Зміст

1. Вступ 2

2. Опис технології WDM 3
2.1 Відмінності WDM та ТDM 3
2.2 Технологія DWDM та СWDM 4
2.3 Структура WDM системи 7
2.3.1 Транспондер 7
2.3.2 WDM мультиплексор/демуль иплексор 8
2.3.3 Оптичний передавач 9
2.3.4 Фотоприймач 10
2.3.5 Атенюатори 11
2.3.6. Комутатори 11
2.3.7. Хвильові розгалужувачі 13
2.3.8. Пристрої компенсації дисперсії 13
2.3.9. Оптичні підсилювачі 14
2.3.10. Хвильові конвертори 18
2.3.11 Оптичне волокно 18
2.4 Реалізація WDM систем 20
2.5 Характеристики сучасних WDM систем 21

1. Вступ

Сучасна мережа SDH, побудована на базі ТDM, дійшовши до швидкості передавання 10 Гбіт/с, зіштовхнулась з проблемами хроматичної та поляризаційної дисперсії моди, котрі на швидкості, вищій від 10 Гбіт/с, починають суттєво впливати на якість передачі. Таким чином, розширення пропускної здатності за допомогою ТDM виявляється досить проблематичним.

Ця проблема послужила поштовхом до створення систем ущільнення оптичних каналів по довжинах хвиль (Wavelength Division Multiplexing, WDM).

Структурна схема WDM практично не відрізняється від FDM, оскільки в двох варіантах використовується теж саме частотне розділення каналів На передаючій стороні за допомогою конвертора, або, як його інакше називають, транспондера, дані вводяться у один з оптичних каналів. Далі оптичні канали за допомогою пасивного оптичного мультиплексора об'єднуються в один потік. На приймаючій стороні відбувається зворотна операція. Практично всі виробники обладнання SDH для сполучення з системами WDM пропонують клієнтам так звані „кольорові” лазери, тобто лазери, що працюють на тих же частотах, що і транспондер. Термін „кольорові” означає зсув в інфрачервоний або ультрафіолетовий діапазон.

2. Опис технології WDM

2.1 Відмінності WDM та ТDM

У технології немає багатьох обмежень і ускладнень, властивих технології TDM. Для підвищення пропускної здатності ліній зв'язку замість збільшення швидкості передачі у оптичному каналі, як це робиться в системах TDM, в системах WDM йдуть шляхом збільшення числа каналів (котрі передаються на різних довжинах хвиль), що застосовуються у системах передачі.

Для WDM систем є неважливим формат даних, що передається у груповому сигналі. На відміну від SDH сигнал, що транспортується в груповому потоці WDM систем, не піддається пакуванню в контейнери, тому в груповому потоці WDM можна безпосередньо передавати різнорідний за форматом трафік. Це можна зобразити наступним чином:

2.2 Технологія DWDM та СWDM

Технологія WDM широко розповсюджена в світі у вигляді двох основних типів систем:

Системи з щільним спектральним розділенням каналів DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

Системи з нещільним (грубим) спектральним розділенням каналів СWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)

Зараз існують системи WDM як на великі відстані Long Haul (для магістральних ВОЛЗ) так і міські, внутрішньозонові Metro WDM системи.

Технологія СWDM знаходить більш широке застосування на міських мережах, завдяки меншим витратам на її введення, зокрема, тому що не потребує застосування оптичних підсилювачів та завдяки меншій ємності.

Рознесення каналів для сучасних DWDM становить 100 ГГЦ або ~0,8 нм., для СWDM розділення каналів здійснюється на значно більшій частотній відстані 2500 ГГц або ~20 нм.

Приклад спектра групового потоку для 4-канальної СWDM системи приведено на рис.1. (на спектрі також вказано спектр каналу OSC, що знаходиться окремо від основного групового потоку):

З появою оптичних підсилювачів та оптичних мультиплексорів введення/виведення ОАDМ (Optical Add/Drop Multiplexer), котрі дають можливість маршрутизації, з'являються повністю оптичні транспортні мережі (ОТМ) - OTN (Optical Transport Networking).

В системах WDM застосовують цілком визначені діапазони довжин хвиль оптичного випромінювання, котрі стандартизовані ITU (рекомендації G.694.1 та G.694.2)

Саму DWDM технологію поділяють на DWDM та НDWDM (High Dense Wawelength Division Multiplexing - надщільне спектральне мультиплексування).

Границі оптичних діапазонів для одномодового волокна, що використовується для функціонування WDM наведені в таблиці.

2.3 Структура WDM системи

В структуру WDM систем як правило входять наступні елементи:

2.3.1 Транспондер

Транспондер (прийомопередавач) - призначений для узгодження спектральних параметрів інтерфейсів мультиплексорів SDH із спектральними параметрами WDM мультиплексорів, окрім цього транспондер здійснює 3R регенерацію (регенерація сигналу поділяється на 1R (Підсилення та корекція частоти і дисперсії); 2R (1R + відновлення первинної цифрової форми сигналу та подавлення шуму); 3R (2R + відновлення форми та положення імпульсу)). Транспондер має кількість оптичних входів та виходів, рівну числу оптичних сигналів, які потрібно ущільнити. При цьому, якщо ущільнюється n оптичних сигналів, то на виході транспондера довжина хвилі кожного каналу повинна відповідати лише одній частоті у відповідності з сіткою частот, наприклад, допустимо для 1-го каналу оптичний сигнал повинен мати довжину хвилі л1 для другого л2 і т.д. до лn. З виходів транспондера ці оптичні сигнали поступають на строго визначені входи оптичного мультиплексора, що відповідають вказаним довжинам хвиль л1... лn. Транспондер є необов'язковим елементом WDM систем. Якщо з мультиплексорів SDH подаються на WDM мультиплекор сигнали зі спектральними параметрами, що відповідають рекомендаціям G.692, G.695, G.959.1, то транспондер не потрібен. Основними характеристиками транспондера є наступні параметри:

Мінімальна чутливість приймача

Мінімальний рівень перевантаження приймача

Максимальне вхідне фазове тремтіння

Потужність випромінювання

Форма імпульсу ("око-діаграма")

Довжина хвилі випромінювання

Ширина спектральної лінії

Максимальне власне фазове тремтіння (тремтіння на виході за відсутності тремтіння на вході)

Характеристика передавання фазового тремтіння

Причому, нормовані значення цих параметрів є різними та описуються у різних рекомендаціях для клієнтської частини транспондера, котра стикується, наприклад, з обладнанням SDH, та для лінійної частини транспондерів, котра стикується з обладнанням WDM.

2.3.2 WDM мультиплексор/демуль иплексор

WDM мультиплексор/демуль иплексор використовується для об'єднання/ роз'єднання в одному оптичному волокні кількох каналів з різними довжинами хвиль. WDM мультиплексори/демул типлексори як і мультиплексор введення/виведення - пасивні оптичні компоненти використовуються для передавання в лінію (прийому з лінії) групового сигналу з каналами на довжинах хвиль, котрі відповідають рекомендаціям G.694.1, G.694.2

Оптичні мультиплексори введення/виведення каналів використовують для додавання та/або виділення з групового оптичного сигналу певних каналів (на певних довжинах хвиль).

WDM мультиплексор більшою мірою характеризує направленість (здатність спрямовувати потік в потрібному напрямку), а WDM демультиплексор - ізоляцію каналів (здатність виділення каналів з групового потоку без спотворення в них). Основними харатеристикими мультиплексорів/дему ьтиплексорів WDM є наступні параметри:

Центральна довжина хвилі каналу

Інтервал між каналами

Смуга пропускання на рівні 1 та 3 дБ

Перехідні завади

Ізоляція каналів

Направленість

Варіація потужності в спектрі каналу

Однорідність каналів

Втрати, що залежать від поляризації PDL (Polarization Dependent Loss)

Поляризаційна дисперсія моди

Внесені втрати

Втрати на відбиття

Для мультиплексування/дем льтиплексування використовуються тонкоплівкові фільтри, волоконні брегівські ґратки, дифракційні ґратки, пристрої інтегральної оптики (оптичний еквівалент інтегральних схем в електроніці), розгалужувачі. Оптичний мультиплексор/демуль иплексор вносить значні втрати, котрі зменшують енергетичний потенціал системи (максимальний коефіцієнт загасання за якого забезпечується заданий коефіцієнт помилок). Тому для їхньої компенсації на виході WDM мультиплексора (а також на вході WDM демультиплексора) встановлюється оптичний підсилювач.

Ефективність мультиплексора/демул типлексора визначається його здатністю ізолювати один від одного вхідні або вихідні канали.

2.3.3 Оптичний передавач

Передавач є пристроєм для генерації енергії оптичного випромінювання, (лазер, світлодіод). Передавач повинен мати:

Високу направленість (для чого використовують лазери з дифракційними ґратками)

Високе подавлення побічних мод

Стабільність довжин хвиль, що передаються

Потужність, необхідну для прийому сигналу із заданим рівнем коефіцієнта помилок

Параметри передавачів визначені у рекомендаціях G.957, G.691, G.693, G.959.1.

Найпоширенішими джерелами випромінення для ВОСП на початку були СВД (Світловипромінюючі діоди); ЛД (Лазерні діоди). В сучасних ВОСП для підвищення швидкості роботи та дальності передавання використовуються напівпровідникові лазери. Сучасний напівпровідниковий лазер становить собою багатошарову напівпровідникову структуру з розмірами в кілька сотень мікрон, з резонатором Фарбі-Перо, або системою з розподіленим зворотнім зв'язком (РЗЗ), а також з системами виведення випромінення, подачі живлення та керування вихідною потужністю (модуляції).

Останнім часом знаходять застосування напівпровідникові лазери з вертиканьним (резонатор розташовано перпендикулярно площині підложки) резонатором (Vertical Cavity Surfase Emitting Lasers - VCSELs), лазерів з розподіленими Брегівськими дзеркалами, котрі створені з двох світловідбиваючих дзеркал, такі дзеркала називають Брегівськими відбивачами, з великим коефіцієнтом відбиття (аж до 100%), що вносить труднощі їх виробництва, котрі розташовані над та під дуже маленькою областю підсилення (товщиною порядку 20 нм).

На сьогоднішний день VCSEL лазери, що перебудовуються, знаходять застосування в системах WDM.

2.3.4 Фотоприймач

Фотоприймач є пристроєм котрий перетворює вхідні оптичні сигнали у електричні та здійснює у такий спосіб їхню демодуляцію. Фотоприймач повинен бути повністю сумісним з передавачем як за спектральною смугою чутливості у межах номінальних довжин хвиль, так і за часовими характеристиками модуляції випромінювання. Окрім того, фотоприймач повинен мати стійкість до помилок, котрі можуть виникнути в сигналі при проходженні ним інших оптичних компонентів. Параметри фотоприймачів є:

Чутливість

Смуга пропускання

Коефіцієнт помилок

2.3.5 Атенюатори

Атенюатори встановлюють після оптичного передавача, атенюатори дозволяють зменшувати їхню вихідну потужність до рівня, котрий відповідає можливостям розташованих після них мультиплексорів та підсилювачів, щоб більша потужність сигналу не призводила до нелінійних явищ у деяких компонентах систем WDM. Атенюатори можуть бути змінними і мати властивості вибору загасання потужності (за довжинами хвиль), що часто потрібно для того, щоб "вирівняти" (за рівнем потужності) спектр сигналу на вході в підсилювач. Основними параметрами є:

Внесені втрати

Втрати на відбиття

Втрати, що залежать від поляризації

Поляризаційна дисперсія моди

2.3.6. Комутатори

Оптичний комутатор це пасивний оптичний компонент з двома або більше портами, котрий вибірково передає, переадресовує, або блокує оптичний сигнал при передачі по оптичному волокну.

Комутатори застосовують (окрім їх прямої функції оптичної комутації) для того, щоб за виникнення пошкоджень в мережі направити сигнал по іншому оптичному шляху або через іншу мережу. Для перенаправлення кількох каналів можуть застосовуватись прості оптичні перемикачі. Для складних мережних архітектур (кільцевої, коміркової) з великою кількістю вузлів та точок доступу, де необхідна гнучка швидка комутація великої кількості каналів, використовують технологію оптичної крос-комутації (на основі комутації волокон чи довжин хвиль). Наприклад, використанням ґраток, масивів хвилеводів, рідких кристалів. Основними параметрами комутаторів є:

Внесені втрати

Втрати на з'єднаннях

Втрати на відбиття

Втрати, що залежать від поляризації

Перехресні завади

Тривалість переключення

Тривалість переключення на резерв згідно рекомендації G.783 та G.841 не повинна перевищувати 50 мс.

Оптичні комутатори стали тим елементом WDM систем, котрий дозволив відійти від побудови мережі за структурою точка-точка і перейти до більш складних структур та зробили WDM мережу більш керованою, гнучкою і ефективнішою щодо вирішення потреб користувачів.

Оптичну комутацію можна поділити на два типи:

комутація потоків (крос-комутація) - коли за допомогою оптичного комутатора є можливість перенаправити (переключити) оптичні тракти між оптичними волокнами.

л-комутація - коли за допомогою оптичного комутатора створюються умови (за допомогою дисперсійних елементів) для комутації довжин хвиль між оптичними трактами та оптичними волокнами.

На сьогодні оптичні комутатори існують двох типів: О/Е/О та фотонних О/О/О (тобто повністю оптичних), кожний з яких має свою сферу застосування.

Комутатори О/Е/О типу є "інтелектуальними" порівняно з фотонними О/О/О комутаторами. Повністю оптичні фотонні комутатори О/О/О типу дають змогу перейти до повністю оптичних мереж.

Повністю оптичні комутатори О/О/О типу здійснюють комутацію без перетворення оптичного сигналу в електричний. Прикладом такого типу комутаторів може бути комутатор із 3D MEMS (трьохмірною електромеханічною системою).

Така система використовує механізми нахилу та керування MEMS дзеркальною матрицею у трьохмірному просторі для комутації потоків. Недоліком такого класу оптичних комутаторів є повільність переключення (порядку мілісекунд).

Електрооптичні комутатори на відміну від повністю оптичних комутаторів окрім комутації потоків (крос-комутації) можуть виконувати:

функцію 3R регенерації.

комутацію за довжинами хвиль - л-комутація (за допомогою дисперсійних елементів).

комутацію за кодовою комбінацією (на основі таких мережних концепцій як GMPLS (базується на відомій в технології АТМ та ІР класичній концепцій MPLS) - мітки вводяться для різноманітних оптичних компонентів: оптичних волокон; довжин хвиль (л-комутація) та групи довжин хвиль; оптичних вузлів комутації.

2.3.7. Хвильові розгалужувачі

Хвильові розгалужувачі у системах WDM використовують, коли потрібно розділити окремі інформаційні канали за заданою довжиною хвилі. Хвильові розгалужувачі є пасивними оптичними компонентами. Важливими їхніми параметрами є:

Високе значення перехідного загасання

Внесені втрати

2.3.8. Пристрої компенсації дисперсії

Пристрої компенсації дисперсії (ПКД) - надають сигналу дисперсію, рівну за величиною та протилежну за знаком дисперсії, набутій ним в лінійному волокні, та відновлюють первинну форму імпульсів. У модуля компенсації дисперсії є недолік, котрий полягає у великих значеннях вносимих втрат.

Компенсатори дисперсії є необов'язковими елементами WDM систем. Наприклад, можна використовувати послідовно з'єднані пари лінійних волокон з взаємно-оберненою дисперсією. Важливими параметрами ПКД є:

Вносимі втрати

Робоча смуга частот

Коефіцієнт компенсації дисперсії