Принципы работы волоконно-оптических систем передачи

Принципы работы волоконно-оптических систем передачи

1. Волноводное распространение

1.1 Оптические явления на границе раздела двух сред

волоконный оптический связь волновод

В основе волноводного распространения света лежит эффект полного внутреннего отражения. Этот эффект наблюдается тогда, когда свет проходит из более плотной оптической среды в менее плотную. Закон Снеллиуса дает угол полного внутреннего отражения .

Коэффициент преломления Т=I1/I2,

где I1 и I2 — интенсивности преломленного и падающего света соответственно. Коэффициент отражения

R=I1/I2,

где I1 и I2 — интенсивности отраженного и падающего света соответственно. R+T = 1 при отсутствии потерь.

Поляризацией света называют направление колебания вектора Е. — вектор Е перпендикулярен плоскости прохождения луча. — вектор Е параллелен плоскости прохождения луча.

Е-перпендикулярная волна Е-параллельная волна Прохождение света из менее плотной среды в более плотную.

Е-перпендикулярная волна Е-параллельная волна Прохождение света из более плотной среды в менее плотную. На этом графике показан угол полного внутреннего отражения.

Так же на обоих графиках показан угол Брюстера, при котором коэффициент отражения Е-параллельной волны равен нулю.

При нормальном падении света

==.

1.2 Полное внутреннее отражение

В условиях полного внутреннего отражения на границе двух сред световая волна не отражается в одной точке. Волна выступает за границу раздела сред на расстояние? х (явление сдвига Гуса-Генхе). Расстояние? х определяется как расстояние от поверхности раздела сред, на котором вектор волны Е угасает в е раз.

Е=Е0, где б — коэффициент затухания б=

Отраженная волна испытывает фазовый сдвиг.

1.3 Оптические волноводы

Возможность распространения света в волокне обусловлена эффектом полного внутреннего отражения, чтобы обеспечить полное внутреннее отражение, необходимо добиться того, чтобы n световода был больше n подложки.

Для волноводов с толщиной h больше л применимы законы геометрической оптики. Для волноводов с толщиной h? л применимы законы волновой оптики.

Характеристическое уравнение волнового распространения в волноводе имеет вид

?ц (n')=дh-д13-д12=2рm (m=1,2,3…)

Это уравнение решается графическими или числовыми методами.

Решение характеристического уравнения — дискретные значения углов. Физический смысл дискретных решений — дискретные углы, при которых возможно распространение волны.

— постоянная распространения.

N(m)= в (m)?к — волноводный показатель преломления

V(m)= N(m)?с — скорость волны в волноводе

Волновая мода — особый тип волны, который при фиксированном значении угла ц может распространяться в данном волноводе. Для планарного волновода различают два типа волн: ТМm и ТЕm — Е-параллельная и Е-перпендикулярная соответственно, m — индекс моды. Индекс моды определяет количество узлов в волне в поперечном сечении среды распространения.

1.4 Особенности волноводного распространения

1. Электромагнитная волна распространяется по волноводу, приобретая дискретную пространственную структуру (волноводные моды).

2. Волновая мода (любая) имеет нелинейную дисперсионную зависимость.

Условия волноводного распространения (УВР).

в_m=n_вksinц_m 1) n_пk < в_m < n_вk

в_m^max=n_вk N_m=в_m/k=n_вsinц_m

в_m^min=n_вksinц=n_пk 2) n_п < N_m < n_в

N_m — эффективный волноводный показатель преломления.

V_п > V_m > V_в

Из УВР 2 следует, что мода движется в среде со своим индивидуальным показателем преломления N_m, который должен быть меньше показателя преломления волновода и больше показателя преломления подложки.

Левая часть УВР:, , — нарушение левой части приводит к нарушению ПВО и свет проникает в смежную среду.

Правая часть УВР:, , — принципиальный запрет на скорость моды меньше скорости в волноводе.

Дисперсионная зависимость для волнового процесса это функциональная связь между пространственными и временными переменными электромагнитной волны.

k=2р/л=щ/c — пространственная характеристика волны щ=2рt, щ=ck — временные характеристики волны.

Нелинейная дисперсионная зависимость световой волны в световоде выражается как Е=Е0Sin (щt-kz).

Примерный график нелинейной дисперсионной зависимости от постоянной распространения в.

При щ>0 V_фаз>V_п.

При щ>? V_фаз>V_в.

1.5 Нормированная переменная

I) Нормированная частота

II) () Нормированный показатель преломления

!!! Критическое условие

III) Степень ассиметрии

Характеристическое уравнение в нормированных переменных имеет вид

Критическое условие: и n_пk=в

Если волновод симметричный, то

Количество мод в волноводе определяется по формуле

Критическое условие W=0

2. Прямоугольные (полосковые или канальные) волноводы

В полосковом волноводе моды обозначаются HEmn и EHmn

Наличие 2-х индексов моды обусловлено ограниченностью волны по двум координатам, в отличие от планарного волновода.

Приподнятый волновод

Гребенчатый волновод

Внедрённый волновод

2.1 Цилиндрические волноводы

Количество мод в цилиндрическом волноводе определяется по формуле M=VІ/2, где V=ka (n1І-n2І)Ѕ a — радиус волновода.

В цилиндрическом волноводе различают 2 типа мод: меридианальные (проходят через ось волокна) и немеридианальные.

Профили показателя преломления:

1. Ступенчатый

2. Градиентный

2.2 Модовая дисперсия

При распространении нескольких мод в волокне наблюдается модовая дисперсия — явление уширения светового импульса. Модовая дисперсия ведет к ограничению количества передаваемой информации.

?r=l*n1/c — l*n2/c=l/c (n1-n2)=l/c*?n

Для борьбы с модовой дисперсией применяются световоды с постепенным изменением показателя n — ступенчатые и градиентные.

2.3 Потери в оптических волноводах

Потери на изгибе. Для каждого световода существует критический радиус кривизны Rc, при котором наступает излучение в подложку и внешнюю среду. Если радиус кривизны R>Rc, потерь нет. При R? Rc появляются потери, экспоненциально возрастающие с дальнейшим уменьшением радиуса.

Поверхностные потери. Поверхностные потери происходят вследствие неровности поверхности световода. На негладкой поверхности происходит излучение наружу некоторой части световой энергии.

Рассеивание на неоднородностях. Еще один важный источник потерь — рассеивание на неоднородности. Рассеивание может быть собственным и примесным. Примесные атомы и молекулы, находящиеся в структуре волокна, могут поглощать фотоны определенной частоты, тем самым уменьшая общую интенсивность света. Рассеивание на неоднородностях так же уменьшает интенсивность света, поскольку фотоны, попавшие на такую неоднородность, с большой вероятностью могут преломиться во внешнюю среду.

Окна прозрачности.

Значения затухания длин волн считаются минимальными (наиболее близкими к идеальной кривой) в трех диапазонах длин волн, показанных на графике.

1-е окно — в области 850 нм, ;

2-е окно — 1270 (1280) — 1350 нм,;

3-е окно — 1528−1561 нм, .

3. Современные системы волоконно-оптической связи

3.1 Системы связи плезиохронной цифровой иерархии

Первичная цифровая иерархия — ПЦИ (2048 кбит/с) — Е1 (32)

Вторичная цифровая иерархия — ВЦИ (8448 кбит/с) — Е2 (120)

Третичная цифровая иерархия — ТЦИ (34 368 кбит/с) — Е3 (480)

Четвертичная цифровая иерархия — ЧЦИ (139 264 кбит/с) — Е4 (1920)

Пятеричная цифровая иерархия — ПЦИ (564 992 кбит/с) — Е5 (7680)

3.2 Системы связи первичной цифровой плезиохронной иерархии Е1

Передача по волоконно-оптическим линиям связи одного или нескольких сигналов в виде цифровых потоков со скоростью 2048 кбит/с — довольно частое явление. Это местные или объектовые сети связи, или ответвления от зоновой или магистральной линии в какой-либо объект или небольшой населенный пункт, находящийся от этой линии на значительном расстоянии (до 100…150 км).

3.3 Системы связи вторичной цифровой плезиохронной иерархии Е2

Позволяет по одной паре оптических волокон (многомодовых) передавать в обе стороны 120 телефонных каналов в цифровом информационном потоке со скоростью 8,448 Мбит/с.

3.3 Системы связи третичной цифровой плезиохронной иерархии ЕЗ

Предназначена для передачи 480 телефонных каналов в двоичном цифровом потоке со скоростью 34,368 Мбит/с. На мультиплексор — формирователь потока со скоростью 34,368 Мбит/с — поступает 16 цифровых потоков 2,048 Мбит/с в коде HDB3.

3.4 Системы связи цифровой плезиохронной иерархии Е4

Обеспечивает передачу 1920 телефонных каналов или любой другой информации в дискретном виде с помощью цифрового оптического сигнала по одномодовому волокну на максимальное расстояние до 830 км.

3.5 Системы и оборудование синхронной цифровой иерархии

Синхронная цифровая иерархия и сети

STM-1 — 155,520 Мбит/с.

STM-4 — 622,08 Мбит/с,

STM-16 -2488,32 Мбит/с (2,488 Гбит/с),

STM-64 — 9,953 Гбит/с Недостатки плезиохронных систем передачи и прогресс в технологиях волоконно-оптических систем, стимулировали разработку и внедрение новых цифровых систем передачи информации. Был принят новый стандарт Синхронной Цифровой Иерархии (СЦИ — SDH) и единой глобальной оптической сети. При принятии нового стандарта цифровой связи — SDH, одним из требований к новой системе было обеспечение совместимости с системами PDH. Это относилось прежде всего к цифровому потоку уровня Е4 PDH (140 Мбит/с). Для решения этой задачи в цифровой поток Е4 была введена избыточность в виде дополнительных бит, вследствие чего скорость передачи нового уровня возросла до 155,52 Мбит/с. Такая скорость была принята для основного формата синхронного сигнала, получившего название синхронный транспортный модуль — STM-1.

В результате международных соглашений были установлены скорости передачи в виде синхронной цифровой иерархии (СЦИ — SDH). регламентируемые рекомендациями ITU-T (МККТТ) G.707, структура сигнала в интерфейсе сетевого узла — G.708, структура синхронного группообразования — G.709. Таким образом была принята следующая градация скоростей для иерархий синхронных сигналов (SDH):

STM-1 — 155,520 Мбит/с.

STM-4 — 622,08 Мбит/с,

STM-16 -2488,32 Мбит/с (2,488 Гбит/с),

STM-64 — 9,953 Гбит/с, В отличие от плезиохронных, в сетях синхронной цифровой иерархии используется центральный опорный генератор синхрочастоты (таймер), вследствие чего в СЦИ средняя частота всех местных задающих генераторов синхронна с точностью не хуже 10^-9. Жесткая синхронизация на всех уровнях СЦИ дает возможность введения идентификационных бит, что позволяет получить целый ряд преимуществ синхронных сетей, среди которых отметим следующие:

I) возможность выделения из общего группового потока высокого уровня иерархии цифровых потоков более низкого уровня вплоть до Е1 без полного демультиплексирования (или, наоборот, введения такого потока в групповой);

II) упрощение общей структурной схемы оборудования СЦИ благодаря тому, что все функции ввода — вывода выполняет один мультиплексор, в том числе он может вывести (ввести) цифровой поток El PDH из потока STM-1;

III) возможность выделения (или ввода) цифровых потоков любого уровня из группового потока более высокого уровня позволяет осуществлять оперативное переключение цифровых трактов в сетях, делая их более гибкими в плане конфигурирования;

IV) скорость передачи групповых сигналов на стыках сетевых узлов совпадает в системах СЦИ с линейными скоростями, благодаря чему отпадет необходимость применения дополнительного преобразователя стыкового кода в линейный.

3.6 Аппаратура СЦИ (SDH)

При разработке аппаратуры СЦИ была предусмотрена обязательная совместимость не только скоростей, но также стыков (интерфейсов. Для этого разработчики аппаратуры СЦИ руководствуются соответствующими рекомендациями ITU-T. К стандартным оптическим интерфейсам, определенным рекомендациями G.957, относятся следующие параметры: длина волны оптического излучения, диапазон длин волн, ширина спектральной линии излучения, уровень оптической мощности на передаче, коэффициент экстинкции, уровень чувствительности приемного устройства при заданном коэффициенте ошибки для данной скорости передачи. Выбор значений этих параметров определяется скоростью передачи информации и максимальной длиной линии. Аппаратура SDH всех уровней иерархии предназначена для работы на оптическое одномодовое волокно, параметры которого также регламентированы Рек. G.652, G.653, G.655.

Когда расстояние между пунктами, которые необходимо соединить при помощи ВОЛС с аппаратурой SDH, превышает ту длину, которая позволяет перекрыть энергетический потенциал системы на передающей стороне, либо на обоих концах линии применяется соответственно оптический усилитель мощности на передаче и предварительный оптический усилитель на приеме. Для всех уровней аппаратуры SDH стандартизированы оптические разъемы (оптические соединители) типа FC или PC, оптические внутри-стоечные соединительные шнуры (patchcord), тип и габариты плат, ячеек, габариты блоков и стоек, потребляемая электрическая мощность и напряжение питания и т. д.

Структурно аппаратура SDH состоит из следующих блоков:

1) оборудование внешнего доступа (ЕАЕ — external access equipment);

2) синхронный линейный регенератор SLR;

3) синхронные разветвительные мультиплексоры SLR 4D/1, SLR 16D/1, которые обозначаются также ADM (ADD/DROP MULTIPLEXSOR).

Кроме упомянутых выше основных узлов и блоков в состав аппаратуры SDH входят:

1) система контроля и управления; блоки аварийной и предаварийной сигнализации;

2) блоки питания и защиты от перегрузок и внешних воздействий, том числе электромагнитных полей.

Система контроля и управления представляет собой совокупность датчиков различных параметров и цепей, соединяющих точки контроля и управления с персональным компьютером. Эта система позволяет осуществлять диагностирование состояния всего участка сети связи, в котором задействована данная аппаратура SDH. Предусмотрена также возможность управления и конфигурирования участков сети.

В случаях повреждения сети, в аппаратуре SDH всех уровней для предоставления возможности проведения восстановительных работ и обеспечения безопасности персонала предусмотрено устройство автоматического отключения лазера (Automatic Laser Shutdown) в соответствии с Рек. ITU-Т G.958.

4. Уплотнение информационных потоков

Существует несколько способов увеличения пропускной способности систем передачи информации. Большинство из них сводится к одному из методов уплотнения компонентных информационных потоков в один групповой, который передается по линии связи. Для дальнейшего наращивания информационной емкости систем передачи широко применяется сочетание одновременно двух или более методов. Применительно к волоконно-оптическим системам методы уплотнения групповых информационных потоков можно разделить на два типа: электронное уплотнение и оптическое уплотнение.

4.1 Модовое уплотнение (MDM)

В некоторых системах передачи, основанных на использовании многомодового оптического волокна, находит применение так называемое модовое уплотнение (Mode Division Multiplexing). Процесс распространения оптического излучения в многомодовом оптическом волокне может быть рассмотрен с позиций геометрической оптики. В соответствии с этим, если на входной торец многомодового волокна под углом падает оптический луч, то, войдя через этот торец в волокно и распространяясь вдоль этого ОВ по строго определенной для него траектории, он выходит из выходного торца под таким же углом. Это справедливо и для остальных лучей, вводимых в ОВ каждый под своим углом при условии Применяя модовые селекторы на входе и выходе волокна, можно осуществлять передачу независимых информационных потоков на соответствующих модах, которые в этом случае играют роль каналов. Модовое уплотнение может работать только в случае отсутствия перемешивания или взаимного преобразования мод. Это условие может быть выполнено для таких многомодовых ОВ, в которых полностью исключается наличие локальных неоднородностей, в том числе изгибов. Обычно метод модового уплотнения применяется в некоторых системах автоматики, в которых информация передается на небольшие расстояния порядка единиц — десятков метров.

4.2 Метод временного уплотнения (TDM)

В настоящее время метод временного уплотнения информационных потоков (TDM — Time Division Multiplexing) является наиболее распространенным. Он применяется при передаче информации в цифровом виде. Суть его состоит в следующем. Процесс передачи разбивается на ряд временных циклов, каждый из которых в свою очередь разбивается на N субциклов, где N — число уплотняемых потоков (или каналов). Каждый субцикл подразделяется на временные позиции, т. е. временные интервалы, в течение которых передается часть информации одного из цифровых уплотняемых потоков. Кроме того, некоторое число позиций отводится для идентификационных синхроимпульсов, вставок и цифрового потока служебной связи. В качестве примера рассмотрим процесс группообразования цифрового потока Е2 (ПЦИ) 8,448 Мбит/с из 4-х цифровых потоков иерархии ПЦИ-У1 (2.048 Мбит/с). Процесс передачи разбивается на временные циклы продолжительностью 125 икс каждый. Эти циклы состоят из 4-х субциклов, длительность каждого из которых равна 31,25 мкс.

Субциклы разделены на 264 временных отрезка (позиций) длительностью 118,4 не, из которых 8 позиций отведены для синхроимпульсов, вставок и цифровой передачи служебной связи. Длительность каждого временного отрезка равна тактовому интервалу, определяющему тактовую частоту (для группового потока 8,448 Мбит/с.

Метод временного уплотнения подразделяется на два вида — асинхронное или плезиохронное, временное мультиплексирование (ПЦИ (PDH), ATM) и синхронное временное мультиплексирование (СЦИ (SDH)). Начинается практическое внедрение систем СЦИ со скоростью передачи группового сигнала 10 Гбит/с (STM-64). Несколько лет назад считалось, что это предел для электронных устройств мультиплексирования, однако, благодаря развитию новых электронных технологий (полупроводниковые структуры на основе арсенид-галлия, микровакуумных элементов) уже созданы лабораторные образцы электронных мультиплексоров для скорости 40 Гбит/с (STM-256), подготовленные для серийного промышленного производства.

4.3 Метод частотного уплотнения (FDM)

При частотном методе уплотнения (FDM — Frequency Division Multiplexing) каждый информационный поток передается по физическому каналу на соответствующей частоте — поднесущей. Если в качестве физического канала выступает оптическое излучение — оптическая несущая, то она модулируется по интенсивности групповым информационным сигналом, спектр которого состоит из ряда частот поднесущих, количество которых равно числу компонентных информационных потоков. Частота поднесущей каждого канала выбирается исходя из условия f > 10, где f — частота поднесущей, — верхняя частота спектра информационного потока. Частотный интервал между поднесущими? f выбирается из условия? f?.

Для уменьшения перекрестных помех при модуляции оптического излучения групповым сигналом передаточная характеристика электронного устройства частотного уплотнения и ватт-амперная характеристика лазера должны иметь повышенную линейность в широком диапазоне уровней. При этом коэффициент модуляции (коэффициент экстинкции) оптического излучения зависит от количества уплотняемых каналов и обычно не превышает 10%.

На приемной стороне оптическая несущая попадает на фотодетектор, на нагрузке которого выделяется электрический групповой поток, поступающий после усиления в широкополосном усилителе приема поступает на входы узкополосных фильтров, центральная час юта пропускания которых равна одной из поднесущих частот.

В качестве компонентных потоков могут выступать как цифровые, так и аналоговые сигналы. В настоящее время в кабельных системах передачи частотное уплотнение применяется в многоканальном кабельном телевидении, где для этой цели отведен диапазон частот от 47 до 860 МГц, т. е. как метровый, так и дециметровый диапазоны ТВ.

4.4 Уплотнение по поляризации (PDM)

Уплотнение потоков информации с помощью оптических несущих, имеющих линейную поляризацию, называется уплотнением по поляризации (PDM — Polarization Division Multiplexing). При этом плоскость поляризации каждой несущей должна быть расположена под своим углом. Мультиплексирование осуществляется с помощью специальных оптических призм, например, призмы Рошона. Этот метод аналогичен модовому уплотнению, хотя может быть использовано одномодовое волокно. Однако, как и для MDM. поляризационное уплотнение может работать только тогда, когда в среде передачи (ОВ) отсутствует оптическая анизотропия, т. е. волокно не должно иметь локальных неоднородностей и изгибов. В частности, он применяется в оптических изоляторах, а также в оптических волоконных усилителях, где используется в устройствах накачки эрбиевого волокна для сложения излучения накачки двух лазеров, излучение которых имеет выраженную поляризацию в виде вытянутого эллипса.

4.5 Многоволновое уплотнение оптических несущих (WDM)

Многоволнового уплотнения оптических несущих — WDM (Wavelength Division Multiplexing). Суть этого метода состоит в том, что m информационных цифровых потоков, переносимых каждый на своей оптической несущей на длине волны разнесенных в пространстве, с помощью специальных устройств — оптических мультиплексоров (ОМ) — объединяются в один оптический поток, после чего он вводится в оптическое линейное волокно, входящее в состав оптического кабеля. На приемной стороне производится обратная операция демультиплексирования.

Многоволновые системы передачи работают в 3- м окне прозрачности ОВ, т. е. в диапазоне длин волн 1530…1565 нм. Для этого установлен стандарт длин волн, представляющий собой сетку оптических частот, в которой расписаны регламентированные значения оптических частот от 196,1 ТГц до 192,1 ТГц (1 ТГц = 10¹² Гц) с интервалами 100 ГГц и длины волн: от 1528,77 нм до 1560.61 нм с интервалом 0,8 нм. Стандарт состоит из 41 длины волны, т. е. рассчитан на 41 спектральный канал. На практике используется 39 каналов из представленной сетки частот, поскольку два крайних не используются, так как они находятся на склонах частотной характеристики оптических усилителей, применяемых в системах WDM.

Важным моментом при разработке WDM систем является проблема организации каналов для передачи сигналов телеконтроля, управления и служебной связи. Для таких систем было принято решение для передачи этих сигналов использовать отдельный спектральный канал. При этом длина волны не должна входить в полосу пропускания эрбиевого волоконно-оптического усилителя. В этой целью была рекомендована одна из двух длин волн — 1510 или 1625 нм.

4.6 Плотное многоволновое уплотнение оптических несущих (DWDM)

Тенденция уменьшения частотного интервала между спектральными каналами до 50 ГГц и даже до 25 ГГц привела к более плотному расположению спектральных каналов в отведенном диапазоне длин волн (1530…1565 нм). Такое уплотнение получило название плотного волнового уплотнения, или DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).

Очевидно, что DWDM вызвано стремлением увеличить количество передаваемых каналов. Отметим также, что в настоящее время аббревиатура DWDM закрепилась и для систем с многоволновым уплотнением, у которых частотный интервал между каналами равен 100 ГГц.

Многоволновое (или спектральное) уплотнение оптических каналов аналогично частотному уплотнению радиоканалов или многоканальных кабельных систем с аналоговым методом передачи. Поэтому для многоволновых оптических систем справедливы те же соотношения, что и для частотного уплотнения указанных систем, для которых защитный интервал между соседними каналами не должен быть меньше, чем двойная верхняя частота модуляции канала. При передаче потоков STM-64 методом DWDM при спектральных интервалах 50 ГГц спектральная ширина линии излучения Д (не должна превышать величину = ±0,04 нм, нестабильность оптической частоты должна быть не хуже ±5 ГГц. В случае передачи методом DWDM цифровых потоков STM-16 допустимые значения ширины спектральной линии могут быть увеличены.

Если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков мультиплексируемых каналов SDH, то такая система работать не будет. Поэтому на входы оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, параметры которых, в особенности спектральные, должны строго соответствовать стандартам, определенным рек. G.692. Такое соответствие достигается благодаря использованию в DWDM специального устройства — транспондера. Это устройство имеет количество оптических входов и выходов, равное числу уплотняемых оптических сигналов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рек. G.957. то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рек. G.692.

Если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частот.

При оптическом уплотнении по длинам волн в оптическом мультиплексоре (ОМ) происходят значительные потери. Так, в системах передачи DWDM 16-ти спектральных каналов потери ОМ на канал составляют 7…9 дБ (на одной стороне). С учетом потерь на обеих сторона (на передаче и на приеме) их общая величина составит 14…18 дБ. Такие потери значительно сокращают энергетический потенциал системы, поэтому без оптических усилителей возможна передача на весьма небольшие расстояния — до 50 км для передачи 8-ми каналов. На передаче применяется волоконно-оптический усилитель мощности (BOOSTER).

В системах DWDM, предназначенных для передачи 16-ти и более спектральных каналов, нередко оптические усилители применяют также для каждого канала на выходах транспондера перед тем, как ввести оптические сигналы в соответствующий вход мультиплексора. Это делается по причине больших потерь на канал, вносимых многоканальными мультиплексорами. После мультиплексирования, как уже отмечалось, групповой оптический информационный поток также подвергается усилению в оптическом усилителе. При этом суммарная оптическая мощность группового потока, вводимого в линейное ОВ, может существенно превысить величину 10 мВт.

При такой мощности становится заметным влияние оптических нелинейных явлений, возникающих в ОВ в процессе распространения оптического излучения. Это следующие явления: самомодуляция фазы (SPM) оптической несущей, перекрестная модуляция фазы (СРМ), смешение четырех волн (FWM). Эти явления проявляются начиная с указанной мощности в виде дополнительных шумов и перекрестных помех при многоканальной передаче. Начиная с величин оптической мощности несколько десятков мВт становится заметным также эффект вынужденного рассеяния Бриллюэна SBS, а при мощностях порядка 200 мВт преобладающим становится влияние вынужденного рассеяния Рамана SRS. Величина суммарной оптической мощности в системах DWDM, вводимой в оптическое линейное волокно ограничивается на уровне +17 дБм (50 мВт). Такой уровень обосновывается двумя факторами — допустимым влиянием нелинейных явлений и требованиями безопасности обслуживающего персонала. Величина +17 дБм установлена не окончательно и в последующих вкладах в рекомендации ITU-T увеличена до +23 дБм.

Документами МСЭ, кроме указанных выше сетки оптических частот WDM систем и предельного уровня оптической мощности группового сигнала, установлены также стандарты на структуры соединений линий с WDM. Предложено три варианта структурного построения линий:

1) L (long) — длинная линия с пассивным участком длиной до 80 км и общими потерями до 22 дБ. В такой линии допускается включение до 7-ми промежуточных оптических усилителей при максимальной длине линии до 640 км;

2) V (very) — очень длинная линия с пассивным участком до 120 км и потерями до 33 дБ. При этом допускается включение до 4-х промежуточных оптических усилителей при общей длине линии до 600 км;

3) U (ultra) — сверхдлинная линия, состоящая из одного пассивного участка длиной 160 км без промежуточных усилителей. Максимально допустимое затухание на этом участке составляет 44 дБ.

Из приведенных вариантов понятно, что определения L, V и U относятся к длине пассивного участка.

В приведенных вариантах соединений с помощью оптических усилителей компенсируются потери энергии в ОВ. Однако, длина оптической линии ограничивается не только величиной потерь и скоростью передачи, но и хроматической дисперсией. Это ограничение в значительной степени может быть преодолено путем компенсации хроматической дисперсии с помощью специальных компенсаторов. Компенсаторы хроматической дисперсии могут быть дискретными и протяженными. Основу дискретных компенсаторов составляют дифракционные решетки Брэгга, а протяженные компенсаторы представляют собой отрезки волокна с отрицательной дисперсией.

Создание систем передачи DWDM потребовало разработки целого ряда как активных, так и пассивных квантовых и оптических элементов и устройств с высокостабильными параметрами. Сюда относятся полупроводниковые лазеры с узкой спектральной шириной линии излучения (менее 0,05 нм) при стабильности не хуже ±0,04 нм. Волоконно-оптические усилители должны иметь стабильный коэффициент усиления, малую неравномерность коэффициента усиления (меньше ±0,5 дБ) во всем спектральном диапазоне усиления и ряд других характеристик. Среди пассивных элементов наиболее ответственными являются оптические мультиплексоры / демультиплексоры для большого количества каналов при работе в одном окне прозрачности (1530…1565 нм). Расстройка по частоте или по длине волны этих элементов не должна превышать 0,05 нм. Такая стабильность обеспечивается жесткой температурной стабилизацией этих элементов с точностью не хуже ±1°С.