На Хабре не так много статей, посвященных технологиям оптических линий связи. Совсем недавно появилась статья об оптическом бюджете, были статьи о мощных системах DWDM, и краткая статья о применении системы CWDM. Я постараюсь дополнить эти материалы и рассказать Вам вкратце обо всех самых распространенных и доступных в России способах использования ресурса волоконно-оптических линий связи в сетях передачи данных и — совсем немножко — кабельного телевидения.
Самое распространенное одномодовое оптическое волокно — это SMF G.652 разных модификаций. Практически наверняка, если у Вас есть волоконно-оптическая линия, она сделана из волокна G.652. У него есть ряд важных характеристик, которые надо иметь в виду.
Удельное (его ещё называют километрическим) затухание — то есть затухание одного километра волокна — зависит от длины волны излучения.
Википедия подсказывает нам следующее распределение:
.
В реальной жизни сейчас картина получше, в частности удельное затухание в окне 1310нм обычно укладывается в 0.35дБ/км, в окне 1550нм оно порядка 0.22-0.25дБ/км, а так называемый «водяной пик» в районе 1400-1450нм у современных волокон не так сильно выражен, либо вообще отсутствует.
Тем не менее, надо иметь в виду эту картину и само наличие этой зависимости.
Исторически диапазон длин волн, который пропускается оптическим волокном, делится на следующие диапазоны:
O — 1260…1360
E — 1360…1460
S — 1460…1530
C — 1530…1565
L — 1565…1625
U — 1625…1675
(цитирую по той же статье на Википедии).
С приемлемым приближением свойства волокна внутри каждого диапазона можно считать примерно одинаковыми. Водяной пик приходится, как правило, на длинноволновый конец E-диапазона. Ещё будем иметь в виду, что удельное (километрическое) затухание в O-диапазоне примерно в полтора раза выше, чем в S- и в С-диапазоне, удельная хроматическая дисперсия — наоборот, имеет нулевой минимум на длине волны в 1310нм и ненулевая в C-диапазоне.
Первоначально дуплексная волоконно-оптическая линия связи требовала для работы два волокна: по одному волокну шла передача информации в одну сторону, по другому волокну — в другую. Это удобно своей очевидностью, но довольно расточительно по отношению к использованию ресурса проложенного кабеля.
Поэтому, как только стала позволять технология, стали появляться решения для передачи информации в обе стороны по одному волокну. Названия подобных решений — «одноволоконные трансиверы», «WDM», «bi-directional».
В самых распространенных вариантах используются длины волн 1310 и 1550нм, соответственно из O- и C-диапазона. «В дикой природе» трансиверы на эти длины волн встречаются для линий до 60км. Более «дальнобойные» варианты делаются на другие комбинации — 1490/1550, 1510/1570 и тому подобные варианты с использованием окон прозрачности с мЕньшим удельным затуханием, чем в O-диапазоне.
Кроме вышеперечисленных пар длин волн, возможно встретить комбинацию 1310/1490нм — она используется, если одновременно с данными по этому же волокну передается сигнал кабельного телевидения на длине волны 1550нм; или 1270/1330нм — она используется для передачи 10Гбит/с потоков.
Раз уж я затронул тему КТВ, расскажу о нем ещё немного.
Для доставки сигнала кабельного телевидения от головной станции до многоквартирного дома сейчас тоже используется оптика. Для него используется либо длина волны 1310нм — здесь минимальная хроматическая дисперсия, то есть искажение сигнала; либо длина волны 1550нм — здесь минимальное удельное затухание и возможно применение чисто-оптического усиления с использованием EDFA. Если есть необходимость доставки на один дом одновременно и потока данных (интернет) и синала КТВ, нужно либо использовать два отдельных волокна, либо несложное пассивное устройство — фильтр FWDM.
Это обратимое устройство (то есть одно и то же устройсто используется как для мультиплексирования, так и для демультиплексирования потоков) с тремя выводами: под КТВ, одноволоконный трансивер и общий выход (см. схему). Таким образом можно строить сеть PON или Ethernet, используя для передачи данных длины волн 1310/1490, а для КТВ — 1550нм.
Об уплотнении CWDM уже вкратце рассказал theslim. От себя дополню лишь, что указанные в статье каналы на прием и передачу данных — это чистая условность, мультиплекору абсолютно всё равно, в какую сторону идет сигнал в каждом канале; а оптические приемники — широкополосные, они реагируют на излучение любой длины волны. Из важных моментов, которые надо иметь в виду при проектировании линии CWDM — это различие удельного затухания в волокне на разных каналах (см. первый раздел настоящей статьи), а также различие вносимого самим мультиплексором затухания. Мультиплексор сделан из последовательно соединенных фильтров, и если для первого в цепочке канала затухание может быть меньше одного децибела, то для последнего оно будет ближе к четырем (эти значения приведены для мультиплексора 1х16, на 16 длин волн). Также полезно помнить, что никто не запрещает строить двухволоконные CWDM-линии, просто объединив две пары мультиплексоров в один функциональный блок.
Кроме этого замечу, что вполне возможно часть частотного ресурса выделить под КТВ, передавая по одному волокну до семи дуплексных потоков данных одновременно с аналоговым телевидением.
Система DWDM принципиально ничем не отличается от CWDM, но — как говорится — «дьявол кроется в деталях». Если шаг каналов в CWDM — 20нм, то для DWDM он гораздо уже и измеряется в гигагерцах (самый распространенный сейчас вариант — 100ГГц, или около 0.8нм; также возможен устаревающий вариант с полосой 200ГГЦ и постепенно распространяются более современные — 50 и 25ГГц). Частотный диапазон DWDM лежит в C- и L-диапазоне, по 40 каналов в 100ГГц в каждом. Из этого следует несколько важных свойств DWDM-систем.
Во-первых, они значительно дороже CWDM. Для их использования требуются лазеры со строгим допуском по длине волны и мультиплексоры очень высокой избирательности.
Во-вторых, используемые диапазоны лежат в рабочих зонах оптических усилителей EDFA. Это позволяет строить длинные линии с чисто-оптическим усилением без необходимости оптоэлектронного преобразования сигнала. Именно это свойство привело к тому, что многие при слове «DWDM» сразу представляют себе именно сложные системы монстров телеком-рынка, хотя подобное оборудование можно использовать и в более простых системах.
И в-третих, затухание в C- и L-диапазонах минимально из всего окна прозрачности оптического волокна, что позволяет даже без усилителей строить линии бОльшей длины, чем при использовании CWDM.
Мультиплексоры DWDM — это так же пассивные устройства, как и мультиплексоры CWDM. Для числа каналов до 16 они также устроены из отдельных фильтров, и это довольно простые устройства. Однако мультиплексоры для бОльшего числа каналов делаются по технологии Arrayed Wavelength Grating, крайне чувствительной к изменениям температуры. Поэтому такие мультиплексоры выпускаются либо с электронной схемой термостабилизации (Thermal AWG), либо с применением специальных способов автокомпенсации, не требующих энергии (Athermal AWG). Это делает такие мультиплексоры более дорогими и нежными в эксплуатации.
В заключение я немного расскажу об ограничениях, с которыми приходится иметь дело при организации связи по оптике.
Как совершенно справедливо отметил товарищ saul, первое ограничение — это оптический бюджет.
Дополню его некоторыми уточнениями.
Если мы говорим о двухволоконных линиях связи, расчет оптического бюджета достаточно сделать для одной длины волны — той, на которой будет вестись передача.
Как только у нас появляется волновое уплотнение (особенно в случае одноволоконных трансиверов или систем CWDM) — сразу надо вспомнить про неравномерность удельного затухания волокна на разных длинах волн и про затухание, вносимое мультиплексорами.
Если мы строим систему с промежуточными ответвлениями на OADM — не забываем посчитать затухание на OADM. Кстати, оно отличается для сквозного канала и выводимых длин волн.
Не забываем оставить несколько децибел эксплуатационного запаса.
Второе, с чем приходится иметь дело — это хроматическая дисперсия. Актуальной она по-настоящему становится для 10Гбит/с линий, и вообще говоря, о ней в первую очередь думает производитель оборудования. Кстати, именно дисперсия придает физический смысл упоминанию километров в маркетинговых названиях трансиверов. Специалисту эксплуатации просто полезно понимать, что есть такое свойство волокна и что кроме затухания сигнала в волокне картину портит ещё и дисперсия.
Для простых систем без усилителей расчет линии в основном сводится к расчету оптического бюджета, а тема расчета линии с усилителями вполне достойна отдельной статьи.
Вот, вкратце, инженерные основы технологий уплотнения в оптических линиях. Надеюсь, эта информация будет полезна читателям; на возникшие вопросы я с радостью отвечу.
Начало. Свойства стандартного одномодового волокна G.652
Самое распространенное одномодовое оптическое волокно — это SMF G.652 разных модификаций. Практически наверняка, если у Вас есть волоконно-оптическая линия, она сделана из волокна G.652. У него есть ряд важных характеристик, которые надо иметь в виду.
Удельное (его ещё называют километрическим) затухание — то есть затухание одного километра волокна — зависит от длины волны излучения.
Википедия подсказывает нам следующее распределение:
. В реальной жизни сейчас картина получше, в частности удельное затухание в окне 1310нм обычно укладывается в 0.35дБ/км, в окне 1550нм оно порядка 0.22-0.25дБ/км, а так называемый «водяной пик» в районе 1400-1450нм у современных волокон не так сильно выражен, либо вообще отсутствует.
Тем не менее, надо иметь в виду эту картину и само наличие этой зависимости.
Исторически диапазон длин волн, который пропускается оптическим волокном, делится на следующие диапазоны:
O — 1260…1360
E — 1360…1460
S — 1460…1530
C — 1530…1565
L — 1565…1625
U — 1625…1675
(цитирую по той же статье на Википедии).
С приемлемым приближением свойства волокна внутри каждого диапазона можно считать примерно одинаковыми. Водяной пик приходится, как правило, на длинноволновый конец E-диапазона. Ещё будем иметь в виду, что удельное (километрическое) затухание в O-диапазоне примерно в полтора раза выше, чем в S- и в С-диапазоне, удельная хроматическая дисперсия — наоборот, имеет нулевой минимум на длине волны в 1310нм и ненулевая в C-диапазоне.
Простейшие системы уплотнения — двунаправленная передача по одному волокну
Первоначально дуплексная волоконно-оптическая линия связи требовала для работы два волокна: по одному волокну шла передача информации в одну сторону, по другому волокну — в другую. Это удобно своей очевидностью, но довольно расточительно по отношению к использованию ресурса проложенного кабеля.
Поэтому, как только стала позволять технология, стали появляться решения для передачи информации в обе стороны по одному волокну. Названия подобных решений — «одноволоконные трансиверы», «WDM», «bi-directional».
В самых распространенных вариантах используются длины волн 1310 и 1550нм, соответственно из O- и C-диапазона. «В дикой природе» трансиверы на эти длины волн встречаются для линий до 60км. Более «дальнобойные» варианты делаются на другие комбинации — 1490/1550, 1510/1570 и тому подобные варианты с использованием окон прозрачности с мЕньшим удельным затуханием, чем в O-диапазоне.
Кроме вышеперечисленных пар длин волн, возможно встретить комбинацию 1310/1490нм — она используется, если одновременно с данными по этому же волокну передается сигнал кабельного телевидения на длине волны 1550нм; или 1270/1330нм — она используется для передачи 10Гбит/с потоков.
Мультиплексирование данных и кабельного телевидения
Раз уж я затронул тему КТВ, расскажу о нем ещё немного.
Для доставки сигнала кабельного телевидения от головной станции до многоквартирного дома сейчас тоже используется оптика. Для него используется либо длина волны 1310нм — здесь минимальная хроматическая дисперсия, то есть искажение сигнала; либо длина волны 1550нм — здесь минимальное удельное затухание и возможно применение чисто-оптического усиления с использованием EDFA. Если есть необходимость доставки на один дом одновременно и потока данных (интернет) и синала КТВ, нужно либо использовать два отдельных волокна, либо несложное пассивное устройство — фильтр FWDM.
Это обратимое устройство (то есть одно и то же устройсто используется как для мультиплексирования, так и для демультиплексирования потоков) с тремя выводами: под КТВ, одноволоконный трансивер и общий выход (см. схему). Таким образом можно строить сеть PON или Ethernet, используя для передачи данных длины волн 1310/1490, а для КТВ — 1550нм.
CWDM и DWDM
Об уплотнении CWDM уже вкратце рассказал theslim. От себя дополню лишь, что указанные в статье каналы на прием и передачу данных — это чистая условность, мультиплекору абсолютно всё равно, в какую сторону идет сигнал в каждом канале; а оптические приемники — широкополосные, они реагируют на излучение любой длины волны. Из важных моментов, которые надо иметь в виду при проектировании линии CWDM — это различие удельного затухания в волокне на разных каналах (см. первый раздел настоящей статьи), а также различие вносимого самим мультиплексором затухания. Мультиплексор сделан из последовательно соединенных фильтров, и если для первого в цепочке канала затухание может быть меньше одного децибела, то для последнего оно будет ближе к четырем (эти значения приведены для мультиплексора 1х16, на 16 длин волн). Также полезно помнить, что никто не запрещает строить двухволоконные CWDM-линии, просто объединив две пары мультиплексоров в один функциональный блок.
Кроме этого замечу, что вполне возможно часть частотного ресурса выделить под КТВ, передавая по одному волокну до семи дуплексных потоков данных одновременно с аналоговым телевидением.
Система DWDM принципиально ничем не отличается от CWDM, но — как говорится — «дьявол кроется в деталях». Если шаг каналов в CWDM — 20нм, то для DWDM он гораздо уже и измеряется в гигагерцах (самый распространенный сейчас вариант — 100ГГц, или около 0.8нм; также возможен устаревающий вариант с полосой 200ГГЦ и постепенно распространяются более современные — 50 и 25ГГц). Частотный диапазон DWDM лежит в C- и L-диапазоне, по 40 каналов в 100ГГц в каждом. Из этого следует несколько важных свойств DWDM-систем.
Во-первых, они значительно дороже CWDM. Для их использования требуются лазеры со строгим допуском по длине волны и мультиплексоры очень высокой избирательности.
Во-вторых, используемые диапазоны лежат в рабочих зонах оптических усилителей EDFA. Это позволяет строить длинные линии с чисто-оптическим усилением без необходимости оптоэлектронного преобразования сигнала. Именно это свойство привело к тому, что многие при слове «DWDM» сразу представляют себе именно сложные системы монстров телеком-рынка, хотя подобное оборудование можно использовать и в более простых системах.
И в-третих, затухание в C- и L-диапазонах минимально из всего окна прозрачности оптического волокна, что позволяет даже без усилителей строить линии бОльшей длины, чем при использовании CWDM.
Мультиплексоры DWDM — это так же пассивные устройства, как и мультиплексоры CWDM. Для числа каналов до 16 они также устроены из отдельных фильтров, и это довольно простые устройства. Однако мультиплексоры для бОльшего числа каналов делаются по технологии Arrayed Wavelength Grating, крайне чувствительной к изменениям температуры. Поэтому такие мультиплексоры выпускаются либо с электронной схемой термостабилизации (Thermal AWG), либо с применением специальных способов автокомпенсации, не требующих энергии (Athermal AWG). Это делает такие мультиплексоры более дорогими и нежными в эксплуатации.
Практические ограничения в волоконно-оптической связи
В заключение я немного расскажу об ограничениях, с которыми приходится иметь дело при организации связи по оптике.
Как совершенно справедливо отметил товарищ saul, первое ограничение — это оптический бюджет.
Дополню его некоторыми уточнениями.
Если мы говорим о двухволоконных линиях связи, расчет оптического бюджета достаточно сделать для одной длины волны — той, на которой будет вестись передача.
Как только у нас появляется волновое уплотнение (особенно в случае одноволоконных трансиверов или систем CWDM) — сразу надо вспомнить про неравномерность удельного затухания волокна на разных длинах волн и про затухание, вносимое мультиплексорами.
Если мы строим систему с промежуточными ответвлениями на OADM — не забываем посчитать затухание на OADM. Кстати, оно отличается для сквозного канала и выводимых длин волн.
Не забываем оставить несколько децибел эксплуатационного запаса.
Второе, с чем приходится иметь дело — это хроматическая дисперсия. Актуальной она по-настоящему становится для 10Гбит/с линий, и вообще говоря, о ней в первую очередь думает производитель оборудования. Кстати, именно дисперсия придает физический смысл упоминанию километров в маркетинговых названиях трансиверов. Специалисту эксплуатации просто полезно понимать, что есть такое свойство волокна и что кроме затухания сигнала в волокне картину портит ещё и дисперсия.
Для простых систем без усилителей расчет линии в основном сводится к расчету оптического бюджета, а тема расчета линии с усилителями вполне достойна отдельной статьи.
Вот, вкратце, инженерные основы технологий уплотнения в оптических линиях. Надеюсь, эта информация будет полезна читателям; на возникшие вопросы я с радостью отвечу.
