Разработка систем передачи информации нового поколения

1. Основы технологии DWDM

1.1 Устройства волнового уплотнения DWDM

1.2 Модель взаимодействия DWDM с транспортными технологиями

1.3 Классификация WDM на основе канального плана

2. Сравнение систем мультиплексирования и выбор компонентов линии связи

2.1 Параметры многоволновых мультиплексных линий связи

2.2 Технологии мультиплексирования

2.3 Источники излучения. Лазерные диоды

2.4 Реализация усилителей EDFA

2.5 Выбор одномодового оптического волокна для проектируемой ВОЛС

3. Влияние дисперсии на параметры проектируемой ВОЛС

3.1 Методы компенсации дисперсии

3.2 Выбор волокна для компенсации дисперсии

4. Расчет длины регенерационного участка

4.1 Расчет длины регенерационного участка с учетом хроматической дисперсии

4.2 Расчет длины регенерационного участка с учетом поляризационно-модовой дисперсии (PMD)

4.3 Расчет эксплуатационного запаса по затуханию

4.4 Расчет длины волокна компенсации дисперсии

5. Моделирование 8-ми канальной DWDM линии с применением системы автоматизированнного проектирования LinkSim

5.1 Описание компонентов моделируемой ВОЛС и их параметров

5.2 Результаты моделирования 8-ми канальной DWDM

6. Подбор промышленного оборудования для проектируемой ВОЛС

6.1 Характеристики промышленных мультиплексоров DWDM

6.2 Подбор транспортной системы проектируемой линии связи

6.3 Подбор оптического кабеля для проектируемой линии связи

7. Прокладка оптического кабеля Экономическая часть Техника безопасности

Заключение

Список литературы Приложение

Введение

В развитых странах волоконно-оптическая связь заняла лидирующее положение среди других средств связи. Ее отличительной чертой является значительно более высокая скорость передачи информации и более высокая надежность по сравнению с проводной электросвязью и радиосвязью. Именно эти качества обусловили быстрое развитие волоконно-оптических систем связи за последние 10−15 лет. В настоящее время в мире проложено уже более 100 млн. км таких линий связи. Более того, все континенты связаны подводными волоконно-оптическими линиями связи, общая длина которых превышает 300 тыс. км. Разрабатываются и испытываются волоконно-оптические системы связи нового поколения с пропускной способностью в десятки и сотни Гбит/с, а в перспективе — до нескольких Тбит/с. Эти системы используют новые принципы передачи информации — оптические солитоны и спектральное разделение каналов, а также принципиально новую элементную базу, основанную на новых материалах и современных технологиях.

Разработка систем передачи информации нового поколения, прежде всего, вызвана потребностями экономики. Известно, что для увеличения вдвое национального валового продукта необходимо обеспечить 4-кратное увеличение объема передаваемой информации.

Сегодняшний этап развития волоконно-оптических систем связи в мире характеризуется серьезным технологическим прорывом в области элементной базы, позволившим совершить значительный скачок в повышении пропускной способности ВОЛС. На повестке дня стоит вопрос о практическом внедрении ВОЛС с пропускной способностью 1 Тбит/с и более.

Важнейшими элементами высокоскоростных волоконно-оптических сетей являются передающие и приемные модули, модуляторы, широкополосные оптические усилители, компенсаторы дисперсии, демультиплексоры и коммутаторы.

Успехи в технологии создания высококачественных источников излучения и фотодетекторов для высокоскоростных ВОЛС позволили удовлетворить практически все современные потребности пользователей и операторов сетей связи в широком диапазоне скоростей.

Наиболее широкое применение в перспективных ВОЛС со спектральным разделением каналов могут найти перестраиваемые по длинам волн полупроводниковые лазеры. К этим устройствам предъявляются довольно жесткие требования по стабильности спектральных характеристик. Основные же усилия разработчиков в настоящее время направлены на снижение стоимости этих устройств с целью обеспечения более высокой конкурентоспособности ВОЛС со спектральным разделением каналов по сравнению с другими типами ВОЛС, наращивание пропускной способности которых требует использования дополнительных оптических волокон или увеличения скорости передачи при временном уплотнении каналов.

Дальнейшее развитие ОСП базируется на двух основных концепциях, которые неразрывно связаны между собой. Это многоволновые системы передачи (DenseWDM). Где имеется несколько передатчиков, сигналы которых поступают на оптический мультиплексор, на приемной стороне происходит обратное преобразование.

Второй составляющей являются, так называемые полностью оптические сети (AON). В них используются оптические усилители, наиболее перспективными. из которых являются EDFA (Erbium Doped fiber Amplifer).В линии отсутствуют регенераторы, вместо них устанавливаются аналоговые усилители, которые без преобразования принятого оптического сигнала в электрический, просто увеличивают его амплитуду и передают дальше. С увеличением протяженности линии падает отношение сигнал/шум, т.к. шумы в линии суммируются и на усилителе их амплитуда возрастает вместе с сигналом. Эта технология обладает очень важным приемуществом — это отсутствие привязки к скорости и протоколу передачи.

В дипломной работе мне была поставлены следующие задачи:

Изучить основные компоненты ВОЛС содержащей DWDM.

Изучить основные методы мультиплексирования оптических сигналов.

Моделировать ВОЛС на Сапре LinkSim, для ее практического применения Вероятноть ошибок BER?10^-13.

Общая длина магистрали ВОЛС 550.

Скорость передачи 2.5Гб/с.

Подобрать для проектируемой ВОЛС промышленное оборудование, волокно, тип прокладки ОК.

Произвести расчет экономической эффективности при использовании проектируемой ВОЛС.

дисперсия линия связь

1. Основы технологии WDM

1.1 Устройства волнового уплотнения WDM

Устройство волнового (спектрального) уплотнения WDM — WDM фильтр — выполняет функции мультиплексирования MUX (объединения) или демультиплексирования DEMUX (выделения или фильтрации) оптических сигналов разных длин волн — каналов — в одно волокно из множества волокон или из одного волокна в несколько волокон. На передающей и приемной сторонах могут устанавливаться однотипные устройства, но работающие в режимах MUX и DEMUX соответственно. Сам факт существования устройств WDM основан на свойстве волокна пропускать множество каналов, которые распространяются по волокну, не взаимодействуя между собой, рисунок 1.1.

Первые устройства WDM появились в начале 90-х годов. В основном это были широко-зонные двухканальные системы с длинами волн 1310 нм и 1550 нм. В дальнейшем по мере все большего освоения окна 1550 нм появляются прецизионные узкозонные WDM устройства с мультиплексируемыми длинами волн, полностью лежащими в окне 1550 нм. Это позволяет строить протяженные магистрали с множеством каналов на волокно. Катализатором прогресса становятся оптические усилители EDFA. Практически вся рабочая область длин волн (pass-band), в которой усилитель EDFA имеет достаточно высокий коэффициент усиления и приемлемое отношение сигнал/шум (1530−1560 нм), отводится в распоряжение систем волнового уплотнения. Термин DWDM (dense wavelength division multiplexer) — плотное волновое мультиплексирование — используется по отношению к WDM устройствам с расстоянием между соседними каналами 1,6 нм и менее. Для построения многоканальных WDM систем наряду с пассивными WDM фильтрами также требуются узкополосные лазеры, стабильно выдерживающие нужную длину волны. Пока именно лазеры остаются наиболее дорогим элементом в таких системах, несколько сдерживая их развитие. В настоящее время поставляются системы с числом каналов 4, 8, 16 и 32. Предполагается рост числа мультиплексных каналов до 64.

Рисунок 1.1 Схема оптического сегмента, использующего передачу мультиплексного сигнала по волокну.

1.2 Модель взаимодействия WDM с транспортными технологиями

В настоящее время WDM играет для оптических синхронных систем ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением МЧР (FDM) для аналоговых систем передачи данных. По этой причине системы с WDM часто называют системами оптического мультиплексирования с частотным разделением ОМЧР (OFDM). Однако по сути своей эти технологии (FDM и OFDM) существенно отличаются друг от друга. Их отличие состоит не только в использовании оптического (OFDM) или электрического (FDM) сигнала. При FDM используется механизм АМ модуляции с одной боковой полосой (ОБП) и выбранной системой поднесущих, модулирующий сигнал которых одинаков по структуре, так как представлен набором стандартных каналов ТЧ. При OFDM механизм модуляции, необходимый в FDM для сдвига несущих, вообще не используется, несущие генерируются отдельными источниками (лазерами), сигналы которых просто объединяются мультиплексором в единый многочастотный сигнал. Каждая его составляющая (несущая) принципиально может передавать поток цифровых сигналов, сформированный по законам различных синхронных технологий. Например, одна несущая формально может передавать АТМ трафик, другая SDH, третья PDH и т. д. Для этого несущие модулируются цифровым сигналом в соответствии с передаваемым трафиком.

Формально для систем WDM не важно, какие методы кодирования и формирования конкретного цифрового сигнала использовались. Хотя, как правило, в этих системах и передается однотипный трафик, это диктуется используемыми методами синхронизации и единообразием процесса обработки. В отличие от систем SDH транспортируемый сигнал не упаковывается в контейнеры и не подвергается обработке в соответствии со структурой мультиплексирования SDH для формирования транспортного модуля STM-N, который только и может быть передан через физический уровень в канал связи (среду передачи).

Если упрощенно представить многоуровневую модель взаимодействия основных технологий SDH/SONET, ATM, IP (без учета возможности переноса IP через ATM), осуществляющих транспортировку сигнала в глобальных цифровых сетях, и WDM, то до появления последней она имела вид, представленный на рисунок 1.2.а. Модель состояла из трех уровней и оптической среды передачи и показывала, что для транспортировки трафика верхнего уровня (ATM и IP) по оптической среде передачи он должен быть размещен (инкапсулирован) в транспортные модули STM-N/OC-n технологий SDH/SONET, способные, используя физический интерфейс этих технологий, пройти через физический уровень в оптическую среду передачи. Отсюда была ясна необходимость создания технологий инкапсуляции ячеек АТМ, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET). Этим и занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в таких институтах, как ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на указанные технологии.

После появления систем WDM модель принимает вид, представленный на рисунок 1.2.б. Теперь модель имеет четыре уровня, не считая оптической среды передачи. Появился промежуточный уровень WDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий через физический уровень выйти в оптическую среду передачи не только технологии SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP. В последнем случае не требуется инкапсуляции ячеек ATM или пакетов IP в промежуточный транспортный модуль технологий SDH/SONET, что не только упрощает процедуру обработки и транспортировки трафика, генерируемого системами ATM и IP, но и существенно уменьшает общую длину заголовков (которые пристыковываются по мере прохождения с верхнего уровня на нижний), повышая процент, занимаемый информационной составляющей трафика, в общей длине передаваемого сообщения, а значит, и эффективность передачи в целом. Естественно, что ATM и IP трафик может быть передан и по традиционной схеме с использованием SDH/SONET, трафик которых может быть также передан с помощью систем WDM, что сохраняет преемственность старых схем транспортировки и увеличивает гибкость композитных систем WDM-SDH/SONET в целом.

1.3 Классификация WDM на основе канального плана

Схема расширенного канального плана позволяет предложить следующую схему классификации, учитывающую современные взгляды и тенденции выделять три типа мультиплексоров WDM:

*обычные WDM — МРДВ, *плотные WDM (DWDM) — ПМРДВ, *высокоплотные WDM (HDWDM) — ВПМРДВ.

Хотя до сих пор и нет точных границ деления между этими типами, можно предложить, вслед за специалистами компании Alcatel, некоторые границы, основанные на исторической практике разработки систем WDM и указанном выше стандарте G.692 с его канальным планом, называемым также «волновым планом» или «частотным планом» в зависимости от того, используется ли волновая или частотная шкала канального плана. Итак, можно называть:*системами WDM — системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 16 каналов, *системами DWDM — системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 64 каналов, *системами HDWDM — системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов.

2. Сравнение систем мультиплексирования и выбор компонентов линии связи

Большинство оптических коммуникационных устройств и элементов, применяемых в AON (полностью оптические сети), используют цифровую передачу сигнала с модуляцией интенсивности, при которой бинарной 1 соответствует передача света большой интенсивности, а бинарному 0 — передача света низкой интенсивности. Последнее связано с тем, что оптические усилители EDFA вносят дополнительный шум в усиление оптического сигнала.

Ниже приведены основные устройства и элементы, применяемые в AON.

Лазеры и светодиоды. В качестве источников излучения могут использоваться светодиоды и лазеры. Светодиоды рассчитаны на больший диаметр сердцевины волокна (многомодовые волокна), а лазеры лучше подходят для передачи сигнала по одномодовому волокну. Типичные значения спектральной полосы излучения составляют для светодиодов от 20 до 100 нм, для многомодовых лазерных диодов от 1 до 5 нм и для одномодовых лазерных диодов менее 0,1 нм. Потребляемая мощность для светодиодов — около 10 мВт, и порядка 1 мВт для лазерных диодов. Выпускаются как недорогие коммерческие pin-фотодиоды на основе InGaAsP, работающие на длине волны 1300 нм и обеспечивающие скорость передачи до 100 Мбит/с, так и специализированные лазеры с распределенной обратной связью (DFB), предназначенные для работы в окне 1550 нм и обеспечивающие скорость передачи до 10 Гбит/с.

Волокно. Наибольшее распространение получили три типа одномодового волокна: одномодовое волокно со ступенчатым профилем (стандартное волокно, standard fiber, SF), волокно со смещенной дисперсией (dispersion shifted fiber, DSF), волокно с ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion shifted fiber, NZDSF), а также два типа градиентного многомодового волокна стандартов 50/125 и 62,5/125. В протяженных магистралях применяются исключительно одномодовые волокна из-за лучших дисперсионных характеристик. Для многоканальной мультиплексной передачи лучше всего подходит волокно типа NZDSF, а наименее удачным оказалось одномодовое волокно DSF.

Использование многомодового волокна ограничено локальными сетями с характерными длинами сегментов до 2 км. В то же время в локальных сетях все чаще начинает использоваться, наряду с многомодовым, и одномодовое волокно, обеспечивающее более высокую полосу пропускания. Это связано с падением стоимости лазерных оптических передатчиков и возрастающим числом сетевых приложений, требующих большой полосы пропускания, которую может обеспечить только одномодовое волокно.

Приемопередатчики. Выпускаются разнообразные приемо-передающие оптоэлектронные модули, предназначенные для сетей FDDI, Fast Ethernet (скорость передачи 100 Мбит/с, частота модуляции 125 МГц), АТМ (STM-1 155Мбит/с, частота модуляции 194 МГц), более быстрые для сетей STM-4 622 Мбит/с (частота модуляции 778 МГц) и Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с, частота модуляции 1250 МГц), и еще более быстрые, предназначенные для передачи каналов STM-16 (2,5 Гбит/с), и, наконец, STM-64 (10 Гбит/с).

Пассивные оптические мультиплексоры/демультиплексоры. В настоящее время выпускается огромное число устройств, от простых мультиплексоров и направленных ответвителей WDM, до сложных устройств, обеспечивающих плотное волновое мультиплексирование/демультиплексирование (DWDM) с числом каналов до 40 и более.

Оптический мультиплексор собирает несколько простых сигналов разных длин волн из нескольких волокон в мультиплексный сигнал, распространяющийся по одному волокну. Демультиплексор выполняет обратную функцию и обеспечивает выделение каналов в отдельные волокна из сложного мультиплексного сигнала, представленного множеством каналов и идущего по одному волокну.

Оптические усилители требуются в сетях при больших расстояниях между регенераторами. В полностью оптических сетях широкое распространение получили эрбиевые усилители EDFA, использующие лазер накачки с длиной волны 980 нм или 1480 нм. Работая в диапазоне от 1535 до 1560 нм, они могут обеспечивать усиление входного сигнала на 30−38 дБ в зависимости от его длины волны. Усилители EDFA не только заменили дорогостоящие оптоэлектронные системы регенерации оптического сигнала, но обеспечили возможность усиления многоканального WDM сигнала, сокращая число электронных регенераторов на протяженной оптической мультиплексной линии.

Оптические коммутаторы выполняют в полностью оптических сетях ту же функцию, что и обычные электронные коммутаторы в традиционных сетях, а именно обеспечивают коммутацию каналов или коммутацию пакетов. Наряду с простейшим коммутатором 2×2 в настоящее время начали поставляться коммутаторы с числом портов 4×4, 8×8 и 16×16.

Фильтры предназначены для выделения одного нужного канала из множества мультиплексных каналов, распространяемых в волокне. Поскольку фотоприемники имеют обычно широкую спектральную область чувствительности, то фильтр необходим для того, чтобы подавить (ослабить) соседние каналы. Наряду с фильтрами, предназначенными для работы на определенной длине волны, выпускаются также фильтры с перестраиваемой длиной волны. Функции фильтра может выполнять оптический демультиплексор.

Волновые конвертеры предназначены для преобразования одной длины волны в другую. Если информационный сигнал в подсети 1 был представлен каналом на длине волны, которая уже задействована в другой подсети — подсети 2, то волновой конвертер может преобразовать этот сигнал при переходе из подсети 1 в подсеть 2 на другую свободную в подсети 2 длину волны, обеспечив прозрачную связь между устройствами в разных подсетях.

2.1 Параметры многоволновых мультиплексных линий связи

Три основных черты магистральной многоволновых линий связи — высокая частота модуляции сигналов в каналах (высокая битовая скорость), высокая плотность мультиплексных каналов и большие расстояния сегментов — заставляют более строго подходить к требованиям по передаче информации. Наиболее важные факторы, ограничивающие технические возможности оптической линии приведены ниже.

Соотношение сигнал-шум. Для того, чтобы поддержать необходимое отношение сигнал-шум, число последовательных узлов EDFA, должно бить ограничено. Оптические усилители EDFA вносят шум, и при большом числе последовательных соединений могут приводить к значительной деградации сигнала. Моделирование без учета влияния дисперсии сигнала в волокне показывает, что максимум 18 каскадов EDFA может быть установлено между регенераторами при скорости передачи 622Мбит/с с приемлемым для стандарта STM-4 соотношение сигнал/шум всего 11 узлов при скорости передачи 2,5Гбит/с с удовлетворительным соотношением сигнал/шум. Реальное число каскадов EDFA из-за дисперсионной деградации сигнала уменьшается примерно в два раза.

Полоса пропускания усилителей EDFA. Поскольку передаточная характеристика EDFA в рабочей области не плоская даже для фтор-цирконатных EDFA, то разброс в 2 дБ остается при коэффициенте усиления 30 дБ. После 50 каскадов усилений начальная зона в 30 нм сокращается до 10 нм. С этой точки зрения желательно для передачи использовать плотно расположенные волновые каналы (DWDM) и в области наибольшего плато. При передаче мультиплексного сигнала, размещенного в широкой зоне EDFA, в случае большого числа каскадов, могут требоваться специальные эквалайзеры, вносящие затухание на тех длинах волн, соответствующие каналы которых испытывают наибольшее усиление.

Поперечные помехи. Поперечные помехи могут быть как межзонными, так и внутризонными. Межзонные помехи возникают между двумя различными длинами волн и обычно не носят кумулятивный характер, поскольку существует множество фильтров в сети. Для их подавления достаточно поставить соответствующий узкозонный фильтр перед оптическим приемником. Внутризонные помехи значительно сложнее контролировать. Они могут накапливаться, и простым способом их подавить невозможно. Анализ показывает, что чувствительность фильтра должна быть более, чем на 20 дБ ниже для соседней длины волны, чтобы минимизировать эффект внутризонных помех. Внутризонные помехи могут включать когерентные биения. При расчете и создании архитектур полностью оптических сетей следует оценивать вклад от внутризонных помех. Простые фильтры типа Фабри-Перо не имеют достаточно резкой передаточной характеристики, чтобы уменьшить внутризонные поперечные помехи.

Линейная дисперсия волокна. Основным фактором является систематическое накопление хроматической дисперсии в одномодовом волокне, которая для волокна типа NZDSF может достигать 5−6 пс/нм в расчете на 1 км. Полная допустимая величина дисперсии в оптическом сегменте между регенераторами зависит от стандарта.

Нелинейная дисперсия EDFA. Использование оптических усилителей позволяет компенсировать потери мощности в волокне, но это создает дополнительные нелинейности — хвосты в спектральном представлении сигнала (волнового пакета), несущие меньшую мощность испытывают большее усиление по сравнению с центральной частью пакета, приводя к появлению нелинейной дисперсии. Увеличение пролетов между каскадами EDFA, и, соответственно, уменьшение числа самих каскадов, снижает нелинейную дисперсию, но усиление более слабого сигнала приводит к уменьшению соотношения сигнал/шум.

Поляризационная модовая дисперсия (PMD). Эта дисперсия возникает в волокне из-за неидеальной циркулярности реального волокна. Практически PMD начинает вносить ограничение на длину безрегенерационного участка только при очень большой скорости передачи на канал (10 Гбит/с). При этом максимальное значение PMD в линии не должно быть больше 1/10 от битового интервала. PMD нелинейно зависит от расстояния L (как L^-½), поэтому растет медленнее с ростом расстояния.

Стимулированное Рамановское рассеяние. Этот нелинейный эффект, также известный как спонтанное комбинационное рассеяние, связан с рассеянием света на колебаниях поляризованных молекул волокна. Под действием света большой интенсивности происходит поляризация совершающих тепловые колебания молекул, при этом сам падающий свет испытывает рассеяние, трансформируя часть своей энергии как в традиционный рэлеевский компонент (на частоте падающего света н), так и в два боковых нелинейных компонента: стоксовый (на частоте нд) и антистоксовый (на частоте н +д), где дчастота колебаний молекул в волокне.

Именно два нелинейных компонента приводят к поперечным помехам между каналами в мультиплексном сигнале и, в конечном итоге, к его деградации. Из-за этого, в частности при мощности передатчика 0 дБм и межканальном интервале 4 нм, только 8 каналов можно мультиплексировать при протяженности линии 1000 км, и только 4 канала при протяженности 8000 км .

Четырехволновое смешивание — FWM. Природа нелинейного эффекта FWM связана с наличием слабой зависимости показателя преломления волокна от интенсивности распространяемого по нему света, в результате чего из двух волн с частотами н_i и н_j появляется две новые волны с частотами н_k и н_l причем н_i + н_j = н_k + н_l как того требует закон сохранения энергии. При попадании новых волн в спектральные области существующих каналов будут иметь место поперечные помехи между каналами. Влияние поперечных помех из-за FWM увеличивается с приближением хроматической дисперсии к нулю и максимально в окрестности точки нулевой дисперсии. Наиболее сильно подвержены влиянию FWM волокно с нулевой смещенной дисперсией DSF — длина волны нулевой дисперсии у этого волокна попадает в рабочую область усиления EDFA.

Итак технические параметры оптических систем — протяженность сегментов, число мультиплексных каналов в одном волокне, интервалы между каналами, битовая скорость и др. Для увеличения транспортных свойств следует руководствоваться следующими критериями:

— уменьшать интервалы между каналами (при необходимо принимать во внимание, что в волокно DSF сильные поперечные помехи в каналах могут возникать из-за FWM по мере приближения к точке нулевой дисперсии);

— минимизировать число длин волн при протяженных пролетах и большом числе каскадов EDFA;

— стремиться не делать очень большой мощность вводимого излучения — в противном случае, все нелинейные эффекты начинают проявляться особенно сильно (новое волокно фирмы Coning LEAF с большим диаметром модового поля позволяет уменьшить влияние нелинейных эффектов при сохранении прежней мощности, вводимой в волокно, поскольку интенсивность излучения на единицу площади сечения сердцевины уменьшается);

— использовать оптические усилители с большой мощностью насыщения;

— по возможности, уменьшать число оптических компонентов, вносящих потери.

2.2 Технологии мультиплексирования

Тонкопленочные фильтры.

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

Методы выбора параметров и техника нанесения диэлектрических слоев хорошо известны в оптической промышленности десятки лет. 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 используются обычно 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 (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 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.

Волоконные брэгговские решетки.

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.

Рисунок 2.3 Волоконная брэгговская решетка выделяет из составного сигнала канал определенной длины волны.

Если структура не вполне периодическая, и период модуляции ее показателя преломления изменяется монотонно (происходит чирпирование), то получается дифракционная решетка с линейно изменяющимся периодом. Такие решетки используются для компенсации хроматической дисперсии в волоконной линии связи или для коррекции чирпированного сигнала лазерного источника.

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.

Рисунок 2.4 Использование волоконных брэгговских решеток в мультиплексорах ввода/вывода каналов.

В мультиплексорах ввода/вывода каналов волоконная брэгговская решетка может использоваться вместе с двумя циркуляторами, редко используются в пассивных компонентах систем DWDM сами по себе. Со стороны порта вывода канала циркулятор выделяет отраженную волну и направляет ее в порт вывода (рис. 2.4, слева). Со стороны порта ввода циркулятор добавляет в передаваемый составной сигнал один канал на той же длине волны, что была выделена (рис. 2.4, справа). Такие устройства часто используются на границе между магистральным каналом и сетью городского или регионального масштаба. В магистральном канале обычно очень много длин волн, в то время как в городских или региональных сетях их намного меньше.

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

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 (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 Отражение составного сигнала дифракционной решеткой.

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.

Технология, использующая дифракционную решетку на массиве волноводов.

В основе первой из них (см. рис. 2.6) положен обобщенный принцип инетерферометра Маха-Цендера. Мультиплексор AWG состоит из двух многопортовых разветвителей (входного и выходного), соединенных массивом планарных оптических волноводов (МПОВ). Длина каждого волновода Li отличается от соседних на фиксированную величину L,

Li = Li-1 + L, Li+1 =Li + L.

Следовательно, каждую пару волноводов вместе с входным и выходным разветвителями можно рассматривать как интерферометр Маха-Цендера. AWG в целом — как обобщенный интерферометр Маха-Цендера, т. е. устройство, генерирующее n копий входного сигнала (с помощью входного разветвителя), распространяющихся в одинаковых средах различной длины, и складывающее эти сигналы, пришедшие с разным фазовым запаздыванием, на выходе (с помощью выходного разветвителя).

AWG может использоваться как мультиплексор (n:1) осуществляющий объединение n входных сигналов с группы входных портов ⁱ₁, ⁱ₂ ,…, ⁱ_n в один выходной — ⁱ₀, или демультиплексор (1:n), осуществляющий разбиение входного потока ₀ = _i (i =1,2, … n) на отдельные несущие ⁰₁, ⁰₂ ,…, ⁰_n и подачу их на группу выходных портов n.

Эту схему конечно можно было реализовать с помощью соединения n/2 MZI, однако схему AWG проще реализовать в виде планарной схемы с помощью интегральных оптических технологий, так как входной и выходной разветвители и массив волноводов реализуются на одной кремниевой подложке. Волноводы реализуются в виде планарных оптоволоконные световодов (диоксид кремния, легированный Ge или Та), сформированных на этой же подложке. 32-канальные AWG производятся промышленностью в виде готовых модулей, отличающихся малыми габаритами и средним уровнем вносимых потерь (см табл 2.1). Их температурный коэффициент достаточно высок (0,01 нм/С), что требует использования стабилизаторов температуры.

Схема мультиплексирования WDM на основе дифракционной решетки на массиве волноводов: а) схема мультиплексора с одним разветвителем и отражательным зеркалом; б) схема мультиплексора с входным и выходным разветвителями; в) конструкция входного разветвителя по схеме с кругом Роуленда.

Принцип работы мультиплексора A WG. Допустим, что он имеет входной nхm и выходной mхn разветвители, соединенные массивом из m световодов, длина которых отличается на L, т. е. L_i+1 = L_i + L. Входной разветвитель расщепляет сигнал с любого входного порта i на m входов массива световодов, пусть это будет световод k. Пусть далее выходной разветвитель соединяет любой из m выходов массива световодов с выходным портом j. Тогда общий путь, проходимый светом от порта i до порта j через световод k равен D_ikj = (d_ik + L_k + d_kj). Длина L_k = L₁ + (k-l)L, где L₁ длина минимального (первого) световода. Пусть аналогично длина d_ik = d_t + (k — l) d_i, a

d_kj = d_j + (k-l)d_j,

где d_i и dj минимальные пути пути между входными/выходными портами разветвителей и входами/выходами световодов. Тогда относительные фазы сигналов, проходящих от порта i до порта j через любой световод k, т. е. k-1,2, …, m, равны:

_ikj = 2n₁(d_i+ d_j)/ + 2 (k-l) *{n₁(di_i+ d_j) + n₂ L}/ (1)

Здесь n₂ и n₁ — коэффициенты преломления материала световодов (n₂) и входного и выходного разветвителей (n₁).

Первое слагаемое в (1) постоянно, второе — дает изменение относительной фазы _ikj. Те из волн, проходящих по пути D_ikj, для которых {n₁(d_i+ d_j) + n₂ L } = р будут складываться в фазе на выходе j, a, следовательно, несущая будет демодулироваться. Указанное условие будет выполняться (но для другого), если заменить р на р +1, т. е. будет демодулироваться ' и т. д. Это говорит о том, что:

— АВХ мультиплексора AWG имеет периодическую, гребенчатую форму;

— все длины волн системы WDM должны лежать в соответствующем свободном спектральном диапазоне FSR.

Указанные свойства напоминают нам интерферометрический фильтр на резонаторе Фабри-Перо, а физика работы говорит о том, что массив световодов с длиной каждого, отличающейся от соседних на L, играет роль дифракционной решетки, что делает понятным его название мультиплексор на основе дифракционной решетки на массиве волноводов.

Для понимания работы этого широко используемого типа мультиплексоров WDM интересно сделать некоторые замечания, касающиеся некоторых деталей конструкции мультиплексора, играющих важную роль в выполнении условий фильтрации (сложения в фазе компонентов сигнала на выходе) поясняемых рис. 2.6, в именно:

— входы массива световодов (выходные порты входного разветвителя) лежат на окружности решетки волноводов ОРВ (grating circle) радиуса R с центром в точке входа центрального входного волновода;

— входы других входных волноводов лежат на окружности (вписанной в ОРВ между ее центром и точкой касания общей касательной) диаметра R; эта окружность называется кругом Роуленда;

— шаг распределения входных ОВ и массива световодов постоянен в направлении касательных в точках, между которыми вписан круг Роуленда;

— длина дуги ОРВ, занимаемая входами массива световодов, должна быть много меньше R;

— при соблюдении вышеперечисленного длина пути между любым входом входного разветвителя и его любыми двумя последовательными выходными портами постоянна;

— при соблюдении вышеперечисленного диапазон FSR примерно постоянен и не зависит от выбора пары вход-выход (i-j) мультиплексора.

Для сокращения размеров мультиплексора вдвое и экономии компонентов можно использовать схему Литтроу для компоновки мультиплексора, разрезав его схему на рис. 2.6,б пополам и поместив в плоскости разреза зеркало (см. рис. 2.6,а). Потоки несущих с выхода массива световодов будут отражаться зеркалом и подаваться со стороны внутренних выходных портов единственного разветвителя в тот же волновод разветвителя, где будет происходить интерференция входных и отраженных волн. Входной порт должен размещаться при этом в центральном входном порту разветвителя.

Технология трехмерного оптического мультиплексирования (3DO).

3DO технология также использует классическую схему с плоской отражательной дифракционной решеткой (1), вогнутым зеркалом (2) и массивом волокон (3) (см. рисунок 2.7), размещенных в пазах решетки с фиксированным шагом. Схема работы (в режиме демультиплексора) проста: мультиплексированный поток из входного волокна (А), расходясь конусом с углом, (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 показано выделение одного такого канала, конус лучей которого (с тем же углом () фокусируется в точке В (порте выходного волокна).

Все элементы конструкции строго фиксированы в стеклянном блоке (4), что позволяет выдержать и сохранять высокую точность изготовления. Указанная конструкция может быть использована как с параболическим, так и сферическим зеркалами, имеет коэффициент увеличения равный 1. Она афокальна (т.е. не имеет фокуса), так что все исходящие и входящие в волокна углы одинаковы. ОМ 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 2.1 Сравнение различных технологий оптического мультиплексирования.

Из таблицы 2.1 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.

2.3 Источники излучения. Лазерные диоды

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

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP-лазеры).

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, вывод излучения наружу. 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. В противном случае в область Дл_0,5 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 очень 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 когда реализуется одномодовый режим излучения и Дл мало, с ростом скорости передачи у FP 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, а в DBR лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области. 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 100-процентная глубина модуляции. Температурный коэффициент Дл / ДТдля 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. 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.

2.4 Реализация усилителей EDFA

Рассмотрим более подробно простую реализацию EDFA. Ее можно представить в виде следующей схемы,

Схема состоит из двухканального волнового мультиплексора WDM (оптического развет-вителя), к одному каналу которого подключено через оптический фильтр-изолятор ОФИ-1 волокно — источник информационного сигнала 1550 нм, к другому — лазерный диод накачки ЛД, генерирующий сонаправяенную волну накачки 980 или 1480 нм. С выхода мультиплексора сигнал подается в кольцо специального ОВ, легированного эрбием. Длина волокна в кольце 15−20 м. Усиленный в кольце сигнал 1550 нм является выходным сигналом усилителя, который снова подается в волокно через оптический изолятор ОФИ-2. Дополнительные оптические фильтры-изоляторы на обоих концах легированного ОВ ставятся для предотвращения распространения света в обратном направлении, которое может привести к осцилляции излучения лазера.

Практические ОУ имеют некоторые особенности, которые не видны из этой схемы :

— легированное ОВ имеет меньший диаметр сердечника (порядка 2 мкм), чем стандартное ОМ ОВ, для увеличения плотности пучка благодаря сужению на переходе из стандартного в легированное ОВ, что позволяет увеличить эффективность процессов возбуждения и усиления;

— допускается большое затухание легированного ОВ (порядка 10 дБ/км), вызванное значительной концентрацией примеси;

— используется как сонаправленное, так и противонаправленное включение пучка накачки, последнее позволяет примерно на 2 дБ увеличить усиление (при этом примерно на 1 дБ увеличивается шум);

— для получения более устойчивой работы лазера накачки (отсутствие осцилляции) используются специальные фильтры-стабилизаторы на основе, например, оптоволоконной решетки Брэгга*;

— для получения более широкой полосы усиления и уменьшения неравномерности коэффициента усиления (создания «плоской» волновой характеристики") в них используются специальные выравнивающие устройства, например оптоволоконные решетки Брэгга; для увеличения усиления наряду с однокаскадными ОУ с одним лазером накачки разрабатываются и выпускаются ОУ с двумя лазерами накачки (которые теоретически можно рассматривать как двухкаскадные при наличии двойного комплекта основных блоков), а также двух-каскадные усилители с дополнительным выходом/входом между каскадами.

Практическая реализация оптических усилителей.

Только два типа усилителей нашли в настоящее время широкое применение в оптических сетях связи, это ППОУ и EDFA.

Указанные ОУ по функциональному назначению можно разбить на четыре группы :

— мощные усилители — МУ (бустеры), устанавливаемые непосредственно за передатчиком; их особенность в том, что они работают с большим сигналом на входе, обеспечивают максимально допустимое усиление и высокий уровень сигнала на выходе (-10 дБм и выше) и не критичны к уровню шумов;

— линейные усилители — ЛУ, устанавливаемые на линии в качестве повторителей; их особенность в том, что они работают с сигналом среднего уровня на входе, обеспечивают необходимый уровень сигнала на выходе и критичны к уровню шумов, который ограничивает общую длину регенерационного участка системы;

— предусилители — ПУ, устанавливаемые непосредственно перед приемником; их особенность в том, что они работают с сигналами очень низкого уровня (от -45 до -30 дБм) и потому очень критичны к уровню шума усилителя;

Указанные типы ОУ, их обозначения и положение в схеме оптической системы связи показаны ниже:

В свою очередь, ЛУ делятся на ЛУ первого поколения, ЛУ-I, и ЛУ второго поколения, ЛУ-Н. ЛУ-I может быть однокаскадным или двухкаскадным, но он не имеет дополнительного входа между каскадами. ЛУ-П — Двухкаскадный и имеет такой вход, что дает возможность для его более гибкого функционального использования: позволяет осуществлять внутреннюю коммутацию и различные функциональные преобразования (например, компенсацию УСИ, установку модуля компенсации дисперсии, ввод/вывод одного из усиливаемых каналов в системах WDM и др.). Это дает возможность уменьшить количество или номенклатуру используемого оборудования, а значит, и упростить возможное решение.

2.5 Выбор оптического волокна для проектируемой ВОЛС

Волокно SF. В начале 80-х годов передатчики на длину волны 1550 нм имели очень высокую цену и низкую надежность и не могли конкурировать на рынке с передатчиками на длину волны 1300 нм. Поэтому стандартное ступенчатое волокно SF (рис. 2.13 а) стало первым коммерческим волокном и сейчас наиболее широко распространено в телекоммуникационных сетях. Оно оптимизировано по дисперсии для работы в окне 1310 нм, хотя и дает меньшее затухание в окне 1550 нм.

Волокно DSF. По мере совершенствования систем передачи на длине волны 1550 нм встает задача разработки волокна с длиной волны нулевой дисперсии, попадающей внутрь этого окна. В итоге в середине 80-х годов создается волокно со смещенной дисперсией DSF, полностью оптимизированное для работы в окне 1550 нм как по затуханию, так и по дисперсии. На протяжении многих лет волокно DSF считается самым перспективным волокном. С приходом более новых технологий передачи мультиплексного оптического сигнала большую роль начинают играть эрбиевые оптические усилители типа EFDA, способные усиливать многоканальный сигнал. К сожалению, более поздние исследования (в начале 90-х годов) показывают, что именно длина волны нулевой дисперсии (1550 нм), попадающая внутрь рабочего диапазона эрбиевого усилителя, является главным потенциальным источником нелинейных эффектов (прежде всего, четырехволнового смешивания), которые проявляются в резком возрастании шума при распространении многоканального сигнала.