Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В развитых странах волоконно-оптическая связь заняла лидирующее положение среди других средств связи. Преимуществами оптических систем передачи перед системами передачи работающими по металлическому кабелю являются:

- значительно более высокая скорость передачи информации

- более высокая надежность

- высокой скрытности связи

- пренебрежимо малых перекрестных помех

- низкой стоимостью материла оптического кабеля, его малый диаметр и масса

- возможность усовершенствования системы при полном сохранении совместимости с другими системами передачи

Именно эти качества обусловили быстрое развитие волоконно-оптических систем связи за последние 10-15 лет. В настоящее время в мире проложено уже более 100 млн. км таких линий связи. Более того, все континенты связаны подводными волоконно-оптическими линиями связи, общая длина которых превышает 300 тыс. км. Разрабатываются и испытываются волоконно-оптические системы связи нового поколения с пропускной способностью в десятки и сотни Гбит/с, а в перспективе - до нескольких Тбит/с. Эти системы используют новые принципы передачи информации - оптические солитоны и спектральное разделение каналов, а также принципиально новую элементную базу, основанную на новых материалах и современных технологиях.

Разработка систем передачи информации нового поколения, прежде всего, вызвана потребностями экономики. Известно, что для увеличения вдвое национального валового продукта необходимо обеспечить 4-кратное увеличение объема передаваемой информации.

Сегодняшний этап развития волоконно-оптических систем связи в мире характеризуется серьезным технологическим прорывом в области элементной базы, позволившим совершить значительный скачок в повышении пропускной способности ВОЛС. На повестке дня стоит вопрос о практическом внедрении ВОЛС с пропускной способностью 1 Тбит/с и более.

Важнейшими элементами высокоскоростных волоконно-оптических сетей являются передающие и приемные модули, модуляторы, широкополосные оптические усилители, компенсаторы дисперсии, демультиплексоры и коммутаторы.

Успехи в технологии создания высококачественных источников излучения и фотодетекторов для высокоскоростных ВОЛС позволили удовлетворить практически все современные потребности пользователей и операторов сетей связи в широком диапазоне скоростей.

Наиболее широкое применение в перспективных ВОЛС со спектральным разделением каналов могут найти перестраиваемые по длинам волн полупроводниковые лазеры. К этим устройствам предъявляются довольно жесткие требования по стабильности спектральных характеристик. Основные же усилия разработчиков в настоящее время направлены на снижение стоимости этих устройств с целью обеспечения более высокой конкурентоспособности ВОЛС со спектральным разделением каналов по сравнению с другими типами ВОЛС, наращивание пропускной способности которых требует использования дополнительных оптических волокон или увеличения скорости передачи при временном уплотнении каналов.

Дальнейшее развитие ОСП базируется на двух основных концепциях, которые неразрывно связаны между собой. Это многоволновые системы передачи (WDM), где имеется несколько передатчиков, сигналы которых поступают на оптический мультиплексор, на приемной стороне происходит обратное преобразование.

Второй составляющей являются, так называемые полностью оптические сети (AON). В них используются оптические усилители, наиболее перспективными. из которых являются EDFA (Erbium Doped fiber Amplifer).В линии отсутствуют регенераторы, вместо них устанавливаются аналоговые усилители , которые без преобразования принятого оптического сигнала в электрический, просто увеличивают его амплитуду и передают дальше. С увеличением протяженности линии падает отношение сигнал/шум, т.к. шумы в линии суммируются и на усилителе их амплитуда возрастает вместе с сигналом. Эта технология обладает очень важным преимуществом - это отсутствие привязки к скорости и протоколу передачи.



1. Технология спектрального уплотнения WDM

Спектральное уплотнение каналов (ан.Wavelength-division multiplexing, WDM, буквально мультиплексирование с разделением по длине волны) -- технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.

В настоящее время WDM играет для оптических синхронных ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением (FDM) для аналоговых систем передачи данных. По этой причине системы с WDM часто называют системами оптического мультиплексирования с частотным разделением (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 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.

Устройства волнового уплотнения WDM

Устройство волнового (спектрального) уплотнения WDM - WDM фильтр - выполняет функции мультиплексирования MUX (объединения) или демультиплексирования DEMUX (выделения или фильтрации) оптических сигналов разных длин волн - каналов - в одно волокно из множества волокон или из одного волокна в несколько волокон. На передающей и приемной сторонах могут устанавливаться однотипные устройства, но работающие в режимах MUX и DEMUX соответственно. Сам факт существования устройств WDM основан на свойстве волокна пропускать множество каналов, которые распространяются по волокну, не взаимодействуя между собой.

Первые устройства WDM появились в начале 90-х годов. В основном это были широко-зонные двухканальные системы с длинами волн 1310 нм и 1550 нм. В дальнейшем по мере все большего освоения окна 1550 нм появляются прецизионные узкозонные WDM устройства с мультиплексируемыми длинами волн, полностью лежащими в окне 1550 нм. Это позволяет строить протяженные магистрали с множеством каналов на волокно. Катализатором прогресса становятся оптические усилители EDFA. Практически вся рабочая область длин волн (pass-band), в которой усилитель EDFA имеет достаточно высокий коэффициент усиления и приемлемое отношение сигнал/шум (1530-1560 нм), отводится в распоряжение систем волнового уплотнения.

Функциональная схема ВОСП-СР

Обобщенная функциональная схема волоконно-оптическкой системы передачи со спектральным разделением представлена на рисунке 1. Для простоты приведено одно направление передачи и показан ввод и вывод компонентных сигналов различных технологий. Компонентные сигналы от терминального оборудования (терминальных мультиплексоров - ТМ) ATM, IP и других на оконечном пункте (ОП-А) могут быть введены в оборудование ВОСП-СР различными способами:

1) Через синхронный транспортный модуль соответствующего уровня (STM-N);

2) Непосредственной подачей (как показано на рисунке) на соответствующий оптический передатчик (Опер), преобразующий входные сигналы в длины волн, стандартизированные МСЭ-Т для технологии WDM.

Оптические передатчики могут реализоваться в виде

- WDM-транспондера (transmitter + responder), преобразующего входной оптический сигнал, например, формата SDH, в оптический сигнал формата технологии WDM, т.е. в сигнал с параметрами (длина волны, допуски на её отклонения, ширина спектра и др.), нормируемыми данной технологией;

- Волнового конвертора, преобразующего оптический сигнал с длинной волны в длину , соответствующей стандарту МСЭ-Т.

В транспондере осуществляется преобразование оптического сигнала в электрическую форму, с последующей регенерацией (2R или 3R) и обратное преобразование электрического сигнала в оптический. Очевидно, что в режиме 3R транспондер должен быть согласован с входным сигналом. Иногда транспондер называют трансивером. В отличие от транспондера в волновом конверторе не производится преобразование оптического сигнала в электрический и обратно. Если внутри WDM-системы частоты одних WDM-устройств не совпадают с частотами других, но при этом все эти частоты входят в сетку длин волн стандарта МСЭ-Т, то для согласования работы этих устройств также используется волновые конверторы.

Модулированные оптические несущие , с выхода передатчиков с помощью мультиплексора WDM пространственно объединяются (мультиплексируются) в один агрегатный оптический сигнал, который после усиления мощным оптическим усилителем (МУ) подается в волокно оптического кабеля (ОК).

Через определенные расстояния устанавливаются оптические линейные усилители (ЛУ), которые выполняют только одну функцию - 1R. Отметим, что без применения линейных оптических усилителей использование ВОСП-СР на телекоммуникационных сетях было бы экономически нецелесообразным. Это объясняется тем, что выполнение функции 3R в пунктах ретрансляции требует предварительного разделения многоволнового сигнала на отдельные составляющие, а затем после регенерации мультиплексирования их в агрегатный поток, что делает оборудование линейного тракта слишком сложным и дорогим. Перед приемником агрегатного оптического сигнала обязательно устанавливается предварительный усилитель (ПУ), обеспечивающий необходимый уровень оптического сигнала на входе фотоприёмника. Линейные и предварительные усилители снабжаются обычно перестраиваемыми компенсаторами дисперсии, которые позволяют компенсировать дисперсию оптического волокна.

На приёмном оконечном пункте (ОП-В) многоволновый оптический сигнал , усиливается ПУ и разделяется на составляющие сигналы (демультиплексируется) демультиплексором WDM. Далее разделенные сигналы поступают на оптические приемники (ОПр), где происходят преобразования, обратные преобразованиям на передаче.

По месту размещения в линейном оптическом тракте различают оконечные пункты (ОП), где размещается наиболее сложное оборудование, усилительные пункты (УП), в которых располагаются оптические линейные усилители, и транзитные пункты ввода/вывода компонентных информационных потоков из агрегатного (ТПВВ), где размещаются оптические мультиплексоры ввода/вывода (ОМВВ). Аппаратура УП может включать помимо оптических усилителей и компенсаторы дисперсии, Аппаратура ТПВВ может быть выполнена в виде установленного «спина к спине» оборудования оконечных пунктов, как показано на рисунке 1, или нескольких каналов.

Особенностью ВОСП-СР является наличие вынесенного за рабочий диапазон частот оптического служебного канала (ОСК, Optical Supervisory Channel - OSC). Такой канал организуется на дополнительной оптической несущей, которая должна лежать за пределами рабочей полосы спектра ВОСП-СР. В большинстве современных ВОСП-СР независимый оптический служебный канал предусмотрен на длине волны 1510 нм и имеет скорость передачи 1544 кбит/с. По этому каналу организуется до шести дуплексных каналов служебной связи (на скорости 64 кбит/с каждый), передача данных по конфигурации системы и передача предупреждающих сигналов. Коэффициент ошибок при долговременных изменениях контрольного канала не превышает величины . При этом в технических требованиях к параметрам системы оговариваются параметры соответствующих интерфейсов, но, как правило, они не отличаются от стандартных.



Рис.1 - Обобщенная функциональная схема ВОСП-СР

Узкополосные и широкополосные WDM

Волновое мультиплексирование практически используется уже более 10 лет и первоначально было направлено на объединение двух основных несущих 1310 нм и 1550 нм (2-го и 3-го окон прозрачности) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы и было оправдано всей историей развития ВОЛС. Многие стандартные системы SDH предлагают это сейчас, как один из вариантов конфигурации. Ряд исследователей называет такие системы широкополосными WDM (разнос по длине волны - 240 нм) в противовес узкополосным WDM (разнос в которых был на порядок ниже - 24-12 нм, что давало возможность разместить в 3 окне (1550 нм) 4 канала). Такое деление систем кажется на данный момент не совсем корректным, так как у таких “широкополосных” WDM спектр не перекрывался, а состоял из двух изолированных полос. С другой стороны, в настоящее время формируется класс действительно широкополосных систем WDM, перекрывающих в смежных окнах прозрачности (3-м и 4-м) полосу порядка 84 нм от 1528-1612 нм. Этот класс в будущем, возможно, будет перекрывать полосу 1280-1620 нм, если ориентироваться на характеристики пионера в этой области WaveStar AllMetro DWDM System компании Lucent Technologies, использующей волокно, устраняющее пик поглощения в области 5-го окна (~ 1383 нм).

Диапазон	Наименование	Спектр, нм
O-диапазон	Основной (O - Original)	1260…1360
E- диапазон	Расширенный (E - Extended)	1360…1460
S- диапазон	Коротковолновый (S - Short wavelength)	1460…1530
C- диапазон	Стандартный (C - Conventional)	1530…1565
L- диапазон	Длинноволновый (L - Long wavelength)	1565…1625
U- диапазон	Сверхдлинноволновый (U - Ultra-long wavelength)	1625…1675

Табл. 1 - диапазоны систем передачи с технологией WDM



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, осуществляющих транспортировку сигнала в глобальных цифровых сетях, и WDM, то до появления последней она имела вид, представленный на рисунок 2.а. 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.



Pис. 2 - модель взаимодействия основных транспортных технологий а) до внедрения технологии WDM; б) после внедрения технологии WDM

После появления систем WDM модель принимает вид, представленный на рисунок 2.б. 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.

3. Классификация WDM на основе канального плана

К настоящему времени МСЭ-Н разработан целый ряд рекомендаций, касающихся технологии WDM и её применения на транспортных сетях(G.692, G.694, G.695 и др.), позволяющих стандартизировать аппаратуру ВОСП-СР, выпускаемую различными производителями, и обеспечить её совместимость. Среди этих стандартов основополагающее значение имеет стандартизация спектрального (частотного) разнесения оптических каналов. Она позволяет обеспечить не только взаимозаменяемость компонентов систем и их взаимодействие, но и минимизировать взаимные влияния между оптическими каналами. В соответствии с существующими на настоящий момент рекомендациями МСЭ-Т по разнесению оптических каналов можно определить два класса WDM систем:

1)грубого спектрального мультиплексирования на основе технологии CWDM (Coarse Wavelength-Division Multiplexing, G.694.2);

Длина волны, нм
1270	1290	1310	1330	1350	1370	1390	1410	1430
1450	1470	1490	1510	1530	1550	1570	1590	1610

Табл. 2 - номинированные значения центральных длин волн каналов

2)плотного спектрального мультиплексирования на основе технологии DWDM (Dence Wavelength Division Multiplexing, G.694.1)

В системах CWDM используются все диапазоны (табл.1) кроме U. В совокупности они охватывают область от 1260 до 1625 нм, в которой располагается 16 каналов с шагом 20 нм. Номинальные значения центральных длин волн каналов (несущих) приведены в табл.2.

Большая полоса расфильтровки в таких системах упрощает изготовление оптических мультиплексоров/демультиплексоров и позволяет изготавливать неохлаждаемые лазерные диоды с достаточно высокой нестабильностью оптической несущей, составляющей ±6…7 нм. Поэтому из-за невысоких капитальных затрат они находят широкое применение на местных сетях (сетях доступа) и в тех случаях, когда не требуется применение оптических усилителей. Как правило, системы CWDM имеют не более 16 оптических каналов.

Частотный план плотного спектрального мультиплексирования представляет набор стандартных частот на основе базовой частоты 193,1 ТГц. Стандартные частоты располагаются выше и ниже этой частоты с частотным интервалом 100, 50, 25 и 12,5 ГГц. Напомним, что частота и длина волны связаны соотношением , где с - скорость света, которую здесь следует брать с высокой точностью и в расчётах принимать .

Сетка частот частотного плана DWDM формируется на основе уравнения

где - целое число (включая 0); частотный интервал.

В свою очередь плотные DWDM-системы можно разделить:

* на обычные DWDM-системы, имеющие частотный разнос не менее 100 ГГц (примерно 0.8 нм в третьем окне прозрачности) и обеспечивающие возможность получения более 64 оптических каналов;

* высокоплотные HDWDM-системы, имеющие частотный разнос, равный 50 ГГц (0,4 нм), 25 ГГц (0,2 нм) и 12.5 ГГц (0,1 нм), и позволяющие мультиплексировать до 500 оптических каналов.

Существуют также WWDM-системы (широкополосное мультиплексирование с разделением по длине волны свыше 50 нм). К ним можно отнести ВОСП-СР первого поколения, позволяющие получить всего 2 оптических канала. В настоящий момент они находят крайне редкое применение.

Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от типа оптических усилителей, уровня STM и влияния нелинейных эффектов в ОВ. Возможно равномерное и неравномерное размещение каналов в соответствующем диапазоне длин волн. При этом равномерное распределение оптических каналов позволяет оптимизировать работу оптических транспондеров, перестраиваемых лазеров и других устройств, а также облегчает возможности дальнейшего наращивания числа оптических каналов.

Различают двунаправленные и однонаправленные ВОСП-СР. В двунаправленных системах используется две оптические несущие на канал и одно ОВ на систему в целом, т.е. линейный тракт строится по одноволоконной схеме (аналог двухполосной двухпроводной СП с ЧРК). В однонаправленных системах на канал отводится одна несущая. Для передачи сигналов в прямом и в обратном направлениях в этом случае используется два ОВ - двухволоконный линейный тракт (аналог однополосной четырехпроводной СП с ЧРК).

Завершая рассмотрение вопроса классификации ВОСП-СР, отметим, что согласно рекомендации МСЭ-Т G.692 интерфейсы систем передачи технологии WDM используют следующую маркировку кода применения :

B-nWx-yz,

где символ В означает двунаправленность (Bidirectional) системы (в случае однонаправленной системы отсутствует);

n показывает максимальное число рабочих длин волн или оптических каналов;

W указывает на тип усилительного участка и предельного его затухания:

* усилительный участок типа L и максимальным затуханием не выше 22 дБ;

* усилительный участок типа V и максимальным затуханием не выше 33 дБ;

* усилительный участок типа U и максимальным затуханием не выше 44 дБ;

x обозначает максимальное число усилительных участков; если линейные усилители не используются, то данный символ отсутствует;

y обозначает уровень синхронного транспортного модуля STM-N (N=4, 16, 64);

z указывает на тип ОВ, по которому работает ВОСП-СР (2 - G.652, 3 - G.653, 5 - G.655).

Интерфейсы с мультиплексированием CWDM определены в рекомендации G.695. Код применения интерфейса CWDM имеет вид

Cn=Wx-ytz

где С - принадлежность к CWDM;

n - число оптических каналов (4, 8, 12, 16);

W - длина усилительного участка(S - короткий, L - длинный);

x - максимальное число усилительных участков;

y - указатель самого высокого класса поддерживаемых компонентных оптических сигналов:

* 0 указывает на класс NRZ 1.25 Мбит/с;

* 1 указывает на класс NRZ 2.5 Мбит/с;

t - состав поддерживающего интерфейса (А - наличие усилителя оптической мощности на передаче и оптического предусилителя на приёме; В - использование только усилителя оптической мощности на передаче; С - использование оптического предусилителя; D - отсутствие оптических усилителей).

z - тип оптического волокна (2 - G.652, 3 - G.653, 5 - G.655).

Оптический компонентный сигнал класса NRZ 1.25 Гбит/с применим к сигналам с линейным кодированием NRZ (без возврата к нулю) и номинальной скоростью от 622 Мбит/с до 1.25 Гбит/с. Компонентный сигнал класса NRZ 2.5 Гбит/с применим к сигналам с линейным кодированием без возврата к нулю и номинальной скоростью от 622 Мбит/с до 2.67 Гбит/с.

Для расширения кода применения используются дополнительные индексы B и S. В этом случае код применения следующий:

B-CnWx-ytz или S-CnWx-ytz,

где символ В означает двустороннюю передачу в одном ОВ, т.е. двунаправленность;

S означает использование архитектуры «черного ящика», в виде которого представляется ВОСП-СР.

Основные параметры ВОСП-СР и оптических каналов, сформированных её оборудованием:

* количество оптических каналов, соответствующее числу используемых оптических несущих;

* уровень суммарной мощности оптического излучения (total launched power level) - уровень мощности оптического агрегатного сигнала ВОСП-СР;

* центральная длина волны канала - номинальное значение длины волны, соответствующее выбранному частотному плану;

* максимальная скорость передачи по оптическому каналу;

* уровень оптической мощности каждого канала - уровень средней мощности псевдослучайного цифрового оптического сигнала (значения этого параметра ограничиваются снизу и сверху соответственно минимальным уровнем и максимальным уровнем)

*канальный промежуток (channel spacing) - разность между центральными частотами оптических каналов (полоса расфильтровки по аналогии с СП с ЧРК) или разнос между центральными частотами (оптическими несущими);

* полоса пропускания - полоса частот или диапазон длин волн, в котором передается основная часть средне мощности оптического излучения сигнала оптического канала или часть спектра передаваемого по каналу сигнала, в пределах которой все спектральные составляющие превышают некоторый пороговый уровень (обычно определяется по уровню -20 дБ, иногда по уровню -3 дБ);

* оптическое отношение сигнал-шум - отношение средней мощности оптического излучения сигнала к средней мощности оптического излучения шума в полосе частот оптического канала, выраженное в дБ;

* неравномерность распределения потерь в полосе пропускания - разность между минимальным и максимальным уровнями потерь в измеренной или номинальной полосе пропускания;

* однородность каналов - степень разброса уровня передаваемой мощности или вносимых потерь от канала к каналу в мультиплексорах/демультиплексорах.

Основные параметры ВОСП-СР наиболее известных производителей оборудования приведены в таблице 3 .



Табл. 3 - основные параметры ВОСП-СР наиболее известных производителей оборудования



4. Основные параметры оптических волокон

В основе применения оптических волоконных сетей лежит принцип распространения световых волн по оптическим световодам на большие расстояния. При этом электрические сигналы, несущие информацию, преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). Большое распространение подобные системы получили благодаря целому ряду достоинств, которые есть у ВОЛС по сравнению с системами передачи, использующие медные кабели или радиолинии в качестве среды передачи. К числу преимуществ ВОЛС следует отнести широкую полосу пропускания, обусловленную высокой несущей частотой - до 10¹⁴ Гц. Такая полоса дает возможность передавать потоки информации со скоростью несколько терабит в секунду. Важным преимуществом ВОЛС являются также такие факторы, как малое затухание сигналов, позволяющее, при использовании современных технологий, строить участки оптических систем в сто и более километров без ретрансляторов, высокая помехозащищенность, связанная с малой восприимчивостью оптического волокна к электромагнитным помехам, и многое другое.

Оптические волокна - один из основных компонентов ВОЛС. Они представляют собой комбинацию материалов, имеющих различные оптические и механические свойства.

Внешняя часть волокна изготавливается обычно из пластмасс или эпоксидных композиций, сочетающих высокую механическую прочность и большой коэффициент преломления света. Этот слой обеспечивает механическую защиту световода и его устойчивость к воздействию внешних источников оптического излучения.

Основная часть волокна состоит из сердцевины и оболочки. Материалом сердцевине служит сверхчистое кварцевое стекло, которое и является основной средой передачи оптических сигналов. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала сердцевины больше, чем у оболочки. Таким образом, при оптимально подобранном соотношении коэффициентов преломления материалов происходит полное отражение светового луча внутрь сердцевины.

Для передачи свет вводится под небольшим углом в торец оптического волокна. Максимальный угол проникновения светового импульса в сердечник волокна б₀ называется угловой апертурой оптического волокна. Синус угловой апертуры называется числовой апертурой NA и рассчитывается по формуле:

(1)

Из приведенной формулы следует, что числовая апертура световода NA зависит только от показателей преломления сердцевины и оболочки - n₁ и n₂. При этом всегда выполняется условие: n₁>n₂ (рисунок 3).

Рис. 3 - Распространение света в оптическом волокне. Числовая апертура световода.

Если угол падения света б больше, чем б₀, то луч света полностью преломляется и не попадает в сердечник оптического волокна (рис.4.а). Если угол б меньше, чем б₀, то происходит отражение от границы материалов сердечника о оболочки, и световой луч распространяется внутри сердечника (рис.4.б).



Рис. 4 - Условия распространения света в оптическом волокне

Скорость распространения света в оптическом волокне зависит от коэффициента преломления сердечника волокна и определяется как:

См=С/n(2)

где С - скорость света в вакууме, n - коэффициент преломления сердечника.

Типичные коэффициенты преломления материала сердечника лежат в пределах 1,45 - 1,55.

Для того, чтобы передавать свет по оптическим волноводам, необходим источник строго когерентного света. Для увеличения дальности передачи ширина спектра передатчика должна быть как можно меньше. Для этой цели особенно подходят лазеры, которые, благодаря индуцированному излучению света, позволяют поддерживать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн. В связи с тем, что диаметр сердцевины волокна сравним с длиной волны оптического излучения, в световоде возникает явление интерференции. Это может быть док5азано тем, что свет распространяется в стекле сердцевины только под определенными углами, а именно в направлениях, в которых введенные световые волны при их наложении усиливаются. Возникает так называемая конструктивная интерференция. Разрешенные световые волны, которые могут распространяться в оптическом волокне, называются модами (или собственными волнами). В соответствии с типами распространения световых лучей, оптические волокна делятся на многомодовые, то есть использующие ряд световых волн, и одномодовые, в которых происходит распространение только одного светового луча. Для описания процессов распространения света в оптических волокнах используются несколько основных параметров.

Затухание

В общем случае затухание - это ослабление светового потока в оптоволокне. Природа затуханий может быть различной.

- Затухание света в оптическом волокне, вызванное поглощением света. Поглощение может быть определено как превращение мощности светового импульса в тепло, и связано с резонансом в материале волокна. Существуют внутренние поглощения, связанные со свойствами материала волокна и молекулярным резонансом, и внешние поглощения, определяемые наличием микропримесей в материале волокна (например, OH-ионов). Современные оптические волокна имеют очень небольшое количество микропримесей, поэтому величина внешнего поглощения минимальна и может не приниматься в расчет.

- Затухание света в оптическом волокне, вызванное рассеиванием излучения. Рассеивание - один из основных факторов затухания света в оптическом волокне. Наличие этого типа затухания связано, прежде всего, с дефектами сердцевины оптического волокна, а также с наличием посторонних вкраплений и примесей в оптическом волокне. Подобные посторонние включения значительно влияют на возможность прохождения светового потока по правильной траектории, приводят к его отклонению и, как следствие, превышению угла преломления и выходу части светового луча через оболочку. Кроме того, наличие неоднородностей волокна приводит к отражению части светового потока в обратную сторону - обратное рассеивание (рис.5).

- Затухания, связанные с изгибами оптического волокна. Различают два типа изгиба волокна: микроизгиб и макроизгиб.

Микроизгиб - это микроскопические изменения геометрии сердечника волокна, появляющиеся при производстве.

Макроизгибом называют большой изгиб оптического волокна, который превышает минимально допустимый радиус и заставляет световой поток (или часть его) покинуть сердцевину оптического волокна. Минимальный радиус изгиба одномодовых волокон составляет 10 сантиметров. При таком изгибе световой импульс распространяется без сильных искажений. Уменьшение же радиуса изгиба приводит к значительному повышению эффекта рассеивания оптического импульса через оболочку волокна.

Рис. 5 - рассеивание и отражение света в оптическом волокне.

Для определения полного коэффициента затухания оптического волокна должны быть учтены все факторы, перечисленные ниже (рисунок 6).



Рис. 6 - факторы, влияющие на качество передачи оптического сигнала.

спектральный уплотнение помеха

Коэффициент затухания для заданной длины волны оптического излучения определяется как отношение вводимой в волокно оптической мощности к мощности принятого из волокна оптического сигнала. Обычно коэффициент затухания измеряется в децибелах (дБ) и зависит как от параметров оптического волокна, так и от длины волны светового потока. Последняя зависимость имеет нелинейный характер. Обобщенно она представлена на рисунке 7.

Рис. 7 - зависимость величины затухания оптического волокна от длины волны светового излучения.

Представленный график имеет несколько участков, где затухание оптического сигнала минимально. Эти участки называются окнами прозрачности волокна.

Первое окно прозрачности расположено на длинах волн от 820 до 880 нм и используется в основном для передачи сигналов на короткие расстояния с использованием широкополосных светодиодных источников излучения и коротковолновых лазеров. Основное достоинство такой аппаратуры - ее дешевизна.

Второе окно прозрачности, от 1285 до 1330 нм, активно используется в телекоммуникациях. При относительно высоком затухании оптических сигналов, работающих в этом диапазоне, это окно прозрачности позволяет использовать оптические источники с широкой полосой излучения. Основная причина этого - минимальная величина хроматической дисперсии кварцевого стекла, позволяющая использовать дешевые источники излучения.

Третье окно прозрачности перекрывает диапазон длин волн от 1525 до 1575 нм. Основное достоинство его использования - минимальное затухание оптического сигнала. Однако передача высокоскоростных потоков данных в этом диапазоне сталкивается с обязательным условием компенсации повышенной дисперсии волокна, что ведет к повышению ВОЛС.

Полоса пропускания

Полоса пропускания световода является одним из самых важных параметров оптического волокна при передачи высокоскоростных цифровых сигналов. Она во многом определяется его дисперсионными свойствами.

Так как световой импульс во время распространения по волокну искажается как по амплитуде, так и по длительности, это заметно сказывается на возможностях передачи коротких импульсов на больших битовых скоростях. На практике световод ведет себя, как фильтр низких частот.

Зависимость мощности оптического сигнала от частоты модуляции приближенно может быть описано нелинейной функцией:

где P₁ - мощность оптического модулированного сигнала на вводе в волокно, P₂ - выходная мощность модулированного оптического сигнала, f - частота модуляции.

На рисунке 8 представлен график зависимости передаточной функции световода от частоты модуляции оптического сигнала. Здесь H(f) - передаточная функция, H(0) - передаточная функция при частоте 0 Гц. Форма кривой соответствует передаточной функции ФНЧ Гаусса. Ширина полосы пропускания оптического волокна может быть определена как частота, при которой нормированная передаточная функция равна 0,5 от величины при частоте модуляции 0 Гц. Таким образом, ширина полосы пропускания - это частотная модуляция, при которой мощность сигнала падает на 50% или на 3 дБ по отношению к мощности немодулированного сигнала.

Рис. 8 - график зависимости передаточной функции световода от частоты модуляции оптического сигнала.

Дисперсия

Одним из факторов, сильно влияющих на качество передачи сигналов в световодах, является дисперсия. В общем случае, дисперсия - это «размывание» или растягивание светового импульса, происходящее во время передачи его в оптическом волокне. Дисперсия сильно ограничивает скорость работы оптических систем, заметно снижая граничную полосу пропускания.

Определены два основных вида дисперсии: хроматическая и модовая.

Хроматическая дисперсия

Хроматическая дисперсия в свою очередь подразделяется на материальную и волноводную и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия модовой дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Хроматическая дисперсия связана, прежде всего, с зависимостью скорости распространения светового потока от длины волны источника излучения. В отличие от идеального источника света, любой реальный источник излучает свет в некоторой полосе частот Дл. Составляющие светового импульса, имеющие разные длины волн, достигают конца оптического волокна с различными задержками времени, искажая, таким образом, исходный импульс.

Для прохождения по волокну длинной L, световому импульсу требуется время t, определяемое как:

Таким образом, мы видим зависимость времени прохождения светового импульса по оптическому световоду от показателя преломления оптического волокна. Хроматическая дисперсия является мерой изменения показателя преломления материала сердечника световода и определяется как первая производная коэффициента преломления:

Хроматическая дисперсия выражается в пс/нм²*км(1пс=1^-12с, 1нм=1^-9м) и физически может быть выражена как разница времени прохождения оптического световода длиной один километр двух длин волн в заданном спектре излучения оптического источника.

Поскольку коэффициент преломления кварцевого стекла минимален при длине волны, равной 1300 нм, производная для этой точки равна нулю, и, соответственно, хроматическая дисперсия пренебрежимо мала. Это одна из причин активного использования второго окна прозрачности в телекоммуникационной аппаратуре. Однако, существуют способы смещения дисперсии с помощью легирования кварцевого стекла. Такие световоды называются оптическими волокнами со смещенной дисперсией и могут иметь нулевую дисперсию на длине волны с минимальным затуханием (1550 нм). Это позволяет использовать их в оптических системах, требующей особенно большой полосы пропускания, или больших пролетов кабеля с минимальным количеством пунктов переприема, например для подводных кабельных сетей. На рисунке 9 представлены зависимости хроматической дисперсии от длины волны излучения для разных типов волокон. Здесь кривая 1 - хроматическая дисперсия чистого кварцевого стекла, кривая 2 - характеристика волокна со смещенной дисперсией.

Рис. 9 - зависимость хроматической дисперсии от длины волны светового излучения.

Модовая дисперсия

Модовая дисперсия связана с различным временем прохождения участка волокна световых мод, двигающихся по разным траекториям.

В пределах числовой апертуры в многомодовое волокно может быть введено несколько сотен разрешенных мод. Все они будут распространяться по различным траекториям, имея различное время прохождения от источника до приемника. Суммарный импульс, полученный приемником сигнала, оказывается сильно растянутым во временной области. Наличие модовой дисперсии является недостатком многомодовых систем передачи. Эффект модовой дисперсии частично нивелируется смешением мод. При прохождении по оптическому волокну моды низших порядков, имеющие малые углы траектории по отношению коси оптического световода, преобразуются в моды более высокого порядка, и наоборот. Таким образом, скорость прохождения участка волокна модами несколько усредняется. Однако надо понимать, что процесс такого усреднения происходит, прежде всего, за счет неоднородностей волокна, а они, в свою очередь, заметно увеличивают общее затухание сигнала.

Поляризационная модовая дисперсия

Модовая дисперсия может быть полностью исключена, если структурные параметры волокна подбирать таким образом, чтобы по световоду распространялась только одна основная мода. Таким свойством обладает одномодовые оптические волокна. Однако основная мода передается по одномодовому волокну в виде двух ортогонально ориентированных составляющих. Вследствие неидеальности конфигурации сердцевины, а также воздействию различного рода механических и оптических факторов появляется некоторая асимметрия показателя преломления и, как следствие, разность скоростей распространения двух ортогонально ориентированных мод. Суммарный световой импульс на выходе световода в этом случае получается несколько искаженным (рисунок 10). Разность времени распространения ортогонально ориентированных мод одномодового оптического волокна, выраженная в ps, определяется через Поляризационную модовую дисперсию (ПМД). При распространении обе составляющие основной моды взаимодействуют между собой. Из-за такого обмена энергией ПМД носит статистический характер.



Рис. 10 - передача светового импульса по одномодовому оптическому волокну.

Существует понятие длины взаимодействия мод Lc. Если длина световода меньше Lc, то ПМД увеличивается линейно, при превышении Lc ПМД возрастает пропорционально квадратному корню длины световода L. Как уже отмечалось выше, основной причиной увеличения ПМД является асимметрия показателя преломления сердцевины волокна. Появление такой асимметрии связано, прежде всего, с неидеальностью конфигурации сердцевины оптического волокна, но на ее величину ощутимо влияют также и такие факторы, как перегибы волокна, повив волокон в кабеле, поперечные и продольные напряжения волокон. Все эти факторы закладываются еще на этапе производства кабеля. Величина ПМД волокон кабеля, измеренная на кабельном барабане перед началом строительства, после прокладки кабеля изменится не сильно.

Поляризационная модовая и хроматическая дисперсии существенно ограничивают возможности передачи оптических сигналов по волокну и после затухания являются наибольшим препятствием для повышения дальности работы цифровых систем. Хроматическая дисперсия может быть компенсирована, как с помощью уменьшения полосы излучаемого спектра лазерного источника, так и смещением хроматической дисперсии кабеля в область более высоких длин волн. Компенсация ПМД невозможна и может быть понижена только с увеличением качества оптических волокон и кабелей. Величина 0,5 пс/км^1/2 является фактически принятым международным стандартом максимально допустимого ПМД. В рекомендациях, касающихся дальней передачи, прослеживается тенденция устанавливать требование, ограничивающее величину ПМД не более 0,1 ps/км^1/2. На рисунке 11 приведена зависимость битовой скорости от дальности работы системы передачи.

Рис. 11 - зависимость скорости передачи от длины волны.

Дисперсия в многомодовых и одномодовых волокнах

В зависимости от структурных параметров различают многомодовые и одномодовые оптические волокна.

Многомодовые оптические волокна имеют такое соотношение диаметров оболочки и сердцевины, которое позволяет передавать одновременно несколько сотен разрешенных световых мод, вводимых в волокно под разными углами в рамках числовой апертуры волокна. Все разрешенные моды имеют разные траектории распространения и, соответственно, различное время распространения по световоду. Главный недостаток многомодовых волокон - большая величина модовой дисперсия. Ограничивающая как полосу пропускания, так и дальность работы цифровой системы передачи. Однако, многомодовые оптические волокна активно применяются в коротких ВОЛС, что объясняется дешевизной производства как волокна, так и источников излучения.

Одним из способов компенсации модовой дисперсии является применение оптических волокон с переменным профилем показателя преломления сердцевины кабеля. Наибольшее распространение получили градиентные оптические волокна. В отличие от стандартных многомодовых световодов, имеющих постоянный профиль преломления материала сердцевины, такие световоды имеют показатель преломления, плавно уменьшающийся от центра к оболочке. Вследствие изменения скорости распространения света происходит компенсация задержки распространения разных световых мод. В результате, такое оптическое волокно имеет во много раз меньшую дисперсию, и, как следствие, большую полосу пропускания. Главный недостаток градиентных оптических волокон, ограничивающих их применение - большая цена и сложность производства.

Одномодовое оптическое волокно сконструировано таким образом, что в сердцевине может распространяться только одна, основная мода. Именно поэтому подобные волокна имеют наилучшие характеристики и наиболее активно используются в строительстве ВОЛС. Основные преимущества одномодовых оптических волокон - малое затухание, минимальная величина модовой дисперсии, широкая полоса пропускания (рисунок 12).



Рис. 12 - многомодовое, градиентное и одномодовое оптическое волокно

Перекрестные помехи

Перекрестные помехи -- это общий термин, используемый для обозначения влияния побочных сигналов на основной сигнал. Почти каждый компонент в системах WDM создает ту или иную форму перекрестных помех, вызванных, в частности, нелинейными эффектами. Эти компоненты включают фильтры, мультиплексоры и демультиплексоры по длине волны, переключатели, полупроводниковые оптические усилители и сам фильтр. В системах WDM возникают две формы перекрестных помех, это межканальные и внутриканальные перекрестные помехи. Первый вид имеет место в случае, когда сигнал помехи находится на длине волны, существенно отличающейся от длины волны сигнала, и эта разница превышает электрическую полосу пропускания приемника.

Межканальные перекрестные помехи также могут иметь место в результате косвенных взаимодействий, например, в результате нелинейных явлений или если один канал оказывает влияние на усиление другого канала. Второй вид имеет место в случае, когда сигнал перекрестных помех находится на той же длине волны, что и полезный сигнал, или достаточно близок к ней, так что разница в длинах волн находится в пределах электрической полосы пропускания приемника. Как мы увидим далее, воздействие внутриканальных перекрестных помех может быть гораздо более серьезным, чем влияние межканальных помех. Однако в обоих случаях перекрестные помехи приводят к необходимости обеспечения запаса мощности.

Внутриканальные перекрестные помехи

Внутриканальные помехи обычно не являются основной проблемой линий связи типа точка-точка, но могут стать основной проблемой WDM волоконно-оптических сетей. В этом случае одним из источников помех является процесс мультиплексирования-демультиплексирования по длине волны. Как известно, демультиплексор должен идеально разделять сигналы различных длин волн на соответствующие выходные волокна. Однако на практике из-за неидеального подавления в демультиплексоре часть сигнала одной длины волны, например, л_i, попадает в смежный канал л_i+1 или л_i-1. Впоследствии, когда сигналы вновь объединятся в одном волокне при помощи мультиплексора, небольшая часть сигнала канала л_i, которая ранее смешалась с сигналом канала л_i+1, будет возвращена в общее волокно и затем поступит на вход приемника. Хотя основной и вновь возвращенный сигналы содержат одну и ту же информацию, они не синхронизированы между собой из-за различных задержек, что и приводит к появлению внутриканальных перекрестных помех. Другим аналогичным источником внутриканальных перекрестных помех являются оптические переключатели, также не обеспечивающие идеальную изоляцию одного порта переключателя от другого.

Наихудший случай имеет место тогда, когда состояние поляризации (SOP) сигнала перекрестных помех такое же, как SOP основного сигнала, а также когда сигнал помех не синхронизирован во времени с основным сигналом. В системах, использующих стандартное одномодовое волокно (не сохраняющее поляризацию), SOP с течением времени изменяются очень медленно, а зависимость временных фазовых соотношений зависит от множества факторов, включая изменение температуры.

Межканальные перекрестные помехи

Существует несколько источников межканальных помех, создаваемых, например, оптическим фильтром или демультиплексором, которые выделяют один канал и неидеально изолируют другие. Другим примером может служить оптический переключатель длин волн, создающий перекрестные помехи из-за неидеальной изоляции между портами переключателя.

Уменьшение перекрестных помех

Простейший (и наиболее предпочтительный) подход к уменьшению перекрестных помех заключается в улучшении их подавления на уровне устройства, при этом необходимое подавление перекрестных помех для каждого устройства определяется, основываясь на количестве каскадированных устройств в сети и допустимом запасе мощности, обусловленном перекрестными помехами. Однако существует ряд структурных подходов к уменьшению некоторых видов перекрестных помех, в частности, помех, вызванных оптическими переключателями.

Первый подход заключается в использовании пространственного расширения, который, например, для оптического переключателя с перекрестными помехами ЈР использует добавление к нему нескольких неиспользуемых портов, что позволяет снизить значение помех в разы. Недостатком расширения является то, что его невозможно достичь без существенного увеличения, как правило, удвоения количества переключателей.

Другой подход к уменьшению перекрестных помех в сети WDM основан на использовании расширения интервала длин волн в переключателях, что особенно эффективно в том случае, когда один переключатель управляет несколькими длинами волн. В этом случае для уменьшения межканальных перекрестных помех можно использовать два переключателя вместо одного, осуществляя первым переключателем управление нечетными каналами, а вторым -- четными. Это удваивает интервалы между каналами, но опять-таки при удвоении числа переключателей. В крайнем случае, расширение длины волны достигается использованием отдельного переключателя для каждой длины волны.

В мультиплексоре/демультиплексоре простой метод уменьшения перекрестных помех заключается во введении между ними дополнительного фильтра для каждой длины волны, который повышает степень изоляции и значительно уменьшает перекрестные помехи, хотя и существенно увеличивает стоимость устройства.



5. Элементы аппаратуры WDM

Структура оптических мультиплексоров

Оптический мультиплексор-демультиплексор или просто мультиплексор (OADM, Optical Add/Drop Multiplexer) - это устройство, на входе и выходе которого - по n волокон, и каждое из них передает по m оптически мультиплексированных каналов. В состав современных OADM входят: электронный мультиплексор-демультиплексор ввода-вывода (ADM), оптические демультиплексор (divider) и мультиплексор (или комбайнер - combiner) (рис. 13). Для увеличения мощности в устройство включают оптический предусилитель на входе и мощный оптический усилитель - на выходе.

...