Достижения xWDM-технологий

Ни для кого не секрет, что все новое в телекоммуникационном мире быстро становится повседневностью. Вот и технологии оптического уплотнения xWDM стали привычными для комплексного решения задач любой степени сложности. Действительно, в настоящее время актуально готовое законченное решение для CWDM/DWDM-систем уплотнения, усиления, преобразования оптического сигнала с полноценной системой управления для них.

Технологии xWDM

Напомним, что в технологии DWDM для каждого канала предназначена своя частотная полоса с разносом центральных несущих (сеткой частот) от 100 до 12,5 ГГц (по длине волны от 0,8 до 0,1 нм) в так называемом третьем окне прозрачности (диапазоны 1530 — 1565 нм (С-диапазон) и 1570 — 1625 (L-диапазон)). При этом в одном оптическом волокне (ОВ) можно передавать от 40 до 360 каналов в С- и до 560 в L-диапазоне в зависимости от шага сетки частот, со скоростями до 10 и 40 Гбит/с (в перспективе до 100 Гбит/с).

Имеющееся сегодня на рынке оборудование реально поддерживает до 80 каналов. Очевидно, что столь малый шаг между центральными несущими требует чрезвычайно прецизионных лазерных источников и оптических фильтров, поэтому DWDM-оборудование дороже CWDM. Однако достоинства этой технологии сделали ее фактически безальтернативной на современных магистральных телекоммуникационных сетях.

Для сетей, не требующих столь высокой канальной емкости, была создана технология спектрального уплотнения с «грубой» сеткой частот — CWDM. Она подразумевает использование до 18 каналов с шагом несущих 20 нм в диапазоне 1271 — 1611 нм (до 8 каналов в ОВ из-за сильного затухания на более высокочастотном краю диапазона в зоне «водяного пика»). Очевидно, что для ее реализации пригодны прецизионные источники, что существенно удешевляет систему в целом.

Для технологий xWDM сегодня предлагается широкая гамма активного и пассивного оборудования, позволяющего создавать чрезвычайно гибкие сетевые архитектуры, как по техническим возможностям, так и функциональному назначению:

• трансиверы;
• транспондеры;
• пассивные оптические мультиплексоры/демультиплексоры, включая модули ввода/вывода отдельных несущих (OADM — Optical Add-Drop Multiplexer);
• модули компенсации дисперсии;
• оптические усилители.

На основе этого можно создать разнообразные сетевые архитектуры (рис. 1), причем возможны комбинации оборудования DWDM и CWDM ,позволяющие в рамках существующей CWDM-сети передавать большее число каналов (рис. 2). Разумеется, такой подход требует учета особенностей амплитудно-частотной характеристики ОВ, но вполне приемлем.

Рис. 1 Топологии оптических сетей

Одними из наиболее дорогостоящих элементов xWDM-сетей являются транспондеры — устройства, которые принимают оптический сигнал (например, STM-поток) на одной длине волны, преобразуют его в электрический, а затем на заданной длине волны вновь формируют оптический сигнал. Такие устройства используются для полной регенерации сигнала в транспортных сетях, а также в качестве интерфейсных конвертеров для интеграции xWDM-сетей с сетями на основе других технологий, например, SDH.

Рис. 2 Интеграция DWDM- и CWDM-систем

Существует возможность применения так называемых «цветных» абонентских окончаний, когда в SDH-оборудовании используются источники с фиксированной длиной волны, соответствующей сетке частот DWDM (CWDM).

В целом, сети xWDM предоставляют оператору чрезвычайно гибкие возможности по доставке трафика, а также по модернизации существующих сетей. Например, необходимо модернизировать существующую SDH-сеть с уровня STM-4 до STM-16. Полностью менять всю инфраструктуру сети — достаточно дорогое удовольствие. Кроме того, модернизированная таким образом сеть сможет предоставлять только SDH-сервисы. Другой подход заключается в установке на существующей сети оборудования спектрального уплотнения xWDM . В этом случае может потребоваться обновление только отдельных узлов SDH. Но сеть становится универсальной и позволяет передавать различные виды трафика, как синхронного, так и асинхронного (рис. 3).

Рис. 3 Модернизация SDH-сети на основе xWDM

Транспондеры и трансиверы

В качестве интерфейсного элемента в сетях xWDM используется транспондер, преобразующий входящие оптические и электрические потоки данных в модулированные xWDM-несущие.

В целом, устройство позволяет преобразовывать широкополосный оптический сигнал в CWDM, электрический в оптический, переходить от многомодового ОВ к одномодовому. Скорость работы каждого из каналов не зависит от остальных и настраивается автоматически, причем диапазон скоростей — до 10 Гбит/c.

Пассивные мультиплексоры

Пассивный мультиплексор имеет сетки частот CWDM и DWDM на различное число входных каналов — от 4 до 40. Он используется в приложениях «точка — точка» совместно с недорогими активными или пассивными системами спектрального уплотнения (DWDM).

В порты мультиплексора можно непосредственно включать SFP/XFP-модули, в том числе оптические трансиверы. Система позволяет передавать до 40 приложений по одной паре ОВ без каких-либо дополнительных устройств. Более того, если мультиплексор используется для спектрального уплотнения «окрашенных» STM-каналов, то для таких потоков потребность в трансиверных модулях на входе мультиплексора отпадает, что существенно упрощает систему.

Помимо описанных терминальных мультиплексоров в сетях xWDM используются так называемые оптические мультиплексоры ввода-вывода OADM (рис. 4). В частности, двухканальный CWDM-модуль предназначен для добавления-выделения необходимой длины волны из общего потока CWDM, передаваемого по двум ОВ. Такое устройство поддерживает скорость передачи от 2 Мбит/с до 10 Гбит/с.

Рис. 4 Принцип работы OADM-мультиплексоров ввода/вывода

Оптические усилители и компенсаторы дисперсии

Потребность в оптических усилителях (ОУ) для цифровых волоконно-оптических сетей возникла еще при внедрении технологии SDH (синхронная цифровая иерархия). При высоких скоростях передачи (более 2,5 Гбит/с) и достаточно протяженных участках волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) часто приходилось использовать электрооптические (ЭОП) и оптоэлектронные преобразователи (ОЭП), а также регенераторы — устройства, восстанавливающие исходную форму сигнала после прохождения регенерационного участка.

В то же время уже с 1980-х годов начало развиваться направление чисто оптической обработки сигналов. В оптических регенераторах, как правило, происходит прием оптического сигнала, его усиление, восстановление формы и передача на вход следующего регенерационного участка. Сегодня реализовать в ВОЛС полностью оптическую схему не представляется возможным, но это дело ближайшего будущего. Однако, используя ОУ, можно существенно увеличить длину регенерационного участка, уменьшив при этом их число. Тем самым упрощается схема передачи, и снижаются расходы на оборудование.

Оптические усилители успешно используются и в сетях кабельного аналогового телевидения CATV, когда один сигнал передается значительному числу потребителей. Для уверенного приема аналоговых сигналов CATV необходимо, чтобы соотношение сигнал/шум на стороне получателя было больше, чем для цифровых систем. Общий сигнал в сетях CATV должен быть мощным, так как он распределяется между сотнями и тысячами абонентов. ОУ способны решать подобные задачи.

Оптические усилители найдут применение и в технологиях FTTH (Fiber to the Home — волокно в квартиру). Здесь требуется обеспечить абонентов недорогими, а значит, не очень чувствительными приемниками. Следовательно, в сетях FTTH также необходима высокая мощность сигнала.

EDFA-усилители — общие принципы

Чаще всего в качестве активной среды ОУ применяются легированные отрезки оптических волокон. В таком волокне сигналы определенных длин волн могут усиливаться за счет энергии внешнего излучения накачки. Для легирования волокна используются редкоземельные элементы. Так, неодим (Nd) и празеодим (Pr) применяются в ОУ, работающем в диапазоне 1300 нм, для диапазона 1550 нм — эрбий (Er), в диапазоне 1470 — 1650 нм используется еще один редкоземельный элемент — туллий (Tu).

Наибольшее распространение получили ОУ на волокне, легированном эрбием — EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). В основном это связанно с развитием технологии плотного оптического мультиплексирования (DWDM). Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетанием качеств, как у EDFA, линии связи и сети на основе систем DWDM стали экономически привлекательными.

Действительно, чтобы восстановить уровень оптического сигнала, обычные электронные регенераторы преобразуют входной оптический сигнал в электрический с последующим усилением и коррекцией формы, а далее снова преобразуют его в оптический. Если учесть, что в технологии DWDM используются до нескольких десятков каналов на различных длинах волн в пределах окна прозрачности, то регенератор становится наиболее сложной и дорогостоящей частью системы.

В отличие от них, усилители EDFA не распознают и не преобразовывают сигнал, а просто увеличивают его мощность, сразу во всей рабочей полосе — примерно от 1525 до 1565 нм. Поэтому в отличие от регенераторов они практически не зависят от протокола и скорости передачи. Рабочий диапазон EDFA шириной порядка 40 нм соответствует окну прозрачности кварцевого волокна. В эти 40 нм умещается несколько десятков каналов DWDM.

Поскольку усилители EDFA независимы от сетевого протокола, их можно подключать к различному оборудованию, не опасаясь взаимных помех. Сети с усилителями EDFA обладают рядом достоинств. Например, их пропускную способность можно наращивать постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности. Применение оптических усилителей EDFA позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка сигнала электронными устройствами происходит только в начальной и конечной точках сети.

Разумеется, применение EDFA — далеко не панацея от всех проблем. Ведь усилитель без функции регенерации повышает суммарную мощность входного сигнала, включая аддитивные шумы, в результате падает отношение сигнал/шум. Не компенсирует он и воздействие различных нелинейных эффектов, включая дисперсию различной природы (если, конечно, не оснащен встроенными компенсаторами дисперсии). Поэтому, несмотря на определенную простоту использования ОУ, необходимо тщательно учитывать их параметры и некоторые особенности применения. В первую очередь, уменьшение отношения сигнал/шум на выходе ОУ приводит к уменьшению пороговой чувствительности оконечного приемного устройства. Причем это соотношение тем меньше, чем большее количество ОУ использовано при создании конкретной линии связи.

По этой причине в сетях, использующих технологию SDH, на участках большой протяженности предпочтительнее использовать обычные электрооптические регенераторы с восстановлением формы транслируемых оптических сигналов. К недостаткам применения ОУ в системах DWDM необходимо также отнести неравномерность АВХ. Компенсация этой неравномерности приводит к снижению выходной мощности и, следовательно, к уменьшению длины ВОЛС.

Помимо аналогичных электронным усилителям характеристик, таких как коэффициент усиления, коэффициент шума, динамический диапазон, амплитудно-волновая характеристика, у ОУ есть свои уникальные параметры. Основные из них — это мощность насыщения, коэффициент усиления среды, усиленное спонтанное излучение и чувствительность к поляризации входного оптического сигнала.

Как и в электронных усилителях, коэффициент усиления ОУ зависит от уровня входного сигнала. До некоторого (малого) значения входного сигнала усиление практически постоянно. Далее оно начинает экспоненциально падать с ростом уровня входной мощности. Этот пологий участок характеристики является областью насыщения ОУ и объясняется уменьшением коэффициента размножения k, вызванным дефицитом рабочих частиц, способных генерировать вторичные фотоны с ростом входного сигнала.

Эта область может быть охарактеризована мощностью насыщения Pн на выходе усилителя по уровню -3 дБ выходной характеристики (коэффициент усиления среды падает в 2 раза). Здесь следует отметить, что на величину усиления может влиять поляризация входного сигнала, которая в ВОЛС не контролируется, но может меняться под действием случайных изменений формы сердцевины и других причин.

Динамический диапазон (SNR) определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления остается постоянным. Естественно, он связан с другим параметром — коэффициентом шума, зависящим от уровня УСИ, остаточного сигнала накачки и перекрестных помех. Наибольшее влияние на коэффициент шума оказывает УСИ. Оно возникает под воздействием случайных возмущающих факторов, например, при нагреве ОУ. Такой шум не только уменьшает динамический диапазон, но и снижает максимально допустимое усиление.

Уменьшение динамического диапазона характеризуется коэффициентом шума F = SNRвх/SNRвых, где SNRвх и SNRвых — значение динамического диапазона на входе и выходе ОУ.

Усиление в ОУ вызвано тем, что под воздействием излучения лазерного диода (ЛД) в некоторой активной среде, имеющей два энергетических состояния, создается повышенная населенность уровня, у которого больше потенциальная энергия. В результате такой накачки среда становится активной, т. е. способной генерировать вторичные фотоны с коэффициентом размножения k. В некоторых ОУ для накачки используется более сложный, трехуровневый механизм взаимодействия. Схема создания перенаселенности при этом следующая: с первого уровня частицы переводятся на второй, а с него в результате релаксации — на третий. За счет существенной разницы во временах жизни на третьем уровне создается достаточная для усиления населенность. К данному типу ОУ относятся и EDFA.

Для накачки EDFA подходят ЛД с длинами волн 980 и 1480 нм. ЛД на 980 нм используют трехуровневую модель взаимодействия с активной средой, а на 1480 нм — двухуровневую. ЛД на 980 нм позволяют получить очень низкий коэффициент шума, 3 — 5 дБ, что предпочтительно для многоканальных систем и предусилителей систем DWDM. С другой стороны, ЛД на 1480 нм с коэффициентом шума 5 дБ — более надежные и дешевые. В некоторых моделях усилителей EDFA используется накачка на двух длинах волн, что в какой-то степени позволяет совместить преимущества обоих способов.

Возможно несколько схем накачки ОУ EDFA на длинах волн 1480 или 980 нм. Прямое направление накачки дает наиболее низкий уровень шумов. Это хорошо при небольшом уровне входного сигнала и максимальном значении коэффициента усиления. При обратном направлении накачки проще достичь режима насыщения. Он предпочтителен, когда на выходе требуется достичь максимальной мощности. При совместном применении двух ЛД накачки с различными длинами волн накачку на 1480 нм следует осуществлять в обратном направлении, а на 980 нм — в прямом.

В EDFA с одноступенчатой накачкой максимально достижимая мощность выходного сигнала — около 16 дБм. При этом коэффициент шума в области сигнала низкой мощности составляет 5 — 6 дБ. В EDFA с двойной накачкой (980 и 1480 нм) достигнуты более высокие значения выходной мощности — до 26 дБ. Для снижения уровня шумов в такой конструкции применяют многокаскадную схему: после первого каскада усиления размещается оптический изолятор, который препятствует распространению в обратном направлении усиленного спонтанного излучения (УСИ) второго каскада.

Амплитудно-волновая характеристика (АВХ) EDFA с неравномерностью ±10 дБ практически перекрывает полосу 1520 — 1570 нм, имеет максимум усиления (40 дБ при Рвх = -30 дБм) на длине волны 1535 нм и плато (усиление 30 дБ) в интервале 1540 — 1569 нм. Выровнять характеристики усилителя для использования в системах DWDM можно за счет различных фильтров. В результате можно достичь неравномерности АВХ 0,1 — 0,2 дБ. Однако при этом коэффициент усиления снижается до 16 — 18 дБ в ОУ с одним ЛД накачки и до 19 — 22 дБ- при двух. Другой путь снижения неравномерности АВХ — использование в качестве активной среды волокон на фторидной основе, поскольку у них более однородное спектральное распределение коэффициента усиления, чем для кварцевых волокон. Но у таких усилителей более высокий уровень шумов.

Для выравнивания временных задержек, возникающих при распространении в ВОЛС сигналов различных длин волн, в EDFA (особенно двухкаскадных) применяют устройства компенсации дисперсии.

Усилители EDFA по функциональному назначению можно разделить на три класса:

• мощные усилители (бустеры), устанавливаемые непосредственно за передатчиком. Они работают с большим сигналом на входе, обеспечивают максимально допустимое усиление и высокий уровень сигнала на выходе и не критичны к уровню шумов;
• линейные усилители устанавливаются на линии связи в качестве повторителей. Они усиливают сигнал насколько это возможно, внося при этом как можно меньше шума;
• предусилители, расположенные непосредственно перед приемником. Они работают с очень слабыми сигналами (от -45 до -30 дБм), поэтому чрезвычайно критичны к уровню шумов усилителя.

Модули компенсации хроматической дисперсии служат для увеличения дальности передачи и предназначены для линий длиной от 20 до 200 км. Устройство работает с шагом сетки частот 100 ГГц на скоростях 10 и 40 Гбит/с. В зависимости от типа вносимые потери составляют от 3 до 5 дБ.

Эти модули предназначены для компенсации дисперсии в стандартных одномодовых волокнах (стандарт G.652) или других ОВ с положительной дисперсией, при этом позволяют системам DWDM или другим магистральным оптическим системам передачи данных сохранять высокое качество сигнала на больших расстояниях.

Отметим, что помимо относительно недорогих оптических EDFA-усилителей существуют оптические усилители на основе эффекта Рамана. Они обладают более широкой полосой пропускания и большей мощностью, позволяют работать на расстояниях до 200 км, но стоят дороже.

В заключение следует отметить, что выбор оборудования для решения задач оптического уплотнения и усиления сигналов — далеко нетривиальная задача. Она требует тщательной предпроектной проработки и соответствующих измерений всех параметров, и в последующей эксплуатации состоявшегося проекта актуально использование полноценной системы управления для своевременной диагностики возможных проблем.

Рис. 5 Поток импульсов при отсутствии и наличии хроматической дисперсии

Журнал «Вестник связи», №02 2012 г.