один модуль модуляторами и мультиплексоры. В ближайшее время ожидается появление модулей, в которых будут объединены несколько лазеров, соответствующее количество модуляторов, усилителей SOA и мультиплексор.

 

8 Глава. Оптические компоненты

 

Мультиплексоры — демультиплексоры

 

Опыт показал, что недостаточно иметь несколько десятков лазеров, генерирующих на различных длинах волн. Необходимо их излучение объединить и ввести в одно волокно, причем сделать это с минимальными потерями и перекрестными искажениями. Как уже отмечалось, первые мультиплексоры, рассчитанные на объединение излучения двух длин волн, были достаточно просты.

Например, это может быть полупрозрачное зеркало, на которое нанесено покрытие эффективно отражающее излучение одной длины волны. Однако с увеличением количества суммируемых каналов конструкция мультиплексоров менялась. Наиболее простым примером мультиплексора/демультиплексора (МП/ДМП) является обычная треугольная призма. Все не раз наблюдали ее действие как демультиплексора при падении на одну из ее граней белого света. Радужный спектр, наблюдаемый на выходе другой грани, — это демультиплексированный световой поток. Призма — взаимное устройство (т.е. его свойства в обоих направлениях идентичны), и если направить на одну из ее граней всю гамму цветов спектра под теми же углами, на выходе другой грани получим белый свет — произойдет мультиплексирование. Но призмы не используются в системах DWDM. Их разрешающая способность мала, и если на основе призмы сделать мультиплексор с разрешением 0,8 нм, то получится устройство очень больших размеров. В системах DWDM используются приборы, основанные на других принципах.

 Основой для оптических усилителей этого семейства служат оптические волокна, легированные примесями некоторых редкоземельных элементов, относящихся к группе лантанидов (с 57-го по 71-й элемент в периодической таблице Менделеева). Как правило, для окна прозрачности в диапазоне 1300 нм это неодим (Nd) и празеодим (Pr), а для окна прозрачности в диапазоне 1500 нм – эрбий (Er) и итербий (Yb).

С учетом того, что современные системы передачи работают в диапазонах L и C, большее распространение приобрели усилители на основе оптических волокон, легированных ионами эрбия Er3+ (Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA). Такие усилители благодаря использованию оптических волокон со смещенной дисперсией позволили увеличить длину регенераторного участка до 400 км и более. Это дало возможность построить линии передачи, содержащие промежуточные регенераторы только в опорных пунктах, расположенных на суше.

 

Интерференционные фильтры

 

Рисунок 8.1 - Пластина из трех слоев        Рисунок 8.2 - Система фильтров

 

Интерференционные фильтры известны достаточно давно и широко используются в высококачественных объективах фотоаппаратов и других оптических приборах. Действие фильтров основано на явлении интерференции — взаимодействии волн. Если, например, две волны равны по частоте и когерентны (вот когда необходима монохроматичность и когерентность излучения лазера), то, при сложении в фазе, их амплитуда возрастает вдвое, а в противофазе — равна нулю. Интерференционный фильтр представляет собой несколько слоев прозрачного диэлектрика, толщина и коэффициенты отражения и преломления которых подбираются таким образом, чтобы при отражении от них условие сложения в фазе выполнялось только для излучения определенной длины волны.

 Принцип его действия иллюстрирует рисунок 8.1, где изображена пластина из трех слоев, на которую падает поток излучения на четырех длинах волн .. Коэффициенты отражения поверхностей пластин выбраны такими, что каждый из них имеет максимум только для определенной длины. А толщина слоев подбирается таким образом, чтобы падающая и отраженные волны на поверхность первой пластины падали в противофазе и взаимно уничтожались. И только излучение с длиной волны 4 проходит все слои практически без поглощения. Но для того чтобы разделить несколько десятков оптических несущих, (см. рисунок 8.2) необходима система фильтров.

 

Дифракционные решетки

 

Брэгговская дифракционная решетка. Вторым типом спектрально-селективных элементов, используемых в системах DWDM, являются дифракционные решетки, чаще всего брэгговские дифракционные решетки. Вообще то, дифракция Брэгга — это дифракция на стоячей ультразвуковой волне, возбужденной в прозрачном твердом материале (см. рисунок 8.3). При этом в нем возникают чередующиеся максимумы и минимумы коэффициента преломления, которые могут играть роль дифракционной решетки.

 Период решетки пропорционален длине ультразвуковой волны, чем меньше длина волны, тем меньше период решетки, тем выше ее разрешающая способность, тем лучше она может разделить близко стоящие по длине вoлны. В дальнейшем брэгговскими стали называть решетки на основе структуры с периодически изменяющимся коэффициентом преломления, вне зависимости от того, каким путем эти изменения созданы. Это может быть участок материала специального состава, облученный, например, ультрафиолетовым излучением. Таким путем можно сформировать решетки со значительно меньшим периодом, нежели механическим путем (гравировкой) или путем химического травления через специальную маску.

 

Рисунок 8.3 - Брэгговская дифракционная оешетка

 

Величина угла θ (угла дифракции) зависит от длины волны падающего излучения, и если на решетку направить световой поток излучения нескольких длин волн, то после прохождения решетки он разделится на отдельные составляющие, каждую из которых можно наблюдать под своим углом.

Выше было рассмотрено явление дифракции в случае, когда излучение падает нормально к плоскости решетки. Однако эффект спектральной селекции можно наблюдать и если излучение направить вдоль структуры с периодическим изменением показателя преломления (см. рисунок 8.4)

 

Рисунок 8.4 - эффект спектральной селекции

 

На границе сред с различным коэффициентом преломления всегда происходит отражение излучения. Подбирая шаг решетки в направлении распространения и материал среды, можно добиться или того, что только излучение с определенной длиной пройдет через решетку или же того, что только это излучение отразится от нее. (Фактически добиваются того, чтобы падающее и отраженное излучения со всеми другими длинами волн приходили к концу или началу решетки в противофазе). Рабочая полоса частот такого фильтра определяется длиной решетки. Поскольку и шаг и длина зависят от температуры материала, то необходимо принимать специальные меры для поддержания температуры решетки постоянной, помещая ее в термостат.

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

Для компенсации хроматической дисперсии в линейном волокне применяются брэгговские решетки с изменяющимся периодом.

 

Рисунок 8.5 - Брэгговская решетка и оптический циркулятор

 

Используя брэгговскую решетку и оптический циркулятор, можно сделать устройство ввода/вывода излучения одного канала в групповой поток (см. рисунок 8.5).

(Оптический циркулятор — это невзаимное устройство, по-разному воздействующее на излучение, в зависимости от направления его распространения).

В мультиплексорах/демультиплексорах систем DWDM могут использоваться и обычные, привычные нам со школьных уроков физики, дифракционные решетки, только значительно более высокого качества. Они дороги в производстве, однако потери в них практически не зависят от числа каналов.

 

Волноводные мультиплексоры на основе технологий интегральной оптики

Они основаны на использовании интерференции световых потоков с разными фазовыми сдвигами после прохождения волоконных световодов разной длины. Эти устройства чаще всего используются в качестве коммутаторов, когда необходимо перераспределить каналы с одной длиной волны в другие световоды или ввести в магистральное волокно дополнительные каналы. Схема такого коммутатора мультиплексора показана на рисунке 8.6.

 

Рисунок 8.6 - Коммутатор мультиплексора

 

Входные сигналы с длинами волн λ, сгруппированные в пакеты, по разным волокнам попадают на входной разветвитель, где происходит расщепление каждого из них на N световых потоков. (В данном случае N = 6). Из разветвителя эти потоки попадают в планарные световоды, сформированные методами интегральной оптики на одной пластине. В каждом световоде распространяется излучение всех N длин волн.

 Длины световодов различны и выбраны таким образом, чтобы излучение различных каналов в результате интерференции на торце выходного разветвителя формировалось в другие, по сравнению с входными, группы. Естественно, все это так просто только на словах, а в действительности требуются сложные расчеты по выбору длин световодов матрицы и формы входного и выходного разветвителей, не говоря уже о собственно технологии изготовления. Такие мультиплексоры называют фазовыми матрицами или фазарами.

В качестве мультиплексоров/демультиплексоров могут использоваться планарные световоды, изготовленные по схеме интерферометра Маха — Цандера. Цепочку соединенных последовательно таких световодов применяют для ввода — вывода сигналов отдельных каналов. Достоинство их в том, что матрица мультиплексора может быть изготовлена методом интегральной оптики на одной подложке.

О мультиплексорах, как, впрочем, и о любом другом компоненте системы DWDM, можно написать отдельную большую книгу. Поэтому здесь расскажем только о частотном плане современных систем, поскольку именно благодаря параметрам современных мультиплексоров удалось реализовать сам принцип плотного волнового уплотнения.

 

Фотоприемники

 

Собственно, при создании фотоприемников систем DWDM не решались какие-то особые, не присущие ВОЛС задачи. Уже сейчас в обычных одноканальных ВОЛС реализуются скорости до 10 Гбит/с. Дальнейшее увеличение скорости ограничивается скоростью рекомбинации носителей и толщиной p — n перехода собственно фотодетектора. При такой полосе сложно было обеспечить линейность АЧХ и достаточно высокий коэффициент усиления последетекторного усилителя. Однако применение МОП транзисторов и новой технологии интегральных микросхем позволило решить эту задачу.

 

 9 Глава. Характеристики промышленных систем WDM

 

Если сравнить список производителей оборудования WDM и SDH, то его можно разделить на две группы: традиционные производители систем PDH/SDH и сопутствующего оборудования (Alcatel, ECI, Ericsson, Lucent, NEC, Nokia, Nortel, Pirelli (приобретена компанией Cisco), Siemens) и остальные (ADVA, Cambrian (приобретена компанией Nortel), Ciena, Eonyx, IBM, Osicom) — новые производители.

 Первые разрабатывали системы WDM как транспортные средства применительно к WAN, для использования их совместно с системами SDH/SONET; вторые — как транспортные средства для LAN (в лучшем случае, для MAN), что видно по набору логических интерфейсов систем этих производителей, используемых для стыковки (преобразования) логических форматов сигналов на входе и выходе систем WDM. В этом смысле к первой группе следует присоединить и компанию Ciena, которая примыкает к ней не только по длине покрываемой дистанции (500-800 км), но и по числу используемых каналов (40, 96) и даже перекрывает их по используемому минимальному разносу частот (50 ГГц, единственная компания, использующая такой плотный канальный план).

Большинством производителей аппаратуры WDM и DWDM освоены промышленный выпуск и поставка аппаратуры с числом оптических каналов от N = 16/32 до N = 40/80 и выше, для аппаратуры SDH со скоростью передачи на уровне STM-64 (10 Гбит/с) и STM-16 (2,4 Гбит/с). Поскольку аппаратура систем WDM/DWDM вносит значительные потери в линейный тракт транспортной магистрали (суммарно до 14-18 дБ на обеих сторонах для одного оптического канала), то ее применение без оптических усилителей возможно для относительно коротких линий — порядка нескольких десятков километров.

В настоящее время освоен промышленный выпуск систем DWDM со 160 (Nortel, Lucent, Siemens) и 256 (Alcatel) оптическими каналами и скоростью передачи 10 и 2,4 Гбит/с, что позволяет довести суммарную полосу пропускания в одном ОВ до 1,6 и 0,625 Тбит/с соответственно. Совсем недавно компания Alcatel заявила о превышении мифического барьера 10 Тбит/с в суммарной скорости передачи по одному оптическому волокну.

В тестовых испытаниях ВОЛС протяженностью 100 км по волокну типа TeraLightTM передавалось 256 оптических каналов со скоростью 40 Гбит/с, что соответствует суммарной скорости передачи 10,24 Тбит/с. При этом использовались по 128 полупроводниковых РОС-лазеров с частотной сеткой 50 ГГц в диапазоне длин волн 1529,94 — 1561,22 нм (C-диапазон) и 1569,59 — 1602,53 нм (L-диапазон) соответственно.

Настоящий этап развития волоконно-оптических систем связи характеризуется как этап поиска путей повышения эффективности систем передачи. Выполнение данной задачи происходит за счет снижения стоимости строящихся систем в основном регионального, городского масштаба и локальных ВОСП. Учитывая массовость этих дешевых и эффективных ВОСП, можно обеспечить большую загрузку магистральных DWDM-систем. Один из вариантов такого подхода — системы с "грубым" спектральным уплотнением — CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing).

 

Усилители оптических сигналов в ВОЛС

 

Одним из основных узлов современных волоконно-оптических систем связи со спектральным уплотнением каналов (WDM- и DWDM-систем) является оптический усилитель. Создание широкополосных оптических усилителей (наряду с другими элементами) позволило в конце 90-х годов создать экспериментальные волоконно-оптические системы связи со спектральным мультиплексированием более ста каналов и достичь скорости передачи информации более 1 Тбит/с.

Принцип работы такой системы показан на рисунке 9.1

 

 

Принцип работы волоконно-оптических систем связи со спектральным мультиплексированием

Рисунок 9.1 - Принцип работы волоконно-оптических систем связи
со спектральным мультиплексированием

 

Терабитные скорости передачи в системе достигаются за счет применения временного (ТDМ) и спектрального (WDM) уплотнения (мультиплексирования) сигналов. Полная скорость передачи информации В в мультиплексной системе равна произведению числа спектральных каналов N на скорость передачи информации в одном канале b:

                                                  В = N·b.

Величина b определяется возможностью технологий временного уплотнения сигналов. В настоящее время практически реализованы системы со скоростями передачи в одном канале до 40 Гбит/с, имеются сообщения о многоканальной экспериментальной системе со скоростями передачи в одном канале до 160 Гбит/с. Число спектральных каналов N в системе, как уже говорилось выше, может достигать 100, с разделением по длине волны λ между соседними каналами, равными (0,4÷0,8) нм.

 Таким образом, для реализации протяженых терабитных систем требуются широкополосные оптические усилители, спектральная полоса которых должна, по крайней мере, превышать 30 нм.

Полоса пропускания, ее равномерность, динамический диапазон и другие перечисленные выше характеристики усилителя напрямую зависят от параметров активированного световода (его длины, диаметра световедущей жилы, распределения ионов эрбия по диаметру световедущей жилы, степени однородности накачки и т.д.), а также топологии усилителя. В связи с тем, что невозможно создать усилители с одним активным элементом (световодом), полностью удовлетворяющие требования DWDМ-систем, в последнее время стали разрабатываться многокаскадные эрбиевые волоконно-оптические усилители.

Последним достижением можно, на наш взгляд, считать разработку эрбиевых усилителей на основе теллуридного волокна (легированного примесями теллура), имеющих спектральную полосу λ = 80 нм, которая перекрывает C и L рабочие полосы DWDМ систем. Именно с помощью таких усилителей была реализована экспериментальная система, обеспечивающая полную скорость передачи информации 3 Тбит/с (19 спектральных каналов емкостью 160 Гбит/с в каждом канале).

Кроме широкой полосы усиления, важную роль играет равномерность коэффициента усиления во всей полосе или плоскостность спектральной характеристики. Это обусловлено необходимостью иметь одинаковое усиление сигнала в каждом спектральном канале. Как правило, ни один из усилителей не имеет плоской спектральной характеристики, поэтому выравнивание спектра усиления осуществляется оптическими фильтрами различных типов. В основном усилители, применяемые в системах со спектральном уплотнением, имеют неравномерность коэффициента усиления в пределах не более нескольких децибелл во всей полосе усиления.

Перспективным направлением является также разработка и создание гибридных волоконных усилителей, состоящих из различных комбинаций, включающих распределенный рамановский усилитель и эрбиевый волоконный усилитель. Варианты схем гибридных усилителей приведены на рисунке.

 

Четыре типа гибридных волоконно-оптических усилителей

Рисунок 9.2 - Четыре типа гибридных волоконно-оптических усилителей

 

На рисунке показаны четыре типа оптических систем гибридных усилителей. В схемах типа 1 и 2 используются распределенные рамановские усилители (секции обычного связного волокна) и дискретные эрбиевые волоконные усилители.

 Дискретный эрбиевый усилитель в схеме 1 представляет собой двухступенчатый эрбиевый усилитель с промежуточным устройством выравнивания коэффициента усиления по спектру (эквалайзером), а в схеме 2 применен одноступенчатый эрбиевый усилитель и общий внешний эквалайзер. В схеме 3 используется двухступенчатый эрбиевый усилитель с промежуточным эквалайзером и рамановским усилителем, представляющий собой отрезок высокоапертурного волокна с легированной германием световедущей жилой. Четвертый вариант схемы содержит дискретный рамановский усилитель и внешний эквалайзер.

Разработка данных схем гибридных усилителей позволила получить равномерное усиление сигналов в полосе 82,8 нм с отклонением не более 3 дБ в пределах заданной полосы.

Указанные выше достижения в области оптических усилителей позволили всем основным крупным телекоммуникационным фирмам приступить к разработке и практической реализации мультиплексорных систем связи со скоростными пределами информации 1 Тбит/с и выше.

 

10 Глава. Оборудования фирмы HUAWEI.

 

Основой системы передачи HUAWEI являются интеллектуальные системы оптических передач: OptiX OSN 1500, OptiX OSN 2500, OptiX OSN 3500, OptiX OSN 9500.Эти системы отражают системы мультиплексирования сигналов. Оборудование HUAWEI предоставлено в интеллектуальной системе оптических передач: OptiX OSN 1500, которое включает в себя три типа сетевых элементов в сети оптической передачи:

- Терминальный мультиплексор (TM),

- Мультиплексор ввода-вывода (ADM),

- Мультиплексор множественного ввода-вывода ( МADM).

 

Терминальный мультиплексор (ТМ)

 

Основная  функция  терминального  мультиплексора (TM) -  мультиплексирование (уплотнение) низкоскоростных сигналов PDH в высокоскоростные сигналы SDH, кросс-коммутация линейных сигналов   трибутарными и демультиплексирование высокоскоростных SDH в низкоскоростные PDH сигналы.

 

 

Рисунок 10.1 - Функциональная блок диаграмма ТM

 

На рисунке 10.1 представлена функциональная блок диаграмма ТM, которая используется как терминал сети "точка-точка", последовательной линейной цепи или на стыке кольцевой сети и линейной цепи.

 

Мультиплексор ввода-вывода (ADM)

 

ADM более широко используется в сетях. Он обеспечивает гибкий ввод-вывод трибутарных сигналов, объединяя в себе функции синхронного мультиплексирования и цифровой кросс-коммутации. Кроме функций TM, ADM также обеспечивает кросс-коммутацию линейных сигналов и линейных сигналов с трибутарными. Например, доступный трибутарный сигнал E1 может быть мультиплексирован и подключен к линейным сигналам двух направлений, и также линейные сигналы двух направлений могут быть соединены между собой. Структура ADM похожа на два соединённых терминальных мультиплексора TM, как показано на рисунке 10.2

 

 

Рисунок 10.2 - Функциональная блок диаграмма ADM OptiX OSN 2500

 

На рисунке 34 представлена функциональная блок диаграмма ADM OptiX OSN 1500, которая широко используется в сетях топологии цепь, кольцо и сетях с концентратором цепи.

 

Мультиплексор множественного ввода-вывода (MADM)

 

MADM, составленный из мультиплексоров ADM, выполняет функции ADM и внутреннюю кросс-коммутацию мультиплексоров ADM. Мультиплексоры ADM могут быть одной скорости (обработки сигналов) или разных скоростей. MADM является основой сетей со сложной структурой.

Для формирования мультиплексора MADM, OptiX OSN 2500 может быть сконфигурирован, как нескольких мультиплексоров ADM любой скорости от STM-1 до STM-16.

 

Рисунок 10.3 - Функциональная блок диаграмма ADM OptiX OSN 1500 MADM

На рисунке 10.3 представлена функциональная блок диаграмма ADM OptiX OSN 1500 MADM, которая применяется в центральном узле гибридных сетей: кольцо с линейной цепью, пересекающиеся кольца, касающиеся кольца или сети с концентратором. Она обеспечивает связь элементов основного кольца с терминалом ввода- вывода.

  

Глоссарий

 

AON

- All-Optical Network

ATM

- Asynchronius Transfer Mode

DSF

- Dispersion-Shifted Single Mode Fiber

DWDM

- Dense Wavelength Division Multiplexing

EDFA

- Тип оптических усилителей, в которых используется кремниевое волокно, легированное эрбием

ETDM

- Electronic Time Division Multiplexing

ETSI

- European Telecommunications Standards Institute

IBM

- International Business Machines

ITU-T

-Telecommunication Sector of International Telecommunication Union

NZDSF

- Non-Zero Dispersion-Shifted Single Mode Fiber 

OADM

- Optical Add/Drop Multiplexer

OC

- Optical Cable

OTDM

- Optical Time Division Multiplexing

OXC

- Optical Cross-Connect

SDH

- Synchronous Digital Hierarchy

SF

- Step Index Single Mode Fiber

SONET

- Synchronous Optical Network

STM

- Synchronous Transport Module

TDM

- Time Division Multiplexing

WDM

- Wavelength Division Multiplexing

ВОЛС

- Волоконно-Оптическая Линия Связи

КПД

- Коэффициент Полезного Действия

МПН

- Мультиплексирование Поднесущих

МСЭ

- Международный Союз Электросвязи


Список литературы

1.                 http://www.iec.org

2.                 http://www.lucent.ru/2000-06/technology.htm

3.                 http://www.lan.tt.ru:8101/technology/dwdm/basics/index.htm

4.                 Вербовецкий А.А. Основы проектирования цифровых оптоэлектронных систем связи. – М.: Радио и связь. – 2000. – 160 с.: ил. Стерлинг Дж. Волоконная оптика. – М.: Лори, 1998. – 288 с.

5.                 Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: Эко-Тренз, 1998. – 268 с.

6.                 Нолле Т. В ожидании быстрой оптики /Журнал сетевых решений/LAN . 2001. №4. с. 112.

7.                 Слепов Н. Оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны // Сети. 1999. №4. с. 24.

8.                 Шаршаков А. WDM: успехи и проблемы // Сети. 1999. №4. с. 14.  

9.                    Pierre Laude, DWDM Fundamentals, Components, and Applications, Artech House, January 2002, 302 p.   

10.            Clifford Headley, Govind Agrawal, Raman Amplification in Fiber Optical Communication Systems (Optics and Photonics), Academic Press, December, 2004, 392 p.

11 Скляров О., Волоконно-оптические сети и системы связи, Издательство Солон, 2004, 272 стр.

 2.   Волоконно-оптические системы передачи и кабели: Справочник/ И.И. Гроднев,

13.   Слепов Н. Н. Синхронные цифровые сети SDH – М.: Эко-трендз. 1997 г.

14.    Убайдуллаев Р Р Волоконно- оптические сети.-М. Эко-трендз. 2000 г.

15.   Шмалько А В Цифровые сети связи (основы планирования и построения) - М.: Эко- трендз. 2001 г.

16.    Кемельбеков Б Ж , Мышкин В Ф , Хан В А Волоконно- оптические кабели – М. 1999 г.

17.  Скляров О К Современные волоконно - оптические системы передачи. (аппаратура и элементы). М.СОЛОН-Р. 2001 г.

18.   Бутусов М. М. Волоконно-оптические системы передачи – М.: Радио и связь. 1992 г.

19.   Гроднев И. И. Волоконно-оптические линии связи – М.: Радио и связь.1990 г.

20.     Баклашов Н. И., Китаев Н. Ж. Охрана труда на предприятиях связи и охрана окружающей среды – М.: Радио и связь. 1989 г.

21.   Брискер А.С. и др. Городские телефонные кабели. Справочник. – М.: Радио и связь. 1991 г.