8.1. Мультиплексоры/демультиплексоры волновых каналов
и интерливинговые фильтры
Один из основных видов мультиплексоров/демультиплексоров оптических спектральных каналов – решетка на основе массива волноводов AWG – инте- гральный оптический компонент, представляющий дифракционную решетку на поверхности или в объеме оптического планарного оптического волновода.
Принцип действия, используемый для разделения каналов, основан на возник- новении разности фаз для различных длин волн сигнала на входе и выходе
(рис. 8.1). Входной сигнал, который содержит излучение разных длин волн, попа-
273 дает во входной разветвитель (на примере линзы). Там он расщепляется на N опти- ческих лучей, каждый из которых попадает в отдельный волноводный канал
(рис. 8.2). Все N волноводных каналов, образующих волноводную матрицу, имеют разную длину и вносят в сигнал разные фазовые сдвиги, зависящие от длины волны. После этого световые пучки из отдельных волноводных каналов вновь объединяются в выходном разветвителе и интерферируют таким образом, что излучение разных длин волн попадает в разные выходные волноводы.
Рис. 8.1. Пример разделения оптических волн в пространстве отражательной дифракционной решеткой (эшелон Майкельсона)
Волноводная решетка AWG размерностью N×N может быть выполнена на кремниевой подложке вместе с входными и выходными волноводами, линзами по технологии PLC (известны также решения на пластиковой основе). Волно- воды решетки имеют разность по длине ∆L. В зависимости от соотношения ∆L/λ размещается фокальная точка линзы, таким образом, чтобы равномерно по интен- сивности распределялось излучение из одного входного волновода на все каналы волноводной решетки всех волн λ
n
. Линзы выполняются одинаковыми, т. к. при- бор может использоваться в качестве мультиплексора/демультиплексора.
Рис. 8.2. Принцип построения оптического мультиплексора/демультиплексора на волноводной решетке AWG
1 1
URL: http://www.fiber-optics.info (дата обращения: 27.01.2015).
274
Детальное представление о структуре AWG дается с пояснением размерно- стей D
1
– расстояние между входными отдельными волноводами по кривой X1, совпадающее с расстоянием D2 – выходных волноводов по кривой X2
Соот- ветственно расстояние d
1
между отдельными исходящими волноводами, распо- ложенными по радиусу вогнутости f
1
, совпадает с расстоянием d
2
– второй лин- зы с вогнутостью по радиусу f
2
для входящих со стороны волноводной решетки каналов. Прошедшие через волноводную решетку волны интерферируют на входах D
2
по всей длине X
2
. Условие интерференции записывается следующим порядком:
m
L
f
x
d
f
x
d
C
S
S
2 0
2 2
2 0
1 1
1 0
, где β
S
и β
C
– постоянные распространения в линзах и волноводах, m – целое число (1, 2, 3,…), соответствующее порядку дифракции, λ
0
– центральная длина волны диапазона
WDM.
При одинаковых линзах можно записать
m
L
С
2 0
или
m
L
n
C
0
, n
C
– эффективный показатель преломления волноводной решетки, равный n
C
= β
C
k, где k – волновое число для вакуума.
При одинаковых размерах линз дисперсионное распределение волн λ во второй линзе будет происходить с относительным интервалом
0 2
2
d
n
L
f
N
x
S
C
, где n
S
– эффективный показатель преломления области линзы и N
C
– групповой показатель преломления эффективного n
C
для волноводной решетки
(N
C
= n
C
− λd
2
n
C
/d
2
λ). Входящие и исходящие волны раздельно с интервалом
∆x = D
2
через интервал ∆λ между спектральными каналами WDM попадают в выходные волноводы. При этом требуемое соотношение между разделяемыми волнами должно выполняться по условию
L
f
N
D
d
n
C
C
2 0
2 2
Число разделяемых спектральных каналов связано с соотношением общей длины искривленной среды X
2
и расстояния D
2
, N
спектр. каналов
= X
2
/D
2
Точность исполнения линз и волноводного массива определяет качество разделения спектральных каналов, т. е. величиной помех от соседних каналов, вносимыми потерями мощности, дисперсионными искажениями оптических импульсов в каждом канале. Одной из основных контролируемых характери- стик AWG является коэффициент передачи волновых каналов (рис. 8.3), по ко- торой можно определить вносимые потери оптической мощности, полосу эффективного пропускания сигналов, взаимную изоляцию каналов. По рис. 8.3 нетрудно заметить, что вносимые потери мощности составляют 6–8 дБ, полоса пропускания по уровню −3дБ от максимального значения около 0,8 нм. В табл. 8.1 представлены ряд экспериментальных характеристик AWG с различным чис- лом спектральных каналов.
275
Рис. 8.3. Коэффициент передачи волновых каналов AWG
Табл. 8.1. Примеры технических характеристик фильтров AWG
Параметр
Спецификации
Число волновых каналов
8 16 32 64 128
Центральная волна
1300 нм
1550 нм
1550 нм
1550 нм
1550 нм
Интервал между каналами
∆λ
∆f
50 нм
6,25 ТГц
2 нм
250 ГГц)
0,8 нм
100 ГГц
0,4 нм
50 ГГц
0,2 нм
25 ГГц
Порядок дифракции, m
3 47 59 59 59
Число волноводов в массиве,
N
28 60 100 160 388
Потери, вносимые на волне
λ
С
в канале
2,2 дБ
2,3 дБ
2,1 дБ
3,1 дБ
3,5 дБ
Межканальные помехи
>30 дБ
>35 дБ
>35 дБ
>30 дБ
>20 дБ
Необходимо отметить одну важную детализацию по оценке полосы про- пускания спектрального канала AWG, связанную с формой кривой полосы про- пускания фильтра. Она может иметь гауссовскую кривую или квазипрямо- угольную (рис. 8.4). В конечном итоге это определяет и полосу частот, и вели- чину потерь мощности сигнала в этой полосе (от 2 дБ до 5 дБ).
Рис. 8.4. Пример коэффициентов передачи AWG
276
Реальные дисперсионные искажения в спектральных каналах AWG для хроматической дисперсии не превышают 10 пс/нм, для поляризационной модо- вой дисперсии – не более 0,5 пс, поляризационно-зависимые потери мощности находятся в пределах 0,3–0,5 дБ.
Следующая разновидность оптических мультиплексоров/демультиплексоров представлена интерливинговыми фильтрами, позволяющими расширить воз- можности оптического мультиплексирования при необходимости частого до- ступа к общему групповому спектру каналов оптической сети. Принцип дей- ствия этих фильтров демонстрируется на рис. 8.5. Отдельно объединяемые спектральные каналы (λ
1
, λ
3
, λ
5
… и λ
2
, λ
4
, λ
6
…), имеющие определенный ча- стотный 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. Приме- ры разделения с чередованием различных интервалов частот представлены на рис. 8.6, 8.7.
Рис. 8.5. Принцип мультиплексирования с чередованием оптических спектральных каналов
Рис. 8.6. Пример 1×2 разделения групп спектральных чередующихся каналов
277
Рис. 8.7. Пример 1×4 разделения групп спектральных чередующихся каналов
Известны несколько технологий для реализации фильтров с чередованием спектральных каналов [99, 100, 101]: разновидность интерферометра на четырех зеркалах с двойным преломлением – Birefringent Gires-Tournois (BGT) interfer- ometer-type; разновидность интерферометра с двойным преломлением на кри- сталлической основе – Bulk Birefrigent Crystal-type; интерферометр на основе от- резков волоконных световодов – fiber-type; интерферометров Маха–Зендера
(MZ) на основе Planar Lightwave Circuit (PLC); интерферометры с кольцевыми резонаторами – ring resonators (рис. 8.8) [105]. Наилучшие показатели для реа- лизации имеют интерферометрические фильтры типа PLC MZ, для которых ха- рактерны 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. 8.9, где неравноплечие интерферометры с разветвителями имеют различные геометрические размеры для настройки на необходимые спектральные каналы.
Рис. 8.8. Селективные кольцевые резонаторы (диаметр 42 мкм) и характеристика передачи с возможностью перестройки температурным изменением
278
Рис. 8.9. Пример построения фильтра чередования на основе PLC с интерферометрами MZ
Пример характеристик передачи фильтра с перемежением каналов типа 1×2 представлен на рис. 8.10 [99, 101, 102], по которому нетрудно определить вели- чину вносимых потерь оптической мощности (>5 дБ), полосу пропускания
(ок. 100 ГГц), величину взаимных помех между каналами (<40 дБ).
Рис. 8.10. Коэффициент передачи фильтра 1×2 с чередованием разделяемых полос частот
8.2. Оптические коммутаторы
Коммутаторы в составе оборудования оптической сети являются неотъем- лемыми устройствами для организации соединений оптических каналов и их групп, защиты этих соединений, защиты соединений секций оптического муль- типлексирования. Оптические коммутаторы поддерживают широкополосные соединения, например, для диапазонов C, L и селективные (отдельные соедине- ния) в пределах полосы пропускания оптического канала, например, 100 ГГц,
50 ГГц и 25 ГГц в оптических мультиплексорах ROADM и фотонных коммута-
279 торах PXC. Основным используемым видом оптической коммутации на сетях связи служит коммутация оптических волн для каналов и коммутация оптиче- ских волокон для широкого спектра волн (в сущности, аналоговая коммутация).
К оптическим коммутаторам предъявляются определенные требования, пере- числяемые далее: минимальные потери оптической мощности в среде коммута- тора;
минимальные дисперсионные искажения; отсутствие межканальных пе- реходных помех (подавление более 30 дБ); высокое быстродействие (измеряе- мое в мс, мкс и нс); возможности для интегрального исполнения; высокий уро- вень порога нелинейных искажений; коммутация сигналов с мощностью в ка- налах до 100 мВт; минимальное потребление энергии от внешних источников; малые габариты и масса; и т. д. В различной степени этим требованиям отвечают оптические коммутаторы, исполненные в виде отдельных сборных узлов и интегральные устройства, исполненные на единой подложке (основе). Послед- ние нашли наибольшее применение в оборудовании когерентных сетей связи.
Коммутаторы выполняются, как правило, в виде симметричных и несиммет- ричных матриц вида N×N и N×M (N ≠ M, т. е. N > M или N < M), где N = 2, 3,
4,…8,…16,…32 и т. д. Основу матрицы составляют отдельные коммутацион- ные ячейки: 1×2, 2×1, 2×2 (рис. 8.11). Ячейка 2×2 поддерживает два вида со- единения («кросс» и «транзит») и может поддерживать разделение сигнала с одного из 2-х входов на два выхода, что позволяет реализовать через коммута- тор мультикастинг (от англ.
multicasting – многоадресная передача).
Рис. 8.11. Виды коммутационных ячеек
Коммутационные ячейки могут иметь большую размерность, чем 2×2, например, 4×4 или 16×16, что уже обусловлено конкретным технологическим исполнением.
Некоторые виды технологического исполнения оптических коммутаторов и их характеристики представлены в табл. 8.2 [103]: оптомеханическое пере- ключение предполагает подвижные отражательные элементы, волоконные све- товоды и др.; микроэлектромеханическое переключение – MEMS (Micro
Electro-Mechanical Systems) – массив тонких отклоняющихся зеркал на единой подложке (рис. 8.12) в виде матрицы; электрооптический коммутатор на элек- трооптическом кристалле с волноводными дорожками и электродами управле- ния в виде разветвителей и интерферометров MZ, выполненных по технологии
PLC и управляемый электрическим полем, воздействующим на показатель пре- ломления материала между волноводными дорожками; термооптический ком- мутатор на единой подложке с каналами по технологии PLC, управляемый тем-
280 пературными воздействиями на оптические свойства материалов между волно- водными дорожками; жидкокристаллический коммутатор LCD
(Liquid Crystal
Devices
), в котором электрическое поле управляет прозрачностью
кристалла или коэф-фициентом его отражения; акустооптический коммутатор управляет- ся акустической волной, порождаемой высокочастотным электрическим гене- ратором (акустооптика Рамана–Ната, Брэгга). Кроме указанных по табл. 8.2 и широко применяемых технологий оптических коммутаторов, могут применять- ся также коммутаторы электроголографические, на полупроводниковых опти- ческих усилителях (SOA), жидкокристаллические на полимерной основе, се- лективные на кольцевых резонаторах и др.
Особенностью построения коммутаторов оптических каналов является их мерность, т. е. кроме плоских или 2-х мерных коммутаторов (2D), могут исполь- зоваться 3-х мерные пространственные коммутаторы (3D), например, на основе
3-х состояний зеркал MEMS [104].
Табл. 8.2. Оптические коммутаторы
Технологическое исполнение, размерность Рабочий диапазон Вносимые потери Пере-крестные помехи Поляриза-ционно-зависимые потери Время переклю- чения Оптомеханич. 8×8 1290–1625 нм
0,5 дБ
55 дБ
0,07дБ
4мс
MEMS, 8×8 1290–1625 нм
0,2–3,7 дБ
50 дБ
0,4дБ
12мс
Электро-оптич.
8×8 1530–1560 нм,
1560–1625 нм
9 дБ
30 дБ нд
5 нс
Термооптич. 8×8 1530–1560 нм
8 дБ нд
0,5 3 мс
LCD 2×2 1525–1575 нм
1,4 дБ
50 дБ
0,2 10 мс
Акустоптич. 1×8 нд
6 дБ
35 дБ нд
3 мкс
Рис. 8.12. Конструкция микрозеркала MEMS и коммутационная матрица
256×256 [104]
281
Рассмотренные коммутаторы служат основой построения различных ком- мутационных систем WDM для передачи оптических волн от входов к выходам
(рис. 8.13) с исключением блокировок. При этом соединения могут оставаться групповыми, т. е. для всех n-каналов и быть селективными, т. е. избирательны- ми для каждой из n-волн λ
i
. Коммутационные системы с коммутацией отдель- ных волн получили название «многопортовых частотно-селективных переклю- чателей» WSS (Wavelength Selective Switch) (рис. 8.14).
Рис. 8.13. Соединения между входами и выходами оптических линий для n-оптических каналов (волн) в каждом
Рис. 8.14. Пример структуры WSS с управляемыми пространственными микрозеркалами MEMS
Необходимо отметить, что в качестве коммутирующих элементов в WSS могут служить не только зеркала MEMS, но и другие компоненты, например,
282 электрооптические коммутаторы на управляемых разветвителях PLC 1×2, и на ячейках 2×2, на LCD и т. д. Пример развернутой структуры коммутационной системы на базе WSS представлен рис. 8.15, где каждая из входящих волн мо- жет быть маршрутизирована на один из исходящих портов с мультиплексиро- ванием волн от других входных портов числом N-1, не обозначенных на рисун- ке. Для поддержки маршрутизации волн в коммутационной системе предусмат- риваются функции управления коммутаторами и обязательно алгоритмы марш- рутизации всей оптической сети для исключения конфликтов волн одинаковой длины разных направлений при коммутации.
Рис. 8.15. Пример развернутой коммутационной структуры WSS
Коммутационные системы различной структуры служат основой для постро- ения мультиплексоров доступа к отдельным оптическим каналам OADM/ROADM и оптических кроссовых коммутаторов OXC/PXC с полным доступом ко всем оптическим каналам и секциям мультиплексирования сложных узлов связи.
Кроме того, простые широкополосные коммутационные ячейки вида 1×2, 2×1,
2×2 используются для переключения оптических секций мультиплексирования с целью их защиты при повреждениях кабельных линий.
8.3. Оптические мультиплексоры OADM/ROADM
Что представляют собой оптические мультиплексоры OADM (Optical
Add/Drop Multiplex – оптический мультиплексор ввода/вывода) и ROADM
(Reconfigurate Optical Add/Drop Multiplex – перестраиваемый оптический муль- типлексор ввода/вывода)?
Мультиплексор OADM это сетевое устройство или сетевой элемент (узел оптической сети), в котором производится выделение и/или ввод оптических
283 каналов, организованных на отдельных волнах сетки волн CWDM или DWDM средствами фиксированного оптического переключателя или ответвителя (в слу- чае мультикастинга). При этом число выделяемых/вводимых оптических кана- лов длительный период времени (например, более года) остается постоянным.
Мультиплексор представляет собой устройство с пассивными оптическими компонентами (например, оптический мультиплексор и демультиплексор на основе волноводных решеток AWG, волоконные соединители с коннекторами, циркуляторы, брэгговские волоконные решетки, ответвители), не требующими электропитания и обслуживания (рис. 8.16,
а). Такие устройства могут разме- щаться в станционном и линейном оборудовании (например, в оптических муфтах). В отдельных случаях в составе OADM могут использоваться ответвите- ли оптической мощности (в пределах 5 % от общей мощности каждого из оптиче- ских каналов) с фотодиодами (ФД) для системы мониторинга линейного тракта, оптических каналов и пассивные оптические аттенюаторы (Атт) для выравни- вания мощности оптических сигналов каждого оптического канала. Фотодиоды в составе OADM подключаются к контроллеру мониторинга, имеющему отдель- ный канал связи с сетевыми устройствами управления (рис. 8.16,
б). В послед- нем OADM
относится к энергозависимым и размещается, как правило, только в местах с гарантированным электропитанием.
Выделяемые и вводимые оптические каналы могут иметь локальный или удаленный терминал в виде модулей SFP, XFP и CFP.
Рис. 8.16. Структуры OADM различных вариантов исполнения: а) пассивный; б) с элементами мониторинга
Мультиплексор ROADM представляет собой активное устройство или сете- вой элемент (узел оптической сети), обладающей возможностью ввода/вывода любого (или любых) оптического канала (каналов) из спектра DWDM. Узел
ROADM, как правило, состоит из 2-х независимых частей, отвечающих за ввод/вывод (drop/add) и коммутацию оптических каналов (рис. 8.17). Мультиплек- сор ROADM содержит средства контроля оптических каналов и оптических ли- ний, контроллер управления коммутаторами оптических каналов, подключаемому
284 в сеть управления средствами отдельного сервисного канала. В мультиплексоре
ROADM, как правило, нет ограничений на количество выделяемых/вводимых оптических каналов и время их конфигурирования, т. е. предусмотрено гибкое управление этим ресурсом, что принципиально отличает ROADM от OADM.
Коммутационная часть ROADM может быть реализована оптическими компо- нентами, рассмотренными выше в 8.2, что послужило основой для разделения
ROADM по классам или группам применения в оптической сети с реализацией различных возможностей по доступу к оптическим каналам, гибкости и слож- ности управления (маршрутизации), защите оптических соединений, контролю параметров оптической передачи, мультикастингу (рис. 8.18).
Рис. 8.17. Структура ROADM
Рис. 8.18. Варианты исполнения ROADM
285
Наивысшую гибкость в оптической сети среди известных конструкций
ROADM обеспечивают устройства на основе WSS, т. к. позволяют гибко вы- страивать маршруты волн, их группирование и разделение. Такие конструкции
ROADM стали основой узловых коммутационных систем по направлениям кроссовой фиксированной и динамической коммутации. Последний вид комму- тации наиболее перспективен для динамичного управления оптическими кана- лами с использованием сигнальных систем, в частности систем на основе про- токола GMPLS. Также благодаря гибкости построения ROADM возможно со- здание сложных управляемых транспортных сетей кольцевого типа с защитой соединений на основе оптических каналов и секций (рис. 8.19).
Рис. 8.19. Различающиеся возможности OADM (а – фиксированный доступ к каналам) и ROADM (б – изменяемый доступ к каналам и секциям) по гибкости построения оптической сети
Однако масштабы применения ROADM в оптических сетях связи имеют ряд ограничений по параметрам потери оптической мощности, накопления по- мех, сужения полосы оптических каналов, накопления дисперсионных искаже- ний и т. д.
Количество включаемых в единую цепь мультиплексоров ограничивается собственными потерями оптической мощности в каждом канале и применением оптических усилителей, которые вносят шум (рис. 8.20).
Чем длиннее оптическая линия между ROADM, тем большее затухание должно быть компенсировано усилителем OA в составе мультиплексора. Чем больше потери оптической мощности в устройствах ROADM (демультиплек- сор, мультиплексор, сплиттер, аттенюаторы управления мощностью в каналах), тем большее требуется усиление от OA, что способствует снижению OSNR.
286
Рис. 8.20. Проблема снижения OSNR в оптическом канале с применением
ROADM и оптических усилителей OA
1
Так же существенные ограничения по доступу к оптическим каналам обу- словлены сужением полосы частот каждого спектрального канала в ROADM.
На рис. 8.21 представлены примеры по снижению параметра Q-фактора (а)
(т. е. снижения OSNR, б) и уменьшению полосы частот спектрального канала в зависимости от числа операций доступа через ROADM [107].
Рис. 8.21. Снижение эффективности спектрального канала в группе из 10 каналов QAM16 на скорости 112 Гбит/с в каждом из-за использования промежуточных операций выделения/ввода в полосе канала 25 ГГц
Таким образом, использование ROADM в составе когерентных оптических сетей создает проблемы по организации протяженных оптических каналов с
1
URL: www.adva.com (дата обращения: 27.01.2015).
287 высокими скоростям передачи (от 40 Гбит/с и выше). Это ограничение полосы частот оптического канала, снижение OSNR из-за накопления шумов спонтан- ной эмиссии, дополнительно вносимые поляризационные потери в оптических компонентах, дополнительные дисперсионные искажения, различная чувстви- тельность разноформатных сигналов к линейным и нелинейным искажениям.
Все это вместе требует применения корректных методик при проектировании оптических сетей, в частности учет штрафов по вносимым искажениям сигна- лов. Величина допустимого штрафа за ухудшение сигналов прописывается в оптических характеристиках транспондеров. Характеристики транспондеров формируются в рамках международной стандартизации ITU-T и фиксируются в рекомендациях G.671, G.680, G.696, G.698 и др. Характеристики ROADM также являются предметом стандартизации ITU-T G.672 (10/2012)Characteristics of multi-degree reconfigurable optical add/drop multiplexers. Пример характеристик
ROADM (ADVA Optical Networking), используемых для расчета оптических каналов оптической сети, представлен в табл. 8.3.
Табл. 8.3. Характеристики ROADM на основе WSS
Потери оптической мощности
5,5–7,0 дБ
Полоса пропускания по уровню −3 дБ для двух интервалов между каналами
50 ГГц
32–40 ГГц
100 ГГц
75–85 ГГц
Полоса пропускания по уровню −0,5 дБ для двух интервалов между каналами
50 ГГц
25–26 ГГц
100 ГГц
40–60 ГГц
Переходное затухание между каналами
35–40 дБ
Перестройка аттенюаторов оптических каналов
0–15 дБ
Поляризационно-зависимые потери
0,3–1,5 дБ
ПМД
0,5–1 пс
Время переключения
10 мс–1 с
Скачать 13.92 Mb.