Полностью оптические сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Полностью оптические сети



Содержание

Введение

1. Плотное волновое мультиплексирование

2. Применение оптических усилителей EDFA

3. Оптимизация WDM/TDM

4. Оптические коммутаторы

5. Волновые конвертеры

6. Классификация AON

7. AON с коммутацией каналов

8. АОN с коммутацией пакетов

9. Архитектура AON

10. Коммерческие реализации AON

Литература



Введение

Полностью оптические сети AON (All-optical Networks) представляют класс сетей, в функционировании которых главную роль при коммутации, мультиплексировании, ретрансляции играют не электронные (оптоэлектронные), а чисто оптические технологии.

Полностью оптические системы и сети сегодня претендуют на роль главенствующей технологии, способной обеспечивать полосу пропускания даже завтрашних сетевых информационных приложений. За последние несколько лет разработаны прототипы архитектур, сформулированы стандарты, создано совершенное оборудование (лазеры с перестраиваемой длиной волны, оптические волновые мультиплексоры WDM, широкополосные оптические усилители EDFA, оптические коммутаторы). Среди фирм, которые наиболее активно ведут такие исследования, следует выделить: Lucent Technologies, Alcatel, Ericsson, Fujitsu, Hewlett Packard, NEC, NTT, Nortel, Siemens [1 - 4].

Основные элементы AON

Большинство оптических коммуникационных устройств и элементов, применяемых в AON, используют цифровую передачу сигнала с модуляцией интенсивности (бинарная 1 - света большой интенсивности, бинарный 0 - низкой). Основными устройствами и элементами, применяемыми в AON являются: мультиплексирование ретрансляция цифровой оптический

Источники и приемники излучения. В качестве источников излучения в основном используются: светодиоды (которые рассчитаны на больший диаметр сердцевины ОВ, т.е. многомодовые ОВ); лазеры (используются для передачи сигнала по одномодовому ОВ). Типичные значения спектральной полосы излучения составляют для светодиодов от 20 до 100 нм, для многомодовых лазерных диодов от 1 до 5 нм и для одномодовых лазерных диодов менее 0,1 нм. Потребляемая мощность для светодиодов - около 10 мВт, и порядка 1 мВт для лазерных диодов. Специализированные лазеры с распределенной обратной связью (DFB), предназначенные для работы в окне 1550 нм и обеспечивающие скорость передачи до 10 Гбит/с.

Основными приемными фотоэлементами являются ЛФД и p-i-n-фотодиоды на основе InGaAsP, работающие на длине волны 1300 нм и обеспечивающие скорость приема до нескольких 100 Мбит/с.

Оптоволокно. Наибольшее распространение получили следующие типы одномодового ОВ: ОВ со ступенчатым профилем (стандартное волокно, standard fiber, SF), ОВ со смещенной дисперсией (dispersion shifted fiber, DSF), ОВ с ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion shifted fiber, NZDSF), а также градиентные многомодовые ОВ стандартов 50/125 и 62,5/125. В протяженных магистралях применяются исключительно одномодовые ОВ из-за лучших дисперсионных характеристик. Для многоканальной мультиплексной передачи лучше всего подходит ОВ типа NZDSF, а наименее удачным оказалось одномодовое ОВ DSF.

Использование многомодового ОВ ограничено локальными сетями с характерными длинами сегментов до 2 км. В то же время в локальных сетях все чаще начинает использоваться, наряду с многомодовым, и одномодовое ОВ, обеспечивающее более высокую полосу пропускания. Это связано с падением стоимости лазерных оптических передатчиков и возрастающим числом сетевых приложений, требующих большой полосы пропускания, которую может обеспечить только одномодовое ОВ.

Приемопередатчики. Выпускаются разнообразные приемо-передающие оптоэлектронные модули, предназ-наченные для сетей FDDI, Fast Ethernet (скорость передачи 100 Мбит/с, частота модуляции 125 МГц), АТМ (STM-1 155Мбит/с, частота модуляции 194 МГц), более быстрые для сетей STM-4 622 Мбит/с (частота модуляции 778 МГц) и Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с, частота модуляции 1250 МГц), и еще более быстрые, предназначенные для передачи каналов SТМ-16 (2,5 Гбит/с), и, наконец, STM-64 (10 Гбит/с).

Пассивные оптические мультиплексоры/демультиплексоры

Выпускаются устройства от простых мультиплексоров и направленных ответвителей WDM, до сложных устройств, обеспечивающих плотное волновое мультиплексирование/демультиплек-сирование (DWDM) с числом каналов до 40 и более.

Мультиплексор собирает несколько, простых сигналов (различных длин волн из нескольких ОВ) в мультиплексный сигнал, распространяющийся по одному волокну. Демультиплексор выполняет обратную функцию.

Оптические усилители требуются в сетях при больших расстояниях между регенераторами. В AON широкое распространение получили эрбиевые усилители EDFA (накачка с длиной волны 980 нм или 1480 нм). Которые не только заменили дорогостоящие оптоэлектронные системы регенерации оптического сигнала, но обеспечили возможность усиления многоканального WDM сигнала, сокращая число электронных регенераторов на протяженной оптической мультиплексной линии. В диапазоне от 1535 до 1560 нм, они обеспечивают усиление входного сигнала на 30-38 дБ в зависимости от его длины волны.

Оптические коммутаторы выполняют в AON ту же функцию, что и обычные электронные коммутаторы, т.е. обеспечивают коммутацию каналов или пакетов. Наряду с простейшим коммутатором 22 в настоящее время начали поставляться коммутаторы с числом портов 44, 88 и 1616.

Фильтры предназначены для выделения одного нужного канала из множества мультиплексных каналов, распространяемых в волокне. Поскольку фотоприемники имеют обычно широкую спектральную область чувствительности, то фильтр необходим для того, чтобы подавить (ослабить) соседние каналы. Наряду с фильтрами, предназначенными для работы на определенной длине волны, выпускаются также фильтры с перестраиваемой длиной волны. Функции фильтра может выполнять оптический демультиплексор.

Волновые конвертеры преобразуют одну длину волны в другую. Так, если информационный сигнал в подсети 1 был представлен каналом на длине волны, которая уже задействована в другой подсети - подсети 2, то волновой конвертер может преобразовать этот сигнал при переходе из подсети 1 в подсеть 2 на другую свободную в подсети 2 длину волны, обеспечив прозрачную связь между устройствами в разных подсетях.



1. Плотное волновое мультиплексирование

Мультиплексоры DWDM

Мультиплексоры DWDM (в отличии от более традиционных WDM) используют только одно окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA (1530 - 1560 нм) и обладают малым расстоянием 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/полюса демультиплексора закреплены за oпределенными 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 с 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) переходным помехам на полюсах DWDM устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM устройств по сравнению WDM.

Типовая схема DWDM мультиплексора с зеркальным отражающим элементом показана на рис. 1 а. 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 (₁, ₂,…) 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 (рис. 1 б с двумя волноводами-пластинами [6]). 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 большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства (рис. 1 а), работающего в режиме демультиплексирования составляют 10 - 12 дБ, при дальних переходных помехах < -20 дБ, и полуширине спектра сигнал 1 нм, (по материалам Оki Electric Industry [5]). Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед и/или после DWDМ мультиплексора.

Рис. 1

Разделение каналов и стандартизация DWDM

Стандартизация пространственного расположения каналов позволяет тестировать взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектором по стандартизации телекоммуникаций ITU-Т утвержден частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц ( = 0,8 нм), (табл. 1). Но современная ситуация требует уже принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50 ГГц ( 0,4 нм). 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.

Сетка 100 ГГц. В табл. 1 приведена сетки частотного плана 100 ГГц ITU-Т [7] с различной степенью разреженности каналов. Все сетки, кроме одной 500/400, имеют равноудаленные каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других устройств AON, а также позволяет легче ее наращивать.



Таблица 1

Частота, TГц	Частотные интервалы в ГГц и количество каналов
	100, 8 и >	200, 4 и >	400, 4	500/ 400, 8	600, 4	1000, 4	, нм
196,1	*						1528,77
196,0	*						1529,55
195,9	*						1530,33
195,8	*						1531,12
195,7	*						1531,90
195,6	*	*					1532,68
195,5	*				*	*	1533,47
195,4	*	*					1534,25
195,3	*			*			1535,04
195,2	*	*					1535,82
195,1	*						1536,61
195,0	*	*					1537,40
194,9	*				*		1538,19
194,8	*	*		*			1538,98
194,7	*						1539,77
194,6	*	*					1540,56
194,5	*	*				*	1541,35
194,4	*						1542,14
194,3	*	*		*	*		1542,94
194,2	*						1543,73
194,1	*	*					1544,53
194,0	*						1545,32
193,9	*	*	*	*			1546,12
193,8	*						1546,92
193,7	*	*	*		*		1547,72
193,6	*						1548,51
193,5	*	*	*			*	1549,32
193,4	*			*			1550,12
193,3	*	*	*				1550,92
193,2	*						1551,72
193,1	*	*	*		*		1552,52
193,0	*			*			1553,33
192,9	*	*	*				1554,13
192,8	*						1554,94
192,7	*	*	*				1555,75
192,6	*						1556,55
192,5	*	*	*	*	*	*	1557,36
192,4	*						1558,17
192,3	*	*	*				1558,98
192,2	*						1559,79
192,1	*	*		*			1560,61

Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от типа используемых оптических усилителей (кремниевого или фтор-цирконатного), скорости передачи на канал - 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64) и влияния нелинейных эффектов, причем все эти факторы взаимосвязаны.

У стандартных усилителей EDFA (на кремниевом ОВ) большая вариация коэффициента усиления в области ниже 1540 нм, что приводит к более низким значениям соотношения с/ш и нелинейности усиления в этой области. Нежелательны как сильно низкие, так и сильно высокие значения коэффициента усиления. С ростом полосы пропускания минимальное допустимое по стандарту соотношение с/ш возрастает (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 SТМ-64 (1540-1560 нм), чем для каналов SТМ-16 и меньшей емкости (где можно использовать практически всю зону усиления кремниевого EDFA, несмотря на нелинейность).

Сетка 50 ГГц. Этот пока не стандартизированный, частотный план сетки позволяет эффективней использовать зону 1540-1560 нм, в которой работают стандартные кремниевые EDFA. Но наряду с этим преимуществом у этой сетки есть и минусы.

Во-первых, с уменьшением межканальных интервалов возрастает влияние эффекта четырехволнового смешивания, что начинает ограничивать максимальную длину межрегенерационной линии (линии на основе только оптических усилителей).

Во-вторых, малое межканальное расстояние 0,4 нм может приводить к ограничениям в возможности мультиплексирования каналов STM-64 (рис. 2). Как следует из рисунка, мультиплексирование каналов STM-64 с интервалом 50 ГГц не допустимо, поскольку тогда возникает перекрытие спектров соседних каналов [7]. Только если имеет место меньшая скорость передачи в расчете на канал (STM-4 и ниже), перекрытие спектров не возникает.

В-третьих, при интервале 50 ГГц требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам становятся более жесткими, что снижает число потенциальных производителей оборудования, а также ведет к увеличению его стоимости.

В настоящее время разработаны и фтор-цирконатные усилители EDFA, обеспечивающие 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 100 ГГц общей емкостью 400 ГГц в расчете на ОВ.

Рис. 2

Для справки в табл. 2 приведены технические характеристики транспортной системы DWDM - модели MultiWave Sentry™ 4000 (по материалам Ciena Corp. [8]) одной из мощных мультиплексных систем, использующих частотный план 100/50 ГГц.

Хотя такие системы регенерации работают хорошо, они являются весьма дорогими и, будучи установленными, не могут наращивать пропускную способность линии.

На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления. В отличие от регенераторов, такое "прозрачное" усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступают в силу другие ограничивающие факторы, такие как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Усилители EDFA также способны усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.

2. Применение оптических усилителей EDFA

Традиционные ВОСС используют повторители-регенераторы, повышающие мощность сигнала, рис.3 а. Хотя такие системы работают хорошо, они являются весьма дорогими и не позволяют наращивать пропускную способность линии.

Потери мощности в линии чаще компенсируются оптическим усилением с помощью EDFA (рис.3 б). Такое "прозрачное" усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не начнут влиять хроматическая и поляризационная модовая дисперсии. Усилители EDFA также способны усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.

Таблица 2

Системный уровень
Емкость, Гбит/с	100 (40 каналов х 2,5 Гбит/с)
Формат	ОС-48/(STM-16)/OC-48c/STM-16c
Частотный план	50 ГГц
Возможные конфигурации	5 пролетов х 25 дБ (500 км) 2 пролета х 33 дБ (240 км)
Системная частота появления ошибок (BER)	< 10-15
Канальные интерфейсы
Формат	Короткие/промежуточные дистанции STM-16/G.957 1-16 & S.16.1 внутриофисные приложения
Уровень входного сигнала, дБм	от -18 до -3
Уровень выходного сигнала, дБм	-5 0,5
Длина волны вводимого излучения, нм	1250-1600
Сетевое управление
Система управления	WaveWatch™ производства CIENA по SNMP или TMN
Стандартный интерфейс	VT100 (ТМ), асинхронный RS-232, удаленный доступ через Ttlnet ITU TMN, TI -1 SNMP
Мониторинг работоспособности каналов	Канальные битовые ошибки через В1 заголовка SDH, контроль оптической мощности в каждом канале
Удаленные интерфейсы	RS-422/Х.25 (TL-1 интерфейс), IP/802.3 через 10Rsse-Т
Оптический служебный канал	2,048 Мбит/с на длине волны 1625 нм
Характеристики по питанию
Напряжение питания, В постоянный ток	от -48 до -58
Потребляемая мощность при 40 каналах, Вт	800 типичное, 925 (максимум) - стойка 1 1000 типичное 1250 (максимум) - стойка 2

Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию, все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации. В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеют ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями.

а

б

Рис. 3

В отличие от регенераторов, оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. Поэтому, наряду с коэффициентом усиления, одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума.

К техническим параметрам усилителей EDFA относятся: мощность насыщения, коэффициент усиления, мощность усиленного спонтанного излучения и шум-фактор (см.раздел 4.2). Здесь следует дополнить, что мощность насыщения Р_{out sut}, (saturation output power) - определяет максимальную выходную мощность усилителя. Большее значение мощности позволяет увеличивать расстояние безретрансляционного участка. Этот параметр варьируется в зависимости от модели оптического усилителя. У мощных EDFA он может превосходить 36 дБм (4 Вт).

Величина коэффициента усиления зависит от входной мощности и стремится к своему максимальному пределу по мере уменьшения мощности входного сигнала. Например, для лазеров EAU-200/350, выпускаемых IRE POLUSE-GROUP, предельное значение коэффициента усиления составляет 42 дБ (табл. 3).

Мощность усиленного спонтанного излучения ASE (amplified spontaneous emission) в отсутствии входного сигнала EDFA является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и от статистического распределения заселенностей уровней зоны. Спонтанно образованные фотоны, распространяясь по волокну в активной зоне усилителя EDFA, тиражируются, в результате чего создаются вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Результирующий спектр спонтанных фотонов называется усиленным спонтанным излучением (рис. 4). Его мощность нормируется в расчете на 1 Гц и имеет размерность Вт/Гц. Если на вход усилителя подается сигнал от лазера, то определенная доля энергетических переходов, ранее работавшая на усиленное спонтанное излучение, начинает происходить под действием сигнала от лазера, усиливая входной сигнал. Таким образом, происходит не только усиление полезного входного сигнала, но и ослабление ASE (рис. 4).

При подаче на вход мультиплексного сигнала происходит дальнейший отток мощности от ASE в пользу усиливаемых мультиплексных каналов. Обычно усилители работают в режиме насыщения по отношению к сигналу на выходе.

Рис. 4

Это создает естественное выравнивание уровней сигналов в каналах, что крайне желательно, особенно для протяженных линий с большим числом последовательных усилителей. Если лазер, предшествующий усилителю, генерирует излучение в спектральном окне ( = с/², где с -- скорость света), и фильтр в приемном оптоэлектронном модуле пропускает сигнал соответственно в этом же окне, то вклад в мощность шума на выходе благодаря усиленному спонтанному излучению будет равен АSЕ= ASE. Таким образом, оптические линии с каскадом ЕDFA проявляют себя лучше, когда мультиплексный сигнал представлен более узкими в спектральном отношении отдельными каналами. Использование непосредственно перед приемным оптоэлектронным модулем узкополосных фильтров, настроенных на рабочую длину волны, также помогает уменьшить уровень шума от усиленного спонтанного излучения.

Большие собственные временные постоянные EDFA - постоянная времени перехода в метастабильное состояние ~1 мкс, время жизни метастабильного состояния ~10 мкс [9] - устраняют кросс-модуляцию ASE в усилителе и делают более стабильной работу каскада оптических усилителей. Мощность усиленного спонтанного излучения связана с коэффициентом усиления формулой [10]

Р_ASE = h n_sp(G - 1)/,

где h - постоянная планка, равная 6,625210^-34 Втс², - частота (Гц), соответствующая длине волны из диапазона 1530-1560 нм ( = с/, с = 2,997910⁸ м/с - скорость света, n_sp - коэффициент спонтанной эмиссии, - квантовая эффективность. В идеальном случае n_sp = = 1 при G >> 1, отнесенная ко входу мощность усиленного спонтанного излучения идеального квантового усилителя Р_АSЕid/G просто равна h, что при = 1550 нм составляет 1,2810^-19 Вт/Гц в расчете на спектральную полосу 1 Гц. Размеру окна анализатора в 0,8 нм соответствует спектральное окно в 100 ГГц, что определяет приведенную к входу величину эффективной мощности усиленного спонтанного излучения 1,2810^-8 Вт или -48,9 дБм).

Шум-фактор NF

(noise figure) определяется как отношение с/ш на входе (SNR_in) к отношению с/ш на выходе ( SNR_out):

NF = (P_Sin/P_Nin)/(P_Sout/P_Nout) .

Важно отметить, что мощность шума на входе является квантово-ограниченной минимальной величиной и определяется нулевыми флуктуациями вакуума P_Nin = h. Мощность шума на выходе состоит из суммы мощности усиленного спонтанного излучения ASE и мощности шума нулевых флуктуаций вакуума, которые проходят через усилитель без изменения: P_Nout = Р_ASE + h. Если учесть, что P_Sout/P_Nout = G, то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и мощность, усиленного спонтанного излучения:

NF = (1 + Р_ASE/h)/G.

Часто при описании EDFA значение шум-фактора указывается в дБ:

nf =10•1gNF.

Минимальный шум-фактор равен 1 (О дБ) и достигается при n_sp/ = 1 или при G = 1. Это означает, что усилитель вносит минимальный шум, равный шуму идеального оптического усилителя. На практике сразу на 3 дБ (10•1g2) необходимо увеличить nf, так как существует два направления поляризации (две моды), в связи с чем n_sp = 2, а типичные значения составляют 5,5 дБ. Чем ближе к 1 значение шум-фактора, тем меньше дополнительный шум вносит усилитель. В то же время при использовании каскада из нескольких усилителей полный шум-фактор возрастает. Найдем полный шум-фактор NF двух усилителей, характеризующихся соответственно усилением G₁ и G₂ и шум-факторами NF₁ и NF₂. Шум на выходе после двух каскадов записывается в виде

P_Nout= h[NF₁G₁G₂ + (NF₂ - 1)G₂],

где учтен квантовый шум вакуума, который возникает только на выходе цепочки усилителей, а сигнал на выходе

P_Sout = G₁G₂ P_Sin,

откуда-полный шум-фактор равен (4.5).

Лучший способ получения устройства с низкошумящими характеристиками, как и в случае радиочастотных усилителей, состоит в использовании низкошумящего усилителя с большим усилением в первом каскаде и шумящего усилителя высокой мощности во втором каскаде. Первый каскад определяет также шумовую характеристику многокаскадного усилителя.

Измерение шум-фактора основывается на использовании формул (4.3) - (4.5), где G и Р_ASE определяются экспериментально. На рис. 5 показана схема экспериментальной установки [11].

Рис. 5

Практическое значение имеет мощность усиленного спонтанного излучения, когда на вход EFDA подается полезный сигнал. Поэтому, измерять ASE следует именно при наличии такого сигнала. Анализатором измеряется мощность в окне (например, 100 МГц, 50 МГц или меньше) и приводится к 1 Гц. Поскольку выходной сигнал - линейно поляризован (поляризация его совпадает с поляризацией сигнала на входе от лазера), то поляризатор может полностью устранить эту компоненту полезного сигнала, пропуская шум ASE₊ только с нормальной поляризацией, которая измеряется экспериментально (первое измерение). Шум в отличие от полезного сигнала - не поляризован, т. е. АSЕ_¦ = ASE₊ . Полный шум ASE = АSЕ_¦ + ASE₊ = АSЕ_¦ = 2ASE₊ учитывает вклады от двух нормальных поляризаций. Полезный сигнал вычисляется по формуле Р_out = P_tot - ASE₊ . Измерение Р_tot - полного выходного сигнала - происходит, когда ось поляризатора совпадает с направлением линейной поляризации полезного сигнала (второе измерение). Затем при помощи анализатора непосредственно измеряется мощность сигнала на входе Р_in, то есть сигнал в отсутствии усилителя (третье измерение). Теперь по формулам 4.3) - (4.5) можно определить коэффициент усиления G.

Для примера в табл. 3 приведены технические характеристики двух промышленных моделей оптических усилителей EDFA EAU-200 и EAU-350, выпускаемых институтом Радиоэлектроники РАН (г. Фрязино) совместно с зарубежными компаниями IPG Laser, IP Fibre Devices и IPC-группа IRE-POLUS[12].

Классификация усилителей EDFA

В зависимости от применения, различают предварительные усилители, линейные усилители и усилители мощности, (рис. 6).

Предварительные усилители (предусилители) устанавливаются непосредственно перед приемником регенератора и способствуют увеличению отношения сигнал/шум на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике. Оптические предусилители часто используются в качестве замены сложных и обычно дорогих когерентных оптических приемников.

Линейные усилители устанавливаются в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей с целью компенсации ослабления сигнала, которое происходит из-за затухания в оптическом волокне или из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах W0M. Линейные усилители заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы в тех случаях, когда нет необходимости в точном восстановлении сигнала.

Таблица 3

Параметры	Минимум	Типовое	Максимум
Область применения	Аналоговые и цифровые ОВ сети, системы DWDM
Оптические характеристики
Зона усиления, нм	1530		1570
Мощность насыщения Рout sat при Pin = -3дБ, дБм: EAU-200 EAU-350		23,0 25,5	23,5 26,0
Малосигнальный коэффициент усиления g, дБ (=1545нм)	42
Неравномерность коэффициента усиления g в диапазоне 1553-1567 нм (Рin = -3 дБм), дБ			0,3
Поляризационная чувствительность насыщенного входного сигнала, дБ			0,2
Максимальные значения коэффициент шума nf в диапазоне 1545-1565 нм, дБ при Рin= -4 дБм при Рin= +4 дБм			5,5 6,0
PMD, пс			0,2
Оптич. изоляция вход/выход, дБ	50
Характеристики физических интерфейсов входа/выхода
Тип входного/выходного волокна	SMF-28TM
Тип оптических соединителей	FC/РС, FC/SPC, FC/APC
Длина pig-tail-a, м	1,5
Параметры лазера накачки
Номинальная , нм	965
Полоса накачки, мкм	1100
Время наработки на отказ, час	500000		1000000
Электрические характеристики
Рабочее напряжение, В	5		7
Потребляемая мощность при 20 оС			12 Вт
Общие характеристики удовлетворяют стандарту Bellcore
Рабочий диапазон температур, оС	- 30		+ 65
Температура хранения, оС	- 30		+80
Время прогрева, мин.	3
Влажность, %	0		95
Размеры/вес, мм/кг	15х21х165/0,3

-Усилители мощности (бустеры) устанавливаются непосредственно после лазерных передатчиков и предназначены для дополнительного усиления сигнала до уровня, который не может быть достигнут на основе лазерного диода. Бустеры могут также устанавливаться перед оптическим разветвителем, например, при передаче нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных системах кабельного телевидения.

Рис. 6

В табл. 4 приведена значимость параметров EDFA в зависимости от типа усилителя.



Таблица 4

Параметр	Предусилитель	Линейный усилитель	Усилитель мощности
Коэффициент усиления G	высокий*	средний	низкий
Коэффициент шума NF	низкий	средний*	низкий
Мощность насыщения Рout sut	низкая	средняя	высокая*
Нелинейность**	низкая	низкая	низкая
Зона усиления	узкая	широкая	широкая
Отклонение от плато G	не указывается	высокая линейность	высокая линейность

* указан наиболее значимый параметр;

** нелинейность охватывает совокупность характеристик: зависимость G от Р_in, поляризационную чувствительность, PMD усилителя, поперечные помехи между каналами

Расчет числа каскадов линейных усилителей EDFA

Каждый усилитель осуществляет усиление сигнала (коэффициент усиления g(), дБ) и вносит определенный уровень шума N₀(), Вт. Далее будем пренебрегать мощностью шума нулевых флуктуаций.

Обозначим удельное затухание в волокне (дБ/км), тогда полное затухание на длине L (км) сегмента между EDFA составляет L. Ниже приведены основные соотношения, описывающие процессы затухания в линии и усиление на EDFA для полезного сигнала и шума:

L =101g(P_{вых i-1}/Р_{вх i}),(1)

g = 101g(P_{вых i}/Р_{вх i}),(2)

L =101g(N_{вых i-1}/N_{вх i}),(3)

g = 101g[(N_{вых i} N₀)/N_{вх i}],(4)

где введены обозначения Р_{вх i}, P_{вых i}, N_{вх i}, N_{вых i} - cоответственно для мощности входного и выходного сигнала, а также входного и выходного шума по отношению к i-му усилителю. Оптические усилители характеризуются определенной мощностью насыщения выходного сигнала Р_{вых нас}. Эффективная работа усилителя достигается при таком входном сигнале, когда выходной сигнал сравним с мощностью насыщения (обычно немного превосходит мощность насыщения) - при меньшем уровне входного сигнала возрастает удельный вес постоянной составляющей вносимого шума, а при большем уровне входного сигнала (следовательно, и входного шума) происходит усиление только шума. Таким образом, в идеально сбалансированной линии из каскада усилителей

P_{вых i-1} = P_{вых i} = Р_{вых нас}.

Отсюда

L = g.

Тогда, приравнивая соотношения (3) и (4), получаем

N_{вых i} = N_{вых i-1} + N₀.

Пренебрегая уровнем шума N_{вых 0} в выходном сигнале от стартового регенератора, т.е. положив N_{вых 0} = 0, для отношения с/ш на выходе k-го усилителя находим:

SNR_k = p_{вых нас} - n_вых - 101gk (дБ),(5)

где

n_вых = 101gN_вых = n_{вых id} + nf = -134,1+10lg+g + nf (дБм), а в Гц.

Как видно из (5),

SNR падает с ростом числа каскадов EDFA. Допустимая величина SNR зависит от сетевого/телекоммуникаци-онного стандарта. По этой причине выбор оптических усилителей с теми или иными параметрами, равно как и расчет максимального числа усилителей в межрегенерационной линии и максимальной протяженности сегментов, должны проводиться строго в соответствии с планируемым сетевым приложением.

Например, если в мультиплексных каналах одновременно будут использоваться сетевые стандарты: ATM/STM-1, АТМ/STM-4, Gigabit Ethernet, STM-16, то достаточно удовлетворить самому жесткому требованию на SNR, из них, в данном случае, это - STM-16.

3. Оптимизация WDM/TDM

Сегодня реально существуют мультиплексные системы с синхронной цифровой иерархии SDH со скоростями передачи на канал 2,5 Гбит/с и 10 Гбит/с. Сравним два решения одинаковой пропускной способности 80 ГГц на основе систем, мультиплексирующих соответственно 32 канала STM-16 и 8 каналов STM-64.

При одинаковом недостатке (невозможности дальнейшего наращивания) система 32STM-16 имеет ряд преимуществ перед системой 8STM-64:

- большая протяженность линии;

- более гибкие возможности по наращиванию и наличие разнообразных грибных интерфейсов (1,5/2/6/8/34/45/140 Мбит/с);

- большее разнообразие среди существующих SDH архитектур;

- проще миграция к оптическому уровню,

Протяженность линии

Соотношение с/ш. В табл. 5 приведены основные параметры оптических спецификаций для стандартов STM-16 и STM-64 [13]. Как видно, система STM-64 предъявляет более высокие требования к соотношению с/ш, превышая на 5 - 10 дБ этот параметр для STM-16, что ведет к меньшему допустимому числу усилителей EDFA между регенераторами STM-64.

Таблица 5

Параметры	STM-16 (2,5 Гбит/с)	STM-64 (10 Гбит/с)
Минимальное отношение сигнал/шум, дБ	18 - 21	27 - 31
Допустимая дисперсия в кабельной системе, пс/нм	10500	1600
Ограничения из-за PMD	нет	< 400 км

Хроматическая дисперсия. STM-16 допускает существенно большую дисперсию сигнала в линии, чем STM-64, что дает выигрыш как в протяженности сегментов между последовательными оптическими усилителями, так и в общей протяженности линии между регенераторами. Ограничения на длину, возникающие из-за хроматической дисперсии, показаны а табл. 6 (для ОВ SF и NZDSF взяты значения удельной дисперсии 20 и 5,5 пс/(нм•км), соответственно). Благодаря линейности хроматической дисперсии, можно добиться значительного увеличения длин, указанных в таблице, используя вставки фрагментов BОK на основе волокна с компенсирующей дисперсией.

Таблица 6

Тип волокна	STM-16	STM-64
Стандартное одномодовое ОВ SF, км	525	80
Одномодовое ОВ с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF, км	1909	291

Поляризационная модовая дисперсия. Проведем оценки влияния PMD на передачу каналов STM-16 и STM-64. В рамках промышленных требований, PMD не должна превышать 1/10 битового интервала. Отсюда значения накопленной поляризационной модовой дисперсии не должны превышать 40 пс и 10 пс для линий STM-16 и STM-64 соответственно. Величина PMD по прохождению светом длины L определяется по формуле _pmd(L) = T(L)^0,5, где Т - удельная поляризационная модовая дисперсия. При Т = 0,5 пскм^-0,5 (для ОВ NZDSF-TrueWave^ТМ и SMF-LS™) получаем для линий STM-16 и STM-64 предельные протяженности между регенераторами 6400 км и 400 км соответственно. Первое ограничение так велико, что дело до него не доходит. Заметим, что в отличии от хроматической дисперсии, поляризационная модовая дисперсия не компенсируется. Поэтому уменьшить этот параметр можно только используя новые ОВ, например NZDSF - LEAF™, для которого Т 0,08 пскм^-0,5.

На рис. 7 приведены гипотетические архитектуры линий для систем 32STM-16 и 8STM-64, имеющих одну и ту же полную длину 496 км. Как видно, в случае 32STM-16 связь между двумя регенераторами можно построить только на основе линейных оптических усилителей. В случае 8STM-64 требуется установить еще два промежуточных регенератора, вдобавок к этому сокращаются длины сегментов между усилителями EDFA.

Хотя ОВ обеспечивает огромную полосу пропускания, каналы доступа обычно рассчитаны на меньшую скорость. Терминалы STM-64 разработаны для создания стержневых магистралей и допускают подключение менее скоростных потоков синхронной цифровой иерархии только двух типов: STM-4 и STM-16. В случае необходимости организации доступа по менее скоростным каналам, например на основе STM-1 или на основе трибных интерфейсов плезиохронной иерархии Е1, Е2, ЕЗ и т. д., наряду с терминалом STM-64 потребуется дополнительный отдельный сетевой элемент, который будет связываться с терминалом STM-64 по каналу STM-4 или SТМ-16.

а

б

Рис. 7

В то же время сетевые элементы на каналы STM-16 и более низкие допускают реализацию прямого доступа. Допустимые низкоскоростные интерфейсы для терминалов SТМ-16 и STM-64 приведены в табл.

Таблица 7

Интерфейсы	STM-16	STM-64 (9953,280 Мбит/С)
Возможность ввода/вывода каналов	Да	Нет
STM-16 (2488,320 Мбит/с)		Да
STM-4 (622,488 Мбит/С)	Да	Да
STM-1 (155,520 Мбит/с)	Да	Нет
ЕЗ (34,368 Мбит/С)	Да	Нет
Е1 (2,048 Мбит/с)	Да	Нет

Архитектуры SDН

Сетевые элементы архитектуры STM-64 пока еще не настолько развиты, чтобы органично дополнить меньший масштаб иерархии STM-16. В Release 1.0 STM-64, в частности не включена такая возможность, как формирование архитектуры с кольцевой топологией. Именно большое разнообразие кольцевых архитектур (от одно-волоконного кольца до 4-волоконного двойного кольца) является одной из наиболее сильных сторон STM-16. Заметим, что использование волнового мультиплексирования позволяет строить смешанные архитектуры на основе кольцевой и линейной топологий в одном и том же ОВ, в то время как Release 1.0 STM-64 допускает развертывание исключительно линейных систем.

Поскольку трудно прогнозировать потребности в сетях и в полосе пропускания, то преимущества имеют те архитектуры, которые допускают более плавное наращивание своих ресурсов в более широких пределах. Развертывание системы 8STM-64 имеет большой шаг в 10 Гбит/с, в то время, как система 32STM-16 может наращиваться более плавно с шагом 2,5 Гбит/с. Кроме этого, сегментирование трафика в большее число волновых каналов - WDM-мультиплексиро-вание и последующая их полностью оптическая кросс-коммутация, а также ввод-вывод - представляется более простым решением, чем предварительное электронное агрегирование потоков STM-16 в меньшее число потоков STM-64 на терминале SDH.

4. Оптические коммутаторы

Оптические коммутаторы выполняют в сети несколько ключевых функций, которые можно разбить на следующие группы: восстановление, транспортировка и контроль.

Восстановление. При использовании методов коммутации с автоматической защитой сетевого трафика возможности обхода сбойных компонентов или обрывов ВОК обеспечиваются заблаговременным размещением коммутаторов в местах критических соединений сети.

Транспортировка. При изменении направления трафика в пределах сети коммутаторы решают две важные задачи. В устройствах оптического мультиплексирования методом добавления или ответвления каналов (optical add-drop multiplexers - OADM) коммутирующие элементы используются для извлечения данных, передаваемых по определенным волновым каналам (wavelength), как это задано проектировщиками сети. В ячеистых сетях коммутаторы используются для переключения входящих линий. Более конкретно, краевые (edge) коммутаторы осуществляют коммутацию и соединение входящих низкоскоростных линий для передачи данных в магистрали ОС-3 или ОС-12. Световые или оптические кросс-соединители (photonic crossconnects), называемые также оптическими коммутаторами (photonic switches) или маршрутизаторами по длине волны (wavelength routing), размещаются в местах критических соединений в пределах центральной части сети, коммутируя из одного порта в другой всю полосу пропускания ВОК, полосу частот или отдельные волновые каналы. Несмотря на то что они называются маршрутизаторами по длине волны, они создают маршруты на базе коммутируемых каналов на нескольких _i и гибким образом перенаправляют поступающий сигнал с одной ₁ на исходящую волну с другой ₂ под управлением Wavelength Routing Protocol (WARP).

Сетевое тестирование и управление. Коммутаторы используются также при тестировании отдельных компонентов, когда каждый коммутируемый оптический путь характеризуется неким заданным контрольным параметром. Аналогичным образом, в таких, например, испытательных приборах, как оптические рефлектометры с разрешением по времени, коммутирующие элементы используются для проверки множества ВОК на удаленных узлах или для контроля активности трафика способом, не нарушающим его прохождения.

Коммутаторы, предназначенные для транспортировки сигналов по оптическим сетям можно разделить на две группы: оптические коммутаторы (all-optical switcher), которые также называют прозрачными, световыми (photonic) или ООО-(optica-optical-optical) коммутаторы, и электрооптические коммутаторы, называемые также непрозрачными или ОЕО-(optical-electronic-optical) коммутаторами. Оптические коммутаторы принимают оптический сигнал на входе, осуществляют его коммутацию, и направляют через свой выход далее. Электрооптические коммутаторы принимают оптические сигналы на входе, преобразуют их в электрические сигналы, выполняют некоторую вычислительную работу (это может быть поиск адресов в базе данных маршрутизации, если этот процесс включен в функции коммутации, или же выполнение дополнительных функций иного рода), после чего ретранслируют оптические сигналы на выходе. В случае ООО из одного порта в другой перемещается, как правило, вся полоса пропускания ВОК. Коммутаторы ОЕО обычно допускают возможность дифференцированного перемещения отдельных волновых каналов. Производители коммутаторов не прекращают поиск путей, которые, в конечном счете, позволили бы осуществлять коммутацию непосредственно фотонов, образующих пакеты, без промежуточного превращения их в электрические сигналы, хотя на сегодняшний день эта идея далека от реализации.

Возможно, когда-нибудь в далеком будущем в оптических сетях на всем их протяжении между любыми двумя конечными точками все будут делать исключительно фотоны, однако на сегодняшний день без совместного присутствия в сетях и фотонов, и электронов невозможно обойтись. Оптические коммутаторы прозрачны для любых скоростей передачи и любых протоколов, поэтому для поддержки любого вида трафика им вполне достаточно иметь всего один интерфейс. Их возможности в отношении скорости коммутации мощных потоков данных просто поражают. Кроме того, они позволяют избежать высоких расходов, связанных с преобразованием сигналов из оптической формы в электрическую и наоборот. Все это делает оптические коммутаторы весьма подходящими для использования в центральной части сетей в качестве оптических кросс-соединителей.

Перед электрооптическими коммутаторами сегодня стоят совершенно иные задачи. Поскольку сигнал в них преобразуется в электрическую форму, они могут извлекать служебную сетевую информацию и восстанавливать сигнал. На сегодняшний день ни одна из этих функций не может быть выполнена исключительно оптическими средствами.

Электрооптические архитектуры находят также применение в упорядочивающих коммутаторах. Упорядочивающие (grooming) коммутаторы просматривают входящий STM-n-поток, идентифицирует пункты назначения мультиплексированных каналов, а затем реорганизуют каналы таким образом, чтобы сделать их доставку по назначению максимально эффективной. В отличие от этого мультиплексоры объединяют кадры и направляют их в выходной порт вне зависимости от того, куда они пересылаются.

Одно время считалось, что без использования прозрачных коммутаторов невозможно добиться высокой плотности портов. В случае непрозрачных коммутаторов этот показатель ограничивался 256 портами. Однако, благодаря совершенствованию кремниевых технологий, эта разница сгладилась, и сегодня для непрозрачных коммутаторов стала достижима плотность, исчисляемая 1024 портами. Прозрачные коммутаторы все еще имеют более высокие значения этого показателя, достигающего 4000 портов, но при этом часто требуют использования не до конца отработанных технологий, а это влечет за собой повышенный, по сравнению с обычными кремниевыми методиками, используемыми в непрозрачных коммутаторах, риск. Дополнительное масштабирование непрозрачных коммутаторов, возможно, и не устранит потребность в прозрачных коммутаторах, но благодаря ему телефонные компании уже имеют возможность отложить развертывание основанных на них систем.

Использование упорядочивающих коммутаторов позволяет реорганизовать трафик для достижения максимальной эффективности доставки данных.

И все же, поскольку непрозрачные коммутаторы не в состоянии в полной мере обеспечить те характеристики масштабируемости и независимость протоколов, которые свойственны прозрачным коммутаторам, сосуществование обеих технологий, по всей видимости, будет сохраняться. В то время как непрозрачные коммутаторы применяются для организации доступа к упорядоченному трафику, прозрачные коммутаторы используются в центральной части сети либо для агрегации данных с целью повышения скорости передачи через порт, например в соответствии со стандартами от ОС-48 до ОС-192, либо для обеспечения ремаршрутизации трафика без преобразования сигналов в электрическую форму.

Прозрачные коммутаторы размещаются в центральной части сети в окружении непрозрачных коммутаторов, которые объединяют трафик, приходящий из центральной части общегородских сетей.

Разумеется, приведенное выше описание носило упрощенный характер. Увеличение производительности непрозрачных коммутаторов позволяет телефонным компаниям постоянно расширять их внедрение в общег...