Z. O Prezentacija VOSP
advertisement
ВОЛОКОННО ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕЫ ПЕРЕДАЧИ Автор В.И. Иванов Зависимость затухания ОВ от длины волны ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ ОВ Принцип организации волоконно-оптической связи А 1 2 N КОО ОС ОВ ОПер Б ОВ ОР Промежуточная станция ОПр ОС КОО 1 2 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 однополосной однокабельной ВОСП ОС 1 2 КОО N ОВ ОПер ОРУ ОС ОПр ОПр ОС 2 ОРУ 1 КОО ОПер ОС N Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП ОС 1 2 КОО N ОПер ОФ1 1 ОВ ОФ1 ОПр ОС КОО Рис. 1.4. ОС ОПр 1 2 ОФ 2 2 ОФ 2 ОПер ОС N Структурная схема двухволоконной многополосной однокабельной ВОСП 1 1 коо ОС ОПр ОПер N λ1 1 коо ОС ОПер МП N λn 1 коо N ОС ОПер коО N λ1 1 λ1 ,λ2, ……..λn λ2 ОС λ λ2 ОПр ОС коо ДМП N 1 λn ОПр ОС коо N Схема организации связи. 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 Структурная схема КОО для первичного цифрового потока (2048 кбт) N 4 КОО 3 ОС 2 1 аим1аим2 ЭК кодер КЛТ (ПК) УВУ СУВ fд Nfд fт СУ Пер СС Генераторное оборудование передачи Генераторное оборудование приема fд fт Деко дер ЭК СУ СУВ Пр СС ДЛТ (ПК) 1 2 3 4 N Индивидуальное оборудование Групповое оборудование СР ОЛТ Тсц=2 мс fсц=500 Гц 125 мкс Ц0 Ц1 КИ0 КИ1 Р1 Р2 Р3 Р4 Ц2 Ц3 Ц4 Ц5 КИ2 ... ... ... Р5 Р6 Р7 Ц6 Ц7 Ц8 КИ1 КИ1 КИ1 4 5 6 Р8 Четные циклы - сигнал цикловой синхронизации Д Ц9 Ц11 Ц12 Ц13 Ц14 Ц14 КИ1 7 ... ... ... КИ29 КИ30 КИ31 Р1 Р2 Р3 Р4 Р5 Р6 Р7 Р8 Нулевой цикл - сигнал сверхцикловой синхронизации 1 ОЗ 0 1 СУВ 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 Ц16 0 1 Циклы с 1 по 15 Нечетные циклы Д 1 А Х Х З Х Х Р1 Р2 Р3 и Р4 Тц 32 Р5 СУВ СУВ Р6 Р7 3,9 мкс 0 Р8 1 СУВ Сверхцикл ИКМ-30 содержит 16 циклов передачи и его продолжительность Тсц=Тц·16=0,125 мс·16=2 мс, а частота следования сверхциклов и, следовательно, сигналов сверхцикловой синхронизации fсц=fд/16=500 Гц. Р5-«1», Р7-«0», Р8-«1», Р6 используется для передачи сигнала о нарушении сверхцикловой синхронизации на противоположную станцию. Остальные символы – Р3-«0», Р7«0», Р4-«1», Р8»1». В нечетных циклах Р3 КИ0 используется для передачи сигнала о нарушении цикловой синхронизации (А) Р2-«1», Р6 – сигнал автоматического контроля остаточного затухания канала. Использование символов Р4, Р5, Р7 и Р8 в КИ0 нечетных циклов не регламентируются и их занимают символами «1». Позиция Р1 в КИ0 и в четных и в нечетных циклах используется для передачи дискретной информации со скоростью 8 кбод. Принцип временного объединения потоков - Посимвольный (поразрядный). - Поканальный (по кодовым группам). - Посистемный (по циклам). При реализации ЦСП применяют наиболее простой посимвольный способ объединения цифровых потоков. При этом импульсы цифровых сигналов объединяемых систем укорачиваются и распределяются во времени так, чтобы в освободившихся интервалах между импульсами каждой из таких систем могли размещаться вводимые импульсы других систем. Принцип временного объединения потоков } } Импульсы четырех объединяемых потоков Укороченные и смещенные во времени импульсы объединяемых потоков Объединенный поток Принцип временного объединения потоков БЦСпер и БЦСпр – блоки цифрового сопряжения тракта передачи и приема. БЦСпер укорачивает и распределяет во времени импульсы каждой из объединяемых систем. КЦП (устройство объединения) и РЦП (устройство разделения) – коллектор и распределитель цифровых потоков, служащие соответственно для объединения потоков в тракте передачи и их разделения в тракте приема. Пер СС и Пр СС – передатчик и приемник синхросигнала. ВТЧ – выделитель тактовой частоты. ОУ 1 Линейный тракт БЦС пер БЦС пр КЦП 2 3 4 УР РЦП БЦС пер БЦС пр Пер. СС ВТЧ Пр. СС БЦС пер БЦС пр БЦС пер БЦС пр Генераторное оборудование передачи 1 Генераторное оборудование приема 2 3 4 ОУ 1 Линейный тракт БЦС пер БЦС пр КЦП 2 3 4 УР РЦП БЦС пер БЦС пр Пер. СС ВТЧ Пр. СС БЦС пер БЦС пр БЦС пер БЦС пр Генераторное оборудование передачи 1 Генераторное оборудование приема 2 3 4 Оборудование сопряжения Линейные коды ВОСП Требования к линейным кодам ОЦТКС - спектр сигнала должен быть узким и иметь ограничение как сверху, так и снизу. Чем уже спектр сигнала, тем. меньше требуется полоса пропускания фотоприемника, а соответственно уменьшаются мощность шума н его влияние. Ограничение спектра сверху снижает уровень межсимвольной помехи, а ограничение снизу—флуктуации уровня принимаемого сигнала в электрической части фотоприемника, имеющего цепи развязки по посто янному току. Минимальное содержание низкочастотных составляющих позволяет также обеспечивать устойчивую работу цепи стабилизации выходной мощности оптического передатчика; - код линейного сигнала должен обеспечивать возможность выделения колебания тактовой частоты, необходимой для нормальной работы тактовой синхронизации; - код линейного сигнала должен обладать максимальной помехоустойчивостью, которая позволяет получать при прочих равных условиях максимальную длину участка регенерации; - код линейного сигнала должен обладать избыточностью, которая позволяет по нарушениям правила образования кода судить о возникновении ошибок; - код линейного сигнала должен быть простым для практической реализации преобразователей кода. Линейные коды ВОСП 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 а t NRZ б t RZ в t BIF г t 2B3B д t CMI е t M t Нормированные спектры линейных кодов ВОСП G M NRZ 0,8 CMI BIF 0,4 RZ 0,4 0,8 1,2 1,6 f/f т Оптический линейный тракт Структура оптического линейного тракта Схема организации волоконнооптической линии передачи ОЛТ А ОВ Б ОВ 1 1 2 2 N КОО ОС ОПер ОР ОПр ОС КОО N Передающие оптические модули Оптические передатчики ВОСП реализуются в форме единого передающего оптического модуля (ПОМ) - электронно-оптического преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в оптические сигналы. ФМС — формирователь модулирующего сигнала; ОМ – оптический модулятор; ИОИ — источник оптического излучения; ОР – оптический разветвитель; СОИ – стабилизатор режима работы источника оптического излучения; ОС – линейный оптический сигнал; СВД – схема встроенной диагностики; СУ и ОС – согласующее устройство и оптический соединитель; ОВ – оптическое волокно. СВД Сигнал отказа СУ и ОС ОР ФМС ОМ ИОИ СОИ ОС ОВ Источники оптического излучения Требования к источникам оптического излучения: - длина волны оптического излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности оптического волокна: - достаточно большая мощность выходного излучения и эффективность его ввода в оптическое волокно; - возможность модуляции оптического излучения различными способами; достаточно большой срок службы; минимальное потребление электрической энергии или высокая эффективность; - минимальные габариты и вес; простота технологии производства, обеспечивающая невысокую стоимость и высокую воспроизводимость параметров и характеристик. Известны три класса источников оптического излучения для ВОСП: планарные полупроводниковые; волоконные; объемные микрооптические источники (микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только планарные полупроводниковые источники – светоизлучающие диоды и лазеры – широко используются в реальных системах. (непосредственное преобразование энергии электрического тока в оптическое излучение с высокой эффективностью, возможность прямой модуляции параметров излучения током накачки с высокой скоростью, малые масса и габаритные размеры.) Механизмы оптического излучения Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения и возникают оптические волны одинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Кроме того, мельчайшие колебание энергии Eq тоже, пусть и не в такой мере, влияют на частотный разброс излучения. (некогерентный источник оптического излучения) Индуцированное (вынужденное) излучение Суть вынужденного излучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости падает свет с частотой f0, примерно равной частоте f, определяемой (4.1), то возникает излучение с частотой f0 и направлением падающего света. (когерентный источник оптического излучения) Когерентные и некогерентные источники оптического излучения Некогерентные источники оптического излучения Ес В полупроводниках плотность электронов значительна и поэтому многочисленные энергетические уровни расположены плотно, образуя зоны. Имеется два типа таких зон – верхняя зона – проводимости с энергией Ес и нижняя зона – валентных электронов с энергией Ev. Между этими зонами находится запрещенная зона с энергией Еq. При тепловом равновесии почти все электроны находятся в валентной зоне. Что происходит, если подвести энергию из вне? Еq Еv Световое излучение р - область + + + + _ Р – n - переход - Спектр излучения - n – область f f f0 f c Eq h Когерентные источники оптического излучения z x y Резонатора Фабри – Перо LL E Z z Спектр колебаний лазерного диода Светоизлучающие диоды. Структура светоизлучающего диода с поверхностным излучением Свет 1 1 - оптическое волокно; 2- склеивающий состав; 3- электрод. 2 3 n p GaAs GaAs p-n переход SiO2 3 Выше обсуждались р-п - переходы, образованные введением небольшого количества примесей в полупроводниковый материал. Они называются гомопереходами. . Согласующие устройства светодиод - волокно а) б) в) а) - использование специального иммерсионного наполнителя с коэффициентом преломления, близкий к коэффициенту преломления волокна; б) - конец волокна заострен и закруглен в форме линзы, собирающей расходящееся излучение; в) - сферическая линза, расположенная на поверхности светодиода Гетероструктуры с ОГС (а) и ДГС (б) а P d 0,3 мкм P d 2 мкм б 0,1 мкм 0,1 мкм 1 мкм n GaAs p GaAs Р AlxGa1-xAs 0,1 мкм y N AlxGa1-xAs р GaAs Р AlxGa1-xAs y Структура светоизлучающего диода торцевого типа Гетероструктура с ДГС Электрод Р GaAs p AlyGa1-yAs P GaAs n AlxGa1-xAs N GaAs Электрод Лазерные диоды p n Излучение p-n переход Зеркала Основные характеристики СИД, ПЛ(ЛД) W0, мВт W/W0 Светоизлучающий диод 1 Светоизлучающий диод 0,5 Лазерный диод Лазерный диод Порог I пор Iв, мА Ватт-амперная характеристика Светоизлучающий диод 0,0 0 Спектральная характеристик Лазерный диод Диаграмма направленности источников оптического излучения Приемные оптические модули ОК ОК — оптический кабель; ОС — оптический соединитель; ФД — фотодиод или фотодетектор; ПМШУ — предварительный малошумящий усилитель; МУ с АРУ — мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК — фильтр-корректор. ОС ФД ПМШУ МУ с АРУ ФК Выход Фотодетекторы Базовым элементом оптического приемника ВОСП является фотодетектор — оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический сигнал в электрический сигнал соответствующей формы. Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с р-n обратносмещенными внутреннего фотоэффекта. переходами, работающих на принципах В технике ВОСП широкое применение находят два типа фотодиодов: р-i-n и лавинный ФД. Сущность внутреннего фотоэффекта в полупроводнике заключается в поглощении фототока, энергия которого hf = hс/ более ширины запрещенной зоны материала Еg полупроводникового материала, а длина волны оптического излучения не превышает критического значения кр=1,24/Eg , и сопровождается переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости, а дырок — из зоны проводимости в валентную зону (генерация пар «электрон-дырка»). Фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, или длиной волны больше критической, не поглощаются и, следовательно, не происходит генерации пары «электрон-дырка». Эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связано с эффектом примесного поглощения. Структурная схема p-i-n-фотодиода Оптическое излучение мощностью W0 Обедненная зона n+ Контакты - + - + - + Обедненный слой Есм + Контакты p+ + Rн Выход электрического сигнала - Из сокращенных названий составляющих его слоев: р — positive (положительный), i — intrinsic (внутренний), n — negative (отрицательный). Обедненный i слой такого ФД сделан максимально широким из полупроводникового материала, легированного в такой степени, чтобы не относиться ни к полупроводникам n-типа с электронным видом проводимости, ни к полупроводникам р-типа с дырочкой проводимостью. Лавинные фотодиоды (ЛФД) В фотодиодах р-i-n — типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к образованию одной пары «электрон-дырка», которая приводит к генерации тока во внешней цепи. Квантовую эффективность ФД можно повысить путем использования лавинного усиления (умножения), реализуемого в структуре, называемой лавинным фотодиодом (ЛФД), где один фотон порождает М электронов. Есм n+ p+ i Rн p+ W0 Евх (х) x Для создания условий ударной ионизации в структуре фотодиода необходимо создать сильное электрическое поле. Такое поле создается добавлением в структуру р-i-n фотодиода дополнительного nр — перехода, усиленное обратным смещением, В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных молекул и атомов полупроводника. При этом электроны в зоне проводимости могут приобрести кинетическую энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны, и «выбивать» электроны из валентной зоны. В валентной зоне образуются дырки, в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» электрона появляются два «медленных», которые, ускоряясь в сильном электрическом поле, становятся «быстрыми» и вызывают повторную ударную ионизацию. Вероятность ударной ионизации возрастает с напряженностью электрического поля (или ростом обратного смещающего напряжения) Отметим, что при некоторой напряженности поля ударная ионизация приводит к резкому увеличению плотности тока, т.е. к электрическому пробою полупроводника. Лавинное усиление или лавинное умножение При воздействии оптического излучения мощностью W на iслой образуются пары «электрон-дырка», называемые первоначальными носителями. Затем происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам батареи смещения. При попадании свободных электронов из i- cлоя в р- слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокой напряженности электрического поля n+-р — перехода. Ускоряясь в зоне проводимости р- слоя, такие «быстрые» электроны накапливают кинетическую энергию достаточную, чтобы «выбить» (возбудить) два «медленных» электрона из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляются свободные носители, называемые вторичными. В зоне проводимости р- cлоя происходит их повторное ускорение до получения кинетической энергии, соответствующей «быстрому» электрону, который снова порождает ударной ионизацией пару «медленных» электронов из валентной зоны. Этот процесс называется лавинным усилением или лавинным умножением. Р-i-n- фотодиоды. Лавинные фотодиоды (ЛФД). Основные характеристики. ф , % Si 100 Ge GeInAs 50 , 0 0,8 1,0 1,2 1,4 мкм 1,6 Спектральная характеристика квантового выхода – квантовой эффективности Регенератор Кл Вх Вых РУ КУС 1 1 1 0 УВТЧ Т Т Т Т t Т Uп U1 U2 U3 U4 U5 t t t 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. Спектральное уплотнение (WDM) Обобщенная схема WDM 1 1 коо ОС ОПр ОПер N λ1 1 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 Изменение относительной информационной емкости систем связи за последние 100 лет Рис. 1. Изменение относительной информационной емкости систем связи за последние 100 лет Схема организации связи. Структурная схема ВОСП - WDM TX S T M 1 6 S T M 1 6 S RT1 0 S RT2 0 S RTn A T M 0 T X1 T X2 OP RX 1 LOA 2 ОМ/ ОА MPI-S Sn RMn T Xn R’ S’ R’ n S’ MPI-R STM-16 OA/ OD - оптический соединитель R2 2 STM-16 0 2 ST2 R 0 R X SDn OSC 1 ST1 R R X SD2 n OSC R1 1 OSC S2 RM2 R X SD1 S1 RM1 Rn N S T M 1 6 S T M 1 6 STn R 0 A T M Технология DWDM 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 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). Lдиапазон 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 ВОСПWDM 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 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 * 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 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 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 Технология CWDM Полоса пропускания фильтра 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. 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, Lband), 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. 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 4-5 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. 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). Принцип формирования группового оптического сигнала при частотном (гетеродином) уплотнении ИИ А1 /4 Ф1 ОМ1 Источник информации з е р к а л о А2 /4 Ф2 ОМ2 з е р к а л о з е р к а л о Источник информации з е р к а л о з е р к а л о Аn /4 Фn ОМn Источник информации Групповой оптический сигнал з е р к а л о 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 Волоконная брэгговская решетка выделяет волн, и пропускать свет всех из составного сигнала канал определенной остальных длин волн. 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. 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 Волоконная брэгговская решетка 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. 3.5, слева). Со стороны порта ввода циркулятор добавляет в передаваемый составной сигнал один канал на той же длине волны, что была выделена (рис. 3.5, 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 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 а) Рс Вентиль Вентиль Y Рс ОВ легированное эрбием Рн ЛН Рс + Рн б) Рс Вентиль Вентиль Y ОВ легированное эрбием Рс Рн ЛН Рс + Рн в) Рс Вентиль Вентиль Y Y Рн ОВ легированное эрбием Рн ЛН ЛН Рс + Рн г) Вентиль Рс Рс + Рн Вентиль Y Рн ЛН Рс DCD ОВ легированное эрбием Y Рн ЛН Рс 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 Р сигнала и позволяет максимально вых увеличить расстояние до первого линейного усилителя. В режиме промежуточных значений усиления и шума (область В ) – как линейный усилитель. Он усиливает сигнал, насколько это возможно, внося при этом как можно меньше шума. В режиме наименьшего шума S (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 Рвых 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 СЛЕДУЮЩЕМ. ПРИ ПОДХОДЯЩЕЙ ДЛИНЫ ВОЛОКНЕ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ ПРОХОЖДЕНИИ ВОЛНЫ ПРОИСХОДИТ В В СВЕТА КВАРЦЕВОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КВАНТОВ ПУЧКА С АТОМАМИ (ИОНАМИ) ВЕЩЕСТВА, В РЕЗУЛЬТАТЕ ЧЕГО ЭЛЕКТРОНЫ ПЕРЕХОДЯТ НА ВОЗБУЖДЕННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ. ЕСЛИ ЧЕРЕЗ ТАКОЕ БЛИЗКОЙ ВОЛОКНО ДЛИНОЙ ИНДУЦИРОВАННОЕ ПРИВЕДЕНА ВОЛНЫ, ИЗЛУЧАЮЩИЙ ТО ПЕРЕВОДИТ НА ДЛИНЕ ЛАЗЕР ВОЛНЫ ПОД РИС. ПРИ НАКАЧКИ, 1480 ЭЛЕКТРОНЫ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ С ВЫЗОВЕТ ПЕРЕХОДОВ УСИЛЕНИИ. НА СВЕТ ОН ИЗЛУЧЕНИЕ. СХЕМА РАМАНОВСКОМ УРОВЕНЬ. ПРОПУСТИТЬ НМ, НА КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЙ ДЕЙСТВИЕМ СТИМУЛИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОНИ ПЕРЕХОДЯТ НА БОЛЕЕ НИЗКИЙ УРОВЕНЬ – КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ, ИСПУСКАЯ КВАНТ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 1580 НМ, А ЗАТЕМ ПРОИСХОДИТ БЕЗЫЗЛУЧАТЕЛЬНЫЙ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПЕРЕХОД ФОНОНА) С С КОЛЕБАТЕЛЬНОГО УРОВНЯ В ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ. (ВЕРНЕЕ, 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.
