11

Технологии оптического мультиплексирования  WDM и DWDM

Введение

Мультиплексирование с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM), называемое также волновым мультиплексированием или спектральным уплотнением, напоминает хорошо известное мультиплексирование с частотным разделением каналов, но только выполняемое в оптической среде передачи. Главное достоинство технологии WDM заключается в том, что она позволяет существенно увеличить скорость передачи данных. Развитием этой технологии стало "плотное" WDM (dense WDM, DWDM).

  Причины появления технологии WDM

Рост объема передаваемых данных постепенно привел к исчерпанию пропускной способности существующих волоконно-оптических каналов, со всей остротой поставив вопрос ее увеличения. Его можно решить тремя способами: проложив новый кабель, перейдя к более производительной аппаратуре временного мультиплексирования или применив WDM.

Недостатки первого способа очевидны. Реализация второго способа тоже связана с рядом трудностей. Во-первых, при типичных для современных сетей скоростях существенную роль начинает дисперсия. Для компенсации дисперсии необходимо формировать канал волоконно-оптическими кабелями с дисперсией противоположного знака. Во-вторых, с ростом скорости передачи усиливается значимость затухания сигнального поля. Чтобы обеспечить достаточную мощность принимаемого сигнала, необходимо устанавливать дополнительные усилители и регенераторы.

Таким образом, для перехода к канальным скоростям 10 Гбит/с и более необходимо устранить ограничения, обусловленные искажениями сигнала в волокне и техническими возможностями аппаратуры. Устранение перечисленных проблем в рамках технологии временного мультиплексирования оказалось малоперспективным.

Совершенно иные возможности открывает технология WDM, позволяющую заметно повысить эффективность использования пропускной способности, имеющейся у оптического волокна.

Как известно, кварцевые оптические волокна имеют три окна прозрачности: вблизи длин волн 850, 1300 и 1550 нм. Для работы магистральных каналов используются только второе и третье окна прозрачности (1300 и 1550 нм), характеризующиеся минимальной дисперсией и минимальным затуханием сигналов. Спектральная ширина каждого из этих окон прозрачности составляет 200 нм, что в сумме приблизительно эквивалентно частотному интервалу в 60 ТГц.

При оценке пропускной способности волоконно-оптического канала обычно принимается, что на каждый 1 Гбит/с требуется полоса пропускания 2 ГГц. При таком подходе 60 ТГц становятся эквивалентными пропускной способности 30 Тбит/с, однако подобная оценка не учитывает ограничения приемо-передающей аппаратуры, которая формирует канал передачи данных. Например, если время срабатывания фотоприемника равно 1 нс, то скорость передачи трафика по каналу не может превышать 1 Гбит/с, какой бы широкой ни была полоса пропускания волокна. Пропускная способность канала определяется такими характеристиками, как максимально достижимая скорость модуляции передатчика и частотная характеристика фотоприемника. В этой связи скорость передачи в современных каналах связи составляет около 2,4 Гбит/с, и лишь в отдельных случаях - 10 Гбит/с. Это означает, что из 60 ТГц потенциальной полосы пропускания канала на практике используется не более 20 ГГц. Если же разделить общую полосу пропускания на множество частотных каналов, скорость передачи каждого из которых сохранится на прежнем уровне, то объем данных, передаваемых по волокну в единицу времени, увеличится. Именно этот подход реализован в технологии WDM.

Схемы реализации мультиплексоров wdm

Первые мультиплексоры класса WDM использовались для мультиплексирования двух несущих: 1310 нм и 1550 нм, расстояние между которыми 240 нм было настолько большим, что при реализации не требовало специальных фильтров для их разделения. Первоначально технологии, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов) при использовании традиционной дискретной оптики не давали результатов лучше, чем следующие:

         разнос каналов – 20-30 нм,

         переходное затухание между каналами – 20 дБ,

         уровень вносимых потерь – 2-4 дБ.

Это позволило формировать не более 4 каналов во 2-м окне прозрачности в 1987-90 годах. В 1996-1998 годах произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обусловленный, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологиям, с другой – миниатюризацией и улучшением качества изготовления элементов традиционной дискретной оптики.

В настоящее время используются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования). Две из них на основе интегральной оптики: одна использует выделение несущих на основе дифракционной решетки на массиве волноводов – AWG (Arrayed Waveguide Grating) и вторая на основе вогнутой дифракционной решетки – CG (Concave Grating). В третьей технологии применяется традиционная миниатюрная (на новом уровне технологии) дискретная оптика, использующая выделение каналов на основе технологии трехмерного оптического мультиплексирования – 3DO (3-D Optics WDM).

В основе первой из них (см. рис. 1а) – планарный оптический многопортовый разветвитель в форме таблетки с портом входа ₀ и группой выходных портов _l⁰, ₂⁰, ... _n⁰, расположенной симметрично относительно ₀ на периферии волновода слева, и группой внутренних портов _l⁰, ₂⁰, ... _n⁰ расположенной симметрично группе выходных портов на периферии справа. Внутренние выходные порты соединены через массив световодов (играющий роль дифракционной решетки) с плоским отражающим зеркалом. Входной поток (i=1,2, ... n) подается в оптический волновод и распределяется по всем внутренним портам, откуда он распространяется по массиву световодов (с разным фазовым запаздыванием) до зеркала, отражается и подается со стороны внутренних выходных портов в тот же волновод, где происходит интерференция входной и отраженных волн. Указанное устройство напоминает, по сути, интерференционный волновой фильтр на дифракционной решетке. Размеры и форма планарного разветвителя, решетки световодов, а также расположение выходных портов, выбираются так, чтобы интерференционные максимумы освещенности располагались в районе выходных портов и соответствовали требуемой группе несущих.

Рис. 1. Схема мультиплексирования WDM на основе дифракционной решетки на массиве волноводов: а) с одним разветвителем и отражающим зеркалом, б) с входным и выходным разветвителями.

Порт входа и выходные порты могут быть разнесены, если использовать два планарных волновода (входной и выходной разветвители), как это показано на рис. 1б. Третья технология также использует классическую схему с плоской отражательной дифракционной решеткой (1), вогнутым зеркалом (2) и массивом волокон (3) (см. рис. 2), размещенных в пазах решетки с фиксированным шагом. Рассмотрим схему работы устройства в режиме демультиплексора. Мультиплексированный поток из входного волокна (А) отражается от зеркала и падает на дифракционную решетку, отражающую свет разной длины волны под разными углами. Эти дифрагированные лучи, отражаясь от зеркала, фокусируются в определенных точках, где расположены приемные порты массива волокон. Для примера показано выделение одного такого канала, пучок лучей которого фокусируется в точке В (порте выходного волокна).

Рис. 2. Схема WDM на основе трехмерного оптического мультиплексирования

Все элементы конструкции строго фиксированы в стеклянном блоке, что позволяет обеспечивать высокую точность изготовления. Рассматриваемая конструкция может быть реализована как с параболическим, так и сферическим зеркалами. Она афокальна (т.е. не имеет фокуса), так что все исходящие и входящие в волокна углы одинаковы. Оптические волокна укладываются в канавки специальной решетки. Конструкция позволяет использовать до 131 канала с шагом 1 нм или до 262 каналов с шагом 0,5 нм. Во всех указанных решениях процедура мультиплексирования предполагается обратной по отношению к рассмотренной процедуре демультиплексирования. Параметры мультиплексоров WDM, реализованных на основе указанных технологий, сведены в таблицу, приведенную ниже.

Таблица 1. Сравнение различных технологий оптического мультиплексирования.

Технология	Максимальное число каналов [нм]	Разнос каналов	Вносимые потери [дБ]	Переходное затухание [дБ]	Чувствительность к поляризации, %
I/O AWG	32	0,1 – 15	6 – 8	-5 – -29	2
I/O CG	78	1 – 4	10 – 16	-7 – -30	2 – 50
3-D Optics WDM	262	0,4 – 250	2 – 6	-30 – -55	0

Из табл. 1 видно, что технология 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.