цйацйа. 1 Изучение пассивных компонентов ВОСП. Изучение пассивных компонентов волоконнооптических систем передачи (восп)
 Скачать 1.35 Mb.
|
1 2 Изучение пассивных компонентов волоконно- оптических систем передачи (ВОСП) Практическое занятие. Время изучения 2 часа Цель работы, порядок выполнения и содержание • Цель работы состоит в изучении основных конструкций, характеристик и применения ряда пассивных компонентов в технике волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) • Порядок выполнения: • необходимо изучить пассивные компоненты на предмет их устройства принципа действия и характеристик; • ответить письменно кратко и по существу на контрольные вопросы • решить задачи по варианту • составить отчёт с выводами по результатам изучения • В содержательной части работы предметом изучения являются: волоконные световоды; коннекторы; разветвители; мультиплексоры; фильтры; компенсаторы дисперсии; коммутаторы; кроссовое оборудование и т.д. Список литературы для самостоятельного изучения • Фокин В.Г. Когерентные оптические сети. [Текст] : учеб. пособие. СибГУТИ, 2015. - 370 с. • Фокин В.Г. Оптические мультиплексоры OADM/ROADM и коммутаторы PXC в мультисервисной транспортной сети. [Текст] : учеб. пособие. СибГУТИ, 2011. - 204 с. • Фокин В.Г. Волоконно-оптические системы передачи. [Текст] : учеб. пособие. СибГУТИ, 2009. - 314 с. • Фокин В.Г., Ибрагимов Р.З. Оптические системы с терабитными и петабитными скоростями передачи. [Текст]; учебное пособие, СибГУТИ, 2016. - 162с. • Говард Агравал. Волоконно-оптические системы передачи. Учебное пособие в 3-х частях. Перевод с английского. Веди, 2005, 2006, 2008. • Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи (2-е изд.) Учебное пособие. СПб.: Издательство "Лань", 2010. -261с. • Мальке Г., Гёссинг П. Волоконно-оптические кабели. Основы проектирования кабелей, планирование систем. Издание 2-е, Новосибирск. Из-во Лингва, 2001. -348с. • Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. –М.: Эко-Трендз, 2001. Содержание отчёта • 1. Название работы. Ф.И.О. исполнителя с подписью. Руководитель занятия. Дата выполнения. • 2. Цель занятия. • 3. Содержание занятия. • 4. Краткие ответы на контрольные вопросы. • 5. Решение задачи и выводы по результатам выполнения работы. Введение Пассивные оптические компоненты служат одной из основ для построения систем передачи и оптических сетей различного масштаба и применения. Они не нуждаются в электропитании. Пассивные компоненты выполняют функции проводников оптического излучения, генерированного лазерными источниками. При этом специальные компоненты (коннекторы) позволяют стыковать волоконные световоды, подключать их к оборудованию и измерительным приборам. Оптические мультиплексоры позволяют объединять и разделять оптические волны различной длины. Наборы ряда пассивных компонентов служат в качестве мультиплексоров для выделения и ввода оптических волн в промежуточных узлах связи, компенсируют дисперсионные искажения, меняют направления распространения волн и т.д. Ниже представлены краткие сведения по конструкциям, принципу действия и характеристикам ряда наиболее распространённых пассивных компонентов ВОСП. Пассивные оптические компоненты проходят стандартизацию, например, в рамках рекомендаций ITU-T. Важнейшими стандартами стали рекомендации серии G.650- 657, посвящённые волоконным световодам на основе кварца. Также стандартизированы оптические мультиплексоры выделения/ввода оптических волн (OADM) G.672, характеристики адаптивных компенсаторов хроматической дисперсии G.667, характеристики оптических компонентов G.671 и т.д. Для производства пассивных компонентов также используются стандарты, определённые в следующих международных организациях: EN (европейские стандарты, принятые рядом организаций ETSI, CEN, CENELIC), IEC (международная электротехническая комиссия), TIA, IEA (Telecommunications Industry Association, Electronic Industries Alliance). Масштабы волоконно-оптических сетей с применением пассивных компонентов Стандартные оптические волокна В технике оптических систем передачи в основном используются одномодовые оптические волокна (ООВ) с хорошо известными характеристиками, соответствующие международным стандартам ITU-T: G.652(a, b, c, d), G.653, G.654, G.655(a, b, c, d, e), G.656(a, b). G.652 – характеристики одномодового оптического волокна SMF (Single Mode Fiber) или NDSF (Non-Dispersion Shifted Fiber) и кабеля. G.653 – характеристики одномодового оптического волокна и кабеля со смещенной дисперсией ZDSF (Zero Dispersion Shifted Fiber). G.654 – характеристики одномодового оптического волокна и кабеля со смещенной длиной волны отсечки. G.655 – характеристики одномодового оптического волокна и кабеля с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF. G.656 – характеристики одномодового оптического волокна и кабеля с ненулевой дисперсией для широкополосных транспортных сетей (также NZDSF). Для всех одномодовых волокон определены волны отсечки. Минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду, называется длиной волны отсечки λ сс . Этот параметр характерен для одномодового волокна. Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. В этом случае появляется дополнительный источник дисперсии — межмодовая дисперсия, ведущий к уменьшению полосы пропускания волокна. Волокна стандарта G.657 предназначены для сетей доступа и отличаются возможностью иметь наименьший радиус изгиба, что важно при прокладке кабеля в помещениях. По другим характеристикам аналогичны волокнам G.652. Стандартные оптические волокна • Современные одномодовые ОВ имеют ограничивающие факторы для передачи оптических сигналов: коэффициент хроматической дисперсии порядка 2–3,5 пс/(нм × км) на длине волны 1310 нм и 17–18 пс/(нм × км) на длине волны 1310 нм; коэффициент поляризационной модовой дисперсии от 0,5 до 0,1 пс/√км ; коэффициент затухания – соответственно 0,32–0,38 дБ/км (1310 нм) и 0,17–0,25 дБ/км (1550 нм); длина волны отсечки около 1250 нм. К ограничивающему фактору относится различный размер модового пятна (диаметр поля моды) для различных волокон, т.к. на их стыке возможны большие потери оптической мощности информационных сигналов. Диаметр поля моды зависит от конструкции сердцевины волокна и длины волны оптического канала. В площади поля моды передаётся примерно до 90% энергии оптического сигнала. • Волокна G.652A находят сейчас самое широкое применение. Они предназначены для работы в составе оптического кабеля (ОК) на транспортных сетях связи для поддержки систем передачи SDH до STM-16 (2,5 Гбит/с), ограниченно STM-64 (10 Гбит/с) и STM-256 (40 Гбит/с) для внутристанционных соединений. Кроме того, относительно низкая стоимость позволяет их активно использовать для построения оптических сетей доступа, например, пассивных оптических сетях PON (Passive Optical Network) при скорости передачи до 2,5 Гбит/с, а также в локальных сетях для поддержки Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet для внутренних и кампусных (до 40 км) линий. • Волокна G.652B отличаются более низкими коэффициентами затухания и поляризационной дисперсии, что позволяет использовать их на транспортных сетях более высокоскоростных систем передачи – до STM-64, OTU-2 (10 Гбит/с) и STM-256, OTU-3 (40 Гбит/с) для внутристанционных и межсетевых интерфейсов. Также возможно использование в системах с WDM для передачи потоков до STM-64, OTU-2 (10 Гбит/с) при ограниченном числе несущих в диапазоне длин волн 1550 нм (диапазон C). • Волокна G.652C аналогичны виду G.652A, однако имеют подавленный водный пик на 1383 нм, благодаря чему их можно использовать, кроме всех указанных применений, еще и в диапазоне Е (1360–1460 нм). • Волокна G.652D подобны виду G.652В, но также имеют подавленный водный пик на 1383 нм и могут быть использованы в диапазоне Е (1360–1460 нм), а системы WDM – в расширенном диапазоне длин волн 1360–1565 нм (диапазоны E, S, C). Конструкция волокна Показатели преломления сердцевин различных волокон, определяющих дисперсионные характеристики и диаметр поля моды Типовые характеристики стандартного волокна G.652(a, b,c,d). Волокна с подавленным водяным пиком c, d. Характеристики для стандартизированных диапазонов волн (O, E, S, C, L, U). Красная линия – затухание. Синяя линия – хроматическая дисперсия. Стандартные диапазоны волн кварцевых волокон для организации оптических информационных каналов (O-L), непрерывного мониторинга волокон и служебной связи (U) • O –диапазон 1260-1360 нм Основной • E – диапазон 1360-1460 нм Расширенный • S – диапазон 1460-1530 нм Коротковолновый • C – диапазон 1530-1565 нм Стандартный • L – диапазон 1565-1625 нм Длинноволновый • U – диапазон 1625-1675 нм Сверхдлинноволновый • В характеристиках волокон диапазоны отличаются величиной затухания, дисперсии, наклоном характеристики дисперсии, шириной оптического спектра, возможным числом спектральных каналов Стандартные волокна G.653 • Максимум дальности и широкополосности обеспечивают волокна G.653. • Практика использования ОК с одномодовыми волокнами в 1980-х гг. показала не самые лучшие показатели работы во втором (1310 нм) и третьем (1550 нм) «окне прозрачности» (оптическом диапазоне). На длине волны 1310 нм ООВ имели минимальную дисперсию, а, следовательно, и максимальную пропускную способность, в то время как на длине волны 1550 нм – минимальный коэффициент затухания (около 0,15 дБ/км) и, как результат, максимальную длину регенерационного участка ВОЛС. Поэтому были разработаны волокна с более сложными профилями показателя преломления (треугольный, трапециевидный и др.), позволяющие сместить спектральную характеристику дисперсии таким образом, чтобы ее минимальное значение находилось в диапазоне 1550 нм. Используя подобные ООВ со смещенной дисперсией (DSF), можно было обеспечить максимальную широкополосность и дальность связи в одном «окне прозрачности». • Этот тип волокон был стандартизирован ITU-T впервые в 1988 г. Свое распространение они получили в основном на североамериканских магистральных сетях большой протяженности. В европейских странах, где нет особой потребности в таких масштабах, эти ООВ почти не применялись из-за явно более высокой стоимости вследствие сложности изготовления. • В последнее время, в связи с внедрением систем WDM, возникла проблема их использования с волокнами типа G.653. Оказалось, что при отсутствии дисперсии в диапазоне С практически невозможно достичь спектрального уплотнения из-за сильного влияния нелинейных эффектов. В какой-то степени выход был найден: системы WDM с неравномерным шагом несущих, не соответствующим стандартной сетке частот (рекомендация ITU-T G.692, G.694 и др.). • Современные одномодовые G.653 ОВ имеют обычно коэффициент хроматической дисперсии порядка 2...3,5 пс/(нм × км), а коэффициент затухания 0,19...0,25 дБ/км на длине волны 1550 нм. Несмотря на свою высокую стоимость, они продолжают оставаться хорошим средством построения участков сетей значительной протяженности для передачи больших объемов информации. • Волокна G.653A обычно находят свое применение на транспортных сетях связи на участках с большой протяженностью для поддержки систем передачи SDH до STM-64 (10 Гбит/с) и STM-256 (40 Гбит/с) для внутристанционных соединений. Также возможно их использование в системах с WDM для передачи потоков до STM-64 (10 Гбит/с) с неравномерным разносом несущих для работы в диапазоне длин волн вблизи значения 1550 нм (диапазон C). • Волокна G.653B аналогичны виду G.652A, однако, за счет уменьшенной поляризационной модовой дисперсии (ПМД), могут применяться и для систем SDH STM-256 (40 Гбит/с) для ВОЛС протяженностью более 400 км . Стандартные волокна G.653. Характеристики затухания и дисперсии Стандартные волокна G.654 • Через моря и океаны обеспечивают связь волокна G.654. • Появление этого типа волокон связано с прокладкой первых морских и трансокеанских ВОЛС в середине 1980-х гг. В таких линиях требовалось, в первую очередь, обеспечить очень большие длины регенерационных участков, т. е. минимизировать коэффициент затухания. Для этого в качестве сердцевины использовался не легированный оксидом германия кварц (как это делается в волокнах G.652), а чистый кварц. А необходимая разность показателей преломления сердцевины и оболочки обеспечивалась добавлением фтора в кварцевый материал оболочки ООВ. Характерно, что дисперсия при этом не минимизировалась в районе 1550 нм (как в волокнах G.653). Это связано с тем, что не было смысла применять на длинных линиях дорогостоящие волокна, да и потребности в передаче по океанским кабелям сверхскоростных потоков тоже особой не было. • Впервые ITU-T подготовил рекомендацию G.654 поэтому типу ООВ еще в 1988 г. Тогда она называлась «Характеристики одномодового оптического волокна и кабеля с затуханием, минимизированным на длине волны 1550 нм». • Еще одной особенностью волокон G.654 является смещение длины волны отсечки поближе к несущей 1550 нм, а именно на значении 1530 нм . Это обеспечивает более благоприятный электродинамический режим, при котором наибольшая часть передаваемой энергии сосредотачивается в сверхчистой кварцевой сердцевине. В названии рекомендации G.654 вместо минимизации затухания стала фигурировать смещенная длина волны отсечки CSF (Cut-off Shifted Fibre). • С началом внедрения систем со спектральным уплотнением оказалось, что волокна G.654 достаточно легко позволяют модернизировать системы с одной несущей до систем с WDM. Ведь в диапазоне 1550 нм они имеют достаточно большую дисперсию при малом наклоне кривой, и не очень опасаются нелинейных эффектов. Тем не менее, хроматическая дисперсия в ОК на таких волокнах великовата для передачи без ее компенсации потоков 10 Гбит/с и выше на отдельных несущих. Еще одним ограничением является невозможность использования в системах WDM на волокнах G.654 спектральных диапазонов O, E и S из-за слишком большой длины волны отсечки. • В настоящее время рассматриваемые одномодовые ОВ достаточно активно используются в океанских и морских (реже – протяженных наземных) ВОЛС, как с оптическими усилителями и регенераторами, так и без них, как с системами WDM (при небольшом количестве несущих), так и без них. Возможно, в перспективе для расширения возможностей WDM с волокнами этого типа будет задействован диапазон U (1625–1675 нм). • Современные одномодовые ОВ со смещенной длиной волны отсечки обычно имеют на длине волны 1550 нм коэффициент хроматической дисперсии порядка 18...20 пс/(нм × км) и коэффициент затухания 0,16...0,18 дБ/км. • Волокна G.654A находят применение, в первую очередь, в подводных ОК для передачи по морским и трансокеанским линиям потоков до STM-16 (2,5 Гбит/с) или до STM-64 (10 Гбит/с) с ограничением длины из-за хроматической дисперсии. Также они могут применяться в системах с WDM в диапазонах С и L. • Волокна G.654B имеют параметры, а, соответственно, и возможности применения, сходные с G.654A. Однако больший диаметр модового поля предполагает большие возможности использования их совместно с подводными оптическими усилителями. Кроме того, более жесткие требования к поляризационной дисперсии позволяют использовать эти волокна для передачи потоков STM-64 (10 Гбит/с) или STM-256 (40 Гбит/с) и на значительные расстояния, при условии компенсации хроматической дисперсии. • Волокна G.654C аналогичны виду G.654A, однако благодаря жестким требованиям к поляризационной дисперсии расширяют возможности своего использования для передачи потоков с большей скоростью (до 40 Гбит/с) и на большие расстояния, при условии компенсации хроматической дисперсии. Стандартные волокна G.654 нового поколения • Компания OFS (разработчик, производитель и поставщик инновационных продуктов для волоконно-оптических сетей) представила волокно типа TeraWave в современном, улучшенном исполнении, соответствующее рекомендации МСЭ-T G.654, разработанное для когерентной передачи на скоростях 100 Гбит/с и 400 Гбит/с и выше в наземных магистральных сетях связи. Волокно TeraWave позволяет передавать сигнал с большей скоростью и на более протяженные расстояния, с большим числом длин волн, без регенерации сигнала чем предшествовавшие разработки. Волокно TeraWave представляет собой сочетание большой эффективной площади передачи сигнала, улучшенных характеристик при упаковке волокон в кабель и снижение затухания. Эти преимущества улучшают параметры когерентной передачи, такие как высокую спектральную эффективность на скорости 100 Гбит/с и 400 Гбит/с, а за счет большей на 50 % эффективной площади по сравнению с G.652.D, волокно TeraWave значительно уменьшает нелинейные искажения для когерентной передачи, позволяя повысить вводимую мощность и увеличить оптическое отношение сигнал/шум (OSNR), что необходимо для современных форматов модуляции и больших дистанций без компенсации дисперсии Стандартные волокна G.655 • Внедрение систем плотного спектрального уплотнения (мультиплексирования) DWDM связано прежде всего с волокнами G.655. Использование нескольких несущих и, соответственно, увеличение плотности мощности в сердцевине волокна привело к проявлению при передаче нескольких нелинейных эффектов (четырехволновое смешение, перекрестная фазовая модуляция, рассеяние Рамана, рассеяние Бриллюэна и др., рассмотрены ниже). Самое заметное их воздействие возникает в ООВ при значениях дисперсии, близких к нулю. Поэтому были разработаны оптические волокна стандарта G.655, оптимизированные для работы в «окне прозрачности» 1550 нм в системах с WDM. На этой длине волны такие волокна имеют небольшую (для поддержки высокоскоростных приложений), но отличную от нуля хроматическую дисперсию. Причем знак коэффициента хроматической дисперсии не имеет особого значения . Реализовать конструкцию такого волокна – задача достаточно непростая. Используются сложные профили показателя преломления (треугольный на «пьедестале» с депрессированной оболочкой и др.). Сейчас лишь несколько ведущих производителей в мире стабильно выпускает волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF). Поэтому высокой остается и их стоимость. Однако возможность организации работы нескольких несущих по одному ООВ достаточно быстро окупает такие затраты. • В 1996 г. ITU-T впервые стандартизировал этот тип ОВ. К 2000 г. в пределах Рекомендации были выделены три различных вида волокон G.655 – G.655A, G.655B, G.655C, – отличающиеся коэффициентом хроматической дисперсии от 1 до 6 пс/(нм × км) и до 10 пс/(нм × км) и коэффициентом поляризационной дисперсии (в пределах 0,5–0,2 пс/км 0,5 ). Последняя версия Рекомендации G.655 определяет еще два вида волокон – G.655D и G.655E, которые имеют стандартную хроматическую дисперсию также в диапазонах S и L. • В последнее десятилетие тип волокна с ненулевой смещенной дисперсией очень активно используется в ОК при построении транспортных сетей различных уровней с системами спектрального уплотнения. Волокна NZDSF лучше всего подходят для работы систем плотного волнового мультиплексирования (DWDM) в диапазоне C (1530–1565 нм) с оптическими усилителями. Есть потенциал для увеличения числа несущих DWDM за счет диапазонов S и L, а также для работы систем CWDM во всем диапазоне 1460–1625 нм. • Практически все новые кабельные линии имеют в своем составе хотя бы несколько волокон типа G.655 для будущего развития. Стандартные волокна G.655, современные решения • Современные одномодовые ОВ имеют обычно в диапазоне С положительный или отрицательный коэффициент хроматической дисперсии порядка 1...10 пс/(нм × км), а также коэффициент затухания в среднем порядка 0,2...0,25 дБ/км (на 1550 нм). • Волокна стандарта G.655 разновидности А разработаны специально для оптических транспортных сетей типа МЕТРО со спектральным мультиплексированием на ограниченном числе волн (около 20) диапазона С (1530–1565 нм) с интервалом между каналами 200 ГГц и ограниченной нелинейными эффектами волокна вводимой совокупной мощностью сигналов. Скорости передачи в этих каналах 10 Гбит/с и 40 Гбит/с для систем передачи SDH уровня STM 64 и STM 256. • Волокна стандарта G.655 разновидности B имеют повышенный коэффициент поляризационной модовой дисперсии (ПМД = 0,5пс/км 0,5 ) и хроматической дисперсии (до 10 пс/нм × км на волне 1565 нм), определило ограничения на дальность передачи 400 км для STM 64/256 без использования процедур коррекции ошибок. При этом допускается большая вводимая мощность и более плотное расположение спектральных каналов (интервал между каналами 50 ГГц, 100 ГГц) в полосе С по причине повышенной дисперсии, которая снижает вероятность образования нелинейных помех. • Волокна стандарта G.655 разновидности С по своим характеристиками аналогичны волокнам G.655B, однако имеют пониженный коэффициент ПМД 0,2 пс/км 0,5 и позволяют увеличить дистанции для организации оптических каналов с потоками на скоростях STM64/256 до 500 км и более без дополнительной коррекции ошибок. • Разновидность волокна G.655D также предназначена для построения оптических транспортных сетей c DWDM, т. е. плотным спектральным мультиплексирование, но с расширенным спектром передачи в диапазоне волн 1460–1625 нм, характерным для волокон с устраненным «водяным пиком», включающем стандартные диапазоны S + C + L (165 нм). Такое спектральное расширение создает возможности по применению волокон с системами CWDM (до 8-ми каналов), где интервал между спектральными каналами составляет 20 нм ± 6–7 нм. • Для реализации большей плотности размещения спектральных каналов (интервал между каналами 12,5 ГГц, 25 ГГц, 50 ГГц) также были разработаны волокна разновидности G.655E, как усовершенствованные волокна G.655D, но с большей величиной наклона характеристики хроматической дисперсии. Стандартные волокна G.656, современные решения • Разработка волокон стандарта G.656 связана с перспективой создания оптических сетей, поддерживающих широкополосные оптические каналы на скорости 100 Гбит/с и суперканалы на скорости передачи до 1 Тбит/с. Волокна однозначно определены для режима DWDM с интервалами между волновыми каналами: 0,1 нм; 0,2 нм; 0,4 нм и 0,8 нм. Волокна схожи по характеристикам с волокнами G.655E, но отличаются меньшим диаметром поля моды (вместо 8–11 мкм, уменьшено до 7–11 мкм) и большей величиной положительной хроматической дисперсии в диапазонах S + C + L. Стандарт G.656 пока содержит только одну модификацию волокна, однако перспективным является расширения спектра передачи за счет диапазона E (1360–1460 нм). • Системы передачи DWDM наибольшее развитие получили после 2001 г. с принятием стандартов на оптические сети OTN/OTH (рек. ITU-T G.709). Работы по повышению эффективности использования ресурсов полосы пропускания волоконных световодов проводились по трем направлениям: расширение оптических диапазонов до предельных (O + E + S + C + L + U, 1260–1675 нм); уменьшение спектрального интервала между каналами от 100 ГГц до 12,5 ГГц; применения сложных форматов кодирования оптических сигналов для сокращения спектра сигнала в полосе передачи канала при наращивании скорости передачи информационных потоков и подавлении мощности оптической несущей для уменьшения непроизводительной передачи оптических сигналов до порога нелинейных эффектов в волокне. При этом решались задачи выравнивания затухания в пределах отдельных диапазонов (оптический эквалайзинг частотнозависимыми подстраиваемыми оптическими аттенюаторами), совершенствовались средства разделения и объединения оптических сигналов на различных частотах, динамической компенсации дисперсии в устройствах цифровой обработки, точной перестройки по длине волны и мощности излучения одномодовых лазеров, интерливинговых развязок для снижения взаимных влияний спектральных каналов и т. д. В таких решения наиболее подходящими оказались волокна G.656. Современные волокна G.656 в расширенном диапазоне S–C–L обычно имеют положительный коэффициент хроматической дисперсии порядка 1...14 пс/(нм × км), а также коэффициентзатухания порядка 0,2...0,25 дБ/км (диапазонС) и 0,25...0,3 дБ/км (в диапазонахS и L). Характеристики дисперсии наиболее распространённых стандартных оптических волокон и волокна для компенсации хроматической дисперсии Перспективное решение для волокон – многосердцевинное построение (MCF, multicore fiber), позволяет уменьшить объём оптического кабеля на участках высокой концентрации волокон Оптические коннекторы (разъёмные соединители) • Оптические разъёмные соединители используются в аппаратуре для подключения волоконно-оптических линий и другого оптического оборудования. Номенклатура стандартных соединителей достаточно велика, но наиболее широкое распространение получили соединители SC, ST и FC (рис. ниже). • Корпусные детали коннекторов ST и FC изготовлены из никелированной латуни, а SC – из латуни и пластмассы. Материал хвостовиков и заглушек – цветной пластикат. Коннекторы имеют керамические наконечники диаметром 2,5 мм, обеспечивающие физический контакт при соединении через проходную розетку и вносимые потери менее 0,2 дБ. Многомодовые (ММ), одномодовые (SM) с прямым торцом (UPC) и одномодовые со скошенным торцом (АРС с зелёным цветом оболочки) коннекторы комплектуются хвостовиками разного цвета. Оконцевание производится по технологии эпоксидной вклейки. Двойное кримпирование (за кевларовые нити и за оболочку кабеля) повышает надежность и долговечность шнуров. • Коннектор ST рекомендуется использовать в первую очередь для многомодовых применений. Наконечник коннектора не связан с корпусом и оболочкой кабеля, что делает конструкцию проще, надежней и дешевле. В то же время такая конструкция полностью удовлетворяет многомодовому применению. Моноблочная конструкция ST коннектора разработана для быстрого оконцевания. Корпус из никелированной латуни, изготовленный токарным способом, наилучшим образом отвечает байонетному соединению. • Коннектор FC рекомендуется в первую очередь для одномодовых применений в системах дальней связи и специализированных системах, а также в системах кабельного телевидения. Соединение шнуров (до 5 метров), оконцованных коннекторами FC/PC, через стандартную соединительную розетку характеризуется высокой надежностью, стойкостью к вибрации и одиночным ударам до 1000 g, т.к. наконечник коннектора развязан с корпусом и оболочкой кабеля. Коннекторами оснащают станционные соединительные кабели длиной до нескольких десятков метров. • Примеры обозначений: • FC-SM-125 – одномодовый коннектор FC для волокна в 3-мм кабеле (моноблочная конструкция) с диаметром отверстия наконечника 125 мкм. • FC(S)-SM-126 – одномодовый компактный коннектор FC(S) для волокна в 900 мкм буферной оболочке, с диаметром отверстия 126 мкм. • SC-d-MM-127-900 – многомодовый дуплексный коннектор для волокна в 900 мкм буферной оболочке, с диаметром отверстия наконечника 127 мкм. • Коннектор SC рекомендуется для многомодовых и одномодовых применений. Он имеет полимерный корпус типа push-pull. Наконечник коннектора развязан с корпусом и оболочкой кабеля. Моноблочная конструкция обеспечивает быстрое оконцевание. Дуплексный коннектор SC представляет собой два обычных коннектора SC, объединенных между собой специальным полимерным зажимом. Оптические коннекторы. Конструкции стыковочных узлов: прямой и угловой контакты Соединительные розетки и адаптеры • Соединительные розетки (рис. ниже, справа соединительная розетка для разных типов коннекторов) обеспечивают физический контакт соединяемых коннекторов. Материал корпуса розетки ST и FC – никелированная латунь, SC – пластик. Розетки для многомодовых применений содержат бронзовый разрезной центратор, розетки для одномодовых применений – керамический центратор. Вносимые потери на соединение стандартных шнуров: одномодовые – 0,2 ¸ 0,3 дБ, многомодовые – 0,05 ¸ 0,2 дБ. • Соединительные розетки SC могут быть спаренными. Переходные розетки (рис.3.3) используются для соединения шнуров различных стандартов, для сопряжения аппаратуры различных производителей. Адаптеры различаются своим назначением. • Адаптеры для обнаженного волокна – это устройства для оперативного временного оконцевания одномодового или многомодового волокна в буферном покрытии диаметром 900 мкм. Адаптеры используются при ремонте и оптических измерениях. Адаптеры для обнаженного волокна состоят из коннектора определенного типа (FC,ST,SC) и специализированного зажимного устройства, которое может удерживать волокно в буферном покрытии. Типовые потери 0,4 ¸ 0,8 дБ. • Адаптеры типа FM используются в измерительной аппаратуре. Они подключаются к оптическому входу прибора и защищают приборы от риска повреждения излучателей и фотоприемников при многократных включениях. FM адаптеры представляют собой комбинацию розетки и коннектора. В коннекторную часть вклеен отрезок волокна. Типовые потери 0,4 ¸ 0,8 дБ. Аттенюаторы • Оптические аттенюаторы применяются с целью уменьшения мощности оптического сигнала. Существует несколько разновидностей аттенюаторов. • Переменные аттенюаторы – розетки (рис. ниже слева) имеют присоединительные размеры стандартных проходных розеток типа ST и FC и взаимозаменяемы с ними. Аттенюаторы допускают плавную регулировку величины затухания за счет изменения воздушного зазора. Точность установки 0,5 дБ. Диапазон плавной регулировки ST и FC: 0 ¸ 15 дБ для многомодового применения, 0 ¸ 20 дБ для одномодового применения. Переменный аттенюатор FC/APC разработан на базе стандартного аттенюатора FC и отличается более высокой точностью установки и большей величиной затухания (0 ¸ 30 дБ). Фиксированные аттенюаторы-розетки (рис. ниже, справа) имеют присоединительные размеры и внешний вид стандартных проходных розеток ST, FC. Затухание определяется калиброванным воздушным зазором. Типовые значения затуханий: 5, 10, 15, 20, 25, 30 дБ. • Аттенюаторы – FM адаптеры используются в измерительной и телекоммуникационной аппаратуре для оперативного снижения уровня сигнала. Типовые значения затуханий: 5, 10, 15, 20 дБ. • Переменные аттенюаторы – FM адаптеры имеют внешний вид стандартных FM адаптеров, однако, отличаются наличием регулировочной гайки и стопорного кольца. Регулировка затухания осуществляется за счет воздушного зазора. Используются в качестве подстроечных устройств. Величина затухания 0-20 дБ. Точность установки 0,5 дБ. Оптические кроссы • Оптические кроссы используются для коммутации многоволоконного оптического кабеля, соединительных шнуров и электронного оборудования. Оптические кроссы делятся на настенные, стоечные и поддонные (рэковые). Корпус кросса представляет собой коробку или шкаф. На оптическом кроссе заканчивается линейный оптический кабель, волокна которого привариваются к отрезкам волокон с коннекторами (пигтейлы). Через розетки к ним подключают станционные оптические кабели или короткие шнуры до аппаратуры. • Настенные кроссы (справа на рис.) различаются числом розеточных портов: 8, 12, 16, 32. В розеточные порты вставляются розетки FC, ST, SC или дуплексные розетки SC. • Стоечные кроссы различаются способом установки (к стене или в ряд с оборудованием) и числом розеток (до 80). • Кроссы в виде поддонов (называемые рэковыми, рис. слева) имеют три варианта исполнения – 1U, 2U, 3U – и рассчитаны на 16, 32 и 48 розеток. Эти кроссы лучше защищены от пыли. Стоечное оптическое кроссовое оборудование Оптические разветвители (сплиттеры) • Оптический разветвитель (splitter) представляет собой многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами. Выполняются по двум технологиям: планарной и сплавной (рис. ниже) • Различают следующие виды разветвителей: однонаправленные, двунаправленные, чувствительные к длине волны (частотнозависимые) и нечувствительные к длине волны (частотнонезависимые). В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать на прием и на передачу или осуществляет прием и передачу одновременно. • Частотнонезависимые разветвители подразделяются на звездообразные, древовидные и ответвители. • Звездообразные разветвители обычно имеют одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал приходит на один из n входов и в равной степени распределяется между n выходными полюсами. Большое распространение получили разветвители 2´2 и 4´4. Распределение мощности происходит равномерно. • Древовидные разветвители расщепляют входной оптический сигнал на несколько выходных, или наоборот, объединяют несколько сигналов в один выходной. Распределение мощности от одного входа к n выходам равномерное. Нашли применение разветвители от 2 до 32 и более выходов в пассивных оптических сетях PON (рис. ниже). • Ответвитель отличается неравномерным распределением мощности от одного входа к n выходам. • Частотнозависимые разветвители могут использоваться в качестве устройств многоволнового мультиплексирования WDM. С их помощью можно объединять и разделять сигналы различных длин волн. Оптические разветвители. Пример использования в пассивной оптической сети доступа Оптические изоляторы • Оптический изолятор обеспечивает пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом направлении – с большим затуханием. В основе работы оптического изолятора лежит эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации света оптически неактивными веществами под действием продольного магнитного поля. Принцип действия отражает рис. ниже. • Прямой луч света благодаря поляризатору имеет вертикальную поляризацию. Отраженный луч после обратного прохождения через ячейку Фарадея получает горизонтальную поляризацию. По этой причине он не пройдет через поляризатор к источнику прямого луча. • Максимальная изоляция может составить 16 ¸ 36 дБ. Вносимые потери для прямого луча не превышают 1,5 дБ. Оптические фильтры, мультиплексоры и демультиплексоры • Оптическая фильтрация обеспечивается различными устройствами мультиплексирования/демультиплексирования: волоконно-оптическими дифракционными решетками Брэгга, тонкопленочными диэлектрическими интерференционными фильтрами, фазированными волноводными решетками, резонаторами Фабри-Перо FP и т.д. • Волоконно-оптические дифракционные решетки Брэгга представляют собой отрезок стекловолокна, в сердцевине которого изготовлена дифракционная решетка Брэгга, работающая как спектральный фильтр (рис. ниже). Такие устройства легко сращиваются с другими волоконно- оптическими компонентами, характеризуются малыми вносимыми потерями. Однако волоконно- оптические решетки являются двухпортовыми устройствами и на практике должны объединяться с оптическими циркуляторами и ответвителями, что приводит к дополнительным потерям. На основе решеток Брэгга строятся оптические мультиплексоры вывода/ввода OADM. Такие устройства обеспечивают межканальный интервал 100 ГГц при переходных помехах не хуже – 25 дБ и интервал 50 ГГц при помехах не хуже – 20 дБ. Потери мощности выводимых сигналов не более 2 дБ. Общие потери мощности при прохождении сигналов через устройство не более 3,5 дБ. Брэгговские решетки подвержены влияниям температуры (10 рм/С°) и поэтому они упаковываются в термостабильные блоки. Оптические фильтры, мультиплексоры и демультиплексоры • Тонкопленочные диэлектрические интерференционные фильтры принято считать одним из перспективных путей реализации фильтрации в оптических системах. Эти фильтры представляют собой набор пластин с многослойным покрытием выполненных из разных материалов (селенида цинка, сульфида цинка, криолита). Такие устройства могут иметь полосу пропускания 30…100 нм при прямых потерях 0,5…1 дБ и переходном затухании между каналами до 40 дБ. Толщина каждого слоя составляет от 0,025 до 0,5 l. Они были первыми стандартизированы в промышленности и применяются в системах передачи с 80-х годов и обеспечивают разделение (объединение) от 2 до 4 длин волн с интервалами между каналами не менее 20 нм (рис. ниже слева). Принцип действия фильтра основан на многократном отражении от различных по показателям преломления слоев пленок. Эти отражения обеспечивают синфазное сложение волн одной длины и противофазное другой волны. • Однако, ряд работ, проведенных Американской оптической ассоциацией, показали возможность уменьшения межканального расстояния до 0,8 нм (100 ГГц). Однако сборные тонкопленочные фильтры чувствительны к температуре и влажности. Другой пример построения мультиплексоров/демультиплексоров на тонких пленках приведен на рис. ниже справа. Эта схема обеспечивает разделение волн 1280, 1300, 1320, 1340 нм в системах CWDM. Потери энергии составляют 5 дБ в канале, а переходные помехи составляют не более – 19 дБм. • Известен метод изготовления пленок методом напыления, который позволил достигнуть термостабильности 0,5 пм/С°, что исключает необходимость термостабилизации. При этом возможно использование этих фильтров для создания каналов с интервалом 0,8 нм (100 ГГц). Оптические фильтры, мультиплексоры и демультиплексоры • Фазированные волноводные решетки получили широкое применение в системах DWDM в качестве мультиплексоров и демультиплексоров благодаря высокой точности настройки и интегральному исполнению. В технической документации и различной научно-технической литературе их обозначают AWG (Arrayed Waveguide Gratings). На рис. ниже слева представлена конструкция AWG. В конструкции AWG используется волноводный массив, который выполняется из отрезков волоконных световодов разной длины или в виде планарных волноводов на подложке . В состав конструкции входят пластины облучения массива волноводов и разделения волн в пространстве. • Принцип действия состоит в следующем (аналогично рис. ниже справа). Входное многоволновое излучение в первой пластине возбуждает фазированные волноводные каналы решетки. После прохождения по этим волноводам волны интерферируют во второй пластине в соответствующих точках фокуса. Положение точек фокуса зависит от длины волны сигнала и разности пробега волн в волноводах DL/l. Поскольку положение точек фокуса зависит от длины волны, то волны l 1 , l 2 , …, l i входного сигнала появятся на выходе в определенных выходных волноводах. Это свойство используется в демультиплексоре и мультиплексоре. • Мультиплексоры AWG чувствительны к температуре, поэтому их выпускают термостатированными на 16, 32 и более волновых каналов. • Типовыми характеристиками AWG являются: • точность настройки каналов 50,100 ГГц; • число каналов в заданном диапазоне волн (16, 32 и более в диапазоне 1545…1560нм); • полоса пропускания канала 0,35нм; • изоляция каналов более 25дБ; • условия применения в оптических мультиплексорах или демультиплексорах. Оптические циркуляторы • Оптические циркуляторы строятся на основе эффекта Фарадея. При этом циркулятор имеет 3 или 4 порта (рис. ниже слева) и выполнены волоконно-оптическими устройствами. • Распределение излучения между портами определяется направлением распространения. В трех портовом циркуляторе излучение, входящее в порт 1, не проходит к порту 2; излучение, введенное в порт 3, не проходит в порт 1. Аналогично работает 4-х портовый циркулятор. • Вносимые потери циркулятора – около 1,2 дБ, гарантированная изоляция портов – более 40 дБ. • Пример применения для разделения передачи и приёма в системе на одной волне на рис. справа. Компенсаторы дисперсии на основе решетки Брэгга Дисперсия выступает фактором ограничения скорости передачи оптических импульсных сигналов в одномодовом стекловолокне. Особенно заметно это ограничение на скоростях 10 Гбит/с и выше. Например, при скорости 2,5 Гбит/с сигнал может быть передан на расстояние до 1000 км без видимых искажений на длине волны 1,3 мкм в стандартном волокне G.652. Уже при скорости 10 Гбит/с дальность передачи не превысит 60 км в этом же волокне, а при скорости в 20 Гбит/с она будет только 15 км. Управление дисперсией является важной частью проектирования линейных трактов. При этом необходимо уменьшить влияние как хроматической, так и поляризационной модовой дисперсии. При построении компенсаторов дисперсии используются методы создания волокон, компенсирующих дисперсию, и дифракционные решетки, например, интегральные и волоконные решетки Брэгга с линейно изменяющейся постоянной решетки. Пример использования волоконной решетки Брэгга в компенсаторе дисперсии приведен на рис. ниже. Такие компенсаторы имеют эквивалентную длину волокна для компенсации от 20 до 100 км, максимальную компенсируемую дисперсию -1680±50пс/нм, вносимое затухание от 3 дБ до 4,5 дБ. Компенсаторы дисперсии на основе волокна Волоконные компенсаторы хроматической дисперсии выполняются из волокон с противоположной дисперсией, т.е. для волокна с дисперсией D+ (на заданной волне или в диапазоне волн) предлагается использовать отрезок волокна с дисперсией D-. При этом отрезок волокна с D- по длине существенно меньше линейного волокна с D+. Волокна для компенсации дисперсии укладывают как в линейный кабель (рис. слева) так и в небольшие катушки, легко размещаемые в поддонах аппаратуры или в виде модулей аппаратуры ВОСП (рис. справа). Отрезки волокон с D- соответствуют длинам компенсации 20, 40,…..100 км. Вносимые дополнительные потери могут составить до 9 дБ. Кроме того, использование электронной цифровой обработки сигнала на приёмной стороне позволяет компенсировать дисперсионные искажения на дистанциях до 4 - 6 тыс. км, что делает линейный тракт более однородным и сокращает мощность нелинейных помех в волоконных световодах благодаря более равномерному распределению мощности оптических сигналов по длине линии. Оптические коммутаторы и маршрутизаторы Оптическая коммутация и маршрутизация могут быть реализованы на основе различных технологий: электромеханические оптические коммутаторы; электрооптические; термооптические; оптоэлектронные с полупроводниковыми усилителями света; интегральные активные волноводные; на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах; на интегральных схемах с набором матриц оптоэлектронных вентилей, связанных оптическим лучом; на основе фотонных кристаллов и др. Указанные технологии позволяют создавать большое разнообразие коммутаторов. Определенные конфигурации коммутаторов могут обеспечить оптическую маршрутизацию а оптическом узле. Оптические коммутаторы и маршрутизаторы в качестве единичного элемента содержат коммутирующие ячейки 2 ´ 2 (КЯ) (рис. слева). Многокаскадные коммутирующие среды могут строиться с блокированием и без блокирования внутренних соединений. Одно из основных устройств коммутации в оптических телекоммуникациях - механические оптические коммутаторы, выполненные в виде микрозеркал микроэлектромеханической системы MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems). Такие системы строятся чаще как поворотные или подъемные в магнитном поле зеркала. При этом переключение в пространстве может быть двухмерным и трехмерным. В трехмерном переключении число направлений неограниченно. Пример коммутационного элемента – зеркала, которое может находиться в вертикальном или горизонтальном положении приведен на рис. справа. Отражающее зеркало имеет диаметр около 500 мкм. Время изменения состояния не более 5 мс (горизонтально или вертикально). Вносимые потери мощности не более 1,5 дБ. Управление зеркалом обеспечивается через магнитное поле микроэлектромагнита. При включенном электромагните зеркало находится в горизонтальном положении. На основе управляемых микрозеркал создаются кроссовые коммутационные матрицы 256х256, 1024х1024 и т.д., рассчитанных на диапазон волн 1280…1675 нм. Пример матрицы оптической коммутации 4х4 на основе микрозеркал показан на рис. далее. Также на базовых конструкций PLC могут быть реализованы различные конфигурации ячеек коммутации типа 2×2. Оптические коммутаторы и маршрутизаторы на основе MEMS и PLC технологий Оптические мультиплексоры OADM • Одним из важнейших узлов, который относится к разряду ключевых в оптических транспортных сетях и сетях доступа, принято считать оптический мультиплексор выделения/ввода OADM (Optical Add-Drop Multiplexers). С его помощью в многоволновой сети возможен доступ к отдельным волновым каналам. Реализация этого возможна на основе волоконных Брэгговских решеток, настроенных на фиксированные волны, на основе волноводных решеток типа AWG и т.д. На рис. представлена упрощенная схема OADM на фиксированные волны. Устройство является полностью пассивным и не нуждается в электропитании, за исключением того случая, когда требуется вести непрерывный мониторинг за оптическими каналами. Тогда используются фотодиоды и схема контроллера. • Упрощение связано с обозначением только одного направления передачи (слева направо). С помощью управляемых оптических ключей возможен доступ к отдельным волнам (в примере это 4 волны). Ключи могут иметь электромеханическое (микрозеркала) или электрооптическое управление коммутацией. Управляемые аттенюаторы позволяют выравнивать уровень мощности оптических каналов. С помощью разветвителей и фотодетекторов создана возможность выполнения контроля мощности каждого канала. • В приведенном примере OADM показано: разделение волн l 1 …l 4 в демультиплексоре; вывод волн l 1 и l 4 и введение на их место и с другим трафиком; ответвление части мощности l 3 (функция «вещания») и пропуск без доступа волны l 2 . Этот пример отражает фиксированную схему OADM. Для повышения гибкости сетевого элемента в оптической сети необходимо иметь возможность селекции волн с перестройкой, группирование волн, изменение длины волны передачи и т.д. Интерливинговые фильтры Следующая разновидность пассивных оптических мультиплексоров/демультиплексоров представлена интерливинговыми фильтрами, позволяющими расширить возможности оптического мультиплексирования при необходимости частого доступа к общему групповому спектру каналов оптической сети. Принцип действия этих фильтров демонстрируется на рис. Отдельно объединяемые спектральные каналы (λ 1 , λ 3 , λ 5 … и λ 2 , λ 4 , λ 6 …), имеющие определенный частотный разнос (50 ГГц, 100 ГГц, 200 ГГц и т. д.), в двух мультиплексорах (MUX1, MUX2) далее объединяются перемежением (Multipexing) и передаются в общей оптической линии. На противоположной стороне интерливинговым фильтром (Demultiplexing) каналы разделяются также с чередованием. Интерливинговые фильтры. Примеры построения схем разделения оптических каналов: 50/100 и 50/200 Интерливинговые фильтры Известны несколько технологий для реализации фильтров с чередованием спектральных каналов: разновидность интерферометра на четырех зеркалах с двойным преломлением – Birefringent Gires-Tournois (BGT) interferometer-type; разновидность интерферометра с двойным преломлением на кристаллической основе – Bulk Birefrigent Crystal-type; интерферометр на основе отрезков волоконных световодов – fiber-type; интерферометров Маха-Зендера (MZ) на основе Planar Lightwave Circuit (PLC); интерферометры с кольцевыми резонаторами – ring resonators (рис. слева) Наилучшие показатели для реализации имеют интерферометрические фильтры типа PLC MZ, для которых характерны малые габариты, интегрируемость, низкие переходные помехи между каналами, минимальная вносимая дисперсия, технологичность производства. Пример схемы построения разделителя с перемежением каналов типа 1×4 на основе каскадно включаемых MZ представлен на рис. справа, где неравноплечие интерферометры с разветвителями имеют различные геометрические размеры для настройки на необходимые спектральные каналы. Контрольные вопросы • 1 2 |