Исследование параметров и аномалий длинной оптической линии

В настоящее время системы связи стали одной из основ развития общества. Спрос на услуги связи, от обычной телефонной связи до широкополосного доступа в Интернет, постоянно растет. Это предъявляет новые требования к современным сетям связи, их пропускной способности, надежности, гибкости. В наибольшей степени эти требования удовлетворяют сети передачи данных на основе волоконно-оптических линий связи, которые обладают огромной пропускной способностью.

Сетевые цифровые технологии развивались до последнего времени параллельно для глобальных и локальных сетей. Технологии глобальных сетей были направлены в основном на развитие цифровых телефонных сетей, используемых для передачи голоса. Технологии локальных сетей — напротив, использовались, в основном, для передачи данных. Развитие цифровых телефонных сетей шло по линии уплотнения каналов как за счет мультиплексирования низкоскоростных первичных каналов T1, так и за счет использования более рациональных методов модуляции позволивших применять для передачи голосового сигнала более низкие чем 64 кбит/с (основной цифровой канал — ОЦК) скорости: 40, 32, 24, 16, 8 и 5,6 кбит/с. Развитие схем мультиплексирования привело к возникновению трех цифровых иерархий с разными (для разных групп стран) уровнями стандартизованных скоростей передачи или каналов: DS2 или T2/E2, DS3 или Т3/Е3, DS4 или Т4/Е4. Эти иерархии, названные плезиохронными (т.е. почти синхронными) цифровыми иерархиями (PDH), широко использовались и продолжают использоваться как в цифровой телефонии, так и для передачи данных.

В 1984 году была разработана технология синхронной цифровой иерархии компанией Bellcore под названием «Синхронные оптические сети» — SONET.

Первый вариант стандарта появился в 1984 году. Затем эта технология была стандартизирована комитетом T1 ANSI. Международная стандартизация технологии проходила под эгидой Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) совместно с ANSI и ведущими телекоммуникационными компаниями Америки, Европы и Японии.

Основной целью разработчиков международного стандарта было создание такой технологии, которая позволяла бы передавать трафик всех существующих цифровых каналов (как американских T1-T3, так и европейских E1-E3) в рамках высокоскоростной магистральной сети на волоконно-оптических кабелях и обеспечила бы иерархию скоростей, продолжающую иерархию технологии PDH, до скорости в несколько гигабит в секунду.

В результате длительной работы удалось разработать международный стандарт Synchronous Digital Hierarchy, SDH (спецификации G.707-G.709), а также доработать стандарты SONET таким образом, что аппаратура и стеки SDH и SONET стали совместимыми и могут мультиплексировать входные потоки практически любого стандарта PDH — как американского, так и европейского. В терминологии и начальной скорости технологии SDH и SONET остались расхождения, но это не мешает совместимости аппаратуры разных производителей, а технология SONET/SDH фактически стала считаться единой.

В основе данных технологий заложен метод временного разделения информационных потоков (TDM — time division multiplexing) с формированием синхронных транспортных модулей STM-N (N=1, 4, 16, 64, 256) со скоростями передачи информации соответственно: STM-1 — 155 Мбит/с, STM-4 — 622 Мбит/с, STM-16 — 2,5 Гбит/с, STM-64 — 10 Гбит/с, STM-256 — 40 Гбит/с. Эта технология предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных потоков в один составной высокоскоростной канал (агрегатный поток). Использование технологии TDM позволило увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи до 10 Гбит/с (STM-64).

Бурное развитие интернета и информационных технологий потребовало внедрения широкополосных систем и, как следствие, модернизации систем TDM. Вначале процесс развития пошел по экстенсивному пути за счет наращивания скорости передачи: STM-1, STM-4, STM-16, STM-64. Однако вскоре выяснилось, что этот путь является тупиковым, прежде всего по техническим соображениям: крайне сложная и дорогая модуляция передающих лазеров, девиация их частоты излучения, уменьшение соотношения сигнал-шум, усиление влияния дисперсии на таких скоростях. Разрешить противоречия помогло свойство оптического волокна: возможность передачи информации на нескольких длинах волн одновременно. С технической точки зрения прорыв был связан с созданием усилителей сигналов на основе оптического волокна, легированного эрбием (EDFA).

Этот новый способ передачи информации по оптическому волокну получил название «технология волнового мультиплексирования оптических каналов» (wavelength division multiplexing — WDM), или «технология спектрального уплотнения каналов». В технологии WDM нет многих ограничений и трудностей, свойственных технологии TDM. Для повышения пропускной способности линии связи вместо увеличения скорости передачи в оптическом канале, как это делается в системах TDM, системы WDM позволяют увеличить число каналов (в данном случае — длин волн), применяемых в системах передачи. При этом в определенных случаях технология WDM позволяет увеличить пропускную способность существующей сети без дорогостоящей замены оптического кабеля и оборудования. Работать с несколькими каналами в одном волокне намного удобнее, чем с несколькими волокнами, так как для обработки любого числа каналов в волокне требуется лишь один мультиплексор WDM, один демультиплексор WDM и соответствующее расстоянию число оптических усилителей.

В данном дипломном проекте рассматриваются основные аспекты применения технологии DWDM на уже существующем участке сети большой протяженности. При этом особое внимание уделяется анализу параметров ВОЛС и аномалий, возникающих в процессе эксплуатации сети, их влияния на передаваемый сигнал, а также методам их обнаружения и контроля.

1. Общие сведения об исследуемом участке

В данном разделе приведены общие сведения об исследуемом участке сети Иркутск — Чита и его технические спецификации (характеристики кабеля и оборудования), а также основные принципы технологии волнового мультиплексирования.

1.1 Характеристика трассы

Для исследования в данном дипломном проекте был выбран участок оптической сети Иркутск — Чита протяженностью 1009 км, построенный средствами ЗАО «Компания ТрансТелеКом» с использованием технологии DWDM. Он пролегает вдоль железнодорожной линии Иркутск — Улан-Удэ — Чита, входящей в состав Транссибирской магистрали. Схема трассы участка приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Схема участка Иркутск — Чита Участок сети проходит по территориям Иркутской и Читинской областей, а также республики Бурятия (более подробная характеристика трассы приведена в таблице 1.1). В этих районах господствует резко-континентальный климат, который характеризуется большими амплитудами колебаний температур (как годовых, так и суточных), продолжительными холодными зимами и жаркими, но короткими, летними месяцами при небольшом среднегодовом объеме осадков.

Среднегодовая температура вдоль всего участка сети составляет -1,5°С. Безморозный период длится в среднем 80−140 дней. При этом зимой морозы могут достигать отметки в -45°C, а летом жара поднимается до +40°C. Такие колебания сильно сказываются на состоянии воздушных линий ВОЛC.

Свой вклад в формирование климата вносит и озеро Байкал. На протяжении более чем 200 км ВОЛС пролегает практически вдоль береговой линии. Зима здесь бывает мягче, а лето — прохладнее. Наступление весны задерживается на 10−15 дней по сравнению с прилегающими районами, а осень часто бывает довольно продолжительная. В юго-восточной части Байкала в течение года устойчиво дуют сильные ветры, в осенний период достигающие скорости 8−10 м/с. В сочетании с повышенной влажностью, этот район может оказывать значительное влияние на параметры ВОЛС.

Таблица 1.1 — Общая характеристика трассы Иркутск — Чита

Район Байкала (т.н. Байкальская рифтовая зона) относится к территориям с высокой сейсмичностью: здесь регулярно происходят землетрясения, сила большей части которых составляет один-два балла по шкале интенсивности MSK-64. Последние сильные землетрясения в районе Улан-Удэ и Иркутска происходили в августе 2008 года (9 баллов) и в феврале 2010 года (6,1 балла). Сейсмоактивность также оказывает негативное влияние на параметры ВОЛС.

1.2 Анализ технических параметров участка

На всей сети «ТрансТелеКом» используется оборудование китайской фирмы «Huawei Technologies». На участке Иркутск — Чита эксплуатируется система Huawei OptiX BWS 1600G.

Optix BWS 1600G — разновидность оборудования DWDM большой емкости для магистральных каналов. Модульная конструкция, поддержка разнообразных конфигураций и гибкие возможности резервирования позволяют системе OptiX BWS 1600G занимать ведущую роль на рынке оборудования для оптических сетей передачи. Система разработана на основе развитых и усовершенствованных технологий, и нашла свое применение во многих магистральных транспортных сетях национального и междугородного уровней. Благодаря модульному дизайну, система OptiX BWS 1600G может с легкостью перейти от использования 40 длин волн к 80, 120, 160 длинам волн. При расширении системы отсутствует необходимость отключать оборудование или прерывать предоставление услуг. Необходимо всего лишь установить новые аппаратные средства или новый узел. В типичной конфигурации с резервированием даже добавление узла OADM не окажет влияние на работу системы.

Двунаправленная передача осуществляется по двум оптическим волокнам: одно оптоволокно используется для передачи, а другое для приема. Использование мультиплексоров/демультиплексоров AWG-типа, эрбиевых волоконно-оптических усилителей, усилителей Рамана, источников сигналов со стабильными длинами волн, функции балансировки мощности каналов, устранение чирпирования, компенсация дисперсии, универсальная и централизованная система управления сетью — все это делает систему OptiX BWS 1600G высоконадежной с точки зрения рабочих характеристик и гибкой с точки зрения организации сети.

Система управления сетью передачи NMS T2000 (NMS — network management system), разработанная компанией Huawei, поддерживает сквозное управление каналами (длинами волн), статистический анализ ресурсов длин волн, управление аварийной сигнализацией, управление рабочими характеристиками и техническим обслуживанием оборудования и т. д.

Технические характеристики системы приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 — Технические характеристики системы DWDM OptiX BWS 1600G

Терминальные мультиплексоры/демультиплексоры расположены на станциях Иркутск-Пасс. и Чита-II. Ввод/вывод потоков предусмотрен на станциях Слюдянка-I, Байкальск, Тимлюй, Улан-Удэ, Петровский Завод и Хилок. На станции Улан-Удэ также размещен регенератор.

Оптический тракт построен с помощью кабеля марки ДПТа-Э-24-Н производства пермской фирмы ООО «Инкаб». Используемое оптическое волокно — NZDSF Corning LEAF (в соответствии с рек. МСЭ-Т G.655). Кабель проложен методом подвеса на опорах контактной сети ЖД. Конструкция кабеля показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 — Конструкция оптического кабеля марки ДПТа-Э Характеристики кабеля приведены в таблице 1.3, характеристики волокна — в таблице 1.4.

Таблица 1.3 — Характеристики оптического кабеля марки ДПТа-Э-24-Н

Таблица 1.4 — Характеристики оптического волокна Corning LEAF

1.3 Основные принципы технологии DWDM

Исторически первыми возникли двухволновые WDM-системы, работающие на центральных длинах волн из второго и третьего окон прозрачности кварцевого волокна (1310 и 1550 нм). Главным достоинством таких систем является то, что из-за большого спектрального разноса полностью отсутствует влияние каналов друг на друга. Этот способ позволяет либо удвоить скорость передачи по одному оптическому волокну, либо организовать дуплексную связь.

Современные WDM-системы на основе стандартного частотного плана (ITU-T Rec. G.692) можно подразделить на три группы:

грубые WDM (Coarse WDM — CWDM) системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 18 каналов (работают в полосе от 1270 нм до 1610 нм);

плотные WDM (Dense WDM — DWDM) системы с разносом каналов не менее 100 ГГц. Плотное спектральное мультиплексирование позволяет одновременно передавать по одному оптическому волокну до 160 независимых информационных каналов на различных оптических несущих (длинах волн);

высокоплотные WDM (High Dense WDM — HDWDM) системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов.

Частотный план для DWDM-систем определяется стандартом ITU G.694.1. Согласно рекомендациям ITU в DWDM системах используются «C» (1525…1565 нм) и «L» (1570…1610 нм) окна прозрачности. В каждый диапазон попадают по 80 каналов с шагом 0.8 нм (100 ГГц). Обычно используется только C-диапазон, поскольку количество каналов, которые можно организовать в этом диапазоне итак хватает с избытком, к тому же затухание в волокне стандарта G.652 в С-диапазоне несколько ниже, чем в L-диапазоне.

На рисунке 1.3 изображен диапазон частот, применяемых в системе WDM.

Рисунок 1.3 — Диапазон частот системы WDM

Принципиальная схема DWDM достаточно проста. Сигналы разных длин волн, генерируемые одним или несколькими оптическими передатчиками, объединяются мультиплексором в многоканальный составной оптический сигнал, который далее распространяется по оптическому волокну. При больших расстояниях передачи на линии связи устанавливается один или несколько оптических повторителей. Демультиплексор принимает составной сигнал, выделяет из него исходные каналы разных длин волн и направляет их на соответствующие фотоприемники. На промежуточных узлах некоторые каналы могут быть добавлены или выделены из составного сигнала посредством мультиплексоров ввода/вывода или устройств кросс-коммутации.

Типовая структурная схема DWDM приведена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 — Типовая структурная схема DWDM

Главное достоинство технологии DWDM заключается в том, что она позволяет преодолеть ограничения на пропускную способность канала и существенно увеличить скорость передачи данных. Причем используются уже проложенный волоконно-оптический кабель и стандартная аппаратура временного мультиплексирования, а увеличивать скорость передачи по отдельному каналу выше 10 Гбит/с не требуется. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон — для передачи в прямом и обратном направлениях).

Существенно и то, что в сетях SONET/SDH появилась возможность выбирать для отдельного канала значение скорости (уровень иерархии), не зависящее от скорости других каналов, и затем использовать разные методы передачи. Наконец, распространению DWDM способствуют последние технологические достижения: создание узкополосных полупроводниковых лазеров, имеющих ширину спектра излучения менее 0,1 нм, широкополосных оптических усилителей и оптических фильтров для разделения близких каналов.

Технология WDM является универсальным решением проблемы увеличения пропускной способности. Между тем, ее применение тормозится рядом факторов как экономического, так и чисто технического характера.

Если говорить об экономической стороне, то внедрение DWDM в местных сетях сдерживается высокой стоимостью соответствующей аппаратуры, особенно передающих устройств, и сложностью коммутации трафика. Вместе с тем исследования показывают, что решения на базе DWDM могут оказаться экономически эффективными и в сетях меньшего масштаба. Для этого, в частности, в них должны применяться недорогие мультиплексоры ввода/вывода, устанавливаемые в местах сопряжения местных и опорных сетей.

Фактор высокой стоимости аппаратуры оказывается еще более существенным для реализации технологии DWDM. При использовании близких частот требуются узкополосные полупроводниковые лазеры с высокой стабильностью длины волны генерируемого излучения, которые являются наиболее дорогим элементом DWDM-систем, сдерживающим распространение последних.

Среди технических проблем следует упомянуть значительные потери мощности сигналов в мультиплексорах/демультиплексорах, несовпадение, во многих случаях, рабочих длин волн WDM-оборудования и устройств временного мультиплексирования, необходимость повышения производительности узлов коммутации, усложнение управления сетью из-за различий в технологиях передачи данных по мультиплексируемым каналам, отсутствие промышленных стандартов. Наконец, не последнее место в этом перечне занимают нелинейные явления, которые при одновременной передаче на нескольких несущих способны приводить не только к ослаблению и искажению сигнала, но и к его проникновению в другие каналы.

2. Организация передачи данных по ВОЛС применительно к технологии DWDM

В данном разделе подробно описана организация передачи данных по ВОЛС применительно к технологии DWDM. Здесь определены специфики технических требований к сети DWDM, описаны технологические решения, применяемые в сетевом оборудовании, рассмотрены характеристики различных типов одномодовых оптических волокон и аспекты применения помехоустойчивого кодирования.

2.1 Специфика технических требований к сети DWDM

Основное требование к компонентам систем DWDM состоит в том, что они должны одинаково обрабатывать все каналы на всем протяжении оптического пути линии связи. Для этого требуется тщательный выбор оптических передатчиков, мультиплексоров, усилителей и волокна.

Все оптические характеристики пассивных и активных компонентов сети — вносимые потери, потери на отражение, дисперсия, поляризационные эффекты и т. д. должны измеряться как функция длины волны во всем диапазоне длин волн, используемом для передачи в системе DWDM. В системах DWDM часто используют значительно более сложные устройства, чем в системах с одной рабочей длиной волны, и проводить тестирование характеристик таких устройств намного сложнее. В мультиплексорах и узкополосных фильтрах систем DWDM используются тонкопленочные фильтры, сварные биконические разветвители BFT (Fused Biconic Tapered Coupler), решетки на основе массива волноводов AWG (Array Waveguide Grating), волоконные брэгговские и обычные дифракционные решетки. Необходимо исследовать влияние активных компонентов (в особенности, оптических усилителей) и взаимной интерференции каналов на целостность передаваемых сигналов для минимизации потенциальной возможности их неблагоприятного воздействия.

Несмотря на то, что все материалы и компоненты при производстве тестируются на соответствие стандартам, возможно ухудшение их характеристик при непосредственной установке в полевых условиях. При объединении отдельных компонентов в единую систему, небольшие различия их характеристик могут накапливаться и непредсказуемым образом влиять на параметры сети в целом. Для обеспечения гарантированной надежности сети, необходимо выполнять тестирование не только каждого компонента в отдельности, но и всей системы в целом.

Тестирование компонентов может вызвать много сложностей. Разница длин волн соседних каналов в системах DWDM очень мала, и параметры многих компонентов (например, мультиплексоров) должны строго соответствовать пределам допустимых отклонений. При большом числе каналов используемый спектральный диапазон становится достаточно широким, и поддержание близких значений параметров для всех каналов (коэффициента усиления, дисперсии, уровня вносимых шумов и т. д.) становится достаточно сложной задачей.

Для того чтобы компоненты систем WDM были взаимозаменяемы и могли взаимодействовать между собой, в системах WDM необходимо использовать стандартный набор частот генерации лазеров. Всеми вопросами, связанными со стандартизацией систем WDM занимается международный орган стандартизации — сектор стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи ITU-T (International Telecommunications Union, ITU) в рамках исследовательской группы SG15 по транспортным сетям, системам и оборудованию (Study Group 15 on Transport Networks, Systems and Equipment). Спецификации ITU-T G.692 по оптическим интерфейсам для многоканальных систем с оптическими усилителями определяет стандартный набор частот — частотный план систем WDM.

Частотный план ITU — это набор стандартных частот на основе базовой частоты 193 100 ГГц. Стандартные частоты располагаются выше и ниже этой частоты с частотным интервалом в 50−100 ГГц.

2.2 Технологии мультиплексирования

Каждый лазерный передатчик в системе WDM выдает сигнал на одной из заданных частот. Все эти сигналы (каналы) необходимо мультиплексировать (объединить друг с другом) в единый составной сигнал. Устройство, которое выполняет эту функцию, называется оптическим мультиплексором MUX (или OM). Аналогичное устройство на другом конце линии связи разделяет составной сигнал на отдельные каналы и называется оптическим демультиплексором DEMUX (или OD). В отличие от систем TDM, в которых подобные операции уплотнения каналов происходят во временной области, и основное внимание уделяется точности синхронизации приемника и передатчика, в системах WDM мультиплексированию и демультиплексированию подвергаются спектральные компоненты отдельных сигналов, характеристики которых всегда известны заранее.

На рисунке 2.1 схематично показаны WDM-мультиплексор и демультиплексор.

Рисунок 2.1 — Мультиплексор и демультиплексор Современные оптические мультиплексоры создаются преимущественно на основе тонкопленочных фильтров и, немного реже — на матрицах волноводных дифракционных решеток и волоконных брэгговских решетках. При дальнейшем увеличении плотности размещения каналов в системах DWDM и ужесточении требований к оптическим устройствам MUX/DEMUX, по-видимому, будет меняться и спектр используемых технологий.

Тонкопленочный фильтр состоит из нескольких слоев прозрачного диэлектрического материала с различными показателями преломления, нанесенных последовательно друг за другом на оптическую подложку. На каждой границе раздела между слоями из-за различия их показателей преломления часть падающего светового пучка отражается обратно. Этот отраженный свет усиливает или подавляет падающий (отраженная волна интерферирует с падающей) в зависимости от длины волны. Надлежащим образом подобрав показатель преломления и толщину каждого слоя, можно получить фильтр, который будет пропускать любой заданный диапазон длин волн и отражать все остальные.

На рисунке 2.2 схематично показан принцип работы тонкопленочного фильтра. I1 — падающая волна; I2 — отраженная; I3 — прошедшая.

Рисунок 2.2 — Принцип работы тонкопленочного фильтра Выбор диэлектрических материалов ограничен, так как многие материалы с хорошими оптическими свойствами имеют физические качества, далекие от требуемых. В общем случае, чем жестче требования к фильтру, тем большее число слоев необходимо нанести на подложку. Несмотря на имеющиеся сложности, эта технология позволяет, незначительно изменяя процесс производства, создавать недорогие фильтры с различными специальными спектральными свойствами.

В мультиплексорах и демультиплексорах обычно используются одноступенчатые тонкопленочные фильтры, каждый из которых выделяет из составного сигнала (или добавляет в него) один канал. Фильтры расположены под наклоном к оптической оси, чтобы отраженный свет не попадал обратно в систему. Наклонное расположение фильтров изменяет эффективную толщину слоев и меняет таким образом полосу пропускания, что необходимо учитывать при проектировании фильтров. Для обработки многоволновых сигналов используют многоступенчатые системы фильтров, в которых свет, отраженный от каждого фильтра, попадает на вход следующего фильтра, что придает исключительную важность вопросу их выравнивания (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 — Многоступенчатая система тонкопленочных фильтров для демультиплексирования составного сигнала Тонкопленочные фильтры имеют достаточно узкую полосу пропускания и используются в системах WDM с 16-ю или 32-мя каналами. В современных системах с более плотным расположением каналов используют другие технологии.

Волоконная брэгговская решетка — это, по сути, оптический интерферометр, встроенный в волокно. Волокно, легированное некоторыми веществами (обычно германием), может изменять свой показатель преломления под воздействием ультрафиолетового света. Если облучить такое волокно ультрафиолетовым излучением с определенной пространственной периодической структурой, то волокно превращается в своего рода дифракционную решетку. Другими словами, это волокно будет практически полностью отражать свет определенного, наперед заданного диапазона длин волн, и пропускать свет всех остальных длин волн, как показано на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 — Волоконная брэгговская решетка выделяет из составного сигнала канал определенной длины волны Центральная длина волны фильтра на основе регулярной волоконной брэгговской решетки определяется ее периодом, полоса пропускания обратно пропорциональна ее длине. Оба этих параметра зависят от температуры, поэтому такие фильтры должны быть помещены в термостат или другое устройство, контролирующее температуру.

Волоконная брэгговская решетка может использоваться как оптический фильтр в устройствах мультиплексирования и демультиплексирования, как компенсатор хроматической дисперсии, или в комбинации с циркуляторами в мультиплексорах ввода/вывода каналов.

В мультиплексорах ввода/вывода каналов волоконная брэгговская решетка может использоваться вместе с двумя циркуляторами. Со стороны порта вывода канала циркулятор выделяет отраженную волну и направляет ее в порт вывода (рисунок 2.5, слева). Со стороны порта ввода циркулятор добавляет в передаваемый составной сигнал один канал на той же длине волны, что была выделена (рисунок 2.5, справа). Такие устройства часто используются на границе между магистральным каналом и сетью городского или регионального масштаба.

Волоконные брэгговские решетки в последнее время также стали использоваться в устройствах мультиплексирования/демультиплексирования вместе с интерферометрами типа Маха-Цендера и в комбинации с другими типами фильтров.

Рисунок 2.5 — Использование волоконных брэгговских решеток в мультиплексорах ввода/вывода каналов Наряду с мультиплексорами и демультиплексорами, рассмотренная технология узкополосной фильтрации оптических каналов также используется для выравнивания спектра сигнала перед усилителями EDFA, для стабилизации длины волны и в волновых стабилизаторах.

Дифракционные решетки. Наиболее распространенные в оптике обычные дифракционные решетки отражают световой пучок под разными углами в плоскости падения, причем угол, в которых отраженный свет достигает максимальной интенсивности, зависит от длины волны. В дифракционных решетках используется тот же физический принцип, что и в тонкопленочных фильтрах — подавление или усиление света за счет интерференции падающих и отраженных волн (рисунок 2.6).

Представим, что в падающем свете присутствует излучение разных длин волн. Можно выбрать угол падения таким образом, что волны определенной длины при отражении от отдельных линий решетки будут отличаться по фазе друг от друга ровно на одну длину волны. В этом случае все отраженные волны будут усиливать друг друга. Такой угол будет углом максимального пропускания для заданной длины волны падающего света.

В устройствах мультиплексирования и демультиплексирования дифракционные решетки располагаются на пути света таким образом, чтобы сигнал нужной длины волны мог быть выделен из составного сигнала или добавлен в него. Хотя устройства на основе дифракционных решеток дороги и сложны в производстве, вносимые ими потери практически не зависят от числа каналов, что делает эту технологию одной из наиболее привлекательных для использования в системах с большим числом каналов. Однако при этом требуется тщательно контролировать поляризацию падающего оптического излучения.

Рисунок 2.6 — Отражение составного сигнала дифракционной решеткой Интегральные оптические устройства мультиплексирования и демультиплексирования — это оптический эквивалент интегральных схем в электронике. Оптические волноводы в несколько слоев помещаются на подложку из кремния или ниобата лития. В таком небольшом блоке содержится множество оптических компонентов, взаимосвязанных друг с другом. При использовании современного полностью автоматизированного оборудования возможно массовое производство таких блоков.

Интегральная оптика — относительно новая технология. Для того чтобы полностью использовать ее потенциал, требуются дальнейшие научные исследования и конструкторские разработки. В настоящее время интегральная оптика используется при производстве оптических разветвителей, коммутаторов, модуляторов, эрбиевых и легированных различными редкоземельными элементами волноводных усилителей, брэгговских решеток и других компонентов систем DWDM.

Интегральная оптика успешно применяется для создания решеток на основе массива планарных волноводов (более 100) различной длины между двумя планарными линзами смесителями AWG (Arrayed Waveguide Gratings). Принцип работы такой решетки показан на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 — Решетка на основе массива волноводов AWG — принцип работы Входной сигнал, который содержит излучение разных длин волн, попадает во входной разветвитель. Там он расщепляется на N оптических лучей, каждый из которых попадает в отдельный волноводный канал. Все N волноводных каналов, образующих волноводную матрицу, имеют разную длину и вносят в сигнал разные фазовые сдвиги, зависящие от длины волны. После этого световые пучки из отдельных волноводных каналов вновь объединяются в выходном разветвителе и интерферируют таким образом, что излучение разных длин волн попадает в разные выходные волноводы.

Решетки на основе массива волноводов AWG используются для того, чтобы перераспределять сигналы различных длин волн (каналы) между двумя наборами волокон (рисунок 2.7) или выделить (демультиплексировать) отдельные каналы составного сигнала в отдельные волокна. Эта технология сейчас становится основной для производителей мультиплексоров и демультиплексоров систем DWDM. Благодаря легко масштабируемой структуре, она может широко применяться в системах с сотнями каналов.

Сварные биконические разветвители. Простейший биконический разветвитель FBT (Fused Biconic Tapered) представляет собой пару одномодовых оптических волокон, на определенном участке сваренных друг с другом по длине. Основная мода волокна, которая распространяется по сердцевине одного из оптических волокон, при прохождении области сварки преобразуется в моды оболочки. Когда волокна снова разделяются, моды оболочки снова преобразуются в моды волокна, распространяющиеся по сердцевине каждого из выходных волокон. В результате получается разветвитель, практически не вносящий потерь. Выходные сигналы не обязательно имеют равную мощность, соотношение их мощностей определяется интерференцией в области сварки волокон и зависит от длины этой области.

Если два таких разветвителя расположены последовательно (рисунок 2.8), и два рукава имеют разные оптические пути между местами сварки, то такая комбинация действует подобно интерферометру Маха-Цендера. Мощность входного сигнала распределяется между выходными волноводами в зависимости от длины волны с определенной периодичностью. Если составной входной сигнал содержит оптические каналы двух различных длин волн, то при определенном подборе параметров эти каналы на выходе окажутся в разных выходных волокнах. Второе входное волокно не используется.

Если на вход поступает составной сигнал, который содержит большое количество каналов на разных частотах (с одинаковыми расстояниями между ними), на выходе в каждом волокне будет по половине каналов с расстоянием между частотами в два раза больше. Используя последовательно несколько разветвителей, можно вывести каждый канал в отдельное волокно.

Рисунок 2.8 — Сварной биконический разветвитель FBT — принцип работы Массивы таких устройств, отдельные секции которых иногда заменены брэгговскими решетками, используются для выделения каналов определенной частоты из многоканальных систем WDM и DWDM или для добавления каналов в каком-либо узле оптической сети. Поскольку они являются полностью пассивными устройствами и имеют низкие потери, допустимо применение достаточно больших наборов таких устройств.

Существует также технология трехмерного оптического мультиплексирования (3D Optics WDM). В ней используется схема с плоской отражательной дифракционной решеткой, вогнутым зеркалом и массивом волокон (см. рисунок 2.9), размещенных в пазах решетки с фиксированным шагом. Схема работы (в режиме демультиплексора) проста: мультиплексированный поток из входного волокна (А), расходясь конусом с углом в, 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 на рисунке 2.9 показано выделение одного такого канала, конус лучей которого с тем же углом в фокусируется в точке (В) (порте выходного волокна).

Все элементы конструкции строго фиксированы в стеклянном блоке, что позволяет выдержать и сохранять высокую точность изготовления. 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.

Рисунок 2.9 — Принцип трехмерного оптического мультиплексирования Основными показателями мультиплексоров/демультиплексоров, ухудшающими качество передаваемого сигнала, являются вносимые потери на компонентах, потери на отражение и поляризационно-зависимые потери. Как правило, это известные величины, слабо изменяющиеся со временем; они описываются производителем оборудования.

2.3 Источники излучения

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных скоростях с максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550 нм;

источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излучения источника попадала в волокно с минимальными потерями;

источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;

температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения;

стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющих перечисленным требованиям, используются в настоящее время — светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD). Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами — это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как диоды имеют значительно более узкий спектр (рисунок 2.10).

В технологии DWDM из-за узкого спектра излучения используются лазерные диоды.

Четыре основных типа лазерных диодов получили наибольшее распространение: с резонатором Фабри-Перо; с распределенной обратной связью; с распределенным брэгговским отражением; с внешним резонатором.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP лазеры, Fabry-Perot). Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу.

Рисунок 2.10 — Спектры излучения светодиодов и лазерных диодов На рисунке 2.10 (в середине) показан спектр излучения промышленного лазерного диода с использованием резонатора Фабри-Перо. Как видно из рисунка, наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн. Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение двух условий. Первое, длина волны должна удовлетворять соотношению 2D = Nл, где D — диаметр резонатора Фабри-Перо, а N — некоторое целое число. Второе, длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм (рисунок 2.10, справа). В противном случае в область Дл0,5 могут попасть два или более соседних максимумов, что соответствует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до нескольких нм. FP-лазер имеет далеко не самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуется высокая скорость передачи данных, он, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения цена-эффективность.

Следует отметить, что даже в том случае, когда соседние максимумы малы, то есть где реализуется одномодовый режим излучения и Дл мало, с ростом скорости передачи у лазера наблюдается перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту — динамическому уширению спектра Дл (до 10 нм при частоте модуляции 1−2 ГГц). Этот эффект отсутствует у перечисленных трех других более совершенных типов лазерных диодов, отличающихся способом организации оптического резонатора, и являющихся в некоторой степени модернизацией простого резонатора Фабри-Перо.

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB-лазер) и с распределенным брэгговским отражением (DBR-лазер). Резонаторы у этих двух довольно схожих типов представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB-лазерах периодическая структура совмещена с активной областью (рисунок 2.11 (а)), а в DBR-лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области (рисунок 2.11 (б)). Периодическая структура влияет на условия распространения и характеристики излучения. Так, преимуществами DFB и DBR-лазеров по сравнению с FP-лазером являются: уменьшение зависимости длины волны лазера от тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически стопроцентная глубина модуляции. Температурный коэффициент Дл/ДТ для FP-лазера порядка 0,5−1 нм/°С, в то время как для DFB лазера порядка 0,07−0,09 нм/°С. Основным недостатком DFB и DBR лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

Лазерный диод с внешним резонатором (ЕС-лазер). В ЕС-лазерах один или оба торца покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. На рисунке 2.11 (в) показан пример ЕС-лазера с одним внешним резонатором. Антиотражательное покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на четыре порядка, в то время как другой торец активного слоя отражает до 30% светового потока благодаря френелевскому отражению. Зеркало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.

Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала, а также одновременно разворачивая зеркало-решетку — это эквивалентно изменению шага решетки — можно плавно изменять длину волны излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм. В силу этого, ЕС-лазеры являются незаменимыми при разработке аппаратуры волнового уплотнения и измерительной аппаратуры для ВОЛС. По характеристикам они схожи с DFB и DBR-лазерами.

Рисунок 2.11 — Три основных типа лазерных диодов Также важными характеристиками источников излучения являются: быстродействие источника излучения; деградация и время наработки на отказ.

Быстродействие источника излучения. Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции. Предварительно устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока. По мере роста частоты модуляции, т. е. при переходе на меньшие масштабы по временной шкале, форма световых фронтов становится более пологой. Для описания фронтов вводят времена нарастания фrise и спада фfall мощности излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сигнала от 0,9 до 0,1. Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать пороговые значения 0,1 и 0,9, оставаясь при этом во внутренней области. Для светодиодов эта частота может достигать до 200 МГц, а у лазерных диодов — значительно больше (несколько ГГц). Времена нарастания и спада предоставляют информацию о полосе пропускания W.

Деградация и время наработки на отказ. По мере эксплуатации оптического передатчика его характеристики постепенно ухудшаются — падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов. Лазерные диоды, выпускаемые десять лет назад, обладали значительно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надежность диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50 000 часов и более (5−8 лет).

Основной характеристикой лазерного передатчика, оказывающей сильное влияние на параметры сигнала, является мощность излучения. При достижении некоей пороговой мощности начинают особенно сильно проявляться нелинейные эффекты.

2.4 Реализация усилителей EDFA

Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна. Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетанием качеств линии связи и сети на основе систем DWDM стали экономически привлекательными.