Урядов В.Н. Волоконно-оптические системы передачи

Подождите немного. Документ загружается.

демультиплексорам на основе вогнутых отражательных дифракционных и

объемных пропускающих брэгговских решеток посвящен ряд работ, однако

процесс создания подобных достаточно эффективных устройств еще далек от

завершения.

В качестве среды передачи для систем спектрального уплотнения, как

правило, используются многомодовые или одномодовые волоконные

световоды. Многомодовые волокна применяются в локальных сетях для пе-

редачи информации

на короткие расстояния, одномодовые волокна нашли

широкое применение на магистральных линиях, а также в городских и

региональных сетях. Типичная зависимость затухания от длины волны для

кварцевых волокон, легированных германием, представлена на

рис. 2. Как

видно из

рис. 2, существенное ограничение на число каналов в системах

WDM накладывает присутствие пика поглощения на длине волны 1383 нм,

обусловленного наличием в волокне гидроксильной группы ОН. В системах

CWDM, согласно первой редакции рекомендации G.694.2, использовались 8

длин волн в диапазоне 1470-1610 нм. В силу более высокого затухания

область длин волн 1260-1360 нм не использовалась. Увеличить число

каналов до 18 позволили

так называемые волокна с нулевым водяным пиком

(ZWPF, Zero Water Peak Fiber; LWPF, Low Water Peak Fiber), параметры

которых определяет рекомендация

Рис. 12.4 Распределение длин волн по диапазонам согласно рекомендации ITU-T

G.694.2 и кривая затухания волокна типа ZWPF

ITU-T G.652.C. В волокнах данного типа устранен пик поглощения на длине волны

1383 нм и величина затухания на этой длине волны составляет порядка 0,31 дБ/км,

что вполне приемлемо для систем CWDM. На рис. 12.4 показано распределение

длин волн согласно рекомендации

ITU-T G.694.2 и кривая затухания для волокна с

нулевым водяным пиком.

В основном в промышленно выпускаемых системах предлагается не 18, а 16

рабочих длин волн, это обусловлено увеличением затухания в диапазоне волн менее

1310 нм за счет увеличения коэффициента Релеев-ского рассеяния. При скорости

передачи одного оптического канала 2,5 Гбит/с по 16 каналам можно обеспечить 40

Гбит

/с (16X2,5 Гбит/с).

Системы, использующие весь спектр длин волн в диапазоне 1270 - 1610 нм, принято

называть Full-spectrum CWDM (FS-CWDM).

Прежде всего, CWDM-системы характеризуются общими для систем спектрального

уплотнения преимуществами. К ним относятся возможность независимой передачи

CWDM DWDM

Габариты (ширина Х

глубина Х высота)

482мм Х 200мм Х

44мм

482мм Х 300мм Х

400мм

Электропотребление, ВА 30-50 300-500

Затраты на кондиционирова-

ние

Низкие Высокие

Затраты на бесперебойное

электроснабжение

Низкие Высокие

Затраты на аренду Низкие Высокие

Таблица 12.6 - Основные показатели эксплуатационных

расходов систем DWDM и CWDM

по одному волокну данных различного типа, скоростей и форматов, а также воз-

можность дуплексной передачи информации по одному волокну. Если же

сравнивать технологии CWDM и DWDM, то одними из важнейших являются

преимущества устройств CWDM по габаритам и энергопотреблению. Серийный 8-

канальный CWDM мультиплексор, рассчитанный для установки в стандартную 19"

стойку, имеет размеры (ширина X глубина X высота) 482 ммХ200 ммХ

44 мм, при

этом в нем заключены все необходимые устройства электропитания и охлаждения.

Серийный 32-ка-нальный DWDM мультиплексор имеет габариты

(ширинаХглубинаХвы-сота) 482 ммХ300 ммХ 400 мм, при этом могут

потребоваться отдельные блоки электропитания и вентиляторов. Зачастую мульти-

плексоры DWDM представляют собой большие шкафы, требующие отдельного

помещения с соответствующими условиями окружающей среды. CWDM-

мультиплексор потребляет 30-50 ВА

, DWDM-мультиплексор - 300-500 ВА.

Проблема уменьшения габаритов устройства становится особенно актуальной, когда

для его размещения арендуется место у стороннего оператора. Для монтажа мульти-

плексора CWDM потребуется только один юнит (unit)* в стойке, а для DWDM-

мульти-плексора целый шкаф. При эксплуатации DWDM-оборудования необходимо

обеспечить постоянную рабочую температуру окружающей среды, что приводит к

весомым затратам на

электроэнергию, ремонт и обслуживание кондиционеров. Для

обеспечения гарантированного питания эксплуатируемого оборудования требуется

установка источников бесперебойного электропитания, размеры и стоимость ко-

торых напрямую зависят от потребляемой устройствами электрической мощности.

В таблице 12.6 приведены основные показатели эксплуатационных расходов,

обусловлен ные различиями систем DWDM и CWDM по габаритам и

электропотреблению. Обобщая преимущества технологии грубого спектрального

уплотнения по

сравнению с DWDM-технологией, можно выделить следующие:

• компактные размеры оборудования;

• низкая потребляемая электрическая мощность;

• возможность использования многомодо-вых волокон;

• уменьшение капитальных затрат при строительстве сети, за счет применения в

CWDM-оборудовании недорогих передатчиков, устройств разделения оптических

каналов и схем мультиплексирования/демультиплексирования;

• снижение эксплуатационных расходов за счет уменьшения затрат на

электроэнергию для обеспечения бесперебойного питания и создания требуемых

условий окружающей среды.

Рис. 12.5. Комбинирование оптических несущих CWDM и DWDM

Главным недостатком является сравнительно небольшое допустимое

расстояние между узлами. Использование оптических усилителей для увеличения

дальности передачи проводит к удорожанию сети, тем более что перекрыть одним

оптическим усилителем всю полосу CWDM-системы невозможно, а использование

усилителей на отдельные диапазоны приведет к еще большим затратам.

Относительно малое число

каналов не является весомым недостатком, так как

емкость возможных 16-18 оптических каналов, как правило, намного превышает

современные потребности операторов связи в полосе пропускания, и такая ситуация

сохранится в течение ближайших лет.

В заключение рассмотрим перспективы дальнейшего развития технологии

CWDM.Одним из основных требований операторов связи является повышение

гибкости сети, получение возможности динамически

изменять ее конфигурацию

путем вставки/выделения оптических каналов на промежуточных узлах. Для этого

необходимо создание оптических мультиплексоров ввода/вывода, причем

желательно, чтобы все этапы коммутации осуществлялись на оптическом уровне без

преобразования оптического сигнала в электрический и обратно. По сравнению с

системами DWDM, в системах CWDM использование большого шага между

несущими позволяет создавать

сравнительно дешевые коммутационные элементы

для оптических мультиплексоров ввода/вывода (OADM, optical add-drop multiplexer)

и оптических кросскоммутаторов (OXC, optical cross connector). Наряду с

увеличением гибкости сети важным показателем сети является способность к

масштабированию, т.е. к увеличению емкости сети во время ее эксплуатации. В

этом случае наилучшие возможности по наращиванию числа каналов, не прибегая к

замене всего оборудования и переходу

на другую схему мультиплексирования,

обеспечивают гибридные системы. Теоретически в спектральной полосе, прихо-

дящейся на один канал CWDM, можно разместить до 15 каналов DWDM с

расстоянием между несущими 0,8 нм, что позволяет увеличить емкость 8-канальной

CWDM-сис-темы до 120 каналов. Практически реализованы системы, позволяющие

заполнять один CWDM-канал восемью каналами DWDM, увеличивая емкость 8-ка-

нальной системы до 64 каналов

. На рис. 12.5 проиллюстрирован принцип

комбинирования CWDM- и DWDM-систем. Подводя итог вышесказанному, можно

сделать вывод о большой перспективности применения систем с грубым

спектральным уплотнением в городских и региональных сетях. Технология CWDM

способна предложить современные, надежные, а главное, дешевые решения

проблемы нехватки рабочей полосы пропускания при сохранении и даже

увеличении гибкости и масштабируемости сетей городского и регионального

масштаба.

12.4 Оптические мультиплексоры ввода/вывода (OADM)

Оптический мультиплексор - демультиплексор или просто

мультиплексор (OADM, Optical Add/Drop Multiplexer) – это устройство, на входе и

выходе которого – по n волокон, и каждое из них передает по m оптически

мультиплексированных каналов. В состав современных OADM входят: электронный

мультиплексор/демультиплексор ввода/вывода (ADM), оптические демультиплексор

(divider) и мультиплексор (или комбайнер – combiner) . Для увеличения мощности в

устройство включают оптический предусилитель на входе и мощный оптический

усилитель – на выходе.

Электронный мультиплексор выполняет функции ввода/вывода трибов (SDH,

PDH, SONET), компонентных сигналов (АТМ) и потоков. Оптический

демультиплексор:

• выделяет транзитный поток из нескольких несущих и передает его

непосредственно на оптический мультиплексор;

• выделяет оптические несущие (обычно по одной с каждого волокна) для

передачи зарезервировавшим их пользователям, имеющим оптические

интерфейсы к оптоволоконным каналам;

• выделяет оптические несущие и передает их на электронный мультиплексор

для оптоэлектронного преобразования и электронного

демультиплексирования каналов (трибов или компонентных сигналов),

зарезервированных пользователями.

Оптический мультиплексор формирует выходной поток, объединяя

транзитный поток от демультиплексора (оптические несущие) с оптическими

потоками от электронного демультиплексора и с прямыми оптическими каналами от

пользователей.

На рис. 12.6 показан OADM, принимающий восемь несущих, из которых

четыре передаются транзитным потоком с входа на выход, две выводятся через

оптические интерфейсы пользователям, а две другие преобразуются в

электрические, демультиплексируются до трибов нужного уровня с помощью ADM

и выводятся через его электрические интерфейсы пользователям. Аналогично

формируется и мультиплексированный поток.

Рис.12.6 Оптический мультиплексор ввода/вывода первого поколения

У современных мультиплексоров (первого поколения) есть ряд недостатков.

Так, число оптических несущих, которое можно ввести/вывести в OADM,

ограничено из-за сложности устройств оптического ввода/вывода. Число таких

несущих составляет для разных систем от 1/10 до 1/4 от общего числа оптических

каналов (вводимых/выводимыхи транзитных). Причины этого в основном

экономические: для вывода оптических несущих исполь зуются модули оптических

фильтров, для ввода – пассивные WDM модули, стоимость которых 1000–2000 долл.

на несущую. Возможность реконфигурации несущих практически удваивает эту

цену.

Поскольку модули оптических фильтров реализованы аппаратно, они не

перестраиваемые. Из-за этого OADM работают на фиксированных частотах, и их

нельзя динамически реконфигурировать. В большинстве случаев OADM не могут

конвертировать длины волн входных несущих. А проблемы с фильтрацией

оптических несущих ограничивают скорость обмена в системах WDM на уровне

STM_16 (2,5 Гбит/с).

Перечисленные недостатки постепенно преодолеваются, в первую очередь

благодаря появившейся возможности конвертации длин волн входных несущих.

Оптические конверторы и перестраиваемые лазерные источники позвляют

реконфигурировать оптические каналы. Но сложнее всего создать оптический

кросскоммутатор, который сделал бы OADM таким же гибким и

полнофункциональным, как и ADM.

Рис.12.7 Оптический мультиплексор ввода/вывода второго поколения

Однако предположив, что названные недостатки преодолены, можно

представить структурную схему оптического мультиплексора второго поколения

(рис. 12.7). Она отличается не только увеличенным числом мультиплексированных

каналов (128–256 против 8–32) и более высокими скоростями передачи (10–40

Гбит/с). В составе нового мультиплексора – полноразмерный неблокируемый

оптический кросс_коммутатор и управляемый блок волновых конверторов. Эти

устройства позволят ввестивывести сколько угодно оптических несущих, а при

необходимости – их динамически реконфигурировать и перемаршрутизировать.

Такой мультиплексор не только позволит увеличить емкость систем передачи до

нового, терабитного уровня (1,28–10 Тбит/с), но и сделает реальными полностью

оптические сети – конечную цель развития оптоволоконных сетей связи.

12.5. Оптические технологии ввода/вывода несущих.

Динамическая реконфигурация оптических WDM-систем, т.е. дистанционное

изменение числа оптических каналов, – мощное средство оптимизации

производительности сети, наделяющее ее операционной гибкостью. В ее основе –

оптические технологии ввода/вывода несущих с разделением по длине волны в

промежуточных узлах сети. Сегодня

по крайней мере пять технологий реализуют

ввод/вывод оптических несущих:

• фильтры на основе оптоволоконных дифракционных решеток Брэгга;

• фильтры на основе интерферометра Фабри-Перо;

• интерференционные фильтры на тонких пленках;

• поляризационные фильтры на жидких кристаллах;

• акустооптические перестраиваемые фильтры.

Однако к этим фильтрам предъявляются достаточно высокие требования. Так,

они должны иметь малые вносимые потери, чтобы не использовать оптические

усилители-компенсаторы. Потери фильтра не должны зависеть от поляризации

входного сигнала, чтобы при ее изменении не менялась выходная мощность. Полоса

пропускания фильтра не

должна зависеть от температуры (в рабочем диапазоне

температур). Амплитудно-волновая характеристика (АВХ) фильтра должна быть

максимально плоской в рабочем интервале длин волн, с большой крутизной спада в

переходной полосе, чтобы допускать каскадирование фильтров в системах WDM без

потери плоскостности и минимизировать влияние переходного затухания соседних

каналов. Сами фильтры должны быть высокотехнологичными

и недорогими в

расчете на одну несущую.

Фильтры на основе оптоволоконных дифракционных решеток брэгга

Оптоволоконная дифракционная решетка Брэгга отличается от обычной

дифракционной решетки тем, что периодическое изменение показателя

преломления, необходимое для создания собственно структуры решетки,

осуществляется в сердцевине оптического волокна путем облучения его отрезка

ультрафиолетовым источником света через специальную маску (

структуру с

периодически изменяющимся коэффициентом пропускания).

Модуль ввода вывода на основе фильтра на решетке Брэгга (рис. 12.8) состоит

из двух циркуляторов с оптоволоконной решеткой Брэгга между ними. Входной

циркулятор играет роль фильтра вывода несущей, а выходной работает как

мультиплексор ввода несущей. В принципе он может быть заменен модулем

мультиплексора WDM с двумя входами

на основе стандартного разветвителя.

Рис.12.8 Модуль ввода/вывода несущих на основе решетки Брэгга.

На рис. 12.9 показана схема модуля для ввода/вывода четырех несущих на

основе решеток Брэгга с циркулятором и разветвителем для вывода несущих и

комбайнера с разветвителем на два входа для ввода несущих. Недостаток этого типа

фильтров – в том, что решетка Брэгга рассчитывается на определенную длину волны

и не может перестраиваться.

Рис.12.9 Модуль ввода/вывода четырех несущих на основе решетки Брэгга.

Фильтры на основе резонатора фабри-перо

Основной элемент фильтра – резонатор Фабри-Перо. Он составлен из двух

плоскопараллельных зеркал с высокой отражающей способностью внутренних

поверхностей. Такой фильтр часто применяют в оптике, а его принципы

использованы в интерференционных фильтрах на тонких

пленках.

Пусть расстояние между зеркалами равно L и входной луч падает нормально к

плоскости левого зеркала (рис. 12.10), попадает внутрь полости резонатора,

частично проходит через правое зеркало, а частично отражается от него.

Отраженный луч вновь отражается от левого зеркала, и процесс многократно

повторяется. Если L кратно λ/2, то все лучи, проходящие через правое

зеркало,

сколько раз бы они ни отражались, оказываются в фазе. Такие длины волн λ

называются резонансными.

Рис.12.10 Фильтрация света резонатором Фабри-Перо.

Отличительная особенность фильтров ФП – возможность их перестройки, а

значит и реконфигурации мультиплексора ввода/вывода на их основе. Для

перестройки фильтра достаточно изменить t = n*L/c, что эквивалентно изменению n

– коэффициента преломления среды между зеркалами, или L. Механическое

изменение расстояния L – достаточно грубая операция, она может нарушить

параллельность зеркал. Поэтому обычно зеркала крепят к пьезоэлектрику и

изменяют

расстояние, прикладывая к нему напряжение. Но и это решение

достаточно сложное. Кроме того, сами фильтры ФП не нашли должного применения

в современных системах WDM, уступив место конкурентным решениям. Одно из

них – интерференционные фильтры на тонких пленках.

Интерференционные фильтры на тонких пленках

Эти фильтры применяют в современных системах с WDM так же часто

, как и

фильтры на решетке Брэгга. В них роль зеркал, ограничивающих резонаторную

полость, играют тонкие диэлектрические пленки многократного отражения.

Фильтры на тонких пленках делятся на два типа: тонкопленочные с одной

резонаторной полостью (TFF) и тонкопленочные со многими резонаторными

полостями (TFMF). На рис. 12.11 приведена схема трехрезонаторного фильтра,

полости которого разделены отражающими слоями тонких

пленок (длиной λ/4) с

чередованием слоев с высокими (H) и низкими (L) значениями показателя

преломления. Эту структуру формируют, последовательно выращивая или осаждая

диэлектрические отражающие и пропускающие слои на стеклянной подложке (G).

Рис.12.11 Схема трехрезонаторного фильтра.