3.4. 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, рис. 3.14.
Первые устройства WDM появились в начале 90-х годов. В основном это были широкозонные двухканальные системы с длинами волн 1310 нм и 1550 нм.
Вдальнейшем 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. Термин DWDM (dense wavelength division multiplexer) - плотное волновое мультиплексирование - используется по отношению к WDM устройствам с расстоянием между соседними каналами 1,6 нм и менее. Для построения многоканальных WDM систем наряду с пассивными WDM фильтрами также требуются узкополосные лазеры, стабильно выдерживающие нужную длину волны. Пока именно лазеры остаются наиболее дорогим элементом в таких системах, несколько сдерживая их развитие.
Внастоящее время поставляются системы с числом каналов 4, 8 и 16. Предполагается рост числа мультиплексных каналов до 32.
Рис. 3.14. Схема оптического сегмента, использующего передачу мультиплексного сигнала по волокну
Основные технические параметры WDM фильтров
Терминология одинаково применима ко всем WDM устройствам. Поэтому начнем обсуждение с простейшего двухканального мультиплексора. Наряду с функцией объединения (рис. 3.15 а) устройства WDM также могут выполнять обратную функцию (функцию демультиплексирования) - выделения сигналов разных длин волн из волокна, рис. 3,15 б. Большинство производимых WDM устройств совмещают режимы мультиплексирования и демультиплексирования в одном устройстве. Такие устройства могут также использоваться для мультиплексирования и демультиплексирования двунаправленных потоков, рис. 3.15 в.
В идеале сигнал λ1, поступающий на полюс 1 (рис. 3.15 а), должен полностью проходить в общий выходной полюс 3 (common). На практике, однако, доля сигнала на длине волны λ1 ответвляется и проходит через полюс 2. Аналогично, применительно к рис. 3.15 б, идеальным было бы, если все 100%
входной мощности сигнала λ1, проходили через полюс 1 и наоборот. И здесь такой эффективности демультиплексирования для любого из существующих WDM устройств достичь невозможно. Для оценки этих паразитных явлений используют понятие переходные помехи.
Переходные помехи показывают, насколько эффективна работа WDM устройства. Они состоят из ближних и дальних переходных помех. Ближние переходные помехи NEXT (near-end crosstalk или directivity) аналогичны коэффициенту направленности и определяются как доля мощности, регистрируемая на длине волны λ1, на полюсе 2, соответствующем длине волны λ2, при условии, что сигнал на длине волны λ1, подается на полюс 1 (рис. 3.15 а).
Дальние переходные помехи FEXT (far-end crosstalk, также называют isolation) являются мерой изоляции между выходными полюсами по сигналам разных длин волн. Так, если сигнал поступает на длине волны λ1, на полюс 3 (common), (рис. 3.15 б), то для него FEXT - это доля мощности, регистрируемая на длине волны λ1, на полюсе 2, соответствующем длине волны λ2.
Рис. 3.15. Устройство WDM: а) мультиплексирование с уплотнением по длинам волн; б) демультиплексирование; в) мультиплексирование/демультиплексирование встречных потоков
В общем случае WDM модуль при работе в режиме мультиплексирования/ демультиплексирования может иметь n входных/выходных полюсов 1, 2, ..., n, которым соответствуют длины волн λ1, λ2, …, λn, один общий выходной/входной полюс (com) соответственно, рис. 3.15 в. Будем обозначать такой модуль 1:n.
Введем следующие обозначения -
для мультиплексора:
Pi(λk) - входной сигнал на длине волны λk, поступающий на полюс i;
Рi,j(λk) - выходной сигнал на длине волны λk, регистрируемый на входном полюсе j, при условии, что входной сигнал на длине волны λk поступает на полюс i (i≠j);
Pii(λk) - обратное рассеяние сигнала на длине волны λk, поступающего на полюс i;
Pi,com(λk) - выходной сигнал на длине волны λk, регистрируемый на сотполюсе, при условии, что входной сигнал на длине волны λk поступает на полюс i;
для демультиплексора:
Pcom(λk) - годной сигнал на длине волны λk , поступающий на сот-полюс;
Pcom,j(λk) - выходной сигнал на длине волны λk, регистрируемый на выходном полюсе j, при условии, что входной сигнал на длине волны λk
поступает на сот-полюс (j≠k);
Pcom,com(λk) - обратное рассеяние сигнала на длине волны λk, поступающего на сот-полюс;
Pcom,k(λk) - выходной сигнал на длине волны λk, регистрируемый на выходном полюсе k (собственном), при условии, что входной сигнал на длине
волны λk поступает на сот-полюс.
Коэффициенты ближних bNEXT, дальних bFEXT переходных помех, а также коэффициенты обратного рассеяния на ближнем и дальнем концах bNE и bFE определяются соотношениями:
Коэффициенты передачи на ближнем aNE и дальнем аFE концах определяются соотношениями:
В общем случае WDM модуль 1:n можно описать набором из n матриц переходных коэффициентов (по одной матрице на каждую длину волны), где каждая матрица имеет размерность (n + 1)х(n +1).
Пример типичной матрицы WDM модуля 1:2 приведен в табл. 3.7. Таблица 3.7. Матрица потерь ai,j (дБ) WDM модуля 1:2
Широкозонные и узкозонные WDM фильтры
Широкозонные WDM фильтры предназначены для работы с двумя, максимум с тремя длинами волн при расстоянии между каналами более, чем 70 нм (1310, 1550, 1625 нм). Они наиболее часто применяются в системах кабельного