[ Список тем] страницы темы: [1] [2]

Технология оптического мультиплексирования с разделением по длинам волн WDM.
Стандартный канальный план, классификация WDM на о снове канального плана

Мультиплексорам DWDM(в отличииот более традиционных WDM) присущи две отличительные черты:
- использование только одного окна прозрачности 1550нм, в пределах области усиления EDFA(1530 – 1560 нм);
- малые расстояния 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-х 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/полюся 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 больший прецизионности по сравнению с WDM мультиплексорами(использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм). Так же важно обеспечить высокие характеристики по ближним(коэффициент направленности) и дальним(изоляция) переходным помехам на полюсах DWDM устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM устройств по сравнению с WDM.

Типовая схема DWDM мультиплексора с зеркальным отражающим элементом показана на рис.1 Рассмотрим его работу в режиме демультиплексирования. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод – пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих дифракционную структуру AWG(arrayed waveguide grating). По прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал() остается представленным во всех волноводах. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и, в итоге, световые потоки вновь собираются в волноводе – пластине, где происходит их фокусировка и интерференция - образуются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода – пластины, в частности, расположение выходных полюсов и длины волноводов структуры AWG рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.

Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводов пластин. Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.

DWDM мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большее затухание в сигнал. Например, потери для устройства, работающего в режиме демультиплексирования составляют 10 – 12 Дб, при дальних переходных помехах <- 20Дб, и полуширине спектра сигнала 1 нм. Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед и/или после DWDM мультиплексора.

Рис. 1 Схемы DWDM мультиплексоров

Схемы DWDM мультиплексоров : а) с отражающим элементом; б) с двумя волноводами - пластинами

Самым важным параметром в технологии плотного волноводного мультиплексирования бесспорно является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения каналов нужна, уже хотя бы потому что на ее основе можно будет начинать проведение тестов на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникации ITU – T утвердил частотный план DWDM с расстояниями между соседними каналами 100ГГц( = 0.8нм ). В то же время дебаты продолжают идти вокруг принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50ГГц( = 0.4нм). Без понимания того, какие ограничения и преимущества имеет каждый частотный план, операторы связи и организации, планирующие наращивание пропускной способности сети, могут столкнуться со значительными трудностями и излишними инвестициями.

Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от трех основных факторов: типа используемых оптических усилителей(кремниевого или фтороцирконатного); скорости передачи на канал 2,4Гбит/с(STM -16) или 10Гбит/с(STM -64); влияние нелинейных эффектов, причем все эти факторы сильно взаимосвязаны между собой.

Стандартные усилители EDFA на кремниевом волокне имеют один недостаток – большую вариацию коэффициента усиления в области ниже 1540нм, что приводит к более низким значениям соотношения сигнал/шум и нелинейности усиления в этой области. Одинаково не желательны, как сильно низкие, так и сильно высокие значения коэффициента усиления. С ростом полосы пропускания минимальное допустимое по стандарту соотношение сигнал/шум возрастает - так, для канала STM – 64 оно на 4 – 7 дБ выше, чем для STM – 16. Таким образом, нелинейность коэффициента усиления кремниевого усилителя EDFA сильней ограничивает размер зоны для мультиплексных каналов STM – 64 (1540-1560 нм), чем для каналов STM – 16 и меньшей емкости(где можно использовать практически всю зону усиления кремниевого EDFA, не смотря на линейность).

Более плотный, пока не стандартизированный, частотный план сетки с интервалом 50 Ггц позволяет эффективней использовать зону 1540 – 1560 нм, в которой работает стандартные кремнивые EDFA. Наряду с этим преимуществом есть и минусы у этой сетки. Во – первых, с уменьшением межканальных интервалов возрастает влияние эффекта четырехволнового смещения, что начинает ограничивать максимальную длину межрегенерационной линии(линии на основе только оптических усилителей). Во – вторых, малое межканальное расстояние = 0,4нм может приводить к ограничениям в возможности мультиплексирования каналов STM – 64. Как видно из рисунка, мультиплексирование каналов STM – 64 с интервалом 50ГГц недопустимо, поскольку тогда возникает перекрытие спектров соседних каналов. Только если имеет место меньшая скорость передачи в расчете на канал(STM – 4 и ниже), перекрытие спектров не возникает. В – третьих, при интервале 50ГГц требование к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам становится более жесткими, что снижает число потенциальных производителей оборудования, а также ведет к увеличению его стоимости.

В настоящее время ведутся работы по созданию надежных фтор - цирконатных усилителей EDFA, обеспечивающих большую линейность(во всей области 1530 – 1560 нм) коэффициента усиления. С увеличением рабочей области усилителей EDFA становится возможным мультиплексирование 40 каналов STM – 64 с интервалом 100ГГц общей емкостью 400 Ггц в расчете на волокно.

Рис. 2 Спектральное размещение каналов в волокне

Для справки в таблицaх приведены технические характеристики одной из мощных мультиплексных систем(транспортная система DWDM – модели MultiWave Sentry 4000) использующих частотный план 100/50ГГц, производство фирмы Ciena Corp.

Структурная схема системы передачи с DWDM приведена на рис 3

Следует отметить, что при оптическом уплотнении по длинам волн в оптическом мультиплексоре(ОМ) происходят значительные потери. Так, в системах передачи DWDM 16 – ти спектральных каналов потери ОМ на канал составляют приблизительно 7 – 9 дБ(на одной стороне). С учетом потерь на обоих сторонах(на передаче и на приеме) их общая величина составляет 14 – 18 дБ. Такие потери значительно сокращают энергетический потенциал системы, поэтому без оптических усилителей возможна передача на весьма небольшие расстояния – до 50 км для передачи 8-ми каналов. Для того, чтобы скомпенсировать энергетические потери в ОМ, на передаче применяется волоконно – оптический усилитель мощности(BOOSTER). Если же этой мощности не хватает, то оптический усилитель применяется на приемной стороне.

В системах DWDM, предназначенных для передачи 16- ти и более спектральных каналов, нередко оптические усилители применяют так же для каждого канала на выходах транспондера, перед тем, как ввести оптические сигналы в соответствующий вход мультиплексора. Это делается по причине больших потерь на канал, вносимых многоканальными мультиплексорами.

Рис. 3 Структурная схема системы передачи с DWDM

1 - 6 и 13 - 18 - Аппаратупа SDH; 7,11 - транспондер; 8,12 - мультиплексор/демультиплексор; 9,10 - оптические усилители соответственно передачи и приема

После мультиплексирования, как уже отмечалось, групповой оптический информационный поток чаще всего так же подвергается усилению в оптическом усилителе. При этом суммарная оптическая мощность группового потока, вводимого в линейное ОВ, может существенно превысить величину 10 мВт. Известно, что при такой мощности становится заметным влияние оптических нелинейных явлений, возникающих в ОВ в процессе распространения оптического излучения. Это следующее явление: самомодуляция фазы (СРМ), смещение четырех волн(FWM). Эти явления проявляются начиная с указанной мощности виде дополнительных шумов и перекрестных помех при многоканальной передаче. Начиная с величин оптической мощности несколько десятков мВт становится заметным так же эффект вынужденного рассеяния Брилюэна SBS, а при мощности порядка 200 мВт преобладающим становится влияние вынужденного рассеяния Рамана SRS.

Величина суммарной оптической мощности в системах DWDM, вводимое в оптическое линейное волокно, регламентируется рекомендациями МСЭ(ITU - T)G.692 и ограничивается на уровне +17Дбм(50мВт). Такой уровень обосновывается двумя факторами - допустимым влиянием нелинейных явлений и требованиями безопасности обслуживающего персонала. В этом же документе предложен алгоритм определения величины мощности каждого компонентного оптического сигнала. Следует сказать, что величина +17Бдм установлена не окончательно и в последующих вкладках в рекомендации ITU – T увеличена до +23 дБм

Документами МСЭ, кроме указанных выше сетки оптических частот WDM систем и предельного уровня оптической мощности группового сигнала, установлены так же стандарты на структуры соединений линий с WDM. Предложено три варианта структурного построения линий:
- L(long) – длинная линия с пассивным участком длинной до 80 км. и общими потерями до 22дБ. В такой линии допускается включение до 7-ми промежуточных оптических усилителей при максимальной длине линии до 640км
- V(very) – очень длинная линия с пассивным участком до 120 км. и потерями до 33 Дб. При этом допускается включение до 4-х промежуточных оптических усилителей, при общей длине линии до 600 км.
- U(ultra) – сверхдлинная линия, состоящая из одного пассивного участка длиной 160 км. без промежуточных усилителей. Максимальное допустимое затухание на этом участке составляет 44дБ.

Из приведенных вариантов понятно, что определения L, V и U относятся к длине пассивного участка.

В приведенных вариантах соединений с помощью оптических усилителей компенсируются потери энергии в ОВ. Однако, длина оптической линии ограничивается не только величиной потерь и скоростью передачи, но и хроматической дисперсией. Это ограничение в значительной степени может быть преодолено, путем компенсации хроматической дисперсии с помощью специальных компенсаторов. Компенсаторы хроматической дисперсии могут быть дискретными и протяженными. Основу дискретных компенсаторов составляют дифракционные решетки Брэгга, а протяженные компенсаторы, представляют собой отрезки волокна с отрицательной дисперсией.

В качестве иллюстрации приведенных выше вариантов структур оптических линий с DWDM на рисунке представлены системы передачи DWDM корпорации NEC(Япония) где:
OMUX – оптический мультиплексор
BA – бустерный оптический усилитель(BA – Booster Amplifier)
ILA – линейный промежуточный оптический усилитель
ODMUX – оптический демультиплексор
PA – предварительный оптический усилитель приема

Другой пример построения средних и дальних систем связи с DWDM показывает компания LUCENT TECHNOLOGIES представлен на рис 4.

Выше было отмечено, что системы WDM работают в диапазоне оптических длин волн 1530…1565 нм. Этот диапазон совпадает с полосой пропускания эрбиевых волоконно – оптических усилителей, которые являются одним из основных компонентов многоволновых систем передачи. В соответствии с рек. G692, как уже отмечалось, в этом диапазоне при частотном интервале 100ГГц размещается 41 спектральный канал, при интервале 50ГГц – соответственно в два раза больше. Увеличение числа передаваемых спектральных каналов позволило повысить информационную емкость систем с DWDM до 1,2Тбит/с при передаче таких потоков по одному волокну.

Рис. 4 Варианты систем передачи DWDM корпорации NEC
Рис. 5 Пример построения систем DWDM компании LUCENT TECHNOLOGIES

[ Список тем] страницы темы: [1] [2]