Optyczne sieci danych

IP over WDM, zgodnie z dzisiejszą definicją, narzuca restrykcyjny pogląd na możliwości, jakie mogą zapewnić sieci danych i sieci optyczne. Ograniczenia, wprowadzone przez pojedynczy stos protokołów, a nie przez pełne wykorzystanie możliwości sieciowych w warstwie optycznej, są bardzo restrykcyjne dla niektórych aplikacji sieciowych.

Wspomniane powyżej trendy sieciowe wymagają optycznej platformy sieciowej, która może obsługiwać różne stosy protokołów, architektury sieciowe oraz opcje ochrony i przywracania w sposób niezależny od sygnału klienta. Wybór POS over-to-point WDM jest najlepszy dla niektórych aplikacji sieciowych w szybkich sieciach danych, ale z pewnością nie dla wszystkich. Ponadto platforma optyczna wybrana do wdrożenia i wdrożenia tych przyszłych sieci danych musi zapewniać możliwość łatwego uwzględnienia nowych, nieoczekiwanych mapowań stosu protokołów i może otrzymywać te same funkcje sieciowe z sieci warstwy optycznej bez potrzeby pośredniej konwersji protokołu.

Optyczne sieci danych to alternatywne podejście, które nie próbuje zmniejszać niejednorodności stosów protokołów i architektur sieciowych, ale raczej wykorzystuje heterogeniczność, aby zapewnić dostosowane rozwiązania sieciowe do każdej konkretnej aplikacji i segmentu dostawcy sieci. Optyczne sieci danych łączą funkcje sieciowe zarówno w warstwie usługowej, jak i transportowej.

Główny składnik optycznej sieci danych

Różnorodność stosów protokołów, odzwierciedlona w wielu typach sygnałów klienta, które mają być obsługiwane w sieci OTN, jest dostosowywana przez zastosowanie opakowań cyfrowych. Wykorzystanie prawdziwych optycznych funkcji sieciowych zapewnia dodatkową elastyczność i niezawodność dzięki routingowi OCh, monitorowaniu błędów i wydajności, ochronie i przywracaniu, a wszystko to wykonywane na zasadzie selektywności według OCh. Wszystkie te elementy razem tworzą potężne i elastyczne rozwiązanie sieciowe, które jest przyszłościowe i otwarte na każdą konkretną wizję dostawców usług danych.

Technologia ta jest ekonomiczna i bardziej elastyczna w zakresie zwiększania przepustowości kanałów, dodawania / usuwania kanałów, przekierowywania i dystrybucji ruchu, obsługując wszystkie typy topologii sieci i systemów ochrony oraz synchronizacji. Oto główne elementy -

• TP (transponder)
• VOA (zmienny tłumik optyczny)
• MUX (multiplekser)
• DEMUX (de-multiplekser)
• BA (wzmacniacz wspomagający)
• Linia (nośnik OFC)
• LA (wzmacniacz liniowy)
• PA (przedwzmacniacz)
• OSC (optyczny kanał nadzorujący)

Transponder

To urządzenie jest interfejsem pomiędzy szerokim impulsowym sygnałem optycznym STM-n a urządzeniami MUX / DEMUX. Ten sygnał optyczny może znajdować się w kolokacji lub pochodzić z różnych nośników fizycznych, różnych protokołów i typów ruchu. Przetwarza szeroki sygnał impulsowy na wąską długość fali (częstotliwość punktowa lub kolorowa) rzędu nanometrów (nm) z odstępem 1,6 nm; wysyłanie do MUX.

W odwrotnym kierunku, kolorowe wyjście z DEMUX-a jest konwertowane na szeroki impulsowy sygnał optyczny. Poziom mocy wyjściowej wynosi od +1 do –3 dBm w obu kierunkach. Konwersja jest optyczna na elektryczną i elektryczną na optyczną (z O na E i E na O) w metodzie 2R lub 3R.

W 2R regeneracja i zmiana kształtu są wykonywane, podczas gdy w 3R regeneracja, ponowne kształtowanie i ponowne ustawianie czasu. TP może być zależne od koloru długości fali i szybkości transmisji lub przestrajalne dla obu (kosztowne i nieużywane). Jednak w 2R dowolna przepływność, PDH, STM-4 lub STM-16 może być szybkością kanału. Urządzenie ma ograniczenie czułością odbiornika i punktem przeciążenia.

Chociaż pośredni stopień elektryczny jest niedostępny, bajty narzutu STN-n są wykorzystywane do celów nadzorczych. To urządzenie obsługuje również działanie bezpieczeństwa optycznego (ALS) w porównaniu z zaleceniem ITU-T G.957.

Zmienny tłumik optyczny (VOA)

Jest to pasywna sieć, podobna do preemfazy wymaganej do dostosowania do równomiernego rozkładu poziomu sygnału w paśmie EDFA tak, aby moc wyjściowa optyczna poszczególnych kanałów jednostki Mux była taka sama, niezależnie od liczby kanałów ładowanych do systemu.

Tłumik optyczny jest podobny do prostego potencjometru lub obwodu używanego do redukcji poziomu sygnału. Tłumik jest używany zawsze, gdy trzeba przeprowadzić test wydajności, na przykład w celu sprawdzenia, jak na błąd bitowy wpływa zmiana poziomu sygnału w łączu. Jednym ze sposobów jest precyzyjna konfiguracja mechaniczna, w której sygnał optyczny przechodzi przez szklaną płytkę o różnym stopniu zaciemnienia, a następnie z powrotem do światłowodu, jak pokazano na rysunku.

Szklana płytka ma gęstość szarości w zakresie od 0% na jednym końcu do 100% na drugim końcu. Gdy płyta jest przesuwana przez szczelinę, mniej lub więcej energii świetlnej może przejść. Ten typ tłumika jest bardzo precyzyjny i może obsługiwać dowolną długość fali światła (ponieważ płytka tłumi każdą energię świetlną o tę samą ilość, niezależnie od długości fali), ale jest mechanicznie drogi.

Multiplekser (MUX) i demultiplekser (De-MUX)

Ponieważ systemy DWDM wysyłają sygnały z kilku stacji jednym światłowodem, muszą zawierać pewne środki do łączenia przychodzących sygnałów. Odbywa się to za pomocą multipleksera, który pobiera długości fal optycznych z wielu włókien i konwerguje je w wiązkę. Po stronie odbiorczej system musi być w stanie oddzielić transmitowane długości fal wiązki światła, aby można je było dyskretnie wykryć.

Demultipleksery pełnią tę funkcję, rozdzielając odebraną wiązkę na jej składowe długości fali i łącząc je w pojedyncze włókna.

Multipleksery i demultipleksery mogą być projektowane pasywnie lub aktywnie. Konstrukcja pasywna wykorzystuje pryzmat, siatki dyfrakcyjne lub filtry, podczas gdy projekt aktywny łączy urządzenia pasywne z przestrajalnymi filtrami.

Podstawowym wyzwaniem dla tych urządzeń jest zminimalizowanie przesłuchów i maksymalizacja separacji kanałów (różnica długości fal między dwoma sąsiednimi kanałami). Przesłuch jest miarą tego, jak dobrze kanały są rozdzielone, podczas gdy separacja kanałów odnosi się do zdolności do rozróżnienia każdej długości fali.

Rodzaje multiplekserów / demultiplekserów

Typ pryzmatu

Prostą formę multipleksowania lub demultipleksowania długości fal można wykonać za pomocą pryzmatu.

Równoległa wiązka światła polichromatycznego pada na powierzchnię pryzmatu i każda długość fali składowej jest załamywana inaczej. To jestrainbow effect. W świetle wyjściowym każda długość fali jest oddzielona od następnej pod kątem. Soczewka następnie skupia każdą długość fali do punktu, w którym musi ona wejść do włókna. Komponenty mogą być używane odwrotnie, aby multipleksować różne długości fal na jednym włóknie.

Typ siatki dyfrakcyjnej

Inna technologia oparta jest na zasadzie dyfrakcji i interferencji optycznej. Kiedy polichromatyczne źródło światła pada na siatkę dyfrakcyjną, każda długość fali jest ugięta pod innym kątem, a zatem w innym punkcie w przestrzeni. Korzystając z soczewki, te długości fal można skupić na poszczególnych włóknach, jak pokazano na poniższym rysunku.Bragg grating, jest prostym komponentem pasywnym, który może być używany jako lustra selektywne pod względem długości fali i jest szeroko stosowany do dodawania i upuszczania kanałów w systemach DWDM.

Kraty Braggsa są wykonywane przy użyciu ultrafioletowej wiązki lasera do oświetlania rdzenia światłowodu jednomodowego przez maskę fazową. Włókno jest domieszkowane fosforem, germanem lub borem, aby uczynić je światłoczułym. Po przejściu światła przez maskę powstaje wzór prążków, który jest „drukowany” na włóknie. Powoduje to trwałą okresową modulację współczynnika załamania światła włókna szklanego. Gotowa siatka odbija światło o długości fali Bragga (równej dwukrotnej odległości optycznej między regionami o wysokim i niskim współczynniku) i przepuszcza wszystkie inne długości fal.

Przestrajalna krata Bragga

Siatkę z włókien Bragga można przykleić do elementu piezoelektrycznego. Poprzez przyłożenie napięcia do elementu, element rozciąga się tak, że siatka jest rozciągnięta, a długość fali Bragga przesuwa się na dłuższą. Obecne urządzenia mogą zapewnić zakres strojenia 2 nm dla wejścia 150 V.

Arrayed Waveguide Grating

Arrayed Waveguide Gratings (AWG) są również oparte na zasadach dyfrakcji. Urządzenie AWG, czasami nazywane routerem światłowodowym lub routerem z siatką falowodu, składa się z szeregu zakrzywionych falowodów kanałowych ze stałą różnicą długości ścieżki między sąsiednimi kanałami. Falowody są podłączone do wnęk na wejściu i wyjściu.

Multiplekser optyczny

Kiedy światło wchodzi do wnęki wejściowej, jest ugięte i wchodzi do matrycy falowodowej. Zatem różnica długości optycznej każdego falowodu wprowadza opóźnienia fazowe we wnęce wyjściowej, w której sprzężony jest układ włókien. W wyniku tego procesu różne długości fal mają maksymalne zakłócenia w różnych miejscach, które odpowiadają portom wyjściowym.

Wielowarstwowe filtry interferencyjne

Inna technologia wykorzystuje filtry interferencyjne w urządzeniach zwanych filtrami cienkowarstwowymi lub wielowarstwowymi filtrami interferencyjnymi. Umieszczając filtry składające się z cienkich warstw na ścieżce optycznej, można zdemultipleksować długość fali. Właściwość każdego filtra polega na tym, że transmituje on jedną długość fali, a odbija inne. Dzięki kaskadowaniu tych urządzeń można zdemultipleksować wiele długości fal.

Filtry zapewniają dobrą stabilność i izolację między kanałami przy umiarkowanych kosztach, ale przy dużej tłumienności (AWG wykazują płaską odpowiedź widmową i niską tłumienność). Główną wadą filtra jest to, że są wrażliwe na temperaturę i mogą nie być praktycznie używane we wszystkich środowiskach. Jednak ich dużą zaletą jest to, że mogą być zaprojektowane do jednoczesnego wykonywania operacji multipleksowania i demultipleksowania.

Typ złącza OM

Złącze OM to powierzchnia interaktywna z dwoma lub więcej połączonymi ze sobą włóknami. Zwykle jest używany w OM, a jego zasady działania przedstawiono na poniższym rysunku.

Złącze OM może pełnić funkcję multipleksowania tylko przy niskich kosztach produkcji. Jego wadą jest duża tłumienność. Obecnie OM stosowany w sprzęcie DWDM ZTWE wykorzystuje sprzęgło OM. OD przyjmuje komponenty AWG.

Wzmacniacze wzmacniające (wzmacniacze optyczne)

Z powodu tłumienia istnieją ograniczenia co do tego, jak długo segment światłowodu może propagować sygnał z integralnością, zanim będzie musiał zostać zregenerowany. Przed pojawieniem się wzmacniaczy optycznych (OA) musiał istnieć wzmacniacz dla każdego transmitowanego sygnału. OA umożliwiło wzmocnienie wszystkich długości fal jednocześnie i bez konwersji optyczno-elektryczno-optycznej (OEO). Oprócz zastosowania w łączach optycznych (jako repeater), wzmacniacze optyczne mogą być również używane do zwiększania mocy sygnału po multipleksowaniu lub przed demultipleksowaniem.

Rodzaje wzmacniaczy optycznych

Na każdej ścieżce optycznej wzmacniacze optyczne były używane jako repeatery w trybie simplex. Jedno włókno było używane w ścieżce nadawczej, a drugie w ścieżce powrotnej. Najnowsze wzmacniacze optyczne będą działać w dwóch kierunkach jednocześnie. Możemy nawet używać tej samej długości fali w dwóch kierunkach, pod warunkiem zastosowania dwóch różnych szybkości transmisji. W związku z tym pojedyncze włókno może być używane do pracy w trybie dupleksu.

Wzmacniacze optyczne muszą również mieć wystarczającą szerokość pasma, aby przepuścić szereg sygnałów działających na różnych długościach fal. Na przykład SLA o widmowej szerokości pasma powiedzmy 40 nm może obsłużyć około dziesięciu sygnałów optycznych.

W systemie 565 Mb / s, dla łącza optycznego o długości 500 km, wymaganych jest pięć wzmacniaczy optycznych SLA, rozmieszczonych w odstępach co 83 km. Każdy wzmacniacz zapewnia wzmocnienie około 12 dB, ale jednocześnie wprowadza do systemu szum (BER 10-9.)

Wzmacniacze SLA mają następujące wady -

• Wrażliwy na zmiany temperatury
• Wrażliwy na zmiany napięcia zasilania
• Wrażliwy na wibracje mechaniczne
• Unreliable
• Podatny na przesłuchy

Wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem (EDFA)

W systemach DWDM stosowane są EDFA. Erb to pierwiastek ziem rzadkich, który po wzbudzeniu emituje światło o średnicy około 1,54 mikrometra, co jest długością fali o niskiej stratności dla światłowodów stosowanych w DWDM. Słaby sygnał dociera do włókna domieszkowanego erbem, do którego za pomocą lasera pompującego jest wstrzykiwane światło o długości 980 nm lub 1480 nm.

To wstrzyknięte światło stymuluje atomy erbu do uwolnienia zmagazynowanej energii w postaci dodatkowego światła 1550 nm. Sygnał rośnie w siłę. Spontaniczne emisje w EDFA dodają również współczynnik szumów EDFA. EDFA mają typową szerokość pasma 100 nm i są potrzebne w odstępie 80-120 km wzdłuż trasy optycznej.

EDFA również cierpi na tzw four-wave-mixingze względu na nieliniowe oddziaływanie między sąsiednimi kanałami. W związku z tym zwiększenie mocy wzmacniacza w celu zwiększenia odległości między wzmacniaczami prowadzi do większego przesłuchu.

Wzmacniacz Ramana

Zastosowanie wzmacniaczy SLA i EDFA w WDM jest ograniczone, jak już opisano, a nowoczesne systemy WDM zwracają się w kierunku wzmocnienia Ramana, które ma szerokość pasma około 300 nm. Tutaj laser pompujący znajduje się na końcu odbiorczym światłowodu. Przesłuchy i hałas są znacznie zredukowane. Jednak wzmocnienie Ramana wymaga użycia lasera o wysokiej pompie.

Dyspersja we włóknie faktycznie pomaga zminimalizować efekt „mieszania czterofalowego”. Niestety, wczesne łącza optyczne często wykorzystywały światłowód o zerowej dyspersji w celu zminimalizowania dyspersji na duże odległości, gdy te same włókna są modernizowane do przenoszenia sygnałów WDM; nie są idealnym medium dla szerokopasmowych sygnałów optycznych.

Opracowywane są specjalne włókna jednomodowe do użytku WDM. Mają one naprzemienne segmenty włókien o dodatniej i ujemnej dyspersji, a zatem całkowita dyspersja sumuje się do zera. Poszczególne segmenty zapewniają jednak dyspersję, aby zapobiec mieszaniu czterofalowemu.

Wzmacniacze liniowe

Jest to dwustopniowy wzmacniacz EDFA składający się z przedwzmacniacza (PA) i wzmacniacza wzmacniającego (BA). Bez dwóch stopni nie jest możliwe wzmocnienie sygnału do 33 dB na zasadzie EDFA (aby uniknąć szumu generowanego przez spontaniczną emisję). Wzmacniacz liniowy (LA) kompensuje stratę linii o 22 dB lub 33 dB odpowiednio dla systemów długodystansowych i bardzo długich. Jest to całkowicie optyczne urządzenie sceniczne.

Linia (OFC) Media

To jest światłowód, po którym przemieszczają się sygnały DWDM. Tłumienie i dyspersja są głównymi czynnikami ograniczającymi, określającymi odległość transmisji, przepustowość itp. Zwykle 22 dB i 33 dB są przyjmowane jako utrata linii odpowiednio dla długości przeskoku w systemach dalekobieżnych i bardzo długich.

Bardzo długa długość fali linii może wynosić 120 km bez repeatera (LA). Jednak w przypadku kilku kaskadowych przemienników długość może wynosić do 600 km, którą można dodatkowo zwiększyć do 1200 km za pomocą modułu kompensacji dyspersji. Po takiej odległości wymaga regeneracji w stopniu elektrycznym zamiast repeatera tylko w stopniu optycznym.

Przedwzmacniacz (PA)

Sam ten wzmacniacz jest używany w terminalu do połączenia DEMUX-a i linii do odbioru sygnału pochodzącego z odległej stacji. Dlatego stłumiony sygnał liniowy jest wzmacniany do poziomu od +3 dBm do 10 dBm przed wejściem do jednostki DEMUX.

Optyczny kanał nadzorczy

Funkcja transmisji dodatkowych danych (2 Mb / s: EOW, dane użytkownika itp. Przez interfejs) na oddzielnej długości fali (1480 nm zgodnie z zaleceniem ITU-T G-692) o niższym poziomie optycznym bez żadnego zabezpieczenia optycznego, wraz z i niezależnie od głównego optycznego sygnału ruchu STM-n, realizowany jest przez OSC. EOW (0,3 do 3,4 KHz) dla kanału selektywnego i omnibus wynosi 64 kb / s w 8-bitowym kodzie PCM.

Optyczny kanał nadzorczy (OSC) pomaga sterować i monitorować optyczne urządzenia liniowe, a także zarządzać lokalizacją uszkodzeń, konfiguracją, wydajnością i bezpieczeństwem za pomocą LCT.