МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

Оптические системы связи в телекоммуникационных системах

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения по специальности

050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Алматы 2009г.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения по специальности

050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Алматы 2009г.

СОСТАВИТЕЛИ: Е.Ю.Елизарова, Г.А.Шахматова. Оптические системы связи в телекоммуникационных системах. Конспект лекций для студентов всех форм обучения по специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2009 - 53 с.

Конспект лекций предназначен для бакалавров специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации всех форм обучения. В конспекте приведен обзор основных элементов ВОСП и решения технических задач, встававших при развитии оптических устройств. Необходимость самого конспекта лекций обусловлена потребностью более глубокого понимания процессов, происходящих в ВОСП. Развитие ВОСП не стоит на месте, появляются новые способы реализации тех или иных технических решений создания оптических сетей, новые стандарты передачи информации, поэтому в конспекте лекций, помимо описания основных принципов построения схем ВОСП, представлены ссылки на литературу, которая может быть использована при изучении той или иной темы. Приведены основные структурные и принципиальные схемы, необходимые для понимания процессов, происходящих в ВОСП.

Конспект лекций предназначен для студентов всех форм обучения специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

Введение

Основным направлением развития телекоммуникационных систем является широкое применение волоконно-оптических систем передачи ВОСП.

Под ВОСП понимают совокупность активных и пассивных устройств, предназначенных для передачи сообщений на расстояния по оптическим волокнам ОВ с помощью оптических волн и сигналов. Другими словами, ВОСП – это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи, обеспечивающая формирование, обработку и передачу оптических сигналов.

Физической средой распространения оптических сигналов являются волоконно-оптические или просто оптические кабели и создаваемые на их основе волоконно-оптические линии связи ВОЛС. Без широкого использования ВОЛС невозможно развитие телекоммуникационных технологий в области телефонной и телеграфной связи, кабельного телевидения и факсимильной связи, передачи данных, создание единой цифровой сети с интеграцией служб ISDN, внедрения на телекоммуникационных сетях технологий асинхронного способа передачи АТМ и построения транспортных сетей на основе синхронной цифровой иерархии SDH.

Диапазоны длин волн, в пределах которых обеспечиваются наилучшие условия распространения световых волн по оптическому волокну, называются его окнами прозрачности. В настоящее время для построения ВОСП используются длины волн от 0,8 мкм до 1,65 мкм. В дальнейшем предполагается освоение и более длинных волн – 2,4 и 2,6 мкм, называемых инфракрасным излучением или оптическим излучением.

Волоконно-оптические системы передачи ВОСП получили широкое распространение в виду следующих достоинств:

- высокая помехоустойчивость, нечувствительность к влиянию внешних электромагнитных полей и практически полное отсутствие взаимных влияний между отдельными волокнами;

- большая пропускная способность и, следовательно, значительное увеличение числа каналов;

- меньшие на порядок масса и габариты оборудования, что снижает стоимость;

- полная электрическая развязка между входом и выходом систем передачи, надежная техника безопасности из-за отсутствия короткого замыкания при обрыве кабеля;

- большие длины участков регенерации;

- малый расход меди и в перспективе низкая стоимость кабеля;

- высокая защищенность от несанкционированного доступа.

К недостаткам можно отнести малую механическую прочность оптических волокон и зависимость передаточных характеристик оптического кабеля от механических деформаций при прокладке и монтаже.

В настоящее время на многих ВОЛС общего пользования используются скорости передачи до 622 Мбит/с. По таким ВОЛС можно организовать до 100 тысяч каналов тональной частоты ТЧ или основных цифровых каналов ОЦК с пропускной способностью 64 кБит/с.

Развитие ВОСП будет происходить в двух основных направлениях.

Первое – разработка и внедрение в сетях различного назначения новых волоконно-оптических технологий, направленных на повышение эффективности ВОСП. На линиях дальней связи основное внимание будет уделяться повышению скорости передачи информации, увеличению длины регенерационных участков и повышению надежности. На местных и локальных сетях доминирующей особенностью - приближение ОВ к конечному пользователю сети (абоненту).

Второе – это создание линий передачи, в которых используются нелинейные свойства ОВ, обеспечивающие солитонный режим распространения. Солитон – это импульс, наиболее подходящий для передачи по ОВ, т.к. он распространяется на большие расстояния без изменения формы и длительности. Тогда длины регенерационных участков могут достигать 1000 км.

Лекция 1. Оптическое волокно как среда передачи

Цель лекции: Основные понятия, свойства волокна, основанные на законах геометрической оптики.

В ВОСП информационные сигналы передаются по оптическим кабелям ОК. Основным элементом ОК является оптическое волокно ОВ. ОВ представляет собой круглый стержень из оптически прозрачного диэлектрика, структура которого обеспечивает распространение вдоль него световых волн. Для защиты ОВ от механических повреждений, возникающих в результате изготовления, транспортировки, прокладки и эксплуатации, ОК содержит совокупность специальных элементов: защитное покрытие, силовые элементы, разделительные слои, наружные защитные оболочки, гидрофобные заполнители.

Типичные волокна имеют следующее строение:

1 - Сердцевина (световедущая жила), по которой, в основном, распространяется оптический сигнал.

2 - Отражающая оболочка, которая окружает сердцевину и препятствует выходу сигнала из волокна.

При этом показатель преломления сердцевины n₁больше показателя преломления оболочки n₂: n₁> n₂

3 - Эпоксиакрилатное покрытие диаметром 250 или буферное полимерное покрытие диаметром 900 мкм, которое защищает сердцевину и оболочку от влаги и внешних воздействий.

Рисунок 1 – Конструкция оптического волокна

Многомодовые волокна (мода – направленная волна) - пропускают множество типов волн. Имеют сердцевину диаметром 50 или 62,5 мкм, отражающую оболочку диаметром 125 мкм и используются для локальных сетей и систем передачи со скоростями до 400 Мбит/с. В качестве источников излучения используются суперлюминесцентные диоды, излучающие на длине волны 850 и 1300 нм.

Лучи, входящие в многомодовое волокно под разными углами, распространяются по разным путям:

Рисунок 2 – Пути прохождения волн по ОВ

Моды удерживаются внутри сердцевины и распространяются по зигзагообразной траектории вдоль оси волокна при условии:

Одномодовые волокна (Single Mode Fiber) имеют сердцевину диаметром 8.5 - 10 мкм и используются в телефонии и системах кабельного телевидения с лазерными источниками излучения на длине волны 1300 и 1550 нм.

В таких волокнах распространяетсяся одна мода (один тип лучей). Одномодовое волокно не описывается лучевой оптикой.

Рисунок 3 - Одномодовое волокно

В одномодовом волокне уширение импульса проходит за счёт материальной дисперсии. Межмодовая дисперсия равна 0.

Нормализованная частота (V-параметр) для одномодового волокна V<2,4048. Это условие можно использовать для выбора значений d и D для получения одномодовых волокон, рассчитанных на определённую длину волны l. Целесообразно работать с одномодовыми волокнами при V=2,4048, что позволяет иметь максимальный диаметр сердцевины d.

Диаметр модового пятна в одномодовых волокнах определяется соотношением:

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

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

NA - числовая апертура волокна.

В стандартном одномодовом волокне d = 8.3 мкм, NA = 0.13, так что на рабочей длине волны l = 1.55 мкм диаметр модового пятна w оказывается равным 9.5 мкм.

Поскольку существенная часть оптической мощности распространяется за пределами сердцевины, то оболочка одномодового волокна должна иметь такие же низкие потери, как и сердцевина.

Длина волны отсечки l_c определяется соотношением:

l_c= p d n₁/ 2.4048

для данного волокна, имеющего определённые d, n₁ и D.

Для любой длины волны l>l_c волокно всегда будет одномодовым.

Для l<l_c волокно становится многомодовым.

Апертурой NA называется угол между оптической осью и образующей конуса, попадающего в торец световода, при котором выполняется синус наибольшего угла a, входя под которым, моды (лучи) ещё удерживаются в сердцевине:

NA=

По соображениям технологического и прикладного порядка n₁и n₂ не сильно различаются между собой, так что

Тогда

NA=

NA и D являются важными характеристиками волокна.

Числовая апертура для волокон, применяемых в системах связи, лежит в пределах 0,1...0,2, что соответствует углам a ~ 5,7...11,5⁰.

Ступенчатое и градиентное многомодовые волокна различаются профилем показателя преломления:

Рисунок 4 – Ступенчатое и градиентное ОВ

Для многомодовых волокон со ступенчатым профилем определяющей является межмодовая дисперсия, т.е. разность времён распространения различных мод по волокну:

Dt₁=n₁ l D/c

где c - скорость света.

Для градиентных волокон величина межмодовой дисперсии существенно меньше, т.к. лучи, проходящие большее расстояние в среде с меньшим показателем преломления и проходящие меньшее расстояние в среде с большим показателем преломления, затрачивают на это примерно одно время:

Dt₁=n₁ l D²/2c

Поэтому все связные многомодовые волокна являются градиентными.

В таблице 1 приведены величины дисперсии для ступенчатого и градиентного волокон при работе на различных длинах волн.

Таблица 1 - Величины дисперсии ОВ

Ступенчатое

волокно

Градиентное

волокно

Длина волны, нм

Источник

излучения

Материальная

дисперсия,

нс/км

Межмодовая

дисперcия

нс/км

Общая

дисперcия

нс/км

Межмодо-вая

дисперcия

нс/км

Общая диспер-cия нс/км

900

1330

1550

СД

Лазер

СД

Лазер

СД

Лазер

2,1

0,2

0,1

0,01

1,2

0,1

0,5

2,2

0,5

1,3

0,5

Число мод в многомодовом волокне определяется через нормализованную частоту или V-параметр волокна:

V=p d n₁ l^-1 (2D)^1/2

где p = 3,14

l - длина волны излучения;

d - диаметр сердцевины;

n₁ - показатель преломления сердцевины

n₂- показатель преломления оболочки

Для ступенчатого волокна число мод определяется выражением:

для градиентного с параболическим профилем показателя преломления оно вдвое меньше:

Соотношения верны для V>>1. Для типичного многомодового волокна V=50, что соответствует 1250 модам в ступенчатом волокне и 625 в градиентном.

Лекция 2. Передаточные характеристики оптического волокна

Цель лекции: дать основные понятия дисперсии, ее разновидности и рассмотреть основные причины возникновения затухания.

Дисперсия импульса - это уширение импульса по мере его распространения по волокну. Она определяет ширину полосы пропускания и скорость линии передачи.

Рисунок6

Рисунок 5 – Дисперсия в ОВ

Расширение импульса – τ – определяется как квадратичная разность длительности импульса на входе и выходе:

τ =

Виды дисперсии: модовая, хроматическая, которая, в свою очередь, делится на волноводную и материальную, показаны на рисунке 6.

Дисперсия

Рисунок 6 – Виды дисперсии

Дисперсия ограничивает частотный диапазон и существенно снижает дальность передачи ΔF=1/τ.

Дисперсия возникает по 2 основным причинам:

1 Некогерентность источника излучения;

2 Существование большого числа мод.

Причиной хроматической дисперсии является некогрентность источника излучения

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Она вызвана тем, что волны с различной длиной распространяются в одной и той же среде с различной скоростью, это обусловлено особенностью структуры материала волокна. Материальная дисперсия существенна для ОМ волокна. Снизить ее влияние можно уменьшением ширины полосы излучения источника и выбором оптимальной длины волны.

Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны.

Модовая дисперсия обусловлена наличием большого числа мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью. Модовая дисперсия наиболее существенна для ММ волокна. Она возникает в волокне из-за разницы длин путей, проходимых лучами различных мод. Ее можно уменьшить, только сокращая число мод и уменьшая диаметр сердечника волокна до одномодового. Можно добиться уменьшения модовой дисперсии путем применения волокна с градиентным профилем показателя преломления, в котором уменьшается число мод.

Для ступенчатого волокна:

τ мод =

Для градиентного волокна:

τ мод =

где n₁– показатель преломления сердцевины;

n₂ – показатель преломления оболочки;

C – скорость света;

l – длина линии;

l_c – длина связи мод, при которой наступает установившийся режим:

для ступенчатого волокна: l_c = (5 – 7) км,

для градиентного волокна: l_c = (10 - 15) км.

Потери в ОВ

Затухание ОК обусловлено собственными потерями в волоконных световодах и дополнительными потерями называемыми кабельными – α_к.

Собственные потери состоят из потерь поглощения – α_п и потерь рассеивание α_р. Затухание определяет длину регенерационных участков.

Потери рассеивания определяются тем, что часть мощности, поступающей на вход световода, рассеивается в окружающее пространство за счет микроскопических неоднородностей ОВ. Свет, падая на такие неоднородности, отражается во всех направлениях. Эти потери называются рэлеевским рассеянием и зависят от длины волны.

Рисунок5

Рисунок 7 – Виды потерь в ОВ

Потери поглощения определяются наличием посторонних примесей, которые поглощают часть мощности сигнала - α_пр и потерями на диэлектрическую поляризацию - α_пол.

Дополнительные (кабельные) потери мощности возникают в результате наложения на ОВ защитного полимерного покрытия и деформации ОВ при сборке ОК. Чем больше толщина оболочки ОВ, тем меньше поле направляемых мод на ее внешней границе с покрытием и, следовательно, меньше дополнительные потери.

На рисунке 8 показана зависимость величины потерь от длины волны. Из графика видно, что на определенных длинах волн наблюдается уменьшение величины потерь до минимального значения. Эти области названы окнами прозрачности. Они совпадают с длинами волн 850 нм, 1300 нм, 1550 нм.

Рисунок7

Рисунок 8- График зависимости потерь отдлины волны

Из графика видно, что потери уменьшаются с увеличением длины волны. Это дает возможность увеличить длину регенерационного участка.

Таблица 2 – Параметры ОВ

λ, мкм	α, дБ/км	l_p_,км
0,85	5	10
1,3	1	40
1,55	0,5	80

Потери измеряются в децибелах [дБ]:

Потери [дБ] = - 10 log (Выходная мощность [Вт]/Входная мощность [Вт]) или

Потери [дБ] = Входная мощность [дБм] - Выходная мощность [дБм].

Оптическая мощность сигнала определяется в долях единицы измерения мощности Вт: милливатт 1 мВт = 10^-3Вт

микроватт 1 мкВт = 10^-6 Вт

нановатт 1 нВт = 10^-9 Вт,

а также в относительных единицах, выраженных в логарифмической шкале:

дБм = 10 log (Мощность/1 мВт)

Лекция 3. Функциональные элементы оптических систем передачи

Цель лекции: изучить основные компоненты оптических систем и их назначение.

Типовая схема системы связи представлена на рисунке 9. Аналоговый сигнал, генерируемый оконечным оборудованием данных (ООД), например, телефоном, терминалом, видеокамерой и т.д., приходит на узел коммутации, где аналого-цифровой преобразователь (кодер) оцифровывает его в битовый поток. Битовый поток используется для модуляции оптического передатчика, который передает серию оптических импульсов в оптическое волокно. На приемной стороне импульсы света преобразуются обратно в электрический сигнал при помощи оптического приемника. Декодерная часть коммуникационной системы преобразует бинарный электрический поток обратно в аналоговый сигнал ООД. Обычно кодеры и декодеры, а также оптические приемники и передатчики совмещаются в одном устройстве так, что образуется двунаправленный канал связи.

Рисунок 9 - Типовая схема системы связи

Основные компоненты

Оптический передатчик (передающий оптоэлектронный модуль ПОМ) обеспечивает преобразование входного электрического (цифрового или аналогового) сигнала в выходной световой (цифровой или аналоговый) сигнал. При цифровой передаче оптический излучатель передатчика "включается" и "выключается" в соответствии с поступающим на него битовым потоком электрического сигнала. Для этих целей используются инфракрасные светоизлучающие диоды LED или лазерные диоды ILD. Эти устройства способны поддерживать модуляцию излучаемого света с мегагерцевыми и даже гигагерцовыми частотами. При построении сетей кабельного телевидения оптический передатчик осуществляет преобразование широкополосного аналогового электрического сигнала в аналоговый оптический.

Оптический приемник (Принимающий оптический модуль ПрОМ)осуществляет обратное преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсы электрического тока. В качестве основного элемента оптического приемника используются p-i-n и лавинные фотодиоды.

Оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования, как это делает повторитель или регенератор. Он, используя специальные активные среды и лазеры накачки, непосредственно усиливает проходящий оптический сигнал, благодаря индуцированному излучению. Повторитель, который восстанавливает форму оптического сигнала до первоначальной, называется регенератором.

Передающие оптические модули.

Источники излучения должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Длина волны излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности;

2. Конструкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его в ОВ;

3. Источник должен иметь высокую надёжность и большой срок службы;

4. Габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны быть минимальными;

5. Простота технологии должна обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроизводимость характеристик.

В качестве передающих оптических модулей (Пер.ОМ) применяются светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД). Основу их работы составляет инжекционная электролюминесценция, представляющая собой излучательную рекомбинацию носителей (электронов и дырок), инжектированных в активную область полупроводника.

Между собой они отличаются шириной спектра излучения.

СИД. Принцип работы СИД основан на явлении рекомбинации носителей заряда в активном слое.

Рекомбинация – это явление, противоположное ионизации, то есть исчезновение свободных носителей заряда противоположных знаков при их столкновении.

Рисунок8

Рисунок 10 – Конструкция СИД

При приложении прямого смещения к электронно-дырочному переходу электроны и дырки проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоев и испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света. Свет распространяется по всем направлениям, поэтому излучение на выходе СИД является некогерентным и слабонаправленным. Ширина спектра излучения Δλ = 20-40 нм.

Лазерный диод ЛД является когерентным источником света. В основе его работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченного объёмным резонатором.

Лазер состоит из активной среды (1), устройства накачки(2) и резонансной системы(3)

Рисунок9

Рисунок 11 – Конструкция ЛД

В качестве активной среды, в основном, используется полупроводник. В качестве устройства накачки – электрическая энергия. В качестве резонансной системы – зеркала.

Под действием приложенного напряжения в полупроводнике происходит возбуждение носителей, из-за чего возникает излучение световой энергии и появление потока фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал резонансной системы, образует лазерный луч с остронаправленной диаграммой излучения.

Таблица 3 - Сравнительная таблица ЛД и СИД

Излучатель

Мощность

Ширина спектра

Срок службы

ЛД

(10 – 40) мВт

(1-3)нм

10⁴-10⁵

СИД

(5-20) мВт

(30-50)нм

10⁵-10⁶

Диаграмма направленности Спектральная характеристика излучения

СИД ЛД СИД ЛД

Рисунок10 Рисунок11

Рисунок 12 – Характеристики СИД и ЛД

Диаграмма направленности – это угловое распределение энергетической яркости (плотности) излучения источника. Яркость не остается постоянной в пределах пучка лучей. Она максимальна на оси пучка и убывает по определенному закону в направлениях, образующих возрастающие углы с осью.

СИД ЛД

Рисунок12

Рисунок 13 - Дисперсия оптического излучения

Если размеры поверхности излучения источника больше диаметра сердцевины ОВ, часть мощности излучения не попадает в ОВ, а рассеивается в окружающем пространстве. Потери на вводе для СИД составляют (10-16) дБ, для ДЛ – (5-7)дБ.

Повысить эффективность ввода можно при помощи оптического согласующего устройства, которое устанавливается между источником излучения и торцом ОВ. СУ представляет собой увеличительную линзу, которая уравнивает полуширину диаграммы направленности источника излучения с апертурным углом ОВ.

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

- средняя мощность излучения при работе в непрерывном режиме;

- длина волны излучения;

- углы расходимости пучка световых лучей;

- ширина спектра излучения;

- срок службы (наработка на отказ).

Поэтому оптимальными источниками излучения для ВОСП являются ЛД. Высокая мощность излучения и малые углы расходимости пучка лучей позволяют обеспечить передачу сигналов по ОВ на расстояние десятков км без усиления.

В высокоскоростных ВОСП для уменьшения хроматической дисперсии (увеличение длины регенерационных участков) необходимо применять одномодовые ЛД. Однако их недостатком является сложность изготовления и, соответственно, цена. Многомодовые ЛД имеют более скромные технические показатели, но с точки зрения «цена-эффективность» они вне конкуренции на магистральных и зоновых ВОСП, где не требуется очень высокой скорости передачи.

СИД имеют следующие достоинства: проще, дешевле, отличаются высокой долговечностью, достаточно высокая температурная стабильность параметров. Однако большая расходимость пучка (некогеренстность излучения), широкий спектр излучения, ограниченное быстродействие существенно сужают область применения СИД. Они используются в линиях малой и средней протяженности.

Элементы оптического передатчика конструктивно объединяются в компактное устройство – передающий оптический модуль ПОМ

Лекция 4 . Приемные оптические модули

Цель лекции: рассмотреть основные элементы приемного оптического модуля (ПрОМ). Основные характеристики фотоприемника.

Приемные оптические модули осуществляет преобразование оптического сигнала в электрический.

Приемный оптический модуль содержит основные элементы: фотодетектор, приемное оптическое устройство, электронные схемы усиления и обработки электрического сигнала, схемы стабилизации.

Основным элементом Пр.ОМ является фотодиод, который играет роль фотодетектора.

Функция детектора сводится к преобразованию входного оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и обработке электронными схемами. Фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительного шума. Поэтому к фотодетекторам предъявляются следующие требования:

1)Они должны обладать необходимой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью.

2) Иметь небольшие размеры и надежное соединение с волокном.

3) Быть нечувствительными к изменениям параметров внешней среды

4) Иметь большой срок службы и минимальную стоимость.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодиоды. Принцип действия его основан на внутреннем фотоэффекте. Поглощаемый фотон рождает пару новых носителей заряда – электрон и дырку. Иначе это означает, что, поглощаясь атомом, фотон возбуждает электрон и переходит его из валентной зоны в зону проводимости. В результате поглощения кванта света во внешней цепи диода протекает импульс тока, величина которого зависит от интенсивности светового потока.

Структура pin-фотодиода

Между тонкими слоями сильно легированных полупроводников p⁺ и n⁺ типа (знак «+» означает сильное легирование) расположен слаболегированный проводник n-типа. При обратном напряжении смещения в слаболегированном слое образуется обедненная i-область. Электрическое поле сосредоточено, в основном, в этой обрасти, т.к. ее сопротивление значительно больше, чем сопротивление p⁺ и n⁺ слоев.

В результате поглощения фотонов падающего излучения в pin-структуре образуются электронно-дырочные пары. В i-области под действием сильного электрического поля происходит быстрое разделение носителей зарядов, что обеспечивает высокую скорость процесса преобразования оптического излучения в электрический ток.

Рисунок13

Рисунок 14 – Структура pin-фотодиода

Основные характеристики фотодиодов:

1) Квантовая эффективность – η – это коэффициент, учитывающий, что, как правило, не все поглощаемые кванты света приводят к появлению импульсов тока. Это объясняется тем, что энергия поглощаемого кванта может быть недостаточна для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. η= 0,55, для λ=1,5 мкм.

2) Постоянная времени –τ – характеризует быстродействие фотодиода. С ее помощью определяют ширину пропускания фотодетектора. Она зависит от подвижности носителей заряда, ширины зоны p-n- перехода, длины волны.

3) Токовая чувствительность это полный КПД преобразования световой мощности в электрический ток.

S=I/P (A/Bт); S=η·q/(h·f),

где q-величина заряда носителя; (h·f)- энергия света.

4) Темновой ток – это ток, протекающий через нагрузку, при отсутствии оптического излучения. Этот ток вызывает дробовой шум и ограничивает чувствительность оптического приемника. Величина темнового тока зависит от материала полупроводника, температуры и конструкции ФД.

ПрОМ представляют собой устройство, состоящее из фотодетектора и предварительного усилителя. При увеличении дальности связи мощность падающего излучения уменьшается настолько, , что на выходе усилителя суммарный шум оказывается недопустимо большим, чем полезный сигнал.

Если в качестве фотодетектора использовать лавинный фотодиод ЛФД, то, изменяя подаваемое на него напряжение смещения, можно регулировать коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет расширить динамический диапазон ПрОМ.

На магистральных линиях стремятся увеличить расстояние между ретрансляционными устройствами, что требует максимальной чувствительности приемника. Поэтому применяется ЛФД. Простота и надежность ФД позволяют использовать их во всех случаях, когла они удовлетворяют требованиям на чувствительность.

ФД и предварительный усилитель конструктивно объединяются в приемный оптический модуль ПрОМ. Излучение вводится через отрезок ОВ, к которому при помощи разъема присоединяется внешнее ОВ кабеля.

Рисунок 15 - Структурная схема оптического приемника

Решающее устройство производит оценку значений передаваемого символа 1 или 0. Для этого в решающем устройстве периодически с тактовой частотой производится стробирование сигнала на выходе усилителя и сравнение полученного отсчета с порогом. При превышении порога в формирователе сигнала вырабатывается импульс прямоугольной формы. Устройство тактовой синхронизации УТС выделяет из принимаемого сигнала синхроимпульсы тактовой частоты и вырабатывает короткие импульсы, при помощи которых осуществляется стробирование сигнала в наиболее удобные моменты.

Основным параметром оптического приемника является пороговая чувствительность – минимально допустимый уровень мощности принимаемого оптического сигнала.

Р_пр = 10 logР_пр/Р₀ дБм

При заданной вероятности ошибки (при заданном отношении сигнал/шум) пороговая чувствительность зависит от скорости передачи информации, типа ФД и предварительного усилителя.

Лекция 5. Повторители и оптические усилители

Цель лекции: рассмотреть разновидности ретрансляторов

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.

Повторитель (электронно-оптический повторитель) сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал, рисунок 16а.

Повторитель, наряду с функцией усиления, выполняет функцию регенерации сигнала, свойственную цифровому оптическому приемнику. Блок регенерации восстанавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум, ресинхронизирует передачу так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие тайм-слоты.

Оптический усилитель (ОУ), в отличие от повторителя, не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала. Оптические усилители не способны производить регенерацию оптического сигнала. Они усиливают как входной сигнал, так и шум.

а) электронно-оптический повторитель;

б) оптический усилитель.

Рисунок 16 - Типы ретрансляторов

Сравнительные характеристики повторителя и оптического усилителя приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Сравнительные характеристики повторителей и оптических усилителей

Характеристика	Повторитель	Оптический усилитель
Конструкция	Сложная	Простая
Цена	Низкая	Высокая, но падает
Надежность	Высокая	Очень высокая
Регенерация сигнала	Допустима	Исключена
Привязка к скорости передачи	Требуется	Не требуется
Возможность одновременной передачи нескольких сигналов	Не допускается	Допускается
Рабочая длина волны, нм	850, 1300, 1550	Область 1530-1560
Отношение сигнал шум	Высокое	Низкое
Область применения	Локальные сети, региональные сети, межрегиональные сети	Сейчас и в перспективе региональные сети, межрегиональные сети

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

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

- полупроводниковые усилители (работают во втором окне прозрачности; их отличает экономичность, простая конструкция, высокий коэффициент усиления 25…30 дБ; они могут быть перестроены для усиления только на определенной длине волны, что позволяет использовать их в оптических коммутаторах и демультиплексорах для разделения по длинам волн)

- усилители на основе нелинейных явлений в ОВ (нелинейные эффекты дают возможность преобразовать часть энергии мощной волны накачки в слабую сигнальную волну; обеспечивает усиление до 40 дБ во 2 и 3 окнах прозрачности; сигнал сосредоточен в узком диапазоне до 100 МГц; однако дают большие переходные помехи между усиливаемыми каналами)

- усилители на примесном ОВ (основным элементом ОУ является ОВ, легированное редкоземельными металлами; ионы металлов создают активную среду для усиления в определенных полосах длин волн, которые соответствуют полосам поглощения легирующих металлов; обеспечивают усиление 40 дБ;)

При передаче сигнала по ОВ величина ослабления и искажений зависит от длины участка регенерации, падает плавно на отрезках строительных длин ОК и скачком в точках соединения. Для восстановления сигнала уровень на входе регенератора должен быть больше минимального уровня приема оптического излучения, при котором происходит полное восстановление сигнала. Р_пр >Р_пр_min. Тогда с учетом потерь разного вида уровень на передаче должен быть

Р_пер = α_в – n_р• α_р – n_{н •}α_н– α • ℓ_уч≥ Р_пр

где α_в – потери на вводе и выводе сигнала в ОВ;

α_р, α_н – потери в разъемных и неразъемных соединениях на длине участка регенерации;

n – количество соединений;

α – коэффициент затухания кабеля.

Лекция 6. Расчет длины регенерационного участка

Цель лекции: Рассмотреть особенности расчета длины регенерационного участка.

При определении длины регенерационного участка необходимо на первом этапе найти максимально допустимое расстояние (ограниченное затуханием световодного тракта), на которое можно передать сигнал, а затем его восстановить. Вторым этапом определяют пропускную способность оптического кабеля и находят длину трассы, на которую еще возможно передавать оптические сигналы с заданной скоростью. В многомодовых ОВ длина регенерационного участка обычно лимитируется дисперсией, а в одномодовых ОВ лимитируется затуханием.

При определении длины регенерационного участка, лимитированного затуханием, следует пользоваться выражением:

где

Э - энергетический потенциал системы передачи, дБ;

С - энергетический запас системы, дБ;

А_а - дополнительные потери в пассивных компонентах ВОЛС (на вводе/выводе), дБ;

α_к - коэффициент затухания оптического кабеля, дБ/км;

α_с - потери в неразъемном соединении, дБ;

ℓ_сд - строительная длина оптического кабеля, км.

Энергетический потенциал системы передачи (Э) определяет максимально допустимое затухание оптического сигнала в оптическом кабеле, в разъемных и неразъемных соединениях на участке регенерации, а также другие потери в узлах аппаратуры. Энергетический потенциал определяется как разность между уровнем мощности оптического сигнала, введенного в волокно, и уровнем мощности на входе приемного устройства, при котором коэффициент ошибок регенератора не превышает заданного значения, установленного для данной системы передачи. Величина энергетического потенциала зависит от скорости передачи, технического уровня элементов электрооптических и оптоэлектронных преобразователей, длины волны используемого источника излучения и других факторов и задается для каждого вида аппаратуры ВОСП.

Энергетический запас системы (С) обычно составляет 6 дБ (6 - 10 дБ), он необходим для компенсации эффекта старения элементов аппаратуры и оптического кабеля, компенсации дополнительных потерь при ремонте оптического кабеля (потери на стыках кабельных вставок) и других отклонений параметров участка в процессе эксплуатации.

Дополнительные потери в пассивных компонентах ВОЛС (А_а) составляют порядка 3 - 5 дБ и возникают за счет разъемных соединителей, устройств соединения линейного кабеля со станционным и т.д.

Разъемные соединители (разъемы) применяются для соединения оконечных и ретрансляционных устройств с оптическим волокном кабеля, а также для подключения приборов для проведения измерений. Неразъемные оптические соединители обеспечивают постоянное соединение оптических волокон строительных длин оптического кабеля между собой. Строительные длины ОК составляют 2-6 км.

Таблица 5 - Справочные данные энергетического потенциала различных отечественных систем

Система	Длина волны, мкм	Скорость передачи, Мбит/с	Число каналов	Энергетический потенциал, дБ
Соната -2	0,85	8,448	120	50
ИКМ-120-4/5	0,85 (ЛД)	8,448	120	50
—"—	0,85 (СД)	8,448	120	34
—"—	1,3 (ЛД)	8,448	120	37
—"—	1,3(СД)	8,448	120	24
ИКМ 480-5	1,3	34,368	480	38
Сопка-Г	1,3	34,368	480	38
Сопка-2	1,3	8,448	120	43
Сопка-3	1,3	34,368	480	41
Сопка-3М	1,55	34,368	480	38
Сопка-4	1,3	139,264	1920	38
Сопка-4М	1,55	139,264	1920	38
Сопка-5	1,55	668,4672	7680	25

Лекция 7 . Методы уплотнения ВОЛС

Цель лекции: изучить существующие методы уплотнения

С целью увеличения экономической эффективности использования оптического волокна начались поиски методов уплотнения.

В настоящее время существуют следующие методы уплотнения:

1) Пространственное

2) Временное (на уровне электрических сигналов; на уровне оптических сигналов)

3) Частотное

4) Спектральное

Сравнение методов производится по величине пропускной способности, экономической эффективности, простоте реализации, степени взаимных влияний между отдельными волокнами, величине дисперсии, возможности увеличения длины регенерационного участка.

1. Пространственное уплотнение

Рисунок 17 – Схема пространственного уплотнения ВОЛС

Каждая ВОСП работает по своему ОВ. По одному многоволоконному ОК организуются линейные тракты нескольких ВОСП, причем для каждого направления используется половина ОВ (включая резерв). Этот экстенсивный метод увеличения пропускной способности ОК обычно применяется в ВОСП средней и малой протяженности при сравнительно низких скоростях передачи информации (до десятков мегабит в секунду). Недостатком является большой расход ОВ, а следовательно, высокая стоимость линейного тракта.

2. Временное уплотнение на уровне электрических сигналов: (TDM – Time Division Multiplexing)

А l А

УО

УО

ОПер

ОПр

В В

Рисунок 18 - Схема временного уплотнения ВОЛС на уровне электрических сигналов

При объединении электрических сигналов (например от 2-х источников А и В) две серии импульсов с помощью устройства объединения УО (мультиплексор) суммируются в групповой сигнал. Этот сигнал в оптическом передатчике модулирует оптическую несущую. Оптическое излучение распространяется по ОВ и в оптическом приемнике вновь преобразуется в электрический сигнал. Затем этот сигнал разделяется устройством разделения УР (демультиплексор) на две серии импульсов по выходам А и В. Мультиплексирование – это объединение в один групповой сигнал сигналов нескольких передатчиков.

Временное уплотнение на уровне оптических сигналов (OTDM – Optical Time Division Multiplexing)

ОПр2

ОС

ОВ

Рисунок 19 – Схема временного уплотнения на уровне оптических сигналов

Электрические цифровые потоки поступают на оптические передатчики, где осуществляется преобразование электрических сигналов в оптические. Перед объединением оптических сигналов происходит их задержка на разное время (∆t, 2∆t и т.д.). Объединенный сигнал передается по ОВ и на приеме осуществляется обратное преобразование.

Основным фактором, ограничивающим возможности временного мультиплексирования, является хроматическая дисперсия одномодовых ОВ.

3. Частотное уплотнение (FDM – Frequency Division Multiplexing)

f₁ f₂ f₃

Рисунок 20 – Схема частотного уплотнения ВОЛС (тракт передачи)

Оптические несущие f₁, f₂, f₃ поступают на анализатор А₁, а затем, пройдя четверть волновую призму (π/4), поступают на фильтр первого канала Ф₁ . Этот фильтр пропускает только оптическую несущую первого канала к оптическому модулятору ОМ₁, где она модулируется полезным сигналом первого канала, поступающим от источника информации.

Промодулированная оптическая несущая f₁ отражается от зеркала и возвращается к анализатору А₁, туда же возвращаются все оптические несущие, кроме f₁.

Выйдя из А_1, сигнал отражается от зеркала и попадает на анализатор А₂.

По цепи второго канала таким же образом проходит несущая f₂, модулируется ОМ₂ полезным сигналом второго канала, отражается от зеркала и возвращается в А₂.

На выходе формируется групповой оптический сигнал, который поступает в оптическую линию передачи.

На приеме оптический групповой сигнал, содержащий ряд промодулированных оптических несущих, поступает на анализатор А₁, а затем, после прохождения через четвертьволновую призму и фильтр первого канала, на оптический смеситель ОС. Фильтр Ф1 пропускает только оптический сигнал первого канала с частотой f₁, остальные сигналы отражаются и поступают на анализатор А_2.

ФД

ОС

ПФ

π /4

А₁

Ф₁

инф.

Вх сигнал

π /4

Ф₂

Рисунок 21 – Схема частотного уплотнения (тракт приема)

Оптически промодулированная несущая f₁перемножается в оптическом смесителе ОС с частотой местного гетеродина (Гет), а затем промежуточная частота выделяется полосовым фильтром и поступает на фотодиод ФД, на выходе которого формируется электрический сигнал.

Аналогично происходит детектирование сигналов во всех остальных каналах.

Достоинством метода является увеличение длины регенерационного участка до 100 км.

4. Спектральное (волновое) уплотнение (WDM – Wavelength Division Multiplexing)

Рисунок14

Рисунок 22 – Схема спектрального уплотнения ВОЛС

При волновом (спектральном) мультиплексировании оптических сигналов серии электрических импульсов от трех источников поступают в оптические передатчики, где модулируют оптические несущие с разными длинами волн.

На передающей станции электрические сигналы от нескольких СП поступают на оборудование сопряжения ОС, где из линейного кода ЦСП преобразуется в линейный код ВОСП.

Оптические передатчики преобразуют сигнал из электрической формы в оптическую, причем каждый оптический передатчик имеет свою длину волны. С помощью мультиплексора МП оптические сигналы объединяются в групповой сигнал и передаются по ОВ.

На приеме демодулятор ДМ разделяет оптические сигналы, т.к. они отличаются друг от друга длиной волны. Оптический приемник преобразует сигнал из оптической формы в электрическую.

ОС – оборудование сопряжения – преобразует код ВОСП в линейный код ЦСП, и сигнал поступает на каналообразующее оборудование ЦСП.

В качестве каналообразующего оборудования используется типовое оборудование группообразования цифровых систем передачи PDH или оборудование SDH.

Таким образом, по одному ОВ организуется несколько спектрально разделённых каналов, что значительно увеличивает пропускную способность оптического волокна.

На промежуточных узлах некоторые каналы могут быть добавлены или выделены из составного сигнала посредством мультиплексоров ввода/вывода .

Применение технологии WDM позволяет исключить дополнительную прокладку ОК в существующей сети.

Недостатком метода является заметное проявление нелинейных эффектов из-за относительно высоких плотностей оптических мощностей. В результате возникает взаимодействие между монохроматическими световыми потоками, которое еще более усиливается при использовании оптических усилителей.

Лекция 8. Линейные коды ВОСП

Цель лекции: рассмотреть коды используемые в ВОСП

В отличие от электрического кабеля, по которому можно передавать импульсы тока как положительной, так и отрицательной полярности, по оптическому волокну можно передавать оптические импульсы, представляющие собой импульсы энергии, не имеющие отрицательных значений.

Сигнал, передаваемый по ВОЛС, может иметь только 2 состояния в отличие от кодов, используемых для передачи сигнала в электрической форме.

К линейным кодам ВОСП предъявляются следующие требования:

1) Спектр сигнала должен быть узким и иметь ограничение сверху и снизу.

2) Код должен обеспечивать возможность выделения тактовой частоты.

3) Код должен обладать максимальной помехоустойчивостью, что позволяет увеличить длину участка регенерации.

4) Код должен обладать информационной избыточностью.

5) Код должен быть простым для практической реализации.

Для формирования линейных сигналов ВОСП используются блочные коды вида nBmB, где n – означает число кодируемых разрядов, m- число передаваемых по оптическому волокну разрядов, соответствующих n, B – двоичное основание системы исчисления.

Перечисленным выше требованиям наиболее всего соответствуют коды CMI, Миллера и BIF. На первичной ступени иерархии ВОСП целесообразно использовать код CMI, для вторичной – CMI и BIF, для третичной – BIF и Миллера, для более высоких – Миллера. Код HDB3 используется в ВОСП как стыковой код.

В современных ВОЛС, предназначенных для передачи цифровой информации Е1, Е2, Е3 применяется преобразование кода HDB3 в код CMI, который не содержит постоянной составляющей и по всем остальным параметрам оптимизирован для передачи по оптическому тракту. Однако эти достоинства достигаются ценой двукратного увеличения тактовой частоты. В более скоростных системах Е4 применяются линейные коды типа 5В6В, 10В1Р1R. При их применении скорость передачи линейного сигнала возрастает на 20-25%. Например, для потока Е2 скорость передачи от 8 Мбит/с увеличивается до 10 Мбит/с, для потока Е3 – от 34 Мбит/с до 41 Мбит/с.

Таблица 6 - Характеристики кодов, применяемых в ВОСП

Скремблированный код

NRZ

Non Return to Zero

Без возврата к нулю на тактовом интервале

Является первым стандартным кодом линейного кодирования для цифровых ВОСП

Безизбыточные коды

NRZ-L

Относительные коды

Точно повторяет информационную последовательность

Не получили широкого распространения из-за несоответствия требованиям к линейным кодам

NRZ-S

NRZ-M

Изменяют состояние в последовательности после логического нуля S или логической единицы М

Продолжение таблицы 6

Линейные коды класса 1В2В

BIF

BI-L

Биимпульсный абсолютный

Один бит исходного сигнала преобразуется в комбинацию из двух бит

Длительность битов в 2 раза меньше преобразуемого, следовательно скорость передачи становится в 2 раза больше.

Используется в низкоскоростных ВОСП

BI-M

Биимпульсный относительный М (1)

BI-S

Биимпульсный относительный

S (0)

CMI

Coded Marc Inversion

MCMI

С инверсией группы символов

Модифицированный

CMI

Длинные серии нулей заменяются вставками вида

OOOV

BOOV

Отсутствие длинных серий нулей обеспечивает устойчивый тактовый синхронизм

Линейные коды класса mBnB

2В3В

3В4В

5В6В

7В8В

Блочные коды

Последовательность исходного сигнала разбивается на блоки, состоящие из m бит. Эти блоки преобразуются в определенную последовательность кодовых символов n

Увеличивается скорость передачи

Применяются в среднескоростных ВОСП

Линейные коды вида

mB1C

mB1P

mB1P1R

3B1C 8B1C

10B1P 17B1P

10B1P1R

Коды со вставками

Бит R используется для служебной связи

Бит Р – дополнительный служебный символ (если число единиц в блоке m нечетное, то символ Р принимает значение «1», а если нечетное, то «0»)

Исходная последовательность разбивается на блоки из m символов. К этим блокам присоединяются дополнительные служебные символы.

Применяются в высокоскоростных ВОСП

Лекция 9. Аппаратура ВОСП

Цель лекции: рассмотреть аппаратуру, применяемую в ВОСП, ее технические характеристики.

Внедрение ВОСП на местных сетях началось в 1986 г. вводом в эксплуатацию на ГТС вторичной цифровой волоконно-оптической системы передачи на базе аппаратуры «Соната-2». Аппаратура «Соната-2» сопрягается со стандартным канало- и группо-образующим оборудованием типов ИКМ-30 и ИКМ-120. В 1990 г. начат промышленный выпуск оборудования вторичной цифровой системы передачи (ЦСП) для городских сетей ИКМ-120-5, предназначенной для передачи по градиентному оптическому кабелю (О.К.) линейного тракта, работающего на длинах волн 0,85 или 1,3 мкм. Разработана ВОСП «Сопка-Г», предназначенная для организации оптического линейного тракта со скоростью передачи 34,368 Мбит/с по одномодовому и градиентному оптическому кабелю, с рабочей длиной волны 1,3 мкм. Аппаратура «Сопка-Г» выполнена в конструкции ИКМ-30-4, ИКМ-120-5 и аналогична им по системе технического обслуживания, то есть является продолжением единого семейства ЦСП для городской сети.

Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. Установлены правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых сигналов электрической связи.

Ниже приведены технические характеристики ВОСП для ГТС.

«Соната -2»

Предназначена для использования на ГТС в качестве СЛ между узлами связи.

Технические данные:

1. Число каналов ТЧ: 120

2. Скорость передачи: 8,5 Мбит/с

3. Линейный код: CMI

4. Тип ОВ: многомодовые

5. Длина волны: 0,85 мкм

6. Тип передатчика излучения: лазерный диод

7. Тип приемника излучения: лавинный фотодиод

8. Максимальная дальность связи: 80-120 км

9. Длина регенерационного участка: 12 км

Рисунок19

Рисунок 23 - Состав оборудования: СОЛТ-О

СОЛСТ- стойка оборудования линейного световодного тракта предназначена для преобразования сигналов из электрической формы в оптическую, компенсации затухания прилегающего участка кабеля, организации ТМ и СС.

На АЦО формируется первичный цифровой поток, на СВВГ – вторичный цифровой поток, который затем поступает на оборудование линейного тракта СОЛСТ.

Рисунок20

Рисунок 24 – Схема комплекта КОЛСТ-О-2

Входной информационный сигнал от стойки СВВГ поступает в коде HDB-3 в ПК (преобразователь кода), где преобразуется в код CMI. В ПОМ блока РЛ сигнал преобразуется из электрической формы в оптическую, и через УССЛК(устройство стыка станционного и линейного кабеля) поступает на ОК.

Тракт приема

Принимаемый оптический сигнал через УССЛК поступает на ПрОМ, где с помощью лавинного фотодиода преобразуется в электрический сигнал, который усиливается, корректируется и после регенерации поступает на стойку СВВГ.

В комплекте КОЛСТ расположен блок КТ(контроля тракта), который служит для контроля линейного сигнала, передаваемого в коде CMI и обнаружения комплексного сигнала системы обслуживания.

Кроме этого, блок КТ вырабатывает сигнал автоматического включения системы ТК.

ИКМ-120- 4/5 (СОПКА-Г)

Применяется для организации межстанционной связи ГТС и позволяет организовать соединительные линии между АТС всех типов, а также между АТС и АМТС.

1. Число организуемых каналов: 120

2. Скорость передачи: 8,5 мбит/с

3. Длина волны: 0,85 и 1,3 мкм

4. Максимальная дальность связи: 500 км

5. Длина участка регенерации: 12 км

6. Линейный код: CMI

7. Тип источника излучения: лазерный диод

8. Тип приемника излучения: лавинный фотодиод

9. Тип кабеля: ОК-50-2-5-4(8)

Рисунок21

Рисунок 25 - Состав оборудования ИКМ-120-4/5

ОСА-13 – согласующее оборудование межстанционное исходящих линий АТС. Обеспечивает согласование оборудования АТС любого типа с оборудованием ИКМ.

АЦО – формирует первичный цифровой поток.

ОВГ-21(оборудование вторичного группообразования) объединяет 4 цифровых потока со скоростью 2 Мбит/с в один групповой поток со скоростью 8,5 Мбит/с на передаче и обратного преобразования на приеме.

КЛТ-2С (комплект линейного тракта) обеспечивает прием и преобразование оптического линейного сигнала в электрический, его регенерацию и коррекцию, а в тракте передачи преобразование сигнала из электрической формы в оптическую.

ОСП-22 (оборудование световодных переключений) обеспечивает ввод оптического линейного кабеля и переход к станционному.

ИКМ-120- 5

Применяется для организации межузловой и межстанционной связи ГТС и позволяет организовать соединительные линии между АТС всех типов, а так же между АТС и АМТС на базе третичного цифрового потока.

1. Число организуемых каналов: 120

2. Скорость передачи: 8,448 мбит/с

3. Длина волны: 0,85 мкм (устанавливается КЛТ-26) и 1,3 мкм (устанавливается КЛТ-24)

4. Длина участка регенерации: 35 км

5. Линейный код: CMI или М

6. Тип источника излучения: лазерный диод

7. Тип приемника излучения: лавинный фотодиод

8. Тип кабеля: одномодвый и многомодвый

Рисунок22

Рисунок 26 - Состав оборудования ИКМ-120-5

АЦО – формирует первичный цифровой поток.

ОТГ (оборудование третичного группообразования) объединяет 4 вторичных групповых потока со скоростью 8.5 Мбит/с в третичный со скоростью 34 Мбит/с.

Система сигнализации обслуживания для СП ИКМ-480 и ИКМ-120-4/5 унифицирована.

Основным блоком системы является УСО, который предупреждает о состоянии блоков с локализацией места неисправности с точностью до платы.

Блок ТСО-01 служит для организации ТК на главной станции, для чего обеспечивает передачу на контролируемую станцию: сигналы запросов, приема аварийных сигналов и передачу их в блок УСО-01 на устройство отображения на контролируемый станционный блок ТСО-02, вырабатывает команду запроса о состоянии блоков контролируемой станции, производит сбор и передачу аварийной информации по каналу ТК совместно с информационным сигналом.

ВОСП для зоновых и магистральных сетей

СОПКА-2

Применяется на зоновых сетях для организации вторичного цифрового тракта по оптическому кабелю.

Технические данные

1. Число организуемых каналов: 120

2. Скорость передачи: 8,5 Мбит/с

3. Длина волны: 1,3 мкм

4. Максимальная дальность связи: 600 км

5. Длина участка регенерации: 26 км

6. Линейный код: 5b6b

7. Тип источника излучения: лазерный диод

8. Тип приемника излучения: лавинный фотодиод

9. Тип кабеля: ОЗКГ-1-0,7-4/4 (кабель оптический для зоновых сетей с прокладкой в грунте или КТК с 4 ОВ, имеющий коэффициент затухания 0,7дБ, и 4 медными жилами для ДП)

10. Тип ОВ: многомодовый

11. Состав оборудования: стойки САЦО, СВВГ, СОЛТ-О-2

Рисунок 27 - Состав оборудования Сопка-2

СОПКА-3

Применяется на зоновых и магистральных сетях для организации третичного цифрового тракта по оптическому кабелю.

Технические данные

1. Число организуемых каналов: 480

2. Скорость передачи: 34 Мбит/с

3. Длина волны: 1,3 мкм

4. Длина участка регенерации: 25-70 км

5. Линейный код: 5b6b

6. Тип источника излучения: лазерный диод

7. Тип приемника излучения: лавинный фотодиод

8. Тип кабеля: ОЗКГ-1-0,7-4/4 (8/4)

9. Тип ОВ: многомодвый

10. Состав оборудования: стойки САЦО, СВВГ, СТВГ, СОЛТ-О-3

Рисунок 28 - Состав оборудования Сопка-3

СОПКА-4

Применяется на магистральных сетях для организации четверичного цифрового тракта по оптическому кабелю.

Технические данные

1. Число организуемых каналов: 1920

2. Скорость передачи: 140 Мбит/с

3. Длина волны: 1,3 мкм

4. Максимальная дальность связи:12500 км

5. Расстояние между ОРП: 830 км.

6. Длина участка регенерации: 30-70 км

7. Линейный код: 10b1p1r (функция символа r заключается в передаче дополнительно информации: кода синхронизации, сигналов СС, символов ТМ, резервных цифровых потоков; функция символа p заключается в организации процесса компенсации дрейфа постоянной составляющей кода)

8. Тип источника излучения: лазерный диод

9. Тип приемника излучения: лавинный фотодиод

10. Тип кабеля: ОМЗКГ

11. Тип ОВ: одномодовое

12. Состав оборудования: САЦО, СВВГ, СТВГ, СЧВГ, СОЛТ-О-4

13. Промежуточные станции: НРП Г

Рисунок 29 - Состав оборудования Сопка-4

СОПКА-5

Применяется на магистральных сетях для организации петяричного цифрового тракта по оптическому кабелю.

Технические данные

1. Число организуемых каналов: 1920*4

2. Скорость передачи: 140*4 Мбит/с

3. Длина волны: 1,55 мкм

4. Длина участка регенерации: 70 км

5. Линейный код: 40b4p4r

6. Тип источника излучения: лазерный диод

7. Тип приемника излучения: лавинный фотодиод

8. Тип кабеля: ОМЗКГ

9. Тип ОВ: одномодовое

10. Состав оборудования: АЦО, ВВГ, ТВГ, ЧВГ, СОЛТ-О

11. Промежуточные станции: НРП Г

Таблица 7. Технические данные систем передачи

СП	Тип кабеля	Скорость передачи, тип кода	Длина волны	Длина секции ДП, км	Длина усилит. участк	Состав оборудования
Соната-2 120 кан	ОК-50-2-5-8 ОК-50-2-5-4	8,5 Мб/с СМI	0,85мкм		12 км	САЦО, СВВГ, СОЛСТ-0 УССЛК
Сопка-2 120 кан	ОЗКГ-1-0,7-4/4	8,5 Мб/с 5В6В	1,3мкм	830	26 км	САЦО, СВВГ, СОЛТ-О
Сопка-3 480 кан	ОЗКГ-1-0,7-4/4	34,4 Мб/с 5В6В	1,3мкм	830	25 км	САЦО, СВВГ,СТВГ, СОЛТ-О
Сопка-3М 480 кан	ОКЛ	34,4 Мб/с 2В4В	1,55мкм	830	70 км	САЦО, СВВГ,СТВГ, СОЛТ-О
Сопка-4 1920 кан	ОМЗКГ	140 Мб/с 10В1Р1R	1,3мкм	830	30 км	САЦО, СВВГ,СТВГ, СЧВГ, СОЛТ-О
Сопка-4М 1920х4	ОКЛ	140Х4 Мб\с 10В1Р1R	1,55мкм	830	70 км	САЦО, СВВГ,СТВГ, СЧВГ, СОЛТ-О

Лекция 10. Основы технологии WDM

Цель лекции: рассмотреть технологии полностью оптических сетей.

Оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн МРДВ (WDM) – сравнительно новая технология оптического (или спектрального) уплотнения, которая была разработана в 1970-1980 годах. В настоящее время WDM играет для оптических синхронных систем ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением МЧР (FDM) для аналоговых систем передачи данных. По этой причине системы с WDM часто называют системами оптического мультиплексирования с частотным разделением ОМЧР (OFDM). Однако, по сути своей, эти технологии (FDM и OFDM) существенно отличаются друг от друга. Их отличие состоит не только в использовании оптического (OFDM) или электрического (FDM) сигнала. При FDM используется механизм АМ модуляции с одной боковой полосой (ОБП) и выбранной системой поднесущих, модулирующий сигнал которых одинаков по структуре, так как представлен набором стандартных каналов ТЧ. При OFDM механизм модуляции, необходимый в FDM для сдвига несущих, вообще не используется, несущие генерируются отдельными источниками (лазерами), сигналы которых просто объединяются мультиплексором в единый многочастотный сигнал.

Каждая его составляющая (несущая) принципиально может передавать поток цифровых сигналов, сформированный по законам различных синхронных технологий. Например, одна несущая формально может передавать АТМ трафик, другая SDH, третья PDH и т.д. Для этого несущие модулируются цифровым сигналом в соответствии с передаваемым трафиком.

Основная схема системы c WDM (для примера взято четыре канала) имеет вид, представленный на рисунке 30 (показан один прямой канал).

Рисунок 30 - Блок-схема системы, использующей WDM

Здесь n входных потоков данных (кодированных цифровых импульсных последовательностей) модулируют (модуляция основной полосой) с помощью оптических модуляторов M_i оптические несущие с длинами волн l_i. Модулированные несущие мультиплексируются (объединяются) с помощью мультиплексора WDM Mux в агрегатный поток, который после усиления (с помощью бустера или мощного усилителя – МУ) подается в ОВ.

На приемном конце поток с выхода ОВ усиливается предварительным усилителем – ПУ, демультиплексируется, т.е. разделяется на составляющие потоки – модулированные несущие l _i, которые детектируются с помощью детекторов Д_i (на входе которых могут дополнительно использоваться полосовые фильтры Ф_i для уменьшения переходных помех и увеличения тем самым помехоустойчивости детектирования), и, наконец, демодулируются демодуляторами ДM_i, формирующими на выходе исходные кодированные цифровые импульсные последовательности.

Кроме МУ и ПУ в системе могут быть использованы и линейные усилители – ЛУ (как рассматривалось выше).

Таблица 8. Практика использования стандартного канального плана

Компания	Alcatel	Bellcore	Ciena	IBM	Lucent	MCI	Nortel	Osicom
Шаг, ТГц	0,2; 0,1	0,2	0,1; 0,05	0,4	0,1	0,4; 0,1	0,1	0,2; 0,1
Начало плана S	1531,90	н/д	н/д	н/д	н/д	1530,33	1528,77	н/д
Конец плана S	1542,94	н/д	н/д	н/д	н/д	1541,35	1539,77	н/д
Начало плана L	1547,72	1547,72	1545,32	н/д	1550,12	1549,32	н/д	н/д
Конец плана L	1558,98	1558,98	1560,61	н/д	1560,61	1560,61	н/д	н/д
Число каналов	8L;16S; 32-40SL	8L	16L; 40L	10	16L	4L; 8S	8S	8; 16

Классификация WDM на основе канального плана

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

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

· плотные WDM (DWDM) – ПМРДВ;

· высокоплотные WDM (HDWDM) – ВПМРДВ.

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

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

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

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

Схемы реализации мультиплексоров WDM

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

· разнос каналов – 20-30 нм;

· переходное затухание между каналами – 20 дБ;

· уровень вносимых потерь – 2-4 дБ.

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

В основе первой из них (см. рис.38,а) – планарный оптический многопортовый разветвитель в форме таблетки с портом входа l ₀ и группой выходных портов l _l⁰, l ₂⁰, ... l _n⁰, расположенной симметрично относительно l0 на периферии волновода слева, и группой внутренних выходных портов l1i, l2i, ... lni, 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 D L) с плоским отражающим зеркалом. Входной поток l ₀ = S l _i (i=1,2, ... n) подается в оптический волновод и распределяется по всем внутренним портам, откуда он распространяется по масиву световодов (с разным фазовым запаздыванием) до зеркала, отражается и подается со стороны внутренних выходных портов в тот же волновод, где происходит интерференция входной и отраженных волн. Указанное устройство напоминает, по сути, интерференционный волновой фильтр на дифракционной решетке или многомерный вариант MZI. Размеры и форма планарного разветвителя, решетки световодов, а также расположение выходных портов, выбираются так, чтобы интерференционные максимумы освещенности располагались в районе выходных портов и соответствовали группе несущих l _l⁰, l ₂⁰, ... l _n⁰.

Порт входа и выходные порты могут быть разнесены, если использовать два планарных волновода (входной и выходной разветвители), как это показано на рис. 30.

Третья технология также использует классическую схему с плоской отражательной дифракционной решеткой (1), вогнутым зеркалом (2) и массивом волокон (3) (см. рис. 31), размещенных в пазах решетки с фиксированным шагом. Схема работы (в режиме демультиплексора) проста: мультиплексированный поток из входного волокна (А), расходясь конусом с углом, отражается от зеркала и падает на дифракционную решетку, отражающую под разными углами свет разной длины волны. Эти дифрагированные лучи, отражаясь от зеркала, фокусируются в определенных точках, где и должны быть расположены приемные порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие. Для примера показано выделение одного такого канала, конус лучей которого с тем же углом фокусируется в точке В (порте выходного волокна).

Рисунок 31 - Схема мультиплексирования WDM на основе дифракционной решетки на массиве волноводов:
а) с одним разветвителем и отражающим зеркалом, б) с входным и выходным разветвителями.

Все элементы конструкции строго фиксированы в стеклянном блоке (4), что позволяет выдержать и сохранять высокую точность изготовления (см. рисунок 32). 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.

Рисунок 32 - Схема WDM на основе трехмерного оптического мультиплексирования

Во всех указанных решениях процедура мультиплексирования предполагается обратной по отношению к рассмотренной процедуре демультиплексирования. Параметры мультиплексоров WDM, реализованных на основе указанных технологий, сведены в таблицу 9, приведенную ниже.

Таблица 9 - Сравнение различных технологий оптического мультиплексирования

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

Из таблицы 9 видно, что технология 3-D Optics WDM имеет преимущество по четырем из пяти параметров и может быть использована в системах WDM до уровня HDWDM с разносом каналов не меньше 0,4 нм.

Лекция 11. Оптоволоконные сети и технология DWDM

Цель лекции: изучение технологии DWDM.

DWDМ - технологии - основа терабитных коммуникаций оптических сетей будущего

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 DWDМ - технологий. WDM (wavelength division multiplexing) означает мультиплексирование с разделением по длине волны, DWDM (dense wavelength division multiplexing) - плотное мультиплексирование с разделением по длинам волн.

Эти технологии позволяют в сотни раз увеличить пропускную способность волоконно-оптических каналов и сетей связи; их применение, вместе с технологиями временного уплотнения (TDM), позволило в последнее время достичь терабитных скоростей передачи информации по одному оптическому волокну.

Повышать пропускную способность оптического волокна в уже проложенном кабеле в принципе можно двумя способами: либо повысить скорость передачи в канале за счет применения более быстрого временного уплотнения (TDM), либо увеличить число спектральных каналов, по которым осуществляется передача сигнала по одному волокну за счет применения WDМ - технологии.

Существует другой путь увеличения информационной емкости или скорости передачи информации ВОЛС. Это - применение спектрального мультиплексирования, WDМ - технологии. 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 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).

Следует отметить, что успехи в создании ВОЛС с применением DWDМ-технологии неразрывно связаны с разработкой и созданием эрбиевых волоконно-оптических усилителей (EDFА), способных усиливать все передаваемые по волокну спектральные сигналы в окне прозрачности волокна с центром на длине волны 1550 нм без преобразования оптических сигналов в электрические и обратно. Применение таких усилителей открыло возможности построения сверхширокополосных волоконно-оптических линий и сетей дальней связи.

История применения DWDМ - технологии в ВОЛС началась с 1996 г. 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 ПОСТQЯННО изменяться по всей сети, DWDМ - технологии начали применяться и на других уровнях локальных сетей. В частности, в настоящее время за рубежом DWDМ - технологии начинают достаточно широко применяться и во внутригородских локальных сетях. Большие перспективы имеют DWDМ-технологии для применения в волоконно-оптических сетях передачи данных, использующих Intemet Protocol. Внедрение DWDМ - 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 Intemet, и потенциальное снижение стоимости обмена информацией для пользователей. Снижение цен для пользователя, в конечном счете, должно поддерживать этот процесс и в дальнейшем.

В настоящее время, очевидно, что технологии DWDM обеспечивают наиболее быстрый и рентабельный, с точки зрения себестоимости, путь расширения полосы пропускания волоконно-оптических линий и сетей связи.

Однако наиболее оптимальным путем создания широкополосных оптических сетей является все-таки одновременное применение и развитие методов временного и спектрального уплотнений. При этом применение ТDМ - технологии позволяет оптимизировать передачу отдельных спектральных сигналов, с точки зрения их стоимости и доступности, а WDМ -технологии обеспечивают оптимальную передачу этих каналов в полосе пропускания волокна. Этим достигается большая гибкость при разработке и создании оптических сетей.

Очевидно, что успешное становление и развитие новых технологий, таких, как DWDM, требует параллельного решения, по крайней мере, ещё двух проблем.

Во-первых, необходимы разработка и создание методов измерения и контроля параметров таких систем, а также соответствующего измерительного и технологического оборудования для осуществления этих методов. В настоящее время основным измерительным прибором для контроля параметров волоконно-оптических трактов является волоконно-оптический рефлектометр, работающий на заданной длине волны, например, в диапазоне 1,3 мкм или 1,5 мкм, в зависимости от типа сменного блока. Этот прибор с высокой степенью точности решает подавляющее число задач измерения параметров оптического тракта в воле и локальных сетей, использующих ТDМ - мультиплексирование.

Однако при создании многоканальных DWDМ - систем, где спектральные каналы располагаются близко один от другого (доли нм), возможность контролирования параметров каждого канала, по крайней мере, с имеющейся в рефлектометрии точностью, существенно усложняется.

Необходима разработка новых типов рефлектометров с изменяемой длиной волны зондирования либо иных методов контроля прохождения сигналов в спектральном интервале DWDМ - системы. Кроме этого, необходимы соответствующие методы и приборы для контроля оптических переключателей или маршрутизаторов, мультиплексоров, усилителей, устройств ввода-вывода и т.д.

Основные характеристики мvльтиплексоров DWDM, которые отличают их от просто WDМ - мvльтиплексоров: использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDF А 1530-1560 нм (EDFА - система оптического усиления); малые расстояния между мультиплексными каналами - 3,2/1,6/0,8 или 0,4 нм. Для справки скажем, что длина волны видимого света 400-800 нм.

Кроме того, поскольку само название говорит о плотной (dense) передаче каналов, то количество каналов больше, чем в обычных WDM - схемах, и достигает нескольких десятков. Из-за этого возникает потребность создать устройства, которые способны добавлять канал или извлекать его, в отличие от обычных схем, когда происходит кодирование или декодирование всех каналов сразу. С такими устройствами, работающими с одним каналом из многих, связывается понятие пассивной маршрутизации по длинам волн. Также понятно, что работа с большим числом каналов требует большей точности устройств кодирования и декодирования сигнала и предъявляет более высокие требования к качеству линии. Отсюда очевидное повышение стоимости устройств - при одновременном снижении цены за передачу единицы информации из-за того, что теперь ее можно передавать в большем объеме.

Вот как происходит работа демультиплексора с зеркалом (схема на рисунок 33 а). Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих собой дифракционную структуру АWG (апауеd waveguide grating).

По-прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал - представленным во всех волноводах, то есть пока что произошло лишь распараллеливание. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и в итоге световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция. Это приводит к образованию интерференционной картины с пространственно разнесенными максимумами, причем обычно расчет геометрии пластины и зеркала делают так, чтобы эти максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.

Рисунок 33 - Схемы DWDМ-мультиплексоров:

а) с отражающим элементом; б) с двумя волноводами-пластинами

Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводов-пластин (рис. 33 б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю, за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина. DWDМ - мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал.

Например, потери для устройства (см. рис. 33 а), работающего в режиме демультиплексирования, составляют 10-12 дБ, при дальних переходных помехах менее -20 дБ и полуширине спектра сигнала 1 нм (по материалам Oki Electric Indиstry).

Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед DWDМ - мультиплексором и/или после него.

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- Т утвердил частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц, что соответствует разнице длин волн в 0,8 нм. Еще обсуждается вопрос о передаче информации с разницей в длинах волн 0,4 нм.

Казалось бы, разницу можно сделать и еще меньшей, добившись тем самым большей пропускной способности, но при этом возникают чисто технологические трудности, связанные с изготовлением лазеров, генерирующих строго монохроматический сигнал (постоянной частоты без помех), и дифракционных решеток, которые разделяют в пространстве максимумы, соответствующие различным длинам волн. При использовании разделения 100 ГГц все каналы равномерно заполняют используемый диапазон, что удобно при настройке оборудования и его переконфигурации. Выбор интервала разделения определяется необходимой пропускной способностью, типом лазера и степенью помех на линии.

Однако нужно учитывать, что при работе даже в столь узком диапазоне (1530-1560 нм) влияние нелинейных помех на границах этой области весьма существенно. Этим объясняется тот факт, что с увеличением числа каналов необходимо увеличивать мощность лазера, но это, в свою очередь, приводит к снижению отношения «сигнал/шум».

В результате использование более жесткого уплотнения пока не стандартизовано и находится в стадии разработки. Еще один очевидный минус увеличения плотности - уменьшение расстояния, на которое сигнал может быть передан без усиления или регенерации (чуть подробнее об этом будет сказано ниже).

Остановимся подробнее на системе оптического усиления.

В чем состоит проблема? Изначально сигнал генерируется лазером и отправляется в волокно. Он распространяется по волокну, претерпевая изменения.

Основным изменением, с которым нужно бороться, является рассеяние сигнала (дисперсия). Оно связано с нелинейными эффектами, возникающими при прохождении волнового пакета в среде и очевидным образом объясняется сопротивлением среды. Тем самым возникает проблема передачи на большие расстояния. Большие в смысле сотен или даже тысяч километров. Это на 12 порядков больше длины волны, поэтому не удивительно, что даже если нелинейные эффекты малы; то в сумме на таком расстоянии с ними нужно считаться. Плюс к тому, нелинейность может быть в самом лазере.

Есть два способа добиться уверенной передачи сигнала, показанные на рисунке 34.

Первый - это установка регенераторов, которые будут принимать сигнал, декодировать, его, генерировать новый сигнал, полностью идентичный пришедшему, и отправлять его дальше.

Этот метод эффективен, но такие устройства являются весьма дорогими, и увеличение их пропускной способности или добавление новых каналов, которые они должны обрабатывать, связано с трудностями по переконфигурации системы.

Второй способ - это просто оптическое усиление сигнала, полностью аналогичное усилению звука в музыкальном центре. В основе такого усиления лежит технология EDFА. Сигнал не декодируется, а лишь наращивается его амплитуда.

Рисунок 34 - Оптические системы связи на основе:

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

Это позволяет избавиться от потерь скорости в узлах усиления, а также снимает проблему добавления новых каналов, так как усилитель усиливает все в заданном диапазоне.

На основе EDFА потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления. 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 EDF А способны усиливать многоканальный WDМ - сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.

В отличие от регенераторов, оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. Поэтому, наряду с коэффициентом усиления, одним из важных параметров EDFА является коэффициент шума. Технология EDFА более дешевая, по этой причине чаще используется в реальной практике.

На рисунке 35 приведены сравнительные спектры выходного сигнала при наличии и отсутствии сигнала на входе.

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 EDFА, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеют ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями.

Рисунок 35 – Выходной спектр EDFA, снятый спектральным анализатором (ASE спектральная плотность шума)

Еще одним параметром, который удобно использовать при характеристике усилителя, является шум-фактор - это соотношение параметров «сигнал/шум» на входе и выходе усилителя. В идеальном усилителе такой параметр должен быть равен единице.

Для усилителей EDFА существует три способа применения: предусилители, линейные усилители и усилители мощности. Первые устанавливаются непосредственно перед приемником. Это делается для увеличения отношения «сигнал/шум», что обеспечивает возможность использования более простых приемников и может снизить цену на оборудования. Линейные усилители имеют своей целью простое усиление сигнала в протяженных линиях или в случае разветвления таких линий. Усилители мощности используются для усиления выходного сигнала непосредственно после лазера. Это связано с тем, что мощность лазера тоже ограничена и иногда легче просто поставить оптический усилитель, чем устанавливать более мощный лазер.

Одним из важных моментов при использовании технологии DWDM является передающийся трафик. Дело в том, что большинство оборудования, существующего в настоящее время, поддерживает передачу только одного типа трафика на одной длине волны. В результате нередко возникает ситуация, когда трафик не до конца заполняет оптоволокно. Таким образом, по каналу с формальной пропускной способностью, эквивалентной, например, STM-16, передается менее «плотный» трафик.

В настоящее время появляется оборудование, реализующее полную загрузку длин волн. При этом одна длина волны может быть «наполнена» разнородным трафиком, скажем, TDM, АТМ, IP. В качестве примера можно привести оборудование семейства Chromatis производства Lиcent Technologies, которое может передавать на одной длине волны все типы трафика, поддерживаемые интерфейсами ввода/вывода. Это достигается за счет встроенных кросс-коммутатора TDM и коммутатора АТМ. Причем, дополнительный коммутатор АТМ не является ценообразующим. Другими словами, дополнительная функциональность оборудования достигается практически при той же стоимости. Это позволяет прогнозировать, что будущее - за универсальными устройствами, способными передавать любой трафик с оптимальным использованием полосы пропускания.

Лекция 12. Основные узлы DWDМ – оборудования. Технология CWDM

Цель лекции: изучение технологии DWDМ и CWDM

По мере роста объемов трафика перед операторами связи все более актуальным становится вопрос о модернизации существующих городских транспортных сетей. Пропускную способность волоконно-оптических сетей можно увеличить двумя основными способами: повысив уровень SТМ - сигнала или внедрив технологию плотного волнового мультиплексирования (Dense Wavelength Division Mиltiplexing - DWDM). Данная технология подразумевает спектральное разделение полосы пропускания волокна на несколько оптических каналов. Таким образом, в одной паре волокон параллельно передается несколько независимых каналов (каждый на своей длине волны), что позволяет повысить пропускную способность системы передачи. У большинства ведущих производителей имеется DWDМ - оборудование, которое позволяет мультиплексировать в С-диапазоне (1530-1565 нм) до 40 оптических каналов при ширине одного канала 100 ГГц или до 80 оптических каналов при его ширине 50 ГГц. В этом случае максимальная емкость одного оптического канала составляет 10 Гбит/с (уровень STM-64). В диапазоне L (1570-1605 нм) максимальное число оптических каналов может достигать 160 при ширине канала 50 ГГц.

В настоящее время на рынке появились принципиально новые, солитоновые DWDМ - системы, которые позволяют существенно увеличить пропускную способность каналов и дальность передачи. Основное свойство оптического солитона - возможность распространения оптического импульса без дисперсионного расплывания. Солитон - это модулированный по интенсивности оптический импульс, который за счет нелинейного взаимодействия между спектральными составляющими поддерживает неизменной форму оптического сигнала по мере его распространения в волокне. В линейных средах спектральные составляющие оптического импульса не взаимодействуют между собой, что приводит к дисперсионному расплыванию сигнала. При учете нелинейного эффекта перераспределения энергии между спектральными составляющими можно избежать дисперсионного расплывания сигнала, распространяющегося вдоль волокна. Данная технология представляется наиболее перспективной для передачи сигнала STM-256 (40 Гбит/с) на большие расстояния. Однако солитоновые технологии накладывают определенные требования на оптические кабели, что может повлечь необходимость их полной замены на существующих сетях.

Можно выделить четыре основных узла оборудования DWDM:

оптический терминальный мультиплексор (Optical Terminal Mu1tiplexerОТМ), регенератор (Regenerator - REG), оптический усилитель (Optical Line Amplifier - OLA), оптический мультиплексор ввода-вывода (Optical Add Drop Multiplexer OADM).

Основными узлами оптического терминального мультиплексора являются оптический мультиплексор (ОМ) и оптический демультиплексор (OD). В направлении передачи ОМ мультиплексирует сигналы с фиксированными длинами волн, сформированные на выходе транспондеров, в групповой сигнал, который и передается по оптическому кабелю. На приеме OD демультиплексирует групповой сигнал на сигналы с фиксированными длинами волн, которые подаются на rранспондеры. Оптический регенератор используется для восстановления формы группового сигнала, подавления джиттера и улучшения соотношения сигнал/шум. С этой целью используется преобразование О-Е-О (Optical- Electrical-Optical). Групповой сигнал на входе REG преобразуется в электрическую форму, производится 3R-восстановление формы сигнала, и далее он опять преобразуется в оптическую форму. Регенератор строится на базе двух ОТМ - мультиплексоров, включенных по схеме back-to-back через транспондеры. Такая конфигурация позволяет осуществить ввод-вывод всех оптических каналов.

Оптический усилитель соответственно усиливает групповой сигнал без восстановления его формы. При передачи информации на большие расстояния усилители оснащают функцией эквалайзера - выравнивания мощности оптических каналов. В городских условиях функция эквалайзера не используется, и это уменьшает стоимость усилителя. Оптический усилитель наиболее дешевый узел оборудования DWDM (в сравнении с ОТМ - мультиплексором и регенератором).

Оптический мультиплексор ввода-вывода строится на базе оптического усилителя, в которые добавляется пассивная оптическая плата, позволяющая осуществить ввод-вывод ограниченного числа оптических каналов с фиксированными длинами волн. Она представляет собой брегговскую решетку с периодическими изменениями индекса преломления, которые достигаются за счет насечек на оптоволоконном кабеле, сделанных с помощью ультрафиолетового излучения. ОADМ - мультиплексор на базе брегговских решеток позволяет осуществлять ввод-вывод от 1 до 12 оптических каналов. Для остальных каналов он работает как усилитель. Основное преимущество такого мультиплексора по сравнению с ОТМ мультиплексором и регенератором - гораздо более низкая его цена. Другая возможность уменьшения стоимости DWDМ - оборудования - использование "цветных" интерфейсов. Как мы уже говорили, к транспондеру с одной стороны подключается SDН - оборудование, с другой - оборудование DWDM (оптический мультиплексор/демультиплексор или пассивное оптическое устройство ввода-вывода на базе брегговских решеток). Но если в оборудовании SDH использовать SТМ - интерфейсы с фиксированной длиной волны и узким спектром излучения, то необходимость в транспондерах отпадает. Такие SТМ - интерфейсы и называются "цветными". Их использование, означающее не что иное, как отказ от транспондеров, позволяет сократить количество преобразований и уменьшить число соединительных оптических кабелей, что повышает надежность оборудования. Кроме того, уменьшаются размеры оборудования и энергопотребление.

Ввиду постоянного повышения требований к использованию оптического волокна в магистральных сетях предприятия и сетях доступа, мультиплексирование по длине волны необходимо было изменить таким образом, чтобы его можно было реализовывать с меньшими затратами. В качестве решения было предложено увеличить расстояние между каналами до 20 нм, тогда стоимость активных и пассивных компонентов заметно снижается. Технология грубого спектрального мультиплексирования CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) позволяет создавать до восьми каналов в диапазоне от 1470 до 1610 нм.

Расстояние между длинами волн в системах CWDM недавно было стандартизировано ITU (Международный телекоммуникационный союз). Новый стандарт ITU 0.694.2 определяет интервал между каналами в 20 нм В диапазоне от 1270 до 1610 нм. Таким образом, технология CWDM превратилась в международный стандарт.

Система CWDM выступает в качестве замены решений DWDM в области городских сетей и сетях доступа. При этом высокие требования предъявляются к обеспечению к отказоустойчивости при различных специфических для телекоммуникационных приложений топологиях сети. С не меньшим вниманием, чем к отказоустойчивости таких чувствительных компонентов системы, как блоки питания и вентиляторы, надо относиться к защите каналов и трасс передачи информации.

Системы CWDM хорошо подходят для создания корпоративной информационной магистрали. Главные области применения - соединение с филиалами и центрами обработки данных в одном городе. Сегодня на первое по важности место выходит не увеличение емкости оптических линий, а вопросы согласования различных сетей и протоколов. Наряду с сетями передачи данных, магистрали которых нередко построены исключительно на базе Gigabit Ethemet, многие предприятия организуют свои сети хранения данных (Storage Area Network, SAN), обращаясь к таким стандартам, как Fibre Channel, FICON и ESCON. Кроме того, часто возникает потребность интегрировать технологии - FDDI, Token Ring и АТМ. Не надо забывать и о связи обычных телефонных устройств по интерфейсу Ei. В подобной ситуации очень важно с самого начала предусмотреть систему с максимальной гибкостью, возможностью работы на различных скоростях передачи данных и с разными интерфейсами. Необходимо помнить о дальнейшем развитии своей магистральной сети - о се расширении и полном отказе от стандартов ESCON и Fibre Channel. Для достижения наибольшей совместимости, оптический интерфейс должен быть реализован по модульному принципу, т. е. понадобится обеспечить взаимозаменяемость для каждого канала: например, для перехода от многомодовой передачи в диапазоне 850 нм к ОДНОМОДОВОМУ режиму в диапазоне 1350 нм.

Ограничивающим фактором использования технологии CWDM является небольшое число каналов. Как уже было сказано, с помощью стандартных систем можно организовать от восьми до 16 каналов. Для современного уровня спроса этого вполне достаточно, но многие предприятия заинтересованы в защите инвестиций в будущем.

Если потребуется большее число каналов, переход на технологию DWDM станет практически неизбежным, поскольку только она обеспечивает требуемую емкость благодаря более узкому интервалу между каналами. Новая концепция "мягкой" миграции от CWDM к DWDM позволяет объединить преимущества обеих систем. При соответствующем выборе лазера в одном канале CWDM можно организовать до восьми каналов DWDM, не нарушая работоспособности других каналов CWDM. При таком режиме работы каналы DWDM должны соединяться при помощи подходящего мультиплексора/демультиплексора с пассивным каналом CWDM.

В результате предприятие получает очень гибкое и экономное решение. Имея в своем распоряжении всего восемь каналов в системе CWDM, при необходимости увеличения их числа можно один из активных каналов CWDM перевести в пассивный режим и организовать в нем до восьми каналов DWDM. Для этого необходимо только подключить шасси DWDM с поддержкой восьми каналов. Семь оставшихся каналов CWDM плюс восемь новых DWDM дают в сумме 15 рабочих каналов. При возникновении необходимости в дальнейшем расширении системы можно проделать еще одну такую же операцию, система CWDM превратится в б4-канальную систему DWDM, для чего потребуются не слишком большие инвестиции, При этом предприятие сможет использовать уже имеющуюся систему.

Из-за большой спектральной ширины канала CWDM не удается усиливать несколько каналов с помощью одного оптического усилителя. Используя усилитель с добавками эрбия (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFА), сигналы можно усилить лишь в небольшой части диапазона CWDM, при этом одинаковое усиление всех восьми каналов невозможно. Многочисленные попытки решения проблемы привели к созданию кремниевого оптического усилителя (Silicon Optical Amplifier, SOA), правда, это перспективное изобретение пока находится в стадии разработки, и никаких конкретных цифр о количестве каналов и степени усиления не обнародовано. Однако нехватка оптических усилителей в городских сетях не слишком серьезная неприятность, поскольку сигналы в них передаются на небольшие расстояния, а передача может быть успешно осуществлена и без усиления.

В последние годы технология CWDM зарекомендовала себя вполне эффективной альтернативой технологии DWDM с точки зрения многократного использования оптических волокон. Из-за большого промежутка между каналами (20 нм) общее число действующих каналов ограничено (от восьми до 16 в зависимости от качества волокна).

Список литературы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Лекция 1. Оптическое волокно как среда передачи

Расширение импульса – τ – определяется как квадратичная разность длительности импульса на входе и выходе:

Рисунок 6 – Виды дисперсии

Причиной хроматической дисперсии является некогрентность источника излучения

Передающие оптические модули.

Рисунок 13 - Дисперсия оптического излучения

Лекция 4 . Приемные оптические модули

Допускается

Лекция 8. Линейные коды ВОСП

Тракт приема

ИКМ-120- 4/5 (СОПКА-Г)

ИКМ-120- 5

Лекция 11. Оптоволоконные сети и технология DWDM

Список литературы