Технологии спектрального уплотнения WDM

Технология спектрального мультиплексирования (WDM) - это способ транспортировки по одному физическому оптоволокну нескольких каналов передачи данных, путем разнесения длин волн (цветов), основанный на способности оптического волокна одновременно передавать свет различных длин волн (цветов) без взаимной интерференции. Каждая длина волны представляет отдельный оптический канал. При помощи мультиплексирования в едином световом потоке, пересылаемом по оптическому волокну, можно объединить от четырех до 80 и более информационных каналов с разной длиной волны. Данная технология предназначена для передачи данных, поступающих в единую транспортную магистраль от различных источников на разной скорости и с использованием разных протоколов (Fibre Channel, Ethernet или ATM).

В настоящее время получили распространение следующие технологии спектрального мультиплексирования:

• 2-канальный WDM;
• грубое спектральное мультиплексирование (CWDM);
• плотное спектральное уплотнение (DWDM).
• сверхплотное спектральное уплотнение (HDWDM).

 

Рисунок 1.

На рисунке 1 схематически изображена зависимость потерь в типовом одномодовом оптоволокне в диапазоне, соответствующем его «окну прозрачности», от длины волны передаваемого оптического сигнала. Там же для наглядности обозначены названия диапазонов согласно рекомендации международного телекоммуникационного союза (ITU) ITU-T G.692, а также длины волн, применяемые в CWDM. Ниже приведены расшифровки названий оптических диапазонов:

• O – первичный диапазон (Original, 1260-1360 нм);
• E – расширенный диапазон (Extended, 1360-1460 нм);
• S – коротковолновый диапазон (short wavelength, 1460-1530 нм);
• C – стандартный диапазон (Conventional, 1530-1570);
• L – длинноволновый диапазон (Long wavelength, 1570-1625 нм).

Двухканальный WDM (иногда двунаправленный, bi-di WDM) является в настоящее время наиболее распространенным решением из мира технологий WDM. При его использовании в одном волокне комбинируются длины волн 1310 нм и 1550 нм, позволяя при относительно скромных затратах получить удвоение емкости оптической инфраструктуры. Принцип работы двухканального WDM можно понять из рисунка 2.

Рисунок 2.

Грубое спектральное мультиплексирование — CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) — является технологией спектрального уплотнения, базирующейся на использовании оптических каналов, лежащих в диапазоне от 1270 до 1610 нм и отстоящих друг от друга на расстоянии 20 нм, как специфицировано рекомендацией ITU с идентификатором ITU-T G-694.2. Поначалу использовался только диапазон волн 1470 – 1610 нм (8 длин волн), а область 1260 – 1360 не использовалась из-за увеличения затухания на длинах менее 1310 нм (увеличивается коэффициент рассеяния Рэлея).

Для компенсации эффекта поглощения на длине волны 1383 нм стали применять специальные волокна с нулевым «водяным пиком» (ZWPF, LWPF). Если система использует весь диапазон волн 1270 – 1610 нм, то ее называют FS-CWDM-системой (Full-spectrum CWDM).

Плотное спектральное мультиплексирование — DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) — технология для объединения еще гораздо большего числа длин волн, нежели это предусмотрено предыдущей технологией. Большинство ведущих производителей предлагают DWDM-оборудование, позволяющее мультиплексировать в С-диапазоне (1530-1565 нм) до 40 оптических каналов при ширине одного канала 100 ГГц или до 80 оптических каналов при его ширине 50 ГГц. В этом случае максимальная емкость одного оптического канала составляет 10 Гбит/с (уровень STM-64). В диапазоне L (1570-1605 нм) максимальное число оптических каналов может достигать 160 при ширине канала 50 ГГц. В этой же полосе работают легированные эрбием усилители оптического сигнала (EDFA).

Сверхплотное спектральное уплотнение — HDWDM (High Dense Wavelength Division Multiplexing) — перспективная технология спектрального уплотнения, позволяющая поднять количество уплотняемых каналов еще в 2-4 раза, по отношению к DWDM. В настоящий момент еще не получила распространения.

В таблице 1 показаны сводные данные по технологиям спектрального уплотнения. 

Таблица 1. Краткая сводка по технологиям WDM

	CWDM  (грубое СУ)	DWDM  (плотное СУ)	HDWDM  (сверхплотное СУ)
Шаг каналов	20 нм	1,6 нм	0,4 нм
Используемые диапазоны	O, E, S, C, L	200, 100, 50 ГГц S, C, L	25, 12,5 ГГц C, L
Число каналов	до 18	десятки/сотни	десятки
Относительная стоимость	низкая	высокая	высокая

Таблица 1 Краткая сводка по технологиям WDM.

До середины 90х гг годов XX века для мультиплексирования использовалась дискретная оптика (призмы), с их помощью не удавалось добиться шага каналов менее 20 нм, и потерь менее 2-4 дБ. Однако это уже позволяло использовать порядка четырех каналов в окне прозрачности оптических волокон того времени. Позже произошел переход к интегральным оптическим технологиям и, кроме того, удалось существенно улучшить качество изготовления элементов традиционной дискретной оптики, что обеспечило значительное распространение технологий спектрального уплотнения вплоть до настоящего времени.

В общем случае схема применения технологий WDM может быть представлена так, как указано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Типовой состав оборудования представляет собой необходимое количество оптических транспондеров, осуществляющих преобразование длин волн и оптический мультиплексор, смешивающий их все в один мультиспектральный сигнал.

Оптический транспондер – устройство, обеспечивающее интерфейс между оборудованием оконечного доступа и линией WDM. Согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических интерфейсах имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δλ≈±0.5 нм (для STM -16), а центральная длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм. На входы же оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, спектральные параметры которых, должны строго соответствовать стандартам, определённым рекомендацией ITU-T G.692. Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков SDH, то мультиплексирование осуществлено не будет. Необходимое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре WDM специального преобразователя длин волн - транспондера. Это устройство может иметь различное количество оптических входов и выходов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рекомендации G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рекомендации G.692. При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частотного плана ITU.

Оптический (де)мультиплексор CWDM. Основой мультиплексора/демультиплексора является дисперсионный элемент, способный разделить сигналы различных длин волн. В современных CWDM-системах для разделения оптических несущих применяются, как правило, относительно недорогие устройства на основе тонкопленочных фильтров (TFF, Thin Film Filter). Потери, вносимые такими устройствами, составляют около 1 дБ на канал (в реальных системах были получены величины менее 2,5 дБ для 8-канального устройства). Тонкопленочная технология характеризуется высокой развязкой (изоляцией) соседних каналов – порядка 30 дБ, высокой температурной стабильностью – 0,002 нм/°С, что эквивалентно изменению рабочей длины волны на ±0,07 нм при изменении температуры на ±35°С. Для выделения длин волн с разносом 20 нм требуются фильтры с существенно меньшим числом диэлектрических слоев, чем в случае DWDM-фильтров (примерно 50 и 150 слоев соответственно), что положительно сказывается на стоимости.

Мультиплексоры/демультиплексоры, основанные на применении многослойных тонкопленочных фильтров, являются (де)мультиплексорами последовательного типа, то есть один фильтр выделяет один канал. Использование таких устройств в системах со большим числом каналов (на практике больше 4-х) может привести к значительному росту вносимых потерь, и в этом случае иногда используют решеточные (де)мультиплексоры параллельного или гибридного параллельно-последовательного типа. Принцип их работы заключается в том, что приходящий сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, фактически представляющих собой дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). При этом в каждом волноводе по-прежнему присутствуют все длины волн, т.е. сигнал остается мультиплексным, только распараллеленным. Так как длины волноводов отличаются друг от друга на фиксированную величину, потоки проходят разный по длине путь. В итоге световые потоки собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка, и создаются пространственно разнесенные максимумы, под которые и рассчитываются выходные полюса. Физика процесса такая же, как в обычной дифракционной решетке, что и дало название технологии. Мультиплексирование происходит обратным путем.