Проект внедрения технологии волнового уплотнения на участке Новосибирск – Кемерово

Существенную  роль играет рассеяние (переизлучение) энергии. Различают линейное и нелинейное рассеяние. При линейном рассеянии мощность рассеяния пропорциональна мощности падающей волны. В этом случае происходит частичное изменение направления потока энергии. При нелинейном рассеянии в спектре рассеянной мощности наблюдаются новые частотные компоненты. Рассеяние, возникающее в результате флуктуации показателя преломления, называется рэлеевским. Рассеяние возникает также из-за различных нарушений геометрии световода, наличия соединений, изгибов и микроизгибов.

Нелинейные  явления в оптическом волокне усиливаются с ростом интенсивности лазерного излучения, т. е. мощности потока, приходящейся на единицу площади поперечного сечения сердцевины волокна. Чтобы увеличить дальность и скорость передачи, стремятся уменьшить накопленную дисперсию кабеля, поэтому применяют одномодовое волокно, имеющее малый диаметр сердцевины (10 мкм и менее). Однако использование одномодового носителя, а также низкие оптические потери могут приводить к возникновению высокой плотности потока излучения на достаточно протяженных участках.

При анализе  нелинейных явлений в волокне  все нелинейные явления можно  разделить на две категории: явления  рассеяния (вынужденное комбинационное рассеяние, вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна) и явления преломления (фазовая автомодуляция, перекрестная фазовая модуляция, четырехволновое смешение).

Нелинейное  преломление вызвано зависимостью показателя преломления сердцевины волокна, а значит, и фазы выходного сигнала от интенсивности оптического сигнала. Фазовая автомодуляция (ФАМ) возникает при очень высокой интенсивности лазерного излучения, когда сигнал может модулировать свою собственную фазу. Такая модуляция расширяет спектр сигнала и уширяет или сжимает сигнал во времени в зависимости от знака хроматической дисперсии (положительного ил отрицательного). В системах WDM сигнал в спектрально уширенном ФАМ канале, может интерферировать с сигналами соседних каналов [22].

Фазовая автомодуляция  возрастает при:

- увеличении вводимой в канал мощности при постоянном эффективном сечении волокна;

- увеличении скорости передачи в канале (при высоких скоростях передачи фронт нарастания - спада информационного импульса более крутой);

- отрицательной хроматической дисперсии. ФАМ создает много проблем для систем WDM при использовании волокна Рек. G.652.

Фазовая автомодуляция уменьшается  при:

- нулевой или небольшой хроматической дисперсии:

- увеличении эффективного сечения волокна;

- компенсации дисперсии.

Перекрестная фазовая модуляция (ПФМ) заключается в том, что сигнал одного канала модулирует фазы сигналов в соседних каналах. ПФМ чувствительна к тем же факторам, что и ФАМ, а также к увеличению числа каналов.

Явление ПФМ уменьшается при:

- увеличении эффективного сечения волокна;

- компенсации дисперсии.

Перекрестная фазовая модуляция  менее существенна в системах, использующих волокна с большим эффективным сечением.

Четырехволновое смешение - одно из самых  вредных нелинейных явлений в системах WDM. При достижении критического уровня мощности излучения лазера нелинейность волокна приводит к взаимодействию трех волн и появлению новой волны на частоте, равной суммам или разностям трех взаимодействующих частот. Некоторые частоты таких ложных сигналов могут попасть в рабочие полосы пропускания каналов [22].

Четырехволновое смешение чувствительно  к:

- увеличению мощности канала;

- уменьшению частотного интервала между каналами;

- увеличению числа каналов.

Увеличение скорости передачи в  канале незначительно влияет на эффективность четырехволнового смешения.

Факторы, влияющие на уменьшение явления  четырехволнового смешения:

- увеличение эффективной площади волокна;

- увеличение абсолютного значения хроматической дисперсии.

Самые важные виды рассматриваемого явления — вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), иногда называемое рамановским, и вынужденное рассеяние Мандельштама—Бриллюэна (ВРМБ). Комбинационное рассеяние связано с возбуждением новых колебательных и, в меньшей степени, вращательных энергетических уровней частиц среды, а ВРМБ — с появлением в среде гиперзвуковых волн.

Влияние ВКР  невелико (менее 1 дБ на канал), если произведение суммарной мощности каналов на разность между частотами крайних каналов меньше 500 ГГц. Другими словами, данный эффект существен лишь для систем с сотнями каналов.

В отличие  от ВКР, излучение, рассеянное по механизму  Мандельштама — Бриллюэна, распространяется только в направлении, противоположном направлению падающего. Его интенсивность значительно выше, чем при ВКР; ВРМБ порождает перекрестные помехи, если разность несущих частот составляет 11 ГГц, а передача ведется в противоположных направлениях. Другое отличие от ВКР состоит в том, что максимально допустимая мощность канала не зависит от числа мультиплексируемых каналов и расстояния между ними. Ее типичное значение для высокоскоростных линий дальней связи равно 10 мВт. ВРМБ является единственным из описываемых нелинейных явлений, влияние которого зависит от скорости передачи. С ростом последней оно уменьшается, причем особенно быстро — при использовании фазовой манипуляции. Им можно пренебречь для импульсов короче 10 нс.

Необходимо отметить, что нелинейность среды играет в волоконно-оптической связи двоякую роль. С одной стороны, она ограничивает скорость и дальность передачи, с другой — может быть обращена во благо. Например, ВРМБ можно использовать для реализации режима ввода/вывода каналов. Кроме того, ПФМ и четырехволновое смешение применяются в волновых конверторах для переноса полезного сигнала с одной несущей длины волны на другую, а ВКР и ВРМБ — в волоконных лазерах и усилителях [6].

 

4 Принципы построения аппаратуры WDM и обоснование технических требований к основным узлам

4.1 Принцип построения магистрали WDM

При построении WDM магистралей выделяют несколько основных узлов:

• терминальный узел;
• узел выделения;
• линейный узел.

Терминальный узел предназначен для  организации до «виртуальных каналов», согласно, частотного плана, является конечным узлом магистрали [11]. Функциональная схема узла представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Терминальный узел

Узел выделения предназначен для  выделения одного или нескольких виртуальных каналов из мультиплексированного сигнала [11]. Функциональная схема узла представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Узел выделения

Линейный узел предназначен для  усиления и/или регенерации мультиплексированного сигнала [11]. Функциональная схема узла представлена на рисунок 4.3.

Рисунок 4.3 – Линейный узел

4.2 Описание узлов магистрали

Более подробные функциональные схемы  узлов магистрали систем WDM приведены  ниже. На них представлено оборудование и связь между ним [11]. Тип используемых протоколов и интерфейсов не указан, так как они могут различаться. Так данные о работе усилителей могут поступать в модуль телеметрии и управления через интерфейс RS.232, через цифровые порты ввода/вывода или считываться с аналогового выхода через АЦП.

4.2.1 Терминальный узел

Терминальный узел, как отмечалось выше, предназначен для организации виртуальных каналов и является оконечным по отношении к магистрали. Состав терминального узла может быть следующим:

- оптический кросс;

- оптические направленные ответвители;

- измеритель мощности;

- анализатор спектра;

- оптические усилитель мощности  и предварительный усилитель;

- мультиплексор и демультиплексор;

- система служебной связи;

- система телеметрии и управления;

- источник бесперебойного питания;

- внешняя сигнализация.

Рассмотрим работу узла в режиме передачи. Мультиплексируемые сигналы подаются на оптический кросс каждый на своей длине волны Х, далее через оптический направленный ответвитель поступают на мультиплексор и на измеритель оптической мощности или анализатор спектра. В измерители оптической мощности осуществляется контроль за мощностью входного сигнала, а в анализаторе спектра контролируется сам сигнал, т.е. его форма, длина волны и т.д. Как правило, анализатор спектра может так же контролировать и мощность сигнала. Обычно стараются применять анализаторы, однако их цена значительно превышает цену измерителей мощности [11].

После мультиплексора сигнал подаётся на усилитель мощности и после  него поступает в линию.

Работа узла в режиме приёма обратна  его работе в режиме передачи. Принимаемый сигнал сначала поступает на предварительный усилитель. Это необходимо, так как на входной сигнал с линии ослаблен, а ряд его дальнейших преобразований и проход через различные соединители добавляет ощутимые потери, эта величина может составлять до половины от мощности входного сигнала. Далее он поступает на демультиплексор, где выделяются мультиплексированные сигналы. После этого каждый из сигналов поступает через кросс на соответствующий приёмник оптического сигнала и на измеритель оптического сигнала или на анализатор спектра.

Контроль и управление работы узла осуществляется через или самим  узлом телеметрии и управления. Как правило, работу узла и организуемый канал передачи данных контролируется через следующую аппаратура:

- усилитель мощности и предварительный  усилитель;

- измеритель мощности или анализатор  спектра;

- сам узел телеметрии и системы  управления;

- источник бесперебойного питания.

Дополнительно контролируется состояние  конструктива (открыт, закрыт, состояние внешней сигнализации и т.д.) и состояние внешней среды (температура, влажность и т.д.). Пример схемы реализации терминального узла можно видеть на рисунок 4.4.

4.2.2 Линейный узел

Линейный узел, как отмечалось выше, предназначен для усиления и мультиплексированного сигнала. Состав линейного узла идентичен составу терминального узла за исключением отсутствия оптического кросса и характеристик и параметров работы устройств.

Можно сказать что, узел работает только в одном режиме – передаче. Входной сигнал через на предварительный усилитель поступает на демультиплексор, который выделяет только один мультиплексированный сигнал из общего. Через канал, образованный данным сигналом, осуществляется передача управляющей информации и осуществляется служебная связь. После этого мультиплексный сигнал поступает на усилитель мощности и после объединения в мультиплексоре со служебным передаётся в линию.

Надо отметить, наличие предварительного усилителя зависит от мощности входного сигнал. Если протяжённость участка линии незначительна и потери на нём невелики, то предварительный усилитель может и отсутствовать [11].

Контроль работы узла осуществляется аналогично предыдущему случаю.

Пример схемы реализации линейного  узла можно видеть на рисунок 4.5.

4.2.3 Узел выделения

Терминальный узел, как отмечалось выше, предназначен для выделения одного или нескольких виртуальных каналов. Состав линейного узла идентичен составу терминального узла за исключением количества, характеристик и параметров работы устройств.

Работа узла схожа с работой линейного узла. Отличие заключается в том, что выделяется не только служебный канал, но один или несколько виртуальных каналов, и осуществляется контроль через измеритель оптической мощности или анализатор спектра за выделяемым сигналом [11].

Пример схемы реализации узла выделения можно видеть на рисунке 4.4

 

Рисунок 4.4 – Терминальный узел

 

Рисунок 4.5 – Узел выделения

 

Рисунок 4.6 – Линейный узел

 

4.3 Обоснование технических требований к основным узлам аппаратуры WDM

Появление технологии WDM, как и любой  новой технологии, одновременно со значительными преимуществами принесло и новые проблемы. Основной проблемой современных систем WDM является их надежная и стабильная работа, а также очень важным становится контроль качества оптических характеристик и поведения системы, начиная от производства компонентов, завершая этапом системной интеграции. Такой контроль будет гарантировать ввод системы WDM в эксплуатацию с расчетными параметрами и длительную и устойчивую работу. К каждому компоненту систем WDM предъявляются определенные требования для обеспечения ровной и стабильной работы всей системы.

Основное требование к компонентам  систем WDM состоит в том, что они  должны одинаково обрабатывать все оптические каналы.

Мультиплексирование по длине волны  добавляет в пространство параметров новое измерение – длину волны – и намного усложняет представление основных параметров системы.

4.4 Основные технологии мультиплексирования – демультиплексирования

Компонент системы WDM мультиплексор MUX используется для объединения в одном оптическом волокне нескольких каналов с разными длинами волн. В качестве мультиплексора можно использовать широкополосный разветвитель, но вносимые им потери будут слишком велики, поэтому для мультиплексирования входных каналов используют методы, основанные на применении оптических фильтров.

Демультиплексор DEMUX напротив разделяет  составной канал на отдельные каналы. Любой демультиплексор может использоваться и в режиме мультиплексирования [11].

Ниже кратко рассмотрены основные технологии мультиплексирования/демультиплексирования. Учитывая, что процедуры мультиплексирования и демультиплексирования взаимно обратные и мультиплексор выполняет те же функции, что и демультиплексор, если заменить вход на выход, поэтому мы будем рассматривать только демультиплексоры.

Все демультиплексоры можно разделить  на два больших класса: демультиплексоры на микрооптических устройствах и на оптоволоконных направленных разветвителях.

Первый класс устройств использует микрооптику для реализации двух основных технологий мультиплексирования, основанных на разделении несущих с помощью фильтрации на основе: