Часть II

Оптические усилители систем DWDM

Хотя погонные потери в современных волокнах и очень низкие — 0,2 дБ/км, тем не менее, через 100 км (а реально и менее) излучение даже очень мощного 20 — 25 милливатного лазера ослабится до уровня ниже порога чувствительности приемника. Дело в том, что, кроме погонных потерь собственно материала волокна, есть еще потери в местах сварки волокон, в оптических соединителях и разветвителях. Для строительства более протяженных линий есть два пути: использование электронных регенераторов (это преобразователи: излучение — электрический сигнал — излучение) или применение усиления непосредственно оптического сигнала. На начальном этапе развития ВОСПИ применялся первый способ. Однако ему присущ недостаток, обусловленный тем, что, в процессе двойного преобразования, в сигнале возникают дополнительные ошибки. Но так как в то время использовались лазеры, работающие в диапазонах 850 нм, а затем 1330 нм, в которых оптических усилителей создать не удалось, приходилось с этим мириться. Все изменилось после того, как удалось получить полупроводниковые материалы, генерирующие в спектральном диапазоне 1550 нм. Хотя выходная мощность таких лазеров была несколько меньше, чем у лазеров на 1330 нм, однако и потери в волокне на этой длине волны составляли не 0,4 дБ/км, а 0,22 дБ/км. А кроме того, было обнаружено, что кварцевое волокно, легированное эрбием, является таким же активным материалом, как и стекло с добавками неодима, которое используется в мощных твердотельных лазерах. Только генерирующий переход в эрбиевом волокне лежит в диапазоне 1550 нм, а не в 1060 нм, как у неодимового лазера. (Заметим, что сейчас разработаны и полупроводниковые лазеры с рабочей длиной волны 1060 нм).

Оптический усилитель — это, фактически, тоже лазер, имеющий рабочее тело, систему накачки; правда, уровень мощности накачки несколько ниже уровня суммарных потерь. Т.е., такое устройство самостоятельно не излучает. Входное излучение, попадая в активное вещество усилителя, вызывает стимулированные переходы возбужденных атомов только между уровнями, частота переходов которых резонансна частоте входного сигнала. В волоконном усилителе резонатор отсутствует, и усиление сигнала происходит за счет достаточно длинного участка взаимодействия входного излучения с возбужденным активным веществом. Для накачки активного волокна используют обычно мощные полупроводниковые лазеры, излучение которых через ответвители вводится в активное волокно (рис.6).

На рис. 6 активный световод усилителя, 2. лазер накачки с длиной волны 980 нм, 3. лазер накачки с длиной волны 1480 нм, 4. сварные оптические разветвители, 5. волоконные световоды, подводящие излучение накачки.

Рис. 6

Для накачки активного волокна используются полупроводниковые лазеры с рабочими длинами волн 980 нм и 1480 нм. Излучение обеих длин волн соответствует уровням энергии возбужденных ионов и хорошо поглощается волокном, легированным эрбием. Однако при выборе того или иного типа лазеров накачки приходится идти на компромисс. С одной стороны, усилители с лазерами 980 нм обладают более низким коэффициентом шума, чем усилители с лазерами 1480 нм, что лучше для многоканальных систем и предусилителей систем DWDM. С другой стороны, использование лазеров 1480 нм позволяет создать более мощные усилители за меньшую цену. Выбор осложняется тем, что тип лазеров накачки необходимо определить в самом начале проектирования сети, когда еще не известно окончательное число каналов и достаточно сложно определить, что важнее — высокая мощность усилителя или низкий уровень его шума. В некоторых усилителях используется накачка на двух длинах волн, что позволяет совместить преимущества обоих способов.

Возможно несколько схем накачки на длинах волн 1480 нм или 980 нм — прямая и обратная. В прямой схеме направление распространения излучения накачки совпадает с направлением распространения усиливаемого сигнала. При обратной схеме они противоположны.

Прямая схема накачки дает наиболее низкий уровень шума. Это важно при небольшой мощности входного сигнала и максимальных значениях коэффициента усиления. При обратной накачке проще достигается режим насыщения. Это существенно в тех случаях, когда требуется на выходе сигнал максимально возможной мощности.

Если используется комбинированная схема накачки, рекомендуется осуществлять накачку на 1480 нм в обратном направлении, а накачку на 980 нм — в прямом. Это позволяет эффективно использовать преимущества обоих методов. Лазер накачки 1480 нм обладает более высокой квантовой эффективностью, но при этом и несколько более высоким коэффициентом шума, в то время как у лазера 980 нм можно снизить уровень шумов практически до уровня квантовых флуктуаций.

Следует отметить, что лазеры с длиной волны 1480 нм считаются более предпочтительными, так как они более надежные, не требуют жесткого контроля длины волны (излучают в более широкую полосу поглощения ионов эрбия) и вместе с тем, позволяют реализовать достаточно низкий уровень шумов усилителя (»5 дБ), хотя их эффективность и составляет 70 % от эффективности лазеров на длину волны 980 нм.

Чем большее число каналов транслируется в волокне, тем большая энергия накачки требуется. Поэтому в системах с большим числом и плотной расстановкой каналов используется несколько лазеров накачки.

Разработка различных схем мощной накачки позволила создать усилители EDFA с расширенным рабочим диапазоном от 1570 нм до 1605 нм (L-диапазон). Такие усилители также называют длинноволновыми усилителями LWEDFA (Long Wavelength EDFA).

Рис. 7

Усилители могут использоваться по-разному, в зависимости от выбранной области коэффициента усиления (рис.7).

• В режиме насыщения (область С, рис. 7) — как усилитель мощности (бустер) сразу после лазера-передатчика. Бустер повышает мощность сигнала и позволяет максимально увеличить расстояние до первого повторителя.
• В режиме промежуточных значений усиления и шума (область В,) — как повторитель. Повторитель усиливает сигнал насколько это возможно, 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. Он практически всегда используется вместе с узкополосным фильтром.

В спектральном распределении коэффициента усиления имеется широкий максимум на длине волны 1535 нм и относительно ровная область между 1540 нм и 1560 нм. Эта узкая область шириной около 20 нм и является рабочим диапазоном эрбиевых усилителей, в пределах которого должны лежать длины волн всех каналов систем DWDM. Было предложено множество методов, позволяющих выровнять спектр усиления и расширить рабочий диапазон усилителей до 40 нм и более. В усилителе LWEDFA верхняя граница рабочего диапазона достигает 1610 нм. Это позволяет передавать информацию по одному волокну в обоих направлениях в двух взаимно не пересекающихся спектральных окнах и в тоже время снижает уровень технических требований при более плотной упаковке каналов DWDM.

В современных усилителях имеется ряд компонентов, которые увеличивают их надежность. Оптические изоляторы подавляют обратное распространение усиленной спонтанной эмиссии и предохраняют усилитель от попадания всевозможных отраженных сигналов и излучения накачки от усилителей, расположенных ниже по линии связи. Устройства компенсации дисперсии выравнивают временные задержки, возникающие при распространении сигналов различных длин волн, особенно, между двумя каскадами двухкаскадного усилителя.

Рис. 8

Современный оптический усилитель производства фирмы Harmonic представлен на фото (рис.8).

В настоящее время в EDFA используется волокно на кварцевой или фторидной основе. Применение других материалов пока находится в стадии исследования. Оба типа волокна имеют практически одинаковую внутреннюю структуру, но волокно на фторидной основе обеспечивает более высокий уровень легирования эрбием. Обе технологии обеспечивают приемлемое усиление в окне 1525-1560 нм., однако, спектральное распределение коэффициента усиления для усилителей EDFA на кварцевой основе менее однородное, чем для усилителей на фторидной основе.

Поиски новых активных материалов привели к использованию в качестве легирующего вещества празеодима. Это позволило создать усилители диапазона 1310 нм — PDFFA (Praseodymium Doped Fluoride based Fiber Amplifier). Хотя потери в волокне на длине волны 1310 нм больше, чем в диапазоне 1550 нм, однако и мощность лазеров здесь выше. К сожалению, необходимый уровень накачки в волокне, легированном празеодимом, достигается только тогда, когда его диаметр значительно меньше диаметра стандартного волокна. Из-за разности диаметров волокон на обоих стыках возникают оптические потери. Кроме того, достаточно сложно обеспечить механическую надежность стыков, потому возможность широкого коммерческого использования усилителей PDFFA пока затруднена.

Был испробован в качестве активной легирующей присадки и другой материал — тулий. Усилитель на фторидной основе, легированный тулием, — TDFFA (Thulium Doped Fluoride-based Fiber Amplifier) — имеет два рабочих диапазона: в области длины волны 1460 нм и в области длины волны 1650 нм. К его преимуществам относятся высокая мощность выходного сигнала в режиме насыщения, не зависящий от поляризации коэффициент усиления и низкий коэффициент шума.

В усилителях с очень высокой мощностью выходного сигнала в качестве легирующей примеси используется также иттербий.

Другое направление исследований — обеспечение режима усиления входного излучения в волокне за счет стимулированного эффекта рассеяния Рамана (также известного как вынужденное комбинационное рассеяние) Этот метод позволяет создать усилители с низким уровнем собственных шумов и обеспечивает широкий выбор рабочего диапазона длин волн. Рамановские усилители (Raman amplifiers) дают возможность увеличивать число каналов в существующих линиях связи без замены уже установленных EDFA. Однако в рамановских усилителях возникает значительная перекрестная модуляция между каналами, что ограничивает применение таких усилителей либо одноканальными системами, либо системами DWDM с очень большим числом каналов, где влияние такой модуляции устраняется за счет усреднения. Кроме того, рамановские усилители чувствительны к поляризации входного излучения. С учетом низкого уровня преобразования сигнала в эффекте рассеяния Рамана в кварцевом волокне, их применение ограничено узким кругом специфических областей, по крайней мере, на данный момент.

Ну и продолжают совершенствоваться полупроводниковые оптические усилители SOA (Semiconductor Optical Amplifiers), первыми нашедшие применение в протяженных линиях. В них излучение фотонов стимулируется рекомбинацией электронов и дырок в полупроводнике посредством прямой инжекции тока (а не внешней накачкой оптическим излучением). Такие усилители представляют значительный интерес, поскольку позволяют достичь высокой эффективности усиления в широком спектральном диапазоне, пусть и с высоким коэффициентом шума (обычно на 5-6 дБ больше, чем у EDFA, в основном, за счет неизбежных потерь на стыке активного слоя с волокном). Как и в рамановских усилителях, в SOA возникает значительная перекрестная модуляция между усиливаемыми каналами, что препятствует их применению в системах DWDM с небольшим числом каналов.

Для полупроводниковых усилителей, как и для PDFFA, возникает проблема стыковки с волокном, поскольку толщина активного слоя полупроводникового усилителя значительно отличается от диаметра сердцевины стандартного оптического волокна.

Технология БИС и интегральной оптики позволяет создать лазеры со встроенными в один модуль модуляторами и мультиплексоры. В ближайшее время ожидается появление модулей, в которых будут объединены несколько лазеров, соответствующее количество модуляторов, усилителей SOA и мультиплексор.

Мультиплексоры — демультиплексоры

Однако недостаточно иметь несколько десятков лазеров, генерирующих на различных длинах волн. Необходимо их излучение объединить и ввести в одно волокно, причем сделать это с минимальными потерями и перекрестными искажениями. Как уже отмечалось, первые мультиплексоры, рассчитанные на объединение излучения двух длин волн, были достаточно просты. Например, это может быть полупрозрачное зеркало, на которое нанесено покрытие эффективно отражающее излучение одной длины волны. Однако с увеличением количества суммируемых каналов конструкция мультиплексоров менялась. Наиболее простым примером мультиплексора/демультиплексора (МП/ДМП) является обычная треугольная призма. Все не раз наблюдали ее действие как демультиплексора при падении на одну из ее граней белого света. Радужный спектр, наблюдаемый на выходе другой грани, — это демультиплексированный световой поток. Призма — взаимное устройство (т.е. его свойства в обоих направлениях идентичны), и если направить на одну из ее граней всю гамму цветов спектра под теми же углами, на выходе другой грани получим белый свет — произойдет мультиплексирование. Но призмы не используются в системах DWDM. Их разрешающая способность мала, и если на основе призмы сделать мультиплексор с разрешением 0,8 нм, то получится устройство очень больших размеров. В системах DWDM используются приборы, основанные на других принципах.

Интерференционные фильтры

Рис. 9

Рис. 10

Они известны достаточно давно и широко используются в высококачественных объективах фотоаппаратов и других оптических приборах (Так называемое просветление оптики). Действие фильтров основано на явлении интерференции — взаимодействии волн. Если, например, две волны равны по частоте и когерентны (вот когда необходима монохроматичность и когерентность излучения лазера), то, при сложении в фазе, их амплитуда возрастает вдвое, а в противофазе — равна нулю. Интерференционный фильтр представляет собой несколько слоев прозрачного диэлектрика, толщина и коэффициенты отражения и преломления которых подбираются таким образом, чтобы при отражении от них условие сложения в фазе выполнялось только для излучения определенной длины волны. Принцип его действия иллюстрирует рис. 9, где изображена пластина из трех слоев, на которую падает поток излучения на четырех длинах волн — l1-l4. Коэффициенты отражения поверхностей пластин выбраны такими, что каждый из них имеет максимум только для определенной длины. А толщина слоев подбирается таким образом, чтобы падающая и отраженные волны на поверхность первой пластины падали в противофазе и взаимно уничтожались. И только излучение с длиной волны l4 проходит все слои практически без поглощения. Но для того, чтобы разделить несколько десятков оптических несущих, (рис. 9) необходима система фильтров. Оптическая схема прохождения излучения для этого случая показана на рис.10.

Дифракционные решетки

Брэгговская дифракционная решетка. Вторым типом спектрально-селективных элементов, используемых в системах DWDM, являются дифракционные решетки, чаще всего брэгговские дифракционные решетки. Вообще то, дифракция Брэгга — это дифракция на стоячей ультразвуковой волне, возбужденной в прозрачном твердом материале (рис.11). При этом в нем возникают чередующиеся максимумы и минимумы коэффициента преломления, которые могут играть роль дифракционной решетки. Период решетки пропорционален длине ультразвуковой волны, чем меньше длина волны, тем меньше период решетки, тем выше ее разрешающая способность, тем лучше она может разделить близко стоящие по длине вoлны. В дальнейшем брэгговскими стали называть решетки на основе структуры с периодически изменяющимся коэффициентом преломления, вне зависимости от того, каким путем эти изменения созданы. Это может быть участок материала специального состава, облученный, например, ультрафиолетовым излучением. Таким путем можно сформировать решетки со значительно меньшим периодом, нежели механическим путем (гравировкой) или путем химического травления через специальную маску.

Рис. 11

Величина угла q (угла дифракции) зависит от длины волны падающего излучения, и если на решетку направить световой поток излучения нескольких длин волн, то после прохождения решетки он разделится на отдельные составляющие, каждую из которых можно наблюдать под своим углом.

Выше было рассмотрено явление дифракции в случае, когда излучение падает нормально к плоскости решетки. Однако эффект спектральной селекции можно наблюдать и если излучение направить вдоль структуры с периодическим изменением показателя преломления (рис. 12).

Рис. 12

На границе сред с различным коэффициентом преломления всегда происходит отражение излучения. Подбирая шаг решетки в направлении распространения и материал среды, можно добиться или того, что только излучение с определенной длиной пройдет через решетку или же того, что только это излучение отразится от нее. (Фактически добиваются того, чтобы падающее и отраженное излучения со всеми другими длинами волн приходили к концу или началу решетки в противофазе). Рабочая полоса частот такого фильтра определяется длиной решетки. Поскольку и шаг и длина зависят от температуры материала, то необходимо принимать специальные меры для поддержания температуры решетки постоянной, помещая ее в термостат.

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

Для компенсации хроматической дисперсии в линейном волокне применяются брэгговские решетки с изменяющимся периодом

Рис. 13

Используя брэгговскую решетку и оптический циркулятор, можно сделать устройство ввода/вывода излучения одного канала в групповой поток (рис. 13).

(Оптический циркулятор — это невзаимное устройство, по-разному воздействующее на излучение, в зависимости от направления его распространения).

В мультиплексорах/демультиплексорах систем DWDM могут использоваться и обычные, привычные нам со школьных уроков физики, дифракционные решетки, только значительно более высокого качества. Они дороги в производстве, однако потери в них практически не зависят от числа каналов.

Волноводные мультиплексоры на основе технологий интегральной оптики

Они основаны на использовании интерференции световых потоков с разными фазовыми сдвигами после прохождения волоконных световодов разной длины. Эти устройства чаще всего используются в качестве коммутаторов, когда необходимо перераспределить каналы с одной длиной волны в другие световоды или ввести в магистральное волокно дополнительные каналы. Схема такого коммутатора мультиплексора показана на рис. 14

Рис. 14

Входные сигналы с длинами волн l1 - l6, сгруппированные в пакеты, по разным волокнам попадают на входной разветвитель, где происходит расщепление каждого из них на N световых потоков. (В данном случае N = 6). Из разветвителя эти потоки попадают в планарные световоды, сформированные методами интегральной оптики на одной пластине. В каждом световоде распространяется излучение всех N длин волн. Длины световодов различны и выбраны таким образом, чтобы излучение различных каналов в результате интерференции на торце выходного разветвителя формировалось в другие, по сравнению с входными, группы. Естественно, все это так просто только на словах, а в действительности требуются сложные расчеты по выбору длин световодов матрицы и формы входного и выходного разветвителей, не говоря уже о собственно технологии изготовления. Такие мультиплексоры называют фазовыми матрицами или фазарами.

Рис. 15

В качестве мультиплексоров/демультиплексоров могут использоваться планарные световоды, изготовленные по схеме интерферометра Маха — Цандера. Цепочку соединенных последовательно таких световодов применяют для ввода — вывода сигналов отдельных каналов. Достоинство их в том, что матрица мультиплексора может быть изготовлена методом интегральной оптики на одной подложке.

О мультиплексорах, как, впрочем, и о любом другом компоненте системы DWDM, можно написать отдельную большую книгу. Поэтому здесь расскажем только о частотном плане современных систем, поскольку именно благодаря параметрам современных мультиплексоров удалось реализовать сам принцип плотного волнового уплотнения.

Мультиплексор 1х8 производства фирмы Har-monic показан на рис. 15.

Фотоприемники

Собственно, при создании фотоприемников систем DWDM не решались какие то особые, не присущие ВОЛС задачи. Уже сейчас в обычных одноканальных ВОЛС реализуются скорости до 10 Гбит/с. Дальнейшее увеличение скорости ограничивается скоростью рекомбинации носителей и толщиной p — n перехода собственно фотодетектора. При такой полосе сложно было обеспечить линейность АЧХ и достаточно высокий коэффициент усиления последетекторного усилителя. Однако применение МОП транзисторов и новой технологии интегральных микросхем позволило решить эту задачу. Но в принципе, изложение физики фотодетекторов и схемотехники линейных сверхширокополосных усилителей выходит за рамки этой статьи. Что в современных фотодетекторах используется внутренний фотоэффект, читатели представляют, а для рассказа о выборе веществ для формирования АIIIRV структур, обеспечивающих необходимое быстродействие и требуемый рабочий спектральный диапазон, здесь недостаточно места. Для любознательных читателей можем порекомендовать фундаментальный труд Ф.Капассо и др. "Техника оптической связи. Фотоприемники" /13/. С момента выхода в свет этой книги никаких принципиальных открытий в области фотодетекторов фотоприемников ВОСПИ сделано не было; знакомство с ней поможет полностью понять физику явлений в фотоприемниках ИК- диапазона.

Частотный план систем DWDM

Как уже отмечалось выше, попытки использовать спектральное уплотнение каналов для увеличения суммарной скорости передачи в волокне делались достаточно давно, более 15 лет назад. Вначале объединяли диапазоны 850 нм и 1310 нм, потом — 1310 и 1550 нм. Совместное использование этих диапазонов и сейчас предлагают многие стандартные системы SDH. Однако в дальнейшем, с развитием технологии производства лазеров, усилителей и мультиплексоров, открылись возможности формировать несколько десятков каналов в одном волокне, в диапазоне 1550 нм.

Чтобы обеспечить взаимную совместимость оборудования различных производителей было предложено стандартизировать номинальный ряд оптических несущих, т.е. создать канальный или частотный план. Эту задачу решил сектор стандартизации Международного союза электросвязи (МСЭ), разработав стандарт ITU — Rec. G.692. Первоначально в основу проекта стандарта был положен канальный план с равномерным расположением несущих частот каналов, с их разносом на 0,1 ТГц (100 ГГц). Выбранному спектральному диапазону длин волн, от 1528,77 нм до 1569,59 нм, соответствует область частот шириной 5,1 ТГц. При выборе постоянного шага равного 100 ГГц, в этом диапазоне можно максимально разместить 51 канал. При этом шаг по длине волны получается разным — от 0,78 нм до 0,821 нм (или в среднем 0,8 нм).

Однако в дальнейшем выяснилось, что целый ряд производителей разработал оборудование, способное формировать и выделять оптические несущие, отстоящие друг от друга на 50 ГГц (0,4 нм). В то же время, для многих приложений не требуется такого плотного заполнения рабочего диапазона и расстояние между каналами можно увеличить до 200 и даже 400 ГГц. Таким образом, окончательная версия стандарта ITU G.692 разрешает расстановку каналов с шагом 50, 100, 200 и 400 ГГц (соответственно 0,4; 0,8; 1,6 и 3,2 нм по длине волны). При шаге в 0,4 нм в диапазоне 1529 — 1565 нм удается разместить до 102 каналов.

Многие компании уже сейчас думают над увеличением числа каналов в одном волокне, в первую очередь, за счет расширения рабочего диапазона "вправо" до 1612 нм. Это так называемое 4-ое окно прозрачности кварцевого волокна. Правда, при этом потребуются сверхширокополосные оптические усилители с полосой 10,2 ТГц (84 нм). Это могут быть усилители с использованием мощных источников накачки или тулиевые усилители (TDFFA), работающие в диапазоне 1460 нм и 1650 нм.

Характеристики промышленных систем WDM

В настоящее время еще используются "старые" (первого поколения) системы WDM, мультиплексирующие 2 канала с несущими 1310 нм и 1550 нм. Эти системы, как уже упоминалось, являются опциями, доступными при поставке ряда коммерческих систем SONET/SDH. Используется сейчас и некоторое количество 4-8-канальных систем. Их можно условно отнести к системам второго поколения Бурное развитие систем WDM/DWDM пришлось на 1997-98-ой годы, когда были разработаны системы третьего поколения, основанные на стандартном канальном плане и имеющие 16 каналов и больше. В настоящее время начался этап их повсеместного внедрения.

Если сравнить список производителей оборудования WDM и SDH, то его можно разделить на две группы: традиционные производители систем PDH/SDH и сопутствующего оборудования (Alcatel, ECI, Ericsson, Lucent, NEC, Nokia, Nortel, Pirelli (приобретена компанией Cisco), Siemens) и остальные (ADVA, Cambrian (приобретена компанией Nortel), Ciena, Eonyx, IBM, Osicom) — новые производители. Первые разрабатывали системы WDM как транспортные средства применительно к WAN, для использования их совместно с системами SDH/SONET; вторые — как транспортные средства для LAN (в лучшем случае, для MAN), что видно по набору логических интерфейсов систем этих производителей, используемых для стыковки (преобразования) логических форматов сигналов на входе и выходе систем WDM. В этом смысле к первой группе следует присоединить и компанию Ciena, которая примыкает к ней не только по длине покрываемой дистанции (500-800 км), но и по числу используемых каналов (40, 96) и даже перекрывает их по используемому минимальному разносу частот (50 ГГц, единственная компания, использующая такой плотный канальный план).

Летом 2001-го года "Раском" завершила строительство первой в России магистральной DWDM-сети и этим же летом она объявила о подключении первых клиентов. Это позволило резко повысить пропускную способность линии передачи (до 1,6 Тбит/с по одному волокну). Создание новой сети позволило осуществить еще один, совместный с компанией "Метроком" проект под названием "Гигабит-Интернет", в рамках которого создана высокоскоростная Интернет-магистраль между Москвой и Санкт-Петербургом (1,2 Гбит/с).

Из серийно выпускаемых решений отметим аппаратуру спектрального уплотнения OPTera LH компании Nortel Networks. Эта аппаратура обеспечивает скорость передачи до 1,6 Тбит/с по одному волокну (160 спектральных каналов по 10 Гбит/с). Именно решения Nortel Networks были использованы компанией "Раском" для модернизации своей сети. Новейшие магистральные системы DWDM могут обеспечить передачу до 2,4 Тбит/с (64 l-канала по 40 Гбит/с) на расстояние 1 тыс. км или, например, 28 l-каналов по 10 Гбит/с на расстояние свыше 2 тыс. км.

Большинством производителей аппаратуры WDM и DWDM освоены промышленный выпуск и поставка аппаратуры с числом оптических каналов от N = 16/32 до N = 40/80 и выше, для аппаратуры SDH со скоростью передачи на уровне STM-64 (10 Гбит/с) и STM-16 (2,4 Гбит/с). Поскольку аппаратура систем WDM/DWDM вносит значительные потери в линейный тракт транспортной магистрали (суммарно до 14-18 дБ на обеих сторонах для одного оптического канала), то ее применение без оптических усилителей возможно для относительно коротких линий — порядка нескольких десятков километров.

В настоящее время освоен промышленный выпуск систем DWDM со 160 (Nortel, Lucent, Siemens) и 256 (Alcatel) оптическими каналами и скоростью передачи 10 и 2,4 Гбит/с, что позволяет довести суммарную полосу пропускания в одном ОВ до 1,6 и 0,625 Тбит/с соответственно. Совсем недавно компания Alcatel заявила о превышении мифического барьера 10 Тбит/с в суммарной скорости передачи по одному оптическому волокну.

В тестовых испытаниях ВОЛС протяженностью 100 км по волокну типа TeraLightTM передавалось 256 оптических каналов со скоростью 40 Гбит/с, что соответствует суммарной скорости передачи 10,24 Тбит/с. При этом использовались по 128 полупроводниковых РОС-лазеров с частотной сеткой 50 ГГц в диапазоне длин волн 1529,94 — 1561,22 нм (C-диапазон) и 1569,59 — 1602,53 нм (L-диапазон) соответственно.

Настоящий этап развития волоконно-оптических систем связи характеризуется как этап поиска путей повышения эффективности систем передачи. Выполнение данной задачи происходит за счет снижения стоимости строящихся систем в основном регионального, городского масштаба и локальных ВОСП. Учитывая массовость этих дешевых и эффективных ВОСП, можно обеспечить большую загрузку магистральных DWDM-систем. Один из вариантов такого подхода — системы с "грубым" спектральным уплотнением — CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing).

Системы "грубого" спектрального уплотнения — CWDM

Ключевое отличие DWDM-систем от CWDM заключается в положении информационных каналов в спектре рабочих длин волн волоконно-оптической системы связи. В DWDM-системах спектры соседних информационных каналов расположены очень близко. Как уже отмечалось, согласно рекомендациям Международного телекоммуникационного союза (ITU), расстояние между соседними DWDM-каналами равно 100 ГГц, что соответствует расстоянию 0,8 нм на длине волны.

В CWDM-системах спектры соседних информационных каналов расположены на гораздо большем расстоянии, обычно равном 20 нм (2500 ГГц) для третьего окна прозрачности.

Неплотное расположение спектрально разделенных каналов в CWDM-системах обеспечивает очень значительное снижение стоимости сети связи, по сравнению со стоимостью сетей, использующих DWDM-системы. Поскольку в нынешних экономических условиях операторы связи выбирают наиболее экономичные решения для удовлетворения своих текущих потребностей в увеличении пропускной способности систем передачи информации, то CWDM-системы стали широко использоваться в локальных сетях, сетях доступа и городских информационных сетях. Только в системах дальней связи DWDM-технология прочно удерживает свои позиции.

Основная цель CWDM-технологии состоит в том, чтобы обеспечить требуемое расширение информационной емкости оптической линии связи за очень низкую цену (в сравнении с DWDM). Эта цель достигается использованием широких спектральных промежутков между каналами.

Большинство современных CWDM-устройств перекрывают C- и L-диапазоны и частично занимают S-диапазон. Для обеспечения совместимости оборудования Международный телекоммуникационный союз (ITU) определил "гребенку" длин волн и спектральные полосы CWDM-каналов. Расстояние между каналами установлено равным 20 нм. Предполагается расширение рабочей области на О- и Е-диапазоны. Кроме того, более ранние системы начали использовать CWDM в многомодовых волоконных линиях связи, работающих вблизи длины волны 800 нм. Однако такие системы поддерживают только два или четыре канала и обеспечивают скорость передачи информации менее 500 Мбит/с при дальности менее 2 км.

К сожалению, объем журнальной статьи не позволяет подробно остановиться на всех аспектах проблемы систем DWDM. За ее рамками остались вопросы практического внедрения, основные производители оборудования, топология построения систем различного уровня и многие другие вопросы. Системы DWDM заслуживают не одной книги, а нескольких: физические принципы, конструктивные решения, структура сетей — вот только перечень основных проблем, стоящих перед учеными и разработчиками. Авторы надеются, что эта статья послужит основой для понимания возможностей систем DWDM и принятия решений по их практическому использованию.

Литература

При подготовке статьи были использованы материалы, размещенные на следующих сайтах
www.tt.ru
www.fot.ru