Оптическая сеть передачи данных
IP over WDM, как определено сегодня, накладывает ограничительный взгляд на возможности, которые могут предоставить сети передачи данных и оптические сети. Ограничения, вводимые одним стеком протоколов, а не полным использованием сетевых возможностей на оптическом уровне, очень ограничивают некоторые сетевые приложения.
Для упомянутых выше сетевых тенденций требуется оптическая сетевая платформа, которая может поддерживать различные стеки протоколов, сетевые архитектуры, а также варианты защиты и восстановления независимо от сигнала клиента. Выбор POS вместо WDM типа «точка-точка» лучше всего подходит для некоторых сетевых приложений в высокоскоростных сетях передачи данных, но, конечно, не для всех. Кроме того, оптическая платформа, выбранная для реализации и развертывания этих будущих сетей передачи данных, должна гарантировать, что новые, неожиданные сопоставления стека протоколов могут быть легко адаптированы, и они могут получить те же сетевые функции от сети оптического уровня без необходимости промежуточного преобразования протокола.
Оптические сети передачи данных - это альтернативный подход, который не пытается уменьшить неоднородность стеков протоколов и сетевых архитектур, а скорее использует неоднородность для предоставления индивидуальных сетевых решений для каждого конкретного приложения и сегмента сетевого поставщика. Оптические сети передачи данных объединяют сетевые функции как на сервисном, так и на транспортном уровнях.
Главный компонент оптической сети передачи данных
Разнообразие стеков протоколов, отражающееся в множестве типов клиентских сигналов, которые должны поддерживаться в OTN, компенсируется использованием цифровых оболочек. Использование настоящих оптических сетевых функций обеспечивает дополнительную гибкость и надежность за счет маршрутизации OCh, мониторинга отказов и производительности, защиты и восстановления, причем все это выполняется выборочно для каждого OCh. Все эти элементы в совокупности создают мощное и гибкое сетевое решение, отвечающее требованиям завтрашнего дня и открытое для любого конкретного видения поставщиков услуг передачи данных.
Эта технология является рентабельной и более гибкой для увеличения пропускной способности каналов, добавления / удаления каналов, перенаправления и распределения трафика, поддерживает все типы топологии сети и систем защиты и синхронизации. Ниже приведены основные компоненты -
- TP (транспондер)
- VOA (переменный оптический аттенюатор)
- MUX (мультиплексор)
- DEMUX (демультиплексор)
- BA (усилитель мощности)
- Линия (СМИ OFC)
- LA (линейный усилитель)
- PA (предусилитель)
- OSC (оптический контрольный канал)
Транспондер
Это устройство является интерфейсом между широкополосным импульсным оптическим сигналом STM-n и оборудованием MUX / DEMUX. Этот оптический сигнал может быть совмещен или поступать из разных физических сред, разных протоколов и типов трафика. Он преобразует широкий импульсный сигнал в узкую длину волны (точечную или цветную частоту) порядка нанометра (нм) с шагом 1,6 нм; отправка в MUX.
В обратном направлении цветной выходной сигнал DEMUX преобразуется в оптический сигнал с широким импульсом. Уровень выходной мощности составляет от +1 до –3 дБм в обоих направлениях. Преобразование осуществляется из оптического в электрическое и из электрического в оптическое (из O в E и E в O) по методу 2R или 3R.
В 2R выполняются регенерация и изменение формы, в то время как в 3R выполняются регенерация, изменение формы и повторная синхронизация. TP может зависеть от цвета длины волны и скорости передачи данных или настраиваться для обоих (дорого и не используется). Однако в 2R любая скорость передачи данных, PDH, STM-4 или STM-16 может быть скоростью канала. У блока есть ограничение на чувствительность приемника и точку перегрузки.
Хотя промежуточный электрический каскад недоступен, служебные байты STN-n используются для надзорных целей. Этот блок также поддерживает работу оптической безопасности (ALS) по Рекомендации ITU-T G.957.
Переменный оптический аттенюатор (VOA)
Это пассивная сеть, подобная предыскажению, необходимая для регулировки для равномерного распределения уровня сигнала в диапазоне EDFA, так что оптическая выходная мощность отдельного канала блока мультиплексирования остается неизменной независимо от количества каналов, загружаемых в систему.
Оптический аттенюатор похож на простой потенциометр или схему, используемую для уменьшения уровня сигнала. Аттенюатор используется всякий раз, когда необходимо запустить тест производительности, например, чтобы увидеть, как влияет на битовую ошибку изменение уровня сигнала в канале связи. Один из способов - иметь точную механическую установку, в которой оптический сигнал проходит через стеклянную пластину с разной степенью темноты, а затем обратно в оптическое волокно, как показано на рисунке.
Стеклянная пластина имеет плотность серого в диапазоне от 0% на одном конце до 100% на другом конце. Когда пластина перемещается через зазор, пропускается больше или меньше световой энергии. Этот тип аттенюатора очень точен и может работать с любой длиной волны света (поскольку пластина ослабляет любую световую энергию на одинаковую величину, независимо от длины волны), но это механически дорого.
Мультиплексор (MUX) и демультиплексор (De-MUX)
Поскольку системы DWDM отправляют сигналы от нескольких станций по одному волокну, они должны включать некоторые средства для объединения входящих сигналов. Это делается с помощью мультиплексора, который принимает длины оптических волн из нескольких волокон и преобразует их в луч. На приемном конце система должна иметь возможность отделить переданные длины волн светового луча, чтобы их можно было незаметно обнаружить.
Демультиплексоры выполняют эту функцию, разделяя принятый луч на составляющие его длины волны и объединяя их в отдельные волокна.
Мультиплексоры и демультиплексоры могут быть пассивными или активными по конструкции. В пассивном дизайне используются призмы, дифракционные решетки или фильтры, а в активном дизайне пассивные устройства сочетаются с настраиваемыми фильтрами.
Основными задачами этих устройств являются минимизация перекрестных помех и максимальное разделение каналов (разница длин волн между двумя соседними каналами). Перекрестные помехи - это мера того, насколько хорошо каналы разделены, в то время как разделение каналов относится к способности различать каждую длину волны.
Типы мультиплексора / демультиплексора
Тип призмы
Простая форма мультиплексирования или демультиплексирования длин волн может быть выполнена с использованием призмы.
Параллельный пучок полихроматического света падает на поверхность призмы, и каждая длина волны компонента преломляется по-разному. Этоrainbow effect. В выходном свете каждая длина волны отделена от следующей под углом. Затем линза фокусирует каждую длину волны в точку, где она должна войти в волокно. Компоненты можно использовать в обратном порядке для мультиплексирования волн разных длин на одном волокне.
Тип дифракционной решетки
Другая технология основана на принципе дифракции и оптической интерференции. Когда полихроматический источник света падает на дифракционную решетку, каждая длина волны дифрагирует под другим углом и, следовательно, в другую точку в пространстве. С помощью линзы эти длины волн можно сфокусировать на отдельных волокнах, как показано на следующем рисунке.Bragg grating, представляет собой простой пассивный компонент, который может использоваться в качестве зеркал с селективным выбором длины волны и широко используется для добавления и удаления каналов в системах DWDM.
Брэгговская решетка изготавливается с использованием ультрафиолетового лазерного луча для освещения сердцевины одномодового волокна через фазовую маску. Волокно легировано фосфором, германием или бором, чтобы сделать его светочувствительным. После того, как свет прошел через маску, образуется узор бахромы, который «отпечатывается» на волокне. Это создает постоянную периодическую модуляцию показателя преломления стеклянной сердцевины волокна. Готовая решетка отражает свет с длиной волны Брэгга (равной удвоенному оптическому расстоянию между областями с высоким и низким показателями) и пропускает все другие длины волн.
Настраиваемая решетка Брэгга
Волоконную решетку Брэгга можно приклеить к пьезоэлементу. Подавая напряжение на элемент, элемент растягивается, так что решетка растягивается, а длина волны Брэгга смещается в сторону большей длины. Существующие устройства могут обеспечивать диапазон настройки 2 нм для входа 150 В.
Решетка с волноводом
Решетки с массивом волноводов (AWG) также основаны на принципах дифракции. Устройство AWG, иногда называемое маршрутизатором оптических волноводов или маршрутизатором на волноводных решетках, состоит из массива изогнутых канальных волноводов с фиксированной разницей в длине пути между соседними каналами. Волноводы подключены к резонаторам на входе и выходе.
Оптический мультиплексор
Когда свет попадает во входную полость, он дифрагирует и попадает в волноводную решетку. Таким образом, разница в оптических длинах каждого волновода вызывает фазовые задержки в выходном резонаторе, в котором соединяется массив волокон. Процесс приводит к тому, что разные длины волн имеют максимальные помехи в разных местах, которые соответствуют портам вывода.
Многослойные интерференционные фильтры
Другая технология использует интерференционные фильтры в устройствах, которые называются тонкопленочными фильтрами или многослойными интерференционными фильтрами. Размещая фильтры, состоящие из тонких пленок, на оптическом пути, можно демультиплексировать длину волны. Свойство каждого фильтра таково, что он пропускает одну длину волны, а отражает другие. Посредством каскадного подключения этих устройств можно демультиплексировать волны многих длин.
Фильтры обеспечивают хорошую стабильность и изоляцию между каналами при умеренной стоимости, но с высокими вносимыми потерями (AWG демонстрируют ровный спектральный отклик и низкие вносимые потери). Главный недостаток фильтров заключается в том, что они чувствительны к температуре и не могут использоваться практически во всех средах. Однако их большое преимущество состоит в том, что они могут быть разработаны для одновременного выполнения операций мультиплексирования и демультиплексирования.
Тип сцепления ОМ
OM муфты представляет собой поверхность, взаимодействующую с двумя или более волокнами, спаянными вместе. Как правило, он используется для OM, и его принципы работы показаны на следующем рисунке.
Муфта OM может выполнять только функцию мультиплексирования при низкой стоимости изготовления. Его недостаток - высокие вносимые потери. В настоящее время ОМ, используемое в DWDM-оборудовании ZTWE, использует ОМ связи. OD использует компоненты AWG.
Бустерные усилители (оптические усилители)
Из-за затухания существуют ограничения на то, как долго сегмент волокна может передавать сигнал с сохранением целостности, прежде чем его нужно будет регенерировать. До появления оптических усилителей (OA) для каждого передаваемого сигнала должен был быть ретранслятор. OA позволил усилить все длины волн одновременно и без оптико-электрооптического преобразования (OEO). Помимо использования в оптических линиях связи (в качестве повторителя), оптические усилители также могут использоваться для повышения мощности сигнала после мультиплексирования или перед демультиплексированием.
Типы оптических усилителей
На каждом оптическом маршруте оптические усилители использовались как повторители в симплексном режиме. Одно волокно использовалось в тракте передачи, а второе волокно использовалось в тракте возврата. Новейшие оптические усилители будут работать одновременно в двух направлениях. Мы даже можем использовать одну и ту же длину волны в двух направлениях, если используются две разные скорости передачи данных. Таким образом, для дуплексного режима можно использовать одно волокно.
Оптические усилители также должны иметь достаточную полосу пропускания, чтобы пропускать ряд сигналов, работающих на разных длинах волн. Например, SLA со спектральной полосой пропускания, скажем, 40 нм, может обрабатывать около десяти оптических сигналов.
В системе со скоростью 565 мбит / с для оптического канала 500 км / с требуется пять оптических усилителей SLA, разнесенных с интервалом 83 км. Каждый усилитель обеспечивает усиление около 12 дБ, но также вносит в систему шум (BER 10-9).
Усилители SLA имеют следующие недостатки -
- Чувствителен к перепадам температуры
- Чувствителен к изменениям напряжения питания
- Чувствителен к механическим колебаниям
- Unreliable
- Склонен к перекрестным помехам
Волоконный усилитель, легированный эрбием (EDFA)
В системах DWDM используются EDFA. Эрбий - это редкоземельный элемент, который при возбуждении излучает свет размером около 1,54 мкм, что является длиной волны с низкими потерями для оптических волокон, используемых в DWDM. Слабый сигнал поступает в легированное эрбием волокно, в которое с помощью лазера накачки вводится свет с длиной волны 980 нм или 1480 нм.
Этот инжектируемый свет стимулирует атомы эрбия высвобождать накопленную ими энергию в виде дополнительного света 1550 нм. Сигнал становится сильным. Спонтанные выбросы в EDFA также добавляют коэффициент шума EDFA. EDFA имеют типичную полосу пропускания 100 нм и необходимы на интервале 80–120 км вдоль оптического маршрута.
EDFA также страдает от аффекта, называемого four-wave-mixingиз-за нелинейного взаимодействия между соседними каналами. Следовательно, увеличение мощности усилителя для увеличения расстояния между повторителями приводит к увеличению перекрестных помех.
Рамановский усилитель
Использование усилителей SLA и EDFA в WDM ограничено, как уже было описано, и современные системы WDM переходят на рамановское усиление, которое имеет полосу пропускания около 300 нм. Здесь лазер накачки находится на приемном конце волокна. Значительно уменьшаются перекрестные помехи и шум. Однако рамановское усиление требует использования лазера с высокой накачкой.
Дисперсия в волокне фактически помогает минимизировать эффект «четырехволнового смешения». К сожалению, в ранних оптических линиях часто использовалось волокно с нулевой дисперсией, чтобы минимизировать дисперсию на больших расстояниях, когда эти же волокна модернизируются для передачи сигналов WDM; они не являются идеальной средой для широкополосных оптических сигналов.
Для использования WDM разрабатываются специальные одномодовые волокна. Они имеют чередующиеся сегменты волокон с положительной и отрицательной дисперсией, поэтому общая дисперсия в сумме равна нулю. Однако отдельные сегменты обеспечивают дисперсию для предотвращения четырехволнового смешения.
Линейные усилители
Это двухкаскадный усилитель EDFA, состоящий из предварительного усилителя (PA) и Booster Amplifier (BA). Без двух каскадов невозможно усилить сигнал до 33 дБ по принципу EDFA (чтобы избежать шума, создаваемого спонтанным излучением). Линейный усилитель (LA) компенсирует потери в линии 22 дБ или 33 дБ для систем большой и очень большой протяженности соответственно. Это полностью оптическое устройство сцены.
Line (OFC) СМИ
Это оптоволоконный носитель, по которому передаются сигналы DWDM. Затухание и дисперсия являются основными ограничивающими факторами, определяющими расстояние передачи, пропускную способность битовой скорости и т. Д. Обычно 22 дБ и 33 дБ принимаются в качестве потерь в линии для длины перехода в системах большой и очень большой протяженности, соответственно.
Длина волны линии очень большой протяженности может составлять 120 км без повторителя (LA). Однако при каскадном подключении нескольких ретрансляторов длина может достигать 600 км / с, а затем может быть увеличена до 1200 км с использованием модуля компенсации дисперсии. После такого расстояния требуется регенерация в электрическом каскаде вместо повторителя только в оптическом каскаде.
Предварительный усилитель (PA)
Только этот усилитель используется на терминале для сопряжения с DEMUX и линией для приема сигнала, поступающего от удаленной станции. Следовательно, ослабленный линейный сигнал усиливается до уровня от +3 дБм до 10 дБм перед входом в блок DEMUX.
Оптический канал наблюдения
Функция передачи дополнительных данных (2 Мбит / с: EOW, пользовательские данные и т. Д. Через интерфейс) на отдельной длине волны (1480 нм согласно Рекомендации ITU-T G-692) более низкого оптического уровня без каких-либо мер оптической безопасности, в сочетании с Независимо от основного оптического сигнала трафика STM-n, выполняется OSC. EOW (от 0,3 до 3,4 кГц) для селективного и омнибусного канала составляет 64 кбит / с в 8-битном коде PCM.
Оптический контрольный канал (OSC) помогает контролировать и контролировать устройства оптических линий, а также управлять локализацией неисправностей, конфигурацией, производительностью и безопасностью, осуществляемой с помощью LCT.