Фотон-Экспресс 24, январь 2002 г.

Методы мультиплексирования оптических каналов связи

В волоконно-оптических системах связи и передачи информации используются различные методы и технологии передачи и обработки сигналов, в том числе технологии временного (TDM) и спектрального (DWDM) мультиплексирования и демультиплексирования. В настоящей статье кратко излагаются принципы построения и основы традиционных систем передачи информации, использующих TDM-технологии, их эволюция, возможности и ограничения, а также приводятся общие сравнения с системами, использующими технологии WDM-мультиплексирования.

Временное мультиплексирование

Уникальные возможности оптических волокон передавать на огромные расстояния сигналы в суперширокой полосе частот, с одной стороны, и растущая потребность в повышении информационной емкости каналов связи, с другой, обусловили необходимость разработки методов мультиплексирования (уплотнения) информационных каналов и создания мультиплексных систем.

Первым методом мультиплексирования, который сразу же стал применяться в волоконно-оптических системах и сетях связи, явился метод временного мультиплексирования.

При временном мультиплексировании каждому из информационных каналов системы, имеющих общую оптическую несущую, отводится определенный интервал времени для передачи информации. То есть в первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналом одного информационного канала, во второй — другого и т. д. Таким образом, информация каждого канала передается с помощью одного источника излучения по очереди, последовательно. Каждому каналу отводится свой временной интервал или временное окно. Длительность этого временного окна определяется различными факторами, главными из которых являются скорость преобразования электрических сигналов в оптические и скорость передачи информации в линии связи. Прибором, устанавливающим очередность и временной интервал передачи информации на входе линии, является временной мультиплексор. На другом конце линии устанавливается демультиплексор, который преобразует оптический сигнал в электрический, определяет номер канала, то есть идентифицирует его, и направляет информацию соответствующему пользователю. Таким образом, мультиплексирование и демультиплексирование осуществляются только электронными средствами с помощью электрических сигналов управления. На рис. 1 показана схема передачи сигнала по ВОЛС с временным мультиплексированием.

Рис. 1. Схема передачи оптических сигналов по ВОЛС с временным мультиплексированием

Использование технологии TDM в настоящее время обеспечило ввод в широкую эксплуатацию одноканальных (по оптической несущей) волоконно-оптических линий передачи (один источник — одно волокно — один фотоприемник) со скоростями передачи 10 Гбит/с. ВОЛС с такими скоростями передачи постепенно замещают линии со скоростями 2,5 Гбит/с. В стадии практической реализации находится сейчас ВОЛС следующего поколения с информационной емкостью канала 40 Гбит/с, исследуются возможности создания TDM-систем на скорости передачи 100 Гбит/с.

Скорости в 10 Гбит/с, на наш взгляд, представляют некоторую поворотную точку в TDM-технологиях. Ниже этой скорости характеристики большинства существующих волоконно-оптических трактов практически не влияют на качество передачи информации; при превышении скоростей передачи 10 Гбит/с эти характеристики должны уже более тщательно проверяться и корректироваться.

Прежде всего необходимо учитывать хроматическую дисперсию волокна — зависимость скорости распространения света от длины волны оптического излучения, обусловленную, в свою очередь, соответствующей зависимостью коэффициента преломления света в оптическом волокне от длины волны.

Дисперсия приводит к уширению оптических импульсов в волокне, и при скоростях передачи информации 10 Гбит/с (стандарт ОС-192) ее влияние на ограничение в скорости передачи проявляется уже в 16 раз сильнее, нежели при скоростях в 2,5 Гбит/с (стандарт ОС-48). Методы, которые позволяют компенсировать хроматическую дисперсию в уже проложенных оптических волокнах, в принципе разработаны, но они неизбежно приводят к возрастанию потерь в системе, ее существенному усложнению и повышению стоимости. Для стандартного одномодового волокна (типа G.652) максимальное расстояние, на которое можно передавать информацию со скоростью 10 Гбит/с с помощью стандартных источников излучения и без применения специальных мер компенсации дисперсии и коррекции сигнала, ограничивается пределами 50ё75 км.

На первых этапах создания гигабитных ВОЛС с целью подавления дисперсии в качестве источников излучения было предложено применять узкополосные полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения, близкой (но не равной) длине волны, на которой в волокне имеет место нулевая дисперсия. Это должно было бы позволить также избежать четырехволнового смешения в волокне, приводящего к перекрестным помехам в ВОЛС. Однако оказалось, что при прямой модуляции лазеров по току питания кроме амплитудной происходит и частотная модуляция, то есть изменяется длина волны излучения лазера. Это явление, известное как “чирпинг”, приводит к достаточно сильному разбросу генерируемых импульсов по спектральному составу оптического излучения и, следовательно, к проявлению таких нежелательных эффектов, как упомянутые выше четырехволновое смешение и хроматическая дисперсия.

Но даже если и удается каким-либо способом компенсировать хроматическую дисперсию волокна на скоростях передачи c 10 Гбит/с и более, начинает проявляться поляризационно-модовая дисперсия (ПМД), которая также приводит к ограничению скорости передачи информации в линии. ПМД есть следствие различия скоростей распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, распространяющихся в одномодовом волокне, которое, в свою очередь, может быть вызвано целым рядом факторов, влияющих на величину двулучепреломления волокна и на взаимодействие (или смешение) мод.

Кроме этого, разработка TDM-систем, обеспечивающих дальнейшее (за пределы 10 Гбит/с) повышение скорости передачи информации, также требует разработки и применения новых сверхбыстрых электронных систем модуляции, коммутации и приема лазерного излучения в ВОЛС. Подобные проблемы неизбежно возникают и при создании систем коррекции ошибок в ВОЛС с такими скоростями.

Таким образом, можно сказать, что TDM-технологи, даже при значительном усовершенствовании, могут быть практически использованы в ВОЛС со скоростями передачи информации в десятки Гбит/с, при этом также остается открытым вопрос экономической целесообразности таких решений. Для создания более широкополосных ВОЛС необходимо было либо прокладывать новые волоконно-оптические линии, либо искать новые решения, позволяющие мультиплексировать отдельные TDM-каналы и передавать их по одному волокну одновременно.

Спектральное мультиплексирование

Таким решением явилась разработка технологии спектрального мультиплексирования (DWDM), которые позволяют увеличивать скорости передачи информации в ВОЛС за счет одновременной передачи по волокну нескольких TDM-каналов на различных длинах волн.

Оптическая схема построения ВОЛС, использующая DWDM-технологии, приведена на рис. 2. В схеме имеется набор оптических передатчиков, излучающих на длинах волн ln на одном конце линии, и набор соответствующих фотоприемников на другом. На каждой из этих длин волн ln может независимо передаваться один из TDM-сигналов системы, таким образом обеспечивается одновременная передача всех TDM-каналов. Необходимыми элементами таких ВОЛС являются волоконно-оптические усилители, мультиплексоры, демультиплексоры, блоки ввода-вывода оптических каналов (или мультиплексоры с устройствами ввода-вывода), коммутаторы и, естественно, волоконно-оптические кабели. Каждый из этих элементов является важным для правильного функционирования системы в целом, характеристики каждого должны быть тщательно определены и заданы.

а — Мультиплексоры с устройством ввода-вывода
b — Оптические усилители
c — Оптические переключатели
Рис. 2. Схема передачи оптических сигналов по ВОЛС со спектральным мультиплексированием (DWDM)

Критерии выбора компонентов для DWDM-систем определяются рядом достаточно жестких требований, главным из которых является требование о том, что все каналы должны иметь равную пропускную способность по всему оптическому пути прохождения и обработки сигналов.

Это означает, что оптические источники, мультиплексоры, демультиплексоры, оптические усилители и само волокно должны иметь характеристики, полностью обеспечивающие реализацию заданных параметров создаваемой локальной сети. Поэтому оптические характеристики пассивных и активных компонентов локальной сети, такие, как вносимые и обратные потери, дисперсия, поляризационные эффекты и пр. должны тщательно измеряться и контролироваться в зависимости от длины волны в пределах спектральной полосы DWDM-системы. Как правило, DWDM-системы содержат значительно больше сложных устройств и элементов по сравнению с системами, работающими на одной длине волны, и поэтому контроль их параметров осуществлять значительно сложнее. К таким устройствам и элементам относятся мультиплексоры и демультиплексоры, узкополосные фильтры, получаемые методами тонкопленочной технологии, сплавные биконические разветвители, устройства ввода-вывода на основе волноводных дифракционных решеток, объемные брэгговские фильтры и брэгговские фильтры на основе дифракционных решеток.

В дополнение к этому должно быть точно установлено и учтено волоконно-оптических усилителей на качество и целостность спектра оптических сигналов и, наконец, должны быть учтены и сведены к минимуму эффекты взаимодействия спектральных каналов между собой, с тем чтобы свести к минимуму перекрестные помехи, которые могут привести к искажению информации в различных элементах сети.

Таким образом, даже на первый взгляд видно, что системы связи, использующие DWDM-технологии, являются более сложными и дорогими по сравнению с существующими одноканальными ВОЛС. Однако, если учесть, что значительную часть стоимости строительства новых ВОЛС и сетей связи составляет стоимость оптического кабеля и его прокладки, то сравнительный анализ показывает, что применение DWDM-технологии позволяет существенно снизить затраты в расчете на 1 бит информации, т. е. сеть становится более дешевой. Кроме того, появляется возможность более гибкого маркетинга информационными каналами: можно будет приобретать или брать в аренду не только кабель или волокно, но и отдельную длину волны. Таким образом, DWDM-технологии способны обеспечить возможности многократного расширения полосы передаваемых частот в сети без ее капитальной реконструкции и прокладки нового кабеля. В настоящее время в мире уже практически реализованы и функционируют DWDM-системы с 64 спектральными каналами, на стадии завершения разработки находятся системы на 128 спектральных каналов. В 2001 году первые DWDM-системы уже появились и в России.

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