Перспективы развития волоконно-оптических линейных трактов – ЧАСТЬ 2

Рис. 3.49

В тракте приема очередного пункта доступа поступивший поток λ1  + λ2  с  помощью демультиплексора ODM-2 и фильтров ПОФ3  и ПОФ4  разделяется на два потока с длинами волн λ1 = 1545 нм и λ2 = 1555 нм. Фильтры также служат для ограничения уровня шумов на входах ОПМ. Потоки λ1  и λ2  в оптических приемниках ОПМ1  и ОПМ2  преобразуются в два потока  видеоимпульсов, которые  поступают  в  синхронные  линейные  демультиплексоры SLD-64 двух систем передачи SDH.

Таким    образом,    рассмотренный    вариант   использования   метода     оптического мультиплексирования позволяет увеличить пропускную способность проложенного ООВ по сравнению с использованием метода мультиплексирования с разделением по времени TDM (Time Division Multiplexing) в  2 раза, т. е. в  данном  случае технология WDM обеспечивает результирующую скорость передачи сигналов 20 Гбит/с по одному ООВ.

Принцип  работы  указанных  на  рис.  3.49  устройств основан на  таких   свойствах оптических сигналов как интерференция и дифракция. В основе устройств WDM могут быть оптические  линзы,  интерференционные  оптические  фильтры,   дифракционные  решетки, оптические  призмы  и  др.  При  мультиплексировании   до   четырех  оптических  потоков целесообразно применять устройства WDM на основе интерференционных фильтров, а если потоков более  четырех,  как  правило,  используют  устройства на  основе дифракционных решеток. В обоих случаях применяются градиентные стержневые линзы, или граданы [18].

Из многообразия линз, используемых в  ВОСП, наиболее эффективны линзы с  малым фокусным расстоянием,  однако  у  них  велики искажения  оптических  сигналов. Поэтому вместо обычных  линз  применяются  так  называемые  градиентные  стержневые  линзы,  в которых фокусное расстояние уменьшается не  за  счет геометрии, а за счет использования для  них  материалов  с  плавно   изменяющимся  показателем   преломления.  В  граданах вошедший в   них   оптический  луч  распространяется  по  криволинейной траектории.  В зависимости  от длины граданы могут быть много-, одно-, полу- и четвертышаговыми. На рис.  3.50,  а  показаны  полушаговые, а  на  рис.  3.50,  б  –  четвертышаговые граданы.  В оптических     мультиплексорах     и     демультиплексорах     применяют     четвертышаговые градиентные  стержневые линзы.  Как видно из  рисунка,  они  позволяют превратить  один расходящийся  оптический  луч  в   два параллельных,  либо  наоборот  –  сфокусировать два параллельных оптических луча в один (рис. 3.50, б).

Устройство мультиплексора ОМ-2 на граданах и интерференционном фильтре показано на  рис.  3.51,  где  цифрами обозначены:  1  –  интерференционный  оптический  фильтр; 2  – градиентные стержневые линзы; 3, 4 и 5 – ООВ. Интерференционный фильтр, помещенный между линзами (граданами), имеет большой коэффициент отражения для сигналов на одной

длине волны и малое затухание (ослабление) для сигналов на другой длине волны. Если по ООВ 3 на один вход такого устройства будет поступать оптический сигнал на длине волны λ1 а по ООВ 4 на второй вход подать  оптический сигнал на длине волны λ2, то на выходе объединителя 2:1 появится оптический сигнал на длине волны λ1 + λ2, который поступит на выход ООВ 5.

Рис. 3.50

Рис. 3.51

Изображенное  на  рис.  3.51  устройство можно  использовать и  как  демультиплексор ODM-2. Для этого надо по ООВ 5 направить на вход  разветвителя  сигнал на длине волны λ1 + λ2, тогда на одном выходе разветвителя появится оптический сигнал на длине волны λ1, который поступает на выход  ООВ 3, а на втором  – оптический сигнал на длине волны λ2, который будет передан на выход ООВ 4.

С использованием рассматриваемых принципов и устройств можно построить систему передачи WDM, обеспечивающую образование в  одном ООВ  четырех оптических трактов, по которым будут передаваться сигналы на длинах волн λ1, λ2, λ3, λ4. Фрагмент структурной схемы такой системы передачи  приведен на рис. 3.52, где под  обозначением РЭС – RST подразумевается наличие всех устройств регенератора между его ОПМ и ОПД, как показано на рис. 3.39.

Особенностью  данной  системы  передачи  является  необходимость  установки  в  НРП оборудования четырех регенераторов. Система передачи WDM, схема которой приведена на рис. 3.52, при использовании на входе мультиплексорово SLM-64 обеспечивает суммарную скорость передачи сигналов 40 Гбит/с по одному ООВ.

Мультиплексоры  и  демультиплексоры,  обрабатывающие более  четырех  оптических потоков, также могут строиться с использованием градиентных  стержневых линз, но они содержат отражательную дифракционную решетку. В устройствах на основе дифракционных решеток используется зависимость угла  дифракции оптического луча, проходящего через дифракционную решетку  отражательного  типа,  от  длины  волны оптического  излучения.

Различные длины волн, пройдя стержневую линзу и отражаясь от дифракционной решетки, на противоположном от решетки торце стержневой линзы образуют оптические пятна. Если ООВ подключить к этому торцу линзы в  местах образования  оптических пятен, то можно добиться разделения оптического сигнала по длинам волн.

Рис. 3.52

Устройство демультиплексора с отражательной дифракционной решеткой на  примере разветвителя 1×8 показано на рис. 3.53.

Рис. 3.53

Разделительные     свойства    демультиплексора     определяются      избирательностью дифракционной решетки по длинам волн поступившего оптического сигнала. Если по ООВ 9 через стержневую линзу 10 направить на решетку 11 принятый групповой оптический сигнал на  длине  волны λ1   +  λ2   +  …+  λ8,  то  дифрагированные отражательной  решеткой  под различным углом сигналы разных длин волн далее будут сфокусированы стержневой линзой и на ее противоположном от решетки торце появятся оптические пятна.

На подключенные к этим пятнам торцы одномодовых оптических волокон 1,  2,…, 8 поступят восемь принятых оптических сигналов с различными длинами волн. Отражательная дифракционная решетка 11 может быть приклеена к торцу стержневой линзы.

Дифракционная структура может быть построена также на решетке массива волноводов AWG (Array Waveguide Gratings), которая описана в  работе [80]. Система  передачи WDM, образующая 8 оптических трактов в  одном ООВ, по которым  передаются сигналы уровня STM-64, обеспечивает общую пропускную способность волокна 80 Гбит/с.

Технология  производства рассмотренных  устройств WDM  на   интерференционных фильтрах более проста и стоимость их ниже, чем аналогичных по назначению устройств на дифракционных решетках. Потери,  вносимые  устройствами WDM  при  вводе  сигналов  в ООВ, как правило, не превышают 4…5 дБ, а современные технологии позволяют уменьшить

их до 2 дБ. Указанные потери приводят к укорачиванию длины RS, по сравнению с прямым соединением  ОПД,  и  ООВ  при  использовании в   мультиплексорах  метода  временного разделения каналов.

Кроме того,  при  расчетах  следует  учитывать  неравенство затухания  RS  различных систем передачи SDH, работающих на разных длинах волн при использовании метода WDM, потому что затухание ООВ в  используемом диапазоне длин волн, например, в  окрестности λ = 1,55 мкм, не является постоянной величиной. Если отмеченное неравенство затуханий не скорректировано различием в величинах энергетических потенциалов используемых систем передачи  SDH,  то  при  проектировании линейного  тракта  за  основу необходимо  брать наименее  благоприятную  величину,  т.  е.  наибольшее значение  затухания  RS  на  данном участке линейного тракта.

Выбор   в    середине   90-х   гг.   технологии   WDM   в    качестве  средства   увеличения пропускной  способности  существующих и  проложенных  ООВ  был  продиктован двумя причинами [103].

Во-первых, в  то время не было систем передачи TDM, т. е. систем  передачи SDH и SONET, обеспечивающих пропускную  способность 10 Гбит/с  и выше, которые имели бы необходимые технические параметры и прошли надежное тестирование.

Во-вторых, разработчики  считали,  что  в   перспективе  технология   WDM   способна обеспечить более высокую пропускную способность одного ООВ, чем технология TDM. И они не ошиблись.

Главное достоинство систем  передачи  WDM  состоит  в   том,  что  они   позволяют преодолеть ограничения на пропускную способность одномодового волокна и существенно увеличить  скорость передачи сигналов по нему.  Причем,  используются уже проложенный оптический кабель и отработанное  технологически стандартное оборудование временного мультиплексирования   систем  передачи  SDH  или  SONET.  Есть  и  другие  достоинства технологии WDM.

Однако   ее   применение   ограничивает  ряд   факторов  как   экономического,   так   и технического характера. К техническим проблемам относятся:

а)  значительные    потери    мощности    оптических    сигналов   в    мультиплексорах

(демультиплексорах) и фильтрах;

б)  несовпадение рабочих длин волн ОПД систем передачи TDM и оптических трактов,

образуемых системами передачи WDM;

в)   усложнение   управления  транспортной   сетью   из-за   различий   в   технологиях перемещения сигналов по сети;

г)   нелинейные   явления  (преломления,   вынужденное  рассеяние,   четырехволновое смешивание)  при   одновременной  передаче   сигналов   по   нескольким   трактам приводят не только к их ослаблению и искажению, но и к проникновению в другие оптические  тракты  данного  ООВ,  что  приводит к  появлению вечного спутника многоканальных систем передачи – переходных помех между трактами.

Указанные   и   другие   проблемы   успешно   преодолеваются.  В   настоящее   время производятся и эксплуатируются системы передачи WDM, образующие 4, 8 и 16 трактов, к которым относятся системы передачи типа T31-BDS фирмы Pirelli, 4/8 ОСМ компании ADVA (Германия),  SM9600  компании  Еопух  и  многие  другие.  С  параметрами  промышленных образцов систем передачи WDM разных фирм-производителей можно ознакомиться в работе [78].

Технология  плотного  волнового мультиплексирования DWDM  в   настоящее  время открывает качественно новые  возможности для   высокоскоростных  оптических  систем передачи. Сущность современной технологии DWDM состоит в одновременной передаче по одному ООВ нескольких десятков и более оптических потоков со скоростями передачи 2,5 (STM-16), 10 (STM-64) или 40 Гбит/с (STM-256) по «узким» (0,8 нм) спектральным полосам в диапазоне длин волн 1530… 1560 нм. Следовательно, мультиплексорам DWDM (в отличие от обычных мультиплексоров WDM) присущи две характерные черты [80]:

1                      )малые расстояния (по длине волны) между соседними оптическими трактами (0,8 нм и менее);

2                      )использование только одной спектральной полосы пропускания в окрестности длины волны λ =1550 нм в пределах (округленно) 1530… 1560 нм, что совпадает с полосой усиления эрбиевых волоконно-оптических усилителей EDFA (см. подразд. 3.6.4).

Самым  важным параметром  в   технологии  DWDM,  бесспорно,  является  расстояние (разнос по длине волны) между соседними оптическими трактами. Хотя  рассчитывать на полную совместимость систем передачи DWDM различных  фирм-производителей пока не приходится,  необходимо  было  стандартизировать   номинальный  ряд  частот  оптических трактов, т. е. сделать план частот линейного тракта для технологии DWDM единым, чтобы дать производителям ориентир на будущее, а также утвердить уже существующие системы передачи WDM и DWDM.

Эту  задачу  частично  решил  ITU-T,  приняв Рекомендацию  G.692,  согласно  которой расстояние по длине волны (по частоте) между соседними трактами в ООВ в среднем равно 0,8 нм (100 ГГц). Оно изменяется от 0,78 нм в нижней части диапазона длин волн, который начинается с длины волны 1528,77 нм (последующие длины волн имеют значения 1529,55; 1530,33; 1531,12 нм и т.д.), до 0,82 нм в  верхней части используемого диапазона, который заканчивается длиной  волны 1569,59  нм  (предшествующие длины  волн имеют  значения 1568,77; 1567,95; 1567,13 нм и т.  д.). Этому диапазону длин волн (1528,77… 1569,59 нм) соответствует полоса частот 196,1… 191,0 ТГц, т. е. 5,1 ТГц, в которой с интервалом 100 ГГц можно образовать 51 оптический тракт.

Мультиплексоры и демультиплексоры систем передачи DWDM, являясь  пассивными устройствами, вносят большое затухание в  передаваемые оптические  сигналы. Суммарное затухание двух устройств  (мультиплексора и  демультиплексора)  составляет 20…25 дБ, что приводит к необходимости использования усилителей.

Следовательно,  для   реализации   технологии   DWDM   необходима    одновременная передача по близким (по частоте) оптическим трактам сигналов высокой интенсивности при их периодическом усилении.

Использование в  таком режиме стандартного ООВ с нулевой смещенной  дисперсией (это ООВ с длиной волны, на которой результирующая дисперсия обращается в нуль, – длина волны нулевой дисперсии  λ0  – смещена в  диапазон  1530…  1560 нм) резко ограничивает протяженность  линейного  тракта  в    силу   паразитных  нелинейно-оптических   эффектов четырехволнового смешивания [105].

Четырехволновое смешивание  –   это   нелинейное   явление,  которое   приводит   к взаимодействию двух передаваемых (попутных) волн с частотами f1 и f2 (f1  < f2). В результате возникают еще две нежелательные волны с частотами 2f1 – f2 и 2f2 – f1  распространяющиеся в том  же  направлении. Новые волны могут  приводить к   деградации  распространяемого оптического сигнала, интерферируя с ним, или усиливаться за счет исходных сигналов, т. е. перекачивать  мощность  из   используемого  оптического  тракта.  Именно  из-за  эффекта четырехволнового смешивания стало ясно, что необходимо разработать новый тип ООВ, в

котором   длина   волны  λ0    располагалась   бы   вне  (левее   или   правее)  полосы   частот,

предоставляемой для образования оптических трактов.

Несколько  лет  назад  такие  типы  ООВ  были  предложены  на  рынке.  Сегодня  для построения линейных трактов систем передачи DWDM широко используются волокна типа TrueWave  XL,  TrueWave  RS,  AllWave  компании  Lucent  и  волокна типа  SMF-28,  LEAF, MetroCor  компании  Corning   [1,   96].   Эти   волокна  имеют  ненулевую  хроматическую дисперсию в диапазоне длин волн 1530… 1560 нм. Характеристики коэффициентов удельной дисперсии некоторых волокон приведены на рис. 3.54.

Волокно типа TrueWave обеспечивает  положительную дисперсию, имея длину  волны нулевой дисперсии левее диапазона длин волн 1530… 1560 нм в районе 1523 нм, а волокно типа SMF-28 отрицательную дисперсию при длине волны нулевой дисперсии, находящейся чуть правее длины волны 1560 нм. На этом же рисунке показана (пунктиром) характеристика коэффициента удельной дисперсии стандартного ООВ с нулевой смещенной дисперсией, у которого  длина  волны  нулевой  дисперсии  имеет  значение  1540  нм,  т.  е.  находится  в диапазоне  длин  волн 1530…  1560  нм.  Сравнительный анализ  основных параметров этих волокон приведен в работах [1, 80, 96].

Рис. 3.54

С использованием волокна типа TrueWave в  лаборатории Bell Labs  компании Lucent разработана оптическая линейная система OLS (Optical Line System) типа WaveStar OLS 400G высокой пропускной способности, основанная на технологии DWDM. Эта система передачи позволяет образовать в  одном  волокне 40 оптических трактов с возможностью передачи в каждом из них  сигналов  STM-64 (10 Гбит/с), т. е. максимальная пропускная  способность такой линейной системы составляет 400 Гбит/с.

Это    обеспечивает   существенную   экономию    оптического    волокна,    оптических усилителей,  фильтров и  другого  оборудования. Указанная  система  передачи  позволяет построить линейный тракт протяженностью до 640 км с промежуточными усилителями без регенераторов. Максимальное  расстояние  между  соседними  оптическими  усилителями  в структуре  СЛТ  составляет 120  км.  В  промежуточном  пункте  один  эрбиевый усилитель обеспечивает усиление сигналов всех оптических трактов, образованных в  диапазоне длин волн 1530… 1560 нм данного волокна. При необходимости  дальность связи свыше 640 км увеличивается    путем   развертывания    промежуточных   регенераторов.  В   этом   случае регенератор  включается  в   каждый  оптический  тракт,  образованный данной  системой передачи  DWDM,  как это показано  на рис. 3.52. Структурная схема одного  направления передачи   линейной   системы   типа   WaveStar   OLS   400G   с   использованием  линейных волоконно-оптических усилителей  ВОУ  и  одного   промежуточного  пункта  регенерации приведена на рис. 3.55, где Reg  обозначены все устройства регенератора, как показано на рис.  3.52:  УСМ-   усилитель  мощности  (бустер);  ЛУС  –  линейный  усилитель;  ПРУС  – предусилитель. Система передачи типа Wave Star OLS 400G была представлена  компанией Lucent на мировом рынке в 1998 г. [105].

Технология  UWDM  путем  уменьшения  интервала между  соседними   оптическими трактами в  одном волокне до 0,4 нм (50 ГГц) позволяет увеличить количество оптических трактов вдвое, т. е. довести их до 102 в диапазоне длин волн 1528,77… 1569,59 нм. Однако у этой технологии есть и недостатки.

Во-первых, с уменьшением интервала между соседними трактами  возрастает влияние эффекта четырехволнового смешивания, что  ограничивает  максимальную  длину  участка регенерации (участок между соседними  регенераторами, на котором используются только оптические усилители).

Во-вторых, малое расстояние (по  частоте) между соседними трактами  ограничивает возможность мультиплексирования сигналов STM-64 (10Гбит/с),  как  показано на рис. 3.56. Видно, что мультиплексирование таких сигналов в тракты с интервалом (по частоте) 50 ГГц приводит  к   перекрытию   спектров   импульсов  соседних   трактов  и,   как   следствие,  к образованию переходных  помех между трактами. Только при меньшей скорости передачи мультиплексируемых сигналов (STM-16 и ниже) уровень переходных помех снижается.

Рис. 3.55

Рис. 3.56

В-третьих,    при    интервале   50    ГГц    требования   к    перестраиваемым    лазерам, мультиплексорам, оптическим фильтрам и другим компонентам систем  передачи  UWDM становятся более  жесткими,  что  уменьшает  количество  потенциальных  производителей оборудования и ведет к увеличению его стоимости.

Несмотря на указанные проблемы и то, что план частот линейного тракта с интервалом 50 ГГц продолжает дебатироваться, «новые» фирмы-производители Cambrian, Ciena, Osicom и другие в конце 90-х гг. представили удачные разработки систем передачи UWDM [78].

И   сегодня   в     индустрии   телекоммуникаций   технология   UWDM    стремительно развивается. Радикальным решением проблемы увеличения пропускной способности ВОСП

с волновым мультиплексированием  является разработка в  лаборатории Bell Labs компании Lucent «всеволнового»  волокна типа AllWave, имеющего рабочий  диапазон длин волн от 1280  до  1680  нм,  т.  е.  400  нм  (50  ТГц).  В  этом  волокне с  интервалом  100  ГГц  может разместиться 500 оптических трактов, а с интервалом 50 ГГц -1000 трактов. Если в каждом оптическом тракте с интервалом 50 ГГц в  перспективе будут передаваться сигналы уровня STM-256 (40 Гбит/с), то суммарная пропускная способность одного «всеволнового» волокна составит 40  Тбит/с. Таковы сегодня возможности  сверхскоростной передачи сигналов  по оптическим волокнам.

Впервые волокно типа AllWave  компания Lucent  анонсировала  летом  1998  г.  При создании волокна его полосу пропускания удалось расширить   в  основном  благодаря тому, что из материала  волокна были удалены ионы ОН-  (гидроксил), создававшие так называемый

«водяной»  пик коэффициента затухания в окрестности длины волны 1385 нм (см. рис. 3.6).

В результате было получено волокно,  зависимости коэффициентов затухания (кривая 1)

и удельной дисперсии (кривая 2) которого от длины волны показаны на рис. 3.57 [105].

Рис. 3.57

Располагая диапазоном длин волн 400 нм для образования разноскоростных оптических трактов,  можно   сделать   доступным   целый   ряд   новых  функций   при  эксплуатации транспортной сети, например, группировать различные виды  услуг (мультимедиа, Internet, речевые сигналы  поверх IP, видео  по заказу) и  предоставлять для таких групп  наиболее подходящие диапазоны длин волн. Сами  системы поддержки можно специализировать на различных группах услуг так, как будто каждая такая группа использует отдельное волокно. В то же время тот факт, что на самом деле для множества услуг используется единственное волокно, естественным образом обеспечивает огромный экономический выигрыш.

Так как затухание и  дисперсия  в волокне типа AllWave имеют ту же природу, что и  в типовом ООВ, можно использовать уже существующее оборудование волоконно-оптических систем передачи SDH,  WDM,  DWDM  и   т.  д.  без  каких-либо  переделок.  Оборудование, которое производится сегодня и  будет  производиться для типового  ООВ, также пригодно для работы по волокну типа AllWave.

В  настоящее  время десятки компаний производят  и  предлагают на  мировом  рынке самое   разнообразное   оборудование обычного,   плотного   и   сверхплотного  волнового мультиплексирования.   Некоторые   параметры   этого   оборудования и    перспективы его применения приведены в работах [68, 84, 101, 107].

Таким образом,  современные ВОСП  вполне способны  удовлетворить  потребности операторов связи по  обеспечению необходимой пропускной   способности. Перейдем  к вопросу об увеличении дальности связи.

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100