В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
2.8. Элементная база оптической транспортной иерархии Все выше рассмотренные функции оборудования OTH реализуются аппа- ратно-программными средствами специализированных электронных процес- сорных блоков, выполняемых по нанотехнологическим решениям на кремние- вых (селиконовых) подложках. Габаритные показатели одного электронного компонета составляют 12–65 нм. Это позволяет размещать на относительно не- больших площадях схем все компоненты для формирования OTUk, включая и процессоры FEC. На рынке компонетов (device) для оборудования оптических сетей присутствует много производителей среди которых наиболее известные: Infinera, Ciena, Altera, Alcatel-Lucent, Actel, IBM, Shenzhen Wintop Optical Technology, FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED, VITESSE, Xilinx и др. Особенностью современной компонентной базы для реализиции функций OTH является использование перепрограммируемой универсальной процессор- ной логики FPGA (Field-Programmable Gate Array, программи́ руемая по́ льзователем ве́ нтильная ма́ трица – полупроводниковое устройство, конфигу- рируемое производителем или разработчиком после изготовления), которая удобна для реализации любых по сложности устройств формирования OTUk, ODUk, OPUk, включая коммутацию и мультиплексирование. Эти устройства называют: транспондер (transponder); мукспондер (muxponder); регенератор (re- generator). Плотность логических компонентов и регистров на подложке пре- 112 вышает 10 3 , а блоков памяти более 2000. Также на подложке могут размещаться модули CFP, XFP, SFP+, предназначенные для подключения пользовательской нагрузки. В составе этих устройств может програмироваться такая важнейшая функция оптического канала, как адаптивная электронная компенсация хрома- тической дисперсии, подстройка фазы тактового генератора под такты внешне- го стабильного генератора PLL (Phase-Locked Loops) и т. д. Ниже для наглядности приведены примеры реализации устройств OTH на базе программируемой схемотехники компанииAltera Corporation 1 , имеющих серийное обозначение: Stratix® series FPGAs. В серию Stratix входят компоненты с номерами от 1 до 5. Номерное обо- значение указывает на нанотехнологическое решение. Серия 5 (V) относится к последнему поколению с размерностью компонентов логики от 22 до 28 нм (внешний вид изделия представлен на рис. 2.79), предназначенной для исполь- зования в когерентных оптических системах со скоростью в каналах 40/100/400 Гбит/с. Серия 4 (IV) реализует компоненты размерностью 40 нм, се- рия 3 (III) реализует компоненты размерностью 65 нм и т. д. По своим логиче- ским программируемым возможностям серия 5(V) вобрала в себя все возмож- ности предыдущих серий и дополнена возможностями перепрограммирования. Таким образом сочетаются возможности общие для процессоров и специфиче- кого прикладного назначения (своеобразная селиконовая конвергенция), что ранее выполнялось отдельными схемами (рис. 2.80) теперь реализуется в одной схеме. Рис. 2.79. Исполнение блока FPGA Ethernet 100 Гбит/с c оптическими интерфейсами XFI для расстояний до 100 м На рис. 2.80 обозначено: ASIC, Application-Specific Integrated Circuit, интегральная схема для спе- цифического применения, т. е. схема, специализированная для решения кон- кретной задачи; 1 URL: www.altera.com (дата обращения: 27.01.2015). 113 ASSP, Application Specific Standard Product, стандартный продукт специ- ального применения; mP, microprocessor, микропроцессор – программируемое устройство для выполнения логических и арифметических операций; DSP, Digital signal processing, цифровой сигнальный процессор – устрой- ство для цифровой обработки сигналов реального времени. Рис. 2.80. Сочетание возможностей современной схемотехники FPGA Сочетание выше указанных возможностей в одной программируемой схе- ме Stratix (V) позволяет использовать ее для дальнейшего наращивания емкости обработки данных до скоростей 200 Гбит/с, 400 Гбит/с и 1 Тбит/с. На рис. 2.81 приведен пример структурирования функций OTH от пользо- вательских окончаний (10 × 10 Гбит/с) до порта 100 Гбит/с. В структуре отдельно представлены три функциональных блока: универсальный пользова- тельский блок с 10 портами (Universal Client Port); блок размещения нагрузки и формирования циклических структур с последующим мультиплексированием (Mapping, Framing, Muxing); блок формирования данных для оптического кана- ла в виде кадра OTUk с функциями коррекции ошибок FEC (Processing, Framing, Forward Error Correction). Эти функциональные блоки могут програм- мироваться как на одной подложке, так и на различных. На рис. 2.82 представлены возможные варианты исполнения схем FPGA для реализации функций оборудования оптических сетей на скорости 100 Гбит/с: транспондер пользовательского сигнала 100 Гбит/с (а); мукспондер 10 пользовательских сигналов (б); мультиплексор n блоков ODUk (в); много- протокольный мультиплексор (г). Более подробный набор функций OTH, реа- лизуемых (программируемых) в схемах FPGA, приведен в приложении 1. Важнейшей программируемой функцией FPGA для передачи пользова- тельского цифрового трафика в оптической сети является восстановление так- тового синхронизма на приемной стороне оптического канала при передаче сигналов в сторону пользовательского (клиентского) оборудования. Восстанов- 114 ление тактового синхронизма производится по двум позициям: восстановление формы импульсных (тактовых) посылок и устранение фазовых дрожаний (джиттера и вандера). Рис. 2.81. Функции FPGA в 100 Гбит/с оптической транспортной сети Рис. 2.82. Варианты исполнения FPGA для оптической сети 100 Гбит/с Ниже на рис. 2.83 и 2.84 приведены примеры программно-аппаратных ре- шений по восстановлению тактового синхронизма с использованием внешних генераторов (VCXO, XO) по отношению к схемам FPGA. Они известны как схемы ретайминга компонентных портов цифровых систем передачи [23], в ко- торые входят: регистры FIFO (первый пришел, первый ушел); регистры преоб- разователя SERDES (Serializer/Deserializer) последовательной передачи в па- раллельную; схемы передачи петли выравнивания (подстройки) фазы PLL ( Phase-Locked Loop); кварцевый генератор, управляемый напряжением VCXO (Voltage-Controlled Crystal Oscillator , ref clock) и генератор тактов высокой ста- 115 бильности XO, например, первичный эталон или вторичный генератор с внеш- ней принудительной синхронизацией; фильтр узкой полосы, настроенный на тактовую частоту (Filter). Рис. 2.83. Пример типового решения по восстановлению тактового синхронизма в оптическом канале с применением схемы FPGA Рис. 2.84. Пример нового решения по восстановлению тактового синхронизма в оптическом канале с применением схемы FPGA Stratix V (Altera) Таким образом, в каждом оптическом канале может использоваться соб- ственный отдельный генератор VCXO или единый на все оптические каналы стабильный генератор, тактами которого будут хронироваться все принимае- 116 мые цифровые потоки, направляемые в сторону потребителей услуг транспорт- ной сети. Детальные оценки стабильности тактов в OTH и других технологиях транс- портных сетей можно найти в пакете рекомендаций ITU-T: G.709/2012, G.798/2013, G.781/2009, G.810/1996, G.811/1997, G.812/2004, G.813/2003, G.8261/2008 и др. Контрольные вопросы 1. Какие уровни определены в модели технологии оптической сети? 2. Какие функции определены уровнями модели OTN? 3. Какие сигналы формируются на уровне OCh? 4. Что представляет собой OTU? 5. Какие виды мультиплексирования используются в OTH/OTN? 6. Какая из структур оптических интерфейсов OTN может поддержать наивысший сервис при организации соединений? 7. Для чего предназначены интерфейсы OTN с упрощенными функциями? 8. Что обозначают индексы с малыми буквами n, m, nr, mvn в оптических транспортных модулях OTM? 9. Чем отличаются порядки формирования цифровых и оптических блоков OTM-n.m, OTM-nr.m, OTM-0.m, OTM0.mvn? 10. Сколько вариантов формирования оптических модулей OTM преду- смотрено схемой мультиплексирования OTH? 11. Чем отличаются в принципе формирования блоки ODU4(L) от ODU4(H)? 12. Что обозначает ODTUG4? 13. Чем отличаются в принципе формирования блоки ODU3(L) от ODU3(H)? 14. Что обозначает ODTUG3? 15. Чем отличаются в структуре блоки OPU-3-Xv от OPU3(L) и OPU3(H)? 16. Какие варианты формирования OTU2 предусмотрены в OTH? 17. Какую переиодичность повторения (цикл) имеют блоки OTU1, OTU2, OTU3, OTU4? 18. Какую полезную (в байтах) имеет блок OTUk? 19. Зависит ли емкость OTUk от индекса k = 1, 2, 3, 4? 20. Какое назначение определено служебным полям OTUk (OH, FEC)? 21. В чем смысл кодирования Рида–Соломона? 22. Какое назначение определено полю с 1 по 14 байт первой строки кадра OTUk? 23. Что обозначают сокращения FAS, MFAS, SM, GCC, RES в поле заго- ловка OTUk? 24. Какая процедура заложена в OTUk для контроля ошибок? 25. Какие разновидности ODU предусмотрены в OTH? 26. Какие назначения имеют байты TCM в заголовке ODUk? 27. Сколько байт TCM всего предусмотрено в заголовке OTUk? 117 28. Как организовано использование байт TCM? 29. Какие функции возложены на байты PM OH ODUk? 30. Какие сетевые возможности у байт APS/PCC OH ODUk? 31. Что можно организовать с помощью байт GCC1/GCC2 в заголовке OH ODUk? 32. Что обозначает 3R регенерация? 33. Какие виды защитных переключений возможны при организации опти- ческих каналов? 34. Какие скорости передачи пользовательских потоков поддерживают OPUk, в том числе OPUk-Xv? 35. Какие функции возложены на заголовки OH OPUk? 36. Почему нормированы допустимые отклонения тактовых частот в гене- раторах аппаратуры OTH? 37. Какие перспективы в развитии OTH можно определить на ближайшее время? 38. В чем состоят сервисные возможности OTH для транспортных сетей? 39. Что такое дефект при обслуживании соединения в OTN? 40. Какие сигналы в OTH применяются для контроля качества соединений? 41. Что служит основным показателем качества соединения в OTH? 42. Что обозначает AIS? 43. Какие точки обозначены на функционально-архитектурной схеме OTH/OTN? 44. Какие функции поддерживает оборудование OTH уровня секции пере- дачи OTS? 45. Какие функции поддерживает оборудование OTH уровня секции муль- типлексирования OMS? 46. Какие функции поддерживает оборудование OTH уровня оптической физической секции передачи OPS? 47. Какие функции поддерживает оборудование OTH уровня оптического канала OCh? 48. Какие устройства могут входить в структуры оптической сети OTN/OTH? 49. Какие функции предусмотрены в общей модели организации управле- ния в OTN? 50. Что служит современной электронной элементной базой для реализа- ции аппаратуры OTH/OTN? 51. Что такое FPGA? 52. Какую продукцию для построения аппаратуры OTH производит ком- пания Altera? 53. Какие преимущества имеет FPGA Stratix серии V перед другими сери- ями (IV, III)? 54. Что используется в FPGA для восстановления тактового синхронизма при выделении нагрузки OTH в сторону потребителя? 118 3. ПЕРЕДАТЧИКИ И ПРИЕМНИКИ СИГНАЛОВ ОПТИЧЕСКИХ КОГЕРЕНТНЫХ СИСТЕМ Принципиальное и конструктивное исполнение передатчиков и приемни- ков когерентных оптических систем отличается сложностью электронных и оптических решений, реализуемых схемами нанометровых электронных ком- понент (12–65 нм) и планарными технологиями оптических каналов (PLC), ал- горитмами кодирования и декодирования мощностных и фазовых характери- стик излучения. Современные решения отличаются от предшествующих инте- грацией оптических и электронных схем на единой подложке, температурной устойчивостью, возможностями перестройки характеристик излучения, усиле- ния и фильтрации принимаемого оптического сигнала, электронной или опти- ческой компенсацией искажений и т. д. В предлагаемом разделе учебного пособия рассматриваются возможные структуры оптических передатчиков, источники оптического излучения (одно- модовые лазеры основных конструкций и их характеристики), способы моду- ляции излучения и схемы модуляторов с характеристиками, структуры прямых и когерентных приемников оптических сигналов, фотодетекторы, когерентное детектирование. 3.1. Структуры оптических передатчиков Оптические передатчики когерентных систем в общих структурах подраз- деляются на три вида: передатчики с прямой модуляцией оптического излучения (рис. 3.1, а); передатчики с простой внешней модуляцией оптического излучения (рис. 3.1, б); передатчики с генераторами оптических импульсов (на одной, двух и более модах) и модуляторами этих импульсов отдельно по интенсивно- сти или фазе, комплексной модуляции (рис. 3.1, в). В отдельную группу передатчиков можно вынести передатчики с модуля- цией оптических частот и формированием однополосных и двухполосных опти- ческих сигналов (рис. 3.2) [24]. Схемы передатчиков с прямой модуляцией интенсивности оптического излучения отличаются низким качеством модулированного сигнала, в котором присутствуют искажения формы импульсных оптических посылок (чирпинг- эффект, т. е. паразитная частотная модуляция излучаемого оптического спек- тра), шумы модулятора, расширенный спектр, способствующий повышенной дисперсии при распространении сигнала в волокне. Такая схема чувствительна к температурным отклонениям и нуждается в термостабилизации (рис. 3.3), например, встроенными микрохолодильниками на основе эффекта Пельтье и применением электронной цепи регулировки током смещения через фильтр нижних частот (ФНЧ) (рис. 3.4). Эти схемы используются для организации связи на предельно ограниченные расстояния между передатчиками и приемниками (от нескольких метров до 2 км по международной стандартизации ITU-T G.693) 119 на скоростях до 10–40 Гбит/с и представлены в стандартных модулях SFP, SFP+, XFP, CFP, о которых более подробная информация приводится в разделе 6. В передатчике с простым внешним по отношению к лазеру модулятором исключается чирпинг-эффект, в несколько раз расширяется возможная полоса частот модуляции интенсивности и достижимая скорость импульсов увеличи- вается до 100 Гбит/с. При этом расширяется спектр модулированного сигнала до 200 ГГц и выше, что также ограничивает возможности по преодолению дис- персионных искажений в волоконных линиях и наращиванию числа спектраль- ных каналов WDM из-за ограниченной полосы пропускания известных воло- конных световодов (около 20–30 ТГц). Рис. 3.1. Структуры оптических передатчиков когерентных систем Третий вариант структуры оптического передатчика когерентной системы отличается от предыдущих большей сложностью построения из-за электронно- го кодера информационных данных и формирователя оптических импульсов (драйвер модулятора), двойной схемы модулятора для формирования оптиче- ских импульсов и управления этими импульсами, более высокой степенью интеграции компонентов и высокой стоимостью изделий. 120 Рис. 3.2. Структура оптического передатчика с двухполосной, двухчастотной модуляцией Рис. 3.3. Температурная зависимость излучаемой мощности оптического сигнала при прямой модуляции Однако при этом может быть достигнута требуемая полоса частот модули- рованного сигнала (например, 50 ГГц), которая не будет изменяться с увеличе- нием скорости передачи информационных данных (например, при переходе от 10 Гбит/с к 100 Гбит/с), что позволит сохранять сетку частот DWDM, т. е. чис- ло организуемых в линейном тракте оптических каналов, общий уровень мощ- ности всех каналов до нелинейного ограничения и, главное, управляемость ско- ростью передачи в каждом канале (до 100/400 Гбит/с) или в группе каналов по- чти независимо от длины секции передачи или мультиплексирования (до 10 Тбит/с). В таком же смысле решения по структуре оптического передатчика с двухполосной модуляцией фазы и интенсивности излучения позволяют нара- 121 щивать скорости в канале до 1 Тбит/с, а в пределах полос волокон C, L до 30 Тбит/с, что близко к предельному значению частотного ресурса волокон. Рис. 3.4. Схема электронной стабилизации излучаемой оптической мощности 3.2. Источники оптического излучения когерентных ВОСП Источники излучения когерентных систем (для оптических передатчиков и оптических гетеродинов приемников) должны удовлетворять ряду требований, обусловленных минимальными искажениями сигналов в оптических средах (волоконных и планарных волноводах), температурными вариациями окружа- ющей среды в аппаратуре, необходимостью перестройки по длине волны излу- чения и т. д. Важнейшие из требований приведены ниже. Требования к источникам оптического излучения когерентных ВОСП: ─ формирование строго когерентного (без составляющих спонтанного характера) излучения на заданных стандартных частотах (длинах волн), соот- ветствующих рекомендациям ITU-T G.694.1; ─ узкий спектр излучения (как правило, менее 1 МГц по уровню − 20 дБм), гарантирующий минимальные дисперсионные искажения в волокне и других компонентах и фазовую стабильность при когерентном приеме; ─ высокая стабильность излучаемой оптической мощности и частоты при различных температурных условиях (как правило, от − 5 до +60ºС) длительной эксплуатации; ─ возможность широкодиапазонной перестройки частоты или длины волны излучения (как минимум в пределах диапазонов S, C, L (от 40 до 70 нм) с сохранением параметров: мощности излучения, спектра излучения и стабиль- ности или точности настройки волны излучения, что при массовом выпуске снижает стоимость изделий благодаря одной неизменной конструкции, техно- логичной в изготовлении; 122 ─ управление уровнем мощности в задаваемых пределах для оптических интерфейсов; ─ малые габариты для размещения в платах оборудования, малая масса, виброустойчивость, минимальное потребление электрической энергии; ─ пригодность приборов для включения в стандартную систему управле- ния. В табл. 3.1 приведены краткие сведения по современным полупроводнико- вым конструкциям лазеров: многомодовый лазер Фабри–Перо (ФП, FP – Fabri- Perot); лазер с распределенными брэгговскими отражателями (РБО, DBR – Dis- tributed Bragg Reflector); лазер с распределенной обратной связью (РОС, DFB – Distributed Feed-Back); фазосмещаемый лазер РОС (PS-DFB – Phase Shifted DFB); лазер вертикального излучения (ЛВИ, VCSEL – Vertical-Cavity Surface Emitting Laser). Различное конструктивное исполнение этих приборов позволяет производить их перестройку по излучаемым волнам, но с различными диапазо- нами, уровнями мощностей и спектром излучения. Эти полупроводниковые ла- зеры получили широкое применение в оптических интерфейсах (в том числе в составе модулей SFP, SFP+, XFP) как с точной настройкой на отдельные волны из соответствующих сеток волн (CWDM, DWDM), так и диапазонной настрой- кой (как в интерфейсах SDH). Однако эти приборы недостаточно удовлетворя- ют требованиям для когерентной передачи по ряду положений, стабильности частоты излучения, ширине спектра излучения, диапазона подстройки уровня мощности излучения и диапазона перестройки волны излучения. Другие перестраиваемые лазеры для когерентных ВОСП имеют более сложные конструкции, благодаря которым удается достигнуть выполнения, по крайней мере, первых пяти выше перечисленных требований в большей степе- ни, чем для лазеров из табл. 3.1. Это следующие примеры конструкции: Sample Grating Distributed Bragg Reflector lasers (SG-DBR), Digital Supermode Distributed Bragg Reflector laser (DS-DBR); Grating Coupler Sampled Reflector (GCSR) laser; Lateral-Grating-Assisted Lateral-Co-Directional-Coupler (LGLC) laser; Y-Branch laser DBR; EMCORE Extended Cavity Laser (ECL) Technology laser. Необходимо отметить, что это далеко не полный перечень используемых лазеров в коге- рентных системах. Конструкции приборов постоянно совершенствуются и предлагаются новые решения. Непрерывную и подробную информацию о этом можно получить в научных изданиях (IEEE Journal of Lightwave Technology, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics , IEEE Photonics Technology Letters) и изданиях Российской Академии Наук («Квантовая элек- троника», «Оптика и спектроскопия»). |