Проект внедрения технологии волнового уплотнения на участке Новосибирск – Кемерово

Наибольшее  распространение получили три типа одномодового волокна: одномодовое  волокно со ступенчатым профилем (стандартное волокно, standard fiber, SF), волокно со смещенной дисперсией (dispersion shifted fiber, DSF), волокно с ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion shifted fiber, NZDSF), а также два типа градиентного многомодового волокна стандартов 50/125 и 62,5/125. В протяженных магистралях применяются исключительно одномодовые волокна из-за лучших дисперсионных характеристик. Для многоканальной мультиплексной передачи лучше всего подходит волокно типа NZDSF, а наименее удачным оказалось одномодовое волокно DSF [11].

Приемопередатчики. Выпускаются разнообразные приемопередающие оптоэлектронные модули, предназначенные для сетей FDD), Fast Ethernet (скорость передачи 100 Мбит/с, частота модуляции 125 МГц), ATM (STM-1 155Мбит/с, частота модуляции 194 МГц), более быстрые для сетей STM-4 622 Мбит/с (частота модуляции 778 МГц) и Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с, частота модуляции 1250 МГц), и еще более быстрые, предназначенные для передачи каналов STM-16 (2,5 Гбит/с), и, наконец, STM-64 (10 Гбит/с).

Пассивные оптические мультиплексоры/демультиплексоры. В настоящее время выпускается огромное число устройств, от простых мультиплексоров и направленных ответвителей WDM, до сложных устройств, обеспечивающих плотное волновое мультиплексирование/демультиплексирование (DWDM) с числом каналов до 40 и более. Оптический мультиплексор собирает несколько простых сигналов разных длин волн из нескольких волокон в мультиплексный сигнал, распространяющийся по одному волокну. Демультиплексор выполняет обратную функцию и обеспечивает выделение каналов в отдельные волокна из сложного мультиплексного сигнала, представленного множеством каналов и идущего по одному волокну [10].

Оптические  усилители требуются в сетях  при больших расстояниях между регенераторами. В полностью оптических сетях широкое распространение получили эрбиевые усилители EDFA, использующие лазер накачки с длиной волны 980 нм или 1480 нм. Работая в диапазоне от 1535 до 1560 нм, они могут обеспечивать усиление входного сигнала на 30-38 дБ в зависимости от его длины волны. Усилители EDFA не только заменили дорогостоящие оптоэлектронные системы регенерации оптического сигнала, но обеспечили возможность усиления многоканального WDM сигнала, сокращая число электронных регенераторов на протяженной оптической мультиплексной линии.

Оптические  коммутаторы (переключатели) выполняют  в полностью оптических сетях ту же функцию, что и обычные электронные коммутаторы в традиционных сетях, а именно обеспечивают коммутацию каналов или коммутацию пакетов. Наряду с простейшим коммутатором 2x2 в настоящее время начали поставляться коммутаторы с числом портов 4x4, 8x8 и 16x16. Переключатели применяются в сетях для коммутации линий связи. Они позволяют осуществлять маршрутизацию оптических сигналов и используются при конфигурировании тракта или для восстановления линии связи. Они также применяются в сетях совместно с оптическими мультиплексорами ввода/вывода [6].

Основные  параметры, определяющие характеристики переключателей:

- вносимые  потери и потери на стыковку;

- потери  на отражение;

- потери, зависящие  от поляризации;

- перекрестные помехи и изоляция;

- надежность;

- время переключения;

- стабильность.

Аттенюаторы. Основное их назначение состоит в том, чтобы подстроить мощность в каждом канале таким образом, чтобы сигнал, поступающий на первый усилитель имел равномерный спектр. Равномерность спектра поглощения в пределах ширины канала является важным параметром аттенюатора. Другие параметры, играющие важную роль:

- стабильность;

- надежность;

- потери на отражение;

- потери, зависящие от поляризации;

- поляризационная модовая дисперсия;

- точность;

- повторяемость;

- вносимые потери.

Изоляторы. Используют в тех случаях, когда рассеянное или отраженное оптическое излучение может ухудшить рабочие характеристики чувствительных компонентов системы, таких как DFB-лазер. Оптические свойства используемых материалов и конструктивные особенности изоляторов обеспечивают пропускание оптического излучения при его распространении в одном направлении и сильное его подавление при его распространении в обратном направлении [10].

Параметры, определяющие характеристики изоляторов:

- зависимость  от длины волны;

- небольшие  вносимые потери;

- поляризационная  модовая дисперсия;

- потери, зависящие  от поляризации PDL;

- дисперсия  многолучевой интерференции.

Фильтры предназначены  для выделения одного нужного  канала из множества мультиплексных каналов, распространяемых в волокне. Поскольку фотоприемники имеют обычно широкую спектральную область чувствительности, то фильтр необходим для того, чтобы подавить (ослабить) соседние каналы. Наряду с фильтрами, предназначенными для работы на определенной длине волны, выпускаются также фильтры с перестраиваемой длиной волны. Функции фильтра может выполнять оптический демультиплексор [6].

Рисунок 2.5 - Обозначения оптических элементов и устройств

Волновые конвертеры предназначены  для преобразования одной длины волны в другую. Так, если информационный сигнал в подсети 1 был представлен каналом на длине волны, которая уже задействована в другой подсети - подсети 2, то волновой конвертер может преобразовать этот сигнал при переходе из подсети 1 в подсеть 2 на другую свободную в подсети 2 длину волны, обеспечив прозрачную связь между устройствами в разных подсетях.

Общепринятые  обозначения элементов полностью  оптической сети приведены на рисунке 2.5.

2.6 Достоинства и недостатки WDM

Наиболее очевидное достоинство WDM состоит в том, что эта технология позволяет увеличить пропускную способность канала и существенно увеличить скорость передачи данных, используя уже проложенный волоконно-оптический кабель стандартную аппаратуру временного мультиплексирования.

Увеличение  пропускной способности может быть весьма значительным. Емкость каждого  канала на линии SONET, например, может  быть увеличена с 2,5 Гбит/с до 10 Гбит/с.

В системе WDM одна линия может передавать больший  объем трафика, а возможность разделять трафик по нескольким каналам весьма привлекательна с точки зрения производительности.

Другим  потенциальным приложением является возможность передавать по одному и  тому же волокну сигналы с разной скоростью передачи. По данным Trans-Formation, Pacific Bell реализовала этот подход в одной части своей сети и собирается реализовать ОС-48 (2,5 Гбит/с) и ОС-192 (10 Гбит/с) по одному и тому же волокну [13].

WDM реализует  полностью оптическую передачу, без преобразования оптических и электрических сигналов друг в друга. Хотя Хог из Lucent и признает ценность технологии WDM, но при этом уточняет: "Мы считаем ключевыми оптические сетевые технологии сами по себе, а не просто WDM". Наконец, появление совершенного оборудования делает технологию WDM особенно ценной. Норм Райли, инструктор из The Light Brigade, учебного центра по волоконно-оптическим технологиям, полагает, что настраиваемые лазерные системы - это значительное достижение, так как они могут использоваться как резервные. "Если одна лазерная система выходит из строя, то настраиваемая лазерная система может взять на себя функции основной и работать на той же длине волны", - объясняет Райли [13].

Однако  технология WDM не идеальна: в числе  ее недостатков отсутствие надлежащего инструментария для управления сетью и обеспечения ее функционирования. Кроме того, при внедрении WDM в имеющуюся кабельную систему пользователю будет необходимо приобрести или заменить некоторые сетевые компоненты. Наконец, еще предстоит решить некоторые технические задачи. Например, чем длиннее линия, тем больше усилителей и выше вероятность снижения производительности.

 

3 Анализ эволюции прохождения многоволнового оптического сигнала и определение расстояния между усилительными пунктами

3.1 Факторы, влияющие на характер распространения света в волокне

Основными факторами, влияющими на характер распространения света  в волокне, наряду с длиной волны  излучения, являются: геометрические параметры волокна; затухание; дисперсия и нелинейные оптические эффекты.

3.1.1 Геометрические параметры волокна

Относительная разность показателей  преломления. Волокно состоит из сердцевины и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна, рисунке 3.1. Будем обозначать через и показатели преломления сердцевины и оболочки, соответственно. Один из важных параметров, который характеризует волокно, это – относительная разность показателей преломления :

 (3.1)

Если показатель преломления оболочки выбирается всегда постоянной величиной, то показатель преломления сердцевины в общем случае может зависеть от радиуса.

Распространение света по волокну можно объяснить  на основе принципа полного внутреннего  отражения, вытекающего из закона преломления света Снеллиуса:

    (3.2)

где - показатель преломления среды 1,

 - угол падения,

- показатель преломления среды 2,

- угол преломления.

Формальные  выкладки удобнее производить для  ступенчатого волокна (волокна со ступенчатым  профилем показателя преломления), в  котором показатель преломления сердцевины является постоянной величиной ( = const). На рисунке 3.1 показан ход лучей в таком волокне. Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке ( > ), то существует критический угол падения - внутренний угол падения на границу, при котором преломленный луч идет вдоль границы сред ( = 90°). Из закона Снеллиуса легко найти этот критический угол падения:

    (3.3)

Если угол падения на границу  раздела меньше критического угла падения (луч 2), то при каждом внутреннем отражении часть энергии рассеивается наружу в виде преломленного луча, что приводит в конечном итоге к затуханию света. Если же угол падения больше критического угла (луч 1), то при каждом отражении от границы вся энергия возвращается обратно в сердцевину благодаря полному внутреннему отражению [11].

Рисунок 3.1 - Ход лучей в многомодовом оптическом волокне  
со ступенчатым профилем

Лучи, траектории которых полностью  лежат в оптически более плотной  среде, называются направляемыми. Поскольку энергия в направляемых лучах не рассеивается наружу, такие лучи могут распространяться на большие расстояния.

Числовая  апертура. Важным параметром, характеризующим  волокно, является числовая апертура NA. Она связана с максимальным углом вводимого в волокно излучения из свободного пространства, при котором свет испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну, формулой:

    (3.4)

Фирмы-изготовители волокна экспериментально измеряют угол 0^ и указывают соответствующее значение числовой апертуры для каждого поставляемого типа волокна [11]. Для волокна со ступенчатым профилем легко' получить значение числовой апертуры, выраженное через показатели преломления:

    (3.5)

Для градиентного волокна используется понятие локальной числовой апертуры , значение которой максимально на оси и падает до 0 на границе сердцевины и оболочки.

Нормированная частота. Другим важным параметром, характеризующим волокно и распространяющийся по нему свет, является нормированная частота V, которая определяется как:

    (3.6)

где d - диаметр сердцевины волокна.

Номенклатура мод. При более  строгом рассмотрении процесса распространения света по волокну следует решать волновые уравнения Максвелла. Именно в этой трактовке лучи ассоциируются с волнами, причем различные типы волн - решения уравнений – называются модами. По волокну могут распространяться, как только одна мода – одномодовый режим, так и много мод – многомодовый режим. Многомодовый или одномодовый характер идущего по волокну света коренным образом влияет на дисперсию, а, следовательно, и на пропускную способность волокна. Расчет на основе уравнений Максвелла позволяет найти критерий распространения одной моды: V < 2,405.

Отметим, что нормированная частота  явно зависит от длины волны света. В таблице 3.1 приведены значения нормированной частоты, вычисленные по формуле (3.7). Как видно из таблицы 3.1, в одномодовом ступенчатом волокне при длине волны света 1550 нм выполняется критерий (3.7), и поэтому распространяется только одна мода. При длине волны 1310 нм критерий не выполнен, что означает возможность распространения нескольких мод в одномодовом волокне на этой длине волны. На практике, однако, волокно помещается в кабель, который, будучи проложенным, имеет множество изгибов. Особенно велики искривления волокна в сплайс - боксах. Искривление волокна приводит к быстрому затуханию не основных мод. Во всех остальных случаях наблюдается многомодовый характер распространения света.

Таблица 3.1 - Значения основных оптических параметров волокон и нормированной частоты V для различных длин волн

Оптическое  волокно				X (нм)
Название  и   диаметр	(%)		NA	1550	1310	850
step MMF 200/240	-	-	0,39*	V=l 58,09	187,06	288,29
step MMF 100/140	-	-	0,29*	58,77	69,54	107,18
Grad MMF 62,5/125	2,1**	1,47**	0,28**	35,46	41,96	64,67
grad MMF 50/125	1,25**	1,46**	0,20**	20,26	23,98	36,95
step SMF (SF) 8,3/125	0,36**	1,468**	0,13**	2,187	2.588	3,990