Фотон-Экспресс 23, сентябрь 2001 г.

DWDM-технологии — основа терабитных коммуникаций оптических сетей будущего

Волоконно-оптические системы связи проходят очередной этап своего развития, косвенно связанный с осуществляющейся в последнее время переоценкой ценностей в области телекоммуникаций вообще.

Рост потребностей в увеличении объемов связи как с точки зрения увеличения скорости передачи информации, так и охвата новых регионов привел к появлению и становлению новых волоконно-оптических технологий, в частности технологий спектрального (частотного) мультиплексирования (уплотнения) каналов, получивших название WDM- и DWDM-технологий. WDM (wavelength division multiplexing) означает мультиплексирование с разделением по длине волны, DWDM (dense wavelength division multiplexing) — плотное мультиплексирование с разделением по длинам волн.

Эти технологии позволяют в сотни раз увеличить пропускную способность волоконно-оптических каналов и сетей связи; их применение, вместе с технологиями временного уплотнения (TDM), позволило в последнее время достичь терабитных скоростей передачи информации по одному оптическому волокну.

Повышать пропускную способность оптического волокна в уже проложенном кабеле в принципе можно двумя способами: либо повысить скорость передачи в канале за счет применения более быстрого временного уплотнения (TDM), либо увеличить число спектральных каналов, по которым осуществляется передача сигнала по одному волокну за счет применения WDM-технологии (см. Фотон-Экспресс №17).

Реализация первого варианта, особенно в сетях дальней связи, использующих синхронную цифровую иерархию (SONET/SDH), связана с рядом трудностей, в частности с резким удорожанием оконечной аппаратуры при скоростях передачи, превышающих 40 Гбит/с. В настоящее время на практике реализованы и используются TDM-каналы со скоростью передачи информации 10 Гбит/с, идет разработка и внедрение аппаратуры, обеспечивающей реализацию TDM-каналов со скоростью 40 Гбит/с.

Кроме этого, в большинстве случаев уже проложенное оптическое волокно не позволяет передавать информацию со скоростями более 10 Гбит/с, поскольку при его прокладке в составе волоконного кабеля не принимался во внимание ряд существенных эффектов, проявляющихся в волокне при таких скоростях передачи информации. Во первых, из-за наличия дисперсии в волокне, которая приводит к уширению световых импульсов и, следовательно, к ограничению скорости передачи информации. В одномодовом волокне полная диперсия состоит из хроматической и поляризационно-модовой (ПМД). Величину хроматической дисперсии в принципе можно снизить путем включения в линию отрезков волокна с противоположным знаком дисперсии. Величина ПМД обусловлена отклонениями поперечного сечения световедущей жилы волокна от круглой формы, возникающими из-за несовершенств технологии, и носит случайный характер, а поэтому и не всегда может быть скомпенсирована. Во вторых, с ростом скорости передачи падает чувствительность фотоприемных устройств и глубина модуляции несущего светового сигнала информационным сигналом и, как следствие этого, отношение сигнал/шум в линии. Для компенсации этих эффектов необходимо устанавливать дополнительные усилители и регенераторы оптических сигналов. Все это так или иначе приводит к усложнению оптической аппаратуры и повышению ее стоимости. По мнению специалистов, в ближайшие годы путем временного мультиплексирования на практике навряд ли будет возможно реализовать и использовать каналы со скоростями передачи более 40 Гбит/с.

Существует другой путь увеличения информационной емкости или скорости передачи информации ВОЛС. Это — применение спектрального мультиплексирования, WDM-технологии. Системы, использующие WDM, основаны на способности оптического волокна одновременно пропускать широкий спектр оптического излучения или набор большого числа не интерферирующих и не взаимодействующих между собой длин волн. Каждая длина волны или определенный диапазон длин волн этого спектра может служить независимым оптическим каналом для передачи информации по волокну.

В настоящее время разработаны оптические методы объединения (мультиплексирования) и разъединения (демультиплексирования) таких каналов, обеспечивающие идентификацию каждого канала в любой заданной точке системы или сети связи. При этом технология мультиплексирования доведена до такого уровня, что разделение по длинам волн Dl соседних спектральных каналов может составлять доли нанометров.

Становление и развитие таких технологий позволили в последнее время создать коммерчески доступные волоконно-оптические системы и сети, в которых по одному волокну можно передавать более сотни независимых оптических каналов, причем в дуплексном режиме (одновременно в двух направлениях).

Следует отметить, что успехи в создании ВОЛС с применением DWDM-технологии неразрывно связаны с разработкой и созданием эрбиевых волоконно-оптических усилителей (EDFA), способных усиливать все передаваемые по волокну спектральные сигналы в окне прозрачности волокна с центром на длине волны l=1550 нм без преобразования оптических сигналов в электрические и обратно (см. Фотон-Экспресс №21). Применение таких усилителей открыло возможности построения сверхширокополосных волоконно-оптических линий и сетей дальней связи.

На рис.1 показаны возможности увеличения полосы пропускания (или информативности) ВОЛС за счет применения DWDM-технологии для стандартных синхронных сетей передачи информации и синхронных оптических сетей (SDH/SONET) с информационными емкостями каждого канала 2,5 Гбит/с, 10 Гбит/с и 40 Гбит/с. Из рис.1 видно, что DWDM-технология позволяет увеличивать пропускную способность волоконно-оптического канала вплоть до нескольких Тбит/с только в одном окне прозрачности оптического волокна.

X — число спектральных каналов Y — скорость передачи информации (Гбит/с) по одному волокну

Рис. 1. Зависимость полной скорости передачи информации по оптическому волокну от числа мультиплексируемых спектральных каналов для трех скоростей в каждом канале

История применения DWDM-технологии в ВОЛС началась с 1996 г. Первоначально спектральное уплотнение было использовано в достаточно протяженных ВОЛС, связывающих отдельные крупные фрагменты локальных сетей, где возникла необходимость увеличения пропускной способности линии без дополнительной прокладки волокна. В дальнейшем, с ростом потребностей в информационных услугах и с возникновением по этой причине перегрузок в локальных сетях, которые могут постоянно изменяться по всей сети, DWDM-технологии начали применяться и на других уровнях локальных сетей. В частности, в настоящее время за рубежом DWDM-технологии начинают достаточно широко применяться и во внутригородских локальных сетях. Большие перспективы имеют DWDM-технологии для применения в волоконно-оптических сетях передачи данных, использующих Internet Protocol. Внедрение DWDM-технологии, наряду с наблюдающимся в последнее время бурным развитием работ по оптическим переключателям, позволяет надеяться на создание в ближайшем будущем полностью оптических сетей передачи данных, в том числе и в Internet, и потенциальное снижение стоимости обмена информацией для пользователей. Снижение цен для пользователя в конечном счете должно поддерживать этот процесс и в дальнейшем.

В настоящее время очевидно, что технологии DWDM обеспечивают наиболее быстрый и рентабельный с точки зрения себестоимости путь расширения полосы пропускания волоконно-оптических линий и сетей связи.

Однако наиболее оптимальным путем создания широкополосных оптических сетей является все-таки одновременное применение и развитие методов временного и спектрального уплотнений. При этом применение TDM-технологии позволяет оптимизировать передачу отдельных спектральных сигналов с точки зрения их стоимости и доступности, а WDM-технологии обеспечивают оптимальную передачу этих каналов в полосе пропускания волокна. Этим достигается большая гибкость при разработке и создании оптических сетей.

В заключение приведем схему эволюции волоконно-оптических коммуникаций за время от создания первых ВОЛС до ближайшего будущего (рис.2), показывающую пути практической реализации полностью оптических сетей связи.

TDM — системы с временным уплотнением ОУ — оптический усилитель OADM — оптические мультиплексоры с устройством ввода-вывода OXC — оптические переключатели (кросс-коннекторы)

Рис. 2. Эволюция волоконно-оптических коммуникаций. Оптическое волокно приходит непосредственно к индивидуальному пользователю

До 1993 года в оптических системах применялось временное мультиплексирование. В 1995 г. появились первые системы со спектральным мультиплексированием (WDM), а в 1997 году были разработаны мультиплексоры ввод-вывод (OADM). В последние годы (1999-2000) уже созданы оптические переключатели спектральных каналов (OXC), обеспечивающие коммутацию набора оптических каналов каждого с каждым, и основные элементы сети, позволяющие не преобразовывать оптические сигналы в электронные для их адресации и обратного преобразования в оптические. Ожидается, что в ближайшие годы будут созданы матрицы переключателей, обеспечивающих соединение между собой сотен спектральных каналов.

Очевидно, что успешное становление и развитие новых технологий, таких как DWDM, требует параллельного решения по крайней мере ещё двух проблем.

Во-первых, необходимы разработка и создание методов измерения и контроля параметров таких систем, а также соответствующего измерительного и технологического оборудования для осуществления этих методов. В настоящее время основным измерительным прибором для контроля параметров волоконно-оптических трактов является волоконно-оптический рефлектометр, работающий на заданной длине волны l, например в диапазоне l=1,3 мкм или l=1,5 мкм, в зависимости от типа сменного блока. Этот прибор с высокой степенью точности решает подавляющее число задач измерения параметров оптического тракта в ВОЛС и локальных сетей, использующих ТDМ-мультиплексирование.

Однако при создании многоканальных DWDM-систем, где спектральные каналы располагаются близко один от другого (доли нм), возможность контролирования параметров каждого канала, по крайней мере с имеющейся в рефлектометрии точностью, существенно усложняется.

Необходима разработка новых типов рефлектометров с изменяемой длиной волны зондирования либо иных методов контроля прохождения сигналов в спектральном интервале DWDM-системы. Кроме этого, необходимы соответствующие методы и приборы для контроля оптических переключателей или маршрутизаторов, мультиплексоров, усилителей, устройств ввода-вывода и т.д.

Как показывает опыт, это достаточно дорогое, по крайней мере на первых порах, оборудование. Поэтому разработка конкретного измерительного оборудования, а также методик измерения параметров DWDM-систем и фотонных (полностью оптических) сетей связи в целом, на наш взгляд, является достаточно сложной задачей и требует определенного времени и средств решения.

Во-вторых, во всем мире, как говорится, во весь рост встаёт проблема подготовки квалифицированных кадров, которые могли бы успешно работать в области этих технологий. Принципы построения DWDM-систем и фотонных сетей связи основываются на использовании сложных физических явлений. Поэтому от людей, занимающихся как созданием, так и эксплуатацией DWDM-систем, требуется достаточно глубокий уровень знаний в области оптики, радиофизики, информатики и т.д. То есть уровень требований к квалификации кадров постоянно растет. Из выступлений представителей ведущих фирм на конференции OFC' 2001 следует, что во всём мире наблюдается дефицит квалифицированных инженерных кадров в области современных оптических телекоммуникаций. Видимо, по этой причине на OFC' 2001 было организовано свыше 80 различных курсов, семинаров и программ по обучению и повышению квалификации инженеров и молодых специалистов в области оптических телекоммуникаций. Решение этой проблемы также необходимо осуществлять в процессе освоения DWDM-технологий, что также потребует соответствующего времени и средств.

В последующих номерах Фотон-Экспресс мы более подробно остановимся на основных элементах DWDM-технологии. Будут описаны методы спектрального мультиплексирования, основные элементы и узлы DWDM-систем, методы измерения и контроля параметров, принципы построения DWDM-систем, их состояние и перспективы применения.

Потапов Владимир Тимофеевич, доктор технических наук, профессор. Область научных интересов: оптоэлектроника и волоконная оптика. Имеет более 100 научных трудов. info@tkc.ru