Глава 31: Спектральное уплотнение каналов (WDM, CWDM, DWDM)
Дискретная оптика для мультиплексирования применялась вплоть до 1998 года. Однако она не позволяла получить шаг каналов до 20 нм, и чтобы потери при этом составляли менее 2-4 дБ. Данное положение давало возможность работать с четырьмя каналами (согласно окну прозрачности оптоволокна того времени). Не смотря на это говорить о "массовости" было еще рано.
Уже в конце 20-го века оптическая технология была переведена на интегральную основу. Качество уже привычной дискретной оптики значительно повысилось, благодаря внедрению новых технических решений.
Сегодня существует целый ряд различных технологий, укажем основные из них.
1. AWG (Arrayed Waveguide Grating) - на основе интегральной оптики, выделение несущих с использованием дифракционной решетки на массиве волноводов
На поверхности или внутри планарного оптического волновода находится дифракционная решетка. Принцип действия данного вида основывается на разности фаз на входе и выходе сигнала различных длин волн.
Волноводы являются дифракционной структурой AWG (arrayed waveguide grating) и выглядят как пластина, по которой распределяется входящий сигнал. Этот сигнал в каждом волноводе продолжает быть мультиплексным (в нем остаются все длины волн), только он теперь становится распараллеленным.
Путь каждого из потоков различен, связано это с тем, что длины волноводов имеют различный размер (это различие фиксировано). С физической точки зрения они идентичны дифракционной решетке. Так и появилось название самой технологии. Принцип действия будет следующим: в волноводе-пластине собираются и фокусируются световые потоки, в результате образуются пространственно разнесенные максимумы. На работу с этими максимума и нацелены выходные полюса. Процесс мультиплексирования происходит в обратной последовательности.
Общий вид устройства следующий: на общей подложке находится сам элемент (размерами примерно 0,2-0,5 мм) с волноводами, которые изготавливаются из диоксида кремния или легированного Ge/Ta (стандартный планарный оптоволоконный световод). Если необходимо уменьшить размер и сэкономить компоненты мультиплексора, то его можно разрезать на две половины, а в плоскость разреза разместить зеркало.
Данный вид технологии с успехом применяется в DWDM, этому поспособствовало ее свойство менять размер, сохраняя способность работы с множеством каналов. Технология имеет один существенный недостаток - использование стабилизаторов температуры, т.к. она имеет температурный коэффициент равный 0,01 нм/°С.
2. Технология, основанная на явлении угловой дисперсии. В ее основе – использование вогнутой дифракционной решетки – CG (Concave Grating). Схема не нова (ее использовали еще в "астрономические" времена) и уже является классикой самофокусировки.
Изготовить такую решетку сложно, поэтому чаще используется 3-D Optics.
Принцип ее действия состоит в следующем: дифракционная решетка имеет свойство отражать под разными углами свет с разной длиной волны, который поступает на нее с вогнутого зеркала (на зеркало мультиплексированный поток попал из входного волокна). Далее эти дифрагированные лучи собираются в точках, где располагаются приемные порты массива выходных волокон.
Все части устройства помещены в монолитный кварцевый блок. Такая конструкция позволяет этому устройству быть высокоточным и качественным.
4. DTF – это дискретная оптика, в основе которой многослойные диэлектрические тонкие пленки.
Слои, из которых состоит фильтр, прозрачны (диэлектрический материал) и имеют различные показатели преломления. Принцип работы в следующем: часть светового потока, попадая на эти пластины, отражается обратно. При этом из-за интерференции происходит ослабление или усиление (в зависимости от длины волны) светового потока.
Таким образом, с помощью этой конструкции можно получить фильтр, отражающий все не нужные длины волн и пропускающий только заданный диапазон.
Далее будут приведены технологии, которые почти не используются
5. FBG - волоконные брэгговские решетки. Волокно легируют германием, в результате чего под действием ультрафиолета изменяется показатель преломления. Таким образом, в нем можно создать пространственно-периодическую структуру. Свойства полученной структуры будут схожи со свойствами дифракционной решетки.
Полученное волокно приобретает свойства фильтра, который отражает только одну длину волны, а пропускает все оставшиеся. Областью применения этой технологии служит компенсация хроматической дисперсии.
6. FBT (Fused Biconic Tapered) - сварные биконические разветвители. Состоит из двух, сваренных на определенном расстоянии, оптических волокон. В результате получается конструкция, похожая на интерферометр Маха-Цендера (если только два таких соединения расположены последовательно). Подбирая параметры, можно получить волокна, в каждом из которых будет своя длина волны. Плюсом этой технологии является малая доля потерь, а минусом – немасштабируемость.
Сравнение основных технологий мультиплексирования:
| Технология | I/O AWG | I/O CG | 3-D Optics WDM |
| Максимальное число каналов | 32 | 78 | 262 |
| Разнос каналов [нм] | 0,1 – 15 | 1 – 4 | 0,4 – 250 |
| Вносимые потери [дБ] | 6 – 8 | 10 -16 | 2 – 6 |
| Переходное затухание [дБ] | -5 – -29 | -7 – -30 | -30 – -55 |
| Чувствительность к поляризации, % | 2 | 2 - 50 | 0 |
Судя по таблице, технология 3-D Optics WDM имеет ряд неоспоримых преимуществ перед другими моделями. Она может быть использована в системах WDM до уровня HDWDM с разносом каналов не меньше 0,4 нм.
WDM (Bi-Directional)
Стандартными длинами волн, которые стали использоваться для мультиплексирования, были 1310 нм и 1550 нм. Большие длины - до 240 нм дают возможность работать без использования фильтров. В этой связи принцип технологии достаточно простой: применяется два волокна, к одному подключен излучатель, к другому - приемник. С другой стороны канала - все наоборот. Технология WDM (Bi-Directional) работает с одним волокном.
Приведенная схема хорошо иллюстрирует принцип работы Bi-Di технологии: свет поступает на полупрозрачное зеркало-отражатель и проходит сквозь него, а обратный сигнал отражается на приемник. Приемник не «засвечивается» из-за того, что используются волны различной длины.
Устройство имеет следующий внешний вид:
Модули Gigabit SFP WDM имеют следующий вид:
Из-за того, что за последние годы WDM значительно подешевел, его стали чаще применять при строительстве локальных сетей. Но в учебной литературе упоминания о нем почти не встречаются. Однако при создании современных локальных сетей уже недопустимо использование старых двухволоконных решений.
Структуры, которые имеют частотный разнос каналов не меньше 20 нм, называются грубыми WDM (Coarse WDM - CWDM). В таких системах разделение несущих не требует особого подхода даже при применении традиционных методов оптической фильтрации (многослойные фильтры на тонких пленках).
Международный телекоммуникационный союз недавно стандартизировал промежуток между длинами волн в технологии CWDM. Таким стандартом стал ITU G.694.2. Он назначает интервал между каналами в 20 нм в диапазоне от 1270 до 1610 нм.
Разработчики CWDM задумывали применять эту технологию для магистрального сегмента. Однако система была не совместима с оптическими усилителями, кроме того, параллельно шла разработка DWDM, в котором был ликвидирован этот недочет, что окончательно преградило этот путь развития технологии. На сегодня основным потребителем CWDM являются Ethernet-провайдеры.
Ниже приведена схема, часто описываемая в учебниках:
Основными признаками этой архитектуры являются: состоит из двух волокон; в связи с гидроксильным пиком старых типов волокон имеет узкий диапазон, состоящий из 8-ми длин волн (с 1470 до 1610, через каждые 20 нм); тип архитектуры - транковый; система ориентирована только на увеличение пропускной способности между двумя узлами локальной сети.
Сейчас эти "семейные" недочеты уже ликвидированы. К большому сожалению, большинство отечественных Ethernet-провайдеров не отслеживают ситуацию, связанную с этой технологией.
А ведь разработчики не стоят на месте, и теперь ее отличают: первое - стандарт ITU G.694.2 предоставляет 18 длин волн, т.к. допустимый диапазон от 1270 до 1610 нм. Его применение рассчитано на оптоволокно гидроксильных потерь (как раз то, каким его сейчас производят).
Второе - существует ряд решение на основе одного волокна (два волокна на CWDM остались далеко позади). Обратим внимание, что для bi-di конструкций применяются традиционные двухволоконные SFP или GBIC, а разделение происходит в одноволоконных MUX/DeMUX. Цена SFP находится в диапазоне от 120 до 130$. Достаточно редко попадаются и одноволоконные SFP CWDM. Такая система применяется для соединения типа точка-точка, и для систем мультиплексирования не используется.
Третье - число моделей построения сетей СWDM серьезно возросло, по сравнению с традиционным представлением:
Весьма распространенная ситуация. Часто появляется желание полностью исключить активный уровень агрегации из сети, другими словами, запустить отдельную лямбду к каждому дому. Останавливает то, что стоит это не дешево, но зато будет, где расположить защищенный ящик и бесперебойное питание. Как раз MUX/DeMUX замечательно поместятся даже в муфту на столбе освещения.
Optical add-drop multiplexer (сокращенно OADM) дает возможность извлекать требуемую длину волны в любой точке. Оно дает возможность размещать лямбды в любом положении. Как пример, с его помощью можно убрать "цепочки" на активном оборудовании. Такое действие значительно расширит пропускную способность канала и избавит от зависимости от электропитания.
Для сокращения потерь на вывод/ввод и на проход лямбды на OADM (1,1-1,2 Дб и 1,5Дб соответственно) можно применять множество таких устройств. Бюджет сети, при этом, не пострадает.
Не частый, но встречающийся на практике случай, когда транковая линия имеет разрыв одной из лямбд (подключается активное оборудование). В результате есть возможность создания кольца по одной длине волны, а не по физической линии. Но такая ситуация в жизни почти никогда не встречается. Приведенная схема наглядно иллюстрирует возможность работы с CWDM, как с типичным физическим оптоволокном. Дело за малым - наличие желания и денежных средств для реализации такой задумки.
Обратимся к вопросу стоимостей. Цена MUX/DeMUX на 8 одноволоконных каналах составляет $1400 (в расчете на 1 лямбду - $175). Стоимость OADM равна $350. Если заказывать ее в миниатюрных коробочках, то стоимость сокращается вдвое. Модули SFP/GBIC стоят больше традиционного одноволокона на $100 (в расчете на пару). В результате мы получаем общее повышение стоимости проекта на $400-600, в сравнении с прямым волокном.
Если посмотреть на ситуацию с другой стороны, то нужно учесть, что 1 км. дополнительного оптоволоконного кабеля стоит примерно $50, с учетом работы, патчкодов, разъемов и др.
Вывод таков: если задумано строительство новой сети с использованием CWDM, то пролеты должны составлять не менее 10 км. На более коротких отрезках выгоднее применять более уплотненные кабеля (с большим числом волокон). Естественно, что во внутриквартальной разводке нет таких расстояний, а вот применительно к городской - это привычная ситуация.
Самым рисковым местом (узким) является отрезок линии от ядра до узлов агрегации микрорайона. В роли ядра может выступать арендованная инфраструктура. Такие системы создавались более десяти лет назад, поэтому они часто состоят из 4-8 волокон. Тридцать шесть и сорок восемь жил стали применяться только недавно.
Если необходимо заменить такие линии, то это обойдется вам в круглую сумму: $3-5 тыс. за 1 км. Т.е. получается, что работы стоят в 2-3 раза дороже самого кабеля. Вот здесь на сцену и выходит CWDM. Его предназначение - способствовать раздельному включению узлов агрегации в ядро, если волокон не хватает. В результате можно назвать основные сферы применения описываемой технологии:
Первая - это новые магистрали города. Вторая - обновление существующей сети, преимущественно от ядра до уровня агрегации.
При этом CWDM не разумно использовать для организации междомовой разводки. Здесь по-прежнему прямые волокна вне конкуренции.
Так же к достоинствам рассматриваемой технологии относится абсолютная протокольная прозрачность и традиционное Ethernet-оборудование. Например, можно абсолютно спокойно включить на одну лямбду мультиплексоры Е1 1995 года выпуска, на другую - 10G, а по третьей передать КТВ (если ее заменить на однонаправленные MUX и OADM, то можно немного сэкономить деньги).
DWDM
DWDM – это более плотные WDM. Они обладают разносом каналов равное 0,8 нм, что соответствует примерно 100 ГГц. С их помощью можно мультиплексировать не более 32 каналов. Характеризуются DWDM стандартом ITU G.694.1. он приведен на таблице ниже:
Этому виду WDM характерна большая привередливость к компонентам, в сравнении с CWDM. необходима определенная ширина спектра источника излучения, определенная температурная стабилизация источника излучения и др. В этой связи эта технология пока что не может применяться для магистральных линий масштаба города из-за ее высокой стоимости.
Внедрению DWDM сетей поспособствовало появление удобных и эффективных EDFA (волоконные эрбиевые усилители), промежутком работы которых стало третье окно прозрачности кварцевого волокна (от 1525 до 1565 нм). Это и обусловило приемлемость технологии для дальней связи.
Длина пролета оптоволокна, по которому передаются пакеты данных сегодня, равна 90-150 км. Соответственно, если применить предусилитель и усилитель мощности, то длина пролета сможет достигать до 250 километров. Если же использовать дополнительные рамановские усилители со встречной накачкой, то длина пролета может быть доведена до 300 километров.
Даже можно говорить о доведении длины регенерационного участка сети до 2000 километров, если использовать каскад оптических усилителей. Сделать это стало возможным с использованием обычного серийного оборудования. Что значительно экономит денежные средства. Прецизионные системы дают возможность разгонять длину пролета до 10 тыс. км и выше.
Сама структура DWDM очень похожа на CWDM, но стоит на два порядка дороже. Надо учитывать тот факт, что длинным пролетам нельзя придавать сложную архитектуру, т.к. такой подход приведет к значительному снижению мощности сети в целом. Более подробно данная технология здесь рассмотрена не будет.
HDWDM
Название технологии HDWDM расшифровывается как High-Density Wavelength Division Multiplexer. Эта технология еще «плотнее», чем рассмотренная выше: разнос каналов равен менее чем 50 ГГц. Таким образом, технология позволяет мультиплексировать не менее 64 каналов.
С точки зрения структуры – она мало чем отличается от DWDM. В литературе эту технологию часто не определяют в отдельную группу, а относят к разновидности DWDM.