Оптоволоконные кабели

Волновое мультиплексирование (WDM)

В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны [7.4]. Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing, WDM) — это концепция объединения нескольких потоков данных по одному физическому волоконно­оптическому кабелю. Такое увеличение емкости кабеля достигается исходя из фундаментального принципа физики. Он состоит в том, что лучи света с разными длинами волн не взаимодействуют между собой. Основная идея систем WDM состоит в использовании нескольких длин волн (или частот) для передачи отдельного потока данных на каждой из них.

За счет этой техники удалось в 16-160 раз [7.14] увеличить широкополосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплексирования показана на рис. 7.11. На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число волокон на входе и выходе может достигать 32 и более (вместо призм в последнее время используются миниатюрные зеркала, где применяется развертка по длине волны).

Рис. 7.11. Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне

Эта достигается с помощью нескольких компонентов. Во­первых, передаваемые данные должны посылаться на определенной несущей длине волны. Обычно волновое мультиплексирование WDM осуществляется в окне прозрачности^{4Окно прозрачности — область частот, находящаяся между двумя провалами, в которой обеспечиваются лучшие условия распространения радиоволн.} 1530-1560 нм, где обеспечивается минимальное затухание сигнала до 0,2 дБ/км. Как правило, волоконно­оптические системы используют 3 длины волны — 850, 1310 и 1550 нм. Если входной сигнал является оптическим и передается на одной из этих длин волн, он должен быть преобразован для передачи с длиной волны окна прозрачности WDM. При наличии нескольких независимых входных сигналов каждый из них должен быть преобразован для передачи на своей длине волны в рамках этого диапазона. Затем эти сигналы объединяются с помощью оптической системы таким образом, что большая часть мощности всех сигналов передается по одному оптическому волокну. На другом конце линии световые сигналы разделяются с помощью сплиттера^{5Сплиттер (разветвитель) — устройство, предназначенное для разделения сигнала на несколько частей.} (еще одной системы линз) на несколько каналов. Каждый из этих каналов проходит через фильтры, отделяющие только одну из длин волн. В конце концов, каждая из отделенных длин волн попадает на свой приемник, который преобразует ее в исходный вид (оптический на длинах волн 850, 1310 и 1550 нм или медный).

Существует два типа систем WDM, обеспечивающих грубое (CWDM) мультиплексирование с большим шагом разноса несущих или плотное (DWDM) разделение шкалы длин волн. Системы CWDM обычно обеспечивают передачу от 8 до 16 длин волн с шагом в 20 нм, от 1310 до 1630 нм. Системы DWDM работают с количеством длин волн до 144, обычно с шагом менее 2 нм примерно в том же диапазоне длин волн. WDM (CWDM или DWDM) обычно используется в одном из двух приложений.

Первое и главное состоит в увеличении объема информации, передаваемого по оптическому волокну. В этом случае большое количество потоков данных передаются по небольшому количеству оптических кабелей. Это дает возможность значительно увеличить пропускную способность оптического кабеля. Так, при скорости 10 Гбит/с на канал общая пропускная способность каждого волокна составит 1,25 Тбит/с, (то есть 12 500 000 000 000 бит в секунду). Конечно, в большинстве случаев такой уровень скоростей не требуется, обычной задачей является передача нескольких потоков Gigabit Ethernet по одной паре волокон, когда дополнительных пар уже нет. Во многих случаях проложить новый оптический кабель оказывается слишком дорого или просто невозможно. Тогда использование технологии WDM становится единственной возможностью для увеличения пропускной способности.

Второе приложение WDM появилось сравнительно недавно, когда все большее число заказчиков стали использовать высокоскоростные каналы связи. В этом случае оператор связи предоставляет заказчикам, имеющим офисы в разных точках города, длины волн в своем кабеле для организации каналов "точка­точка". Например, крупная компания, имеющая два здания в разных концах города, может поставить задачу их объединения. Для решения этой проблемы оператор может развернуть сеть. При использовании WDM оператору нет необходимости заботиться о том, какой протокол или технология используется заказчиками, что дает возможность более гибкого предоставления услуг. Использование WDM в сетях абонентского доступа будет рассмотрено в дальнейшем.

Устройства для организации WDM пассивны, т.е. не требуют электропитания. Однако многие из них требуют постоянной температуры. Для этого устанавливаются устройства регулировки температуры, а им необходимо удаленное электропитание. Тогда используется смешанный кабель, который наряду с оптическими волокнами содержит медные жилы.

Для обеспечения норм по затуханию при передаче информации по оптическим кабелям применяются регенераторы и усилители сигналов. При передаче одиночного оптического сигнала (см. рис. 7.12а) каждый регенератор преобразует оптический сигнал в электрический, корректирует временные параметры, выделяет передаваемую информацию и в результате управляет лазерным передатчиком для регенерации сигнала и последовательного ввода информации в оптический кабель для передачи ее по следующему участку.

Рис. 7.12. Оптические системы передачи: а) с линейной регенерацией; б) DWDM составной сигнал с одним участком разделения по длине волны; в) DWDM составной сигнал с оптическим усилителем

Преобразование оптического сигнала в электрический сигнал требует больших затрат, поскольку применяет очень дорогие компоненты (лазеры и сверхскоростную электронику).

Схема, показанная на рис. 7.12б, передает составной WDM-сигнал. При этом на каждом регенераторном участке производится разбиение составного сигнала на отдельные сигналы. Далее производится индивидуальное преобразование в электрическую форму и индивидуальная регенерация.

Более предпочтительно применение оптических усилителей, которые могут усиливать сигнал на всех длинах волн, составляющих WDM-сигнал. Оптический усилитель на оптоволконе, легированном эрбием (Erbium-Doped Fiber Amplifier — EDFA) — это отрезок оптоволокна типа EDF и полупроводниковый лазерный диод в качестве источника "накачки". Усилитель принимает ослабленный сигнал и генерирует мощный сигнал в оптический кабель, легированный эрбием. От воздействия мощного сигнала атомы эрбия возбуждаются и генерируют фотоны в той же самой фазе и направлении, что и посылаемый сигнал. В результате получается эффект усиления. Такие усилители могут быть спроектированы на все диапазоны длин волн. Применение усилителей снижает потребность в применении регенераторов, как это показано на рис. 7.12б. При этом имеется ограничение на количество последовательно устанавливаемых усилителей. Тем не менее установка усилителей позволяет увеличить расстояние между регенераторами и связанное с ними преобразование оптика-электроника до сотен и тысяч километров.