3.6.2 Устройства уплотнения по длинам волн
Устройства, с помощью которых осуществляется уплотнение по длинам волн, называются мультиплексорами.
Одним из устройств волнового (спектрального) уплотнения является WDM-фильтр. Он выполняет функции мультиплексирования (объединения) или демультиплексирования (выделения или фильтрации) оптических сигналов разных длин волн (каналов) из нескольких ВС в один ВС или из одного ВС в несколько ВС. На передающей и приёмной сторонах могут устанавливаться однотипные устройства, но работающие в режимах объединения и выделения соответственно (рисунок 3.20).
Рисунок 3.20 — Схема оптического сегмента, использующего передачу мультиплексного сигнала по волоконному световоду.
Сам факт существования устройств WDM основан на свойстве ВС пропускать множество сигналов, которые распространяются по ВС, не взаимодействуя между собой.
Первые устройства WDM появились в начале 90-х годов ХХ века. В основном это были широкополосные двухканальные системы с длинами волн 1310нм и 1550нм. В дальнейшем по мере всё большего освоения окна прозрачности 1550нм появляются прецизионные узкополосные WDM-устройства с мультиплексируемыми длинами волн, полностью лежащими в окне прозрачности 1550нм.
Это позволило строить на волокне протяжённые магистрали с множеством каналов. Катализатором прогресса становятся оптические усилители. Практически вся рабочая область длин волн (1530-1560нм), в которой усилитель имеет достаточно высокий коэффициент усиления и приемлемое отношение сигнал/шум, отводится в распоряжение систем спектрального уплотнения. Для построения многоканальных WDM-систем наряду с пассивными WDM-фильтрами также требуются узкополосные лазеры, стабильно выдерживающие нужную длину волны. Пока именно лазеры остаются наиболее дорогим элементом в таких системах. В настоящее время поставляются системы с числом каналов 4, 8 ,16, 32.
Мультисервисная платформа «Волга»
платформа «Волга» для построения высокоскоростных DWDM-сетей — до 400 Гбит в секунду. Платформа работает с оптическими транспордерами 100G, что дает возможность передачи данных на расстояния более 4000 километров.
Компенсаторы дисперсии в каскаде усилителей и регенерация не применяются. Мультисервисная платформа «Волга» отличается лучшими в мире характеристиками по соотношению сигнал/шум. Оборудование способно работать на скоростях 1G, 2,5G, 10G, 40G и 100G.
В архитектуре «Волги» четыре типа шасси и широкий спектр усилителей: низкошумящие EDFA и рамановские, с мощностью до 33 дБм. Общая емкость платформы – 9,6 Тбит. По техническим характеристикам система «Волга» не уступает импортным аналогам. Основные конкуренты – Huawei (Китай), Alcatel-Lucent (Франция), Ciena (США). Стоимость российского оборудования в два раза дешевле.
Обзор WDM, CWDM и DWDM
Чтобы лучше понять разницу между CWDM и DWDM, нам лучше сначала узнать, что такое WDM, CWDM и DWDM.
Что такое WDM?
WDM — это технология для передачи больших объемов данных между сайтами. Это увеличивает пропускную способность, позволяя одновременно передавать разные потоки данных по одной оптоволоконной сети. таким образом, WDM максимизирует использование волокна и помогает оптимизировать инвестиции в сеть.
Что такое CWDM и DWDM?
Как упоминалось выше, CWDM и DWDM — это две технологии, разработанные на основе WDM, но с разными схемами длин волн и приложениями. CWDM — это гибкая технология, которая может быть развернута в большинстве типов оптоволоконных сетей. Обычно он развертывается в топологии точки-точки в корпоративных сетях и сетях доступа к телекоммуникациям. Пока DWDM рассматривается как опция для городской сети. Теперь он также используется для межсоединения ЦОД и сетей финансовых услуг и часто развертывается в кольцевой топологии.
CWDM vs DWDM: преимущества и недостатки
Как упоминалось выше, основное различие между DWDM и CWDM — это разнос каналов (CWDM имеет почти в 100 раз больше разноса каналов). Это делает CWDM более простой технологией, что приводит к преимуществам и недостаткам различных систем в отношении стоимости, производительности и т. д.
CWDM преимущества и недостатки
| CWDM преимущества | CWDM недостатки |
|---|---|
|
|
DWDM преимущества и недостатки
| DWDM преимущества | DWDM недостатки |
|---|---|
|
|
3.6.3 Принцип действия устройств спектрального уплотнения
Для объединения и разделения оптических несущих могут использоваться различные мультиплексоры, работа которых основана на известных явлениях физической оптики: дисперсии, дифракции, интерференции.
а) Призменное устройство
В качестве примера на рисунке 3.21 показана схема призменного устройства, с помощью которого можно как объединить, так и разделить оптические несущие.
Рисунок 3.21 – Схема разделения оптических несущих с помощью призмы.
Основным элементом такого устройства является оптическая призма, в которой за счёт дисперсии, то есть зависимости показателя преломления от длины волны оптического излучения, происходит пространственное разделение (или объединение для обратного направления) оптических несущих. Для примера здесь показаны два оптических канала с длинами волн несущих λ1 и λ2. Торец волоконного световода (ВС), по которому передается оптическое излучение двух каналов, располагается в фокальной плоскости линзы L1. Поэтому расходящийся пучок излучения с торца ВС преобразуется линзой в параллельный пучок и падает на призму. Так как излучение разной длины волны отклоняется призмой на разные углы, то из призмы выходят параллельные пучки разного направления (штриховые линии). С помощью второй фокусирующей линзы L1 эти пучки собираются в различных точках её фокальной плоскости и далее поступают в волоконные световоды ВС1 и ВС2.
Призменные устройства объединения и разделения оптических несущих обладают рядом недостатков, из которых следует выделить большие габариты, значительные вносимые потери и высокую стоимость. Для создания систем передачи со спектральным разделением оптических каналов более подходят устройства, работающие на дифракционных и интерференционных явлениях. Сюда относятся дифракционные решётки, светофильтры и др.б) Дифракционное устройство
В дифракционных решетках различные оптические волны отклоняются на различные углы и таким образом осуществляется разделение или объединение несущих (рисунок 22).
Рисунок 3.22 – Схема разделения оптических несущих с помощью дифракционной решётки
Угловая дисперсия первого порядка для решётки определяется её пространственным периодом – постоянной решётки d.
Если оптический сигнал в каждом канале монохроматичен, разделение каналов определяется соотношением
где f – фокусное расстояние линзы;D – пространственное разделение выходов ВС;d – постоянная решётки.
Конечная ширина спектральной линии приводит к перекрытию соседних каналов.
в) Оптические фильтры
Широкое применение получили оптические фильтры. Действие их основано на дифракционных свойствах кварцевого стекла, т.е. зависимости показателя преломления от длины волны n=n(λ). Соответственно при прохождении различных волн через световод с меняющимся значением n одни волны испытывают отражение, а другие проходят.
Известно несколько модификаций оптических фильтров. Волоконный фильтр — это отрезок световода, параметры сердцевины или оболочки которого (диаметр, показатель преломления) периодически модулированы вдоль оси световода. Такие световоды обладают резко выраженными селективными свойствами: одни волны испытывают отражение, а для других волн фильтр прозрачен (рисунок 23, а,б).
а–с модуляцией диаметра волокна; б–с модуляцией показателя преломления; в–плоская конструкция фильтра
Рисунок 3.23 – Типы оптических фильтров
Плоская конструкция фильтра — это комбинация стёкол с различными показателями преломления n1>n2. При прохождении через такой фильтр излучение с длинной волны λ2 испытывает полное внутреннее отражение, а излучение с длинной волны λ1 проходит, так как критические углы отражения у них разные (рисунок 3.23, в).
Оптические фильтры обеспечивают коэффициент отражения по интенсивности примерно 0,9.
Основы DWDM
DWDM считается одной из лучших технологий для увеличения пропускной способности по сравнению с существующей волоконной установкой. Он позволяет создавать несколько «виртуальных волокон» поверх одного физического волокна. Он делает это, передавая различные длины волн (или цвета) света вниз по волокну. DWDM первоначально был принят на вооружение дальними операторами связи, поскольку расходы на усиление, компенсацию дисперсии и регенерацию составляли большую часть стоимости сетевого оборудования в региональных и национальных сетях SONET. DWDM стал все более популярным в сетях метро, когда местные биржевые операторы расширили свои сети. Помимо исчерпания оптоволокна, объем трафика является основным экономическим фактором для развертывания технологии DWDM в сетях метро.
Частоты каналов DWDM
DWDM работает в диапазоне от 1530 до 1565 Нм, так называемом C-диапазоне, который соответствует окну низких потерь оптического волокна. Это диапазон, в котором работает волоконный усилитель (EDFA). Сетка допустимых длин волн/частот работы находится в соответствии с ITU-T, центрированной на частоте 193,1 ТГц или длине волны 1553,3 Нм, и все виды частот, разнесенных на кратные 25 ГГц (=0,2 Нм) вокруг этой центральной частоты. Коммерческие системы могут иметь каналы со скоростью 2,5 Гбит/с, 10 Гбит/с и 40 Гбит/с (причем последние в последнее время становятся коммерческими) в дополнение к комбинациям этих каналов в одной и той же системе. Чем выше скорость передачи битов, тем больше потребности от бюджета мощности, что означает, что лазеры должны иметь лучшие показатели сигнал-шум, расстояние между усилителями должно быть уменьшено, усиление должно быть выше, например, при использовании двух оптических усилителей DWDM последовательно. Обычно 64 канала DWDM со скоростью 10 Гбит/с достигают максимального расстояния около 1500 км при расстоянии между усилителями, близком к 100 км. Системы передачи данных на большие расстояния за пределы 1500 км и до 4500 км также будут коммерчески доступны с использованием передовых и гораздо более дорогих систем.
Применение технологии DWDM
Уровень DWDM не зависит от протокола и скорости передачи данных, что означает, что он может одновременно передавать ATM (асинхронный режим передачи), SONET и/или IP-пакеты. Технология WDM может также использоваться в пассивных оптических сетях (PONs), которые являются сетями доступа, в которых весь транспорт, коммутация и маршрутизация происходят в оптическом режиме. С включением последних устройств 3R (reshape, retime, retransmit), внутренних по отношению к системе DWDM, теперь можно построить схемы, использующие только оборудование DWDM, которые могут охватывать всю страну. В эти устройства встроены новые возможности мониторинга производительности, позволяющие осуществлять техническое обслуживание и ремонт канала связи. При использовании DWDM в качестве метода передачи пропускная способность существующей волоконной установки максимизируется.
Мультиплексирование
Как сети с коммутацией каналов совместно используют соединительные линии (как общие ссылки)? Ответ: мультиплексирование.В компьютерной компьютерной системе полоса пропускания или емкость среды передачи часто больше, чем необходимость передачи одного сигнала. Для эффективного использования линии связи желательно, чтобы один канал одновременно передавал несколько сигналов. Это так называемая технология мультиплексирования. Ресурсы канала / сети (такие как полоса пропускания) делятся на «срезы ресурсов», а срезы ресурсов выделяются «вызовам». Каждый канал использует исключительно выделенные срезы ресурсов для связи, и срезы источника могут быть «незанятыми» (в режиме ожидания) (без обмена).
Типичные методы мультиплексирования: мультиплексирование с частотным разделением (FDM), мультиплексирование с временным разделением (TDM), мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM), код Мультиплексирование с кодовым разделением (CDM).Мультиплексирование с частотным разделениемКаждый пользователь занимает разные ресурсы полосы пропускания (обратите внимание, что здесь «полоса пропускания» является шириной полосы частот (единица: Гц), а не скоростью передачи данных). Как показано на рисунке 1.1, после того, как пользователю выделена определенная полоса частот, эта полоса частот занята на протяжении всего процесса связи.Мультиплексирование с временным разделениемВремя делится на мультиплексированные кадры с временным разделением (кадры TDM) одинаковой длины, и каждый пользователь занимает фиксированную последовательность временных интервалов в каждом кадре TDM
Как показано на рисунке 1.2, временной интервал, занимаемый каждым пользователем, появляется периодически (его период — длина кадра TDM). Все пользователи мультиплексирования с временным разделением занимают одну и ту же полосу частот в разное время.WDMЭто мультиплексирование света с частотным разделением, как показано на рисунке 1.3.Кодовое разделение каналовТо есть каждый пользователь выделяет уникальную m-битную последовательность чипов (последовательность чипов), каждый пользователь использует одну и ту же несущую частоту и использует свою собственную последовательность чипов для кодирования данных.
Рисунок 1.1 Мультиплексирование с частотным разделением
Рисунок 1.2 Мультиплексирование с временным разделением
Рисунок 1.3. Мультиплексирование с разделением по длине волны.
Коммутация пакетов также может рассматриваться как статистическое мультиплексирование.Как коммутация пакетов делится ссылками?Когда коммутация пакетов отправляет пакеты, например, есть два хоста, A и B. Независимо от того, каким хостом являются пакеты, они будут поставлены в очередь для передачи, пока они получены. Это не тот случай, когда полоса пропускания канала заранее выделяется для хоста A. Host B часть. Пакетная коммутация использует полную полосу пропускания для каждого хоста при передаче данных. Иногда хост A передает данные, а хост B не передает данные, тогда связь занята только хостом A. Последовательность пакетов хоста A & B является неопределенной, поэтому она делится ссылкой по требованию, мы называем это статистическим мультиплексированием.
Экспресс или порт обновления
Для продуктов CWDM обычно будет либо обновление, либо экспресс-порт, но не оба. Модернизированный или экспресс-порт на CWDM Mux или DeMux используется для добавления, отбрасывания или передачи по дополнительным каналам, что обеспечивает каскадирование двух модулей CWDM Mux / DeMux, удваивая пропускную способность канала в общем оптоволоконном канале.
Для продуктов DWDM цель порта обновления состоит в том, чтобы иметь возможность добавлять, отбрасывать или пропускать каналы DWDM С-диапазона, которые еще не используются, а именно только каналы, которые находятся в диапазоне 1530 — 1565 нм. Если продукт DWDM также имеет экспресс-порт, то этот порт обычно используется для дополнительных каналов, находящихся вне C-диапазона, таких как большинство каналов CWDM.
Общие принципы технологии DWDM
Технология уплотненного волнового мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM) предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Информация в оптическом волокне передается одновременно большим количеством световых волн лямбд — термин возник в связи с традиционным для физики обозначением длины волны λ.
Сети DWDM работают по принципу коммутации каналов, при этом каждая световая волна представляет собой отдельный спектральный канали несет собственную информацию.
Его основными функциями являются операции мультиплексирования и демультиплексирования, а именно — объединение различных волн в одном световом пучке и выделение информации каждого спектрального канала из общего сигнала. Наиболее развитые устройства DWDM могут также коммутировать волны.
Первым применением технологии DWDM были протяженные магистрали, предназначенные для связи двух сетей SDH. При такой простейшей двухточечной топологии способность устройств DWDM выполнять коммутацию волн является излишней, однако по мере развития технологии и усложнения топологии сетей DWDM эта функция становится востребованной.
Сегодня оборудование DWDM позволяет передавать по одному оптическому волокну 32 и более волн разной длины в окне прозрачности 1550 нм, при этом каждая волна может переносить информацию со скоростью до 10 Гбит/с (при применении протоколов технологий STM или 10 Gigabit Ethernet для передачи информации на каждой волне). В настоящее время ведутся работы по повышению скорости передачи информации на одной длине волны до 40-80 Гбит/с.
У технологии DWDM имеется предшественница — технология волнового мультиплексирования (Wave Division Multiplexing, WDM), которая использует четыре спектральных канала в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм с разносом несущих в 800-400 ГГц.
Мультиплексирование DWDM называется «уплотненным» из-за того, что в нем используется существенно меньшее расстояние между длинами волн, чем в WDM.
Нa сегодня рекомендацией G.692 сектора ITU-T определены два частотных плана:
· частотный план с разнесением частот между соседними каналами 100 ГГц, в соответствии с которым для передачи данных применяется 41 волна в диапазоне от 1528,77 (196,1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц);
· частотный план с шагом 50 ГГц, позволяющий передавать в этом же диапазоне 81 длину волны.
Реализация частотных планов с шагом 50 ГГц и 25 ГГц предъявляет гораздо более жесткие требования к оборудованию DWDM, особенно в том случае, если каждая волна переносит сигналы со скоростью модуляции 10 Гбит/с и выше (STM-64, 10GE или STM-256). Теоретически зазоры между соседними волнами в 50 ГГц и даже 25 ГГц позволяют передавать данные со скоростями 10 Гбит/с, но при этом нужно обеспечить высокую точность частоты и минимально возможную ширину спектра несущей волны, а также снизить уровень шумов, чтобы минимизировать эффект перекрытия спектра.
STM-64 при интервале 100 ГГц STM-64 при интервале 50 ГГц
Перекрытие
| STM-16 при интервале 50 ГГц |
| STM-16 при интервале 100 ГГц |
Перекрытие спектра соседних волн для разных частотных планов и скоростей передачи данных.
3.6.5 Типы мультиплексоров и демультиплексоров
Применяемые в линиях мультиплексоры и демультиплексоры должны иметь малые вносимые потери, а мультиплексоры, кроме того, обеспечивать высокую степень изоляции между каналами. В зависимости от длины волны используют четыре различных способа получения устройств связи (рисунок 3.25).
а–с дифракционной решёткой; б–с призмой; в–с хроматическим фильтром; г–с фотодетекторами
Рисунок 3.25 — Типы устройств связи селективных к длине волны
В основу работы этих устройств положены три чувствительных к длине волны эффекта:
- дисперсия;
- интерференция;
- поглощение.
Демультиплексоры, показанные на рисунке 3.25,а,б используют угловую дисперсию решётки или призмы. На рисуноке 3.25,в изображена конструкция для разделения каналов с помощью интерференционного фильтра, а на рисуноке 3.25,г – структура поглощающего типа, используемая как демультиплексор. Каждый поглотитель состоит из чувствительного к длине волны фотодиода.
Устройства с решёткой и призмой (рисунок 3.25,а,б) являются делителями с параллельным разделением каналов, а использующие фильтры и селективные фотодетекторы (рисунок 3.25, в, г) – с последовательным.
Последовательное разделение применяется при небольшом числе каналов, так как с ростом числа каналов пропорционально увеличивается число элементов схемы (светофильтров, делительных пластин, зеркал, фокусирующих элементов) и соответственно растут потери на излучение. Наиболее широко используются устройства с хроматическим фильтром (рисунок 3.25,в). Демультиплексоры такого типа выполнимы и в полностью волоконном исполнении без использования цилиндрических линз. В разрезе передающего волоконного световода расположен фильтр, чувствительный к длине волны.
Параллельное разделение возможно осуществить как для малого, так и для большого (несколько десятков) числа спектрально уплотнённых несущих в одном ВС. Параллельные детали представляют собой миниспектрометр. Как и спектрометр, делитель имеет диспергирующий элемент (решётку или призму), коллимирующий элемент (объектив или вогнутое зеркало), а также входную и выходную цепи (роль которых выполняют сердцевины излучающего и приёмных волоконных световодов). Схема с призмой не получила широкого распространения, так как призма ограничивает возможность миниатюризации устройства и характеризуется низкой дисперсией в диапазоне длин волн 1,1–1,6мкм. Материалы для изготовления призм со значительной угловой дисперсией имеют большие потери. Кроме того, дисперсия призм не постоянна по спектру. Наибольшее распространение получили устройства с дифракционной решёткой.
Примером устройства демультиплексора с решёткой является пятиканальный демультиплексор, изображённый на рисунке 3.26. Излучающий и пять приёмных ВС объединены в линейку, расположенную в фокальной плоскости объектива (фокусное расстояние 23,8мм, диаметр 14мм). Излучение из передающего ВС коллимируется объективом, дифрагирует на решётке и снова попадает в объектив, который в зависимости от длины волны фокусирует излучение на тот или иной приёмный ВС.
1–входной ВС; 2–выходные ВС; 3–объектив; 4–дифракционная решётка; 5–сечение по АА
Рисунок 3.26 – Схема устройства пятиканального демультиплексора
Решётка имеет несимметричные канавки. Параметры решётки (постоянная решётки d=4мкм, угол Θ=6,2o) выбраны так, что её максимальная дифракционная эффективность достигалась на центральной длине волны λ=0,86мкм рабочего диапазона λ=0,82–0,88мкм. Спектральный интервал между каналами равен Δλ=25нм. Во всём диапазоне дифракционная эффективность составляет не более 90%, вносимые потери на разветвлении не превышают А1n=4дБ, переходные ослабления – C1n=30дБ.
Что внутри пластиковой коробки
Чтобы это стало просто и понятно, нам нужно познакомиться с другим оптическим устройством, которое называется “CWDM фильтр”. На данный момент фильтры являются основой построения всех пассивных устройств CWDM: мультиплексоров и OADM модулей.
У CWDM фильтра есть 3 входа(выхода). Они называются: “COM”, “PASS” и “REFLECT”. На фото справа видно 3 оптических волокна, выходящих из корпуса устройства.
Фильтр отделяет(или добавляет) сигнал только с какой-либо одной длиной волны.
Размер этого оптического устройства очень маленький, по габаритам его можно сравнить со спичкой.
CWDM мультиплексор состоит из соединенных последовательно фильтров. Количество фильтров равно количеству длин волн в мультиплексоре. Если вы вскроете пластиковый корпус, то обнаружите там N маленьких цилиндров, соединенных друг с другом оптическими волокнами.
Технология производства CWDM мультиплексоров очень простая. Прямо на заводе сидит рабочий и сваривает волокна, выходящие их фильтров друг с другом. После того, как все сварки выполнены, фильтры укладывают в пластиковый корпус и заливают компаундом.
В производстве пассивных устройств CWDM преобладает ручной труд. К нашему счастью, китайцы любят трудиться и делают это недорого.
В будущем, все может измениться, так как зарплаты в Китае растут очень высокими темпами. Каждый год оплата труда на фабриках растет на 5-10%. Видимо, это увеличение зарплат и делает людей на плакате слева такими счастливыми (шутка, этому плакату уже более 40 лет).
Про ручной труд мы упомянули не случайно, и из этого факта необходимо сделать важный вывод. CWDM мультиплексоры, поставляемые на российский рынок из КНР, могут очень сильно отличаться по качеству.
Некоторые фабрики собирают CWDM мультиплексоры из готовых фильтров, а некоторые собирают их сами. Серьезной разницы в цене и качество готового продукта это не дает. Важна культура на производстве.
