Лекция №12 Спектральное уплотнение каналов - wdm

1. Общие положения

Спектральное уплотнение каналов (Wavelength division multiplexing, WDM, буквально мультиплексирование с разделением по длине волны) — технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.

Традиционные технологии телекоммуникаций позволяют по одному оптическому волокну передать только один сигнал. Суть же технологии спектрального, или оптического уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных сигналов SDH по одному волокну, а, следовательно, многократном увеличении пропускной способности линии связи.

Основы этой технологии были заложены в 1958, еще до появления самой волоконной оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде чем были созданы первые компоненты мультиплексных систем. Первоначально они создавались для лабораторных исследований, и лишь в 1980 году технология спектрального уплотнения WDM была предложена для телекоммуникаций. А еще через пять лет в исследовательском центре компании AT&T была реализована технология плотного спектрального уплотнения (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), когда удалось в одном оптическом волокне создать 10 каналов по 2 Gbps.

Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала (к 2009 году достигнута скорость 15,5 Тбит/с), причем она позволяет использовать уже проложенные волоконно-оптические линии. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон — для передачи в прямом и обратном направлениях).

Принцип работы систем со спектральным уплотнением

В простейшем случае каждый лазерный передатчик генерирует сигнал на определенной частоте из частотного плана. Все эти сигналы перед тем, как вводятся в оптическое волокно объединяются мультиплексором (MUX). На приемном конце сигналы аналогично разделяются демультиплексором (DEMUX). Здесь, так же как и в SDH сетях, мультиплексор является ключевым элементом.

Передаваемый по технологии WDM световой поток, состоит из различных длин волн (λ).

Рисунок12.1 – Принцип передачи сигналов в WDM

То есть по одному волокну можно передавать более сотни стандартных каналов. Так, аппаратура, используемая при построении DWDM-сети Компании ТрансТелеКом, в максимальной конфигурации позволяет задействовать до 160 длин волн.

Принципиальная схема WDM достаточно проста. Для того чтобы организовать в одном волокне несколько оптических каналов сигналы SDH «окрашивают», то есть меняют оптическую длину волны для каждого такого сигнала. «Окрашенные» сигналы смешиваются при помощи мультиплексора и передаются в оптическую линию. В конечном пункте происходит обратная операция - «окрашенные» сигналы SDH выделяются из группового сигнала и передаются потребителю.

Рисунок12.2 –Мультиплексирование – демультиплексирование сигналов в WDM

Естественно, что для того чтобы передавать по одному волокну множество волновых потоков, технология WDM обеспечена оборудованием особой точности. Так, погрешность длины волны, которую обеспечивает стандартный лазер, применяемый в телекоммуникациях, примерно в сто раз больше, чем требуется в системе WDM.

По мере прохождения по оптическому волокну сигнал постепенно затухает. Для того чтобы его усилить, используются оптические усилители. Это позволяет передавать данные на расстояния до 4000 км без перевода оптического сигнала в электрический (для сравнения, в SDH это расстояние не превышает 200 км).

Рисунок 12.3 – Система предеачи WDM

Преимущества WDM очевидны. Эта технология позволяет получить наиболее масштабный и рентабельный способ расширения полосы пропускания волоконно-оптических каналов в сотни раз. Пропускную способность оптических линий на основе систем WDM можно наращивать, постепенно добавляя по мере развития сети в уже существующее оборудование новые оптические каналы.

В общем случае схема применения технологий WDM может быть представлена так, как указано на рисунке 3.

Рисунок 12.4.

 

Типовой состав оборудования представляет собой необходимое количество оптических транспондеров, осуществляющих преобразование длин волн и оптический мультиплексор, смешивающий их все в один мультиспектральный сигнал.

Оптический транспондер – устройство, обеспечивающее интерфейс между оборудованием оконечного доступа и линией WDM. Согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических интерфейсах имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δλ≈±0.5 нм (для STM -16), а центральная длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм. На входы же оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, спектральные параметры которых, должны строго соответствовать стандартам, определённым рекомендацией ITU-T G.692. Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков SDH, то мультиплексирование осуществлено не будет. Необходимое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре WDM специального преобразователя длин волн - транспондера. Это устройство может иметь различное количество оптических входов и выходов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рекомендации G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рекомендации G.692. При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частотного плана ITU.

Оптический (де)мультиплексор CWDM. Основой мультиплексора/демультиплексора является дисперсионный элемент, способный разделить сигналы различных длин волн. В современных CWDM-системах для разделения оптических несущих применяются, как правило, относительно недорогие устройства на основе тонкопленочных фильтров (TFF, Thin Film Filter). Потери, вносимые такими устройствами, составляют около 1 дБ на канал (в реальных системах были получены величины менее 2,5 дБ для 8-канального устройства). Тонкопленочная технология характеризуется высокой развязкой (изоляцией) соседних каналов – порядка 30 дБ, высокой температурной стабильностью – 0,002 нм/°С, что эквивалентно изменению рабочей длины волны на ±0,07 нм при изменении температуры на ±35°С. Для выделения длин волн с разносом 20 нм требуются фильтры с существенно меньшим числом диэлектрических слоев, чем в случае DWDM-фильтров (примерно 50 и 150 слоев соответственно), что положительно сказывается на стоимости.

Мультиплексоры/демультиплексоры, основанные на применении многослойных тонкопленочных фильтров, являются (де)мультиплексорами последовательного типа, то есть один фильтр выделяет один канал. Использование таких устройств в системах со большим числом каналов (на практике больше 4-х) может привести к значительному росту вносимых потерь, и в этом случае иногда используют решеточные (де)мультиплексоры параллельного или гибридного параллельно-последовательного типа. Принцип их работы заключается в том, что приходящий сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, фактически представляющих собой дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). При этом в каждом волноводе по-прежнему присутствуют все длины волн, т.е. сигнал остается мультиплексным, только распараллеленным. Так как длины волноводов отличаются друг от друга на фиксированную величину, потоки проходят разный по длине путь. В итоге световые потоки собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка, и создаются пространственно разнесенные максимумы, под которые и рассчитываются выходные полюса. Физика процесса такая же, как в обычной дифракционной решетке, что и дало название технологии. Мультиплексирование происходит обратным путем.