2.7 Схемы реализации
мультиплексоров WDM
Первые мультиплексоры класса
WDM, как известно, использовались для мультиплексирования
двух несущих: 1310 нм и 1550 нм, расстояние
между которыми 240 нм было настолько большим,
что при реализации не требовало специальных
фильтров для их разделения. Дальнейшие
усилия, направленные на улучшение селективности
(уменьшение разноса каналов) при использовании
традиционной дискретной оптики не давали
результатов лучше, чем следующие:
разнос каналов – 20-30 нм,
переходное затухание между
каналами – 20 дБ,
уровень вносимых потерь –
2-4 дБ.
Это позволило формировать
не более 4 каналов во 2-м окне прозрачности
в 1987-90 годах. В 1996-1998 годах произошел существенный
прорыв в технологии мультиплексирования,
обусловленный, с одной стороны, переходом
к интегральным оптическим технологиям,
с другой – миниатюризацией и улучшением
качества изготовления элементов традиционной
дискретной оптики.
В настоящее время используются
три конкурирующие технологии выделения
каналов (демультиплексирования). Две
из них на основе интегральной оптики:
одна использует выделение несущих на
основе дифракционной решетки на массиве
волноводов – AWG (Arrayed Waveguide Grating) и вторая
на основе вогнутой дифракционной решетки
– CG(Concave Grating). В третьей технологии применяется
традиционная миниатюрная (на новом уровне
технологии) дискретная оптика, использующая
выделение каналов на основе технологии
трехмерного оптического мультиплексирования
– 3DO (3-D Optics WDM).
В основе первой из них (см. рис.
4,а) – планарный оптический многопортовый
разветвитель в форме таблетки с портом
входа l0 и группой выходных портов l l0, l 20, ... l n0, расположенной
симметрично относительно l 0 на периферии
волновода слева, и группой внутренних
выходных портов l li, l 2i, ... l ni, расположенной
симметрично группе выходных портов на
периферии справа. Внутренние выходные
порты соединены через массив световодов
(играющий роль дифракционной решетки,
благодаря фиксированной разнице длин
каждого световода, кратной lL) с плоским отражающим зеркалом.
Входной поток l 0 = l l i (i=1,2, ... n) подается
в оптический волновод и распределяется
по всем внутренним портам, откуда он распространяется
по масиву световодов (с разным фазовым
запаздыванием) до зеркала, отражается
и подается со стороны внутренних выходных
портов в тот же волновод, где происходит
интерференция входной и отраженных волн.
Указанное устройство напоминает, по сути,
интерференционный волновой фильтр на
дифракционной решетке или многомерный
вариант MZI. Размеры и форма планарного
разветвителя, решетки световодов, а также
расположение выходных портов, выбираются
так, чтобы интерференционные максимумы
освещенности располагались в районе
выходных портов и соответствовали группе
несущих l l0, l 20, ... l n0.
Рис. 2.15 Функциональная схема
мультиплексирования WDM на основе дифракционной
решетки на массиве волноводов:
а) с одним разветвителем и отражающим
зеркалом, б) с входным и выходным разветвителями
Порт входа и выходные порты
могут быть разнесены, если использовать
два планарных волновода (входной и выходной
разветвители), как это показано на рис.
2.16,б.
Третья технология также использует
классическую схему с плоской отражательной
дифракционной решеткой (1), вогнутым зеркалом
(2) и массивом волокон (3) (см. рис. 2.16а), размещенных
в пазах решетки с фиксированным шагом.
Схема работы (в режиме демультиплексора)
проста: мультиплексированный поток из
входного волокна (А), расходясь конусом
с углом, (отражается от зеркала и падает
на дифракционную решетку, отражающую
под разными углами свет разной длины
волны. Эти дифрагированные лучи, отражаясь
от зеркала, фокусируются в определенных
точках, где и должны быть расположены
приемные порты массива волокон, выделяющих
соответствующие несущие. Для примера
показано выделение одного такого канала,
конус лучей которого (с тем же углом фокусируется
в точке В (порте выходного волокна).
Рис. 2.16 Функциональная схема
WDM на основе трехмерного оптического
мультиплексирования
Все элементы конструкции строго
фиксированы в стеклянном блоке (4), что
позволяет выдержать и сохранять высокую
точность изготовления (см. рис. 2.16б). Указанная
конструкция может быть использована
как с параболическим, так и сферическим
зеркалами, имеет коэффициент увеличения
равный 1. Она афокальна (т.е. не имеет фокуса),
так что все исходящие и входящие в волокна
углы одинаковы. ОМ волокна укладываются
в канавки специальной решетки. Конструкция
позволяет использовать до 131 канала с
шагом 1 нм или до 262 каналов с шагом 0,5 нм.
Во всех указанных решениях
процедура мультиплексирования предполагается
обратной по отношению к рассмотренной
процедуре демультиплексирования. Параметры
мультиплексоров WDM, реализованных на
основе указанных технологий, сведены
в таблицу, приведенную ниже.
Таблица 2.6 Сравнение различных
технологий оптического мультиплексирования
|
Технология |
Максимальное число каналов
[нм] |
Разнос каналов |
Вносимые потери [дБ] |
Переходное затухание [дБ] |
Чувствительность к поляризации,
% |
I/O AWG |
32 |
0,1 – 15 |
6 – 8 |
-5 – -29 |
2 |
I/O CG |
78 |
1 – 4 |
10 – 16 |
-7 – -30 |
2 – 50 |
3-D Optics WDM |
262 |
0,4 – 250 |
2 – 6 |
-30 – -55 |
0 |
Из табл. 2.6 видно, что технология
3-D Optics WDM имеет преимущество по четырем
из пяти параметров и может быть использована
в системах WDM до уровня HDWDM с разносом
каналов не меньше 0,4 нм.
2.8 От WDM к DWDM
Долгое время в WDM-системах использовались
2-4 канала, отстоящих друг от друга на десятки
и сотни нанометров. Между тем еще с середины
80-х гг. разработчики пытались радикально
увеличить данный параметр. Появление
технологии DWDM позволило формировать
в одном волокне десятки каналов и вести
передачу с суммарной скоростью более
1 Тбит/с.
Первые эксперименты с DWDM датируются
1985 г., когда специалистам Bell Laboratories (исследовательского
центра компании AT&T, ныне принадлежащего
Lucent Technologies) удалось мультиплексировать
10 каналов по 2 Гбит/с, длины волн которых
отстояли друг от друга на 1,3 нм. Аналогичные
опыты были выполнены в том же году в BTRL
(исследовательском центре British Telecommunications),
где использовалось 7 каналов по 280 Мбит/с
с шагом 15 нм. В лабораторных условиях
скорости передачи 1 Тбит/с достигли в
1996 г. сразу три компании - Bell Laboratories, Fujitsu
Laboratories и Nippon Telegraph and Telephone (NTT).
Первая из них использовала 25 инжекционных
лазеров; их выходные сигналы расщеплялись
на две составляющие с различной поляризацией,
а затем полученные 50 несущих сигналов
модулировались со скоростью 20 Гбит/с.
Передача велась на расстояние 55 км. Специалисты
Fujitsu Laboratories продемонстрировали связь
на расстоянии 150 км с использованием 55
длин волн при скорости передачи 20 Гбит/с
в каждом канале. NTT осуществила мультиплексирование
10 каналов по 100 Гбит/с при дальности связи
40 км. Во всех трех случаях использовался
диапазон 1550 нм. В том же году NTT добилась
суммарной скорости свыше 2,2 Тбит/с, а организация
All-Optical Networking Consortium сообщила о возможности
достичь показателя 4 Тбит/с при формировании
40 каналов по 100 Гбит/с каждый.
В начале 1998 г. центр Bell Laboratories объявил
о двух новых достижениях - передаче данных
по 100 каналам (скорость каждого - 10 Гбит/с)
при дальности около 400 км и по 30 каналам
(скорость 40 Гбит/с) при дальности 85 км.
В обоих экспериментах применялись новые
оптические усилители Bell Laboratories, полоса
пропускания которых почти в семь раз
шире, чем у серийных устройств.
2.8.1 Основные сведения
о технологии DWDM
Плотное волновое мультиплексирование
DWDM (dense wavelength-division multiplexing) - это современная
технология передачи большого числа оптических
каналов по одному волокну, которая лежит
в основе нового поколения сетевых технологий
В настоящее время телекоммуникационная
индустрия претерпевает беспрецедентные
изменения, связанные с переходом от голосо-ориентированных
систем к системам передачи данных, что
является следствием бурного развития
Internet технологий и разнообразных сетевых
приложений.
В прошлом проектирование телекоммуникационных
сетей с экономической точки зрения в
основном диктовалось необходимостью
передачи голоса. С крупномасштабным развертыванием
сетей передачи данных происходит модификация
самой архитектуры сетей. Именно поэтому
требуются фундаментальные изменения
в принципах проектирования, контроля
и управления сетями. В основе нового поколения
сетевых технологий лежат многоволновые
оптические сети, базирующиеся на плотном
волновом мультиплексировании DWDM (dense
wavelength-division multiplexing).
2.8.2 Системы DWDM
Традиционные технологии телекоммуникаций
позволяют по одному оптическому волокну
передать только один сигнал. Суть же технологии
спектрального, или оптического уплотнения
заключается в возможности организации
множества раздельных сигналов SDH по одному
волокну, а, следовательно, многократном
увеличении пропускной способности линии
связи.
Основы этой технологии были заложены
в 1958, еще до появления самой волоконной
оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде
чем были созданы первые компоненты мультиплексных
систем.
Первоначально они создавались для лабораторных
исследований, и лишь в 1980 году технология
спектрального уплотнения (Wavelength Division
Multiplexing, WDM) была предложена для телекоммуникаций.
А еще через пять лет в исследовательском
центре компании AT&T была реализована
технология плотного спектрального уплотнения
(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), когда удалось
в одном оптическом волокне создать 10
каналов по 2 Gbps.
Как это происходит? Подобно тому, как
видимый человеческим глазом свет состоит
из различных цветов, на которые можно
его разложить, а затем опять собрать,
так и передаваемый по технологии DWDM световой
поток, состоит из различных длин волн
(λ).
Рис. 2.17 Оптическое волокно
То есть по одному волокну можно
передавать более сотни стандартных каналов.
Так, аппаратура, используемая при построении
DWDM-сети Компании ТТК, в максимальной конфигурации
позволяет задействовать до 160 длин волн.
Для того чтобы организовать
в одном волокне несколько оптических
каналов сигналы SDH «окрашивают», то есть
меняют оптическую длину волны для каждого
такого сигнала. «Окрашенные» сигналы
смешиваются при помощи мультиплексора
и передаются в оптическую линию. В конечном
пункте происходит обратная операция
- «окрашенные» сигналы SDH выделяются из
группового сигнала и передаются потребителю.
Рис. 2.18 Принципиальная схема
DWDM
Естественно, что для того чтобы
передавать по одному волокну множество
волновых потоков, технология DWDM обеспечена
оборудованием особой точности. Так, погрешность
длины волны, которую обеспечивает стандартный
лазер, применяемый в телекоммуникациях,
примерно в сто раз больше, чем требуется
в системе DWDM.
По мере прохождения по оптическому
волокну сигнал постепенно затухает. Для
того чтобы его усилить, используются
оптические усилители. Это позволяет передавать
данные на расстояния до 4000 км без перевода
оптического сигнала в электрический
(для сравнения, в SDH это расстояние не
превышает 200 км).
Рис. 2.19 Принципиальная схема
оптического мультиплексирования
Эта технология позволяет получить
наиболее масштабный и рентабельный способ
расширения полосы пропускания волоконно-оптических
каналов в сотни раз. Пропускную способность
оптических линий на основе систем DWDM
можно наращивать, постепенно добавляя
по мере развития сети в уже существующее
оборудование новые оптические каналы.
Итак,
в системах связи DWDM по одному оптическому
волокну передается более восьми сигналов
с разными длинами волн. Максимальное
количество таких сигналов пока еще не
определено, поскольку в 2001 году каждые
несколько месяцев производители волоконно-оптических
систем анонсировали системы со все большей
емкостью. Современные промышленно выпускаемые
системы поддерживают от 48 до 64 длин
волн, а в лабораториях уже существуют
системы, обеспечивают передачу до 1024 сигналов
с разными длинами волн.
На рис. 2.20 показаны
основные компоненты системы DWDM. Слева
расположен мультиплексор, принимающий
сигналы от отдельных источников света
с разными длинами волн (l1, l2 и т.д.) направляющий их все в одно оптическое
волокно.
Количество поддерживаемых длин волн
(спектральных каналов) зависит от частоты
модуляции сигнала, передаваемого на каждой
из этих длин волн. С увеличением этой
частоты увеличивается дисперсия импульсов.
Поскольку разработчики мультиплексоров
должны оставлять между каналами минимальные
промежутки, называемые минимальным разносом каналов, повышение
раб чей частоты приводит к увеличению
минимального промежутка между каналам.
Из-за увеличения дисперсии на более высоких
частотах необходимы дополнительные промежутки
между каналами, чтобы импульсы на одной
длине волны не сливались с импульсами
на другой длине волны. С увеличением шага
канале уменьшается их максимальное количество.
Напомним, что диапазон длин волн используемых
в оптических системах связи, ограничивается
оптическими окнами прозрачности, в которых
минимальны потери мощности сигнала.
Рис. 2.20 Основные компоненты
системы с мультиплексированием по длине
волны высокой плотности: мультиплексор,
демультиплексор, одномодовое волокно
и один или более оптических усилителей
Оптический
усилитель EDFA представляет собой
короткий отрезок оптического
волокна, легированного эрбием. При облучении
лазером такое волокно работает как активный
усилитель. Это означает, что лазер активизирует
электроны эрбия, а те, в свою очередь,
излучают в волокно фотоны с определенной
длиной волны. Усилители EDFA поддерживают
сигналы с длинами волн из диапазона от 1530 до 1560 нм, что
еще в большей степени ограничивает набор
мультиплексируемых длин волн. Однако
оптические усилители нового типа, названные
кварцево-эрбиевыми волоконно-оптическими
усилителями (DBFA), расширяют полосу пропускания
до диапазона от 1528 до 1610 нм. DBFA
может рассматриваться как пара усилителей,
первый из которых работает в диапазоне
EDFA, а второй расширяет этот диапазон.
Поскольку его вторая полоса частот соответствует
окну прозрачности, называемому L-полосой,
результатом использования DBFA станет,
по всей вероятности, передача по одному
волокну излучения с длинами волн из двух
диапазонов — С-полосы и L-полосы — и использование
одного усилителя для поддержки оптических
сигналов в обеих полосах частот.