Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

Контрольные вопросы

1.Что называют оптическим трансивером?

2.Что называют оптическим транспондером?

3.Что называют оптическим мукспондером?

4.Чем отличается когерентный транспондер от некогерентного?

5.Что представляют собой оптические модули SFP и XFP?

6.Чем отличаются модули SFP от модулей SFP+?

7.Какое назначение имеют модули SFP, XFP, CFP?

8.Чем отличаются в конструкциях и характеристиках одноволоконные и двухволоконные модули SFP, XFP?

9.Что в схеме модуля SFP обеспечивает функции DDM?

10.Какое назначение имеют модули TOSA и ROSA в составе SFP, XFP,

CFP?

11.Какие источники оптического излучения могут входить в состав моду-

лей SFP, XFP, CFP?

12.Какие приемники оптического излучения могут входить в состав моду-

лей SFP, XFP, CFP?

13.Какие оптические волны используются для передачи сигналов модуля-

ми SFP, XFP, CFP?

14.Чем отличаются модули CFP, CFP2, CFP4?

15.Для чего в модулях CFP используется WDM?

16.Для чего в модулях SFP, XFP используется WDM?

17.Что в ROSA может использоваться для разделения оптических волн?

18.Чем принципиально отличаются модули SFP, XFP и другие от транспондеров и мукспондеров?

19.Что входит в структуру когерентного транспондера 100 Гбит/с?

20.Какие характеристики используются для описания когерентного транспондера?

21.Чем различаются кодеры GFEC, HG-FEC, UFEC?

22.Чем характеризуют мукспондеры?

23.Какими устройствами реализуются клиентские интерфейсы транспондеров и мукспондеров?

24.Какие дополнительные функции могут быть предусмотрены в структуре транспондера/мукспондера?

271

8. ОПТИЧЕСКИЕ МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ И КОММУТАТОРЫ

Оптические мультиплексоры и коммутаторы созданы для реализации широких возможностей транспортных сетей: маршрутизации, коммутации оптических волоконных световодов, отдельных оптических волн, оптических синхронных временных интервалов, оптических цифровых пакетов и мультиплексирования волн, временных интервалов и пакетов. В настоящее время в когерентных оптических сетях используется коммутация волокон и отдельных оптических волн, мультиплексирование отдельных волн (волновых каналов) и маршрутизация оптических соединений на основе отдельных волновых каналов или их групп.

Волновой (или спектральный) канал рассматривается как комплекс технических средств, предназначенный для переноса на оптической частоте информационного сигнала с заданной полосой частот или скоростью передачи между двумя узлами оптической сети. Источником и получателем оптического сигнала в канале служат транспондеры или мукспондеры. Оптические каналы различных источников и получателей создаются на отличающихся волнах. Интервал между волнами может составлять: 0,8 нм; 0,4 нм; 0,2 нм; 0,1 нм, что в сетке частот соответствует сетке ITU-T по рекомендации G.694.1 100 ГГц, 50 ГГц, 25 ГГц, 12,5 ГГц. Плотное расположение оптических каналов накладывает очень жесткие требования по взаимным переходным помехам. Это отражается на сложности разделяющих оптических фильтров. Поэтому для решения проблем объединения и разделения оптических каналов предложены и реализованы ряд технических решений на основе различных технологий (брэгговских решеток, тонкопленочных фильтров, волноводных решетках AWG (Array-waveguide- grating, также называемых оптическими фазарами, Phased Arrays - PHASARs,) на PLC (Planar Lightwave Circuit, плоских волновых каналов) и т. д.). Снизить технические требования по взаимным влияниям между оптическими каналами удалось благодаря разработке интерливинговых фильтров (от англ. interleaving filter – фильтр чередования) на основе технологии PLC c интерферометрами Маха–Зендера (MZM), с кольцевыми резонаторами и др. Эти фильтры позволяют объединять/разделять каналы с 100 ГГц разносом по спектру в каналы с 50 ГГц, 25 ГГц и др.

8.1.Мультиплексоры/демультиплексоры волновых каналов

иинтерливинговые фильтры

Один из основных видов мультиплексоров/демультиплексоров оптических спектральных каналов – решетка на основе массива волноводов AWG – интегральный оптический компонент, представляющий дифракционную решетку на поверхности или в объеме оптического планарного оптического волновода. Принцип действия, используемый для разделения каналов, основан на возникновении разности фаз для различных длин волн сигнала на входе и выходе (рис. 8.1). Входной сигнал, который содержит излучение разных длин волн, попа-

272

дает во входной разветвитель (на примере линзы). Там он расщепляется на N оптических 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). Волноводы решетки имеют разность по длине ∆L. В зависимости от соотношения ∆L/λ размещается фокальная точка линзы, таким образом, чтобы равномерно по интенсивности распределялось излучение из одного входного волновода на все каналы волноводной решетки всех волн λn. Линзы выполняются одинаковыми, т. к. прибор может использоваться в качестве мультиплексора/демультиплексора.

Рис. 8.2. Принцип построения оптического мультиплексора/демультиплексора на волноводной решетке AWG1

1 URL: http://www.fiber-optics.info (дата обращения: 27.01.2015).

273

Детальное представление о структуре AWG дается с пояснением размерностей D1 – расстояние между входными отдельными волноводами по кривой X1, совпадающее с расстоянием D2 – выходных волноводов по кривой X2. Соответственно расстояние d1 между отдельными исходящими волноводами, расположенными по радиусу вогнутости f1, совпадает с расстоянием d2 – второй линзы с вогнутостью по радиусу f2 для входящих со стороны волноводной решетки каналов. Прошедшие через волноводную решетку волны интерферируют на входах D2 по всей длине X2. Условие интерференции записывается следующим порядком:

где βS и βC – постоянные распространения в линзах и волноводах, m – целое число (1, 2, 3,…), соответствующее порядку дифракции, λ0 – центральная длина волны диапазона WDM. При одинаковых линзах можно записать

волноводной решетки, равный nC = βCk, где k – волновое число для вакуума. При одинаковых размерах линз дисперсионное распределение волн λ во второй линзе будет происходить с относительным интервалом

x NC f2 L ,

где nS – эффективный показатель преломления области линзы и NC – групповой показатель преломления эффективного nC для волноводной решетки (NC = nC − λd2nC/d2λ). Входящие и исходящие волны раздельно с интервалом ∆x = D2 через интервал ∆λ между спектральными каналами WDM попадают в выходные волноводы. При этом требуемое соотношение между разделяемыми волнами должно выполняться по условию

nCd2D2 0

NC f2 L

Число разделяемых спектральных каналов связано с соотношением общей длины искривленной среды X2 и расстояния D2, Nспектр. каналов = X2/D2.

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 характеристик AWG является коэффициент передачи волновых каналов (рис. 8.3), по которой 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 числом спектральных каналов.

274

Рис. 8.3. Коэффициент передачи волновых каналов AWG

Табл. 8.1. Примеры технических характеристик фильтров AWG

Необходимо отметить одну важную детализацию по оценке полосы пропускания спектрального канала AWG, связанную с формой кривой полосы пропускания фильтра. Она может иметь гауссовскую кривую или квазипрямоугольную (рис. 8.4). В конечном итоге это определяет и полосу частот, и величину потерь мощности сигнала в этой полосе (от 2 дБ до 5 дБ).

Рис. 8.4. Пример коэффициентов передачи AWG

275

Реальные дисперсионные искажения в спектральных каналах AWG для хроматической дисперсии не превышают 10 пс/нм, для поляризационной модовой 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 возможности оптического мультиплексирования при необходимости частого доступа к общему групповому спектру каналов оптической сети. Принцип действия этих фильтров демонстрируется на рис. 8.5. Отдельно объединяемые спектральные каналы (λ1, λ3, λ5… и λ2, λ4, λ6…), 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. Примеры 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

276

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 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. 8.8) [105]. 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. 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

277

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 величину 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 неотъемлемыми устройствами для организации соединений оптических каналов и их групп, защиты этих соединений, защиты соединений секций оптического мультиплексирования. Оптические коммутаторы поддерживают широкополосные соединения, например, для диапазонов C, L и селективные (отдельные соединения) в пределах полосы пропускания оптического канала, например, 100 ГГц, 50 ГГц и 25 ГГц в оптических мультиплексорах ROADM и фотонных коммута-

278

торах PXC. Основным используемым видом оптической коммутации на сетях связи служит коммутация оптических волн для каналов и коммутация оптических волокон для широкого спектра волн (в сущности, аналоговая коммутация). К оптическим коммутаторам предъявляются определенные требования, перечисляемые далее: минимальные потери оптической мощности в среде коммутатора; минимальные дисперсионные искажения; отсутствие межканальных переходных помех (подавление более 30 дБ); высокое быстродействие (измеряемое в мс, мкс и нс); возможности для интегрального исполнения; высокий уровень порога нелинейных искажений; коммутация сигналов с мощностью в каналах 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). Последние 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 коммутационные ячейки: 1×2, 2×1, 2×2 (рис. 8.11). Ячейка 2×2 поддерживает два вида соединения («кросс» и «транзит») и может поддерживать разделение сигнала с одного из 2-х входов на два выхода, что позволяет реализовать через коммутатор 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 переключение предполагает подвижные отражательные элементы, волоконные световоды 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 электрооптическом кристалле с волноводными дорожками и электродами управления в виде разветвителей и интерферометров MZ, выполненных по технологии PLC и управляемый электрическим полем, воздействующим на показатель преломления материала между волноводными дорожками; термооптический коммутатор на единой подложке с каналами по технологии PLC, управляемый тем-

279

пературными воздействиями на оптические свойства материалов между волноводными дорожками; жидкокристаллический коммутатор LCD (Liquid Crystal Devices), в котором электрическое поле управляет прозрачностью кристалла или коэф-фициентом его отражения; акустооптический коммутатор управляется акустической волной, порождаемой высокочастотным электрическим генератором (акустооптика Рамана–Ната, Брэгга). Кроме указанных по табл. 8.2 и широко применяемых технологий оптических коммутаторов, могут применяться также коммутаторы электроголографические, на полупроводниковых оптических усилителях (SOA), жидкокристаллические на полимерной основе, селективные на кольцевых резонаторах и др.

Особенностью построения коммутаторов оптических каналов является их мерность, т. е. кроме плоских или 2-х мерных коммутаторов (2D), могут использоваться 3-х мерные пространственные коммутаторы (3D), например, на основе 3-х состояний зеркал MEMS [104].

Табл. 8.2. Оптические коммутаторы

Рис. 8.12. Конструкция микрозеркала MEMS и коммутационная матрица

256×256 [104]

280