Методи мультиплексування оптичних каналів зв’язку.
У волоконно-оптичних системах зв'язку та передачі інформації використовуються різні методи та технології передачі та обробки сигналів, у тому числі технології тимчасового (TDM) та спектрального (DWDM) мультиплексування та демультиплексування. У цій статті коротко викладаються принципи побудови та основи традиційних систем передачі інформації, що використовують TDM-технології, їх еволюція, можливості та обмеження, а також наводяться загальні порівняння із системами, що використовують технології WDM-мультиплексування.
Тимчасове мультиплексування
Унікальні можливості оптичних волокон передавати на величезні відстані сигнали в суперширокій смузі частот, з одного боку, і потреба у підвищенні інформаційної ємності каналів зв'язку, з іншого, зумовили необхідність розробки методів мультиплексування (ущільнення) інформаційних каналів та створення мультиплексних систем.
Першим методом мультиплексування, який відразу став застосовуватися в волоконно-оптичних системах і мережах зв'язку, з'явився метод тимчасового мультиплексування.
При тимчасовому мультиплексуванні кожному з інформаційних каналів системи, що мають загальну несучу оптичну, відводиться певний інтервал часу для передачі інформації. Тобто в перший інтервал часу оптична несуча модулюється сигналом одного інформаційного каналу, в другому - іншого і т. д. Таким чином, інформація кожного каналу передається за допомогою одного джерела випромінювання по черзі, послідовно. Кожному каналу відводиться свій часовий інтервал або часове вікно. Тривалість цього часового вікна визначається різними факторами, головними з яких є швидкість перетворення електричних сигналівоптичні та швидкість передачі інформації в лінії зв'язку. Приладом, що встановлює черговість та часовий інтервал передачі інформації на вході лінії, є часовий мультиплексор. На іншому кінці лінії встановлюється демультиплексор, який перетворює оптичний сигнал на електричний, визначає номер каналу, тобто ідентифікує його, і направляє інформацію відповідному користувачеві. Таким чином, мультиплексування та демультиплексування здійснюються тільки електронними засобами за допомогою електричних сигналів керування. На рис. 1 показана схема передачі сигналу з ВОЛЗ з тимчасовим мультиплексуванням.
Мал. 1. Схема передачі оптичних сигналів по ВОЛЗ з тимчасовим мультиплексуванням
Використання технології TDM в даний час забезпечило введення в широку експлуатацію одноканальних (по несучій оптичній) волоконно-оптичних ліній передачі (одне джерело - одне волокно - один фотоприймач) зі швидкостями передачі 10 Гбіт/с. ВОЛЗ із такими швидкостями передачі поступово заміщають лінії зі швидкостями 2,5 Гбіт/с. У стадії практичної реалізації зараз ВОЛЗ наступного покоління з інформаційною ємністю каналу 40 Гбіт/с, досліджуються можливості створення TDM-систем на швидкості передачі 100 Гбіт/с.
Швидкості в 10 Гбіт/с, на наш погляд, є деякою поворотною точкою в TDM-технологіях. Нижче цієї швидкості характеристики більшості існуючих волоконно-оптичних трактів мало впливають якість передачі; при перевищенні швидкостей передачі 10 Гбіт/с ці характеристики повинні вже ретельніше перевірятися і коригуватися.
Насамперед необхідно враховувати хроматичну дисперсію волокна — залежність швидкості поширення світла від довжини оптичної опціївипромінювання, зумовлену, своєю чергою, відповідною залежністю коефіцієнта заломлення світла в оптичному волокні від довжини хвилі.
Дисперсія призводить до розширення оптичних імпульсів у волокні, і при швидкостях передачі інформації 10 Гбіт/с (стандарт ОС-192) її вплив на обмеження швидкості передачі проявляється вже в 16 разів сильніше, ніж при швидкостях в 2,5 Гбіт/с (стандарт ОС-48). Методи, які дозволяють компенсувати хроматичну дисперсію у вже прокладених оптичних волокнах, у принципі розроблені, але вони неминуче призводять до зростання втрат у системі, її суттєвого ускладнення та підвищення вартості. Для стандартного одномодового волокна (типу G.652) максимальна відстань, яку можна передавати інформацію зі швидкістю 10 Гбіт/с за допомогою стандартних джерел випромінювання і без застосування спеціальних заходів компенсації дисперсії і корекції сигналу, обмежується межами 50 75 км.
На перших етапах створення гігабітних ВОЛЗ з метою придушення дисперсії як джерела випромінювання було запропоновано застосовувати вузькосмугові напівпровідникові лазери з довжиною хвилі випромінювання, близькою (але не рівною) довжині хвилі, на якій у волокні має місце нульова дисперсія. Це мало б дозволити також уникнути чотирихвильового змішування у волокні, що призводить до перехресних перешкод у ВОЛЗ. Однак виявилося, що при прямій модуляції лазерів струму живлення крім амплітудної відбувається і частотна модуляція, тобто змінюється довжина хвилі випромінювання лазера. Це явище, відоме як “чирпінг”, призводить до досить сильного розкиду імпульсів, що генеруються, по спектральному складу оптичного випромінювання і, отже, до прояву таких небажаних ефектів, як згадані вище чотирихвильове змішування і хроматична дисперсія.
Але навіть якщо вдається яким-небудь способом компенсувати хроматичну дисперсію волокна на швидкостях передачі з 10 Гбіт/с і більше, починає проявлятися поляризаційно-модова дисперсія (ПМД), яка також призводить до обмеження швидкості передачі інформації в лінії. ПМД є наслідок відмінності швидкостей розповсюдження двох основних ортогонально-поляризованих мод, що поширюються в одномодовому волокні, яке, у свою чергу, може бути викликане цілим рядом факторів, що впливають на величину двопроломлення волокна і на взаємодію (або змішання) мод.
Крім цього, розробка TDM-систем, що забезпечують подальше (за межі 10 Гбіт/с) підвищення швидкості передачі інформації, також вимагає розробки та застосування нових надшвидких електронних систем модуляції, комутації та прийому лазерного випромінювання у ВОЛЗ. Подібні проблеми неминуче виникають і при створенні систем корекції помилок у ВОЛЗ із такими швидкостями.
Таким чином, можна сказати, що TDM-технологи, навіть при значному вдосконаленні, можуть бути практично використані у ВОЛЗ зі швидкостями передачі інформації в десятки Гбіт/с, при цьому залишається відкритим питання економічної доцільності таких рішень. Для більш широкосмугових ВОЛЗ необхідно було або прокладати нові волоконно-оптичні лінії, або шукати нові рішення, що дозволяють мультиплексувати окремі TDM-канали і передавати їх по одному волокну одночасно.
Спектральне мультиплексування
Таким рішенням стала розробка технології спектрального мультиплексування (DWDM), які дозволяють збільшувати швидкості передачі в ВОЛЗ за рахунок одночасної передачі по волокну декількох TDM-каналів на різних довжинах хвиль.
Оптична схема побудовиВОЛЗ, що використовує DWDM-технології, наведено на рис. 2. У схемі є набір оптичних передавачів, що випромінюють на довжинах хвиль l n на одному кінці лінії, та набір відповідних фотоприймачів на іншому. На кожній із цих довжин хвиль l n може незалежно передаватися один із TDM-сигналів системи, таким чином забезпечується одночасна передача всіх TDM-каналів. Необхідними елементами таких ВОЛЗ є волоконно-оптичні підсилювачі, мультиплексори, демультиплексори, блоки введення-виведення оптичних каналів (або мультиплексори з пристроями вводу-виводу), комутатори та, природно, волоконно-оптичні кабелі. Кожен із цих елементів є важливим для правильного функціонування системи в цілому, характеристики кожного повинні бути ретельно визначені та задані.
Критерії вибору компонентів для DWDM-систем визначаються низкою досить жорстких вимог, головною з яких є вимога про те, що всі канали повинні мати рівну пропускну здатність по всьому оптичному шляху проходження та обробки сигналів.
Це означає, що оптичні джерела, мультиплексори, демультиплексори, оптичні підсилювачі та саме волокно повинні мати характеристики, що повністю забезпечують реалізацію заданих параметрів створюваної локальної мережі. Тому оптичні характеристики пасивних та активних компонентів локальної мережі, такі, як внесені та зворотні втрати, дисперсія, поляризаційні ефекти тощо повинні ретельно вимірюватися і контролюватись залежно від довжини хвилі в межах спектральної смуги DWDM-системи. Як правило, DWDM-системи містять значно більше складних пристроїв та елементів у порівнянні з системами, що працюють на одній довжині хвилі, і тому контроль їх параметрів здійснювати значно складніше. До таких пристроїв таелементам відносяться мультиплексори та демультиплексори, вузькосмугові фільтри, одержувані методами тонкоплівкової технології, сплавні біконічні розгалужувачі, пристрої введення-виведення на основі хвилеводних дифракційних решіток, об'ємні бреггівські фільтри та бреггівські фільтри на основі дифракційних.
На додаток до цього має бути точно встановлено та враховано волоконно-оптичних підсилювачів на якість та цілісність спектра оптичних сигналів і, нарешті, мають бути враховані та зведені до мінімуму ефекти взаємодії спектральних каналів між собою, щоб звести до мінімуму перехресні перешкоди, які можуть призвести до спотворення інформації у різних елементах мережі.
Таким чином, навіть на перший погляд видно, що системи зв'язку, що використовують DWDM-технології, є більш складними та дорогими порівняно з існуючими одноканальними ВОЛЗ. Однак, якщо врахувати, що значну частину вартості будівництва нових ВОЛЗ та мереж зв'язку становить вартість оптичного кабелю та його прокладки, то порівняльний аналіз показує, що застосування DWDM-технології дозволяє суттєво знизити витрати у розрахунку на 1 біт інформації, тобто мережа стає дешевшою. Крім того, з'являється можливість гнучкішого маркетингу інформаційними каналами: можна буде купувати або брати в оренду не тільки кабель або волокно, а й окрему довжину хвилі. Таким чином, DWDM-технології здатні забезпечити можливості багаторазового розширення смуги частот, що передаються в мережі без її капітальної реконструкції та прокладання нового кабелю. В даний час у світі вже практично реалізовані та функціонують DWDM-системи з 64 спектральними каналами, на стадії завершення розробки знаходяться системи на 128 спектральних каналів. У 2001 році перші DWDM-системивже з'явилися і в Україні.