Мультиплексирование с разделением по длине волны - Wavelength-division multiplexing

В волоконно-оптическая связь, мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) - это технология, которая мультиплексы номер оптический носитель сигналы на единый оптоволокно используя разные длины волн (т.е. цвета) лазер свет. ^[1]Этот метод позволяет двунаправленный связь по одной нити волокна, а также увеличение емкости.^[1]

Термин WDM обычно применяется к оптической несущей, которая обычно описывается длиной волны, тогда как мультиплексирование с частотным разделением обычно применяется к носителю радиосвязи, который чаще описывается частота. ^[2]Это чисто условно, потому что длина волны и частота передают одну и ту же информацию. В частности, частота (в герцах, которая является циклами в секунду), умноженная на длину волны (физическая длина одного цикла), равна скорости несущей волны. В вакууме это скорость света, обычно обозначаемая строчной буквой c. В стекловолокне это значительно медленнее, обычно примерно в 0,7 раза c. Скорость передачи данных, которая в идеале могла бы быть на несущей частоте, в практических системах всегда составляет часть несущей частоты.

Системы WDM

Принцип работы WDM

Система WDM в стойке 19/21 ''

Система WDM использует мультиплексор на передатчик объединить несколько сигналов вместе и демультиплексор на приемник чтобы разделить их. ^[1]С правильным типом волокна можно получить устройство, которое работает одновременно и может работать как оптический мультиплексор ввода-вывода. Используемые оптические фильтрующие устройства обычно эталоны (стабильный твердотельный одночастотный Интерферометры Фабри – Перо в виде тонкопленочного оптического стекла). Поскольку существует три различных типа WDM, один из которых называется «WDM», при обсуждении технологии как таковой обычно используется обозначение «xWDM».^[3]

Концепция была впервые опубликована в 1978 году, а к 1980 году системы WDM уже начали реализовываться в лаборатории. Первые системы WDM объединяли только два сигнала. Современные системы могут обрабатывать 160 сигналов и, таким образом, могут расширить базовые 100 Гбит / с система по одной паре волокон до более 16 Тбит / с. Также присутствует система из 320 каналов (разнос каналов 12,5 ГГц, см. Ниже).

Системы WDM популярны среди телекоммуникационные компании потому что они позволяют им увеличивать пропускную способность сети, не прокладывая больше волокон. Используя WDM и оптические усилители, они могут вместить несколько поколений технологий в свою оптическую инфраструктуру без необходимости капитального ремонта магистральной сети. Емкость данного канала может быть увеличена простым обновлением мультиплексоров и демультиплексоров на каждом конце.

Это часто осуществляется с помощью преобразования оптического сигнала в электрический из оптического (O / E / O) на самом краю транспортной сети, что позволяет взаимодействовать с существующим оборудованием с оптическими интерфейсами.^[3]

Большинство систем WDM работают на одномодовые волоконно-оптические кабели которые имеют диаметр сердцевины 9 мкм. Некоторые формы WDM также могут использоваться в многомодовые оптоволоконные кабели (также известные как кабели для помещений) с диаметром жил 50 или 62,5 мкм.

Ранние системы WDM были дорогими и сложными в эксплуатации. Однако недавняя стандартизация и лучшее понимание динамики систем WDM сделали WDM менее затратным в развертывании.

Оптические приемники, в отличие от лазерных источников, обычно широкополосный устройств. Следовательно, демультиплексор должен обеспечивать избирательность по длине волны приемника в системе WDM.

Системы WDM делятся на три различных шаблона длины волны: нормальный (WDM), грубый (CWDM) и плотный (DWDM). Обычный WDM (иногда называемый BWDM) использует две нормальные длины волн 1310 и 1550 на одном волокне. Грубый WDM обеспечивает до 16 каналов в нескольких окна трансмиссии кремнеземных волокон. Плотный WDM (DWDM) использует окно передачи C-Band (1530–1565 нм), но с более плотным разносом каналов. Планы каналов различаются, но типичная система DWDM будет использовать 40 каналов с интервалом 100 ГГц или 80 каналов с интервалом 50 ГГц. Некоторые технологии поддерживают интервал 12,5 ГГц (иногда называемый сверхплотным WDM). Новые возможности усиления (Рамановское усиление ) позволяют расширить используемые длины волн до L-диапазона (1565–1625 нм), более или менее удвоив эти числа.

Грубое мультиплексирование с разделением по длине волны (CWDM), в отличие от DWDM, использует увеличенный разнос каналов, что позволяет использовать менее сложные и, следовательно, более дешевые конструкции приемопередатчиков. Чтобы обеспечить 16 каналов на одном волокне, CWDM использует всю полосу частот, охватывающую второй и третий окна трансмиссии (1310/1550 нм соответственно), включая критические частоты, при которых может происходить ОН-рассеяние. Волокна из диоксида кремния, не содержащие ОН, рекомендуются, если должны использоваться длины волн между вторым и третьим окнами передачи.^{[нужна цитата ]}. Избегая этой области, каналы 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61 остаются, и они наиболее часто используются. С волокнами OS2 проблема водяного пика решена, и можно использовать все возможные 18 каналов.

WDM, CWDM и DWDM основаны на одной и той же концепции использования нескольких длин волн света на одном волокне, но различаются разнесением длин волн, количеством каналов и способностью усиливать мультиплексированные сигналы в оптическом пространстве. EDFA обеспечивают эффективное широкополосное усиление для C-диапазон Рамановское усиление добавляет механизм усиления в L-диапазоне. Для CWDM недоступно широкополосное оптическое усиление, ограничивающее оптические диапазоны до нескольких десятков километров.

Грубый WDM

Серия трансиверов SFP + для передачи данных WDM 10 Гбит / с

Первоначально термин грубое мультиплексирование с разделением по длине волны (CWDM) был довольно общим и описывал несколько различных конфигураций каналов. В общем, выбор разноса каналов и частоты в этих конфигурациях исключил использование усилители на волокне, легированном эрбием (EDFA). До относительно недавней стандартизации этого термина в ITU одно общее определение для CWDM заключалось в том, что два или более сигналов, мультиплексированных на одном волокне, с одним сигналом в диапазоне 1550 нм, а другой в диапазоне 1310 нм.

В 2002 году ITU стандартизировал сетку разнесения каналов для CWDM (ITU-T G.694.2), используя длины волн от 1270 нм до 1610 нм с разносом каналов 20 нм. ITU G.694.2 был пересмотрен в 2003 году для смещения центров каналов на 1 нм, поэтому, строго говоря, центральные длины волн составляют от 1271 до 1611 нм.^[4] Многие длины волн CWDM ниже 1470 нм считаются непригодными для использования на старых G.652 спецификации волокон, из-за повышенного затухания в диапазонах 1270–1470 нм. Новые волокна, соответствующие G.652.C и G.652.D^[5] Стандарты, такие как Corning SMF-28e и Samsung Widepass, практически исключают пик затухания «водяного пика» на 1383 нм и позволяют полностью использовать все 18 каналов ITU CWDM в городских сетях.

Основной характеристикой последнего стандарта ITU CWDM является то, что сигналы не разнесены надлежащим образом для усиления с помощью EDFA. Это ограничивает общий оптический диапазон CWDM примерно до 60 км для сигнала 2,5 Гбит / с, что подходит для использования в городских условиях. Сниженные требования к оптической стабилизации частоты позволяют сопоставимым расходам на CWDM приближаться к стоимости оптических компонентов без WDM.

Приложения CWDM

CWDM используется в кабельное телевидение сети, в которых используются разные длины волн для вниз по течению и вверх по течению сигналы. В этих системах часто используются большие длины волн. Например, нисходящий сигнал может иметь длину 1310 нм, а восходящий сигнал - 1550 нм.^{[нужна цитата ]}

Немного GBIC и малый форм-фактор подключаемый (SFP ) трансиверы используют стандартизированные длины волн CWDM. Оптика GBIC и SFP CWDM позволяет «преобразовать» устаревшую систему коммутации для обеспечения передачи по оптоволокну с мультиплексированием по длинам волн путем выбора совместимых длин волн приемопередатчиков для использования с недорогим устройством пассивного оптического мультиплексирования.^{[нужна цитата ]}

В 10GBASE-LX4 10 Гбит / с физический слой Стандарт является примером системы CWDM, в которой четыре длины волны около 1310 нм, каждая из которых передает поток данных со скоростью 3,125 гигабит в секунду (Гбит / с), используются для передачи совокупных данных 10 Гбит / с.^[6]

Пассивный CWDM - это реализация CWDM без использования электроэнергии. Он разделяет длины волн с помощью пассивных оптических компонентов, таких как полосовые фильтры и призмы. Многие производители продвигают пассивный CWDM для развертывания оптоволокна в домашних условиях.^{[нужна цитата ]}

Плотный WDM

Плотное мультиплексирование с разделением по длине волны (DWDM) первоначально относится к оптическим сигналам, мультиплексированным в диапазоне 1550 нм, чтобы максимально использовать возможности (и стоимость) усилители на эрбиевом волокне (EDFA), которые эффективны для длин волн приблизительно от 1525–1565 нм (диапазон C) или 1570–1610 нм (диапазон L). Изначально EDFA были разработаны для замены SONET / SDH оптико-электро-оптический (OEO) регенераторы, которые они сделали практически устаревшими. EDFA могут усиливать любой оптический сигнал в своем рабочем диапазоне, независимо от модулированной скорости передачи данных. Что касается многоволновых сигналов, пока EDFA имеет достаточно энергии накачки, доступной для него, он может усиливать столько оптических сигналов, сколько может быть мультиплексировано в его полосу усиления (хотя плотности сигналов ограничены выбором формата модуляции). Таким образом, EDFA позволяют повысить скорость передачи данных в одноканальном оптическом канале, заменяя только оборудование на концах канала, при этом сохраняя существующий EDFA или серию EDFA на маршруте большой протяженности. Кроме того, однонаправленные каналы с использованием EDFA можно аналогичным образом модернизировать до каналов WDM по разумной цене. Таким образом, стоимость EDFA используется для максимального количества каналов, которые могут быть мультиплексированы в полосе 1550 нм.

Системы DWDM

На этом этапе базовая система DWDM содержит несколько основных компонентов:

Мультиплексор WDM для связи DWDM

DWDM оконечный мультиплексор. Терминальный мультиплексор содержит транспондер с преобразованием длины волны для каждого сигнала данных, оптический мультиплексор и, при необходимости, оптический усилитель (EDFA). Каждый транспондер с преобразованием длины волны принимает оптический сигнал данных от клиентского уровня, такой как синхронная оптическая сеть [SONET / SDH] или другой тип сигнала данных, преобразует этот сигнал в электрическую область и повторно передает сигнал на определенной длине волны. с помощью лазера диапазона 1550 нм. Эти сигналы данных затем объединяются вместе в многоволновый оптический сигнал с использованием оптического мультиплексора для передачи по одному волокну (например, волокну SMF-28). Терминальный мультиплексор может также включать или не включать в себя локальный передающий EDFA для усиления мощности многоволнового оптического сигнала. В середине 1990-х годов системы DWDM содержали 4 или 8 транспондеров с преобразованием длины волны; к 2000 году или около того были доступны коммерческие системы, способные передавать 128 сигналов.
An повторитель промежуточной линии размещается примерно через каждые 80–100 км, чтобы компенсировать потерю оптической мощности при прохождении сигнала по оптоволокну. «Многоволновой оптический сигнал» усиливается с помощью EDFA, который обычно состоит из нескольких каскадов усилителя.
An промежуточный оптический терминал, или же оптический мультиплексор ввода-вывода. Это удаленный участок усиления, который усиливает многоволновый сигнал, который, возможно, прошел до 140 км или более, прежде чем достигнет удаленного объекта. Оптическая диагностика и телеметрия часто извлекаются или вставляются в такое место, чтобы определить местонахождение любых разрывов волокна или ухудшения сигнала. В более сложных системах (которые больше не являются двухточечными) несколько сигналов из многоволнового оптического сигнала могут быть удалены и отброшены локально.
DWDM терминальный демультиплексор. На удаленном узле терминальный демультиплексор, состоящий из оптического демультиплексора и одного или нескольких транспондеров, преобразующих длину волны, разделяет многоволновый оптический сигнал обратно на отдельные сигналы данных и выводит их по отдельным волокнам для систем уровня клиента (например, в качестве SONET / SDH ). Первоначально это демультиплексирование выполнялось полностью пассивно, за исключением некоторой телеметрии, поскольку большинство систем SONET могут принимать сигналы с длиной волны 1550 нм. Однако для обеспечения возможности передачи в удаленные системы уровня клиента (и для обеспечения возможности определения целостности сигнала цифровой области) такие демультиплексированные сигналы обычно отправляются на выходные транспондеры O / E / O до их ретрансляции на их уровень клиента. системы. Часто функции выходного транспондера интегрируются в функции входного транспондера, так что большинство коммерческих систем имеют транспондеры, поддерживающие двунаправленные интерфейсы как на своей стороне 1550 нм (т.е. внутренней), так и внешней (т.е. обращенной к клиенту) сторона. Транспондеры в некоторых системах, поддерживающих номинальную работу в диапазоне 40 ГГц, также могут работать упреждающее исправление ошибок (FEC) через цифровая оболочка технологии, как описано в ITU-T G.709 стандарт.
Оптический контрольный канал (OSC). Это канал данных, который использует дополнительную длину волны, обычно за пределами диапазона усиления EDFA (на 1510 нм, 1620 нм, 1310 нм или на другой собственной длине волны). OSC передает информацию о многоволновом оптическом сигнале, а также об удаленных условиях на оптическом терминале или на сайте EDFA. Он также обычно используется для удаленного обновления программного обеспечения и информации для управления сетью пользователя (например, оператора сети). Это многоволновый аналог DCC SONET (или контрольного канала). Стандарты ITU предполагают, что OSC следует использовать структуру сигнала OC-3, хотя некоторые поставщики предпочли использовать 100-мегабитный Ethernet или другой формат сигнала. В отличие от многоволнового сигнала 1550 нм, содержащего данные клиента, OSC всегда завершается на промежуточных участках усилителя, где он принимает локальную информацию перед повторной передачей.

Внедрение ITU-T G.694.1^[7] сетка частот в 2002 году упростила интеграцию WDM со старыми, но более стандартными SONET / SDH системы. WDM длины волн расположены в виде сетки, имеющий ровно 100 ГГц (около 0,8 нм) Расстояние между оптической частотой, с опорной частотой, закрепленной на 193.10 ТГц (1,552.52 нм).^[8] Основная сетка размещается внутри полосы пропускания волоконно-оптического усилителя, но ее можно расширить до более широкой полосы пропускания. Первое коммерческое развертывание DWDM было осуществлено корпорацией Ciena в сети Sprint в июне 1996 года.^[9]^[10]^[11] Сегодняшние системы DWDM используют разнос каналов 50 ГГц или даже 25 ГГц для работы до 160 каналов.^[12]

Системы DWDM должны поддерживать более стабильную длину волны или частоту, чем те, которые необходимы для CWDM, из-за более близкого расстояния между длинами волн. В системах DWDM требуется прецизионный контроль температуры лазерного передатчика, чтобы предотвратить «дрейф» за очень узкое частотное окно порядка нескольких ГГц. Кроме того, поскольку DWDM обеспечивает большую максимальную пропускную способность, он, как правило, используется на более высоком уровне в иерархии связи, чем CWDM, например, на Магистраль Интернета и поэтому связан с более высокими скоростями модуляции, тем самым создавая меньший рынок для устройств DWDM с очень высокой производительностью. Эти факторы меньшего объема и более высокой производительности приводят к тому, что системы DWDM обычно дороже, чем CWDM.

Последние инновации в транспортных системах DWDM включают в себя сменные и программно настраиваемые модули приемопередатчиков, способные работать на 40 или 80 каналах. Это значительно снижает потребность в дискретных запасных сменных модулях, когда горстка подключаемых устройств может обрабатывать весь диапазон длин волн.

Транспондеры с преобразованием длины волны

На этом этапе следует обсудить некоторые детали, касающиеся транспондеров с преобразованием длины волны, так как это прояснит роль, которую играет текущая технология DWDM в качестве дополнительного оптического транспортного уровня. Он также будет служить для описания эволюции таких систем за последние 10 лет или около того.

Как указано выше, транспондеры с преобразованием длины волны первоначально служили для преобразования длины волны передачи сигнала клиентского уровня в одну из внутренних длин волн системы DWDM в диапазоне 1550 нм (обратите внимание, что даже внешние длины волн в диапазоне 1550 нм, скорее всего, должны быть переводится, поскольку они почти наверняка не будут иметь требуемых допусков по стабильности частоты и не будут иметь оптической мощности, необходимой для EDFA системы).

Однако в середине 1990-х транспондеры с преобразованием длины волны быстро взяли на себя дополнительную функцию: регенерация сигнала. Регенерация сигнала в транспондерах быстро эволюционировала от 1R до 2R до 3R и до многобитовых регенераторов 3R с контролем служебных данных. Эти различия описаны ниже:

1R: Повторная передача. По сути, ранние транспондеры были «мусором в мусоре» в том смысле, что их выходной сигнал был почти аналоговой «копией» принятого оптического сигнала с небольшой очисткой сигнала. Это ограничивало досягаемость ранних систем DWDM, потому что сигнал должен был быть передан приемнику уровня клиента (вероятно, от другого поставщика), прежде чем сигнал ухудшился слишком сильно. Мониторинг сигнала в основном ограничивался параметрами оптической области, такими как принимаемая мощность.

2R: Повторное время и повторная передача. Транспондеры этого типа были не очень распространены и использовали квазицифровые Триггер Шмитта метод очистки сигнала. Некоторый элементарный контроль качества сигнала выполнялся такими передатчиками, которые в основном смотрели на аналоговые параметры.

3R: Повторное время, повторная передача, изменение формы. Транспондеры 3R были полностью цифровыми и обычно могли SONET / SDH служебные байты уровня раздела, такие как A1 и A2, для определения состояния качества сигнала. Многие системы будут предлагать транспондеры со скоростью 2,5 Гбит / с, что обычно означает, что транспондер может выполнять регенерацию 3R для сигналов OC-3/12/48 и, возможно, гигабитного Ethernet, и сообщать о состоянии сигнала путем мониторинга служебных данных на уровне раздела SONET / SDH. байтов. Многие транспондеры смогут выполнять полный многоскоростной 3R в обоих направлениях. Некоторые поставщики предлагают транспондеры со скоростью 10 Гбит / с, которые будут выполнять мониторинг служебных данных на уровне секции на всех скоростях до OC-192 включительно.

Мукспондер: В мукспондер (от мультиплексированного транспондера) имеет разные названия в зависимости от производителя. По сути, он выполняет относительно простое мультиплексирование с временным разделением сигналов с более низкой скоростью в несущую с более высокой скоростью в системе (типичным примером является возможность принимать 4 OC-48, а затем выводить один OC-192 в полосе 1550 нм. ). Более поздние разработки мукспондеров вбирают в себя все больше и больше функциональных возможностей TDM, в некоторых случаях устраняя необходимость в традиционных SONET / SDH транспортное оборудование.

Реконфигурируемый оптический мультиплексор ввода-вывода (ROADM)

Как упоминалось выше, промежуточные участки оптического усиления в системах DWDM могут допускать удаление и добавление каналов с определенной длиной волны. В большинстве систем, развернутых по состоянию на август 2006 г., это делается нечасто, потому что добавление или уменьшение длин волн требует вручную вставлять или заменять карты выбора длины волны. Это дорого, и в некоторых системах требуется, чтобы весь активный трафик был удален из системы DWDM, поскольку вставка или удаление карт, зависящих от длины волны, прерывает многоволновый оптический сигнал.

С помощью ROADM операторы сети могут удаленно перенастроить мультиплексор, отправив программные команды. Архитектура ROADM такова, что удаление или добавление длин волн не прерывает "сквозные" каналы. Для различных коммерческих ROADM используются многочисленные технологические подходы, при этом компромисс между стоимостью, оптической мощностью и гибкостью.

Оптические кроссы (OXC)

Когда топология сети представляет собой сетку, где узлы соединены между собой волокнами, чтобы сформировать произвольный граф, необходимо дополнительное устройство волоконно-оптических соединений для маршрутизации сигналов от входного порта к желаемому выходному порту. Эти устройства называются оптическими кросс-коннекторами (OXC). Различные категории OXC включают электронные («непрозрачные»), оптические («прозрачные») устройства и устройства с избирательной длиной волны.

Улучшенный WDM

Cisco Усовершенствованная система WDM объединяет соединения с мультиплексированием с грубым волновым разделением (CWDM) 1 Гб с использованием модулей SFP и GBIC с соединениями с мультиплексированием с плотным волновым разделением (DWDM) 10 Гб с КСЕНПАК, X2 или же XFP Модули DWDM. Эти DWDM-соединения могут быть либо пассивными, либо усиленными, чтобы обеспечить большее расстояние для соединения. В дополнение к этому, модули CFP предоставляют Ethernet 100 Гбит / с, подходящий для высокоскоростных магистральных подключений к Интернету.

Коротковолновый WDM

Коротковолновый WDM использует лазер с поверхностным излучением с вертикальным резонатором (VCSEL) трансиверы с четырьмя длинами волн в диапазоне от 846 до 953 нм по одному волокну OM5 или возможность подключения по двум волокнам для волокна OM3 / OM4.^[6]

Трансиверы против транспондеров

Трансиверы - Поскольку связь на одной длине волны является односторонней (симплексная связь ), а для большинства практичных систем связи требуется двусторонняя (дуплексная связь ) связь, две длины волны потребуются, если на одном и том же волокне; если отдельные волокна используются в так называемой паре волокон, то обычно используется одна и та же длина волны, и это не WDM. В результате на каждом конце потребуются и передатчик, и приемник. Комбинация передатчика и приемника называется приемопередатчиком; он преобразует электрический сигнал в оптический и обратно. Приемопередатчики WDM, предназначенные для однонитевой работы, требуют, чтобы передатчики противоположной стороны использовали разные длины волн. Для приемопередатчиков WDM дополнительно требуется оптический разветвитель / сумматор, чтобы соединить тракты передатчика и приемника на одном жиле волокна.
- Грубый WDM (CWDM) Длины волн приемопередатчика: 1271 нм, 1291 нм, 1311 нм, 1331 нм, 1351 нм, 1371 нм, 1391 нм, 1411 нм, 1431 нм, 1451 нм, 1471 нм, 1491 нм, 1511 нм, 1531 нм, 1551 нм, 1571 нм, 1591 нм, 1611 нм.
- Приемопередатчики плотного WDM (DWDM): канал 17 - канал 61 согласно ITU-T.
Транспондер - На практике входы и выходы сигналов будут не электрическими, а оптическими (обычно на длине волны 1550 нм). Это означает, что вместо этого нужны преобразователи длины волны, а именно транспондер. Транспондер может состоять из двух приемопередатчиков, размещенных друг за другом: первый приемопередатчик преобразует оптический сигнал 1550 нм в / из электрического сигнала, а второй приемопередатчик преобразует электрический сигнал в / из оптического сигнала на требуемой длине волны. Транспондеры, которые не используют промежуточный электрический сигнал (полностью оптические транспондеры), находятся в разработке.

Смотрите также транспондеры (оптическая связь) для различных функциональных представлений о значении оптических транспондеров.

Реализации

Существует несколько инструментов моделирования, которые можно использовать для проектирования систем WDM.