Исследование увеличения пропускной способности на базе технологии WDM

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

промышленный мультиплексор уплотнение дисперсия

Цена успеха в информационный век может измеряться емкостью сетевых магистралей или ее недостатком.

В последнее десятилетие операторы дальней связи начали использовать в качестве магистральных каналов оптоволокно. Применяя технологию мультиплексирования с разделением по времени (Time Division Multiplexing -- TDM), удалось достичь скоростей передачи 2,4 Gbps по одному волокну (канал ОС-48/STM-16). В некоторых случаях с помощью аппаратуры ОС-192/STM-64 удается достичь 10 Gbps.

Проблема нехватки пропускной способности оптоволоконных магистралей может быть решена тремя способами:

· прокладкой новых кабелей;

· усовершенствованием аппаратуры TDM;

· использованием технологии мультиплексирования с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing -- WDM).

Первый способ до недавнего времени являлся стандартным для многих провайдеров, испытывавших необходимость повысить пропускную способность каналов. Как правило, прокладка нового кабеля оправдывается только при небольших расстояниях и если она не сопряжена с трудностями. Но даже в таком случае оператор вряд ли сможет предоставить новые сервисы и утилизировать полосу пропускания в достаточной степени. Это может показаться неожиданным, но установленное сегодня оборудование TDM использует менее 1% возможностей оптоволокна. В большинстве случаев такое решение оказывается непрактичным или даже невозможным.

Как уже упоминалось выше, в некоторых случаях провайдеры могут предоставить канал ОС-192/STM-64 с пропускной способностью 10 Gbps. Однако здесь возникает целый ряд проблем. Дело в том, что большая часть инсталлированной базы кабелей использует одномодовое оптоволокно, для которого дисперсия в окне прозрачности 1550 нм оказывается слишком высокой. В результате для эффективной передачи необходимо прокладывать либо отрезки кабеля с дисперсией противоположного знака, либо полностью новое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber -- NZDSF). Кроме этого, увеличение скорости передачи приводит к высокой плотности потока излучения на достаточно протяженных участках. Это, в свою очередь, вызывает нелинейные оптические эффекты, в результате которых искажается форма волны. Вот далеко не полный перечень ограничений при переходе к высоким скоростям. Поэтому при таком подходе оператор вынужден протестировать буквально каждый канал на его совместимость с аппаратуройОС-192/STM-64.

Третий способ, который более точно называется плотным (Dense) мультиплексированием с разделением по длине волны (DWDM), позволяет одновременно передавать по одному оптоволокну большое число информационных потоков при технологически приемлемых скоростях (например, 2,4 Gbps). Так, мультиплексирование 16 каналов дает немедленное увеличение пропускной способности в 16 раз по уже имеющимся оптоволоконным кабелям [1]. Перейдем теперь к более подробному рассмотрению этой технологии.

1. Общие принципы организации систем связи со спектральным уплотнением (WDM)

1.1 Введение в WDM

Оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн МРДВ (WDM) - сравнительно новая технология оптического (или спектрального) уплотнения, которая была разработана в 1970-1980 годах. В настоящее время WDM играет для оптических синхронных систем ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением МЧР (FDM) для аналоговых систем передачи данных. По этой причине системы с WDM часто называют системами оптического мультиплексирования с частотным разделением ОМЧР (OFDM). Однако по сути своей эти технологии (FDM и OFDM) существенно отличаются друг от друга. Их отличие состоит не только в использовании оптического (OFDM) или электрического (FDM) сигнала. При FDM используется механизм АМ модуляции с одной боковой полосой (ОБП) и выбранной системой поднесущих, модулирующий сигнал которых одинаков по структуре, так как представлен набором стандартных каналов ТЧ. При OFDM механизм модуляции, необходимый в FDM для сдвига несущих, вообще не используется, несущие генерируются отдельными источниками (лазерами), сигналы которых просто объединяются мультиплексором в единый многочастотный сигнал. Каждая его составляющая (несущая) принципиально может передавать поток цифровых сигналов, сформированный по законам различных синхронных технологий. Например, одна несущая формально может передавать АТМ трафик, другая SDH, третья PDH и т.д. Для этого несущие модулируются цифровым сигналом в соответствии с передаваемым трафиком.

Системы WDM основаны на способности оптического волокна одновременно передавать свет различных длин волн (цветов) без взаимной интерференции. Каждая длина волны представляет отдельный оптический канал в волокне. Существуют различные оптические методы для того, чтобы объединить несколько каналов в одном волокне, а затем выделить их в нужных точках сети. На сегодняшний день технология WDM позволяет передавать по одному волокну каналы с разницей длин волн между соседними каналами всего в доли нанометра (1 нм = 10-9 м), что называется плотным волновым мультиплексированием DWDM (Dense WDM). Развитие технологии WDM позволило создать коммерческие сети, в которых по отдельным волокнам передается более сотни независимых оптических каналов, а также сети, в которых передача сигналов осуществляется в обоих направлениях в одном и том же оптическом волокне. И это только начало [8].

1.2 Модель взаимодействия WDM с транспортными технологиями

Формально для систем WDM не важно, какие методы кодирования и формирования конкретного цифрового сигнала использовались. Хотя, как правило, в этих системах и передается однотипный трафик, это диктуется используемыми методами синхронизации и единообразием процесса обработки. В отличие от систем SDH транспортируемый сигнал не упаковывается в контейнеры и не подвергается обработке в соответствии со структурой мультиплексирования SDH для формирования транспортного модуля STM-N, который только и может быть передан через физический уровень в канал связи (среду передачи).

Если упрощенно представить многоуровневую модель взаимодействия основных технологий SDH/SONET, ATM, IP (без учета возможности переноса IP через ATM), осуществляющих транспортировку сигнала в глобальных цифровых сетях, и WDM, то до появления последней она имела вид, представленный на рис. 1а. Модель состояла из трех уровней и оптической среды передачи и показывала, что для транспортировки трафика верхнего уровня (ATM и IP) по оптической среде передачи он должен быть размещен (инкапсулирован) в транспортные модули STM-N/OC-n технологий SDH/SONET, способные, используя физический интерфейс этих технологий, пройти через физический уровень в оптическую среду передачи. Отсюда была ясна необходимость создания технологий инкапсуляции ячеек АТМ, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET). Этим и занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в таких институтах, как ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на указанные технологии.

а) - до внедрения технологии WDM б) - после внедрения WDM

Рисунок 1 - Модель взаимодействия основных транспортных технологий

После появления систем WDM модель принимает вид, представленный на рис. 1б. Теперь модель имеет четыре уровня, не считая оптической среды передачи. Появился промежуточный уровень WDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий через физический уровень выйти в оптическую среду передачи не только технологии SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP. В последнем случае не требуется инкапсуляции ячеек ATM или пакетов IP в промежуточный транспортный модуль технологий SDH/SONET, что не только упрощает процедуру обработки и транспортировки трафика, генерируемого системами ATM и IP, но и существенно уменьшает общую длину заголовков (которые пристыковываются по мере прохождения с верхнего уровня на нижний), повышая процент, занимаемый информационной составляющей трафика, в общей длине передаваемого сообщения, а значит, и эффективность передачи в целом. Естественно, что ATM и IP трафик может быть передан и по традиционной схеме с использованием SDH/SONET, трафик которых может быть также передан с помощью систем WDM, что сохраняет преемственность старых схем транспортировки и увеличивает гибкость композитных систем WDM-SDH/SONET в целом [4].

1.3 Общее описание систем с WDM

Система WDM во многом похожа на традиционную систему TDM. Сигналы разных длин волн, генерируемые одним или несколькими оптическими передатчиками, объединяются мультиплексором в многоканальный составной оптический сигнал, который далее распространяется по оптическому волокну. При больших расстояниях передачи на линии связи устанавливается один или несколько оптических повторителей. Демультиплексор принимает составной сигнал, выделяет из него исходные каналы разных длин волн и направляет их на соответствующие фотоприемники. На промежуточных узлах некоторые каналы могут быть добавлены или выделены из составного сигнала посредством мультиплексоров ввода/вывода или устройств кросс-коммутации.

Рисунок 2 -Типовая система WDM с возможностями выделения / добавления и кросс-коммутации каналов

Главным отличием систем WDM от систем TDM является то, что в системе WDM передача ведется на нескольких длинах волн. Важно отметить, что на каждой длине волны в системе WDM может передаваться мультиплексированный сигнал систем TDM. Система WDM в общем случае состоит из одного или нескольких лазерных передатчиков, мультиплексора, одного или нескольких усилителей EDFA, мультиплексоров ввода/вывода, оптического волокна (кабеля), демультиплексора и соответствующего числа фотоприемников , а также электронного оборудования , которое обрабатывает передаваемые данные в соответствии с используемыми протоколами связи, и системы сетевого управления.

Основная схема системы c WDM (для примера взято четыре канала) имеет вид.

Рисунок 3 - Блок-схема WDM

Здесь n входных потоков данных (кодированных цифровых импульсных последовательностей) модулируют (модуляция основной полосой) с помощью оптических модуляторов M_i оптические несущие с длинами волн l_i. Модулированные несущие мультиплексируются (объединяются) с помощью мультиплексора WDM Mux в агрегатный поток, который после усиления (с помощью бустера или мощного усилителя - МУ) подается в ОВ. На приемном конце поток с выхода ОВ усиливается предварительным усилителем - ПУ, демультиплексируется, т.е. разделяется на составляющие потоки - модулированные несущие l i, которые детектируются с помощью детекторов Д_i (на входе которых могут дополнительно использоваться полосовые фильтры Ф_i для уменьшения переходных помех и увеличения тем самым помехоустойчивости детектирования), и, наконец, демодулируются демодуляторами ДM_i, формирующими на выходе исходные кодированные цифровые импульсные последовательности. Кроме МУ и ПУ в системе могут быть использованы и линейные усилители - ЛУ (как рассматривалось выше).

2. Компоненты системы WDM

Основное требование к компонентам систем WDM состоит в том, что они должны одинаково обрабатывать все каналы на всем протяжении оптического пути линии связи. Для этого требуется тщательный выбор оптических передатчиков, мультиплексоров, демультиплексоров, усилителей и волокна. Все оптические характеристики пассивных и активных компонентов сети - вносимые потери, потери на отражение, дисперсия, поляризационные эффекты и т.д. должны измеряться как функция длины волны во всем диапазоне длин волн, используемом для передачи в системе WDM. В системах WDM часто используют значительно более сложные устройства, чем в системах с одной рабочей длиной волны, и проводить тестирование характеристик таких устройств намного сложнее.

В мультиплексорах, демультиплексорах, узкополосных фильтрах систем WDM используются тонкопленочные фильтры, сварные биконические разветвители BFT (Fused Biconic Tapered Coupler), решетки на основе массива волноводов AWG (Array Waveguide Grating), волоконные брэгговские и обычные дифракционные решетки. Необходимо исследовать влияние активных компонентов (в особенности, оптических усилителей) и взаимной интерференции каналов на целостность передаваемых сигналов для минимизации потенциальной возможности их неблагоприятного воздействия. Несмотря на то, что все материалы и компоненты при производстве тестируются на соответствие стандартам, возможно ухудшение их характеристик при непосредственной установке в полевых условиях. При объединении отдельных компонентов в единую систему, небольшие различия их характеристик могут накапливаться и непредсказуемым образом влиять на параметры сети в целом. Для обеспечения гарантированной надежности сети, необходимо выполнять тестирование не только каждого компонента в отдельности, но и всей системы в целом. Тестирование компонентов может вызвать много сложностей. Разница длин волн соседних каналов в системах WDM очень мала, и параметры многих компонентов (например, мультиплексоров) должны строго соответствовать пределам допустимых отклонений. При большом числе каналов используемый спектральный диапазон становится достаточно широким, и поддержание близких значений параметров для всех каналов (коэффициента усиления, дисперсии, уровня вносимых шумов и т.д.) становится достаточно сложной задачей [8].

2.1 Передатчики

В первых волоконно-оптических передатчиках электрические и электронно-оптические элементы представляли собой отдельные модули. Современные передатчики имеют гибридную конструкцию. Лазеры и интегральные микросхемы, модулирующие излучение, объединены в единый компактный модуль, что позволяет достичь больших частот модуляции и высокой надежности. Такой модуль является по сути электронно-оптическим преобразователем, в котором интенсивность выходного светового сигнала модулируется входным цифровым электрическим сигналом. При низких скоростях передачи модулируется управляющий ток (лазеры с внутренней модуляцией), при высоких - сам оптический сигнал (лазеры с внешней модуляцией).

Передатчик для одного канала обычно представляет собой лазер с распределенной обратной связью DFB (Distributed Feed Back) с выходной мощностью в волокне не менее 0 дБм (1 мВт) и модулятор. При высоких частотах модуляции модулятор обычно внешний. Современная интегральная оптика позволяет создавать недорогие и удобные в эксплуатации оптические передающие модули, объединяющие в одном кристалле лазер, модулятор и полупроводниковый усилитель. Разработаны оптические передающие модули, объединяющие мультилазеры, одновременно генерирующие сигналы на нескольких длинах волн, мультиплексор и полупроводниковый оптический усилитель мощности. Иногда за лазером устанавливают регулируемый аттенюатор, плавно уменьшающий мощность лазера. Степень ослабления сигнала лазера выбирается исходя из характеристик первого регенератора в линии связи. В случае, когда одновременно используют несколько передатчиков с разными длинами волн, для выравнивания спектрального распределения мощности также требуется применение соответствующих аттенюаторов.

В системах WDM наиболее широко применяют DFB-лазеры с резонатором типа Фабри-Перо. При этом дифракционная решетка выполнена на поверхности активной части кристалла лазера, что обеспечивает точный выбор длины волны лазерного излучения за счет оптической обратной связи (рис. 4). С помощью дифракционной решетки обеспечивается усиление излучения только одной продольной моды лазера таким образом, что вся мощность сигнала концентрируется в очень узкой области спектра (ширина линии на половине высоты менее 100 МГц). При этом боковые моды подавляются до уровня не менее 40 дБ (рис. 5). Отношение мощности главного пика к мощности ближайшей боковой моды называют коэффициентом подавления боковых мод. Как и в лазере с резонатором Фабри-Перо, геометрия волновода обеспечивает высокую направленность и высокую степень поляризации выходного лазерного излучения.

Рисунок 4 - Упрощенный вид кристалла DFB-лазера



Рисунок 5 - Спектр излучения DFB-лазера

Модуль оптического передатчика с DFB-лазером может содержать также термоэлектрическое охлаждающее устройство, датчик температуры, оптический изолятор и контрольный фотодиод. Эффективность DFB-лазеров достаточно высока: выходная мощность в 0 дБм обеспечивается при токе накачки в 40 мА.

Модуляция излучения лазера является одним из проблемных вопросов. При низких скоростях передачи модулируется ток накачки. При высоких скоростях передачи используется внешняя модуляция сигнала лазера, так как модуляция тока приводит к слишком большому чирпированию. Внешняя модуляция увеличивает стоимость и сложность системы, вносит дополнительные оптические потери и усложняет управление состоянием поляризации излучения.

Обычно для внешней модуляции используют интерферометры типа Маха-Цендера (Mach-Zehnder) или устройства электрического поглощения, основанные на технологии переключений. Для достижения высоких частот переключения часто используют волноводы на основе монокристаллов ниобата лития (LiNbO3) или фосфида индия (InP) благодаря их большому показателю преломления. Высокая стоимость устройств интегральной оптики пока ограничивает применение таких модуляторов, однако совершенствование процесса производства и рост потребительского спроса на них должны изменить эту ситуацию в лучшую сторону. Применение волоконных оптических усилителей EDFA и полупроводниковых оптических усилителей SOA (Semiconductor Optical Amplifier) позволило значительно увеличить мощность, вводимую в волокно после модулятора (до уровня больше +17 дБм). Поскольку значения мощности выше +17 дБм уже не соответствуют классу безопасности IIIb (Рекомендации IEC 60825), рассматривается возможность введения класса безопасности 1M для лазеров с мощностью излучения, вводимой в волокно, +20 дБм и выше.

DFB-лазеры имеют несколько недостатков. Из-за очень узкой ширины линии генерации (и соответственно большой длины когерентности) они чувствительны к отраженному в линии сигналу, попадающему обратно активную область усиления лазера. Если в линии создаются параллельные частично отражающие поверхности в пределах длины когерентности лазера, это приводит к возникновению отраженного сигнала, когерентного с излучением лазера. Попадая в резонатор лазера, такой сигнал интерферирует с полезным сигналом и нарушает стабильность генерации лазера. Причем, интенсивность отраженного сигнала может иметь максимум при определенных температурах, что делает стохастическим и трудноулавливаемым появление этого эффекта. Основным способом борьбы с этим является применение на выходе передающего модуля оптического изолятора [5].

2.2 Стабилизаторы длины волны

Успешная работа сетей WDM во многом зависит от стабильности источника сигнала. Для того, чтобы приемники, фильтры, аттенюаторы и волновые разветвители правильно выполняли свои функции, частота сигнала должна выдерживаться с очень высокой точностью. Это обеспечивают стабилизаторы длины волны, рис. 6.

Стабилизаторы длины волны осуществляют блокировку излучения лазера за пределами ширины полосы для каждой номинальной частоты излучения.

Рисунок 6 - Упрощенная схема работы стабилизатора длины волны

И обеспечивают требуемую для источников излучения систем WDM высокую стабильность. Точная длина волны излучения лазера устанавливается путем изменения его температуры или с помощью его подкачки электрическим током. При этом стабилизатор длины волны выдает управляющий сигнал для задания длины волны излучения лазера. Обычно стабилизатор состоит из двух последовательно расположенных диэлектрических оптических фильтров. Один фильтр настроен на частоту, немного выше номинальной, другой - на частоту, на то же значение ниже номинальной. При прохождении оптического сигнала через эти фильтры выдается управляющий электрический сигнал, показывающий, насколько далеко длина волны источника сместилась от номинального значения .

Диэлектрические фильтры обладают исключительно высокой стабильностью и могут быть настроены на пропускание очень узкого, точно позиционированного диапазона длин волн. Стабилизаторы длины волны, использующие диэлектрические фильтры, длины волны в течение длительного времени [3].

2.3 Фотоприемники

Оптический фотоприемник преобразует входные оптические сигналы в электрические и осуществляет таким образом их демодуляцию. Фотоприемник должен быть полностью совместим с передатчиком как по спектральной области чувствительности в пределах номинальных длин волн, так и временным характеристикам модуляции излучения. Кроме того, фотоприемник должен обладать устойчивостью к ошибкам, которые могут возникнуть в сигнале при прохождении других оптических компонентов. Оптический сигнал подается на фотоприемник непосредственно из волокна, что обеспечивается традиционным способом - их торцевой стыковкой. Полученный на фотоприемнике электрический сигнал необходимо усилить до требуемого уровня, внеся при этом как можно меньше. Может понадобиться также электронная фильтрация, для сглаживания эффективного частотного отклика усилителя. Все эти операции обычно выполняются одним гибридным модулем (включающим и модуль приемника), на который поступает входной оптический сигнал из волокна. Модуль формирует на выходе отфильтрованный электрический сигнал, который затем требуется соответствующим образом демодулировать.

Сложность процесса демодуляции зависит от используемой технологии модуляции. Например, при использовании технологии TDM необходимо выделить из поступившего сигнала сигналы синхронизации, для чего могут использоваться различные схемы выявления и исправления ошибок. Обычно в качестве фотоприемников используется два типа фотодиодов: PIN- фотодиоды и лавинные фотодиоды APD (Avalanche Photodiode). PIN-фотодиоды работают со стандартными низковольтными источниками питания (5 В), но они менее чувствительны и имеют более узкую область спектральной чувствительности по сравнению с лавинными фотодиодами. До появления лавинных фотодиодов высокоскоростные PIN-фотодиоды использовались на линиях связи со скоростями передачи 10 Гбит/с и 40 Гбит/с. Лавинные фотодиоды в основном применяются на линиях связи большой протяженности, где оправданы их высокая стоимость и значительно более сложные схемы регистрации оптических сигналов. Кроме того, во многих случаях использование фотоприемника с лавинным фотодиодом позволяет отказаться от оптического предусилителя, необходимого в фотоприемнике с PIN- фотодиодом.

Рисунок 7 - Электрическая диаграмма PIN-фотодиода

Важнейшие характеристики при выборе фотоприемника - это спектральная чувствительность (отношение силы тока к мощности оптического сигнала A/W в зависимости от длины волны), пороговая чувствительность (уровень входного сигнала, при котором он уже перестает различаться из-за шумов фотоприемника), спектральная и электрическая полосы пропускания, динамический диапазон, уровень шумов. Допустимое значение каждой характеристики фотоприемника зависит от его конкретного применения. Например, шумовые характеристики становятся более значимыми, когда перед фотоприемником установлен оптический предусилитель большой мощности. Кроме этого, следует обратить внимание на необходимость оптической фильтрации - такой же, как и в демультиплексоре - для уменьшения усиленной спонтанной эмиссии [5].

2.4 Аттенюаторы

В линии связи после оптического передатчика часто устанавливают аттенюаторы, которые позволяют уменьшать их выходную мощность до уровня, соответствующего возможностям расположенных далее мультиплексоров и усилителей EDFA (рис. 8).

Рисунок 8 - Аттенюаторы расположены между передатчиками и мультиплексором

Рисунок 9 - Избирательное ослабление лx длин волн

Применение мощных лазеров в передатчиках оправдано при отказе от необходимости использования промежуточных усилителей сигнала на линии. При этом на определенных участках сети может понадобиться ослабление мощности сигнала с помощью аттенюатора, чтобы большая мощность сигнала не приводила к нелинейным ослабление мощности часто требуется и для, чтобы "выровнять" спектр сигнала на входе в усилителя EDFA и обеспечить равномерное усиление для всех каналов.

Это особенно важно, когда в усилителе EDFA происходит добавление или выделение каналов.

Ослабление сигнала также зависит от его мощности: чем выше мощность сигнала, тем сильнее излучение вследствие нелинейных эффектов и, как следствие, больше ослабление сигнала [8].

2.5 Коммутаторы

В сетях WDM коммутаторы применяют для того, чтобы при возникновении неисправностей в сети направить сигнал по другому оптическому пути или через другую сеть.

Поначалу коммутация в волоконно-оптических сетях включала в себя преобразование оптического сигнала в электрическую форму, выполнение необходимых переключений и обратное преобразование сигнала в оптическую форму. Этот громоздкий и дорогой процесс ограничивал скорость коммутации и снижал работоспособность систем WDM. Такой способ коммутации получил название «непрозрачной коммутации».

Сложность современных сетей и требования к их надежности за последние годы значительно возросли. Раньше в оптической сети было достаточно нескольких коммутаторов с простыми возможностями перенаправления сигнала, теперь в сетях требуются мощные системы кросс-коммутации типа NxN, выполняющие сложные операции по полной переконфигурации N оптических сигналов. Способность осуществлять полную неблокируемую коммутацию сигналов становится крайне важной функцией для современных полностью оптических сетей. Поэтому огромную практическую важность приобрели устройства оптической кросс-коммутации OXC (Optical Cross Connect), в которых не происходит оптоэлектронного преобразования («Прозрачная коммутация»).

Ранее обычно использовались коммутаторы типа 1xN с электрическим управлением, переключающие сигнал со входного волокна между несколькими выходными волокнами. В оптических сетях они выполняли функцию восстановления связи и не позволяли осуществлять динамическое выделение или перераспределение полосы пропускания [2].

2.6 Устройства оптической кросс-коммутации OXC

Для перенаправления нескольких каналов могут использоваться простые оптические переключатели. Однако, они не подходят для сложных сетевых архитектур (кольцевой, ячеистой) с большим количеством узлов и точек доступа, где необходима гибкая быстрая коммутация большого числа каналов. Несколько лет назад начали внедряться технологии оптической кросс-коммутации. Поначалу коммутация была оптомеханической - выполнялась с помощью крошечных зеркал, размещенных на пути оптического луча.

Рисунок 10 - Пример оптической кросс-коммутации

Использование микротехнологии и технологии на основе систем MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) позволяет разместить множество коммутирующих линз и микрозеркал вместе с их приводами на одном кремниевом кристалле. Такие устройства могут иметь сотни портов, обладают низкими вносимыми потерями, очень высокой изоляцией каналов (до 80 дБ) и могут использоваться в широком диапазоне длин волн.

В настоящее время с целью разработки устройств кросс-коммутации изучаются возможности применения полностью оптических технологий на основе оптических волноводов, жидких кристаллов и технологии цилиндрических магнитных доменов, параметры которых можно быстро менять с помощью изменения температуры, управляющего электрического тока или оптических вентилей (отдельных оптических усилителей, которые можно быстро включать и выключать). Постоянно возрастающий спрос на быстрое, надежное и недорогое оборудование для оптической коммутации будет в ближайшем будущем стимулировать научные исследования и разработки в этой области [5].

2.7 Адресные устройства ввода/вывода каналов

Адресные устройства ввода/вывода каналов (Addressable Add / Drop Device) обеспечивают селективную маршрутизацию каналов в системах WDM. В этих устройствах оптические коммутаторы применяются вместе с другими компонентами, основанными на технологии коммутации волокон или на технологии коммутации длины волны. Адресные устройства ввода/вывода каналов дают возможность осуществлять маршрутизацию полностью на оптическом уровне и исключают, таким образом, необходимость преобразования оптического сигнала в электрический и затем обратно. Неплохим примером такой технологии являются решетка массива волноводов AWG. Общая схема устройства оптической кросс-коммутации OXC показана на рис. 11.

В этом устройстве оптические каналы с различными длинами волн, поступающие на входные порты, могут переключаться между всеми выходными портами произвольным образом. Такое устройство может быть дополнено управляемым, позволяющим осуществлять селективную маршрутизацию по длине волны.



Рисунок 11 - Канал с длиной волны лi с любого входного порта может быть перенаправлен на любой выходной порт

Рисунок 12 - Пространственное перераспределение длин волн

2.8 Волновые разветвители

В системах WDM часто бывает необходимо выделять отдельные информационные каналы с заданной длиной волны. В настоящее время имеются полностью пассивные оптические устройства, выполняющие эту функцию. Зависимость параметров от частоты, которую нужно избегать при производстве таких оптических компонентов, как широкополосные разветвители, в то же время может быть использована для производства компонентов с сильной зависимостью выходного сигнала от длины волны на входе, что и имеет место в случае волновых разветвителей.

В первых системах WDM волновые разветвители повсеместно использовались для разделения длин волн 1310 нм и 1550 нм, или для объединения сигнала накачки с длиной волны 980 нм или 1480 нм с входным сигналом с длиной волны 1550 нм в волокне, легированном эрбием, в усилителе EDFA.

2.9 Устройства компенсации дисперсии

Оптическое волокно и некоторые компоненты систем WDM обладают хроматической дисперсией. Показатель преломления волокна зависит от длины волны сигнала, что приводит к зависимости скорости распространения сигнала от длины волны (материальная дисперсия). Даже если показатель преломления не зависел бы от длины волны, сигналы разных длин волн все равно распространялись бы с разной скоростью из-за внутренних геометрических свойств волокна (волноводная дисперсия). Результирующее воздействие материальной и волноводной дисперсий называется хроматической дисперсией.

Хроматическая дисперсия приводит к уширению оптических импульсов по мере их распространения по волокну, рис. 13. При большой протяженности линии связи это проявляется в том, что близко идущие импульсы начинают перекрываться, ухудшая сигнал. Устройства компенсации дисперсии DCD (Dispersion Compensation Devices) придают сигналу равную по величине, но противоположную по знаку дисперсию и восстанавливают первоначальную форму импульсов.

Наиболее распространены два типа устройств DCD - волокна, компенсирующие дисперсию DCF (Dispersion Compensating Fibers) и решетки, компенсирующие дисперсию DCG (Dispersion Compensating Gratings).



Рисунок 13 - Уширение импульсов, вызванное дисперсией, и его компенсация

2.10 Мультиплексоры и демультиплексоры

Каждый лазерный передатчик в системе WDM выдает сигнал на одной из заданных частот. Все эти сигналы (каналы) необходимо мультиплексировать (объединить друг с другом) в единый составной сигнал. Устройство, которое выполняет эту функцию, называется оптическим мультиплексором MUX (или OM). Аналогичное устройство на другом конце линии связи разделяет составной сигнал на отдельные каналы и называется оптическим демультиплексором DEMUX (или OD). В отличие от систем TDM, в которых подобные операции уплотнения каналов происходят во временной области, и основное внимание уделяется точности синхронизации приемника и передатчика, в системах WDM мультиплексированию и демультиплексированию подвергаются спектральные компоненты отдельных сигналов, характеристики которых всегда известны заранее.

Рисунок 14 - Мультиплексор и демультиплексор

Мультиплексорам DWDM (в отличии от более традиционных WDM) присущи две отличительные черты:

· использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA (1530-1560 нм);

· малые расстояние между мультиплексными каналами, 3,2 / 1,6 / 0,8 или 0,4 нм.

Кроме этого, поскольку мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов до 32 и более, то наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются (демультиплексируются) одновременно все каналы, допускаются также новые устройства, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока , представленного большим числом других каналов. Так как выходные порты/полюса демультиплексора закреплены за определенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует значительно большей прецизионности по сравнению c WDM мультиплексорами (использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм). Также важно обеспечить высокие характеристики по ближним (коэффициент направленности) и дальним (изоляция) переходных помех на полюсах DWDM устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM устройств по сравнению WDM [6].

2.11 Оптические усилители

Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) за последние несколько лет произвели революцию в телекоммуникационной промышленности. Усилители EDFA обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна (рис. 15). Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетанием качеств линии связи и сети на основе систем DWDM стали экономически привлекательными.

Рисунок 15 - Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины волны

Усилитель EDFA состоит из отрезка волокна, легированного эрбием. В таком волокне сигналы определенных длин волн могут усиливаться за счет энергии внешнего излучения накачки. В простейших конструкциях EDFA усиление происходит в достаточно узком диапазоне длин волн - примерно от 1525 нм до 1565 нм. В эти 40 нм умещается несколько десятков каналов DWDM . Обычные электронные повторители, чтобы восстановить уровень сигнала на протяженной линии связи, считывают сигнал с волокна, преобразуют его в электрические импульсы, усиливают их, преобразуют усиленный сигнал снова в оптическую форму и передают дальше по линии связи. В отличие от них, усилители EDFA полностью "прозрачны" - не зависят от используемых протоколов, форматов, скорости передачи и (в пределах указанных выше ограничений) длины волны оптического сигнала. Поскольку усилители EDFA независимы от сетевого протокола, их можно подключать непосредственно к различному оборудованию - коммутаторам ATM или компонентам протокола IP - не опасаясь, что они помешают друг другу. Такая гибкость - одно из основных преимуществ использования их в системах DWDM . Наряду с этим, при использовании усилителей EDFA требуется тщательно учитывать их неоднородное спектральное усиление и шум, вносимый ими за счет усиленной спонтанной эмиссии ASE (Amplified Spontaneous Emission). Сети с усилителями EDFA имеют многочисленные преимущества. Пропускную способность таких сетей можно наращивать экономично и постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности. Применение усилителей EDFA позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка сигнала электронными компонентами происходит только в начальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной (где информация достигает конечного получателя) точках как отдельный канал на отдельной длине волны, благодаря чему большая часть существующего сетевого оборудования непосредственно включается в состав систем DWDM. За счет этого начальная стоимость ввода систем DWDM в эксплуатацию достаточно низка [8].

2.12 Лазеры накачки

Важнейший компонент усилителя EDFA - лазер накачки. Он является источником энергии, за счет которой усиливается оптический сигнал. Энергия лазера накачки распределяется в усилителе EDFA между всеми оптическими каналами. Чем больше число каналов, тем большая требуется мощность накачки. В усилителях EDFA, рассчитанных на большое количество каналов, часто используется несколько лазеров накачки.

Рисунок 16 - Схема EDFA

2.13 Оптическое волокно

Стандартное волокно

Оптическое волокно, уложенное в кабель, является одним из важнейших компонентов волоконно-оптической сети. Волокно - та физическая среда, по которой осуществляется передача информации. Первые волокна, которые стали широко использоваться на линиях связи большой протяженности - одномодовые волокна со ступенчатым показателем преломления и нулевой дисперсией на длине волны 1310 нм (G.652 по классификации ITU), стандартные одномодовые волокна. В 1980-е годы было проложено более 80 миллионов километров кабеля с такими волокнами. Несмотря на рост скоростей передачи данных и появление технологии DWDM, позволяющей во много раз увеличить пропускную способность уже проложенного кабеля, интенсивность прокладки кабеля во всем мире в обозримом будущем не упадет.

Рисунок 17 - Дисперсионные характеристики волокон

Хотя стандартное волокно G.652 имеет нулевую хроматическую дисперсию на длине волны 1310 нм, его дисперсия на длине волны 1550 нм достаточно высока (18 пс/нм*км). На первый взгляд, это несовместимо с рабочим диапазоном EDFA (область 1550 нм). Однако недавние исследования показали, что передача каналов DWDM умеренной скорости по волокну G.652 может происходить на значительные расстояния без потери качества сигнала. Во многом это достигается за счет того, что высокая дисперсия на длине волны 1550 нм может быть компенсирована с помощью отрезка специального волокна или других устройств компенсации дисперсии [1].

Волокно со смещенной дисперсией

Производители волокна разработали волокно со смещенной дисперсией (G.653 по классификации ITU), которое имеет нулевую дисперсию на длине волны около 1550 нм. На этой длине волны затухание ниже, чем на 1310 нм, а потому работа в окне 1550 нм более предпочтительна, особенно для линий связи большой протяженности. Однако, волокно со смещенной дисперсией не является безусловно лучшим для передачи каналов DWDM. Показатель дисперсии достаточно резко изменяется при отдалении от длины волны нулевой дисперсии, из-за чего приходится отдельно компенсировать дисперсию каждого канала.

Волокно с смещенной дисперсией оказалось неудачным при передаче составного сигнала DWDM. При передаче по каналу связи составного сигнала DWDM необходимо вводить в волокно сигнал очень большой мощности, из-за чего в волокне начинают проявляться нелинейные эффекты. В волокне со смещенной дисперсией влияние эффекта четырехволнового смешения FWM ограничивает использование длин волн, близких к длине волны нулевой дисперсии 1550 нм. Следует отметить, что эффект FWM можно уменьшить, если передавать составной сигнал DWDM на длинах волн, достаточно удаленных от длины волны 1550 нм в одну или другую сторону. Однако, при этом становится невозможно использовать любые длины волн из частотного плана ITU.



Рисунок 18 -Типичные значения дисперсии для различных типов оптических волокон

Рисунок 19-Типичные профили коэффициента преломления для одномодовых оптических волокон

Волокно с ненулевой смещенной дисперсией

Для подавления нелинейных эффектов, и особенно FWM, были разработаны волокна, в которых длина волны нулевой дисперсии выведена из рабочего диапазона усилителей EDFA (1530-1565 нм) за счет специальных профилей показателя преломления (рис. 19) - волокна с ненулевой смещенной дисперсией (G.655 по классификации ITU). В пределах рабочего диапазона EDFA волокно G.655 имеет небольшую, хорошо контролируемую хроматическую дисперсию (от более чем 3 пс/нм*км на 1530 нм до менее чем 0,7 пс/нм*км на 1560 нм). Такого значения дисперсии вполне достаточно, чтобы подавить FWM - при этом еще возможна передача со скоростью по меньшей мере 2,5 Гбит/с на канал на расстояния порядка 1000 км. Волокна G.655 наилучшим образом подходят для использования в системах DWDM. Для нейтрализации эффекта FWM можно также увеличивать промежутки между каналами DWDM или использовать неравномерные промежутки. Однако, это вносит ограничения на использование длин волн из частотного плана ITU [1].

Волокна с большим эффективным сечением

Дальнейшее подавление нелинейных эффектов возможно за счет увеличения эффективной площади сечения сердцевины волокна, в которой сосредоточена основная часть мощности сигнала, при сохранении одномодового режима распространения света. Дело в том, что нелинейные эффекты зависят не от полной мощности сигнала, а от его интенсивности - то есть мощности, приходящейся на единицу площади эффективного поперечного сечения волокна [1].

3. Промышленные системы DWDM

3.1 Стандартные длины волн передачи

Для того, чтобы компоненты систем WDM были взаимозаменяемы и могли взаимодействовать между собой, в системах WDM необходимо использовать стандартный набор частот генерации лазеров. Всеми вопросами, связанными со стандартизацией систем WDM занимается международный орган стандартизации - сектор стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи ITU-T (International Telecommunications Union, ITU) в рамках исследовательской группы SG15 по транспортным сетям, системам и оборудованию (Study Group 15 on Transport Networks, Systems and Equipment). Спецификации ITU-T G.692 по оптическим интерфейсам для многоканальных систем с оптическими усилителями определяет стандартный набор частот - частотный план систем WDM.

Частотный план ITU - это набор стандартных частот н на основе базовой частоты 193100 ГГц. Стандартные частоты располагаются выше и ниже этой частоты с частотным интервалом в 50 ГГц. В табл. 1 частотный интервал составляет 100 ГГц. Для каждой частоты дана соответствующая длина волны л (л = c н , c=299792500 м/с). Провайдерам услуг связи рекомендуется использовать оптические частоты в соответствии с частотным планом ITU.

Таблица 1 - Частотный план ITU

3.2 Цепь "точка-точка"

Наиболее популярным применением DWDM на первых этапах жизненного цикла этой технологии является создание сверхдальних высокоскоростных магистралей (Ultralong Haul), в которых применяется топология цепь "точка-точка" (рис. 20):

Рисунок 20 - Цепь "точка-точка"

Для организации такой магистрали достаточно в ее конечных точках установить терминальные мультиплексоры DWDM, а в промежуточных точках - оптические усилители, если этого требует расстояние между конечными точками. Терминальный мультиплексор включает собственно блок мультиплексирования-демультиплексирования, выходной (Booster, B) и предварительный (Pre-amplifier, P) усилители, а также набор транспондеров (Transponder, T), преобразующих входные сигналы от источников, длина волны которых не соответствует частотному плану мультиплексора, в волны требуемой длины. В тех случаях, когда некоторое подключаемое к сети DWDM устройство способно вырабатывать сигнал на волне одной из частот, поддерживаемых мультиплексором DWDM (плана ITU-T G.692 или частного плана производителя) транспондеры не используются. В этом случае говорят, что подключаемое к сети DWDM устройство имеет "окрашенный" интерфейс. В рекомендации ITU-T G.692 определены три типа усилительных участков, то есть участков между двумя соседними мультиплексорами DWDM:

· L (Long) - участок состоит максимум из 8 пролетов ВОЛС и 7 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями до 80 км при общей максимальной протяженности участка 640 км;

· V (Very long) - участок состоит максимум из 5 пролетов ВОЛС и 4 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями до 120 км при общей максимальной протяженности участка 600 км;

· U (Ultra long) - участок без промежуточных усилителей длиной до 160 км.

Ограничения на количество пассивных участков и их длину связаны с некоторой деградацией оптического сигнала при его оптическом усилении - хотя оптический усилитель EDFA восстанавливает мощность сигнала, но не полностью компенсирует эффект хроматической дисперсии (то есть распространения волн разной длины с разной скоростью, из-за чего сигнал на приемном конце волокна "размазывается"), а также такие нелинейные эффекты как рамановское рассеивание, четырехволновое смешение и нестабильность модуляции. Поэтому для построения более протяженных магистралей необходимо между усилительными участками устанавливать мультиплексоры DWDM, выполняющие регенерацию сигнала за счет его преобразования в электрическую форму и обратно, то есть работающие по принципу O-E-O. Ситуацию частично улучшают специальные компенсаторы дисперсии, но полностью восстановить качество сигнала они не могут. Для уменьшения нелинейных эффектов в системах DWDM применяется также ограничение мощности сигнала, передаваемого по длинной линии. В приведенной выше схеме дуплексный обмен между абонентами сети происходит за счет однонаправленной передачи всего набора волн по двум волокнам. Существует и другой вариант работы сети DWDM, когда для связи узлов сети используется одно волокно. Дуплексный режим достигается за счет двунаправленной передачи оптических сигналов по волокну - половина волн частотного плана передают информацию в одном направлении, а половина - в обратном [2].

3.3 Цепь с промежуточными подключениями

Естественным развитием предыдущей топологии является построение сети, в которой промежуточные узлы выполняют функции мультиплексоров ввода-вывода (рис. 21).

Рисунок 21 - Цепь с промежуточными подключениями

Оптические мультиплексоры ввода-вывода (OADM) могут вывести из общего оптического сигнала волну определенной длины и ввести туда сигнал этой же длины волны, так что спектр транзитного сигнала не изменится, а соединение будет выполнено с одним из абонентом, подключенных к промежуточному мультиплексору. OADM может выполнять операции ввода-вывода волн оптическими средствами или с помощью промежуточного преобразования в электрическую форму. Обычно полностью оптические (пассивные) мультиплексоры ввода-вывода могут отводить небольшое число волн, так как каждая операция вывода требует последовательного прохождения оптического сигнала через оптический фильтр, который вносит дополнительное затухание. Если же мультиплексор использует электрическую регенерацию сигнала, то количество выводимых волн может быть любым в пределах имеющегося набора волн, так как транзитный оптический сигнал предварительно полностью демультиплексируется [7].

3.4 Кольцо

Кольцевая топология обеспечивает живучесть сети WDM за счет наличия резервных путей. Методы защиты трафика, применяемые в WDM, аналогичны методам SDH (хотя в WDM они пока не стандартизованы). Если какое-либо соединение защищается, то между его конечными точками устанавливаются два пути - основной и резервный. Мультиплексор конечной точки сравнивает два сигнала и выбирает сигнал лучшего качества (или сигнал по умолчанию).

Рисунок 22 - Кольцевая топология

3.5 Ячеистая топология

По мере развития сетей WDM в них все чаще будет применяться ячеистая топология, которая обеспечивает существенно большую гибкость, производительность и отказоустойчивость, чем остальные топологии. Однако для реализации ячеистой топологии необходимо наличие оптических кросс-коннекторов (OXC), поддерживающих произвольную коммутацию между оптическими сигналами, передаваемыми волнами различной длины (а не только добавление и вывод волн из общего транзитного сигнала, как это делают мультиплексоры ввода-вывода). Оборудование такого класса сравнительно недавно появилось на рынке, причем пока не все ведущие производители имеют его в своих линейках продуктов, что затрудняет построение ячеистых сетей WDM.

Рисунок 23 - Ячеистая топология

На сегодняшний день на рынке телекоммуникационного оборудования DWDM представляют несколько фирм [2].

3.6 Основные проблемы

Появление технологии DWDM, как и любой новой технологии, одновременно со значительными преимуществами принесло и новые проблемы. Основной проблемой для операторов современных систем DWDM является их надежная и стабильная работа. Очень важным становится контроль качества оптических характеристик и поведения

системы, начиная от производства компонентов и завершая этапом системной интеграции. Такой контроль гарантирует ввод системы DWDM в эксплуатацию с расчетными параметрами и длительную и устойчивую ее работу.

Рассмотрим основные факторы, ограничивающие производительность систем с временным мультиплексированием TDM, поместив их на плоскости параметров время-мощность, рис. 24

Рисунок 24 - Основные факторы, ограничивающие характеристики систем TDM

По оси мощности отложены такие параметры как мощность лазера, потери в волокне и потери, вносимые компонентами. Вдоль другой оси отложены параметры, связанные со временем. Это - поляризационная модовая дисперсия PMD волокна, хроматическая и модовая (для многомодовых волокон) дисперсия, а также нестабильность сигнала и скорость передачи. На пересечении осей появляются новые параметры, требующие учета: глубина модуляции лазера, нелинейность волокна, относительная интенсивность шума RIN (Relative Intensity Noise) и коэффициент ошибок BER (Bit Error Rate). Мультиплексирование по длине волны добавляет в пространство параметров новое измерение - длину волны - и намного усложняет представление основных параметров систем WDM, рис. 25