2879

Волоконно-оптические сети и системы связи

Конспект

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Книга принадлежит перу одного из известных специалистов в области волоконно-оптической связи Олегу Константиновичу Склярову. Это его второй крупный труд об ВОЛС — важнейшей технологии современных систем передачи информации. К сожалению, последн...

Русский

2012-11-12

4.53 MB

466 чел.

Книга принадлежит перу одного из известных специалистов в области волоконно-оптической связи Олегу Константиновичу Склярову. Это его второй крупный труд об ВОЛС — важнейшей технологии современных систем передачи информации. К сожалению, последний. Едва окончив работу над рукописью, автор скоропостижно скончался.

Первая книга Склярова О. К. «Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы», вышла в 2001 году. В последние годы волоконно-оптические системы передачи так бурно развивались и в качественном и в количественном отношении, что потребовались большие усилия автора, чтобы донести до читателя главные тенденции прогресса отрасли. Книга содержит материал по основным протоколам, используемым в оптических сетях, по вопросам тестирования систем, по методам передачи информационных потоков. Большое внимание уделено аппаратуре цифровой иерархии, вопросам уплотнения, оптическим сетям доступа. Особый интерес представляют главы, посвященные новым пассивным и активным элементам сетей, новым отечественным и зарубежным кабелям. Освещены принципы работы оптических романовских (ВКР) усилителей, электроабсорбционного модулятора света, широко используемого в современных высокоскоростных системах передачи.

Книга предназначена для студентов, специалистов систем волоконно-оптической связи, она поможет при технической подготовке обслуживающего персонала.


Предисловие

В 2001 году была издана моя книга «Современные волоконно-оптические системы передачи. Аппаратура и элементы». Она быстро разошлась, но потребность в ней сохранилась, о чем свидетельствуют телефонные звонки автору с просьбой помочь приобрести книгу. Назрела необходимость в ее переиздании. Однако за истекшее с 2001 года время волоконно-оптические технологии продолжали стремительно развиваться, чему способствовало одновременное развитие компьютерных технологий и рост числа пользователей сетью интернет. Новая книга дополнена материалами по основным протоколам передачи, используемым в оптических сетях, по отдельным вопросам тестирования систем ВОЛС.

В имеющейся литературе слабо освещены принципы работы оптических рама-новских (ВКР) усилителей. В новой книге предпринята попытка восполнить этот пробел. Рассмотрены принципы работы внешнего электроабсорбционного модулятора света, широко используемого в современных высокоскоростных ВОСП-СР и также слабо освещенного в опубликованных работах. Кроме того, исправлены ошибки, замеченные в первом издании.

Автор выражает искреннюю благодарность Елене Александровне Филимоновой за ее огромную помощь при подготовке рукописи книги.

Введение

В последние два десятилетия прошедшего и в начале текущего века происходит смена эпохи индустриально-технологического развития передовых государств эпохой информационно-технологической. Ярким проявлением этого процесса является невиданный по скорости и результатам прогресс в создании новых методов и средств телекоммуникаций. Бурное развитие технологии производства систем и средств связи с практически неограниченной пропускной способностью и дальностью передачи и массовое их использование по сути привели к информационно-технологической революции и формированию глобального информационного общества. Сегодня телекоммуникации — это одна из самых быстроразвивающихся высокотехнологических и наукоемких отраслей мировой экономики. Уровень развития технологических разработок, производства и внедрения в различные сферы деятельности телекоммуникационных систем во многом формируют положительный образ передового государства. Такое развитие событий стало возможным благодаря широкому практическому использованию достижений фундаментальных наук — прежде всего физики, химии и математики, а также компьютерных технологий. Создание элементной базы современных волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСП) и технологий их серийного производства основано на практическом применении таких открытий в области физики и таких разделов математики, которые еще совсем недавно считались уделом самых высших кругов «чистой науки», на практическое использование которых не надеялась не только широкая общественность, но и сами авторы этих открытий. На самом же деле оказывается, что к созданию современных телекоммуникационных систем и компьютерных технологий причастны почти все известные физики прошлого и настоящего: от Ньютона и Гюйгенса, Френеля и Декарта до большинства нобелевских лауреатов по физике  от М. Планка и А. Эйнштейна до А. М. Прохорова, Ч. Таунса, Н. Г. Басова и Ж. И. Алферова. В профессиональный лексикон специалистов, работающих в области волоконно-оптической связи входят такие термины, как кванты, электроны, фотоны, фононы, фермионы и бозоны, экситоны и многие другие, которые ранее в своей деятельности употребляли только профессиональные физики. Современные волоконно-оптические системы передачи — это концентратор практического использования самых глубинных достижений фундаментальных наук, ярчайшая демострация их практической необходимости и полезности.

Толчком к развитию оптических систем передачи информации явилось изобретение в 1960 году А. М. Прохоровым, Н. Г. Басовым (СССР) и Ч. Таунсом (США) квантового генератора оптического излучения лазеров (аббревиатура из первых букв английского названия оптических квантовых генераторов света (ОКГ)  Light Amplification by the Stimulation Emission of Radiation). С1962 года началось серийное производство ОКГ (так в СССР назывались эти приборы до начала 70-х годов), а в 1965 году в Московскую городскую телефонную сеть была включена одна из первых в мире оптических линий связи протяженностью 4,7 км между одним из центральных узлов связи (Зубовская площадь) и зданием МГУ им. М. В. Ломоносова. По этой линии с помощью лазерного луча с длиной волны 0,628 мкм (красный свет), распространявшегося в атмосфере (по воздуху), передавались методом И КМ 12 телефонных каналов. По существу это была первая оптическая соединительная линия городской телефонной сети. Оборудование для этой линии и систеа в целом были разработаны в Центральном научно-исследовательском институте связи (ЦНИИС), в разработке и настройке которой участвовал и автор настоящих строк. К началу семидесятых годов в Советском Союзе работало несколько лазерных атмосферных линий связи: две в Москве протяженностью 5 км (скорость передачи 32 Мбит/с) и 17 км (скорость 2,048 эпохой информационно-технологической бит/с, а также в г. Куйбышеве (ныне Самара) через р. Волга, в г. Клайпеда через Куршскую косу, Ереван—Бюракан (28 км). Руководство разработками и эксплуатацией этими линиями осуществлялось также ЦННИС.

В 1970 году компанией CORNING (США) было создано оптическое волокно с малыми (по тому времени) километрическими потерями (менее 20 дБ/км на длине волны 0,85 мкм). В том же году сотрудниками Ленинградского физико-технического института под руководством Ж. И. Алферова были разработаны полупроводниковые приборы на основе двойных гетероструктур, в том числе полупроводковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре. С этого момента началось быстрое развитие волоконно-оптических систем передачи информации. К середине 70-х годов потери в оптических волокнах были снижены до 2,5—3 дБ/км в первом окне прозрачности (780—870 нм) оптического диапазона и в СССР, США, Японии, Англии, Франции и Германии были построены первые коммерческие волоконно-оптические системы со скоростями передачи 2, 048, 8,848 Мбит/с и 34 Мбит/с, а также системы кабельного телевидения. Эти системы работали в диапазоне 1280—1360 нм по многомодовым оптическим волокнам. Многомодовые волокна имеют весьма низкую полосу пропускания — не более 1200—1600 МГГц/км, которая уже тогда была недостаточной. Поэтому усилия исследователей были направлены на создание одномодовых оптических волокон, полоса пропускания которых на много порядков выше. В результате в конце 70-х годов были получены одномодовые волокна с коэффициентом потерь 0,2 дБ/км на длине волны 1550 нм (третье окно прозрачности). В этот же период были разработаны и освоены в серийном производстве полупроводниковые лазеры и фотоприемники, работающие в этом же окне прозрачности. На основе перечисленных элементов были построены магистральные ВОСП протяженностью более 1000 км при скорости передачи 155 Мбит/с. Одновременно с развитием оптических и квантовых элементов для ВОСП быстрыми темпами происходило совершенствование цифровых методов передачи информации и элементной базы для реализации этих методов. В качестве альтернативы плезиохронному методу, исчерпавшему свои возможности, был разработан метод синхронной цифровой передачи. Скорость 155 Мбит/с  первая скорость, с которой началось внедрение синхронного метода временного уплотнения цифровых сигналов. Вслед за этим были достигнуты скорости передачи 622 Мбит/с, 2,5 Гбит/с и 10 Гбит/с.В настоящее время скорость передачи синхронным методом доведена до предельной для электроники величины 40 Гбит/с. Для перечисленных скоростей передачи между народным комитетом по электросвязи  МСЭ-Т (ITU-T) была разработана следущая классификация иерархий скоростей: синхронная цифровая иерархия (СЦИ, или SDH в английском варианте)  СТМ-1 (155 Мбит/с), СТМ-4 (622 Мбит/с), СТМ-16 (2,5 Гбит/с), СТМ-64 (10 Гбит/с) и СТМ-256 (40 Гбит/с). За исключением СТМ-1, все остальные уровни иерархий СЦИ предназначены для передачи только по волоконно-оптическим системам. В результате такого развития пропускная способность ВОСП увеличилась на несколько порядков. При этом многократно возросла также и дальность передачи. Благодаря резкому улучшению параметров систем передачи коренным образом выросло качество традиционных услуг связи и появились новые услуги: цифровое телевидение повышенной четкости, интерактивное кабельное ТВ, видеоконференции, передача технологической, коммерческой, банковской информации, сеть интернет, электронная почта, телефакс, телемедицина и т. д. Рост качества и количества услуг связи сопровождается экспоненциальным возрастанием числа потребителей этих услуг  абонентов. Эти факторы влекут за собой необходимость дальнейшего увеличения пропускной способности систем передачи. Повсеместное распространение этих услуг в свою очередь требует увеличения дальности передачи. Кроме того, предоставление высококачественных услуг связи постоянно растущему числу абонентов делает актуальной проблему повышения эффективности и гибкости управления сетями связи. Одним из решений этой проблемы стала разработка и внедрение асинхронного метода переноса сообщений  ATM, который в последнее время получает все большее распространение как в магистральных транспортных сетях, так и в сетях доступа.

Потребность в дальнейшем наращивании пропускной способности систем передачи информации стимулировала исследования в направлении поиска новых методов решения этой задачи. Одним из чрезвычайно эффективных решений поставленной задачи является увеличение пропускной способности с помощью уплотнения оптических каналов по длинам волн оптического излучения  WDM (Wavelength Division Multiplexing), в российской документации  ВОСП-СР. Использование этого метода позволило повысить пропускную способность волоконно-оптических систем до величины более 10 Тбит/с, превышающую потребности сегодняшнего дня, сняв таким образом проблему на ближайшие 3—5 лет.

Для реализации метода уплотнения оптических каналов по длинам волн (или метода спектрального разделения) были разработаны такие оптические элементы, как оптические мультиплексоры и демультиплексоры, оптические фильтры, полупроводниковые лазеры с малой шириной линии излучения на заданной длине волны, методы и средства, обеспечивающие необходимую стабильность оптической частоты, оптические усилители с широкой полосой усиления и ряд других элементов.

Как уже отмечалось, одновременно с увеличением пропускной способности, вызванной ростом количества и качества услуг связи, а также числа пользователей, происходит быстое расширение территорий, на которых проживают или расположены потребители услуг связи. По этой причине продолжала оставаться актуальной необходимость увеличения дальности передачи. В настоящее время эта задача также в значительной степени может считаться решенной благодаря внедрению оптических и квантово-оптических технологий. Решение поставленой задачи происходило по двум направлениям: были разработаны новые типы оптических волокон с затуханием, близким к теоретическому пределу, с большой эффективной площадью сечения и малым коэффициентом хроматической дисперсии; созданы и освоены в серийном производстве оптические усилители различных типов, позволяющие резко повысить мощность оптических сигналов на входе линии и компенсировать потери в оптическом волокне. Созданы также эффективные компенсаторы хроматической дисперсии. Использование этих элементов позволяет увеличивать длину регенерационных участков магистральных систем передачи до 1000—1500 км. В настоящее время находится в стадии реализации проект магистральной ВОСП-СР протяженностью 28 тыс. км.

Впечатляющие результаты прогресса магистральных волоконно-оптических систем передачи не имели бы смысла без соответствующего развития сетей доступа различных уровней, включая абонентские участки. Сегодня наибольшие усилия исследователей и разработчиков элементов и оборудования для ВОЛС направлены на внедрение оптических технологий в оптические сети доступа. Несмотря на то что исторически городские сети доступа были первым объектом внедрения волоконно-оптических технологий, в течение довольно большого периода времени основное внимание уделялось развитию магистральных сетей связи. Вместе с тем проблема доведения оптического волокна (точнее оптического кабеля) до абонента, выразившаяся в концепции «волокно в дом» (FTTH) или «последняя миля», была поставлена давно, но до конца по сей день не решена. Современные сети доступа развиваются по двум направлениям: сети общего пользования и корпоративные сети. Необходимо отметить, что решение проблемы «волокно в дом» в настоящее время сдерживается главным образом по экономическим причинам, поскольку, если говорить о чисто технических проблемах, то их практически нет. Во всяком случае технические проблемы во многом сводятся к снижению стоимости элементной базы, оборудования и снижению стоимости работ при строительстве и настройке (инсталляции) систем доступа. На сегодняшний день значительные успехи в использовании оптических технологий наблюдаются в развитии корпоративных сетей доступа, что объясняется их более высокой платежной способностью по сравнению с абонентами сетей доступа общего пользования. В современных корпоративных сетях доступа основными протоколами, обеспечивающими необходимые услуги связи, являются Ethernet, E-mail, IP-телефония, широкополосный доступ в Internet и телефакс. Если в первых компьютерных сетях длины соединительных линий не превышали 100 м, а скорость передачи 10 Мбит/с, то всовременных компьютерных сетях (Ethernet) их длина нередко существенно больше 1000 км, а скорость передачи достигает 10 Гбит/с. Очевидно, что такие результаты могли быть достигнуты только благодаря использованию волоконно-оптичеких технологий.

Резкое повышение пропускной способности соединительных линий в корпоративных сетях доступа при одновременном увеличении расстояний осуществляется как путем повышения скорости электронного мультиплексирования по времени, так и использованием технологий уплотнения оптических каналов по длинам волн (WDM-wavelength division multiplexing). В отличие от магистральных систем передачи, в которых широко используется плотное спектральное мультиплексирование (DWDM), в оптических сетях доступа экономически более целесообразным является применение разреженного спектрального уплотнения оптических каналов — CWDM. Применение технологий спектрального уплотнения в оптических сетях доступа не только увеличивает пропускную способность, но и повышает эффективность и гибкость управления. Для этого были разработаны соответствующие оптические элементы: оптические волновые коммутаторы, маршрутизаторы, волновые конверторы и другие устройства, позволяющие проводить оперативное и гибкое конфигурирование оптических сетей. Для повышения экономической эффективности городских оптических сетей доступа, в том числе абонентских участков в сетях общего пользования, активно внедряется технология PON — пассивная оптическая сеть (ПОС). Как следует из названия, ПОС состоит только из пассивных элементов: оптического кабеля вместе с соединительными муфтами от-ветвителей, разветвителей, оптических мультиплексоров и демультиплексоров, оптических фильтров, оптических изоляторов и некоторых других элементов. Все перечисленные элементы не требуют подведения к ним электрического питания и не нуждаются в обслуживании. Кроме того, в отличие от активных элементов -лазеров, оптических усилителей и фотоприемников, пассивные элементы, как правило, отличаются более низкой стоимостью.

Для решения той же задачи  снижения стоимости оптических сетей доступа вновь все шире начинают использоваться многомодовые оптические волокна. Несмотря на то что эти волокна несколько дороже одномодовых, они позволяют использование недорогих многомодовых излучателей и фотоприемников. Кроме того, большой диаметр сердечника многомодового волокна существенно снижает допуски на оптические соединители, в результате чего значительно снижается стоимость проведения монтажных работ при прокладке оптического кабеля. Многомодовые волокна в оптических сетях доступа, в частности в ПОС, используются в соединительных линиях, длина которых не превышает нескольких километров, что обычно имеет место в городских сетях. Возрождение интереса к использованию многомодовых волокон вызвано также тем, что в семидесятых и в середине восьмидесятых годов в городах многих стран, включая Советский Союз, было проложено большое количество оптических кабелей с многомодовыми волокнами. Как показали исследования, проведенные некоторыми компаниями, в частности Corning и Lucent Technologies, за прошедшие 20 лет параметры волокон в этих кабелях практически не изменились. Многие из них на сегодняшний день не загружены. Поэтому, учитывая тенденции развития сетей доступа с участками ПОС, использование ранее проложенных оптических кабелей становится весьма актуальным. Кроме многомодовых волокон, возрождается также интерес к использованию первого окна прозрачности (780—860 нм), что также связано с более низкой стоимостью излучателей и фотоприемников, работающих в указанном диапазоне длин волн. Использование оптических кабелей с многомодовыми волокнами и отмеченных выше активных элементов направлено на развитие прежде всего абонентских участков сетей общего пользования. Вместе с тем стремление к использованию новейших фотонных технологий в настоящее время концентрируется также на внедрении их как в корпоративных, так и в сетях доступа общего пользования.

Стремительное развитие волоконно-оптических и квантово-оптических технологий для ВОЛС продолжается. В последние 2—3 года для увеличения длины ре-генерационных секций магистральных ВОСП активно внедряются волоконные оптические усилители, работа которых основана на нелинейном оптическом явлении — вынужденном комбинационном рассеянии (в литературе на русском языке советского периода — ВКР, в зарубежной  SRSStimulated Raman Scattering). Проводятся интенсивные исследования нового типа оптических волокон т. н. микроструктурированных волокон и фотонных кристаллов, на основе которых прогнозируется создание новых типов оптических элементов.

В настоящее время в России ведется активное строительство волоконно-оптических систем передачи информации. Развиваются как магистральные ВОСП со спектральным разделением оптических каналов (ВОСП-СР), так и городские опческие сети доступа, в том числе ПОС. Быстрыми темпами растет количество пользователей сетями Internet и Ethernet. Оборудование, поступающее на эти сети, с каждым годом становится все более наукоемким и высокотехнологичным. Очевидно, что в связи с этим все более высокие требования предъявляются к специалистам, которые устанавливают, настраивают и обслуживают как оборудование, так и системы в целом. В то же время в периодических изданиях уделяется недостаточно внимания, например, описанию принципов работы и устройству как отдельных волоконно-оптических элементов, так и узлов, блоков и всего оборудования. Это создает досадные проблемы для специалистов, работающих с этими системами и оборудованием и желающих повысить свой профессиональный уровень.

Эта книга предназначена и адресована этим людям. Она может быть также полезной для студентов соответствующих учебных заведений и тем, кто желает поближе познакомиться с технологиями волоконно-оптической связи.

Часть I. Виды услуг связи, протоколы, методы передачи информации

Появление новых видов услуг связи и совершенствование традиционных услуг в сочетании с многократно увеличившимся количеством абонентов коренным образом изменили всю инфраструктуру сетей связи, на много порядков возросла пропускная способность систем передачи, в особенности магистральных, увеличилась их протяженность. Это стало возможным благодаря широкому внедрению волоконно-оптических технологий. Для реализации и максимального использования возможностей, предоставляемых этими технологиями, потребовались разработки новых методов передачи цифровой информации  СЦИ и их иерархий  СТМ-1, СТМ-4, СТМ-16, СТМ-64 и СТМ-256, ATM, новых правил или алгоритмов  протоколов передачи информации, методов уплотнения оптических каналов, а также технических средств реализации этих методов. Все это будет рассмотрено в первой части книги. Кроме того, в этой же части будут рассмотрены вопросы тестирования и мониторинга различных волоконно-оптических систем передачи.

Глава 1. Методы и основные виды протоколов передачи информационных потоков

По способам передачи сигналов, переносящих информацию, все системы, в том числе и волоконно-оптические, можно разделить на две категории: системы связи с аналоговым методом передачи информации и системы с цифровым методом. В аналоговых системах один из параметров несущего колебания  амплитуда, частота или фаза изменяется по закону изменения тока (или напряжения) первичного источника информации. В цифровых системах информация передается в виде определенной последовательности импульсов с постоянными амплитудой и длительностью. Эти импульсные последовательности соответствуют числам в двоичной системе исчисления  битам. Если в аналоговых системах передачи количество передаваемой информации характеризуется полосой частот, то в цифровых  количеством бит за одну секунду, т. е. бит/с. Каждому сообщению соответствует определенное количество бит. Например, для передачи одной буквы требуется передать 7 бит [1]. Для определения и разделения отдельных слов, предложений и т. д. вводятся соответствующие идентификационные импульсы (биты), распределенные во временном пространстве в определенном порядке и сочетании. При одновременной передаче большого количества сообщений для их различения также вводятся идентификационные биты. Таким образом, в цифровых системах передача информации осуществляется по определенным правилам  протоколам. В настоящее время подавляющая часть систем передачи являются цифровыми. Широко используется несколько разновидностей цифровых методов передачи: плезиохронный (ПЦИ  на английском  PDH), синхронный (СЦИSDH), ATM, к цифровым относятся компьютерные сети Ethernet, электронная почта  E-mail и т. д.

По различным причинам каждая из перечисленных цифровых систем передачи может быть предпочтительней для оказания той или иной услуги связи. Впрочем, сегодня большинство из цифровых систем могут быть мультисервисными (напомним, что в переводе с английского сервис — это услуга). Перечень услуг, предоставляемых современными сетями связи, весьма обширен. Для своевременного и качественного оказания этих услуг системы передачи должны обладать соответствующими параметрами и характеристиками. Какими именно, станет более понятным после их рассмотрения.

1.1. Характеристики современных видов услуг связи

Жизнь цивилизованной части человечества в нынешних условиях трудно предтавить без услуг связи. Сегодня спектр услуг, предоставляемых пользователям, столь широк, что даже перечень их займет немало места. Если 25—30 лет тому назад абоненты довольствовались телефонными услугами, телеграфом и телевизионными передачами, то сегодня абонент может воспользоваться доступом в международную глобальную сеть Интернет, в которой он может получить любую информацию, выбрать желаемый кинофильм, пообщаться с другим абонентом, сделать заказ в библиотеке и многое другое. По электронной почте можно отправить сообщение по любому адресу в удобное время или, наоборот, получить сообщение. Воспользовавшись телефаксом, можно получить или отправить по нужному адресу статью, копию документа, или справки и любые другие материалы. Интерактивное цифровое телевидение повышенной четкости существенно повысит качество изображения на экране телевизора заказанной телевизионной программы. В наши дни абонент может также получить или послать сообщение по электронной почте.

Еще большими возможностями обладает абонент корпоративной сети доступа. Кроме перечисленных выше услуг связи, в зависимости от рода деятельности, современная сеть связи предоставляет целый ряд дополнительных услуг. При передаче технологической информации: например, предприятие, разрабатывающее электронное оборудование, после компьютерной разработки и испытаний электронной схемы, высылает другому предприятию топологию разводки электронной схемы на монтажной плате по каналу связи (например по телефаксу). Это другое предприятие, получив отправленную ему топологию в электронном виде, изготовляет реальную монтажную плату и по обычной почте пересылает ее в адрес разработчика. О дистанционных медицинских услугах сообщается в работах [2, 3]. Наример, в работе [2] описан случай выполнения внутриполостной хирургической операции, при которой хирург и пациент находились на разных континентах. Широкое распространение получили банковские и финансовые дистанционные услуги по каналам связи: безналичная оплата при покупке товаров в предприятиях торговли, банкоматы и другие виды безналичных расчетов. Все чаще проводятся видеоконференции и семинары, дистанционное обучение и т. д. Понятно, что линии связи, по которым предоставляются перечисленные услуги, должны иметь высокую пропускную способность и надежность при приемлемой стоимости предоставляемых услуг. Для того, чтобы иметь более конкретное представление о необходимой пропускной способности абонентских соединительных линий, приведем некоторые данные о количестве передаваемых бит информации при передаче следующих услуг связи: как уже отмечалось, одна буква требует передачи 7 бит информации, граммофонная пластинка с 50-минутной записью — 1,68 Гбит, цветной кинофильм продолжительностью 100 мин — 550 Гбит или 90 Мбит/с [1]. Такое количество информации необходимо передавать одному абоненту для предоставления ему услуги связи в виде цветного кинофильма. Количество абонентов в одном городе может достигать от сотен тысяч до нескольких миллионов. Для своевременного и качественного предоставления услуг связи большому числу абонентов соответствующая сеть связи должна иметь надежную систему управления, которая обеспечивается определенными службами, т. е. специфическими услугами связи со специально отведенными для этого каналами со своей пропускной способностью и алгоритмами передачи. Очевидно, что существующая сеть связи общего пользования в России, созданная главным образом для предоставления телефонных услуг, не может обеспечить необходимую пропускную способность. Имеющаяся в крупных городах сеть кабельного телевидения — это отдельная сеть, не входящая в состав сети связи общего пользования Предоставление всего спектра услуг связи может быть осуществлено только после создания широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (ШЦСИО) на базе новейших волоконно-оптических технологий с широким использованием технологий цифровых методов передачи информации — СЦИ (SDH), ATM, Ethernet, E-mail, Internet.

Ниже будут рассмотрены методы и протоколы цифровой передачи информации.

1.2. Цифровые методы передачи информации

По методам передачи информации волоконно-оптические системы передачи (ВОСП), как и все другие системы связи, можно разделить на две категории: системы с цифровым методом передачи информации — цифровые ВОСП И и системы, в которых информация передается в виде аналоговых сигналов. Поскольку цифровые системы связи в настоящее время получили широкое распространение, представляется целесообразным большее внимание уделить таким системам.

В современных сетях и линиях связи среди разнообразных видов услуг основной вид — это телефонные услуги. Согласно требованиям ГОСТ и нормам международного комитета ITU-T исходный аналоговый телефонный канал занимает полосу передаваемых частот от 400 до 3400 Гц. Однако в таком аналоговом виде он передается только от АТС к абоненту и обратно. Точнее, сигнал на абонентском участке является смешанным — сигналы посылки номера абонента и отбой являтся цифровыми, а речевой сигналчисто аналоговый.

1.3. Плезиохронный метод цифровой передачи.

Плезиохронная цифровая иерархия — ПЦИ (PDH)

По соединительным линиям между АТС, городским, зоновым и магистральным линиям сообщения передаются в цифровой форме. Для этого аналоговый телефонный сигнал подвергается преобразованию в цифровой поток методом импу-льсно-кодовой модуляции (ИКМ). Суть этого метода состоит в следующем. Аналоговый электрический сигнал разбивается (дискретизируется) на равные доли по амплитуде и по времени. После этого отдельные выборки, следующие периодически с частотой дискретизации, передаются в виде импульсов. Выборки амплитуд дискретизируются (квантуются) на равные части, в результате чего значениям выборок соответствуют численные значения в виде двоичных символов (бит). Для телефонных сигналов информация об амплитуде передается двоичным кодом, состоящим из 8 бит. максимальная частота дискретизации по времени определяется верхней граничной частотой телефонного канала, которая по ГОСТ принята равной 4 кГц. По теореме Котельникова, частота дискретизации аналогового сигнала по времени fд равна удвоенной верхней частоте спектра этого сигнала, т. е. /д = 2fв = 8 кГц. Двоичный код из 8 бит соответствует 256 (28) квантованным уровням амплитуды аналогового сигнала. При частоте дискретизации 8 кГц и 8 битах информации об амплитуде общее количество бит за одну секунду получается равным 64 кбит/с. Такой сигнал представляет собой последовательность импульсов, длительность и частота следования которых определяются методом кодирования. При этом амплитуда и форма (чаще всего прямоугольная, а точнее, трапецеидальная) остаются постоянными. В результате преобразования аналогового сигнала в цифровой он превращается в поток информации в виде двоичных символов (бит) со скоростью передачи 64 кбит/с. Канал, в котором передается такой цифровой поток, получил название «Основной цифровой канал» (ОЦК) или по международной классификации DSO. Из сказанного выше понятно, что 64 кбит/с  это скорость, соответствующая одному телефонному каналу. В существующих линиях и сетях связи передается одновременно большое количество (группа) таких каналов. Следовательно, по всем линиям, за исключением абонентского участка, передается групповой цифровой сигнал. Он формируется методом временного разделения каналов, состоящим в том, что импульсы основного цифрового потока DSO квантуются по времени на более короткие импульсы, которые затем с соответствующими временными сдвигами располагаются в один ряд, образуя новый цифровой поток (частота, с которой происходит временное квантование, называется тактовой). Для последующего выделения (разделения) каналов на приеме в этот цифровой поток на границах импульсов, соответствующих каждому основному каналу, добавляются идентификационные синхроимпульсы. Таким образом", в групповом канале скорость передачи информации возрастает в зависимости от количества основных каналов. Операция образования группового цифрового потока информации из ряда основных каналов DSO получила название мультиплексирования с временным разделением каналов.

Формирование групповых цифровых сигналов, предназначенных для передачи по линии связи, осуществляется методом линейного кодирования [4], для чего применяется ряд двоичных кодов, основные из которых следующие: Ib2b, ADI, AMI, B3Z9, B6ZS, B8ZS, CMI, HDB2, HDB3, niBnB, NRZ, RZ, Miller code. Более подробно с характеристиками этих кодов можно ознакомиться в [4, 5, 6]. В соединительных линиях связи между АТС в настоящее время чаще всего применяются коды HDB3 и AMI. В соответствии с нормами ITU-T и ГОСТ РФ на этих линиях в европейских странах и странах Латинской Америки передается 30 телефонных (т. е. основных) каналов DSO. Кроме этого, в групповом линейном потоке передается еще два дополнительных канала сигнализации и управления. Таким образом, фактически количество передаваемых каналов п = 32. Перемножение количества каналов (32) на скорость основного канала (64 кбит/с) дает скорость передачи группового цифрового потока, равную 2048 кбит/с (2,048 Мбит/с). В США и Канаде аналогичный канал имеет скорость 1544 кбит/с (24 канала DSO). Параметры систем с этими скоростями стандартизированы документами МСЭ-Т (1TU-T) соответственно Рек. G.733 и G.732. Если исходный цифровой (абонентский) канал 64 кбит/с называется основным (ОЦК или DSO), то групповой цифровой канал со скоростью 2048 (или 1544) кбит/с называется первичным цифровым каналом (ПЦК или DS1).

Очевидно, что количество телефонных каналов, равное 30 (24), особенно при передаче в региональных, а тем более в магистральных линиях, совершенно недостаточно. Поэтому международными соглашениями было установлено, что скорость передачи ПЦК и каждого канала последующего порядка может быть увеличена с помощью мультиплексирования с коэффициентом, кратным 4. При этом используется тот же метод временного квантования импульсных последовательностей мультиплексируемых сигналов с новой, более высокой (в 4 раза) тактовой частотой, которая может быть не синхронизированной с тактовой частотой исходных каналов ПЦК (или каналов предыдущего порядка). Таким образом получается ряд скоростей передачи информации: 2048, 8448, 34368, 139264 и 564992 кбит/с. Из приведенного ряда видно, что значения скоростей не точно кратны четырем. Объясняется это тем, что для идентификации групп каналов (или блоков, пакетов, контейнеров) вводятся дополнительные биты, нарушающие указанную выше кратность. Вместе с тем, по числу основных каналов (DSO), которые передаются в групповых потоках с перечисленными выше скоростями, кратность четырем соблюдается четко: 30 (DSO) — 120 — 480 — 1920 — 7680. Перечисленные скорости образуют иерархический ряд или цифровые иерархии. Для стран Европы и Латинской Америки каждая цифровая иерархия получила свое обозначение [4]:

  •  Первичная цифровая иерархия — ПЦИ (2048 кбит/с) Е2
  •  Вторичная цифровая иерархия — ВЦИ (8448 кбит/с) ЕЗ  
  •  Третичная цифровая иерархия — ТЦИ (34368 кбит/с) Е4  
  •  Четверичная цифровая иерархия — ЧЦИ (139264 кбит/с)
  •  Е5 Пятеричная цифровая иерархия — ПЦИ (564992 бит/с)

Отметим, что в перечисленных иерархиях скоростей передачи тактовые частоты соседних уровней, а тем более удаленных, не обязательно должны быть синхронизированы. Кроме того, частоты дискретизации в разных каналах также могут отличаться на небольшую величину. При этом используется внутренняя синхронизация в индивидуальных каналах. В таких системах в процессе мультиплексирования для выравнивания скоростей или тактовых частот добавляются (или изымаются) дополнительные биты. В результате на выходе мультиплексора формируется синхронизированная цифровая импульсная последовательность, скорость которой в п раз выше, чем в индивидуальных каналах(п кратно 4). Такие системы получили название плезиохронных (плезио — почти) цифровых систем передачи, а цифровая иерархия  плезиохронная цифровая иерархия  ПЦИ (PDH).

Приведенные выше системы ПЦИ были первоначально разработаны для линий связи, в которых средой распространения групповых сигналов являлись либо электрический (металлический) коаксиальный кабель, либо радиорелейные линии. Для таких линий передачи была разработана соответствующая аппаратура иерархий Е1 — Е4. В этих линиях связи вследствие малой полосы пропускания и большого затухания коаксиальных кабелей длина регенерационного участка для Е1 — Е2 не превышала 5 км, а для Е4 и того меньше — 1,5...2 км. Такие линии связи были очень дорогими и широкого распространения не получили (особенно это   относится   к   Е4).   Линии   связи   на   коаксиальном   кабеле   для   скорости 64992 кбит/с (Е5) имели регенерационный участок менее 1,5 км и по причине очень высокой стоимости не получили дальнейшего развития, малая длина реге-нерационных участков для Е4 и Е5 — не единственная причина того, что Е4 не получила широкого распространения в кабельных линиях на основе традиционных (металлических) кабелей, а Е5 не получила дальнейшего развития. Вторая, не менее важная причина указанного выше обстоятельства связана с особенностями плезиохронных систем передачи. Отсутствие общей жесткой синхронизации тактовых частот различных уровней Е1 — Е5, а также добавление (или изъятие) вставок (стаффингов) в виде дополнительных бит в соответствующий код для выравнивания кодовых комбинаций приводят к невозможности выделения на каком-либо промежуточном пункте зоновой или магистральной линии канала DSO или, скажем, DS1 из потока, например, уровня ЕЗ или Е4 без полного демультиплексирования группового информационного потока. И если для уровня Е2 эта процедура не является сложной задачей и стоимость аппаратуры, осуществляющей эту операцию, повышается незначительно, то для уровня ЕЗ стоимость аналогичных устройств существенно возрастает, а для уровней Е4 и Е5 в связи с необходимостью резкого повышения быстродействия электронных устройств эта стоимость возрастает до неприемлемых величин.

Развитие альтернативной среды распространения сигналов, переносящих информацию,  оптического волокна, в котором носителем информации является не электрический ток, а оптическое излучение (поток фотонов), позволило многократно увеличить длину регенерационных участков. Так, для иерархии ПЦИ Е1 и Е2 длина регенерационного участка возросла до 200 км, а для ЕЗ и Е4 — более 100 км. При этом из-за многократного уменьшения числа ретрансляторов стоимость плезиохронных систем передачи для уровней Е1 — Е4 весьма существенно снизилась, благодаря чему такие системы для ВОЛС получили широкое распространение.

1.4. Линейные коды в системах ВОЛС ПЦИ

При проектировании волоконно-оптических систем передачи необходимо учитывать целый ряд особенностей, связанных с физическими принципами работы как среды передачи  оптического волокна и кабеля, так и оконечных устройств  оптического передатчика и приемного устройства. Одна из этих особенностей — выбор типа линейного двоичного кода. Эти вопросы подробно рассмотрены в работах [4, 5, 6]. Здесь же мы коснемся тех аспектов этой проблемы, которые не были освещены в приведенных работах или рассмотрены недостаточно.

Как уже отмечалось выше, в соответствии с рекомендациями ITU-T G.703, для иерархии ПЦИ El, E2 и ЕЗ следует применять трехуровневый код HDB3. Используется также аналогичный код AMI (чаще всего для скорости 2048 кбит/с). Отличительной чертой этих кодов является то, что единицы (или нули) двоичной импульсной последовательности передаются импульсами, полярность которых изменяется на противоположную при передаче каждой следующей единицы (или нуля). Эти коды не содержат постоянную составляющую в своем спектре, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым при выборе кода для электрических линий передачи. Это требование остается в силе и для оптических линий. В отличие от электрического кабеля, по которому можно передавать импульсы тока как положительной, так и отрицательной полярности, по оптическому волокну можно

I — источник электрического напряжения смещения для фотодетектора;

  1.  — широкополосный электронный усилитель электрического сигнала, выде
    ляемого в нагрузке фотодетектора;
  2.  — преобразователь линейного кода в коды DS1 и демультиплексор;

10 — демультиплексоры сигналов в коде уровня DS1 в сигналы уровня DSO;

II — ОР — оптические разъемы;
12 — ОК — оптический кабель.

В конце 70-х — начале 80-х годов по приведенной конфигурации строились ВОСП 1-го поколения для передачи цифровых потоков ПЦИ El, E2 и ЕЗ. С учетом современных технологий в локальных сетях для передачи таких же потоков по этой конфигурации строятся ВОСП и в наши дни.

1.5. Синхронный метод передачи цифровых сигналов. Синхронная цифровая иерархия — СЦИ (SDH)

Недостатки плезиохронных систем передачи и прогресс в технологиях волоконно-оптических систем, имеющих по сравнению с электрическими кабельными системами практически неограниченную полосу пропускания и другие преимущества ВОСП, с одной стороны, и растущие потребности в повышении качества традиционных услуг связи и предоставления новых услуг в сочетании с экспоненциальным ростом числа потребителей, с другой, стимулировали разработку и внедрение новых цифровых систем передачи информации. Этому также способствовала актуальность проблемы создания глобальной интегрированной информационной сети, оснащенной гибкой и оперативной системой управления. Эти проблемы было невозможно решить на основе систем передачи плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ или PDH). Поэтому в феврале 1988 г. на заседании комиссии МККТТ (сейчас ITU-T) в Ю. Корее (Сеул) было достигнуто соглашение о принятии нового стандарта  Синхронной Цифровой Иерархии (СЦИ — SDH) и единой глобальной оптической сети. Этот стандарт был окончательно одобрен на Полномочной конференции МККТТ в г. Мельбурн (Австралия) в ноябре 1988 г. [9]. На основе SDH в различных странах были разработаны системы передач, в США и Канаде — это система SONET (Синхронная оптическая сеть — Synchronous Optical Network), в Европе — SDH (Synchronous Digital Hierarchy). При принятии нового стандарта цифровой связи SDH, одним из требований к новой системе было обеспечение совместимости с системами PDH. Это относилось прежде всего к цифровому потоку уровня Е4 PDH (140 Мбит/с). Для решения этой задачи в цифровой поток Е4 была введена избыточность в виде дополнительных бит, вследствие чего скорость передачи нового уровня возросла до 155,52 Мбит/с. Такая скорость была принята для основного формата синхронного сигнала, получившего название синхронный транспортный модуль  STM-1. Учитывая требование совместимости с сетями PDH, в США и Канаде было решено преобразовать американский стандарт PDH для скорости 44,736 Мбит/с в скорость 51,84 Мбит/с (это 1-й уровень SDH для США). Благодаря этому с помощью мультиплексирования такого потока с коэффициентом 3 достигается совместимость с Европейским транспортным модулем STM-1 — 51,84 Мбит/с хЗ= 155,52 Мбит/с. Новая американская синхронная система получила наименование SONET/SDH. В результате международных соглашений были установлены скорости передачи в виде синхронной цифровой иерархии (СЦИ — SDH), регламентируемые рекомендациями ITU-T (MKKTT) G.707, структура сигнала в интерфейсе сетевого узла — G.708, структура синхронного группообразования — G.709 [9]. Таким образом, была принята следующая градация скоростей для иерархий синхронных сигналов (SDH): STM-1 - 155,520 Мбит/с, STM-4 - 622,08 Мбит/с, STM-16 -2488,32 Мбит/с (2,488 Гбит/с), STM-64 - 9,953 Гбит/с, STM-256 (40 Гбит/с). Необходимо отметить, что скорость 40 Гбит/с (длительность тактового интервала 25 пс) для электронных средств реализации является предельной. За исключением STM-1, скорость STM-4, STM-16 и т. д. применяются исключительно в волоконно-оптических системах передачи, а иерархии STM-16, STM-64 и STM-256 основа для использования в магистральных ВОСП.

В отличие от плезиохронных, в сетях синхронной цифровой иерархии используется центральный опорный генератор синхрочастоты (таймер), вследствие чего в СЦИ средняя частота всех местных задающих генераторов синхронна с точностью не хуже 10~9 [1]. Жесткая синхронизация на всех уровнях СЦИ дает возможность введения идентификационных бит, что позволяет получить целый ряд преимуществ синхронных сетей, среди которых отметим следующие:

  1.  возможность выделения  из  общего  группового  потока  высокого  уровня иерархии цифровых потоков более низкого уровня вплоть до Е1 без полного демультиплексирования (или, наоборот, введения такого потока в групповой);
  2.  упрощение общей структурной схемы оборудования СЦИ благодаря тому, что все функции ввода—вывода выполняет один мультиплексор, в том числе он может вывести (ввести) цифровой поток El PDH из потока (фрейма) STM-1;
  3.  возможность выделения (или ввода) цифровых потоков любого уровня из группового потока более высокого уровня позволяет осуществлять оперативное переключение цифровых трактов в сетях, делая их более гибкими в плане конфигурирования;
  4.  скорость передачи групповых сигналов на стыках сетевых узлов совпадает в системах СЦИ с линейными скоростями, благодаря чему отпадет необходимость применения дополнительного преобразователя   стыкового кода в линейный. (Во
    всех ВОСП СЦИ в качестве линейного цифрового кода принят код
    NRZ).

Гибкость сетей СЦИ, применение их совместно с волоконно-оптическими системами, имеющими очень большую ширину полосы пропускания и высокое быстродействие квантово-электронных модулей, позволяет осуществлять автоматическую коммутацию цифровых потоков, а также компьютерное дистанционное управление сетью из одного центра. При этом процесс реконфигурации сети занимает считанные секунды. Перечисленные преимущества систем СЦИ на основе ВОСП позволяют оптимально использовать емкости каналов, осуществляя оперативную коммутацию цифровых потоков и резервных линий. В настоящее время в сетях связи крупных городов, а также в региональных и транспортных ВОСП технология передачи СЦИ является основной. В большинстве магистральных ВОСП, построенных в России с середины 90-х годов, передается на одной длине волны в диапазоне С цифровой поток СЦИ СТМ-16.

1.6. Параметры и конфигурации одноволновых ВОСП-СЦИ

Волоконно-оптические системы, в которых оптический сигнал передается на одной   длине   волны,   называются   одноволновыми.   Параметры   одноволновых ВОСП СЦИ регламентированы нормами рекомендаций МСЭ-Т Рек. G. 957 [7]. В соответствии с этими нормами, ВОСП-СЦИ для городских и региональных сетей связи работают в одном из двух диапазонов оптических длин волн: 1260...1360 нм (2 ОП — 2-е окно прозрачности волокна) или 1500...1580 нм (3 ОП или диапазон С). В зависимости от используемого диапазона протяженность этих линий может доходить до 40 км без регенерации для 2 ОП и до 80 км для 3 ОП. Средняя оптическая мощность (вернее, уровень мощности) при передаче во 2-м ОП, и скоростях 155 Мбит/с или 622 Мбит/с равна 8 дБм и для 3 ОП средняя оптическая мощность Рср (дБм) » —3...+3 дБ. В системах ВОЛС СЦИ со скоростью передачи 2,5 Гбит/с (STM-16), работающих во 2-м ОП или 3 ОП, средняя вводимая мощность также лежит в пределах от 3 до +3 дБм.

Такие системы ВОЛС строятся по конфигурации, представленной на рис. 1.3.

Магистральные одноволновые ВОСП СЦИ рассчитаны для передачи цифровой информации со скоростями 2,5 Гбит/с (STM-16), 10 Гбит/с (STM-64) или 40 Гбит/с (STM-256) в диапазонах длин волн 1530...1565 нм (диапазон С) или 1565... 1625 нм (диапазон L) с применением оптических усилителей. Параметры этих систем регламентируются нормами МСЭ-Т Рек. G.691 [8] и строятся по конфигурации, представленной на рис. 1.4.

Цифровой электрический сигнал с выхода аппаратуры СЦИ подается на вход оптического передатчика ОПд в цифровом коде NRZ. После преобразования в ОПд оптический цифровой сигнал в том же коде NRZ через предварительный компенсатор хроматической дисперсии ПКД (PDC) подается на вход оптического усилителя мощности. С выхода этого усилителя в контрольной точке MPI-S усиленный по мощности до уровня не более +17 дБм (50 мВт) оптический сигнал вводится в линию — в оптическое волокно, входящее в состав оптического кабеля (ОК). На выходе линии (элементарного кабельного участка — ЭКУ) в точке приема MPI-R оптический сигнал поступает на вход оптического усилителя (предуси-литель ОУпр). С его выхода через пассивный компенсатор хроматической дисперсии сигнал поступает на оптический вход приемной аппаратуры СЦИ. В документе Рек. G.691 рассмотрены три варианта конфигураций: а) без оптических усилителей и компенсаторов дисперсии, тогда схема вырождается в конфигурацию на рис. 1.3 — в этом случае длина ЭКУ LЭКУ = 40 км; б) с усилителем приема, при этом длина линии равна 80 км; в) с усилителем передачи ОУпд, компенсатором дисперсии и усилителем приема ОУпр. При такой конфигурации длина ЭКУ равна 120 км. Указанные длины ЭКУ могут считаться максимальными только для иерархии STM-256. Для более низких скоростей передачи длина ЭКУ может быть существенно большей: для STM-64 — 160 км, для STM-250 км.

1.7. Асинхронный режим переноса сообщений (ATM)

Описанные выше цифровые методы передачи  ПЦИ и СЦИ ориентированы на передачу телефонного трафика и используются главным образом в сетях связи общего пользования. Вместе с тем в течение трех последних десятилетий происходило параллельное развитие ведомственных (т. е. корпоративных) сетей, в которых основным трафиком является передача данных. В связи с массовым внедрением компьютерных технологий и новейших средств и услуг связи в быт людей в производственные и технологические процессы, во многие другие сферы человеческой деятельности быстро набирает темпы процесс интегрирования сетей, услуг и средств связи. Создается Единая глобальная мультисервисная сеть, частью которой является и телекоммуникационная сеть России. Уже сегодня все более очевидным становится быстрый рост трафика передачи данных в виде пакетов, который в ближайшей перспективе станет основным. Это значит, что передача данных будет использоваться как основное средство унификации для передачи любых видов информации  от телефонных услуг до технологической, финансовой, маркетинговой, медицинской и т. д. При этом перечисленные виды информации должны быть переданы с максимальной эффективностью — оперативно, по оптимальным маршрутам и при минимальных затратах. В связи с этим, как отмечается в работе [9], технология передачи СЦИ (тем более ПЦИ) оказывается не очень хорошо приспособленной для решения обозначенных задач по следующим причинам: а) не всегда эффективно используется скорость передачи, поскольку разные каналы могут иметь большие различия по количеству передаваемой информации при одинаковой занимаемой полосе частот; б) связанное с этим отсутствие динамического авторегулирования полосы частот по требованиям абонента; в) большой шаг градаций деления частот между пользователями; г) отсутствие автоматической оперативной коммутации, связанной, например, с оптимальной маршрутизацией. К этому следует добавить, что системы передачи на основе СЦИ не ориентированы на соединение, поскольку в этих системах передача происходит сразу после подачи сигнала, при этом не решается задача доставки информации адресату. Эту задачу выполняет другое оборудование в соответствующих узлах связи. Вместе с тем в упомянутой работе сообщается о возможности модернизации систем ВОСП СЦИ для приспособления их к передаче данных.

Параллельное развитие различных систем передачи и связанное с этим существование различных, независимых друг от друга сетей связи (сети общего пользования, корпоративные сети, компьютерные сети), привели к такой ситуации, при которой пользователь вынужден устанавливать у себя различное оконечное оборудование: телефонный аппарат, телевизор, факс, компьютер. При этом каждый из перечисленных приборов подключается к соответствующей сети, если он желает воспользоваться качественными услугами связи (здесь мы не учитываем тот факт,что в настоящее время факс и компьютер включают в телефонный канал обычной телефонной городской сети, т. к. предоставляемые при этом услуги качественными назвать трудно). Проблема предоставления высококачественных услуг связи при оптимальном использовании ресурсов сетей связи и минимальных затратах средств в настоящее время решается путем создания широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (ШЦСИО). В результате внедрения таких сетей абонент сможет пользоваться всем спектром услуг связи с помощью одного терминала  быстродействующего компьютера.

Одним из эффективных средств решения поставленной задачи является разработка быстрой коммутации пакетов информации. При этом коммутация и передача пакетов осуществляется в узлах коммутации с минимальным числом выполняемых операций. Такой режим переноса информации получил название асинхронный режим переноса (доставки) информации ATM (Asynchronous Transfer Mode) [10]. Характерным свойством такого метода является передача любых видов информации в виде пакетов (или ячеек) фиксированной длины, равной 53 байтам. Ячейка разделена на две части: 5 байт отведены под заголовок и 48 байт под информационный поток. В первой 5-байтовой части содержится служебная информация об адресе, приоритетности, опознанию и т. д., вторая, 48 байт, принадлежит пользователям, между которыми осуществляется связь. В этой части пакета (ячейки) передается информация любой службы независимо от вида информации. Режим передачи ATM отличается следующими характерными особенностями: отсутствие защиты от ошибок и управления потоком данных на уровне звена; ориентацией на соединение; ограниченным количеством функций заголовка (1-й части) пакета; относительно небольшой длиной информационной части пакета (48 байт), малая длина информационной части позволяет обеспечивать передачу цифровых информационных потоков при заданном коэффициенте ошибок [10]. По этой же причине отсутствует и управление потоком данных на уровне звена. По структуре пакета и по функциональным назначениям передаваемая ячейка в режиме ATM аналогична режиму работы абонентской соединительной линии обычной телефонной сети. На рис. 1.5 представлены временные диаграммы работы обычного телефонного аппарата и ячейки ATM (б).

 

Из структур режимов работы телефонного аппарата (ТА) и ATM можно видеть, что набор номера при работе ТА аналогичен заголовку в ячейке ATM  фиксированное для данной телефонной сети количество цифр аналогично фиксированному размеру заголовка (5 байт) при режиме ATM. Отличие состоит в том, что в абонентской телефонной сети длина информационной части не ограничена, а в режиме ATM длина информационной части фиксирована и равна 48 байт. Понятно, что по абсолютным значениям длительность импульсов при наборе номера ТА и в заголовке ячейки ATM не сопоставимы. Если длительность импульсов при наборе номера ТА равна 60 мс (пауза 40 мс) [11], то длительность импульсов в заголовке ячейки ATM может доходить до 100 пс (10~10 с) при скорости передачи 10 Гбит/с [12].

В процессе передачи цифровой информации в режиме ATM потоки пакетов по 53 байта асинхронно мультиплексируются (уплотняются) в единый цифровой поток. При этом для каждого пакета, прежде чем передавать информацию, устанавливается виртуальное соединение между отправителем и получателем сообщения. Устанавливаемые соединения могут быть двух типов — виртуальная цепь или канал  VC (virtual Circuit) и виртуальный маршрут или путь  VP (virtual path). Первый тип устанавливается между узлами связи, второй тип соединений между крупными сетями (между городами или большими организациями). Для каждого типа соединений используются соответствующие идентификаторы: VC1 (Virtual Channel Identifier)  идентификатор виртуального канала и VPI (Virtual Path Identifier)  идентификатор виртуального пути [13]. Соединения первого типа в свою очередь подразделяются на две разновидности: фиксированные виртуальные каналы  PVC (Permanent VC) и коммутационные виртуальные каналы  SVC (switched VC). В этом виде соединений коммутация осуществляется динамически в зависимости от вида передаваемой информации и конфигурации сети. В коммутируемых каналах осуществляется коммутация пакетов, используя при этом идентификаторы VCI. На физическом уровне ATM основывается на технологиях ПЦИ и СЦИ всех иерархий и обеспечивает очень широкий диапазон скоростей передачи  от 64 кбит/с до 40 Гбит/с. Благодаря своей универсальности режим ATM может применяться как в сетях доступа, так и в магистральных сетях. При этом использование ATM в сетях доступа является достаточно эффективным вследствие большого количества соединений и динамических переконфигураций. Таким образом, как отмечалось ранее, технология ATM разработана как единая транспортная система для новых поколений сетей  широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (ШЦСИО). Стандарты ATM разработаны Международной организацией ATM Forum под эгидой комитета IEEE при поддержке Международного союза по электросвязи МСЭ (ITU-T).

1.8. Компьютерная сеть Ethernet

Когда началось широкое внедрение персональных компьютеров в структурах различных предприятий и учреждений, возникла необходимость в обмене цифровой информации, получаемой с помощью этих компьютеров. Для этого потребовалось создание сетей связи первоначально в пределах одного предприятия. На крупных предприятиях (заводах, конструкторских бюро и т. д.), оснащенных десятками компьютеров, создание такой сети было особенно актуальным. Одной из первых таких сетей была компьютерная сеть компании Xerox (США), созданная в1973 году. Сеть связи, предназначенная для передачи и обмена данными между компьютерами, получила название Ethernet (от слова ether  эфир). Компьютеры через соответствующие согласующие устройства подключались к общей среде передачи (шине) с помощью коаксиальных кабелей. Каждому компьютеру присваивался свой адрес в виде цифрового кода. Первые сети Ethernet были внутриобъек-товыми и длина их соединительных линий редко превышала 100 м.

Первые сети Ethernet имели простейшую схему (топологию), и подключенные к общей шине компьютеры работали поочередно. Пропускная способность первых сетей составляла 10 Мбит/с. Наращивание количества подключаемых ПК уменьшало производительность сети. Кроме того, возрастала потребность в обмене данными не только внутри одного предприятия, но и между различными предприятиями, что также приводило к снижению производительности сети. Для решения проблемы увеличения производительности были разработаны новые поколения компьютерных сетей. Расширение этих сетей для связи между предприятиями поставило также задачу стандартизации параметров и стыков. Для разработки стандартов сетей Ethernet в институте IEEE (США) был организован комитет 802, разработавший семейство стандартов 1ЕЕЕ802х. В этих стандартах содержатся рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Впоследствии они стали основой создания комплексов международных стандартов ISO8802-I...X [14]. В первых сетях Ethernet, в которых компьютеры подключались к общей шине, прежде чем включиться в линию, необходимо было сначала прослушать ее, и после того, как убеждались, что сетью никто не пользуется, включали компьютеры. Такая процедура сильно снижала производительность сети. В следующих стандартах, разработанных в 1980 г., этот недостаток в значительной степени был устранен благодаря введению в сеть коммутационных узлов и маршрутизаторов. Это были стандарты Ethernet DIX и стандарт IEEE802.3. Пропускная способность этих сетей, как и предыдущих, равна 10 Мбит/с. Она остается основной и по сей день. Рассчитанная на работу по коаксиальному медному кабелю, такая сеть имела соединительные линии длиной не более 500 м, при общей длине сети 2,5 км.

По типу направляющих сред, используемых в сетях Ethernet , стандарт ЕЕЕ802. 3 подразделяется на следующие стандарты:

10Base-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма. Длина соединительной линии не более 500 м;

10Base-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма. Максимальная длина соединительной линии не более 100 м;

10Base-F — волоконно-оптический кабель на основе многомодовых волокон. Длина соединительной линии до 2 км.

В сетях 10-мегабитных вариантов Ethernet максимально возможная пропускная способность составляет 9,75 Мбит/с (максимальная длина пакета 1518 байт). Такая производительность уже давно стала совершенно недостаточной, поэтому в 1992 году был разработан стандарт Fast Ethernet с пропускной способностью 100 Мбит/с. В комитете IEEE этот стандарт получил обозначение 802311. В варианте, использующем в качестве среды передачи оптическое волокно, стандарт обозначается как 100Base-FX. В этом варианте, также как и в 10Base-F, используется многомодовое оптическое волокно. Как в варианте Ethernet Base-T и Base-F, так и в Fast Ethernet форматирование пакетов остается неизменным, однако в Fast Ethernet конфигурация сети существенно изменилась, поскольку в этом случае

основной средой распространения сигналов становится оптическое волокно, причем не только многомодовое, но и одномодовое.

Потребность в увеличении пропускной способности сетей Ethernet быстро нарастала. Поэтому в 1998 году был принят стандарт IEEE802. 3Z-Gigabit Ethernet, a в 2002 г.  10 Гбит/с. В настоящее время конфигурация сетей Ethernet имеет вид, представленный на рис. 1.6.

Современная технология Ethernet используется в сочетании с транспортными сетями ATM и СЦИ (SDH). В результате длины соединительных линий могут достигать сотен км и более, органично вписываясь в концепцию единой широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания. Современный офис в расширенном понимании может располагать свои отделения на больших территориях с расстояниями более 1000 км. Один из примеров такого офиса приведен в работе [15], в которой описан проект создания распределенной корпоративной сети, объединяющей объекты, находящиеся в России и Швейцарии. На рис. 1.7 представлен пример использования Ethernet поверх SDH [16].

1.9. Всемирная сеть Internet

В конце 60-х — начале 70-х годов XX века быстрыми темпами развивалась вычислительная техника (компьютерные технологии). Востребованные хозяйственной деятельностью на основе использования электронно-вычислительных машин  ЭВМ (ныне компьютеров) создавались вычислительные центры, обладавшие либо самостоятельным юридическим статусом, либо входивших в структуры различных ведомств, предприятий и учреждений. На базе компьютеров, использовавшихся предприятиями, создавались внутриобъектовые сети передачи данных (компьютерные сети), переросшие в дальнейшем в локальные и региональные сети передачи данных  то, что сегодня называется Ethernet. Эти сети со своими алгоритмами передачи цифровой информации создавали отдельные предприятия или консорциумы. Развитие экономики ставило на повестку дня межведомственный

 

1.9. Всемирная сеть Internet

Рис. 1.7. ETHERNET поверх SDH

обмен информации, далее — между районами, городами и странами  т. е. создание единой сети передачи данных. Такие сети создавались в большинстве технически развитых стран. В Советском Союзе создание общегосударственной системы передачи данных (ОГСПД) являлось одним из приоритетов государственной политики в сфере информации. В работе [I7] отмечается, что такая система должна обеспечивать связь вычислительных центров между собой, с абонентскими пунктами и межабонентской связью. Для передачи данных используются, по возможности, существующие сети и создаются новые. Отечественная ОГСПД в начале 80-х годов имела пропускную способность от 9,6 кбит/с до 96 кбит/с. За рубежом наиболее интенсивно компьютерные сети передачи данных развивались в США. Американская компьютерная сеть развилась на основе разработок Агентства передовых проектов национальной безопасности США (United States Defense Advanced Research Project Agency  DARPA). По имени этого агентства первая компьютерная внеобъектовая сеть США называлась ARPAnet. В конце 70-х годов началось производство персональных компьютеров (ПК), которые стали покупать не только предприятия, фирмы, офисы, но и частные лица. Стремительное развитие компьютерной технологии, выражавшееся, в частности, в росте быстродействия и объема памяти ПК и увеличении количества пользователей, сделали актуальным решение проблемы резкого увеличения пропускной способности и дальности передачи. Выше отмечалось, что развитие сетей передачи данных происходило (и продолжает развиваться по сей день) практически во всех технически развитых странах, т. е. кроме СССР и США, также и в Японии, ФРГ, Великобритании, Франции, Германии и т. д. Эволюция мировых межгосударственных отношений требовала создания международной сети передачи данных. Для этого требовалось дальнейшее повышение пропускной способности и дальности передачи компьютерной сети. Эти задачи успешно решены благодаря совместному использованию компьютерных и волоконно-оптических технологий, на базе которых в конце 80-х годов была создана международная (всемирная) сеть  International Network  INTERNET. Объем передаваемой информации в этой сети стал нарастать лавинообразно. По данным работы [18], за 10 лет, с 1990 г. по 2000 г. объем информации, передаваемой через Internet, вырос с 1,0 Тбит в месяц до 35 Тбит в месяц и продолжает нарастать, удваиваясь, каждые 3—4 месяца. Развитие Internet было бы невозможным без разработки соответствующих международных правил и стандартов взаимодействия различных межведомственных и межгосударственных компьютерных сетей. Поэтому в 1983 году был создан первый международный стандарт ISO7498 (ISO International Organization for Standardization) [19]. В соответствии с этим протоколом, процесс информационного взаимодействия между системами и сетями разбивается на уровни с четко определенными функциями для каждого из них. Это дает возможность передачи информации между узлами сети в виде более простых протоколов, обеспечивать разработку стандартов для каждого отдельного уровня, производить аппаратуру в модульном исполнении. В первых компьютерных сетях, когда еще не было Internet, т. е. не существовало международной сети, процесс информационного взаимодействия разбивался на 4 уровня [17]. Современная сеть Internet в соответствии с ISO7498 имеет 7 уровней (или слоев) информационного взаимодействия [19]:

  1.  Физический уровень (Physical Layer);
  2.  Канальный уровень (DataLink Layer);
  3.  Сетевой уровень (Network Layer);
  4.  Транспортный уровень (Transport Layer);
  5.  Уровень сессии (Session Layer);
  6.  Уровень представления (Presentation Layer);
  7.  Уровень приложения (Application Layer).

С 5 по 7 — это верхние уровни в приведенной иерархии, 4—1 — нижние. В соответствии с представленной иерархией уровней строятся алгоритмы (протоколы) взаимодействия между районными, городскими, региональными и международными узлами и сетями связи. К настоящему времени разработано большое количество протоколов Internet, с которыми желающие могут подробнее познакомиться в [19]. Здесь же мы назовем только наиболее распространенное семейство протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Это семейство протоколов обеспечивает процесс межсетевого взаимодействия. Протокол TCP выполняет следующие функции: доставка информации компьютеру пользователя (абонента), контроль последовательности передаваемой информации, повторная отправка пропущенных пакетов информации в случае сбоев работы сети, разделение длинного сообщения на несколько блоков и отправление этих блоков получателю.

Доставка сообщения, составленного из пакетов, по необходимому адресу выполняется в соответствии с алгоритмом (правилами)  протоколу IP, управляемым протоколом TCP. По протоколу IP осуществляется адресация и маршрутизация трафика пакетов для доставки их адресату. С помощью специальных протоколов, выполняющих функции сопряжения с физической средой распространения цифровых сигналов (в том числе и такой средой, как ВОСП), протокол IP связывает эту среду с TCP. Эти протоколы являются низовыми, и пользователь ими непосредственно не занимается.

Основные службы Internet

Работая с компьютером, пользователь при входе в Internet имеет дело с протоколами верхних уровней. В этих протоколах содержится информация о функциях и службах (видах услуг), которые интересуют потребителя. В настоящее время в Internet существует большое количество таких функций и служб (сервисов).

Сервис WWW

Из большого количества служб Internet мы рассмотрим только две (более обстоятельно со всеми аспектами Internet, в том числе с ее разнообразными службами, желающие могут ознакомиться в [19]). Первая из них — сервис WWWWorld Wide Web. Этот сервис предназначен для предоставления клиентам информации в виде текстов, таблиц, рисунков и других видов информации, хранящихся в памяти компьютеров, объединенных в единую сеть. Служба WWW в сети Internet представлена высокоуровневым протоколом HTTPHypText Transfer Protocol. Это протокол прикладного уровня. По алгоритму (правилам) этого протокола осуществляется доступ к информации, хранящейся в WWW-серверах. Протокол HTTP осуществляет ориентацию в пространстве WWW, опознавание пользователя по требованиям сервера WWW и передает заказанную информацию пользователю.

Электронная почта (E-mail)

Второй наиболее популярной и распространенной службой Internet является электронная почта (electronic mailE-mail). Электронной почтой сегодня пользуются многие миллионы жителей планеты. Алгоритм передачи сигналов электронной почты представлен простым протоколом передачи почты SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). Это, также как и WWW, протокол прикладного уровня. Его назначение — передача сообщений E-mail между любыми узлами сети Internet. После набора текстовой или графической информации в виде последовательности двоичных чисел (эту операцию выполняет компьютер), для формирования сигналов в виде протокола SMTP информация кодируется в формат из 7 бит или в более расширенный формат из 8 бит — протокол ESMTP (Enhanced SMTP). Эта операция выполняется программным обеспечением электронной почты. Далее формируется блок данных, в котором кроме основной информации содержатся данные о структуре и составе передаваемой информации, имя и адрес отправителя и получателя, тема сообщения и дата отправления и другие данные. Все эти дополнительные данные вместе с основной информацией формируются в стандартный протокол передачи сообщений  SMTP или ESMTP.

Протоколы WWW и E-mail — это протоколы сетевого уровня. Следует отметить, что функционирование протокола транспортного уровня сетей Internet аналогично протоколам ATM  это функционирование состоит из трех фаз: фазы установления соединения, передача пакетов информации и фаза разрыва соединения.

В начале данного раздела отмечалось, что количество информации, передаваемой по сетям Internet, удваивается каждые 3—4 месяца. К этому следует добавить экспоненциальный рост числа пользователей услугами Internet. В Российской Федерации это число достигло 7 млн и по прогнозам в ближайший год-два превысит 15 млн пользователей. Пропускная способность сетей Internet достигла 1 Гбит/с. По данным работы [19], к 2005 году могут возникнуть проблемы с получением доступа IP-адреса. Для преодоления этой проблемы физические каналы сетей Internet в максимальной степени должны использовать все достоинства волоконно-оптических технологий. Кроме toro, организация IETF (Internet Engineering Task Force) разрабатывает шестую версию протокола сети Internet — IPv6 на базе четвертой версии протокола IPv4. В этом протоколе предусматривается: расширение адресного пространства, модернизация формата заголовка пакетов, обеспечение возможности дальнейшего расширения, изменение концепции обеспечения качества обслуживания [19].

Из вышеизложенного очевидно, что Internet — это компьютерная сеть. Каждая из двух компьютерных сетей Ethernet й Internet развивалась своим путем. Первая из этих сетей, Ethernet возникла раньше второй и предназначалась для решения узковедомственных задач. Впоследствии сеть Ethernet стала выходить за рамки одного предприятия, ведомства и даже государства, что отмечено в приводившейся ранее работе [15]. Такому расширению рамок сети Ethernet способствовало использование волоконно-оптических и квантово-оптических технологий. Подтверждением этому служит и тот факт, что на базе использования технологий DWDM в магистральных ВОСП, компании Nortel Networks и Sycamore скандинавский оператор Ulfors предоставляет сетевые услуги Gigabit Ethernet по трактам широкополосной интеллектуальной волоконно-оптической сети общей длиной 6500 км. Эта сеть предоставляет услуги Ethernet 50 населенным пунктам Швеции со столицами других североевропейских стран — Осло, Копенгаген, Хельсинки [20].

Вторая компьютерная сеть — Internet изначально создавалась как всемирная сеть передачи данных по инициативе других ведомств и структур. Вследствие этого организация передачи информации происходит по разным протоколам и другим параметрам сети. Сеть Ethernet ориентирована в первую очередь на корпоративного пользователя и входит в структуру корпоративных сетей, Internet — глобальная сеть общего пользования. Однако тенденции развития обоих сетей показывают, что в недалеком будущем они сольются в единую широкополосную цифровую сеть интегрального обслуживания.

Глава 2. Аппаратура цифровой иерархии одноволновых ВОСП

В первой главе были рассмотрены цифровые методы передачи информации, конфигурации и принципы построения волоконно-оптических систем передачи, использующих эти методы.

В этой главе дается краткое описание, характеристики и параметры оборудования ВОЛС различных цифровых иерархий производства ведущих компаний.

2.1. Аппаратура ВОСП плезиохронной цифровой иерархии

Передача цифровых потоков информации методом плезиохронного временного уплотнения применяется в локальных и городских оптических сетях доступа. В условиях России аппаратура ПЦИ служит для организации связи удаленных небольших городов, сел или других объектов с крупными городами. При этом используется три иерархии ПЦИ — El, E2 и ЕЗ.

2.1.1. Системы связи для соединительных линий первичной цифровой иерархии Е1

Необходимость передачи по волоконно-оптическим линиям связи одного или нескольких сигналов в виде цифровых потоков со скоростью 2048 кбит/с  довольно частое явление. Это могут быть местные или объектовые сети связи или ответвления от зоновой или магистральной линии в какой-либо объект или небольшой населенный пункт, находящийся от этой линии на значительном расстоянии (до 100... 150 км). Для таких случаев отечественные предприятия и зарубежные фирмы производят соответствующее оборудование.

В Государственном научноисследовательском институте связи (ЦНИИС) было разработано оборудование — линейный оптический терминал ЛОТ-1Ц1, предназначенный для передачи цифрового потока уровня Е1 по оптическому кабелю. Структурная схема терминала представлена на рис. 2.1,где: 1,7 — аппаратура группового каналообразования «КЕДР»; 2 — блок преобразования цифрового потока DC1 — HDB3 в электрический цифровой сигнал в би-фазном коде или СМ1; 3 — оптический передающий модуль; 4, 8 — блок контроля параметров передающего и приемного оптических модулей; 5 — приемный оптический модуль; 6 — блок преобразования линейного кода в код HDB3.

Отличительной особенностью этого оборудования является наличие блока контроля 4. Этот блок позволяет контролировать следующие параметры: оптическую мощность на выходе оптического разъема, мкВт; входную оптическую мощность, приходящую на фотоприемник, нВт; ток накачки лазера, ма. Кроме того,' контролируется напряжение питания всего терминала (60 В). Контроль производится визуально с помощью четырехзначного цифрового индикатора, размещенного на передней панели блока 4. Описанный оптический терминал ЛОТ-1Ц1 имеет следующие технические характеристики и параметры, представленные в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Технические параметры и характеристики терминала ЛОТ-1Ц1

Рабочая длина волны

1300 или 1550 нм

Уровень оптической мощности на выходе передающего оптического модуля

О±1,0дБм

Минимальный уровень оптического сигнала на входе оптического приемного модуля при Рош Л О"9

-56дБм

Скорость передачи

2048 кбит/с

Линейный код

СМ1

Код на электрических стыках

HDB3 (или AMI)

Напряжение питания

-60 ±12 В

Производится также оптический терминал ЛОТ-2Ц, предназначенный для передачи двух цифровых потоков со скоростями 2048 кбит/с по одному оптическому одномодовому волокну на двух длинах волн — 1300 и 1550 нм. Оптический кабель в ЛОТ-1Ц1 и ЛОТ-2Ц подключается с помощью оптических шнуров типа «пачкорд» посредством оптических разъемов FC. На рис. 2.2 представлен общий вид терминала ЛОТ-1Ц1. Конструктивно ЛОТ-1Ц1 и ЛОТ-2Ц выполняются в одном из двух вариантов:

первый   вариант  имеет  модульное  исполнение  и   может размещаться  в стандартном 19-дюймовом ETS1;

второй вариант приспособлен для работы с каналообразующей аппаратурой и выполнен в стандартном блоке оборудования «КЕДР» с размерами 240 х 292 х 240 мм.

Отечественной промышленностью производилось также оборудование Т-31 (производство предприятия АО НПП РОТЕК), предназначенное для потока DS1 цифрового сигнала со скоростью 2048 кбит/с. На рис. 2.3 представлена функциональная схема этого оборудования. Основные технические характеристики модели Т-31: рабочая длина волны 1300 нм; энергетический потенциал 42 дБ; среда передачи одномодовое волокно; тип

оптического разъема — FC; скорость передачи 2048 кбит/с; тип кода на электрических стыках соответствует рекомендациям ITU-T G.703. Конструктивно модель может быть выполнена в нескольких вариантах: А1  стоечный 19, А2 — стоечный СКУ (унифицированный стоечный каркас), А4 — настенный. Электрическое питание модели Т-31 осуществляется в трех вариантах: напряжение постоянного тока от —43 до —72 В или от —21 до —27 В и напряжение переменного тока 220 В ±10%, 50 Гц ±5%.

Описанные типы отечественного оборудования (как ЛОТ-1Ц1 и ЛОТ-2Ц, так Т-31) выполнены с использованием современных электронных и квантово-оптических элементов (полупроводниковых лазеров и фотодиодов) и на основе современных технологий.

2.1.2. Системы связи вторичной цифровой плезиохронной иерархии Е2

В 80-х годах в Советском Союзе была разработана и производилась аппаратура волоконно-оптических систем передачи «Соната-2», предназначенная для использования на городских сетях в качестве соединительных линий между узлами связи. Эта аппаратура позволяет по одной паре оптических волокон (многомодовых) передавать в обе стороны 120 телефонных каналов в цифровом информационном потоке со скоростью 8,448 Мбит/с.

На рис. 2.4 представлена обобщенная структурная схема системы связи «Соната-2», где 1,7  блок аналого-цифрового оборудования ИКМ-30, 2, 6 — мультиплексор, или блок вторичного временного группообразования (ВВГ), 3, 5 — оконечное оборудование (СОЛСТ-0-2), 4 — стойка промежуточного линейного световодного тракта. Блок аналого-цифрового оборудования 1 состоит из четырех ячеек, каждая из которых из тридцати первичных цифровых потоков DSO (64 кбит/с) формирует один цифровой информационный поток в двоичном коде уровня DS1 — HDB3. Далее четыре таких потока поступают на входы мультиплексора 2, формирующего цифровой поток уровня DS2 также в коде HDB3, который в свою очередь поступает на вход СОЛСТ-0-2. Сигнал DS2 является в данном случае стыковым. В блоке 3 (СОЛСТ-0-2) он поступает на ячейку ПК, задача которой — преобразование двоичного цифрового потока DS2 из кода HDB3 в линейный код СМ1. С выхода ячейки ПК электрический сигнал в коде СМ1 подается на вход передающего оптического модуля ПОМ, в котором он преобразовывается

Рис. 2.4. Обобщенная структурная схема системы связи «Соната-2»

в оптический цифровой поток в том же коде СМ1. Оптический поток с помощью оптического разъема «Лист-Х» подключается к оптическому кабелю. В состав блока СОЛСТ-0-2, кроме указанных ячеек, входят также устройства, выполняющие следующие функции: контроль линейного оборудования стойки, контроль линейного тракта, служебная связь.

Для соединительных линий на городских телефонных сетях, кроме аппаратуры «Соната-2», выпускалось также оборудование ИКМ-120-5. Это оборудование, как и «Соната-2», обеспечивало передачу 120 каналов в цифровом потоке со скоростью 8,448 Мбит/с по оптическому кабелю. Аппаратура производилась в двух вариантах: КЛТ-26, в котором оптический передающий модуль работал на длине волны 850 нм, и КЛТ-24 — на длине волны 1300 нм.

Для передачи 120 телефонных каналов в цифровом потоке со скоростью 8,448 Мбит/с производилась и аппаратура «Сопка-2», предназначенная для работы во внутризоновых сетях. По структурной схеме, устройствам телеконтроля и служебной связи эта аппаратура мало чем отличалась от «Сонаты-2» и ИКМ-120-5. В настоящее время эти системы устарели и не производятся. Но поскольку в ряде мест они продолжают работать, целесообразно их кратко рассмотреть. Более подробное описание приведенных систем дано в работах [5, 6, 22].

До 2001 года отечественной промышленностью выпускалась аппаратура для передачи по одномодовому оптическому волокну сигналов вторичной цифровой плези-охронной иерархии Е2 — ОЛТ-025 (завод «Морион», г. Пермь[21]) и Т-41 (АО НПП РОТЕК[23]). Эта аппаратура производится на современном технологическом уровне, в ней применены современные электронные и квантово-оптические элементы, обладающие большим ресурсом и высокой надежностью. Конструктивно аппаратура выполнена в нескольких вариантах: А1 (стоечный 19), А2 (стоечный СКУ), А4 (настенный). В табл. 2.2 приведены основные технические характеристики описанных выше систем связи «Соната-2», ИКМ-120-5, «Сопка-2», ОЛТ-025 и Т-41.

2.1. Аппаратура ВОСП плезиохронной цифровой иерархии

Таблица 2.2 Технические характеристики и параметры «Соната-2», «Сопка-2» и др.

Тип аппаратуры

Основные технические данные аппаратуры

«Соната-2»

ИКМ-120-5

«Сопка-2»

ОЛТ-025 завод «Морион» г. Пермь

Т-41 АОНПП РОТЕК

Длина волны излучения, нм

850

850 (КЛТ-26) 1300(КТЛ-24)

1300

1300КЛТ-021

1200-1335

Уровень средней оптической мощности на выходном оптическом разъеме, дБм

0

0

-7

0+3

0±3

Число телефонных каналов

120

120

120

120

120

Тип линейного кода

СМ1

МСМ1

5В6В

СМ1

СМ1

Скорость передачи сигнала на стыке ВВГ, Мбит/с

8,448

8,448

8,448

8,448

8,448

Скорость передачи линейного сигнала, Мбит/с

16,896

-

10,138

-

_

Энергетический потенциал, дБ, не менее

50

50 (КЛТ-26) 37 (КЛТ-24)

47

42

40

Коэффициент ошибок на выходе тракта максимальной протяженности, не более

10"8

10-9

2,10"8

10-9

10-9

В настоящее время завод «Морион» производит аппаратуру ОВГ-25, в состав которой входят блоки, позволяющие передавать по ВОЛС оптический цифровой сигнал ПЦИ Е2 на следующих длинах волн: 850 нм (блок ВГ-25-06, волокно многомо-довое), 1300 нм (ВГ-25-07(-02), волокно многомодовое), 1300 нм (ВГ-25-03(-00), волокно одномодовое) и 1550 нм (ВГ25-04, волокно одномодовое)[21].

Системы связи третичной цифровой плезиохронной иерархии ЕЗ Для внутризоновых сетей кроме аппаратуры «Сопка-2», производилась также аппаратура «Сопка-3», предназначенная для передачи 480 телефонных каналов в двоичном цифровом потоке со скоростью 34,368 Мбит/с. Эта аппаратура, как и «Сопка-2», в настоящее время устарела, но еще продолжает работать, вследствие чего целесообразно ее кратко рассмотреть (более подробное описание, как и «Со-наты-2» и «Сопки-2», приведено в [5, 6, 22]). Структурная схема этой системы отличается от аппаратуры «Сопка-2» практически только тем, что на мультиплексор — формирователь потока со скоростью 34,368 Мбит/с поступает не 4, а 16 цифровых потоков 2,048 Мбит/с в коде HDB3. Аппаратура адаптирована для подключения к оптическому кабелю типа ОЗКГ-1, 0/0, 7 — 4x4. Этот кабель выполнен на основе градиентных многомодовых волокон с затуханием 0,7...1,5 дБ/км на длине волны 1300 нм. максимальная длина линии 100 км, длина регенерационного участка 30 км. Остальные технические характеристики системы приведены в

табл. 2.3. Питание аппаратуры стандартное: 60 или 24 В. Размеры стоек: 2600 х 120 х 225 мм — оконечное оборудование, 1188 х 1080 х 1050 мм — промежуточное.

В настоящее завод «Морион» производит оборудование типа ОТЛС-31, по параметрам и фунциональным возможностям значительно превосходящим устаревшее оборудование «Сопка-3», с использованием современных технологий и более совершенных электронных и квантово-оптических элементов. Это оборудование имеет следующие оптические параметры: код в линии NRZ (со скремблированием), скорость передачи в линии 35840 кбит/с, оптическое волокно одномодовое, длина волны 1300/1550 нм, уровень мощности оптического сигнала на выходе 6 ±2 дБм, уровень мощности оптического сигнала на приеме от 6 до 42 дБм при К^КГ9.

Оборудование позволяет с помощью соответствующих мультиплексоров объединять 16 цифровых первичных потоков Е1 или 4 потока Е2 в один цифровой третичный поток ЕЗ. Предусмотрены режимы вставки или выделения каналов (add/drop). Конструкция модели ОТЛС-31 соответствует Europuc «special» 19 по стандарту МЭК 297. Оборудование ОТЛС-31 имеет каналы служебной связи и телеконтроля, и предусмотрена подсистема контроля с управлением [24]. Структурная схема блока ОТЛС-31 представлена на рис. 2.5, а внешний вид  на рис. 2.6.

На каждой стороне линии связи оборудование в линейном оптическом тракте имеет две платы оптического интерфейса ЛТ (передача и прием) с электрическим интерфейсом по G.703 ITU-T и оптическим интерфейсом (разъем FC) с линейным кодом NRZ со скремблированием, благодаря которому скорость передачи по линии возрастает до 35,84 Мбит/с. Электрические входы (интерфейсы) плат ЛТ через плату КТ (устройство резервирования) подключены к плате группообразования AM, представляющей собой мультиплексор на передаче или демультиплексор на приеме 16Е1 или 4Е2.

Плата КТ-01 (устройство резервирования) предназначена для вставки (стаффинга) или выделения в линейный сигнал (или из линейного сигнала) дополнительных каналов за счет увеличения стандартной третичной скорости 34,368 Мбит/с до 35,84 Мбит/с.

Платы СК, КС и СС с помощью указанных выше дополнительных каналов взаимодействуют с устройством КТ через две 2М-шины.

Блок КС снабжен интерфейсами RS-232 и RS-485, первый из которых предназначен для подключения персонального компьютера для контроля за состоянием данного блока и удаленными блоками. Кроме того, дополнительные каналы используются для организации служебной связи (блок СС).

Рис. 2.6. Внешний вид блока ОТЛС-31

Основные технические данные оборудования Т-316 (РОТЕК) и ОТЛС-31 (МОРИОН) представлены в таблице 2.3.

Кроме отечественного оборудования, на сетях связи России, в том числе и на городских, широкое распространение получает зарубежное оборудование плезиохронной цифровой иерархии, особенно для уровней Е2, ЕЗ и Е4. Довольно интенсивно внедряется компактное мультиплексное и оптическое линейное оборудование PLE2-140 компании PHILIPS [25]. Это оборудование имеет ориентированную на пользователя конфигурацию структурной схемы с небольшим числом блоков. Кроме основных устройств мультиплексирования, преобразования стыковых кодов в линейный и оптических линейных модулей, в состав оборудования входят устройства, выполняющие функции контроля и управления сетью без перерыва связи, устройства служебной связи и нескольких сервисных каналов с разными скоростями передачи. Оборудование позволяет осуществлять передачу по оптическому кабелю информационных цифровых потоков со скоростями 2,048 Мбит/с, 8,448 Мбит/с, 34,368 Мбит/с и 140 Мбит/с. Для этого имеются соответствующие блоки с одинаковыми соединителями, благодаря чему они взаимозаменяемы. В оборудовании предусмотрены линейные оптические окончания с маломощными или мощными полупроводниковыми лазерами в передающих модулях, высокоэффективными фотодиодами в приемных модулях, которые снабжены оптическими соединителями FC/PC. На рис. 2.7 представлен внешний вид стойки оборудования PLE2-140.

Компания PHILIPS выпускает также оборудование LS34S/CXOF — представляющее собой модульную систему на скорость передачи 34,368 Мбит/с для симметричных и оптических кабелей. Это оборудование предназначено для передачи сигналов третичной цифровой иерархии ЕЗ и может быть применено в местных и магистральных сетях связи. В состав оборудования входят устройства для локализации и анализа повреждений и неисправностей с помощью персонального компьютера, а также блок служебной связи с возможностью избирательного вызова. Аналогичное по назначению и техническим характеристикам оборудование производит фирма LGIC[26] (Южная Корея)  оконечное устройство волоконно-оптической линии связи STARMUX-34F. Это оборудование позволяет передавать по оптическому кабелю оптические цифровые информационные потоки со скоростью 8,448 Мбит/с или 34,368 Мбит/с. В состав оборудования входят устройства местного или удаленного контроля, управления и диагностики работы системы. На рис. 2.8 представлен внешний вид STAR-MUX-34F.

Основные технические параметры перечисленных зарубежных систем (PLE2-140, LS34S/CX/OF, STAR-MUX-34F) приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Технические параметры и характеристики аппаратуры

Основные технические требования

Тип аппаратуры

«Сопка-3»

Т-316 (РОТЕК)

Т-316 (РОТЕК)

ОТЛС-31 «МОРИОН»

PLE2-140 PHILIPS

LS34S/CX PHILIPS

STARMUX-34F Ю.Корея

Длина волны излучения, нм

1200... 1300

1300 (1500)

1280... -1335

1300

1300

1300 или 1550

1300

Уровень средней оптической мощности на выходном оптическом разъеме, дБм

-7...0

-3...0

-3...0

-6...0

-11...0 -1...0

-11...0 -1...0

-15±1,5...О -12±З...О

Число каналов, т.ч.

480

480

480

480

480

480

480

Тип линейного кода

5В6В

B3ZS

B3ZS

NRZco скремблером

5В6В+1В

5В6В, модифицированный

5В6В

Скорость передачи сигналов на стыке ВВГ, Мбит/с

34,368

34,368

34,368

34,368

34,368

34,368

34,368

Скорость передачи линейного сигнала, Мбит/с

41

34,368

51,84

35,840

41,856.

41,856

41,2...41,6

Энергетический потенциал, дБ, не менее

38

36

29

40

40

40

40

Коэффициент ошибок на выходе тракта максимальной протяженности, не более

2,Ю-8

10"8

10"8

10-ю

10-,о

1О-,о

10-10

Минимальная принимаемая оптическая мощность при коэффициенте ошибок 1(Г8, дБм

-45

-46

-41

-41

-44,5

Системы связи цифровой плезиохронной иерархии Е4

Для передачи информационного потока цифровой плезиохронной иерархии уровня Е4 отечественной промышленностью производилась аппаратура «Сопка-4». В настоящее время она не производится, но продолжает работать в некоторых местах, в связи с чем информация о ней может быть полезной. Более современную аппаратуру для передачи такого же числа телефонных каналов (1920) разработало предприятие ОАО «Морион»  STM-1 для передачи по оптическому волокну цифрового информационного потока 155,52 Мбит/с.

Аппаратура «Сопка-4» обеспечивает передачу 1920 телефонных каналов или любой другой информации в дискретном виде с помощью цифрового оптического сигнала по одномодовому волокну на максимальное расстояние до 830 км. При этом длина волны излучения должна быть 1300 нм, а затухание в волокне не более 0,7 дБ/км.

Среди зарубежных компаний, производящих аппаратуру аналогичного назначения, можно назвать компанию PHILIPS, которая упоминалась выше при описании аппаратуры уровня ЕЗ. Это вариант той же аппаратуры PLE2-140, который предназначен для передачи информации со скоростью 140 Мбит/с также по одномодовому волокну.

Основные технические характеристики аппаратуры «Сопка-4» и PLE2-140 приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Технические параметры и характеристик аппаратуры «Сопка-4»

и PLE2-140

Основные технические данные

Тип аппаратуры

«Сопка-4»

PLE2-140

Длина волны излучения, нм

1300

1300

Уровень средней оптической мощности на выходном оптическом разъеме, дБм

1,25

-11...-1

Число каналов

1920 + 30

1920 + 9

Тип линейного кода

10B131R

20В + 2В

Скорость передачи на стыке ВВГ, Мбит/с

139,264

139,264

Скорость передачи линейного сигнала

167,1168

140 со скремблированием

Энергетический потенциал, дБ, не менее

38

34

Коэффициент ошибок на выходе тракта максимальной протяженности, не более

ю-8

ю-10

Максимальная принимаемая оптическая мощность при коэффициенте ошибок 10"8, дБм

-39

-39

В 2003 году российское предприятие ОАО РОТЕК кроме описанного выше оборудованияТ-316(8Е1+) представило на рынок связи оборудование Т-316(80Е1+), позволяющее мультиплексировать и демультиплексировать до 80 потоков ПЦИ Е1 в цифровые потоки СЦИ СТМ-1 и СТМ-4 для передачи по линиям ВОСП в сетях БОЩПЦИ). Это оборудование обеспечивает одновременную работу с интерфейсами РОН(ПЦИ), RS-232, RS-422 и Ethernet. Оно может быть использовано для организации компьютерных сетей и телекоммуникационных сетей общего пользования. Оборудование Т-316 (89Е1+) предназначено для работы в двух конфигурациях: терминальной (конфигурация на рис. 2.9) и в составе оптического узла ввода/вывода (конфигурация на рис. 2.10).

2.2. Аппаратура СЦИ (SDH)

При разработке аппаратуры СЦИ была предусмотрена обязательная совместимость не только скоростей, но также стыков (интерфейсов), что отсутствует в аппаратуре ПЦИ. Для этого все разработчики аппаратуры СЦИ руководствуются соответствующими рекомендациями ITU-T, в частности для SDH такими рекомендациями являются G.957 и G.691, которые регламентируют оптические и электрические интерфейсы систем SDH всех уровней. В частности, к стандартным оптическим интерфейсам, определенным рекомендациями G.957, относятся следующие параметры: длина волны оптического излучения, диапазон длин волн, ширина спектральной линии излучения, уровень оптической мощности на передаче, коэффициент экстинкции, уровень чувствительности приемного устройства при заданном коэффициенте ошибки для данной скорости передачи. Выбор значений этих параметров определяется скоростью передачи информации и максимальной длиной линии. Аппаратура SDH всех уровней иерархии предназначена для работы на оптическое одномодовое волокно, параметры которого также регламентированы Рек. G.652, G.653, G.655.

В тех случаях, когда расстояние между пунктами, которые необходимо соединить при помощи ВОЛС с аппаратурой SDH, превышает ту длину, которая позволяет перекрыть энергетический потенциал системы, либо на передающей стороне, либо на обоих концах линии применяется соответственно оптический усилитель мощности на передаче и предварительный оптический усилитель на приеме. Выбор этих вариантов регламентируется Рек. G.691. Кроме того, для всех уровней аппаратуры SDH стандартизированы оптические разъемы (оптические соединители) типа FC или PC, оптические внутристоечные соединительные шнуры (patchcord), тип и габариты плат, ячеек, габариты блоков и стоек, потребляемая электрическая мощность и напряжение питания и т. д.

Структурно аппаратура SDH состоит из следующих блоков:

оборудование внешнего доступа (ЕАЕ — external access equipment);

синхронный линейный регенератор SLR;

синхронные разветвительные мультиплексоры SLR 4D/1, SLR 16D/1, которые обозначаются также ADM (ADD/DROP MULTIPLEXSOR).

Таким образом, системы SDH любого производителя строятся по обобщенной схеме, представленной на рис. 2.11.

Кроме упомянутых выше основных узлов и блоков в состав аппаратуры SDH входят:

система контроля и управления;

блоки аварийной и предаварийной сигнализации;

блоки питания и защиты от перегрузок и внешних воздействий, в том числе электромагнитных полей.

Система контроля и управления представляет собой совокупность датчиков различных параметров и цепей, соединяющих точки контроля и управления с персональным компьютером. На дисплее компьютера отображаются значения всех необходимых параметров, как оптических, так и электрических. Эта система позволяет осуществлять диагностирование состояния всего участка сети связи, в котором задействована данная аппаратура SDH. Предусмотрена также возможность управления и конфигурирования участков сети.

В случаях повреждения сети, например обрыва оптического кабеля, в аппаратуре SDH всех уровней для предоставления возможности проведения восстановительных работ и обеспечения безопасности персонала предусмотрено устройство автоматического отключения лазера (Automatic Laser Shutdown) в соответствии с Рек. ITU-T G.958. Это устройство периодически включает лазер со следующим временным чередованием: 70...90 секунд лазер выключен, от 1 до 5 с — включен. При восстановлении линии система автоматически восстанавливает свои "функции. В настоящее время оборудование для систем SDH (СЦИ) производят большинство крупнейших компаний мира, специализирующихся на разработках и выпуске аппаратуры связи, среди них LUCENT TECHNOLOGIES (США — штаб-квартира, Франция, Нидерланды), ALCATEL TELECOM (Германия, США), SIEMENS (Германия), NEC (Япония).

Аппаратура СЦИ компании LUCENT TECHNOLOGIES

Рассмотрим функциональные характеристики и технические параметры (в части оптических интерфейсов) оборудования «WavestarADM4/l» синхронного мультиплексора доступа производства компании LUCENT TECHNOLOGIES. Это оборудование 4-го уровня иерархии ПЦИ (SDH)  STM-4 предназначено для передачи по оптическому волокну оптических цифровых потоков STM-1 или STM-4. Оптическое волокно должно иметь параметры, отвечающие нормам, определенным Рек. G.652, G.653 или G.654. При этом для передачи на малые расстояния до 60 км используется излучение в диапазоне длин волн 1270... 1335 нм, а на большие расстояния (до 100 км)  в диапазоне 1530... 1560 нм.

Мультиплексор ТМ1/1 (STM-1) имеет электрические входные стыки (интерфейсы) для подключения 16 потоков первичной плезиохронной иерархии 2 Мбит/с, с гибкой компоновкой в потоке 155,52 Мбит/с, или потоков 3-го уровня ПЦИ  ЕЗ (34 Мбит/с) также с гибкой компоновкой. Кроме того, имеется также электрический интерфейс для подключения потока ПЦИ — Е4. Перечисленные потоки называются компонентными, или, по международной терминологии,  трибютарными (tributaries). Если мультиплексор ТМ1/1 используется в составе оконечного оборудования, с его выходного интерфейса электрический информационный поток STM-1 подается на вход передающего оптического модуля, в котором он преобразуется в соответствующий оптический цифровой поток STM-1, который с выходного оптического интерфейса поступает на вход линейного оптического кабеля.

На приемной стороне производятся обратные операции, т. е. оптический сигнал с линейного кабеля поступает на оптический входной интерфейс, после чего в фотоприемном устройстве он преобразуется в электрический цифровой поток, который после усиления до необходимой амплитуды подается на групповой (агрегатный) вход демультиплексора. Отметим, что сигнал, передаваемый по оптической линии, по международной терминологии носит название агрегатный (aggregate signals). В табл. 2.5 приведены параметры оптических интерфейсов для случая, когда мультиплексор ТМ1/1 используется в составе оконечного оборудования, т. е. как терминал.

В состав оборудования входит также мультиплексор ввода/вывода  Add & Drop Multiplexer ADM 1/1 для формата STM-1. С помощью этого мультиплексора могут быть осуществлены операции перекрестной коммутации компонентных потоков низких порядков иерархии ПЦИ для вывода (ввода), а также перекоммутации их между двумя агрегатными портами STM-1.

Следующая составляющая аппаратуры «Wavestar™» — это терминальный мультиплексор STM-4 — ТМ4/1. Для него компонентными являются четыре электрических информационных электрических потока уровня STM-1, а агрегатным — цифровой поток STM-4 — 622,04 Мбит/с, который подается на вход оптического передающего модуля, выполняющего операцию, аналогичную для случая ТМ1/1.

В табл. 2.6 приведены параметры оптических интерфейсов для терминального мультиплексора ТМ4/1.

Кроме основных функций, описанных выше, в состав аппаратуры входят также устройства телеконтроля, управления, аварийной сигнализации, блоки питания, защиты, служебной связи (с адресным выбором).

Отметим, что компания LUCENT TECHNOLOGIES производит также оборудование СЦИ уровня STM-16.

Аппаратура СЦИ производства фирмы SIEMENS

Для передачи информационного цифрового потока 4-го уровня СЦИ STM-4 фирма SIEMENS также производит аппаратуру SL4, которая является синхронным мультиплексором 4-го уровня цифровой иерархии. Она формирует групповой (агрегатный) цифровой поток со скоростью 622,08 Мбит/с из четырех цифровых потоков СЦИ 1-го уровня (STM-1) или из четырех потоков цифровых сигналов Е4 ПЦИ со скоростью 139,264 Мбит/с. Агрегатный поток 622,08 Мбит/с после преобразования из электрического в оптический передается как линейный оптический сигнал по одномодовому стандартному волокну (G.652, G.653) в диапазоне длин волн 1510...1560 нм. Аппаратура может быть применена в одном из двух вариантов: или как линейный оконечный мультиплексор 4-го уровня СЦИ (SLT4), или как линейный регенератор (SLR4).

Для контроля и управления (в соответствии с Рек. ITU-T G.783 и G.784) в оборудовании встроен специальный микропроцессор с соответствующим программным обеспечением. Предусмотрена также служебная связь с адресацией выбора. Основные технические параметры оптических интерфейсов оборудования SL4 представлены в табл. 2.7.

Фирма SIEMENS производит и аппаратуру SL16, являющуюся мультиплексором 16-го уровня STM-16. Эта аппаратура формирует агрегатный цифровой сигнал со скоростью 2488,32 Мбит/с из 16-ти компонентных потоков СЦИ STM-1 или из 16-ти цифровых потоков Е4 ПЦИ со скоростью 139,264 Мбит/с, как и в аппаратуре SL4. В данном случае агрегатный поток после преобразования из электрического сигнала в оптический в передающем оптическом модуле передается по стандартному одномодовому волокну (Рек. ITU-T G.652, G.653) в диапазоне волн 1540...1560 нм. Эта аппаратура также может быть применена в одном из двух вариантов: как линейный терминал SLT16 и как линейный регенератор SLR16.

В обоих типах аппаратуры SL4 и SL16 при необходимости могут использоваться оптические усилители на передающей и на приемной сторонах.

Основные параметры оптических интерфейсов оборудования SL16 представлены в табл. 2.8.

Аналогичное по назначению, конфигурации и параметрам оборудование 3AL36494AAA производит компания ALCATEL (Германия, США). Основные параметры оптических интерфейсов этой аппаратуры представлены в табл. 2.9.

Аппаратуру связи СЦИ для передачи цифровых потоков STM-1, STM-4, STM-16 производят и ряд других фирм, например NEC (Япония), ERICSSON (Швеция) и др.

Среди отечественных производителей аппаратуры связи завод «Морион» (г. Пермь) выпускает оборудование СЦИ для ВОСП СТМ-1 (155 Мбит/с). Это аппаратура СММ-155. Она предназначена для построения цифровых транспортных сетей и сетей доступа на основе принципов СЦИ [21]. Аппаратура представляет собой мультиплексор с линейными стыками СТМ-1 и доступом через компонентные стыки первичных цифровых потоков Е1 и ЕЗ.

Аппаратура имеет входные и выходные стыки для подключения к волоконно-оптическому тракту ВОЛС с одномодовым стандартным волокном и применяется на магистральных и зоновых сетях связи в качестве: оконечного мультиплексора, мультиплексора ввода/вывода в промежуточных пунктах, регенератора или кроссового коммутатора. Модификация аппаратуры с платой ММ-01 передает и принимает цифровой поток СТМ-1 на длине волны оптического излучения 1,3 мкм, с платой ММ-01-02  на длине волны 1,55 мкм.

Таблица. 2.5

Параметры оптических интерфейсов ADM4/1 производства LUCENT TECHNOLOGIES

Скорость передачи, Мбит/с

155,52

Мультиплексор ТМ1/1

1

2

3

4

Применяемый код (G.957)

S-1.1

L-1.1.

L-1/2/L-1.3

Рабочий диапазон длин волн, нм

1270...1360

1285...1330

1530...1560

Передающий блок, точка S

Тип источника излучения

MLM

Рабочий диапазон длин волн, нм

SLM

Спектральные характеристики: максимальная ширина полосы излучения, нм максимум на уровне -20 дБ, отношение подавления боковых мод относительно центральной частоты, дБ

4

Передающий блок, точка S Тип источника излучения

1 30

Средняя выходная мощность, вводимая в волокно: максимум, дБм минимум (с учетом 2 дБ старения), дБм Максимальный коэффициент экстинкции, дБ

-8 -15 8,2

+2 -5 10

+2 -5 10

Скорость передачи, Мбит/с

155,52

Мультиплексор ТМ1/1

1

2

3

4

Приемный блок в точке R

Минимальная чувствительность (с учетом 2 дБ старения и 10~10 BER), дБм

-34

-34

-34

Минимальный уровень перегрузки, дБм

-3

-3

-3

Максимальный коэффициент отраженного сигнала, измеренный в точке, дБ

25

25

25

Средние потери в волокне, дБ/км

0,4

0,4

0,25

Теоретическая максимальная длина, км

40

70

110

Таблица 2.6

Параметры оптических интерфейсов ADM4 /1 производства LUCENT TECHNOLOGIES

Скорость передачи, Мбит/с

622,04

Мультиплексор ТМ4/1

1

2

3

4

Применяемый код (G.957)

S-4.1

L-4.1

L-2.2/L-4.3

Рабочий диапазон длин волн, нм

1270... 1335

1280... 1335

1530...1560

Передающий блок, точка S

Тип источника излучения

MLM

MLM

SLM

Спектральные характеристики: максимальная ширина полосы излучения, нм минимум на уровне -20 дБ, нм отношение подавления боковых мод относительно центральной частоты, дБ Средняя выходная мощность, вводимая в волокно: максимальная, дБм минимальная (в начале срока жизни), дБм минимальная (в конце срока жизни), дБм Минимальный коэффициент экстинкции, дБ

2,5

-8 -13 -15 8,2

1 30

+2 -1.5 -3

10

1      30

+2 -2 -3 10

Приемный блок в точке R

Минимальная чувствительность (в начале срока жизни), дБм Минимальная чувствительность (в конце срока жизни), дБм Максимальный коэффициент отраженного сигнала, измеренный в точке R, дБ Максимальный уровень перегрузки, дБм

-29,5 -28

25 1

-29,5 -28

25 1

-29,5 -28

25

1

Средние потери в волокне, дБ/км Теоретически максимальная длина, км

0,4 30

0,4 60

0,25 96

Таблица 2.7

Параметры оптических интерфейсов аппаратуры SL4 производства SIEMENS

Единица

Параметры

измере-

Величина

ний

1

2

3

4

5

6

Код применения

S-4.1

L-4.1

L-4.2

JE-4.2/JE-4.3

L-4.3

Диапазон длин

нм

1280...1335

1280... 1320

1510...1560

1535...1555

волн

Скорость

Мбит/с

622,08

передачи

Линейный код

Бинарный

MRZ, скремблированный

Передающее устройство (эталонная точка S( G.957))

Тип источника

Фабри-Перо с

Фабри-Перо с

Лазерный диод с

Лазерный диод с

излучения

пониженной

номинальной

распределенной

распределенной

мощностью

мощностью

обратной связью

обратной связью

излучения

излучения

и номинальной

и повышенной

мощностью

мощностью

излучения

излучения

Спектральные

характеристики:

максимальная

ширина полосы

излучения

нм

<2,5

<1,7

<0,5

<0,5

минимальный

коэффициент

подавления

боковых мод

ДБ

-

-

>30

>30

коэффициент

экстинкции

ДБ

>8,2

>10

>10

>10

средний уровень

оптического

С оптическим

излучения,

усилителем

вводимого в

+13.. +16

волокно

дБм

-15..-8

-3.. 0

-3..+2

+3...+6

Приемное устройство (эталонная точка R (G.957))

Тип

Ge-APD

InGaAs-APD

InGaAsAPD

InGaASAPD

фотоприемника

в режиме

в режиме

в режиме

в режиме

номинальной

номинальной

повышенной

номинальной

чувствительности

чувствительности

чувствительности

чувств-ти и с

оптическим

усилителем

приема

Параметры

Единица измерений

Величина

1

2

3

4

5

6

Уровень номинальной принимаемой мощности при 1O"1OBER

дБм

-34

-36

-39

-45

Уровень перегрузки

дБм

-3

-8

-17

-15

Таблица 2.8

Параметры оптических интерфейсов аппаратуры SL16 производства SIEMENS

Единица

Параметр

измере-

Величина

ний

Скорость

Мбит/с

2488,32

передачи

Линейный код

Бинарный (NRZ)

Передающее устройство (эталонная

точка S(G.957, G.691))

Тип источника

DFBc

DFBc

DFB с внешним модулятором и повышенной

излучения

номинальной

повышенной

мощностью излучения

мощность

мощностью

излучения

излучения

Диапазон длин

волн излучения

нм

1293... 1328

1510... 1560

1293...1328

1510...1560

1530...1560

Спектральные

характеристики:

максимальная

ширина полосы

излучения

нм

<1

<0,6

<1

<0,6

<0,1

коэффициент

подавления

боковых мод

ДБ

>30

>30

>30

>30

>30

коэффициент

экстинкции

ДБ

>8,2

>8,2

уровень

оптического

с оптическим

излучения,

усилителем

вводимого в

передачи

волокно

дБм

-3...0

-3... 0

-1...+2

-1... +2

+13...+16

Параметр

Единица измерений

Величина

код применения

L-16.1/ S-16.1

L-16.2/ L-16.3

JE-16.1

JE-16.2/ JE-16.3

JE-16.2/JE-16.3

Приемное устройство (эталонная точка R (G.957, G.691))

Тип фотоприемника

Ge-APD

в режиме номин. чувс-ти

InGaAs-APD

в режиме номин. чувс-ти

INGaAs-APD

в режиме номин. чувс-ти

InGaAs-APD

в режиме повышен, чувс-ти

InGaAs

в режиме повышен, чувс-ти

Код применения

L-16.1/ S-16.1

L-16.2/ L-16.3

L-16.1/ S-16.1

JE-16.2/ JE-16.3

JE-16.2/JE-16.3

Уровень минимальной принимаемой мощности

Уровень перегрузки

ДБм ДБм

-27 0

-28 -6

-27 -6

-29,5 -6

-29,5 -6

С опт. усилит, приема

-37 -15

Таблица 2.9

Параметры оптических интерфейсов аппаратуры 3AL36494AAAA производства компании ALCATEL

Параметры

Единица измерения

Величина

Скорость передачи

Мбит/с

STM-16 соответствует G.70 и 7 G.958 2488,32

Диапазон длин волн

нм

1280...1335

1500...1580

1530...1560

1530...1560

Передающее устройство (эталонная точка R (G.957))

Тип источника излучения

SLM

SLM

SLM

SLM

Спектральные характеристики: максимальная ширина полосы излучения на уровне -20 дБ

минимальный коэффициент подавления боковых мод

средний уровень оптического излучения, вводимого в волокно

• максимальный - минимальный

минимальный коэффициент экстинкции

нм ДБ

ДБм

ДБм ДБ

1

+2

-2 10

<1 30

+2

-2 8,2

0,5 30

+4

+1 8,2

0,5 30

+2

-5 8,2

Глава 2. Аппаратура цифровой иерархии одноволновых ВОСП

Параметры

Единица измерения

Величина

Приемное устройство (эталонная точка R (G.957))

Уровень минимальной принимаемой мощности при 1(T10BER

Уровень перегрузки

дБм дБм

-27 -8

-28 -8

-29 -8

-29 -8

Примечание. Для повышения энергетического потенциала системы в аппаратуре предусмотрено применение волоконно-оптических усилителей (OFA): на передающей стороне  усилителя мощности (Booster) с уровнем выходной мощности: + 10 дБм; +13 дБм; +15 дБм, на приемной стороне  предварительного усилителя с коэффициентом усиления до 17 дБ при коэффициенте шума ~7 дБ.

В настоящее оборудование СЦИ чаще всего поставляется зарубежными компаниями в составе обрудования DWDM.

Глава 3. Повышение пропускной

способности линий связи

Довольно длительный период времени в истории развития связи господствовало положение, при котором потребность в увеличении пропускной способности опережали возможности, предоставляемые средствами связи. Такая ситуация была стимулом для развития систем передачи информации. До конца 60-х годов прошлого века одним из основных методов повышения пропускной способности кабельных систем связи был метод частотного уплотнения аналоговых телефонных каналов. Производилась аппаратура частотного уплотнения (например, аппаратура К-1920), на основе которой в ряде мест работают линии до сих пор. С середины 60-х годов начал развиваться цифровой метод передачи информации и одновременно с ним методы временного уплотнения: плезиохронный и синхронный (ПЦИ и СЦИ), рассмотренные в 1-ой главе. До середины 90-х годов синхронный метод временного уплотнения был основным для повышения пропускной способности кабельных систем передачи информации (по металлическим и оптическим кабелям). К середине 90-х годов электронные методы временного уплотнения (ETDMElectronic Time Division Multiplexing) достигли своего предела  40 Гбит/с. Дальнейшее повышение пропускной способности систем ВОСП реализуется методами, которые будут рассмотрены ниже. Однако для лучшего понимания рассматриваемых проблем представляется целесообразным проведение анализа всех методов уплотнения.

3.1. Метод временного уплотнения (TDM)

В настоящее время метод временного уплотнения информационных потоков (TDM  Time Division Multiplexing) является наиболее распространенным. Он применяется при передаче информации в цифровом виде. Суть его состоит в следующем. Процесс передачи разбивается на ряд временных циклов, каждый из которых в свою очередь разбивается на N субциклов, где N - число уплотняемых потоков (или каналов). Каждый субцикл подразделяется на временные позиции, т. е. временные интервалы, в течение которых передается часть информации одного из цифровых уплотняемых потоков. Кроме того, некоторое число позиций отводится для идентификационных синхроимпульсов, вставок и цифрового потока служебной связи. В качестве примера рассмотрим процесс группообразования цифрового потока Е2 (ПЦИ) 8,448 Мбит/с из четырех цифровых потоков иерархии ПЦИ-У1 (2,048 Мбит/с). Процесс передачи разбивается на временные циклы продолжительностью 125 мкс каждый. Эти циклы состоят из четырех субциклов, длительность каждого из которых равна 31,25 мкс. Субциклы разделены на 264 временных отрезка (позиций) длительностью 118,4 не, из которых 8 позиций отведены для синхроимпульсов, вставок и цифровой передачи служебной связи. Длительность т„ каждого временного отрезка равна тактовому интервалу, определяющему тактовую частоту / для группового потока 8,448 Мбит/с

Временное уплотнение (мультиплексирование) подразделяется на два метода: плезиохронное временное уплотнение  ПЦИ (PDH) со своими иерархиями скоростей передачи — Е1...Е5 и синхронное временное мультиплексирование  СЦИ (SDH), также с соответствующими иерархиями скоростей  СТМ-1...СТМ-256 (см. главу 1). Из изложенного понятно, что в системах, описанных в главе 2, применяются эти методы.

3.2. Метод частотного уплотнения (FDM)

При частотном методе уплотнения (FDMFrequency Division Multiplexing) каждый информационный поток передается по физическому каналу на соответствующей частоте  поднесущей fпн. Если в качестве физического канала выступает оптическая несущая, то она модулируется по интенсивности групповым информационным сигналом, спектр которого состоит из ряда частот поднесущих, количество которых равно числу компонентных информационных потоков. Частота поднесущей каждого канала выбирается исходя из условия fпн> 10вчп, где fпн — частота поднесущей, fвчп — верхняя частота спектра информационного потока. Частотный интервал между поднесущими Дfпн выбирается из условия Дfпн > 2fвчп. Для уменьшения перекрестных помех при модуляции оптического излучения групповым сигналом передаточная характеристика электронного устройства частотного уплотнения и ватт-амперная характеристика лазера должны иметь повышенную линейность в широком диапазоне уровней. При этом коэффициент модуляции (коэффициент экстинкции) оптического излучения зависит от количества уплотняемых каналов и обычно не превышает 10%. На приемной стороне оптическая несущая попадает на фотодетектор, на нагрузке которого выделяется электрический групповой поток, поступающий после усиления в широкополосном усилителе приема на входы узкополосных фильтров, центральная частота пропускания которых равна одной из поднесущих частот.

В качестве компонентных потоков могут выступать как цифровые, так и аналоговые сигналы. В настоящее время в кабельных системах передачи частотное уплотнение применяется в многоканальном кабельном телевидении, где для этой цели отведен диапазон частот от 47 до 860 МГц, т. е. как метровый, так и дециметровый диапазоны ТВ.

3.3. Модовое уплотнение (MDM)

В некоторых системах передачи, основанных на использовании многомодового оптического волокна, находит применение так называемое модовое уплотнение (Mode Division Multiplexing) [27]. Этот метод уплотнения состоит в следующем. Процесс распространения оптического излучения в многомодовом оптическом волокне может быть рассмотрен с позиций геометрической оптики [28]. В соответствии с этим, если на входной торец многомодового волокна под углом ф, < фкр падает оптический луч, то, войдя через этот торец в волокно и распространяясь вдоль этого ОВ по строго определенной для него траектории, он выходит из выходного торца под таким же углом ф,. Это справедливо и для остальных лучей, вводимых в ОВ каждый под своим углом фк, при условии фi < фц,. Применяя модовые селекторы на входе и выходе волокна, можно осуществлять передачу независимых информационных потоков на соответствующих модах, которые в этом случае играют роль каналов. Модовое уплотнение может работать только в случае отсутствия перемешивания или взаимного преобразования мод. Это условие может быть выполнено для таких многомодовых ОВ, в которых полностью исключается наличие локальных неоднородностей, в том числе изгибов. Обычно метод модового уплотнения применяется в некоторых системах автоматики, в которых информация передается на небольшие расстояния порядка единиц-десятков метров.

3.4. Уплотнение по поляризации (PDM)

Уплотнение потоков информации с помощью оптических несущих, имеющих линейную поляризацию, называется уплотнением по поляризации (PDMPolarization Division Multiplexing). При этом плоскость поляризации каждой несущей должна быть расположена под своим углом. Мультиплексирование осуществляется с помощью специальных оптических призм, например призмы Рошона. Этот метод аналогичен модовому уплотнению, хотя в качестве среды передачи группового потока может быть использовано одномодовое волокно. Однако, как и для MDM, поляризационное уплотнение может работать только тогда, когда в среде передачи (ОВ) отсутствует оптическая анизотропия, т. е. волокно не должно иметь локальных неоднородностей и изгибов. Это одна из причин весьма ограниченного применения данного метода уплотнения. В частности, он применяется в оптических изоляторах, а также в оптических волоконных усилителях, где используется в устройствах накачки эрбиевого волокна для сложения излучения накачки двух лазеров, излучение которых имеет выраженную поляризацию в виде вытянутого эллипса.

3.5. Методы уплотнения каналов по полярности

Довольно часто возникают ситуации, когда по существующей линии связи, передающей, например, 480 телефонных каналов (уровень ПЦИ ЕЗ), необходимо передать еще дополнительно 30 или 60 каналов (два цифровых потока Е1). Эту проблему можно решить несколькими способами:

  1.  прокладкой нового оптического кабеля (или использованием пары резервных волокон в уже используемом ОК) и установкой нового оборудования, включая оптические передающий и приемный модули;
  2.  установкой нового оборудования более высокого уровня (Еп) и демультиплексирования на приемной стороне;
  3.  применением оборудования, реализующего предложенный автором настоящих строк метод модуляции несущей по полярности, применительно к оптической связи.

Метод модуляции по полярности известен давно и применяется в радиосвязи для передачи стереофонического радиовещания [29]. Суть его заключается в том, что положительная полярность несущей модулируется одним сигналом, отрицательная  другим. При этом, как и для обычной амплитудной модуляции, частота модуляции fмод и частота несущей fнес должны находиться в следующем соотношении fнес > 10fмод.В нашем случае в качестве несущей может быть принята цифровая последовательность линейного сигнала, которым модулируется оптическая несущая. Как было отмечено выше (гл. 1), в качестве линейного кода в системах ВОЛС ПЦИ (2,048 Мбит/с; 8,8 Мбит/с; 34 Мбит/с и 140 Мбит/с) применяются коды типа СМ1 и 5В6В, не имеющие в своем спектре постоянной составляющей.

Учитывая это обстоятельство, такой сигнал в электрическом тракте можно с определенным коэффициентом модулировать положительную полярность одним сигналом, отрицательную  независимым от него другим сигналом. Этот процесс иллюстрируется на рис. 3.1, где по оси времени нанесена сетка, одно деление которой соответствует длительности половины тактового интервала цифрового сигнала ЕЗ — tuE3. Положительная полярность этого потока модулируется по амплитуде цифровым сигналом, соответствующим, например, уровню ПЦИ Е1, с тактовым интервалом 2tEl, а отрицательная — аналоговым сигналом, частота которого fнес < 10/такт. Таким образом, используя сигнал цифрового потока уровня ПЦИ ЕЗ (или Е4), можно передавать одновременно три независимых информационных потока — ЕЗ (Е4) и два потока Е1, или ЕЗ (Е4), Е1 и один аналоговый сигнал, или ЕЗ (Е4) и два аналоговых сигнала. На рис. 3.2 представлена структурная схема устройства и оптической линии для реализации данного метода уплотнения, где: 1 и 3 — схемы согласования сигналов Е1 с модулятором по полярности 4; 2 — схема нормализации уровня несущей для согласования модулятором 4. На выходе модулятора 4 образуется сигнал, одна из реализаций которого в виде осциллограммы представлена на рис. 3.1, где обе полярности поднесущей потока ЕЗ промодулированны двумя независимыми потоками Е1, а положительная полярность поднесущей ЕЗ промодулированна аналоговым сигналом, отрицательная — цифровым Е1. Этот групповой электрический сигнал с выхода модулятора 4 поступает на схему накачки 5, на выход которой включен излучатель — полупроводниковый лазер или светоизлучающий диод. Таким сигналом модулируется оптическое излучение, которое вводится в оптическую линию передачи — оптическое волокно. На приемной стороне после фотодетектора 6 и электронного широкополосного усилителя 7 сигнал поступает на вход демодулятора 8, где он разделяется на три части, одна из которых поступает на AM детектор положительной полярности, вторая — на AM детектор отрицательной полярности. После соответствующей фильтрации один боковой сигнал поступает на схему 9, а другой — на схему 11, назначение которых состоит в нормализации параметров сигналов ЕГ и Е1", а проходит через двусторонний ограничитель и фильтр, после чего он поступает на схему 10, назначение которой аналогично 9 и 11. Таким образом, с помощью простого электронного устройства, в состав которого входят схемы 1, 2, 3 и 4, и передающего оптического модуля 5, используя один лазер и одно волокно, можно кроме основного цифрового потока ЕЗ передать еще два независимых потока Е1. На приемной стороне производится обратная операция, где в нагрузке одного фотодетектора выделяется групповой поток, после чего он разделяется на ЕЗ и два Е1 также с помощью простого электронного устройства. Расчет показывает, что при передаче цифрового потока Е1 с использованием полярной модуляции при 50%-й глубине модуляции одной полярности поднесущей энергетический потенциал оптической линии снижается на 13 дБ по сравнению со случаем передачи по оптической несущей только одного потока Е1. Учитывая, что энергетический потенциал оптической системы для передачи Е1 составляет величину не менее 50 дБ, то оставшегося потенциала 37 дБ в большинстве случаев оказывается вполне достаточно для организации связи в локальных сетях. Необходимо отметить, что в качестве сигнала поднесущей может быть принят не обязательно цифровой сигнал ЕЗ или Е4, но аналоговый сигнал в виде, например, синусоидальной несущей ТВ или радиовещательного сигнала с ЧМ-модуляцией. Описанный метод уплотнения оптического канала прошел экспериментальные испытания, результат которых полностью подтвердил возможность практического применения его в локальных сетях.

3.6. Многоволновое уплотнение оптических несущих (WDM)

Уплотнение оптических каналов по длинам волн оптических несущих (спектральное разделение — СР)

Увеличение пропускной способности ВОСП путем дальнейшего наращивания скорости передачи методами электронного временного мультиплексирования ограничивается не только возможностями электроники. Увеличение скорости передачи достигается за счет уменьшения длительности импульсов, соответствующих передаче единиц или нулей. С увеличением иерархии СЦИ от СТМ-4 до СТМ-256 длительность тактовых интервалов цифровых сигналов уменьшается в следующем порядке: 1600 пс (СТМ-4), 400 пс (СТМ-16), 100 пс (СТМ-64) и 25 пс (СТМ-256). В соответствии с этим быстро растет влияние дисперсионных характеристик оптических волокон, которое выражается в увеличении относительного уширения оптических импульсов с увеличением дальности передачи. Это уширение приводит к межсимвольным помехам, в конечном счете существенно ухудшающим системные параметры ВОСП  Q-фактор и коэффициент ошибок. Поэтому увеличение пропускной способности ВОСП за счет увеличения скорости передачи без принятия специальных мер достигается ценой уменьшения дальности передачи (при равном коэффициенте ошибок).

Указанная выше задача успешно решается с помощью многоволного уплотнения оптических несущих  WDM (Wavelength Division Multiplexing). Суть этого метода состоит в том, что m информационных цифровых потоков, переносимых каждый на своей оптической несущей на длине волны Хт и разнесенных в пространстве, с помощью специальных устройств  оптических мультиплексоров

(ОМ) — объединяются в один оптический поток Л., Л.т, после чего он вводится в оптическое линейное волокно, входящее в состав оптического кабеля. На приемной стороне производится обратная операция демультиплексирования. Примерная структурная схема такой системы с WDM представлена на рис. 3.3.

В соответствии с Рек. G.692, к системам передачи с WDM предъявляются требования совместимости по оптическим интерфейсам с существующих и одновол-новых систем передачи аппаратуры SDH. Оптические параметры систем WDM регламентируются Рек. G.692[30], в которых определены длины волн и оптические частоты для каждого канала. Согласно этим рекомендациям, многоволновые системы передачи работают в 3-м окне прозрачности ОВ, т. е. в диапазоне длин волн 1530... 1565 нм. Для этого установлен стандарт длин волн, представляющий собой сетку оптических частот, в которой расписаны регламентированные значения оптических частот от 196,1 ТГц до 192,1 ТГц (1 ТГц = 1012 Гц) с интервалами 100 ГГц и длины волн от 1528,77 нм до 1560,61 нм с интервалом 0,8 нм. Стандарт состоит из 41 длины волны, т. е. рассчитан на 41 спектральный канал. Однако на практике используется 39 каналов из представленной сетки частот, поскольку два крайних не используются, так как они находятся на склонах частотной характеристики оптических усилителей, применяемых в системах WDM, о чем более подробно будет сказано ниже.

В последнее время установилась четкая тенденция уменьшения частотного интервала между спектральными каналами до 50 ГГц, 25 ГГц и даже до 12,5 ГГц, что приводит к более плотному расположению спектральных каналов в отведенном диапазоне длин волн (1530...1565 нм). Такое уплотнение получило название плотного волнового уплотнения, или DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). В настоящее время частотные интервалы 25 ГГц и 12,5 ГГц утверждены МСЭ-Т Рек. G.694. 1. Очевидно, что DWDM вызвано стремлением увеличить количество передаваемых каналов. Отметим также, что в настоящее время аббревиатура DWDM закрепилась и для систем с многоволновым уплотнением, у которых частотный интервал между каналами равен 100 ГГц.

Строгая регламентация оптических частот для систем DWDM делает весьма актуальной постановку вопроса о стабильности и точности установления частот оптических несущих (А,,..Лт).

В Рек. МСЭ-Т G.692 отмечается, что эта проблема находится в стадии изучения и поэтому в документах пока нет числовых значений этих параметров. Тем не менее, исходя из установленных значений частот спектральных каналов и частотного интервала между ними, можно с достаточной точностью оценить допустимую ширину спектральной линии излучения лазера (АХ), а также допустимую величину временного ухода (нестабильности) оптической частоты ДЯ,. Для этого обратимся к рис. 3.4, где по оси абсцисс отложены значения оптической частоты с интервалом 10 ГГц (0,01 ТГц), а по оси ординат — нормированная оптическая мощность Ропт.

Рис. 3.4. Частотный спектр оптического сигнала двух спектральных каналов, несущие которых модулированы по интенсивности

Рассмотрим два соседних спектральных канала, один из которых имеет центральную частоту 192,15 ТГц, а второй  192,2 ТГц. В настоящее время в оптической связи применяется практически только один вид модуляции оптической несущей  модуляция интенсивности, аналогичная амплитудная модуляции в радиоспектре. Допустим, что на обоих каналах передаются цифровые потоки уровня STM-64, т. е. потоки со скоростями 10 Гбит/с. Предположим, что спектрцифрового потока STM-64 ограничен 1-й гармоникой тактовой частоты Ю ГГц (а в практических системах почти так и есть). Тогда оптический спектр каждого канала будет состоять из трех составляющих  центральной частоты v0 и двух боковых +Ду0 и -Ду0. Отметим, что многоволновое (или спектральное) уплотнение оптических каналов аналогично частотному уплотнению радиоканалов или многоканальных кабельных систем с аналоговым методом передачи. Поэтому для многоволновых оптических систем справедливы те же соотношения, что и для частотного уплотнения указанных систем, для которых защитный интервал между соседними каналами не должен быть меньше, чем двойная верхняя частота модуляции канала. Согласно приведенному рисунку, это условие соблюдается. Теперь допустим, что вследствие каких-либо причин центральная частота изменилась: для 1-го канала она возросла на 10 ГГц, а для 2-го уменьшилась на .такую же величину. Тогда интервал между каналами составит 10 ГГц. Заметим, что в действительности код, с помощью которого передается цифровой поток, не ограничивается 1-й гармоникой, а какая-то доля энергии есть и на 2-й гармонике, т. е. в случае такого ухода частоты v0 возникают недопустимые перекрестные помехи. Частотный интервал 10 ГГц соответствует интервалу длин волн АХ = 0,08 нм. Из изложенного следует, что при передаче потоков STM -64 методом DWDM при спектральных интервалах 50 ГГц спектральная ширина линии излучения АХ не должна превышать величину АХ = ±0,04 нм, нестабильность оптической частоты должна быть не хуже ±5 ГГц. В случае передачи методом DWDM цифровых потоков STM-16 допустимые значения ширины спектральной линии могут быть увеличены. Конкретные величины норм спектральных параметров ВОСП-СР (ВОСП со спектральным разделением оптических каналов) указаны в руководящем документе отрасли связи  РД 45. 286-2002 [32].

Выше отмечалось, что оптические интерфейсы аппаратуры WDM и DWDM должны быть совместимыми с аппаратурой СЦИ — STM-16 и STM-64. Однако, согласно рекомендациям мсЭ G.957 для систем СЦИ (SDH), допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических стыках (интерфейсах) имеют следующие значения: ширина спектральной линии АХ = ±0,5 нм (для STM-16), для STM-64 — ДА, 0,1 нм, а центральная оптическая длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530...1565 нм. Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров (рис. 3.3) подать сигналы с выходов оптических передатчиков мультиплексируемых каналов SDH, то такая система работать не будет. Поэтому на входы оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, параметры которых, в особенности спектральные, должны строго соответствовать стандартам, определенным Рек. G.692. Такое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре DWDM специального устройства  транспондера. Если на вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены Рек. G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать Рек. G.692. При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то должно быть столько же транспонде- ров. Длина волны на выходе каждого из них должна соответствовать только одному из каналов в соответствии с сеткой частот, т. е. допустимый для 1-го канала оптический сигнал должен иметь длину волны А.,, для второго Х2 и т. д. до Хт. С выходов транс-пондеров оптические сигналы поступают на строго определенные входы оптического мультиплексора, соответствующие указанным длинам волн Х{...Хт. Обобщенная структурная схема системы передачи с DWDM представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Типовая конфигурация системы ВОЛП с DWDM, где через ТХт обозначены передающие транспондеры, RXm — приемные

Следует отметить, что при оптическом уплотнении (мультиплексировании) в оптическом мультиплексоре (ОМ) в каждом оптическом канале вносятся значительные потери. Их конкретная величина зависит от типа и качества применяемых ОМ. В современных ОМ решеточного типа вносимые потери в канале равны ~4 дБ (типовое значение), пленочного (интерференционного) типа -2—3 дБ. Для снижения стоимости аппаратуры фирмы-разработчики и изготовители нередко используют волоконный разветвитель, делящий вводимый в него световой поток на заданное количество (т) частей. При этом вносимые потери в канале могут достигать величин от 12 дБ и более (в зависимости от коэффициента деления). Такие потери существенно уменьшают энергетический потенциал системы. Для того чтобы скомпенсировать потери оптического сигнала в ОМ и повысить оптическую мощность, вводимую в волокно, после мультиплексора (ОМ) включается оптический усилитель мощности  оптический усилитель передачи ОУпд (или бустер  booster), который увеличивает мощность группового оптического сигнала от + 17 дБм до +27 дБм, в отдельных случаях — до +30 дБм. Уровень мощности в индивидуальном канале связан с уровнем мощности группового (суммарного) Pzc канала соотношением [30]:

Ръс(дБм) = (Рис + 10 lg/n) дБм,

где m — количество спектрально уплотненных оптических каналов в данной системе передачи.

Известно [31], что при такой мощности становится заметным влияние оптических нелинейных явлений, возникающих в ОВ в процессе распространения оптического излучения. Это следующие явления: самомодуляция фазы (SPM) оптической несущей, перекрестная модуляция фазы (СРМ), смешение четырех волн (FWM или ЧВС). Эти явления проявляются, начиная с указанной мощности в виде дополнительных шумов и перекрестных помех при многоканальной передаче. Начиная с величин оптической мощности несколько десятков мВт становится заметным также эффект вынужденного рассеяния Бриллюэна SBS (в советской литературе была принята аббревиатура ВРМБ — вынужденное рассеяние Манде-льштамм—Бриллюэна), а при мощностях порядка 200 мВт преобладающим становится влияние вынужденного рассеяния Рамана SRS (в советской литературе ВКР — вынужденное комбинационное рассеяние. Заметим, что подавляющее большинство литературы по этой теме на русском языке было издано в Советском Союзе). Физические аспекты перечисленных явлений будут рассмотрены в главе, посвященной оптическим волокнам. Величина суммарной оптической мощности в системах DWDM, вводимой в оптическое линейное волокно, регламентируетсярекомендациями МСЭ (ITU-T) G.692 и ограничивается на уровне + 17 дБм (50 мВт). Такой уровень обосновывается двумя факторами  допустимым влиянием нелинейных явлений и требованиями безопасности обслуживающего персонала. В этом же документе предложен алгоритм определения величины мощности каждого компонентного оптического сигнала. Следует сказать, что величина + 17 дБм установлена не окончательно и в последующих вкладах в рекомендации ITU-T увеличена до +23 дБм, в настоящее время  до +27 дБм.

Документами МСЭ, кроме указанных выше сетки оптических частот WDM систем и предельного уровня оптической мощности группового сигнала, установлены также стандарты на структуры соединений линий с WDM. Предложено три варианта структурного построения линий:

L (long) — длинная линия с пассивным участком длиной до 80 км и общими потерями до 22 дБ. В такой линии допускается включение до семи промежуточных оптических усилителей при максимальной длине линии до 640 км;

V (very) — очень длинная линия с пассивным участком до 120 км и потерями до 33 дБ. При этом допускается включение до четырех промежуточных оптических усилителей при общей длине линии до 600 км;

U (ultra) — сверхдлинная линия, состоящая из одного пассивного участка длиной 160 км без промежуточных усилителей, максимально допустимое затухание на этом участке составляет 44 дБ.

Из приведенных вариантов понятно, что определения L, V и U относятся к длине пассивного участка.

В приведенных вариантах соединений с помощью оптических усилителей компенсируются потери энергии в ОВ. Однако длина оптической линии ограничивается не только величиной потерь и скоростью передачи, но и хроматической дисперсией. Это ограничение в значительной степени может быть преодолено путем компенсации хроматической дисперсии с помощью специальных компенсаторов. Компенсаторы хроматической дисперсии могут быть дискретными и протяженными. Основу дискретных компенсаторов составляют дифракционные решетки Брэгга, а протяженные компенсаторы представляют собой отрезки волокна с отрицательной дисперсией. Дискретные компенсаторы хроматической дисперсии имеют узкую полосу пропускания. Их достоинство  они имеют малое вносимое затухание (< 1 дБ) и хорошо подходят для использования в одноволновых ВОСП СЦИ. Однако в многоволновых (многоканальных) ВОСП-СР такие компенсаторы пришлось бы ставить в каждом оптическом канале. Такой компенсатор был бы чрезмерно громоздким и дорогим. В многоканальных ВОСП-СР для компенсации дисперсии применяется специальное компенсирующее оптическое волокно с отрицательным коэффициентом дисперсии. Длина такого волокна может достигать несколько км и вносить затухание 10—15 дБ. В большинстве случаев в компенсирующее волокно распределяется на несколько необслуживаемых промежуточных пунктов, в которых устанавливается также и промежуточные усилители. Эти усилители предназначены для компенсации потерь мощности оптического сигнала при его распространении в оптическом тракте (т. е. в оптическом волокне, образующем этот тракт). Поскольку компенсатор хроматической дисперсии также вносит большое затухание, одного оптического усилителя для компенсации потерь, как правило, бывает недостаточно. Поэтому промежуточный оптический усилитель составлен из двух каскадов, между которыми включен компенсатор. дисперсии   (КД).   Структурная   схема  промежуточного   оптического  усилителя (ПОУ) представлена на рис. 3.6.

 

Вых

 

Рис. 3. 6. Структурная схема промежуточного оптического усилителя,

где: ОУпр оптический усилитель приема; ПОА переменный оптический

аттенюатор; КД компенсатор хроматической дисперсии;

ОУпд оптический усилитель передачи

Первый каскад ОУ представляет собой оптический усилитель приема (предусилитель), 2-й усилитель передачи (ОУПД). Между ними включен переменный оптический аттенюатор ПОА, последовательно с которым включен компенсатор дисперсии (КД). Назначение оптического переменного аттенюатора состоит в следующем. При системном расчете оптической линии связи и с целью минимизации ее стоимости стремятся все функциональные элементы системы свести к минимальному количеству типов и с минимальным разбросом параметров. Длины пассивных кабельных участков линии могут быть различными и вносить различные затухания и дисперсию оптических импульсов. Вследствие этого в различных ПОУ могут потребоваться разные длины компенсирующего волокна, которые вносят разные величины затухания. Для того чтобы все ПОУ имели одинаковые коэффициенты усиления и одинаковый уровень мощности сигнала на выходе, устройство, включенное между выходом 1-го каскада ПОУ и входом 2-го, должно вносить одинаковое затухание. Выравнивание затухания достигается с помощью переменного оптического аттенюатора (ПОА). Как правило, компенсирующее волокно сматывается в бухту, которая устанавливается в одном корпусе ПОУ вместе с двумя ОУ и ПОА.

В качестве иллюстрации приведенных выше вариантов структур оптических линий с DWDM на рис. 3.7 представлены системы передачи DWDM корпорации NEC (Япония) [33].

Рис. 3.7. Конфигурация системы передачи ВОСП с DWDM корпорации NEC, где:

OMUX — оптический мультиплексор; ВА бустерный оптический усилитель (ВА

Booster Amplifier); I LA линейный промежуточный оптический усилитель;

ODMUX — оптический демультиплексор; РА предварительный оптический усилитель приема.

 

Рис. 3.8. Варианты конфигураций ВОСП-СП

нейшего увеличения пропускной способности ВОСП-СР был освоен также диапазон L (long — длинный) — 1570...1625 нм и диапазон S — короткий. Расширение рабочих диапазонов до указанных L и S областей оптического спектра нашло отражение в последней версии Рек. G.692 (2002 г.) и РД 45.286.2002 [30, 32]. В работе [36] (рабочая группа мсЭ-Т И К-15) были приняты следующие обозначения диапазонов: 0 - 1260...1360 нм; Е - 1360...1460 нм; S - 1460...1530 нм; С -1530...1565; L - 1565...1626; U - 1625...1675 нм.

В магистральных системах ВОСП-СР (все рассмотренные выше системы относятся к магистральным), предназначенных для работы в диапазонах С и , используются промежуточные оптические усилители. Структурная схема такого усилителя представлена на рис. 3.9.

 

Рис. 3.9. Схема промежуточного усилителя для диапазонов C+L. C-band — С-диапазон; L- bandL-диапазон;

C-band amplifier module — усилительный модуль С-диапазона; L- band amplifier module — усилительный модуль L-диапазона; WDM-coupler — 2-диапазонный ОМ; Optical connector — оптический сщединитель; DC — компенсатор дисперсии

Как видно из схемы, каждый усилительный модуль (для С и L диапазонов) состоит из двух каскадов усиления, между которыми включены последовательно переменный оптический аттенюатор и компенсатор дисперсии.

Ниже рассмотрим экспериментальные системы ВОСП-СР с рекордными параметрами на 2003 г., описанные в работе [37]. Компания Nortel Networks (Канада) разработала и провела успешные испытания ВОСП-СР с пропускной способностью 1,28 Тбит/с (1 Гбит/с = 1012 бит/с) и дальностью передачи 1000 км [38]. Такая пропускная способность достигнута благодаря уплотнению 32 спектральных каналов с канальной скоростью передачи 40 Гбит/с. Оптический тракт системы между оконечными пунктами содержит шесть ЛОУ. Кроме дискретных эрбиевых усилителей в промежуточных пунктах в рабочее (информационное) волокно с ненулевой смещенной дисперсией вводится излучение накачки для получения распределенного ВКР-усиления (или рамановского усиления). Это излучение вводится в направлении, противоположном информационному потоку (рамановские усилители будут рассмотрены в соответствующей главе). Система работает в диапазоне С, который разбит на два поддиапазона: С, — с 1-го по 16 канал и С2 — с 17 по 32-й канал. На рис. 3.10 представлена конфигурация системы.

В системе все спектральные каналы загружены сигналами СЦИ в коде CS -RZ. Из шести элементарных кабельных участков 5 ЭКУ имеют длину по 160 км и один — 200 км с затуханием соответственно: 32,1 дБ; 31,5 дБ; 3,19 дБ; 32,0 дБ; 32,3 дБ и 40 дБ. В каждый ЭКУ, как уже отмечалось, в сторону передачи вводится оптическое излучение накачки на длинах волн 1427 нм и 1455 нм и мощностью 1 Вт (+30 дБм). Благодаря этому значительная часть длины каждого ЭКУ  около 50 км — превращается в распределенный оптический усилитель. В данной системе эрбиевые усилители имеют невыравненную амплитудно-частотную характеристику. Однако, поскольку рамановские (ВКР) усилители обладают АЧХ с противоположным наклоном, в результате частотная характеристика всего оптического тракта становится равномерной.

 

Фирма SIEMENS разработала волоконно-оптическую систему передачи со спектральным уплотнением с пропускной способностью 7 Тбит/с [39]. Конфигурация системы представлена на рис. 3.11.

В этой системе информация передается в обе стороны по одному волокну, длина которого 50 км. Передается 176 спектральных каналов с канальной скоростью СЦИ 40 Гбит/с в диапазонах С и L с межканальным интервалом 50 ГГц (или 0,4 нм). Ввод/вывод групповых сигналов в оптический тракт выполнен с помощью оптических циркуляторов. Уплотнение и разуплотнение оптических каналов выполняется с помощью оптических мультиплексоров AWG. В системе использованы также оптические разветвители  Splitter, электронные мультиплексоры/де-мультиплексоры — ETDM MUX/DEMUX, перестраиваемые оптические фильтры — BPF, направления передачи обозначены как восточное  Eastbound и западное  Westbound.

Японская корпорация NEC провела испытания экспериментальной системы ВОЛС DWDM с рекордной пропускной способностью 10,92 Тбит/с [40]. Такая пропускная способность достигается передачей 273 спектральных каналов со скоростью 40 Гбит/с в каждом канале. Передача ведется в диапазонах S (1476,81-1508,01 нм) 85 каналов, С (1526,83-1563,05 нм) 86 каналов и L (1570,01 — 1610,06 нм) 96 каналов. Общая длина 117 км. Оптический тракт состоит из двух ЭКУ, каждый из которых состоит из двух типов волокон: 40 км волокна PSCF (Р  pure, особоочищенное) и 19 и 18 км  волокно с отрицательной дисперсией. Эти волокна используются в качестве активной среды распределенных рамановских усилителей. Для этого вводится излучение накачки на длинах волн 1380 нм и 1400 нм. Конфигурация описанной системы представлена на рис. 3.12, где PBS  поляризационный мультиплексор (сумматор), TDF booster — оптический усилитель передачи на основе активного волокна TDF, DRA pump sources — источник накачки, АРС — автоматический поляризационный контроллер, Filter Top AWG — оптический демультиплексор. По пропускной способности описанная система на сегодняшний день является рекордной.

 

 

По количеству уплотненных оптических каналов рекордной является система ВОЛП DWDM, разработанная и испытанная компанией ALCATEL [41]. Конфигурация этой системы представлена на рис. 3.13.

В двух диапазонах — С и L передается 320 спектральных каналов с канальной скоростью 10,66 Гбит/с. В системе использованы следующие элементы и устройства РМ coupler — волоконно-оптический ответвитель, PRBSGenerator — генератор цифровых сигналов PRBS, C+L MUX — оптически мультиплексор для диапазонов С и L. В оптическом тракте использовано волокно с повышенной очисткой и эффективной площадью сечения А,фф = 110 мкм2. Такое волокно допускает введение в линию оптических сигналов с уровнем мощности +13 дБм на канал. Благодаря большой площади Аэфф = НО мкм2 даже при частотном межканальном интервале 25 ГГц в волокне не возникают нелинейные явления, продукты которых превышают по уровню допустимые пределы. Длина оптического тракта равна 310 км. В тракте отсутствуют промежуточные дискретные оптические усилители. Вместо них компенсация потерь энергии сигнала осуществляется малошумящим рама-новским распределенным усилением. Для этого в волокно со стороны приема вводится излучение накачки с длинами волн 1360, 1425, 1455 и 1485 нм при мощности 3,5 Вт.

Анализ описанных ВОСП-СР с повышенной пропускной способностью показывает, что увеличение длины ЭКУ и всей линии достигается   благодаря   примене-

 

65

 

 

нию оптических дискретных усилителей на передаче и приеме, использованию сверхчистых оптических волокон с минимальным затуханием, а также широким использованием распределенного рамановского усиления в рабочем волокне. Кроме того, в экспериментальной системе компании ALCATEL [41] канальная скорость не 10 Гбит/с, а несколько выше — 10,66 Гбит/с. Избыточное количество бит (0,66 Гбит) в данном случае используется для предварительной коррекции ошибок (FECforward error correction). Метод предкоррекции ошибок применяется в линиях дальней связи, особенно в подводных трансокеанских системах. Метод FEC основан на использовании кода Рида-Соломона (Рек. G.975 стандарт 1999 [42]). Для иерархии СТМ-256 FEC увеличивает битовую скорость с 9,95 Гбит/с до 10,66 Гбит/с и позволяет получить выигрыш в отношении средней мощности оптического сигнала к средней мощности оптического шума на 6 дБ при коэффициенте ошибок 10~'5. Это значит, что при заданном значении коэффициента ошибок (BERbit error ratio) снижается допустимое значение Рос/Рош, что позволяет увеличить количество протяженность регенерационной секции линии. В работе [43] показано, что для BER = 10"" при FEC с избыточной информацией 23% выигрыш по Q-фактору получается равным Q = 8,4 дБ. Полный выигрыш составляет 16,5 — 8,4 = 8,1 дБ. Поскольку скорость в канале возросла на 23%, то из-за пропорционального расширения полосы выросли и шумы, что соответствует вкладу в шум 101g(l,23) и 0,9 дБ. Следовательно, чистый выигрыш по Q-фактору составит 7,2 дБ. Это означает, что, например, если выигрыш по Q-фактору будет даже не 7,2 дБ, a AQ = 3 дБ, то использование FEC на основе кода Рида-Соломона позволяет уменьшить также и оптическое отношение сигнал/шум также на 3 дБ при сохранении заданного BER, а это позволяет в 2 раза увеличить количество промежуточных оптических усилителей или в два раза увеличить протяженность ВОСП-СР. Выигрыш в 7,2 дБ позволяет увеличить длину ВОСП-СР более чем в 5 раз. На рис. 3.14 представлены конфигурации ВОСП без FEC и с FEC и графики зависимостей оптического отношения сигнал/шум от длины линии для двух случаев — без FEC и при наличии FEC.

Таким образом, внедрение в практику последних достижений волоконно-оптических и квантово-оптических технологий, электронного временного уплотнения (ETDM) с предельно высокими скоростями передачи, плотное и сверхплотное спектральное уплотнение (UDWDM), использование оптичесредачи информации. Стимулом к дальнейшему развитию этих систем может служить снижение стоимости элементов, оборудования и систем в целом. Достигнутая пропускная способность 7 Тбит/с или 11 Тбит/с превысиких дискретных и рамановских усилителей и FEC позволили практически снять проблему повышения пропускной способности и дальности передачи в магистральных системах пе

 

ли потребности сегодняшних дней при всем разнообразии представляемых услуг связи.

В настоящее время реализованы или находятся в стадии реализации проекты сверхпротяженных ВОСП-СР — проект SAT-3/WAS, 14 тыс. км Португалия — Ю. Африка (Кейптаун), SAT-3/WASL — вокруг Африки, юга Европы и Ближнего Востока — 28 тыс. км [44] SEA-ME-WE3-40 тыс. км [45]. В ближайшее время завершится перевод трансроссийской ВОСП в режим спектрального уплотнения — протяженность около 11 тыс. км.

Серийная аппаратура ВОСП-СР

Начиная с 1997 года началось широкое внедрение систем ВОСП со спектральным разделением оптических каналов. В настоящее время оборудование для волоконно-оптических систем DWDM производят все ведущие компании мира: Lucent Technologies, SIEMENS, NEC, Nortel Networks (Канада), ALCATEL, ECI (Израиль), Хуавей (Китай), IPG (НПО ИРЭ-Полюс) Россия. Оборудование любого производителя имеет практически одинаковые параметры и оформление. Например, компания NEC (Япония) представила на рынок оборудования связи аппаратуру SpectralWave 40/80 со следующими параметрами: количество уплотненных оптических каналов 40 в диапазоне С или 80 в диапазонах С + L, скорость передачи СТМ-64 (или СТМ-16), система управления INC-100MS производства .NEC. В системе предусмотрена возможность использования FEC. На рис. 3.15 представлен общий вид стойки этого оборудования [46].

Российское предприятие НПО ИРЭ-Полюс (на международном рынке — IPG (ire polus group)) также производит оборудование «Пуск», предназначенное для передачи по одному волокну G.652 или G.655 до 160 оптических каналов в диапазоне длин волн 1530—1605 нм с возможностью передачи в каждом канале цифровых оптических сигналов от СТМ-1 до СТМ-64. В оборудовании предусмотрена возможность автоматического тестирования узлов и отдельных элементов без перерыва связи. Мощность оптического группового сигнала на выходе усилителя передачи — до +27 дБм (0,5 Вт), чувствительность оптического усилителя приема — 36 дБм, коэффициент шума 5 дБ. На рис. 3.16 представлен общий вид стойки оборудования «Пуск» (Пуск — платформа уплотнения спектральных каналов) [47].

Кроме оборудования «Пуск», в 2003 г. упоминаемое ранее отечественное предприятие ОАО РОТЕК также представило оборудование «ОСМ» для ВОСП-СР. Это оборудование производится в трех модификациях: ОСМ-004АП/Г-2и, ОСМ-008АП/Г-4,

5U, ОСМ-016АП/Г-11, 5U и предназначено для организации соответственно 4, 8 и 16 спектральных каналов одном оптическом волокне. В этих спектральных каналах перечисленные типы оборудования позволяют передавать оптические цифровые сигналы СТМ-1—СТМ-16. На рис. 3.17 представлен общий вид всех трех типов ОСМ.

В последние 2 года обострилась актуальность снижения стоимости каналов магистральных ВОСП-СР, предоставляемых оптическим сетям доступа. Эта проблема решается по двум направлениям: увеличение длины пассивных кабельных участков оптического тракта с помощью использования рамановского усиления в рабочем волокне и уменьшения за счет этого количества промежуточных дискретных оптических (эрбиевых) усилителей и применением предварительной коррекции ошибок (FEC) путем введения избыточности в информационный цифровой код. При этом существенно увеличивается протяженность безрегенерационного участка линии, что также значительно снижает стоимость оптического канала всей системы передачи.

На рис. 3.18 представлена типовая конфигурация ВОСП-СР с рамановской накачкой и устройствами предкоррекции (FEC)

 

3.7. Оптическое временное уплотнение (OTDM)

Появление и развитие новых видов услуг связи, как уже отмечалось выше (в предисловии), требует не только увеличения информационной емкости систем, но все чаще увеличения скорости передачи. Очевидно, что применение таких видов уплотнения каналов, как частотное или многоволновое, позволяет увеличивать объем передаваемой информации. Но объем информации или информационная емкость и скорость передачи информации — не одно и то же. Для переда

 

 

Рис. 3.18. Типовая конфигурация ВОСП-СР с рамановской накачкой для создания распределенного усиления в рабочем волокне за счет вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), предкоррекции ошибок (FEC). SDH аппаратура СЦИ,

FEC устройство ввода избыточности в информационный цифровой код, TRS — транспондер передачи, ОМ — оптический мультиплексор, ОУПД передающий оптический усилитель, Ян — мультиплексор ввода излучения рамановской накачки, R-ЛД рамановский лазер, ПОУ — промежуточный оптический усилитель, ОУПР — оптический усилитель приема, ОД оптический демультиплексор

чи информации о быстро протекающих процессах в реальном масштабе времени необходимы линии с высокой скоростью передачи. С течением времени потребность именно в таких системах возрастает. Так, если для передачи одного телефонного сообщения в цифровом виде достаточно скорости 64 кбит/с, то для передачи одного канала телевидения высокой четкости необходимая скорость передачи без сжатия составляет 994,3 Мбит/с (со сжатием 135 Мбит/с). Следовательно, эти потребности не снимают актуальности разработки систем с временным уплотнением. Отмеченные выше недавние успехи в области электронных элементов позволили создать системы с электронным временным уплотнением (ETDM) со скоростью передачи 40 Гбит/с. Но еще несколько лет назад считалось, что максимальная скорость для ETDM ограничивалась 10 ГГбит/с [48]. Поэтому была поставлена задача разработки оптического временного уплотнения (OTDMOptical Time Division Multiplexing). Кроме того, плотное и сверхплотное мультиплексирование спектральных каналов сопряжено со следующими технико-экономическими проблемами. При рассмотрении методов WDM отмечалось, что для обеспечения требуемых качественных показателей связи необходимо выполнение жестких требований по таким параметрам оптических несущих в каждом канале, как стабильность оптической частоты (или длины волны), ширины спектральной линии излучения, равномерность амплитудно-частотных характеристик оптических усилителей и оптического тракта. Стабилизация частоты излучения достигается жесткой температурной стабилизацией излучателей — полупроводниковых лазеров, когда уплотняется небольшое число оптических каналов. Эта задача решается без особых проблем. При уплотнении десятков (или даже сотен) оптических каналов техническая реализация резко усложняется:    резко    увеличивается    потребляемая    мощность    электропитания    (для

 

стабилизации температуры одного лазера требуется электрическая мощность до 2,5—5 Вт), непомерно усложняется система контроля параметров элементов (лазеров, транспондеров, оптических мультиплексоров). В конечном счете это приводит к снижению надежности работы системы и значительному повышению стоимости как самого оборудования, так и его обслуживания. Необходимо отметить, что, несмотря на успехи в создании оборудования DWDM и резком повышении пропускной способности ВОСП-СР, среди построенных систем нет ни одной в мире, которая работала бы под полной загрузкой. В настоящее время из известных реализованных коммерческих ВОСП-СР максимально загружена линии в США — 6 спектральных каналов с канальной скоростью 2,5 Гбит/с, в остальных ВОСП-СР, рассчитанных на 32, 40 или 80 каналов, реально загружены до 4—6 каналов. По этой причине с указанными проблемами эксплуатационщики еще не сталкивались. Однако эти проблемы очевидны, поэтому исследователи и разработчики продолжают поиски альтернативных методов увеличения не только пропускной способности, но и скорости передачи.

В работе [49] предложена схема для реализации этого метода уплотнения, представленная на рис. 3.18. Лазер с синхронизацией мод 1 синхронизируется от эталонного таймера мультиплексируемых электронных систем SDHSTM-N. Поток оптических импульсов с длительностью т и периодом следования Т через оптический усилитель 2 подается на оптический разветвитель 3, пространственно разделяющий световой поток на восемь равных частей, каждая из которых поступает на оптические модуляторы 4—8. С выхода каждого из модуляторов излучение проходит через соответствующие отрезки оптических волокон, играющих роль оптических линий задержки. При этом время задержки с выхода 1-го модулятора 4 выбирается очень малым, таким, что его можно считать равным нулю, после выхода 2-го модулятора 5 оптические импульсы задерживаются на 1/8 Тит. д., а после модулятора 8 — на время 7/8 Т. После этого с выхода всех модуляторов потоки поступают на входы сумматора 9 (это такое же устройство, как и (но включенное в обратном направлении), с выхода которого объединенный групповой поток после усиления в оптическом усилителе 10 подается в линию передачи (т. е. в оптический кабель). Для компенсации потерь (если это необходимо) в линии может быть применен промежуточный оптический усилитель 11. С выхода линии оптический групповой сигнал усиливается усилителем 12 и подается на оптический временной демультиплексор 13, синхронизируемый с помощью устройства 14. Таким образом, в описанной системе методом оптического временного уплотнения (OTDM) передается восемь цифровых информационных потоков по 10 Гбит/с. Система предназначена для передачи по оптическому волокну в диапазоне длин волн 1530...1560 нм. В системе использованы полностью оптические элементы — лазер, оптические разветвители, модуляторы, выполненные на основе электрооптических кристаллов из LiNbO3, оптические усилители и оптические линии задержки. Это полностью укладывается в перспективную концепцию создания полностью оптических сетей и систем передачи.

В настоящее время работы по развитию систем OTDM и созданию элементной базы для них продолжаются. В работе [50] сообщается об успешном испытании ВОСП с OTDM с рекордной для этого метода скоростью передачи 1,28 Тбит/с на расстояние 70 км. В этой системе применена компенсация дисперсии (хроматической и PMD) 3-го и 4-го порядка и фазовой модуляции. Продолжаются также разработки новых элементов для ВОСП OTDM [511 (полупоо-

 

Рис. 3.19. Схема реализации системы ВОЛС с оптическим временным

уплотнением (OTDM)

водниковый лазер с синхронизацией мод с модуляторами в виде одномодового волокна с решетками Брэгга.

По-видимому, наиболее перспективными можно считать системы ВОСП с оптимальным сочетанием методов WDM и OTDM. О создании такой экспериментальной системы сообщается в работе [52]. В этой системе на четырех длинах волн (т. е. четырех спектральных каналах) передается по 160 Гбит/с цифровых сигналов, сформированных методом OTDM. Длина линии была равна 240 км (3 х 80 км). В качестве передающей среды использовалось оптическое волокно Те-ra-Light (ALCATEL).

Глава 4. Оптические сети доступа

В предыдущих главах были рассмотрены методы и системы передачи, относящиеся к магистральным и региональным сегментам глобальной телекоммуникационной сети. Применение наиболее высоких наукоемких технологий позволили получить впечатляющие результаты, практически снимающие проблему повышения пропускной способности и дальности передачи. При этом использование указанных технологий, учитывая полученные результаты, с экономической точки зрения являются полностью оправданными.

Быстрое наращивание пропускной способности и дальности передачи магистральных и региональных сетей на основе ВОСП стимулировало появление и интенсивное развитие новых видов услуг связи, о которых говорилось выше. Эти обстоятельства резко повысили актуальность увеличения пропускной способности и расширения сетей доступа, включая абонентские участки. Эту задачу невозможно решить без использования в сетях доступа современных волоконно-оптических и квантовых технологий.

4.1. Документальная основа оптических сетей доступа (ОСД), определения, основные характеристики

Первые волоконно-оптические системы передачи в середине 70-х — начале 80-х годов XX века использовались в качестве соединительных линий в городских сетях связи, т. е. как раз в сетях доступа общего пользования. В Советском Союзе в таких системах использовалась аппаратура ИКМ-120, «Сопка», «Соната» первого поколения. Однако в те же годы чрезвычайно остро стоял вопрос о значительном повышении пропускной способности и протяженности магистральных систем передачи, имеющих огромное общегосударственное экономическое и стратегическое значение. Поэтому основная доля финансирования со стороны государства и основные усилия исследователей и разработчиков были направлены на всестороннее развитие этого сегмента телекоммуникационной сети. В результате этих усилий был достигнут прогресс в развитии магистральных сетей, о чем говорилось выше. Однако сами по себе магистральные сети, какими бы ни были их параметры и характеристики, никому не нужны без соответствующего уровня развития сетей доступа. В настояее время основное внимание специалистов всех ведущих телекоммуникационных компаний мира переключилось на развитие оптических сетей доступа (ОСД) (OANoptical access networks). Это отнюдь не означает, что прекратилось развитие магистральных ВОСП. Для решения проблем оптических сетей доступа была разработана концепция «последней мили» или «волокна в дом» (FTTHfiber to the home). Впоследствие в 1997 г. Международный комитет по электросвязи — МСЭ-Т (ITU-T) разработал руководящий документ — Рек. G.983 [53], в котором даны определения оптических сетей доступа, их топология (архитектура), параметры и состав оборудования. Согласно этому документу, одной из основных составляющих оптических сетей доступа являются так называемые пассивные оптические сети (ПОС) (в англоязычной литературе и документации PONpassive optical network). За прошедшие шесть лет послевыхода первой версии Рек. G.983 оптические сети, включая ОСД и ПОС, получили дальнейшее развитие, как в части топологии, использования новейших квантово-оптических и волоконных технологий, так и в части улучшения качественных характеристик традиционных и появления большого количества новых услуг связи. В результате этих процессов произошли существенные изменения самого понятия оптических сетей доступа.

В настоящее время оптические сети доступа по характеру и ведомственной принадлежности пользователя подразделяются на две категории: оптическая сеть доступа общего пользования и корпоративная оптическая сеть доступа. До самого последнего времени каждая из этих категорий ОСД развивалась самостоятельно. Сегодня корпоративная составляющая ОСД, как более платежеспособная, развивается особенно интенсивно. Вместе с тем усилилась тенденция к расширению и к востребованию передовых технологий в оптических сетях доступа общего пользования, что является одной из предпосылок слияния обоих категорий ОСД в единую широкополосную сеть доступа. Хотя обе категории ОСД развивались независимо в силу общих законов развития для обеих категорий ОСД наиболее важным и характерным является участок пассивной оптической сети.

Согласно документу [53] — Рек. G.983, оптическая сеть доступа предоставляет собой гибридную архитектуру сети, в которой цифровые оптические информационные потоки от оптических линейных окончаний — ОЛО (OLTOptical Line Terminal) по оптическим кабелям поступают на оптические сетевые блоки — ОСБ (ONUoptical network unit). От этих блоков информация к абонентам (пользователям) через сетевое окончание (СО) подается по медным кабелям (витой паре или коаксиальному кабелю). На выходах СО образуются стыки сетей пользователей. На рис. 4.1 представлен простейший вариант топологии ОСД, где: ОСБ — оптический сетевой блок; ОСО — оптическое сетевое окончание; ОЛО — оптическое линейное окончание; СО — сетевое окончание; ОК — оптический кабель, ССП — стык сети пользователя; СУО — стык узла обслуживания (предоставления услуг), FTTH (оптический кабель к дому (жилищу), расшифровка был дана выше; FTTB — оптический кабель к зданию (fiber to the building ), FTTCab — оптический кабель к распределенному шкафу [13]. асимметричные широкополосные услуги — цифровые услуги трансляций,
интернет, дистанционное обучение, телемедицина и т. д. Канал со следующими параметрами: пропускная способность нисходящего потока от 2 до 25 Мбит/с; для восходящего потока — 64 кбит/с до 2 Мбит/с;

симметричные широкополосные услуги — услуги связи для потребителей малого бизнеса, телеконференции, семинары и т. д. т. е. они относятся к корпоративному   сегменту   ОСД.    Пропускная   способность   канала   от 2,5 Мбит/с до 4 х 2 Мбит/с.

В настоящее время параметры оптических каналов ОСД обоих сегментов и передаваемый по ним объем информации претерпели значительные изменения: пропускная способность нисходящих потоков возросла до 622 Мбит/с, восходящих — до 155 Мбит/с (или иерархий скоростей СЦИ — СТМ-4 и СТМ-1) [54]. Отметим, что нисходящий поток — это поток информации от центрального узла или линейного окончания в направлении абонента (или распределительного узла ПОС), а восходящий поток — в противоположном направлении.

4.2. Пассивная оптическая сеть доступа (ПОС)

Как следует из названия документа Рек. G.983. 1 [53]: «Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON)», основой ОСД являются пассивные оптические сети (ПОС) (или PON). Название «пассивные» говорит о том, что в своей структуре ПОС не содержит активных электронных и квантово-оптических устройств и элементов: излучателей (лазеров и светодиодов), оптических усилителей, электронных усилителей, фотодетекторов, регенераторов и других элементов, требующих подведения электрического питания (автономного или сетевого). Кроме оптических кабелей, в состав ПОС входят: оптические разветвители и ответвители, оптические мультиплексоры/демультиплексоры, оптические фиксированные аттенюаторы, оптические фильтры, изоляторы и циркуляторы, соединители и распределители. Все перечисленные устройства и элементы имеют коэффициент передачи меньше единицы.

Согласно упомянутому документу, в пассивных оптических сетях используются следующие разновидности топологий: шинная или точка-к-точке; древовидная (звездообразная) или точка — много точек; кольцевая, а также различные варианты сочетания перечисленных топологий. Один из таких вариантов описан в работе [55]. На рис. 4.2 представлена конфигурация участка ПОС, в которой использованы все три разновидности топологий таких сетей.

В одном из участков представленной конфигурации ОСД использована топология «точка — много точек». Как видно из этого рисунка, пассивная оптическая сеть — это совокупность оптических соединительных линий между терминалами (окончаниями). В таких терминалах — оптических линейных терминалах (OLT) и оптических сетевых блоках (ONU) содержатся активные элементы, перечисленные выше и не входящие в состав ПОС. Наиболее распространенной в современных ПОС является конфигурация точка — много точек. Согласно Рек. G.983, один сегмент такой конфигурации может использоваться для подключения до 32 абонентских узлов, при этом длина соединительных линий может достигать 20 км, если эти линии выполнены на основе оптических кабелей с одномодовыми волокнами. Основным пассивным элементом в этом сегменте кроме оптического кабеля является звездообразный разветвитель 1 х N, где N — количество абонентов.

Рис. 4.2. Конфигурация ОСД со смешанной архитектурой

Каждый отдельный сетевой блок (ONU) рассчитан на обслуживание сотен абонентов. Иначе говоря, на базе одного сетевого оптического узла можно организовать широкополосный доступ в многоквартирном доме или офисном здании.

В современных ПОС нисходящие и восходящие информационные потоки передаются по разным каналам, организованным на разных длинах волн: нисходящие потоки от оптических центральных узлов (ОЦУ) передаются на длине волны 1550 нм, восходящие — 1310 нм. Скорость передачи нисходящих потоков к сетевым узлам ONT и блокам (ONU) равна 622 Мбит/с, восходящих (в обратном направлении) — 155 Мбит/с. От оптических сетевых узлов (ONU) или терминалов (ONT) к абонентам информация может передаваться как по оптическим кабелям, так и по металлическим. В настоящее время доведение оптического кабеля до индивидуального абонента или до жилого многоквартирного дома используется весьма редко прежде всего по экономическим причинам: достаточно дорого пока еще обходиться производство монтажных работ, высока (относительно) стоимость оконечного оборудования, а также самого оптического кабеля (около 2 тыс. долл. США за 1 км 8-волоконного кабеля). Высокая стоимость абонентского участка — основная причина медленного внедрения волоконно-оптических технологий в городских сетях доступа общего пользования, главный тормоз на пути оптического волокна к индивидуальному абоненту (А). В корпоративном сегменте ОСД ситуация существенно продвинута в сторону внедрения волоконно-оптических технологий. Основными пользователями этого сегмента ОСД являются различные коммерческие предприятия, банковские и торговые структуры, офисы различных компаний и т. д., которые могут позволить себе организацию прокладки оптического кабеля к помещениям, в которых они располагаются, и закупить необходимое оборудование. В настоящее время корпоративный сегмент способствует разезко снижаются требования к параметрам среды передачи, т. е. к параметрам и характеристикам оптического волокна, что весьма важно, преждевсего для абонентских участков;значительно снижаются требования к параметрам дискретных пассивныхоптических элементов, используемых в ПОС, что также снижает стоимостьвсей системы.

В принципе, оборудование DWDM для магистральных ВОСП-СР может быть напрямую использовано и в оптических сетях доступа. Однако такое использование упомянутого оборудования было бы крайне неэффективным, поскольку, во-первых, стоимость такого оборудования весьма высока (более 1 млн долл. США) а, во-вторых, достигнутая в магистральных ВОСП-СР пропускная способность в современных ОСД по крайней мере сегодня и в ближайшие 5 лет не нужна. Разработанное для магистральных ВОСП-СР плотное спектральное мультиплексирование — DWDM, с параметрами, регламентированными нормами Рек. G.692 и сверхплотное — UDWDM, Рек. G.694.1 [57] в современных ОСД не востребованы. Для этих сетей комитетом МСЭ-Т был разработан альтернативный метод повышения пропускной способности — метод разреженного спектрального уплотнения — CWDM (Coarce WDM). Сетка частот и другие параметры технологии CWDM регламентированы нормами документа Рек. G.694.2 [58]. Системы с разрешенным уплотнением предназначены для работы в диапазоне 1270—1610 нм. В этом диапазоне размещается 16 спектральных каналов с частотным интервалом 20 нм. Большие межканальные интервалы позволяют снизить требования к стабильности оптической частоты, допускают использование излучателей с большой шириной линии излучения (АХ); снижаются также требования к спектральным параметрам оптических мультиплексоров/демультиплексоров и к параметрам оптических волокон. В конечном счете перечисленные преимущества технологии CWDM по сравнению с DWDM дают возможность значительно уменьшить стоимость как элементной базы ОСД и ПОС, так и расходы на строительство и обслуживание этих сетей. В настоящее время начато производство оборудования для категории ПОС — E-PON, в которых используется технология CWDM и широкое внедрение этого оборудования в указанной категории пассивных оптических сетей. В,производство этого оборудования включились не только широко известные компании, такие как Nortel Networks (Канада), ALCATEL (Германия), Lucent Technologies (США), NEC (Япония), но и менее известные, например, японская фирма HITACHI. Эта фирма производит большую номенклатуру оборудования для корпоративных оптических сетей доступа. Фирма производит следующие виды аппаратуры для оптических корпоративных сетей доступа и E-PON: оптические коммутаторы Гигабит Ethernet (типы OSW-4624MX SS/SC-TTC и OSW-4624MX SS-L/SC-TTC), оптические преобразователи видов услуг — Optical Media Coverter OMC-3401FX/SSM-1310, мультиплексоры Гигабит Ethernet- с передатчиком CWDMGMX-1104CW [59]. На рис. 4.4а показан общий вид оптического мультиплексора Gigabit Ethernet с CWDM-передатчиком.

На рис. 4.46 — общий вид преобразователя Gigabit Ethernet Media Converter Внедрение технологий спектрального уплотнения в оптические сети доступа происходит с нарастающими темпами. Между тем единой идеологии в части использования упомянутых технологий CWDM или DWDM пока не существует. Несмотря на принятие комитетом МСЭ-Т рекомендаций G.983.1 — G.983.7, утвердивших использование CWDM в оптических сетях доступа, исследователи и разработчики   продолжают   прикладывать   усилия,   направленные   на   совместное

Рис. 4.4. Общий вид оптических мультиплексоров

использование в ОСД технологий CWDM и DWDM. Такую тенденцию можно объяснить тем,.что современная сеть доступа переросла границы одного города в связи с территориальным рассредоточением корпоративных абонентов и прогнозируемым значительным ростом пропускной способности корпоративных оптических сетей доступа. Выпускаемые в настоящее время на базе технологий CWDM и DWDM системы могут быть задействованы на соединительных участках длиной до 130 км. В одном из реализованных проектов на соединительном участке оптической сети доступа длиной 130 км использовалось сочетание CWDM и DWDM [60]. Для компенсации потерь в диапазоне 1480—1610 нм применен полупроводниковый оптический усилитель нового типа с полосой усиления 140 нм. В этой системе каналы DWDM размещены в одном из каналов CWDM. На рис. 4.5 представлена конфигурация ОСД с DWDM  и CWDM.

Использование технологий DWDM и CWDM в оптических сетях доступа равносильно прокладке виртуальных оптических волокон, количество которых равно числу уплотненных спектральных каналов. Эти виртуальные волокна тем не менее образуют реальные оптические каналы. Благодаря этому многократно увеличивается количество действующих маршрутов. Такая оптическая сеть доступа становится многослойной. Таким образом, преимущества внедрения технологий спектрального уплотнения не исчерпываются увеличением пропускной способности. Наличие маршрутов на разных длинах волн позволяет существенно повысить гибкость и оперативность управления сетью, динамично изменять конфигурацию участков сети, оптимизировать маршрутизацию информационных потоков, сводя к минимуму время и средства, затрачиваемые на предоставление услуг абонентам.

Для решения задач интеллектуального управления оптическими сетями доступа разработаны полностью оптические многопротокольные волновые коммутаторы MPXS, волновые маршрутизаторы и конверторы, полностью оптические MEM и другие элементы, позволяющие выполнять интеллектуальное управление ОСД на оптическом уровне.

4.4. Элементная база ОСД

Выше было отмечено, что одним из преимуществ CWDM в оптических сетях доступа является значительное снижение требований к параметрам соединительных линий и к элементам этих линий. Одним из таких элементов является оптическое волокно. Стремительное развитие ОСД в последние годы возродило интерес к использованию на абонентских участках длиной до 2—3 км многомодовых оптических волокон. Интерес к использованию многомодовых волокон (их параметры регламентированы Рек. МСЭ-Т G.651) на коротких участках A-PON и B-PON вызван следующими причинами: большой диаметр сердечника (50 или 62,5 мкм) позволяет применять дешевые источники излучения (светодиоды и полупроводниковые лазеры Фабри-Перо с большими размерами излучающих площадок), снижаются требования к геометрическим допускам при соединении волокон, что существенно снижает стоимость работ при монтаже линии. Одновременно с ростом интереса к многомодовым волокнам наблюдается также устойчивая тенденция к использованию в ОСД (прежде всего на абонентских участках) диапазона длин волн 780—860 нм (первое окно прозрачности ОВ). Интерес к этому диапазону объясняется тем, что излучатели на этих длинах волн давно освоены промышленностью и производятся многомиллионными партиями, поскольку они применяются не только в ВОСП (и не столько), но и во всей бытовой электронике (в лазерных плеерах, принтерах, пультах управления, медицинских приборах и т. д.). Кроме того, в этом же диапазоне работают фотодиоды на кремниевой основе. Эти фотодиоды не чувствительны к оптическому излучению с длиной волны более 1 мкм и поэтому не применяются в системах ВОСП для диапазонов S, С, и L. Стоимость таких излучателей и фотодиодов не превышает нескольких долл. США, в то время как цены на излучатели и фотодиоды для указанных выше диапазонов достигают десятков, сотен и даже тысяч долл. США. Очевидно, что элементная база оптических сетей доступа не ограничивается выше перечисленными элементами. Несколько лет тому назад началось производство лазеров нового типа, предназначенных для использования в ОСД, в особенности на абонентских участках — это полупроводниковые лазеры с вертикально излучающим резонатором VCSEL. Одним из достоинств лазеров этого типа является то, что поперечное сечение диаграммы направленности излучения в таких лазерах близка к круговой. Это свойство излучения лазеров VCSEL позволяет вводить его в оптическое волокно с высокой эффективностью. Кроме того, вывод излучения через верхнюю часть полупроводниковой структуры упрощает технологию изготовления этих лазеров. Высокая эффективность ввода излучения в оптическое волокно осуществляется без применения сложной и дорогой оптической согласующей системы. Все эти свойства делают лазеры типа VCSEL весьма привлекательными для применения в оптических сетях доступа. Устройство, принцип работы и параметры лазеров VCSEL будут рассмотрены в 3-й части книги.

Для решения проблемы «последней мили» или волокно в дом (FTTH) ведутся интенсивные исследования, направленные на создание дешевых и вместе с тем высококачественных оптических волокон на полимерной основе. По прогнозам, приведенным в [61], полимерные оптические волокна будут иметь высокие параметры для соединительных линий длиной не более 3—5 км и при этом обладать низкой стоимость, приемлемой для разового потребителя. Параметры и свойства полимерных оптических волокон будут рассмотрены во 2-й части книги.

4.5. Волоконно-оптические системы кабельного

телевидения как составная часть оптических сетей доступа

Оптическая сеть кабельного телевидения является составной частью ОСД и ее участка пассивной оптической сети категории B-PON. В России системы кабельного ТВ, использующие волоконно-оптические технологии, существуют с конца 70-х годов. В качестве среды передачи соединительных линий в первых системах кабельного ТВ использовался оптический кабель с многомодовыми волокнами. В настоящее время, как и прежде, в городских абонентских телевизионных сетях передаются аналоговые ТВ-сигналы.

Общие характеристики оптических аналоговых систем

Аналоговые системы волоконно-оптических линий связи применяются главным образом в сетях кабельного телевидения. В подавляющем большинстве случаев — это гибридные системы, у которых от головного центра, в том числе телестудии, информация передается по оптическому кабелю к какому-либо районному центру или нескольким центрам, от которых к абоненту сигналы ТВ поступают по коаксиальным кабелям. По своим качественным характеристикам системы ОКТВ разделяются на две категории: малоканальные (чаще всего одноканальные) системы со студийным качеством и многоканальные системы с качеством, удовлетворяющим требованиям ГОСТ для абонентского телевидения. В обоих случаях требования к параметрам линейного тракта для аналоговых систем КТВ, в том числе и для оптических, значительно более жесткие, чем для цифровых систем передачи. Так, один из основных параметров ТВ систем — отношение сигнала к эффективному взвешенному значению шума в полосе частот ТВ канала 6 МГц должно быть для студийных передач не менее 70 дБ, для абонентских — не менее 48 (46) дБ, неравномерность АЧХ-тракта в той же полосе не должна быть больше ±5%. Для того чтобы выполнить такие нормы, в системах ОКТВ в передающем модуле применяются полупроводниковые лазеры с повышенной линейностью ватт-амперной характеристики, т. е. кривой зависимости выходной оптической мощности от тока накачки лазера. Кроме того, для уменьшения шумов в оптическом тракте необходимо исключить влияние паразитной оптической обратной связи на активную область кристалла лазера. Эта обратная связь образуется вследствие отражений от неоднородностей в оптическом волокне — входного торца, мест соединений и других возможных локальных неоднородностей. Для уменьшения влияния этих отражений на передающей стороне на выходе лазера включается оптический изолятор (вентиль). Чаще всего этот элемент интегрируется в одном корпусе с лазером. Кроме того, параметры излучения лазера — длина волны, ширина линии излучения и уровень мощности — поддерживаются постоянными путем стабилизации температуры. Это достигается с помощью элемента Пельтье (микрохолодильник), встроенного интегрально также в корпусе лазера. Для уменьшения оптической обратной связи применяют оптические разъемы со скошенными торцами, т. е. разъемы, у которых торец штырька наклонен к оси под углом 7... 12° (в зависимости от типа ОР).

В приемном оптическом модуле в качестве фотодетектора применяются pin-фотодиоды с пониженным значением темнового тока. Кроме того, весьма важное значение имеет выбор схемы частотного детектора в тех случаях, когда ТВ-сигнал передается на поднесущей методом частотной модуляции. Для систем со студийным качеством это условие обязательно.

В абонентских сетях ОКТВ оптический тракт может иметь разветвления, при которых происходят значительные потери энергии сигнала. Поэтому для поддержания необходимого уровня оптической мощности на приеме в передающем модуле применяются лазеры с повышенной выходной мощностью более 10 мВт. Многие системы ОКТВ работают на длинах оптических волн 1280... 1335 нм. В тех же системах ОКТВ, которые работают в 3-м окне прозрачности ОВ, т. е. в диапазоне 1530... 1565 нм, на передающей стороне, .а также в промежуточных пунктах и на приеме могут применяться волоконно-оптические усилители.

Далее мы приводим краткие описания и основные технические характеристики некоторых практических систем оптического кабельного телевидения.

Многоканальная система волоконно-коаксиальной аппаратуры телевидения производства компаний LUCENT TECHNOLOGIES

Многоканальная волоконно-коаксиальная система кабельного телевидения AWS3020 предназначена для передачи 60 телевизионных каналов на магистральном участке по оптическому кабелю, на абонентском — по коаксиальному кабелю. Система является полностью прозрачной для передачи любого телевизионного стандарта (NTSC, PAL, SECAM). Кроме передачи ТВ-каналов, система предназначена для передачи одного канала стереофонического радиовещания, а также имеет обратный канал для организации платных услуг, сети управления и контроля работы основных узлов и блоков. Передача телевизионных программ производится в полосе частот 47...862 МГц, полоса обратного канала 5...30 МГц. Максимальная длина магистрального волоконно-оптического тракта равна 60 км. На рис. 4.6 представлена схема концевой конфигурации волоконно-оптического участка с отводами к коаксиальным абонентским участкам. Если коаксиальный участок превышает длину 500 м, в нем предусмотрено применение электронных широкополосных усилителей  (максимальная длина коаксиального участка 2 км). Кроме того, на выходе коаксиального участка (например, в многоквартирном доме) также устанавливается электронный усилитель мощности, необходимый для компенсации потерь энергии при распределении сигнала на большое количество абонентов.

Система ОКТВ AWS3020 имеет модульное исполнение. Обе передающие и приемные стойки имеют кассетную компоновку. В состав стоек входят следующие модули: передающий и приемный оптические модули, сеть управления, оптический передающий и приемный модули обратного канала, предварительный и оконечный электронные усилители, переключатели и блоки питания. На рис. 4.7 представлена структурная схема волоконно-оптического узла, где 1,2 — оптические приемники, соответственно основной и резервный; 3 — автоматический переключатель на резервный режим работы; 4 — электронный усилитель мощности; 5, 6 — блоки распределительных фильтров; 7, 8, 9 — устройства согласования с коаксиальным трактом (включая резервный); 10, 11 — оптические передающие

 

 

модули обратного канала; 12 — блок питания; 13 — источник внешнего питания; 14 — аккумуляторная батарея.

Описанный волоконно-оптический узел является одним из узлов, входящих в волоконно-оптическое кольцо, в которое вводится оптический групповой сигнал, поступающий от головного узла, имеющего аналогичную структуру. В головном узле находятся оптические передающие модули для основного, прямого тракта и оптические приемные модули для оптического тракта обратного канала.

В головном узле системы AWS3020 установлены два оптических передающих модуля (AWS3020 ТЕ/10 и AWS3020 ТЕ/12), уровень мощности которых на выходе равен соответственно +10 и +12 дБм. Ширина полосы модуляции обоих модулей равна 47...862 МГц. Передающие модули оснащены полупроводниковыми лазерами типа MWQ-DFB, имеющими квантово-размерную структуру с решеткой Брэгга. В одном корпусе с лазерным кристаллом интегрально расположены оптический изолятор, микрохолодильник (элемент Пельтье), терморезистор, выполняющий роль термодатчика, и фотодиод для контроля оптической мощности и организации цепи обратной связи для стабилизации выходной оптической мощности. Оба лазера излучают на длине волны 1310 нм.

Оптический приемный модуль AWS3020 PR/2 обратного канала оснащен pin-фотодиодом, имеет предварительный широкополосный усилитель с полосой усиливаемых частот 2...300 МГц, контроль выходного уровня и выходной усилитель мощности. Выход этого усилителя также имеет контроль (—20 дБ) и защиту от повышенного напряжения (более 2000 В).

Приемные оптические модули AWS3020 RE волоконного кольцевого узла также оснащен PIN-фотодиодом, предварительным усилителем с полосой усиливаемых частот 47...862 МГц, контролем выхода и выходным усилителем мощности. Приемный оптический модуль имеет два электрических выхода с типовым выходным уровнем 2 х 100 дБ мкВ. Входная оптическая мощность может быть от —8 до —1 дБм.

Конструктивно приемный оптический модуль заключен в водонепроницаемый корпус. Входной оптический разъем защищен от влаги и пыли крышкой-наконечником.

Оптический обратный канал передачи оснащен MQW-лазером, который модулируется входным сигналом с полосой 5...30 МГц или 2...300 МГц. Лазер излучает на длине волны 1310 нм при выходной мощности ~1 — 2 мВт (0 — +1 дБм). Лазер оснащен элементами стабилизации мощности и температуры. Имеется также цепь контроля деградации лазера.

В табл. 4.1 приведены основные технические характеристики системы ОКТВ AWS3020.

Таблица 4.1

Параметр сигнала

ТВ каналы

ЧМ - радио стерео

ЧМ - радио моно

Тип модуляции

AM-VSB

ЧМ

ЧМ

Полоса частот, МГц

47-862

87-108

87-108

Стабильность несущей частоты, кГц

±75

±12

±12

Минимальный уровень сигнала, дБ мкВ

66

50

40

Параметр сигнала

ТВ каналы

ЧМ - радио стерео

ЧМ - радио моно

Максимальный уровень сигнала, дБ мкВ

83

70

70

Наклон частотной характеристики, дБ

±6,0

±3,0

±3,0

Неравномерность частотной характеристики, дБ

±2

±3

±3,0

Стабильность уровня, дБ

±2

±2

±2

Отношение сигнал/шум, дБ

46

50

40

Аппаратура передачи сигналов телевидения и звукового вещания по оптическому кабелю производства ЗАО НПП «РОТЕК»

Предприятие ЗАО НПП «РОТЕК» (Россия) производит аппаратуру для переда-, чи по оптическому кабелю сигналов телевидения и звукового вещания со студийным качеством (аппаратура ТВ-ЗВ модели И-314 и И-412). Она предназначена для организации однопролетных соединительных линй на взаимоувязанной чети связи России с целью телевизионных программ на:

распределительные ТВ-центры;

ТВ-передатчики от распределительных центров ТВ;

распределительные узлы кабельного телевидения.

Использование аппаратуры И-314 или И-412 обеспечивает передачу по оптическому кабелю длиной до 60 км полного цветового сигнала ТВ со студийным качеством и от двух (модель Т-412) до четырех каналов стереофонических звуковых сигналов (модель И-314) в полосе частот от 40 Гц до 15 кГц. Сигнал звукового сопровождения ТВ-программы передается по одному каналу звукового вещания.

Аппаратура ТВ-ЗВ состоит из передающего и приемного телевизионных оптических модемов (ТОМ). Она обеспечивает передачу по одному одномодовому волокну «от точки к точке» одного канала ЦТВ и двух каналов звукового вещания для модели И-412, четырех — для модели И-314.

Технические характеристики аппаратуры по оптическим стыкам:

на передаче — длина волны излучения 1285...1310 нм; мощность излучения должна быть в пределах 0,5...6 мВт. Оптическое излучение модулируется по интенсивности синусоидальной поднесущей, которая в свою очередь модулируется по частоте сигналами ТВ и ЗВ;

на приеме — минимальная мощность оптического излучения на входе фотоприемника не должна превышать 5,0 мкВт.

Основные технические характеристики аппаратуры И-314 и И-412 по электрическим стыкам:

  1.  Полный размах электрического сигнала ТВ на входном сопротивлении RBX =
    75 +5% Ом должен быть равен
    Ubx = 1 В ±5% передающего ТОМ.
  2.  Полный размах электрического сигнала ТВ на выходном сопротивлении
    КВых = 75 ± 5% Ом должен быть равен 1В ±10% для приемного ТОМ.
  3.  Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе частот 500 кГц...5 МГц не должна превышать ±3%, в полосе 0,5...5 МГц — <±5%.
  4.  Дифференциальное усиление должно быть не более ±3% (для И-314), не более ±1% (для И-412).
  5.  Дифференциальная фаза: не более ±3% (для И-314), не более ±1% (дляИ-412).

6. Отношение   уровня   эффективного   значения   шума   в   полосе   частот 19 кГц..6 МГц, измеренного с универсальным взвешивающим фильтром, к сигналу яркости при полной загрузке звуковых каналов должно быть не более —70 дБ.

7. Защищенность каналов звукового тракта от внятной переходной помехи при полной загрузке остальных звуковых каналов — не менее 74 дБ .

Конструктивно аппаратура ТОМ производится в двух вариантах: настольном и стоечном.

В настольном варианте габариты как передающего, так и приемного ТОМ следующие: 505 х 95 х 320 мм, масса не более 7 кг.

В стоечном варианте передающий и приемный ТОМ имеют габариты 485 х 88 х 275,5 мм, масса не более 7 кг.

Конструкции передающего и приемного ТОМ обеспечивают возможность установки в стандартных стойках 2600(2200) х 600 х 450 мм.

Конструкции кабельных вводов обеспечивают легкий доступ к оптическим разъемам. Кабельные вводы и выводы отвечают требованиям по безопасности МЭК825-1.2.

Глава 5. Тестирование и мониторинг ВОСП

Общие положения

Проведение пусконаладочных работ и эксплуатация волоконно-оптических систем передачи информации (как и любой другой системы связи) невозможно без соответствующих измерений, тестирования и контроля параметров, определенных руководящими документами отрасли связи иМСЭ-Т. В данной главе в качестве основной цели не ставится задача подробного освещения всех аспектов обозначенной проблемы, поскольку это тема отдельной книги. Кроме того, многие аспекты этой проблемы достаточно подробно рассмотрены в таких работах, как [62, 63]. Здесь мы коснемся лишь тех вопросов, которые либо совсем не рассмотрены, либо рассмотрены на наш взгляд недостаточно в [62, 63] или в других опубликованных работах.

Оборудование ВОЛС первых поколений и сами системы передачи, в которых использовалось это оборудование, были предназначены для передачи информации на одной оптической несущей (одной оптической частоте или длине волны). Параметры этих систем регламентируются, как указывалось ранее, документами МСЭ-Т Рек. G.957 и G.691 [7, 8].

Волоконно-оптические системы передачи новых поколений используют уплотнение оптических каналов по длинам волн — WDM (см. главу 3). Параметры этих систем регламентированы в документе МСЭ-Т G.692 [30].

В соответствии с перечисленными документами, параметры для одноволновых ВОСП значительно отличаются от параметров (особенно спектральных) систем со спектральным разделением каналов — ВОСП-СР. Это отличие столь существенно, что требует разработки других методов (и методик) и средств измерений. Кроме параметров, существенно отличаются конфигурации ВОСП, построенных по нормам Рек. G.957 [7], от систем ВОСП G.691 [8] и ВОСП-СР Рек. G.692 [30]. Это отличие состоит в том, что для ВОСП по G.691 и G.692 предусмотрено применение в оптическом тракте оптических усилителей как в оконечных пунктах, так и в промежуточных. Системы ВОЛС, построенные по нормам G.657, как правило, не имеют промежуточных пунктов. Для систем ВОЛС по G.691 и ВОСП-СР предусмотрена возможность использования промежуточных оптических усилителей, что делает такие системы многопролетными (ВОСП G.657, как правило, однопролет-ные). Необходимо отметить, что для ВОСП G.691 применение промежуточных усилителей хотя и предусмотрено, и это иногда используется, но чаще всего они строятся по однопролетной конфигурации. Напротив, системы ВОСП-СР в подавляющем большинстве случаев строятся по многопролетной конфигурации с широким использованием промежуточных оптических усилителей. Для однопролетных ВОЛС к настоящему моменту создано несколько систем автоматического тестирования непрерывного контроля (мониторинга) и диагностирования состояния системы передачи. Для многопролетных ВОСП эта проблема по сей день не решена.

5.1. Тестирование и мониторинг одноволновых однопролетных ВОСП

Для проведения непрерывного контроля системных параметров однопролетных ВОСП ряд компаний создали системы, предложенные на рынке метрологического обеспечения систем связи. Рассмотрим некоторые из них.

Компания WAVETEK (ставшая недавно частью компании ACTERNA) разработала систему дистанционного контроля и диагностирования параметров волоконно-оптических линий — ATLAS. Эта система позволяет проводить непрерывный контроль оптического тракта (прежде всего оптических волокон в составе оптического кабеля) и в случае отклонения какого-либо из параметров от заданного значения (нормы) выдает аварийный сигнал или сигнал предаварии. Она состоит из центрального блока управления, оптического рефлектометра и блока коммутации оптических волокон. Этот блок предназначен для подключения к рефлектометру заданных (или по выбору) участков волоконно-оптического тракта. Блок коммутации имеет следующие параметры: вносимые оптические потери не более 1 дБ, стабильность и повторяемость по вносимым потерям — 0,01 дБ, обратные отражения — минус 40 дБ. Центральный блок управления состоит из компьютера, программного обеспечения и модема. Назначение этого блока — регулирование всех элементов системы, анализ состояния тестируемого оптического тракта путем сравнения с эталонными значениями, хранящимися в памяти компьютера. Результаты анализа (сравнения) передаются в центр управления ВОСП. В системе используется развязка зондирующего оптического сигнала рефлектометра (X = 1625 нм) и информационных сигналов (X = 1280 — 1360 нм или X = 1525 — 1565 нм). Такая развязка дает возможность осуществления непрерывного контроля и диагностирования оптического тракта без перерыва работы системы передачи.

Итальянская фирма Nicotra Sistemi spa разработала систему для непрерывного контроля и диагностирования оптического тракта ВОСП-OCN-MS (Optical Cable Network Monitoring System). Система предназначена для мониторинга волоконо-оптических городских сетей. Основой системы также является использование оптического мультиплексора с оптическим управлением. Система состоит из двух модулей: базового и дистанционного. Базовый блок состоит из: базового оптического устройства, состоящего из 4 рефлектометров (ВОУ); оптического мультиплексора O-MUX/E, управляемого блоком ВОУ; контейнера WDM/FILTER Rack, состоящего из оптических мультиплексоров и фильтров; интерфейсов аварийных сигналов OAS1 и источника питания. Дистанционный оптический модуль состоит из следующих устройств: O-MUX/O — ведущий оптический мультиплексор с оптическим управлением; O-MUX/E — оптический мультиплексор с электрическим управлением (Е), сигналы для которого поступают с O-MUX/O; WDM/F1LTER Rack — контейнер с оптическими мультиплексорами и фильтрами; интерфейсы аварийных сигналов OAS1 и источники питания.

Система имеет следующие параметры и технические характеристики:

рабочие длины волн: 1310,1550 и 1625/1650 нм;

динамический диапазон рефлектометров до 40 дБ;

вносимые потери мультиплексоров от 0,2 до 0,7 дБ;

количество входов мультиплексоров 10 или 20;

оптическая развязка мультиплексоров до 35 дБ;

контролируемая длина оптического кабеля от 5 до 200 км;

оптическая развязка фильтров до 50 дБ.

Система способна контролировать в автоматическом режиме до 128 оптических волокон.

Рассмотренные выше системы мониторинга ВОСП описаны в работе [64]. В этой же работе описана система непрерывного мониторинга, разработанная отечественным (российским) концерном «Системпром». Система позволяет без перерыва связи осуществлять непрерывный контроль состояния и параметров оптического тракта ВОСП. Основой этой системы, как и описанных выше, является оптический рефлектометр, выполненный на базе персонального компьютера с использованием специализированной платы (ячейки). Система позволяет проводить непрерывный контроль параметров оптического тракта и диагностирование его состояние. Программное обеспечение предоставляет возможность анализа получаемой информации и запуска операции обслуживания до того, как параметры возникшей локальной неоднородности в оптическом волокне и в предусмотренной неоднородности (разъем, сварка, ответвитель и т. д.) превысит допустимые значения. Система имеет следующие параметры и технические характеристики:

рабочие длины волн — 1310, 1550 и 1625 нм;

минимальный обнаруживаемый перепад затухания 0,005 дБ;

динамический диапазон 35 дБ;

точность определения расстояния до локальной неоднородности в ОВ — 1 м;

мертвая зона рефлектометра 2 м;

длина тестируемой линии 1...128 км.

Рассмотренные системы непрерывного автоматического тестирования и мониторинга проверяют параметры и состояние только пассивной части оптического кабеля, а также дискретных.пассивных элементов, входящих в состав пассивного оптического тракта: соединителей, разветвителей и ответвителей, коммутаторов и т. д. Эти системы не контролируют параметры оптического сигнала: его уровень мощности, спектральные характеристики, дисперсию оптических импульсов в процессе их распространения в оптическом тракте, режим работы излучателей (лазеров или светодиодов), фотодетекторов, оптических усилителей. Не проводится также тестирование системы по итоговому системному параметру — коэффициенту ошибок, определяющему качество услуг связи.

В контрольных точках ВОСП, параметры которых нормируются Рек. G.957 и G.691 (см. рис. 1.3 и 1.4, глава 1) уровень мощности оптического сигнала в точке MPI-S, т. е. на входе линии ограничен величиной +17 дБм (G.691). Допустимый разброс величины уровня на входе оптического усилителя передачи составляет +3 дБм относительно 0 дБм. Такой допустимый разброс говорит о том, что к точности показаний измерителей средней оптической мощности не предъявляется жестких требований, верхний же предел измерителей может не превышать +20 дБ. В точке приема — MPI-R уровень мощности определяется минимально допустимым уровнем принимаемого оптического сигнала, который зависит от скорости передачи и типа фотоприемника. Например, для ВОСП ПЦИ со скоростью 2,048 Мбит/с минимально допустимый уровень мощности оптического цифрового сигнала равен —60 дБм (фотодетектор — лавинный фотодиод), для ВОСП СЦИ СТМ-256 (40 Гбит/с) — —27 дБм для лучших типов фотоприемников [65], типовое значение — —19 дБм [66]. Для ВОСП с использованием приемного оптического усилителя (предусилителя), по нормам Рек. G.691, допустимый минимальный уровень оптического сигнала на входе предусилителя лежит в пределах —38...—33 дБм [67]. Измерения уровней мощности оптических сигналов в указанных пределах (—60...+20) дБм обеспечиваются практически всеми измерителями средней оптической мощности любых изготовителей.

Спектральные параметры оптических сигналов в одноволновых ВОСП не имеют жесткой регламентации — достаточно того, чтобы длина волны излучения оптического    сигнала    входила    в    оптический    диапазон    1280—360    нм    

1525—1565 нм. Ширина линии излучения одноволновых ВОСП по нормам G.691 и G.957 может быть от 1 нм до 0,1 нм (для ВОСП СТМ-64 и СТМ-256). Для измерений этих параметров может быть использован любой из производимых анализаторов оптического спектра (OSA).

5.2. Тестирование и мониторинг многопролетных ВОСП-СР

По сравнению с одноволновыми ВОСП, волоконно-оптические системы передачи со спектральным уплотнением имеют ряд особенностей, которыми обусловлена специфика измерений, тестирования и непрерывного контроля параметров ВОСП-СР.

5.2.1. Особенности ВОСП-СР

Как было отмечено в предыдущем разделе, ВОСП со спектральным разделением оптических каналов строятся главным образом по конфигурации, содержащей промежуточные оптические усилители. Вызвано это тем, что ВОСП-СР в подавляющем большинстве случаев являются магистральными системами передачи с большой пропускной способностью и протяженностью. Наличие в оптическом тракте ВОСП-СР промежуточных оптических усилителей (или линейных оптических усилителей — ЛОУ) дают возможность увеличить длину регенерационной секции до 1200—1500 км (для СТМ-16). Вместе с тем наличие в оптическом тракте промежуточных усилителей не дает возможности осуществления сквозного рефлектометрического контроля параметров и состояние этого трака подобно тому, как это делается для однопролетных ВОСП. Причиной этого является односторонность оптических усилителей — они пропускают свет только в одну сторону: от входа к выходу. Отметим, что принцип работы оптического рефлектометра состоит в том, что он измеряет уровень обратного рэлеевского рассеяния. Для этого необходимо, чтобы зондирующий оптический импульс, излучаемый рефлектометром распространялся в прямом направлении, а рэлеевское рассеяние — в обратном. По этой причине описанные в предыдущем разделе системы тестирования и мониторинга в линиях ВОСП-СР, имеющих в составе оптического тракта ЛОУ, не могут быть использованы.

5.2.2. Измерение спектральных параметров

Ранее в главе 3 отмечалось, что внедрение технологий спектрального уплотнения в ВОСП сопровождается значительным повышением требований как к техническим параметрам отдельных элементов и устройств, так и к общесистемным параметрам. В связи с этим становятся актуальными вопросы учета ряда факторов, нехарактерных или несущественных для одноволновых и однопролетных ВОСП. В отличие от таких систем, в ВОСП-СР чрезвычайно большое значение имеют спектральные параметры оптических сигналов и характеристик некоторых элементов систем: стабильность оптической частоты излучения в каждой спектральном канале, ширина линии излучения и частотного спектра оптических сигналов, нелинейные оптические явления, создающие перекрестные помехи между спектральными каналами, перекрестные помехи, вносимые при оптическом демультип-

 

лексировании [67]. Отсюда следует что в отличие от одноволновых систем передачи, измерение и контроль спектральных параметров в ВОСП-СР имеет очень большое значение. Технические требования на спектральные параметры ВОСП-СР определены в руководящем документе РД 45.286-2002 [32]. Эти требования определены для ВОСП-СР с частотными промежутками между каналами 100 ГГц и 50 ГГц. После этого международным комитетом МСЭ-Т был утвержден документ G.694.1 [57] для ВОСП-СР с частотными промежутками 25 ГГц и 12,5 ГГц. Отметим, что частотным промежуткам между каналами 100 ГГц, 50 ГГц, 25 ГГц и 12,5 ГГц соответствуют промежутки, выраженные в длинах волн: 0,8 нм, 0,4 нм, 0,2 нм и 0,1 нм. В главе 3 было показано, что стабильность центральной оптической частоты в спектральном канале должна быть не хуже 0,25 межканального частотного промежутка (интервала). Это значит, что для систем ВОСП-СР, спроектированных в соответствии с Рек. G.694.1, допустимый уход центральной оптической несущей, выраженный через длину волны, не должен быть больше, чем 0,025 нм. Анализ каталогов по измерительным приборам для ВОСП показывает, что большинство анализаторов оптического спектра имеют точность измерения оптической длины волны, как правило, 0,05—0,03 нм, лучшие из них — 0,01 нм. Это анализаторы оптического спектра 86140В и 86145В производства компании Agilent Technologies и прибор IQ-5312 производства компании EXFO. Известно [68], что в соответствии с законами метрологии, для измерения какого-либо параметра с заданной точностью сам измерительный прибор должен обладать, по меньшей мере, в три раза более высокой точностью. Очевидно, что ни один из производимых анализаторов оптического спектра не подходит для измерений и контроля стабильности центральной частоты оптического канала ВОСП-СР. Эта задача может быть решена только с помощью использования измерителей оптической длины волны, например, типа IQ-5320, производства компании EXFO [69]. Этот прибор имеет точность измерения длины волны не хуже ±0,003 нм.

5.2.3. Измерение и контроль средней оптической мощности в ВОСП-СР

Измерения средней оптической мощности в системах со спектральным уплотнением также отличаются некоторыми особенностями. В таких системах существует два типа оптических сигналов: индивидуальные сигналы и групповой оптический сигнал, мощность которого равна сумме оптических мощностей индивидуальных каналов. Одной из особенностей систем со спектральным уплотнением каналов является большая полоса пропускания оптического тракта, в состав которого входят следующие элементы: оптический мультиплексор (ОМ), оптический усилитель передачи ОУпд, оптический кабель ЭКУ, промежуточные оптические усилители (ЛОУ), оптический усилитель приема ОУпр (предусилитель) и оптический демультиплексор ОД. Для диапазонов С и L полоса пропускания оптического тракта равна 35 нм (для каждого из них). Согласно РД 45.286.2002, неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) тракта не должна превышать ±1 дБ (или ±20 %). Отсюда следует, что погрешность измерений средней оптической мощности в индивидуальных каналах по уровню должна быть не хуже ±0,3 дБ. Этому требованию удовлетворяют практически все приборы для измерения средней оптической мощности, имеющие погрешность измерений этого параметра не более ±0,2 дБ. максимальное значение уровня средней оптической мощности в индивидуальном канале ВОСП-СР, согласно Рек. G.692 и РД 45.281.2002, не должно быть больше, чем +17 дБм при числе спектральных каналов не (при большем числе каналов мощность в индивидуальных каналах уменьшается). Подавляющее большинство измерителей средней мощности удовлетворяют и этим требованиям.

При большом количестве спектральных каналов ВОСП-СР, которое может доходить до 160 и более, процедура измерений средней оптической мощности в индивидуальных каналах с использованием обычных приборов может занимать неприемлемо большое время, измеряемое многими часами. Отметим, что это относится и к измерениям спектральных параметров индивидуальных каналов. Поэтому для повышения оперативности измерений уровня средней мощности в индивидуальных каналах компанией EXFO разработан скоростной измеритель средней оптической мощности. Это приборы типа IQ-1613/1623/1643, они входят в состав измерительного комплекса IQ-200, предназначенного для тестирования параметров ВОСП-СР [69]. Прибор позволяет проводить измерения средней оптической мощности с частотой до 4 кГц в 256 точках. Измеритель не имеет самостоятельного отсчетного устройства. Он сопряжен с компьютером, на дисплее которого отображаются результаты измерений. Измерения проводятся по следующей схеме (рис. 5.1).

В представленной схеме в качестве скоростного управляемого оптического коммутатора используется оптический коммутатор типа FTB-9112 Optical Switch, входящий в состав упомянутого выше комплекса IQ-200. В состав этого же комплекса входит и персональный компьютер ПК.

Измерение средней оптической мощности группового оптического сигнала в контрольной точке MPI-S, а также на выходе каждого из промежуточных усилителей специфично в отношении величины уровня. Согласно последней редакции Документа Рек. G.692 (2001 г) и РД 45.286.2002, максимальный уровень группового сигнала в указанных точках может быть равен +27 дБм (0,5 Ватт), в отдельных случаях — +30 дБм (1 Ватт). Все измерители, выпускавшиеся до 2002 года, имели верхний предел измеряемой мощности не более +25 дБм (300 мВт). В 2001 году компания EXFO представила на рынок измерительных приборов измеритель типа FOT920 с верхним пределом +30 дБм, а в 2002 — +35 дБм, прибор типа FOT-923XP2, имеющий следующие технические параметры: пределы измеряемого уровня средней оптической мощности —45—+35 дБм, погрешность ±6,5%, спектральный диапазон 980—1625 нм, разрешение — 0,01 дБ, линейность ±0,1 дБ. Еще одна особенность измерений мощности группового сигнала — необходимость строгого соблюдения техники безопасности при проведении измерений, поскольку мощность излучения 0,5—1 Вт может вызвать повреждения не только глаз, но и сильные ожоги кожи.

5.3. Измерение системного параметра ВОСП-СР — Q-фактора

Основным системным параметром, определяющим качественные характеристики системы с цифровым методом передачи, является достоверность передаваемой информации. Для цифровых систем достоверность выражается через определение вероятности или коэффициента ошибок Рош, возникающих при передаче определенного количества символов или бит. В англоязычной литературе и документации (в том числе в документах МСЭ-Т) этот коэффициент обозначается аббревиатурой BER (bit-error-ratio). Для измерения этого параметра в системах передачи ПЦИ и СЦИ СТМ-1 были разработаны соответствующие измерительные средства — измерители коэффициента ошибок, широко применяющиеся в действующих системах связи. В настоящее время широкое распространение получили системы ВОЛС со скоростями передачи 622 Мбит/с и 2,5 Гбит/с и началось внедрение систем СЦИ 10 Гбит/с. Приборы для измерений Рош на таких скоростях передачи пока не существует. По этой причине тестирование ВОСП СЦИ с перечисленными скоростями по критерию коэффициента ошибок проводится для СЦИ более низких порядков вплоть до уровня Е1 ПЦИ (2,048 Мбит/с). По такому алгоритму работает, например, анализатор цифровых сигналов ПЦИ и СЦИ ANT-20 ACTERNA. Для ВОЛС со спектральным уплотнением тестирование по указанному критерию должно проводитбся для каждого спектрального канала. Такая методика измерений Рош занимает весьма большие промежутки времени — от десятков минут до нескольких часов в зависимости от скорости передачи в одном канале. Тестирование ВОСП-СР с числом каналов 16—160 потребует такой продолжительности, которая является полностью неприемлемой. Для решения проблемы было предложено использование однозначной функциональной зависимости Рош =/ — [70], в которой коэффициент ошибки является функцией отношения мощности сигнала к мощности шума. Для двоичных цифровых каналов такой функцией является функция Крампа [71], для которой существуют соответствующие таблицы. Таким образом, измерение коэффициента ошибок эквивалентно измерению отношения сигнал/шум. Для двоичных цифровых сигналов с постоянной тактовой частотой задача решается с помощью метода и устройства, предложенных в работе [72]. Измерение (С/Ш) проводится по схеме, представленной на рис. 5.2.

Как видно из схемы, измеритель С/Ш состоит из двухполупериодного бези-нерционного детектора с характеристикой у = а|х|, осуществляющего преобразование непрерывного спектра случайной последовательности импульсов; узкополосного фильтра, выделяющего первую гармонику из дискретной составляющей преобразованного спектра сигнала; двух квадратичных инерционных детекторов с характеристиками у = ах2, один из которых выпрямляет синусоидальное напряже ние первой гармоники, пропорциональное сигналу, второй — сумму сигнала v шума в полосе частот линейного тракта фотодетектора. Полученные напряжения вычитаются при помощи схемы разности, выходное напряжение которой однозначно связано с квадратом напряжения шума на выходе линейного усилителя фотодетектора. Это напряжение, а также напряжение с выхода квадратичного детектора, выпрямляющего первую гармонику в узкой полосе частот, подаются на логарифмирующие устройства с характеристиками 21. Выходные напряжения с выходов логарифмирующих устройств вычитаются с помощью второй схемы разности, выходное напряжение которой однозначно связано с отношением Рс/Рщ на выходе фотодетектора. Это отношение в свою очередь линейно связано с отношением оптической мощности сигнала к мощности оптического шума на входе фотодетектора (при условии малости темнового тока фотодетектора и тепловых шумов, которое обычно в оптических системах связи соблюдается). Эта однозначная связь позволяет проградуировать показания прибора в значениях отношения ис/иш (Рс/Рш) в децибелах и проводить измерения этого параметра без нарушения связи. По приведенной на рис. 5.2 структурной схеме была изготовлена небольшая партия приборов, с помощью которых были проведены измерения С/Ш в оптических линиях связи.

Аналогичный метод использования однозначной связи коэффициента ошибки Рош с отношением Рс/Рш был использован сотрудником лаборатории Белл (США) С. Персоником в 1973 г. Им был предложен метод оценки коэффициента ошибки Рош с помощью анализа т. н. глаздиаграммы, которая получается естественным образом на экране осциллографа или дисплея и представляет собой наложение большого количества реализаций цифрового двоичного сигнала в пределах одного тактового интервала. На рис. 5.3а представлен образец глаздиаграммы реального сигнала СЦИ СТМ-16, который выделяется на выходе линейного электронного усилителя в цепи фотодетектора. На рис. 5.36 представлены диаграммы выходных напряжений сигнала и шума, где ц, 0 — среднее значение напряжений электрического тока при битовых посылках, соответствующих 1 или 0; ст, 0 — стандартное отклонение от среднего значения (шум или дисперсия), соответственно для 1 или 0.

Поскольку при допустимых уровнях оптического сигнала на входе фотодетектора ток 1ФД вызванный оптическим излучением, пропорционален оптической мощности, то среднее значение ц, 0 и дисперсии а, „ для электрического сигнала линейно связано с соответствующими характеристиками оптического сигнала. Линейная зависимость 1ФД = f(PonT) дает возможность с достаточно высокой точностью оценивать величину Рош, с помощью анализа глаз-диаграммы оптического цифрового сигнала без вмешательства в электронный тракт фотоприемного оборудования аппаратуры СЦИ, который в большинстве случаев выполняется интегрально с фотодиодом на одной подложке. На практике анализ глаз-диаграмм осуществляется с помощью измерительной оптической головки, входящей в состав измерительного прибора. Оптический сигнал на вход этой головки подается с выхода

 

1%-го (или 10%) оптического ответвителя, включаемого в оптический тракт линии передачи. При этом измеряются вышеупомянутые параметры ц, 0 и ст, 0, а коэффициент Рош (или BER) определяется посредством вычисления т. н. фактора Q (Q-фактор):

 

Вработе [73] получена аналитически и подтверждена экспериментально функциональная связь:

                           (5.1)

Коэффициент ошибок Рош в зависимости от Q равен [73]:

 

)

 

                                        (5.2)

На рис. 5.4 представлена кривая зависимости коэффициента ошибок (BER) от фактора Q, выраженного как в дБ (нижняя горизонтальная ось), так и в разах [75].

Компания ACTERNA разработала прибор OQM-200 Opt. Q-Factor Meter для измерений Q-фактора. Прибор входит в состав измерительного комплекса ONT-30 [76]. Он позволяет проводить измерения Q-фактора в течение 30 сек. Аналогичный измеритель Q-фактора производит также японская фирма Fujitsu.

5.4. Метод непрерывного контроля многопролетных ВОСП-СР

В этом разделе рассматривается метод решения проблемы непрерывного контроля ВОСП с многопролетным оптичееким трактом. В разделе 5.1 были описаны системы непрерывного сквозного контроля для однопролетных ВОСП. Эти системы основаны на использовании оптических рефлектометров.

. Работа этих приборов основана на измерении обратного рэлеевского рассеяния, которое распространяется в направлении, противоположном зондирующему сигналу. Включение рефлектометров на оконечных пунктах в многопролетных линиях обеспечивает контроль параметров только на первом и последнем ЭКУ. Поскольку в промежуточных пунктах линии связи установлены оптические усилители, пропускающие излучение только в прямом направлении, сквозной контроль тракта между точками MPI-S и MPI-R оказывается невозможным. Кроме того, максимальная дальность действия лучших современных рефлектометров не превышает 350 км, тогда как длина регенерационной секции многопролетной ВОСП-СР может достигать 1200-1500 км.

Одним из методов решения проблемы сквозного непрерывного контроля является организация канала обратной оптической связи между прямым и обратным информационным волокном в каждом пункте установки ЛОУ [73, 74]. Конфигурация схемы реализации этого метода представлена на рис. 5.5, где TRS — транс-пондер передачи, ОМ — оптический мультиплексор, ОУ — оптический усилитель передачи и приема), ЛОУ — промежуточный (линейный) усилитель, блок ТК и СС — узел телеметрического контроля и служебной связи.

Поскольку оптические усилители как на оконечных, так и в промежуточных пунктах для обоих направлений (прямого и обратного) находятся в одной точке, то организация обратных каналов для прохождения сигналов обратного рэлеевского рассеяния на выделенной длине волны не представляет большой проблемы. Для осуществления сквозного контроля по такой схеме необходим специальный рефлектометр с раздельным входом и выходом для зондирующего и обратного сигналов.

Наиболее простым способом организации непрерывного контроля ЭКУ является применение оптических рефлектометров в каждом пункте и передача полученных результатов в виде цифровых данных по выделенному каналу на X1510 нм для ТК и СС, который предусмотрен рекомендациями G.692. При использовании этого способа следует учитывать два фактора: необходимость дополнительного питания и высокую стоимость рефлектометров. Проблема может быть решена путем использования компромиссного варианта, суть которого состоит в

следующем. Очевидно, что цель контроля параметров и состояния ЭКУ состоит в непрерывном измерении затухания в волокне и потерь в дискретных элементах — местах сварок строительных длин волн ОК, соединителей, ответвителей и других элементов, а также обнаружение возникающих трещин и изгибов ОВ и определение расстояния до этих трещин и изгибов. Первая из этих задач — измерение и контроль затухания решается с помощью встроенных во всех оптических усилителях на входе и выходе однопроцентных ответвителей. С их помощью измеряется мощность оптического группового сигнала на выходе усилителя передачи и на входе следующего ЛОУ. Полученные данные по каналу ТК и СС передаются на оконечные пункты, где информация отображается на дисплее и записывается в память компьютера.

Для фиксации возникшего в ОВ повреждения и определения расстояния до него в пункте каждого ЛОУ вместо рефлектометра целесообразнее использование оптических локаторов — измерителей места обрыва. Эти приборы фиксируют сигналы френелевских отражений от локальных неоднородностей. Энергия этих сигналов более чем на два порядка превышает энергию сигналов рэлеевского рассеяния, поэтому чувствительность оптических локаторов может быть значительно более низкой, чем у рефлектометров. Этим обстоятельством обусловлена относительная простота и, следовательно, низкая стоимость таких приборов. Они более чем в десять раз дешевле рефлектометров, имеют значительно меньшие габариты и вес, а также малую потребляемую электрическую мощность. Среди серийно выпускаемых в настоящее время оптических локаторов можно назвать прибор Optical Fault Locator-630 фирмы Datacom Textron, а также волоконный локатор ВЛ-Зх «Обрыв», разработанный Институтом информационных технологий (г. Минск). Последний из названных приборов имеет следующие технические характеристики: рабочие длины волн 1310 ± 20 нм и 1550 ± 20 нм, максимальная длина измеряемого кабеля 120 км, динамический диапазон 30 дБ, погрешность от 1 до 30 м, вес 1 кг, габариты 220 х 35 х 10 мм. Применение таких приборов в каждом промежуточном пункте может обойтись дешевле одногорефлектометра.

В целом же проблема тестирования и непрерывного контроля многопролетных ВОСП-СР до настоящего времени не решена.

Часть 2. Элементная база ВОСП.

Пассивные оптические элементы

Общие положения

Развитие волоконно-оптических систем передачи информации продолжает поражать воображение своими результатами. Особенно это относится к магистральному сегменту всемирной сети связи. Достигнутая пропускная способность почти 11 Тбит/с с использованием технологий WDM [40] или скорость передачи 1,28 Тбит/с, полученная методом OTDM [50], а также дальность передачи 80000 км при скорости 40 Гбит/с [78], как уже отмечалось, перевернули на 180° ситуацию, когда потребности в увеличении пропускной способности и дальности передачи опережали возможности систем связи на обратную, теперь возможности кабельных систем далеко опережают современные потребности общества. Сегодня разработчики и создатели волоконно-оптических систем передачи в поисках рынков сбыта вынуждены заниматься не только техническими разработками, но и изобретать новые виды услуг связи. Под давлением указанных обстоятельств в настоящее время стремительно развиваются оптические сети доступа, о чем говорилось в 4-й главе.

Все это стало возможным благодаря огромным достижениям в разработке принципов и технологий производства основных элементов ВОСП. Это прежде всего оптические волокна (ОВ), генераторы высокогерентного оптического излучения — полупроводниковые лазеры различных типов и назначений, высокоэффективные фотоприемники, волновые конверторы и маршрутизаторы и ряд других элементов. Параметры некоторых из перечисленных элементов, например оптических волокон, вплотную подошли к теоретическому пределу. Технология производства перечисленных элементов сегодня достигла такого уровня, который позволил наладить их серийное производство в необходимых количествах и по приемлемым ценам.

Принципы работы и устройство большинства элементов ВОСП давно известны и описаны в ряде фундаментальных работ, опубликованных в 70—90 годах прошедшего века. В данной работе мы коснемся общеизвестных принципов и характеристик элементов ВОСП лишь в той степени, которая необходима при рассмотрении таких аспектов, которые ранее или не рассматривались совсем, или были освещены недостаточно. Кроме того, следует учесть, что написанные ранее, в 60—90 годы, книги в наше время не переиздаются, новых же книг крайне мало и издаются они мизерными тиражами (1—3 тыс. экземпляров).

Необходимо отметить, что основой современных волоконно-оптических систем передачи являются оптические излучатели, представляющие собой квантовые генераторы световых колебаний, оптические квантово-электронные фотодетекторы, оптические усилители, в которых происходит усиление света, т. е. размножение фотонов, среда распространения оптического излучения (потоков квантов света — фотонов) — светодиоды или оптические волокна. Все перечисленные составляющие ВОСП можно считать квантовыми системами. В этой части книги мы рассмотрим пассивные элементы ВОСП: оптические волокна, оптические кабели, дискретные пассивные элементы (ответвители, разветвители, коммутаторы, оптические мультиплексоры и некоторые другие элементы).

Глава 6. Современные оптические волокна

Вместе с оптическими квантовыми генераторами света (лазерами) и фотодетекторами, оптическое волокно является основой волоконно-оптических систем передачи. В настоящее время производится и используется два типа оптических волокон: многомодовые и одномодовые, каждый из которых в свою очередь подразделяется на подтипы или варианты. Почти все оптические волокна изготовляются из чистого кварца с некоторыми небольшими примесями других элементов. В небольших пока количествах производятся также полимерные оптические волокна. Прежде чем проводить анализ параметров и характеристик оптических волокон, представляется целесообразным рассмотрение принципа работы ОВ.

6.1. Физические принципы работы оптического волокна

Все три составляющие волоконно-оптических систем передачи информации: оптические квантовые генераторы(лазеры), испускающие кванты света — фотоны, фотодетекторы, превращающие фотоны в электроны, и среда, в которой распространяются фотоны, — оптическое волокно, являются квантовыми системами.

Состояние квантовых систем в энергетическом отношении характеризуется энергетическими уровнями и описывается выражением [79]

       (6.1)

где U(a>|2) и U(a>2,) — плотность энергии излучения на частоте ю в единичном интервале частот, В|2 — вероятность квантового перехода из состояния 1 в состояние 2 (1-»2), N, — количество частиц на уровне 1.

Уровень 1 — это основной, невозбужденный энергетический уровень квантовой системы. Левая часть выражения (1) характеризует поглощение квантов энергии и переход частиц на верхний энергетический уровень 2. А2, — коэффициент или вероятность спонтанного излучения, т. е. случайного перехода частиц из уровня 2 на уровень 1 (2-»1), В2, — коэффициент стимулированного или вынужденного излучения квантов света (2-»1), N2 — количество (населенность) частиц на уровне 2. Анализ выражения (1) показывает, что квантовая система может иметь три состояния (рис. 6.1). Состояние (а), при котором количество частиц на нижнем невозбужденном состоянии N, больше, чем на верхнем уровне — N2 (т. е. N, > N2). Для такой ситуации U(a>2:)B2,N2 = 0. Система находится в устойчивом состоянии и является поглощающей (она может только поглощать фотоны, причем, наиболее интенсивно те из них, частота которых совпадает с соГ2). Второе состояние (рис. 6.16) — это то, при котором N2 s N,. В этом случае количество частиц на верхнем (2) и нижнем (1) уровнях приблизительно одинаково. При этом также U(a>2l)B2,N2 = 0, а вероятности переходов с верхнего на нижний уровень и наоборот приблизительно равны. Система с таким энергетическим состоянием является нейтральной по отношению к падающей на нее энергии (конечно, до некоторого предела), т. е. прозрачной. При третьем состоянии системы N2 > N, (рис, 6.1в) она описывается полным выражением (1). Такая квантовая система становится излучающей, и, если ее не поддерживать с помощью внешнего вынуждающего излучения, она будет неустойчивой.

 

Реальные вещества чаще всего характеризуются 1-м энергетическим состоянием. Выше отмечалось, что поглощаются те фотоны, частота которых со 12 совпадает с частотой перехода с уровня 1 на уровень 2. Поскольку энергия фотона ИЛ = /гсо, то это означает, что для перевода электрона с невозбужденного уровня 1 на возбужденный уровень 2 энергия фотона должна быть равной разности энергий между упомянутыми энергетическими состояниями. При этом происходит поглощение фотона. Этот вид поглощения происходит на уровне электронных переходов в атоме. Существуют и другие причины (и виды) поглощений.

Рассмотрим причины потерь энергии оптического сигнала при его распространении в оптическом волокне. Известно [80], что мощность оптического излуче-ния(т. е. в нашем случае оптического сигнала) равна:

(6.2)

где: N — целое число (от 0 до N) — количество фотонов /zvc в полосе частот Avc, h — постоянная Планка, vc — оптическая частота. Поскольку h — константа, vc и Avc при распространении не изменяются, то уменьшение мощности излучения обусловлено уменьшением N, т. е. числа фотонов. Почему исчезают фотоны в процессе распространения в оптическом волокне станет понятным, если рассмотреть строение и свойства твердого тела, каковым является кварц — основной материал для изготовления оптических волокон для связи.

В соответствии с представлениями современной физики, все вещества, включая твердые тела, состоят из микрочастиц: молекул, представляющих собой структуру из атомов, связанных силами взаимодействия, а также свободных атомов и электронов. Микрочастицы не являются неподвижными, застывшими — они непрерывно совершают определенные виды движений и обладают некоторой энергией. Величина этой энергии зависит от температуры, но даже при абсолютном нуле (—273°К) микрочастицы совершают т. н. нулевые колебания [81]. При повышении температуры энергия колебаний возрастает, причем, это возрастание в соответствии с квантовой теорией происходит не непрерывно, а скачками, дискретно. Иначе говоря, энергетические сотояния микрочастиц имеют квантовый характер. Атомы вещества состоят из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и электронов, имеющих отрицательный заряд, в сумме по абсолютной величине равный заряду ядра. В результате атом является электрически нейтральным. Вместе с тем, поскольку атом представляет собой систему пространственно разнесенных электрических зарядов, его можно считать электрическим диполем. Входящие в состав атома электроны находятся в различных энергетических состояниях, т. е. на различных энергетических уровнях относительно ядра. Электроны, расположенные на минимально допустимом расстоянии от ядра, имеют наименьший энергетический уровень. В обычном, равновесном состоянии на этом уровне находится большинство электронов, но некоторое количество электронов занимают более высокие уровни. В пределах своих энергетических состояний электроны совершают колебения. Таким образом, атом представляет собой осциллятор, энергетическое состояние которого может принимать ряд дискретных значений [81, 82]:

 (6.3)

где: £=1,2, 3... номер энергетического стационарного состояния.

Под воздействием внешних сил электроны могут переходить с низкого на более высокий энергетический уровень, поглощая при этом часть энергии внешнего воздействия. Один из таких механизмов поглощения фотона был рассмотрен выше (фотон можно рассматривать как внешнее воздействие). В твердых телах атомы входят в состав молекул, количество которых в одном см3 доходит до 1023—Ю25 [83]. При такой плотности молекулы, совершающие различные виды движений, воздействуют друг на друга. В результате взаимодействий молекулы приобретают различные формы и ориентации. В процессе взаимодействия изменяются также энергетические состояния молекул и атомов, выражающихся в том, что повышается вероятность спонтанных переходов электронов с одного энергетического уровня на другой. При этом переходы совершаются как с более низкого уровня на более высокий с поглощением фотонов, так и с высокого на более низкий уровень с выделение фотонов. Изменения энергетических состояний атомов приводят к изменениям энергетических состояний самих молекул. Как и для атомов, энергетические состояния молекул (об этом говорилось выше) также имеют дискретный характер. Это значит, что при переходе из одного состояния в другое поглощается или излучается квант энергии (в частности, фотон). Если энергия фотонов внешнего излучения удовлетворяет приведенному условию /гуф > ДИ7, то эти фотоны буду поглощаться. В результате поглощения оптическое излучение мощностью Рвх отдает среде часть своей мощности [84]:

где: S— вектор Умова—Пойнтинга; с — скорость света; со — частота поглощаемого (или излучаемого) фотона; Nmколичество частиц на нижнем энергетическом уровне; Nn — на верхнем.

При Nm > Nn происходит поглощение фотонов. Приведенное выражение получено для мощности, поглощаемой в единице объема V. Рассмотренный выше процесс поглощения фотонов на атомном уровне требовал равенства энргии фотона разности энергий между верхним и нижним стационарным состоянием. Для кварца величина этой энергии очень велика и лежит в далекой ультрафиолетовой части спектра. Фотоны видимой и инфракрасной части спектра за счет электронных переходов на атомном уровне в кварце не поглощаются. С уменьшением частоты энергия фотонов уменьшается (см. формулу 6.2). При некоторых значениях частоты энергия фотонов становится сопоставимой с энергетическими колебательными состояниями молекул (т. е. с энергией оптических фононов). При этом в результате взаимодействия происходит поглощение фотонов с выделением оптических фо нонов, т. е. многофононное поглощение. Как известно [81] фононы являются переносчиками тепла, поэтому такой вид поглощения фотонов называют также тепловым поглощением. Для кварца тепловое поглощение заметно начинает проявляться на длинах волн выше 1680 нм., после которого оно растет экспоненциально.

По отношению к атомам и электронам, входящим в состав молекул, силы

молекулярного взаимодействия выступают в роли внешних сил (или воздействий). В результате взаимодействия молекул твердого вещества, не подверженного внешним силам, изменяются не только их энергетические состояния, но также и поляризуемость, форма и расположение (ориентация). Изменение этих характеристик называется естественной анизотропией микрочастиц. Чаще всего под внешним воздействием понимается внешнее электрическое или магнитное поле (или и то, и другое). При напряженности внешнего электрического поля Е = 0 молекулы в твердом веществе ориентированы произволно, без преимущественного направления, когда все ориентации равновероятны, т. е. распределение частиц изотропно [85]. Известно [86], что показатель преломления (п), диэлектрическая проницаемость (е) и поляризуемость вещества (dp) связаны следующими функциональными зависимостями:

(6.5) где: ц — магнитная проницаемость, для кварца ц = 1, тогда п = Те,

 т.е.      (6.6)

В формулах 6.5 и 6.6 диэлектрическая проницаемость, поляризуемость и коэффициент преломления — это усредненные значения, которые приводятся в справочных материалах. Из приведенных зависимостей следует, что хаотическое распределение поляризуемости молекул влечет за собой также хаотическое распределение показателя преломления или оптической плотности. Иначе говоря, в твердом вществе существуют пространственные микрофлуктуации показателя преломления, т. е. среда оптически неоднородна. Размеры этих неоднородностей много меньше длины волны излучения.

При напряженности внешнего электрического поля Е > 0 среда находится под воздействием этого поля. Роль внешнего поля может играть оптическое излучение, которое является потоком фотонов (см 6.2). Процесс распространения фотонов в твердом теле представляет собой взаимодействие исходных (внешних) фотонов с энергией /zvH = WK с микрочастицами вещества. Молекулы совершают несколько типов движений: электронные, колебательные, поступательные и вращательные [81, 82, 84] с соответствующими стационарными энергетическими уровнями: ПК,, Wy., Wn, Wa. Если электронный тип колебаний обусловлен кванто-во=электронными переходами на атомном уровне, то остальные типы колебаний — это упругие механические колебания, которые возбуждают в веществе волны упругости — акустические волны. Энергия этих волн, подобно электромагнитным, также квантована и эти кванты называются фононами. Таким образом, энергетические состояния молекул характеризуются энергетическим уровнем электронных колебаний hvm и упругих колебаний ham, где ш, — частота собственных колебаний молекулы. Молекулы могут поглощать и испоускать фотоны и фононы. При взаимодействии исходных фотонов hvu с микрочастицами происходит несколько процессов. Первый из них состоит в следующем. В соответствии с выражением 6.3 молекулы могут иметь ряд энергетических состояний. Основное состояние соответствует нормальной температуре Wm. Если энергия внешего или исходного фотона соответствует энергии электронных колебаний то при взаимодействии фотона с молекулой происходит его поглощение с практически одновременным испусканием нового фотона с такими же квантовыми состояниями (частота, фаза, поляризация и направление) [84]. Кроме переизлучения фотонов происходит также изменение ориентации молекул-диполей (или мультиполей) в соответствии с результатом суперпозиции векторов напряженности электрических полей молдекул-диполей и фотонов. Это изменение связано с ориентацией вектора Умова—Пойнтинга внешнего поля (т. е. исходного фотона) [85]. При достаточно большом количестве фотонов можно не принимать во внимание дискретность фотонов и считать излучение переменным электрическим полем [81, 82, 84], оказывающим ориентационное воздействие на молекулы. Внешнее поле ориентирует большинство молекул в соответствии с вектором Умова-Пойнтинга, т. е. в направлении оптического потока. Вместе с тем следует учитывать статистический характер как фотонного потока, так и упоминаемое выше хаотическое расположение молекул и статистический характер самого взаимодействия. Вследствие этого некоторая часть молекул либо вообще не переориентировалась, либо это произошло в недостаточной степени. В результате относительно небольшое количество переизлученных фотонов, не изменяя энергии, т. е. частоты, изменили траекторию движения, отклоняясь в сторону от направления основной части потока фотонов. Это небольшое количество отклонившихся фотонов образует т. н. Рэлеевское рассеяние, называемое также молекулярным или упругим. Интенсивность этого рассеянного излучения определяется по формуле [83]:

 

  (6.7)

где: к — постоянная Больцмана, Т— абсолютная температура, X — длина волны излучения, п — показатель преломления среды (вещества), Р — плотность, Р — сжимаемость вещества.

Конкретная часть рассеянной энергии, перехватываемая оптическим волокном, определяется из выражения f87]

П

4я,

где: NA — числовая апертура волокна;

п, — показатель преломления сердечника.

Как видно из приведенных выражений, при Рэлеевском рассеянии потери мощности излучения обратно пропорциональны четвертной степени длины волны. Это обстоятельство является основной причиной того, что с уменьшением длины волны затухание излучения быстро возрастает. Рэлеевское рассеяние происходит во все стороны, поэтому большая часть излучения рассеяния происходит через оболочку волокна и покидает его, остальная часть распространяется в направлении распространения основного потока, а часть — в обратном направлении.

Выше отмечалось, что все рассматриваемые процессы относились к единице объема. Отношение мощности рэлеевского рассеяния в единице объема мощности исходного излучения для одной из линейных координат объема представляет собой коэффициент рэлеевского рассеяния на единице длины: ас = -£■(—), тогда Ри  км

на длине L)

  (6.9)

Соотношение 6.9 определяет затухание оптического сигнала в волокне длиной L и носит название закона Бугера [80].

Выше рассматривался процесс распространения оптического излучения в неограниченной материальной среде. Для кабельных систем связи необходима направляющая среда распространения. В современных ВОСП такой средой является цилиндрический стержень из химически чистого кварца SiO2 с необходимыми присадками. Этот стержень состоит из двух частей — сердечника и оболочки. Поперечное сечение такого цилиндра имеет вид двух концентрических окружностей, внутренняя — это сердечник и окружающий его слой — оболочка. Сердечник и оболочка имеют разную величину показателя преломления — сердечника пь оболочки — п2, при этом п, > п2. Фактически такая направляющая среда представляет собой диэлектрический волновод, в котором распространяются электромагнитные колебания оптического диапазона частот — порядка 10м Гц. На рис. 6.2 представлен продольный разрез такого волновода (сечение проведено через ось цилиндра). На входной торец цилиндра под углом ф0 (относительно оси) вводится луч света. Преломляясь на границе воздух — кварц (торец световода) под углом ср,, луч падает на границу сердечник — оболочка под углом 90° — ср,. Преломление луча при прохождении через границу воздух — сердечник подчиняется соотношению

  (6.10)

Соотношение (6.6) носит название закона Снеллиуса. Этому же закону подчиняется процесс преломления при прохождении луча через границу раздела любых сред, в том числе сердечник — оболочка. При ср2 = л/2 преломленный луч распространяется вдоль границы сердечник — оболочка,

 

При дальнейшем увеличении угла [3 (или уменьшения ф, и ф0) наступает полное внутреннее отражение света, максимальное значение угла ф0 на входе волокна, при котором соблюдается условие (6.11), называется критическим углом,а соотношение  

  (6.12)

называется числовой апертурой оптического волокна [28]. В этом выражении п0 — это показатель преломления окружающей среды. Для воздуха п0 = 1, поэтому выражение (6.12) можно записать в виде: NA = SincpKP = (п,2 - п22)0'5- Многократно отражаясь от границы сердечник — оболочка, луч света доходит до выходного торца цилиндра (ОВ), распространяясь по сердечнику. Очевидно, что так же будут распространяться и лучи, введенные под углом ф0 < фкр. При таком рассмотрении процесса распространения излучения в ОВ создается мнение, что падение и отражение света на границе сердечник — оболочка происходит в одной точке и поэтому из химически чистого вещества (кварца) должен быть выполнен только сердечник волокна. В действительности при полном внутреннем отражении световые волны проходят из более плотной среды (п,) в менее плотную (п2) на некоторую глубину и, проходя параллельно оси волокна некоторое расстояние D (рис. 6.3), луч входит в более плотную среду (сердечник) под углом, равным углу падения [28]. Таким образом, при полном внутреннем отражении падающий и отраженный лучи смещены на некоторое расстояние D (Сдвиг Гуса—Хенхена), которое зависит от длины волны излучения и угла падения луча на границу раздела. Из этого следует, что если оболочка изготовлена из не очень чистого материала, то она будет вносить затухание. Следовательно, при изготовлении двухслойных оптических волокон для сердечника и оболочки применяются химически чистые вещества.

При рассмотрении процессов отражения света от поверхности раздела двух сред нужно учитывать степень поляризации излучения. Если падающее на поверхность излучение не имеет выраженной поляризации (естественный свет), его можно разложить на две плоско поляризованные составляющие [28], одна из которых поляризована в плоскости, перпендикулярной поверхности раздела, — Is, вторая — параллельной — 1р. На рис. 6.4 представлено семейство кривых — графиков зависимости величины отражения Is и 1Р (от поверхности раздела двух сред) от угла падения ф.

 

 

На этих графиках кривая I соответствует Is, II — естественному свету, III — составляющей 1Р. Анализ кривых показывает, что коэффициент отражения компоненты Is всегда больше, чем у компоненты 1р, причем для компоненты 1р при Фа = 1gn2ln\ коэффициент отражения равен нулю, так что отраженная часть светового потока является полностью поляризованной (ср = arctg njn^ называется углом Брюстера). Отмеченное явление будет учтено при рассмотрении поляризационной модовой дисперсии (PMD) и поляризационных модовых потерь (PML).

При анализе процесса распространения оптических лучей вдоль сердечника двухслойного световода (рис. 6.2) отмечалось, что значение показателя преломления сердечника п,, оболочки — п2, причем п, > п2, т. е. предполагается что величина показателя преломления сердечника постоянна вдоль радиуса сердечника ОВ. В общем случае форма кривой зависимости п, = по/(г,) может иметь различный вид, который носит название профиля показателя преломления световода. В случае, когда п, = Const, такой профиль, как и само волокно, называется ступенчатым. Понятно, что в волокне будут распространяться все лучи, введенные в диапазон углов О...фкр. Луч, введенный под углом ср = 0, пройдет по центру (оси) волокна, т. е. минимальное расстояние, равное длине волокна, а луч, введенный под углом фкр, — максимальное, равное Lmax = M 2r,/Sin(pi, где г, — радиус сердечника волокна, М — количество отражений луча от границы сердечник — оболочка ОВ. Все лучи, проходящие в плоскости, в которой лежит ось волокна, называются меридиональными, те же лучи, которые не пересекают ось ОВ, называются косыми или сагитальными. Поскольку крайний луч проходит максимальную длину пути, он приходит к выходному торцу световода с большой временной задержкой по сравнению с осевым лучом. Рассмотренный метод анализа распространения световых лучей в световоде называется лучевым методом. Такой метод справедлив в том случае, когда длина волны распространяющегося света много меньше размеров диаметра сердечника волокна, т. е. X « d. Для оптических волокон, у которых d, < ЮХ, такой подход не применим. В этом случае может быть применен только такой метод анализа, который учитывает волновую природу света. При этом световод рассматривается как диэлектрический волновод и анализ процессов распространения энергии в таком волноводе проводится путем решения уравнений максвелла. Согласно такому методу анализа, в волноводе распространяется некоторое количество типов электромагнитных волн, характеризующихся соотношением и взаимным пространственным расположением магнитной составляющей поля Н и электрической Е. Эти типы волн в волноводной технике, в том числе и оптических волноводах, называются модами.

6.2. Многомодовые типы оптических волокон

Волновой метод анализа справедлив не только в том случае, когда d, < ЮХ, но и для d, >> X. При этом в волноводе, т. е. В оптическом волокне, распространяется большое количество мод, определяемое соотношением

  (6.13)

где Vволновое число, d, — диаметр сердечника волокна, Xдлина волны, пх — показатель преломления сердечника, п2 — оболочки.С учетом V количество мод, распространяющихся в ступенчатом ОВ, равно [88]:

  (6.14)

Для волокон с d, >> Л. количество мод может составлять сотни и даже тысячи. Волокна с таким количеством мод называются многомодовыми. Моды, распространяющиеся вблизи оси ОВ, называются низшими, в окрестности rmax и вблизи границы раздела сердечник — оболочка — высшими. Низшие моды имеют минимальное время распространения, высшие — максимальное, максимальный разброс времен задержки определяется выражением [89]:

  (6.15)

где с — скорость света в вакууме, L — длина волокна.

При разности л, — п2 « 0,05; Дтф « 50 нс/км.

Километровая длина волокна с такой временной задержкой имеет полосу пропускания Д/ s 20 МГц. Лучшие образцы ступенчатых многомодовых волокон имеют коэффициент широкополосности не более 100 МГц/км. Таким образом, в многомодовых ОВ основным фактором, определяющим полосу пропускания модулирующих частот, является разброс времен или скоростей распространения мод, или так называемаямодовая дисперсия.

Для того чтобы улучшить частотные характеристики многомодовых ОВ, необходимо уменьшать модовую дисперсию. Существенного уменьшения модовой дисперсии удалось достигнуть благодаря созданию многомодовых оптических волокон, у которых профиль показателя преломления сердечника изменяется по закону, близкому к параболе (рис. 6.5).

В таких волокнах показатель преломления сердечника п, максимален в центре и плавно уменьшается с ростом радиуса сердечника г,. Оптические многомодовые волокна с таким профилем получили название градиентных. Если в ступенчатых многомодовых ОВ

траектория распространения лучей имеет вид ломаной, зигзагообразной линии, то в градиентном ОВ траектория распространения близка к синусоиде. Оптимальная форма профиля п,(г) в градиентном ОВ позволяет получить максимальную величину временной задержки высшей моды относительно осевой, определяемую из выражения [87]:

  (6.16)

где L — длина волокна, Д = nlmaxn]min, c0 — скорость света в вакууме. Эта временная задержка в 1/Д раз меньше, чем в ступенчатом ОВ. Количество распространяющихся мод в градиентном ОВ равно:

  (6.17)

Оно в два раза меньше, чем в ступенчатом ОВ.

Описанные особенности распространения лучей (или мод) в градиентных ОВ позволили получить частотные характеристики, более чем на порядок превышающие аналогичные характеристики для ступенчатых многомодовых ОВ. Лучшие образцы градиентных многомодовых ОВ имеют коэффициент широкополосности более 1200...1500 МГц/км.

Выше отмечалось, что для многомодовых ОВ d, >> к. Для современных многомодовых ОВ диаметр сердечника dh согласно документам Рек. G.651, имеет два стандартных размера: 50 и 62,5 мкм.

Внешний же диаметр для обоих случаев равен d2 = 125 мкм. При распространении большого количества мод в таком волокне они интерферируют между собой, образуя интерференционную картину в поперечном сечении ОВ. Эта картина представляет собой пятнистую структуру (спеклструктуру) в виде светлых и темных пятен. Спекл-структура (рис. 6.6) имеет максимальную контрастность на первых десятках—сотнях метров (в зависимости от типа ОВ), а затем уменьшается с ростом длины волокна.

На расстоянии нескольких километров от входного торца ОВ поперечное распределение энергии становится почти равномерным и далее остается постоянным. Это значит, что в волокне произошла нормализация мод. Необходимо отметить, что пятнистая структура не остается постоянной, застывшей во времени. По различным причинам (основные из которых — флуктуации диаграммы направленности излучения лазера на входе ОВ и температурные изменения окружающей среды) пятнистая структура изменяется во времени. Флуктуации спеклов в поперечном распределении энергии являются причиной возникновения модовых шумов в системах с многомодовыми волокнами. Они проявляются особенно в тех случаях, когда по длине распространения сигнала встречаются локальные неоднородности, например, неточное соединение ОВ, разъемы, изгибы ОВ и т. д. Частотный спектр модовых шумов весьма широк и занимает полосу частот от десятков герц до 200...300 МГц [90]. В наибольшей степени модовые шумы проявляются в системах с аналоговой передачей сигналов, в частности в системах кабельного телевидения.

Ранее отмечалось, что в зависимости от соразмерности диаметра сердечника и Длины волны световоды подразделяются на многомодовые и одномодовые. Представляет интерес сравнить эти два вида волокон по такому параметру, как потери излучения при распространении. Поскольку в одномодовых волокнах распространяется одна мода, причем по кратчайшему пути, то она претерпевает минимальное затухание. Современные одномодовые ОВ, которые будут рассмотрены ниже, имеют коэффициент затухания а « 0,40...0,45 дБ/км на длине волны 1,3 мкм. В многомодовых волокнах распространяются сотни мод. Минимальное затухание имеют центральные моды и моды низших порядков. С повышением порядка затухание мод возрастает и достигает максимума для мод высших порядков. В результате этого  коэффициент  затухания   градиентных многомодовых волокон возрастает до величин а » 0,6... 1,0 дБ/км на той же длине волны 1,3 мкм. Повышенное затухание и низкая полоса пропускания являются причиной того, что на основе многомодовых ОВ строятся главным образом локальные и объектовые относительно низкоскоростные системы передачи. Тем не менее некоторые преимущества многомодовых ОВ делают их привлекательными для создания таких систем. По сравнению с одномодовыми многомодовые ОВ обладают следующими достоинствами:

снижаются требования к излучателям — для ввода излучения могут применяться более дешевые и вместе с тем более мощные полупроводниковые лазеры и даже светоизлучающие диоды. Для электрического питания свето-диодов применяются очень простые схемы, в результате чего существенно упрощается устройство и снижается стоимость передающего модуля;

в системах с многомодовым ОВ в приемном оптическом модуле могут применяться фотодиоды с большим диаметром фоточувствительной площадки.

Такие фотодиоды также имеют низкую стоимость;

при сращивании многомодовых ОВ требуемая точность совмещения торцов на порядок ниже, чем в случае сращивания одномодовых ОВ;

разъемные соединители по тем же причинам, что и в случае сращивания,также имеют на порядок менее жесткие требования, чем оптические разъемы для одномодовых ОВ.

6.3. Одномодовые оптические волокна

Растущие потребности в увеличении скорости и объема передаваемой информации еще в середине 70-х годов поставили задачу создания эффективных одномодовых ОВ, теория которых в общем была разработана еще в конце 60-х годов. К концу 70-х годов поставленная задача была успешно решена, когда были получены первые образцы одномодовых ОВ с затуханием 0,5 дБ/км. Для обстоятельного изучения теории работы одномодовых (также как и многомодовых) оптических волокон можно обратиться к фундаментальным трудам [28, 88 и 89]. В данной же работе мы рассмотрим только основные, характеристики одномодовых ОВ и некоторые явления, ставшие заметными в связи с резким увеличением скорости и объема передаваемой информации при резко увеличившихся длинах оптических линий передачи.

Ранее было приведено выражение (6.17) для числа мод V, распространяющихся в волокне. При V < 2, 405 в световоде может распространяться только одна мода НЕИ. В уже приводившихся работах [28, 88] показано, что энергия распространяющейся моды распределена не только в сердечнике, но частично она заходит и в оболочку, в которой амплитуда поля убывает экспоненциально вдоль радиуса. Эта часть энергии распространяется в окрестности поверхности раздела сердечника и оболочки. В сердечнике распределение энергии вдоль диаметра близко к гауссовому с максимумом на оси ОВ. Как показано в работе [88], для того чтобы обеспечить одномодовый режим работы ОВ, выполнения условия V < 2, 405 недостаточно. Анализ этого равенства показывает, что для оптимизации одномодового режима распространения необходим некоторый компромисс при выборе величин d, и п, — п2. Если выбрать большое значение d,, то это улучшает условия возбуждения одной моды, снижает требования к источнику излучения и условию сочленения волокон. Кроме того, большой диаметр сердечника позволяет вводить повышенную мощность излучения, что, как будет показано ниже, весьма важно. Однако при больших d, приходится выбирать малое значение разности показателей преломления п, — п2. Это приводит, во-первых, к ухудшению условий распространения основной моды, во-вторых, волокно с очень малой величиной п, — п2 имеет повышенную чувствительность к внешним воздействиям и изгибам.

При большой разности показателей преломления п, — п2 и малом диаметре d, улучшаются условия ввода энергии в ОВ от одномодового лазера, но резко повышаются требования к точности при стыковке волокон. В [88] приведен допустимый диапазон величин разности показателей преломления: 0,001 < п, — п2 < 0,01. Для нижней границы этого диапазона, т. е. для п, — п2 = 0,001 диаметр d, выбирается в пределах d, = 10...12 мкм, для п, - п2 « 0,01, диаметр d, = 4...5 мкм. Современные одномодовые ОВ имеют следующие параметры: d, = 8... 10 мкм, п, — п2 = Дп = 0,003...0,005. При этом внешний диаметр ОВ, т. е. вместе с оболочкой, как и для многомодовых ОВ, равен 125 мкм.

Исторически первые одномодовые ОВ, получившие массовое распространение по всему миру, имеют ступенчатый профиль показателя преломления. В зарубежной технической литературе оно обозначается термином «matched», т. е. ровная, выровненная зависимость п, = no(r,). Это волокно Международным Союзом по электросвязи (МСЭ или ITU-T) признано стандартным, и его параметры регламентированы Рек. G.652. На рис. 6.7а представлен вид профиля показателя преломления стандартного одномодового волокна.

Существенным недостатком этого световода является высокая чувствительность к изгибам. Для снижения влияния изгибов на потери излучения стандартное волокно было усовершенствовано. Такое волокно имеет более сложный профиль — вокруг сердечника имеется две оболочки с показателями преломления соответственно п2 и п3, при этом величина показателя преломления сердечника находится в следующем соотношении с п2 и п3: п, > п3 > п2. Это волокно обозначается термином «depressed-cladding». Оно имеет очень низкие потери и высокую устойчивость к макро- и микроизгибам. На рис. 6.76 представлен вид профиля этого волокна. Диаметр сердечника, как волокна «matched», так и «depressed», равен 10 мкм. На рис. 6.8 показано поперечное сечение стандартного одномодового ОВ, которое кроме рабочей оболочки (d2 = 125 мкм) снабжено также защитной оболочкой из полимера эпоксиакрилата..

 

С учетом защитной оболочки общий диаметр волокна равен 240...250 мкм. Стандартное одномодовое ОВ имеет очень малые потери, зависимость которых имеет вид спадающей с ростом длины волны экспоненциальной кривой, изображенной на рис. 6.9.

На этом графике по оси ординат отложен коэффициент потерь в дБ/км, по оси абсцисс — длина волны в мкм. Как видно из графика, минимальные потери a s 0,4 дБ/км одномодовое стандартное волокно имеет в диапазоне длин волн 1280...1330 нм — и еще меньшее — 0,15 дБ/км вдиапазоне 1530...1560 нм. Необходимо отметить, что исторически первым рабочим диапазоном, в котором работали первые ВОЛС (еще на многомодовом волокне), был диапазон 780...860 нм. Как видно из графика, потери в этом диапазоне доходили до 2 дБ/км. Это было первое окно прозрачности, освоенное практическими системами передачи. В некоторых случаях оно используется до сих пор. По мере совершенствования волоконно-оптических технологий был освоен диапазон 1280... 1330 нм,

который был назван вторым окном прозрачности. В дальнейшем был освоен и третий диапазон 1530... 1560 нм — третье окно прозрачности. Эта терминология признана во всем мире и официально комитетом ITU-T. Таким образом, потери в стандартных од-номодовых ОВ характеризуются тремя окнами прозрачности: 1ОП (780...860 нм); 2ОП (1280...1330 нм) и ЗОП (1530... 1560 нм). Анализируя рис. 6.9, можно видеть, что в диапазоне примерно 1370...1410 нм на кривой затухания имеется всплеск затухания до 1,4 дБ/км. Этот скачок потерь, как отмечалось выше, обусловлен наличием гидроксильной группы ОН, поглощающей фотоны в этом диапазоне частот. На сегодняшний день некоторые компании, специализирующиеся на производстве и разработке оптического волокна, разработали технологию получения ОВ без этого пика затухания. В последние годы разработаны излучатели и фотоприемники, позволяющие освоить еще более длинноволновый диапазон — 1580...1650 нм, который получил название L-диапазон (L-band) или 4ОП. Устранение пика на длине волны 1400 нм позволяет говорить и о пятом окне — 5ОП. Таким образом, к настоящему времени имеются все необходимые элементы для работы систем передачи в непрерывном диапазоне длин волн, охватывающем четыре окна прозрачности: 2ОП — 5ОП — ЗОП — 4ОП, т. е. 1280...1650 нм. Как видно из графика на рис. 6.9 начиная с длин волн приблизительно 1650 нм становится весьма заметными тепловые потери.

В работе [36] и в главе 3 приведены современные наименования и перечень диапазонов. При анализе причин потерь энергии в многомодовых и одномодовых волокнах предполагалось, что геометрические параметры ОВ, т. е. сердечник и оболочка, имеют вид идеальной окружности, а распространение света происходит при постоянной температуре. В реальных волокнах имеются некоторые отступления от идеальности — эллиптичность сердечника и оболочки и их взаимная неконцентричность. Для многомодовых ОВ это большого значения не имеет, поскольку из-за большого диаметра незначительное увеличение или уменьшение количества мод не вносит существенного изменения в затухание сигнала. В случае одномодовых волокон даже незначительная эллиптичность сердечника нарушает оптическую изотропность среды распространения и она становится анизотропной. Кроме того, изотропность одномодовых ОВ нарушается в процессе изготовления оптических кабелей, а также во время прокладки ОК при строительстве линии и ее эксплуатации.

Ранее отмечалось (6.1), что теоретический анализ процессов распространения проводится с помощью решений уравнений максвелла. При выполнении условий (6.14) и (6.18) принималось, что в волокне распространяется одна мода НЕП. На самом деле уравнение максвелла при выполнении указанных условия дает два решения, т. е. в волокне распространяются два типа колебаний со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации с составляющими Е3 и Ер. Если среда распространения симметрична (изотропна) относительно оси волокна, то оба типа колебаний (обе моды) имеют одинаковые постоянные распространения (3 = (2п/Х) • п и распространяются в равных условиях, а результирующий поток имеет круговую поляризацию.

В результате нарушения симметрии относительно оси волокна условия распространения ортогонально поляризованных мод становятся различными. В работах [28, 88, 89] показано, что мода с перпендикулярной составляющей Е3 проникает в оболочку глубже, чем мода с параллельной составляющей. Кроме того, при внешних воздействиях на волокно, например изгибах, сжатии или растяжении, такженарушается изотропность среды распространения. В этом случае изменяются величины показателей преломления п, и п2 . Из рис. 6.4 можно видеть, что в зависимости от состояния поляризации падающие на границу раздела двух сред (сердечника и оболочки) моды имеют разные коэффициенты отражения во всем диапазоне углов падения. При некотором значении угла падения одна из мод — мода с параллельной поляризацией — полностью проникает во вторую среду. Таким образом, при распространении в волокне с нарушенной симметрией (как геометрической, так и оптической) одна из ортогональных мод затухает быстрее. Необходимо отметить, что обе моды с ортогональными состояниями поляризации в процессе распространения вдоль волокна могут подвергаться взаимным преобразованиям, которые носят статистический характер. Одновременное существование двух ортогональных мод в условиях анизотропии, которая изменяется также статистически, приводит к линейному сдвигу фаз между электромагнитными колебаниями. Вследствие этого суммарное излучение, распространяющееся в ОВ, имеет эллиптическую поляризацию, которая изменяется по длине волокна. При этом происходят дополнительные потери энергии, называемые поляризаци-оннозависимыми потерями (PDL) или модовыми поляризационными потерями. Выше отмечалось, что в процессе распространения двух ортогональных мод в условиях анизотропии происходит взаимное их преобразование, т. е. обмен энергией. Этот процесс происходит с продольными биениями, период которых    (6.19)

где 5р — изменение постоянной распространения (в рад/м).

При изменении частоты излучения, которое происходит при модуляции его сигналом, а также в результате скачков частоты излучения лазера (Chirp) взаимный обмен энергией ортогонально поляризованных мод (при наличии анизотропии) приводит к модуляции интенсивности излучения с коэффициентом модуляции до 2% (что эквивалентно потерям 0,1 дБ) [91].

Описанные явления в наибольшей степени проявляются в аналоговых системах кабельного телевидения с многоканальной передачей. Отметим, что в таких системах передачи коэффициент модуляции оптического излучения по интенсивности выбирается для каждой поднесущей не более 5...6.%.

Таким образом, потери излучения в одномодовом волокне не исчерпываются рэлеевским рассеянием. К ним добавляются потери за счет анизотропии волокна, приводящей к дополнительным поляризационно-зависимым потерям (PDL).

Существует еще один фактор, влияющий на процессы распространения излучения в одномодовых ОВ. Этот фактор — температура. Обратимся к формуле (6.13), определяющей условия распространения одной моды:В это выражение входят две компоненты, зависящие от температуры, — d, и (п,2 — п22). Согласно данным, приведенным в работе [92], коэффициент линейного расширения плавленого кварца от температуры находится в пределах (2...6)10~7, температурное приращение показателя преломления — Дп(Т°С) » 10~5. Очевидно, что при указанной величине температурного коэффициента расширения диаметр волокна d2 и сердечника d, изменится-даже при нагревании на 100 °С крайне незначительно d, (100 °С) = (d, + 5 • 10~7 • 100 °С) = d 1(1 + 5 ■ 1(П5).Иная ситуация с разностью показателей преломления. Выше отмечалось, что для современных одномодовых волокон разность показателей преломления сердечника и оболочки Дп = 0,003...0,005 = (3...5) • 10~3. При изменении температуры, например на 100 °С (а в условиях России это реально, особенно для подвесных ОК), разность показателей преломления может возрасти до: Дп(100 °С) = О 004...0,006, что соответствует изменениям числовой апертуры волокна NA = л/Дп" соответственно с 0,055...0,071 до 0,063...0,078. Такое изменение Дп может привести к нарушению условий существования одной моды, вследствие чего в волокне возбуждается еще одна или несколько мод, в результате часть энергии основной моды перейдет к этим новым модам, т. е. к потерям. Представляет интерес процесс изменения модовой структуры излучения во время изменения температуры. В работе [93] приведены результаты измерений величины мощности на выходе маломодового волокна при нагревании его от 20 до 140 °С. Результаты измерений показали, что коэффициент пропускания ОВ в процессе изменения температуры изменялся на ±5%, т. е. на 0,02...0,03 дБ относительно первоначального значения, установленного при Т° = 20 °С. В работе [94] сообщается об исследованиях поведения структуры поля в двухслойном диэлектрическом волноводе при изменении температуры в течение двух минут. На рис. 6.10 представлены фотографии, показывающие эволюции модовой структуры в волокне с d, = 4,3 мкм и d2 = 46 мкм при нагревании до 150 °С за время 2 мин.

Параллельно измерялся ток фотодетектора, изменения которого на 5... 10% происходили периодически с частотой несколько герц. Результаты этих исследований показывают, что перепады температуры окружающей среды также вносят анизотропию в среду распространения, вследствие чего в одномодовых ОВ возникают дополнительные шумы и потери. В современных одномодовых ОВ, например производства LUCENT TECHNOLOGIES, прирост затухания за счет нагревания (или охлаждения) составляет величину <0,05 дБ/км в диапазоне температур -50°...+60 °С.

6.4. Дисперсия в одномодовых ОВ

Выше отмечалось, что в одномодовых волокнах при условии изотропности распространяется одна мода. По этой причине в таком волокне отсутствует модовая Дисперсия. Тем не менее в процессе распространения оптических импульсов их Длительность возрастает. Причиной этого уширения импульсов является хроматическая дисперсия. Она вызвана зависимостью показателя преломления от длины волны распространяющегося света — пс = по(А.).

Согласно данным, приведенным в [31], коэффициент преломления:

Известно также, что скорость света в среде распространения

с   = —~, где с0 — скорость света в вакууме. n(v)

Излучение (оптический сигнал), вводимое в волокно, имеет не одну частоту, а сосредоточено в некотором диапазоне оптических частот — спектральной ширине линии излучения. Для современных полупроводниковых лазеров и светодиодов спектральная ширина линии излучения равна от 0,01 нм до 100...200 нм (в зависимости от типа излучателя). Анализ формулы (6.20) показывает, что с увеличением частоты коэффициент преломления возрастает. Это значит, что составляющие спектра с более высокой частотой распространяются медленнее по сравнению с низкочастотными составляющими.

Если сигнал представляет собой последовательность оптических импульсов, то они при распространении в волокне будут расширяться. Разброс скоростей распространения, обусловленный зависимостью коэффициента преломления от длины волны излучения, называется материальной хроматической дисперсией, математическое выражение для распространяющихся мод (6.20) имеет коэффициент р, называемый постоянной распространения. В работах [31, 88] показано, что величина дисперсии определяется постоянной распространения второго порядка р2 (третий член в разложении в ряд Тейлора постоянной распространения p(v). Эта постоянная распространения р2 в материальной среде в зависимости от частоты меняет свой знак. Для плавленного кварца при X = 1270 нм р2 = 0. Оптическое волокно, которое состоит из кварца, представляет собой двухслойный диэлектрический волновод. Выше было показано, что в стандартном одномодовом волокне распространяется только одна мода (при условии изотропности). Известно, что распространяющиеся моды имеют постоянные распространения р, также зависящие от длины волны. Для диэлектрических волноводов р = (2я/А.) • Д, т. е. она зависит не только от длины волны, но и от показателей преломления сердечника и оболочки. Зависимость постоянной распространения р2 от разных параметров называется волноводной дисперсией. Таким образом, полная хроматическая дисперсия складывается из материальной и волноводной составляющих. В отличие от материальной, волноводная составляющая может иметь как положительный, так и отрицательный знак. В результате сочетания двух составляющих хроматическая дисперсия в стандартном одномодовом ОВ принимает нулевое значение на длине волны 1310 нм. В общем случае материальная дисперсия намного превышает вол-новодную. Однако вблизи нулевой дисперсии обе составляющие становятся сравнимыми.

Зависимость постоянной распространения второго порядка р2 не только от X, но и от d, и Д дает возможность, подбирая профиль показателя преломления, смещать р2 = 0 в нужную область оптического диапазона. Поскольку наименьшее затухание (0,2 дБ/км) оптические волокна имеют в диапазоне 1530... 1560 нм, представляет большой интерес создание ОВ с нулевой дисперсией в этом диапазоне. Такие одномодовые ОВ со смещенной хроматической дисперсией к X = 1550 нм были созданы на базе совершенствования стандартных одномодовых ОВ — это волокна «Shift-dispersion». На рис. 6.11 представлены варианты профилей показателя преломления для оптических волокон со смещенной хроматической дисперсией. Они хорошо подходят для систем передачи на одной длине волны. Параметры этих волокон регламентируются документами ITU-T Rec. G.653 и G.655. Хроматическая дисперсия обозначается как D(X), выражается в единицах пс/нм. км. Типовые значения для стандартного одномодового ОВ D( 1310 нм) < 1,8 пс/нм. км,D(1550 нм) < 17,5 пс/нм. км; для волокна со смещенной дисперсией — соответственно D(1310 нм) < 20 пс/нм. км, D(1550 нм) < 1,7 пс/нм. км. В документации стандартное одномодовое волокно обозначается сокращенно SF (Standart Fiber), волокно со смещенной дисперсией — DSF (Dispersion Shift Fiber).

В последние годы созданы экспериментальные ВОСП-СР для передачи 273 спектральных каналов [40] и 320 [41], а на рынок оборудования связи представлено оборудование DWDM для передачи 160 оптических каналов в диапазонах С и L. Они предназначены для передачи цифровых потоков со скоростями 10 Гбит/с и 40 Гбит/с. Поэтому возникла проблема создания одномодовых ОВ с минимальной хроматической дисперсией во всем окне прозрачности или диапазоне длин волн. Эта проблема была успешно решена. Для многоволновых систем передачи были созданы ОВ с малым наклоном кривой зависимости D(A.) в указанном диапазоне. Для регламентации волокон по этой характеристике был введен новый параметр — степень или коэффициент наклона дисперсионной характеристики S,

измеряемый в единицах

В общем случае коэффициент наклона этой кривой в каждой точке равен

Однако в ограниченной части диапазона длин волн, например С и L, эта зависимость апроксимируется прямой линией [63]. Для серийно выпускаемых типов оптических волокон эта зависимость также с достаточно высокой точностью апроксимируются прямыми линиями (см. далее). В этом случае коэффициент наклона дисперсионной характеристики S есть начало иное, как тангенс угла наклона S к оси длин волн (см. рис. 6.12), т. е.— , где  - рабочая длина волны, Х„ — паспортное значение длины волны для данного диапазона (для диапазона С Х„ = 1550 нм),— приращение коэффициента дисперсии участке диапазона ДА

 

С учетом изложенного коэффициент хроматической дисперсии для любой длины волны (X) в рабочем диапазоне равен:

  (6.21)

где DXn — паспортное зна

 

чение,— рабочая длина волны,— длина волны для(для диапазона С Х„ =1550 нм).

То обстоятельство, что дисперсия D(X) может принимать отрицательные значения, имеет большое практическое значение, так как оно дает возможность компенсировать хроматическую дисперсию до очень малых величин — единиц пс на линиях длиной в несколько сотен километров.

6.5. Поляризационная модовая дисперсия (PMD)

В высокоскоростных системах передачи (STM-16, STM-64) с безрегенерационными участками большой длины — более 600 км — ограничение по затуханию компенсируется с помощью волоконно-оптических усилителей. Остающееся ограничение по дисперсии также снимается применением компенсаторов хроматической дисперсии. При этом было обнаружено, что информационные оптические импульсы уширяются, несмотря на то что по расчетам такого уширения быть не должно. Причиной этого уширения является еще один вид дисперсии — поляризационная модовая дисперсия (PMD). По порядку величины она намного меньше хроматической дисперсии и на ее фоне незаметна. После компенсации хроматической дисперсии PMD проявляется в системах с большой скоростью передачи, особенно при скорости 10 Гбит/с и выше. Ранее отмечалось, что реальные одномодовые ОВ имеют не идеальную геометрию и оптическую изотропию, вследствие чего распространяющиеся две ортогонально поляризованные моды имеют разные постоянные распространения.При рассмотрении поляризационно-зависимых потерь (PDL) было отмечено,что мода с перпендикулярной составляющей проникает в оболочку глубже, чем мода с параллельной поляризацией, и поэтому имеет меньшую скорость распространения. Для анализа процесса возникновения поляризационной модовой дисперсии обратимся к рис. 6.13.

На рис. 6.13а схематически показано волокно с нарушенной однородностью геометрических и оптических параметров. Во входной торец волокна (начало координат) вводится оптический импульс с начальной длительностью т„ (пс). По мере распространения мода (II) начинает опережать моду (1). На рис. 6.136 схематически показано распространение моды (II), на рис. 6.13в — моды (1), на рис. 6.13г — суммарное излучение.

В каждом отмеченном положении по оси времени (она же соответствует расстояниям) первая мода опережает на отрезок времени вторую (рис. 6.136 и рис. 6.1 Зв). На рис. 6.13г можно видеть, что в позиции 2 и 3 импульс суммарного излучения расширяется на указанные отрезки +At и даже может раздваиваться, если +At > т„. Ранее отмечалось, что положение внесенной анизотропии по длине волокна и ее характер не поддаются контролю и носят статистический характер. В силу этого мода (1) на какой-то длине L, может превратиться в МоДУ (I I) и наоборот (точки 4, 5, 6 на рис. 6.13). Поэтому приращение временных задержек относительно начала координат может иметь как положительный, так и отрицательныйзнак для каждой из мод. Если взять какую-либо фиксированную длину волокна L, то общее увеличение длительности импульса будет Равно, где Дт в соответствии с теорией вероятностей определится из выражения

 

  (6.22)

здесь к — количество неоднородностей по длине ОВ.

В высокоскоростных системах ВОЛС длительность информационных импульсов ти составляет десятки—сотни пикосекунд (пс), а длины участков линии без регенерации — сотни километров. Поэтому коэффициент поляризационной модо-вой дисперсии (PMD) в формуле (6.22) выражается в пс/Vkm или пс/км0'5. Как отмечалось выше, в таких системах передачи хроматическая дисперсия аннулируется с помощью компенсаторов и тогда основным фактором, ограничивающим скорость передачи, выступает PMD. В этих системах из-за влияния PMD информационные импульсы могут расшириться настолько, что могут перекрываться и интерферировать между собой. Это эквивалентно не только ограничению скорости передачи, но и потере энергии сигнала. В работе [91] приводится выражение

 

  (6.23)

которое показывает, что, для того чтобы не допустить потери мощности порядка 1 дБ или больше в течение 30 мин за год, средняя дифференциальная временная задержка (т. е. PMD) между фиксированными временными положениями информационных импульсов должна быть менее, чем 0,14 • 2ТИ (здесь Ти — половина периода следования импульсов; если скважность импульсов Q = 2, то ти — длительность информационных импульсов).

На рис. 6.14 представлена кривая [91], на которой по вертикальной оси отложен нормализованный по длине параметр PMD (пс/км05), а по оси абсцисс — квадрат полосы информационного тракта, умноженный на длину — р2Ь(Гбит/с)2км. Эта кривая построена в соответствии с выражением

5 -

 

6.6. Нелинейные оптические явления в одномодовых волокнах

Представленная на рис. 6.14 зависимость показывает, что, например, для систем SDH с STM-64 с пассивными участками порядка 100 км коэффициент поляризационной модовой дисперсии должен быть меньше, чем 1,4 пс/км05.

6.6. Нелинейные оптические явления в одномодовых волокнах

Спонтанное комбинационное (СКР), или рамановское, рассеяние

Продолжим начатое в разделе 6.1 рассмотрение энергетических квантовых состояний вещества. В том разделе из всей совокупности энергетических состояний, в которых могут находиться микрочастицы, рассматривались среднестатистические уровни. Для перевода молекул с такими энергетическими состояниями на более высокий энергетический уровень энергии фотона (во всяком случае, инфракрасного диапазона) недостаточно. Однако, наряду со среднестатистическими, в веществе имеется немало микрочастиц с более высокими значениями энергетических состояний (или уровней). При взаимодействии с такой частицей, колеблющейся с собственной частотой сом, фотон с энергией Е„ = hvH переводит эту микрочастицу в состояние с более высоким энергетическим уровнем. При этом фотон отдает ей часть своей энергии, а сам переходит в состояние с более низким уровнем энергии:

  (6.25)

здесь h — постоянная Планка, у„ — начальная частота фотона, vc — частота нового фотона, ам — собственная частота колебаний молекулы.

Из выражения 6.21 следует, что частота вновь рожденного фотона меньше начального на частоту собственных колебаний микрочастицы. В результате такого взаимодействия микрочастица получает порцию энергии — толчок или импульс. Этот импульс передается соседним молекулам, вызывая упругие колебания в веществе, которые являются ничем иным как звуковыми колебаниями. Согласно квантовой теории [81, 82], как и электромагнитные колебания, упругие колебания также квантованы, т. е. их энергетический спектр, как и у фотонов, не может быть непрерывным, он является дискретным. Как известно, кванты электромагнитной энергии называются фотонами, кванты энергии упругих колебаний — фононами. В результате взаимодействия фотона hvH и микрочастицы не только рождается новый фотон hvc и фонон haM, но, получив импульс, микрочастица изменяет ориентацию результирующего вектора напряженности электрического поля, т. е. изменяется состояние поляризации этой микрочастицы. Микрочастицы совершают Два типа колебаний — вращательные и продольные. Вращательные колебания микрочастиц изменяют, траекторию (направление) движения рожденного фотона, Делая ее отличной от траектории первоначального фотона. Согласно данным работы [95], в веществе существует некоторое количество микрочастиц, энергетический уровень которых существенно выше среднестатистического (таких частиц примерно 0,7% от общего числа). При столкновении с такой частицей фотон не отдает, а получает от нее порцию (квант) энергиив соответствии с соотношением (при этом происходит поглощение фонона):

  (6.26)

Таким образом, при прохождении света (фотонов) через вещество происходит два вида рассеяния: упругое рассеяние, при котором рассеяние происходит без изменения частоты фотонов, и рассеяние, при котором кроме фотонов с исходной частотой  рассеиваются  и  вновь  рожденные  фотоны  с  частотами ,Первый вид рассеяния, как было отмечено в разделе 6.1, является линейным процессом и по имени ученого Рэлея, изучившего это явление, называется рэлеевским рассеянием. Второй вид рассеяния связан с изменением частоты рассеиваемых фотонов в результате комбинации частоты исходного излучения с колебаниями напряженности электрического поля микрочастиц. Поэтому этот вид рассеяния является нелинейным и называется комбинационным рассеянием (КР) или по имени индийского ученого Рамана, — рамановским рассеянием (отметим, что в 1927 г. советский ученый Мандельштам также одновременно с Рама-ном открыл это явление). По имени английского ученого Стокса, изучавшего этот вид нелинейного рассеяния, излучение с частотой называется стоксовым, а — антистоксовым. Интенсивность стоксова излучения равна

Примерно относительно интенсивности исходного излучения, интен-

сивность антистоксовой компоненты. .В большинстве случаев антистоксовым излучением можно пренебречь. Отметим, что комбинационное рассеяние существует наряду с рэлеевским. Этими двумя видами рассеяния и обусловлены потери энергии излучения в оптическом волокне. Оба типа рассеяния происходят во все стороны — большая часть уходит из волокна через боковую поверхность, остальная часть распространяется в волокне: половина в прямом направлении вдоль оси волокна, вторая половина — в обратном направлении. На измерении этой части обратного рассеяния основана работа оптических рефлектометров.

Взаимодействие фотонов с микрочастицами (и фононами) представляет собой вероятностный процесс. Обусловлено это известным принципом неопределенности Гейзенберга: (6.27) Согласно этому принципу, в каждый точно фиксированный момент времени / энергия фотона может принимать значения в некотором интервале Д£, или же точное значение энергии Е может быть определено в течение некоторого интервала времени ДЛ Из этих рассуждений следует, что как исходное, так и рассеянное излучение имеет некоторый разброс частот. и  Как уже отмечалось, частота КР стоксовой компоненты сдвинута по отношению к начальному (исходному) излучению в область более низких частот на величинуДля кварца этот сдвиг равен. .Таким образом, процесс комбинационного рассеяния является широкополосным.

Увеличивая интенсивность начального излучения, мы увеличиваем тем самым количество фотонов. В результате возрастает количество микрочастиц, перешедших на более высокий энергетический уровень, соответственно увеличивается число фононов. При этом изменяется поляризация частиц и показатель преломления вещества.

6.7. Фазовая самомодуляция (ФСМ) и перекрестная фазовая модуляция (ФКМ)

Одним из первых нелинейных эффектов, который начинает проявляться при мощности оптического сигнала примерно 8...10 мВт, является самомодуляция, или автомодуляция, фазы оптической несущей — ФСМ (SPM). Это явление возникает вследствие изменения показателя преломления сердечника. В свою очередь изменение показателя преломления обусловлено большой плотностью мощности, при которой в структуре сердечника существует сильное электромагнитное поле, воздействующее на движение электронов. Если для линейной среды показатель преломления(в этом выражении Ъ, — диэлектрическая проницаемость, ц — магнитная проницаемость вещества [28]), то для нелинейной это выражение приобретает более сложный характер. Поскольку при движении оптического импульса вдоль волокна непрерывно изменяется п,(Р|), то изменяется также постоянная распространения оптической несущей, что приводит к непрерывному изменению фазы. Как известно, изменение фазы эквивалентно изменению частоты. Очевидно, что при этом происходит расширение спектра сигнала и сужение оптического импульса. Самомодуляция фазы заметно проявляется при длительности оптических импульсов т„ Z100 пс. При длительности ти = 10...20 пс сужение может достигать двух—трех и более раз. В результате чего импульсы могут даже раздваиваться. Кроме того, на фронтах импульсов могут возникать осцилляции, как, например, это показано на рис. 6.15 [31].

Если в волокне распространяются две оптические волны и каждая из них имеет мощность порядка 10 мВт и более, то нелинейность среды вызывает взаимодействие этих волн. Оно возникает вследствие изменения показателя преломления, которое также приводит к самомодуляции фазы каждой волны. При этом мощность одной из волн вызывает фазовую модуляция не только собственного сигнала, но и соседнего. Это влияние носит взаимный характер и называется перекрестной фазовой модуляцией или фазовой кросс-модуляцией — ФКМ (СРМ).

Вернемся к явлению самомодуляции фазы одной световой волны. Возникновение осцилляции на фронтах импульса вызвано так называемой волновой неустойчивостью. Выше было отмечено, что при ФСМ происходит расширение спектра оптического импульса. При этом более Длинноволновые составляющие спектра движутся с большей скоростью по сравнению с коротковолновыми. В результате обе составляющие спектра интерферируют, чем и вызываются осцилляции. Поскольку среда в данном случае нелинейная, смещение частот приводит к возникновению новых частот:

. и  Таким образом, кроме Двух составляющих в спектре появляются еще две. При дальнейшем распространении происходит их взаимодействие, приводящее к усложнению процесса и обогащению спектра новыми составляющими.

6.8. Четырехволновое смешение (ЧВС)

Введем в вещество (в волокно) два оптических сигнала с частотами причем. Если их интенсивность достаточно велика, то в спектрерассеянного излучения будут весьма заметными составляющие с частотамии  и Таким образом, частотный спектр рассеянного сигнала (с учетом рэлеевского рассеяния) будет содержать компоненты излучения с четырьмя значениями частот:   и  , Поскольку,  могут быть случаи, когда vfl = vw2, при этом составляющая с частотой vc2 увеличивается по интенсивности и может увеличить вероятность перехода некоторого числа микрочастиц в следующее колебательное состояние, при котором может возникнуть фонон с частотой  и фотон с частотой. В результате такой комбинации частотный спектр рассеянного излучения расширяется, причем некоторые из составляющих могут усиливаться за счет подавления других. Такое нелинейное явление получило наименование четырехволнового смешения (ЧВС или FWMfour wavelength Mixing). В работе [63] отмечается, что при N оптических сигналах со своими частотами в результате ЧВС количество составляющих определяется соотношением:    (6.28)

Заметим, что явление ЧВС может заметно проявляться и при одном оптическом сигнале, который переносит информацию методом модуляции по интенсивности. При таком методе модуляции, как и при амплитудной модуляции в радиодиапазоне спектр сигнала состоит из трех составляющих: где/ — центральная частота (частота несущей) и две боковые частоты  и  При высокой скорости передачи, например 10 Гбит/с или 40 Гбит/с, частоты боковых составляющих заметно отличаются от центральной частоты и каждая из них с точки зрения процесса ЧВС является самостоятельной оптической несущей.

Нелинейный процесс четырехволнового смешения по своей природе близок к комбинационному рассеянию и также является широкополосным. В волоконно-оптических системах передачи степень влияния ЧВС на качественные характеристики связи сильно зависит от дисперсионных свойств волокна. Это влияние проявляется в виде дополнительных перекрестных помех, в ВОСП со спектральным уплотнением, а также в виде межсимвольных помех при высоких скоростях передачи. Этот вид помех может иметь место и в одноволновых ВОСП. Наибольшее паразитное влияние ЧВС оказывает в системах передачи, в которых оптический тракт основан на одномодовом волокне со смещенной нулевой дисперсией (Рек. МСЭ-Т G.653) DSF, практически не влияет при одномодовом стандартном волокне SMF (G.652). На рис. 6.16 показана степень влияния ЧВС в оптических волокнах G.653 (рис. 6.16а), и G.652 (рис. 6.166).

Анализ этих результатов показывает, что в случае волокна G.653 помехи от ЧВС практически неприемлемы, для волокна G.652 они практически отсутствуют. Выше было отмечено, что ЧВС — это широкополосный процесс. При нулевой дисперсии все составляющие спектра оптического излучения распространяются с одинаковой скоростью и в каждый момент времени присутствуют в любом сечении волокна в полном составе, создавая при этом максимальную плотность энергии и оптимальные условия для ЧВС В стандартном OB G.652 с наклоненной ненулевой дисперсионной характеристикой высокочастотные составляющие по времени запаздывают относительно низкочастотных, ухудшая этим условия для ЧВС.

Иначе говоря, эти составляющие достигают данного сечения волокна в разное время, поэтому отсутствуют условия комбинации частот и явление ЧВС не происходит.

Аналогичные явления происходят и в том случае, когда в волокно введены два оптических сигнала на разных длинах волн. Явление возникновения двух дополнительных оптических частот — это так называемое явление четырехволнового смешения (FWM), которое проявляется в виде перекрестных помех в системах с многоволновым уплотнением (WDM).

6.9. Рассеяние Мандельштама—Бриллюэна (РМБ или SBS)

Рассмотренные выше явления, при которых фотоны исходного излучения переводили микрочастицы в возбужденное состояние, как было отмечено, являются широкополосными. Упругие колебания молекул в этом случае состоят из двух типов колебаний: вращательного и продольного. Как отмечалось ранее, энергия этих колебаний имеет дискретный характер, т. е. квантована. Рождаемые при продольных колебаниях фононы в физике твердого тела принято называть оптическими. Частотный спектр этих фононов занимает диапазон от сотен мегагерц до частот инфракрасного диапазона оптического спектра ~10иГц.

Если интенсивность (т. е. количество фотонов) исходного (начального) излучения увеличивать в узкой полосе частот — несколько десятков МГц, то колебательные движения микрочастиц будут переходить на такой уровень, при котором продольный тип колебаний станет преобладающим. При этом возрастает и амплитуда этих колебаний. Ранее отмечалось, что в твердом веществе молекулы расположены с очень большой плотностью — 1023 в см3. При такой плотности велика сила взаимодействия между микрочастицами, в результате чего продольные упругие колебания передаются соседним молекулам и в веществе распространяется бегу-Щая упругая (звуковая) волна. Для возбуждения такой волны необходимо, чтобы возбуждающие их фотоны имели узкий частотный спектр -50—100 МГц. Энергетический спектр таких упругих колебаний также квантован. Эти кванты называются акустическими фононами. Частотный спектр акустических фононов весьма Щирок и занимает спектр от инфранизких звуковых частот в доли герца до гиперзвуковых ~1013 Гц. На этих фононах также происходит рассеяние света. Это явление называется рассеянием Мандельштама—Бриллюэна (РМБ). Для возбуждения РМБ спектральная плотность начального излучения должна быть значительно большей, чем для рамановского рассеяния — 10 мВт в полосе частот 10—50 МГГц. Сам по себе частотный спектр РМБ относительно невелик (он сосредоточен в указанной полосе), однако вследствие эффекта Допплера, спектр расширяется д0 300—500 МГц. Напомним, что эффект Допплера здесь играет роль по той причине, что рассеяние света происходит от линейно движущихся звуковых волн. Более подробно РМБ будет рассмотрено в главе, посвященной оптическим усилителям. Рассмотренные выше нелинейные оптические явления: фазовая самомодуляция (ФСМ), перекрестная фазовая модуляция (ФКМ), четырехволновое смешение (ЧВС), комбинационное рассеяние (или рамановское) и рассеяние Мандельштама—Бриллюэна (РМБ) приводят к расширению спектральной лини оптического излучения. Это расширение возрастает с увеличением оптической мощности сигнала. На рис. 6.17 представлены результаты измерений ширины линии излучения оптического сигнала на длине волны 1546 нм при его распространении в волокне SMF-28 (одномодовое стандартное OB Corning ) длиной 130 км.

На рис. 6.17а показан спектр оптического сигнала на входе линии, на рис. 6.176 — спектр сигнала на выходе при входной мощности 50 мВт (+17 дБм), на рис. 6.17в — 100 мВт (+20 дБм), на рис. 6.17г — 200 мВт (+23 дБм). Анализ результатов показывает расширение спектра по сравнению с входным более чем в 4 раза. Измерения проводились на действующей ВОСП вдоль Московской кольцевой автодороги (МКАД).

Выше были рассмотрены основные нелинейные явления, возникающие в од-номодовых ОВ при введении излучения, мощность которого превышает 10 мВт, а также их воздействия, отрицательно сказывающиеся на качественных показателях систем связи. Одним из методов ослабления этих воздействий является разработка новых типов одномодовых волокон, с повышенной величиной эффективной площади сечения ОВ —(мкм2). Дело в том, что геометрическая площадь сечения.волокна с,. Ранее отмечалось, что поперечное распределение интенсивности излучения в одномодовых ОВ имеет вид гауссовой кривой. По этой причине эффективный диаметр модового пятна меньше геометрического. Например, для стандартного одномодового ОВ с d, = 10 мкм диаметр модового пятна равен ~4 мкм, а эффективная площадь= 50 мкм2, т. е. в 1,5 раза меньше геометрической. С помощью подбора легирующих добавок и формы профиля показателя преломления Аэфф удается существенно увеличить. Так, компания CORNING разработала волокно LEAF, имеющее= 72, 5 мкм2, а японская фирма FUJIKURA создала одномодовое волокно с= 165 мкм2, сохранив в норме остальные важные характеристики ОВ: хроматическую дисперсию 20,5 пс/нм. км, наклон дисперсионной характеристики 0,063 пс/нм2. км, затухание 0,205 дБ/км.

Применение новых типов одномодовых волокон позволило в последних разработках многоканальных систем DWDM вводить в линейное волокно мощность группового оптического сигнала ~+30 дБм (т. е. 1 Вт). В таких системах использованы ОВ не только с большой Аэфф, но и с повышенной очисткой кварца, в результате чего на длине волны 1550 нм получен коэффициент затухания а = 0,151 дБ/км (теоретический минимум ~0,14дБ/км).

6.10. Одномодовые волокна новых типов производства компаний LUCENT TECHNOLOGIES и CORNING

Компании LUCENT TECHNOLOGIES и CORNING (обе - США) являются мировыми лидерами в разработке и производстве наиболее совершенных оптических волокон (как одномодовых, так и многомодовых).

Компания LUCENT TECHNOLOGIES разработала несколько новейших типов одномодовых ОВ, среди которых первым следует назвать волокно «True Wave». Это волокно с ненулевой дисперсией, способное работать в третьем и четвертом окнах прозрачности, имеет пологую кривую зависимости дисперсии от длины волны в этих окнах, малую чувствительность к изгибам, малую PMD. На рис. 6.18 представлена кривая зависимости коэффициента затухания от длины волны, а в табл. 6.1 — характеристики волокна True Wave.

Затухание при макроизгибах

Максимальное затухание, вызванное изгибами, не превышает заданных значений при следующих условиях изгиба

Условия изгиба

Длина волны

Затухание

Один виток диаметром 32 мм ? витков диаметром 75 мм

1550 нм 1600 нм 1550 нм 1600 нм

< 0,5 дБ < 0,6 дБ <0,05дБ < 0,05 дБ

Локальные неоднородности

Отсутствуют локальные неоднородности затухания, превышающие 0,1 дБ, при 1500 и 1600 нм

Хроматическая дисперсия

Третье окно 1530...1565 нм Четвертое окно 1565... 1620 нм Наклон дисперсной кривой

от2,6до6,0пс/нм.км от4,0до8,6пс/нм.км < 0,05 пс/нм2.км

Диаметр модового пятна

при 1550 нм при 1600 нм

8,4±0,6мкм 8,4 + 0,6 мкм

Длина волны отсечки

Длина волны отсечки в кабеле ()(„.)

< Г260 нм

Коэффициент дисперсии, зависящий от поляризации волокна в кабеле при 1550 нм

Конструктивный параметр'

<0,1 пс/км

'   Конструктивный   параметр   соответствует   вкладу   США   в   материалы   (ЕС SC86A/WGI, Method!, September 1997

 

Таблица 6.2

Затухание

Максимальный коэффициент затухания (потерь) может быть задан в пределах:

Длина волны (нм)

Максимальное затухание (дБ/км)

1310 1385 1550

0,35 0,31 0,21-0,25

Зависимость затухания от длины волны

Максимальное затухание в диапазоне от 1285 до 1330 нм не превышает затухание при длине волны 1310 нм более чем на 0,10 дБ/км

Максимальное затухание в диапазоне от 1525 до 1575 нм не превышает затухание при длине волны 1550 нм более чем на 0,05 дБ/км

Затухание в точке «водяного максимума»

Коэффициент затухания в точке максимума поглощения ОН (1383+3 нм) не превышает 0,31 дБ/км

Затухание при макроизгибах

Максимальное затухание, вызванное изгибами, не превышает заданных значений при следующих условиях изгиба

Условия изгиба

Длина волны

Затухание

Один виток диаметром 32 мм 100 витков диаметром 75 мм