Плотное многоволновое уплотнение оптических несущих (DWDM)

Тенденция уменьшения частотного интервала между спектральными каналами до 50 ГГц и даже до 25 ГГц привела к более плотному расположению спектральных каналов в отведенном диапазоне длин волн (1530…1565 нм). Такое уплотнение получило название плотного волнового уплотнения, или DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).

Очевидно, что DWDM вызвано стремлением увеличить количество передаваемых каналов. Отметим также, что в настоящее время аббревиатура DWDM закрепилась и для систем с многоволновым уплотнением, у которых частотный интервал между каналами равен 100 ГГц.

Многоволновое (или спектральное) уплотнение оптических каналов аналогично частотному уплотнению радиоканалов или многоканальных кабельных систем с аналоговым методом передачи. Поэтому для многоволновых оптических систем справедливы те же соотношения, что и для частотного уплотнения указанных систем, для которых защитный интервал между соседними каналами не должен быть меньше, чем двойная верхняя частота модуляции канала. При передаче потоков STM-64 методом DWDM при спектральных интервалах 50 ГГц спектральная ширина линии излучения Д (не должна превышать величину = ±0,04 нм, нестабильность оптической частоты должна быть не хуже ±5 ГГц. В случае передачи методом DWDM цифровых потоков STM-16 допустимые значения ширины спектральной линии могут быть увеличены.

Если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков мультиплексируемых каналов SDH, то такая система работать не будет. Поэтому на входы оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, параметры которых, в особенности спектральные, должны строго соответствовать стандартам, определенным рек. G.692. Такое соответствие достигается благодаря использованию в DWDM специального устройства - транспондера. Это устройство имеет количество оптических входов и выходов, равное числу уплотняемых оптических сигналов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рек. G.957. то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рек. G.692.

Если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частот.

При оптическом уплотнении по длинам волн в оптическом мультиплексоре (ОМ) происходят значительные потери. Так, в системах передачи DWDM 16-ти спектральных каналов потери ОМ на канал составляют 7 … 9 дБ (на одной стороне). С учетом потерь на обеих сторона (на передаче и на приеме) их общая величина составит 14…18 дБ. Такие потери значительно сокращают энергетический потенциал системы, поэтому без оптических усилителей возможна передача на весьма небольшие расстояния - до 50 км для передачи 8-ми каналов. На передаче применяется волоконно-оптический усилитель мощности (BOOSTER).

В системах DWDM, предназначенных для передачи 16-ти и более спектральных каналов, нередко оптические усилители применяют также для каждого канала на выходах транспондера перед тем, как ввести оптические сигналы в соответствующий вход мультиплексора. Это делается по причине больших потерь на канал, вносимых многоканальными мультиплексорами. После мультиплексирования, как уже отмечалось, групповой оптический информационный поток также подвергается усилению в оптическом усилителе. При этом суммарная оптическая мощность группового потока, вводимого в линейное ОВ, может существенно превысить величину 10 мВт.

При такой мощности становится заметным влияние оптических нелинейных явлений, возникающих в ОВ в процессе распространения оптического излучения. Это следующие явления: самомодуляция фазы (SPM) оптической несущей, перекрестная модуляция фазы (СРМ), смешение четырех волн (FWM). Эти явления проявляются начиная с указанной мощности в виде дополнительных шумов и перекрестных помех при многоканальной передаче. Начиная с величин оптической мощности несколько десятков мВт становится заметным также эффект вынужденного рассеяния Бриллюэна SBS, а при мощностях порядка 200 мВт преобладающим становится влияние вынужденного рассеяния Рамана SRS. Величина суммарной оптической мощности в системах DWDM, вводимой в оптическое линейное волокно ограничивается на уровне +17 дБм (50 мВт). Такой уровень обосновывается двумя факторами - допустимым влиянием нелинейных явлений и требованиями безопасности обслуживающего персонала. Величина +17 дБм установлена не окончательно и в последующих вкладах в рекомендации ITU-T увеличена до +23 дБм.

Документами МСЭ, кроме указанных выше сетки оптических частот WDM систем и предельного уровня оптической мощности группового сигнала, установлены также стандарты на структуры соединений линий с WDM. Предложено три варианта структурного построения линий:

1) L (long) - длинная линия с пассивным участком длиной до 80 км и общими потерями до 22 дБ. В такой линии допускается включение до 7-ми промежуточных оптических усилителей при максимальной длине линии до 640 км;

2) V (very) - очень длинная линия с пассивным участком до 120 км и потерями до 33 дБ. При этом допускается включение до 4-х промежуточных оптических усилителей при общей длине линии до 600 км;

3) U (ultra) - сверхдлинная линия, состоящая из одного пассивного участка длиной 160 км без промежуточных усилителей. Максимально допустимое затухание на этом участке составляет 44 дБ.

Из приведенных вариантов понятно, что определения L, V и U относятся к длине пассивного участка.

В приведенных вариантах соединений с помощью оптических усилителей компенсируются потери энергии в ОВ. Однако, длина оптической линии ограничивается не только величиной потерь и скоростью передачи, но и хроматической дисперсией. Это ограничение в значительной степени может быть преодолено путем компенсации хроматической дисперсии с помощью специальных компенсаторов. Компенсаторы хроматической дисперсии могут быть дискретными и протяженными. Основу дискретных компенсаторов составляют дифракционные решетки Брэгга, а протяженные компенсаторы представляют собой отрезки волокна с отрицательной дисперсией.

Создание систем передачи DWDM потребовало разработки целого ряда как активных, так и пассивных квантовых и оптических элементов и устройств с высокостабильными параметрами. Сюда относятся полупроводниковые лазеры с узкой спектральной шириной линии излучения (менее 0,05 нм) при стабильности не хуже ±0,04 нм. Волоконно-оптические усилители должны иметь стабильный коэффициент усиления, малую неравномерность коэффициента усиления (меньше ±0,5 дБ) во всем спектральном диапазоне усиления и ряд других характеристик. Среди пассивных элементов наиболее ответственными являются оптические мультиплексоры / демультиплексоры для большого количества каналов при работе в одном окне прозрачности (1530…1565 нм). Расстройка по частоте или по длине волны этих элементов не должна превышать 0,05 нм. Такая стабильность обеспечивается жесткой температурной стабилизацией этих элементов с точностью не хуже ±1°С.