Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Волоконно-оптические сети - Убайдуллаев Р.Р..pdf
Скачиваний:
613
Добавлен:
24.05.2014
Размер:
17.59 Mб
Скачать

преобразование длин волн сразу нескольких входящих сигналов, причем в пределах широкого волнового диапазона и малыми вносимыми шумами.

Один из методов волновой конверсии основан на использовании ферроэлектрического кристалла, внутри которого создаются условия для нелинейного оптического взаимодействия (рис. 8.15 а). Периодическая структура с чередующейся сменой направлений поляризаций увеличивает эффективность волнового преобразования. При одновременном распространении входного сигнала и сигнала от лазера накачки происходит генерация света на частоте, равной разности частоты волны накачки входного сигнала, т.е. выполняется закон сохранения энергии: 1/λC =1/λP – 1/λs.

На рис. 8.15. б) показан пример экспериментальных профилей мощности входного (λS =1536 нм) и выходного (λC = 1545 нм) сигналов при длине волны накачки λP = 770 нм, полученных с использование такой периодической структуры. Основные технические параметры системы: мощность лазера накачки 10 мВт; диапазон длин волн перестраивания лазера накачки - 100 нм; полная длина кристаллической структуры 10 мм.

Рис. 8.15. Схема и профили мощности волновогоконвертера: а) схема волнового конвертера с периодической ферроэлектрической структурой; б)

профили мощности входного и выходного сигналов (по материалам фирмы OKI

Electric Industry [21]).

Другое решение реализовано в работе [22]. В качестве нелинейной среды используется волокно с нулевой смещенной дисперсией DSF длиной 2 км. Нелинейный эффект, приводящий к генерирующей новой длине волны, основывается на четырехволновом смешивании, причем закон сохранения энергии записывается в виде: 2/λP =1/λS + 1/λC (используются прежние обозначения). Разумеется, наибольшая эффективность достигается в окрестности точки нулевой дисперсии, где значительно возрастает сечение четырехволнового смешивания. В связи с этим длину волны лазера накачки следует выбирать как можно ближе к длине волны нулевой дисперсии волокна DSP.

8.7. Классификация полностью оптических сетей

Наращивание емкости. По мере роста объема передаваемой информации по сети рано или поздно возникает задача увеличения емкости сети. Менее

трудоемкое наращивание волоконно-оптических сетей происходит либо при помощи замены коммутаторов в центральных .узлах на более мощные электронные устройства, рассчитанные на скорость передачи по волокну до 1 Гбит/с, 2,5 Гбит/о или до 10 Гбит/с и имеющие различные вариации механизма пакетной коммутации ATM/SDH, Gigabit Ethernet и т.д., либо при помощи привлечения ранее не используемых резервных "темных" волокон в проложенных ВОК. Что делать, если больше не осталось "темных" волокон? Один из путей - прокладывать новые кабели, но такое решение может оказаться очень дорогим, неудобным и не всегда быстрым. Другой путь - привлечение оптических технологий и построение магистралей на основе технологий полностью оптических сетей AON, что делает возможным значительно повысить экономичность, гибкость и надежность сетей, и, самое главное - значительно увеличить пропускную способность, не переоборудуя существующие кабельные системы.

Категории AON. Все AON можно разбить на три основные категории [23,29]: сети, использующие многоволновые (мультиплексные) линии связи, сети с коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов (табл. 8.10).

Таблица 8.10. Классификация полностью оптических сетей AON

Категория сети

 

 

Подкатегория

Многоволновая

 

 

 

 

 

мультиплексная

 

 

 

-

 

линия связи

 

 

 

 

 

 

 

Широковещательная

 

Полностью

 

(пассивная) сеть

 

 

Сеть

с

пассивной

волновой

оптическая

с

коммутацией каналов

маршрутизацией

 

 

волновой

 

 

Сеть

с

активной

 

 

маршрутизацией

 

Полностью

 

Сеть

с

последовательной

 

битовой коммутацией пакетов

оптическая

с

Сеть с параллельной битовой

коммутацией пакетов

 

 

коммутацией пакетов

 

Характеристики

Полностью прозрачная по отношению к оконечным узлам

Полностью прозрачная

Полностью прозрачная

Полностью прозрачная

Прозрачная при использовании установленного протокола Прозрачная при использовании установленного протокола

Прозрачные AON. Первые две категории AON имеют одну важную характеристику - прозрачность сети по отношению к используемому приложению. Главным фактором прозрачной AON выступает гибкость по отношению к используемым конечными узлами приложениям (АТМ, FDDI, и т.д.). Оптическая прозрачность (передача оптического сигнала в формате приложения - код, частота модуляции) достигается по любому из оптических WDM каналов от узла-источника до узла-назначения без использования оптоэлектронных устройств преобразования сигнала. Сигнальный формат в пределах каждого WDM канала может быть виртуально произвольным, обеспечивая экономичность и гигантский потенциал наращивания. Кроме чисто пассивных компонентов (мультиплексоров, демультиплексоров, ответвителей), прозрачные AON могут содержать активные элементы, такие как, конфигурируемые волновые маршрутизаторы, волновые конвертеры, оптические коммутаторы. Даже если управление этими устройствами электронное, весь путь

распространения самого сигнала остается оптическим. Электронный контроль требует меньшей полосы (допустимо под управление выделение специального отдельного канала) и используется, главным образом, для реконфигурирования узлов сети, WDM каналов, изменения структуры потоков, удовлетворяя различным требованиям пользователей.

Оптическое терминальное оборудование в прозрачной AON в наиболее общем случае представляют: перестраиваемые лазерные передатчики (tunablelaser transmitters) и/или перестраиваемые поворотные фильтры (tunable filters или heterodynes). Два оконечных узла сети могут установить канал связи через такую сеть посредством настройки на определенные две волны (для приема и передачи), которые им предоставляет сетевой контроллер оптического терминала, обработав соответствующий предварительный запрос. После установления соединения магистральный канал становится прозрачным по отношению к используемому приложению.

Допускается более интересная возможность, когда любая группа пользователей может получить соответствующий набор длин волн от прозрачной AON и организовать свою собственную виртуальную сеть. Каждый пользователь в этой сети способен открыть одновременно несколько сессий. Таким образом, прозрачная AON потенциально обладает очень богатыми возможностями объединения пользователей на локальном или глобальном масштабах расстояний.

Простая многоволновая линия связи SMWL

Этот тип сети представляет простейший способ организации архитектуры AON (для простоты указано только одно направление передачи данных, рис. 8.16). Такой канал связи позволяет организовать множество соединений "точкаточка" между однотипными узлами, которые общаются на вполне определенных, предназначенных исключительно для них, длинах волн. Преимуществами данной сети являются: большая полоса пропускания, отводимая на каждую пару взаимодействующих между собой пользователей; высокая надежность связи вследствие гарантированной полосы пропускания (под каждый канал отводится отдельная длина волны); прозрачность каждого канала сети по отношению к выбору сетевого приложения (АТМ, Gigabit Ethernet, SDH/PDH и т.д.) между оконечными узламиНедостатком является наличие жестко зафиксированных соединений по каналам.

В настоящее время в сетях кабельного телевидения получили большое распространение симплексные многоволновые линии связи, в которых передача ведется только в одном направлении.

Рис. 8.16. Простая многоволновая линия связи

Многоволновая линия связи не является полноценной сетью, поскольку не позволяет осуществлять соединения удаленных узлов по принципу "каждый с каждым". Она выполняет исключительно функции транспортной магистрали высокой емкости и подобно магистралям SDH обеспечивает статическое соединение "точка-точка", только с частотным мультиплексированием. Многоволновые линии связи могут находиться в составе более сложных архитектур полностью оптических сетей.

Параметры многоволновых мультиплексных линий связи

Три основные черты магистральной многоволновой линии связи - высокая частота модуляции сигналов в каналах (высокая битовая скорость), высокая плотность мультиплексных каналов и большие расстояния сегментов - заставляют более строго подходить к требованиям по передаче информации. Наиболее важные факторы, ограничивающие технические возможности оптической линии, приведены ниже [24].

Соотношение сигнал/шум. Для того, чтобы поддерживать необходимое соотношение сигнал/шум, число последовательных узлов EDFA, включенных в световой путь, должно быть ограничено. Как было показано в п. 8.3, оптические усилители EDFA вносят шум, и при большом числе последовательных соединений могут приводить к значительной деградации сигнала. Моделирование без учета влияния дисперсии сигнала в волокне показывает, что максимум 18 каскадов EDFA может быть установлено между регенераторами при скорости передачи 622 Мбит/с с приемлемым для стандарта STM-4 соотношением сигнал/шум, всего 11 узлов при скорости передачи 2,5 Гбит/с с удовлетворительным соотношением сигнал/шум. Реальное число каскадов EDFA из-за дисперсионной деградации сигнала уменьшается примерно в два раза.

Полоса пропускания усилителей EDFA. Поскольку передаточная характеристика EDFA в рабочей области не плоская даже для фтор-цирконатных EDFA, то разброс в 2 дБ остается при коэффициенте усиления 30 дБ. После 50 каскадов усилений начальная зона в 30 нм сокращается до 10 нм. С этой точки зрения желательно для передачи использовать плотно расположенные волновые каналы (DWDM) и в области наибольшего плато. При передаче мультиплексного сигнала, размещенного в широкой зоне EDFA, в случае большого числа каскадов, могут требоваться специальные эквалайзеры, вносящие затухание на тех длинах волн, соответствующие каналы которых испытывают наибольшее усиление.

Поперечные помехи. Поперечные помехи могут быть как межзонными, так и внутризон-ными. Межзонные помехи возникают между двумя различными длинами волн и обычно не носят кумулятивный характер, поскольку существует множество фильтров в сети. Для их подавления достаточно поставить соответствующий узкозонный фильтр перед оптическим приемником. Внутризонные помехи значительно сложнее контролировать. Они могут накапливаться, и простым способом их подавить невозможно. Анализ показывает, что чувствительность фильтра должна быть более, чем на 20 дБ ниже для соседней длины волны, чтобы минимизировать эффект внутризонных помех.

Внутризонные помехи могут включать когерентные биения, При расчете и создании архитектур полностью оптических сетей следует оценивать вклад от внутризонных помех. Простые фильтры типа Фабри-Перо не имеют достаточно резкой передаточной характеристики, чтобы уменьшить внутризонные поперечные помехи.

Линейная дисперсия волокна. Основным фактором является систематическое накопление хроматической дисперсии в одномодовом волокне, которая для волокна типа NZDSF может достигать 5-6 пс/нм в расчете на 1 км. Полная допустимая величина дисперсии в оптическом сегменте между регенераторами зависит от стандарта.

Нелинейная дисперсия EDFA. Использование оптических усилителей позволяет компенсировать потери мощности в волокне, но это создает дополнительные нелинейности - хвосты в спектральном представлении сигнала (волнового пакета), несущие меньшую мощность испытывают большее усиление по сравнению с центральной частью пакета, приводя к появлению нелинейной дисперсии. Увеличение пролетов между каскадами EDFA, и, соответственно, уменьшение числа самих каскадов, снижает нелинейную дисперсию, но усиление более слабого сигнала приводит к уменьшению соотношения сигнал/шум.

Поляризационная меновая дисперсия (PMD). Эта дисперсия возникает в волокне из-за неидеальной циркулярности реального волокна. Практически PMD начинает вносить ограничение на длину безрегенерационного участка только при очень большой скорости передачи на канал (10 Гбит/с). При этом максимальное значение PMD в линии не должно быть больше 1/10 от битового интервала [25, 26]. PMD нелинейно зависит от расстояния L (как L1/2), поэтому растет медленнее с ростом расстояния.

Стимулированное Рамановское рассеяние. Этот нелинейный эффект, также известный как спонтанное комбинационное рассеяние, связан с рассеянием света на колебаниях поляризованных молекул волокна. Под действием света большой интенсивности происходит поляризация совершающих тепловые колебания молекул, при этом сам падающий свет испытывает рассеяние, трансформируя часть своей энергии как в традиционный рэлеевский компонент (на частоте падающего света v), так и в два боковых нелинейных компонента: стоксовый (на частоте v - δ) и антистоксовый (на частоте v + δ), где δ - частота колебаний молекул в волокне. Именно два нелинейных компонента приводят к поперечным помехам между каналами в мультиплексном сигнале и, в конечном итоге, к его деградации. Из-за этого, в частности при мощности передатчика 0 дБм и межканальном интервале 4 нм, только 8 каналов можно мультиплексировать при протяженности линии 1000 км, и только 4 канала при протяженности 8000 км

[27].

Четырехволновое смешивание FWM. Природа нелинейного эффекта FWM

связана с наличием слабой зависимости показателя преломления волокна от интенсивности распространяемого по нему света, в результате чего из двух волн с частотами vi, vj. появляется две новые волны с частотами vk и vl. причем vi +vj=vk +v1 как того требует закон сохранения энергии. При попадании новых волн в спектральные области существующих каналов будут иметь место поперечные помехи между каналами. Влияние поперечных помех из-за FWM увеличивается с