Способы увеличения пропускной способности оптических волокон

КУРСОВАЯ РАБОТА

СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Обозначения и сокращения Введение

1. Принципы передачи сигналов по оптическому волокну и основные параметры оптических волокон

1.1 Принципы передачи сигналов по оптическому волокну

1.2 Основные параметры оптических волокон

1.2.1 Затухание

1.2.2 Полоса пропускания

1.2.3 Дисперсия

2. Дисперсия сигналов в оптических волокнах

2.1 Хроматическая дисперсия

2.2 Модовая дисперсия

2.3 Поляризационная модовая дисперсия

2.4 Дисперсия в многомодовых и одномодовых волокнах

3. Методы мультиплексирования и способы увеличения пропускной способ оптических волокон и кабелей

3.1 Метод временного мультиплексирования TDM

3.2 Метод частотного мультиплексирования FDM

3.3. Мультиплексирование по поляризации PDM

3.4 Многоволновое мультиплексирование оптических несущих WDM

3.4.1 Введение в WDM

3.4.2 Модель взаимодействия WDM с транспортными технологиями

3.4.3 Блок-схема систем c WDM

3.4.4 Узкополосные и широкополосные WDM

3.4.5 Классификация WDM на основе канального плана

3.4.6 Схемы реализации мультиплексоров WDM

3.4.7 Характеристики промышленных систем WDM

4. Современные оптические волокна для широкополосной передачи

4.1 Волокна с ненулевой смещенной дисперсией

4.2 Волокна с ненулевой дисперсией для широкополосного оптического переноса

4.3 Требования к оптическим волокнам для высокоскоростных магистралей Заключение

Список использованных источников

Обозначения и сокращения

ВОЛС — волоконно-оптическая линия связи ВОСП — волоконно-оптическая система передачи ОВ — оптическое волокно ПМД — поляризационная модовая дисперсия

TDM (Time Division Multiplexing) — метод временного мультиплексирования

FDM (Frequency Division Multiplexing) — метод частотного мультиплексирования

PDM (Polarization Division Multiplexing) — метод мультиплексирования по поляризации

WDM (Wavelength Division Multiplexing) — метод многоволнового мультиплексирования

DWDM — (Dense Wavelength Division Multiplexing_ - метод многоволнового мультиплексирования с высокой плотностью частотных интервалов ПУ — предварительный усилитель МУ — мощный усилитель АТМ — режим асинхронной передачи

SDH — синхронная цифровая иерархия

PDH — плезиохронная цифровая иерархия

LAN — локальная вычислительная сеть

WAN — магистральная сеть МЧР — мультиплексирование с частотным разделением МРДВ — мультиплексирование с разделением по длинам волн АМ — амплитудная модуляция ОБП — одна боковая полоса ТЧ — тональная частота

STM — синхронный транспортный модуль

SONET — синхронная оптическая связь

В настоящее время телекоммуникационная индустрия претерпевает беспрецедентные изменения, связанные с переходом от голосоориентированных систем к системам передачи данных, что является следствием бурного развития Internet технологий и разнообразных сетевых приложений. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к транспортным сетям для передачи данных, является возможность быстрого увеличения их пропускной способности в соответствии с ростом объемов трафика.

Цифровая связь по оптическим кабелям, приобретающая всё большую актуальность, является одним из главных направлений научно-технического прогресса.

Преимущества цифровых потоков в их относительно лёгкой обрабатываемости с помощью ЭВМ, возможности повышения отношения сигнал/шум и увеличения плотности потока информации.

Преимущества оптических систем передачи перед системами передачи работающими по металлическому кабелю заключается в:

— возможности получения световодов с малым затуханием и дисперсией, а значит увеличение дальности связи;

— широкой полосе пропускания, т. е. большой информационной ёмкости;

— оптический кабель не обладает электропроводностью и индуктивностью, то есть кабели не подвергаются электромагнитным воздействием;

— пренебрежимо малых перекрестных помех;

— низкой стоимостью материла оптического кабеля, его малый диаметр и масса;

— высокой скрытности связи;

— возможности усовершенствования системы при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

Линейные тракты волоконно-оптических систем передачи строятся как двухволоконные однополосные одно кабельные, одноволоконные одно полосные однокабельные, одноволоконные многополосные одно кабельные (со спектральным уплотнением).

Учитывая, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости связи, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования пропускной способности оптического волокна за счёт одновременной передачи по нему большего объёма информации.

Цель работы — рассмотрение различных способов увеличения пропускной способности оптического волокна.

1. Принципы передачи сигналов по оптическому волокну и основные параметры оптических волокон

1.1 Принципы передачи сигналов по оптическому волокну

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 1).

Рисунок 1 — 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.2а). Если угол б меньше, чем б₀, то происходит отражение от границы материалов сердечника о оболочки, и световой луч распространяется внутри сердечника (рис.2б).

Рисунок 2 — 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.

1.2 Основные параметры оптических волокон

1.2.1 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.3).

— 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.

Рисунок 3 — Рассеивание и отражение света в оптическом волокне.

Для определения полного коэффициента затухания оптического волокна должны быть учтены все факторы, перечисленные ниже (рис.4).

Рисунок 4 — Факторы, влияющие на качество передачи оптического сигнала.

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 рис. 5.

Рисунок 5 — 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.

1.2.2 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:

(5)

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

На рис. 6 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 равнв 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.

Рисунок 6 — График зависимости передаточной функции световода от частоты модуляции оптического сигнала.

дисперсия оптический волокно мультиплексирование

1.2.3 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.

Рассмотрим более подробно явление дисперсии.

2. Дисперсия

Определены два основных вида дисперсии: хроматическая и модовая.

2.1 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:

(6)

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:

(7)

Хроматическая дисперсия выражается в пс/нм · км (1пс=1^-12с, 1нм=1^-6м) 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 рис. 6 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.

Рисунок 7 — Зависимость хроматической дисперсии от длины волны светового излучения.

2.2 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.

2.3 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 (рис.8). Разность времени распространения ортогонально ориентированных мод одномодового оптического волокна, выраженная в ps, определяется через Поляризационную модовую дисперсию (ПМД). При распространение обе составляющие основной моды взаимодействуют между собой. Из-за такого обмена энергией ПМД носит статистический характер.

Рисунок 8 — 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 ps/км^½ 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^½. На рис. 9 приведена зависимость битовой скорости от дальности работы системы передачи.

Рисунок 9 — Зависимость скорости передачи от длины волны.

2.4 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 (рис 10).

Рисунок 10 — Многомодовое (а), градиентное (б) и одномодовое (в) оптическое волокно

3. Методы мультиплексирования и способы увеличения пропускной способ оптических волокон и кабелей

Существует несколько способов увеличения пропускной способности систем передачи информации. Большинство из них сводится к одному из методов уплотнения компонентных информационных потоков в один групповой, который передается по линии связи. Поскольку большинство из методов уплотнения находит широкое применение в современных системах связи, рассмотрим каждый из них.

3.1 Метод временного мультиплексирования TDM

TDM (Time Division Multiplexing) — это зрелая, проверенная временем технология. Хотя в некотором будущем она может уступить место АТМ или IP, на сегодняшний день это преобладающая технология местного доступа, и число систем на основе TDM продолжает увеличиваться.

TDM — это опробованный и вызывающий доверие способ построения глобальных производственных сетей и многие производственные организации успешно пользовались такими сетями еще в 70-х и 80-х годах.

Существует несколько причин, в силу которых TDM продолжает играть ведущую роль для местного доступа:

— Полоса пропускания постоянно становится дешевле и доступнее, что делает проблему ее максимально эффективного использования менее острой

— Низкая цена оборудования TDM

— Простота установки и обслуживания

— Непревзойденное качество передачи голоса

— Зрелость самой технологии и решений на ее основе

— Хорошая стандартизация и совместимость аппаратуры различных производителей

— Малое и постоянное время задержки Технологию TDM первой стали широко применять в обычных системах электросвязи. Эта технология предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал. Входные каналы по очереди модулируют высокочастотную несущую в течение выделенных им коротких промежутков времени (тайм-слотов), которые периодически повторяются. Например, в течение первого тайм-слота несущая модулируется первым входным каналом, в течение второго — вторым, в течение третьего — третьим, в течение четвертого — четвертым, в течение пятого — снова первым, в течение шестого — снова вторым и т. д. (рис. 11.).

Рисунок 11 — В системах TDM все информационные каналы передаются по одному волокну на одной длине волны в течение соответствующих тайм-слотов Мультиплексор на одной стороне канала связи собирает данные со всех источников и передает их по волокну в течение соответствующих тайм-слотов. Демультиплексор на другой стороне линии связи выделяет тайм-слоты, считывает данные и передает их соответствующим пользователям уже в виде единых выходных потоков.

Использование технологии TDM позволило увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи до 10 Гбит/с. Линии со скоростью 10 Гбит/с постепенно заменяют первоначально использовавшиеся системы TDM со скоростью 2,5 Гбит/с. Скорость передачи 10 Гбит/с в некотором роде разграничивает два типа систем TDM. Выше этой скорости некоторые основные характеристики оптического волокна — поляризационная модовая дисперсия, хроматическая дисперсия — начинают значительно влиять на качество передачи и должны приниматься во внимание при разработке систем связи.

Дальнейшее увеличение скорости передачи с помощью технологии TDM требует разработки и внедрения исключительно сложных и дорогостоящих электронных компонентов. Вся стоимость их разработки ложится на плечи оптической промышленности, так как в других областях (например, компьютерные технологии) эти скорости еще не достигнуты. Точность синхронизации сигналов систем передачи, предъявляемые при модуляции тока лазеров, мультиплексировании и демультиплексировании электрических сигналов на сверхвысоких частотах, очень высоки.

3.2 Метод частотного мультиплексирования (FDM)

При частотном методе мультиплексирования (FDM — Frequency Division Multiplexing) каждый информационный поток передается по физическому каналу на соответствующей частоте — поднесущей ѓ_пн. Если в качестве физического канала выступает оптическое излучение — оптическая несущая, то она модулируется по интенсивности групповым информационным сигналом, спектр которого состоит из ряда частот поднесущих, количество которых равно числу компонентных информационных потоков. Частота поднесущей каждого канала выбирается исходя из условия ѓ_пн? 10ѓ_вчп, где ѓ_пн — частота поднесущей, ѓ_вчп — верхняя частота спектра информационного потока. Частотный интервал между поднесущими Дѓ_пн выбирается из условия Дѓ_пн? ѓ_вчп.

На приемной стороне оптическая несущая попадает на фотодетектор, на нагрузке которого выделяется электрический групповой поток, поступающий после усиления в широкополосном усилителе приема на входы узкополосных фильтров, центральная частота пропускания которых равна одной из поднесущих частот.

В качестве компонентных потоков могут выступать как цифровые, так и аналоговые сигналы, В настоящее время в кабельных системах передачи частотное уплотнение применяется в многоканальном кабельном телевидении, где для этой цели отведен диапазон частот 47 — 860 МГц, т. е. как метровый, так и дециметровый диапазоны ТВ.

3.3 Мультиплексирование по поляризации (PDM)

Уплотнение потоков информации с помощью оптических несущих, имеющих линейную поляризацию, называется уплотнением по поляризации (PDM — Polarization Division Multiplexing). При этом плоскость поляризации каждой несущей должна быть расположена под своим углом.

Мультиплексирование осуществляется с помощью специальных оптических призм, например, призмы Рошона. Поляризационное мультиплексирование возможно только тогда, когда в среде передачи отсутствует оптическая анизотропия, т. е. волокно не должно иметь локальных неоднородностей и изгибов. Это одна из причин весьма ограниченного применения данного метода уплотнения. В частности, он применяется в оптических изоляторах, а также в оптических волоконных усилителях, которые используются в устройствах накачки эрбиевого волокна для сложения излучения накачки двух лазеров, излучение которых имеет выраженную поляризацию в виде вытянутого эллипса.

3.4 Многоволновое мультиплексирование оптических несущих WDM

3.4.1 Введение в WDM

Оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн МРДВ (WDM) — сравнительно новая технология оптического (или спектрального) уплотнения, которая была разработана в 1970;1980 годах.

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

3.4.2 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 (без учета возможности переноса IP через ATM), осуществляющих транспортировку сигнала в глобальных цифровых сетях, и WDM, то до появления последней она имела вид, представленный на рис. 12а. 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.

Рисунок 12 — Модель системы WDM.

После появления систем WDM модель принимает вид, представленный на рис. 12б. 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.

3.4.3 Блок-схема систем c WDM

Основная схема системы c WDM (для примера взято четыре канала) имеет вид, представленный на рис. 13 (показан один прямой канал).

Рисунок 13 — Блок-схема системы с WDM

Здесь n входных потоков данных (кодированных цифровых импульсных последовательностей) модулируют (модуляция основной полосой) с помощью оптических модуляторов M_i оптические несущие с длинами волн l_i. Модулированные несущие мультиплексируются (объединяются) с помощью мультиплексора WDM Mux в агрегатный поток, который после усиления (с помощью бустера или мощного усилителя — МУ) подается в ОВ. На приемном конце поток с выхода ОВ усиливается предварительным усилителем — ПУ, демультиплексируется, т. е. разделяется на составляющие потоки — модулированные несущие l i, которые детектируются с помощью детекторов Д_i (на входе которых могут дополнительно использоваться полосовые фильтры Ф_i для уменьшения переходных помех и увеличения тем самым помехоустойчивости детектирования), и, наконец, демодулируются демодуляторами ДM_i, формирующими на выходе исходные кодированные цифровые импульсные последовательности. Кроме МУ и ПУ в системе могут быть использованы и линейные усилители — ЛУ (как рассматривалось выше).

3.4.4 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).

3.4.5 Классификация WDM на основе канального плана

Схема расширенного канального плана позволяет предложить следующую схему классификации, учитывающую современные взгляды и тенденции выделять три типа мультиплексоров WDM:

— обычные (грубые) WDM (CDWM) — ГМРДВ, или просто WDM — МРДВ

— плотные WDM (DWDM) — ПМРДВ

— высокоплотные WDM (HDWDM) — ВПМРДВ Хотя до сих пор и нет точных границ деления между этими типами, можно предложить, вслед за специалистами компании Alcatel, некоторые границы, основанные на исторической практике разработки систем WDM и указанном выше стандарте G.692 с его канальным планом, называемым также «волновым планом» или «частотным планом» в зависимости от того, используется ли волновая или частотная шкала канального плана. Итак, можно называть:

— системами WDM — системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 16 каналов

— системами DWDM — системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 64 каналов

— системами HDWDM — системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов

3.4.6 Схемы реализации мультиплексоров WDM

Первые мультиплексоры класса WDM, как известно, использовались для мультиплексирования двух несущих: 1310 нм и 1550 нм, расстояние между которыми 240 нм было настолько большим, что при реализации не требовало специальных фильтров для их разделения. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов) при использовании традиционной дискретной оптики не давали результатов лучше, чем следующие:

разнос каналов — 20−30 нм переходное затухание между каналами — 20 дБ уровень вносимых потерь — 2−4 дБ Это позволило формировать не более 4 каналов во 2-м окне прозрачности в 1987;90 годах. В 1996;1998 годах произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обусловленный, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологиям, с другой — миниатюризацией и улучшением качества изготовления элементов традиционной дискретной оптики.

В настоящее время используются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования). Две из них на основе интегральной оптики: одна использует выделение несущих на основе дифракционной решетки на массиве волноводов — AWG (Arrayed Waveguide Grating) и вторая на основе вогнутой дифракционной решетки — CG (Concave Grating). В третьей технологии применяется традиционная миниатюрная (на новом уровне технологии) дискретная оптика, использующая выделение каналов на основе технологии трехмерного оптического мультиплексирования — 3DO (3-D Optics WDM).

3.4.7 Характеристики промышленных систем WDM

В настоящее время еще используется «старые» (первого поколения) системы WDM, мультиплексирующие 2 канала с несущими 1310 нм и 1550 нм. Эти системы, как уже упоминалось, являются вариантами (опциями), доступными при поставке ряда коммерческих систем SONET/SDH. Используется сейчас и некоторое количество 4−8-канальных систем. Их можно условно отнести к системам второго поколения.

Бурное развитие систем WDM/DWDM пришлось на 1997;98 годы, когда были разработаны системы третьего поколения, основанные на стандартном канальном плане и имеющие 16 каналов и больше. В настоящее время начался этап их повсеместного внедрения.

Если сравнить список производителей оборудования WDM и SDH, то его можно разделить на две группы: традиционные производители систем PDH/SDH и сопутствующего оборудования (Alcatel, ECI, Ericsson, Lucent, NEC, Nokia, Nortel, Pirelli, Siemens) и остальные (ADVA, Cambrian, Ciena, Eonyx, IBM, Osicom) — новые производители. Первые разрабатывали системы WDM как транспортные средства применительно к WAN для использования их совместно с системами SDH/SONET, вторые — как транспортные средства для LAN (в лучшем случае для MAN), что видно по набору логических интерфейсов систем этих производителей, используемых для стыковки (преобразования) логических форматов сигналов на входе и выходе систем WDM. В этом смысле к первой группе следует присоединить и компанию Ciena, которая примыкает к ней не только по длине покрываемой дистанции (500−800 км), но и по числу используемых каналов (40, 96) и даже перекрывает их по используемому минимальному разносу частот (50 ГГц, единственная компания, использующая такой плотный канальный план).

В отличие от них компании второй группы предлагают, как правило, более простые и дешевые решения, рассчитанные на использование (по длине) одной секции и не имеющие возможности ввода/вывода отдельных каналов на промежуточных узлах (и не только в силу отсутствия последних). Однако они имеют, как правило, больше логических интерфейсов и позволяют работать с сигналами различных форматов, характерных для технологий, используемых в LAN: ATM, Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI и широко используют интерфейсы связи с ПК (Fiber Channel) и мини-компьютерами (ESCON).

4. Современные оптические волокна для широкополосной передачи

Насколько различные типы одномодовых волокон способны удовлетворять растущим требованиям к производительности современных оптических магистралей?

Наиболее заметными тенденциями, определяющими текущее развитие рынка телекоммуникаций, являются лавинообразное распространение широкополосного доступа и широкое внедрение ряда современных цифровых коммуникационных технологий. Видеоконференции, доступ к корпоративным сетям из любой точки планеты с получением привычного набора сервисов, средства групповой работы, популярные в последнее время видеообменные сети и т. п. определяют среднегодовой рост международного интернет-трафика на уровне 40%, наблюдаемый в течение последних пяти лет. Соответственно растет и загрузка магистралей. Чтобы справиться с ней, операторы систем дальней связи наряду с традиционным стремлением увеличить длину регенерационного участка оптической линии вынуждены решать проблему нехватки пропускной способности.

Ответом на растущие требования к магистралям является непрерывное совершенствование одномодовых световодов. Рассмотрим обзор стандартных одномодовых оптических волокон и волокон со смещенной дисперсией для широкополосной передачи.

4.1 Волокна с ненулевой смещенной дисперсией

Разработка и внедрение высокоэффективных систем с DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing — системы спектрального уплотнения с высокой плотностью частотных интервалов) выдвинули новые требования к характеристикам оптических волокон. Для технологии DWDM логичней было бы использовать оптические волокна со смещенной дисперсией. Однако теоретические исследования и эксперименты показали, что за счет нелинейных процессов в волокне на длинах волн, близких к нулевой дисперсии, возникают перекрестные искажения. Они приводят к взаимным влияниям и ухудшению качества связи. Чтобы избежать влияния нелинейных процессов, были разработаны волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fibre). Для них длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы полосы пропускания эрбиевого усилителя. А наличие малой ненулевой дисперсии в диапазоне 1550 нм у NZDSF необходимо для снижения влияния нелинейных эффектов.

Таблица 1 — Классификация одномодовых оптических волокон

Требования к характеристикам таких оптических волокон сформулированы в Рекомендации ITU-T G.655. В настоящее время действует ее третья редакция, вышедшая в 2003 г.

Волокна NZDSF оптимизированы для использования в диапазоне волн от 1530 нм до 1565 нм. В процессе исследований возникла необходимость в дополнении полосы пропускания длинноволновым диапазоном 1625 нм. В будущем планируется расширить сферу действия Рекомендации в коротковолновую область за 1530 нм.

Рекомендации разделяют волокна на три подкатегории — А, В, С, которые различаются по значениям коэффициента поляризационной модовой дисперсии, хроматической дисперсии и рабочему диапазону.

Оптические волокна категории G.655.А обладают параметрами, обеспечивающими возможность их применения в одноканальных и многоканальных системах с оптическими усилителями (Рекомендации G.691, G.692, G.693) и в оптических транспортных сетях (Рекомендация G.959.1). Что касается применения в многоканальных системах, рабочие длины волн и дисперсия в волокне ограничивают мощность входного сигнала. Типичный минимальный канальный интервал при этом может быть ограничен величиной 200 ГГц.

Таблица 2 — Дифференциальная групповая задержка

Оптические волокна категории G.655.B обладают параметрами, аналогичными G.655.А. Разница состоит в том, что в зависимости от рабочей длины волны и дисперсионных характеристик мощность входного сигнала может быть выше, чем для G.655.А. При этом типичный минимальный канальный интервал, как правило, ограничивается величиной 100 ГГц и менее. Требования в части поляризационной модовой дисперсии обеспечивают функционирование систем уровня STM-64 на расстоянии до 400 км.

Категория волокон G.655.C подобна G.655.B, однако более строгие требования в части поляризационной модовой дисперсии позволяют использовать на данных оптических волокнах системы уровня STM-256 (Рекомендация G.959.1) или же увеличивать дальность передачи систем STM-64 до 400 км.

При разработке оптических волокон, удовлетворяющих Рекомендации ITU-T G.655, для подводных кабельных линий осуществляется оптимизация параметров. Это может привести к тому, что на практике некоторые характеристики волокон будут выходить за пределы диапазонов, установленных Рекомендацией. Например, длина волны отсечки в одной из моделей световодов составляла 1500 нм.

На сегодняшний день существует два подхода к созданию волокон с ненулевой смещенной дисперсией. Основное различие между ними заключается в реализуемом диаметре модового поля. С увеличением этого параметра удобнее вводить излучение в световод, что особенно важно для DWDM-систем, использующих сложную интегральную оптику. Больший диаметр модового поля позволяет повысить уровень мощности излучения, вводимого в волокно, приблизительно на 2 дБ. Однако волокна с меньшим диаметром модового поля обладают меньшими потерями на сгибах и более пологой дисперсионной кривой. Вместе с тем оба подхода в равной мере обеспечивают подавление нелинейных эффектов.

Таблица 3 — Оптимальные варианты применения одномодовых оптических волокон

Наиболее широкую известность приобрели волокна с ненулевой смещенной дисперсией марки TrueWave, разработанные специалистами компании Lucent Technologies, волокно SMF-LS фирмы Corning Optical Fiber и FutureGuide-LA от компании Fujikura.

У волокна TrueWave длина волны нулевой дисперсии составляет 1523 нм, а у SMF-LS она располагается несколько выше длины волны 1560 нм. В конце 90-х компания Corning Optical Fiber выпустила марку волокна с ненулевой смещенной дисперсией — LEAF. В волокнах разработки Lucent Technologies диаметр модового поля составляет 8,4 мкм, в волокнах фирмы Corning и Fujikura — порядка 9,5 мкм. Уменьшение диаметра модового поля приводит к усилению нелинейных эффектов, что компенсируется увеличением уровня дисперсии.

Оптическое волокно FutureGuide-LA из семейства FutureGuide, производимого компанией Fujikura, ориентировано на передачу данных DWDM-систем в диапазонах C и L; параметры специфицированы для диапазонов 1530—1560 нм и 1565−1625 нм.

В числе крупнейших производителей оптического волокна — компания Alcatel. В спектр ее продукции входят волокна из семейства TeraLight с ненулевой смещенной дисперсией — TeraLight Metro и TeraLight Ultra