НОУ ИНТУИТ | Высокоскоростные сети связи. Лекция 3: Оптоволоконные кабели

Опубликован: 03.05.2012 | Доступ: свободный | Студентов: 3154 / 761 | Оценка: 4.39 / 4.14 | Длительность: 19:41:00

Специальности: Администратор информационных систем, Администратор коммуникационных систем

Волновое мультиплексирование (WDM)

В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны [ 9 ] , [ 16 ] . Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing, WDM) технология передачи в системе в оптических системах, где различные источники используют разную длину волны. При этом два и более оптических сигналов объединяются и передаются по одному общему оптическому пути. Эта технология позволяет объединение передачи нескольких потоков данных по одному физическому волконно-оптическому 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. Благодаря этому удалось в 16-160 раз [ 16 ] увеличить широкополосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплексирования показана на рис. 3.13. 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. 3.13. Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне

Эта достигается с помощью нескольких компонент. Во-первых, передаваемые данные должны посылаться на определенной несущей длине волны. Обычно волновое мультиплексирование WDM осуществляется в окне прозрачности 1530-1560 нм, где обеспечивается минимальное затухание сигнала до 0,2 дБ/км. Как правило, волоконно-оптические 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^{5устройство, 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 "точка-точка". 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. 3.13а) каждый регенератор преобразует оптический сигнал в электрический, корректирует временные параметры, выделяет передаваемую информацию и в результате управляет лазерным передатчиком для регенерации сигнала и преобразование оптического сигнала в электрический сигнал требует больших затрат, поскольку применяет очень дорогие компоненты (лазеры и сверхскоростную электронику).

imОптические системы передачи: а) с линейной регенерацией; б) DWDM составной сигнал с одним участком разделения по длине волны; в) DWDM составной сигнал с оптическим усилителем последовательного ввода информации в оптический кабель для передачи ее по следующему участку.

Схема, показанная на рис. 3.13б, 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 EDFA 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. 3.13б. 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.

Краткие итоги

Передача информации по волоконно-оптическому кабелю имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю: широкая полоса пропускания, малое затухание светового сигнала в волокне, низкий уровень шумов, защищенность от электромагнитных помех, малый вес и объем, высокая безопасность от несанкционированного доступа, гальваническая развязка элементов сети, пожаробезопасность, уменьшение требований к линейно-кабельным сооружениям, экономичность, длительный срок эксплуатации.
Оптоволоконный кабель содержит три основных элемента: оплетка, оболочка, сердцевина.
Сердцевина - волоконный светопроводящий элемент окружен оболочкой, которая имеет меньший показатель преломления света. Это приводит к тому, что большинство световых лучей в сердцевине отражаются внутрь сердцевины.
Максимальный угол, при котором для вводимого в волокно светового излучения обеспечивается полное внутреннее отражение, называется числовая апертура.
При построении сетей могут использоваться многожильные кабели.
Оптические волокна, в которых допускается прохождение лучей к приемнику многочисленными путями, называются многомодовыми.
Запаздывающие лучи приводят к расширению передаваемых импульсов. Это явление называется дисперсией. Величина этого расширения прямо пропорциональна ширине импульса и обратно пропорциональна скорости передачи.
Пропускная способность оптического кабеля, которая характеризуется коэффициентом широкополосности (BDF — Bandwidth Distance Factor).
Волокна, у которых на границе "оболочка-сердцевина" происходит скачок коэффициента преломления, называются волокнами со ступенчатым показателем преломления.
Волокна с изменяющимся показателем преломления по указанному выше закону называется градиентными и имеют коэффициент широкополосности на два порядка больше, чем ступенчатые волокна.
Затухание измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение или рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощения зависят от прозрачности материала, из которого изготовлено волокно. Потери на рассеяние зависят от неоднородности преломления материала.
Хроматическая дисперсия возникает в том случае, если световой сигнал состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия — один из механизмов лимитирующих полосу пропускания волоконно-оптических кабелей, ухудшающих распространение импульсов сигнала, который состоит из различных цветов проходящего света (некогерентность сигнала).
Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и происходит при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне.
Материальная составляющая отражает свойства зависимости показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит характеристика материала, а именно — зависимости показателя от длины волны. Эта составляющая определяется скоростью (дифференциалом) возрастания или уменьшения показателя преломления в зависимости от длины волны. С увеличением длины волны этот показатель может быть положительным, (коэффициент преломления возрастает) или отрицательным (коэффициент преломления убывает).
Волновая дисперсия определяется временем распространения сигнала в зависимости от длины волны. Она всегда положительная (время распространения с увеличением длины волны только возрастает).
При определенной длине волны (примерно $1310 \pm 10 нм$ для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация материальной и волновой дисперсий, а результирующая дисперсия обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии $\lambda_0$ . Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться $\lambda_0$ для данного конкретного волокна.
Установлено, что при определенной форме сигнала он имеет наименьшую дисперсию. Такие импульсы называются солитонами.
Имеется два типа приборов, преобразующих электрический сигнал в световой — это светодиоды и лазерные диоды. Светодиоды (LED— Light-Emitting Diode) генерируют некогерентное излучение (сигнал содержит составляющие из нескольких длин волн). Принцип излучения светодиодов позволяет модуляцию только по интенсивности излучения. Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких десятков мкВт.
Лазерный диод обеспечивает когерентное излучение. Его луч обладает более узким спектром, по сравнению со светодиодом. Принцип излучение лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную.
Лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками по сравнению со светодиодами, но они уступают последним в надежности, удобстве эксплуатации и стоимости.
В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают усиление фототока.
Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и хорошее усиление, но из-за большой барьерной емкости время отклика у них большое, то есть частотные характеристики хуже, чем у диодов.
p-i-n обладают большей чувствительностью, чем светодиоды. Их барьерная емкость мала, за счет чего обеспечиваются хорошие частотные характеристики (граничная частота — до 1 ГГц ).
Лавинные диоды характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако, их использование затруднено сложностью, высокой стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме усиления слабого сигнала.
Одними из критических мест волоконных систем являются сращивание волокон и разъемы. Потеря света в соединителе составляет 10-20%. Для сравнения: сварка волокон приводит к потерям не более 1-2%.
Кросс, предназначенный для оптического кабеля, относится к кроссам высокой плотности, т.е. количество подключаемых пар на единицу площади превышает предыдущие системы (например, цифровые системы уплотнения).
Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing — WDM) — это концепция объединения нескольких потоков данных по одному физическому волоконно-оптическому 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.
Существует два типа систем WDM, обеспечивающих грубое (CWDM) 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.
Главное приложение WDM-систем состоит в увеличении емкости оптического волокна. В этом случае большое количество потоков данных передаются по небольшому количеству оптических кабелей. Это дает возможность значительно увеличить пропускную способность оптического кабеля. Другое приложение — использование WDM в сетях абонентского доступа.

Задачи и упражнения

Используя таблицу 3.1, определите максимально допустимую длину по затуханию оптической линии, которая может быть обслужена в соответствии параметрами оптического кабеля, указанными в таблице 3.2, и функционирует в следующих условиях:
- одномодовый кабель 9,5/125 , работающий на длине волны 1350 нм ;
- одномодовый кабель 9,5/125 , работающий на длине волны 1550 нм ;
- многомодовый градиентный 50/125 , работающий на длине волны 850 нм ;
- многомодовый градиентный 50/125 , работающий на длине волны 1350 нм ;
- многомодовый градиентный 100/140 , работающий на длине волны 1350 нм ;
- многомодовый градиентный 200/280 , работающий на длине волны 850 нм.
Принимаем разность между допустимой выходной мощностью источника и входной мощностью, необходимой приемнику, при максимальном коэффициенте ошибок равной 42 дБ.
Определите максимально допустимую длину оптической линии по дисперсии, которая может быть обслужена в соответствии с параметрами оптического кабеля, указанными в тексте этой лекции и приведенными ниже. Примем при этом полосу пропускания равной 90 Мбит/c и коэффициент широкополосности (BDF — Bandwidth Distance Factor).
- 200 МГц/км
- 800 МГц/км
- 50 ГГц/км
- 100 ГГц/км
Сравните с результатом предыдущей задачи. Какой из показателей больше ограничивает расстояние?
Определить коэффициент широкополосности (BDF) в оптоволоконной системе при следующих условиях:
- длина волны 850 нм
- ширина спектра светодиода 50
- дисперсия 3,5 пс-км (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
- максимально допустимая величина расширения
Определить коэффициент широкополосности (BDF) в оптоволоконной системе при следующих условиях:
- длина волны 1550 нм
- ширина спектра светодиода 0,4
- дисперсия 3,5 пс/км-нм (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
- максимально допустимая величина расширения
Определить допустимую ширину спектра светодиода при следующих условиях:
- длина волны 1550 нм
- коэффициент широкополосности 500 Мбит
- дисперсия 3,5 пс/км-нм (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
- максимально допустимая величина расширения

Указания к решению задачи 2

Для решения используем приведенную в тексте формулу

$\tau_{mat}(\Delta\lambda)=\Delta\lambda\times L\times M(\lambda),$

где

$\tau_{mat}(\Delta\lambda)$ — дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр (пс/км•нм);
$M(\lambda)$ — дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны (или коэффициент дисперсии волокна) в пс/км;
$\Delta\lambda$ — спектр источника в нанометрах (нм);
— длина кабеля.

Введем показатель "максимально допустимая величина расширения импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов): импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов):

$\tau_{max}(\Delta\lambda)\leqslant kT$