экзамены / Шпоры МК СПИ / 56

56 Спектральное уплотнение (WDM, DWDM)

Спектральное уплотнение в первую очередь является альтернативой метода пространственного уплотнения. При этом достигается значительный экономический эффект за счет сокращения стоимости используемого волокна в линейном кабеле. Этот метод позволяет обеспечивать развитие сети без проведения дополнительных строительных работ, а также создавать разветвленные сети древовидной или кольцевой конфигурации с пассивными элементами спектрального уплотнения в местах разделения или выделения потоков. При этом расширяются возможности передачи сигналов с различными скоростями и типами модуляции – цифровой и аналоговой (телефон, телевидение, телеметрия, сигналы управления ЭВМ), что обеспечивает создание экономических многофункциональных систем связи.

Одним из важных преимуществ данного метода является наиболее полное использование сверхширокой спектральной полосы пропускания ОВ. В настоящее время осваивается диапазон 0,8 – 1,8 мкм. Если принять, что ширина спектрального канала составляет 10 нм, то в указанном диапазоне можно разместить до 100 спектральных каналов. Например, в диапазоне волн 1,55 мкм при десяти спектральных каналах удалось создать ВОСП с информационной емкостью 1,37 Тбит/км с^-1, что эквивалентно организации по одному волокну 300 000 телефонных каналов.

Основными компонентами ВОСП со спектральным разделением являются мультиплексоры и демультиплексоры. Мультиплексоры подразделяются на спектрально-нечувствительные и спектрально-чувствительные. К первым относятся волоконные направленные ответвители, соединительные устройства, а также устройства на градиентных линзах. Вторые, называемые мультиплексорами, содержат элементы, характеристики которых зависят от оптической длины волны. К ним относятся дифракционные решетки, призмы, фильтры. Конструктивно мультиплексоры разделяются на объемные многоэлемептные, объемные интегральные, планарные, волоконные, гибридные и др. На рисунке 8.8 показаны мультиплексоры: четырехканальный планарный на дифракционной решётке (рисунок 8.6, а) и четырехканальный на интерференционных фильтрах (рисунок 8.6, б).

Демультиплексоры, входящие в состав систем со спектральным уплотнением, имеют структуру, аналогичную структуре спектрально-чувствительных мультиплексоров при обратном направлении распространения излучения. В настоящее время реализованы мультиплексоры и демультиплексоры с затуханием не более 3 дБ, спектральной шириной канала 5 нм и взаимным влиянием между каналами минус 25 – 30 дБ. Для одномодовых систем передачи ведется разработка аппаратуры со спектральным разделением до десяти каналов в диапазоне 1,20 – 1,35 мкм, расстоянием между каналами менее 10 нм, взаимным влиянием между соседними каналами менее минус 25 – 30 дБ.

Рисунок 8.6 – Мультиплексоры: а – четырехканальный планарпый на дифракционной решетке; б – четырехканальный на интерференционных фильтрах

В ВОСП со спектральным разделением целесообразно использовать одномодовые ОВ с малым затуханием и лазерные источники с повышенной мощностью излучения. Для обеспечения большего энергетического потенциала оптические каналы следует располагать в одном окне прозрачности, где потери в ОВ минимальны. Такому требованию, например, для ОВ, выполненных на основе кварцевого стекла, отвечает диапазон длин волн 1,5 – 1,6 мкм.

Относительно высокие плотности оптической энергии в ОВ вызывают заметное проявление нелинейных эффектов. В ВОСП-СР наиболее заметным из них является эффект усиления вследствие комбинационного рассеяния (УВКР), который обусловлен резонансным взаимодействием оптических несущих с оптическими фотонами вещества ОВ. В результате эффекта УВКР в ОВ наблюдается взаимодействие между оптическими сигналами различных оптических каналов. Оно выражается в уменьшении мощности оптических несущих с меньшей длиной волны и увеличением за счет этого мощности оптических несущих с большими длинами волн.

Технологии волнового мультиплексирования ВМП/WDM и плотного волнового мультиплексирования ПВМП/DWDM сравнительно новые сетевые технологии для транспортных сетей, основанные на спектральном уплотнении оптического излучения по длине волны. В настоящее время технология DWDM является основой построения оптических сетей и играет для систем SDH/СЦИ роль аналогичную той, что и мультиплексирование с частотным разделением каналов для аналоговых систем передачи, хотя механизмы мультиплексирования в них различные.

В рамках многоуровневой модели взаимодействия базовых сетевых технологий SDH/СЦИ, WDM/DWDM, ATM, IP их взаимосвязь можно представить в виде, показанном на рисунке 8.7.

TDM	IP					IP
	ATM	SDH	GE	GE
SDH		DWDM
Оптическое волокно

Рисунок 8.7 − Вариант архитектуры интегрированной мультисервисной перспективной IP-сети

При этом, так как оптика уже встро­ена во многие сетевые устройства (коммутаторы/маршрутизаторы IP, аппаратуру GE, MBB/ADM, DWDM) применение технологии DWDM позволяет напрямую со­прягать интерфейсы ATM, GE или IP с физическими интерфейсами оптической среды передачи (оптическим волокном). На рисунке 8.8 приведена инфраструктура оптических сетей, где показаны варианты типичной архитектуры современных сетей.

Рисунок 8.8 − Сетевая инфраструктура оптических сетей

Несмотря на достаточно большой срок от начала разработки систем и мультиплексоров WDM, время широкого признания WDM как конкурентной сетевой технологии фактически пришло немногим более пяти – десяти лет назад, когда появились первые полнодуплексные 4-канальные системы с разносом несущих 800...400 ГГц. За последние три года аппаратуру WDM/DWDM стали широко применять на сетях операторов даль­ней связи. Выпускаемая аппаратура WDM/DWDM позволяет объединять в одном оптическом волокне до 40 и более оптических каналов, а некоторые промышленные системы DWDM позволяют объединять до 128-160 каналов.

Технологии DWDM, в отличие от WDM (в которой обычно используются окна про­зрачности 1310 и 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм) присущи две важные особенности:

• использование только одного окна прозрачности 1550 нм в пределах области длин волн (1530...1560 нм) усиления оптических волокон, легированных эрбием;

• малые интервалы по длине волны Δλ между мультиплексируемыми каналами, обычно равные 3,2/1,6/0,8 или 0,4 нм.

Мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов (до 32 и более) со строго определенными длинами волн и обеспечивают возможность мультиплексирования (демультиплексирования) одновременно как всех каналов, так и для ввода/вывода одного или нескольких каналов из общего оптического потока с большим числом каналов. Выходные оптические интерфейсы (порты) демультиплексора DWDM закреплены за определенными длинами волн, поэтому говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малой разницы в длине волн каналов и необходимо­сти работы с большим числом каналов одновременно, мультиплексоры DWDM требуют существенно большей прецизионности в изготовлении по сравнению с мультиплексорами WDM. Все это приводит к более высокой стоимости аппаратуры DWDM по сравнению WDM. Структурная схема системы DWDM (рисунок 8.9) включает следующие основные блоки: транспондеры (приемопередатчики), оптические мультиплексоры/демульти-плексоры MUX/DEMUX, усилители (в составе аппаратуры DWDM), линейные усилители и стабиль­ные источники.

Рисунок 8.9 − Структура системы DWDM: ОУ – оптический усилитель; MUX – оптический мультиплексор; DEMUX – оптический демультиплексор; ТП − транспондер

В системах WDM/DWDM применяются вполне определенные диапазоны длин волн оптического излучения в пределах, рекомендованных МСЭ-Т (таблица 8.1). Системы WDM с шагом каналов по час­тоте более 200 ГГц позволяют мультиплексировать не более 16 каналов. Системы DWDM с шагом каналов по частоте, равным 100 ГГц, позволяют мультиплексировать не более 64 каналов. Систе­мы HDWDM с шагом каналов по частоте менее 50 ГГц позволяют мультиплексировать более 64 каналов.

Основным параметром в технологии DWDM является интервал в длинах волн оптического излучения соседних каналов. Стандартизация пространственного распределения оптических каналов является основой для возможности тестирования на взаимную совместимость оборудования разных производителей. В Рекомендации G.692 ITU-T определен частотный план систем DWDM с разнесением частот между соседними каналами 100 ГГц, что соответствует интервалу по длине волны Δλ ≈ 0,8 нм (таблице 6.4). Продолжает обсуждаться возможность принятия частотного плана с еще меньшим частотным интервалом 50 ГГц (Δλ ≈ 0,4 нм).

Таблица 8.1 − Спектральные диапазоны длин волн для одномодового оптического волокна

Обозначение диапазона	Наименование диапазона	Диапазон длин волн, нм
O	Основной	1260-1360
E	Расширенный	1360-1460
S	Коротковолновой	1460-1530
C	Стандартный	1530-1565
L	Длинноволновой	1565-1625
U	Сверхдлинноволновой	1625-1675

В таблице 8.2 показаны сетки частотного плана с разной степенью разнесения частот между каналами, начиная от 100 ГГц. Все сетки кроме одной 400/500 имеют равноудален­ные по оптической несущей частоте каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других уст­ройств полностью оптической сети, а также облегчает возможность ее дальнейшего наращивания. Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от типа используемых волоконно-оптических усилителей на основе кварца, легированного эрбием EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier), скорости передачи в каналах − STM-16 (2,4 Гбит/с). STM-64 (10 Гбит/с) или STM-256 (40 Гбит/с) и влияния нелинейных эффектов в волокне оптического усилителя.

Более плотная, пока еще не стандартизированная сетка частотного плана, с интервалом в 50 ГГц позволяет эффективнее использовать спектральный диапазон длин волн 1540...1560 нм, в котором работают стандартные оптические усилители EDFA. Однако, во-первых, с уменьшением межканальных интервалов растет влияние эффекта четырехволнового смешения в волокне оптического усилителя, что ограничивает максимальную длину регенерационного участка линии. Во-вторых, при уменьшении межканального интервала по длине волны до значения примерно 0,4 нм начинают проявляться ограничения по мультиплексированию каналов более высокого уровня, например, STM-64 (рисунок 8.10). Видно, что мультиплексирование каналов уровня STM-64, имеющих частотный интервал 50 ГГц, не допустимо из-за перекрытия спектров соседних каналов. Кроме того, частотный интервал в 50 ГГц накладывает более жесткие требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам аппаратуры систем DWDведет к увеличению ее стоимости.

Рисунок 8.10 − Спектральное размещение каналов разного уровня в оптическом волокне

Понимание того, какие ограничения и преимущества имеет каждый частотный план, позволяет при планировании развития и наращивании пропускной способности сети сознательно подходить к выбору аппаратуры DWDM и избежать значительных трудностей и излишних капитальных затрат при построении магистральных транспортных сетей на основе такой технологии.

В настоящее время ведутся работы по созданию надежных оптических усилителей EDFA, обеспечивающих большую линейность коэффициента усиления (во всей спектральной области 1530... 1560 нм). С увеличением рабочей области оптических усилителей EDFA становится возможным мультиплексирование 40 каналов STM-64 с частотным интервалом 100 ГГц общей емкостью полосы 400 ГГц в расчете на одно оптическое волокно.

Таблица 8.2 − Частотный канальный план ITU-T для систем DWDM

Частота оптической несущей, ТГц	Частотный интервал, ГГц							Длинна волны, нм
	100	200	400	400/500	600	1000
196,1	*	*					1528,77
196,0	*						1529,55
195,9	*	*					1530,33
195,8	*						1531,12
195,7	*	*					1531,90
195,6	*						1532,68
195,5	*	*			*	*	1533,47
195,4	*						1534,25
195,3	*	*		*			1535,04
195,2	*						1535,82
195,1	*	*					1536,61
195,0	*						1537,40
194.9	*	*			*		1538,19
194,8	*			*			1538,98
194,7	*	*					1539,77
194,6	*						1540,56
194,5	*	*				*	1541,35
194,4	*						1542,14
194,3	*	*		*	*		1542,94
194,2	*						1543,73
194,1	*	*					1544,53
194,0	*						1545,32
193,9	*	*	*	*			1546,12
193,8	*						1546,92
193,7	*	*	*		*		1547,72
193,6	*						1548,51
193,5	*	*	*			*	1549,32
193,4	*			*			1550,12
193,3	*	*	*				1550,92
193,2	*						1551,72
193,1	*	*	*		*		1552,52
193,0	*			*			1553,33
192,9	*	*	*				1554,13
192,8	*						1554,94
192,7	*	*	*				1555,75
192,6	*						1556,55
192,5	*	*	*	*	*	*	1557,36
194,4	*						1558,17
192,3	*	*	*				1558,98
192,2	*						1559,79
192,1	*	*		*			1560.61