63395

Оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Различия между ними не сводятся к тому, что в OFDM-системах используются оптические, а не электрические сигналы. При обычном частотном мультиплексировании применяется механизм амплитудной модуляции с одной боковой...

Русский

2014-06-19

525.15 KB

31 чел.

Лекция 4  Оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны

Особенности волнового мультиплексирования в оптическом диапазоне; классификация WDM-систем; типы WDM-систем: узкополосные и широкополосные WDM-системы; системы "грубого" спектрального уплотнения — CWDM; канальный план и его стандартизация; элементы WDM-систем; техническая реализация WDM-систем; промышленные WDM-системы

4.1 Общие положения

Оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM) - сравнительно новая технология оптического (или спектрального) уплотнения, которая была предложена в 1980 г. Дж. П. Лауде (компания Instruments SA). В настоящее время WDM играет в оптических синхронных системах ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) в аналоговых системах передачи данных. По этой причине WDM-системы часто называют системами оптического мультиплексирования с частотным разделением (Optical FDM, OFDM), однако по сути своей технологии FDM и OFDM имеют мало общего.

Различия между ними не сводятся к тому, что в OFDM-системах используются оптические, а не электрические сигналы. При обычном частотном мультиплексировании применяется механизм амплитудной модуляции с одной боковой полосой и определенной системой поднесущих, модулирующие сигналы которых одинаковы по структуре, так как они аналогичны сигналам в стандартных каналах ТЧ. При OFDM механизм модуляции, необходимый в FDM для сдвига несущих, вообще не используется; несущие генерируются отдельными источниками (лазерами), сигналы которых затем объединяются мультиплексором в единый многочастотный сигнал. Его составляющие могут передавать потоки цифровых сигналов, сформированные на основе различных синхронных технологий - АТМ, SDH, PDH и т. д. Для этого несущие модулируются цифровым сигналом, соответствующим передаваемому трафику.

4.2 Классификация WDM-систем

 В настоящее время принято выделять три типа WDM-мультиплексоров: обычные (WDM), плотные (DWDM), высокоплотные (HDWDM). Хотя точные границы между этими классами пока четко не определены можно предложить вариант классификации, основанный на исторической практике разработки WDM-систем и стандарте G.692 с его канальным планом:

  1.  WDM-системы - имеют частотный разнос каналов не менее 200 ГГц, сейчас позволяют мультиплексировать не более восьми каналов;
  2.  DWDM-системы - обеспечивают разнос каналов не менее 100 ГГц и дают возможность мультиплексировать не более 32-40 каналов;
  3.  HDWDM-системы - поддерживают разнос каналов 50 ГГц и менее, в настоящее время позволяют мультиплексировать не менее 40 каналов.
  4.  CWDMистемы ("грубое" спектральне уплотнение) – разнос каналов 20 нм (2500 ГГц) для третьего окна прозрачности.

4.3 Типы WDM-систем: узкополосные и широкополосные WDM-системы

Оптическое волокно характеризуется широкой полосой пропускания, однако, затухание в пределах общей полосы неравномерно, поэтому вся полоса пропускания поделена на ряд полос, которые называются окнами прозрачности. Кроме того, для волоконных световодов с улучшенными характеристиками (без "водяных пиков" и примесного поглощения), определены оптические диапазоны волн передачи (таблица 4.1). Зависимость затухания в диапазонах показана на рисунках 4.1, 4.2.

Таблица 4.1 - Оптические диапазоны улучшенного стекловолокна G.652

Условное обозначение диапазона

Длины волн, нм

Название

O

1260 – 1360

Основной

E

1360 – 1460

Расширенный

S

1460 – 1530

Коротковолновый

C

1530 – 1565

Стандартный

L

1565 – 1625

Длинноволновый

U

1625 – 1675

Сверхдлинноволновый

Рисунок 4.1 – Затухание в современных оптических волокнах

Рисунок 4.2 – Затухание в современных оптических волокнах с улучшенными характеристиками (G.652)

Волновое мультиплексирование используется уже более десяти лет и первоначально было направлено на объединение двух несущих (1310 и 1550 нм) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы. Этот подход оправдывал себя в течение всей истории развития ВОЛС и в настоящее время применяется во многих стандартных системах SDH. Такие системы иногда называют широкополосными WDM-системами (разнос по длине волны составляет 240 нм) в противоположность узкополосным, где разнос был на порядок ниже (12-24 нм), так что в окне прозрачности 1550 нм удавалось разместить четыре канала. На рисунке 4.3 показан пример мультиплексирования двух несущих для организации связи в двух направлениях, а на рисунке 4.4 – спектр системы.

Рисунок 4.3 – Схема организации двусторонней связи по одному волокну

Рисунок 4.4 – Спектр двухканальной системы мультиплексирования

Сегодня подобное деление выглядит не совсем корректным, поскольку на самом деле у "широкополосных" WDM-систем спектр не был сплошным, а состоял из двух изолированных полос. Кроме того, сейчас формируется класс действительно широкополосных DWDM-систем, перекрывающих в смежных окнах прозрачности (третьем и четвертом) полосу 1528-1612 нм. Если ориентироваться на характеристики лучших разработок в этой области c использованием волокна с устраненным пиком поглощения в пятом окне прозрачности (~ 1400 нм), - то можно ожидать, что в будущем системы данной категории смогут покрыть полосу от 1280 до 1620 нм.

4.4 Системы "грубого" спектрального уплотнения — CWDM

Ключевое отличие DWDM-систем от CWDM заключается в положении информационных каналов в спектре рабочих длин волн волоконно-оптической системы связи. В DWDM-системах спектры соседних информационных каналов расположены очень близко. Cогласно рекомендациям Международного телекоммуникационного союза (ITU), расстояние между соседними DWDM-каналами равно 100 ГГц, что соответствует расстоянию 0,8 нм на длине волны.

В CWDM-системах спектры соседних информационных каналов расположены на гораздо большем расстоянии, обычно равном 20 нм (2500 ГГц) для третьего окна прозрачности.

Неплотное расположение спектрально разделенных каналов в CWDM-системах обеспечивает очень значительное снижение стоимости сети связи, по сравнению со стоимостью сетей, использующих DWDM-системы. Поскольку в нынешних экономических условиях операторы связи выбирают наиболее экономичные решения для удовлетворения своих текущих потребностей в увеличении пропускной способности систем передачи информации, то CWDM-системы стали широко использоваться в локальных сетях, сетях доступа и городских информационных сетях. Только в системах дальней связи DWDM-технология прочно удерживает свои позиции.

Основная цель CWDM-технологии состоит в том, чтобы обеспечить требуемое расширение информационной емкости оптической линии связи за очень низкую цену (в сравнении с DWDM). Эта цель достигается использованием широких спектральных промежутков между каналами.

Большинство современных CWDM-устройств перекрывают C- и L-диапазоны и частично занимают S-диапазон. Для обеспечения совместимости оборудования Международный телекоммуникационный союз (ITU) определил "гребенку" длин волн и спектральные полосы CWDM-каналов. Предполагается расширение рабочей области на О- и Е-диапазоны. Кроме того, более ранние системы начали использовать CWDM в многомодовых волоконных линиях связи, работающих вблизи длины волны 800 нм. Однако такие системы поддерживают только два или четыре канала и обеспечивают скорость передачи информации менее 500 Мбит/с при дальности менее 2 км.

4.5 Канальный план и его стандартизация

Хотя рассчитывать на полную совместимость DWDM-систем разных производителей не приходится, но необходимо стандартизировать номинальный ряд несущих - канальный план, чтобы дать компаниям ориентир на будущее, а также позиционировать уже существующие WDM- и DWDM-системы. Эту задачу в решил Международный союз электросвязи (ITU), выпустив стандарт ITU-T Rec. G.692.

Таблица 4.2. Стандартный канальный план (разнос каналов 100 ГГц)

Частота, ТГц

Длина волны, нм

196,1

1528,77

196,0

1529,55

195,9

1530,33

...

...

191,2

1567,95

191,1

1568,77

191,0

1569,59

В основу стандарта положен канальный план с равномерным расположением несущих частот с минимальным разносом каналов (шагом) 100 ГГц. Выбранная область частот покрывает стандартизированный диапазон шириной 5,1 ТГц и практически соответствует диапазону длин волн амплитудно-волновой характеристики (АВХ) широко используемых оптических усилителей (1528,77-1569,59 нм). При выборе постоянного шага h = 100 ГГц в данном диапазоне можно разместить 51 канал с несущими, указанными в левом столбце табл. 2; при этом шаг по длине волны изменяется от 0,780 до 0,821 нм, в среднем он равен 0,8 нм. При использовании шагов 200, 400 ГГц и больше можно получить производные таблицы. Изготовители используют и меньший шаг (50 ГГц), хотя он еще не стандартизирован.

WDM-системы ведущих производителей соответствуют канальному плану ITU-T, так как не используют шага меньше 100 ГГц. Кроме того, оказывается, что стандартизированный диапазон поделен на два поддиапазона. Выбор того или иного поддиапазона диктуется достижимой в нем равномерностью АВХ. Анализ АВХ оптических усилителей показывает, что более предпочтителен в этом смысле поддиапазон L, позволяющий получить приемлемую равномерность даже со стандартными оптическими усилителями без специального выравнивания.

Оценив число каналов в указанном диапазоне, нетрудно заметить следующее. Во-первых, схема канального плана с числом каналов, кратным двум, которой придерживается ряд производителей, нерациональна с точки зрения использования выровненной полосы оптического усилителя. Во-вторых, канальный план стандарта G.692 допускает формирование не более 51 канала, а этот показатель уже перекрыт рядом компаний, производящих 64- и 80-канальные системы.

4.6 Перспективный канальный план

Увеличения числа каналов можно достичь следующими двумя путями. Уменьшение шага до 50 ГГц дает возможность довести число каналов до 102. Продолжение стандартизированной полосы вправо до частот порядка 186 ТГц (1612 нм) позволяет удвоить ее ширину, доведя ее до 10,2 ТГц (84 нм) за счет частичного использования четвертого окна прозрачности (область вблизи 1620 нм). Эксплуатация вдвое большей полосы требует применения специальных сверхширокополосных оптических усилителей (UltraWide Bandwidth Amplifier, UWBA) с АВХ, охватывающей полосу 10,2 ТГц; однако она дает возможность увеличить число каналов до 102 при шаге 100 ГГц и до 204 при шаге 50 ГГц.

При создании таких усилителей общую полосу обычно разбивают на две, по терминологии Bell Labs называемые C-Band (обычная полоса) и L-Band (длинноволновая полоса). В результате для WDM-систем можно предложить перспективную схему канального плана на 102 канала с шагом 100 ГГц.

4.7 Основные характеристики WDM-систем

Вносимое затухание

а = -10lg(Pвых/Pвх),

где Pвых , Pвх – мощности на выходе и входе устройства.

Для устройств оптического мультиплексирования определяются составляющие вносимого затухания аijk, где i – номер входного порта, j – номер выходного порта, k – номер длины волны.

Полоса пропускания или рабочая полоса определена как   λi ±Δλ/2. Она включает весь диапазон длин волн, необходимых для передачи с учетом возможного дрейфа длин волн, точности установки центральной длины волны. Это полоса частот, в которой вносимое затухание не превышает заданное значение.

Затухание отражения характеризует величину энергии, возвращаемой от входа порта к источнику

Аотр = - 10lg(Pотр/Pвх),

где Pвх – оптическая мощность, излучаемая во входной порт, Pотр – оптическая мощность, принятая обратно из этого порта.

Для устройств оптического мультиплексирования определяются составляющие затухания отражения Аij, где i – номер входного порта, j – номер длины волны.

Затухание изоляции между соседними каналами определяется как величина потерь на частоте пика пропускания соседнего канала

Аi,i+1 = аi+1i) – aii),

где ai – вносимое затухание i-го канала, аi+1 - вносимое затухание (i+1)-го канала, λi – центральная длина волны i-го канала (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 – Зависимости затухания в каналах WDM

Понятие изоляции эквивалентно понятию защищенности для систем связи с медными проводниками.

4.8 Элементы WDM-систем

Мультиплексоры — демультиплексоры

При создании системы волнового уплотнения недостаточно иметь несколько десятков лазеров, генерирующих на различных длинах волн. Необходимо их излучение объединить и ввести в одно волокно, причем сделать это с минимальными потерями и перекрестными искажениями. Как уже отмечалось, первые мультиплексоры, рассчитанные на объединение излучения двух длин волн, были достаточно просты. Например, это может быть полупрозрачное зеркало, на которое нанесено покрытие эффективно отражающее излучение одной длины волны. Однако с увеличением количества суммируемых каналов конструкция мультиплексоров менялась.

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

В настоящее время известно большое число чувствительных к длине волны устройств, на основе которых могут быть реализованы оптические фильтры и мультиплексоры. К ним относятся интерференционные фильтры, дифракционная решетка, периодическая волноводная решетка, волоконно-оптические и акустооптические фильтры, а также резонаторы Фабри-Перо.

Интерференционные фильтры

Они известны достаточно давно и широко используются в высококачественных объективах фотоаппаратов и других оптических приборах (так называемое просветление оптики). Действие фильтров основано на явлении интерференции — взаимодействии волн. Если, например, две волны равны по частоте и когерентны, то при сложении в фазе, их амплитуда возрастает вдвое, а в противофазе — равна нулю. Интерференционный фильтр представляет собой несколько слоев прозрачного диэлектрика, толщина и коэффициенты отражения и преломления которых подбираются таким образом, чтобы при отражении от них условие сложения в фазе выполнялось только для излучения определенной длины волны. Принцип его действия иллюстрирует рисунок 4.6, где изображена пластина из трех слоев, на которую падает поток излучения на четырех длинах волн — l1-l4.

Рисунок 4.6 – Интерференционная пластина-фильтр

Коэффициенты отражения поверхностей пластин выбраны такими, что каждый из них имеет максимум только для определенной длины. А толщина слоев подбирается таким образом, чтобы падающая и отраженные волны на поверхность первой пластины падали в противофазе и взаимно уничтожались. И только излучение с длиной волны l4 проходит все слои практически без поглощения. Но для того, чтобы разделить несколько десятков оптических несущих необходима система фильтров.

Система фильтров строится на основе трехполюсного делителя (непоглощающего интерференционного фильтра), работающего при углах падения луча до 45°, с тем чтобы можно было использовать как передаваемый, так и отраженный свет. При таких значениях угла падения пропускание и отражение сигнала обычно превышает 85% и 98% соответственно, что достаточно для обеспечения низких потерь WDM и сохранения присущих интерференционному фильтру высоких характеристик на границе разделения длин волн.

На рисунке 4.7 показным два варианта фильтра-демультиплексора WDM, один из которых представляет собой односторонний фильтр, и другой — двухсторонний.

Рисунок 4.7 – Фильтры-демультиплексоры  WDM

На вход каждого фильтра-пластины поступает широкополосный сигнал (широкий диапазон длин волн), фильтр пропускает узкий диапазон (определенную длину волны), остальные длины волн отражаются и поступают на следующий фильтр).

Второй вариант соответствует классическому WDM, который передает или подавляет оптический сигнал в узкой полосе длин волн и часто используется для выбора одного канала.

Дифракционные решетки

Брэгговская дифракционная решетка. Вторым типом спектрально-селективных элементов, используемых в системах DWDM, являются дифракционные решетки, чаще всего брэгговские дифракционные решетки. Вообще то, дифракция Брэгга — это дифракция на стоячей ультразвуковой волне, возбужденной в прозрачном твердом материале (рисунок 4.8). При этом в нем возникают чередующиеся максимумы и минимумы коэффициента преломления, которые могут играть роль дифракционной решетки. Период решетки пропорционален длине ультразвуковой волны, чем меньше длина волны, тем меньше период решетки, тем выше ее разрешающая способность, тем лучше она может разделить близко стоящие по длине вoлны. В дальнейшем брэгговскими стали называть решетки на основе структуры с периодически изменяющимся коэффициентом преломления, вне зависимости от того, каким путем эти изменения созданы. Это может быть участок материала специального состава, облученный, например, ультрафиолетовым излучением. Таким путем можно сформировать решетки со значительно меньшим периодом, нежели механическим путем (гравировкой) или путем химического травления через специальную маску.

Рисунок 4.8 – Схема дифракции Брегга

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

Выше было рассмотрено явление дифракции в случае, когда излучение падает нормально к плоскости решетки. Однако эффект спектральной селекции можно наблюдать и если излучение направить вдоль структуры с периодическим изменением показателя преломления (рисунок 4.9).

Рисунок 4.9 – Схема продольной дифракции Брегга

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

Волоконная брэгговская решетка может использоваться как оптический фильтр в устройствах мультиплексирования и демультиплексирования как компенсатор хроматической дисперсии или в комбинации с оптическими циркуляторами в мультиплексорах ввода/вывода каналов. Для компенсации хроматической дисперсии в линейном волокне применяются брэгговские решетки с изменяющимся периодом

Используя брэгговскую решетку и оптический циркулятор, можно сделать устройство ввода/вывода излучения одного канала в групповой поток (рисунок 4.10). (Оптический циркулятор — это невзаимное устройство, по-разному воздействующее на излучение, в зависимости от направления его распространения).

Рисунок 4.10 – Устройство ввода/вывода излучения

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

Мультиплексоры на основе технологий интегральной оптики

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

Дифракционная  решетка  на  массиве  волноводов  (AWG - Arrayed Waveguide Gratings) является интегрированным подходом к проблеме  демультиплексирования.  Решетка состоит из фазированного массива оптических волноводов, работающих как дифракционная решетка. Интегральная оптика применяется для создания решеток на основе массива планарных волноводов (более 100) различной длины между двумя планарными линзами смесителями.

Этот  тип  решетки  можно  изготовить,  используя  технологию InGaAsP/InP,  позволяющую  интегрировать  такие  типы  направляющих волноводов  с  передатчиком  или  приемником WDM.  Иллюстрацией AWG является  рисунок 4.11.  

Рисунок 4.11 – Схема демультиплексора на основе решетки волноводов

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

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

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

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

AWG работает как обычная дифракционная решетка.  Ее  эффективность  при  надлежащем  проектировании может  достигать 100%.  Используя  эту  технологию,  можно  изготовить  ряд элементов  системы WDM,  например,  маршрутизатор  на  волноводной решетке.

На  рисунке 4.12  показано  типичное  прменение AWG,  используемого  в качестве оптического мультиплексора ввода-вывода.

Рисунок 4.12 - Типичная архитектура передачи, использующая мультиплексор-демультиплексор и конфигурацию ввода-вывода

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

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

Если два таких разветвителя расположены последовательно (рисунок 4.13), и два рукава имеют разные оптические пути между местами сварки, то такая комбинация действует подобно интерферометру Маха-Цендера. Мощность входного сигнала распределяется между выходными волноводами в зависимости от длины волны с определенной периодичностью. Если составной входной сигнал содержит оптические каналы двух различных длин волн, то при определенном подборе параметров эти каналы на выходе окажутся в разных выходных волокнах. Второе входное волокно не используется.

Рисунок 4.13 – Распределение входного сигнала между двумя выходами

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

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

Волновые конвертеры

В ряде случаев, помимо фильтрации и мультиплексирования сигналов различных длин волн, возникает необходимость преобразования одной длины волны в другую длину волны, что называется конвертированием длины волны. Принцип действия устройств, осуществляющих данное преобразование, основан на использовании нелинейного эффекта в оптических волокнах, например в волокнах со смещенной нулевой дис-морсией DSF, который, как известно, приводит к явлению четырехволнового смешивания. В этом случае длина волны накачки определяется из выражения

λн = λсλд/(2λc – λд),

где λс и λд - соответственно длина волны основного и дополнительного сигналов.

Так как конвертирование достигается при наличии максимального нелинейного эффекта, который имеет место в точке нулевой дисперсии подокна, для получения необходимого результата для тех или иных длин волн сигнала и накачки требуется изготовление специального волокна.

Другой принцип реализации оптического конвертера основан на эффектах нелинейного взаимодействия двух оптических сигналов различной длины волны, в результате которого образуется сигнал новой длины полны. Так как данное преобразование осуществляется только на оптическом уровне, оно не ограничивается рабочими частотами электронных компонентов и поэтому применяется в полностью оптических сетях. Один из путей построения волновых конвертеров согласно данному принципу основан на использовании ферроэлектрического кристалла с созданной в нем периодической поляризацией, обеспечивающей усиленное взаимодействие оптических волн (рисунок 4.14).

Рисунок 4.14 – Структура оптического конвертера

В этом случае при одновременном коллинеарном распространении в кристалле основного и дополнительного оптических сигналов на его выходе формируется световое излучение с длиной волны, равной

λр = λсλд/(λc – λд).

На основе оптических конверторов строится оптический транспондер.

Оптический транспондер – устройство, обеспечивающее интерфейс между оборудованием оконечного доступа и линией WDM. Согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических интерфейсах имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δλ≈±0,5 нм (для STM -16), а центральная длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм. На входы оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, спектральные параметры которых, должны строго соответствовать стандартам, определённым рекомендацией ITU-T G.692 (Рисунок 4.15).

Рисунок 4.15 – Применение транспондера на базе конвертеров длин волн

Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков SDH, то мультиплексирование осуществлено не будет. Необходимое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре WDM специального преобразователя длин волн - транспондера. Это устройство может иметь различное количество оптических входов и выходов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рекомендации G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рекомендации G.692. При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частотного плана ITU.

Кроме устройств, перечисленных выше в системах WDM применяются волоконно-оптические усилители.

4.9 Варианты технической реализации WDM-систем

 Первые мультиплексоры класса WDM использовались для мультиплексирования двух несущих из второго и третьего окон прозрачности - 1310 нм и 1550 нм, значительное расстояние между которыми позволяло обойтись без специальных фильтров для их разделения. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов) при использовании традиционной технологии оптических фильтров на базе дискретной оптики, привели к следующим результатам: разнос каналов 20-30 нм, переходное затухание между каналами 20 дБ, уровень вносимых потерь 2-4 дБ.

 Это позволило с 1987 г. до середины 90-х гг. формировать не более четырех каналов во втором окне. В 1996-1998 гг. произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обусловленный, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологиям, а с другой - к миниатюризацией и повышением качества элементов традиционной дискретной оптики.

 В настоящее время используются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования). Две из них, основанные на применении интегральной оптики (интегральных оптических микросхем), выделяют каналы с помощью волновых фильтров на решетке массива волноводов (Array Waveguide Gratings, AWG) либо вогнутой дифракционной решетки (Concave Gratings, CG); третья, базирующаяся на миниатюрной дискретной оптике, выделяет их с помощью трехмерного оптического мультиплексирования (3-D Optics WDM).

4.10 Промышленные WDM-системы

Сейчас все еще применяются WDM-системы первого поколения, мультиплексирующие два канала с несущими 1310 нм и 1550 нм. Кроме того, они предлагаются в качестве опций при поставке ряда коммерческих систем SDH/SONET. Эксплуатируется и достаточное количество четырех- и восьмиканальных систем, которые условно можно отнести к системам второго поколения. Бурное развитие WDM/DWDM-систем пришлось на 1997-1998 гг., когда были разработаны системы третьего поколения, основанные на стандартизированном канальном плане и имеющие минимум 16 каналов.

Изготовителей соответствующего оборудования можно разделить на две группы: фирмы, традиционно выпускающие системы PDH/SDH и сопутствующие устройства (Alcatel, ECI, Lucent, NEC, Nokia, Nortel, Pirelli, Siemens) и "новые" производители (ADVA, Cambrian, Ciena, Eonyx, IBM, Osicom). Первые разрабатывали WDM-системы как транспортные средства для глобальных сетей SDH/SONET, вторые - как транспортные средства для локальных или, в крайнем случае, городских сетей (так называемый класс Metro).

У наиболее продвинутых компаний первой группы общая емкость систем в расчете на одно волокно составляет в настоящее время 160-400 Гбит/с, что превышает аналогичный показатель для систем производителей второй группы. Лидерами здесь являются фирмы Alcatel и Lucent (400 Гбит/с).

Представители второй группы предлагают, как правило, более простые и дешевые решения, рассчитанные на использование одной секции (или одного перекрытия в секции) и не имеющие возможности оптического ввода/вывода отдельных каналов на промежуточных узлах (в силу отсутствия последних). Однако они могут иметь больше логических интерфейсов, позволяют работать с пакетами различных форматов (ATM, Ethernet, включая Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, FDDI) и широко применяют интерфейсы Fibre Channel и ESCON. Среди таких систем нельзя не упомянуть удачные разработки компаний Cambrian, IBM, Osicom и Ciena. Система Sentry последней фирмы выделяется не только по расстоянию, перекрываемому ее секцией (500-800 км), но и по числу задействуемых каналов (40).

Тип системы. Дуплексные, или двунаправленные, системы (D) используют две оптические несущие на канал, а симплексные (S) - одну несущую. Многие производители сообщают число каналов без указания типа системы, тогда считается, что она может работать как симплексная с n каналами или как дуплексная с n/2 каналами.

Код. Как правило, широко используются два типа линейного кодирования - Non-Return-to-Zero (NRZ) и Return-to-Zero (RZ). Первый обеспечивает большую плотность эквивалентных бит на секундный интервал и предпочтительнее в SDH-системах верхних уровней иерархии. Второй широко применяется в DWDM-системах в силу специфики работы модуляторов.

Число каналов ввода/вывода. Реализовать ввод/вывод трибов (электрических или оптических), участвующих в схеме первичного электрического или оптического SDH-мультиплексирования, в оптический канал, представленный отдельной оптической несущей, или из него в схему вторичного оптического WDM-мультиплексирования достаточно сложно (особенно для оптических трибов). Поэтому в ряде WDM-систем эта опция вообще не реализована (обеспечивается лишь работа в режиме "точка-точка") либо ограничено число каналов, для которых она разрешена (например, 4 из 16, 8 из 40, 12 из 64). Мало того, число каналов вообще может быть ограничено снизу на уровне виртуального контейнера VC-4.

Топология. В порядке возрастания сложности в WDM-системах могут быть реализованы следующие топологии: "точка-точка" без возможности ввода/вывода трибов SDH; линейная цепь с возможностью ввода/вывода трибов SDH; "звезда" или "точка-много точек", реализуемые с помощью концентратора; "кольцо" (одинарное без защиты, двойное с защитой или счетверенное с полной дуплексной защитой); ячеистая сеть с возможностью динамической маршрутизации.

Секция. Это участок пути, перекрываемый в результате компенсации потерь от затухания сигнала за счет запаса по усилению (бюджета секции) или работы оптических усилителей. Секции могут быть короткими (50-90 км; как правило, они не содержат оптических усилителей), средними (80-150 км; обычно содержат бустеры и предусилители) и длинными (500-700 км; состоят из нескольких участков перекрытия и, как правило, содержат мощный усилитель-бустер, несколько линейных усилителей и предусилитель). Секции ограничены терминальными мультиплексорами.

Дальность. Максимальное расстояние, на которое могут быть переданы данные. Она определяется числом секций и длиной одной секции, а также возможным наличием регенераторов. С учетом того, что секции зачастую содержат оптические усилители разных типов, дистанция, перекрываемая одной секцией, может иметь длину 500-700 км. Секции могут стыковаться без использования регенераторов - путем соединения терминальных мультиплексоров (back-to-back). Регенераторы применяются для восстановления оригинальной формы сигнала после прохождения им секционного блока (например, в системе WL8 компании Siemens использование одного регенератора позволяет удвоить общую дистанцию передачи сигнала).

Скорость входных данных и тип поддерживаемых логических интерфейсов. Указаны границы диапазона скоростей, которые определяются, в частности, наличием поддержки того или иного логического интерфейса (или формата данных) для взаимодействия с сетями разных типов.

Канал управления. Имеется в виду оптический канал супервизорного управления (Optical Supervision Channel, OSC). Этот канал организуется на дополнительной оптической несущей, которая лежит за пределами фактически используемой полосы. В то же время он может принадлежать полосе, занимаемой стандартизированным канальным планом, либо соответствовать некоторым стандартным (но не применяемым для основной полосы) несущим или частотам накачки лазеров в оптических усилителях.

Управление. Характеризует возможность управления системой в целом, включая управление SDH/SONET-мультиплексорами и оборудованием сети, с которой стыкуется аппаратура WDM. В этом смысле управление разбивается на традиционное для систем SDH/SONET полноценное управление на основе TMN с помощью интерфейсов Q и F и на супервизорное управление с использованием агента SNMP. Возможно также применение специально разработанной системы управления сетью WDM, включающей в себя систему мониторинга волоконно-оптических каналов.

Важным параметром является допуск на дисперсию. Он указывает, какую максимальную дисперсию, накопленную на длине одной секции, способна преодолеть WDM-система без потери качества сигнала, определяемого уровнем ошибок (BER). Эта величина используется для проверки способности системы (секции) перекрывать определенную дистанцию. Зная конкретный тип волокна и соответствующее ему значение дисперсионного параметра D, определяемого для граничной длины волны в занимаемой полосе, можно подсчитать фактически накопленную дисперсию путем умножения D на длину секции. Если фактический допуск меньше предельного, система работоспособна при использовании данного волокна, если нет - требуется использовать другое волокно, уменьшить длину секции либо (когда последнее нежелательно или невозможно) применить компенсаторы дисперсии.

Тем не менее уже эти данные позволяют получить представление о современном состоянии соответствующего сектора телекоммуникационной индустрии и спрогнозировать его стремительное развитие в ближайшие годы. 

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