Технология спектрального уплотнения WDM

Электронный мультиплексор выполняет функции ввода/вывода трибов (SDH, PDH, SONET), компонентных сигналов (АТМ) и потоков.

Оптический демультиплексор:

* выделяет транзитный поток из нескольких несущих и передает его непосредственно на оптический мультиплексор;

* выделяет оптические несущие (обычно по одной с каждого волокна) для передачи зарезервировавшим их пользователям, имеющим оптические интерфейсы к оптоволоконным каналам;

* выделяет оптические несущие и передает их на электронный мультиплексор для оптоэлектронного преобразования и электронного демультиплексирования каналов (трибов или компонентных сигналов), зарезервированных пользователями.

Оптический мультиплексор формирует выходной поток, объединяя транзитный поток от демультиплексора (оптические несущие) с оптическими потоками от электронного демультиплексора и с прямыми оптическими каналами от пользователей.

На рисунке 13 показан OADM, принимающий восемь несущих, из которых четыре передаются транзитным потоком с входа на выход, две выводятся через оптические интерфейсы пользователям, а две другие преобразуются в электрические, демультиплексируются до трибов нужного уровня с помощью ADM и выводятся через его электрические интерфейсы пользователям. Аналогично формируется и мультиплексированный поток.

Рис. 13 - оптический мультиплексор ввода-вывода первого поколения

Однако у современных мультиплексоров (первого поколения) есть ряд недостатков. Так, число оптических несущих, которое можно ввести-вывести в OADM, ограничено из-за сложности устройств оптического ввода-вывода. Число таких несущих составляет для разных систем от 1/10 до 1/4 от общего числа оптических каналов (вводимых/выводимых и транзитных). Причины этого в основном экономические: для вывода оптических несущих используются модули оптических фильтров, для ввода - пассивные WDM-модули, стоимость которых 1000-2000 долл. на несущую. Возможность реконфигурации несущих практически удваивает эту цену.

Поскольку модули оптических фильтров реализованы аппаратно, они не перестраиваемые. Из-за этого OADM работают на фиксированных частотах, и их нельзя динамически реконфигурировать. В большинстве случаев OADM не могут конвертировать длины волн входных несущих. А проблемы с фильтрацией оптических несущих ограничивают скорость обмена в системах WDM на уровне STM-16 (2,5 Гбит/с).

Перечисленные недостатки постепенно преодолеваются, в первую очередь благодаря появившейся возможности конвертации длин волн входных несущих. Оптические конверторы и перестраиваемые лазерные источники позволяют реконфигурировать оптические каналы. Но сложнее всего оказалось создать оптический кросс-коммутатор, который сделал бы OADM таким же гибким и полнофункциональным, как и ADM.

Рис. 14 - оптический мультиплексор ввода-вывода второго поколения

Однако предположив, что названные недостатки преодолены, можно представить структурную схему оптического мультиплексора второго поколения (рис. 14). Она отличается не только увеличенным числом мультиплексированных каналов (128-256 против 8-32) и более высокими скоростями передачи (10-40 Гбит/с). В составе нового мультиплексора - полноразмерный неблокируемый оптический кросс-коммутатор и управляемый блок волновых конверторов. Эти устройства позволят ввести-вывести сколько угодно оптических несущих, а при необходимости - их динамически реконфигурировать и перемаршрутизировать. Такой мультиплексор не только позволит увеличить емкость систем передачи до нового, терабитного уровня (1,28-10 Тбит/с), но и сделает реальными полностью оптические сети - конечную цель развития оптоволоконных сетей связи.

Оптические технологии ввода-вывода несущих

Динамическая реконфигурация оптических WDM-систем, т.е. дистанционное изменение числа оптических каналов, - мощное средство оптимизации производительности сети, наделяющее ее операционной гибкостью. В ее основе - оптические технологии ввода-вывода несущих с разделением по длине волны в промежуточных узлах сети. Сегодня, по крайней мере, пять технологий реализуют ввод-вывод оптических несущих:

* фильтры на основе оптоволоконных дифракционных решеток Брэгга;

* фильтры на основе интерферометра Фабри-Перо;

* интерференционные фильтры на тонких пленках;

* поляризационные фильтры на жидких кристаллах;

* акустооптические перестраиваемые фильтры.

Однако к этим фильтрам предъявляются достаточно высокие требования. Так, они должны иметь малые вносимые потери, чтобы не использовать оптические усилители-компенсаторы. Потери фильтра не должны зависеть от поляризации входного сигнала, чтобы при ее изменении не менялась выходная мощность. Полоса пропускания фильтра не должна зависеть от температуры (в рабочем диапазоне температур). Амплитудно-волновая характеристика (АВХ) фильтра должна быть максимально плоской в рабочем интервале длин волн, с большой крутизной спада в переходной полосе, чтобы допускать каскадирование фильтров в системах WDM без потери плоскостности и минимизировать влияние переходного затухания соседних каналов. Сами фильтры должны быть высокотехнологичными и недорогими в расчете на одну несущую.

Фильтры на основе резонатора Фабри-Перо

Основной элемент фильтра - резонатор Фабри-Перо. Он составлен из двух плоскопараллельных зеркал с высокой отражающей способностью внутренних поверхностей. Такой фильтр часто применяют в оптике, а его принципы использованы в интерференционных фильтрах на тонких пленках.

Пусть расстояние между зеркалами равно L и входной луч падает нормально к плоскости левого зеркала (рис. 15), попадает внутрь полости резонатора, частично проходит через правое зеркало, а частично отражается от него. Отраженный луч вновь отражается от левого зеркала, и процесс многократно повторяется. Если L кратно л/2, то все лучи, проходящие через правое зеркало, сколько раз бы они ни отражались, оказываются в фазе. Такие длины волн л называются резонансными.

Рис. 15 - фильтрация света резонатором Фабри-Перо

Передаточная функция такого фильтра TFP(f) - это периодическая функция частоты f (рис. 16):

T_FP(f) = [1-A/(1-R)]²/[1+{2vR ?sin(2р?f ф)/(1-R)}²], (2)

где A - потери на поглощение света зеркалом, R - отражательная способность поверхности зеркал, ф - задержка распространения света через резонаторную полость.

Полосы пропускания фильтра повторяются на частотах, удовлетворяющих соотношению f ф = k/2 (k - целое положительное число). Крутизна спада АВХ фильтра в переходной полосе тем больше, чем выше R. Характеристика фильтра Фабри-Перо (ФП) (см. рис. 16) имеет вид гребенки, что может быть нежелательно при использовании его в системах с WDM, если только все несущие не лежат в так называемом свободном спектральном диапазоне (FSR), равном расстоянию между центрами соседних полос пропускания.

Оценку числа несущих F в этом диапазоне дает отношение F=FSR/FWHM, где FWHM - ширина полосы фильтра ФП на уровне половины от максимума. Используя (2), получим F=р?vR/(1-R). Если R меняется в диапазоне 0,9-0,99, то F принимает значения от 29 до 312. Однако эта оценка еще должна быть связана с частот ным планом в конкретной системе WDM.

Отличительная особенность фильтров ФП - возможность их перестройки, а значит и реконфигурации мультиплексора ввода-вывода на их основе. Для перестройки фильтра достаточно изменить ф = n?L/c, что эквивалентно изменению n - коэффициента преломления среды между зеркалами, или L. Механическое изменение расстояния L - достаточно грубая операция, она может нарушить параллельность зеркал. Поэтому обычно зеркала крепят к пьезо-электрику и изменяют расстояние, прикладывая к нему напряжение. Но и это решение достаточно сложное. Кроме того, сами фильтры ФП не нашли должного применения в современных системах WDM, уступив место конкурентным решениям. Одно из них - интерференционные фильтры на тонких пленках.

Рис. 16 - передаточная функция фильтра на резонаторе Фабри-Перо

Интерференционные фильтры на тонких пленках

Эти фильтры применяют в современных системах с WDM так же часто, как и фильтры на решетке Брэгга. В них роль зеркал, ограничивающих резонаторную полость, играют тонкие диэлектрические пленки многократного отражения.

Фильтры на тонких пленках делятся на два типа: тонкопленочные с одной резонаторной полостью (TFF) и тонкопленочные со многими резонаторными полостями (TFMF). На рисунке 17 приведена схема трехрезонаторного фильтра, полости которого разделены отражающими слоями тонких пленок (длиной л/4) с чередованием слоев с высокими (H) и низкими (L) значениями показателя преломления. Эту структуру формируют, последовательно выращивая или осаждая диэлектрические отражающие и пропускающие слои на стеклянной подложке (G). Для однорезонаторного фильтра такая структура имеет вид: G(HL)⁹HLL(HL)⁹HG.

Из рисунке 18 видно, что форма АВХ фильтров зависит от числа резонансных полостей. Чем их больше, тем выше крутизна спада характеристики фильтра в переходной полосе и тем вершина АВХ более плоская. В отличие от фильтров ФП, фильтры на тонких пленках пропускают только одну волну, длина которой зависит от высоты полости, однако они также имеют FSR, нормированная ширина полосы которого составляет примерно ±0,4 л0/л.

Недостаток данного типа фильтров в том, что они рассчитываются на определенную длину волны и не могут перестраиваться.

Рис. 17 - структура тонкопленочного фильтра с тремя резонаторными полостями

Рис. 18 - нормированная АВХ резонаторных фильтров на тонких пленках

Поляризационные фильтры на жидких кристалах

В основе фильтров - свойство жидких кристаллов (ЖК) вращать плоскость поляризации под действием электрического поля. Эта технология выглядит многообещающей в плане управляемой реконфигурации, но она только начала развиваться и еще не отработана.

Фильтр на ЖК можно представить в виде трехэлементной сборки (рис.19). Жидкокристаллическая пленка, поворачивающая плоскость поляризации света определенной длины волны на 90°, помещается между поляризатором, линейно поляризующим свет, и анализатором, пропускающим только линейно-поляризованный свет с плоскостью поляризации, формируемой поляризатором.

В нормальном состоянии ЖК-пленка поворачивает плоскость поляризации на 90° и фильтр блокирует определенный диапазон волн -сборка работает как оптический изолятор. При приложении к кристаллу некоего напряжения плоскость поляризации поворачивается еще на 90° и совпадает с плоскостью анализатора. Свет заданного диапазона проходит на выход.

К сожалению, фильтр на ЖК работает только с одной длиной волны, которая должна быть предварительно выделена из набора несущих, обрабатываемого мультиплексором.

Рис. 19 - поляризационный фильтр на жидких кристаллах

Акустооптические перестраиваемые фильтры

Наиболее перспективной технологией фильтрации, основанной на вращении плоскости поляризации, является акустооптическая технология. Акустооптический фильтр (рис. 20) представляет собой полупроводниковый кристалл ниобата лития, в котором сформированы титановые волноводы. На кристалле монтируется пьезоэлектрический вибратор акустических волн, управляемый генератором170-180 МГц. Вибратор создает поверхностную акустическую волну (ПАВ), распространяющуюся по тонкопленочному акустическому волноводу, размещенному в центре под углом к основному световому потоку. Слева и справа от него расположены поляризационные расщепители светового потока.

Входной расщепитель разделяет входной поток на моды ТЕ (внизу) и ТМ (вверху), которые проходят через акустический волновод. ПАВ этого волновода вызывает гармоническое изменение в нем показателя преломления (возникновение акустической решетки Брэгга), создавая условия для "акустической" дифракции Брэгга или вращения на 90° плоскости поляризации одной из длин волн, которая и фильтруется вторым расщепителем на выходе как несущая, выводимая из мультиплексора.

Достоинство фильтра в том, что он позволяет изменять длину волны фильтрации путем изменения частоты управляющего генератора, возбуждающего ПАВ (меняется постоянная решетки Брэгга). Фильтр можно настроить на вывод одной несущей, группы несущих или всех несущих. Кроме того, у фильтров данного типа низкий уровень вносимых потерь, низкая потребляемая мощность и широкая полоса перекрытия при перестройке (порядка 80 нм в третьем окне прозрачности). Их работа не зависит от скорости передачи данных. Температурнуюнестабильность компенсируют специальные стабилизаторы.

Рис. 20 - акустооптический перестраиваемый фильтр

Источники излучения. Лазерные диоды

Четыре типа лазерных диодов получили наибольшее распространение: с резонатором Фабри-Перо; с распределенной обратной связью; с распределенным брегговским отражением; с внешним резонатором.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP-лазеры).

Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, вывод излучения наружу. Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение двух условий. Первое, длина волны должна удовлетворять соотношению 2D = Nл, где D - диаметр резонатора Фабри-Перо, а N - некоторое целое число. Второе, длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случае в область Дл_0,5 могут попасть два или более соседних максимумов, что соответствует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до нескольких нм. FP лазер имеет далеко не самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуется очень высокая скорость передачи данных, он, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения цена-эффективность.

Следует отметить, что даже в том случае, когда соседние максимумы малы, то есть когда реализуется одномодовый режим излучения и Дл мало, с ростом скорости передачи у FP лазера наблюдается перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту - динамическому уширению спектра Дл (до 10 нм при частоте модуляции 1-2 ГГц). Этот эффект отсутствует у перечисленных трех других более совершенных типов лазерных диодов, отличающихся способом организации оптического резонатора, и являющихся в некоторой степени модернизацией простого резонатора Фабри-Перо.

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB лазер) и с распределенным брэгговским отражением (DBR лазер).

Резонаторы у этих двух довольно схожих типов представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB лазерах периодическая структура совмещена с активной областью , а в DBR лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области. Периодическая структура влияет на условия распространения и характеристики излучения. Так, преимуществами DFB и DBR лазеров по сравнению с FP лазером являются: уменьшение зависимости длины волны лазера от тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически 100-процентная глубина модуляции. Температурный коэффициент Дл / ДТдля FP лазера порядка 0,5-1 нм/°С, в то время как для DFB лазера порядка 0,07-0,09 нм/°С. Основным недостатком DFB и DBR лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

Лазерный диод с внешним резонатором (ЕС лазер).

В ЕС лазерах один или оба торца покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. Антиотражательное покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на четыре порядка, в то время как другой торец активного слоя отражает до 30% светового потока благодаря френелевскому отражению. Зеркало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза. Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала, а также одновременно разворачивая зеркало-решетку, - это эквивалентно изменению шага решетки - можно плавно изменять длину волны излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм. В силу этого, ЕС лазеры являются незаменимыми при разработке аппаратуры волнового уплотнения и измерительной аппаратуры для ВОЛС. По характеристикам они схожи с DFB и DBR лазерами.

Реализация усилителей EDFA

Рассмотрим более подробно простую реализацию EDFA. Ее можно представить в виде следующей схемы, представленной на рисунке 21:

Рис. 21 - простая однокаскадная схема EDFA

Схема состоит из двухканального волнового мультиплексора WDM (оптического разветвителя), к одному каналу которого подключено через оптический фильтр-изолятор ОФИ-1 волокно - источник информационного сигнала 1550 нм, к другому - лазерный диод накачки ЛД, генерирующий сонаправленную волну накачки 980 или 1480 нм. С выхода мультиплексора сигнал подается в кольцо специального ОВ, легированного эрбием. Длина волокна в кольце 15-20 м. Усиленный в кольце сигнал 1550 нм является выходным сигналом усилителя, который снова подается в волокно через оптический изолятор ОФИ-2. Дополнительные оптические фильтры-изоляторы на обоих концах легированного ОВ ставятся для предотвращения распространения света в обратном направлении, которое может привести к осцилляции излучения лазера.

Практические ОУ имеют некоторые особенности, которые не видны из этой схемы:

- легированное ОВ имеет меньший диаметр сердечника (порядка 2 мкм), чем стандартное ОМ ОВ, для увеличения плотности пучка благодаря сужению на переходе из стандартного в легированное ОВ, что позволяет увеличить эффективность процессов возбуждения и усиления;

- допускается большое затухание легированного ОВ (порядка 10 дБ/км), вызванное значительной концентрацией примеси;

- используется как сонаправленное, так и противонаправленное включение пучка накачки, последнее позволяет примерно на 2 дБ увеличить усиление (при этом примерно на 1 дБ увеличивается шум);

- для получения более устойчивой работы лазера накачки (отсутствие осцилляции) используются специальные фильтры-стабилизаторы на основе, например, оптоволоконной решетки Брэгга*;

- для получения более широкой полосы усиления и уменьшения неравномерности коэффициента усиления (создания "плоской" волновой характеристики") в них используются специальные выравнивающие устройства, например оптоволоконные решетки Брэгга; для увеличения усиления наряду с однокаскадными ОУ с одним лазером накачки разрабатываются и выпускаются ОУ с двумя лазерами накачки (которые теоретически можно рассматривать как двухкаскадные при наличии двойного комплекта основных блоков), а также двух-каскадные усилители с дополнительным выходом/входом между каскадами.

Практическая реализация оптических усилителей.

Только два типа усилителей нашли в настоящее время широкое применение в оптических сетях связи, это ППОУ и EDFA.

Указанные ОУ по функциональному назначению можно разбить на четыре группы:

- мощные усилители - МУ (бустеры), устанавливаемые непосредственно за передатчиком; их особенность в том, что они работают с большим сигналом на входе, обеспечивают максимально допустимое усиление и высокий уровень сигнала на выходе (-10 дБм и выше) и не критичны к уровню шумов;

- линейные усилители - ЛУ, устанавливаемые на линии в качестве повторителей; их особенность в том, что они работают с сигналом среднего уровня на входе, обеспечивают необходимый уровень сигнала на выходе и критичны к уровню шумов, который ограничивает общую длину регенерационного участка системы;

- предусилители - ПУ, устанавливаемые непосредственно перед приемником; их особенность в том, что они работают с сигналами очень низкого уровня (от -45 до -30 дБм) и потому очень критичны к уровню шума усилителя;

Указанные типы ОУ, их обозначения и положение в схеме оптической системы связи показаны ниже:

В свою очередь, ЛУ делятся на ЛУ первого поколения, ЛУ-I, и ЛУ второго поколения, ЛУ-Н. ЛУ-I может быть однокаскадным или двухкаскадным, но он не имеет дополнительного входа между каскадами. ЛУ-П - Двухкаскадный и имеет такой вход, что дает возможность для его более гибкого функционального использования: позволяет осуществлять внутреннюю коммутацию и различные функциональные преобразования (например, компенсацию УСИ, установку модуля компенсации дисперсии, ввод/вывод одного из усиливаемых каналов в системах WDM и др.). Это дает возможность уменьшить количество или номенклатуру используемого оборудования, а значит, и упростить возможное решение.

Список литературы

1. В.Н. Гордиенко «Оптические телекоммуникационные системы»

2. В.Н. Гордиенко, М.С. Тверецкий «Многоканальные телекоммуникации»

3. В.Г. Фокин «Оптические системы передачи и транспортные сети»

4. Н.Н. Слепов «Оптические мультиплексоры ввода-вывода»

5. С.А. Дмитриев, Н.Н. Слепов «Волоконно-оптическая техника»

6. Л.Б. Иванов «Волоконная оптика»

Размещено на Allbest.ru