Оптические мультиплексоры и демультиплексоры

 

Оптические мультиплексоры и демультиплексоры – это широкий класс

устройств, предназначенных для объединения и разделения

информационных каналов.

 

Оптические мультиплексоры и демультиплексоры (MUX) применяются в оптических системах связи со спектральным уплотнением каналов (с

одновременной передачей по оптоволокну сигналов с различными длинами

волн – WDM-systems), кроме того они применяются в волоконно-оптических усилителях, в локальных сетях при волновой маршрутизации.

 

Каждый лазерный передатчик в системе WDM выдает сигнал на одной из заданных частот. Все эти сигналы (каналы) необходимо мультиплексировать (объединить друг с другом) в единый составной сигнал. Устройство, которое выполняет эту функцию, называется оптическим мультиплексором MUX (или OM). Аналогичное устройство на другом конце линии связи разделяет составной сигнал на отдельные каналы и называется оптическим демультиплексором DEMUX (или OD). В отличие от систем временного мультиплексирования (TDM), в которых подобные операции уплотнения каналов происходят во временной области, и основное внимание уделяется точности синхронизации приемника и передатчика, в системах WDM мультиплексированию и демультиплексированию подвергаются спектральные компоненты отдельных сигналов, характеристики которых всегда известны заранее.

 

Существуют три типа мультиплексоров WDM:

1) Обычные (CDWM)

2) Плотные (DWDM)

3) Высокоплотные (HDWDM)

Системы WDM с частотным интервалом между каналоми не менее 200ГГц, позволяют мультиплексировать не более 16 каналов.

DWDM с частотным каналом не менее 100ГГц, позволяют мультиплексировать не более 64 каналов. В последнее время системы DWDM стали наиболее распространены и экономически привлекательны благодаря появлению оптических усилителей EDFA, которые обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно.

 

HDWDM с разносом каналов не более 50ГГц, позволяют мультиплексировать не менее 64 каналов.

 

В настоящее время используются системы первого поколения мультиплексоры класса WDM для двух несущих: 1,31 мкм и 1,55 мкм. Оборудование WDM производят две группы производителей: традиционные компании (Alcatel, Ericsson, Lucent, NEC, Nokia, Pirelli, Siemens) и остальные - новые производители.

Разница в оборудовании между производителями в следующем:

· В дистанции, покрываемой системой в целом или числе используемых перекрытий в секции

· В возможности организации кольцевых и ячеистых топологий

· В возможности ввода и вывода каналов на транзитных узлах

· В использовании отдельного оптического управляющего канала, а также специальной системы управления

 

По характеру задачи мультиплексоры можно разделить на:

1) Объединяющие небольшое количество спектральных каналов (не более 4-ех) при расстоянии между каналами по длине волны более 20нм

2) Объединяющие 4, 8, 32 и более и более каналов при расстоянии между ними 0.4 – 1.6 нм.

 

Первый тип мультиплексоров основан на использовании интерференционных фильтров – пластин с многослойным покрытием. Толщина каждого слоя равна от 0,025 до 0,5. Мультиплексоры этого типа широко используются в волоконно-оптических усилителях и малоканальных системах ВОЛС с использованием CWDM.

 

В Высокоскоростных системах ВОЛС с DWDM применяется второй тип оптических мультиплексоров, основанных на использовании дифракционных фазовых решеток. В качестве решетки в таком мультиплексоре применена ее разновидность – эшелон Майкельсона, представляющий собой сложенные одна на другую строго параллельные пластины разной длины. Сложенные пластины образуют единую прозрачную призму, одна грань которой плоская, противоположная – ступенчатая с одинаковыми ступенями. Пройдя через всю призму, лучи на указанных ступенях дифрагируют. При этом угол дифракции зависит от длины волны. Мультиплексоры, использующие фазовые решетки получили название волноводных спектральных мультиплексоров (ВСМ) или волноводных спектральных анализаторов (ВСА).

В таком мультиплексоре потери энергии происходит при вводе или выводе излучения в волноводную пластину, в месте стыка этих пластин с волновой матрицей, в изгибах волноводах, составляющих эту матрицу. Также это устройство обладает свойством обратимости, т.е. одно и то же устройство может выполнять функцию объединения пространственно разделенных потоков с разными длинами волн (мультиплексор) или наоборот - демультиплексор.

 

Кроме дифракционных решеток для мультиплексирования используются: Решетки на основе массива волноводов различной длины между двумя планарными линзами смесителями AWG (Arrayed Waveguide Gratings). Принцип работы такой решетки:

Входной сигнал, который содержит излучение разных длин волн, попадает во входной разветвитель. Там он расщепляется на N оптических лучей, каждый из которых попадает в отдельный волноводный канал. Все N волноводных каналов, образующих волноводную матрицу, имеют разную длину и вносят в сигнал разные фазовые сдвиги, зависящие от длины волны. После этого световые пучки из отдельных волноводных каналов вновь объединяются в выходном разветвителе и интерферируют таким образом, что излучение разных длин волн попадает в разные выходные волноводы.

 

Решетки на основе массива волноводов AWG используются для того, чтобы перераспределять сигналы различных длин волн (каналы) между двумя наборами волокон (рис. 19) или выделить (демультиплексировать) отдельные каналы составного сигнала в отдельные волокна. Эта технология сейчас становится основной для производителей мультиплексоров и демультиплексоров систем DWDM. Благодаря легко масштабируемой структуре, она может широко применяться в системах с сотнями каналов.

 

Известно также каскадное мультиплексирующее устройство, в котором оптический блок определяет зигзагообразный оптический тракт со множеством точек отражения, а выделение необходимых длин волн осуществляется интерференционными фильтрующими элементами Фабри-Перо. Такое устройство маршрутизации оптических сигналов в зависимости от длин волн также имеет весьма сложную конструкцию и ограничения по количеству длин волн.

 

Наиболее близким к предлагаемому является мультиплексор и демультиплексор многократного отражения, содержащий общий тракт для передачи нескольких сигналов различных длин волн, расщепитель пучка в виде отражательного пакета, имеющего множество перекрывающихся частично отражающих поверхностей, и несколько отдельных трактов для раздельной передачи сигналов различных длин волн.

 

Рассмотрим некоторые характеристики промышленных систем WDM:

· Тип системы – дуплексные (D) и полудуплексные (S).

· Код. Широко используются два типа линейного кодирования: NRZ и RZ. NRZ позволяет реализовать большую плотность эквивалентных бит на секундный интервал.

· Число каналов ввода-вывода. Реализуют ввод и вывод оптический трибов, участвующих в схеме первичного мультиплексирования.

· Пролеты, секции, дистанция – общая дистанция, на которую могут быть переданы данные, определяется длинной пролета, числом пролетов в секции, числом секций. Где пролет – это расстояние между мультиплексором и линейным усилителем.

· Скорость входных данных, тип поддерживаемого логического интерфейса, т.е. указание границы скоростей, которые определяются поддержкой никоторого логического интерфейса. Например, если в типах интерфейса указан символ E, значит система WDM может стыковаться с сетью Ethernet, а если указано FE, допустима стыковка с сетью Fast Ethernet.

· Допуск – указывает, какую максимальную накопленную на длине одной секции дисперсию система WDM способна преодолеть без потери качества сигнала, определяемого уровнем ошибок системы. Эта величина используется для проверки системы перекрыть определенное расстояние. С этой целью, зная конкретный тип волокна и соответствующий ему дисперсионный параметр, проводится расчет фактического допуска.

· Канал управления, т.е. оптический канал супервизорного управления, который организует на дополнительной оптической несущей, которая обычно лежит за пределами занимаемой полосы.

· Управление – имеется в виду управления системой в целом, включая управления мультиплексорами или оборудованием сети, с которой стыкуется аппаратура WDM.

Следует добавить такие характеристики оптических мультиплексоров, как: оптические потери в каждом канале, величина переходного затухания, уровень обратного

рассеяния, уровень вносимых поляризационных искажений. Диапазон

рабочих длин волн и величина разноса спектральных несущих также

являются важными параметрами MUX. В наиболее освоенных сегодня

WDM-системах число рабочих каналов обычно составляет 2, 4 или 6, разнос

длин волн несущих – несколько единиц нм, оптические потери в каналах 0.5

– 2 дБ (следует отметить, что теоретически потери в спектрально-селективных разветвителях, в отличие от широкополосных, могут приближаться к нулю).

В разрабатываемых «плотных» DWDM-системах спектрального уплотнения

число рабочих каналов – несколько десятков (до 30 и более), разнос частот

несущих несколько единиц-десятков ГГц, оптические потери в канале на

уровне 1 дБ.

 

 

При разработке систем WDM высокие требования предъявляются не только к стабильности частоты излучения, но и к стабильности частотных характеристик селективных оптических элементов (например, величина температурной зависимости ухода настройки частоты). Если температура мультиплексора изменяется более чем на 20°С, его частота уйдет на 0,2..0,4, что приведет к срыву работы системы WDM.

Для устранения этого недостатка оптические мультиплексоры содержат элементы стабилизации температуры, по способу ее стабилизации они бывают:

· «Горячие» - содержащие нагреватель, который поддерживает температуру 100°С с точностью 1°С.

· «Холодные» - где микрохолодильник поддерживает на уровне 25°С (элемент Пельтье).

Таким образом, хоть мультиплексор функционально – пассивный элемент, для нормальной работы требует электрического питания.

 

Список используемой литературы:

1) О.К. Скляров «Современные волоконно-оптические системы передачи. Аппаратура и элементы»

2) Дмитриев С.А., Слепов Н.Н. «Волоконно-оптическая техника. История, достижения, перспективы».

3) А. Л. Дмитриев «Оптические системы передачи информации».

4) Досколович Л.Л.,Карпеев С.В. «Оптический мультиплексор-демультиплексор».

5) Интернет-ресурс http://kunegin.com/

6) Потапов В.Т. «Технологии DWDM»