11.1.6.3. Современные технологии мультиплексирования

Указанные выше технологии были разработаны в конце 80-х годов [342]. В 90-е годы стали ин­тенсивно развиваться интегральные оптические технологии, в результате в настоящее время ис­пользуются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования) [204]. Две из них, на основе интегральной оптики, используют технологии выделения несущих с помо­щью либо дифракционной решетки на массиве волноводов - AWG (Arrayed Waveguide Grating) [253], либо вогнутой дифракционной решетки - CG (Concave Grating), являющуюся фактически развитием технологий самофокусировки с вогнутыми решетками, описанными выше. Третья - на основе дискретной микрооптики, использует технологию выделения несущих с помощью трех­мерного оптического мультиплексирования - 3DO (3-D Optics WDM) [204], являющуюся фак­тически развитием технологии самофокусировки с вогнутым зеркалом и плоской дифракционной решеткой, описанной выше. Ниже мы рассмотрим более подробно технологии AWG и 3DO, как наиболее перспективные.

Технология, использующая дифракционную решетку на массиве волноводов

В основе первой из них (см. рис. 11-5,а) положен обобщенный принцип инетерферометра Ма-ха-Цендера*. Мультиплексор AWG состоит из двух многопортовых разветвителей* (входного и вы­ходного), соединенных массивом планарных оптических волноводов (МПОВ). Длина каждого волно­вода Li отличается от соседних на фиксированную величину Сле­довательно, каждую пару волноводов вместе с входным и выходным разветвителями можно рассмат­ривать как интерферометр Маха-Цендера, a AWG в целом - как обобщенный интерферометр Маха-Цендера, т.е. устройство, генерирующее п копий входного сигнала (с помощью входного разветвите-ля), распространяющихся в одинаковых средах различной длины, и складывающее эти сигналы, при­шедшие с разным фазовым запаздыванием, на выходе (с помощью выходного разветвителя).

AWG может использоваться как мультиплексор (п:1), осуществляющий объединение п входных сигналов с группы входных портов в один выходной - Я_о, или демультип-

лексор (1:п), осуществляющий разбиение входного потока на отдельные не-

сущие и подачу их на группу выходных портов п.

Эту схему конечно можно было реализовать с помощью соединения п/2 MZI, однако схе­му AWG проще реализовать в виде планарной схемы с помощью интегральных оптических тех­нологий, так как входной и выходной разветвители и массив волноводов реализуются на одной кремниевой подложке. Волноводы реализуются в виде планарных оптоволоконные световодов (диоксид кремния, легированный Ge или Та), сформированных на этой же подложке. 32-канальные AWG производятся промышленностью в виде готовых модулей, отличающихся малы-

ми габаритами и средним уровнем вносимых потерь (см. табл. 11-4). Их температурный коэффи­циент достаточно высок (0,01 нм/°С), что требует использования стабилизаторов температуры.

Принцип работы мультиплексора A WG

Допустим, что он имеет входной пхт и выходной тхп разветвители, соединенные масси­вом из т световодов, длина которых отличается на Входной разветвитель расщепляет сигнал с любого входного порта i на т входов массива световодов, пусть это будет световод к. Пусть далее выходной разветвитель соединяет любой из т выходов массива светово­дов с выходным портом у. Тогда общий путь, проходимый светом от порта / до порта у через све­товод к равен Длина где Lj длина минимального (первого) световода. Пусть аналогично длина минимальные пути пути между входными/выходными портами разветвителей и входами/выходами световодов. Тогда относительные фазы сигналов, проходящих от порта / до порта у" через любой световод к, т.е. к = 1,2, ... ,т, равны:

(11-1)

Здесь п₂ и П] - коэффициенты преломления материала световодов (п₂) и входного и выходного разветвителей (л/).

Первое слагаемое в (11-1) постоянно, второе - дает изменение относительной фазы 8фщ. Те из волн, проходящих по пути D_ikj, для которых будут складываться в

фазе на выходе у. а, следовательно, несущая Я будет демодулироваться. Указанное условие будет выполняться (но для другого Л), если заменить/; тр+1, т.е. будет демодулироваться и т. д. Это говорит о том, что:

• АВХ мультиплексора AWG имеет периодическую, гребенчатую форму;

• все длины волн системы WDM должны лежать в соответствующем свободном спектральном диапазоне FSR.

Указанные свойства напоминают нам интерферометрический фильтр на резонаторе Фаб-ри-Перо, а физика работы говорит о том, что массив световодов с длиной каждого, отличающейся от соседних на AL, играет роль дифракционной решетки, что делает понятным его название -мультиплексор на основе дифракционной решетки на массиве волноводов.

Для понимания работы этого широко используемого типа мультиплексоров WDM инте­ресно сделать некоторые замечания, касающиеся некоторых деталей конструкции мультиплексо-

pa, играющих важную роль в выполнении условий фильтрации (сложения в фазе компонентов сигнала на выходе) поясняемых рис. 11-5,6, а именно [299]:

• входы массива световодов (выходные порты входного разветвителя) лежат на окружности ре­ шетки волноводов ОРВ (grating circle) радиуса R с центром в точке входа центрального вход­ ного волновода;

• входы других входных волноводов лежат на окружности (вписанной в ОРВ между ее центром и точкой касания общей касательной) диаметра R; эта окружность называется кругом Роуленда;

• шаг распределения входных ОВ и массива световодов постоянен в направлении касательных в точках, между которыми вписан круг Роуланда;

• длина дуги ОРВ, занимаемая входами массива световодов, должна быть много меньше R;

• при соблюдении вышеперечисленного длина пути между любым входом входного разветвите­ ля и его любыми двумя последовательными выходными портами постоянна;

• при соблюдении вышеперечисленного диапазон FSR примерно постоянен и не зависит от вы­ бора пары вход-выход (i-y) мультиплексора.

Для сокращения размеров мультиплексора вдвое и экономии компонетов можно использо­вать схему Литтроу для компоновки мультиплексора, разрезав его схему на рис. 11-5,а пополам и поместив в плоскости разреза зеркало (см. рис. 11-5,в). Потоки несущих с выхода массива свето­водов будут отражаться зеркалом и подаваться со стороны внутренних выходных портов единст­венного разветвителя в тот же волновод разветвителя, где будет происходить интерференция входных и отраженных волн. Входной порт должен размещаться при этом в центральном входном порту разветвителя.

Все элементы конструкции строго фиксированы в монолитном стеклянном блоке (4), что позволяет выдерживать и сохранять высокую точность изготовления (см. рис. 11-6,6). Указанная конструкция может быть использована как с параболическим, так и сферическим зеркалами, име-

Технология самофокусировки с вогнутым зеркалом и плоской решеткой Эта технология, названная в [204] технологией трехмерного оптического мультиплек­сирования, использует фактически классичекую схему самофокусировки с плоской отражатель­ной дифракционной решеткой (1), вогнутым зеркалом (2) и массивом волоконных световодов (3) (см. рис. 11-6,а), размещенных в пазах физической решетки с фиксированным шагом (см. рис. 11-6,в). Схема работы (в режиме демультиплексора) проста: мультиплексированный поток из вход­ного волокна (А), расходясь конусом с углом Д отражается от зеркала и падает на дифракцион­ную решетку, отражающую под разными углами свет разной длины волны. Эти дифрагированные лучи отражаясь от зеркала фокусируются в определенных точках, где и должны быть расположе­ны приемные порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие. Для примера по­казано выделение одного такого канала, конус лучей которого (с тем же углом р) фокусируется в точке В (порте выходного волокна).

ет коэффициент увеличения равный 1. Она афокалъна (т.е. не имеет фокуса), так что все исходя­щие и входящие в волокна углы одинаковы. Одномодовые волокна укладываются в канавки спе­циальной физической решетки. Конструкция мультиплексора дает возможность использовать в решетке до 131 канавки (канала), что позволяет реализовать оптический шаг <1 нм, или до 262 ка­налов - с шагом <0,5 нм [204].

Во всех указанных решениях процедура мультиплексирования предполагается обратной по отношению к рассмотренной процедуре демультиплексирования. Параметры мультиплексоров WDM, реализованных на основе последних трех технологий, сведены в табл. 11-4 [204].

Из табл. 11-4 видно, что технология 3-DO (3-D Optics) WDM имеет преимущество по че­тырем из пяти параметров и может быть использована в системах WDM до уровня HDWDM с разносом каналов не меньше 0,4 нм.

11.1.7. Характеристики промышленных мультиплексоров WDM

В настоящее время еще используется "старые" (первого поколения) системы WDM, мультиплекси­рующие 2 канала с несущими 1310 нм и 1550 нм, соответствующими первому и второму окнам прозрачности. Эти системы, как уже упоминалось, являются вариантами, доступными при постав­ке ряда коммерческих систем SONET/SDH. Используется сейчас и определенное количество 4-8-канальных систем, об одной из них (T31-BDX, компании Pirelli-Cisco) упоминалось ниже. Их можно условно отнести к системам второго поколения (кроме 4-канальной системы компании Siemens, см. табл. 11-5).

Бурное развитие систем WDM/DWDM пришлось на 1997-1999 гг., когда были разработа­ны системы третьего поколения, основанные на стандартном канальном плане и имеющие 16 и больше каналов. В настоящее время начался этап их повсеместного внедрения. В 1999 г. появи­лись и системы четвертого поколения, имеющие число каналов 96-160, существенно улучшенные мультиплексоры оптического ввода-вывода и двухкаскадные ОУ с возможностью включения мо­дуля DCM между каскадами.

В табл. 11-5 приведены известные автору промышленные системы WDM/DWDM разных производителей. Если сравнить список производителей оборудования WDM и SDH (см. табл. 2-1 и 11-5), то первый можно разделить на две группы: традиционные производители систем PDH/SDH и сопутствующего оборудования (Alcatel, ECI, Ericsson, Lucent Technologies, NEC, Nokia, Nortel, Pirelli (приобретена компанией Cisco), Siemens) и остальные (ADVA, Cambrian (приобретена компанией Nortel), Ciena, Eonyx, IBM, Osicom) - новые производители. Первые -разрабатывали системы WDM как транспортные средства применительно к WAN для их исполь­зования совместно с системами SDH/SONET, вторые - как транспортные средства для MAN (так называемый класс "Metro" - от слова "metropolitan - городской/столичный", а не от слова "metro-метро") и LAN, 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 стандартной дистанции (640 км), но и по числу

используемых каналов (40-96) и даже перекрывает их по используемому минимальному разносу частот (50 ГГц - пионер использования такого плотного канального плана).

Беглый взгляд на таблицу в целом наглядно демонстрирует разницу систем производите­лей первой и второй групп, хотя среди последних немало хороших систем у таких компаний, как Cambrian, IBM, Osicom. Это разница, прежде всего, в следующем:

• в дистанции, покрываемой системами в целом или в числе используемых пролетов и секций.

• в возможности организации кольцевых и полносвязных (ячеистых) топологий.

• в возможности оптического ввода (добавления) и вывода (выделения) каналов (несущих волн) на транзитных узлах (см. Число каналов Вв/Выв),

• в использовании отдельного оптического управляющего канала (дополнительной несущей вол­ ны), а также специальной иерархической системы управления - TMN.

Общая емкость в расчете на одно волокно у наиболее продвинутых компаний этой группы составляет в настоящее время 1,28-1,60 Тбит/с, что выше чем у систем производителей второй группы. Лидерами по этому показателю являются компании Alcatel, Cambrian-Nortel, Lucent Technologies и Pirelli-Cisco.

В отличие от них компании второй группы предлагают, как правило, более простые и де­шевые решения, рассчитанные на использование (по длине) одной секции и не имеющих возмож­ности ввода/вывода отдельных каналов на промежуточных узлах (в силу отсутствия последних). Однако они имеют 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).

Дадим некоторые пояснения используемым в таблице параметрам систем.

• Тип системы - дуплексные, или двунаправленные, (D), используют две оптические несущие на канал, и полудуплексные, или однонаправленные, (S), используют одну оптическую несущую на канал. Большинство производителей указывает число каналов и без указания типа системы, тогда считается, что система в принципе может работать как полудуплексная с я каналами или как дуплексная с п/2 каналами. Там, где прозводитель явно указал на возможность работы в дуплексном режиме стоит D или D, S, если нет - то S. В ряде случаев существует несколько ва­ риантов заказных спецификаций, на что нужно обращать особое внимание. Так схема разме­ щения каналов в указанных выше поддиапазонах (В, R) может зависить как от числа каналов п, реализуемых данной системой WDM, так и от конструктивных особенностей оборудования и возможностей производителя обеспечить дуплексные (двунаправленные) или полудуплексные (однонаправленные) каналы. Например, оборудование компании ECI позволяет комплектовать 16 канальную систему как двунаправленную (2x16), размещая по 16 каналов в поддиапазонах В и R с зазором на 8 каналов на стыке поддиапазонов, либо как однонаправленную (1x16), раз­ мещая 16 каналов в двух поддиапазонах без зазора и без возможности модернизации в вариант (2x16), или же размещая 16 каналов в одном поддиапазоне В или R с возможностью модерни­ зации в вариант (2x16).

• Код - как правило широко используются два типа линейного кодирования: NRZ и RZ! Первый позволяет реализовать большую плотность эквивалентных бит на секундный интервал и более предпочтителен в системах SDH верхних уровней иерархии. Второй - широко используется в системах DWDM в силу специфики работы модуляторов. Интересно отметить, что система WL4 компании Siemens использует мультиплексор SDH типа SMA256, работающий на скоро­ сти 40 Гбит/с и реализованный на электронных компонентах (используется электронная систе­ ма мультиплексирования ETDM, а не оптическая - OTDM), что позволяет добиться высокой общей емкости системы (160 Гбит/с) уже при 4-х каналах. Наличие такого мультиплексора по­ зволяет надеятся, что в недалеком будущем может бвть реализована система WL32 общей ем­ костью потока через одно волокно 1,28 Тбит/с, если будут преодолены трудности с перекрыти­ ем оптических импульсов при таком сочетании высокой плотности каналов (разнос 100 ГГц) и высокой скорости потока в канале - 40 Гбит/с.

• Число каналов ввода-вывода - реализовать оптический ввод/вывод трибов, участвующих в схеме первичного (электрического - ETDM или оптического OTDM) мультиплексирования SDH (опция drop/insert) в оптический канал (представленный отдельной оптической несущей) или из него в схеме вторичного оптического мультиплексирования WDM, достаточно сложно. Поэто­ му ряд систем WDM вообще не реализует эту опцию, обеспечивая лишь работу в режиме точ­ ка-точка (т-т), либо ограничивает число каналов, не которых эта опция может быть реализована (например, 4 из 16, 8 из 40, 12 из 64 - см. табл. 11-5), не говоря уже о том, что снизу она вообще может быть ограничена на уровне виртуального контейнера VC-4.

• Топология - в порядке сложности в системах WDM могут быть реализованы топологии: точка- точка (т-т) без возможности оптического ввода/вывода трибов SDH; последовательная линейная цепь (л) с возможностью ввода/вывода трибов SDH; звезда (з) или точка-много точек (т-мт), реа­ лизуемые с помощью концентратора; кольцо, которое может быть представлено в трех видах: одинарное кольцо без защиты (к), двойное кольцо с защитой (к2), счетверенное кольцо с полно­ дуплексной защитой (к4); ячеистая сеть (я) с возможностью динамической маршрутизации.

• Пролет (span)- участок пути, перекрываемый в результате компенсации потерь от затухания сигнала за счет запаса по усилению (бюджета) или за счет усиления в ОУ. Пролеты (в соответ­ ствии с G.692) по длине могут быть длинными L - до 80 км (как правило не содержат ОУ), очень длинными V - 120 км (как правило содержат МУ или ПУ) и сверхдлинными U - 160 км, как правило содержат мощный усилитель МУ и предварительный усилитель ПУ. Секции огра­ ничены терминальными мультиплексорами ТМ.

• Секции - участок пути, перекрываемый одним или несколькими пролетами в соответствии с конфигурацией (числу пролетов системы), на границе которого распложены регенераторы (в соответствии со стандартом G.692 длина секции - до 640 км); регенераторы применяются для восстановления оригинальной формы сигнала после нескольких пролетов.

• Дистанция - максимальное расстояние, на которое могут быть переданы данные, определяется числом пролетов и/или секций и длиной, перекрываемой одним пролетом/секцией. Учитывая приведенные выше данные по длинам перекрытий и секций, дистанция может быть равна 640- 1280 км. Секции могут стыковаться без использования регенераторов путем соединения ТМ (back-to-back); использование одного регенератора, например, в системе WL8 компании Siemens, позволяет удвоить общую дистанцию передачи сигнала.

• Скорость входных данных, Тип поддерживаемого логического интерфейса - указаны грани­ цы диапазона скоростей, которые определяются, кроме прочего, фактом поддержки того или иного логического интерфейса (или формата данных), определяющего с сетями каких техноло­ гий может стыковаться указанная система. Например, если минимальная скорость равна 10 Мбит/с, а в типах интерфейсов указан интерфейс Е - значит система WDM может стыковаться с сетью обычного Ethernet, если используемая скорость равна 100 Мбит/с и указан интерфейс FE - значит допустима стыковка с сетью Fast Ethernet. Если интерфейс GE, то допустима сты­ ковка с сетью Gigabit Ethernet на скорости 1 Гбит/с, и т.д., см. список типов поддерживаемых интерфейсов и скорость, поддерживаемую этими интерфейсами в примечаниях к табл. 11-5. Для технологии ATM могут использоваться несколько скоростей передачи, например, если в интерфейсах указано АТМ-ОС3.12 - это значит, что система WDM стыкуется с сетями ATM на двух скоростях технологии SONET ОС-3 (155,52 Мбит/с) и ОС-12 (622,08 Мбит/с).

• Допуск - указывает, какую максимальную накопленную на длине одной секции дисперсию сис­ тема WDM способна преодолеть без потери качества сигнала, определяемого уровнем ошибок системы (показатель BER). Эта величина используется для проверки возможности системы (секции) перекрыть определенную дистанцию. С этой целью, зная конкретный тип волокна и соответствующее ему значение дисперсионного параметра D, определяемого для граничной длины волны в занимаемой полосе, проводится подсчет фактически накопленной дисперсии путем умножения значения D, размерность [пс/нм/км], на длину секции, выраженную в кило­ метрах (плюс допуск по затуханию для защиты от возможного ухудшения затухания от целого ряда параметров ВОЛС. Если фактический допуск меньше предельного - система работоспо­ собна при использовании данного волокна, если нет - должно быть использовано другое во­ локно или уменьшена длина секции, или, если последнее нежелательно или невозможно, то

следует использовать компенсаторы дисперсии, о которых мы уже упоминали выше (допуски на накопленную дисперсию приведены в стандарте G.692).

• Канал управления - имеется ввиду оптический канал супервизорного управления ОКСУ, назы­ ваемый в оригинальных документах каналом OSC (Optical Supervision Channel) [256]. Этот ка­ нал организуется для проверки ОУ (расположенных на промежуточных узлах) на дополни­ тельной оптической несущей, которая лежит за пределами фактически используемой полосы {внеполосная OSC), хотя может лежать и внутри полосы {внутриполосная OSC), занимаемой стандартным частотным планом, так и соответствовать некоторым стандартным (но неисполь­ зуемым для основной полосы) несущим (хотя последнее не рекомендуется стандартами) или частотам накачки лазеров в оптических усилителях. Например, из табл. 11-5 видно, что исполь­ зуется следующий ряд частот: 1310, 1480, 1510, 1532, 1625 нм (рекомендуемая стандартом G.692 длина волны OSC равна 1510 нм).

• Управление - имеется ввиду управление системой в целом, включая управление мультиплексо­ рами SDH/SONET или оборудованием сети, с которой стыкуется аппаратура WDM. В этом смысле оно разбивается на традиционное для систем SDH/SONET полноценное управление на основе TMN с использованием интерфейсов Q и F, с одной стороны, и на супервизорное управление с использованием агента SNMP, популярного для локальных сетей, с другой. Или же используется специально разработанная система управления сетью WDM, включающая в последнее время специальную систему мониторинга ВОК.

В табл. 11-5 приведены не все параметры, которые могут быть найдены в спецификациях фирм. Одним из таких парметров является длина волны входного сигнала, для которого могут быть указаны один или два диапазона значений лин волн, например, 1260-1625. Этот диапазон го­ворит о том, что система может работать дополнительно как во втором, так и третьем окнах про­зрачности. При этом все необходимые преобразования длины волны несущей входного сигнала в длину волны одного из свободных каналов системы осуществляется транспонде-ром/конвертором системы WDM.