Схемы реализации мультиплексоров WDM

Первые мультиплексоры класса WDM, как известно, использовались для мультиплексирования двух несущих: 1310 нм и 1550 нм, расстояние между которыми 240 нм было настолько большим, что при реализации не требовало специальных фильтров для их разделения. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов) при использовании традиционной дискретной оптики не давали результатов лучше, чем следующие:

· разнос каналов – 20-30 нм,

· переходное затухание между каналами – 20 дБ,

· уровень вносимых потерь – 2-4 дБ.

Это позволило формировать не более 4 каналов во 2-м окне прозрачности в 1987-90 годах. В 1996-1998 годах произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обусловленный, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологиям, с другой – миниатюризацией и улучшением качества изготовления элементов традиционной дискретной оптики. В настоящее время используются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования). Две из них на основе интегральной оптики: одна использует выделение несущих на основе дифракционной решетки на массиве волноводов – AWG (Arrayed Waveguide Grating) и вторая на основе вогнутой дифракционной решетки – CG (Concave Grating). В третьей технологии применяется традиционная миниатюрная (на новом уровне технологии) дискретная оптика, использующая выделение каналов на основе технологии трехмерного оптического мультиплексирования – 3DO (3-D Optics WDM). В основе первой из них (см. рис. 3а)) – планарный оптический многопортовый разветвитель в форме таблетки с портом входа l₀ и группой выходных портов l_l⁰, l ₂⁰, ... l_n⁰, расположенной симметрично относительно l₀ на периферии волновода слева, и группой внутренних портов l_l⁰, l ₂⁰, ... l_n⁰ расположенной симметрично группе выходных портов на периферии справа. Внутренние выходные порты соединены через массив световодов (играющий роль дифракционной решетки, благодаря фиксированной разнице длин каждого световода, кратной D l) с плоским отражающим зеркалом. Входной поток l₀ = S l_i (i=1,2, ... n) подается в оптический волновод и распределяется по всем внутренним портам, откуда он распространяется по массиву световодов (с разным фазовым запаздыванием) до зеркала, отражается и подается со стороны внутренних выходных портов в тот же волновод, где происходит интерференция входной и отраженных волн. Указанное устройство напоминает, по сути, интерференционный волновой фильтр на дифракционной решетке или многомерный вариант MZI. Размеры и форма планарного разветвителя, решетки световодов, а также расположение выходных портов, выбираются так, чтобы интерференционные максимумы освещенности располагались в районе выходных портов и соответствовали группе несущих l₁⁰, l₂⁰, ... l_n⁰.

Рис. 2. Схема мультиплексирования WDM на основе дифракционной решетки на массиве волноводов: а) с одним разветвителем и отражающим зеркалом, б) с входным и выходным разветвителями.

Порт входа и выходные порты могут быть разнесены, если использовать два планарных волновода (входной и выходной разветвители), как это показано на рис. 3б).

Третья технология также использует классическую схему с плоской отражательной дифракционной решеткой (1), вогнутым зеркалом (2) и массивом волокон (3) (см. рис. 4), размещенных в пазах решетки с фиксированным шагом. Схема работы (в режиме демультиплексора) проста: мультиплексированный поток из входного волокна (А), расходясь конусом с углом, (отражается от зеркала и падает на дифракционную решетку, отражающую под разными углами свет разной длины волны. Эти дифрагированные лучи, отражаясь от зеркала, фокусируются в определенных точках, где и должны быть расположены приемные порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие.

Рис. 3. Схема WDM на основе трехмерного оптического мультиплексирования

Все элементы конструкции строго фиксированы в стеклянном блоке, что позволяет выдержать и сохранять высокую точность изготовления. Указанная конструкция может быть использована как с параболическим, так и сферическим зеркалами, имеет коэффициент увеличения равный 1. Она афокальна (т.е. не имеет фокуса), так что все исходящие и входящие в волокна углы одинаковы. ОМ волокна укладываются в канавки специальной решетки. Конструкция позволяет использовать до 131 канала с шагом 1 нм или до 262 каналов с шагом 0,5 нм.

От WDM к DWDM

Долгое время в WDM-системах использовались 2-4 канала, отстоящих друг от друга на десятки и сотни нанометров. Между тем еще с середины 80-х гг. разработчики пытались радикально увеличить данный параметр. Появление технологии DWDM позволило формировать в одном волокне десятки каналов и вести передачу с суммарной скоростью более 1 Тбит/с.

Первые эксперименты с DWDM датируются 1985 г., когда специалистам Bell Laboratories (исследовательского центра компании AT&T, ныне принадлежащего Lucent Technologies) удалось мультиплексировать 10 каналов по 2 Гбит/с, длины волн которых отстояли друг от друга на 1,3 нм. Аналогичные опыты были выполнены в том же году в BTRL (исследовательском центре British Telecommunications), где использовалось 7 каналов по 280 Мбит/с с шагом 15 нм. В лабораторных условиях скорости передачи 1 Тбит/с достигли в 1996 г. сразу три компании - Bell Laboratories, Fujitsu Laboratories и Nippon Telegraph and Telephone (NTT).

Первая из них использовала 25 инжекционных лазеров; их выходные сигналы расщеплялись на две составляющие с различной поляризацией, а затем полученные 50 несущих сигналов модулировались со скоростью 20 Гбит/с. Передача велась на расстояние 55 км. Специалисты Fujitsu Laboratories продемонстрировали связь на расстоянии 150 км с использованием 55 длин волн при скорости передачи 20 Гбит/с в каждом канале. NTT осуществила мультиплексирование 10 каналов по 100 Гбит/с при дальности связи 40 км. Во всех трех случаях использовался диапазон 1550 нм. В том же году NTT добилась суммарной скорости свыше 2,2 Тбит/с, а организация All-Optical Networking Consortium сообщила о возможности достичь показателя 4 Тбит/с при формировании 40 каналов по 100 Гбит/с каждый.

В начале 1998 г. центр Bell Laboratories объявил о двух новых достижениях - передаче данных по 100 каналам (скорость каждого - 10 Гбит/с) при дальности около 400 км и по 30 каналам (скорость 40 Гбит/с) при дальности 85 км. В обоих экспериментах применялись новые оптические усилители Bell Laboratories, полоса пропускания которых почти в семь раз шире, чем у серийных устройств. После появления систем 100G очередным мод- ным "трендом" DWDM-оборудования стали системы 400G, а в лабораторных экспери- ментах – 1T. Вероятно, это связано с ожида- ниями стандартизации и внедрения оче- редных уровней протокола Ethernet на кли- ентских сетях – 400G Ethernet и 1T Ethernet. Соответственно, операторы связи готовятся пре- доставить клиентам интерфейсы для передачи таких каналов; "внутренняя кухня" (как именно технически передается этот поток по оптиче- скому волокну) при этом для клиента не столь важна. На практике достичь скорости 400 Гбит/с по одной несущей в коммерческих системах пока не удалось, и в 2015 году на рынке были представлены различные варианты "400G" систем на двух поднесущих. При этом осущест- вляется передача двух каналов по 200 Гбит/с каждый (варианты реализации см. в табл.1) на двух разных длинах волн со спектральной эффективностью 2–4 бит/с/Гц.

Мультиплексоры DWDM

Мультиплексорам DWDM (в отличии от более традиционных WDM) присущи две отличительные черты:

· использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA (1530-1560 нм);

· малые расстояние D l между мультиплексными каналами, 3,2 / 1,6 / 0,8 или 0,4 нм.

Кроме этого, поскольку мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов до 32 и более, то наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются одновременно все каналы, допускаются также новые устройства, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного большим числом других каналов. Так как выходные порты/полюса закреплены за определенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует значительно большей прецизионной по сравнению c WDM мультиплексорами (использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм). Также важно обеспечить высокие характеристики по ближним (коэффициент направленности) и дальним (изоляция) переходных помех на полюсах DWDM устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM устройств по сравнению WDM.

DWDM мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства, работающего в режиме демультиплексирования составляют 10-12 дБ, при дальних переходных помехах <-20 дБ, и полуширине спектра сигнал 1 нм, (по материалам Oki Electric Industry). Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед и/или после DWDM мультиплексора.

Оптический линейный усилитель (OLA)

Блок OLA обеспечивает усиление двунаправленных оптических сигналов и компенсацию дисперсии. Блок OLA увеличивает дальность передачи без регенерации, то есть обеспечивает передачу без использования 3R-функции.

Как показано на рисунке 2.3, модуль OLA состоит из блока оптического усилителя, усилителя Рамана (комбинированное использование усилителей Рамана и EDFA обеспечивает усиление оптических сигналов с низким уровнем собственных шумов усилителей, что позволяет увеличить протяженность участка передачи), блоков DCM, FIU, SC2, SCC и т.д.

Рисунок 4 - Блок-схема OLA

Как и OTM, усилители Рамана используются на приемной стороне OLA, как показано на рисунке 2.3. Они выполняют усиление (с низким уровнем собственных шумов) оптических линейных сигналов, а затем посылают эти сигналы в блок FIU.

FIU выделяет оптический контрольный сигнал из основного тракта, для того чтобы система могла извлечь из него контрольную информацию. В то же время, сигналы C-диапазона, содержащиеся в основном тракте, передаются в блок OAU (блок эрбиевого оптического усилителя), где они усиливаются.

DCM обеспечивает компенсацию дисперсии сигналов основного тракта.