Содержание
Введение
1. Основы технологии DWDM
1.1 Устройства волновогоуплотнения DWDM
1.2 Модель взаимодействияDWDM с транспортными технологиями
1.3 Классификация WDM наоснове канального плана
2. Сравнение системмультиплексирования и выбор компонентов линии связи
2.1 Параметрымноговолновых мультиплексных линий связи
2.2 Технологиимультиплексирования
2.3 Источники излучения.Лазерные диоды
2.4 Реализация усилителейEDFA
2.5 Выбор одномодовогооптического волокна для проектируемой ВОЛС
3. Влияние дисперсии напараметры проектируемой ВОЛС
3.1 Методы компенсациидисперсии
3.2 Выбор волокна длякомпенсации дисперсии
4. Расчет длинырегенерационного участка
4.1 Расчет длинырегенерационного участка с учетом хроматической дисперсии
4.2 Расчет длинырегенерационного участка с учетом поляризационно-модовой дисперсии (PMD)
4.3 Расчетэксплуатационного запаса по затуханию
4.4 Расчет длины волокнакомпенсации дисперсии
5. Моделирование 8-миканальной DWDM линии с применением системы автоматизированнного проектированияLinkSim
5.1 Описание компонентовмоделируемой ВОЛС и их параметров
5.2 Результатымоделирования 8-ми канальной DWDM
6. Подбор промышленногооборудования для проектируемой ВОЛС
6.1 Характеристикипромышленных мультиплексоров DWDM
6.2 Подбор транспортной системы проектируемойлинии связи
6.3 Подбор оптического кабеля для проектируемойлинии связи
7. Прокладка оптического кабеля
Экономическая часть
Техника безопасности
Заключение
Список литературы
Приложение
Введение
В развитых странах волоконно-оптическаясвязь заняла лидирующее положение среди других средств связи. Ее отличительнойчертой является значительно более высокая скорость передачи информации и болеевысокая надежность по сравнению с проводной электросвязью и радиосвязью. Именноэти качества обусловили быстрое развитие волоконно-оптических систем связи запоследние 10-15 лет. В настоящее время в мире проложено уже более 100 млн. кмтаких линий связи. Более того, все континенты связаны подводнымиволоконно-оптическими линиями связи, общая длина которых превышает 300 тыс. км.Разрабатываются и испытываются волоконно-оптические системы связи новогопоколения с пропускной способностью в десятки и сотни Гбит/с, а в перспективе — до нескольких Тбит/с. Эти системы используют новые принципы передачи информации- оптические солитоны и спектральное разделение каналов, а также принципиальноновую элементную базу, основанную на новых материалах и современныхтехнологиях.
Разработка систем передачи информациинового поколения, прежде всего, вызвана потребностями экономики. Известно, чтодля увеличения вдвое национального валового продукта необходимо обеспечить4-кратное увеличение объема передаваемой информации.
Сегодняшний этап развитияволоконно-оптических систем связи в мире характеризуется серьезным технологическимпрорывом в области элементной базы, позволившим совершить значительный скачок вповышении пропускной способности ВОЛС. На повестке дня стоит вопрос опрактическом внедрении ВОЛС с пропускной способностью 1 Тбит/с и более.
Важнейшими элементамивысокоскоростных волоконно-оптических сетей являются передающие и приемныемодули, модуляторы, широкополосные оптические усилители, компенсаторыдисперсии, демультиплексоры и коммутаторы.
Успехи в технологии созданиявысококачественных источников излучения и фотодетекторов для высокоскоростныхВОЛС позволили удовлетворить практически все современные потребностипользователей и операторов сетей связи в широком диапазоне скоростей.
Наиболее широкое применение вперспективных ВОЛС со спектральным разделением каналов могут найтиперестраиваемые по длинам волн полупроводниковые лазеры. К этим устройствампредъявляются довольно жесткие требования по стабильности спектральныххарактеристик. Основные же усилия разработчиков в настоящее время направлены наснижение стоимости этих устройств с целью обеспечения более высокойконкурентоспособности ВОЛС со спектральным разделением каналов по сравнению сдругими типами ВОЛС, наращивание пропускной способности которых требуетиспользования дополнительных оптических волокон или увеличения скоростипередачи при временном уплотнении каналов.
Дальнейшее развитие ОСП базируется надвух основных концепциях, которые неразрывно связаны между собой. Этомноговолновые системы передачи (DenseWDM). Где имеется несколько передатчиков, сигналы которых поступают наоптический мультиплексор, на приемной стороне происходит обратноепреобразование.
Второй составляющей являются, такназываемые полностью оптические сети (AON). В них используются оптические усилители, наиболее перспективными. изкоторых являются EDFA (Erbium Doped fiber Amplifer).В линии отсутствуют регенераторы,вместо них устанавливаются аналоговые усилители, которые без преобразованияпринятого оптического сигнала в электрический, просто увеличивают его амплитудуи передают дальше. С увеличением протяженности линии падает отношениесигнал/шум, т.к. шумы в линии суммируются и на усилителе их амплитудавозрастает вместе с сигналом. Эта технология обладает очень важнымприемуществом – это отсутствие привязки к скорости и протоколу передачи.
В дипломной работе мне былапоставлены следующие задачи:
1. Изучить основныекомпоненты ВОЛС содержащей DWDM.
2. Изучить основныеметоды мультиплексирования оптических сигналов.
3. Моделировать ВОЛСна Сапре LinkSim, для ее практического применения
- Вероятнотьошибок BER≤10-13.
- Общая длинамагистрали ВОЛС 550.
- Скоростьпередачи 2.5Гб/с.
4. Подобрать дляпроектируемой ВОЛС промышленное оборудование, волокно, тип прокладки ОК.
5. Произвести расчетэкономической эффективности при использовании проектируемой ВОЛС./>
дисперсия линия связь
1. Основы технологии WDM/> 1.1 Устройства волновогоуплотнения WDM Устройство волнового (спектрального) уплотненияWDM — WDM фильтр — выполняет функции мультиплексирования MUX(объединения) или демультиплексирования DEMUX(выделения или фильтрации) оптических сигналов разных длин волн — каналов — водно волокно из множества волокон или из одного волокна в несколько волокон. Напередающей и приемной сторонах могут устанавливаться однотипные устройства, ноработающие в режимах MUX и DEMUXсоответственно. Сам факт существования устройств WDMоснован на свойстве волокна пропускать множество каналов, которыераспространяются по волокну, не взаимодействуя между собой, рисунок 1.1.
Первые устройства WDM появились вначале 90-х годов. В основном это были широко-зонные двухканальные системы сдлинами волн 1310 нм и 1550 нм. В дальнейшем по мере все большего освоения окна1550 нм появляются прецизионные узкозонные WDM устройства с мультиплексируемымидлинами волн, полностью лежащими в окне 1550 нм. Это позволяет строитьпротяженные магистрали с множеством каналов на волокно. Катализатором прогрессастановятся оптические усилители EDFA.Практически вся рабочая область длин волн (pass-band),в которой усилитель EDFA имеет достаточно высокий коэффициент усиления иприемлемое отношение сигнал/шум (1530-1560 нм), отводится в распоряжение системволнового уплотнения. Термин DWDM (dense wavelength division multiplexer) — плотное волновоемультиплексирование — используется по отношению к WDM устройствам с расстояниеммежду соседними каналами 1,6 нм и менее. Для построения многоканальных WDMсистем наряду с пассивными WDM фильтрами также требуются узкополосные лазеры, стабильновыдерживающие нужную длину волны. Пока именно лазеры остаются наиболее дорогимэлементом в таких системах, несколько сдерживая их развитие. В настоящее времяпоставляются системы с числом каналов 4, 8 ,16 и 32. Предполагается рост числамультиплексных каналов до 64.
/>
Рисунок 1.1 Схема оптическогосегмента, использующего передачу мультиплексного сигнала по волокну. />
1.2 Модельвзаимодействия WDM с транспортными технологиями
В настоящее время WDM играетдля оптических синхронных систем ту же роль, что и мультиплексирование счастотным разделением МЧР (FDM) для аналоговых систем передачи данных. По этойпричине системы с WDM часто называют системами оптического мультиплексированияс частотным разделением ОМЧР (OFDM). Однако по сути своей эти технологии (FDM иOFDM) существенно отличаются друг от друга. Их отличие состоит не только виспользовании оптического (OFDM) или электрического (FDM) сигнала. При FDM используетсямеханизм АМ модуляции с одной боковой полосой (ОБП) и выбранной системойподнесущих, модулирующий сигнал которых одинаков по структуре, так какпредставлен набором стандартных каналов ТЧ. При OFDM механизм модуляции,необходимый в FDM для сдвига несущих, вообще не используется, несущиегенерируются отдельными источниками (лазерами), сигналы которых простообъединяются мультиплексором в единый многочастотный сигнал. Каждая егосоставляющая (несущая) принципиально может передавать поток цифровых сигналов,сформированный по законам различных синхронных технологий. Например, однанесущая формально может передавать АТМ трафик, другая SDH, третья PDH и т.д.Для этого несущие модулируются цифровым сигналом в соответствии с передаваемымтрафиком.
Формально для систем WDM не важно,какие методы кодирования и формирования конкретного цифрового сигналаиспользовались. Хотя, как правило, в этих системах и передается однотипныйтрафик, это диктуется используемыми методами синхронизации и единообразиемпроцесса обработки. В отличие от систем SDH транспортируемый сигнал неупаковывается в контейнеры и не подвергается обработке в соответствии соструктурой мультиплексирования SDH для формирования транспортного модуля STM-N,который только и может быть передан через физический уровень в канал связи(среду передачи).
Если упрощенно представитьмногоуровневую модель взаимодействия основных технологий SDH/SONET, ATM, IP(без учета возможности переноса IP через ATM), осуществляющих транспортировкусигнала в глобальных цифровых сетях, и WDM, то до появления последней она имелавид, представленный на рисунок 1.2.а. Модель состояла из трех уровней иоптической среды передачи и показывала, что для транспортировки трафикаверхнего уровня (ATM и IP) по оптической среде передачи он должен быть размещен(инкапсулирован) в транспортные модули STM-N/OC-n технологий SDH/SONET,способные, используя физический интерфейс этих технологий, пройти черезфизический уровень в оптическую среду передачи. Отсюда была ясна необходимостьсоздания технологий инкапсуляции ячеек АТМ, например, в виртуальные контейнерыSDH (ATM over SDH), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET).Этим и занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в такихинститутах, как ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на указанныетехнологии.
После появления систем WDM модельпринимает вид, представленный на рисунок 1.2.б. Теперь модель имеет четыреуровня, не считая оптической среды передачи. Появился промежуточный уровеньWDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющийчерез физический уровень выйти в оптическую среду передачи не только технологииSDH/SONET, но и технологиям ATM и IP. В последнем случае не требуетсяинкапсуляции ячеек ATM или пакетов IP в промежуточный транспортный модультехнологий SDH/SONET, что не только упрощает процедуру обработки итранспортировки трафика, генерируемого системами ATM и IP, но и существенноуменьшает общую длину заголовков (которые пристыковываются по мере прохожденияс верхнего уровня на нижний), повышая процент, занимаемый информационнойсоставляющей трафика, в общей длине передаваемого сообщения, а значит, иэффективность передачи в целом. Естественно, что ATM и IP трафик может бытьпередан и по традиционной схеме с использованием SDH/SONET, трафик которыхможет быть также передан с помощью систем WDM, что сохраняет преемственностьстарых схем транспортировки и увеличивает гибкость композитных системWDM-SDH/SONET в целом.
1.3 КлассификацияWDM на основе канального плана Схема расширенного канальногоплана позволяет предложить следующую схему классификации, учитывающуюсовременные взгляды и тенденции выделять три типа мультиплексоров WDM:
•обычные WDM – МРДВ, •плотные WDM(DWDM) – ПМРДВ, •высокоплотные WDM (HDWDM) – ВПМРДВ.
Хотя до сих пор и нет точных границделения между этими типами, можно предложить, вслед за специалистами компанииAlcatel, некоторые границы, основанные на исторической практике разработкисистем WDM и указанном выше стандарте G.692 с его канальным планом, называемымтакже “волновым планом” или “частотным планом” в зависимости от того,используется ли волновая или частотная шкала канального плана. Итак, можноназывать:•системами WDM – системы с частотным разносом каналов не менее 200ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 16 каналов, •системами DWDM –системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать неболее 64 каналов, •системами HDWDM – системы с разносом каналов 50 ГГц и менее,позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов.
2. Сравнение систем мультиплексирования и выборкомпонентов линии связи
Большинство оптическихкоммуникационных устройств и элементов, применяемых в AON (полностью оптическиесети), используют цифровую передачу сигнала с модуляцией интенсивности, прикоторой бинарной 1 соответствует передача света большой интенсивности, абинарному 0 — передача света низкой интенсивности. Последнее связано с тем, чтооптические усилители EDFA вносят дополнительный шум в усиление оптическогосигнала.
Ниже приведены основные устройства иэлементы, применяемые в AON.
Лазеры и светодиоды. В качествеисточников излучения могут использоваться светодиоды и лазеры. Светодиодырассчитаны на больший диаметр сердцевины волокна (многомодовые волокна), алазеры лучше подходят для передачи сигнала по одномодовому волокну. Типичныезначения спектральной полосы излучения составляют для светодиодов от 20 до 100нм, для многомодовых лазерных диодов от 1 до 5 нм и для одномодовых лазерныхдиодов менее 0,1 нм. Потребляемая мощность для светодиодов — около 10 мВт, ипорядка 1 мВт для лазерных диодов. Выпускаются как недорогие коммерческиеpin-фотодиоды на основе InGaAsP,работающие на длине волны 1300 нм и обеспечивающие скорость передачи до 100Мбит/с, так и специализированные лазеры с распределенной обратной связью (DFB), предназначенные для работы в окне1550 нм и обеспечивающие скорость передачи до 10 Гбит/с.
Волокно. Наибольшее распространениеполучили три типа одномодового волокна: одномодовое волокно со ступенчатымпрофилем (стандартное волокно, standard fiber, SF), волокно со смещенной дисперсией (dispersion shifted fiber, DSF),волокно с ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion shifted fiber, NZDSF),а также два типа градиентного многомодового волокна стандартов 50/125 и62,5/125. В протяженных магистралях применяются исключительно одномодовыеволокна из-за лучших дисперсионных характеристик. Для многоканальноймультиплексной передачи лучше всего подходит волокно типа NZDSF, а наименее удачнымоказалось одномодовое волокно DSF.
Использование многомодового волокнаограничено локальными сетями с характерными длинами сегментов до 2 км. В то жевремя в локальных сетях все чаще начинает использоваться, наряду смногомодовым, и одномодовое волокно, обеспечивающее более высокую полосупропускания. Это связано с падением стоимости лазерных оптических передатчикови возрастающим числом сетевых приложений, требующих большой полосы пропускания,которую может обеспечить только одномодовое волокно.
Приемопередатчики. Выпускаютсяразнообразные приемо-передающие оптоэлектронные модули, предназначенные длясетей FDDI, Fast Ethernet (скорость передачи 100 Мбит/с,частота модуляции 125 МГц), АТМ (STM-1155Мбит/с, частота модуляции 194 МГц), более быстрые для сетей STM-4 622 Мбит/с (частота модуляции 778МГц) и Gigabit Ethernet (1000Мбит/с, частота модуляции 1250 МГц), и еще более быстрые, предназначенные дляпередачи каналов STM-16 (2,5Гбит/с), и, наконец, STM-64(10 Гбит/с).
Пассивные оптические мультиплексоры/демультиплексоры.В настоящее время выпускается огромное число устройств, от простыхмультиплексоров и направленных ответвителей WDM, до сложных устройств, обеспечивающих плотноеволновое мультиплексирование/демультиплексирование (DWDM) с числом каналов до 40 и более.
Оптический мультиплексор собираетнесколько простых сигналов разных длин волн из нескольких волокон вмультиплексный сигнал, распространяющийся по одному волокну. Демультиплексорвыполняет обратную функцию и обеспечивает выделение каналов в отдельные волокнаиз сложного мультиплексного сигнала, представленного множеством каналов иидущего по одному волокну.
Оптические усилители требуются всетях при больших расстояниях между регенераторами. В полностью оптическихсетях широкое распространение получили эрбиевые усилители EDFA, использующие лазер накачки с длинойволны 980 нм или 1480 нм. Работая в диапазоне от 1535 до 1560 нм, они могутобеспечивать усиление входного сигнала на 30-38 дБ в зависимости от его длиныволны. Усилители EDFA не только заменили дорогостоящие оптоэлектронные системырегенерации оптического сигнала, но обеспечили возможность усилениямногоканального WDM сигнала, сокращая число электронных регенераторов напротяженной оптической мультиплексной линии.
Оптические коммутаторы выполняют вполностью оптических сетях ту же функцию, что и обычные электронные коммутаторыв традиционных сетях, а именно обеспечивают коммутацию каналов или коммутациюпакетов. Наряду с простейшим коммутатором 2х2 в настоящее время началипоставляться коммутаторы с числом портов 4х4, 8х8 и 16х16.
Фильтры предназначены для выделенияодного нужного канала из множества мультиплексных каналов, распространяемых вволокне. Поскольку фотоприемники имеют обычно широкую спектральную областьчувствительности, то фильтр необходим для того, чтобы подавить (ослабить)соседние каналы. Наряду с фильтрами, предназначенными для работы наопределенной длине волны, выпускаются также фильтры с перестраиваемой длинойволны. Функции фильтра может выполнять оптический демультиплексор.
Волновые конвертеры предназначены дляпреобразования одной длины волны в другую. Если информационный сигнал в подсети1 был представлен каналом на длине волны, которая уже задействована в другойподсети — подсети 2, то волновой конвертер может преобразовать этот сигнал припереходе из подсети 1 в подсеть 2 на другую свободную в подсети 2 длину волны,обеспечив прозрачную связь между устройствами в разных подсетях.
2.1 Параметрымноговолновых мультиплексных линий связи
Три основных черты магистральноймноговолновых линий связи – высокая частота модуляции сигналов в каналах(высокая битовая скорость), высокая плотность мультиплексных каналов и большиерасстояния сегментов – заставляют более строго подходить к требованиям попередаче информации. Наиболее важные факторы, ограничивающие техническиевозможности оптической линии приведены ниже.
Соотношение сигнал-шум. Для того,чтобы поддержать необходимое отношение сигнал-шум, число последовательных узловEDFA, должно бить ограничено. Оптическиеусилители EDFA вносят шум, и при большом числепоследовательных соединений могут приводить к значительной деградации сигнала.Моделирование без учета влияния дисперсии сигнала в волокне показывает, чтомаксимум 18 каскадов EDFAможет быть установлено между регенераторами при скорости передачи 622Мбит/с сприемлемым для стандарта STM-4соотношение сигнал/шум всего 11 узлов при скорости передачи 2,5Гбит/с судовлетворительным соотношением сигнал/шум. Реальное число каскадов EDFA из-за дисперсионной деградации сигналауменьшается примерно в два раза.
Полоса пропускания усилителей EDFA.Поскольку передаточная характеристика EDFA в рабочей области не плоская дажедля фтор-цирконатных EDFA, то разброс в 2 дБ остается при коэффициенте усиления30 дБ. После 50 каскадов усилений начальная зона в 30 нм сокращается до 10 нм.С этой точки зрения желательно для передачи использовать плотно расположенныеволновые каналы (DWDM) и в областинаибольшего плато. При передаче мультиплексного сигнала, размещенного в широкойзоне EDFA, в случае большого числа каскадов, могут требоваться специальныеэквалайзеры, вносящие затухание на тех длинах волн, соответствующие каналыкоторых испытывают наибольшее усиление.
Поперечные помехи. Поперечные помехимогут быть как межзонными, так и внутризонными. Межзонные помехи возникаютмежду двумя различными длинами волн и обычно не носят кумулятивный характер,поскольку существует множество фильтров в сети. Для их подавления достаточнопоставить соответствующий узкозонный фильтр перед оптическим приемником.Внутризонные помехи значительно сложнее контролировать. Они могутнакапливаться, и простым способом их подавить невозможно. Анализ показывает,что чувствительность фильтра должна быть более, чем на 20 дБ ниже для соседнейдлины волны, чтобы минимизировать эффект внутризонных помех. Внутризонныепомехи могут включать когерентные биения. При расчете и создании архитектурполностью оптических сетей следует оценивать вклад от внутризонных помех.Простые фильтры типа Фабри-Перо не имеют достаточно резкой передаточнойхарактеристики, чтобы уменьшить внутризонные поперечные помехи.
Линейная дисперсия волокна. Основнымфактором является систематическое накопление хроматической дисперсии водномодовом волокне, которая для волокна типа NZDSF может достигать 5-6 пс/нм в расчете на 1 км. Полнаядопустимая величина дисперсии в оптическом сегменте между регенераторамизависит от стандарта.
Нелинейная дисперсия EDFA.Использование оптических усилителей позволяет компенсировать потери мощности вволокне, но это создает дополнительные нелинейности — хвосты в спектральномпредставлении сигнала (волнового пакета), несущие меньшую мощность испытываютбольшее усиление по сравнению с центральной частью пакета, приводя к появлениюнелинейной дисперсии. Увеличение пролетов между каскадами EDFA, и,соответственно, уменьшение числа самих каскадов, снижает нелинейную дисперсию,но усиление более слабого сигнала приводит к уменьшению соотношения сигнал/шум.
Поляризационная модовая дисперсия (PMD). Эта дисперсия возникает в волокне из-занеидеальной циркулярности реального волокна. Практически PMD начинает вноситьограничение на длину безрегенерационного участка только при очень большойскорости передачи на канал (10 Гбит/с). При этом максимальное значение PMD влинии не должно быть больше 1/10 от битового интервала. PMD нелинейно зависитот расстояния L (как L-1/2), поэтому растет медленнее с ростом расстояния.
Стимулированное Рамановскоерассеяние. Этот нелинейный эффект, также известный как спонтанноекомбинационное рассеяние, связан с рассеянием света на колебанияхполяризованных молекул волокна. Под действием света большой интенсивностипроисходит поляризация совершающих тепловые колебания молекул, при этом сампадающий свет испытывает рассеяние, трансформируя часть своей энергии как втрадиционный рэлеевский компонент (на частоте падающего света н), так и в двабоковых нелинейных компонента: стоксовый (на частоте н -д) и антистоксовый (начастоте н +д), где д- частота колебаний молекул в волокне.
Именно два нелинейных компонента приводятк поперечным помехам между каналами в мультиплексном сигнале и, в конечномитоге, к его деградации. Из-за этого, в частности при мощности передатчика 0дБм и межканальном интервале 4 нм, только 8 каналов можно мультиплексироватьпри протяженности линии 1000 км, и только 4 канала при протяженности 8000 км .
Четырехволновое смешивание — FWM. Природа нелинейного эффекта FWM связана с наличием слабойзависимости показателя преломления волокна от интенсивности распространяемогопо нему света, в результате чего из двух волн с частотами нi и нj появляется две новые волны с частотами нk и нl причем нi + нj = нk + нl как того требует закон сохранения энергии. При попаданииновых волн в спектральные области существующих каналов будут иметь местопоперечные помехи между каналами. Влияние поперечных помех из-за FWM увеличиваетсяс приближением хроматической дисперсии к нулю и максимально в окрестности точкинулевой дисперсии. Наиболее сильно подвержены влиянию FWM волокно с нулевой смещенной дисперсией DSF – длина волны нулевой дисперсии уэтого волокна попадает в рабочую область усиления EDFA.
Итак технические параметры оптическихсистем – протяженность сегментов, число мультиплексных каналов в одном волокне,интервалы между каналами, битовая скорость и др. Для увеличения транспортныхсвойств следует руководствоваться следующими критериями:
— уменьшать интервалы между каналами(при необходимо принимать во внимание, что в волокно DSF сильные поперечные помехи в каналах могут возникатьиз-за FWM по мере приближения к точке нулевойдисперсии);
— минимизировать число длин волн припротяженных пролетах и большом числе каскадов EDFA;
— стремиться не делать очень большоймощность вводимого излучения – в противном случае, все нелинейные эффектыначинают проявляться особенно сильно (новое волокно фирмы Coning LEAF с большим диаметром модового поля позволяет уменьшитьвлияние нелинейных эффектов при сохранении прежней мощности, вводимой вволокно, поскольку интенсивность излучения на единицу площади сечениясердцевины уменьшается);
— использовать оптические усилители сбольшой мощностью насыщения;
— по возможности, уменьшать числооптических компонентов, вносящих потери.
2.2 Технологии мультиплексирования
Тонкопленочные фильтры.
Тонкопленочныйфильтр состоит из нескольких слоев прозрачного диэлектрического материала сразличными показателями преломления, нанесенных последовательно друг за другомна оптическую подложку. На каждой границе раздела между слоями из-за различияих показателей преломления часть падающего светового пучка отражается обратно.Этот отраженный свет усиливает или подавляет падающий (отраженная волнаинтерферирует с падающей) в зависимости от длины волны. Надлежащим образомподобрав показатель преломления и толщину каждого слоя, можно получить фильтр,который будет пропускать любой заданный диапазон длин волн и отражать всеостальные
Методы выбора параметров итехника нанесения диэлектрических слоев хорошо известны в оптическойпромышленности десятки лет. Выбор диэлектрических материалов ограничен, так какмногие материалы с хорошими оптическими свойствами имеют физические качества,далекие от требуемых. В общем случае, чем жестче требования к фильтру, тембольшее число слоев необходимо нанести на подложку. Несмотря на имеющиесясложности, эта технология позволяет, незначительно изменяя процесспроизводства, создавать недорогие фильтры с различными специальнымиспектральными свойствами.
В мультиплексорах идемультиплексорах используются обычно одноступенчатые тонкопленочные фильтры,каждый из которых выделяет из составного сигнала (или добавляет в него) одинканал. Фильтры расположены под наклоном к оптической оси, чтобы отраженный светне попадал обратно в систему. Наклонное расположение фильтров изменяетэффективную толщину слоев и меняет таким образом полосу пропускания, чтонеобходимо учитывать при проектировании фильтров. Для обработки многоволновыхсигналов используют многоступенчатые системы фильтров, в которых свет,отраженный от каждого фильтра, попадает на вход следующего фильтра, что придаетисключительную важность вопросу их выравнивания (рис. 2.2).
/>
Рисунок 2.2 Многоступенчатаясистема тонкопленочных фильтров для демультиплексирования составного сигнала.
Тонкопленочные фильтры имеютдостаточно узкую полосу пропускания и используются в системах WDM с 16-ю или32-мя каналами. В современных системах с более плотным расположением каналовиспользуют другие технологии.Волоконные брэгговские решетки.
Волоконная брэгговская решетка – это,по сути, оптический интерферометр, встроенный в волокно. Волокно, легированноенекоторыми веществами (обычно германием), может изменять свой показательпреломления под воздействием ультрафиолетового света. Если облучить такоеволокно ультрафиолетовым излучением с определенной пространственнойпериодической структурой, то волокно превращается в своего рода дифракционнуюрешетку. Другими словами, это волокно будет практически полностью отражать светопределенного, наперед заданного диапазона длин волн, и пропускать свет всехостальных длин волн.
/>
Рисунок 2.3 Волоконная брэгговскаярешетка выделяет из составного сигнала канал определенной длины волны.
Если структура не вполне периодическая,и период модуляции ее показателя преломления изменяется монотонно (происходитчирпирование), то получается дифракционная решетка с линейно изменяющимсяпериодом. Такие решетки используются для компенсации хроматической дисперсии вволоконной линии связи или для коррекции чирпированного сигнала лазерногоисточника.
Центральная длина волны фильтра наоснове регулярной волоконной брэгговской решетки определяется ее периодом,полоса пропускания обратно пропорциональна ее длине. Оба этих параметра зависятот температуры, поэтому такие фильтры должны быть помещены в термостат илидругое устройство, контролирующее температуру.
Волоконная брэгговская решетка можетиспользоваться как оптический фильтр в устройствах мультиплексирования идемультиплексирования, как компенсатор хроматической дисперсии, или вкомбинации с циркуляторами в мультиплексорах ввода/вывода каналов.
/>
Рисунок 2.4 Использованиеволоконных брэгговских решеток в мультиплексорах ввода/вывода каналов.
В мультиплексорах ввода/выводаканалов волоконная брэгговская решетка может использоваться вместе с двумяциркуляторами, редко используются в пассивных компонентах систем DWDM сами посебе. Со стороны порта вывода канала циркулятор выделяет отраженную волну инаправляет ее в порт вывода (рис. 2.4, слева). Со стороны порта вводациркулятор добавляет в передаваемый составной сигнал один канал на той же длиневолны, что была выделена (рис. 2.4, справа). Такие устройства часто используютсяна границе между магистральным каналом и сетью городского или региональногомасштаба. В магистральном канале обычно очень много длин волн, в то время как вгородских или региональных сетях их намного меньше.
Волоконные брэгговские решетки впоследнее время также стали использоваться в устройствах мультиплексирования идемультиплексирования вместе с интерферометрами типа Маха-Цендера и вкомбинации с другими типами фильтров.
Наряду с мультиплексорами идемультиплексорами, рассмотренная технология узкополосной фильтрации оптическихканалов также используется для выравнивания спектра сигнала перед усилителямиEDFA, для стабилизации длины волны и в волновых стабилизаторах.Дифракционные решетки.
Наиболее распространенные в оптикеобычные дифракционные решетки отражают световой пучок под разными углами вплоскости падения, причем угол, в которых отраженный свет достигаетмаксимальной интенсивности, зависит от длины волны. В дифракционных решеткахиспользуется тот же физический принцип, что и в тонкопленочных фильтрах –подавление или усиление света за счет интерференции падающих и отраженных волн(рис. 2.5).
/>
Рисунок 2.5 Отражение составногосигнала дифракционной решеткой.
Представим, что в падающем светеприсутствует излучение разных длин волн. Можно выбрать угол падения такимобразом, что волны определенной длины при отражении от отдельных линий решеткибудут отличаться по фазе друг от друга ровно на одну длину волны. В этом случаевсе отраженные волны будут усиливать друг друга. Такой угол будет угломмаксимального пропускания для заданной длины волны падающего света.
В устройствах мультиплексирования идемультиплексирования дифракционные решетки располагаются на пути света такимобразом, чтобы сигнал нужной длины волны мог быть выделен из составного сигналаили добавлен в него. Хотя устройства на основе дифракционных решеток дороги исложны в производстве, вносимые ими потери практически не зависят от числаканалов, что делает эту технологию одной из наиболее привлекательных дляиспользования в системах с большим числом каналов. Однако при этом требуетсятщательно контролировать поляризацию падающего оптического излучения.
Технология, использующаядифракционную решетку на массиве волноводов.
В основе первой из них(см. рис. 2.6) положен обобщенный принцип инетерферометра Маха-Цендера.Мультиплексор AWG состоит из двух многопортовых разветвителей (входного ивыходного), соединенных массивом планарных оптических волноводов (МПОВ). Длинакаждого волновода Li отличается от соседних на фиксированную величину DL,
Li = Li-1 + DL, Li+1 =Li + DL.
Следовательно, каждуюпару волноводов вместе с входным и выходным разветвителями можно рассматриватькак интерферометр Маха-Цендера. AWG в целом — как обобщенный интерферометрМаха-Цендера, т.е. устройство, генерирующее n копий входного сигнала (с помощьювходного разветвителя), распространяющихся в одинаковых средах различной длины,и складывающее эти сигналы, пришедшие с разным фазовым запаздыванием, на выходе(с помощью выходного разветвителя).
AWG может использоваться какмультиплексор (n:1) осуществляющий объединение n входных сигналов с группывходных портов li1, li2 ,…, lin в один выходной — li0, или демультиплексор(1:n ), осуществляющий разбиение входного потока l0= Sli (i =1,2,… n) наотдельные несущие l01, l02 ,…, l0n и подачу их на группувыходных портов n.
Эту схему конечно можнобыло реализовать с помощью соединения n/2 MZI, однако схему AWG проще реализовать в видепланарной схемы с помощью интегральных оптических технологий, так как входной ивыходной разветвители и массив волноводов реализуются на одной кремниевойподложке. Волноводы реализуются в виде планарных оптоволоконные световодов(диоксид кремния, легированный Ge или Та), сформированных на этой же подложке.32-канальные AWG производятся промышленностью в виде готовых модулей, отличающихсямалыми габаритами и средним уровнем вносимых потерь (см табл 2.1). Ихтемпературный коэффициент достаточно высок (0,01 нм/С), что требуетиспользования стабилизаторов температуры.
Схема мультиплексированияWDM на основе дифракционнойрешетки на массиве волноводов: а) схема мультиплексора с одним разветвителем иотражательным зеркалом; б) схема мультиплексора с входным и выходнымразветвителями; в) конструкция входного разветвителя по схеме с кругомРоуленда.
Принцип работымультиплексора A WG. Допустим, что он имеет входной nхm и выходной mхn разветвители,соединенные массивом из m световодов, длина которых отличается на DL, т.е. Li+1 = Li + DL.Входной разветвитель расщепляет сигнал с любого входного порта i на m входовмассива световодов, пусть это будет световод k. Пусть далее выходнойразветвитель соединяет любой из m выходов массива световодов с выходным портомj. Тогда общий путь, проходимый светом от порта i до порта j через световод k равен Dikj = (dik + Lk + dkj). Длина Lk = L1 + ( k-l )DL,где L1 длина минимального(первого) световода. Пусть аналогично длина dik = dt + (k — l)ddi, a
dkj = dj + (k-l )ddj,
где di и dj минимальные пути путимежду входными/выходными портами разветвителей и входами/выходами световодов.Тогда относительные фазы сигналов, проходящих от порта i до порта j через любой световод k, т.е. k-1,2,… ,m, равны:
jikj = 2pn1(di+ dj)/l + 2p (k-l) *{n1(ddii+ ddj) + n2 DL}/l (1)
Здесь n2 и n1 — коэффициенты преломления материала световодов (n2) и входного ивыходного разветвителей (n1).
Первое слагаемое в (1)постоянно, второе — дает изменение относительной фазы djikj. Те из волн, проходящихпо пути Dikj, для которых {n1(ddi+ ddj) + n2 DL } = рlбудут складываться в фазе на выходе j, a, следовательно, несущая l будет демодулироваться.Указанное условие будет выполняться (но для другого l ), если заменить р на р+1, т.е. будет демодулироваться l' и т. д. Это говорит отом, что:
-АВХ мультиплексора AWG имеет периодическую,гребенчатую форму;
-все длины волн системы WDM должны лежать всоответствующем свободном спектральном диапазоне FSR.
Указанные свойстванапоминают нам интерферометрический фильтр на резонаторе Фабри-Перо, а физикаработы говорит о том, что массив световодов с длиной каждого, отличающейся отсоседних на DL, играет роль дифракционной решетки, что делает понятным егоназвание мультиплексор на основе дифракционной решетки на массиве волноводов.
Для понимания работыэтого широко используемого типа мультиплексоров WDM интересно сделатьнекоторые замечания, касающиеся некоторых деталей конструкции мультиплексора,играющих важную роль в выполнении условий фильтрации (сложения в фазекомпонентов сигнала на выходе) поясняемых рис. 2.6, в именно:
-входы массива световодов(выходные порты входного разветвителя) лежат на окружности решетки волноводовОРВ (grating circle) радиуса R с центром в точке входа центрального входного волновода;
-входы других входныхволноводов лежат на окружности (вписанной в ОРВ между ее центром и точкойкасания общей касательной) диаметра R; эта окружность называется кругом Роуленда;
-шаг распределениявходных ОВ и массива световодов постоянен в направлении касательных в точках,между которыми вписан круг Роуленда;
-длина дуги ОРВ,занимаемая входами массива световодов, должна быть много меньше R;
-при соблюдениивышеперечисленного длина пути между любым входом входного разветвителя и еголюбыми двумя последовательными выходными портами постоянна;
-при соблюдениивышеперечисленного диапазон FSR примерно постоянен и не зависит от выбора парывход-выход (i-j) мультиплексора.
Для сокращения размеровмультиплексора вдвое и экономии компонентов можно использовать схему Литтроудля компоновки мультиплексора, разрезав его схему на рис. 2.6, б пополам ипоместив в плоскости разреза зеркало (см. рис. 2.6, а). Потоки несущих с выходамассива световодов будут отражаться зеркалом и подаваться со стороны внутреннихвыходных портов единственного разветвителя в тот же волновод разветвителя, гдебудет происходить интерференция входных и отраженных волн. Входной порт долженразмещаться при этом в центральном входном порту разветвителя.
Технология трехмерного оптическогомультиплексирования (3DO).
3DO технология также используетклассическую схему с плоской отражательной дифракционной решеткой (1), вогнутымзеркалом (2) и массивом волокон (3) (см. рисунок 2.7), размещенных в пазахрешетки с фиксированным шагом. Схема работы (в режиме демультиплексора) проста:мультиплексированный поток из входного волокна (А), расходясь конусом с углом,(отражается от зеркала и падает на дифракционную решетку, отражающую подразными углами свет разной длины волны. Эти дифрагированные лучи, отражаясь отзеркала, фокусируются в определенных точках, где и должны быть расположеныприемные порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие. Для примерапоказано выделение одного такого канала, конус лучей которого (с тем же углом() фокусируется в точке В (порте выходного волокна).
Все элементы конструкции строгофиксированы в стеклянном блоке (4), что позволяет выдержать и сохранять высокуюточность изготовления. Указанная конструкция может быть использована как спараболическим, так и сферическим зеркалами, имеет коэффициент увеличенияравный 1. Она афокальна (т.е. не имеет фокуса), так что все исходящие ивходящие в волокна углы одинаковы. ОМ волокна укладываются в канавкиспециальной решетки. Конструкция позволяет использовать до 131 канала с шагом 1нм или до 262 каналов с шагом 0,5 нм.
Во всех указанных решениях процедурамультиплексирования предполагается обратной по отношению к рассмотреннойпроцедуре демультиплексирования. Параметры мультиплексоров WDM, реализованныхна основе указанных технологий, сведены в таблицу, приведенную ниже.
Таблица 2.1 Сравнение различныхтехнологий оптического мультиплексирования. Технология I/O AWG I/O CG 3-D Optics Максимальное число каналов 32 78 262 Разнос каналов (нм) 0,1 – 15 1 — 4 0,4 – 250 Вносимые потери (дБ) 6 – 8 10 — 16 2 – 6 Переходное затухание (дБ) -5- -29 -7 — -30 -30 — -55 Чувствительность к поляризации, % 2 2 — 50
Из таблицы 2.1 видно, что технология3-D Optics WDM имеет преимущество по четырем из пяти параметров и может бытьиспользована в системах WDM до уровня HDWDM с разносом каналов не меньше 0,4нм.
2.3 Источники излучения. Лазерные диоды
Четыре типа лазерных диодов получилинаибольшее распространение: с резонатором Фабри-Перо; с распределенной обратнойсвязью; с распределенным брегговским отражением; с внешним резонатором.
Лазерные диоды с резонаторомФабри–Перо (FP-лазеры).
Резонатор в таком лазерном диодеобразуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенныйпереход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близкимк 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выводизлучения наружу. Для усиления света определенной длины волны необходимовыполнение двух условий. Первое, длина волны должна удовлетворять соотношению 2D = Nл, где D — диаметр резонатора Фабри-Перо, а N — некоторое целое число.Второе, длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет можетусиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, тоимеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случаев область Дл0,5 могут попасть два или более соседних максимумов, чтосоответствует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до несколькихнм. FP лазер имеет далеко не самые высокиетехнические характеристики, но для тех приложений, где не требуется оченьвысокая скорость передачи данных, он, в силу более простой конструкции,наилучшим образом подходит с точки зрения цена-эффективность.
Следует отметить, что даже в том случае,когда соседние максимумы малы, то есть когда реализуется одномодовый режимизлучения и Дл мало, с ростом скорости передачи у FP лазера наблюдаетсяперераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту — динамическому уширению спектра Дл (до 10 нм при частоте модуляции 1-2 ГГц).Этот эффект отсутствует у перечисленных трех других более совершенных типовлазерных диодов, отличающихся способом организации оптического резонатора, иявляющихся в некоторой степени модернизацией простого резонатора Фабри-Перо.
Лазерные диоды с распределеннойобратной связью (DFB лазер) и сраспределенным брэгговским отражением (DBR лазер).
Резонаторы у этих двух довольносхожих типов представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, вкоторой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFBлазерах периодическая структура совмещена с активной областью, а в DBR лазерахпериодическая структура вынесена за пределы активной области. Периодическаяструктура влияет на условия распространения и характеристики излучения. Так,преимуществами DFB и DBR лазеров по сравнению с FP лазером являются: уменьшениезависимости длины волны лазера от тока инжекции и температуры, высокаястабильность одномодовости и практически 100-процентная глубина модуляции.Температурный коэффициент Дл / ДТдля FP лазера порядка 0,5-1 нм/°С, в то времякак для DFB лазера порядка 0,07-0,09 нм/°С. Основным недостатком DFB и DBRлазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, болеевысокая цена.
Лазерный диод с внешним резонатором(ЕС лазер).
В ЕС лазерах один или оба торцапокрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одноили два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры.Антиотражательное покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на четырепорядка, в то время как другой торец активного слоя отражает до 30% световогопотока благодаря френелевскому отражению. Зеркало, как правило, совмещаетфункции дифракционной решетки. Для улучшения обратной связи между зеркалом иактивным элементом устанавливается линза. Увеличивая или уменьшая расстояние дозеркала, а также одновременно разворачивая зеркало-решетку, — это эквивалентноизменению шага решетки — можно плавно изменять длину волны излучения, причемдиапазон настройки достигает 30 нм. В силу этого, ЕС лазеры являютсянезаменимыми при разработке аппаратуры волнового уплотнения и измерительнойаппаратуры для ВОЛС. По характеристикам они схожи с DFB и DBR лазерами.
2.4 Реализация усилителей EDFA
Рассмотрим более подробнопростую реализацию EDFA. Ее можно представить в виде следующей схемы,
Схема состоит издвухканального волнового мультиплексора WDM (оптическогоразвет-вителя), к одному каналу которого подключено через оптический фильтр-изоляторОФИ-1 волокно — источник информационного сигнала 1550 нм, к другому — лазерныйдиод накачки ЛД, генерирующий сонаправяенную волну накачки 980 или 1480 нм. Свыхода мультиплексора сигнал подается в кольцо специального ОВ, легированногоэрбием. Длина волокна в кольце 15-20 м. Усиленный в кольце сигнал 1550 нмявляется выходным сигналом усилителя, который снова подается в волокно черезоптический изолятор ОФИ-2. Дополнительные оптические фильтры-изоляторы на обоихконцах легированного ОВ ставятся для предотвращения распространения света вобратном направлении, которое может привести к осцилляции излучения лазера.
Практические ОУ имеютнекоторые особенности, которые не видны из этой схемы :
— легированное ОВ имеетменьший диаметр сердечника (порядка 2 мкм), чем стандартное ОМ ОВ, дляувеличения плотности пучка благодаря сужению на переходе из стандартного влегированное ОВ, что позволяет увеличить эффективность процессов возбуждения иусиления;
— допускается большоезатухание легированного ОВ (порядка 10 дБ/км), вызванное значительнойконцентрацией примеси;
— используется каксонаправленное, так и противонаправленное включение пучка накачки, последнеепозволяет примерно на 2 дБ увеличить усиление (при этом примерно на 1 дБувеличивается шум);
— для получения болееустойчивой работы лазера накачки (отсутствие осцилляции) используютсяспециальные фильтры-стабилизаторы на основе, например, оптоволоконной решеткиБрэгга*;
— для получения болееширокой полосы усиления и уменьшения неравномерности коэффициента усиления(создания «плоской» волновой характеристики") в них используютсяспециальные выравнивающие устройства, например оптоволоконные решетки Брэгга;для увеличения усиления наряду с однокаскадными ОУ с одним лазером накачкиразрабатываются и выпускаются ОУ с двумя лазерами накачки (которые теоретическиможно рассматривать как двухкаскадные при наличии двойного комплекта основныхблоков), а также двух-каскадные усилители с дополнительным выходом/входом междукаскадами.
Практическая реализацияоптических усилителей.
Только два типаусилителей нашли в настоящее время широкое применение в оптических сетях связи,это ППОУ и EDFA.
Указанные ОУ пофункциональному назначению можно разбить на четыре группы :
— мощные усилители — МУ(бустеры), устанавливаемые непосредственно за передатчиком; их особенность втом, что они работают с большим сигналом на входе, обеспечивают максимальнодопустимое усиление и высокий уровень сигнала на выходе (-10 дБм и выше) и некритичны к уровню шумов;
— линейные усилители — ЛУ, устанавливаемые на линии в качестве повторителей; их особенность в том, чтоони работают с сигналом среднего уровня на входе, обеспечивают необходимыйуровень сигнала на выходе и критичны к уровню шумов, который ограничивает общуюдлину регенерационного участка системы;
— предусилители — ПУ,устанавливаемые непосредственно перед приемником; их особенность в том, что ониработают с сигналами очень низкого уровня (от -45 до -30 дБм) и потому оченькритичны к уровню шума усилителя;
Указанные типы ОУ, ихобозначения и положение в схеме оптической системы связи показаны ниже:
В свою очередь, ЛУделятся на ЛУ первого поколения, ЛУ-I, и ЛУ второго поколения, ЛУ-Н. ЛУ-I может быть однокаскаднымили двухкаскадным, но он не имеет дополнительного входа между каскадами. ЛУ-П — Двухкаскадный и имеет такой вход, что дает возможность для его более гибкогофункционального использования: позволяет осуществлять внутреннюю коммутацию иразличные функциональные преобразования (например, компенсацию УСИ, установкумодуля компенсации дисперсии, ввод/вывод одного из усиливаемых каналов всистемах WDM и др.). Это дает возможность уменьшить количество илиноменклатуру используемого оборудования, а значит, и упростить возможноерешение.
2.5 Выбор оптического волокна дляпроектируемой ВОЛС
Волокно SF. В начале 80-х годов передатчики на длину волны 1550 нмимели очень высокую цену и низкую надежность и не могли конкурировать на рынкес передатчиками на длину волны 1300 нм. Поэтому стандартное ступенчатое волокноSF (рис. 2.13 а) стало первымкоммерческим волокном и сейчас наиболее широко распространено втелекоммуникационных сетях. Оно оптимизировано по дисперсии для работы в окне1310 нм, хотя и дает меньшее затухание в окне 1550 нм.
Волокно DSF. По мере совершенствования систем передачи на длиневолны 1550 нм встает задача разработки волокна с длиной волны нулевойдисперсии, попадающей внутрь этого окна. В итоге в середине 80-х годовсоздается волокно со смещенной дисперсией DSF, полностью оптимизированное дляработы в окне 1550 нм как по затуханию, так и по дисперсии. На протяжениимногих лет волокно DSF считается самым перспективным волокном. С приходом болееновых технологий передачи мультиплексного оптического сигнала большую рольначинают играть эрбиевые оптические усилители типа EFDA, способные усиливать многоканальный сигнал. Ксожалению, более поздние исследования (в начале 90-х годов) показывают, чтоименно длина волны нулевой дисперсии (1550 нм), попадающая внутрь рабочегодиапазона эрбиевого усилителя, является главным потенциальным источникомнелинейных эффектов (прежде всего, четырехволнового смешивания), которыепроявляются в резком возрастании шума при распространении многоканальногосигнала.
Дальнейшие исследования подтверждаютограниченные возможности DSF при использовании в системах WDM. Чтобы избежать нелинейных эффектовпри использовании DSF в WDMсистемах, следует вводить сигнал меньшей мощности в волокно, увеличиватьрасстояние между каналами и избегать передачи парных каналов (симметричныхотносительно l0).
Четырехволновое смешивание — этоэффект, приводящий к рассеянию двух волн с образованием новых нежелательныхдлин волн. Новые волны могут приводить к деградации распространяемогооптического сигнала, интерферируя с ним, или перекачивать мощность из полезноговолнового канала. Именно из-за эффекта четырехволнового смешивания стало ясно,что необходимо разработать новый тип волокна, в котором l0располагалось бы вдали, то есть, по одну сторону(левее или правее) от всех возможных каналов.
Волокно NZDSF создается в начале 90-х годов с целью преодолетьнедостатки волокна DSF, проявляющиеся при работе с мультиплексным оптическимсигналом. Известное также как л-смещенное волокно, оно имеет особенность в том,что длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы полосы пропускания эрбия.Это уменьшает нелинейные эффекты и увеличивает характеристики волокна припередаче DWDM сигнала.
/>
Рисунок 2.14 Хроматическая дисперсия волоконв окне 1550 нм.
Две марки л- смещенного волокна,появившиеся несколько лет назад, широко используются сегодня:
— волокно True Wave фирмы Lucent Tec., и волокно SMF-LS фирмы Corning.Оба имеют ненулевую дисперсию во всем диапазоне полосы пропускания эрбия.Волокно True Wave обеспечивает положительную дисперсию при точке нулевойдисперсии в районе 1523 нм, в то время как SMF-LSобеспечивает отрицательную дисперсию с точкой нулевой дисперсией чуть выше 1560нм. В начале 1998 года фирма Corningвыпустила еще одну марку л- смещенного волокна – LEAFтм.
Сравнительный анализ основныххарактеристик волокон True Wave, SMF-LS и LEAFтм приведенв таблице 2.2.
Таблица 2.2 Основные характеристикиодномодовых волокон.Характеристики SMF-28 True –Wave SMF-LS
LEAFтм Max.затухание на длине волны 1550нм(дБ/км) ≤ 0.20 ≤ 0,20 ≤ 0.25 ≤ 0.20 Затухание на сухом стыке (дБ) при1550 нм ≤ 0.1 ≤ 0.1 ≤ 0.1 н/д Хроматическая дисперсия в зоне ненулевой дисперсии Min (пс/нм*км) н/д 0.8 н/д 1 Max(пс/нм*км) 20 4.6 -3.5 6
Наклон ненулевой дис-персии S0(пс/(нм 2*нм) н/д ≤ 0.095 ≤ 0.092 н/д
Длина волны ненулевой дисперсии л0(нм) н/д ≤ 1540 ≥ 1560 н/д Диаметр поля моды (нм) при 1500нм 10.5 ± 1.06 8.4 ± 0.6 8.4 ± 0.5 9.5 ± 0.5
Кабельная длина волны отсечки лccf (нм) н/д ≤ 1260 ≤ 1260 н/д Поляризационая модовая дисперсия (пс/√км)
≤ 0.5 при
1550 нм
≤ 0.5 при
1550 нм
≤ 0.5 при
1550 нм ≤ 0.08
н/д- нет данных
По дисперсионнным характеристикамволокно LEAF близко к волокну True Wave. Главной отличительной чертой этого волокна посравнению с тремя предыдущими является большая эффективная площадь длясветового потока – диаметр модового поля возрос на 1 мкм. Величина этогопараметра становится весьма важной для оптимизации систем диапазона 1550 нм.Больший диаметр медового пятна позволяет увеличить уровень мощности излучениявводимого волокна на 2 дБ, сохраняя при этом влияние ряда нелинейных эффектов,в особенности четырехволнового смешивания, на прежнем уровне.
Современные тенденции развитиясредств телекоммуникационной связи свидетельствуют о перспективности системпередачи по волокну, в которых совмещаются временное мультиплексирование -TDMмультиплексирование (STM-16на 2,4 Гбит/с и STM-64 на 10 Гбит/с)в пределах одной длины волны и волновое мультиплексирование WDM.
Хотя и последователи технологииволнового мультиплексирования (Lucent,MIT, Fujitsu и др.) уже широко тестируют в рамках испытательныхсетей мультиплексирование 32 и более каналов в расчете на одно волокно,добившись уже скорости передачи 40 Гбит/с на расстояния в несколько сотен км, вближайшей перспективе видится меньшее количество мультиплексных каналов (до 16при скорости передачи до 2,4 и 10 Гбит/с) в крупномасштабном индустриальномприменении в телекоммуникационных сетях.
Инсталляция новых кабельныхсегментов, или наращивание существующих с учетом перехода на скорости передачи2,4 и 10 Гбит/с может осуществляться с использованием трех перечисленных видовволокон. При выборе волокна следует учитывать такие факторы, как общаястоимость проекта, требуемые емкости каналов, надежность, сложность системы идр.
В контексте эволюции ВОЛС ключевымипараметрами становятся методики, используемые для коррекции дисперсии вволоконно-оптических системах. Коррекция дисперсии позволяет увеличивать длинуволоконно-оптических TDMсистем, ранее ограниченных из-за большой дисперсии, и одновременно избежатьвлияния такого эффекта, как четырехволновое смешивание. Три методики коррекциидисперсии:
-использование волокон скомпенсирующей дисперсией DCF (dispersion-compensating fibers). Положительная дисперсия, накопленная на одномучастке с использованием стандартного волокна SF, может компенсироваться последующим примыкающим сегментом наоснове волокна DCF с заранее подобранным значением отрицательной дисперсии, врезультате чего итоговая хроматическая дисперсия может быть приближена к нулю.Компенсация хроматической дисперсии допустима в силу систематического характеранакопления дисперсии с ростом длины;
-использование оптических лазерныхпередатчиков с очень узкой спектральной шириной (0,1 нм и менее), способныхмодулировать излучение на частотах в несколько ГГц;
-использование волокон типа NZDSF, в которых «сдвигается»длина волны нулевой дисперсии за пределы окна 1550 нм, в результате чегодисперсия становится достаточно большой, чтобы подавить эффект четырехволновогосмешивания, в то же время достаточно малой, чтобы поддерживать распространениесигнала высокой емкости (высокой частоты модуляции) на большие расстояния.
Сегменты на основе волокна SF безиспользования коррекции дисперсии допускают протяженность до 90 км (прискорости передачи 2,4 Гбит/с). Первые две методики коррекции дисперсии,применяясь отдельно друг от друга или в комбинации, позволяют увеличитьпротяженность сегментов до 140 км при сохранении прежней скорости передачи,табл. 2.3.
Чтобы удовлетворить рабочимтребованиям при планировании сети, следует тщательно вырабатывать стратегиюнаращивания сети. Нужно оценивать соответствующие топологии сетей с учетомвозможности их работы на скоростях 2,4 и 10 Гбит/с. Ближайшая цель — построитьпротяженные участки (до 120-140 км) при передаче на скорости 2,4 Гбит/с сиспользованием любых из трех главных типов волокон — должна рассматриватьсясовместно с планами более далекой перспективы — инсталляция линий на скоростьпередачи 10 Гбит/с с использованием последовательно установленных линейныхусилителей. Высокая скорость передачи в последнем случае может быть достигнутапутем оптимизации длины сегментов между линейными усилителями (приблизительно70 км).
Хотя волокна SF и DSF вполне приемлемы для осуществлениянаращивания сегментов сетей, волокно NZDSF более перспективно при использованиив новых инсталляциях. При сравнении волокон SF и DSF отметим, что SF лучшеподходят для сетей, использующих волновое мультиплексирование. Недостаток SP — большое значение дисперсии в окне 1550 нм -можеткомпенсироваться либо дополнительным участком на основе волокна скомпенсирующей дисперсией, либо путем уменьшения спектральной шириныизлучаемого сигнала (например, используя передатчики на основе DFB лазеров).
Общие возможности по развертываниюкабельных систем на основе SF, DSF и NZDSF приведены в таблице 2.3 а, б.
Таблица 2.3 Общие возможности поразвертыванию кабельных систем на основе различных типов одномодовых волокон.
а) Передача2.5 Гб/с сигнала по различным типам одномодовых волоконУсиление мощности сигнала на одной длине волны
Волок
Но Коррекция дисперсии Усилители EDFA Число каналов Емкость каналов Длина пролета Ограничения системы SF Нет УМ 1 2.4Гбит/с
70-90
км
Мощность
Дисперсия SF Внешняя модуляция УМ 1 2.4Гбит/с 140 км Мощность SF Компенсация дисперсии УМ 1 2.4Гбит/с
120-140
км Мощность DSF Нет УМ 1 2.4Гбит/с
120-140
км Мощность NZ DSF
л0выводится из зоны EDFA УМ 1 2.4Гбит/с
120-140
км Мощность Линейное усиление многоканального сигнала SF Внешняя модуляция УМ, ЛУ 1,2,4,8
2.4-20
Гбит/с >500км
ASE, отсутс-
твует плато SF Компенсация дисперсии УМ, ЛУ 1,2,4,8
2.4-20
Гбит/с >500км
ASE, отсутс-
твует плато DSF Нет УМ, ЛУ 1,2,4,8
2.4
Гбит/с >500км
ASE, отсут.
плато, ЧВС NZ DSF
л0выводится из зоны EDFA УМ, ЛУ 1,2,4,8
2.4-20
Гбит/с >500км
ASE, отсутс-
твует плато
б) Передача 10Гбит/с сигнала поразличным типам одномодовых волокон.Усиление мощности сигнала на одной длине волны
Волок
Но Коррекция дисперсии Усилители EDFA Число каналов Емкость каналов Длина пролета Ограничения системы SF Внешняя модуляция ПУ 1 10Гбит/с
50-70
км Дисперсия SF
Внешняя
мод-я + КД УМ, ПУ 1 10Гбит/с
120-140
км Мощность DSF Внешняя модуляция УМ, ПУ 1 10Гбит/с
120-150
км Мощность NZ DSF
ВМ, л0выв-ся из зоны EDFA УМ, ПУ 1 10Гбит/с
120-150
км Мощность Линейное усиление многоканального сигнала SF
Внешняя мод-я + КД* УМ, ЛУ, ПУ 1,2,4
10,20,40
Гбит/с >300км
ASE, отсутс-
твует плато DSF Внешняя модуляция ЛУ, ПУ
1нелин
эффект
10
Гбит/с >300км
ASE, отсут.
плато, ЧВС NZ DSF
ВМ, л0выв-ся из зоны EDFA ЛУ, ПУ 1,2,4,8
10,20,40
Гбит/с >300км
ASE, отсут.
плато,SPM /> /> /> /> /> /> /> />
* — Компенсация дисперсии может требоватьдополнительного усиления, чтобы преодолеть затухание.
Обозначения: УМ – усиление мощности,ЛУ – линейное усиление, КД – компенсация дисперсии, ПУ – приемное усиление, ASE – спонтанно-усиленное излучение, ЧВС– четырехволновое смешивание, SPM –межфазная модуляция.
3. Влияние дисперсии напараметры проектируемой ВОЛС
Под дисперсией в оптикепонимают зависимость фазовой скорости световых волн vф от частоты.Это же относится и к показателю преломления n2 — n1 = n (w).
В этом смысле дисперсия вобъемной среде единственна и носит в оптике название хроматической дисперсии,подчеркивая факт разложения света на составляющие в хроматический спектр.Дисперсия называется нормальной (или положительной), если n увеличивается сувеличением частоты w, и аномальной (или отрицательной), если п уменьшается сувеличением w. Зависимость фазовой скорости от w (или л) для нормальной ианомальной дисперсий обратная.
Понятие«дисперсия» в световоде уже не единственно и приходится различать триее вида:
-модовая дисперсия — дисперсия, существующая только в многомодовом волокне и вызванная различнойскоростью распространения в световоде лучей разных мод, достигающихопределенного сечения ОВ (выхода) в разное время, что приводит к уширениювходного импульса на выходе;
-материальная дисперсия — дисперсия собственно материала световода, существующая независимо от типа волокна(ММ или ОМ) и отличающаяся от хроматической дисперсии только тем, что онасоответствует волноводной (а не объемной) среде;
-волноводная дисперсия — дисперсия, существующая в так называемой волноводной cpeде, сформированной поменьшей мере двумя физическими средами (в нашем случае сердцевиной иоболочкой).
Модовая дисперсия.
Этот тип дисперсии можетбыть уменьшен двумя путями:
-уменьшением диаметрасердцевины dc ;
-изменением профиляпоказателя преломления, т.е. использованием многомодового волокна с плавноизменяемым показателем преломления. В настоящее время многомодовые волокнатакого типа используются достаточно широко.
Материальная дисперсия.
Материальная дисперсии,или дисперсия материала, зависит (для прозрачного материала) от частоты w (или длины волны л) иматериала ОВ, в качестве которого, как правило, используется кварцевое стекло.Дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со связаннымиэлектронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный(резонансный) характер и только вдали от резонансов может быть описано сприемлемой точностью, например уравнением Селлмейера :
n2(w)= 1+∑Rjw2j(w2j – w2), (3.1)
где wj — резонансные частоты, Rj — величина j-горезонанса, а суммирование по j для объемного кварцевого стекла ведется по первым тремрезонансам.
Возникновение дисперсии вматериале световода даже для одномодовых волокон обусловлено тем, чтооптический источник, возбуждающий вход (светоизлучающий диод — СИД или лазерныйдиод — ЛД), формирует световые импульсы, имеющие непрерывный волновой спектропределенной ширины (например, для СИД это примерно 35-60 нм, для многомодовыхЛД (ММЛД) — 2-5 нм, для одномодовых ЛД (ОМЛД) — 0,01-0,02 нм. Различныеспектральные компоненты импульса распространяются с разными скоростями и приходятв определенную точку (фазу формирования огибающей импульса) в разное время,приводя к уширению импульса на выходе и, при определенных условиях, к искажениюего формы.
Для описания дисперсии всветоводе используется разложение постоянной распространения моды в в рядТейлора в окрестности несущей частоты w0. Линейный член этого разложения, или параметр в1,характеризует групповую скорость движения огибающей импульса vг = с/пг (здесьпг — групповой показатель преломления), а квадратичный член, или параметрв2 характеризует собственно дисперсию групповых скоростей — ДГС вволокне, имеющую размерность [пс2/км]. Она и определяет уширениеимпульса. Интересно отметить, что в диапазоне длин волн 1500-1600 нм /?2 почтилинейно уменьшается от +70 до -40 [пс2/км], см. рис. 9-4, принимаянулевое значение на длине волны примерно 1270 нм. Эта длина волны л0d называется длиной волнынулевой дисперсии для объемной среды. Для оптоволокна эта длина волнысдвигается до значения порядка 1312 нм (см. ниже), чем и объясняетсяиспользование источников излучения 1310 нм для одномодового ОВ. Дляодномодового кварцевого волокна ДГС положительна для л1312 нм, а в окрестности л=1312 нм она нулевая.
Из описанного ясно, чтодля уменьшения материальной дисперсии нужно, с одной стороны, переходить привыборе источников от оптических источников типа СИД к ЛД, а при выборе волокнаот ММ к ОМ волокну. С другой стороны, необходимо переходить от источников сдлинами волн порядка 850 нм к длинам волн порядка 1310 нм для использованияэффекта нулевой дисперсии. Эти естественные «теоретические»соображения, не могут, однако, служить в качестве однозначной практическойрекомендации. Так для ЛВС может оказаться более предпочтительным использоватьСИД на длине волны 850 нм, работающий на ММ волокно.
Волноводная дисперсия.
Дисперсия реальныхсветоводов отличается от дисперсии объемной среды наличием волноводнойструктуры, изменяющей эффективный показатель преломления моды. В результатепоявляется особая волноводная составляющая дисперсии, которая складываетсяопределенным образом с дисперсией материала, формируя результирующую дисперсию.Вклад волноводной дисперсии зависит от радиуса сердцевины, разности показателейпреломления сердцевины и оболочки и числа оболочек. Для описания дисперсии всветоводе с учетом ее волноводной составляющей вместо параметра в2используется дисперсионный параметр D:
D = -рc в2 / л2
В избежание путаницы,возникающей при чтении различных публикаций, нужно помнить, что для оптическихволокон в справочниках в качестве дисперсионной характеристики приводятзависимость от л именно этого параметра D, имеющего размерность[пс/км/нм], а не [пс2/км], и знак противоположный знаку дисперсиигрупповых скоростей в2. Поэтому и наклон зависимости дисперсионногопараметра Dот л, называемый часто наклоном ненулевой дисперсии, будет положительным (а неотрицательным). А фразы в публикациях «в области положительных (илиотрицательных) дисперсий» могут на самом деле иметь обратный смысл, таккак дисперсия, по определению, положительна при положительном в2(т.е. отрицательном, а не положительном, D). Эти фразы правильны,если иметь ввиду, что под дисперсией фактически понимается дисперсионныйпараметр D.
Действие волноводнойсоставляющей дисперсии сдвигает длину волны нулевой дисперсии до величины л0d -1312нм (рис. 3.2, кривая 1). Этот факт используется при выборе длины волныисточника (1310 нм) для работы с одномодовыми ОВ. Используя несколько слоевоболочки (и тем самым изменяя параметры волноводного тракта), можно сдвинутьдлину волны нулевой дисперсии в диапазон 1500-1600 нм. Для этого оказалосьдостаточным использовать две оболочки (рис.3.2, кривая 2) — этот типоптоволокна получил название — оптоволокна со сдвигом дисперсии (DSF). Используя многослойнуюоболочку (рис.3.2, кривая 3 — оболочка имеет 4 слоя), можно добиться почтиплоской и близкой к нулевой дисперсионной характеристики (D≤ 1-6 пс/км/нм) вдиапазоне длин волн от 1300 до 1650 нм. Этот тип оптоволокна получил название –волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), который может суспехом использоваться в синхронных оптических системах SDH с мультиплексированиемпо длинам волн.
/>
Рисунок 3.2 Зависимостьдисперсии волокна D от длины волны волны и числа оболочек: SC – одна оболочка, DC – две оболочки, QS — четыре оболочки.
3.1Методы компенсациидисперсии
Методы уменьшениядисперсии, рассмотренные выше, сводились к использованию профилированныхпоказателей преломления, длины волны с нулевой дисперсией, сдвигу нулевойдисперсии за счет волноводной составляющей в область рабочих длин волн,созданию слабо меняющейся дисперсионной характеристики с ненулевой, но малойдисперсией. Они уже реализованы в существующих оптических волокнах.
Однако существуетвозможность и прямой компенсации дисперсии путем врезки в волокно, имеющееположительную дисперсию, участка ОВ с отрицательной дисперсией, причем так,чтобы результирующая дисперсия на заданной длине волны или (с учетомиспользования WDM) в определенном диапазоне длин волн была близка к нулю.Использование этого метода возможно упростит технологию изготовления кабеля икажется достаточно перспективным.
Одной из промышленныхразработок, основанных на такой технологии изготовления оптического волокна,является новая модификация кабеля TrueWave, названная TrueWave Balanced. Этот кабель позволяетбез использования внешних компенсаторов передавать сигналы высокоскоростныхсистем WDM (DWDM и HDWDM ) в стандартном для них в настоящее время диапазоне длин волн1530-1565.
Кроме указанных спецтехнологий, для этих же целей был разработан специальный тип оптического волокна DCF – волокно компенсирующеедисперсию (ВКД), которое в виде бухты ОВ определенной длины может бытьвставлено в виде модуля в стойку с аппаратурой SDH или WDM. Важно иметь в видубольшой уровень вносимых потерь, который имеет такой модуль.
3.2Выбор волокна длякомпенсации дисперсии
Как уже отмечалось,согласно статистике, наибольший процент уложенного кабеля содержит стандартное ОМволокно, имеющее большую величину хроматической дисперсии, 17-20 пс/(нм-нм), надлине волны 1550 нм. Если планируется увеличить длину перекрытия или секции,ограниченную допустимой величиной накопленной дисперсии, или необходимоуменьшить дисперсию в связи с переходом со скорости передачи 2,5 Гбит/с на 10Гбит/с, или планируется использование систем WDM, или же, наконец,оказывается необходимым установить солитонные генераторы для повышениянадежности работы вашей линии связи (а для нормальной работы таких генераторовтребуется, как известно, отрицательная средняя (накопленная на длине секции)дисперсия — можно использовать специальное волокно для компенсации дисперсии — ВКД (DCF). Это волокно производится рядом компаний, например, Corning, Lucent Technologies, Sumitomo Electric.
Волокно укладывается (ввиде бухты) в специальные модули — модули компенсации дисперсии — МКД (DCM), выпускаемые как в видеотдельно используемых модулей, оснащенных оконцованными коннекторами монтажнымишнурами (типа — pigtail), так и в виде модулей, монтируемых в стойках. Размер модулеймогут быть разными, например, для DCM Corning имеем: тип В — 235x235x40 мм, тип D — 267x267x40 мм и тип С — 278x432x44 мм; для DCFM Sumitomo: 228x202x41 мм.
В табл. 2.4 приведеныдоступные типы и параметры такого модуля (волокна), выпускаемой компаниями Corning. Приведенные параметрысоответствуют длине волны 1545-1550 нм, а среднее значение PMD измерено в диапазонедлин волн 1500 — 1565 нм. В этой таблице фактически вместо дисперсиииспользуется дисперсионный параметр D. Под «эффективностью модуля»понимается отношение дисперсии модуля к вносимому затуханию.
Таблица 2.4 Параметры модулейкомпенсации дисперсии.Компания Corning Тип модуля DCM-95 DCM-110 Компенсируемая длина линии, км 95 110 Дисперсия волокна модуля, пс/нм/км -1564±15 1756±15 Вносимое затухание, дБ >10 >10 Эффективность модуля, пс/нм/дБ 156,4 175,6 Среднее значение PMD, пс >1.6 В практике использованияволокна существуют два подхода в стремлении уменьшить накопленную дисперсию надлине секции. Один базируется на использовании волокна с малой дисперсией(волокна с нулевой дисперсией, если речь идет об использовании одной несущей,или волокна NZDSF с минимально-возможным наклоном кривой дисперсии в рабочем окне,если речь идет об использовании нескольких несущих в системах с WDM), другое — наиспользовании чередующихся участков с положительной и отрицательной дисперсией(параметром D).Второй подход (в силу неоднородности используемого волокна в сети и вытекающихиз этого сложностей в случае ремонта) подвергался критике. Однако он былдешевле. С появлением промышленных МКД, а также учитывая, что установка МКДносит не «распределенный» (как для ВОК), а«сосредоточенный» характер (модуль устанавливается в стойку, или наполку (в шасси) ОУ между первым и вторым каскадам» усиления, сложности «сремонтом» исчезли. В результате все более широкое применение находитсвязка: волокно SSF+DCM (стандартное волокно + МКД). У такого решения два недостатка (какэто из таблицы 2.4);дополнительные вносимые потери, которые должны быть учтены при подсчетенакопленного затухания, и увеличение суммарного PMD, которое должно быть учтено для высокоскоростныхсистем ( 10 Гб/с на несущую и выше ) при подсчете накопленного PMD.
В любом случае при использовании МДКнеобходимо проводить проверочные расчеты не только накопленного затухания сучетом вносимых потерь, но и накопленного значения PMD, особенно для высокоскоростных систем.
4 Расчет длинырегенерационного участка
4.1 Протяженность линии. Расчетдлины регенерационного участка с учетом хроматической дисперсии
Соотношение сигнал/шум. В табл. 2.5приведены основные параметры оптических спецификаций для стандартов STM-16 иSTM-64. Как видно, система STM-64 предъявляет более высокие требования к соотношениюсигнал/шум, превышая на 5-10 дБ этот параметр для STM-16, что ведет к меньшемудопустимому числу усилителей EDFAмежду регенераторами STM-64.
Таблица 2.5 Основные параметрыоптических спецификаций стандартов STM-16 и STM-64.Параметры
STM-16
(2,5 Гбит/с)
STM-64
(10 Гбит/с) Минимальное отношение сигнал/шум, дБ 18-21 27-31 Допустимая дисперсия в кабельной системе, пс/нм 10500 1600 Ограничения из-за PMD Нет Рассчитаем длину регенерационногоучастка ограниченного хроматической дисперсией для стандарта STM-16. Для волокон SF и NZDSF возьмем значения удельной дисперсии 20 и 5,5пс/(нм*км) соответственно. Отсюда,
Lдисп = ф / D,
где ф -допустимая дисперсия вкабельной системе, пс/нм, D — значения удельной дисперсии пс/(нм*км)
Lдисп = 10500 / 20 = 525 км, для SF волокна.
Lдисп = 10500 / 5.5 = 1909 км, для NZDSF волокна.
Рассчитаем длину регенерационногоучастка ограниченного хроматической дисперсией для стандарта STM-64.
Lдисп = 1600 / 20 = 80 км, для SF волокна.
Lдисп = 1600 / 5.5 = 290 км, для NZDSF волокна.
Хроматическая дисперсия. STM-16допускает значительно большую дисперсию сигнала в линии, чем STM-64, что даетвыигрыш как в протяженности сегментов между последовательными оптическимиусилителями, так и в общей протяженности линии между регенераторами. Благодарялинейности хроматической дисперсии, можно добиться значительного увеличениядлин, указанных в таблице, используя вставки фрагментов ВОК на основе волокна скомпенсирующей дисперсией.
Таблица 2.6 Ограничение общей протяженностииз-за влияния хроматической дисперсии.Тип волокна STM-16 STM-64 Стандартное одномодовое волокно SF, км 525 80 Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF, км 1909 290
При моделировании ВОЛС длиной 550км,дисперсионная длина является ограничением для системы при использовании стандартногоодномодового волокна (SF), ине является ограничением системы при использовании NZDSF волокон.
4.2 Расчет длины регенерационногоучастка с учетом поляризационно-модовой дисперсией (PMD)
Проведем оценку влияния PMD напередачу каналов STM-16 и STM-64. В рамках промышленных требований, PMD недолжна превышать 1/10 битового интервала. Отсюда значения накопленнойполяризационной модовой дисперсии не должны превышать 40 пс и 10 пс для линийSTM-16 и STM-64 соответственно. Величина PMD по прохождению светом длины L определяется по формуле ф = T*L1/2, где Т- удельная поляризационная модовая дисперсия. При Т=0,5 пс/км1/2 (для волокон NZDSF — TrueWave™ и SMF-LS™,см. табл. 2.2) получаем для линий STM-16 и STM-64 предельные протяженности между регенераторами:
L = ф2 / T2 = 402 / 0.52 = 6400 км, длялинии STM-16.
L = 102 / 0.52 =400 км, для линии STM-64.
Первое ограничение так велико, чтодело до него не доходит. Заметим, что в отличии от хроматической дисперсии,поляризационная модовая дисперсия не компенсируется. Поэтому уменьшить этотпараметр можно только используя новые волокна, например NZDSF — LEAF™, длякоторого
Т
При моделировании ВОЛС длиной 550км, PMD для стандарта STM-16 не является ограничением длясистемы, влияние PMD необходимоучитывать при проектировании линий связи начиная со скорости 10 Гбит и выше.
Трибные интерфейсы.
Хотя волокно обеспечивает огромнуюполосу пропускания, каналы доступа обычно рассчитаны на меньшую скорость.Терминалы STM-64 разработаны для создания стержневых магистралей и допускаютподключение менее скоростных потоков синхронной цифровой иерархии только двухтипов: STM-4 и STM-16. В случае необходимостиорганизации доступа по менее скоростным каналам, например на основе STM-1 или на основе трибных интерфейсовплезиохронной иерархии Е1, Е2, ЕЗ и т. д., наряду с терминалом STM-64потребуется дополнительный отдельный сетевой элемент, который будет связыватьсяс терминалом STM-64 по каналу STM-4 или STM-16. В то же время сетевые элементына каналы STM-16 и более низкие допускают реализацию прямого доступа.
Таблица 8.8 Допустимыенизкоскоростные интерфейсы для терминалов STM-16 и STM-64.Интерфейсы STM-16
STM-64
(9953,280 Мбит/с) Возможность ввода/вывода каналов Да Нет STM-16 (2488,320 Мбит/с) - Да STM-4 (622,488 Мбит/с) Да Да STM-1 (155,520 Мбит/с) Да Нет ЕЗ (34,368 Мбит/с) Да Нет Е1 (2,048 Мбит/с) Да Нет
4.3 Расчет эксплуатационного запаса позатуханию
По принятым нормам эксплуатационныйзапас на деградацию системы аз ≥ 6дб. 3дб – на станционныйзапас и 3дб – линейный запас.
На выходе источника излучения имееммощность сигнала – 1мВт (0дбм). Затухание сигнала в модуляторе составляет бмод= 5дб, в мультиплексоре бmux = 6дб. Стандартные данные взяты из промышленногооборудования.
При расчете эксплуатационного запасасистемы будем исходить из того, что уровень сигнала на выходе усилителя долженпримерно равняться переданной мощности, т.е. усилитель должен компенсироватьпотерянную мощность в элементах ВОЛС, в волокне, в разьемных и неразьемныхсоединителях, иметь бст = 3дб станционный запас на всю систему и блин= 3дб линейный запас на каждом пролете.
Исходя из этого определим минимальныйкоэффициент усиления усилителя мощности – УМ.
Затухание сигнала в модуляторесоставляет – 5дб, в мультиплексоре – 6дб. Включим сюда 3дб станционный запас иучтем, что довольно большая мощность теряется при вводе излучения в волокно – би-в=0.5-1 дб. Отсюда определим, что минимальный коэффициент усиленияУМ – G должен быть:
G = бмод + бmux + би-в + бст,
G = 5дб + 6дб + 3дб +1дб = 15дб.
Получили – 15дб. Для увереннойпередачи берем – 16 дб.
Произведем расчет коэффициентаусиления линейного усилителя – ЛУ. Затухание в волокне длиной в L = 110 км (при бв =0,20дб/км, берем из таблицы 2.2) составляет:
бв110 = L * бв,
бв = 110км * 0,20дб/км =22дб.
Рассчитаем число нераземныхсоединений по формуле:
nн = L/lc–1,
где lc – строительная длина (lc = 6 ),
nн = L/lc–1= 18
Затухание на неразьемных соедининияхопределим по формуле:
бн = nн * б 1н,
где б 1н = 0,05дб –затухание на одном нераземном соединении,
бн = 18*0.05 = 0.9дб.
Число разьемных соединений – 2. б 1р= 0,5 – потери на одном разьемном соединении. б р = 1дб.
Таким образом затухание на 1 пролете(б пр) составляет:
б пр = б в + б р+ б н,
б пр = 22+0,9+0,1= 23дб,приплюсуем сюда3дб на линейный запас, отсюда имеем коэффициент усиления ЛУдолжен быть:
G = бв + бп + бн + блин,
G = 23дб + 3дб = 26дб.
Для обеспечения необходимой мощностисигнала на входе в приемник коэффициент усиления предусилителя – ПУ, беремпорядка 30дб, т. к. мощность сигнала на выходе волокна очень низкая инеобходимо учесть, что в демультиплексоре затухание сигнала составляет ~ 6дб.Тем самым мы обеспечиваем необходимую мощность для детектирования сигнала,которая для интерфейса STM-16составляет -10 — -20дбм.
Из полученных данных примоделировании ВОЛС на САПРе LinkSim длямаксимального приближения к реальной линии б – коэффициент затухания в волокнеберем равным 0,25дб/км.
4.4 Расчет длины волокнакомпенсации дисперсии
При использовании стандартногоодномодового волокна ограничением для системы длиной в 550км являетсядисперсия. Эту проблему решают используя волокно компенсирующее дисперсию –ВКД. ВКД будем устанавливать после каждого пролета между 1 и 2-м каскадомусилителя.
Произведем расчет необходимой длины –ВКД.
При прохождении сигналом пролетанабег хроматической дисперсии составляет:
ф = D * L,
ф = 20 пс*нм/км * 110км = 2200пс*нм.
Для компенсации накопленной дисперсиибудем использовать модуль компенсации дисперсии – МДК – DCM-95(см. таблицу 2.4).
Дисперсионный параметр МКД D = — 1564±15пс*нм/км.
После прохождения сигналом МКДдисперсия будет составлять
D¢= 2200-1564 = 636 пс*нм, что сравнимос дисперсией накопленной в NZDSFв волокне (дисперсия составляет ~ 7 пс*нм/км). Таким образом, при использовании1 км ВКД после каждого линейного усилителя обеспечивается необходимый уровеньнакопленной хроматической дисперсии.
Проведенный расчет показалвозможность использования стандартного одномодового волокна (SF) в проектируемой ВОЛС длинойрегенерационного участка 550км. Ограничение длины в следствии хроматическойдисперсии решается используя волокно компенсирующее дисперсию.
5. Моделирование8-ми канальной DWDM линии с применением системыавтоматизированнного проектирования LinkSim
LinkSimпредставляет оптическую систему связи как связанный набор блоков, каждый изкоторых является компонентом или подсистемой в системе связи. Аналогично тому,как в фактической системе связи физические сигналы проходят через компонентылинии связи, при моделировании в LinkSim данные сигнала проходят через моделикомпонентов. Каждый блок (модель) моделируется независимо, используя параметры,указанные пользователем для данного блока. Информация о сигнале проходит вданный блок из других блоков. Такой метод моделирования называетсяблочно-ориентированным. В LinkSim эти блоки графически представлены как иконки.Внутренне, они представляют собой структуры данных и сложные числовыеалгоритмы.
LinkSIMобеспечивает иерархическую объектно-ориентированную среду расположениятопологии для непосредственного формирования рисунка линейной топологии. Чтобысмоделировать необходимую топологию, из инструментальной панели можно легкоотобрать необходимые оптические компоненты линии: генераторы псевдослучайныхдвоичных последовательностей, лазеры, модуляторы, волокно, оптическиеусилители, аттенюаторы, фильтры, приемники и др., добавить к уже расположенными соединить вместе при помощи «мыши».
Каждыйкомпонент, представленный иконкой в топологической схеме имеет собственныйнабор параметров, который может быть вызван при помощи правой кнопки мыши.Параметры могут включать как численные значения, например, длина волны лазераили диаметр волокна, так и различные уже установленные типы, например, типыфильтров.
Прикаждом последующем моделировании и анализе в LinkSim повозможности используются предварительно вычисленные результаты. Данный алгоритмзаключается в том, что в процессе моделирования линии, моделируются только текомпоненты, на которые повлияли внесённые пользователем изменения переменных,что позволяет проводить эффективный по времени анализ результатов.
В LinkSim поддерживаются статистические изменения составляющихпараметров. Каждый числовой составляющий параметр может иметь индивидуальноопределенную функцию вероятности и среднеквадратичное отклонение. Анализпараметров, изменяющихся согласно их статистике, может быть сделан указанноечисло раз. Многократный анализ может использоваться, для определения диапазонаожидаемых статистических изменений для данной линии связи. Эта информация можетбыть использована проектировщиком для уточнения проектных параметров.
Пользовательможет получить итоговую информацию о сигнале в любой точке топологической схемыв процессе моделирования или после его завершения.
Каждаямодель в LinkSim представлена в виде иконки в средней части левойинструментальной панели. Левая сторона иконки соответствует входным сигналаммодели, правая сторона иконки соответствует выходным сигналам модели. Некоторыемодели генерируют графики или файлы результатов выходных сигналов.
Моделиразделяются на пять общих категорий: модели передатчика, модели канала, моделиприемника, модели контроля и модели анализа. Передатчик, канал и приемникпредставляют модели, включающие компоненты соответствующих блоков оптическойлинии связи. Модели контроля — специальные модели, которые осуществляютфункции, помогающие управлять моделированием и оперировать данными сигнала впроцессе моделирования. Модели анализа проводят исследования результатов игенерируют графики результатов. Ниже приведено краткое описание моделей и ихпараметров, используемых в этой работе.Моделирование 8-ми канальной DWDM линии при помощи системы автоматизированногопроектирования LinkSim.
Рассмотриммодель 8-ми канальной DWDMоптической сети.
Этасхема представляет собой 8-ми канальную DWDMсистему, которая содержит следуещие блоки:
БлокPRBS (генератора псевдослучайной последовательности) генерирует на выходечетыре отдельных двоичных последовательности. В этом блоке можно менять битовуюскорость и длину волны CW лазера. Благодаря этому можно, в зависимости от длиныволны излучения и скорости передачи, просматривать параметры BER.
Блок MUX (мультиплексора) осуществляет слияние восьмиотдельных оптических канала в единый оптический канал. Также в состав блока MUXвходит оптический фильтр с частотной характеристикой трапециидальной формы, содинаковым зазором частоты между их центрами. В этом блоке также предусмотреныи оптические потери.
БлокУсилителя (предусилители, усилители мощности, линейнные усилители EDFA). Обеспечивает усиление сигнала до нужной величины. Вэтом блоке предусмотрены коэффициент усиления, мощность насыщения усилителя.
Волокноздесь можно задать почти все характеристики волокна такие как затухание, длину,диаметр, коэффициенты дисперсии показатели преломления и тд.
Выход линии подключён к блоку(демультиплексора). DEMUX разделяет оптический канал на восемь каналов. В DEMUXиспользуются фильтры с теми же параметрами, как в MUX. Оптический сигнал с выхода DEMUX идёт к блокуприемника. Модель приемника преобразует оптическую входную мощность вэлектрический поток, усиливает и преобразует форму сигнала. Электрическийсигнал с выхода модели приемника передается BER-тестеру. Этот блок используетформу сигнала и зависящий от времени шум, который сопровождает его дляопределения средней частоты передачи ошибочных битов. Блок BER автоматическиопределяет идеальное время выборки и порог срабатывания исходя из формывходного сигнала. Для каждого бита в последовательности определяетсявероятность ошибки исходя из уровня сигнала, уровня шума и двоичного значениясигнала (двоичный сигнал от генератора псевдослучайной последовательности) вовремя выборки. Затем, исходя из средней вероятности ошибки передачи каждого избитов в последовательности, определяется средняя частота передачи ошибочныхбитов.Исследование ВОЛС и ее характеристик
Всистеме автоматизированного проектирования LinkSimстроим модель 8-ми канальной WDM –линии (см. рисунок 2.7). Исследуем прохождение сигнала по линии. 5.1 Описаниекомпонентов ВОЛС и их параметров
Генератор псевдослучайной двоичной последовательности (PRBS)
Этамодель генерирует двоичную последовательность нескольких различных типов.Используя только одну модель PRBS можно обеспечить многократные выходныесигналы, ввести различные каналы WDM или параллельной оптической шины. Каждыйканал может иметь собственную модель PRBS, каждая из которых сконфигурированаразличным образом. Различные типы модели описаны согласно их имени в спискепараметров пользователя:
PRBS:Производит максимально длинную псевдослучайную двоичную последовательность.
ПараметрыPRBS генератора, определяемые пользователем:
BitRate:Скорость передачи информации в битах сгенерированной двоич-ной последовательности=25*109 Биты / двоичная последовательность
PatternLength:Число битов в сгенерированной последовательности — 2x,
гдеx — значение параметра =6 2 ^ x биты
PreBits:Число нулевых битов в начале последовательности =2
Postbits: Число нулевых битов в конце последовательности =3
DF 1*1011;
F1 1.952*1014 Гц;
F2 F1+DF = 1.953*1014 Гц;
F3 F1+2*DF =1.954*1014 Гц;
F4 F1+3*DF = 1.955*1014 Гц;
F5 F1+3*DF = 1.956*1014 Гц;
F6 F1+3*DF = 1.957*1014 Гц
F7 F1+3*DF = 1.958*1014 Гц;
F8 F1+3*DF = 1.959*1014 Гц;
Patternlenght =6
Point sperbit =5
Генераторсигнала(Signal generator)
Этамодель преобразует входной двоичный сигнал в выходной электрический сигнал. Дляконфигурации электрического выходного сигнала используются пользовательскиепараметры.
Параметрыгенератора электрического сигнала, определяемые пользователем:
Upk — Пиковое напряжение выходногоэлектрического сигнала двоичной последовательности =2В;
Umin — Минимальное напряжение выходногоэлектрического сигнала двоичной последовательности =0В;
Тип модели, используемой длягенерирования сигнала — On_off_ramp;
F0 — Резонансная частота кольцевого фильтра =20*109 Гц;
Типфильтра — RingFilter (кольцевой фильтр);
g -излучение: Демпфирование частотыкольцевого фильтра =7.69*109 рад/с;
Типмодуляции — NRZ
Tr — Время нарастания выходного электрического сигнала =40*10-12 с;
Tf — Время спада выходного электрического сигнала =40*10-12 c.
CWлазер
Этамодель производит оптический сигнал с CW лазера и предназначена дляиспользования совместно с моделью модулятора.
Этамодель обеспечивает два различных типа выходного оптического сигнала. Длятопологии, в которой модель CW лазера обеспечивает прямой вход к модели модулятора,наиболее удобно представление сигнала по его мощности. Для топологии, в которойвыход CW лазера используется как вход к другим составляющим моделям, должноиспользоваться временное представление сигнала. Чтобы наиболее полноиспользовать эту возможность должны быть установлены параметры timeStep иnoSamples для согласования интенсивности замеров и числа точек в данном сигналес любыми другими сигналами, с которыми данный сигнал взаимодействует примоделировании.
Пользовательможет также установить фазу выходного оптического сигнала.
Параметрылазера, определяемые пользователем:
RIN:Относительный шум интенсивности лазера = -150 дБ/Гц;
PeakPower:Пиковая мощность (средняя мощность для CW лазера) =1*10-3 Вт;
Длинаволны: Длина волны, на которой работает лазер =1.55*10-9 м;
Электрооптический модулятор (Modulator)
Этамодель позволяет смоделировать несколько типов модуляторов, включая модуляторМаха-Цендера. При совместном использовании модели модулятора и модели лазерапользователь должен установить одинаковое значение числа точек на бит иразрядной ширины последовательности для моделей генератора двоичнойпоследовательности и лазера с синхронизацией мод.
Параметрыэлектрооптического модулятора, определяемые пользователем:
FittingType:тип электрического модулятора — fOffset;
ModulationType:тип функции реакция модуляции =MachZehender;
UPi Пиковое напряжение модулятора = 2В;
UBias падение напряжения намодуляторе = 1В;
UOffset напряжение смещениямодулятора = 0В;
OnOffRatioвымирание или двухпозиционное отношение = 30дБ;
InsertionLossвносимые потери = потери на волноводе + потери на соединении = 5 дБ;
Foffsetсмещение частотной характеристики = 16.655 ГГц;
Power показатель степеничастотной характеристики = -0.10478;
Coef1Coef1 в модуляторе = 1;
Coef2Coef2 в модуляторе = 0.0114841/ГГц;
ChirpFactorпараметр «чириканья» для модулятора Маха-Цендера.=0.5;
Оптический мультиплексор (MUX)
Параметрымультиплексора, задаваемые пользователем:
FilterType Тип фильтра на входе: поддерживающий отдельные типы фильтра — trapezoidal;
FilterSpecMod: Находятся ли спецификации фильтра в частоте или единицах длины волны — частота
FirstFilterCenterцентральная частота (длина волны) фильтра =F1 Гц ( м);
FilterSpacingЗазор между фильтром = DF Гц или м;
FilterBW3дБ ширина диапазона фильтра в длине волны = BW Гцили м;
FilterBW0dBУстановить на 0дБ ширину диапазона для трапеци-идального типа фильтра = 9e9 Гц или м;
FilterFSR Освободить спектральный диапазон от оптического фильтра Фабри-Перо =100*1010дБ или м;
ПотериОптические вносимые потери фильтра =6 дБ.
Оптическое волокно (Fiber)
Этамодель вычисляет реакцию сигнала на волокно. При этом принимается во вниманиезатухание, дисперсия и нелинейность волокна. При использовании одноканальногоспособа мультиплексирования волоконной модели, также принимается во вниманиечетырехволновое смешивание. При многоканальном способе четырехволновоесмешивание не моделируется между отдельными каналами.
Распространениеразличных WDM-канальных сигналов моделируется следующим уравненем:
/>(2.1)
ЗдесьAi — модуль комплекснойамплитуды сигнала i-го канала, ngi — групповая скорость, b2i — коэффициент дисперсии второго порядка, b3i — коэффициент дисперсии третьего порядка, ai — коэффициент поглощения, gRji — коэффициент усиления Рамана в i-м канале, вызванного j-мканалом, gi — параметр нелинейностиволокна (gi=2pn2/liAeff), где n2 — коэффициент нелинейности, а Aeff — эффективное поперечное сечениеволокна.
Коэффициентыусиления Рамана gRjiинтерполируются из экспериментальной кривой усиления Рамана кремниевоговолокна. Состояния поляризации рассматриваются в равной степени распределеннымисреди параллельных и перпендикулярных состояний. Коэффициент усиления Раманаотрицательный, если i-й канал имеет болеекороткую длину волны, чем j-йканал.
Выражениедля gRjiимеет вид:
/>, (2.2)
гдеgRn(lj,li) — интерполируемое усиление Рамана, l0=1.0 мкм — длина волны для нормирования кривой усиления Рамана, посколькурасчетные коэффициенты усиления имеют единицу м-1Вт-1, gRmax=0.98×10-13 м/Вт — пиковоеусиление Рамана.
Параметрыволокна, определяемые пользователем.
РасстояниеДлина волокна = 110*103 м;
Диаметр Диаметр сердцевины = 8 *10-6 м;
ПотериЗатухание на единицу длины = 0.25 дБ/км;
Beta2дисперсия групповой скорости = -0.25*10-27 с^2/м;
Beta3дисперсия групповой скорости = 0.1*10-39 с^2/м;
N1 групповойкоэффициент = 1.4682
N2 Коэффициентнелинейности = 3.0*10-20 м^2/Вт.
EDFA усилитель
Этомодель блока оптического усилителя, в частности волоконного усилителя сдобавками эрбия.
Вэтой модели EDFA усилителя усиление не зависит от длины волны. Причиной этогочастично является зависимость коэффициента усиления от уровня насыщенияусилителя, что усложняет моделирование. Коэффициент усиления являетсязначительным фактором при моделировании многоволновых систем со спектральнымразделением (WDM). В эту модель включенонасыщение усиления при высоких входных мощностях и указанном усилении мощности:
/>, (2.3)
гдеG0 — малое усиление мощности сигнала, Psat — выходнаямощность насыщения, Pave — общая средняя мощность в волокне.
УсилениеG получают как сигнал так и предварительно сгенерированный самопроизвольныйшум.
Параметрыоптического усилителя EDFA,определяемые пользователем.
УсилениеОптический усилитель (усиление по амплитуде сигнала) = 26дБ;
Psat Оптическая мощность насыщения усилителя = 18 дБм;
BWОптический усилитель ASE шумовая ширина диапазона =30*10-9м.
Оптический демультиплексор (DEMUX)
ПараметрыDEMUX, задаваемые пользователем:
FilterType Тип фильтра на входе: поддерживающий отдельные типы фильтра — trapezoidal;
FilterSpecMod: Находятся ли спецификации фильтра в частоте или единицах длины волны — частота
FirstFilterCenterцентральная частота (длина волны) фильтра =F1 Гц ( м);
FilterSpacingЗазор между фильтром = DF Гц или м;
FilterBW3дБ ширина диапазона фильтра в длине волны = BW Гцили м;
FilterBW0dBУстановить на 0дБ ширину диапазона для трапеци
идальноготипа фильтра = 0.8*BW Гц или м;
FilterFSR Освободить спектральный диапазон от оптического фильтра Фабри-Перо =100*1010дБ или м;
ПотериОптические вносимые потери фильтра =6 дБ.
Приемник
Этомодель оптического приемника и всех его стандартных составляющих. Данная модельпреобразует входной оптический сигнал в электрический сигнал, который затемусиливает и фильтрует, а также вычисляет шум в сигнале. Рассмотрим различныечасти этой модели приемника.
Параметрыприёмника, определяемые пользователем:
Pd_deviceCapacitance Емкость элемента = 50*10-15 Ф;
Pd_layerThicknessТолщина Активной Области = 0.5*10-6 м;
Pd_absorptionCoeffКоэффициент поглощения = 0.68*106 1/м;
Pd_reflectivityОтражающая способность в фотодиоде = 0.04;
Pd_quantumEffКвантовая эффективность (КПД) = 0.8
Pd_lossGainУсиление или потери реакции фотодетектора = 0 дБ;
Pd_darkCurrent Темновойток = 1*10-6 A
Flt_bandwidth Фильтр3dB ширины диапазона = 10*109 Гц;
Flt_lossGainУсиление фильтра или потери = -3 дБ
Тестер передачи ошибочных битов
Этамодель вычисляет вероятность передачи ошибочных битов (BER)для входного электрический сигнала. Метод вычисления заключается в синхронизациивходного электрического сигнала с соответствующим ему первоначальным двоичнымсигналом, генерации данных глаза и получении вероятности передачи ошибочныхбитов. При этом блок BERимеет минимум два входа, на один из которых подаётся электрический сигнал отприемника, а на другой — соответствующий ему двоичный сигнал. Полученные данныемогут буть сохранены в файле.
Чтобыулучшить точность вычислений BER,первый бит и последние три бита каждого входного сигнала игнорируются. Этоделается для того, чтобы исключить определенные нефизические погрешности,которые могут присутствовать в этих разрядных периодах и которые привели бы кнеправильным оценкам BER.
ПараметрыBER тестора определяемое пользователем:
TimingJitterВыбор времени принятия решения = 0 с;
DecisionLevelJitterДрожание уровня принятия решений = 0В;
DecisionLevelПороговое значение решения = 0В;
5.2 Результаты моделирования
В данном разделе представленырезультаты моделирования нашей ВОЛС содержащей DWDM мультиплексор и EDFA усилитель.
На выходе источника излучения (CW лазера) мощностьсигнала составляет 1мВт (0дбм). На выходе модулятора мощность сигналасоставляет 3*10-4Вт, что соответствует ослаблению сигнала на 5дб. Навыходе из модуляторов сигналы подаются на оптический мультиплексор, который«сшивает» их в единый сигнал (рис 5.2 глаз-диаграмма (а) и спектрограмма (б)).На спектрограмме видно, что разнос частот между каналами составляет 100 ГГц,каналы расположены в соответствии со стандартным канальным планом.
На выходе мультиплексора мощность сигнала составляет
8*10-5 Вт, т.е. мощность сигнала послемультиплексора уменьшилась на 6 дбм, таким образом модулятор с мультиплексоромвносят ощутимые помехи, порядка 11 дбм.
Чтобы компенсировать потеряннуюмощность сигнала, перед вводом в волокно сигнал усиливаем с помощью усилителямощности, выполненного на основе EDFA (Erbium — Dopped Fiber Amplifier)
Как видно усилитель мощностиусиливает сигнал до уровня 2,5 мВт (~4дбм), что соответствует коэффициентуусиления 16 дБ. По расчетным данным дисперсионная длина волокна LEAFТМ на скорости 2.5 Гбит/с с DWDM уплотнением равна ~1750 км (L = 10500пс*нм / 6 пс*нм/км), т.е.дисперсия не является ограничением для ВОЛС в 550 км. Но для прохождения этойдистанции сигналу не хватает мощности. При увеличении мощности излучения лазераили увеличении коэффициента усиления EDFA в оптическом волокне начинают проявляться нелинейные эффекты, нежелательные в нашем случае из-за ухудшения сигнала. Проблему потери мощностиимпульсов можно решить, используя тот же самый оптический усилитель EDFA в качестве линейного усилителя.
Оптический усилитель EDFA является 1R-регенератором, т.е. он восстанавливает только однухарактеристику – мощность. Но в то же время он усиливает и шум, поэтому после EDFA отношение сигнал-шум уменьшается.При каскадном включении EDFAшумы накапливаются (5.4, б, г), что может привести к увеличению BER.
а) на выходепосле волокна (110 км),
б) послеусиления на первом линейном усилителе,
в) на выходепосле волокна (220 км),
г) послеусиления на втором линейном усилителе,
Мощностьсигнала на выходе волокна (110 км) составляет 4.4*10-6Вт
(-23.5 дбм).После усиления на первом линейном усилителе мощность сигнала составляет 1.6*10-3Вт(~2дбм). Мощность сигнала на выходе волокна (220 км) составляет 2.8*10-6Вт(-25.5 дбм). После усиления на втором линейном усилителе мощность сигналасоставляет 11*10-4Вт (~0,4дбм).
д) на выходепосле волокна (330 км)
е) после усиления на третьем линейномусилителе
ж) на выходе после волокна (440 км)
и) после усиления на четвертомлинейном усилителе
Мощностьсигнала на выходе волокна (330 км) составляет 1.9*10-6Вт
(-27.5 дбм).После усиления на третьем линейном усилителе мощность сигнала составляет 7.5*10-4Вт(~-1.3дбм). Мощность сигнала на выходе волокна (440 км) составляет 1.3*10-6Вт(-28.8 дбм). После усиления на четвервом линейном усилителе мощность сигналасоставляет 5*10-4Вт (~-3дбм).
Произведемоценку отношения сигнал/шум (S/N).
На выходе УМмощность сигнала составляет – 5дбм. УМ и ПУ низкочувствительны к шумам,мощность шума на выходе УМ составляет
~-30дбм.Отсюда находим отношение сигнал/шум составляет ~ S/N = 5 — (-30) = 35дбм. ЛУ чувствителен к уровню шума и послекаждого усиления отношение сигнал/шум уменьшается на 4дбм. После четвертого ЛУотношение сигнал шум составляет S/N= 35 -16 = 19 дбм. Основная функция ПУ обеспечить требуемую мощность, и требуемоеотношение сигнал/шум на входе приемника. Для стандарта STM-16минимальное отношение сигнал/шум составляет — 18-21дб. Таким образом для ПУдостаточно оставить отношение сигнал/шум на прежнем уровне, обеспечив при этомтребуемый уровень мощности сигнала на входе в приемник.
Нарисунке 5.5 представлены спектр-диаграммы сигнала после прохождения 330 км и550 км соответственно. Разнос между каналами составляет 100 ГГц чтосоответствует стандартному канальному плану. Из спектр-диаграммы видно, чтоспектр сигнала значительно сузился и по мере прохождения секции и потерямощности сигнала составила порядка 27 дбм.
В нашем случае длина оптическоговолокна между линейными оптическими усилителями была выбрана равной 110 км. Этоозначает, что на всей длине регенерационного участка достаточно установить 1усилитель мощности, 4 линейных усилителя и 1 предусилитель, что соответствуетдлине регенерационного участка 550 км. Это значение не превышает теоретическоезначение длины регенерационного участка (~1700 км). На этом расстоянии BER = 2*10-14. Заданиемданной работы было обеспечить BER=10-13на расстоянии 550 км.
Рассмотрим сигналы, поступающие навход 3R-регенераторов, а также на приемник.
Мощность сигнала на выходе оптическоговолокна (рис 5.7, а) составляет 9*10-7Вт (-30.4 дбм). Затем сигналподается в предусилитель где усиливается на 30 дБ и подается надемультиплексор. В блоке демультиплексора единый световой поток разделяется насоставляющие, т.е. на каждом выходе DEMUX выделяется своя длина волны. DEMUX тоже вносит свой вклад в ослабление сигнала порядка 6дб.(рис 5.7.б).
/>
/>
Рисунок 5.7 Глаз-диаграмма сигналов:а) на выходе волокна (550 км); б) на выходе демультиплексора (один из каналов).
После демультиплексирования (передвводом излучения в приемник) мощность сигнала составляет 1.3*10-4Вт(-8.8 дбм) (рис 5.7). Чувствительность приемного оборудования для интерфейса STM16 составляет ~ -10 – -20дбм.Такимобразом мы обеспечили необходимую для правильного детектирования мощностьсигнала. Мощность детектированного сигнала составляет ~5*10-2Вт~50мВт.
Произведем сравнение формы сигналовдо входа в MUX и после выхода из DEMUX (рис 5.8). Полученный сигналпрактически идентичен переданному сигналу, кроме, конечно, уровня мощности.Также заметны шумы, накопившиеся во время передачи по оптическому каналу,которые, в принципе не мешают нам детектировать принятый сигнал.
а) />
б) />
Рисунок 5.8 Осциллограммы сигналов:а) до входа в мультиплексор; б) после выхода из демультиплексора.
Детектирование принятого сигналапроисходит в приемнике, который сам тоже является источником шума (рис 5.9).
Из рис 5.9 видно, что уровеньвносимых потерь со стороны приемника ощутимый. Поэтому для уверенногодетектирования нужен запас по фазе и амплитуде. Запас по фазе составляет 4*10-10,запас по амплитуде составляет 4.5*10-2Вт.
Как видим, для протяженной (магистральной)ВОЛС, налагаются жесткие требования как к интерфейсному оборудованию так иволокну. Для проектируемой ВОЛС основным ограничением является мощность.Исследуем зависимость коэффициента ошибок (BER) от затухания в оптическом волокне BERf (loss); от коэффициента усиления в линейном усилителе BERf (Gain); от скорости передачи BERf (bitrate).
/>
Рисунок 5.10 График зависимости BERf (loss).
Как видим из рисунка 5.10 коптическому волокну предьявляются жесткие требования по затуханию, так уже приб = 0,30 дб/км для магистральной ВОЛС(550км) и при скорости передачи 2,5Гбит/с,BER→0, что совершенно неприемлемо. Требованиям для данных типов систем отвечают NZDSF волокна, имеющие втретьем окне прозрачности затухание порядка 0,20- 0,25 дб/км. Припроектировании ВОЛС я использовал одномодовое NZDSF волокно – LEAFТМ.
Как видно из рисунка 5.11 оченьважно правильно подобрать коэффициент усиления линейного усилителя, посколькупри малом коэффициенте усиления неприемлемым становится значение BER, а при большомкоэффициенте усиления, из-за возникновения нелинейных эффектов, уменьшаетсяотношение сигнал/шум. При моделировании ВОЛС я использовал коэффициент усиленияG= 26 дб.
/>
Рисунок 5.12 График зависимости BERf (Bitrate).
Из рисунка 5.12 видим, что приувеличении скорости передачи значение BER снижается. Это говорит о том, что для болеевысокоскоростных систем налагаются еще более жесткие требования к интерфейсномуоборудованию. Число используемых линейных усилителей сокращается до 2-3,минимальное отношении сигнал/шум должно составлять не менее 29-31 дб.
Проведенное исследование показаловозможность построении 8-ми канальной ВОЛС с волновым мультиплексированием и демультиплексированием надлине оптической линии 550 км и скорости передачи 2.5Гбит/с без оптоэлекронногопреобразования сигнала. Уровень мощности сигнала в моделируемой линии составил- -8.8дбм, отношение сигнал сигнал/шум -19дб, что приемлемо для проектируемойВОЛС.
6. Подбор промышленного оборудования дляпроектируемой ВОЛС
6.1 Характеристики промышленных мультиплексоров WDM
— Тип системы — дуплексные, или двунаправленные, (D), используют две оптические несущиена канал, и полудуплексные, или однонаправленные, (S), используют одну оптическую несущую на канал.
— Код — как правило широко используются два типа линейногокодирования: NRZ и RZ. Первый позволяет реализовать большую плотностьэквивалентных бит на секундный интервал и более предпочтителен в системах SDH верхних уровней иерархии. Второй — широко используется в системах DWDM всилу специфики работы модуляторов. Интересно отметить, что система WL4 компании Siemens использует мультиплексор SDH типа SMA256, работающий на скорости 40 Гбит/си реализованный на электронных компонентах (используется электронная системамультиплексирования ETDM, а неоптическая — OTDM), что позволяет добиться высокойобщей емкости системы (160 Гбит/с) уже при 4-х каналах. Наличие такогомультиплексора позволяет надеятся, что в недалеком будущем может бвтьреализована система WL32 общейемкостью потока через одно волокно 1,28 Тбит/с, если будут преодолены трудностис перекрытием оптических импульсов при таком сочетании высокой плотностиканалов (разнос 100 ГГц) и высокой скорости потока в канале — 40 Гбит/с
— Число каналов ввода-вывода — реализовать оптическийввод/вывод трибов, участвующих в схеме первичного (электрического — ETDM или оптического OTDM) мультиплексирования SDH (опция drop/insert)в оптический канал (представленный отдельной оптической несущей) или из него всхеме вторичного оптического мультиплексирования WDM, достаточно сложно. Поэтому ряд систем WDM вообще нереализует эту опцию, обеспечивая лишь работу в режиме точка-точка (т-т), либоограничивает число каналов, не которых эта опция может быть реализована(например, 4 из 16, 8 из 40, 12 из 64).
— Топология — в порядке сложности в системах WDM могут бытьреализованы топологии: точка-точка (т-т) без возможности оптическоговвода/вывода трибов SDH; последовательная линейная цепь (л) с возможностьюввода/вывода трибов SDH; звезда (з) или точка-много точек (т-мт), реализуемые спомощью концентратора; кольцо, которое может быть представлено в трех видах:
одинарное кольцо без защиты (к),двойное кольцо с защитой (к2), счетверенное кольцо с полно-дуплексной защитой(к4); ячеистая сеть (я) с возможностью динамической маршрутизации.
— Пролет (span)-участок пути, перекрываемый в результате компенсации потерь от затуханиясигнала за счет запаса по усилению (бюджета) или за счет усиления в ОУ. Пролеты(в соответствии с G.692) по длинемогут быть длинными L — до 80 км (как правило не содержатОУ), очень длинными V — 120 км (как правило содержат МУ или ПУ) и сверхдлиннымиU — 160 км, как правило содержат мощный усилитель МУ ипредварительный усилитель ПУ. Секции ограничены терминальными мультиплексорамиТМ.
Секции — участок пути, перекрываемыйодним или несколькими пролетами в соответствии с конфигурацией (числу пролетов системы),на границе которого распложены регенераторы (в соответствии со стандартом G.692длина секции — до 640 км); регенераторы применяются для восстановленияоригинальной формы сигнала после нескольких пролетов.
— Дистанция — максимальное расстояние, на которое могут бытьпереданы данные, определяется числом пролетов и/или секций и длиной,перекрываемой одним пролетом/секцией. Учитывая приведенные выше данные подлинам перекрытий и секций, дистанция может быть равна 640-1280 км. Секциимогут стыковаться без использования регенераторов путем соединения ТМ (back-to-back);использование одного регенератора, например, в системе WL8 компании Siemens,позволяет удвоить общую дистанцию передачи сигнала.
— Скорость входных данных, тип поддерживаемого логического интерфейса- указаны границы диапазона скоростей, которые определяются, кроме прочего,фактом поддержки того или иного логического интерфейса (или формата данных),определяющего с сетями каких технологий может стыковаться указанная система.Например, если минимальная скорость равна 10 Мбит/с, а в типах интерфейсовуказан интерфейс Е — значит система WDM может стыковаться с сетью обычного Ethernet, если используемая скорость равна100 Мбит/с и указан интерфейс FE — значит допустима стыковка с сетью Fast Ethernet. Если интерфейс GE, то допустима стыковка с сетью Gigabit Ethernet на скорости 1 Гбит/с, и т.д., см.список типов поддерживаемых интерфейсов и скорость, поддерживаемую этимиинтерфейсами в примечаниях к табл. 11-5. Для технологии АТМ могут использоватьсянесколько скоростей передачи, например, если в интерфейсах указано АТМ-ОСЗ,12 — это значит, что система WDM стыкуется с сетями АТМ на двух скоростях технологииSONET ОС-3 (155,52 Мбит/с) и ОС-12 (622,08Мбит/с).
— Допуск — указывает, какую максимальную накопленную на длинеодной секции дисперсию система WDM способна преодолеть без потери качествасигнала, определяемого уровнем ошибок системы (показатель BER). Эта величина используется дляпроверки возможности системы (секции) перекрыть определенную дистанцию. С этойцелью, зная конкретный тип волокна и соответствующее ему значениедисперсионного параметра D,определяемого для граничной длины волны в занимаемой полосе, проводится подсчетфактически накопленной дисперсии путем умножения значения D, размерность[пс/нм/км], на длину секции, выраженную в километрах (плюс допуск по затуханиюдля защиты от возможного ухудшения затухания от целого ряда параметров ВОЛС.Если фактический допуск меньше предельного — система работоспособна прииспользовании данного волокна, если нет — должно быть использовано другоеволокно или уменьшена длина секции, или, если последнее нежелательно илиневозможно, то следует использовать компенсаторы дисперсии, о которых мы ужеупоминали выше (допуски на накопленную дисперсию приведены в стандарте G.692).
— Канал управления — имеется ввиду оптический канал супервизорюго управления ОКСУ, называемый в оригинальных документах каналом OSC (Optical Supervision Channel). Этот канал организуется для проверки ОУ(расположенных на промежуточных узлах) на дополнительной оптической несущей,которая лежит за пределами фактически используемой полосы (внеполосная OSC),хотя может лежать и внутри полосы (внутриполосная OSC), занимаемой стандартнымчастотным планом, так и соответствовать некоторым стандартным (нонеиспользуемым для основной полосы) несущим.
— Управление — имеется ввиду управление системой в целом,включая управление мультиплексорами SDH/SONET или оборудованием сети, с которойстыкуется аппаратура WDM. Вэтом смысле оно разбивается на традиционное для систем SDH/SONET полноценноеуправление на основе TMN сиспользованием интерфейсов Q и F, с одной стороны, и на супервизорноеуправление с использованием агента SNMP, популярного для локальных сетей, с другой. Или же используется специальноразработанная система управления сетью WDM, включающая в последнее времяспециальную систему мониторинга ВОК.
6.2 Подбор транспортнойсистемы для проектируемой линии связи
Рассмотрим блок-схему серийного8-канального мультиплексора WL8компании Siemens. Основные характеристики8-канального мультиплексора WL8компании Siemens:
1. Модель – WL8/16/32.
2. Число каналовданных – 8/16/32.
3. Код – NRZ.
4. Емкость волокна –20-320 Гбит/с.
5. Топология –«точка — точка», «двойное кольцо с защитой».
6. Секция пролеты:
Максимальное число – 5.
Длина – 120-140 км.
7. Секция-дистанция– 1200 км.
8. Скорость на входе– 2,5-10 Гбит/с.
9. Разнос несущих –100 ГГц.
10. Тип волокна – SF, NZDSF.
11. Канал управления1480/2 нм/МГц.
12. Типподдерживаемых логических интерфейсов – ОС-48,192;STM-16,64.
13. Управление TMN – Q3.
Этот мультиплексор позволяетобъединить 8 оптических несущих, разнесенных на 100 ГГц друг от друга ирасположенных в соответствии со стандартным канальным планом. В качествеслужебного супервизорного канала OSC используется 9-й канал на частоте 202,6ТГц (1480,0 нм).
Каждая оптическая несущая можетмодулироваться в настоящее время входным сигналом с выхода мультиплексора SDH SL16 уровня STM-16(2,5 ГГц) компании Siemens, а вперспективе может использовать выходной сигнал мультиплексора SL64 уровня STM-64 (10 ГГц), что позволит довести канальную емкостьодного волокна с 20 до 80 Гбит/с, перекрывая одной секцией расстояние до 120 кмбез регенератора.
Система мультиплексирования WDMкомплектуется тремя модулями: оптическим терминальным модулем ОТМ (WLT), оптическим усилительным модулемОУМ (WLP) и оптическим регенераторным модулемОРМ (WLR). Общая схема их взаимодействиятакова: сигналы 8 синхронных линейных терминальных мультиплексоров SLT-nn мультиплексируются и усиливаются модулем WLT, дополнительноусиливаются модулем WLP (если есть необходимость, например, перекрыть однойсекцией расстояние до 120 км) и подаются в ВОК (модули WLT и WLP формируютсекцию). Затем сигналы принимаются следующей секцией или (если нужно, например,обеспечить передачу на расстояние большее 600 км) регенерируются модулем WLR ипередаются на следующую секцию и так до последней — приемной секции, гдепроисходит их демодуляция.
Итак, указанные модули позволяютреализовать топологию «точка-точка» в следующих трех вариантах, когдаиспользуются один, два или три модуля в связке с кабелем ВОК:
1 — WLT-ВОК — WLT — ВОК… ВОК — WLT;
2 — WLT — WLP — ВОК — WLP — WLT — ВОК… ВОК — WLP — WLT;
3 — WLT — WLP — BOK — WLP — WLT — BOK… BOK — WLR — WLP — WLT — BOK… BOK — WLP -WLT.
В режиме передачи модуль WLTмультиплексирует в блоке WDM-MX 8 потоков (каналов) SDH (от 8 терминальных мультиплексоров SLT) уровня STM-16 (и до STM-64), формируяагрегатный поток 20 (80) Гбит/с, который усиливается бустером 0В, после чего кнему с помощью комбайнера (простого мультиплексора WDM на 2 входа) добавляется несущая служебногосупер-визорного канала OSC As. Общий потокзатем либо подается в ВОК (вариант 1), либо усиливается модулем WLP (вариант2). В последнем случае из входного потока выделяется несущая канала OSCанализируемая контроллером SPC,которая затем с помощью комбайнера снова объединяется с усиленным основнымпотоком. Основной поток (8 несущих) усиливается предварительным усилителем ОР(первый каскад двухкаскадного усилителя в модуле WLP) и затем передается или вбустер 0В (при замкнутой перемычке в модуле OAU-M)или, используя возможность межкаскадного доступа через интерфейс доступа II,.подается на вставляемый межкаскадный блок, например, в компенсирующеедисперсию волокно (при необходимости коррекции общей дисперсии), а затем вбустер 0В и далее в ВОК. В варианте 2 поток из ВОК подается на вход модуля WLPприемной стороны, а в варианте 3 — на вход регенераторного модуля WLR.
В режиме приема модуль WLT либопринимает поток из ВОК (вариант 1), либо от WLP (вариант 2), в которомобработка осуществляется в той же последовтельности, что и описана выше, но подругому каналу (блок OAU-S) с использованием того же SPC.Принятый WLT поток, после предварительного усиления в блоке ОР,демультиплексируется блоком WDM-DX на n выходных потоков, подаваемых на входные интерфейсытерминальных мультиплексоров SLT.
Схема модуля регенератора WLR похожана схему WLT, но симметрична — имеет два комплекта блоков ОР/ОВ (т.е. какOAU-M, так и OAU-S) и два комплекта блоков WDM-MX/WDM-DX. Последние замкнуты на стандартный SDH-регенератор SLR (уровня STM-16 или STM-64), которыйсобственно и осуществляет регенерацию по классической схеме: 0/Е-преобразованиесигнала на входе электронная регенерация и обратное Е/0-преобразование сигналана выходе.
Общее управление осуществляется вовсех трех модулях контроллером SPC блока OAU-М, на вход которого подаются сигналы управления иаварийной сигнализации различного типа:
внешнее управление AUX и внутреннее служебное управление EOW, подаваемое через блок доступа кзаголовку ОНА; управление от NMSтипа TMN через интерфейс Q и сигналы аварийной сигнализации C-AL, подаваемые через блок TIF. 6.3 Подбор оптического кабеля
Оптическое волокно, используемое в оптических кабеляхсвязи, состоит из сердечника, образованного легированным кварцевым стеклом,окруженного отражающей оболочкой из чистого кварцевого стекла. Слои акрилатазащищают волокно и предохраняют от проникновения влаги и агрессивных химическихсоединений. Чистота и различные оптические свойства отражающей оболочкисердечника позволяют направлять свет по волокну на расстояние превышающее 300км без усиления.
Для моего дипломного проекта я выбралволокно фирмы «CORNING Inc.», США, являющейся мировым лидером в этойобласти. Для того чтобы организовать качественную передачу информации соскоростью 2.5 Гбит/с на расстояние 550 км без регенерации, необходимоиспользовать одномодовое волокно Корнинг LAEFТМ (рекомендация МСЭ-Т G.655).Оптический кабель:эксплуатационные характеристики
Самарскаяоптическая кабельная компания (СОКК) использует в производстве кабелей связиволокно фирмы «CORNING Inc.», США, поэтому для своего проекта явыбрал кабель – ОКЛЖ компании СОКК.
Самарская оптическая кабельнаякомпания производит оптический самонесущий, диэлектрический кабель типа ОКЛЖ,который применяется для подвески на опорах контактной сети электрофицированныхжелезных дорог и линий электропередачи, воздушных линий передачи и городскогоэнергохозяйства.
Особенности:
— полностью диэлектрический кабель;
— способность выдерживать высокиемеханические нагрузки;
— повив (слой) силовых элементов ввиде высокопрочных синтетических нитей, обеспечивающих гибкость и небольшойнаружный диаметр кабеля; стойкость к воздействию электрического поля(трекингостойкость);
— минимальный вес;
— диапазон рабочей температуры:-60°..+70°;
— длительный срок службы;
— возможность изготовления большихстроительных длин;
— создает минимальные дополнительныенагрузки на опоры.
/>
Рис.6 Поперечный разрез кабеля типаОКЛЖ.
1. оптическое волокно фирмы«Корнинг»
2. гидрофобный заполнитель
3. центральный силовой элемент(стеклопластик)
4. силовые элементы (арамидные нити)
5. кордель
6. скрепляющая лента
7. вспарывающий корд (по требованию)
8. полимерная трубка
9. полимерная защитная внутренняяоболочка
10. полимерная защитная наружнаяоболочка
11. маркировка
Эксплуатационные характеристикикабеля типа ОКЛЖ.Параметр Значение Количество ОВ 2-96 Номинальный наружний диаметр, мм 12.0-22.0 Расчетный вес, кг/м 120-410
*Коэффициент затухания, дБ/км, не более:
— на длине волны 1.31 мкм
- на длине волны 1.55 мкм
0.34
0.20
*Хроматическая дисперсия, пс/нм·км, не более:
— на длине волны 1.31 мкм
— на длине волны 1.55 мкм
2
6 Разрывное усилие, кН, не менее 10.0 — 100.0 Максимально допустимое растягивающее усилие, кН 3.5 — 30.0
Параметры кабеля в каждом отдельномслучае рассчитываются в соответствии с техническими требованиями заказчика, взависимости от значений пролетов, провесов и условий эксплуатации. Возможноизготовление кабеля с 6 оптическими одномодовыми волокнами производства фирмыКОРНИНГ — марки LAEFТМ (6 волокон на мультиплексор: 2основных, 2 для горячего резерва, 2 свободных).
7. Основныеположения технологии подвески волоконно-оптического кабеля(ВОК).
В последнее время наиболее популярнымметодом строительства ВОЛС становится вариант подвески ВОК на опорах ЛЭПэнергетиков, опорах контактной сети и ЛЭП автоблокировки железнодорожноготранспорта, а также на опорах осветительной сети и наземного электрическоготранспорта.
В своем дипломном проекте я выбралтип прокладки – подвесной, выбор сделан благодаря приемуществам указанным ниже.Проектируемая линия Уфа – Казань будет осуществлена вдоль автомагистрали наопорах ЛЭП (длина магистрали составляет 525 км). Таким образом примоделировании ВОЛС я имел запас в 25 км.
Подвеска ВОК осуществляется на ужеустановленных опорах и не требует тщательной предварительной подготовки трассыпрокладки, поэтому более технологична и проста, чем прокладка в грунт. Опытстроительства ВОЛС МПС РФ показывает, что стоимость строительства сиспользованием подвески ВОК обходится на 30-35% дешевле, чем при строительствес прокладкой ВОК в грунт, при этом сроки строительства сокращаются в 2,5-3раза. Особенность применения ВОК для подвески на опорах заключается вспособности кабеля к упругому продольному растяжению до 1,5% без возникновениянагрузок на оптическом волокне.
Для строительства ВОЛС методомподвески кабеля на опорах железнодорожного транспорта используется толькодиэлектрический самонесущий ВОК. Во время эксплуатации данный кабель испытываетзначительные колебания температуры, скорости ветра и осадков, вибраций, чтопредъявляет определенные требования к технологии подвески. Одним из главныхявляется принцип ограничения механических воздействий на оболочку, нарастяжение ВОК, сдавливающие нагрузки, а также углы поворота трассы ВОК.Технология подвески ВОК должна обеспечить сохранность покрытия оболочки кабеляпри протяжке от повреждений.
Современная технология подвески ВОКпредусматривает два этапа:
— подготовительный этап, включающий всебя обшестроительные работы, замену дефектных и поврежденных опор, установкудополнительных опор, заказ и приобретение специальных кронштейнов крепления ВОКв соответствии с типами, указанными в проекте, кронштейнов для креплениязапасов кабеля и оптических муфт, узлов анкеровки.
— на втором этапе, связанномнепосредственно с подвеской ВОК, осуществляются: крепление кронштейнов наопорах; крепление на кронштейнах технологических роликов для протяжкитрос-лидера, а затем с помощью его и кабеля; замена роликов на специальныенатяжные или поддерживающие зажимы и крепление кабеля; монтаж муфт; устройствоанкеровок и крепление запасов ВОК; подключение кабеля к кроссовому оборудованию;измерение и паспортизация пассивной части ВОЛС. Все работы по подвеске ВОК наопорах выполняются в соответствии с действующими правилами и нормами, а такжетехническими условиями, заложенными в проектах.
При строительстве ВОЛС методомподвески на опорах высоковольтных линий связи также применяют:
— оптический кабель малого диаметра,который с помощью специальных механизмов наматывается с определенным шагомнамотки на фазный провод или грозозащитный трос;
— встроенный в грозотрос специальныйоптический кабель (как правило, используется только при реконструкциивысоковольтной линии с заменой грозотроса);
— подвеска оптических кабелей кстальному канату (тросу), натянутому между столбовыми опорами на консолях;
— подвеска кабеля с встроенным тросомна консолях специальной конструкции.
В любом из этих способов подвески ВОКдолжны обеспечиваться заданные оптические параметры в течение всего срокаслужбы (на менее 25 лет).
Экономика
Современные транспортные системы дляувеличения пропускной способности оптических линий используют многоканальныемультиплексоры. Мультиплексоры помогают сэкономить значительные средства,обеспечивая передачу информации на различных длинах волн по одной линии и делаятем самым ненужным прокладку новых оптоволоконнных линий.
Стоимость волоконно-оптической сетисегодня составляет десятки и сотни миллионов рублей, и при ее создании требуетрешать более 50 разноплановых технических и организационных задач, которыедолжны быть координированы во времени и иметь гарантированное материально-техническоеобеспечение. Поэтому успех выполнения проекта сети зависит, прежде всего, оторганизации работ. Нарушение организационной структуры выполнения проекта резкоснижает качество работы.
Типовая структура ценыволоконно-оптической линий связи, которую сегодня часто строят вдольавтомагистрали или полотна железной дороги, имеет следующее распределениесредств ( в процентах):
- управление проектом ~ 1-3 %
- проектирование ~1-3 %
- оборудование,включая системную интеграцию в единую сетевую структуру + стоимость оптическогокабеля ~ 75 %
- строительствоВОЛС ~ 6 — 10 %
- создание центрауправления и службы эксплуатации ~ 8 — 10 %
- обучение ~ 1- 2 %
- непредвиденные(прочие) расходы ~ 2 — 4 %
В общем случае, дополнительно нужноучитывать расходы на таможенные пошлины ~ 5-20 %, оплату налогов ~ до 20% отстоимости оборудования и расходы на эксплуатацию сети, которые в первый годмогу составлять до 10 %.
Подчитаем стоимость проектируемойлинии.
Длина волоконно-оптической линии равна550 км, скорость передачи информации 2.5Гбит/с (STM-16).
Оборудование – 8-ми канальнаятранспортная система WL8 –компании Сименс.
Оптический кабель – ОКЛЖ – самарскойкомпании, использующее различные типы волокон компании Корнинг.
Так как в дипломном проекте была показанавозможность проектировать линию связи при использовании как стандартногоодномодового волокна, так и при использовании одномодового NZDSF волокна, то и стоимость проектаподчитаем для двух типов волокон.
Стоимость оптического кабеля:
1- при использованиистандартного одномодового волокна SMF28 фирмы Корнинг 1 км оптического кабеля будет стоить – 90 000 рублей.Вся линия в 550 км будет стоить 90 000*550 = 49 500 000 руб. Один модуль МКД(волокна компенсирующего дисперсию) будет стоить – 200 000 рублей, потребуется4 модуля, т.е. – 800 000 рублей. Используем модуль фирмы Корнинг DCM-95.
2- при использованииодномодового NZDSF волокна LEAFтм фирмы Корнинг 1 км оптическогокабеля будет стоить – 120 000 рублей. Вся линия в 550 км будет стоить 120000*550 = 66 000 000 руб.
Оборудование – транспортная система WL8 компании Сименс будет стоить ~ 9000 000 руб.
Общая стоимость оборудование +оптический кабель будет составлять в:
1-ом случае — 59 300 000 руб.,
2-ом – 75 000 000 руб.
Как было сказано выше стоимостьоборудования ВОЛС составляет примерно 75 % от всех затрат строительствапроекта.
Отсюда,
1. 59 300 000 — 75 %
Себестоимость — 100 %Себестоимость = (59 300 000 * 100)/ 75 = 79 000000 руб.
2. 75 000 000 — 75 %Себестоимость — 100 %
Себестоимость = (75 000 000 * 100)/75 = 100 000 000 руб.
Подчитаем срок окупаемостипроектируемой линии:
Цена одного канала STM-16 за час равен – 600 руб. Подчитаемза сутки: 600 * 24 = 14 400 руб. Так как линия 8-ми канальная: то за сутки –115 200 руб.
Подчитаем сумму за год: 155 200 * 365≈ 42 000 000 руб.
Учтем, что система постоянно незагружена на 100 %. Подчитаем сумму при загруженности системы на 80 %, отсюда
42 000 000 — 100 %
За год — 80 %
За год = (42 000 000 * 80) / 100 ≈33 000 000 руб.
Из полученных результатов делаемвывод, что проектируемая мною линия в 1-ом случае окупит себя примерно за 2,5года, во 2-ом случае примерно за 3 года.
Как было сказано выше нужно учитыватьтаможенные пошлины при ввозе оборудования, оплату налогов – до 20 % от стоимостивсей системы, расходы на зарплату обслуживающему персоналу, расходы наэкплуатацию сети, которые в первый год могут составлять до – 10 %.
С учетом выше перечисленного срок окупаемости увеличивается примерно вдва раза т. е. будет составлять 5 и 6 лет соответственно в первом и второмслучае.
Техника безопасности
В качестве техники безопасности при моделированииВОЛСВ на ЭВМ, можно использовать эргономику рабочего места оператора ЭВМ.
Рабочее место оператора должноотвечать определенным требованиям, обеспечивать максимальную комфортабельностьусловий работы за компьютером, способствовать сохранению работоспособности ихорошего самочувствия в течение дня.
Рабочее место оператора ЭВМ включает:
- монитор
Мониторявляется основным звеном безопасности в настольной вычислительной системе.Плохой монитор может стать вполне реальной угрозой здоровью человека. В тожевремя монитор высокого качества благодаря высоким техническим данным и низкомууровню электромагнитных излучений повышает продуктивность работы, предотвращаетзрительное утомление, усталость и головные боли.
Монитор должен отвечать требованиямпо размеру видимой части экрана, разрешению, частоте смены кадров,мультичастотности, экранному покрытию и настройке экрана. Частота регенерациикадров не менее 75 Гц при оптимальном для каждого класса разрешении.
Монитор должен полностьюудовлетворять стандартам MPRII,TCO и требованиям безопасности,установленным ГОСТ Р50948-96 « Средства отображения информации индивидуальногопользования», по уровню переменных электромагнитных и электростатических полей.
- клавиатура иманипулятор «мышь»
Клавиатураявляется основным устройством ввода и от ее конструктивной особенности зависит,как бистро устанет оператор и, следовательно, производительность труда.Недостатком клавиатуры является быстрая утомляемость кисти руки при длительнойработе, так как кисть находится все время в подвешенном состоянии, что создаетнагрузку на мышцы предплечья.
Особое внимание специалистов вобласти эргономики привлекает – манипулятор типа «мышь».
Недостатком всех манипуляторов «мышь»является то что при каждом поднятии руки и повторяющемся ее удержании надкаким-нибудь предметом предплечье испытывает значительную нагрузку. На рынкеимеются подвижные опоры для кистей, перемещающиеся вместе с руками. Эти опоры размещаютсятак, чтобы кисти свободно с них свисали, что снижает нагрузку на предплечье иснижает утомляемость.
- рабочий стол икресло
Рабочаямебель при работе с компьютером играет важную роль в создании оптимальныхусловий работы человека. Грамотное ее использование позволяет снизить степеньутомляемости, повысить работоспособность, производительность труда,концентрацию внимания.
Компьютерная мебель должна бытьудобной, прочной надежной, и иметь аккуратный вид. При этом конструкция иразмеры стола и кресла должны способствовать оптимальной позе оператора, прикоторых выдерживаются определенные угловые соотношения между «шарнирными»частями тела. Правильная поза (следовательно, и правильное функционированиеорганизма) поможет сохранению здоровья и воспрепятствует симптомов синдромакомпьютерного стресса, а также симптома постоянных нагрузок.
Выводы
Только правильное соблюдениетребований и мероприятий по оптимизации труда оператора ЭВМ позволяет сохранитьне только нормальную работоспособность, но и самое главное – здоровье.
Ведь вся разработка мероприятий пооптимизации условий труда оператора ЭВМ предназначена для предотвращениянеблагоприятного воздействия на человека вредных факторов, сопровождающихработы с видеодисплейными терминалами и персональнымиэлектронно-вычислительными машинами.
Заключение
В данном дипломном проекте быласмоделирована 8-ми канальная DWDM линиядлиной в 550 км, скорости передачи 2.5 Гбит/с, отношение сигнал/шум (S/N) составило 19 дб, вероятность появления ошибки (BER) составила 2*10-14, чтоудовлетворяет международному стандарту.
Исследованы зависимости вероятностиошибки (BER): от коэффициента затухания вволокне (Loss), от коэффициента усиления (G), от скорости передачи информации (Bitrate). Получены и проанализированы осциллограммыи глаз-диаграммы линии связи в различных точках.
Проведены расчеты дисперсии изатухания, выбрана длина регенерационного участка Lрег = 110 км. Число линейных усилителей на линии равно 4.
Для проектируемой волоконно-оптическойлинии было подобрано следующее оборудование:
— транспортная DWDM система — WL8, компании Сименс;
— оптическое волокно – LEAFТМ, фирмы Корнинг;
— оптический кабель – ОКЛЖ, компанииСОКК г. Самара.
Рассмотрены основные аспекты поохране труда и технике безопасности инженера-проектировщика (оператора ЭВМ).
Были проведены экономические расчетыокупаемости проектируемой волоконно-оптической линии связи, которое составило 5– 6 лет.
Список литературы
1. ИвановА.Б. Волоконнаяоптика: компоненты, системы передачи, измерения. – М.:КомпанияСайрус систем, 1999
1. Семенов А.Б.Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях связи. – М.: КомпьютерПресс, 1998. – 302с. — ил.
2. Вербовецкий А.А.Основы проектирования цифровых оптоэлектронных систем связи. – М.: Радио исвязь, — 2000. – 160с. – ил.
3. Убайдуллаев Р.Р.Волоконно – оптические сети. М.: ЭКО – ТРЕНДЗ, 1998. – 267с.
4. Дмитриев С.А.,Слепов Н.Н. Волоконно – оптическая техника: достижения, преспективы. М.:Издательство Connect, 2000.
5. Проектирование итехническая эксплуатация систем передачи: Учеб. пособие для вузов, под ред.В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалева. – М.: Радио и связь. – 1996. – 344с.
6. Дональд Дж.СтерлингТехническое руководство по волоконной оптике. – М.: Лори, 1993. – 288с.