VOLT 2011 MTS 4 kurs

Волоконно-оптические
системы передачи
Высокоскоростные
оптические линейные тракты
WDM
Автор Иванов В.И.
Литература
Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник
для вузов / В.И. Иванов, В.Н. Гордиенко, Г.Н. Попов и
др.; Под ред. В.И. Иванова. – М.: Радио и связь. – 1995.
Второе издание: М.: Горячая линия – Телеком. 2003.
 Волоконно-оптические системы передачи. Учебное
пособие /Иванов В.И., Адамович Л.В. Самара: СРТТЦ,
2007, - 138 с.: ил.


СПЕКТРАЛЬНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВОЛС.
Учебное пособие /Иванов В.И Самара: ПГУТИ, 2011, - ?
с.: ил.
 Основы построения телекоммуникационных систем и
сетей: О-75 Учебник для вузов /В.В. Крухмалев, В.Н.
Гордиенко, А.Д. Моченов, В.И. Иванов и др.: Под ред.
В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалева: - М.: Горячая линия –
Телеком, 2004. – 510 с.: ил. Второе изд. 2008. – 424 с.:
ил.
Зависимость затухания ОВ от
длины волны
ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ ОВ
Изменение относительной
информационной емкости систем связи за
последние 100 лет
Рис. 1. Изменение относительной информационной емкости систем связи за последние 100 лет
Мировые системы PDH
USA
Japan
5.
4.
3.
Europe
397200 кбит/с
x4
97728
кбит/с
x3
32064
кбит/с
2. порядок
x5
Первичная скорость
564992 кбит/с
274176 кбит/с
x7
x6
44736
кбит/с
6312
кбит/с
1544
кбит/с
x4
x3
x4
139264
кбит/с
34368
кбит/с
x4
x3
8448
кбит/с
x4
x 30/31
2048
кбит/с
x 24
64 кбит/с
x4
Мировые системы SDH
64kбит/с
2Мбит/с
34Мбит/с
140Мбит/с
STM-1 155 Мбит/с
STM-4 622 Мбит/с
STM-16 2.5 Гбит/с
STM-64 10Гбит/с
STM-256 40 Гбит/с
Методы уплотнения ВОЛС
 Временное уплотнение (Times Division
Multiplexing,TDM).
- на уровне объединения электрических
сигналов
- на уровне объединения оптических сигналов
 Пространственное уплотнение.
 Спектральное уплотнение (Wavelength
Division Multiplexing, WDM). (Frequency
Division Multiplexing, FDM, ЧРК)
Временное уплотнение
- на
уровне объединения электрических сигналов
А
А’

ОВ
ОПр
ОПер
УО
УР
В
- на
В’
уровне объединения оптических сигналов
1
ОПер1
ОВ
2
ОПер2
N
ОПерN
t
( N  1)t
ОС
Пространственное уплотнение
ОВ
ОВ
ОК
Обобщенная схема WDM
1
1
коо
ОС
ОПр
ОПер
N
1
λ1
коо
ОС
ОПер
МП
коо
N
λ1
λ1 ,λ2, ……..λn
λ2
ОС
λ
λ2
1
ОПр
ОС
коо
ДМП
N
N
λn
1
коо
N
ОС
ОПер
1
λn
ОПр
ОС
коо
N
 Основы WDM технологии были заложены в
1958, еще до появления самой волоконной
оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде
чем были созданы первые компоненты
мультиплексных систем. Первоначально они
создавались для лабораторных исследований,
и лишь в 1980 году технология спектрального
уплотнения (Wavelength Division Multiplexing,
WDM) была предложена для
телекоммуникаций. А еще через пять лет в
исследовательском центре компании AT&T
была реализована технология плотного
спектрального уплотнения (Dense Wavelength
Division Multiplexing, DWDM), когда удалось в
одном оптическом волокне создать 10 каналов
по 2 Gbps.
Принцип
организации
волоконнооптической связи
А
1
2
N
КОО
ОС
ОВ
ОПер
Б
ОВ
ОР
Промежуточная
станция
ОПр
ОС
КОО
1
2
N
Принцип построения одноволоконной однополосной
однокабельной ВОСП
ОС
1
2
КОО
N

ОВ
ОПер
ОРУ
ОС
ОПр
ОПр
ОС
2
ОРУ

1
КОО
ОПер
ОС
N
Принцип построения двухволоконной однополосной
однокабельной ВОСП

1
2
N
ОС
ОВ
ОПер
ОПр
1
2
ОС
КОО
КОО
ОС
ОПр
ОПер
ОВ

ОС
N
Принцип построения одноволоконной двухполосной
однокабельной ВОСП
ОС
1
2
КОО
N
ОПер
ОФ1
1
ОВ
ОФ1
ОПр
ОС
КОО
Рис. 1.4.
ОС
ОПр
1
2
ОФ 2
2
ОФ 2
ОПер
ОС
N
Обобщенная схема WDM
1
1
коо
ОС
ОПр
ОПер
N
1
λ1
коо
ОС
ОПер
МП
коо
N
λ1
λ1 ,λ2, ……..λn
λ2
ОС
λ
λ2
1
ОПр
ОС
коо
ДМП
N
N
λn
1
коо
N
ОС
ОПер
1
λn
ОПр
ОС
коо
N
Схема организации связи.
Преимущества технологии спектрального уплотнения
очевидны:
 существенное увеличение полосы пропускания оптического
волокна (возможность организации в одном волокне до 160
спектральных каналов, каждый до 10 Гбит/с);
 возможность использования различных длин волн для
передачи разного рода трафика;
 «прозрачность» оптических интерфейсов оборудования
DWDM для передачи практически всех существующих на
сегодняшний день протоколов физического уровня (Fast
Ethernet, Gigabit Ethernet, PDH, ATM, Sonet / SDH, Fiber
Channel и т.д.);
 использование оптических усилителей (EDFA, Raman
Amplifier) позволяет реализовать участки большой
протяженности без регенерации цифровых каналов
(до 1 500 км).
Структурная схема ВОСП - WDM
TX
S
T
M
1
6
S
T
M
1
6
A
T
M
RT1
0
S RT2
0
S RTn
0
T
X1
T
X2
T
Xn
S1
OP
RX
RM
SD1
1
1
S2
1 R1
OSC
2
S
RM
n
n
1
ST
1
R
0
LOA
RM
2
R
X
S
T
M
1
6
ОМ/
ОА
R’
S
’
R’
S
’
MPI-S
OA/
OD
MPI-R
STM-16
SD2
R
X
2 R2
2
R
X
SDn
STM-16
n
Rn
n
OSC
OSC
N
ST
2
R
0
ST
n
0
S
T
M
1
6
R
A
T
M
Спектр ВОСП-WDM




Современные ВОСП-WDM рассчитаны
для работы в третьем и четвертом
окнах прозрачности спектра ОВ. Весь
спектр разбит на два диапазона С и L
(С - Band, L - Band). С-диапазон разбит
на два поддиапазона S(R) и L(R).
Границами этого диапазона являются
длины волн 1528,77 нм и 1569,59 нм
(соответственно частоты 191,0 ТГЦ
и 196,2 ТГц). L-диапазон
характеризуется граничными
длинами волн 1569,59 нм и 1612,55 нм
(соответственно 191,0 ТГЦ и 185,9
ТГц). Таким образом, ширина спектра
С - диапазона - 40,8 нм (5,2 ТГц), L диапазона - 43,1 нм (5,1 ТГц).
В зависимости от расположения
каналов в этих спектрах ВОСП-WDM
подразделяются на:
простыеWDM – системы
(номинальное частотное разнесение
каналов, НЧР, не менее 200 ГГц, число
каналов не более 8);
плотные WDM – системы DWDM
(частотное разнесение каналов не
менее 100 ГГц, число каналов не более
40);
сверхплотные WDM – системы
HDWDM (частотное разнесение
каналов порядка 50 и 25 ГГц , число
каналов порядка 80 и 160).
C(B)
S(R)
L(B)
L(R)
43
40,82
1528,77
196,2
1545,32
194
5,2
1569.59
1612,65
185,9
191,0
5,1
,
нм
f, ТГц
ITE-T
передатчик
GE
ОЕО
ATM
ОЕО
Оптический
мультиплексор
ОМ
ввода/вывода
ОМ ОА
ОАDM
ОЕО
DCU
ОD
GE
ОЕО
ATM
Принимающие
транспондеры
Транспондеры
SDH
ОА
ОЕО
Оптический
усилитель
ОЕО
SDH
Компенсатор
хроматической
дисперсии
Значения центральных частот каналов при использовании ОВ
G.652/G.655
Интервал 100
ГГц (8 каналов
и более)
Интервал 200 ГГц (4
канала и более)
196,1
*
*
196,0
*
195,9
*
195,8
*
195,7
*
195,6
*
195,5
*
195,4
*
195,3
*
195,2
*
195,1
*
195,0
*
194.9
*
194,8
*
194,7
*
194,6
*
194,5
*
194,4
*
194,3
*
194,2
*
194,1
*
Частота
ТГц
Интервал 400 ГГц
(только 4 канала)
Интервал 500/400 ГГц
(только 8 каналов)
Интервал 600 ГГц
(только 4 канала)
Интервал 1000
ГГц (только 4
канала)
Длина волны,
нм
1528.77
1529,55
*
1530,33
1531,12
*
1531,90
1532,68
*
*
*
1533,47
1534,25
*
*
1535,04
1535,82
*
1536,61
1537,40
*
*
1538,19
*
1538,98
*
1539,77
1540,56
*
*
1541,35
1542,14
*
*
*
1542,94
1543,73
*
1544,53
Эталонные цепи
22дБ
BA
LA
LA
LA
OMUX
ОВ
LA
ОВ
LA
OMUX
LA
ОВ
OMUX
ОВ
LA
ОВ
LA
ОВ
ОВ
LA
ОВ
120 км, 0,3 дБ/км
PA
DMUX
PA
DMUX
DMUX
36 дБ
OMUX
DMUX
PA
220 км 0,3 дБ/км
BA
PA
LA
600 км 0,3 дБ/км
33 дБ
BA
LA
640 км 0,3 дБ/км
30 дБ
BA
LA
Технология
CWDM
Оптический
мультиплексор
ITE-T
передатчик
GE
ОЕО
ATM
ОЕО
Транспондеры
SDH
ОЕО
ОМ
ввода/вывода
ОМ
ОАDM
ОD
ОЕО
GE
ОЕО
ATM
Принимающие
транспондеры
ОЕО
SDH
Распределение длин волн по диапазонам
Оптические диапазоны улучшенного стекловолокна
G.652
О – диапазон
1260-1360 нм
Основной
E – диапазон
1360-1460 нм
Расширенный
S – диапазон
1460-1530 нм
Коротковолновый
C – диапазон
1530-1565 нм
Стандартный
L – диапазон
1565-1625 нм
Длинноволновый
U – диапазон
1625-1675 нм
Сверхдлинный
Тип волокна
Основное применение
G.652.C/D
G.655
Системы
SDH/CWDM/DWDM
Магистральная,
зоновая, городская сеть,
кабельное телевидение,
PON, сети FTTH
Замена волокна
G.652.A/B с окном
прозрачности на 1400 нм
G.655, G.656
Системы SDH/DWDM
От 2.5 до 10 Gbit/s на
один оптический канал
Магистральная,
зоновая, городская сеть
Системы
SDH/CWDM/DWDM
От 10 до 100 Gbit/s на
один оптический канал
Магистральная,
зоновая, городская сеть
Число несущих, n
2
4
8
16
32
64
128
256
Pном=17 дБм
14
11
8
5
2
-1
-4
-7
Pном=30 дБм
27
24
21
18
15
12
9
6
В системах CWDM, в соответствии с рекомендацией МСЭ G.694.2 следует использовать не более
18 несущих с шагом 20 нм: 1270, 1290, 1310 ... 1570, 1590, 1610, т.е. если общая требуемая
ширина диапазона длин волн не превышает 360 нм. Следует учесть, что на краях такого широкого
диапазона затухание достаточно велико, особенно в области коротких волн. Увеличить число
каналов до 18 позволили так называемые волокна с нулевым водяным пиком (ZWPF, Zero Water
Peak Fiber; LWPF, Low Water Peak Fiber), параметры которых определяет рекомендация ITU-T
G.652.C/D. В волокнах данного типа устранен пик поглощения на длине волны 1383 нм и величина
затухания на этой длине волны составляет порядка 0,31 дБ/км, что вполне приемлемо для систем
CWDM.
Волокно G.653 оказалось непригодным для новой стремительно развивающейся технологии
спектрального мультиплексирования WDM из-за нулевой дисперсии на 1550 нм, приводившей к
резкому возрастанию искажений сигнала от четырехволнового смешения в этих системах.
Наиболее приспособленным для плотного и высокоплотного WDM (DWDM и HDWDM) оказалось
оптическое волокно G.655, а для разреженного WDM (CWDM) – недавно стандартизованное
оптическое волокно G.656
Применение различных типов волокон
Тип
волокна
G.652.C/D
G.655
G.655, G.656
Основное
применение
Системы SDH/CWDM/DWDM
Магистральная, зоновая, городская сеть,
кабельное телевидение, PON, сети FTTH
Замена волокна G.652.A/B с окном
прозрачности на 1400 нм
Системы SDH/DWDM
От 2.5 до 10 Gbit/s на
один оптический канал
Магистральная,
зоновая, городская сеть
Системы
SDH/CWDM/DWDM
От 10 до 100 Gbit/s на
один оптический канал
Магистральная,
зоновая, городская сеть
Создание волокон без «водяного пика», позволило использовать в системах
связи все волны в диапазоне от 1260 до 1625 нм, – т.е. там, где кварцевое
оптическое волокно обладает наибольшей прозрачностью.
Классификация:
•2-канальный WDM;
•грубое спектральное мультиплексирование (CWDM);
•плотное спектральное уплотнение (DWDM).
Эти
технологии
могут
предложить
оператору
одну
дополнительную длину волны (или виртуальное волокно),
18 добавочных длин волн или до 160 добавочных длин волн.
Все эти технологии используют существующее волокно
в операторской сети.
Стандарт ITU для CWDM определяет 18 каналов от 1271 нм до
1611 нм
с расстоянием между соседними каналами в 20 нм.
Полоса длин волн DWDM занимает округленно от 1530 нм до
1565 нм. В этой же полосе работают легированные эрбием
усилители оптического сигнала (EDFA).
Принципиальные отличия CWDM от уже широко-известной технологии
DWDM заключаются в следующем:
 спектральное расстояние между соседними каналами составляет 20




нм (для сравнения, в технологии DWDM - 0.8 нм или 100 ГГц между
каналами), соответственно максимальная емкость сети CWDM ниже,
чем DWDM, а также предъявляются не столь жесткие требования к
оптическим параметрам передатчиков и, как следствие, они дешевле,
чем трансмиттеры (передатчики) для DWDM;
поскольку большинство из каналов выходят за пределы рабочей
спектральной полосы эрбиевых оптических усилителей (EDFA),
использующихся в технологии DWDM, то бюджет сети CWDM
определяется исключительно параметрами трансиверов CWDM;
так как, в отличие от DWDM, каналы CWDM могут находиться в
различных спектральных диапазонах (O-band, S-band, C-band, L-band),
то бюджет линии в этом случае определятся оптическими потерями на
ту длину волны, для которой они в волокне максимальны; например,
средние потери на длину волны 1310 нм составляют, как правило, 0.33
дБ/км, в то время как на 1550 нм – 0.22 дБ/км;
на сегодняшний день максимальная скорость передачи в сетях CWDM
ограничена значением 2.7Гбит/с (с FEC), в то время как в DWDM уже
используются скорости 10.0 Гбит/с;
как правило, область применения технологии CWDM ограничивается
сетями уровня «Метро» и редко используется для построения
магистральных междугородских линий связи.
Волновые планы CWDM и DWDM
В системах CWDM используется разреженная сетка длин волн со стандартным
фиксированным расстоянием между несущими 20 нм. Решения CWDM
рассматриваются как дешевая замена более дорогих систем DWDM в тех случаях,
когда пользователям требуется не более 8-16 каналов WDM.
Полоса С содержит длины волн в диапазоне 1528,77-1560,61 нм, а L - 1566,311612,65 нм. В них попадают следующие несущие CWDM: 1530,1550,1570,1590 и 1610
нм. С другой стороны, как видно из рис. в полосе пропускания фильтра одной из
несущих CWDM может разместиться восемь несущих DWDM полосы С.
Из сказанного выше следует, казалось бы, простой метод формирования гибридного
частотного плана и первая стратегия расширения числа несущих:
a) используя план CWDM, разместить восемь основных каналов (1470-1610 нм);
б) при необходимости увеличения числа каналов, заменить один из каналов CWDM
на восемь каналов DWDM.
Какие ограничения каждой из этих
технологий?
• Двух (или трех) канальная WDM ограничена одним или двумя
каналами, которые могут быть добавлены к каналу
1310 нм. Дальность системы обычно ограничена потерями
в канале 1310 нм.
• Системы CWDM, хотя и являются многоканальными,
но не имеют никаких механизмов оптического усиления
и ограничения в дальности определяются по каналу
с максимальным затуханием. Более того, каналы из области
от 1360 нм до 1440 нм могут испытывать наибольшее затухание
(от 1 до 2 dB/км) из-за водяного пика в этой области для
некоторых типов оптического кабеля.
• Системы DWDM обычно ограничены по дальности 45 участками усиления из-за шумов усиленного спонтанного
излучения (ASE, Amplified Spontaneous Emissions) в EDFA.
Имеются средства моделирования, позволяющие точно
определить сколько EDFA может быть установлено. На длинных
участках (> 120 км) может создавать проблемы дисперсия, что
требует установки модулей компенсации дисперсии. Полоса
DWDM ограничена длинами волн в пределах от 1530 нм до
1565 нм диапазоном усиления EDFA.
Фирма "ЛОИС"
Схема организации связи.
Технология CWDM лучше всего подходит для построения
каналов протяженностью до 80 км. Как правило, к этой
категории относятся линии связи между узлами доступа
и
коммутационными
центрами
сети
провайдера.
Системы CWDM позволяют сэкономить немало средств
на затратах построения и модификации волоконных
линий, узлов, аренды волокна, обеспечивая высокую
степень эффективности, безопасности, устойчивости и
качества обслуживания соединений.
Для преобразования оптического сигнала на стандартной длине
волны
в
сигнал
CWDM
необходимо
использовать
медиаконвертер (транспондер). Однако, все оборудование
фирмы "ЛОИС" при заказе может комплектоваться оптическим
окончанием CWDM-типа, что позволяет подключать его
непосредственно к пассивному CWDM мультиплексору без
транспондера.
Медиаконвертер (транспондер) 8-канальный STM, ATM,
Gigabit Ethernet 1U
•до 8 дуплексных каналов
•поддержка стандартов STM-1, STM-4, STM-16, ATM,
Gigabit Ethernet
•скорость передачи информации в канале 125-2400
Мбит/с
•максимально гибкое конфигурирование обоих портов
каждого канала
•отключаемая поддержка LLCF (Link Loss Carry Forward)
•возможны конфигурации преобразования CWDM<>CWDM, WDM<->CWDM, 1000BASE-T<->CWDM и пр.
•поддержка любых оптических и проводных SFP модулей
•резервированая подсистема питания 48 и 220 В
•стандартныя сетка CWDM частот от 1270 нм до 1610 нм
•возможность работы с оборудованием любого
производителя
•управление по SNMP и через Web-интерфейс
•конструктив 19" 1U
Пассивный оптический мультиплексор CWDM
•до 16 симплексных CWDM каналов в одном волокне
•до 8 дуплексных CWDM каналов в одном волокне
•возможность работы по одному волокну в любом
направлении
•вносимое затухание не более 3.8 дБ для 8 каналов и не
более 6.6 дБ для 16
•ослабление соседнего канала не менее 30 дБ
•ослабление остальных каналов не менее 40 дБ
•стандартныя сетка CWDM частот от 1270 нм до 1610
нм
•возможность прямой работы с любым оптическим
оборудованием LOFIS
•возможность работы с оборудованием любого
производителя через транспондеры
•конструктив 19" 1U или для монтажа в оптический кросс
Компоненты системы WDM
1
WDM MUX
WDM DEMUX
n
1
n
Мультиплексор и демультиплексор
Тонкопленочный фильтр
 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.
1
1
2
3
3
2
1   2
λ1- падающая волна, λ2 - отраженная, λ3 – прошедшая
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
 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, заранее
заданного диапазона длин
волн, и пропускать свет всех
остальных длин волн.
Волоконная брэгговская решетка
выделяет из составного сигнала канал
определенной длины волны
Использование волоконных брэгговских решеток в
мультиплексорах ввода/вывода каналов
λ1,λ2...λn
Ввод λ1
Волоконная
брэгговская
решетка
λ1,λ2...λn
Вывод λ1
λ1,λ2...λn
Циркулятор
Вывод λ1
λ1,λ2...λn-1
Волоконная
брэгговская
решетка
λ1,λ2...λn
Циркулятор
Ввод λ1
 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
Дифракционные решетки

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 добавлять в него. Хотя
устройство 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.
1
2
Падающий свет
Короткие волны
Отраженный свет
Длинные волны
Устройства компенсации дисперсии
 Хроматическая дисперсия приводит к уширению оптических импульсов по
мере их распространения по волокну. При большой протяженности линии
связи это проявляется в том, что близко идущие импульсы начинают
перекрываться, ухудшая сигнал. Устройства компенсации дисперсии DCD
(Dispersion Compensation Devices) придают сигналу равную по величине,
но противоположную по знаку дисперсию и восстанавливают
первоначальную форму импульсов. Наиболее распространены два типа
устройств DCD - волокна, компенсирующие дисперсию DCF (Dispersion
Compensating Fibers) и решетки, компенсирующие дисперсию DCG
(Dispersion Compensating Gratings).
Оптические усилители
Типовые схемы накачки EDFA (DCD - устройство компенсации
дисперсии, dispersion compensation device)
Рс  Рн
Рс
Рс
Y
а)
Рн
Рс  Рн
б)
Рс
Y
Рн
Рс
в)
Рс  Рн
Рс
Y
Y
Рн
г)
Рс
Рн
Рс  Рн
Рс
Y
Рн
Рс
Рс  Рн
DCD
Y
Рн
Рс
Энергетическая диаграмма уровней атомной системы усилителя на
приемном волокне
Уровень В
Уровень С
Энергия
hfca
Уровень А
Зависимость коэффициента усиления от мощности входного сигнала
и различные режимы работы EDFA



В режиме насыщения (область С ) как усилитель мощности (бустер)
сразу после лазера передатчика.
Бустер повышает мощность сигнала и Рвых
позволяет максимально увеличить
расстояние до первого линейного
усилителя.
В режиме промежуточных значений
усиления и шума (область В ) – как
линейный усилитель. Он усиливает
сигнал, насколько это возможно,
S
внося при этом как можно меньше
шума.
В режиме наименьшего шума
(область А ) - как предусилитель
перед приемником. Предусилитель
повышает мощность слабого сигнала
в конце линии связи и практически
всегда используется вместе с
узкополосным фильтром.
А
В
С
А - режим предварительного
усилителя
В- режим линейного усилителя
С- режим усилителя мощности
Рвх
Рвх
Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины
волны
Основные параметры коммерчески доступных эрбиевых волоконных
усилителей:
 коэффициент линейного усиления





(малосигнального) – 30-40 дБ;
мощность насыщения -- до 0,5 Вт;
спектральная полоса усиления – 30-40 нм;
диапазон рабочих (усиливаемых) длин волн -(1530-1570) нм;
коэффициент шума -- (4-6) дБ.
Современные эрбиевые волоконные усилители
обеспечивают усиление модулированных
оптических сигналов в полосе до 40 ГГц. Имеются
экспериментальные работы, в которых показана
возможность усиления модулированных сигналов
с скоростями модуляции до 160 Гбит/с.


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭФФЕКТА РАМАНА В САМОМ ОПТИЧЕСКОМ
ВОЛОКНЕ
РАМАНОВСКОЕ УСИЛЕНИЕ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В
СЛЕДУЮЩЕМ. ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ СВЕТА
ПОДХОДЯЩЕЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ В КВАРЦЕВОМ
ВОЛОКНЕ ПРОИСХОДИТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КВАНТОВ
ПУЧКА С АТОМАМИ (ИОНАМИ) ВЕЩЕСТВА, В
РЕЗУЛЬТАТЕ ЧЕГО ЭЛЕКТРОНЫ ПЕРЕХОДЯТ НА
ВОЗБУЖДЕННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ. ЕСЛИ
ЧЕРЕЗ ТАКОЕ ВОЛОКНО ПРОПУСТИТЬ СВЕТ С
БЛИЗКОЙ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ, ТО ОН ВЫЗОВЕТ
ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. НА РИС. ПРИВЕДЕНА
СХЕМА ПЕРЕХОДОВ ПРИ РАМАНОВСКОМ УСИЛЕНИИ.
ЛАЗЕР НАКАЧКИ, ИЗЛУЧАЮЩИЙ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ
1480 НМ, ПЕРЕВОДИТ ЭЛЕКТРОНЫ НА
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЙ
УРОВЕНЬ. ПОД ДЕЙСТВИЕМ СТИМУЛИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ ОНИ ПЕРЕХОДЯТ НА БОЛЕЕ НИЗКИЙ
УРОВЕНЬ – КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ, ИСПУСКАЯ КВАНТ С
ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 1580 НМ, А ЗАТЕМ ПРОИСХОДИТ
БЕЗЫЗЛУЧАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕХОД (ВЕРНЕЕ, С
ИЗЛУЧЕНИЕМ ФОНОНА) С КОЛЕБАТЕЛЬНОГО УРОВНЯ
В ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ.
 ПОСКОЛЬКУ ИМЕЕТСЯ ШИРОКИЙ НАБОР КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЫШЕ ОСНОВНОГО, ТО
РАМАНОВСКИЙ СПЕКТР НЕ ПРИВЯЗАН К ФИКСИРОВАННЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЯМ, КАК В
СЛУЧАЕ С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ. ПОЭТОМУ ПРИ ДОСТАТОЧНО МОЩНОМ ЛАЗЕРЕ
НАКАЧКИ УСИЛЕНИЕ МОЖЕТ БЫТЬ ПОЛУЧЕНО НА ЛЮБОЙ ДЛИНЕ ВОЛНЫ В ИНФРАКРАСНОЙ
ОБЛАСТИ. ЭТА ОСОБЕННОСТЬ ПОЗВОЛЯЕТ ПРИМЕНЯТЬ РАМАНОВСКИЕ УСИЛИТЕЛИ ВО ВСЕМ
ДИАПАЗОНЕ ПЕРЕДАЧИ КРЕМНИЕВЫХ ОПТОВОЛОКОННЫХ КАБЕЛЕЙ, ЧТО КРАЙНЕ ВАЖНО ДЛЯ
СЕТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ WDM
При построении оптоволоконных сетей с рамановскими усилителями перед
разработчиками встает вопрос: как направить луч накачки – в прямом или в обратном
направлении по отношению к распространению информационного сигнала? Схема
обратного распространения луча применяется чаще, так как она обладает рядом
преимуществ. Дело в том, что при прямом распространении на сигналы сильное
влияние оказывает шум лазера накачки, который обусловлен небольшими
флуктуациями его мощности, что почти всегда имеет место. Поскольку рамановский
процесс происходит почти мгновенно, то отдельные информационные биты могут
усиливаться по-разному, что приводит соответственно к флуктуациям амплитуд. Если
же применяется схема обратного распространения, то флуктуации мощности
усредняются, так как каждый индивидуальный бит «видит» рамановскую накачку
несколько миллисекунд (рис).
Рамановские усилители перспективны в силу следующих принципиальных
преимуществ
 они могут усиливать на любой длине волны;
 в качестве их активной среды может использоваться сам волоконный
световод;
 спектр их усиления зависит от спектра накачки, поэтому подбором
источников накачки можно формировать очень широкую (более 100 нм)
полосу усиления;
 низкий уровень шумов.
 Основной же их недостаток - не очень высокая эффективность,
приводящая к необходимости использовать довольно мощную непрерывную
накачку (~1 Вт), чтобы получать усиление около 30 дБ (типичная величина
для систем оптической связи).
Только в последнее время разработаны высокоэффективные рамановские
волоконные лазеры, работающие практически на любой длине волны в
диапазоне 1.2-1.5 мкм, а также усилитель этого типа, использующий
специальные волоконные световоды с большим содержанием германия и
низкими оптическими потерями. Появилась возможность использовать
гибридный усилитель, состоящий из распределенного рамановского и
эрбиевого волоконного. С его помощью X. Масуда с соавторами получил
полосу усиления свыше 80 нм. Их результаты были представлены на
конференции в Сан-Хосе в 1998 г. Кроме того, этот гибридный усилитель
обеспечивает лучшие шумовые характеристики.
ПУСК-М. Мультисервисная DWDM платформа для работы от городских до
сверхдлинных расстояний.
Модификации системы
80 км (до 40 км по одному волокну).
250 км c оптическими усилителями и предусилителями.
300 км c рамановским усилителем.
Состав оборудования
Транспондеры для скоростей от 0,1 до 2,5 Гбит/c (10 Гбит/c).
Встроенные в транспондеры усилители мощностью 16 дБм.
Оптический усилитель передачи мощностью от 60 мВт до 1 Вт.
Рамановский предусилитель мощностью до 27 дБм.
Низкошумящий EDFA предусилитель с NF < 4,5 дБ.
Оптические мультиплексоры/демультиплексоры с интервалом
100/200 ГГц в стандарте ITUT.
Мультиплексоры OADM для вывода 1, 2 или 4 спектральных
каналов.
Конвертер для двусторонней передачи по одному волокну.
Оборудование DWDM
Оборудование спектрального уплотнения каналов
 Оборудование "ПУСК" предназначено для организации
в одном оптическом волокне типа G.652, G.654 и G.655
до 160 оптических каналов в диапазоне длин волн 1530 1610 нм
с возможностью передачи в каждом оптическом канале
цифровых сигналов со скоростью от 0,1 до 10 Гбит/с
на различных участках взаимоувязанной сети связи
России:
- магистральная первичная сеть;
- внутризоновые первичные сети;
- местные первичные сети;
- оптические сети доступа.
 Оборудование "ПУСК" позволяет реализовать участки
большой протяженности (до 2000 км) без регенерации
цифровых сигналов.
Основные параметры
Диапазон рабочих длин волн
1530 - 1610 нм
Применяемый тип волокна согласно МСЭ-Т
G.652, G.653, G.654, G.655
Сетка частот согласно МСЭ-Т
G.692, РД 45.286-2002

Число каналов
до 120 каналов (C+L диапазон)
Межканальный интервал
50/100/200 ГГц
Скорость передачи в канале
от 100 Мбит/с до 10 Гбит/с
Поддерживаемые типы интерфейсов
SONET/SDH, ATM, GE, FE, Fiber Channel, ES-CON/FICON,
FDDI
Оптические абонентские интерфейсы
830/1310/1550 нм
BER
<10-12
Служебный канал
100 Мбит/с, Fast Ethernet
Система управления
Дистанционное управление и контроль по сетевым
протоколам SNMP (передача аварийных сообщений) и HTTP
(элемент менеджер). Порт локального конфигурирования
RS-232.
Резервирование
Блоки питания (горячая замена), стойка (1+1),
транспондеры (N+1)
Напряжение электропитания
36-72В, 220В
Потребляемая мощность (в зависимости от конфигурации
стойки), Вт
от 120 (8 каналов) до 860 (120 каналов)
Конструктивное исполнение
Стойка Европейского стандарта (ETSI)
Габариты (в зависимости от конфигурации стойки), cм
от 48х40х80 до 2х48х40х140
Оптический ретранслятор
ОВ
ОВ
ПрОМ
РУ
УТС
ФС
ПОМ
Временные диаграммы
работы линейного ретранслятора
.
Зависимость уровня мощности
оптического сигнала от длинны
участка ретрансляции
T
рпер
U
р
пр
а)
п
б)
в)
рпр min
0
l уч
Регенерации оптического цифрового сигнала
Вход искаженных сигналов
Усилитель для
восстановления
амплитуды
Выделение
тактовой
частоты
Восстановление
формы и временных
соотношений
Выход регенератора
Оптическая мощность
Время
Осциллограммы сигналов тактовой частоты 4 и 7 каналов
Входные данные
  100 ГГц
Тактовая частота (канал 4,
Тактовая частота (канал 7,
0
0,25
  1533,84нм )
  1536,24нм )
0,5
Имеется три различных уровня оптической регенерации,
которые могут быть применены, чтобы увеличить дальность
передачи.

1R-amplification: Это техника регенерации добавляет оптическую мощность
к сигналу без воздействия на его форму или синхронность. EDFA просто добавляет
фотоны во входящий оптический сигнал на определенной длине волны и фазе
этого сигнала. Это не восстанавливает и не ресинхронизует входящий сигнал.
Побочный эффект EDFA — создание шума усиленного спонтанного излучения,
который аккумулируется с каждым EDFA в линии и может быть «очищен» только
конвертированием оптического сигнала к электрическому виду и обратно. Типичное
количество EDFA в каскадном соединении не более 4 или 5.

2R-amplification and reshaping: Эта техника усиливает и восстанавливает форму
деградированного сигнала. Форма воссозданного сигнала близка к оригинальному
сигналу, но длительность временных циклов (синхронность) не восстанавливается.
Накопление джиттера приводящее к потере синхронизации будет ограничивать
количество каскадно-установленных 2R регенераторов.

3R-regeneration, reshaping and re-timing: Вместе с усилением и восстановлением
3R регенерация также воссоздает оригинальную длительность циклов
(синхронность) исходного сигнала, таким образом, создавая идеальную
возможность для увеличения жизни синхронных и асинхронных сигналов. Почти
неограниченное количество 3R регенераторов могут быть установлены на пути
следования сигнала.
Почему SDH?

Проще мультиплексирование

Простой D&I (вставка-выделение) каналов трафика

Допускает сочетание систем PDH в стандартах ANSI
и ETSI.

SDH открыта для новых применений

SDH обеспечивает TMN (ECCs)
(низкий уровень SDH может быть непосредственно получен из
высокого уровня )
(прямой доступ к системам низшего уровня без синхронизации)
(Может переносить PDH, ATM, HDTV, MAN,...)
(для централизованного сетевого управления)
Структура синхронной сети
140Мбит/с
2Мбит/с
TM
STM-1
ADM
2Мбит/
34Мбит/с
с
ADM
ATM
SwitchSTM-1
STM-1, STM-4
STM-4/-16 ADM 140Мбит/с
34Мбит/с
8Мбит/с
2Мбит/с
DXC
LAN
DSC
2Мбит/с
STM-1 / STS-3c шлюз к SONET
34Мбит/с
ADM : Add Drop Multiplexer
DXC : Цифровой кросс-коннект 140Мбит/с
STM-1
TM : Terminal Multiplexer
DSC: Центр цифровой коммутации STM-4
LAN: Локальная вычислительная
Структура цикла STM-1
270 столбцов (байтов
9
1
1
270
Передача
по строкам
RSOH
3
4
5
AU Pointer
Payload
(транспортная ёмкость)
MSOH
9
RSOH: Заголовок регенерационной секции
MSOH: Заголовок мультиплексорной секции
Payload: Пространство для информации
Транспортная ёмкость для одного байта: 64 кбит/с
Ёмкость цикла: 270 x 9 x 8 x 8000 = 155.520 Мбит/с
Период повторения цикла: 125 µs
STM64
Будущие
тенденции
в синхронной
технологии
WDM
Международный
интерфейс Q3
TMN
VC-4-4c