Мультиплексирование по длине волны

Технология WDM позволяет многократно увеличить пропускную способность волокна.

Как правило, информационный трафик использует ту же опорную сеть, что и телефонный трафик. В результате уровень загруженности сетей многих операторов связи приблизился к 100%. Поэтому они встали перед необходимостью увеличения пропускной способности раньше, чем того ожидали.

К сожалению, на протяженных магистральных участках традиционные способы увеличения пропускной способности все чаще оказываются неэффективными в силу финансовых или технических причин. Так, например, стоимость прокладки оптического кабеля без учета стоимости регенераторов и другого оборудования составляет несколько десятков тысяч долларов за километр, а если умножить эту цифру на сотни километров, то получится многомиллионная сумма.

Казалось бы, неограниченно масштабируемая синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) на практике сталкивается с трудностями масштабирования до STM-64 на 10 Гбит/с в связи с высоким уровнем дисперсии так называемого стандартного одномодового оптического волокна в окне 1550 нм. Переход же к следующему уровню иерархии в 40 Гбит/с вообще представляется проблематичным.

Однако реальная информационная емкость оптического волокна составляет 25 000 ГГц, т. е. существующие системы задействуют ее едва ли на 0,1%. Применение технологии спектрального уплотнения, или мультиплексирования по длине волны (Wave Division Multiplexing, WDM), позволяет более эффективно использовать потенциальную емкость и таким образом избежать необходимости прокладки новых волокон или кабелей. В этой статье мы рассмотрим основные технологии, благодаря которым реализация WDM стала принципиально возможной.

WDM В ДВУХ СЛОВАХ

Если говорить кратко, WDM — это технология передачи нескольких длин волн по одному волокну. Иногда длину волны называют также цветом (color), или лямбда (по ее стандартному обозначению в физике). Она предусматривает ввод — мультиплексирование или уплотнение — нескольких длин волн с одного конца волокна и их разделение — демультиплексирование или разуплотнение — с другого конца волокна. Казалось бы, все просто, однако, как мы увидим ниже, применяемые при этом технические решения весьма сложны.

По сути WDM является логическим эквивалентом мультиплексирования с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM), так как длина волны обратно пропорциональна ее частоте. Каждая длина волны составляет отдельный канал и способна нести сигнал со скоростью до 10 Гбит/с, т. е. тот же сигнал, что и волокно в целом в случае TDM/SDH. Современные системы способны поддерживать десятки длин волн, т. е. общая пропускная способность волокна возрастает на порядок, а то и два.

Сегодня название технологии употребляется, как правило, с определением «плотный» (Dense WDM, DWDM). Принципиально это та же самая технология, только она поддерживает «много» каналов. Сколько в действительности означает это «много», никто не определяет, но условно мы можем считать, что WDM относится к системам менее чем с десятью каналами, а DWDM поддерживает более десяти каналов.

ФИЛЬТРАЦИЯ ВОЛН

Первые системы WDM поддерживали всего несколько длин волн, в результате каналы были достаточно далеко разнесены друг от друга по спектру. Так, двухволновые схемы мультиплексирования, например, могли реализовываться на волнах длиной 1300 и 1550 нм. Это позволяло применять сравнительно грубые разветвители и излучатели. Вместе с тем их рассмотрение будет полезно для понимания используемых в WDM и DWDM принципов разделения волн.

Первый, наиболее очевидный способ состоит в использовании явления дифракции. Как известно, в случае, когда промежутки между штрихами дифракционной решетки составляют величину порядка длины волны, отражение происходит по законам дифракции, в результате свет отклоняется от направления своего распространения на разные углы, в зависимости от длины волны. Такая решетка может работать и в обратном направлении, т. е. собирать волны различной длины в один пучок.

Второй способ опирается на использование дихроматических веществ. Это может быть как дихроматическая насадка на волокно, так и отдельный фильтр по типу интерферометра Фабри-Перо с зеркалом с дихроматическим покрытием. Такое решение позволяет пропускать одни волны и отражать другие (под некоторым углом, чтобы они попадали в исходящее волокно). Применение интерферометров Фабри-Перо открывает принципиальную возможность создания активных фильтров, т. е. настройки фильтров на определенную длину волны.

Одна из современных разновидностей фильтров предполагает использование волоконной решетки Брегга (fiber Bragg grating). Этот фильтр состоит из отрезка оптического волокна, показатель преломления которого меняется периодическим образом, обычно в результате облучения в ультрафиолетовом диапазоне. Такой участок волокна действует как избирательный фильтр на волну определенной длины с отражением всех остальных волн.

Однако наиболее широкое распространение в многоканальных системах DWDM получили диэлектрические многорезонаторные фильтры с узкой полосой пропускания по типу Фабри-Перо. Такой фильтр обеспечивает выделение волны определенной длины с минимальными искажениями, устойчив к изменениям температуры и не вызывает поляризационных явлений. На Рисунке 1 приведена общая схема фильтра. Свет поступает по одному из волокон в коллиматоре в левой части. Фильтр пропускает волну определенной длины (в данном примере l₅), и она попадает в исходящее волокно в правой части. Остальной свет отражается во второе волокно в коллиматоре.

Риcунок 1. Общая схема фильтра с узкой полосой пропускания.

Каскадирование фильтров позволяет производить демультиплексирование нескольких длин волн. В примере на Рисунке 2 отраженный первым фильтром свет пропускается через разделительный фильтр. Этот фильтр разделяет свет на два диапазона l₆-l₈ и l₁-l₄. Волны из первого диапазона пропускаются, а из второго — отражаются. После этого каждый канал фильтруется последовательно.

Риcунок 2. Восьмиканальный демультиплексор WDM.

ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

Наряду с мультиплексорами/демультиплексорами оптические усилители являются одной из основополагающих технологий WDM. В отличие от регенераторов, они не предусматривают преобразования оптических сигналов в электрические и обратно, а усиливают непосредственно сам оптический сигнал, причем не отдельную его волну, а все сразу (впрочем, в зависимости от конкретного вида устройства это усиление может оказаться неравномерным по всему спектру).

Усиление непосредственно самого оптического сигнала стало возможно благодаря появлению усилителей на базе волокна с добавками эрбия (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA). Такой усилитель содержит вставку волокна с добавками ионов элемента эрбия. Помимо этого, он имеет лазер накачки с излучением на соответствующей частоте и, естественно, блок сопряжения лазера с легированным волокном. Лазерная накачка ведет к переходу атомов эрбия в возбужденное состояние. Прохождение фотона света вызывает возвращение атома в основное состояние с излучением волны соответствующей длины. Таким образом достигается усиление сигнала.

Применение оптических усилителей позволяет увеличить протяженность передачи без восстановления сигнала. Кроме того, их применение совместно с мультиплексированием по длине волны дает огромный экономический эффект, так как позволяет отказаться от необходимости устанавливать множество регенераторов. Так, например, передача сигнала общей пропускной способностью 40 Гбит/с с помощью традиционной системы потребовала бы 16 отдельных пар волокон с регенераторами через каждые 35 км в случае использования сигналов STS-16 на 2,4 Гбит/с. Таким образом, всего потребовалось бы 272 генератора. Между тем 16-канальной системе DWDM понадобились всего 4 усилителя через каждые 120 км и всего одно волокно.

Тем не менее надо сказать, что применение оптических усилителей не отменяет полностью необходимость использования регенераторов, так как они лишь усиливают сигнал, но не восстанавливают полностью (не регенерируют) его форму. Однако, как правило, регенераторы требуются только в тех случаях, когда протяженность трассы превышает 1000 км.

РАЗНЕСЕНИЕ КАНАЛОВ

Одним из важнейших вопросов DWDM является разнесение каналов по спектру. Этот вопрос имеет две стороны — стандартизацию используемых длин волн и стандартизацию интервалов между ними. В настоящее время ITU склоняется к принятию плана каналов с интервалами в 100 ГГц, т. е. около 0,8 нм между соседними волнами. При этом диапазон волн приблизительно с 1528 нм до 1560 нм делится 40 каналов

Между тем многие производители реализуют план с интервалами в 50 ГГц. Такое решение имеет одно серьезное ограничение — при современном уровне техники оно не позволяет передавать сигналы уровня STM-64 на двух соседних длинах волн, так как это приводит к перекрытию сигналов. Таким образом, 32-канальная система с межканальными интервалами в 50 ГГц способна передавать только 16 сигналов STM-64, т. е. она оказывается хуже масштабируемой, чем системы с интервалами в 100 ГГц. Вообще же, по утверждению компании Alcatel, 100-гигагерцовые системы имеют на 60% большую информационную емкость, чем их 50-гигагерцовые аналоги с тем же числом каналов.

Кроме того, расположение каналов в узком интервале ведет к таким нелинейным явлениям, как межволновое смешение (Four-Wave Mixing, FWM). Оно возникает, в частности, когда каналы следуют через одинаковые интервалы, и состоит в образовании интерферирующего с другими волнами оптического сигнала. Увеличение интервала между каналами позволяет снизить эффект от этого явления. В принципе, его можно уменьшить за счет неравномерного распределения каналов по спектру, но такое решение, вообще говоря, ведет к необходимости нарушения плана каналов ITU.

КАКОЕ ВОЛОКНО НЕОБХОДИМО?

Хотя решения на базе DWDM рекламируются как средство увеличения пропускной способности уже проложенного волокна, однако здесь есть одна тонкость. Дело в том, что, как и в случае Gigabit Ethernet для меди, хотя технология и допускает использование уже проложенной проводки, но лучше все же, если это будет новая проводка с лучшими характеристиками — Категория 5е для 1000BaseT или усовершенствованные виды волокна для DWDM.

Если же говорить более конкретно, то вся проблема в том, что так называемое стандартное бездисперсионное одномодовое волокно (Non-Dispersion Shifted Fiber, NDSF, или Standard Single Mode Fiber, SSMF) оптимизировано для передачи волны 1310 нм, тогда как современные системы DWDM используют интервал волн 1550 нм, где это волокно имеет значительную, часто неизвестную, дисперсию. Это налагает серьезные ограничения на дальность передачи без усиления сигнала — очевидно, что чем больше дисперсия, тем меньше дальность передачи. К сожалению, такое волокно преобладает на магистральных кабельных трассах.

Однако наиболее неподходящим для применения DWDM является сравнительно недавно появившееся волокно со смещенной нулевой дисперсией (Zero Dispersion Shifted Fiber, ZDSF). У такого волокна нулевое значение дисперсии приходится как раз на середину 1550-нанометрового интервала, из-за чего организация нескольких каналов в этом диапазоне ведет к сильным нелинейным эффектам, как упоминавшееся уже FWM. Тем не менее при соответствующих инженерных решениях даже это волокно способно эффективно передавать до 12 длин волн.

Наиболее подходящим для применения с современными системами WDM является волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber). У такого волокна нулевая дисперсия приходится не на середину 1550-нанометрового интервала, а смещена к его границам, благодаря чему оно, с одной стороны, обладает малой дисперсией, а с другой — слабо подвержено нелинейным эффектам. Подобное волокно выпускают Lucent под маркой Truewave и Corning под маркой LEAF.

ПРИМЕНЕНИЕ DWDM

Наибольший экономический эффект применение DWDM в настоящее время имеет на магистральных трассах большой протяженности (порядка нескольких сот километров). В результате оператор получает возможность предоставлять клиенту в аренду «виртуальное волокно», т. е. длину волны с той же емкостью, что и у отдельного волокна в случае TDM/SDH.

Риcунок 3. Подключение АТМ и IP напрямую к оптической сети позволяет снизить накладные расходы на передачу трафика.

Большинство современных систем имеет интерфейсы STM-16 на 2,4 Гбит/с, куда могут подключаться терминалы SDH, мультиплексоры ввода/вывода, коммутаторы ATM или маршрутизаторы IP (cм. Рисунок 3). В результате, например, IP-трафик можно передавать непосредственно по DWDM без накладных расходов на его преобразование в ячейки ATM или кадры SDH.

Внутри мультиплексора DWDM оптические сигналы от клиента сначала с помощью транспондера преобразуются в электрические сигналы. Эти сигналы используются затем для управления излучением высокоточного лазера в 1550-нанометровом диапазоне. Каждый траспондер преобразует получаемый им от клиента сигнал в несколько иную длину волны. Затем волны мультиплексируются в одно волокно. На противоположном конце этот процесс обращается.

Как видно из описанной процедуры, DWDM используется на прямых соединениях «точка-точка». И сегодня это действительно преобладающая топология в решениях на базе DWDM. Однако уплотнение по длине волны открывает принципиальную возможность создания полностью оптических магистральных сетей, где бы даже такие процессы, как маршрутизация и коммутация, осуществлялись без преобразования оптических сигналов в электрические и обратно. Но это уже отдельная тема...

Дмитрий Ганьжа — ответственный редактор LAN. С ним можно связаться по адресу: diga@lanmag.ru.