Структура оптических мультиплексоров
 Скачать 278.92 Kb.
|
|
СТРУКТУРА ОПТИЧЕСКИХ МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ Оптический мультиплексордемультиплексор или просто мультиплексор (OADM, Optical Add/Drop Multiplexer) – это устройст во, на входе и выходе которого – по n волокон, и каждое из них пе редает по m оптически мультиплексированных каналов. В состав со временных OADM входят: электронный мультиплексордемультип лексор вводавывода (ADM), оптические демультиплексор (divider) и мультиплексор (или комбайнер – combiner) [1] (рис. 1). Для увели чения мощности в устройство включают оптический предусилитель на входе и мощный оптический усилитель – на выходе. Электронный мультиплексор выполняет функции ввода/вывода трибов (SDH, PDH, SONET), компонентных сигналов (АТМ) и потоков. Оптический демультиплексор • выделяет транзитный поток из нескольких несущих и передает его непосредственно на оптический мультиплексор; • выделяет оптические несущие (обычно по одной с каждого волок на) для передачи зарезервировавшим их пользователям, имею щим оптические интерфейсы к оптоволоконным каналам; • выделяет оптические несущие и передает их на электронный мультиплексор для оптоэлектронного преобразования и электрон ного демультиплексирования каналов (трибов или компонентных сигналов), зарезервированных пользователями. Оптический мультиплексор формирует выходной поток, объеди няя транзитный поток от демультиплексора (оптические несущие) с оптическими потоками от электронного демультиплексора и с пря мыми оптическими каналами от пользователей. На рис. 1 показан OADM, принимающий восемь несущих, из ко торых четыре передаются транзитным потоком с входа на выход, две выводятся через оптические интерфейсы пользователям, а две дру гие преобразуются в электрические, демультиплексируются до три бов нужного уровня с помощью ADM и выводятся через его электри ческие интерфейсы пользователям. Аналогично формируется и мультиплексированный поток. Однако у современных мультиплексоров (первого поколения) есть ряд недостатков. Так, число оптических несущих, которое можно вве стивывести в OADM, ограничено изза сложности устройств оптиче ского вводавывода. В работе [2] показано, что число таких несущих составляет для разных систем от 1/10 до 1/4 от общего числа опти ческих каналов (вводимых/выводимых и транзитных). Причины этого в основном экономические: для вывода оптических несущих исполь зуются модули оптических фильтров, для ввода – пассивные WDM модули, стоимость которых 1000–2000 долл. на несущую. Возмож ность реконфигурации несущих практически удваивает эту цену [3]. Поскольку модули оптических фильтров реализованы аппаратно, они не перестраиваемые. Изза этого OADM работают на фиксиро ванных частотах, и их нельзя динамически реконфигурировать. В большинстве случаев OADM не могут конвертировать длины волн входных несущих. А проблемы с фильтрацией оптических несущих ограничивают скорость обмена в системах WDM на уровне STM16 (2,5 Гбит/с). Перечисленные недостатки постепенно преодолеваются, в пер вую очередь благодаря появившейся возможности конвертации длин волн входных несущих [4]. Оптические конверторы и перестраивае ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/2001 В синхронных цифровых сетях передачи данных важнейшую роль играют мульти плексоры/демультиплексоры. С развити ем оптических технологий передачи все более востребованными становятся опти ческие мультиплексоры/демультиплек соры. Однако их структура достаточно сложна, поскольку они неизбежно долж ны реализовывать свои функции как на оптическом, так и на электрическом уровне. Но развитие современных техно логий позволяет надеяться, что в недале ком будущем появятся оптические сети передачи данных без промежуточных электронных преобразований. О совре менных подходах к созданию оптических мультиплексоров рассказывает предла гаемая публикация, продолжающая се рию статей об элементах и технологиях оптических сетей. 40 О П Т О Э Л Е К Т Р О Н И К А Н. Слепов Рис. 1. Оптический мультиплексор ввода%вывода первого поколения ОПТИЧЕСКИЕ МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ ВВОДАВЫВОДА ОПТИЧЕСКИЕ МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ ВВОДАВЫВОДА мые лазерные источники позволяют реконфигурировать оптические каналы. Но сложнее всего оказалось создать оптический кросском мутатор, который сделал бы OADM таким же гибким и полнофункци ональным, как и ADM. Однако предположив, что названные недостатки преодолены, можно представить структурную схему оптического мультиплексора второго поколения (рис. 2). Она отличается не только увеличенным числом мультиплексированных каналов (128–256 против 8–32) и бо лее высокими скоростями передачи (10–40 Гбит/с). В составе ново го мультиплексора – полноразмерный неблокируемый оптический кросскоммутатор и управляемый блок волновых конверторов. Эти устройства позволят ввестивывести сколько угодно оптических не сущих, а при необходимости – их динамически реконфигурировать и перемаршрутизировать. Такой мультиплексор не только позволит увеличить емкость систем передачи до нового, терабитного уровня (1,28–10 Тбит/с), но и сделает реальными полностью оптические сети – конечную цель развития оптоволоконных сетей связи. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВВОДА%ВЫВОДА НЕСУЩИХ Динамическая реконфигурация оптических WDMсистем, т.е. дистан ционное изменение числа оптических каналов, – мощное средство оптимизации производительности сети, наделяющее ее операцион ной гибкостью. В ее основе – оптические технологии вводавывода несущих с разделением по длине волны в промежуточных узлах се ти. Сегодня по крайней мере пять технологий реализуют вводвывод оптических несущих [3]: • фильтры на основе оптоволоконных дифракционных решеток Брэгга; • фильтры на основе интерферометра ФабриПеро; • интерференционные фильтры на тонких пленках; • поляризационные фильтры на жидких кристаллах; • акустооптические перестраиваемые фильтры. Однако к этим фильтрам предъявляются достаточно высокие тре бования. Так, они должны иметь малые вносимые потери, чтобы не использовать оптические усилителикомпенсаторы. Потери фильтра не должны зависеть от поляризации входного сигнала, чтобы при ее изменении не менялась выходная мощность. Полоса пропускания фильтра не должна зависеть от температуры (в рабочем диапазоне температур). Амплитудноволновая характеристика (АВХ) фильтра должна быть максимально плоской в рабочем интервале длин волн, с большой крутизной спада в переходной полосе, чтобы допускать каскадирование фильтров в системах WDM без потери плоскостнос ти и минимизировать влияние переходного затухания соседних кана лов. Сами фильтры должны быть высокотехнологичными и недороги ми в расчете на одну несущую. ФИЛЬТРЫ НА ОСНОВЕ ОПТОВОЛОКОННЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК БРЭГГА Оптоволоконная дифракционная решетка Брэгга отличается от обычной дифракционной решетки тем, что периодическое измене ние показателя преломления, необходимое для создания собствен но структуры решетки, осуществляется в сердцевине оптического волокна путем облучения его отрезка ультрафиолетовым источни ком света через специальную маску (структуру с периодически из меняющимся коэффициентом пропускания). Принцип действия такой решетки в следующем. При распрост ранении двух волн (с постоянными распространения β 1 и β 2 ) в од ном направлении перекачка энергии одной волны в другую (возник новение дифракционного максимума) происходит, если выполня ются условия совпадения фаз БрэггаВульфа (БВ) [5]: |β 1 – β 2 | = 2π/ a , (1) где а – постоянная решетки. Если вторая волна – это отраженная от решетки первая, то β 2 = –β 1 , а тогда β 1 = 2π⋅ n эфф / λ 1 , и условие БВ (1) примет вид λ 1 = λ Б = 2⋅ n эфф ⋅а. Волна λ Б носит название волны Брэгга. Она соответствует центральной частоте главного лепестка спектральной характерис тики света, отражаемого решеткой Брэгга. Спектр симметричен от носительно волны Брэгга, а его боковые лепестки затухают доста точно слабо. Разница амплитуд главного и первых боковых лепест ков не более 10 дБ, а ширина главного лепестка в единицах норми рованной расстройки ∆λ/ a =1,8. Амплитуды боковых лепестков су щественно уменьшаются с помощью специальной технологии "от секания пъедестала" отраженного спектра. Для этого применяют неоднородную решетку Брэгга, период которой изменяется на дли не решетки: в центре он больше, на краях – меньше. В результате разница амплитуд увеличивается до 30 дБ, однако ширина главно го лепестка возрастает c 1,8 до 3. Модуль вводавывода на основе фильтра на решетке Брэгга (рис. 3) состоит из двух циркуляторов с оптоволоконной решеткой Брэгга между ними. Входной циркулятор играет роль фильтра вы вода несущей, а выходной работает как мультиплексор ввода несу щей. В принципе он может быть заменен модулем мультиплексора WDM с двумя входами на основе стандартного разветвителя. На рис. 4 показана схема модуля для вводавывода четырех не сущих на основе решеток Брэгга с циркулятором и разветвителем для вывода несущих и комбайнера с разветвителем на два входа для ввода несущих. Недостаток этого типа фильтров – в том, что решетка Брэгга рассчитывается на определенную длину волны и не может перест раиваться. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/2001 41 Рис. 2. Оптический мультиплексор ввода%вывода второго поколения Рис. 3. Модуль ввода%вывода несущих на основе решетки Брэгга ФИЛЬТРЫ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАТОРА ФАБРИ%ПЕРО Основной элемент фильтра – резонатор ФабриПеро. Он составлен из двух плоскопараллельных зеркал с высокой отражающей способ ностью внутренних поверхностей. Такой фильтр часто применяют в оптике, а его принципы использованы в интерференционных филь трах на тонких пленках. Пусть расстояние между зеркалами равно L и входной луч пада ет нормально к плоскости левого зеркала (рис. 5), попадает внутрь полости резонатора, частично проходит через правое зеркало, а ча стично отражается от него. Отраженный луч вновь отражается от левого зеркала, и процесс многократно повторяется. Если L кратно λ/2, то все лучи, проходящие через правое зеркало, сколько раз бы они ни отражались, оказываются в фазе. Такие длины волн λ назы ваются резонансными. Передаточная функция такого фильтра T FP ( f) – это периодичес кая функция частоты f (рис. 6) [5]: T FP ( f) = [1–A/(1–R)] 2 /[1+{2√ — R ⋅sin(2π⋅f τ)/(1–R)} 2 ], (2) где A – потери на поглощение света зеркалом, R – отражательная способность поверхности зеркал, τ – задержка распространения света через резонаторную полость. Полосы пропускания фильтра повторяются на частотах, удовле творяющих соотношению f τ = k/2 (k – целое положительное чис ло). Крутизна спада АВХ фильтра в переходной полосе тем больше, чем выше R. Характеристика фильтра ФабриПеро (ФП) (см. рис. 6) имеет вид гребенки, что может быть нежелательно при использова нии его в системах с WDM, если только все несущие не лежат в так называемом свободном спектральном диапазоне (FSR), равном расстоянию между центрами соседних полос пропускания. Оценку числа несущих F в этом диапазоне дает отношение F= FSR/FWHM, где FWHM – ширина полосы фильтра ФП на уровне по ловины от максимума. Используя (2), получим F=π⋅√ — R/(1–R) [5]. Если R меняется в диапазоне 0,9–0,99, то F принимает значения от 29 до 312. Однако эта оценка еще должна быть связана с частот ным планом в конкретной системе WDM. Отличительная особенность фильтров ФП – возможность их пе рестройки, а значит и реконфигурации мультиплексора вводавы вода на их основе. Для перестройки фильтра достаточно изменить τ = n⋅L/c, что эквивалентно изменению n – коэффициента прелом ления среды между зеркалами, или L. Механическое изменение расстояния L – достаточно грубая операция, она может нарушить параллельность зеркал. Поэтому обычно зеркала крепят к пьезо электрику и изменяют расстояние, прикладывая к нему напряже ние. Но и это решение достаточно сложное. Кроме того, сами фильтры ФП не нашли должного применения в современных систе мах WDM, уступив место конкурентным решениям. Одно из них – интерференционные фильтры на тонких пленках. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ТОНКИХ ПЛЕНКАХ Эти фильтры применяют в современных системах с WDM так же ча сто, как и фильтры на решетке Брэгга. В них роль зеркал, ограни чивающих резонаторную полость, играют тонкие диэлектрические пленки многократного отражения. Фильтры на тонких пленках делятся на два типа: тонкопленочные с одной резонаторной полостью (TFF) и тонкопленочные со многими резонаторными полостями (TFMF). На рис. 7 приведена схема трех резонаторного фильтра, полости которого разделены отражающими слоями тонких пленок (длиной λ/4) с чередованием слоев с высоки ми (H) и низкими (L) значениями показателя преломления. Эту струк туру формируют, последовательно выращивая или осаждая диэлект рические отражающие и пропуска ющие слои на стеклянной подлож ке (G). Для однорезонаторного фильтра такая структура имеет вид: G(HL) 9 HLL(HL) 9 HG. Из рис. 8 видно, что форма АВХ фильтров зависит от числа резо нансных полостей. Чем их больше, тем выше крутизна спада характе ристики фильтра в переходной по лосе и тем вершина АВХ более пло ская. В отличие от фильтров ФП, фильтры на тонких пленках пропус кают только одну волну, длина ко торой зависит от высоты полости, ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/2001 42 О П Т О Э Л Е К Т Р О Н И К А Рис. 4. Модуль ввода%вывода четырех несущих на основе решетки Брэгга Рис. 5. Фильтрация света резонатором Фабри%Перо Рис. 6. Передаточная функция фильтра на резонаторе Фабри%Перо Рис. 7. Структура тонкопленоч% ного фильтра с тремя резонатор% ными полостями однако они также имеют FSR, нормированная ширина полосы которо го составляет примерно ±0,4 λ 0 /λ [5]. Недостаток данного типа фильтров в том, что они рассчитываются на определенную длину волны и не могут перестраиваться. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ В основе фильтров – свойство жидких кристаллов (ЖК) вращать плоскость поляризации под действием электрического поля. Эта тех нология выглядит многообещающей в плане управляемой реконфигу рации, но она только начала развиваться и еще не отработана. Фильтр на ЖК можно представить в виде трехэлементной сборки (рис. 9). Жидкокристаллическая пленка, поворачивающая плоскость поляриязации света определенной длины волны на 90°, помещается между поляризатором, линейно поляризующим свет, и анализатором, пропускающим только линейнополяризованный свет с плоскостью поляризации, формируемой поляризатором. В нормальном состоянии ЖКпленка поворачивает плоскость по ляризации на 90° и фильтр блокирует определенный диапазон волн – сборка работает как оптический изолятор. При приложении к кристал лу некоего напряжения плоскость поляризации поворачивается еще на 90° и совпадает с плоскостью анализатора. Свет заданного диапа зона проходит на выход. К сожалению, фильтр на ЖК работает только с одной длиной вол ны, которая должна быть предварительно выделена из набора несу щих, обрабатываемого мультиплексором. АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ФИЛЬТРЫ Наиболее перспективной технологией фильтрации, основанной на вращении плоскости поляризации, является акустооптическая техно логия [4]. Акустооптический фильтр (рис. 10) [3] представляет собой полупроводниковый кристалл ниобата лития, в котором сформирова ны титановые волноводы. На кристалле монтируется пьезоэлектриче ский вибратор акустических волн, управляемый генератором 170–180 МГц. Вибратор создает поверхностную акустическую волну (ПАВ), распространяющуюся по тонкопленочному акустическому вол новоду, размещенному в центре под углом к основному световому по току. Слева и справа от него расположены поляризационные расще пители светового потока. Входной расщепитель разделяет входной поток на моды ТЕ (вни зу) и ТМ (вверху), которые проходят через акустический волновод. ПАВ этого волновода вызывает гармоническое изменение в нем пока зателя преломления (возникновение акустической решетки Брэгга), создавая условия для "акустической" дифракции Брэгга или враще ния на 90° плоскости поляризации одной из длин волн, которая и фильтруется вторым расщепителем на выходе как несущая, выводи мая из мультиплексора. Достоинство фильтра в том, что он позволяет изменять длину вол ны фильтрации путем изменения частоты управляющего генератора, возбуждающего ПАВ (меняется постоянная решетки Брэгга). Фильтр можно настроить на вывод одной несущей, группы несущих или всех несущих. Кроме того, у фильтров данного типа низкий уровень вноси мых потерь, низкая потребляемая мощность и широкая полоса пере крытия при перестройке (порядка 80 нм в третьем окне прозрачности). Их работа не зависит от скорости передачи данных. Температурную нестабильность компенсируют специальные стабилизаторы. ЛИТЕРАТУРА 1. M Mo on nttg go om me erryy JJe effff D D.. Optical еvolutions. – Telecommunications, 2000, Feb., p.101–103. 2. С Сл ле еп по овв Н Н.. Оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны. – Сети, 1999, №4, с. 24–31. 3. Wavelengh converter. Oki Electric Industry Co., Ltd., 1996 – http: // www.oki.co.jp/OKI/RDG/English/kikaku/vol.1/okayama/eWC.html 4. С Сл ле еп по овв Н Н.. Оптические волновые конверторы и модуляторы. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2000, №6, с. 6–10. 5. R Ra am ma assw wa am mii,, R Ra ajjiivv a an nd d S Siivva arra ajja an n K Ku um ma arr N N.. Optical networks: a practical perspective. – Morgan Kaufmann Publishers, Inc. San Francisco, California, 1998. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/2001 43 Рис. 8. Нормированная АВХ резонаторных фильтров на тонких пленках Рис. 9. Поляризационный фильтр на жидких кристаллах Рис. 10. Акустооптический перестраиваемый фильтр |